JP2010508772A - 交互する無線周波偏波を備えた多次元セクタを有する空対地セルラー通信ネットワークの陸上基地 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図12A
Description
詳細には、空対地無線周波通信リンクが固定帯域幅リソースとなるので、空対地セルラー通信ネットワークに対する容量強化の課題は重大な問題である。セルラー通信ネットワークは、様々な航空機の空間密度(詳細には、空港内及びその周辺で航空機の空間的密度が高くなる)を有する多次元空間において飛行中の航空機に供用するので、容量強化問題は更に複雑になる。これらの航空機は、高速で飛行しており、関連するドップラーシフト、並びに大きなセル半径に関連する時間遅延が発生する。航空機飛行プロファイルは、様々なピッチ−ロール−ヨー角度、異なる高度、及び異なる速度を含む。各航空機は、陸上基地局の観点から単一の「ノード」のように見える。単一のノードとして、数百の乗客を収容している可能性がある各航空機は、陸上(各)基地局に極めて大容量のシングルポイントネットワーク負荷として見える。各一意的な乗客は、特定のデータ及び/又は音声要件を備えた無線装置を有する可能性があり、これは、乗客の無線装置の数を掛合わせると、航空機単位毎に相当なトラフィック負荷が発生する可能性がある。何れかの所与の領域において、各々が大きなトラフィック負荷を個々に有する数十もの航空機が存在する可能性があり、全ての航空機が、限定された周波数帯域幅の空対地無線周波通信リンクを通じた空対地セルラー通信ネットワークからのネットワークリソースを全体として奪い合う。
本明細書に記載する複数のリンクを用いた逆多重化システムは、放射された偏波がその放射方向で純粋なままであり、(陸上モバイル装置(携帯電話)との陸上セルラーネットワーク通信において起こるような)物理的物体散乱に起因する偏波ベクトルの回転を生じないといった、空対地システムの利点に大きく依存している。これは、空対地ネットワークの伝播経路が見通し(LOS)にあり、どのような自然又は人工的な物体もが航空機と地上との間(或いは、地上と航空機との間)でRF伝播を回折し、反射し、屈折し、又は他の方法で損うことがない(放射及び到達偏波が一定のままである)ことに起因する。従って、空対地ネットワークは、大部分が直交する2つの偏波タイプの間を良好に偏波絶縁することができる。直交偏波の実施例には、垂直偏波対水平偏波、及び右円偏波対左旋円偏波が含まれる。システムレベルの高周波電磁コンピュータモデル化、並びに電場測定は、直交偏波絶縁が通常は12dB〜15dBの範囲であることを示す。この絶縁レベルは、システム容量を強化する(並びにネットワーク内干渉又は自己ネットワーク干渉を最小限にする)ための重要な要素として偏波を用いるのには十分すぎる程である。しかしながら、今日まで、民生用通信サービスのための全ての空対地通信システムは、常に単一方向に偏波され、すなわち、垂直偏波のみ又は水平偏波のみの何れかであった。歴史的に、空対地単一方向偏波は、ネットワーク全体に広がり、全ての航空機は、同じ偏波、すなわち全てが垂直偏波であるか、又は全てが水平偏波である何れかで作動される。例えば、垂直偏波したネットワーク1で作動可能な航空機は、この実施例では水平に偏波されたネットワーク2では作動することができない。本明細書に記載する発明は、実質的に直交偏波を用いて、マルチセクタ基地局アンテナパターンの自己干渉を管理し、これによって同じスペクトル又は帯域幅割り当てに対してシステム容量を飛躍的に向上させることを利用している。勿論、セクタ化により、有効ネットワーク容量の自己増大が付加される。しかしながら、偏波絶縁を含まなければ、帯域幅限定システムにおけるセクタ化単独では、空対地ネットワークの容量は向上しない。
伝播の損失を管理するための現在の陸上無線セルラー技術は、良好な信号を有する隣接セル又はセル−セクタにその通話をハンドオフすることを含むことが多い。このような陸上ハンドオフ法は、当該技術分野では公知である。このハンドオフは、「ハード」(make−then−break)、「ソフト」(同時に2つ又はそれ以上のセルを介した接続を有する)、又は「ソフター」(所与のセルの2つ又はそれ以上のセクタ間の接続を保持する)とすることができる。しかしながら、空対地セルラー通信ネットワークでは、セルサイトの物理的位置は、数百マイル離れており、これは、実行可能なハンドオフ(すなわちハード又はソフト又はソフター)が、単一のベリー装着航空機アンテナには利用可能ではなく、どのような時間期間でも障害のある無線周波数セルラー通信リンクを生じている可能性があることを意味する。実際、航空機が高所で直進水平飛行をしている場合には、この障害時間は、受け入れ難いほど長くなる可能性がある。
空対地無線周波通信リンク性能に影響を及ぼす可能性がある3つの重大な伝播課題、すなわち、航空機エンジンポッド遮断物による見通しシャドーイング、導電面に沿った水平偏波パターンヌリング、及びイントラシステム同一チャネル(同一周波数)干渉が存在する。
本明細書で論じる第1の課題は、見通しシャドーイングである。図1A〜図1Cは、デュアルエンジンのボーイング737航空機のそれぞれ側面図、前面図、及び上面図を示す。航空機の幾つかのタイプでは(例えばボーイング737、757)、エンジンポッド101、102は、胴体100の底部の下に延びて、ここで空対地セルラー通信ネットワーク用のアンテナ150、151が装着される。このエンジンポッド構成は、アンテナ150、151からサービング陸上セル(図示せず)への無線周波信号の見通し遮断物をもたらす可能性がある。
航空機に2つのアンテナを用いることにより、エンジンポッド遮断問題が軽減される。しかしながら、デュアル偏波アンテナの場合、2つのアンテナから4つのアンテナフィードが存在する。単一のEV−DOモデムを用いる場合には、EV−DOモデムの2つのRx入力に入力する前に、2つのアンテナからの2つの垂直偏波フィードを組み合わせ、2つのアンテナからの2つの水平フィードを組み合わせる必要がある。別の選択肢は、2つのEV−DOモデムを用いることである。2つのモデルを用いる場合、4つのアンテナフィードを組み合わせるのに2つの可能性がある。第1の選択肢では、モデムの1つを両方の垂直フィードに接続し、第2のモデムは、両方の水平フィードに接続する。第2の選択肢では、各モデムは、2つのアンテナのうちの1つの垂直及び水平フィードに接続する。
モデム アンテナ1 アンテナ2
モデム アンテナ1 アンテナ2
モデム1___V
\ /H
\___/________V
モデム2___/ H
\___________/
モデム アンテナ1 アンテナ2
モデム1____V
\____H
モデム2____________V
\__________________H
この選択肢には、セル/セクタ境界の偏波絶縁は有効であるが、多重化ゲインは提供しない可能性が高い。これは、2つのモデムが常に同じセル(1つのアンテナが遮断されている場合を除く)によりサービスされており、送信リンクタイムスロットに対して互いに競合することになるためである。
図4Aは、金属プレートにカットされた、或いはプリント回路基板にエッチングされたスロット(穴)452を備えるベリー装着ブレードアンテナ400を示す。RF入出力コネクタは、装着フランジ470上の460である。同軸ケーブル462は、インピーダンス整合された点460でスロットに給電する。同軸ケーブルの中心導体(PCB上のエッチングスロットの対向する側部にエッチングされたマイクロストリップラインとすることもできる)は、開放空気スロットを超えて延びて、スロットの対向する縁部に取り付けられる(電気的接続)。ハウジング453は、耐飛性で且つRF透過性のあるグラスファイバ又は樹脂材料で作られることが多い。このアンテナ400は、水平方向440に電磁場440を生成する。
図8Aは、航空機800の側部胴体上に装着されたコンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ810〜840(又はアレイ)のセットを示しており、このコンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ810〜840は、円偏波される(但し、直線偏波することもできる)。装着部位は、胴体の側部上とすることができ、或いは、ベリーと側部との間の移行領域とすることもできる。
航空機に複数のアンテナを用いて見通し問題に対処すると、上記で検討したように、用いることができるアンテナの多くのタイプが存在すると共に、多くのアンテナ構成が存在する。加えて、特に胴体の長軸に沿って水平偏波パターンヌル化を補正又は補償するための航空機ベースアンテナの解決策が存在する。アンテナを適切に位置決めし、無線周波信号の偏波を選択することにより、空対地無線周波通信リンクのトラフィック(データ及び音声)処理容量が有意に改善される。
典型的な空対地セルラー通信ネットワークは、幾つかの陸上(地上)基地局から成り、その各々は、セルサイト送信アンテナの周りに半径方向に配列された所定空間容積において無線周波数カバレッジエリアを提供する。図9Aは、幾つかの陸上基地局により形成された空対地セルラー通信ネットワーク内のセルサイト901〜904の典型的なパターンを示している。典型的には六角形を使用するが、実際の形状は、一般に更に円形に近く且つ多次元であり、方位角及び仰角アスペクトを有する。各陸上基地局は、地上発信又は地上反射信号の受信に感受性が無く、アンテナパターンが上空方向にのみ送信又は受信可能であるアンテナパターンを用いる。また、陸上基地局は、航空機が地上に位置するときにネットワークカバレッジを可能にするように空港近傍の同一の場所に配置することができ、この場合には、アンテナパターンは、陸上に位置付けられた航空機に最適化される。空対地陸上基地局は一般に、典型的なセルラー通信ネットワークレイアウトに従って地理的に分散される。各空対地陸上基地局のカバレッジエリアの境界は、隣接サイトの境界と実質的に連続し、一般に、空対地セルラー通信ネットワークにおける陸上基地局の全ての複合カバレッジが、目標エリアに対するカバレッジを提供するようにする。
CDMAシステムは、本質的に干渉限界がある。システム内同一チャネル干渉を最小にする1つの解決策は、航空機に1つ又はそれ以上のデュアル偏波アンテナと共に陸上基地局に同様のデュアル偏波アンテナを用いることである。より詳細には、CDMAシステムでは、各個々の陸上セルセクタは、送信及び受信の両方に対して同様に偏波され(例えば、両方ともV−polになる)、隣接するセクタもまた、送信及び受信に対して同様に偏波されることになるが、その偏波は、前の隣接するセクタ(これはV−polされている)に実質的に直交する(すなわちH−pol)ことになる。図9Bは、空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを6つのセクタ化(A〜F)セルサイト911−914にセクタ化し、交互するセクタ上に垂直及び水平偏波を実装した方位角セクタ化の実施例を示している。交互偏波を用いると、陸上システムにおけるようなマルチパス伝播に起因した無線周波信号の偏波の損失がないので、空対地見通し環境に有利である。例証として、セルサイト914は、6つのセクタ4A〜4F(914A〜914F)に分割され、2つの実質的に直交する偏波の間で交互にされる。従って、例証として、セクタ914A、914C、914Eは垂直に偏波され、セクタ914B、914D、914Fは水平に偏波される。この偏波絶縁はまた、セル912及び914の境界にも存在し、914Fが水平に偏波され、912の「2C」セクタが垂直に偏波される点に留意されたい。
図10Aは、航空機1000が基地局アンテナ1002から遠方で浅い伝播角度にある場合の無線周波信号の直接経路1007と反射経路1006とを示している。詳細には、この実施例は、基地局アンテナ1002がほぼ200フィート高さであり、航空機1000が高度7マイルで飛行している典型的な状況における無線周波信号の直接経路1007と反射経路1006との間の関係を示す。基地局アンテナ1002と航空機1000との間の距離は、100マイルで示されている。この距離及び飛行高度では、反射経路1006と地球の表面との間の角度1004は0.04度であり、反射経路は、地点1003で地球表面に遭遇する。この経路の外向きセグメントでは、反射経路1006と地球表面との間の角度1005は7度である。この実施例では、これらの計算角度は、一般に4/3無線プロファイル地球(radio profile earth)に対して平坦な地球を想定している。
図11Aは、コンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ(又はアレイ)1120が航空機1110のベリー上に装着された実施例を示し、ここでは天底(地上)を向いたアンテナ1120が円偏波される。空対地セルラー通信ネットワークは、天頂指向円偏波アンテナを備えた空対地陸上基地局1105を含む。空対地無線周波通信リンク1130は、飛行ヨー角に関係なく同偏波されるアップリンク及びダウンリンク構成要素を含み、この実施例では、偏波はRHCPである。加えて、航空機1110は、ベリー装着垂直偏波ブレードアンテナ1130を備え、該アンテナは、方位角セクタ化垂直偏波アンテナを備えた空対地陸上基地局1107との空対地無線周波通信リンク1140を介して通信するように示されている。
ネットワークトラフィック全体の負荷(すなわち、所与のセル−セクタにより幾つの航空機がサービスを受けているか)も考慮して航空機までの最適な送信路を探し出す連続プロセスであり、複合ネットワークが、その地方、地域、及び国の観点からネットワークに対して全体的な最適化アルゴリズムを有する。詳細には、複合ネットワーク最適化アルゴリズムにより、ネットワーク通信リソースを奪い合う全ての航空機の間でサービスの公平さ及び品質(QoS)が確保される。
/ \
PDSN1 PDSN2
/ \ / \
RNC/PCF1 RNC/PCF2 RNC/PCF3
/ \ \ /
BTS1 BTS2 BTS3 BTS4
上に示すように、MTがBTS2からBTS3に移動する場合、MTは、依然として同じPDSNによりサービスされることになる。従って、Simple IP及び移動体IPの両方を用いる場合、MTは、新しいIPアドレスを割り当てられる必要はない。しかしながら、MTが、BTS3からBTS4に移動する場合、PDSNが変化することになる。Simple IPを用いる場合、これには、PDSN2により新しいIPアドレスの割り当てが必要になる。移動体IPを用いる場合、HAは同じままであり、従って、IPアドレスの割り当ては必要ではない。但し、ポインタをPDSN1ではなくPDSN2を指すように更新されることになる。インターネットの他の部分は、ルーティングテーブル全てがHAを向くので移動が認知されない。
複数のEV−DOモデムを用いる場合、逆多重化機能を提供して2つのEV−DOストリームを組み合わせることが必要である。逆多重化は、単一のチャネルからデータをとり、複数の小さなチャネルにわたって分配し、相手方でデータが再構築される。マルチリンクPPPは、複数の安定チャネル(例えば、論理ISDNチャネル)を組み合わせるのに用いられてきたが、リンクの動的特性により、複数のEV−DOリンクには適切でないことになる。逆多重化機能は、各リンクの瞬間的状態を考慮する必要がある。この問題は十分に研究されており、幾つかのシステムが試作されている。逆多重化プロトコルは、典型的には、リンクの各端部で論理回路が必要である。
本発明のマルチリンク航空機セルラーシステムは、航空機に装着された複数の物理的に分離したアンテナを利用すると共に、逆多重化により空対地セルラー通信ネットワークのトラフィック(データ及び音声)処理容量を改善するために、付加的に任意の信号絶縁及び最適化技術を用いる。マルチリンク航空機セルラーシステムの付加的な技術には、偏波ドメイン、コードドメイン、及び地上アンテナパターン整形(方位角、仰角、又は両方の平面)を含むことができる。
Claims (14)
- 航空機内に配置された複数の無線加入者装置と空対地セルラー通信ネットワークとの間での非陸上空間領域における無線周波通信を管理するためのシステムであって、
前記複数の無線加入者装置及び前記空対地セルラー通信ネットワーク間の通話トラフィックを交換するための複数の多次元無線周波数セクタを備えた前記非陸上空間領域を実装する、前記空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局と、
少なくとも2つの実質的に直交する偏波の中から前記複数のセクタのうちの隣接するセクタを偏波する偏波手段と、
を備える無線周波通信を管理するためのシステム。 - 前記空対地陸上基地局のうちの少なくとも1つが、
前記空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを各々が該遠視野パターンの一部を含む複数のセクタに方位角平面で分割するための方位角セクタ化手段を備える、
請求項1に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。 - 前記偏波手段が、
前記少なくとも2つの実質的に直交する偏波の間で前記複数のセクタの各々のうちの隣接するセクタの偏波を交互にする交互手段を含む、
請求項2に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。 - 前記空対地陸上基地局のうちの少なくとも1つの基地局が、
前記空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを各々が該遠視野パターンの一部を含む複数のセクタに仰角平面で分割するための仰角セクタ化手段を備える、
請求項1に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。 - 前記偏波手段が、
前記少なくとも2つの実質的に直交する偏波の間で前記複数のセクタの各々のうちの隣接するセクタの偏波を交互にする交互手段を含む、
請求項4に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。 - 前記空対地陸上基地局の少なくとも1つが、
前記空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを各々が該遠視野パターンの一部を含む複数のセクタに方位角平面で分割するための方位角セクタ化手段と、
前記空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを各々が該遠視野パターンの一部を含む複数のセクタに仰角平面で分割するための仰角セクタ化手段と、
を備え、
前記偏波手段が、前記少なくとも2つの実質的に直交する偏波の間で前記複数のセクタの各々のうちの隣接するセクタの偏波を交互にする、
請求項1に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。 - 航空機内の複数の無線加入者装置と前記空対地セルラー通信ネットワークとの間の通話トラフィックを交換するため前記複数の空対地陸上基地局のうちの少なくとも1つに現存している前記複数の無線周波数セクタを識別するリンク選択手段を更に備える、
請求項1に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。 - 航空機内に配置された複数の無線加入者装置と空対地セルラー通信ネットワークとの間での非陸上空間領域における無線周波通信を管理するための方法であって、
前記空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局を用いて、前記複数の無線加入者装置及び前記空対地セルラー通信ネットワーク間の通話トラフィックを交換するための複数の多次元無線周波数セクタを備えた前記非陸上空間領域を実装する段階と、
少なくとも2つの実質的に直交する偏波の中から前記複数のセクタのうちの隣接するセクタを偏波する段階と、
を含む方法。 - 前記実装段階が、
前記空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを各々が該遠視野パターンの一部を含む複数のセクタに方位角平面で分割する段階を含む、
請求項8に記載の無線周波通信を管理するための方法。 - 前記偏波段階が、
前記少なくとも2つの実質的に直交する偏波から前記複数のセクタの各々のうちの隣接するセクタの偏波を交互にする段階を含む、
請求項9に記載の無線周波通信を管理するための方法。 - 前記実装段階が、
前記空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを各々が該遠視野パターンの一部を含む複数のセクタに仰角平面で分割する段階を含む、
請求項8に記載の無線周波通信を管理するための方法。 - 前記偏波段階が、
前記少なくとも2つの実質的に直交する偏波から前記複数のセクタの各々のうちの隣接するセクタの偏波を交互にする段階を含む、
請求項11に記載の無線周波通信を管理するための方法。 - 前記実装段階が、
前記空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを各々が該遠視野パターンの一部を含む複数のセクタに方位角平面で分割する段階と、
前記空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを各々が該遠視野パターンの一部を含む複数のセクタに仰角平面で分割する段階と、
を含み、
前記偏波段階が、前記少なくとも2つの実質的に直交する偏波から前記複数のセクタの各々のうちの隣接するセクタの偏波を交互にする、
請求項8に記載の無線周波通信を管理するための方法。 - 航空機内の複数の無線加入者装置と前記空対地セルラー通信ネットワークとの間の通話トラフィックを交換するため前記複数の空対地陸上基地局のうちの少なくとも1つに現存している前記複数の無線周波数セクタを識別する段階を更に含む、
請求項8に記載の無線周波通信を管理するための方法。
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