JP7498409B2 - 無線通信システム、中継装置、無線通信方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システム、中継装置、無線通信方法及びプログラムに関する。

小型の端末装置をインターネットに接続させて様々なアプリケーションを実現するＩｏＴ（Internet of Things）システムが普及している。ＩｏＴシステムの応用例として、複数のＩｏＴ端末が、気温、室温、加速度、及び光度などの環境情報をセンシングして無線信号で送信し、クラウド側が環境情報を収集するシステムが知られている。各種センサを備えたＩｏＴ端末は、様々な場所に設置される。基地局の設置が困難な場所（例えば、海上のブイ、船舶、及び山岳地帯）からデータを収集するためにＩｏＴを活用することも想定されている。

一方で、通信衛星又は無人航空機（Unmanned Aerial Vehicle：UAV）などを中継局として、地上の複数の通信装置と中継局との間で無線通信を行う無線システムがある。通信衛星を中継局とする無線システムとして、高度１，０００ｋｍ前後の低い軌道を周回する低軌道衛星（ＬＥＯ：Low Earth Orbit）が用いられる場合と、高度３６，０００ｋｍを周回する静止衛星（ＧＥＯ：Geostationary Orbit）が用いられる場合とがある。低軌道衛星では、静止衛星に比べて信号の伝搬距離が短い。そのため、低軌道衛星を中継局とする場合、低遅延かつ低伝搬損失な通信の実現が可能である。また、この場合、低軌道衛星や地上の通信装置に備えられる高周波回路の構成は簡易になる。しかしながら、低軌道衛星は、静止衛星とは異なり地球の上空を周回するので、低軌道衛星を地上の通信装置から見る方向が常時変化する。地上の各通信装置における低軌道衛星の一周回当たりの可視時間は数分である。そのため、低軌道衛星と地上の各通信装置とが通信可能な時間帯は制限されている。

一方で、ＩｏＴ端末の通信に適した低電力かつ低伝送レートで広域通信が可能な無線システムとして、ＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）が知られている。昨今、ＬＰＷＡを用いてデータをＩｏＴ端末から収集する通信衛星を備える衛星ＩｏＴシステムが検討されている。一般的に、通信衛星と地上の通信装置との間の通信の無線信号の伝搬距離は、地上の複数の通信装置の間で直接通信する無線通信に比べて長い。また、低軌道衛星を用いることにより、ＬＰＷＡの適用が可能になる。このような衛星ＩｏＴシステムの場合、通常のＬＰＷＡのみでは困難であった収容（例えば、航空分野、船舶分野、及びルーラルエリアでのＩｏＴ端末の収容）が可能になる。またこの場合、ハブ局を必要としないため、サービス展開が容易になる。

また昨今、ＩｏＴ端末数は、増加の一途をたどっている。また、ＬＰＷＡはデータレートが低いため、ＩｏＴ端末がデータを送信している時間は、相対的に長くなる。そのため、ＩｏＴ端末数の増加とともにデータパケット同士が衝突する機会の増加が懸念される。これに対し、例えば非特許文献１には、ＬＰＷＡネットワークにおける端末の自律分散的な送信スケジュール制御により、基地局におけるデータ受信時の衝突を回避する手法が記載されている。非特許文献１に記載の手法では、各端末の送信タイミングが位相振動子モデルで表現される。各端末は、自端末の位相が０になるのを待ってから、データを送信する。当該手法は、全端末の位相が互いに等間隔となる逆相同期状態を実現することで、データの衝突を回避させる。

小南 大智，合原 一究，村田 正幸，「ＬＰＷＡネットワークにおける基地局負荷の分散を考慮した自律分散型送信スケジュール手法」，電子情報通信学会技術研究報告（信学技報），vol.117 no.353 IN2017-67，pp.127-132，2017年12月

ＩｏＴシステムでは、中継局が、通信対象エリア内にビームを照射することによって、ビームの照射範囲に位置している各ＩｏＴ端末から、端末アップリンク信号を受信する。このような通信の信頼性を確保するため、各ＩｏＴ端末は基地局へのデータ送信を複数回繰り返すことがある。すなわち、多くの端末アップリンク信号がＩｏＴ端末から送信されることがある。また、多数のＩｏＴ端末がデータを送信することから、スロット数を超える送信機会が生じることがある。このように、ＩｏＴシステムでは、通信の混雑度が変動する場合がある。

しかしながら、非特許文献１に記載された手法では、各ＩｏＴ端末に与えられた互いに異なるタイミングで、各ＩｏＴ端末が端末アップリンク信号を単に一律に送信する。また、当該手法は、基地局の占有状況に応じて送信スケジュールを制御するものではない。そのため、非特許文献１に記載された手法では、通信の混雑度が変動する場合において、データの衝突が発生し、通信の信頼性が低下することがある。

そこで、各ＩｏＴ端末が配置された通信対象エリア内に衛星から照射されるビームの径をビームフォーミングによって絞り、ビームの照射範囲をスポット化することによって、同時に通信可能なＩｏＴ端末を少なくするという方法がある。これによって、各ＩｏＴ端末から送信されたデータの衝突を発生し難くして、通信の信頼性の低下を抑制することが可能である。しかしながら、ビームの照射範囲がスポット化されるほど、広いカバレッジを実現することは困難になる。広いカバレッジを実現するには、通信対象エリアの全体をカバーするようにビームの本数を増やす必要があるが、ビームの本数に応じて多くのアンテナ素子が必要となるのでコストが高くなるという課題がある。

上記事情に鑑み、本発明は、ビームの本数を必要以上に増やすことなく広いカバレッジを実現することができる無線通信システム、中継装置、無線通信方法及びプログラムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、通信対象エリアを分割する複数の小エリアのうちの１以上の小エリアに位置している１以上の第１通信装置と、中継装置と、第２通信装置とを有する無線通信システムであって、前記中継装置は、前記通信対象エリアよりも狭い照射範囲の１以上のビームを前記通信対象エリアに照射しながら前記複数の小エリアを前記ビームで走査するように１以上のアンテナを駆動するアンテナ駆動部と、前記照射範囲に位置している前記第１通信装置から送信された第１無線信号を前記アンテナから取得する受信部と、前記第１無線信号に応じた第２無線信号を前記第２通信装置に送信する送信部とを備える、無線通信システムである。

また、本発明の一態様は、通信対象エリアを分割する複数の小エリアのうちの１以上の小エリアに位置している１以上の第１通信装置と、第２通信装置と、移動可能な中継装置とを有する無線通信システムにおける前記中継装置であって、前記通信対象エリアよりも狭い照射範囲の１以上のビームを前記通信対象エリアに照射しながら前記複数の小エリアを前記ビームで走査するように１以上のアンテナを駆動するアンテナ駆動部と、前記照射範囲に位置している前記第１通信装置から送信された第１無線信号を前記アンテナから取得する受信部と、前記第１無線信号に応じた第２無線信号を前記第２通信装置に送信する送信部とを備える中継装置である。

また、本発明の一態様は、通信対象エリアを分割する複数の小エリアのうちの１以上の小エリアに位置している１以上の第１通信装置と、中継装置と、第２通信装置とを有する無線通信システムが実行する無線通信方法であって、前記中継装置は、前記通信対象エリアよりも狭い照射範囲の１以上のビームを前記通信対象エリアに照射しながら前記複数の小エリアを前記ビームで走査するように１以上のアンテナを駆動し、前記照射範囲に位置している前記第１通信装置から送信された第１無線信号を前記アンテナから取得し、前記第１無線信号に応じた第２無線信号を前記第２通信装置に送信する、無線通信方法である。

また、本発明の一態様は、上記の無線通信システムの中継装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。

本発明により、ビームの本数を必要以上に増やすことなく広いカバレッジを実現することが可能となる。

本発明の第１の実施形態による無線通信システムの構成図である。 同実施形態によるビームの走査例を示す図である。 同実施形態によるビームの走査処理を示すフロー図である。 同実施形態による無線通信システムのデータ収集処理を示すフロー図である。 同実施形態による無線通信システムのデータ収集処理を示すフロー図である。 同実施形態による無線通信システムの送信制御処理を示すフロー図である。 本発明の第１の実施形態の変形例１による無線通信システムの構成図である。 同変形例による無線通信システムのデータ収集処理を示すフロー図である。 本発明の第１の実施形態の変形例２による無線通信システムの構成図である。 同実施形態によるビームの走査例を示す図である。 同実施形態によるビームの走査処理を示すフロー図である。 同変形例による無線通信システムのデータ収集処理を示すフロー図である。 同変形例による無線通信システムの送信制御処理を示すフロー図である。 本発明の第２の実施形態による無線通信システムの構成図である。 同実施形態による無線通信システムの送信制御処理を示すフロー図である。 本発明の第３の実施形態による無線通信システムの構成図である。 同実施形態による無線通信システムの送信制御処理を示すフロー図である。 各実施形態による移動中継局の機能部のハードウェア構成例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による無線通信システム１の構成図である。無線通信システム１は、移動中継局２と、端末局３と、基地局４とを有する。無線通信システム１が有する移動中継局２、端末局３及び基地局４のそれぞれの数は任意であるが、端末局３の数は多数であることが想定される。無線通信システム１は、即時性が要求されない情報の伝送を行う通信システムである。複数の端末局３からそれぞれ送信された情報は、移動中継局２を介して伝送され、基地局４によって収集される。

移動中継局２は、移動体に搭載され、通信可能なエリアが時間の経過により移動する中継装置の一例である。移動中継局２は、例えば、ＬＥＯ（Low Earth Orbit）衛星に備えられる。ＬＥＯ衛星の高度は２０００ｋｍ以下であり、地球の上空を１周約１．５時間程度で周回する。端末局３及び基地局４は、地上や海上など地球上に設置される。複数の端末局３は、互いに異なる場所に存在する。端末局３は、例えば、ＩｏＴ端末である。端末局３は、センサが検出した環境データ等のデータを収集し、移動中継局２へ無線信号により送信する。同図では、２台の端末局３のみを示している。移動中継局２は、地球の上空を移動しながら、複数の端末局３それぞれから送信されたデータを無線信号により受信する。移動中継局２は、受信したこれらのデータを蓄積し、蓄積しておいたデータを、基地局４との通信が可能なタイミングで一括して基地局４へ無線送信する。基地局４は、端末局３が収集したデータを移動中継局２から受信する。

移動中継局２として、静止衛星や、ドローン、ＨＡＰＳ（High Altitude Platform Station）などの無人航空機に搭載された中継局を用いることが考えられる。しかし、静止衛星に搭載された中継局の場合、地上のカバーエリア（フットプリント）は広いものの、高度が高いために、地上に設置されたＩｏＴ端末に対するリンクバジェットは非常に小さい。一方、ドローンやＨＡＰＳに搭載された中継局の場合、リンクバジェットは高いものの、カバーエリアが狭い。さらには、ドローンにはバッテリーが、ＨＡＰＳには太陽光パネルが必要である。本実施形態では、一例としてＬＥＯ衛星に、移動中継局２が搭載される。よって、リンクバジェットは限界内に収まることに加え、ＬＥＯ衛星は、大気圏外を周回するために空気抵抗がなく、燃料消費も少ない。また、ドローンやＨＡＰＳに中継局を搭載する場合と比較して、フットプリントも大きい。

ＬＥＯ衛星に搭載された移動中継局２は、高速で移動しながら通信を行うため、個々の端末局３や基地局４が移動中継局２と通信可能な時間は限られている。具体的には、端末局３が移動中継局２を地上から見た場合、移動中継局２は、１０分程度で上空を通り過ぎる。また、端末局３には、様々な仕様の無線通信方式が使用される。そこで、移動中の移動中継局２は、端末アップリンク信号を現在位置におけるカバレッジ内の端末局３から受信し、受信した端末アップリンク信号の波形データを保存しておく。移動中継局２は、カバレッジに基地局４が存在するタイミングにおいて、端末アップリンク信号の波形データを含む基地局ダウンリンク信号を、基地局４に無線送信する。基地局４は、移動中継局２から受信した基地局ダウンリンク信号を復調して、端末アップリンク信号の波形データを得る。基地局４は、波形データが表す端末アップリンク信号に対して復調及び復号を行うことにより、端末局３が送信したデータである端末送信データを得る。

なお、本実施形態による無線通信システム１では、移動中継局２と端末局３とが、一例としてＬＰＷＡを用いて無線通信を行う。各々の端末局３は、通信の信頼性を確保するために、同一の端末アップリンク信号を複数回、移動中継局２へ向けて送信してもよい。さらに、前述のとおり、端末局３の数は多数であることが想定される。このような構成により、端末局３から移動中継局２へ送信されるデータの通信量が増大し、通信帯域が逼迫する場合がある。本実施形態による無線通信システム１では、通信帯域の逼迫を防ぐため、移動中継局２が地上に照射するビームの径は絞られる。このような、ビームの照射範囲のスポット化によって、同時に通信可能なＩｏＴ端末の台数が少なくなるので、データの衝突を発生し難くして、通信の信頼性の低下を抑制することが可能である。また、通信対象エリアがビームで走査されるので、ビームの本数を必要以上に増やすことなく、広いカバレッジを実現することができる。

各々の端末局３は、環境データ等の所定データを含む端末アップリンク信号を、のデータを移動中継局２へ送信する。各々の端末局３は、環境データ等の所定データと自局の位置を示す位置情報とを含む端末アップリンク信号を、移動中継局２へ送信してもよい。なお、端末局３は、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信機等の測位装置を備えており、自局の位置を示す位置情報を生成する。

移動中継局２は、端末アップリンク信号を、各端末局３から受信する。移動中継局２は、通信の混雑度を測定する。通信の混雑度とは、例えば、移動中継局２における、複数の端末局３からの単位時間当たりの端末アップリンク通信のアクセス数（単位時間当たりの端末アップリンク信号の送信頻度）、又は端末アップリンク通信の周波数帯のＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator：受信信号強度）によって表される度合いである。また、移動中継局２は、端末局３の位置を示す位置情報を、それぞれの端末アップリンク信号から抽出してもよい。

移動中継局２は、通信対象エリアを走査しているビームの走査速度を、通信の混雑度に基づいて変更する。移動中継局２は、通信の混雑度と複数の端末局３のそれぞれの位置を示す位置情報とに基づいて、通信対象エリアを走査しているビームの走査速度を変更してもよい。

このとき、例えば、移動中継局２は、通信対象エリアを分割する小エリアごとの通信の混雑度が複数の小エリアにおいて均一化されるように、走査速度を変更する。なお、ここでいう均一化とは、所定の許容範囲内の誤差が含まれていてもよく、複数の小エリアにおいて通信の混雑度が完全に等しくなることを意味しているわけではない。

ビームの径は、例えば、収容される端末局３の台数と信号干渉とのトレードオフに基づいて定められる。ここで、ビームの径が短くなるほど（ビームの照射範囲がスポット化されるほど）信号利得は向上するが、収容される端末局３（同時に移動中継局２に接続可能な端末局３）の台数は減少する。

なお、通信対象エリアを分割する各小エリアの径は、例えば、ビームの径とほぼ等しい長さに予め定められてもよい。すなわち、小エリアの形状及び広さと、ビームの照射範囲の形状及び広さとは、ほぼ同じでもよい。

以下、通信対象エリアを分割する各小エリアに割り当てられる識別情報を「エリア情報」という。移動中継局２は、環境データ等のデータを自己の移動中継局２へ送信することを許可することを示す制御信号（以下、「送信許可信号」という。）を、ビームの照射範囲に位置している端末局３に送信する。移動中継局２は、照射範囲がスポット化されたビームで通信対象エリアを走査しながら、送信許可信号が含まれている端末ダウンリンク信号を、地上の端末局３に送信する。なお、送信許可信号には、ビームが照射されている小エリアのエリア情報が更に含まれてもよい。

端末局３は、送信許可信号を受信した場合（狭ビームの照射範囲に自局が位置している場合）、移動中継局２への端末アップリンク信号の送信を開始する。端末局３は、送信許可信号を受信していない場合（狭ビームの照射範囲に自局が位置していない場合）には、移動中継局２への端末アップリンク信号の送信を行わず、待機する。端末局３は、移動中継局２へ送信する端末アップリンク信号に、環境データ等のデータと自局の位置を示す位置情報とを含める。なお、移動中継局２は、今回の周回時における端末局３の位置情報を用いて、移動中継局２の次の周回時における混雑度を導出（予測）してもよい。

また、端末局３は、小エリアの範囲の経度及び緯度を、エリア情報として予め記憶してもよい。端末局３は、自局の位置の経度及び緯度に基づいて、自局の位置を含む小エリアのエリア情報を認識してもよい。この場合、端末局３は、送信許可信号に含まれるエリア情報に基づく小エリアと、自局の位置が含まれる小エリアとが一致している場合に、移動中継局２への端末アップリンク信号の送信を開始する。

なお、端末局３が、自局の位置が含まれる小エリアを認識することができる場合、端末局３は、移動中継局２へ送信する端末アップリンク信号に、自局の位置を示す位置情報を含める代わりに、自局の位置を含む小エリアのエリア情報を含めてもよい。これによって、移動中継局２は、小エリア内に位置している端末局３の台数を推定することができる。

移動中継局２は、通信対象エリア内の全ての小エリアを網羅するように通信対象エリアをビームで走査することによって、通信の混雑度を均一化させつつ、複数の端末局３との通信を行うことができる。

なお、端末局３から移動中継局２への端末アップリンク信号の送信タイミングを制御するための処理（以下、「送信制御処理」という。）における、各装置の構成及び動作の詳細については後述される。以下、各々の端末局３から送信された環境データ等のデータを、移動中継局２を介して基地局４が収集するための処理（以下、「データ収集処理」という。）における各装置の構成及び動作の詳細についてまず説明する。

（データ収集処理）
データ収集処理における各装置の構成を説明する。
移動中継局２は、アンテナ２１と、端末通信部２２と、データ記憶部２３と、基地局通信部２４と、アンテナ２５とを備える。

端末通信部２２は、受信部２２１と、受信波形記録部２２２とを有する。受信部２２１は、アンテナ２１により端末アップリンク信号を受信する。受信波形記録部２２２は、受信部２２１が受信した端末アップリンク信号の受信波形をサンプリングし、サンプリングにより得られた値を示す波形データを生成する。受信波形記録部２２２は、アンテナ２１における端末アップリンク信号の受信時刻と、生成した波形データとを含む受信波形情報を、データ記憶部２３に書き込む。データ記憶部２３は、受信波形記録部２２２により書き込まれた受信波形情報を記憶する。

基地局通信部２４は、任意の無線通信方式の基地局ダウンリンク信号により、受信波形情報を基地局４へ送信する。基地局通信部２４は、記憶部２４１と、制御部２４２と、送信データ変調部２４３と、送信部２４４とを備える。記憶部２４１は、移動中継局２を搭載しているＬＥＯ衛星の軌道情報と、基地局４の位置とに基づいて、予め計算された送信開始タイミングを記憶する。ＬＥＯの軌道情報は、任意の時刻におけるＬＥＯ衛星の位置、速度、移動方向などを得ることが可能な情報である。送信時刻は、例えば、送信開始タイミングからの経過時間で表してもよい。

制御部２４２は、記憶部２４１に記憶された送信開始タイミングにおいて、受信波形情報を基地局４に送信するように送信データ変調部２４３及び送信部２４４を制御する。送信データ変調部２４３は、受信波形情報を送信データとしてデータ記憶部２３から読み出し、読み出した送信データを変調して基地局ダウンリンク信号を生成する。送信部２４４は、基地局ダウンリンク信号を電気信号から無線信号に変換し、アンテナ２５から送信する。

端末局３は、データ記憶部３１と、送信部３２と、１本または複数本のアンテナ３３とを備える。データ記憶部３１は、センサデータなどを記憶する。送信部３２は、センサデータを端末送信データとしてデータ記憶部３１から読み出し、読み出された端末送信データを含む端末アップリンク信号を、アンテナ３３から無線信号により送信する。

送信部３２は、ＬＰＷＡにより信号を送信する。ＬＰＷＡには、ＬｏＲａＷＡＮ（登録商標）、Ｓｉｇｆｏｘ（登録商標）、ＬＴＥ－Ｍ（Long Term Evolution for Machines）、ＮＢ（Narrow Band）－ＩｏＴ等があるが、任意の無線通信方式を用いることができる。また、送信部３２は、時分割多重又は直交周波数分割多重（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：OFDM）などにより、他の端末局３と送信を行ってもよい。

送信部３２は、使用する無線通信方式において予め決められた方法により、自局が端末アップリンク信号の送信に使用するチャネル及び送信タイミングを決定する。また、送信部３２は、使用する無線通信方式において予め決められた方法により、複数本のアンテナ３３から送信する信号のビーム形成を行ってもよい。

基地局４は、アンテナ４１と、受信部４２と、基地局信号受信処理部４３と、端末信号受信処理部４４とを備える。受信部４２は、アンテナ４１により受信した基地局ダウンリンク信号を、電気信号に変換する。基地局信号受信処理部４３は、受信部４２が電気信号に変換した受信信号の復調及び復号を行い、受信波形情報を得る。基地局信号受信処理部４３は、受信波形情報を端末信号受信処理部４４に出力する。

端末信号受信処理部４４は、受信波形情報が示す端末アップリンク信号の受信処理を行う。このとき、端末信号受信処理部４４は、端末局３が送信に使用した無線通信方式により受信処理を行って端末送信データを取得する。端末信号受信処理部４４は、端末信号復調部４４１と、端末信号復号部４４２とを備える。

端末信号復調部４４１は、波形データを復調し、復調により得られたシンボルを端末信号復号部４４２に出力する。端末信号復調部４４１は、移動中継局２のアンテナ２１によって受信された端末アップリンク信号のドップラーシフトを補償する処理を、波形データが示す信号に対して行ってから、復調を行ってもよい。アンテナ２１が受信した端末アップリンク信号が受けるドップラーシフトは、端末局３の位置と、移動中継局２が搭載されているＬＥＯの軌道情報に基づき予め計算される。端末信号復号部４４２は、端末信号復調部４４１が復調したシンボルを復号し、端末局３から送信された端末送信データを得る。

次に、ビームの走査について説明する。
図２は、ビームの走査例を示す図である。アンテナ２１は、照射範囲が絞られたビームを、通信対象エリア３００（サービスエリア）の小エリアに照射する。これによって、ビームの照射範囲３０１に位置している端末局３－１のみが、端末アップリンク信号を移動中継局２に送信する。端末通信部２２は、アンテナ２１を用いて、通信対象エリア３００をビームで走査する。図２に記載の矢印は走査方向の例を表す。走査されたビームの照射範囲３０１に端末局３－２が入るまで、端末局３－２は、端末アップリンク信号を移動中継局２に送信しない。

端末通信部２２は、照射範囲３０１において端末アップリンク信号の送信頻度が高い場合（混雑度が高い場合）、ビームの走査速度を遅くする。すなわち、端末通信部２２は、端末アップリンク信号の送信頻度が高い端末局３が存在する照射範囲３０１（小エリア）に対して、ビームの照射時間を長くする。端末通信部２２は、多数の端末局３が存在する照射範囲３０１（小エリア）に対して、ビームの照射時間を長くしてもよい。これによって、端末局３が多く分布している小エリア（端末局３が密集している都市部など）に対して集中的にビームが照射されるので、収容可能な端末局３の台数を適応的に増加させることが可能である。

データ収集処理における無線通信システム１の動作を説明する。
図３は、ビームの走査処理を示すフロー図である。エリア制御部２２４は、通信対象エリア３００に対してビームを照射することが可能となる所定位置に移動中継局２が到着したか否かを判定する。例えば、エリア制御部２２４は、通信対象エリア３００の上空に移動中継局２が到着したか否かを判定する（ステップＳ１０１）。所定位置に移動中継局２が到着していないと判定された場合（ステップＳ１０１・Ｎｏ）、エリア制御部２２４は、所定時間の経過後に、ステップＳ１０１を再実行する。

所定位置に移動中継局２が到着したと判定された場合（ステップＳ１０１・Ｙｅｓ）、アンテナ駆動部２２８は、エリア制御部２２４によって生成されたエリア情報に基づいて、通信対象エリア３００を分割する複数の小エリアのうちの一つに、アンテナ２１を用いてビームを照射する（ステップＳ１０２）。アンテナ駆動部２２８は、混雑度に応じた走査速度で、通信対象エリア３００内をビームで走査する（ステップＳ１０３）。受信部２２１は、アンテナ２１を用いて、端末アップリンク信号を受信する。通信状況測定部２２３は、端末アップリンク信号に基づいて、通信の混雑度を導出する（ステップＳ１０４）。

アンテナ駆動部２２８は、通信の混雑度が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。通信の混雑度が閾値以上であると判定された場合（ステップＳ１０５・Ｙｅｓ）、アンテナ駆動部２２８は、ビームの走査速度を遅くするように、アンテナ２１を駆動する。アンテナ駆動部２２８は、ビームの走査を一時的に停止させるように、アンテナ２１を駆動してもよい（ステップＳ１０６）。通信の混雑度が閾値未満であると判定された場合（ステップＳ１０５・Ｎｏ）、アンテナ駆動部２２８は、ビームの走査速度を速くするように、アンテナ２１を駆動する（ステップＳ１０７）。

アンテナ駆動部２２８は、ビームが照射された小エリア（照射範囲３０１と重なった小エリア）のエリア情報を、走査済の小エリアの情報として、記憶部２２５に記録する（ステップＳ１０８）。これによって、アンテナ駆動部２２８は、走査済の小エリアと未走査の小エリアとを、通信対象エリア３００において区別することができる。

アンテナ駆動部２２８は、通信対象エリア３００における全ての小エリアを走査したか否かを判定する（ステップＳ１０９）。未走査の小エリアがあると判定された場合（ステップＳ１０９・Ｎｏ）、アンテナ駆動部２２８は、ステップＳ１０３に処理を戻す。全ての小エリアを走査したと判定された場合（ステップＳ１０９・Ｙｅｓ）、アンテナ駆動部２２８は、図３に示された処理を終了する。

図４は、端末局３から移動中継局２へ端末アップリンク信号を送信する場合の無線通信システム１の処理を示すフロー図である。

端末局３は、外部又は内部に備えられた図示しないセンサが検出したセンサデータ（例えば環境データ等）を随時取得し、取得したセンサデータをデータ記憶部３１に書き込む（ステップＳ１１１）。送信部３２は、データ記憶部３１からセンサデータを端末送信データとして読み出す。送信部３２は、移動中継局２を搭載したＬＥＯ衛星の軌道情報に基づいて予め得られた送信開始タイミングにおいて、端末送信データを含む端末アップリンク信号を、アンテナ３３から無線送信する（ステップＳ１１２）。端末局３は、ステップＳ１１１からの処理を繰り返す。

移動中継局２の受信部２２１は、端末局３から送信された端末アップリンク信号を受信する（ステップＳ１２１）。送信元の端末局３の無線通信方式によって、同一の周波数については時分割で１台の端末局３からのみ端末アップリンク信号を受信する場合と、同一の周波数で同時に複数台の端末局３から端末アップリンク信号を受信する場合がある。受信波形記録部２２２は、受信部２２１が受信した端末アップリンク信号の波形を表す波形データと、受信時刻とを対応付けた受信波形情報を、データ記憶部２３に書き込む（ステップＳ１２２）。移動中継局２は、ステップＳ１２１からの処理を繰り返す。

図５は、移動中継局２から基地局４へ基地局ダウンリンク信号を送信する場合の無線通信システム１の処理を示すフロー図である。
移動中継局２の基地局通信部２４が有する制御部２４２は、記憶部２４１に記憶された送信開始タイミングが現在時刻であることを検出すると、受信波形情報の送信を送信データ変調部２４３及び送信部２４４に指示する（ステップＳ２１１）。送信データ変調部２４３は、データ記憶部２３に蓄積していた受信波形情報を送信データとして読み出し、読み出した送信データを変調し、基地局ダウンリンク信号を生成する。送信部２４４は、送信データ変調部２４３が生成した基地局ダウンリンク信号を無線信号によりアンテナ２５から送信する（ステップＳ２１２）。移動中継局２は、ステップＳ２１１からの処理を繰り返す。

基地局４のアンテナ４１は、移動中継局２から基地局ダウンリンク信号を受信する（ステップＳ２２１）。受信部４２は、アンテナ４１が受信した基地局ダウンリンク信号を電気信号の受信信号に変換して、基地局信号受信処理部４３に出力する。基地局信号受信処理部４３は、受信信号を復調し、復調した受信信号を復号する（ステップＳ２２２）。基地局信号受信処理部４３は、復号により得られた受信波形情報を、端末信号受信処理部４４に出力する。

端末信号受信処理部４４は、受信波形情報に含まれている波形データが表す端末アップリンク信号の受信処理を行う（ステップＳ２２３）。具体的には、端末信号復調部４４１は、波形データが表す受信信号に含まれる無線通信方式固有の情報に基づいて、端末局３が端末アップリンク信号の送信に用いた無線通信方式を特定する。端末信号復調部４４１は、特定した無線通信方式に従って、波形データが表す受信信号を復調し、復調により得られたシンボルを、端末信号復号部４４２に出力する。端末信号復号部４４２は、端末信号復調部４４１から入力したシンボルを特定された無線通信方式により復号し、端末局３から送信された端末送信データを得る。なお、端末信号復号部４４２は、ＳＩＣ（Successive Interference Cancellation）のように、計算負荷が大きな復号方式を用いることも可能である。基地局４は、ステップＳ２２１からの処理を繰り返す。

（送信制御処理）
送信制御処理における各装置の構成を説明する。
移動中継局２の構成について説明する。図１に示されるように、移動中継局２は、通信状況測定部２２３と、エリア制御部２２４と、記憶部２２５と、送信部２２６と、位置情報取得部２２７と、アンテナ駆動部２２８とをさらに備える。

通信状況測定部２２３は、受信部２２１における、複数の端末局３からの端末アップリンク通信の通信状況を測定する。通信状況測定部２２３は、測定結果に基づいて、通信の混雑度を示す情報（以下、「混雑度情報」という。）を生成する。例えば、通信状況測定部２２３は、受信部２２１における、複数の端末局３からの単位時間当たりの端末アップリンク通信のアクセス数、又は端末アップリンク通信の周波数帯の受信信号強度を測定し、混雑度情報を生成する。

なお、混雑度情報は、複数の端末局３からの単位時間当たりの端末アップリンク通信のアクセス数、又は端末アップリンク通信の周波数帯の受信信号強度を示す情報そのものであってもよいし、そうでなくてもよい。例えば、混雑度情報は、複数の端末局３からの単位時間当たりの端末アップリンク通信のアクセス数、又は端末アップリンク通信の周波数帯の受信信号強度を示す情報が所定の閾値の範囲内であるか否かに基づいて決定されるレベルを示す情報であってもよい。すなわち、例えば、複数の端末局３からの単位時間当たりの端末アップリンク通信のアクセス数がある範囲内である場合にはレベル１、より多い範囲内である場合にはレベル２、更により多い範囲内である場合にはレベル３といったように一意にレベルが決定される。この場合、アクセス数や受信信号強度の値の範囲とレベルとが対応付けられた情報が、例えば記憶部２２５などに予め記憶されている。

位置情報取得部２２７は、各々の端末局３の位置情報を取得する。当該位置情報は、各々の端末局３から送信され、受信部２２１によって受信された端末アップリンク信号に含まれる。

エリア制御部２２４は、送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を端末局３へ送信するタイミングを制御する。前述のとおり、送信許可信号は、端末局３に対し、環境データ等のデータを自己の移動中継局２へ送信することを許可することを示す制御信号である。エリア制御部２２４は、通信状況測定部２２３によって生成された混雑度情報を取得する。また、エリア制御部２２４は、位置情報取得部２２７によって取得された、各々の端末局３の位置を示す位置情報を取得する。

エリア制御部２２４は、取得された混雑度情報に基づいて、アンテナ駆動部２２８を用いて、ビームの走査速度を変更する。エリア制御部２２４は、取得された混雑度情報と位置情報とに基づいて、アンテナ駆動部２２８を用いて、ビームの走査速度を変更してもよい。前述の通り、例えば、エリア制御部２２４は、分割された小エリアに含まれる端末局３との通信の混雑度が、複数の小エリアにおいて均一化されるように、ビームの走査速度を変更する。エリア制御部２２４は、各小エリアのエリア情報を、記憶部２２５に記憶させる。

エリア制御部２２４は、記憶部２２５に記録されたエリア情報を参照し、ビームの照射範囲の小エリア（エリア情報に対応付けられた小エリア）に向けて送信される送信許可信号を生成する。エリア制御部２２４は、送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を端末局３へ送信するタイミングを制御する。エリア制御部２２４は、アンテナ２１の向きの変更速度（ビームの走査速度）を、アンテナ駆動部２２８を用いて制御する。

アンテナ２１の向きは、エリア制御部２２４による制御に応じて、アンテナ駆動部２２８によって変更される。アンテナ駆動部２２８は、例えば機械式の駆動機構を用いて、アンテナ２１の向き（ビームの照射方向）を変更する。

送信部２２６は、エリア制御部２２４によって生成された送信許可信号を取得し、取得された送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を、アンテナ２１から無線信号により送信する。送信部２２６は、ＬＰＷＡにより信号を送信する。送信部２２６は、使用する無線通信方式において予め決められた方法により、自局が端末ダウンリンク信号の送信に使用するチャネルを決定する。送信部２２６が端末ダウンリンク信号を送信するタイミングは、エリア制御部２２４によって制御される。

記憶部２２５は、移動中継局２を搭載しているＬＥＯ衛星の軌道情報と通信対象エリアの位置とに基づいて予め計算された通信対象エリアごとの送信開始タイミングを記憶する。ＬＥＯの軌道情報は、任意の時刻におけるＬＥＯ衛星の位置、速度、移動方向などを得ることが可能な情報である。送信時刻は、例えば、送信開始タイミングからの経過時間で表してもよい。エリア制御部２２４は、記憶部２２５に記憶された、通信対象エリアごとの送信開始タイミングにおいて、送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を地上へ送信するように、送信部２２６を制御する。

前述の通り、移動中継局２は、例えば、地球の上空を所定の周期で周回するＬＥＯ衛星などに備えられる。エリア制御部２２４は、例えば、以前（例えば、一周回前の時点）において通信対象エリア内の複数の端末局３から端末アップリンク信号を受信した際の通信の混雑度に基づいて、ビームの走査速度の初期値を定める。または、エリア制御部２２４は、例えば、過去の同一の時間帯において通信対象エリア内の複数の端末局３から端末アップリンク信号を受信した際の通信の混雑度に基づいて、ビームの走査速度の初期値を定めてもよい。

端末局３の構成について説明する。図１に示されるように、端末局３は、受信部３４と、送信制御部３５と、位置情報生成部３６とをさらに備える。

受信部３４は、ビームの照射範囲に位置している場合、アンテナ３３により端末ダウンリンク信号を受信する。
送信制御部３５は、受信部３４によって受信された端末ダウンリンク信号から送信許可信号を取得する。

位置情報生成部３６は、例えばＧＰＳ受信機等の測位装置を備えており、自局の位置を特定する。位置情報生成部３６は、特定された自局の位置を示す位置情報を生成する。

送信制御部３５は、位置情報生成部３６によって生成された、自局の位置を示す位置情報を取得する。送信制御部３５は、送信許可信号が取得されたか否かを判定する。送信制御部３５は、送信許可信号が取得されていない場合、移動中継局２への端末アップリンク信号の送信を開始させずに待機する。

送信制御部３５は、送信許可信号が取得された場合、送信部３２に、移動中継局２への端末アップリンク信号の送信を開始させる。このとき、送信制御部３５は、環境データ等のデータに加えて、位置情報生成部３６によって生成された位置情報を含む端末アップリンク信号を、送信部３２に送信させる。

送信部３２は、端末アップリンク信号を送信する。送信部３２は、データ記憶部３１から例えば環境データ等のセンサデータを端末送信データとして読み出す。送信部３２は、読み出された端末送信データと、位置情報生成部３６によって生成された自局の位置を示す位置情報とを含む端末アップリンク信号を、アンテナ３３から無線信号により送信する。送信部３２は、ＬＰＷＡにより信号を送信する。

移動中継局２の受信部２２１は、アンテナ２１により端末アップリンク信号を受信する。受信波形記録部２２２は、受信部２２１が受信した端末アップリンク信号に含まれる端末送信データの受信波形をサンプリングし、サンプリングにより得られた値を示す波形データを生成する。受信波形記録部２２２は、アンテナ２１における端末アップリンク信号の受信時刻と、選定された波形データとを含む受信波形情報を、データ記憶部２３に書き込む。データ記憶部２３は、受信波形記録部２２２により書き込まれた受信波形情報を記憶する。

送信制御処理における無線通信システム１の動作を説明する。
図６は、無線通信システム１による送信制御処理を示すフロー図である。移動中継局２のエリア制御部２２４は、アンテナ駆動部２２８を用いて、ビームの走査処理を実行する（ステップＳ３１１）。移動中継局２のエリア制御部２２４は、送信許可信号を生成する（ステップＳ３１２）。送信部２２６は、エリア制御部２２４によって生成された送信許可信号を取得し、取得された送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を、アンテナ２１から無線信号により送信する（ステップＳ３１３）。移動中継局２は、ステップＳ３１１からの処理を繰り返す。

端末局３の受信部３４は、アンテナ３３により端末ダウンリンク信号を受信する（ステップＳ３２１）。端末局３の送信制御部３５は、受信部３４によって受信された端末ダウンリンク信号から、送信許可信号を取得する（ステップＳ３２２）。

端末局３の位置情報生成部３６は、自局の位置を特定する（ステップＳ３２３）。位置情報生成部３６は、特定された自局の位置を示す位置情報を生成する。送信制御部３５は、位置情報生成部３６によって生成された、自局の位置を示す位置情報を取得する（ステップＳ３２４）。

送信制御部３５は、送信部３２に端末アップリンク信号の送信を開始させる。このとき、送信制御部３５は、環境データ等のデータと位置情報生成部３６によって生成された自局の位置を示す位置情報とを含む端末アップリンク信号を、送信部３２に送信させる。送信部３２は、端末アップリンク信号を送信する（ステップＳ３２５）。端末局３は、ステップＳ３２１からの処理を繰り返す。

移動中継局２の受信部２２１は、アンテナ２１により端末アップリンク信号を受信する（ステップＳ３３１）。移動中継局２の受信波形記録部２２２は、受信部２２１が受信した端末アップリンク信号の受信波形をサンプリングし、サンプリングにより得られた値を示す波形データを生成する。受信波形記録部２２２は、アンテナ２１における端末アップリンク信号の受信時刻と、選定された波形データとを含む受信波形情報を、データ記憶部２３に書き込む。データ記憶部２３は、受信波形記録部２２２により書き込まれた受信波形情報を記憶する（ステップＳ３３２）。

移動中継局２の通信状況測定部２２３は、受信部２２１における、複数の端末局３からの端末アップリンク通信の通信状況を測定し（ステップＳ３３３）、混雑度情報を生成する。移動中継局２の位置情報取得部２２７は、各々の端末局３の位置情報を取得する（ステップＳ３３４）。当該位置情報は、各々の端末局３から送信され、受信部２２１によって受信された端末アップリンク信号に含まれる。

エリア制御部２２４は、取得された混雑度情報と位置情報とに基づいて、ビームの走査速度を調整する（ステップＳ３３５）。前述の通り、例えば、移動中継局２は、分割される小エリアに含まれる端末局３との通信の混雑度が複数の小エリアの間で均一化されるように、走査速度を調整する。エリア制御部２２４は、ビームで走査された小エリアのエリア情報を、記憶部２２５に記憶させる（ステップＳ３３６）。移動中継局２は、ステップＳ３３１からの処理を繰り返す。

以上のように、第１の実施形態による無線通信システム１によれば、移動中継局２は、複数の端末局３からそれぞれ送信される端末アップリンク信号を受信し、通信状況を測定する。移動中継局２は、通信状況に基づく混雑度情報を生成する。また、移動中継局２は、複数の端末局３からそれぞれ送信される端末アップリンク信号に含まれる位置情報を取得する。当該位置情報は、各々の端末局３の位置を示す情報である。移動中継局２は、混雑度情報と位置情報とに基づいて、通信対象エリアにおけるビームの走査速度を調整する。

移動中継局２は、以降の周回時において、通信対象エリアを分割する小エリアに存在する端末局３ごとに、端末アップリンク信号の送信を許可する。移動中継局２は、送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を、地上へ向けて送信する。

端末局３は、受信した端末ダウンリンク信号が示す送信許可信号を取得し、送信許可信号を取得する。端末局３は、例えば測位装置等により、自局の位置を特定する。端末局３は、送信許可信号を取得した場合、移動中継局２への端末アップリンク信号の送信を開始する。このとき、端末局３は、環境データ等のデータと自局の位置を示す位置情報とを含む端末アップリンク信号を、移動中継局２へ送信してもよい。

また以上のように、第１の実施形態による無線通信システム１は、通信対象エリア３００を分割する複数の小エリアのうちの１以上の小エリアに位置している１以上の端末局３（第１通信装置）と、移動中継局２（中継装置）と、基地局４（第２通信装置）とを有する。アンテナ駆動部２２８は、通信対象エリア３００よりも狭い照射範囲３０１の１以上のビームを通信対象エリアに照射しながら複数の小エリアをビームで走査するように、１以上のアンテナ２１を駆動する。受信部２２１は、照射範囲３０１に位置している端末局３から送信された端末アップリンク信号（第１無線信号）を、１以上のアンテナ２１から取得する。送信部２４４は、端末アップリンク信号に応じた基地局ダウンリンク信号（第２無線信号）を、基地局４（第２通信装置）に送信する。

このような構成により、ビームの本数を必要以上に増やすことなく広いカバレッジを実現することができる。

アンテナ駆動部２２８は、混雑度に応じた走査速度で通信対象エリア３００内をビームで走査するように、例えば機械式の駆動機構を用いて、アンテナ２１の向きを駆動する。アンテナ駆動部２２８は、混雑度が閾値以上である場合に、走査速度を遅くするように、アンテナ２１を駆動してもよい。アンテナ駆動部２２８は、混雑度が閾値未満である場合に、走査速度を速くするように、アンテナ２１を駆動してもよい。

このような構成により、無線通信システム１は、端末局３から移動中継局２への端末アップリンク信号の送信タイミングを、ビームの照射範囲ごとに制御することができる。無線通信システム１は、例えば通信の混雑度を均一化させるようにビームの走査速度を調整する。これにより、無線通信システム１は、通信の混雑度が変動する場合であっても、通信の混雑度を均一化させるように調整することができるため、通信の信頼性低下を抑制しつつ、より多くの端末局３から送信されるセンサデータを、移動中継局２を介して基地局４へ伝送することができる。無線通信システム１は、少ない本数のビームで、広いカバレッジを展開できるので、通信機会が少ないＩｏＴ通信に適したシステムである。

なお、小エリアを示すエリア情報は、例えば緯度及び経度によって示される範囲を示す情報であってもよい。または、小エリアを示すエリア情報は、例えば、緯度及び経度等によって予め所定の区画に分割された小エリアを識別するインデックス情報であってもよい。この場合、各々のインデックス情報に対応する緯度及び経度等の範囲を示す情報は、予め移動中継局２と端末局３との間で共有されている必要がある。

なお、前述の通り、端末局３の送信制御部３５は、送信許可信号を取得した場合、送信部３２に端末アップリンク信号の送信を開始させる。このとき、送信制御部３５は、直ちに端末アップリンク信号の送信を開始させるのではなく、送信許可信号を取得してからランダム時間が経過したタイミングで、端末アップリンク信号の送信を開始させるようにしてもよい。これにより、ビームの照射範囲（同一の小エリア内）に位置する複数の端末局３が同時に移動中継局２へ端末アップリンク信号の送信を開始することを回避することができる。よって、移動中継局２における通信の混雑度が軽減される。

（第１の実施形態の変形例１）
本変形例では、移動中継局は、複数本のアンテナにより基地局ダウンリンク信号を送信する。以下では、基地局ダウンリンク信号の送信に、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）を用いる場合を例にして、第１の実施形態との差分を中心に説明する。

図７は、第１の実施形態の変形例１による無線通信システム１ａの構成図である。同図において、図１に示す第１の実施形態における無線通信システム１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。無線通信システム１ａは、移動中継局２ａと、端末局３と、基地局４ａとを有する。

移動中継局２ａは、アンテナ２１と、端末通信部２２と、データ記憶部２３と、基地局通信部２６と、複数のアンテナ２５とを備える。基地局通信部２６は、ＭＩＭＯにより基地局４ａへ受信波形情報を送信する。基地局通信部２６は、記憶部２６１と、制御部２６２と、送信データ変調部２６３と、ＭＩＭＯ送信部２６４とを備える。記憶部２６１は、移動中継局２ａを搭載しているＬＥＯ衛星の軌道情報と、基地局４ａの位置とに基づいて、予め計算された送信開始タイミングを記憶する。さらに、記憶部２６１は、各アンテナ２５から送信する基地局ダウンリンク信号の送信時刻毎のウェイト（重み係数）を予め記憶している。送信時刻毎のウェイトは、ＬＥＯ衛星の軌道情報と、基地局４ａが備える各アンテナ局４１０の位置とに基づいて計算される。なお、送信時刻によらず、一定のウェイトを使用してもよい。

制御部２６２は、記憶部２６１に記憶された送信開始タイミングにおいて、受信波形情報を基地局４ａに送信するように送信データ変調部２６３及びＭＩＭＯ送信部２６４を制御する。さらに、制御部２６２は、記憶部２６１から読み出した送信時刻毎のウェイトをＭＩＭＯ送信部２６４に指示する。アンテナ２５から送信されるビームの方向は、ウェイトに基づいて定まる。送信データ変調部２６３は、受信波形情報を送信データとしてデータ記憶部２３から読み出し、読み出した送信データをパラレル信号に変換した後、パラレル信号を変調する。ＭＩＭＯ送信部２６４は、変調されたパラレル信号に、制御部２６２から指示されたウェイトにより重み付けを行い、各アンテナ２５から送信する基地局ダウンリンク信号を生成する。ＭＩＭＯ送信部２６４は、生成した基地局ダウンリンク信号を、アンテナ２５からＭＩＭＯにより送信する。

基地局４ａは、複数のアンテナ局４１０と、ＭＩＭＯ受信部４２０と、基地局信号受信処理部４３０と、端末信号受信処理部４４とを備える。アンテナ局４１０は、移動中継局２ａの複数のアンテナ２５から送信された無線信号の到来角差が大きくなるように、他のアンテナ局４１０から離れた位置に配置される。各アンテナ局４１０は、移動中継局２ａから受信した基地局ダウンリンク信号を電気信号に変換して、電気信号をＭＩＭＯ受信部４２０に出力する。

ＭＩＭＯ受信部４２０は、複数のアンテナ局４１０から受信した基地局ダウンリンク信号を集約する。ＭＩＭＯ受信部４２０は、ＬＥＯ衛星の軌道情報と、各アンテナ局４１０の位置とに基づいて、各アンテナ局４１０が受信した基地局ダウンリンク信号に対する受信時刻毎のウェイトを記憶している。ＭＩＭＯ受信部４２０は、各アンテナ局４１０から入力された基地局ダウンリンク信号に対して、その基地局ダウンリンク信号の受信時刻に対応したウェイトを乗算し、ウェイトが乗算された受信信号を合成する。なお、受信時刻によらず同じウェイトを用いてもよい。基地局信号受信処理部４３０は、合成された受信信号の復調及び復号を行い、受信波形情報を得る。基地局信号受信処理部４３０は、受信波形情報を端末信号受信処理部４４に出力する。

無線通信システム１ａの動作を説明する。
端末局３から端末アップリンク信号を送信する場合の無線通信システム１ａの処理は、図４に示す第１の実施形態の無線通信システム１の処理と同様である。

図８は、移動中継局２ａから基地局ダウンリンク信号を送信する場合の無線通信システム１ａの処理を示すフロー図である。移動中継局２ａの基地局通信部２６が有する制御部２６２は、記憶部２６１に記憶された送信開始タイミングが現在時刻であることを検出すると、受信波形情報の送信を送信データ変調部２６３及びＭＩＭＯ送信部２６４に指示する（ステップＳ４１１）。送信データ変調部２６３は、データ記憶部２３に蓄積していた受信波形情報を送信データとして読み出し、読み出した送信データをパラレル変換した後、送信データを変調する。ＭＩＭＯ送信部２６４は、送信データ変調部２６３が変調した送信データに制御部２６２から指示されたウェイトにより重み付けを行って、各アンテナ２５から送信する送信信号である基地局ダウンリンク信号を生成する。ＭＩＭＯ送信部２６４は、生成した各基地局ダウンリンク信号をアンテナ２５からＭＩＭＯにより送信する（ステップＳ４１２）。移動中継局２ａは、ステップＳ４１１からの処理を繰り返す。

基地局４ａの各アンテナ局４１０は、移動中継局２ａから基地局ダウンリンク信号を受信する（ステップＳ４２１）。各アンテナ局４１０は、受信した基地局ダウンリンク信号を電気信号に変換した受信信号をＭＩＭＯ受信部４２０に出力する。ＭＩＭＯ受信部４２０は、各アンテナ局４１０から受信した受信信号のタイミングを同期させる。ＭＩＭＯ受信部４２０は、各アンテナ局４１０が受信した受信信号にウェイトを乗算して加算する。基地局信号受信処理部４３０は、加算された受信信号を復調し、復調した受信信号を復号する（ステップＳ４２２）。基地局信号受信処理部４３０は、復号により得られた受信波形情報を端末信号受信処理部４４に出力する。

端末信号受信処理部４４は、図５に示す第１の実施形態の処理フローにおけるステップＳ２２３と同様の処理により、受信波形情報に含まれる波形データが表す端末アップリンク信号の受信処理を行う（ステップＳ４２３）。すなわち、端末信号復調部４４１は、波形データが表す受信信号に含まれる無線通信方式固有の情報に基づいて、端末局３が端末アップリンク信号の送信に用いた無線通信方式を特定する。端末信号復調部４４１は、特定した無線通信方式に従って、波形データが表す受信信号を復調し、復調により得られたシンボルを端末信号復号部４４２に出力する。端末信号復号部４４２は、端末信号復調部４４１から入力したシンボルを、特定された無線通信方式により復号し、端末局３から送信された端末送信データを得る。なお、端末信号復号部４４２は、ＳＩＣのように、計算負荷が大きな復号方式を用いることも可能である。基地局４ａは、ステップＳ４２１からの処理を繰り返す。

本変形例による無線通信システム１ａによれば、移動中継局２ａは、複数の端末局３から受信し、蓄積しておいたデータを、基地局４ａと通信可能なタイミングで、短い時間で一括して品質良く送信することができる。

（第１の実施形態の変形例２）
本変形例では、移動中継局は、複数のアンテナにより端末アップリンク信号を受信し、複数のアンテナにより端末ダウンリンク信号を送信する。以下では、第１の実施形態の変形例１との差分を中心に説明する。

図９は、第１の実施形態の変形例２による無線通信システム１ｂの構成図である。同図において、図７に示す第１の実施形態の変形例１における無線通信システム１ａと同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。無線通信システム１ｂは、移動中継局２ｂと、端末局３と、基地局４ｂとを有する。

移動中継局２ｂは、Ｎ本のアンテナ２１（Ｎは２以上の整数）と、端末通信部２２ｂと、データ記憶部２３と、基地局通信部２６と、複数本のアンテナ２５とを備える。Ｎ本のアンテナ２１をそれぞれ、アンテナ２１－１～２１－Ｎと記載する。

端末通信部２２ｂは、Ｎ個の受信部２２１ｂと、Ｎ個の受信波形記録部２２２ｂとを有する。Ｎ個の受信部２２１ｂを、受信部２２１ｂ－１～２２１ｂ－Ｎと記載し、Ｎ個の受信波形記録部２２２ｂを、受信波形記録部２２２ｂ－１～２２２ｂ－Ｎと記載する。受信部２２１ｂ－ｎ（ｎは１以上Ｎ以下の整数）は、アンテナ２１－ｎにより端末アップリンク信号を受信する。受信波形記録部２２２ｂ－ｎは、受信部２２１ｂ－ｎが受信した端末アップリンク信号の受信波形をサンプリングし、サンプリングにより得られた値を示す波形データを生成する。受信波形記録部２２２ｂ－ｎは、アンテナ２１－ｎのアンテナ識別子と、アンテナ２１－ｎにおける端末アップリンク信号の受信時刻と、生成した波形データとを含む受信波形情報を、データ記憶部２３に書き込む。アンテナ識別子は、アンテナ２１－ｎを特定する情報である。データ記憶部２３は、アンテナ２１－１～２１－Ｎそれぞれが受信した端末アップリンク信号の波形データを含む受信波形情報を記憶する。

基地局４ｂは、複数のアンテナ局４１０と、ＭＩＭＯ受信部４２０と、基地局信号受信処理部４３０と、端末信号受信処理部４５０とを備える。

端末信号受信処理部４５０は、受信波形情報が示す端末アップリンク信号の受信処理を行う。このとき、端末信号受信処理部４５０は、端末局３が送信に使用した無線通信方式により受信処理を行って端末送信データを取得する。端末信号受信処理部４５０は、分配部４５１と、Ｎ個の端末信号復調部４５２と、合成部４５３と、端末信号復号部４５４とを備える。Ｎ個の端末信号復調部４５２をそれぞれ、端末信号復調部４５２－１～４５２－Ｎと記載する。

分配部４５１は、受信波形情報から同じ受信時刻の波形データを読み出し、読み出した波形データを、その波形データに対応付けられたアンテナ識別子に応じて端末信号復調部４５２－１～４５２－Ｎに出力する。つまり、分配部４５１は、アンテナ２１－ｎのアンテナ識別子に対応付けられた波形データを、端末信号復調部４５２－ｎに出力する。端末信号復調部４５２－１～４５２－Ｎはそれぞれ、波形データが表す信号を復調し、復調により得られたシンボルを合成部４５３に出力する。端末信号復調部４５２－ｎは、波形データが表す信号に対して、移動中継局２のアンテナ２１－ｎが受信した端末アップリンク信号のドップラーシフトを補償する処理を行ってから、復調を行ってもよい。各アンテナ２１－ｎが受信した端末アップリンク信号が受けるドップラーシフトは、端末局３の位置と、移動中継局２ｂが搭載されているＬＥＯの軌道情報に基づき予め計算される。合成部４５３は、端末信号復調部４５２－１～４５２－Ｎのそれぞれから入力したシンボルを加算合成し、端末信号復号部４５４に出力する。端末信号復号部４５４は、加算合成されたシンボルを復号し、端末局３から送信された端末送信データを得る。

また、図９に示されるように、移動中継局２ｂは、通信状況測定部２２３ｂと、エリア制御部２２４ｂと、記憶部２２５と、送信部２２６ｂと、位置情報取得部２２７ｂをさらに備える。

通信状況測定部２２３ｂは、受信部２２１ｂ－１～２２１ｂ－Ｎにおける、複数の端末局３からの端末アップリンク通信の通信状況を測定する。通信状況測定部２２３ｂは、測定結果に基づいて、通信の混雑度を示す情報（混雑度情報）を生成する。例えば、通信状況測定部２２３ｂは、受信部２２１ｂ－１～２２１ｂ－Ｎにおける、複数の端末局３からの単位時間当たりの端末アップリンク通信のアクセス数、又は端末アップリンク通信の周波数帯の受信信号強度を測定し、混雑度情報を生成する。

なお、混雑度情報は、複数の端末局３からの単位時間当たりの端末アップリンク通信のアクセス数、又は端末アップリンク通信の周波数帯の受信信号強度を示す情報そのものであってもよいし、そうでなくてもよい。例えば、混雑度情報は、複数の端末局３からの単位時間当たりの端末アップリンク通信のアクセス数、又は端末アップリンク通信の周波数帯の受信信号強度を示す情報が所定の閾値の範囲内であるか否かに基づいて決定されるレベルを示す情報であってもよい。この場合、アクセス数や受信信号強度の値の範囲とレベルとが対応付けられた情報が、例えば記憶部２２５などに予め記憶されている。

位置情報取得部２２７ｂは、各々の端末局３の位置情報を取得する。当該位置情報は、各々の端末局３から送信され、受信部２２１ｂ－１～２２１ｂ－Ｎによって受信された端末アップリンク信号に含まれる。

エリア制御部２２４ｂは、送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を端末局３へ送信するタイミングを制御する。エリア制御部２２４ｂは、通信状況測定部２２３ｂによって生成された混雑度情報を取得する。また、エリア制御部２２４ｂは、位置情報取得部２２７ｂによって取得された、各々の端末局３の位置を示す位置情報を取得する。

エリア制御部２２４ｂは、取得された混雑度情報に基づいて、ビームの走査速度を変更する。エリア制御部２２４ｂは、取得された混雑度情報と位置情報とに基づいて、ビームの走査速度を変更してもよい。例えば、移動中継局２ｂは、分割された小エリアに含まれる端末局３との通信の混雑度が、複数の小エリアにおいて均一化されるように、ビームの走査速度を変更する。エリア制御部２２４ｂは、各小エリアのエリア情報を、記憶部２２５に記憶させる。

エリア制御部２２４ｂは、記憶部２２５に記録されたエリア情報を参照し、ビームの照射範囲の小エリア（エリア情報に対応付けられた小エリア）に向けて送信される送信許可信号を生成する。エリア制御部２２４ｂは、送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を端末局３へ送信するタイミングを制御する。エリア制御部２２４ｂは、ビームの照射方向の変更速度（ビームの走査速度）を制御する。

ここで、アンテナ２１の向きは変更されずに、アンテナ駆動部２２８によってビームの照射方向が変更されてもよい。アンテナ駆動部２２８は、エリア制御部２２４による制御に応じて、例えばフェーズドアレイを用いてビームの照射方向を変更する。ビームは、グループ化されたアンテナ２１群ごとに生成される。

送信部２２６ｂは、エリア制御部２２４ｂによって生成された送信許可信号を取得し、取得された送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を、複数のアンテナ２１から無線信号により送信する。送信部２２６ｂは、ＬＰＷＡにより信号を送信する。送信部２２６ｂは、使用する無線通信方式において予め決められた方法により、自局が端末ダウンリンク信号の送信に使用するチャネルを決定する。送信部２２６ｂが端末ダウンリンク信号を送信するタイミングは、エリア制御部２２４ｂによって制御される。

記憶部２２５は、移動中継局２ｂを搭載しているＬＥＯ衛星の軌道情報と、通信対象エリアの位置とに基づいて、予め計算された、通信対象エリアごとの送信開始タイミングを記憶する。エリア制御部２２４ｂは、記憶部２２５に記憶された、通信対象エリアごとの送信開始タイミングにおいて、送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を地上へ送信するように、送信部２２６ｂを制御する。

エリア制御部２２４ｂは、例えば、以前（例えば、一周回前の時点）において通信対象エリア内の複数の端末局３から端末アップリンク信号を受信した際の通信の混雑度に基づいて、ビームの走査速度の初期値を定める。または、エリア制御部２２４ｂは、例えば、過去の同一の時間帯において通信対象エリア内の複数の端末局３から端末アップリンク信号を受信した際の通信の混雑度に基づいて、ビームの走査速度の初期値を定めてもよい。

また、図９に示されるように、端末局３は、受信部３４と、送信制御部３５と、位置情報生成部３６とをさらに備える。受信部３４は、アンテナ３３により端末ダウンリンク信号を受信する。送信制御部３５は、受信部３４によって受信された端末ダウンリンク信号から送信許可信号を取得する。

位置情報生成部３６は、例えばＧＰＳ受信機等の測位装置を備えており、自局の位置を特定する。位置情報生成部３６は、特定された自局の位置を示す位置情報を生成する。

送信制御部３５は、位置情報生成部３６によって生成された、自局の位置を示す位置情報を取得する。送信制御部３５は、送信許可信号が取得されたか否かを判定する。送信制御部３５は、送信許可信号が取得されていない場合、端末局３は移動中継局２ｂへの端末アップリンク信号の送信を開始せずに待機する。

送信制御部３５は、自局の位置が当該小エリアに含まれている場合（ビームの照射範囲に自局が位置している場合）、送信部３２に端末アップリンク信号の送信を開始させる。このとき、送信制御部３５は、環境データ等のデータと位置情報生成部３６によって生成された自局の位置を示す位置情報とを含む端末アップリンク信号を、送信部３２に送信させる。

送信部３２は、端末アップリンク信号を送信する。送信部３２は、データ記憶部３１から例えば環境データ等のセンサデータを端末送信データとして読み出す。送信部３２は、読み出された端末送信データと、位置情報生成部３６によって生成された自局の位置を示す位置情報とを含む端末アップリンク信号を、アンテナ３３から無線信号により送信する。送信部３２は、ＬＰＷＡにより信号を送信する。

移動中継局２ｂの受信部２２１ｂ－１～２２１ｂ－Ｎは、アンテナ２１－１～２１－Ｎにより端末アップリンク信号を受信する。受信波形記録部２２２ｂ－１～２２２ｂ－Ｎは、受信部２２１ｂ－１～２２１ｂ－Ｎが受信した端末アップリンク信号の受信波形をサンプリングし、サンプリングにより得られた値を示す波形データを生成する。受信波形記録部２２２ｂ－１～２２２ｂ－Ｎは、アンテナ２１－１～２１－Ｎにおける端末アップリンク信号の受信時刻と、選定された波形データとを含む受信波形情報を、データ記憶部２３に書き込む。データ記憶部２３は、受信波形記録部２２２ｂ－１～２２２ｂ－Ｎにより書き込まれた受信波形情報を記憶する。

図１０は、ビームの走査例を示す図である。複数のアンテナ２１は、マルチアンテナ素子（マッシブアンテナアレイ）を構成している。アンテナ２１の本数は、通信対象エリア３００に照射されるビームの本数よりも多い。複数のアンテナ２１は、クラスタに予め分割（グループ化）されている。複数のアンテナ２１では、クラスタごとに、ビームフォーミングによってビームが形成される。アンテナ駆動部２２８は、マルチアンテナ素子によるマルチビームフォーミングを用いて各ビームの照射方向を制御することによって、各ビームの照射範囲３０１の位置を移動させる。すなわち、アンテナ駆動部２２８は、通信対象エリア３００を各ビームで走査するように、マルチアンテナ素子によるマルチビームフォーミングを用いて、複数のアンテナ２１を制御する。図１０に記載の矢印は走査方向の例を表す。

アンテナ駆動部２２８は、通信対象エリア３００を走査しているビームの走査速度を、通信の混雑度に基づいて変更する。例えば、移動中継局２は、小エリアごとに含まれている端末局３との通信の混雑度が、複数の小エリアにおいて均一化されるように走査速度を変更する。

例えば、通信の混雑度が閾値以上である場合、アンテナ駆動部２２８は、ビームの走査速度を遅くする。すなわち、エリア制御部２２４は、多くの端末アップリンク信号を送信する端末局３が存在する照射範囲３０１（小エリア）に対するビームの照射時間を長くするよう、通信の混雑度（パラメータ）をアンテナ駆動部２２８に設定する。これによって、多くの端末アップリンク信号を送信する端末局３から送信される信号の利得を向上させることができる。また、通信の混雑度が閾値以上である場合、アンテナ駆動部２２８は、ビームの走査速度を一時的に０にしてもよい。すなわち、通信の混雑度が閾値以上である場合、アンテナ駆動部２２８は、ビームの走査を一時的に停止してもよい。

例えば、通信の混雑度が閾値未満である場合、アンテナ駆動部２２８は、ビームの走査速度を速くする。これによって、通信対象エリア３００（全ての小エリア）の走査を短時間で完了させることができる。

アンテナ駆動部２２８は、通信の混雑度と複数の端末局３のそれぞれの位置を示す位置情報とに基づいて、通信対象エリア３００を走査しているビームの走査速度を変更してもよい。例えば、移動中継局２は、小エリアごとに含まれている端末局３との通信の混雑度と複数の端末局３のそれぞれの位置とが、複数の小エリアにおいて均一化されるように走査速度を変更する。

例えば、通信の混雑度と位置情報の個数とが閾値以上である場合、アンテナ駆動部２２８は、ビームの走査速度を遅くする。すなわち、エリア制御部２２４は、多数の端末局３が存在する照射範囲３０１（小エリア）に対するビームの照射時間を長くするよう、通信の混雑度（パラメータ）をアンテナ駆動部２２８に設定する。これによって、多くの端末局３から送信される端末アップリンク信号の利得を向上させることができる。通信の混雑度と位置情報の個数とが閾値以上である場合、アンテナ駆動部２２８は、ビームの走査速度を一時的に０にしてもよい。すなわち、通信の混雑度と位置情報の個数とが閾値以上である場合、アンテナ駆動部２２８は、ビームの走査を一時的に停止してもよい。

例えば、通信の混雑度と位置情報の個数とが閾値未満である場合、アンテナ駆動部２２８は、ビームの走査速度を速くする。これによって、通信対象エリア３００（全ての小エリア）の走査を短時間で完了させることができる。

アンテナ駆動部２２８は、ビームの照射範囲３０１同士を離した状態で、通信対象エリア３００における複数の小エリアを各ビームで走査するように、アンテナ２１を駆動する。これによって、端末アップリンク信号同士の干渉が生じないようにすることが可能である。

無線通信システム１ｂの動作を説明する。
図１１は、ビームの走査処理を示すフロー図である。エリア制御部２２４は、通信対象エリア３００に対してビームを照射することが可能となる所定位置に移動中継局２が到着したか否かを判定する（ステップＳ４０１）。所定位置に移動中継局２が到着していないと判定された場合（ステップＳ４０１・Ｎｏ）、エリア制御部２２４は、所定時間の経過後に、ステップＳ４０１を再実行する。

所定位置に移動中継局２が到着したと判定された場合（ステップＳ４０１・Ｙｅｓ）、アンテナ駆動部２２８は、エリア情報に基づいて、通信対象エリア３００を分割する複数の小エリアのうちの１以上の小エリアに、アンテナ２１を用いてビームを照射する（ステップＳ４０２）。アンテナ駆動部２２８は、混雑度に応じた走査速度で通信対象エリア３００内を各ビームで走査するように、アンテナ２１を駆動する。ここで、アンテナ駆動部２２８は、ビームの照射範囲３０１同士を離した状態で通信対象エリア３００を各ビームで走査するように、アンテナ２１を駆動する（ステップＳ４０３）。受信部２２１は、アンテナ２１を用いて、端末アップリンク信号を受信する。エリア制御部２２４は、端末アップリンク信号に基づいて、通信の混雑度を導出する（ステップＳ４０４）。

アンテナ駆動部２２８は、通信の混雑度が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ４０５）。通信の混雑度が閾値以上であると判定された場合（ステップＳ４０５・Ｙｅｓ）、アンテナ駆動部２２８は、各ビームの走査速度を遅くするように、アンテナ２１を駆動する。アンテナ駆動部２２８は、各ビームの走査を一時的に停止してもよい（ステップＳ４０６）。通信の混雑度が閾値未満であると判定された場合（ステップＳ４０５・Ｎｏ）、アンテナ駆動部２２８は、各ビームの走査速度を速くするように、アンテナ２１を駆動する（ステップＳ４０７）。

アンテナ駆動部２２８は、ビームが照射された小エリア（照射範囲３０１の少なくとの一部と重なった小エリア）のエリア情報を、走査済の小エリアの情報として、小エリアごとに記憶部２２５に記録する（ステップＳ４０８）。これによって、アンテナ駆動部２２８は、走査済の小エリアと未走査の小エリアとを、通信対象エリア３００において区別することができる。

アンテナ駆動部２２８は、通信対象エリア３００における全ての小エリアを走査したか否かを判定する（ステップＳ４０９）。未走査の小エリアがあると判定された場合（ステップＳ４０９・Ｎｏ）、アンテナ駆動部２２８は、ステップＳ４０３に処理を戻す。全ての小エリアを走査したと判定された場合（ステップＳ４０９・Ｙｅｓ）、アンテナ駆動部２２８は、図１１に示された処理を終了する。

図１２は、端末局３から移動中継局２ｂへ端末アップリンク信号を送信する場合の無線通信システム１ｂの処理を示すフロー図である。同図において、図４に示す第１の実施形態の処理フローと同じ処理には、同一の符号を付している。端末局３は、図４に示す第１の実施形態の処理フローにおけるステップＳ１１１～ステップＳ１１２の処理と同様の処理を行う。なお、端末局３は、時分割多重、ＯＦＤＭ又はＭＩＭＯなどにより、他の端末局３との送信を行ってもよい。

移動中継局２ｂの受信部２２１ｂ－１～２２１ｂ－Ｎは、端末局３から送信された端末アップリンク信号を受信する（ステップＳ５２１）。送信元の端末局３の無線通信方式によって、同一の周波数については時分割で１台の端末局３からのみ端末アップリンク信号を受信する場合と、同一の周波数で同時に複数台の端末局３から端末アップリンク信号を受信する場合がある。受信波形記録部２２２ｂ－ｎは、受信部２２１ｂ－ｎが受信した端末アップリンク信号の波形を表す波形データと、受信時刻と、アンテナ２１－ｎのアンテナ識別子とを対応付けた受信波形情報を、データ記憶部２３に書き込む（ステップＳ５２２）。移動中継局２ｂは、ステップＳ５２１からの処理を繰り返す。

移動中継局２ｂから基地局４へ基地局ダウンリンク信号を送信する場合の無線通信システム１ｂの処理は、以下の処理を除いて、図８に示す第１の実施形態の変形例１の処理フローと同様である。すなわち、ステップＳ４２３において、端末信号受信処理部４５０は、受信波形情報が示す端末アップリンク信号の受信処理を行う。具体的には、分配部４５１は、受信波形情報から受信時刻が同じ波形データを読み出し、読み出した波形データを、その波形データに対応付けられたアンテナ識別子に応じて端末信号復調部４５２－１～４５２－Ｎに出力する。端末信号復調部４５２－１～４５２－Ｎはそれぞれ、波形データが表す受信信号に含まれる無線通信方式固有の情報に基づいて、端末局３が端末アップリンク信号の送信に用いた無線通信方式を特定する。端末信号復調部４５２－１～４５２－Ｎは、特定した無線通信方式に従って、波形データが表す受信信号を復調し、復調により得られたシンボルを合成部４５３に出力する。

合成部４５３は、端末信号復調部４５２－１～４５２－Ｎのそれぞれから入力したシンボルを加算合成する。加算合成により、端末局３が送信した信号は相関があるために強調されるが、ランダムに付加される雑音の影響は低減される。そのため、移動中継局２ｂが同時に１台の端末局３からのみ受信した端末アップリンク信号についてはダイバーシティー効果が得られる。また、移動中継局２ｂが同時に複数台の端末局３から受信した端末アップリンク信号についてはＭＩＭＯ通信を行うことに相当する。合成部４５３は、加算合成したシンボルを端末信号復号部４５４に出力する。端末信号復号部４５４は、合成部４５３により加算合成されたシンボルを特定された無線通信方式により復号し、端末局３から送信された端末送信データを得る。なお、端末信号復号部４５４は、ＳＩＣのように、計算負荷が大きな復号方式を用いることも可能である。

図１３は、無線通信システム１ｂによる送信制御処理を示すフロー図である。移動中継局２のエリア制御部２２４ｂは、アンテナ駆動部２２８を用いて、ビームの走査処理を実行する（ステップＳ６１１）。移動中継局２ｂのエリア制御部２２４ｂは、送信許可信号を生成する（ステップＳ６１２）。なお、送信部２２６ｂは、エリア制御部２２４ｂによって生成された送信許可信号を取得し、取得された送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を、アンテナ２１－１～２１－Ｎから無線信号により送信する（ステップＳ６１３）。移動中継局２ｂは、ステップＳ６１１からの処理を繰り返す。

端末局３の受信部３４は、アンテナ３３により端末ダウンリンク信号を受信する（ステップＳ６２１）。端末局３の送信制御部３５は、受信部３４によって受信された端末ダウンリンク信号から、送信許可信号を取得する（ステップＳ６２２）。

端末局３の位置情報生成部３６は、自局の位置を特定する（ステップＳ６２３）。位置情報生成部３６は、特定された自局の位置を示す位置情報を生成する。送信制御部３５は、位置情報生成部３６によって生成された、自局の位置を示す位置情報を取得する（ステップＳ６２４）。

送信制御部３５は、送信部３２に端末アップリンク信号の送信を開始させる。このとき、送信制御部３５は、環境データ等のデータと、位置情報生成部３６によって生成された自局の位置を示す位置情報とを含む端末アップリンク信号を、送信部３２に送信させる。送信部３２は、端末アップリンク信号を送信する（ステップＳ６２５）。端末局３は、ステップＳ６２１からの処理を繰り返す。

移動中継局２ｂの受信部２２１ｂ－１～２２１ｂ－Ｎは、アンテナ２１－１～２１－Ｎにより端末アップリンク信号を受信する（ステップＳ６３１）。移動中継局２ｂの受信波形記録部２２２ｂ－１～２２２ｂ－Ｎは、受信部２２１ｂ－１～２２１ｂ－Ｎが受信した端末アップリンク信号の受信波形をサンプリングし、サンプリングにより得られた値を示す波形データを生成する。受信波形記録部２２２ｂ－１～２２２ｂ－Ｎは、アンテナ２１－１～２１－Ｎにおける端末アップリンク信号の受信時刻と、選定された波形データとを含む受信波形情報を、データ記憶部２３に書き込む。データ記憶部２３は、受信波形記録部２２２ｂ－１～２２２ｂ－Ｎにより書き込まれた受信波形情報を記憶する（ステップＳ６３２）。

移動中継局２ｂの通信状況測定部２２３ｂは、受信部２２１ｂ－１～２２１ｂ－Ｎにおける、複数の端末局３からの端末アップリンク通信の通信状況を測定し（ステップＳ６３３）、通信の混雑度を示す情報（混雑度情報）を生成する。移動中継局２ｂの位置情報取得部２２７ｂは、各々の端末局３の位置情報を取得する（ステップＳ３３４）。当該位置情報は、各々の端末局３から送信され、受信部２２１ｂ－１～２２１ｂ－Ｎによって受信された端末アップリンク信号に含まれる。

エリア制御部２２４ｂは、取得された混雑度情報と位置情報とに基づいて、ビームの走査速度を調整する（ステップＳ６３５）。前述の通り、例えば、移動中継局２ｂは、分割される小エリアに含まれる端末局３との通信の混雑度が複数の小エリアの間で均一化されるように、走査速度を調整する。エリア制御部２２４ｂは、ビームで走査された小エリアのエリア情報を、記憶部２２５に記憶させる（ステップＳ６３６）。移動中継局２ｂは、ステップＳ６３１からの処理を繰り返す。

以上のように、第１の実施形態の変形例２による無線通信システム１によれば、アンテナ駆動部２２８は、混雑度に応じた走査速度で通信対象エリア３００内を各ビームで走査するように、例えばフェーズドアレイを用いて、１以上のアンテナ２１を駆動する。アンテナ駆動部２２８は、混雑度が閾値以上である場合に、走査速度を遅くするように、１以上のアンテナ２１を駆動する。アンテナ駆動部２２８は、混雑度が閾値未満である場合に、走査速度を速くするように、アンテナ２１を駆動する。アンテナ駆動部２２８は、照射範囲３０１同士を離した状態で、複数の小エリアを１以上のビームで走査するように、１以上のアンテナ２１を駆動してもよい。

本変形例によれば、移動中継局２ｂは、端末局３から送信された端末アップリンク信号をダイバーシティ受信や、ＭＩＭＯ受信などにより受信する。よって、本変形例による無線通信システム１ｂによれば、移動中継局２ｂと端末局３との間の通信のリンクバジェットを向上させることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、複数の移動中継局が連携するという点が、第１の実施形態と相違する。第２の実施形態では、第１の実施形態との差分を中心に説明する。

前述の第１の実施形態による無線通信システム１（１ａ，１ｂ）では、通信対象エリアが分割された複数の小エリアのそれぞれに対して、１つの移動中継局２が順に送信許可信号を送信していく構成であった。これに対し、本実施形態による無線通信システム１ｃは複数の移動中継局２ｃを有する。無線通信システム１ｃは、いずれかの移動中継局２ｃに小エリアを割り振る処理（以下、「振分処理」という。）を行う。各々の移動中継局２ｃは、自局に割り振られた小エリアに対してビームの走査処理を実行することによって、ビームの照射範囲に位置している端末局３へ端末ダウンリンク信号を送信する。

このような構成により、通信対象エリアに存在する複数の端末局３から送信される端末アップリンク信号を、複数の移動中継局２ｃが分担して（例えば均等に）受信するように制御することができる。これにより、本実施形態による無線通信システム１ｃは、各々の移動中継局２ｃにおける通信の混雑度を緩和させることができ、通信の混雑度が変動する場合でも、通信の信頼性低下を抑制することができる。

図１４は、第２の実施形態による無線通信システム１ｃの構成図である。同図において、図１に示す第１の実施形態における無線通信システム１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。無線通信システム１ｃは、複数の移動中継局２ｃと、端末局３と、基地局４ａとを有する。無線通信システム１ｃが有する複数の移動中継局２ｃ、端末局３及び基地局４のそれぞれの数は任意であるが、端末局３の数は多数であることが想定される。無線通信システム１ｃは、即時性が要求されない情報の伝送を行う通信システムである。複数の端末局３からそれぞれ送信された情報は、複数の移動中継局２ｃのいずれかを介して伝送され、基地局４によって収集される。

移動中継局２ｃは、通信可能なエリアが時間の経過により移動する中継装置の一例である。複数の移動中継局２ｃは、それぞれ別々の移動体に搭載される。移動中継局２ｃは、例えば、ＬＥＯ衛星に備えられる。複数のＬＥＯ衛星は、例えば低軌道上を編隊飛行する。端末局３及び基地局４は、地上や海上など地球上に設置される。端末局３は、例えば、ＩｏＴ端末である。端末局３は、センサが検出した環境データ等のデータを収集し、移動中継局２ｃへ無線信号により送信する。同図では、２台の端末局３のみを示している。移動中継局２ｃは、地球の上空を移動しながら、複数の端末局３それぞれから送信されたデータを無線信号により受信する。移動中継局２ｃは、受信したこれらのデータを蓄積し、蓄積しておいたデータを、基地局４との通信が可能なタイミングで一括して基地局４へ無線送信する。基地局４は、端末局３が収集したデータを移動中継局２ｃから受信する。

移動中継局２ｃは、アンテナ２１と、端末通信部２２ｃと、データ記憶部２３と、基地局通信部２４と、アンテナ２５と、中継局間通信部２７と、アンテナ２８とを備える。

なお、本実施形態では、一例として、複数の移動中継局２ｃのうち特定の１つの移動中継局２ｃ（以下、「ホストとなる移動中継局２ｃ」という。）が、複数の小エリアのそれぞれを複数の移動中継局２ｃのいずれかに割り振る処理（振分処理）を行うものとする。

ホストとなる移動中継局２ｃの端末通信部２２ｃは、複数の端末局３からの端末アップリンク通信の通信状況を測定する。端末通信部２２ｃは、測定結果に基づいて、通信の混雑度を示す情報（混雑度情報）を生成する。例えば、端末通信部２２ｃは、複数の端末局３からの単位時間当たりの端末アップリンク通信のアクセス数、又は端末アップリンク通信の周波数帯の受信信号強度を測定する。

なお、混雑度情報は、複数の端末局３からの単位時間当たりの端末アップリンク通信のアクセス数、又は端末アップリンク通信の周波数帯の受信信号強度を示す情報そのものであってもよい。又は、混雑度情報は、複数の端末局３からの単位時間当たりの端末アップリンク通信のアクセス数、又は端末アップリンク通信の周波数帯の受信信号強度を示す情報が所定の閾値の範囲内であるか否かに基づいて決定されるレベルを示す情報であってもよい。

また、端末通信部２２ｃは、複数の端末局３から送信された端末アップリンク通信に含まれる、端末局３の位置を示す位置情報をそれぞれ取得する。

端末通信部２２ｃは、取得された混雑度情報と位置情報とに基づいて、ビームの走査速度を調整する。例えば、端末通信部２２ｃは、分割される小エリアに含まれる端末局３との通信の混雑度が、複数の小エリアの間で均一化されるように、ビームの走査速度を調整する。

さらに、端末通信部２２ｃは、通信対象エリアが分割された複数の小エリアのそれぞれを、複数の移動中継局２ｃのいずれかに割り振る処理（振分処理）を行う。端末通信部２２ｃは、例えば、通信対象エリアに存在する複数の端末局３から送信される端末アップリンク信号を、複数の移動中継局２ｃが分担して（例えば均等に）受信するように制御する。端末通信部２２ｃは、振分処理の結果を示す振分情報を生成する。振分情報とは、小エリアを示すエリア情報と、当該小エリアに対して割り振られた移動中継局２ｃを識別する情報とが対応付けられた情報である。

各々の移動中継局２ｃの中継局間通信部２７は、アンテナ２８により互いにデータの送受信（衛星間通信）を行うことができる。なお、移動中継局２ｃ間の通信には、例えば２３ＧＨｚ帯の通信帯域が用いられる。

ホストとなる移動中継局２ｃの中継局間通信部２７は、端末通信部２２ｃによって生成された振分情報を他の移動中継局２ｃへ送信する。これにより、複数の移動中継局２ｃは振分情報を共有することができる。共有された振分情報に基づいて、各々の移動中継局２ｃは、自局に割り振られた小エリアを認識することができる。

自局に割り振られた小エリアを認識した移動中継局２ｃの端末通信部２２ｃは、当該小エリアに対して通信が可能となるタイミングで、送信許可信号を生成する。前述のとおり、送信許可信号は、端末局３に対し、環境データ等のデータを自己の移動中継局２ｃへ送信することを許可することを示す制御信号である。

端末通信部２２ｃは、生成された送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を、アンテナ２１から無線信号により送信する。端末通信部２２ｃは、例えばＬＰＷＡにより信号を送信する。端末通信部２２ｃは、使用する無線通信方式において予め決められた方法により、自局が端末ダウンリンク信号の送信に使用するチャネルを決定する。

端末通信部２２ｃは、移動中継局２ｃを搭載しているＬＥＯ衛星の軌道情報と、各小エリアの位置とに基づいて、予め計算された小エリアごとの送信開始タイミングを記憶する。ＬＥＯの軌道情報は、任意の時刻におけるＬＥＯ衛星の位置、速度、移動方向などを得ることが可能な情報である。送信時刻は、例えば、送信開始タイミングからの経過時間で表してもよい。端末通信部２２ｃは、通信対象の小エリアの送信開始タイミングにおいて、送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を地上へ向けて送信する。

端末通信部２２ｃは、通信対象エリアで端末アップリンク信号を受信した際の通信の混雑度に基づいて、ビームの走査処理を実行する

なお、本実施形態においては、ホストとなる移動中継局２ｃが他の移動中継局２ｃへ振分情報そのものを送信する構成としたが、これに限られるものではない。例えば、ホストとなる移動中継局２ｃが、他の移動中継局２ｃのそれぞれに対応する
エリア情報のみを送信する構成であってもよい。

なお、本実施形態においては、ホストとなる特定の移動中継局２ｃが振分処理を行う構成としたが、これに限られるものではない。例えば、複数の移動中継局２ｃにおいて、ホストとなる移動中継局２ｃが、時間帯や位置等に基づいて切り替わるような構成であってもよい。又は、例えば、基地局４が、少なくとも１つの移動中継局２ｃから混雑度情報と端末局３の位置を示す位置情報（又はエリア情報）とを取得して振分処理を行う構成であってもよい。この場合、例えば基地局４は、振分処理によって生成された振分情報を、複数の移動中継局２ｃへ送信する。

無線通信システム１ｃの動作を説明する。
図１５は、ホストとなる移動中継局２ｃによる振分処理を示すフロー図である。
移動中継局２ｃの端末通信部２２ｃは、自局がホストとなる移動中継局２ｃである場合（ステップＳ７１１・Ｙｅｓ）、複数の端末局３からの端末アップリンク通信の通信状況を測定する（ステップＳ７１２）。なお、自局がホストであるか否かを判定するための情報は、例えば予め端末通信部２２ｃに記憶されている。又は、自局がホストであるか否かを判定するための情報は、基地局４から移動中継局２ｃへ随時通知される構成であってもよい。

端末通信部２２ｃは、測定結果に基づいて、通信の混雑度を示す情報（混雑度情報）を生成する。前述の通り、例えば端末通信部２２ｃは、複数の端末局３からの単位時間当たりの端末アップリンク通信のアクセス数、又は端末アップリンク通信の周波数帯の受信信号強度を測定する。なお、前述の通り、混雑度情報は、複数の端末局３からの単位時間当たりの端末アップリンク通信のアクセス数、又は端末アップリンク通信の周波数帯の受信信号強度を示す情報そのものであってもよい。又は、混雑度情報は、複数の端末局３からの単位時間当たりの端末アップリンク通信のアクセス数、又は端末アップリンク通信の周波数帯の受信信号強度を示す情報が所定の閾値の範囲内であるか否かに基づいて決定されるレベルを示す情報であってもよい。

また、端末通信部２２ｃは、複数の端末局３から送信された端末アップリンク通信に含まれる、端末局３の位置を示す位置情報をそれぞれ取得する（ステップＳ７１３）。

端末通信部２２ｃは、通信対象エリアが分割された複数の小エリアのそれぞれを、複数の移動中継局２ｃのいずれかに割り振る処理（振分処理）を行う（ステップＳ７１４）。端末通信部２２ｃは、例えば、通信対象エリアに存在する複数の端末局３から送信される端末アップリンク信号を、複数の移動中継局２ｃが分担して（例えば均等に）受信するように制御する。端末通信部２２ｃは、振分処理の結果を示す振分情報を生成する。前述の通り、振分情報とは、小エリアを示すエリア情報と、当該小エリアに対して割り振られた移動中継局２ｃを識別する情報とが対応付けられた情報である。

移動中継局２ｃの中継局間通信部２７は、端末通信部２２ｃによって生成された振分情報を他の移動中継局２ｃへ送信する（ステップＳ７１５）。

移動中継局２ｃの端末通信部２２ｃは、振分情報に基づいて、自局に割り振られた小エリアを特定する（ステップＳ７１６）。端末通信部２２ｃは、取得された混雑度情報と位置情報とに基づいて、小エリアの振分処理を実行する（ステップＳ７１４）。端末通信部２２ｃは、当該小エリアに対して通信が可能となるタイミングで、送信許可信号を生成する。端末通信部２２ｃは、生成された送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を、アンテナ２１から無線信号により送信する（ステップＳ７１９）。端末通信部２２ｃは、通信対象の小エリアの送信開始タイミングにおいて、送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を地上へ向けて送信する。

端末通信部２２ｃは、同一の通信対象エリアで端末アップリンク信号を受信した際の通信の混雑度に基づいて、ビームの走査処理を実行する。ホストとなる移動中継局２ｃは、ステップＳ７１１からの処理を繰り返す。

一方、移動中継局２ｃの端末通信部２２ｃは、自局がホストではない移動中継局２ｃである場合（ステップＳ７１１・Ｎｏ）、ホストとなる移動中継局２ｃから送信される振分情報の受信を待ち受ける（ステップＳ７１６）。端末通信部２２ｃは、振分情報を受信した場合（ステップＳ７１６・Ｙｅｓ）、振分情報に基づいて、自局に割り振られた小エリアを特定する（ステップＳ７１７）。端末通信部２２ｃは、端末アップリンク信号を受信した際の通信の混雑度に基づいて、ビームの走査処理を実行する（ステップＳ７１８）。端末通信部２２ｃは、当該小エリアに対して通信が可能となるタイミングで、送信許可信号を生成する。端末通信部２２ｃは、生成された送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を、アンテナ２１から無線信号により送信する（ステップＳ７１９）。端末通信部２２ｃは、通信対象の小エリアの送信開始タイミングにおいて、送信許可信号を含む端末ダウンリンク信号を地上へ向けて送信する。

ホストではない移動中継局２ｃは、ステップＳ７１１からの処理を繰り返す。

以上のように、第２の実施形態による無線通信システム１ｃは、複数の小エリアのそれぞれを複数の移動中継局２ｃのいずれかに割り振る処理（振分処理）を行う。各々の移動中継局２ｃは、自局に割り振られた小エリアに対して送信許可信号を送信する。このような構成により、通信対象エリアに存在する複数の端末局３から送信される端末アップリンク信号を、複数の移動中継局２ｃが分担して（例えば均等に）受信するように制御することができる。これにより、本実施形態による無線通信システム１ｃは、各々の移動中継局２ｃにおける通信の混雑度を緩和させることができ、通信の混雑度が変動する場合でも、通信の信頼性低下を抑制することができる。

また、各々の移動中継局２ｃは、送信許可信号を端末ダウンリンク信号に含めて端末局３へ送信する。端末局３は、受信した端末ダウンリンク信号が示す送信許可信号を取得し、当該送信許可信号に基づいて、移動中継局２ｃへの端末アップリンク信号の送信を開始するか否かを決定する。このような構成により、無線通信システム１ｃは、端末局３から移動中継局２ｃへの端末アップリンク信号の送信タイミングを制御することができる。このような構成により、無線通信システム１ｃは、通信の混雑度が変動する場合であっても、通信の信頼性低下を抑制しつつ、より多くの端末局３から送信されるセンサデータを、移動中継局２ｃを介して基地局４へ伝送することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、ビームの照射範囲３０１に位置している各々の端末局３ｄ、端末アップリンク信号の送信タイミングを自律的に制御するという点が、第１の実施形態及び第２の実施形態と相違する。第３の実施形態では、第１の実施形態及び第２の実施形態との差分を中心に説明する。

前述の第１の実施形態及び第２の実施形態による無線通信システム１（１ａ，１ｂ，１ｃ）では、移動中継局２（２ａ，２ｂ，２ｃ）が、複数の端末局３から送信される端末アップリンク信号を受信し、通信状況を測定する構成であった。そして、無線通信システム１（１ａ，１ｂ，１ｃ）は、移動中継局２（２ａ，２ｂ，２ｃ）が、測定された通信状況に基づく混雑度状況と、端末アップリンク信号に含まれる各々の端末局３の位置を示す位置情報とに基づいて、ビームの走査速度を変更する。そして、移動中継局２（２ａ，２ｂ，２ｃ）が、分割された小エリアごとに、スポット化されたビームを用いて、端末局３による端末アップリンク信号の送信を許可する構成であった。

すなわち、前述の第１の実施形態及び第２の実施形態による無線通信システム１（１ａ，１ｂ，１ｃ）では、移動中継局２（２ａ，２ｂ，２ｃ）が、端末局３による端末アップリンク信号の送信タイミングを制御する構成であった。これに対し、本実施形態による無線通信システム１ｄでは、ビームの照射範囲３０１に位置している各々の端末局３ｄが、端末アップリンク信号の送信タイミングを自律的に制御する構成である。

図１６は、第３の実施形態による無線通信システム１ｄの構成図である。同図において、図１に示す第１の実施形態における無線通信システム１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１６に示されるように、無線通信システム１ｄは、移動中継局２ｄと、端末局３ｄと、基地局４とを有する。無線通信システム１ｄが有する移動中継局２ｄ、端末局３ｄ及び基地局４のそれぞれの数は任意であるが、端末局３ｄの数は多数であることが想定される。無線通信システム１ｄは、即時性が要求されない情報の伝送を行う通信システムである。複数の端末局３ｄからそれぞれ送信された情報は、移動中継局２ｄを介して伝送され、基地局４によって収集される。

移動中継局２ｄは、移動体に搭載され、通信可能なエリアが時間の経過により移動する中継装置の一例である。移動中継局２ｄは、例えば、ＬＥＯ衛星に備えられる。ＬＥＯ衛星の高度は、地球の上空を周回する。端末局３ｄ及び基地局４は、地上や海上など地球上に設置される。複数の端末局３ｄは、互いに異なる場所に存在する。端末局３ｄは、例えば、ＩｏＴ端末である。端末局３ｄは、センサが検出した環境データ等のデータを収集し、移動中継局２ｄへ無線信号により送信する。同図では、２台の端末局３ｄのみを示している。移動中継局２ｄは、地球の上空を移動しながら、複数の端末局３ｄそれぞれから送信されたデータを無線信号により受信する。移動中継局２ｄは、受信したこれらのデータを蓄積し、蓄積しておいたデータを、基地局４との通信が可能なタイミングで一括して基地局４へ無線送信する。基地局４は、端末局３ｄが収集したデータを移動中継局２ｄから受信する。

移動中継局２ｄとして、静止衛星や、ドローン、ＨＡＰＳなどの無人航空機に搭載された中継局を用いることが考えられるが、本実施形態では、移動中継局２ｄは、ＬＥＯ衛星に搭載されているものとする。ＬＥＯ衛星に搭載された移動中継局２ｄは、高速で移動しながら通信を行うため、個々の端末局３ｄや基地局４が移動中継局２ｄと通信可能な時間が限られている。移動中継局２ｄは、移動中の現在位置におけるカバレッジ内の端末局３ｄから端末アップリンク信号を受信し、受信した端末アップリンク信号の波形データを保存しておく。

移動中継局２ｄは、カバレッジに基地局４が存在するタイミングにおいて、端末アップリンク信号の波形データを含む基地局ダウンリンク信号を、基地局４に無線送信する。基地局４は、移動中継局２ｄから受信した基地局ダウンリンク信号を復調して、端末アップリンク信号の波形データを得る。基地局４は、波形データが表す端末アップリンク信号に対して復調及び復号を行うことにより、端末局３ｄが送信したデータである端末送信データを得る。

なお、本実施形態による無線通信システム１ｄでは、移動中継局２ｄと端末局３ｄとが一例としてＬＰＷＡを用いて無線通信を行う構成であるものとする。各々の端末局３ｄは、通信の信頼性を確保するため、同一の端末アップリンク信号を複数回、移動中継局２ｄへ向けて送信する構成であってもよい。

さらに、前述のとおり、端末局３ｄの数は多数であることが想定される。このような構成により、端末局３ｄから移動中継局２ｄへ送信されるデータの通信量が増大し、通信帯域が逼迫する場合がある。本実施形態による無線通信システム１ｄは、通信帯域の逼迫を防ぐため、端末局３ｄから移動中継局２ｄへのデータの送信における、送信タイミングを制御する。送信タイミングの制御は、移動中継局２ｄの軌道と、端末局３ｄが存在する位置とに基づいて、各々の端末局３ｄにおいて自律的に行われる。

具体的には、各々の端末局３ｄは、移動中継局２ｄの軌道を示す情報（以下、「軌道情報」という。）を予め記憶している。また、端末局３ｄは、例えばＧＰＳ受信機等の測位装置を備えており、自局の位置を示す位置情報の生成、及び現在時刻の計時を行うことができる。

端末局３ｄは、軌道情報と、自局の位置を示す位置情報とに基づいて、移動中継局２ｄとの通信が可能になる時間帯（以下、「通信可能時間帯」という。）を特定する。端末局３ｄは、特定された通信可能時間帯に基づいて、移動中継局２ｄへの端末アップリンク信号の送信を開始する時刻（以下、「送信開始時刻」という。）を決定する。端末局３ｄは、現在時刻を計時し、送信開始時刻になったタイミングで移動中継局２ｄへの端末アップリンク信号の送信を開始する。

ここで、移動中継局２ｄは、例えば、通信可能時間帯の中からランダムに選択した時刻を送信開始時刻として決定する。これにより、多数の端末局３ｄが互いに近傍の位置に存在している場合であっても、当該多数の端末局３ｄから移動中継局２ｄへの端末アップリンク信号の送信が同時に開始されないようにすることができる。これにより、本実施形態による無線通信システム１ｄは、移動中継局２ｄにおける通信の通信帯域の逼迫を防ぐことができる。

なお、端末局３ｄは、通信可能時間帯の中からランダムに選択した時刻を送信開始時刻として決定するのではなく、例えば、測位装置によって得られた自局の位置（例えば、緯度及び経度）と所定の算定ルールとに基づいて算定される時刻を送信開始時刻として決定するようにしてもよい。

各装置の構成を説明する。
図１６に示されるように、移動中継局２ｄは、アンテナ２１と、端末通信部２２ｄと、データ記憶部２３と、基地局通信部２４と、アンテナ２５とを備える。

端末通信部２２ｄは、受信部２２１と、受信波形記録部２２２とを有する。受信部２２１は、アンテナ２１により端末アップリンク信号を受信する。受信波形記録部２２２は、受信部２２１が受信した端末アップリンク信号の受信波形をサンプリングし、サンプリングにより得られた値を示す波形データを生成する。受信波形記録部２２２は、アンテナ２１における端末アップリンク信号の受信時刻と、生成した波形データとを含む受信波形情報を、データ記憶部２３に書き込む。データ記憶部２３は、受信波形記録部２２２により書き込まれた受信波形情報を記憶する。移動中継局２ｄの基地局通信部２４及び基地局４の構成は、前述の第１の実施形態による無線通信システム１の移動中継局２の基地局通信部２４及び基地局４の構成と同様である。

端末局３ｄは、データ記憶部３１と、送信部３２と、１本または複数本のアンテナ３３と、送信制御部３５ｄと、位置情報生成部３６と、軌道情報記憶部３７とを備える。データ記憶部３１は、センサデータなどを記憶する。送信部３２は、データ記憶部３１からセンサデータを端末送信データとして読み出し、読み出した端末送信データを含む端末アップリンク信号を、アンテナ３３から無線信号により送信する。送信部３２は、例えばＬＰＷＡにより信号を送信する。送信部３２は、使用する無線通信方式において予め決められた方法により、自局が端末アップリンク信号の送信に使用するチャネル及び送信タイミングを決定する。また、送信部３２は、使用する無線通信方式において予め決められた方法により、複数本のアンテナ３３から送信する信号のビーム形成を行ってもよい。

軌道情報記憶部３７は、移動中継局２ｄの軌道を示す情報（軌道情報）を予め記憶する。位置情報生成部３６は、例えばＧＰＳ受信機等の測位装置を備えており、自局の位置を特定する。位置情報生成部３６は、特定された自局の位置を示す位置情報を生成する。送信制御部３５ｄは、軌道情報記憶部３７に記憶された軌道情報と、位置情報生成部３６によって特定された自局の位置を示す位置情報とに基づいて、送信部３２と移動中継局２ｄとの通信が可能になる時間帯（通信可能時間帯）を特定する。送信制御部３５ｄは、特定された通信可能時間帯に基づいて、移動中継局２ｄへの端末アップリンク信号の送信を開始する時刻（送信開始時刻）を決定する。送信開始時刻は、通信可能時間帯の範囲内で決定される。送信制御部３５ｄは、現在時刻を計時し、送信開始時刻になったタイミングで、移動中継局２ｄへの端末アップリンク信号の送信を開始させるように送信部３２を制御する。送信部３２は、送信制御部３５ｄによる制御のもとで、移動中継局２ｄへの端末アップリンク信号の送信を開始する。

前述の通り、移動中継局２ｄは、例えば、通信可能時間帯の範囲内でランダムに選択した時刻を送信開始時刻として決定する。移動中継局２ｄは、送信開始時刻に応じて、ビームで通信対象エリアを走査する。これにより、本実施形態による無線通信システム１ｄは、移動中継局２ｄにおける通信の通信帯域の逼迫を防ぐことができる。なお、端末局３ｄは、例えば、測位装置によって得られた自局の位置（例えば、緯度及び経度）と所定の算定ルールとに基づいて算定される時刻を送信開始時刻として決定するようにしてもよい。

端末局３ｄの動作を説明する。
図１７は、端末局３ｄによる端末アップリンク信号の送信タイミング制御処理を示すフロー図である。

端末局３ｄの送信制御部３５ｄは、軌道情報記憶部３７に記憶された軌道情報を取得する（ステップＳ８１１）。端末局３の受信部３４は、アンテナ３３により端末ダウンリンク信号を受信する（ステップＳ８１２）。端末局３の送信制御部３５は、受信部３４によって受信された端末ダウンリンク信号から、送信許可信号を取得する（ステップＳ８１３）。

端末局３ｄの位置情報生成部３６は、例えばＧＰＳ受信機等の測位装置により自局の位置を特定する（ステップＳ８１４）。位置情報生成部３６は、特定された自局の位置を示す位置情報を生成する。送信制御部３５ｄは、軌道情報と、位置情報生成部３６によって生成された位置情報とに基づいて、送信部３２と移動中継局２ｄとの通信が可能になる時間帯（通信可能時間帯）を特定する（ステップＳ８１５）。送信制御部３５ｄは、特定された通信可能時間帯に基づいて、移動中継局２ｄへの端末アップリンク信号の送信を開始する時刻（送信開始時刻）を決定する（ステップＳ８１６）。

送信制御部３５ｄは、現在時刻を計時し、現在時刻が送信開始時刻になるまで待機する（ステップＳ８１７・Ｎｏ）。自局が照射範囲３０１に位置している時間内であり、現在時刻が送信開始時刻になった場合（ステップＳ８１７・Ｙｅｓ）、送信制御部３５ｄは、移動中継局２ｄへの端末アップリンク信号の送信を開始させるように送信部３２を制御する。送信部３２は、移動中継局２ｄへの端末アップリンク信号の送信を開始する（ステップＳ８１８）。
端末局３ｄは、ステップＳ８１１以降の処理を繰り返す。

以上のように、第３の実施形態による無線通信システム１ｄは、各々の端末局３ｄが、端末アップリンク信号の送信タイミングを自律的に制御する。各々の端末局３ｄは、移動中継局２ｄの軌道を示す軌道情報と自局の位置を示す位置情報とに基づいて、移動中継局２ｄとの通信の通信可能時間帯を特定する。端末局３ｄは、特定された通信可能時間帯に基づいて、端末アップリンク信号の送信開始時刻を決定する。このとき、端末局３ｄは、例えば、通信可能時間帯の範囲内において送信開始時刻をランダムに決定する。

このような構成を備えることにより、第３の実施形態による無線通信システム１ｄは、ビームの本数を必要以上に増やすことなく広いカバレッジを実現することができる。無線通信システム１ｄは、移動中継局２ｄにおける通信の混雑度を軽減させることができる。これにより、無線通信システム１ｄは、通信の混雑度が変動する場合でも、通信の信頼性低下を抑制することができる。

（第３の実施形態の変形例１）
移動中継局２ｄが複数存在する場合には、以下のような構成にすることも考えられる。

端末局３ｄは、予めエリア（例えば、前述の小エリア）ごとに特定の移動中継局２ｄが対応付けられた対応情報を予め記憶している。端末局３ｄは、自局の位置を特定することにより、特定された自局の位置が含まれるエリアを認識する。端末局３ｄは、上記の対応情報を参照することにより、自局の位置が含まれるエリアに対応する移動中継局２ｄを特定する。端末局３ｄは、特定された移動中継局２ｄへ端末アップリンク信号の送信を行う。

このとき、端末局３ｄは、特定された移動中継局２ｄの軌道情報と、自局の位置を示す位置情報とに基づいて、移動中継局２ｄとの通信の通信可能時間帯を特定する。端末局３ｄは、特定された通信可能時間帯の範囲内で、移動中継局２ｄへの端末アップリンク信号の送信開始時刻を決定する。このとき、端末局３ｄは、例えば、通信可能時間帯の範囲内において送信開始時刻をランダムに決定する。

以上のように、このような構成を備えることにより、本変形例による無線通信システム１ｄは、ビームの本数を必要以上に増やすことなく広いカバレッジを実現することができる。無線通信システム１ｄは、移動中継局２ｄにおける通信の混雑度を軽減させることができる。これにより、無線通信システム１ｄは、通信の混雑度が変動する場合でも、通信の信頼性低下を抑制することができる。

（第３の実施形態の変形例２）
移動中継局２ｄから端末局３ｄへ、例えばビーコン等の、位置情報を推定可能な信号（以下、「ビーコン等」という。）を送信することができる場合には、以下のような構成にすることも考えられる。

移動中継局２ｄは、例えば所定の間隔でビーコン等を地上へ向けて送信する。各々の端末局３ｄは、移動中継局２ｄから送信されたビーコン等を受信した場合、当該ビーコン等に基づいて移動中継局２ｄの位置を推定する。端末局３ｄは、推定された移動中継局２ｄの位置と現在時刻とに基づいて、軌道情報記憶部３７に記憶された移動中継局２ｄの軌道情報を補正する。

端末局３ｄは、補正された軌道情報と自局の位置を示す位置情報とに基づいて、移動中継局２ｄとの通信の通信可能時間帯を特定する。端末局３ｄは、スポット化されたビームの照射範囲３０１に位置している場合、特定された通信可能時間帯に基づいて、端末アップリンク信号の送信開始時刻を決定する。このとき、端末局３ｄは、例えば、通信可能時間帯の範囲内において送信開始時刻をランダムに決定する。

以上のように、このような構成を備えることにより、本変形例による無線通信システムは、移動中継局２ｄと各々の端末局３ｄとの間の通信の通信可能時間帯の算出における精度をより向上させることができる。

上述した各実施形態及びその変形例によれば、無線通信システムは、移動体に備えられた中継装置（移動可能な中継装置）と、互いに異なる場所に存在する複数の通信装置とが無線通信する。例えば、中継装置は実施形態における移動中継局２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄであり、第１通信装置は実施形態における端末局３であり、第２通信装置は実施形態における基地局４である。

中継装置は、中継装置受信部と、測定部と、中継装置制御部と、中継装置送信部とを備える。例えば、中継装置受信部は、実施形態におけるアンテナ２１及び受信部２２１、２２１ｂであり、測定部は、実施形態における通信状況測定部２２３、２２３ｂであり、中継装置制御部は、実施形態におけるエリア制御部２２４、２２４ｂであり、中継装置送信部は、アンテナ２１及び送信部２２６、２２６ｂである。

中継装置受信部は、複数の通信装置から送信され、通信装置の位置を示す位置情報を含む信号をそれぞれ受信する。例えば、信号は、実施形態における端末アップリンク信号である。測定部は、中継装置受信部における通信の混雑度を測定する。中継装置制御部は、複数の通信装置の位置と通信の混雑度とに基づいて通信対象エリアを複数の小エリアに分割し、小エリアの位置を示すエリア情報を生成する。中継装置送信部は、自装置が通信装置と通信可能な範囲に位置しているときに、複数のエリア情報を順に送信する。

通信装置は、記憶部と、通信装置受信部と、通信装置制御部と、通信装置送信部とを備える。例えば、記憶部は、実施形態におけるデータ記憶部３１であり、通信装置受信部は、実施形態におけるアンテナ３３及び受信部３４であり、通信装置制御部は、実施形態における送信制御部３５であり、通信装置送信部は、実施形態におけるアンテナ３３及び送信部３２である。

記憶部は、中継装置へ送信する送信データを記憶する。例えば、送信データは、実施形態における環境データ等のデータである。通信装置受信部は、エリア情報を受信する。通信装置制御部は、エリア情報に基づく小エリアに自己位置が含まれるか否かを判定する。通信装置送信部は、小エリアに自己位置が含まれる場合に、送信データと、自己位置を示す位置情報とを含む信号を前記中継装置へ送信する。例えば、信号は、実施形態における端末アップリンク信号である。

なお、中継装置制御部は、通信対象エリアを、通信の混雑度が均一化された複数の小エリアに分割するようにしてもよい。

なお、通信の混雑度は、中継装置受信部における単位時間あたりの信号のアクセス数を示す情報、信号の受信信号強度を示す情報であってもよい。例えば、信号は、実施形態における端末アップリンク信号である。

なお、中継装置は、地球を周回する移動体に備えられ、中継装置送信部は、以前の周回において生成されたエリア情報を通信装置へ送信してもよい。

なお、移動体は低軌道衛星であり、通信装置はセンサを含む端末装置に備えられ、信号は端末装置によって測定されたセンサデータを示す信号であってもよい。

なお、無線通信システムは、中継装置と無線通信する基地局装置をさらに有してもよい。例えば、基地局装置は、実施形態における基地局４である。中継装置は、自装置が基地局装置と通信可能な範囲に位置しているときに、複数の通信装置からそれぞれ送信された信号に基づく信号を基地局装置へ送信してもよい。例えば、複数の通信装置からそれぞれ送信された信号に基づく信号は、実施形態における基地局ダウンリンク信号である。

また、上述した実施形態及びその変形例によれば、移動体に備えられた中継装置と無線通信する通信装置は、記憶部と、制御部と、送信部とを備える。例えば、記憶部は、実施形態におけるデータ記憶部３１及び軌道情報記憶部３７であり、制御部は、実施形態における送信制御部３５ｄであり、送信部は、実施形態におけるアンテナ３３及び送信部３２である。

記憶部は、中継装置へ送信する送信データと、移動体の軌道を示す軌道情報を記憶する。例えば、送信データは、実施形態における環境データ等のデータである。制御部は、軌道情報と自己位置とに基づいて、中継装置との通信が可能な時間帯である通信可能時間帯を特定する。送信部は、通信可能時間帯に送信データを中継装置へ送信する。

なお、送信部は、通信可能時間帯の範囲内においてランダムに決定された時刻に送信データを送信してもよい。

なお、上記の第１の実施形態～第３の実施形態、及びその変形例において、移動中継局が搭載される移動体は、ＬＥＯ衛星である場合を説明したが、静止衛星、ドローンやＨＡＰＳなど上空を飛行する他の飛行体であってもよい。

図１８は、各実施形態による移動中継局２の機能部のハードウェア構成例を示す図である。上述した各実施形態における移動中継局２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ、端末局３，３ｄ、及び基地局４，４ａ，４ｂの一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

すなわち、無線通信システムの各機能部のうちの一部又は全部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ１００が、不揮発性の記録媒体（非一時的な記録媒体）を有するメモリ１０２に記憶されたプログラムを実行することにより、ソフトウェアとして実現される。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置１０１などの非一時的な記録媒体である。無線通信システムの各機能部のうちの一部又は全部は、例えば、ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）又はＦＰＧＡ等を用いた電子回路（electronic circuit又はcircuitry）を含むハードウェアを用いて実現されてもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ…無線通信システム，
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ…移動中継局，
３、３ｄ…端末局，
４、４ａ、４ｂ…基地局，
２１、２１－１～２１－Ｎ…アンテナ，
２２、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ…端末通信部，
２３…データ記憶部，
２４…基地局通信部，
２５…アンテナ，
２６…基地局通信部，
２７…中継局間通信部，
２８…アンテナ，
３１…データ記憶部，
３２…送信部，
３３…アンテナ，
３４…受信部，
３５、３５ｄ…送信制御部，
３６…位置情報生成部，
４１…アンテナ，
４２…受信部，
４３…基地局信号受信処理部，
４４…端末信号受信処理部，
１００…プロセッサ，１０１…記憶装置，１０２…メモリ，
２２１、２２１ｂ、２２１ｂ－１～２２１ｂ－Ｎ…受信部，
２２２、２２２ｂ、２２２ｂ－１～２２２ｂ－Ｎ…受信波形記録部，
２２３、２２３ｂ…通信状況測定部，
２２４、２２４ｂ…エリア制御部，
２２５…記憶部，
２２６、２２６ｂ…送信部，
２２７、２２７ｂ…位置情報取得部，
２２８…アンテナ駆動部，
２４１…記憶部，
２４２…制御部，
２４３…送信データ変調部，
２４４…送信部，
２６１…記憶部，
２６２…制御部，
２６３…送信データ変調部，
２６４…ＭＩＭＯ送信部，
３００…通信対象エリア，３０１…照射範囲，
４１０…アンテナ局，
４２０…ＭＩＭＯ受信部，
４３０…基地局信号受信処理部，
４４１…端末信号復調部，
４４２…端末信号復号部，
４５０…端末信号受信処理部，
４５１…分配部，
４５２、４５２－１～４５２－Ｎ…端末信号復調部，
４５３…合成部，
４５４…端末信号復号部

Claims (6)

1. 通信対象エリアを分割する複数の小エリアのうちの１以上の小エリアに位置している１以上の第１通信装置と、中継装置と、第２通信装置とを有する無線通信システムであって、
   前記中継装置は、
   前記通信対象エリアよりも狭い照射範囲の１以上のビームを前記通信対象エリアに照射しながら前記複数の小エリアを前記ビームで走査するように１以上のアンテナを駆動するアンテナ駆動部と、
   前記照射範囲に位置している前記第１通信装置から送信された第１無線信号を前記アンテナから取得する受信部と、
   前記第１無線信号に応じた第２無線信号を前記第２通信装置に送信する送信部と、
   前記第１無線信号の送信頻度に基づいて通信の混雑度を導出する通信状況測定部とを備え、
   前記通信状況測定部は、今回の周回時における前記第１通信装置の位置情報を用いて、前記中継装置の次の周回時における前記混雑度を予測し、
   前記アンテナ駆動部は、前記次の周回時に、予測された前記混雑度に応じた走査速度で前記通信対象エリア内をビームで走査するように前記アンテナを駆動する、無線通信システム。
2. 前記アンテナ駆動部は、前記混雑度が閾値以上である場合に前記走査速度を遅くするように前記アンテナを駆動し、前記混雑度が閾値未満である場合に前記走査速度を速くするように前記アンテナを駆動する、請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記アンテナ駆動部は、前記照射範囲同士を離した状態で、前記複数の小エリアを１以上の前記ビームで走査するように、前記アンテナを駆動する、請求項１又は請求項２に記載の無線通信システム。
4. 通信対象エリアを分割する複数の小エリアのうちの１以上の小エリアに位置している１以上の第１通信装置と、第２通信装置と、移動可能な中継装置とを有する無線通信システムにおける前記中継装置であって、
   前記通信対象エリアよりも狭い照射範囲の１以上のビームを前記通信対象エリアに照射しながら前記複数の小エリアを前記ビームで走査するように１以上のアンテナを駆動するアンテナ駆動部と、
   前記照射範囲に位置している前記第１通信装置から送信された第１無線信号を前記アンテナから取得する受信部と、
   前記第１無線信号に応じた第２無線信号を前記第２通信装置に送信する送信部と、
   前記第１無線信号の送信頻度に基づいて通信の混雑度を導出する通信状況測定部とを備え、
   前記通信状況測定部は、今回の周回時における前記第１通信装置の位置情報を用いて、前記中継装置の次の周回時における前記混雑度を予測し、
   前記アンテナ駆動部は、前記次の周回時に、予測された前記混雑度に応じた走査速度で前記通信対象エリア内をビームで走査するように前記アンテナを駆動する、
   中継装置。
5. 通信対象エリアを分割する複数の小エリアのうちの１以上の小エリアに位置している１以上の第１通信装置と、中継装置と、第２通信装置とを有する無線通信システムが実行する無線通信方法であって、
   前記中継装置は、
   前記通信対象エリアよりも狭い照射範囲の１以上のビームを前記通信対象エリアに照射しながら前記複数の小エリアを前記ビームで走査するように１以上のアンテナを駆動し、
   前記照射範囲に位置している前記第１通信装置から送信された第１無線信号を前記アンテナから取得し、
   前記第１無線信号に応じた第２無線信号を前記第２通信装置に送信し、
   前記第１無線信号の送信頻度に基づいて通信の混雑度を導出し、
   今回の周回時における前記第１通信装置の位置情報を用いて、前記中継装置の次の周回時における前記混雑度を予測し、
   前記次の周回時に、予測された前記混雑度に応じた走査速度で前記通信対象エリア内をビームで走査するように前記アンテナを駆動する、
   無線通信方法。
6. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の無線通信システムの中継装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

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