JP7594200B2 - 中継装置、無線通信システム、無線通信方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、中継装置、無線通信システム、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、クラウド側で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。例えば、海上のブイや船舶、及び山岳地帯など、基地局の設置が困難な場所の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ＵＡＶ（Unmanned Aerial Vehicle：無人航空機）などを中継局として、地上の複数の通信装置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１，０００［ｋｍ］前後の低い軌道を周回する低軌道衛星（ＬＥＯ：Low Earth Orbit）を用いる場合と、高度３６，０００［ｋｍ］を周回する静止衛星（ＧＥＯ：Geostationary Orbit）を用いる場合とがある。低軌道衛星は、静止衛星に比べて伝搬距離が短い。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（非特許文献１）。また、この場合、低軌道衛星や地上の通信装置が備える高周波回路の構成が容易になる。ところが、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ため、地上の通信装置から見た衛星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が制限される。

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、通信衛星がＬＰＷＡを用いてＩｏＴ端末からデータを収集する衛星ＩｏＴシステムの検討が行われている。一般的に、通信衛星と地上の通信装置との間の無線通信は、地上の複数の通信装置の間で直接通信を行う無線通信に比べて伝搬距離が長い。しかしながら、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、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。

Z. QU et al., "LEO Satellite Constellation for Internet of Things," IEEE Access, Vol.5, pp.18391-18401, 2017

昨今、ＩｏＴ端末数は増加の一途をたどっている。また、例えば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が相対的に長くなる。そのため、特定の地域に密集して存在する複数のＩｏＴ端末が、同一タイミングで信号を低軌道衛星へそれぞれ送信する機会も増大することが想定される。このような状況に対し、低軌道衛星が、複数の受信アンテナを搭載し、受信ビーム制御を行うことによって、複数のＩｏＴ端末から同一タイミングでそれぞれ送信された信号を受信することが可能になる。この場合、低軌道衛星は、受信された複数の信号の分離を行う必要がある。一般的に、同一タイミングで信号を送信する複数のＩｏＴ端末が密集して存在する方向と、低軌道衛星に搭載された受信アレーアンテナ面の正面方向（受信方向）とは、必ずしも一致しているとは限らない。受信アレーアンテナ面の正面方向ほど受信ビームを鋭くすることができ信号分離の性能が高くなるが、両者の方向が異なっているほど、信号分離の性能はより低下する。したがって、低軌道衛星とＩｏＴ端末との位置関係によっては信号分離の性能が低下し、通信の信頼性が低下することがある。

上記事情に鑑み、本発明は、通信の信頼性低下を抑制することができる中継装置、無線通信システム、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、複数の第一通信装置から第二通信装置へ伝送される無線の信号を、移動しながら中継する中継装置であって、前記複数の第一通信装置からそれぞれ送信された信号を受信アンテナにより受信する第一受信部と、前記信号の受信に基づいて推定される、所定の基準を超えて高い密度で前記第一通信装置が位置している地域を示す密集地域情報に基づいて前記受信アンテナの受信方向を制御する方向制御部と、を備える中継装置である。

本発明の一態様は、複数の第一通信装置と、第二通信装置と、前記複数の第一通信装置から前記第二通信装置へ伝送される信号を、移動しながら中継する中継装置と、を有する無線通信システムであって、前記第一通信装置は、前記信号を前記中継装置へ送信する第一送信部を備え、前記中継装置は、前記複数の第一通信装置からそれぞれ送信された前記信号を受信アンテナにより受信する第一受信部と、前記信号の受信に基づいて推定される、所定の基準を超えて高い密度で前記第一通信装置が位置している地域を示す密集地域情報に基づいて前記受信アンテナの受信方向を制御する方向制御部と、前記信号を前記第二通信装置へ送信する第二送信部と、を備える無線通信システムである。

本発明の一態様は、前記複数の第一通信装置から前記第二通信装置へ伝送される信号を、移動する中継装置によって中継する無線通信方法であって、前記第一通信装置が、前記中継装置へ前記信号を送信する第一送信ステップと、前記中継装置が、前記複数の第一通信装置からそれぞれ送信された前記信号を受信アンテナにより受信する受信ステップと、前記中継装置が、前記信号の受信に基づいて推定される、所定の基準を超えて高い密度で前記第一通信装置が位置している地域を示す密集地域情報に基づいて前記受信アンテナの受信方向を制御する方向制御ステップと、前記中継装置が、前記信号を前記第二通信装置へ送信する第二送信ステップと、を有する無線通信方法である。

本発明の一態様は、上記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、通信の信頼性低下を抑制することが可能となる。

本発明の第１の実施形態における無線通信システムの構成図である。 同実施形態における移動中継局の基地局通信部の構成を示すブロック図である。 同実施形態における無線通信システムによるデータ収集処理を示すフローチャートである。 同実施形態における無線通信システムによるデータ収集処理を示すフローチャートである。 同実施形態における無線通信システムによる送信制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態における無線通信システムによる送信制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態における無線通信システムによる送信制御処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の変形例１における無線通信システムの構成図である。

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のそれぞれの個数は任意であるが、端末局３の個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、時間の経過に伴って通信可能なエリアが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２０００［ｋｍ］以下であり、地球を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の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する。移動中継局２は、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によって収集され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、ドローン、又は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。しかしながら、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。

そこで、本実施形態では、移動中継局２は、地球の上空を周回するＬＥＯ衛星に搭載される。これにより、リンクバジェットは限界内に収まり、ＬＥＯ衛星は大気圏外を周回するために空気抵抗がなく、燃料消費が少ない。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と移動中継局２とが通信可能な時間が限られている。具体的には、移動中継局２は、地上から見ると、数分間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、移動中継局２は、移動中の現在位置におけるカバレッジ内の端末局３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２は、複数本のアンテナにより端末アップリンク信号を受信する。

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設定した基地局ダウンリンク信号を、基地局４に無線送信する。移動中継局２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説明する。

なお、本実施形態では、基地局４と移動中継局２とがＭＩＭＯによる通信を行うが、これに限られず、基地局４及び移動中継局２の少なくとも一方が、１つのアンテナを用いて通信を行うものであってもよい。

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。さらに、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信号処理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、一例として、移動中継局２と端末局３とがＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）を用いて無線通信を行う構成であるものとする。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。また、ＬＰＷＡはデータレートが低いため、端末局３が端末アップリンク信号を送信している時間が相対的に長くなる。なお、各々の端末局３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２へ向けて送信するようにしてもよい。これらのことから、特定の方向に密集して存在する複数の端末局３からそれぞれ送信される信号を移動中継局２が同一タイミングで受信する機会が増大することが想定される。

このような状況に対し、移動中継局２が、複数の受信アンテナを搭載し、受信ビーム制御を行うことによって、複数の端末局３から同一タイミングでそれぞれ送信された信号を受信することが可能になる。この場合、移動中継局２は、受信された複数の信号の分離を行う必要がある。ここで、移動中継局２の位置から見て端末局３が密集する密集地域の方向と、移動中継局２に搭載された受信アレーアンテナ面の正面方向（受信方向）とが異なっているほど、信号分離の性能はより低下する。したがって、移動中継局２と端末局３の密集地域との位置関係によっては信号分離の性能が低下し、通信の信頼性が低下することがある。そこで、本実施形態における移動中継局２は、端末局３が密集する方向へ受信アンテナの受信方向を向けるように制御を行う。

具体的には、各端末局３は、移動中継局２と通信可能なタイミングで、自己位置を示す位置情報を移動中継局２へ送信する。移動中継局２は、各々の端末局３の位置情報を含む波形データを収集し、蓄積する。移動中継局２は、基地局４と通信可能なタイミングで、蓄積された各々の端末局３の位置情報を含む波形データを基地局４へ送信する。

基地局４は、各々の端末局３の位置情報に基づいて地球上における端末局３の分布を解析し、端末局３が密集して存在する密集地域を特定する。密集地域とは、所定の基準を超えて高い密度で複数の端末局３が位置している地域である。基地局４は、特定された密集地域を示す情報（以下、「密集地域情報」という。）と、移動中継局２の軌道情報とに基づいて、単位時間ごとのアンテナ２１の受信方向を決定する。すなわち、基地局４は、移動中継局２が密集地域に存在する端末局３と通信可能な位置に位置している時間帯に、アンテナ２１の受信方向が密集地域（例えば、密集地域の中の位置）の方向に向くように、受信方向を決定する。アンテナ２１の受信方向とは、例えばアレーアンテナの面の向きである。

さらに、基地局４は、上記決定されたアンテナ２１の受信方向となるような移動中継局２の姿勢（向き）を特定する。なお、基地局４は、例えばアンテナ２１の受信方向と移動中継局２の姿勢（向き）とが対応付けられた情報を予め保持している。基地局４は、単位時間ごとの移動中継局２の姿勢を示す情報（以下、「方向制御情報」という。）を移動中継局２へ送信する。移動中継局２は、方向制御情報に従って単位時間ごとに姿勢を変化させる。このような構成により、アンテナ２１の受信方向が端末局３の密集地域の方向となるように随時制御される。

なお、本実施形態では、移動中継局２は、自らの姿勢（向き）を変化させることによって受信アンテナの受信方向を制御するものとしたが、これに限られるものではない。例えば、移動中継局２が、受信方向を任意に変化させることができる受信アンテナを用いて、受信アンテナの動作によって受信方向を変化させる構成であってもよい。

なお、本実施形態では、基地局４が、端末局３の密集地域を特定する処理を行うものとしたが、これに限られるものではない。例えば、移動中継局２が、端末局３の密集地域を特定する処理を行う構成であってもよい。また、本実施形態では、基地局４が、移動中継局の姿勢（向き）を決定する処理を行うものとしたが、これに限られるものではない。例えば、基地局４が、密集地域情報を移動中継局２へ送信し、移動中継局２が、密集地域情報に基づいて方向制御情報を生成するような構成であってもよい。すなわち、密集地域解析部４６の少なくとも一部の機能が、基地局４側ではなく移動中継局２側に搭載されている構成であってもよい。但し、この場合、移動中継局２には、密集地域解析部４６の少なくとも一部に相当する機能部の設置スペース及び当該機能部を動作させるための電力等が必要となる。そのため、これらの機能部は、設置スペースや利用可能な電力の確保が容易である地上の基地局４等に備えられていることが望ましい。

以下の説明において、端末局３の密集地域を特定し、特定された密集地域の方向に受信アンテナの受信方向を向けるように移動中継局２の姿勢を制御するための処理を、「方向制御処理」という。また、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を、「データ収集処理」という。

方向制御処理は、例えば、データ収集処理が開始される前の時点における移動中継局２の周回時、あるいは、データ収集処理が開始された時点における移動中継局２の初回の周回時等に行われる。また、方向制御処理は、例えば、定期的に（例えば、１日毎に）実行されてもよい。方向制御処理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、データ収集処理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）
以下、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、Ｎ本のアンテナ２１（Ｎは２以上の整数）と、端末通信部２２と、データ記憶部２３と、基地局通信部２４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２２は、Ｎ個の受信部２２１と、Ｎ個の周波数変換部２２２と、Ｎ個の受信波形記録部２２３とを有する。Ｎ個の受信部２２１を、受信部２２１－１～２２１－Ｎと記載し、Ｎ個の周波数変換部２２２を、周波数変換部２２２－１～２２２－Ｎと記載し、Ｎ個の受信波形記録部２２３を、受信波形記録部２２３－１～２２３－Ｎと記載する。

受信部２２１－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。周波数変換部２２２－ｎは、受信部２２１－ｎが受信した端末アップリンク信号を、ＲＦ信号からベースバンド信号に周波数変換（例えば、直交復調器等による周波数変換）する。受信波形記録部２２３－ｎは、周波数変換部２２２－ｎが周波数変換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２２３－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設定した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の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。
図２は、移動中継局２の基地局通信部２４の構成を示すブロック図である。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、ＭＩＭＯ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衛星の軌道情報は、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。なお、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。

さらに、記憶部２４１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４が備える各アンテナ局４１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。

なお、記憶部２４１は、例えば、センサデータの収集対象である地上の範囲が区分けされた複数の地域に関する情報を予め記憶していてもよい。

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へ送信するように送信データ変調部２４３及びＭＩＭＯ送信部２４４を制御する。さらに、制御部２４２は、記憶部２４１から読み出した送信時刻毎のウェイトをＭＩＭＯ送信部２４４に指示する。送信データ変調部２４３は、データ記憶部２３から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信号に変換した後、変調する。ＭＩＭＯ送信部２４４は、変調されたパラレル信号に、制御部２４２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２４４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。

図１に示されるように、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、収集の対象である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設定した端末アップリンク信号を、移動中継局２と通信可能なタイミングで、アンテナ３３から無線により送信する。

送信部３２は、例えば、ＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）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、他の端末局３と時分割多重、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）などにより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、複数のアンテナ局４１と、ＭＩＭＯ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。
アンテナ局４１は、移動中継局２の複数のアンテナ２５のそれぞれからの信号の到来角差が大きくなるように、他のアンテナ局４１と離れた位置に配置される。各アンテナ局４１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電気信号に変換してＭＩＭＯ受信部４２に出力する。

ＭＩＭＯ受信部４２は、複数のアンテナ局４１により受信した基地局ダウンリンク信号を集約する。ＭＩＭＯ受信部４２は、ＬＥＯ衛星の軌道情報と、各アンテナ局４１の位置とに基づいて、各アンテナ局４１のそれぞれ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４２は、各アンテナ局４１から入力し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４３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うことによ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、分配部４４１と、信号処理部４４２と、端末信号復号部４４３とを備える。

分配部４４１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ごとに信号処理部４４２に出力する。

信号処理部４４２は、フレーム検出（端末信号検出）、ドップラーシフト補償、及びオフラインビーム制御等の処理を行う。
フレーム検出（端末信号検出）とは、波形データから端末送信信号（端末送信フレーム）が含まれる区間を検出する処理である。
ドップラーシフト補償とは、波形データが示す信号に対して、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である。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。
オフラインビーム制御とは、（移動中継局２で受信ビーム制御を行うのではなく）信号処理部４４２によって行われる、後処理として受信ビーム制御を行う処理である。
信号処理部４４２は、上記の処理の結果得られるシンボルを端末信号復号部４４３に出力する。

端末信号復号部４４３は、信号処理部４４２から出力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。

以下、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、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１の動作を示すフローチャートである。

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、端末送信データを設定した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。なお、端末局３は、他の端末局３と時分割多重、ＯＦＤＭ、ＭＩＭＯなどにより送信を行ってもよい。

移動中継局２の受信部２２１－１～２２１－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。周波数変換部２２２－１～２２２－Ｎは、受信部２２１－１～２２１－Ｎが受信した端末アップリンク信号を、ＲＦ信号からベースバンド信号に周波数変換（例えば、直交復調器等による周波数変換）する。

受信波形記録部２２３－１～２２３－Ｎは、周波数変換部２２２－１～２２２－Ｎが周波数変換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２２３－１～２２３－Ｎは、アンテナ２１－１～２１－Ｎのアンテナ識別子と、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、生成した波形データとを設定し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４は、移動中継局２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１の処理を示すフローチャートである。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ＭＩＭＯ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に蓄積されている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、変調する。ＭＩＭＯ送信部２４４は、送信データ変調部２４３が変調した送信データに制御部２４２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２４４は、生成され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のアンテナ局４１は、移動中継局２から基地局ダウンリンク信号をＭＩＭＯにより受信する（ステップＳ２２１）。各アンテナ局４１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４２に出力する。ＭＩＭＯ受信部４２は、各アンテナ局４１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４２は、各アンテナ局４１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４３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の分配部４４１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、読み出された波形データを、その波形データに対応付けられたアンテナ識別子ごとに信号処理部４４２に出力する。信号処理部４４２は、フレーム検出（端末信号検出）、ドップラーシフト補償、及びオフラインビーム制御等の処理を行う。信号処理部４４２は、上記の処理の結果得られるシンボルを端末信号復号部４４３に出力する。

端末信号復号部４４３は、信号処理部４４２から出力されたシンボルを、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（ステップＳ２２３）。なお、端末信号復号部４４３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。

（方向制御処理）
以下、方向制御処理における各装置の構成を説明する。
端末局３の構成について説明する。データ記憶部３１は、自己位置を示す位置情報を予め記憶している。例えば位置情報は、緯度及び経度を表す情報である。例えば端末局３は図示しないＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）受信機等の測位システムを備えており、例えば位置情報は、測位システムによって得られた２次元又は３次元の座標データである。

送信部３２は、データ記憶部３１から位置情報を端末送信データとして読み出し、読み出された端末送信データを設定した端末アップリンク信号を、移動中継局２と通信可能なタイミングで、アンテナ３３から無線により送信する。

移動中継局２の構成について説明する。受信部２２１－ｎ（ｎは１以上Ｎ以下の整数）は、端末局３から送信された端末アップリンク信号をアンテナ２１－ｎにより受信する。端末アップリンク信号には、当該端末アップリンク信号を送信した端末局３の位置情報を示す端末送信データが設定されている。周波数変換部２２２－ｎは、受信部２２１－ｎが受信した端末アップリンク信号を、ＲＦ信号からベースバンド信号に周波数変換（例えば、直交復調器等による周波数変換）する。受信波形記録部２２３－ｎは、周波数変換部２２２－ｎが周波数変換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２２３－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、生成された波形データとを設定した受信波形情報を、データ記憶部２３に書き込む。データ記憶部２３は、アンテナ２１－１～２１－Ｎの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。具体的には、基地局通信部２４の制御部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ＭＩＭＯ送信部２４４を制御する。さらに、制御部２４２は、記憶部２４１から読み出した送信時刻毎のウェイトをＭＩＭＯ送信部２４４に指示する。送信データ変調部２４３は、データ記憶部２３から受信波形情報を送信データとして読み出し、読み出された送信データをパラレル信号に変換した後、変調する。ＭＩＭＯ送信部２４４は、変調されたパラレル信号に、制御部２４２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２４４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。

図２に示されるように、移動中継局２の基地局通信部２４は、ＭＩＭＯ受信部２４５と、受信処理部２４６とをさらに備える。また、図１に示されるように、移動中継局２は、方向制御部２６をさらに備える。方向制御部２６は、記憶部２６１と、姿勢制御部２６２とを備える。

ＭＩＭＯ受信部２４５は、アンテナ２５により基地局アップリンク信号を受信する。基地局アップリンク信号には、単位時間ごとの移動中継局の姿勢（向き）を示す方向制御情報が設定されている。受信処理部２４６は、基地局アップリンク信号を復調及び復号し、方向制御情報を得る。受信処理部２４６は、方向制御情報を記憶部２６１に記録する。

姿勢制御部２６２は、記憶部２６１に記録された方向制御情報を取得する。姿勢制御部２６２は、方向制御情報によって指定された時間帯に、方向制御情報によって指定された移動中継局２の姿勢（向き）となるように、姿勢を随時制御する。これにより、アンテナ２１－ｎの受信方向が、通信可能な範囲に存在する端末局３の密集地域の方向へ向けられるように制御がなされる。

なお、例えばアンテナ２１－ｎが受信方向を任意に変化させることができる機構を有する受信アンテナである場合には、移動中継局２の姿勢（向き）そのものを変化させるのではなく、アンテナ２１－ｎの受信方向のみを変化させるようにしてもよい。この場合、基地局４は、単位時間ごとのアンテナ２１－ｎの受信方向を示す方向制御情報を生成し、生成された方向制御情報を基地局アップリンク信号に設定して移動中継局２へ送信すればよい。

なお、移動中継局２は、密集地域に存在する端末局３と通信可能な位置に位置していない時間帯においては、アンテナ２１－ｎの受信方向が、例えば地球の中心方向等の所定の方向（以下、「通常時の方向」ともいう。）に向くように、姿勢が制御される。移動中継局２は、密集地域に存在する端末局３と通信可能な位置に位置している時間帯において、アンテナ２１－ｎの受信方向が密集地域の位置する方向（例えば、密集地域の中心の方向）となるように、姿勢が制御される。

なお、移動中継局２の姿勢（すなわち、アンテナ２１－ｎの受信方向）の切り替えタイミングは、例えば、密集地域の位置における移動中継局２の仰角に基づいて行われる。例えば、ある密集地域の位置における仰角が所定の閾値以上となる場合に、当該密集地域の位置する方向へアンテナ２１－ｎの受信方向が向くように移動中継局２の姿勢が制御される。また、例えば、ある密集地域の位置における仰角が所定の閾値未満となる場合に、通常時の方向へアンテナ２１－ｎの受信方向が向くように移動中継局２の姿勢が制御される。あるいは、次に接近する密集地域が位置する方向へアンテナ２１－ｎの受信方向が向くように移動中継局２の姿勢が制御される。なお、仰角は、移動中継局２の軌道情報と密集地域の位置とに基づいて特定される。

基地局４の構成について説明する。ＭＩＭＯ受信部４２は、複数のアンテナ局４１により受信した基地局ダウンリンク信号を集約する。ＭＩＭＯ受信部４２は、ＬＥＯ衛星の軌道情報と、各アンテナ局４１の位置とに基づいて、各アンテナ局４１のそれぞれ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４２は、各アンテナ局４１から入力し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４３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うことによ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、分配部４４１と、信号処理部４４２と、端末信号復号部４４３とを備える。

分配部４４１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ごとに信号処理部４４２に出力する。

信号処理部４４２は、フレーム検出（端末信号検出）、ドップラーシフト補償、及びオフラインビーム制御等の処理を行う。信号処理部４４２は、上記の処理の結果得られるシンボルを端末信号復号部４４３に出力する。
端末信号復号部４４３は、信号処理部４４２から出力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。ここで得られる端末送信データは、各端末局３の位置情報を含むデータである。

図１に示されるように、基地局４は、記憶部４５と、基地局信号送信処理部４７と、ＭＩＭＯ送信部４８とをさらに備える。
端末信号復号部４４３は、各端末局３の位置情報を記憶部４５に記録する。記憶部４５は、各端末局３の位置情報を記憶する。また、記憶部４５は、移動中継局２の軌道情報を予め記憶している。また、記憶部４５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。

密集地域解析部４６は、各端末局３の位置情報と、移動中継局２の軌道情報とを取得する。密集地域解析部４６は、各端末局３の位置情報に基づいて地球上における端末局３の分布を解析し、端末局３の密集地域の位置を示す密集地域情報を生成する。密集地域解析部４６は、生成された密集地域情報と、移動中継局２の軌道情報とに基づいて、単位時間ごとのアンテナ２１－ｎの受信方向を決定する。

さらに、密集地域解析部４６は、上記決定されたアンテナ２１－ｎの受信方向となるような移動中継局２の姿勢（向き）を特定する。なお、記憶部４５は、例えばアンテナ２１－ｎの受信方向と移動中継局２の姿勢とが対応付けられた情報を予め保持している。密集地域解析部４６は、単位時間ごとの移動中継局２の姿勢を示す方向制御情報を生成する。密集地域解析部４６は、生成された方向制御情報を基地局信号送信処理部４７へ出力する。

基地局信号送信処理部４７は、密集地域解析部４６から方向制御情報を取得する。基地局信号送信処理部４７は、方向制御情報を送信データとし、送信データをパラレル信号に変換した後、変調する。基地局信号送信処理部４７は、記憶部４５に記憶された送信開始タイミングにおいて、密集地域情報を移動中継局２へ送信するように、ＭＩＭＯ送信部４８を制御する。

ＭＩＭＯ送信部４８は、変調されたパラレル信号にウェイトによる重み付けを行い、各アンテナ２５から送信する方向制御情報を示す送信データが設定された基地局アップリンク信号を生成する。ＭＩＭＯ送信部４８は、生成された基地局アップリンク信号を複数のアンテナ局４１からＭＩＭＯにより移動中継局２へ送信する。

以下、方向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５は、方向制御処理における無線通信システム１の処理を示すフローチャートである。

端末局３の送信部３２は、データ記憶部３１から自己位置を示す位置情報を端末送信データとして読み出し、端末アップリンク信号に設定する（ステップＳ３１１）。送信部３２は、移動中継局２への送信タイミングにおいて、端末アップリンク信号をアンテナ３３から無線により送信する（ステップＳ３１２）。

移動中継局２の受信部２２１－１～２２１－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Ｓ３２１）。周波数変換部２２２－１～２２２－Ｎは、受信部２２１－１～２２１－Ｎが受信した端末アップリンク信号を、ＲＦ信号からベースバンド信号に周波数変換（例えば、直交復調器等による周波数変換）する。

受信波形記録部２２３－１～２２３－Ｎは、周波数変換部２２２－１～２２２－Ｎが周波数変換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２２３－１～２２３－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、生成された波形データと、アンテナ２１－１～２１－Ｎのアンテナ識別子とを設定した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２２３－１～２２３－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Ｓ３２２）。

移動中継局２は、各端末局３から端末アップリンク信号を収集する（ステップＳ３２３）。なお、例えば移動中継局２は、地球を一回周回した時点で、端末アップリンク信号の収集を完了する。この場合、各端末局３は、移動中継局２が地球を一回周回する間に自己位置を示す位置情報を設定した端末アップリンク信号を移動中継局２へ送信する。

端末アップリンク信号の収集が完了した場合（ステップＳ３２３・ＹＥＳ）、基地局通信部２４の制御部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ＭＩＭＯ送信部２４４を制御する。送信データ変調部２４３は、データ記憶部２３から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て基地局ダウンリンク信号に設定する（ステップＳ３２４）。ＭＩＭＯ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ＭＩＭＯにより送信する（ステップＳ３２５）。

基地局４のアンテナ局４１は、移動中継局２から基地局ダウンリンク信号をＭＩＭＯにより受信する（ステップＳ３３１）。各アンテナ局４１は、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。各アンテナ局４１は、電気信号に変換された受信信号をＭＩＭＯ受信部４２に出力する。ＭＩＭＯ受信部４２は、各アンテナ局４１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４２は、各アンテナ局４１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４３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。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の分配部４４１に出力する。端末信号受信処理部４４の分配部４４１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ごとに信号処理部４４２に出力する。

信号処理部４４２は、フレーム検出（端末信号検出）、ドップラーシフト補償、及びオフラインビーム制御等の処理を行う。信号処理部４４２は、上記の処理の結果得られるシンボルを端末信号復号部４４３に出力する。端末信号復号部４４３は、信号処理部４４２から出力されたシンボルを、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取得する。ここで得られる端末送信データは、各端末局３の位置情報を含むデータである（ステップＳ３３２）。このとき、端末信号復号部４４３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。端末信号復号部４４３は、各端末局３の位置情報を記憶部４５に記録する。

密集地域解析部４６は、各端末局３の位置情報と、移動中継局２の軌道情報とを記憶部４５から取得する。密集地域解析部４６は、各端末局３の位置情報に基づいて地球上における端末局３の分布を解析し、端末局３の密集地域の位置を示す密集地域情報を生成する。なお、密集地域の位置とは、例えば密集地域の中心の位置である。密集地域解析部４６は、生成された密集地域情報と、移動中継局２の軌道情報とに基づいて、単位時間ごとのアンテナ２１－ｎの受信方向を決定する。

さらに、密集地域解析部４６は、上記決定されたアンテナ２１－ｎの受信方向となるような移動中継局２の姿勢（向き）を特定する。密集地域解析部４６は、単位時間ごとの移動中継局２の姿勢を示す方向制御情報を生成する（ステップＳ３３３）。密集地域解析部４６は、生成された方向制御情報を基地局信号送信処理部４７へ出力する。

基地局信号送信処理部４７は、密集地域解析部４６から方向制御情報を取得する。基地局信号送信処理部４７は、方向制御情報を送信データとし、当該送信データをパラレル信号に変換した後、変調する。基地局信号送信処理部４７は、記憶部４５に記憶された送信開始タイミングにおいて、方向制御情報を移動中継局２へ送信するように、ＭＩＭＯ送信部４８を制御する。

ＭＩＭＯ送信部４８は、変調されたパラレル信号にウェイトによる重み付けを行い、各アンテナ２５から送信する方向制御情報を示す送信データを基地局アップリンク信号に設定する（ステップＳ３３４）。ＭＩＭＯ送信部４８は、送信データが設定された基地局アップリンク信号をアンテナ局４１からＭＩＭＯにより移動中継局２へ送信する（ステップＳ３３５）。

移動中継局２のＭＩＭＯ受信部２４５は、アンテナ２５により基地局アップリンク信号をＭＩＭＯにより受信する（ステップＳ３４１）。基地局アップリンク信号には、単位時間ごとの移動中継局の姿勢（向き）を示す方向制御情報が設定されている。受信処理部２４６は、基地局アップリンク信号を復調及び復号し、方向制御情報を取得する（ステップＳ３４２）。受信処理部２４６は、方向制御情報を記憶部２６１に記録する。

姿勢制御部２６２は、記憶部２６１に記録された方向制御情報を取得する。姿勢制御部２６２は、方向制御情報に基づいて姿勢の制御を実行開始する（ステップＳ３４３）。すなわち、姿勢制御部２６２は、方向制御情報に指定された時間帯に、を方向制御情報に指定された移動中継局の姿勢（向き）となるように、姿勢を随時制御する。これにより、アンテナ２１－ｎの受信方向が端末局３の密集地域の方向となるように制御がなされる。移動中継局２は、ステップＳ３４１からの処理を繰り返す。

なお、例えば、端末局３が固定して設置されるなどして移動するものではなく、端末局３が追加及び削除されることがない場合など、密集地域に変化がないため、方向制御情報の更新が不要である場合がある。この場合、移動中継局２は、ステップＳ３４１からの処理を繰り返さずに、１度だけ処理を実行して終了するようにしてもよい。

以上説明したように、第１の実施形態による無線通信システム１は、各端末局３の位置を示す位置情報に基づいて、端末局３が密集して存在する密集地域を基地局４において推定する。移動中継局２は、推定された密集地域が存在する方向へアンテナ２１の受信方向が向けられるように、基地局４による制御により自己の姿勢を制御する。このような構成を備えることで、第１の実施形態による無線通信システム１は、密集地域が存在する方向へアンテナ２１－ｎの受信方向を一致あるいは近似させることができるため、密集地域に位置する複数の端末局３から同時に端末アップリンク信号が受信された場合であっても、信号分離の性能低下を抑制することができる。これにより、無線通信システム１は、通信の信頼性低下を抑制することができる。

また、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から受信し、蓄積しておいたデータを、基地局４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。

また、第１の実施形態によれば、移動中継局２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、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）

前述の第１の実施形態では、各端末局３が、自己位置を示す位置情報を移動中継局２へ送信し、移動中継局２は、収集された位置情報を示す波形データを基地局４へ送信した。基地局４は、収集された位置情報に基づいて、端末局３の密集地域を特定し、単位時間ごとの移動中継局２の姿勢（向き）を示す方向制御情報を生成した。基地局４は、生成された方向制御情報を移動中継局２へ送信し、移動中継局２は方向制御情報に基づいて姿勢を制御した。これにより、アンテナ２１の受信方向が端末局３の密集地域の方向となるように制御がなされる構成であった。

これに対し、以下に説明する第２の実施形態では、端末局３は、自己位置を示す位置情報を移動中継局２へ送信しない。第２の実施形態では、基地局４ａにおいて、単位時間当たりの端末アップリンク信号の受信信号強度（ＲＳＳＩ：Received Signal Strength Indicator：）を計測する。ここでいう受信信号強度とは、例えば端末局３から送信される端末アップリンク信号の周波数帯の、単位時間ごとの受信信号強度である。

基地局４ａは、計測された単位時間ごとの受信信号強度に基づいて、端末局３の密集地域を特定し、単位時間ごとの移動中継局２ａの姿勢（向き）を示す方向制御情報を生成する。なお、単位時間ごとの受信信号強度が強いほど、移動中継局２ａのアンテナ２１のその時点での受信方向に、より多くの端末局３が密集していると推定される。基地局４ａは、生成された方向制御情報を移動中継局２ａへ送信し、移動中継局２ａは方向制御情報に基づいて姿勢を制御する。これにより、複数のアンテナ２１－ｎの受信方向が端末局３の密集地域の方向となるように制御される構成である。

なお、もし移動中継局２ａの受信アンテナが１つのみであった場合、受信アンテナの半値幅の広さのため、移動中継局２ａは、例えば地上の半径数百［ｋｍ］程度の地域内に存在する各端末局３から到来する端末アップリンク信号をまとめて受信することになる。よって、受信アンテナが１つのみでは、受信信号強度から地上の地域ごとの端末密集度を推定することは困難である。そのため、移動中継局２ａは、複数の受信アンテナによって鋭い受信ビーム（狭ビーム）を形成する。

なお、鋭い受信ビームは、例えば、移動中継局２ａでサンプリングにより取得および記録した受信波形情報（波形データ）を基地局４ａに送信し、基地局４ａにて波形データを用いて後処理として形成される。基地局４ａでの後処理により、地上の各地域の方向に順番に鋭い受信ビームを形成し（スイープし）、この受信ビーム処理の結果として得られる受信信号強度を計測していくことで、地上の地域ごとの端末密集度が推定可能になる。

なお、上記の通り、受信信号強度の計測においては、ある時刻における波形データを繰り返し用いて鋭い受信ビームを形成し、地上の各エリアをスイープしながら計測するという計算量の多い処理が必要となる。さらに、各時刻において同様の計算処理を行う必要がある。そのため、受信信号強度の計測は、移動中継局２ａと比べて計算リソースに余裕がある場合が多い基地局４ａにおいて行われることが望ましい。

以下、図１及び図２を参照しながら、第２の実施形態による無線通信システム１ａの構成について説明する。なお、第２の実施形態による無線通信システム１ａの構成部のうち、前述の第１の実施形態による無線通信システム１の構成部と同様の構成であるものについては、同一の符号を付し、説明を省略することがある。

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、Ｎ本のアンテナ２１（Ｎは２以上の整数）と、端末通信部２２と、データ記憶部２３と、基地局通信部２４と、複数本のアンテナ２５と、方向制御部２６とを備える。端末通信部２２は、受信部２２１－１～２２１－Ｎと、周波数変換部２２２－１～２２２－Ｎと、受信波形記録部２２３－１～２２３－Ｎとを備える。方向制御部２６は、記憶部２６１と、姿勢制御部２６２とを備える。

移動中継局２ａのＭＩＭＯ受信部２４５は、複数のアンテナ２５により基地局アップリンク信号を受信する。基地局アップリンク信号には、単位時間ごとの移動中継局の姿勢（向き）を示す方向制御情報が設定されている。受信処理部２４６は、基地局アップリンク信号を復調及び復号し、方向制御情報を得る。受信処理部２４６は、方向制御情報を記憶部２６１に記録する。

姿勢制御部２６２は、記憶部２６１に記録された方向制御情報を取得する。姿勢制御部２６２は、方向制御情報に指定された時間帯に、方向制御情報に指定された移動中継局２ａの姿勢（向き）となるように、姿勢を随時制御する。これにより、アンテナ２１－ｎの受信方向が端末局３の密集地域の方向となるように制御がなされる。

基地局４ａは、複数のアンテナ局４１と、ＭＩＭＯ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、記憶部４５ａと、密集地域解析部４６ａと、基地局信号送信処理部４７と、ＭＩＭＯ送信部４８とを備える。

ＭＩＭＯ受信部４２は、複数のアンテナ局４１により受信した基地局ダウンリンク信号を集約する。ＭＩＭＯ受信部４２は、ＬＥＯ衛星の軌道情報と、各アンテナ局４１の位置とに基づいて、各アンテナ局４１のそれぞれ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４２は、各アンテナ局４１から入力し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。基地局信号受信処理部４３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４３は、受信波形情報を端末信号受信処理部４４ａに出力する。

端末信号受信処理部４４ａの信号処理部４４２ａは、受信波形情報を解析し、単位時間ごとの受信信号強度を計測する。端末信号復号部４４３ａは、単位時間ごとの受信信号強度を示す情報を記憶部４５ａに記録する。

記憶部４５ａは、単位時間ごとの受信信号強度を示す情報を記憶する。また、記憶部４５ａは、移動中継局２ａの軌道情報を予め記憶している。また、記憶部４５ａ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。

密集地域解析部４６ａは、単位時間ごとの受信信号強度を示す情報と、移動中継局２ａの軌道情報とを記憶部４５ａから取得する。密集地域解析部４６ａは、単位時間ごとの受信信号強度を示す情報と移動中継局２ａの軌道情報とに基づいて、端末局３の密集地域の位置を示す密集地域情報を生成する。密集地域解析部４６ａは、生成された密集地域情報と、移動中継局２ａの軌道情報とに基づいて、単位時間ごとのアンテナ２１－ｎの受信方向を決定する。

さらに、密集地域解析部４６ａは、上記決定されたアンテナ２１－ｎの受信方向となるような移動中継局２ａの姿勢（向き）を特定する。なお、記憶部４５ａは、例えばアンテナ２１－ｎの受信方向と移動中継局２ａの姿勢とが対応付けられた情報を予め保持している。密集地域解析部４６ａは、単位時間ごとの移動中継局２ａの姿勢を示す方向制御情報を生成する。密集地域解析部４６ａは、生成された方向制御情報を基地局信号送信処理部４７へ出力する。

基地局信号送信処理部４７は、密集地域解析部４６ａから方向制御情報を取得する。基地局信号送信処理部４７は、方向制御情報を送信データとし、当該送信データを変調する。基地局信号送信処理部４７は、記憶部４５ａに記憶された送信開始タイミングにおいて、密集地域情報を移動中継局２ａへ送信するように、ＭＩＭＯ送信部４８を制御する。

ＭＩＭＯ送信部４８は、変調されたパラレル信号にウェイトによる重み付けを行い、各アンテナ２５から送信する方向制御情報を示す送信データが設定された基地局アップリンク信号を生成する。ＭＩＭＯ送信部４８は、生成された基地局アップリンク信号を複数のアンテナ局４１からＭＩＭＯにより移動中継局２ａへ送信する。

以下、方向制御処理における無線通信システム１ａの動作を説明する。
図６は、方向制御処理における無線通信システム１ａの処理を示すフローチャートである。

移動中継局２ａの受信部２２１－１～２２１－Ｎは、アンテナ２１－１～２１－Ｎにより端末局３から送信される端末アップリンク信号を受信する（ステップＳ４１１）。周波数変換部２２２－１～２２２－Ｎは、受信部２２１－１～２２１－Ｎが受信した端末アップリンク信号を、ＲＦ信号からベースバンド信号に周波数変換（例えば、直交復調器等による周波数変換）する。

受信波形記録部２２３－１～２２３－Ｎは、周波数変換部２２２－１～２２２－Ｎによって周波数変換され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２２３－１～２２３－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、生成された波形データと、アンテナ２１－１～２１－Ｎのアンテナ識別子とを設定した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２２３－１～２２３－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Ｓ４１２）。

移動中継局２ａは、各端末局３から端末アップリンク信号を収集する（ステップＳ４１３）。なお、例えば移動中継局２ａは、地球を一回周回した時点で、端末アップリンク信号の収集を完了する。
端末アップリンク信号の収集が完了した場合（ステップＳ４１３・ＹＥＳ）、基地局通信部２４の制御部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４ａに送信するように送信データ変調部２４３及びＭＩＭＯ送信部２４４を制御する。送信データ変調部２４３は、データ記憶部２３から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て基地局ダウンリンク信号に設定する（ステップＳ４１４）。ＭＩＭＯ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ＭＩＭＯにより送信する（ステップＳ４１５）。

基地局４ａの各アンテナ局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Ｓ４２１）。各アンテナ局４１は、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。各アンテナ局４１は、電気信号に変換された受信信号をＭＩＭＯ受信部４２に出力する。

ＭＩＭＯ受信部４２は、複数のアンテナ局４１により受信した基地局ダウンリンク信号を集約する。ＭＩＭＯ受信部４２は、ＬＥＯ衛星の軌道情報と、各アンテナ局４１の位置とに基づいて、各アンテナ局４１のそれぞれ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４２は、各アンテナ局４１から入力し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。基地局信号受信処理部４３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４４ａの信号処理部４４２ａは、受信波形情報を解析し、単位時間ごとの受信信号強度を計測する（ステップＳ４２２）。端末信号復号部４４３ａは、単位時間ごとの受信信号強度を示す情報を記憶部４５ａに記録する。

密集地域解析部４６ａは、単位時間ごとの受信信号強度を示す情報と、移動中継局２ａの軌道情報とを記憶部４５ａから取得する。密集地域解析部４６ａは、単位時間ごとの受信信号強度を示す情報と移動中継局２ａの軌道情報とに基づいて、端末局３の密集地域の位置を示す密集地域情報を生成する。密集地域解析部４６ａは、生成された密集地域情報と、移動中継局２ａの軌道情報とに基づいて、単位時間ごとのアンテナ２１－ｎの受信方向を決定する。

さらに、密集地域解析部４６ａは、上記決定されたアンテナ２１－ｎの受信方向となるような移動中継局２ａの姿勢（向き）を特定する。密集地域解析部４６ａは、単位時間ごとの移動中継局２ａの姿勢を示す方向制御情報を生成する（ステップＳ４２３）。密集地域解析部４６ａは、生成された方向制御情報を基地局信号送信処理部４７へ出力する。

基地局信号送信処理部４７は、密集地域解析部４６ａから方向制御情報を取得する。基地局信号送信処理部４７は、方向制御情報を送信データとし、当該送信データを変調する。基地局信号送信処理部４７は、記憶部４５ａに記憶された送信開始タイミングにおいて、密集地域情報を移動中継局２ａへ送信するように、ＭＩＭＯ送信部４８を制御する。

ＭＩＭＯ送信部４８は、変調されたパラレル信号にウェイトによる重み付けを行い、各アンテナ２５から送信する方向制御情報を示す送信データを基地局アップリンク信号に設定する（ステップＳ４２４）。ＭＩＭＯ送信部４８は、送信データが設定された基地局アップリンク信号を複数のアンテナ局４１に出力する。複数のアンテナ局４１は、記憶部４５ａに記憶された送信開始タイミングにおいて、基地局アップリンク信号をＭＩＭＯにより移動中継局２ａへ送信する（ステップＳ４２５）。

移動中継局２ａのＭＩＭＯ受信部２４５は、複数のアンテナ２５により基地局アップリンク信号をＭＩＭＯにより受信する（ステップＳ４３１）。基地局アップリンク信号には、単位時間ごとの移動中継局の姿勢（向き）を示す方向制御情報が設定されている。受信処理部２４６は、基地局アップリンク信号を復調及び復号し、方向制御情報を取得する（ステップＳ４３２）。受信処理部２４６は、方向制御情報を記憶部２６１に記録する。

姿勢制御部２６２は、記憶部２６１に記録された方向制御情報を取得する。姿勢制御部２６２は、方向制御情報に基づいて姿勢の制御を実行開始する（ステップＳ４３３）。すなわち、姿勢制御部２６２は、方向制御情報に指定された時間ごとに、方向制御情報に指定された移動中継局の姿勢（向き）となるように、姿勢を随時制御する。これにより、アンテナ２１－ｎの受信方向が端末局３の密集地域の方向となるように制御がなされる。移動中継局２ａは、ステップＳ４３１からの処理を繰り返す。

なお、例えば、端末局３が固定して設置されるなどして移動するものではなく、端末局３が追加及び削除されることがない場合など、密集地域に変化がないため、方向制御情報の更新が不要である場合がある。この場合、移動中継局２ａは、ステップＳ４３１からの処理を繰り返さずに、１度だけ処理を実行して終了するようにしてもよい。

以上説明したように、第２の実施形態による無線通信システム１ａは、単位時間ごとの端末アップリンク信号の受信信号強度に基づいて、端末局３が密集して存在する密集地域を推定する。移動中継局２ａは、推定された密集地域が存在する方向へアンテナ２１－ｎの受信方向が向けられるように姿勢を制御する。このような構成を備えることで、第２の実施形態による無線通信システム１ａは、密集地域が存在する方向へアンテナ２１－ｎの受信方向を一致あるいは近似させることができるため、密集地域に位置する複数の端末局３から同時に端末アップリンク信号が受信された場合であっても、信号分離の性能低下を抑制することができる。これにより、無線通信システム１ａは、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）

前述の第２の実施形態では、基地局４ａは、端末局３から送信される端末アップリンク信号の周波数帯の、単位時間ごとの受信信号強度を計測した。

これに対し、以下に説明する第３の実施形態では、基地局４ｂにおいて、単位時間あたりの端末アップリンク信号の受信信号数を計測する。

基地局４ｂは、計測された単位時間ごとの受信信号数に基づいて、端末局３の密集地域を特定し、単位時間ごとの移動中継局２ａの姿勢（向き）を示す方向制御情報を生成する。なお、単位時間ごとの受信信号数が多いほど、移動中継局２ａのアンテナ２１－ｎのその時点での受信方向に、より多くの端末局３が密集していると推定される。基地局４ｂは、生成された方向制御情報を移動中継局２ａへ送信し、移動中継局２ａは方向制御情報に基づいて姿勢を制御する。これにより、複数のアンテナ２１－ｎの受信方向が端末局３の密集地域の方向となるように制御がなされる構成である。

なお、もし移動中継局２ａの受信アンテナが１つのみであった場合、受信アンテナの半値幅の広さのため、移動中継局２ａは、例えば地上の半径数百［ｋｍ］程度の地域内に存在する各端末局３から到来する端末アップリンク信号をまとめて受信することになる。よって、受信アンテナが１つのみでは、受信信号数から地上の地域ごとの端末密集度を推定することは困難である。そのため、移動中継局２ａは、複数の受信アンテナによって鋭い受信ビーム（狭ビーム）を形成する。

なお、鋭い受信ビームは、例えば、移動中継局２ａでサンプリングにより取得および記録した受信波形情報（波形データ）を基地局４ａに送信し、基地局４ａにて波形データを用いて後処理として形成される。基地局４ａでの後処理により、地上の各地域の方向に順番に鋭い受信ビームを形成し（スイープし）、この受信ビーム処理の結果として得られる受信信号数を計測していくことで、地上の地域ごとの端末密集度が推定可能になる。

なお、上記の通り、受信信号数の計測においては、ある時刻における波形データを繰り返し用いて鋭い受信ビームを形成し、地上の各エリアをスイープしながら計測するという計算量の多い処理が必要となる。さらに、各時刻において同様の計算処理を行う必要がある。そのため、端末数の計測は、移動中継局２ａと比べて計算リソースに余裕がある場合が多い基地局４ｂにおいて行われることが望ましい。

以下、図１及び図２を参照しながら、第３の実施形態による無線通信システム１ｂの構成について説明する。なお、第３の実施形態による無線通信システム１ｂの構成部のうち、前述の第１の実施形態による無線通信システム１の構成部及び前述の第２の実施形態による無線通信システム１ａの構成部と同様の構成であるものについては、同一の符号を付し、説明を省略することがある。

無線通信システム１ｂは、移動中継局２ａと、端末局３と、基地局４ｂとを有する。
移動中継局２ａは、Ｎ本のアンテナ２１（Ｎは２以上の整数）と、端末通信部２２と、データ記憶部２３と、基地局通信部２４と、複数本のアンテナ２５と、方向制御部２６とを備える。端末通信部２２は、受信部２２１－１～２２１－Ｎと、周波数変換部２２２－１～２２２－Ｎと、受信波形記録部２２３－１～２２３－Ｎとを備える。方向制御部２６は、記憶部２６１と、姿勢制御部２６２とを備える。

移動中継局２ａのＭＩＭＯ受信部２４５は、複数のアンテナ２５により基地局アップリンク信号を受信する。基地局アップリンク信号には、単位時間ごとの移動中継局の姿勢（向き）を示す方向制御情報が設定されている。受信処理部２４６は、基地局アップリンク信号を復調及び復号し、方向制御情報を得る。受信処理部２４６は、方向制御情報を記憶部２６１に記録する。

姿勢制御部２６２は、記憶部２６１に記録された方向制御情報を取得する。姿勢制御部２６２は、方向制御情報に指定された時間帯に、方向制御情報に指定された移動中継局２ａの姿勢（向き）となるように、姿勢を随時制御する。これにより、アンテナ２１－ｎの受信方向が端末局３の密集地域の方向となるように制御がなされる。

基地局４ｂは、複数のアンテナ局４１と、ＭＩＭＯ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、記憶部４５ｂと、密集地域解析部４６ｂと、基地局信号送信処理部４７と、ＭＩＭＯ送信部４８とを備える。

ＭＩＭＯ受信部４２は、複数のアンテナ局４１により受信した基地局ダウンリンク信号を集約する。ＭＩＭＯ受信部４２は、ＬＥＯ衛星の軌道情報と、各アンテナ局４１の位置とに基づいて、各アンテナ局４１のそれぞれ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４２は、各アンテナ局４１から入力し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。基地局信号受信処理部４３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４３は、受信波形情報を端末信号受信処理部４４ｂに出力する。

端末信号受信処理部４４ｂの信号処理部４４２ｂは、受信波形情報を解析し、単位時間ごとの受信信号数を計測する。端末信号復号部４４３ａは、単位時間ごとの受信信号数を示す情報を記憶部４５ｂに記録する。

記憶部４５ｂは、単位時間ごとの受信信号数を示す情報を記憶する。また、記憶部４５ｂは、移動中継局２ａの軌道情報を予め記憶している。また、記憶部４５ｂ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４ｂ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。

密集地域解析部４６ｂは、単位時間ごとの受信信号数を示す情報と、移動中継局２ａの軌道情報とを記憶部４５ｂから取得する。密集地域解析部４６ｂは、単位時間ごとの受信信号数を示す情報と移動中継局２ａの軌道情報とに基づいて、端末局３の密集地域の位置を示す密集地域情報を生成する。密集地域解析部４６ｂは、生成された密集地域情報と、移動中継局２ａの軌道情報とに基づいて、単位時間ごとのアンテナ２１－ｎの受信方向を決定する。

さらに、密集地域解析部４６ｂは、上記決定されたアンテナ２１－ｎの受信方向となるような移動中継局２ａの姿勢（向き）を特定する。なお、記憶部４５ｂは、例えばアンテナ２１－ｎの受信方向と移動中継局２ａの姿勢とが対応付けられた情報を予め保持している。密集地域解析部４６ｂは、単位時間ごとの移動中継局２ａの姿勢を示す方向制御情報を生成する。密集地域解析部４６ｂは、生成された方向制御情報を基地局信号送信処理部４７へ出力する。

基地局信号送信処理部４７は、密集地域解析部４６ｂから方向制御情報を取得する。基地局信号送信処理部４７は、方向制御情報を送信データとし、当該送信データを変調する。基地局信号送信処理部４７は、記憶部４５ｂに記憶された送信開始タイミングにおいて、密集地域情報を移動中継局２ａへ送信するように、ＭＩＭＯ送信部４８を制御する。

ＭＩＭＯ送信部４８は、変調されたパラレル信号にウェイトによる重み付けを行い、各アンテナ２５から送信する方向制御情報を示す送信データが設定された基地局アップリンク信号を生成する。ＭＩＭＯ送信部４８は、生成された基地局アップリンク信号を複数のアンテナ局４１からＭＩＭＯにより移動中継局２ａへ送信する。

以下、方向制御処理における無線通信システム１ｂの動作を説明する。
図７は、方向制御処理における無線通信システム１ｂの処理を示すフローチャートである。

なお、方向制御処理における無線通信システム１ｂの処理は、図６に示した方向制御処理における無線通信システム１ａの処理のうちステップＳ４２２及びステップＳ４２３の処理がそれぞれ以下に説明するステップＳ５２２及びステップＳ５２３の処理に変わったものである。

端末信号受信処理部４４ｂの信号処理部４４２ｂは、受信波形情報を解析し、単位時間ごとの受信信号数を計測する（ステップＳ５２２）。端末信号復号部４４３ｂは、単位時間ごとの受信信号数を示す情報を記憶部４５ｂに記録する。

密集地域解析部４６ｂは、単位時間ごとの受信信号数を示す情報と、移動中継局２ａの軌道情報とを記憶部４５ｂから取得する。密集地域解析部４６ｂは、単位時間ごとの受信信号数を示す情報と移動中継局２ａの軌道情報とに基づいて、端末局３の密集地域の位置を示す密集地域情報を生成する。密集地域解析部４６ｂは、生成された密集地域情報と、移動中継局２ａの軌道情報とに基づいて、単位時間ごとのアンテナ２１－ｎの受信方向を決定する。

さらに、密集地域解析部４６ｂは、上記決定されたアンテナ２１－ｎの受信方向となるような移動中継局２ａの姿勢（向き）を特定する。密集地域解析部４６ｂは、単位時間ごとの移動中継局２ａの姿勢を示す方向制御情報を生成する（ステップＳ５２３）。密集地域解析部４６ｂは、生成された方向制御情報を基地局信号送信処理部４７へ出力する。

なお、例えば、端末局３が固定して設置されるなどして移動するものではなく、端末局３が追加及び削除されることがない場合など、密集地域に変化がないため、方向制御情報の更新が不要である場合がある。この場合、移動中継局２ａは、ステップＳ４３１からの処理を繰り返さずに、１度だけ処理を実行して終了するようにしてもよい。

以上説明したように、第３の実施形態による無線通信システム１ｂは、単位時間ごとの端末アップリンク信号の受信信号数に基づいて、端末局３が密集して存在する密集地域を推定する。移動中継局２ａは、推定された密集地域が存在する方向へ受信アンテナの受信方向が向けられるように姿勢を制御する。このような構成を備えることで、第３の実施形態による無線通信システム１ｂは、密集地域が存在する方向へ受信アンテナの受信方向を一致あるいは近似させることができるため、密集地域に位置する複数の端末局３から同時に端末アップリンク信号が受信された場合であっても、信号分離の性能低下を抑制することができる。これにより、無線通信システム１ｂは、通信の信頼性低下を抑制することができる。

（変形例１）
上記の各実施形態では、移動中継局２の周波数変換部２２２－１～２２２－ＮにおいてＲＦ信号をベースバンド信号に周波数変換（直交復調器等による周波数変換）を行ってから、受信波形記録部２２３－１～２２３－Ｎにより波形データを記録する構成であった。但し、この構成に限られるものではなく、例えば、移動中継局２においてはＲＦ信号のまま波形データを記録し、基地局４においてＲＦ信号をベースバンド信号に周波数変換（直交復調器等による周波数変換）する構成としてもよい。

図８は、本発明の実施形態の変形例１における無線通信システムの構成図である。以下、図１に示した無線通信システム１の構成との差分を中心に説明する。
変形例１における無線通信システム１ｃは、移動中継局２ｃと、端末局３と、基地局４ｃとを有する。

（データ収集処理）
以下、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２ｃは、Ｎ本のアンテナ２１（Ｎは２以上の整数）と、端末通信部２２と、データ記憶部２３と、基地局通信部２４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２２は、受信部２２１－１～２２１－Ｎと、受信波形記録部２２３－１～２２３－Ｎとを備える。
受信部２２１－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２２３－ｎは、受信部２２１－ｎが受信した端末アップリンク信号をＲＦ信号のまま受信波形のサンプリングを行い、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２２３－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設定した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。

基地局４ｃの構成について説明する。基地局４ｃは、複数のアンテナ局４１と、ＭＩＭＯ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４４ｃとを備える。

端末信号受信処理部４４ｃ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４４ｃ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うことによって端末送信データを取得する。端末信号受信処理部４４ｃは、分配部４４１と、Ｎ個の周波数変換部４４４と、信号処理部４４２と、端末信号復号部４４３とを備える。以下、Ｎ個の周波数変換部４４４を、周波数変換部４４４－１～４４４－Ｎと記載する。

分配部４４１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周波数変換部４４４－１～４４４－Ｎに出力する。つまり、分配部４４１は、アンテナ２１－ｎ（ｎは１以上Ｎ以下の整数）のアンテナ識別子に対応付けられた波形データを、周波数変換部４４４－ｎに出力する。

周波数変換部４４４－１～４４４－Ｎは、波形データを取得し、ＲＦ信号からベースバンド信号に周波数変換（例えば、直交復調器等による周波数変換）する。周波数変換部４４４－１～４４４－Ｎは、周波数変換された波形データを、信号処理部４４２に出力する。

信号処理部４４２は、フレーム検出（端末信号検出）、ドップラーシフト補償、及びオフラインビーム制御等の処理を行う。
フレーム検出（端末信号検出）とは、波形データから端末送信信号（端末送信フレーム）が含まれる区間を検出する処理である。
ドップラーシフト補償とは、波形データが示す信号に対して、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である。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。
オフラインビーム制御とは、（移動中継局２で受信ビーム制御を行うのではなく）信号処理部４４２によって行われる、後処理として受信ビーム制御を行う処理である。
信号処理部４４２は、上記の処理の結果得られるシンボルを端末信号復号部４４３に出力する。

端末信号復号部４４３は、信号処理部４４２から出力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。

（方向制御処理）
以下、方向制御処理における各装置の構成を説明する。

移動中継局２ｃの構成について説明する。受信部２２１－ｎ（ｎは１以上Ｎ以下の整数）は、端末局３から送信された端末アップリンク信号をアンテナ２１－ｎにより受信する。端末アップリンク信号には、当該端末アップリンク信号を送信した端末局３の位置情報を示す端末送信データが設定されている。受信波形記録部２２３－ｎは、受信部２２１－ｎが受信した端末アップリンク信号をＲＦ信号のまま受信波形のサンプリングを行い、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２２３－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、生成された波形データとを設定した受信波形情報を、データ記憶部２３に書き込む。

基地局４ｃの構成について説明する。基地局４ｃは、複数のアンテナ局４１と、ＭＩＭＯ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４４ｃとを備える。

端末信号受信処理部４４ｃ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４４ｃ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うことによって端末送信データを取得する。端末信号受信処理部４４ｃは、分配部４４１と、周波数変換部４４４－１～４４４－Ｎと、信号処理部４４２と、端末信号復号部４４３とを備える。

分配部４４１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周波数変換部４４４－１～４４４－Ｎに出力する。つまり、分配部４４１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、周波数変換部４４４－ｎに出力する。

信号処理部４４２は、フレーム検出（端末信号検出）、ドップラーシフト補償、及びオフラインビーム制御等の処理を行う。信号処理部４４２は、上記の処理の結果得られるシンボルを端末信号復号部４４３に出力する。
端末信号復号部４４３は、信号処理部４４２から出力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。ここで得られる端末送信データは、各端末局３の位置情報を含むデータである。

以上説明したように、変形例１における無線通信システム１ｃは、移動中継局２においてはＲＦ信号のまま波形データを記録し、基地局４においてＲＦ信号をベースバンド信号に周波数変換（直交復調器等による周波数変換）する。

（変形例２）
上記の各実施形態において、複数の移動中継局２を用いることができる場合には、端末アップリンク信号の受信における受信方向の変更角度をより小さくするように制御することができる。端末アップリンク信号の受信における受信方向の変更角度をより小さくすることによって、受信方向の制御に要する消費電力を抑制することができる。

例えば、端末局３の密集地域が複数存在する場合において、それぞれの密集地域のより近くを通過するほうの移動中継局２が、端末局３からの端末アップリンク信号を受信するように制御すればよい。または、例えば、２つの移動中継局２の軌道が同一又は近似しており、進行方向が同一である場合には、一方の移動中継局２が進行方向に対して右側の密集地域に含まれる端末局３からの端末アップリンク信号を受信し、もう一方の移動中継局２が進行方向に対して左側の密集地域に含まれる端末局３からの端末アップリンク信号を受信するようにすればよい。

なお、上記の各実施形態において、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。

上述した実施形態によれば、中継装置は、複数の第一通信装置から第二通信装置へ伝送される無線の信号を、移動しながら中継する。例えば、中継装置は、実施形態における移動中継局２，２ａ，２ｃであり、第一通信装置は、実施形態における端末局３であり、第二通信装置は、実施形態における基地局４，４ａ，４ｂである。

中継装置は、第一受信部と、方向制御部とを備える。第一受信部は、複数の第一通信装置からそれぞれ送信された信号を受信アンテナにより受信する。例えば、第一受信部は、実施形態における受信部２２１，２２１－１～２２１－Ｎであり、信号は、実施形態における端末アップリンク信号であり、受信アンテナは、実施形態におけるアンテナ２１，２１－１～２１－Ｎである。方向制御部は、信号の受信に基づいて推定される第一通信装置の密集地域を示す密集地域情報に基づいて受信アンテナの受信方向を制御する。

また、上述した実施形態によれば、無線通信システムは、複数の第一通信装置と、第二通信装置と、複数の第一通信装置から第二通信装置へ伝送される信号を移動しながら中継する中継装置とを有する。第一通信装置は、信号を中継装置へ送信する第一送信部を備える。例えば、第一送信部は、実施形態における送信部３２である。中継装置は、第一受信部と、方向制御部と、第二送信部とを備える。第一受信部は、複数の第一通信装置からそれぞれ送信された信号を受信アンテナにより受信する。方向制御部は、信号の受信に基づいて推定される、所定の基準を超えて高い密度で第一通信装置が位置している地域を示す密集地域情報に基づいて受信アンテナの受信方向を制御する。第二送信部は、信号を第二通信装置へ送信する。例えば第二送信部は、実施形態におけるＭＩＭＯ送信部２４４である。

なお、上記地域は、信号に含まれる、信号を送信した第一通信装置の位置を示す位置情報に基づいて推定されるようにしてもよい。
なお、上記地域は、第一受信部によって受信される信号の受信信号強度と、中継装置の軌道情報とに基づいて推定されるようにしてもよい。
なお、上記地域は、第一受信部によって受信される信号の受信信号数と、中継装置の軌道情報とに基づいて推定されるようにしてもよい。

なお、中継装置は、送信部と、第二受信部とをさらに備えていてもよい。送信部は、信号の受信に関する受信情報を示す信号を第二通信装置へ送信する。例えば、送信部は、実施形態におけるＭＩＭＯ送信部２４４であり、信号の受信に関する情報は、実施形態における、端末局３の位置を示す位置情報、端末アップリンク信号の単位時間ごとの受信信号強度、又は、端末アップリンク信号の単位時間ごとの受信信号数である。第二受信部は、第二通信装置から送信された、受信情報に基づいて推定された密集地域を示す密集地域情報に基づく信号を受信する。例えば、第二受信部は、実施形態におけるＭＩＭＯ受信部２４５であり、密集地域情報に基づく信号とは、実施形態における基地局アップリンク信号である。

なお、方向制御部は、中継装置の姿勢を制御することにより受信方向を制御するようにしてもよい。

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。

上述した実施形態における移動中継局２、２ａ、２ｃ、端末局３、基地局４、４ａ、４ｂ、４ｃの少なくとも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。

１、１ａ、１ｂ…無線通信システム、２、２ａ、２ｃ…移動中継局、３…端末局、４、４ａ、４ｂ、４ｃ…基地局、２１－１～２１－Ｎ、２１－ｎ…アンテナ、２２…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…方向制御部、３１…データ記憶部、３２…送信部、３３…アンテナ、４１…アンテナ局、４２…ＭＩＭＯ受信部、４３…基地局信号受信処理部、４４、４４ａ、４４ｂ、４４ｃ…端末信号受信処理部、４５、４５ａ、４５ｂ…記憶部、４６、４６ａ、４６ｂ…密集地域解析部、４７…基地局信号送信処理部、４８…ＭＩＭＯ送信部、２２１－１～２２１－Ｎ、２２１－ｎ…受信部、２２２－１～２２２－Ｎ、２２２－ｎ…周波数変換部、２２３－１～２２３－Ｎ、２２３－ｎ…受信波形記録部、２４１…記憶部、２４２…制御部、２４３…送信データ変調部、２４４…ＭＩＭＯ送信部、２４５…ＭＩＭＯ受信部、２４６…受信処理部、２６１…記憶部、２６２…姿勢制御部、４４１…分配部、４４２、４４２ａ、４４２ｂ…信号処理部、４４３…端末信号復号部、４４４－１～４４４－Ｎ…周波数変換部

Claims (14)

1. 複数の第一通信装置から第二通信装置へ伝送される無線の信号を、移動しながら中継する中継装置であって、
   前記複数の第一通信装置からそれぞれ送信された信号を受信アンテナにより受信する第一受信部と、
   前記信号の受信に基づいて推定される、所定の基準を超えて高い密度で前記第一通信装置が位置している地域を示す密集地域情報に基づいて前記受信アンテナの受信方向を制御する方向制御部と、
   を備え、
   前記方向制御部は、軌道が同一であり又は近似しており進行方向が同一である他の中継装置が前記進行方向に対して左側の前記地域を示す前記密集地域情報に基づいて前記受信方向を制御する場合には、前記進行方向に対して右側の前記地域を示す前記密集地域情報に基づいて前記受信方向を制御し、前記他の中継装置が前記進行方向に対して右側の前記地域を示す前記密集地域情報に基づいて前記受信方向を制御する場合には、前記進行方向に対して左側の前記地域を示す前記密集地域情報に基づいて前記受信方向を制御する
   中継装置。
2. 前記地域は、前記信号に含まれる、前記信号を送信した第一通信装置の位置を示す位置情報に基づいて推定される
   請求項１に記載の中継装置。
3. 前記地域は、前記第一受信部によって受信される前記信号の受信信号強度と、前記中継装置の軌道情報と、に基づいて推定される
   請求項１に記載の中継装置。
4. 前記地域は、前記第一受信部によって受信される前記信号の受信信号数と、前記中継装置の軌道情報と、に基づいて推定される
   請求項１に記載の中継装置。
5. 前記信号の受信に関する受信情報を示す信号を前記第二通信装置へ送信する送信部と、
   前記第二通信装置から送信された、前記受信情報に基づいて推定された前記地域を示す前記密集地域情報に基づく信号を受信する第二受信部と、
   をさらに備える請求項１から４のうちいずれか一項に記載の中継装置。
6. 前記方向制御部は、前記中継装置の姿勢を制御することにより前記受信方向を制御する
   請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の中継装置。
7. 複数の第一通信装置と、第二通信装置と、前記複数の第一通信装置から前記第二通信装置へ伝送される信号を、移動しながら中継する、軌道が同一であり又は近似しており進行方向が同一である２つの中継装置と、を有する無線通信システムであって、
   前記第一通信装置は、
   前記信号を２つの前記中継装置のいずれかへ送信する第一送信部
   を備え、
   前記中継装置は、
   前記複数の第一通信装置からそれぞれ送信された前記信号を受信アンテナにより受信する第一受信部と、
   前記信号の受信に基づいて推定される、所定の基準を超えて高い密度で前記第一通信装置が位置している地域を示す密集地域情報に基づいて前記受信アンテナの受信方向を制御する方向制御部と、
   前記信号を前記第二通信装置へ送信する第二送信部と、
   を備え、
   前記方向制御部は、他の中継装置が前記進行方向に対して左側の前記地域を示す前記密集地域情報に基づいて前記受信方向を制御する場合には、前記進行方向に対して右側の前記地域を示す前記密集地域情報に基づいて前記受信方向を制御し、前記他の中継装置が前記進行方向に対して右側の前記地域を示す前記密集地域情報に基づいて前記受信方向を制御する場合には、前記進行方向に対して左側の前記地域を示す前記密集地域情報に基づいて前記受信方向を制御する
   無線通信システム。
8. 前記地域は、前記信号に含まれる、前記信号を送信した第一通信装置の位置を示す位置情報に基づいて推定される
   請求項７に記載の無線通信システム。
9. 前記地域は、前記信号の受信信号強度と、前記中継装置の軌道情報と、に基づいて推定される
   請求項７に記載の無線通信システム。
10. 前記地域は、前記信号の受信信号数と、前記中継装置の軌道情報と、に基づいて推定される
    請求項７に記載の無線通信システム。
11. 前記第二送信部は、前記信号の受信に基づく受信情報を示す信号を前記第二通信装置へ送信し、
    前記第二通信装置は、
    前記信号を受信する第二受信部と、
    前記受信情報に基づいて前記地域を推定する解析部と、
    前記解析部によって推定された前記地域を示す前記密集地域情報に基づく信号を前記中継装置へ送信する第三送信部と、
    を備え、
    前記中継装置は、
    前記第二通信装置から送信された前記密集地域情報を示す信号を受信する第三受信部
    をさらに備える請求項７から１０のうちいずれか一項に記載の無線通信システム。
12. 前記方向制御部は、前記中継装置の姿勢を制御することにより前記受信方向を制御する
    請求項７から請求項１１のうちいずれか一項に記載の無線通信システム。
13. 複数の第一通信装置から第二通信装置へ伝送される信号を、軌道が同一の又は近似しており進行方向が同一である、移動する２つの中継装置によって中継する無線通信方法であって、
    前記第一通信装置が、２つの前記中継装置のいずれかへ前記信号を送信する第一送信ステップと、
    前記中継装置が、前記複数の第一通信装置からそれぞれ送信された前記信号を受信アンテナにより受信する受信ステップと、
    前記中継装置が、前記信号の受信に基づいて推定される、所定の基準を超えて高い密度で前記第一通信装置が位置している地域を示す密集地域情報に基づいて前記受信アンテナの受信方向を制御する方向制御ステップと、
    前記中継装置が、前記信号を前記第二通信装置へ送信する第二送信ステップと、
    を有し、
    前記方向制御ステップでは、他の中継装置が前記進行方向に対して左側の前記地域を示す前記密集地域情報に基づいて前記受信方向を制御する場合には、もう一方の前記中継装置は前記進行方向に対して右側の前記地域を示す前記密集地域情報に基づいて前記受信方向を制御し、前記他の中継装置が前記進行方向に対して右側の前記地域を示す前記密集地域情報に基づいて前記受信方向を制御する場合には、もう一方の前記中継装置は前記進行方向に対して左側の前記地域を示す前記密集地域情報に基づいて前記受信方向を制御する
    無線通信方法。
14. 請求項１から請求項６のうちいずれか一項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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