JP2004336755A - 反射式空中プラットフォームを有する遠隔通信システム - Google Patents
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Abstract
【課題】セルラータイプの無線通信システムを提供すること。
【解決手段】本システムは、無線通信信号を反射する空中プラットフォームと、少なくとも1つのセルに関連づけられた中央基地局とを備え、各セルは1つの地理的区域に対応し、中央基地局は、空中プラットフォームに無線通信信号を送信し、空中プラットフォームから反射した無線加入者信号を受信するように構成される。
【選択図】図2
【解決手段】本システムは、無線通信信号を反射する空中プラットフォームと、少なくとも1つのセルに関連づけられた中央基地局とを備え、各セルは1つの地理的区域に対応し、中央基地局は、空中プラットフォームに無線通信信号を送信し、空中プラットフォームから反射した無線加入者信号を受信するように構成される。
【選択図】図2
Description
本開示は、全般的には遠隔通信に関し、より詳細には、無線遠隔通信システムに関する。
図1は、全体が10で示される一般的な無線遠隔通信システムの一部分の概略図を示す。システム10は、地理的な区域の中に置かれたいくつかの無線端末22および24にサービスを提供する。システム10は、いくつかの基地局14i、ならびに市内および長距離電話網16に接続された無線交換局12を含む。無線交換局12は、市内および/または長距離電話網16を介して、無線端末との間で、または無線システム10に接続された無線端末と有線端末の間で、呼を経路指定し、または「切り換える」。
無線システム10によってサービスされる地理的区域は、セルと呼ばれる空間的に異なるいくつかの領域に分かれる。図1に示すように、各セル20iは、概略的に六角形で表される。しかし実際には、各セル20iは通常、たとえばシステム10によってサービスされる地域の地形によって、不規則な形となる。一般に、各セル20iは、対応する基地局14iを含む。基地局14iは、無線端末22および24と通信するためのアンテナおよび無線受信機を含む。各基地局14iは、無線交換局12と通信するための伝送機器も含む。
システム10の設計において、技術者は、限られた数の周波数チャネルを、公知の技術を用いて各基地局14iに割り振る。基地局14iは、こうした周波数チャネルを介して無線端末と通信する。したがって、基地局の数によって、無線端末との間の呼を処理するシステム10の処理能力が限定される。
無線遠隔通信の評判が高まったので、設計者達は、こうした無線遠隔通信システムの処理能力を向上させる技術を開発した。一般的な1つの技術は、既存のセルを複数のセルに「分割する」ことによって、各セルの大きさを小さくすることである。一部の設計者は、セルの大きさを小さくして、非常に狭い地理的領域にサービスする、いわゆる「マイクロセル」を提供することを提案している。
1973年7月17日発行のJ.J.Vorchekの米国特許第3,746,282号
1992年4月14日発行のJ.L.Randらの米国特許第5,104,059号
John D.Kraus、「Antennas,2d」、270および271頁
一般社会では、いくつかの理由により、マイクロセルの使用に抵抗を示している。第1に、多くの人が、基地局からの電磁放射は健康上の問題を引き起こす可能性があると危惧している。さらに、人口密集地域の土地は一般に高額であり、基地局のコストの約半分を占める。したがって、無線遠隔通信システムの処理能力を向上させるためにセルを分割することは、困難であるとともに費用のかかる計画である。
本発明の例示的な実施形態では、遠隔通信システムは、中央基地局と加入者の間の通信信号を反射するように適合された空中(airborne)プラットフォームを使用する。空中プラットフォームは、無線遠隔通信サービスが提供されるべき地球上の地理的領域の上方の、地面に対して相対的な位置に保たれる。
本発明の例示的な実施形態を、添付の図面とともに以下で説明する。
本発明の例示的な実施形態を、添付の図面とともに以下で説明する。
図2および3は、本発明による無線遠隔通信システムの例示的な実施形態を示す。こうした無線遠隔通信システムは、無線通信端末、たとえばセルラー、個人通信システム(PCS)などを使用するどの無線通信システムも包含することを意図していることを理解されたい。
図2に示すように、無線遠隔通信システム200は、中央基地局210および空中プラットフォーム220を含む。
一実施形態における無線遠隔通信システム200は、多くの地理的区域に通信システムを提供するのに用いられる。さらに、無線遠隔通信システム200は、別の実施形態では、遠隔通信機能が失われた地理的区域内で一時的な通信を提供する。無線遠隔通信システム200は、別の実施形態では、遠隔通信機能が限られている地理的区域内で緊急遠隔通信を提供するのに用いられる。このようなシナリオを受け入れるために、中央基地局210およびプラットフォーム220は、所与の地理的区域用の通信を引き継ぐように位置づけることができる。
遠隔通信システム200は、1つの中央基地局210が複数のセルをサービスすることができる点でも有利である。中央基地局210は、少なくとも1つのセルに関連づけられ、各セルは1つの地理的区域に対応する。これは、地形、限られた場所、地域住民による抵抗、または展開費用のせいで基地局の配置に問題がある場合に有益である。1つの中央基地局210によって、こうした問題の多くを克服することができる。たとえば、都市部などの人口密集地域では、中央基地局210は地方に置くことができ、空中プラットフォーム220は、都市環境にいる携帯電話加入者へのモバイル信号を反射するように、都市部の上方にあることができる。中央基地局210は、それが関連づけられているセルの外に位置することもできる。本発明は、空中プラットフォーム220が境界地域にサービスするように水域の上に位置づけられている場合、水域付近の地域にも同様に重大な利益をもたらす。信号は携帯電話加入者の上方から届くことができるので、本発明は、高層ビルによる信号妨害の一部を減らすことも助ける。
さらに、すぐに設置することが重要な場合、中央基地局210および空中プラットフォーム220は、領域でサービスを行うために、最低限の費用ですぐに展開することができる。多くのセルをカバーする、1つの中央基地局210および空中プラットフォーム220の展開は、多くの基地局14i−nを同じ数のセルに対して設置するよりもはるかに簡単である。
さらに図2に示すように、中央基地局210は、空中プラットフォーム220から反射する通信経路240i−nを介して、セル250i−nそれぞれの中に配置された加入者端末と通信する。
空中プラットフォーム220は、有利には、軍事用または商業用の航空交通によって定期的には占用されない高度に位置することができる。本明細書で使用する「空中」という用語は、大気によってまたはそれを介して搬送されることを意味し、大気圏内の飛行、すなわち、対流圏と熱圏の境界との間に起こる飛行を含む。これは、地球の大気圏を超えた飛行を含む「宇宙空間中」とは対照的である。理想的には、空中プラットフォーム220は、成層圏内の対流圏界面(stratonull)に浮かんで配置され、海抜15〜20マイルに位置する。対流圏界面は、概して安定しており、環境に影響を与える気象現象が起こる対流圏の上にあるので、有利である。
中央基地局210および空中プラットフォーム220は、地表面にある複数のセル250i−n、および複数の通信経路240i−nに関連づけられる。この配置は、中央基地局210から反射式空中プラットフォーム220までの上向きの、かつ対応するセル250i内に配置された加入者端末までの下向きの通信経路240iを提供する。同様であるが逆の経路が、セル250i内の加入者端末用に利用可能である。加入者端末は、携帯または固定いずれかの無線電話装置でよい。
図3は、空中プラットフォーム220が中央基地局210の真上にあるのではなく、中央基地局210から逸れた所にある、本発明の実施形態を示す。空中プラットフォーム220の位置のおかげで、中央基地局210は、土地の価格および世間の抵抗が最小限である地方に配置することができる。
図4は、37個の通信経路240i−nが反射される、空中プラットフォーム220の底部にあるフットプリント230i−nの実施形態を示す。各フットプリント230i−nの大きさは、各セル250iの所望の大きさ、および空中プラットフォーム220の底面積によって変わる。空中プラットフォーム220の底面領域は、無線通信信号および無線加入者信号などの通信信号を反射することができる反射面を含む。
たとえば、遠隔通信技術者が、19個の同じ大きさの通信セルを有する、地面の上の約38.85平方キロメートル(15平方マイル)の領域をカバーしたいと望む場合がある。これを達成するために技術者が使うことができる一実施形態は、中央基地局210の真上の海抜約24.14キロメートル(15マイル)に位置する空中プラットフォーム220とともに、各セル向けに伝送される1°の細いビームを使うものである。空中プラットフォーム220に投射される1°の各ビームに対して、空中プラットフォーム220上の各フットプリントは、24.14Sin1°(15Sine1°)にほぼ等しくなり、これは、各フットプリント230i−nに対して約0.4184キロメートル(0.26マイル)の直径である。19個のセルそれぞれが、空中プラットフォーム220上で関連づけられたフットプリント230iをもっている、図4に類似の構成において、空中プラットフォーム220の底部直径は、上記の条件が与えられた場合、フットプリント230iの5個分、すなわち約2.092キロメートル(1.3マイル)になることができる。
空中プラットフォーム220の底部における通信経路のフットプリント230i−nの重なり、空中プラットフォーム220の底部曲率の増加、または通信経路240i−nのビーム幅の減少は、単独でも組み合わされても、セルのフットプリント250i−nを有する特定の地理的区域をサポートするのに使うことができる空中プラットフォーム220の反射底面積の減少を助けることができる。さらに、空中プラットフォームの曲率の増加は、セルのフットプリント250i−nによってカバーされる地理的区域を増やすことができる。
1つの空中プラットフォーム220を通信システムにおいて使うことができるが、1つの中央基地局210からの負荷を分散するために、いくつかの空中プラットフォーム220を使うこともできる。分散された空中プラットフォーム220は、つなぎ合わせることも、ネットによってグループ化することも、自由に浮遊することもできる。さらに、空中プラットフォームはすべて、分散していても、1つの中央基地局210からの通信信号を反射することができる。
図5および6は、本発明の別の実施形態による空中プラットフォーム220を示す。空中プラットフォーム220は、図に示すように、水平方向の移動を容易にするとともにプラットフォーム220への風による影響を最小限にするために、流線型の本体をもつ。
空中プラットフォーム220の上端は、空中プラットフォーム220にエネルギーを供給するための太陽電池パネル510を含む。プラットフォーム220は、推進システム640用、または安定システム用、あるいはその両方のための空気取入れ口520を含む移動システムも含む。本実施形態はプラットフォーム220の上端の中心にある空気取入れ口520を含むが、空中プラットフォーム220の様々な位置に位置する複数の空気取入れ口520があってよい。空気取入れ口または空気排出口が反射面にある場合、反射特性の提供を続けながら空気を通過させるために、空気取入れ口520または空気排出口を覆うように網を置くことができる。
空中プラットフォーム220は、どちらも参照によってその全体が組み込まれる、1973年7月17日発行のJ.J.Vorchekの米国特許第3,746,282号および1992年4月14日発行のJ.L.Randらの米国特許第5,104,059号に開示されているように、バルーンでもよい。高高度にあるこうしたバルーンは、ペイロードをサポートしながら、数カ月を超える期間、海抜36.58キロメートル(120,000フィート)より上の高度を維持することができる。
無線遠隔通信システム200における中央基地局210をサポートするプラットフォーム220が、長距離動作を持続してもよく、地理的区域でサービスを行うためにいくつかのプラットフォームが順に交代してもよい。第1のプラットフォーム220の近くで別のプラットフォームを動かし、中央基地局210のアンテナを予備のプラットフォーム220に向け直すことによって、システム200は、プラットフォーム220のハンドオフを行うことができる。ハンドオフは、中央基地局210によって調整される。その後、無線端末が関わるすべての通信セッションは、予備の空中プラットフォーム220によって処理されることになる。
図6は、空中プラットフォーム220の断面図の実施形態を示す。図6の空中プラットフォーム220は図5の要素を含み、ガス区画室610、放熱孔620、推進システム640、位置制御システム650、および地上通信システム660をさらに含む。
ガス区画室610i−nは、空中プラットフォーム220の様々な位置に分散され、ヘリウムまたは空気ガスより軽い別のガス、あるいは空中プラットフォームを上昇させ、その移動性を高めるのを助けるためのガスを含むことができる。ガスを区画に分けることは、空中プラットフォーム220が破裂し、またはガスが漏れた場合に、システム故障の危険性を減らすのを助ける。ガス区画室610i−nのいくつかは、バラスト区画室でもよい。バラスト区画室として使われるガス区画室610i−nは、プラットフォーム220の外部の空気を吸入し発散して、バラストを取り込み、取り除く。バラストの制御は、空中プラットフォームの安定性の制御を助ける。
推進システム640は、プラットフォーム220の移動を助けるのに使われる。推進システム640は、電気モータ駆動のプロペラの形をとることができる。太陽電池アレイ510などの電源装置は、プラットフォームの上端に位置して、推進システム640を駆動しプラットフォーム220内の電池を充電するために昼間はエネルギーを供給する。電池は、夜間飛行中に推進システム640にエネルギーを供給するのに使うことができる。プラットフォーム220は、電気モータ駆動のプロペラを含む推進システム640を有するものとして開示するが、地球上方の実質的に静止した位置にプラットフォーム220を維持することができる適切な推進システム、たとえばジェット・エンジン、ロケット・エンジン、イオン・エンジンなどを使うこともできる。
放熱孔620は、推進システム640からの気流を違う方向に向けて、移動を助けるのに使うことができる。移動システムは、少なくとも海抜15マイルの高度にある空中プラットフォーム220によってサービスが行われる地理的区域の上方に、地面に相対して空中プラットフォーム220を移動させ位置づけるのを助けるための、推進システム640および放熱孔620を含む。良好な実施は、海抜24.14〜32.19キロメートル(15〜20マイル)で見られる。
位置制御システム650は、GPS(全地球位置発見システム)、または大気圏外にある本体の位置を用いて位置を判定する慣性航法システムやナビゲーション・システムなど、他の位置判定システムを使って、空中プラットフォーム220が望ましくない位置にあることをそれ自体が検出するのを助ける。空中プラットフォーム220は、中央基地局210に位置情報を送信し、位置制御情報を待つ。別法では、位置制御システム650は、位置検出機器を含むことができない。そうではなく、空中プラットフォーム220は、中央基地局210で生成された位置制御情報を受信する。あるいは、位置制御システム650は、位置制御情報を生成し、それを空中プラットフォーム220の移動システムに直接送信することができる。空中プラットフォーム220の移動システムは、位置制御情報に従って空中プラットフォーム220を処理し、移動させる。
通信システム660は、空中プラットフォームが中央基地局210と制御情報を伝達するのを助ける。空中プラットフォーム220と中央基地局210の間のこの制御通信は、赤外線、マイクロ波、光学的または他の電磁気的通信システムの形をとることができる。
図7は、本発明の実施形態による中央基地局210の実施形態を示す。中央基地局210は、無線通信信号を空中プラットフォーム220に送信し、空中プラットフォーム220から反射した無線加入者信号を受信するように構成される。図に示すように、中央基地局210は、アンテナ・システム710、空中プラットフォーム・ロケータ720、任意選択的な通信システム730および基幹インターフェース770に接続されたコントローラ750を含む。コントローラ750は、無線通信の処理、指向性アンテナの方向づけ、および空中プラットフォーム220の操作など、いくつかの機能を実施する。こうした機能はそれぞれ、後で詳しく説明する。
無線通信の処理において、コントローラ750は、1つまたは複数の基地局が移動局(図示せず)との通信を処理するのと同じ動作を実施する。また、例示的な一実施形態では、コントローラ750は、移動交換局(MSC)の動作を実施する。MSCとして使われるとき、中央基地局210はさらに、呼の監視や、請求書情報の収集などをするのに使われる。MSC(図示せず)、別の基地局または中央基地局、あるいはPSTNと通信するとき、コントローラ750は、基幹インターフェース770を介して通信する。基幹インターフェース770は、遠隔通信システム200の要素が外部の遠隔通信システムと通信することを可能にする変換サービスを提供する。移動局との通信において、コントローラ750は、アンテナ・システム710を介して信号を送受信する。
アンテナ・システム710は、何個のセルがサポートされるべきかによって、1つまたは複数の指向性アンテナを含む。こうした指向性アンテナは、無線通信信号を送信し、無線加入者信号を受信するように構成される。アンテナ・システム710は、割り当てられた範囲における細いビーム、たとえば824〜894MHz(セルラー)または1900〜2000MHz(PCS)ビームを放出する、ナロービーム指向性アンテナを備えて実装することができる。たとえば、こうしたアンテナは、Navstarの全地球位置測位衛星で使われているようなナロービーム螺旋形アンテナでよい。同様の螺旋形アンテナは、John D.Kraus、「Antennas,2d」、270および271頁でさらに説明されている。ナロービーム伝送は、反射したそのフットプリントが比較的予想可能なので、有利である。たとえば、ナロービーム伝送は、所与の地理的区域に対してセルラーのフットプリントを作成するのに用いられる。さらに、ナロービーム伝送は、人口密集地域における低レベルのRF電力低減放射レベルのより統一した分散を容易にする。
アンテナ・システム710は、空中プラットフォーム220からの反射を介して通信信号をモバイル装置に送信し、空中プラットフォーム220からの反射を介して、モバイル装置からの信号を無線加入者から受信する。モバイル装置(たとえばモバイルホン、PDAなど)は、上方から無線通信信号を受信するとともに無線加入者信号を上空方向に送信する専用のアンテナを含む。モバイル装置による伝送は、指向性があり、非常に広い幅でも狭い幅でもよい。広い伝送ビーム幅(たとえば、180°)により、モバイル装置は、多くの方向に移動することが可能になり、そのアンテナは概して、信号を空中プラットフォーム220に方向づける。
コントローラ750は、アンテナ・システム710の制御も行って、空中プラットフォーム220との整合性を高める。具体的には、コントローラ750は、空中プラットフォーム・ロケータ720を介して、空中プラットフォーム220にある位置情報を受信する。コントローラ750は次いで、空中プラットフォーム220の位置を判定し、空中プラットフォーム220の位置に基づいてアンテナ制御情報を生成し、アンテナ制御情報に基づいてアンテナ・システム710内でアンテナを調整する。空中プラットフォーム・ロケータ720は、レーダー・システム、または空中プラットフォーム220から受信された反射信号の強度を用いて空中プラットフォーム220の位置判定を助ける他のシステムを含む。
コントローラ750は、空中プラットフォーム220の動作を監視し、かつ/または制御することもできる。例示的な一実施形態では、コントローラ750は、位置制御情報を生成し、コントローラ750が、空中プラットフォーム・ロケータ720からの位置情報に基づいて、空中プラットフォーム220が望ましくない位置に移動していると判断したとき、位置制御情報を空中プラットフォーム220に送信する。あるいは、コントローラ750は、空中プラットフォーム220から空中プラットフォーム220の位置情報を受信し、受信したこの位置情報に基づいて位置制御情報を生成することもできる。システム状況情報および内部システム制御情報など他の情報を、コントローラ750と空中プラットフォーム220の間で交換することもできる。
例示的な一実施形態では、この情報は、アンテナ・システム710を介して、空中プラットフォームに送信され、そこから受信される。別の例示的な実施形態では、中央基地局210は、基地/プラットフォーム通信システム730を使って、空中プラットフォーム220と情報を交換するように構成される。情報の交換は、基地/プラットフォーム通信システム730と空中プラットフォーム220の通信システム660との間の通信リンクを介して起こる。基地/プラットフォーム通信システム730および補助的な通信システム660は、マイクロ波システム、他のRFシステム、光学システム、またはナロービーム・システムでよい。
上記の構成の他に、中央基地局210と別の中央基地局の間の通信は、空中プラットフォーム220または他の空中プラットフォームによって反射された通信リンクを介して達成することもできる。第三世界の一部の国々のように、限られた長距離電話網を有する地理的区域では、空中プラットフォーム220を介した中央基地局210間通信を、長距離遠隔通信を提供するために用いることができる。
さらに、ある空中プラットフォーム220を別の空中プラットフォームで置き換えることが必要になる場合がある。このとき、コントローラ750は、ある空中プラットフォーム220から別の空中プラットフォームにハンドオフを指揮するという追加作業を担当することができる。このことは、両方の空中プラットフォーム220の移動を制御することによって、および/または、アンテナ・システム710における指向性アンテナの方向づけを制御することによって、達成することができよう。
本発明による通信システムは、地方など隔絶した地域への中央基地局の配置を可能にし、分散方式によるアンテナ展開に時として伴う環境破壊を減らすこと、所与の地域への遠隔通信システムの迅速な展開、比較的安価な遠隔通信システム、基地局とモバイル装置の間の通信における電磁気放射の削減、および、モバイル装置に対する所要電力の削減を可能にする。
上記の説明は、例示的な実施形態のみを提示することを理解されたい。本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって他の数多くの構成を考案することができよう。
Claims (10)
- 空中の位置から無線通信信号および無線加入者信号を反射するプラットフォームと、
少なくとも1つのセルに関連づけられた基地局であって、前記プラットフォームに前記無線通信信号を送信し、前記プラットフォームから反射した前記無線加入者信号を受信する基地局とを備える無線通信システム。 - 前記プラットフォームが、前記基地局から送信された無線通信信号を空中の位置から反射するとともに無線加入者信号を空中の位置から反射する反射面を備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記基地局が、前記プラットフォームとの間で制御情報を交換する基地通信システムを含み、
前記プラットフォームが、前記基地局との間で制御情報を交換する通信システムを含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記基地局が、前記無線通信信号を送信するとともに前記無線加入者信号を受信する少なくとも1つの指向性アンテナを備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記基地局が、
前記プラットフォームの位置を判定するように構成されたプラットフォーム・ロケータと、
前記プラットフォーム・ロケータからの出力に基づいて、前記指向性アンテナの方向づけを制御するコントローラとを備える、請求項4に記載のシステム。 - 前記基地局が、
前記プラットフォームの位置を判定するプラットフォーム・ロケータと、
前記プラットフォーム・ロケータの出力に基づいて前記プラットフォームの位置を制御するコントローラとを備える、請求項1に記載のシステム。 - 前記基地局が、
前記プラットフォームと通信する通信システムを備え、
前記コントローラが、前記通信システムを介して前記プラットフォームに位置制御情報を送信することによって、前記プラットフォームの前記位置を制御する、請求項6に記載のシステム。 - 前記基地局が、
前記プラットフォームと通信する通信システムと、
前記通信システムを介して前記プラットフォームから位置情報を受信し、位置制御情報を生成し、前記位置情報に基づいて前記プラットフォームの位置を制御し、前記通信システムを介して前記プラットフォームに前記位置制御情報を送信するコントローラとを備える、請求項1に記載のシステム。 - 前記基地局が、前記基地局が関連づけられたすべてのセルの外側に位置する、請求項1に記載のシステム。
- 前記プラットフォームが少なくとも海抜15マイルに浮遊する、請求項1に記載のシステム。
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