JP4542141B2 - スマートアンテナを備えた衛星通信加入者デバイスおよびその関連方法 - Google Patents

スマートアンテナを備えた衛星通信加入者デバイスおよびその関連方法 Download PDF

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Description

本発明は衛星通信加入者デバイスの分野に関し、さらに具体的には、衛星および／または地上リピータから受信した信号に対して角度ダイバーシティ(angular diversity)方式を提供することによって、望ましい信号ソース(preferred signal source)を選択するスマートアンテナ(smart antenna)に関する。
衛星デジタル無線システムでは、オーディオ信号は、デジタル変調や符号化(coding)などのデジタル通信技術を使用してデジタル化され、衛星から送信されている。衛星デジタル無線システムは、従来のＡＭまたはＦＭアナログ無線システムでは利用可能でないでない利点を提供する。デジタル圧縮技術によると、衛星デジタル無線システムは、信号が移動中の乗り物内で受信されたときでも、高品質のオーディオ信号を提供することができる。高品質のオーディオ再生は、従来のＡＭまたはＦＭアナログ無線システムでは、一般的に不可能である。
衛星デジタル無線受信で特に面倒なのは、マルチパスフェージング(multipath fading)に起因する信号の劣化であり、これは基本的には、複数のランダム信号反射(random signal reflection)に起因するＲＦ信号レベルの変化である。等化(equalization)や変調(modulation)などのベースバンドデジタル伝送技術は、マルチパスフェージングの影響を低減できるが、劣化は依然として存在している。
特に、衛星デジタル無線受信機が室内にあるとき、または狭い建物間の小道にあるとき、深刻な信号劣化が起こることがある。軌道上の衛星からのデジタル信号は、見通しの良い経路(good line-of-sight path)で取得されないことがある。その結果、衛星で発生した信号(satellite-originated signals)の多数のランダム反射、つまり、マルチパス(multipath)が、衛星デジタル無線受信ラジオが受信できる唯一の信号であることがある。
マルチパスフェージング(multipath fading)および他のタイプの信号妨害などの、劣化による無線受信への影響を低減するために、ダイバーシティ技術(diversity technique)と総称されるいくつかの伝送冗長技術(transmission redundancy technique)が、現行の衛星デジタル無線システムにおいて使用されている。第一の技術は衛星空間ダイバーシティ(spatial diversity)であり、この技術において、２以上の衛星は、広い間隔をとった離れた位置から同一の信号を送信する。第二の技術は周波数ダイバーシティ(frequency diversity)であり、この技術において、異なる衛星は異なる周波数帯域で同じ信号を送信する。第三の技術は時間ダイバーシティ(time diversity)であり、この技術において、異なる衛星は若干異なる時間に同じ信号を送信する。密集した都会の中心地などの到達困難なエリア、またはトンネルなどの信号妨害する構造物内では、衛星デジタル無線信号は、地上リピータ(terrestrial repeater)を使用して別々の周波数で再送信される。
現行の加入者デバイスのアンテナシステムは、比較的強力な見通し信号が衛星からまたは地上リピータから利用可能である場合に適している全方向性アンテナ(omni-directional antenna)を使用する。しかし、全方向性アンテナは、密集した都会の建物内や建物間の狭い位置などのマルチパス豊富な環境(multipath-rich environment)では、非常に劣ったパフォーマンスとなる。単一の固定ビームアンテナには、どの方向から反射無線信号を最も良好に受信できるかを決定する方法がなく、任意の特定方向において信号をより正確に検出および受信するようにアンテナを向けることができない。
現行アンテナシステムは、一般にダイバーシティアンテナと呼ばれるデュアル素子アンテナ(dual element antenna)も使用している。ある状況によってはパフォーマンスを改善することができるが、デュアル素子アンテナは、アンテナパターンによって形成される半球の葉部(hemispherical lobe)の対称的な性質に起因するマルチパスフェージングの影響を受けやすくもなっている。発信元から反対方向に反射された信号は、直接に受信されるオリジナル信号とほぼ同じパワーで受信されうる。すなわち、オリジナル信号が（送信器に関して）目的の受信器を超えた物体または背後にある物体から反射し、目的の受信器において、直接に受信した信号と反対方向から逆反射する場合、これら２信号の位相差がマルチパスフェージング状況を生成しうる。
衛星の方へ向いている固定指向性高利得アンテナ(fixed directional high gain antenna)、つまり、典型的な屋外アンテナを有することも一般的になっている。これらのアンテナは固定のポインティングアングル(pointing angle)を有するので、最良の信号が直接の衛星経路の方向にない反射信号であるかもしれないマルチパス環境にはうまく適合できない。
もう１つの問題は、地上リピータによって再送信された信号を受信することであり、ここで、これらの信号は最寄りの送信システムによる干渉を受けることがある。これらの信号は周波数スペクトルで分離できるが、隣接チャネルは依然として最寄りの送信局の干渉を受けることがある。その結果、全方向性アンテナおよびデュアル素子アンテナは、マルチパス環境で信号を受信するには不適切である。
上記背景に鑑みて、本発明の目的は、マルチパス豊富な環境において衛星および／または地上リピータから衛星通信加入者デバイスによって送信される信号の受信を改善することである。
本発明による上記および他の目的、特徴および利点は、少なくとも１つの衛星からの信号を受信するための複数のアンテナビームを生成するスマートアンテナと、各々のアンテナビームによって受信された信号について品質メトリック(quality metric)を計算するための品質メトリックモジュール(quality metric module)を備えた受信器とを備える衛星通信加入者デバイスによって提供されている。
ビームセレクタ(beam selector)は、複数のアンテナビームを選択するためにスマートアンテナに結合されている。アンテナステアリングアルゴリズムモジュール(antenna steering algorithm module)は、複数のアンテナビームを走査するためにビームセレクタを動作させ、走査した各アンテナビームについて計算した品質メトリックを受信器から受信し、計算した品質メトリックを比較するためにアンテナステアリングアルゴリズムを実行する。このアルゴリズムは、前記比較に基づいて走査したアンテナビームの１つを選択し、少なくとも１つの衛星から信号を受信することを継続する。
計算した品質メトリックは低品質メトリック閾値(low quality metric threshold)と比較することができ、計算した品質メトリックが低品質メトリック閾値を下回るために、その品質メトリックに関連して対応アンテナビームは、選択の実行時に無視される。計算した品質メトリックは、受信信号強度インジケータ(received signal strength indicator)または受信信号の信号対雑音比(signal-to-noise ratio)を含むことができる。代替として、計算した品質メトリックは、受信信号の誤差レート(error rate)またはデータスループット(data throughput)を含むことができる。
第一実施形態では、複数のアンテナビームは、複数の指向性アンテナビームおよび全方向性アンテナビームを含むことができる。第二実施形態では、複数のアンテナビームは直交偏波(orthogonal polarization)ビーム、すなわち直線偏波(linear polarization)または円偏波(circular polarization)を含むことができる。さらに、第三実施形態は、第一実施形態と第二実施形態の組み合わせを含むことができる。
アンテナステアリングアルゴリズムは、複数のアンテナビームを走査するためにビームセレクタを動作せることができる。スマートアンテナは、スイッチドビームアンテナ(switched beam antenna)、フェーズドアレイアンテナ(phased array antenna)、またはデュアル直交偏波アンテナ(dual orthogonal polarization antenna)あるいは選択可能な直線偏波(linear polarization)および円偏波(circular polarization)を提供するアンテナなどの選択可能ビームを提供する他の任意のアンテナアーキテクチャを含むことができる。
さらに、アンテナステアリングアルゴリズムは、複数の指向性アンテナビームを走査する前に、全方向性アンテナビームを選択するために、さらには、全方向性アンテナビームによって受信された信号について計算された品質メトリックを受信器から受信するために、複数の指向性アンテナビームを走査すべきかどうかを決定するために計算した品質メトリックを走査閾値(scan threshold)と比較するために、ビームセレクタを動作させることができる。
さらに、アンテナステアリングアルゴリズムは、受信した信号について計算した品質メトリックを受信器から受信するためのアンテナビームの全部またはサブセットを順次に選択するため、およびどの指向性アンテナビームを走査すべきかどうかを決定するために計算した品質メトリックを走査閾値と比較するために、ビームセレクタを動作させることができる。
スマートアンテナは、方位角(azimuth)方向と仰角(elevation)方向のアンテナビームを生成するという利点がある。スマートアンテナは少なくとも１つの地上リピータからの信号の受信もできるので、スマートアンテナによって、ビームセレクタは、少なくとも１つの地上リピータから信号を受信するために方位角方向と仰角方向の指向性アンテナビームを選択することと共に、少なくとも１つの衛星から信号を受信するために方位角方向と仰角方向の指向性アンテナビームを選択することが可能となる。
衛星通信加入者デバイスは、スマートアンテナから信号を送信するための送信器をさらに備えることができる。アンテナステアリングアルゴリズムは、複数のアンテナビームの一部のみが少なくとも１つの衛星の既知の方向に基づいて走査されるように、走査の間ビームセレクタを動作させることもできる。
非対称指向性(non-symmetrical directionality)、および方位角と仰角の一方または両方の結果の角度ダイバーシティ(angular diversity)を提供することにより、衛星通信加入者デバイスは、単一素子の全方向性アンテナシステムの信号ダイバーシティが利用不能という問題だけでなく、デュアル素子のダイバーシティアンテナシステムの固定した対称ビームパターンに起因するランダムなマルチパスフェージングのための対策が不可能であるという問題を、現発明は解決する。さらに、アンテナビームは、近傍のブロードキャスト信号などの、望ましくない障害物から離れて、望ましい送信側ソースに向かうようにステアリングすることができる。
本発明の別の態様は、衛星通信加入者デバイスを上述したように動作させるための方法を目的としている。この方法は、複数のアンテナビームを走査するためにビームセレクタを動作させ、走査した各アンテナビームについて計算した品質メトリックを受信し、計算した品質メトリックを比較し、衛星または地上リピータからの信号の受信を継続するために、走査したアンテナビームの１つを前記比較に基づいて選択すること含む。
以降、添付図面を参照して本発明が詳しく説明され、本発明の好適実施形態が示される。しかし、本発明は、多くの異なる形式で具現化でき、以下に説明される実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、ここでの開示内容が徹底的および完全となるように、ならびに当業者に本発明の範囲を十分に伝えるように提供されている。全体を通して類似の番号は類似要素を指し、代替実施形態における類似要素を示すのに、プライム符号表記を使用する。
最初に図１と図２を参照して、衛星デジタル無線システム１０について説明する。衛星デジタル無線システム１０は、衛星通信加入者デバイス１６のような、衛星通信デバイスへデジタル無線信号を送信する１または複数の衛星１２を含む。加入者デバイス１６は、モバイル(mobile)であっても、固定式(stationary)であってもよい。デジタル無線信号を再送信するために、地上リピータ１４も使用できる。加入者デバイス１６は加入者ベースのスマートアンテナ１８と共に動作している。スマートアンテナ１８はスイッチドビームアンテナ(switched beam antenna)であっても、フェーズドアレイアンテナ(phased array antenna)であってもよく、これについては以下で詳しく説明する。
加入者ドライブ１６とスマートアンテナ１８は、たとえばSirius無線衛星、ＸＭ無線衛星、WorldSpace無線衛星などの、種々のデジタル無線衛星の少なくとも１つと互換性がある。これらのデジタル無線衛星の任意の１つから無線信号を受信するとき、加入者デバイス１６は、受信専用モード(receive-only mode)で動作させるだけ済む。しかし、双方向衛星通信システムでは、加入者デバイス１６は、当業者によって当然理解されるように、衛星および／または地上リピータ１４へ信号を送信することもできる。
加入者デバイス１６は建物２０内で動作するので、この結果としてマルチパス豊富な信号環境(multipath-rich signal environment)となる。図示の例では、衛星１２は、加入者デバイス１６に対してほぼ４５乃至６０度の仰角にある。２つの衛星１２からのアンテナビーム２２は、送信信号を異なる角度で建物２０内へ向ける。さらに、衛星１２からの信号は、全方向性(omni-directional)アンテナビームまたは方位角指向性(azimuthally directional)アンテナビーム２４を介して建物２０内へ地上リピータ１４によって再送信される。
建物２０内と加入者デバイス１６の周囲には、送信信号のための複数の反射信号経路(reflected signal path)２６が示されている。すなわち、加入者デバイスは、信号を受信する際にマルチパスフェージング(multipath fading)を受ける。図示のスマートアンテナ１８は、マルチパス反射信号に基づいて、最適な信号を受信するための指向性アンテナビームを生成する。
衛星１２からの信号は、空間ダイバーシティ(spatial diversity)、異なる周波数帯域の使用を通した周波数ダイバーシティ(frequency diversity)、および時間遅延の使用を通した時間ダイバーシティ(time diversity)を提供することができる。以下で詳しく説明するように、衛星１２と地上リピータ１４は、（例えば、時分割多重化を使用する）共有スペクトル上、または（例えば、周波数分割多重化を使用する）異なるスペクトル上で動作することもできる。現行衛星システムは、信号の衛星送信のためにＴＤＭ−ＱＰＳＫを使用する。地上リピータ１４は、信号の地上再送信のためにＴＤＭ−ＣＯＦＤＭを使用する。
スマートアンテナ１８によって生成されるアンテナビームは、指向性ビーム３０と全方向性ビーム３２を含む。さらに、アンテナビームには、直交偏波ビーム(orthogonal polarization beams)、つまり直線または円、を含むことができる。スマートアンテナ１８はフェーズドアレイアンテナまたはスイッチドビームアンテナであるのに加え、スマートアンテナは、デュアル直交偏波アンテナまたは選択可能な直線および円ビームを提供するアンテナのように、選択可能なビームを提供する他の任意のアンテナアーキテクチャを含むことができる。
加入者デバイス１６は、アンテナビーム３０、３２を選択するためにスマートアンテナ１８に結合されたビームセレクタ４０を含む。スマートアンテナ１８がフェーズドアレイアンテナであるときは、２以上の指向性アンテナビームを一度に生成することができる。
トランシーバ４２は、衛星１２と地上リピータ１４から信号を受信するためにビームセレクタ４０に結合されている。アンテナステアリングアルゴリズムモジュール４４は、どのアンテナビームが最良の受信を提供するかを決定するためにアンテナステアリングアルゴリズム４６を実行する。最良の受信を提供する選択されたアンテナビームは、衛星１２の一方または地上リピータ１４のうちの１つに対応している。アンテナビームは異なる偏波を有することもできるので、最良アンテナの選択は、どの偏波が最良の受信を提供するかに基づくことができる。
アンテナステアリングアルゴリズムモジュール４４は、図示のようにトランシーバ４２およびビームセレクタ４０から切り離されている代わりに、当業者によって当然理解されるように、このモジュールはビームセレクタまたはトランシーバに常駐することもできる。アンテナステアリングアルゴリズム４６は、衛星１２と地上リピータ１４から信号を受信するための複数のアンテナビーム３０、３２を走査するために、ビームセレクタ４０を動作させる。
トランシーバ４２内の品質メトリックモジュール(quality metric module)４８は、各走査されたアンテナビームによって受信された信号についての品質メトリックを計算し、その後、アンテナステアリングアルゴリズム４６によってその品質メトリックを比較する。この比較に基づいて、衛星１２または地上リピータ１４からの信号受信が継続されるために、走査されたアンテナビームの１つが選択される。走査したアンテナビームは異なる偏波を有することができるので、品質メトリックは、異なる偏波での受信に基づいても決定される。
計算された品質メトリックは、低品質メトリック閾値(low quality metric threshold)とも比較されることがあり、計算した品質メトリックが低品質メトリック閾値以下に低下している際は、その品質メトリックに関連する対応アンテナビームは選択の実行時に無視される。計算された品質メトリックは、信号品質メトリック(signal quality metric)であってもよい。
信号品質メトリックとしては、受信信号強度インジケータＲＳＳＩ(received signal strength indicator)または受信信号の信号対雑音比ＳＮＲ(signal-to-noise ratio)がある。代替として、計算された品質メトリックは、受信信号のデータスループットやエラー率などのリンク品質メトリック(link quality metric)であってもよい。さらに、計算された品質メトリックは、信号品質メトリックの１つおよびリンク品質メトリックの１つを組み合わせたものであってもよい。
図３に図示のフローチャートを参照して、スマートアンテナ１８を動作させるための方法について説明する。ブロック６０からスタートし、送信信号を最初に受信するために、ブロック６２で全方向性アンテナビーム３２が選択される。ブロック６４において、全方向性アンテナビーム３２を介して受信された信号について品質メトリックが計算され、計算した品質メトリックは走査閾値と比較される。次に、ブロック６６において、複数の指向性アンテナビーム３０を通して走査を行なうか否かの決定がなされる。スマートアンテナ１６が全方向性アンテナビーム３２を生成できない場合には、指向性アンテナビーム３０の１つが選択される。
走査判定がｙｅｓの場合、ブロック６８において、複数の指向性アンテナビーム３０が走査され、ブロック７０において、各走査されたアンテナビームで受信された信号について品質メトリックが計算される。計算された品質メトリックはブロック７２において比較される。
指向性アンテナビーム３０の走査が完了した後、計算した品質メトリックが最適化されているかどうかを決定するための別の決定がブロック７４においてなされる。スマートアンテナ１８がスイッチドビームアンテナであるとき、最適化は、最高品質メトリックを有する信号を受信する走査されたアンテナビームを選択することに基づく。
さらに、計算された品質メトリックは、上述したように低品質メトリック閾値と比較することもできる。計算した品質メトリックが低品質メトリック閾値以下に低下するとき、その品質メトリックに関連する対応アンテナビームは、走査の実行時に無視される。
スマートアンテナ１８がフェーズドアレイアンテナ、スイッチドビームアンテナ、または同時多重偏波アンテナ(simultaneous multi-polarization antenna)である場合、２以上のアンテナビームを一度に生成することができる。この場合には、異なるマルチパス信号を受信するために、複数のアンテナビームを同時に生成することができる。品質メトリックを最適化することは、選択したアンテナビームを位相合わせ(phase aligning)することに基づき、その結果として、最高品質メトリックをもつ信号が受信される。受信信号は、それぞれが位相と振幅をもつベクトル信号(vector signal)であるので、これらの信号は、当業者によって当然理解されるように、相互に加算または減算される。これは特に、衛星１２と地上リピータ１４が同一チャネル上で動作するときのことである。
一例として、最高品質メトリックを有する信号を受信する走査したアンテナビームは、スマートアンテナ１８が、他の２つのアンテナビームからの信号も受信するときであって、たとえば、これらの他の２つのアンテナビームが最高品質メトリックをもつ信号（から減算される代わりに）へ加算されるとき、さらに最適化することができる。生成できるアンテナビームの数に応じて、アンテナビームの既定の組み合わせは結合されて、どの組み合わせが受信マルチパス信号を位相合わせするかを知ることができる。
品質メトリックが最適化される場合、ブロック７６において指向性アンテナビームの１つが選択され、対応する衛星１２または地上リピータ１４との通信が継続される。ブロック７８において、再走査を行なう必要があるか否かを決定する決定がなされる。この再走査は、時限周期的再走査(timed periodic rescan)に基づくことができ、または、選択したアンテナビームを介して受信された信号は、再走査閾値以下に低下している。ブロック８０においてスマートアンテナ１８をリセットし、全方向性アンテナビーム３２で初めからやり直すことが望ましい場合がある。例えば、加入者デバイス１６は電源がオフにされたあと、再び電源がオンにされていることがあり、さもなければ、加入者デバイスはトンネル内を移動中であるので、地上リピータ１４から信号を受信する必要がある。この方法はブロック８２で終了する。
フェーズドアレイスマートアンテナで複数のアンテナビームを同時に生成することの別の利点は、異なるチャネルが衛星１２と地上リピータ１４によって使用されているときである。例えば、衛星１２の一つはチャネル１上で信号を送信し、他方の衛星はチャネル２上で信号を送信し、地上リピータ１４はチャネル３上で信号を送信している。３つのアンテナビームを同時に生成することによって、各アンテナビームをそれぞれのソースに向けて送ることができ、計算した品質メトリックに基づいて、最高品質メトリックを有する信号を提供するアンテナビームが選択される。さらに、探索または走査された指向性アンテナビームは、衛星１２と地上リピータ１４の既知方向に基づいて限定されたセット(limited set)であることができる。
次に、図４乃至図８を参照してスマートアンテナ１８の異なる実施形態について説明する。スマートアンテナ１８の一実施形態は、図４に図示のように、平面的な三角接地面(planar triangular ground plane)９４上に設置された４つのアンテナ素子９０、９２を含む。アンテナ素子９０のうちの３つは三角接地面９４の角に置かれ、アンテナ素子９２のうちの１つは三角接地面の中心点に置かれる。接地面９４の図示の形状と図示のアンテナ素子９０、９２の個数は、当業者によって当然理解されるように、目的とするアプリケーションによって変えることができる。
スイッチドビームアンテナの一形態では、３つの外側アンテナ素子９０は受動的(passive)で、中央アンテナ素子９２は能動的(active)である。受動素子９０は能動素子９２と協働してアレイを形成している。放射パターンを変更するために、受動素子９０の終端インピーダンス(termination impedance)は、これらの素子に流れる電流を変更するようにスイッチ可能になっている。受動素子９０は、例えば、ピンダイオード(pin diode)を使用して接地面９４に短絡すると反射体(reflector)になる。受動素子９０が接地面９４に短絡されていないときは、アンテナ特性にほとんど影響しない。
別の実施形態では、アンテナ素子９０、９２はすべてが能動素子であり、独立して調節可能な移相器(phase shifter)と結合されて、フェーズドアレイアンテナを提供する。この実施形態では、方位角方向の全方向性ビーム同様、複数の指向性ビームも、生成可能である。
フェーズドアレイアンテナは基本的に、複数のアンテナ素子と、同数の調節可能な移相器から１を引いたものとを含み、各移相器はそれぞれがアンテナ素子の１つに結合される。移相器は、アンテナ素子の各々で受信／送信されるそれぞれのダウンリンク／アップリンク信号の位相に影響するように独立に調節可能となっている。
加算回路(summation circuit)もまた、各移相器にも結合され、加入者デバイス１６から送信のために、加入者デバイス１６から各移相器へそれぞれのアップリンク信号を提供する。加算回路もまた、各移相器からのそれぞれのダウンリンク信号を受信して、それぞれのダウンリンク信号を、加入者デバイス１６に提供される１つの受信ダウンリンク信号に結合する。
移相器も、各アンテナ素子上の加入者デバイス１６で受信されたダウンリンク信号の位相に影響するように独立して調節可能になっている。ダウンリンクのリンク信号の位相を調節することにより、スマートアンテナ１８は、加入者デバイス１６向けのダウンリンク信号と同じ方向から受信される信号、および送信されない信号の拒否を提供する。
図５に図示のスマートアンテナ１８’の別実施形態では、三角接地面９４’の角に置かれた３つのアンテナ素子９０’は、アンテナ素子の上半分９０１’と下半分９０２’に独立して調節可能な無効負荷(reactive load)素子を有している。このような実施形態は、方位角および／または仰角方位性の複数のビームを提供できる。
独立して調節可能な無効負荷素子としては、例えばアンテナ素子の非対称負荷を提供するバラクタ(varactor)または機械的に挿入可能なＲＦチョーク素子(RF choke element)がある。この結果、仰角に指向的であるアンテナビームが形成されている。
接地面９４”の別実施形態が図６に図示されており、ここで、接地面９４”の２平行面１００”、１０２”の間に可変エッジインピーダンス(variable edge impedance)９６”が挿入されている。この可変エッジインピーダンス９６”は、エッジインピーダンスを制御するバラクタ負荷であってもよく、そして結果として、生成されたアンテナビームの上方または下方のチルト仰角であってもよい。連続するリアクタンスの壁(continuous wall of reactance)に近似するために複数の無効負荷を接地面９４”に置くことができ、異なる位置でのリアクタンスの値は、ビームチルト(beam tilt)が方位角の関数になりえるように異なることができる。
図７に図示のスマートアンテナ１８”’のさらに別実施形態では、仰角Shelton-Butlerマトリックス１２０”’の列は、図８に図示のように、隔離された狭幅仰角幅ビーム(isolated narrow elevation width beam)１２４”’を生成するために、２以上の積層円アレイ(stacked circular array)１２２”’に給電している。各円アレイ１２２”は、アンテナビームが定義されたペンシルビーム(defined pencil beam)になるようにタンデムの２つのShelton-Butlerマトリックス１３０”’によっても給電される。方位角ビームの配置は３ｄＢクロスオーバを有し、仰角ビームは異なるクロスオーバ値をもつように設計できる。その結果のビームは、方位角だけでなく、仰角にも高度に明確な複数のアンテナ外観パターンを提供する。ポート選択を通して、ビーム方向は電子的に変更することができる。
スマートアンテナ１８が、衛星１２または地上リピータ１４に関して様々な向きに適応するように、フェーズドアレイアンテナとして構成されているときは、ビームセレクタ４０は、調節可能な移相器の各々に結合されたコントローラを含む。このコントローラは各々の移相器の最適な位相設定値を決定する。各素子の正しい位相は、例えば、（衛星伝送の場合）ＴＤＭ−ＯＰＳＫまたは（地上リピータ伝送の場合）ＴＤＭ−ＣＯＦＤＭ信号において送信される時分割多重化ＴＤＭ(time-division multiplex)パイロット信号に対する最適応答をモニタリングすることによって決定することができる。従って、スマートアンテナ１８は、トランシーバ４２からの信号送信についてはビームフォーマ(beam former)として働き、トランシーバによって受信される信号については指向性アンテナ(directive antenna)として働く。
各々がプログラマブル位相を有するアンテナ素子アレイの使用を通して、アンテナ装置は、アンテナ素子の数Ｎによって、アップリンク通信のために送信されるビット当たりの実効送信電力(effective transmit power)を、最大で５乃至１２デシベル（ｄＢ）増加するものと推定されている。従って、加入者デバイス１６の送信電力は、アップリンクのパフォーマンスを犠牲にすることなく低減することができる。また、受信モードで使用されるときは、受信信号品質はダウンリンクにおいて改善され、その結果として、無線オーディオ信号の知覚品質を改善できる。
屋内で使用されるとき、または直接衛星リンクからの直接見通し経路が弱いか、利用できない他のマルチパス豊富環境で使用されるときは、スマートアンテナ１８の指向性は、複数の反射無線経路から使用可能なエネルギを収集して、厳しいマルチパス豊富な環境において高い受信パフォーマンスを達成している。また、スマートアンテナ１８の指向性により、加入者デバイス１６は、ある方向に由来する不要または望ましくない障害を抑止でき、これによって所望のリンクの無線パフォーマンスが向上する。
スマートアンテナ１８の物理的実装については、上述したように、アンテナ素子１８の総数Ｎのうちで、最初のＮ−１個のアンテナ素子は等辺多角形の角に対応する場所に位置付けられ、最後のアンテナ素子は多角形接地面の中央に位置付けられる。Ｎ個の素子のすべては、多角形によって定義された平面に直交する線上にある。このような実施形態では、スマートアンテナは、仰角がほぼ同一パターンで、方位角が指向性または全方向性のビームとして区別できるビームを提示する。
さらに、高利得指向性ビームを採用することによって、無線リンクのパフォーマンスは、デジタル無線信号送信器（つまり、衛星１２または地上リピータ１４）と加入者デバイス１６の間にクリアな見通し経路があるとき大幅に向上する。より詳細には、方位角だけでなく仰角においても、指向性が有利に提供されるので、軌道上の衛星から信号を受信する加入者デバイスにとっては、無線パフォーマンスを向上する最適な方法を提供する。
上述の説明と関連図面に提示されている技術の利益を受ける当業者が、本発明の多くの変更と他の実施形態を想到するだろう。したがって、本発明はここに開示されている特定実施形態に限定されるものではなく、変更と実施形態は特許請求の範囲に属するものであることを理解されたい。
本発明による衛星通信加入者デバイスを含んでいる衛星デジタル無線システムの概要図である。 図１に図示されている衛星通信加入者デバイスのブロック図である。 図１に図示されている衛星通信加入者デバイスを動作させるためのフローチャートを示す図である。 図１に図示されているスマートアンテナの一実施形態の概略図である。 指向性で方位角にステアリング可能であるアンテナビームを提供するための独立に調節可能な無効負荷要素を含む、図４に図示されているスマートアンテナの別の実施形態の概略図である。 アンテナビームを仰角にステアリングするために可変無効負荷がその２つの平行板の間に挿入されている、図５に図示されている接地板の側面の一部の概略図である。 一対のアレイに給電するShelton-Butlerマトリックスを含む、図１に図示されているスマートアンテナの別の実施形態の概略図である。 図７に図示されているスマートアンテナによって生成されるときの、指向性アンテナビームの方位角方向と仰角方向の三次元プロット図である。

Claims (24)

  1. 衛星通信加入者デバイスであって、
    少なくとも１つの衛星から信号を受信するための複数のアンテナビームであって、複数の指向性アンテナビームと全方向性アンテナビームを備えた複数のアンテナビームを生成するスマートアンテナと、
    各アンテナビームによって受信された前記信号についての品質メトリックを計算する品質メトリックモジュールを備えた受信器と、
    前記複数のアンテナビームを選択するために前記スマートアンテナに結合されたビームセレクタと、
    前記複数の指向性アンテナビームを走査する前に、前記全方向性アンテナビームを選択するために、前記ビームセレクタを動作させ、
    前記全方向性アンテナビームによって受信された前記信号について、前記受信器から計算した品質メトリックを受信し、
    前記複数の指向性アンテナビームを走査させるかどうかを決定するために、前記計算した品質メトリックを走査閾値と比較し、前記複数の指向性アンテナを走査させる場合には、
    走査した各々の指向性アンテナビームについて、前記受信器から計算した品質メトリックを受信し、
    前記計算した品質メトリックを比較し、
    前記少なくとも１つの衛星から信号を受信することを継続するために、前記走査した指向性アンテナビームの１つを前記比較に基づいて選択する
    アンテナステアリングアルゴリズムを実行するためのアンテナステアリングアルゴリズムモジュールと、
    を備えたことを特徴とする衛星通信加入者デバイス。
  2. 請求項１に記載の衛星通信加入者デバイスであって、前記計算した品質メトリックもまた、低品質メトリック閾値とも比較され、計算した品質メトリックが前記低品質メトリック閾値未満に低下しているために、その品質メトリックに関連する前記対応アンテナビームは選択の実行時に無視されることを特徴とする衛星通信加入者デバイス。
  3. 前記複数のアンテナビームの少なくとも一部は、異なる偏波を有することを特徴とする請求項１に記載の衛星通信加入者デバイス。
  4. 前記異なる偏波は、直線偏波と円偏波の少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項３に記載の衛星通信加入者デバイス。
  5. 前記計算した品質メトリックは、受信信号強度インジケータと前記受信信号の信号対雑音比の少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項１に記載の衛星通信加入者デバイス。
  6. 前記計算した品質メトリックは、前記受信信号のエラー率とデータスループットの少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項１に記載の衛星通信加入者デバイス。
  7. 前記スマートアンテナは、前記複数の指向性アンテナビームと前記全方向性アンテナビームを生成するためのスイッチドビームアンテナを備えたことを特徴とする請求項１に記載の衛星通信加入者デバイス。
  8. 前記スマートアンテナは、前記複数の指向性アンテナビームと前記全方向性アンテナビームを生成するためのフェーズドアレイアンテナを備えたことを特徴とする請求項１に記載の衛星通信加入者デバイス。
  9. 前記フェーズドアレイアンテナは、方位角方向と仰角方向で指向性アンテナビームを生成することを特徴とする請求項８に記載の衛星通信加入者デバイス。
  10. 請求項９に記載の衛星通信加入者デバイスであって、前記スマートアンテナは少なくとも１つの地上リピータからの信号も受信し、前記ビームセレクタは、前記少なくとも１つの地上リピータから信号を受信するために方位角方向の指向性アンテナビームを選択し、前記少なくとも１つの衛星から信号を受信するために仰角方向の前記指向性アンテナビームを選択することを特徴とする衛星通信加入者デバイス。
  11. 前記スマートアンテナから信号を送信するための送信器をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の衛星通信加入者デバイス。
  12. 前記アンテナステアリングアルゴリズムは、前記複数のアンテナビームの一部のみが前記少なくとも一つの衛星の既知方向に基づいて走査されるように、走査の間に、前記ビームセレクタを動作させることを特徴とする請求項１に記載の衛星通信加入者デバイス。
  13. 衛星通信加入者デバイスであって、
    衛星と地上リピータの少なくとも１つからの信号を受信するための複数の指向性アンテナビームであって、複数の指向性アンテナビームと全方向性アンテナビームを備えた複数のアンテナビームを、方位角方向と仰角方向に生成するスマートアンテナと、
    各指向性アンテナビームによって受信された前記信号について品質メトリックを計算する品質メトリックモジュールを含むトランシーバと、
    前記方位角方向と仰角方向の前記複数の指向性アンテナビームを選択するために前記スマートアンテナに結合されたビームセレクタと、
    前記複数のアンテナビームを走査する前に、前記全方向性アンテナビームを選択するために、前記ビームセレクタを動作させ、
    前記全方向性アンテナビームによって受信された前記信号について、前記受信器から計算した品質メトリックを受信し、
    前記複数の指向性アンテナビームを走査させるかどうかを決定するために、前記計算した品質メトリックを走査閾値と比較し、前記複数の指向性アンテナを走査させる場合には、
    走査した指向性アンテナビームごとに前記計算した品質メトリックを前記トランシーバから受信し、
    前記計算した品質メトリックを比較し、
    前記衛星または地上リピータからの信号を受信することを継続するために、前記仰角方向または方位角方向の前記走査した指向性アンテナビームの１つを、前記比較に基づいて選択する
    アンテナステアリングアルゴリズムを実行するためのアンテナステアリングアルゴリズムモジュールと
    を備えたことを特徴とする衛星通信加入者デバイス。
  14. 前記計算した品質メトリックは、低品質メトリック閾値とも比較され、計算した品質メトリックが前記低品質メトリック閾値未満に低下しているために、その品質メトリックに関連する前記対応アンテナビームは、選択の実行時に無視されることを特徴とする請求項１３に記載の衛星通信加入者デバイス。
  15. 前記計算した品質メトリックは、受信信号強度インジケータと前記受信信号の信号対雑音比の少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項１３に記載の衛星通信加入者デバイス。
  16. 前記計算した品質メトリックは、前記受信信号のエラー率とデータスループットの少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項１３に記載の衛星通信加入者デバイス。
  17. 前記スマートアンテナは、スイッチドビームアンテナとフェーズドアレイアンテナの少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項１３に記載の衛星通信加入者デバイス。
  18. 前記アンテナステアリングアルゴリズムは、前記複数のアンテナビームの一部のみが少なくとも１つの前記衛星と地上リピータの既知方向に基づいて走査されるように、走査の間に、前記ビームセレクタを動作させることを特徴とする請求項１７に記載の衛星通信加入者デバイス。
  19. 少なくとも１つの衛星から信号を受信するために複数のアンテナビームであって、複数の指向性アンテナビームと全方向性アンテナビームを備えた複数のアンテナビームを生成するスマートアンテナと、各アンテナビームによって受信された前記信号について品質メトリックを計算する品質メトリックモジュールを含む受信器と、前記スマートアンテナに結合されたビームセレクタと、アンテナステアリングアルゴリズムを実行するためのアンテナステアリングアルゴリズムモジュールとを備えた衛星通信加入者デバイスを操作する方法であって、
    前記複数の指向性アンテナビームを走査する前に、前記全方向性アンテナビームを選択するために前記ビームセレクタを動作させることと、
    前記全方向性アンテナビームによって受信された前記信号について、前記受信器から計算した品質メトリックを受信することと、
    前記複数の指向性アンテナビームを走査させるかどうかを決定するために、前記計算した品質メトリックを走査閾値と比較し、前記複数の指向性アンテナを走査させる場合には、
    走査した各指向性アンテナビームについて前記計算した品質メトリックを前記受信器から受信することと、
    前記計算した品質メトリックを比較することと、
    前記少なくとも１つの衛星から信号を受信することを継続するために、前記比較に基づいて、前記走査した指向性アンテナビームの１つを選択することと
    を備えたことを特徴とする方法。
  20. 前記計算した品質メトリックは、低品質メトリック閾値とも比較され、計算した品質メトリックが前記低品質メトリック閾値未満に低下しているために、その品質メトリックに関連する前記対応アンテナビームは、選択の実行時に無視されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
  21. 前記複数のアンテナビームの少なくとも一部は、異なる偏波を有することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
  22. 前記計算した品質メトリックは、受信信号強度インジケータと前記受信信号の信号対雑音比、および前記受信信号のエラー率とデータスループットのうちの少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
  23. 前記スマートアンテナは、方位角方向と仰角方向に指向性アンテナビームを生成することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
  24. 前記スマートアンテナは、少なくとも１つの地上リピータからの信号も受信すること、および前記ビームセレクタは、前記少なくとも１つの地上リピータから信号を受信するために前記方位角方向の前記指向性アンテナビームを選択し、前記少なくとも１つの衛星から信号を受信するために前記仰角方向の前記指向性アンテナビームを選択することを特徴とする請求項２３に記載の方法。
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