JP2012151882A - 時空間コーディングを用いた近垂直放射空間波（「ｎｖｉｓ」）通信を強化するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】近垂直放射空間波（「ＮＶＩＳ」）通信システム内で、時空間コーディング技術を用いて複数のデータ・ストリームを伝送し、受信するシステム及び方法。
【解決手段】ＮＶＩＳ通信システム内では、複数の独立したデータ・ストリームを、伝送局から９０度近い、又は９０度に達する高い放射角で伝送することができる。このデータ・ストリームは、地球の電離圏から反射されて、１つ又はそれ以上の受信局によって受信される。一実施形態においては、時空間コーディング技術は、多入力多出力（「ＭＩＭＯ」）信号通信技術である。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般的に、通信システムの分野に関する。より具体的には、本発明は、時空間コーディング技術を用いた近垂直放射空間波（「ＮＶＩＳ」）通信チャネルを強化するシステム及び方法に関する。

序論
現在の無線技術は、地理的な広い地域にわたって高速双方向データ信号を送信するには非実用的である。例えば、移動体データ網は、数マイルおきに移動体タワーが位置させられる極めて複雑で高価なインフラストラクチャを必要とする。更に、現在の移動体技術は、比較的低速なデータ伝送にしか対応していない。例えば、アジア、ヨーロッパ、及び北アメリカにわたって用いられている汎用パケット無線サービス（ＧＰＲＳ）は、理論上は最大１１５Ｋｂｐｓしかなく、典型的には、実社会では、１０Ｋｂｐｓから３５Ｋｂｐｓの間で稼動している。

静止衛星を用いることにより、地理的な広い地域にわたって、より高速の双方向無線データのスループット率を得ることができる。消費者市場において今日提供されているそのようなサービスの２つとして、Ｓｔａｒｂａｎｄ及びＤｉｒｅｃｔＷａｙが挙げられる。しかし、静止衛星までの往復距離は約４５，０００マイルなので、特定の種類のデータ通信において不合理に高い待ち時間（例えば、典型的な送信／受信トランザクションについて１／２秒）が生じる。衛星通信は、ウェブ閲覧、及び、高頻度の往復対話を必要とする他の種類のトランザクション、少ない遅延しか許容できない音声通信、及び非常に低い遅延しか許容できないオンラインの高速アクション・ビデオゲームには適していない。また、衛星の打ち上げ及び維持は非常に高価である。更に、衛星通信サービスは、北半球では南側へ向かい、又は、南半球では北側へ向かう、衛星に対して直接的で障害物のない見通しを必要とする。したがって、窓が赤道とは反対側にある、大きな木又は大きな建物の傍のアパートに住むユーザは、静止衛星通信サービスの対象とならない可能性がある。

近垂直放射空間波（「ＮＶＩＳ」）
近垂直放射空間波（「ＮＶＩＳ」）は、高指向性アンテナを用いて、９０度近い、又は９０度（垂直上方向）に達する非常に大きな放射角で無線信号を上方向に伝送する周知の無線伝送技術である。無線信号は、地球の電離圏から反射して、地表に戻る。この反射の大半を担う電離圏の一部（「Ｆ２」層）は、約１５０マイルの高さに存在するので、信号の一様な散乱がもたらされて、伝送地点から最大半径２００マイルにわたって分散される。この現象は図１に示されており、無線信号がＮＶＩＳ伝送局１０１から伝送され、電離圏から反射されてＮＶＩＳ受信局１０２によって受信される状態を図示している。

北半球から南水平線に向けられる衛星伝送とは異なり、ＮＶＩＳ伝送は、ほぼ垂直上方向であり、その反射はほぼ垂直下方向である。すなわち、頭上に何もないいずれの地点でも、信号に対して直線的な見通しを有する。したがって、渓谷、都市部のビルの間、及び多くの木々に覆われた領域において信号を受信することができる。

ＮＶＩＳの制限の１つとして、周波数が最大約２４ＭＨｚ、典型的には１０ＭＨｚより下の無線信号でしか動作しないことが挙げられる。これらの低周波数では、使用可能な周波数域が非常に少なく、すなわち、標準的な伝送技術を用いると非常に低い帯域幅しか達成することができない。ＮＶＩＳを用いて幾つかのＡＭラジオ及び短波ラジオ放送を提供することができるが、標準的なＮＶＩＳ技術のみでは、多数の加入者に対して意味のあるデジタル帯域幅を提供するには不十分である。

通信信号の時空間コーディング
比較的新しく開発された無線技術として、空間多重化及び時空間コーディングが知られている。時空間コーディングの１つの特定の種類として、各端で幾つかのアンテナを用いるために、「多入力多出力」を表わすＭＩＭＯと称されるコーディングが挙げられる。送受信に複数のアンテナを用いることにより、複数の独立した電波を、同じ周波数範囲内で同時に伝送することができる。以下の記事は、ＭＩＭＯの概要を与える。
ＩＥＥＥ会員Ｄａｖｉｄ Ｇｅｓｂｅｒｔ，ＩＥＥＥ特別会員Ｍａｎｓｏｏｒ Ｓｈａｆｉ，ＩＥＥＥ会員Ｄａ−ｓｈａｎ Ｓｈｉｕ，ＩＥＥＥ会員Ｐｅｔｅｒ Ｊ． Ｓｍｉｔｈ，ＩＥＥＥ上級会員Ａｙｍａｎ Ｎａｇｕｉｂ著、「理論から実践まで：ＭＩＭＯ時空間コード化無線システムの概要（Ｆｒｏｍ Ｔｈｅｏｒｙ ｔｏ Ｐｒａｃｔｉｃｅ：Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ＭＩＭＯ Ｓｐａｃｅ−Ｔｉｍｅ Ｃｏｄｅｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」、ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＮ ＳＥＬＥＣＴＥＤ ＡＲＥＡＳ ＩＮ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ、ＶＯＬ．２１、ＮＯ．３、２００３年４月発行
ＩＥＥＥ会員Ｄａｖｉｄ Ｇｅｓｂｅｒｔ，ＩＥＥＥ会員Ｈｅｌｍｕｔ Ｂｏｌｃｓｋｅｉ，Ｄｈａｎａｎｊａｙ Ａ． Ｇｏｒｅ，ＩＥＥＥ特別会員Ａｒｏｇｙａｓｗａｍｉ Ｊ． Ｐａｕｌｒａｊ著、「屋外ＭＩＭＯ無線チャネル：モデル及び性能予測（Ｏｕｔｄｏｏｒ ＭＩＭＯ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｈａｎｎｅｌｓ：Ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ）」、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ、ＶＯＬ．５０、ＮＯ．１２、２００２年１２月発行

基本的に、ＭＩＭＯ技術は、並列な空間データ・ストリームを共通の周波数帯域内で生成するために、空間的に分散されたアンテナを用いることに基づくものである。電波は、同じ周波数域内で伝送されても、個々の信号が受信機において分離されて複合されるように伝送されて、複数の統計的に独立した（すなわち、実効的に分離した）通信チャネルをもたらすことができる。したがって、マルチパス信号（すなわち、時間的に遅延しており、振幅及び位相が変更された同じ周波数の複数の信号）の抑制を図る標準的な無線通信システムとは対照的に、ＭＩＭＯは、無相関又は弱相関のマルチパス信号を利用することで、所定の周波数帯域内で、より高い帯域幅及び改善された信号対雑音比を達成することができる。一例として、エアゴーネットワークス社は、最近、ＭＩＭＯ技術を８０２．１１ｇシステム内で用いて、同じ周波数域において１０８Ｍｂｐｓを達成することができたが、通常の８０２．１１ｇシステムは５４Ｍｂｐｓしか達成できない（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｉｒｇｏｎｅｔｗｏｒｋｓ．ｃｏｍを参照されたい）。

指向性アンテナ
指向性アンテナは、数十年用いられてきた。そのようなアンテナには、衛星通信で一般に用いられるパラボラ・アンテナといった固定型の物理的構造による指向性アンテナから、フェーズド・アレイ・アンテナといった信号の位相調整及び他の操作による指向性アンテナまで多くの形態があり、その間には多くの変形態様がある。

多くのＨＦ帯域アプリケーションにおいては、特定の空中伝達反応を達成するために、指向性アンテナを用いることが多い（例えば、ＮＶＩＳアンテナは下方向に反射して戻るように、典型的には垂直方向に指向性があり、短波無線局アンテナは空間波のスキップを最大化する角度において指向性があると）。他のＨＦ帯域アプリケーションでは、多くの場合、研究目的で、フェーズド・アレイ・アンテナを用いて、電離圏上の特定のスポットに一地点に無線信号ビームを合焦させる。例えば、そういった目的で、アラスカにおける高周波活性オーロラ調査プログラム（ＨＡＡＲＰ）は、ＨＦ帯域において大きなフェーズド・アレイ・アンテナを使用している。（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈａａｒｐ．ａｌａｓｋａ．ｅｄｕ）

近垂直放射空間波（ＮＶＩＳ）通信システム内で、時空間コーディング技術及び指向性アンテナ技術を用いて、複数のデータ・ストリームを伝送し、受信するシステム及び方法について説明する。ＮＶＩＳ通信システム内では、複数の独立したデータ・ストリーム（あるいは、部分的に独立したストリーム）が、伝送局から、９０度近い、又は９０度に達する高い放射角で伝送される。このデータ・ストリームは、地球の電離圏から反射されて、１つ又はそれ以上の受信局によって受信される。一実施形態においては、時空間コーディング技術は、多入力多出力（「ＭＩＭＯ」）信号処理技術である。

従来技術の近垂直放射空間波（「ＮＶＩＳ」）システムを示す。 ＮＶＩＳシステム内で時空間コーディングを採用する本発明の一実施形態を示す。 複数のＮＶＩＳクライアント・サイトへの接続を与えるＮＶＩＳ ＩＳＰを示す。 データ入力が多重化されて、単一のデータ・ストリームを別々のコード化されたストリームに変換して、Ｍ個の伝送アンテナ上で伝送する、変調及びコーディング・エンジンに入力される状態を示す。 本発明の一実施形態に係る伝送／受信局を示す。 指向性アンテナを使用するＮＶＩＳシステムを示す。 望ましいカバー範囲に重複するセルを形成するために、どのように指向性アンテナを使用できるかを示す。 望ましいクライアント・カバー範囲が、帯域幅の必要条件に関して、異なる密度をもつ、本発明の別の実施形態を示す。

本発明は、図面に関連する以下の詳細な説明から一層の理解を得ることができる。

以下の説明においては、説明目的のために幾多の特定の詳細が述べられて、本発明の完全な理解を与える。しかし、当業者であれば、本発明は、これらの特定の詳細の幾つかを除いても実施できることが明らかであろう。他の場合においては、本発明の基本原理を不明瞭にしないように、周知の構造及び装置はブロック図の形式で図示する。

本発明の実施形態
本発明の一実施形態では、近垂直放射空間波（ＮＶＩＳ）システム内で多入力多出力（「ＭＩＭＯ」）信号伝送技術を採用することで、信号対雑音比及び伝送帯域幅を増大させる。具体的に図２を参照すれば、本発明の一実施形態においては、Ｎ個のＭＩＭＯ指向性アンテナ１０２の行列が装備された第１のＮＶＩＳ局１０１が、Ｍ個のＭＩＭＯ指向性アンテナ１０４の行列が装備された別のＮＶＩＳ局１０３と通信を行うように設定される。指向性アンテナ１０２，１０４は、望ましいＮＶＩＳを達成し、地上波の干渉効果を最小限に抑えるために、それぞれ垂直方向から約１５度以内で上方向に向けられる。一実施形態においては、指向性アンテナ１０２及び１０４の２つの組は、ＮＶＩＳ周波数域内の指定された周波数（例えば、２３ＭＨｚ又はそれより下であるが、典型的には１０ＭＨｚより下の搬送周波数）で、複数の独立したデータ・ストリーム１０６に対応し、これによって、この指定された周波数における帯域幅を、著しく（すなわち、統計的に独立したデータ・ストリームの数に比例する係数で）増大させる。

所定の基地局で稼動するＮＶＩＳアンテナは、物理的に、互いにかなり離れているといすることができる。１０ＭＨｚより下の長波長が与えられており、信号の移動が長距離（往復３００マイルほど）であるとすると、アンテナ同士が数百ヤード、更には数マイルだけ物理的に離れていても、ダイバーシティにおいて有利性を与えることができる。そのような状況では、通常の有線又は無線通信システムを用いて、個々のアンテナ信号を処理されるべき中央位置に戻すことができる。あるいは、各アンテナに局所的な設備を設けて信号を処理し、次いで、通常の有線又は無線通信システムを用いて、データを中央位置に通信し戻すことができる。

本発明の一実施形態においては、ＮＶＩＳ局１０１はインターネットへの広帯域リンクを有し、ＮＶＩＳ局１０３は（例えば、住宅内の）ローカル・ネットワークへのリンクを有する。ＭＩＭＯを用いることで達成される広帯域ＮＶＩＳリンクを使用して、ローカル・ネットワーク１３０に接続されたユーザは、リンク１１６により接続し、ＮＶＩＳ局１０３によりアップリンクして、ＮＶＩＳ局１０１に接続し、次いで、リンク１１５によりインターネット１１０に到達することで、インターネットへの広帯域接続を有することになる。このリンクは、たとえＮＶＩＳ局１０３がＮＶＩＳ局１０１から２００マイルほど離れていても実現される。このような接続は通常のＮＶＩＳ技術を用いて可能になるが、帯域幅は、ＭＩＭＯにより達成可能なものと比較すると極めて低いものとなる。

本発明の一実施形態では、単一のサーバ・センタによって稼動される複数のクライアント・サイトを採用する。具体的に図３を参照すれば、本発明の一実施形態においては、（典型的には、図２に示すＮＶＩＳ局１０１のようなインターネットに接続された）ＮＶＩＳ−ＩＳＰ３０１が、複数のＮＶＩＳクライアント・サイト（本例では２つのＮＶＩＳクライアント・サイト３０３及び３０５が図示されているが、数百又は数千、場合によっては数百万のクライアント・サイトを同時に稼動させることができる）に接続を与え、各ＮＩＶＳクライアント・サイト３０３又は３０５は、図２に示すローカル・ネットワーク１３０のようなローカル・ネットワーク接続を与えたり、又はデータ受信機及び／又は伝送装置（例えば、サーバ、電話機、テレビ・セットなど）への接続を与えたりする。ＮＶＩＳクライアント・サイト３０３及び３０５は、ＮＶＩＳ−ＩＳＰ３０１から２００マイルほど離して配置することができる。

本発明の基本原理に従う範囲で、様々な異なるＮ及びＭの値を採用することができる。例えば、一実施形態においては、Ｎ＞Ｍである。伝送アンテナ数及び受信アンテナの数の間には、１対１の相関はなくなっているが、ダイバーシティを使用して、信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善したり、又は統計的に独立したチャネルを確立したりして、チャネル容量が増加する。あるいは、一実施形態においては、Ｎ＜Ｍであるが、この場合もダイバーシティによってチャネル容量が増加する。

図２及び図３に示す具体例では、説明目的で、Ｎ＝Ｍ＝６であり、Ｎ個の指向性アンテナ１０２及びＭ個の指向性アンテナ１０４の各々の間に１対１の対応関係が存在して、ＮＶＩＳ局１０１とＮＶＩＳ局１０３との間には、６つの統計的に独立したデータ・ストリーム１０６がもたらされる。図６は、一方のアンテナの出力が、他方のまさに１つのアンテナの入力に関連付けられた関係を図示しているが、本発明の基本原理はこのような実装に限定されるものではない。上述のように、Ｎ及びＭは異なっていてもよい。また、全てのＮ個目のアンテナと全てのＭ個目のアンテナとの間に経路がある必要はない。更に、実際の実装では、各ＮＶＩＳ局１０１，１０３において６個よりも遥かに多い（例えば、各端に１０５００個の）指向性アンテナを用いることができ、遥かに多い独立したデータ・ストリーム１０６及び遥かに高い通信帯域幅がもたらされる。実際に用いられる数は、所定の地理的地域に必要とされる帯域幅の量に依存する。例えば、人口密度の高い地域に対するデータ帯域幅を与えるためには５００個必要で、人口密度が非常に低い農村部では１０個で十分であろう。多数のアンテナが必要な実装では、クライアント・サイトよりもサーバ・サイトに、より多くのアンテナを設置することが実用的である可能性があるので、ＮをＭより大きい値にすることができる。

一実施形態では、高速通信リンク１１５は、ＳＯＮＥＴ規格に定義されるように光キャリア（「ＯＣ」）−１９２又はＯＣ−７６８チャネル（又は複数のチャネル）である。しかし、通信リンク１１５は、本発明の基本原理に従う範囲で、他の様々な信号伝送技術（例えば、Ｔ−３、ＤＳ−３、ＳＴＳチャネルなど）に基づくものとすることができる。

図２に示す第２のＮＶＩＳ局１０３は、ローカルな地理的地域内で通信リンク１１６を介してローカル・エリア・ネットワーク１３０に結合される。通信リンク１１５と同様に、第２のＮＶＩＳ局１０３を（以下に説明する）ローカル・エリア・ネットワーク１３０に結合する通信リンク１１６は、様々な異なる信号伝送技術に基づくものとすることができる。本実施形態のローカル・エリア・ネットワーク１３０は、様々な組織及び／又は個人によって所有される／保持される複数のローカル・クライアント及び／又はサーバ１４０を通信可能に相互接続する。例えば、一実施形態では、ローカル・エリア・ネットワーク１３０は、地方組織（例えば、地元企業、大学など）内のイーサネット（登録商標）・ベースのネットワークである。本実施形態においては、Ｍ個のＮＶＩＳアンテナは、建物の屋上、又は頭上に何もない状態でアンテナが設けられる（すなわち、電離圏１０５から反射したＮＶＩＳのデータ・ストリーム１０６を受信するために）その他の場所に位置させることができる。

あるいは、ＮＶＩＳ局１０３を、ローカル・エリア・ネットワーク１３０を介して接続するのではなく、これを直接パーソナル・コンピュータ（「ＰＣ」）又はサーバに結合することができる。例えば、本実施形態においては、ＮＶＩＳ局１０３の機能要素を、パーソナル・コンピュータのＰＣＩバス・スロットに接続された周辺機器相互接続（「ＰＣＩ」）カードといったＰＣカード内に組み込むことができる。あるいは、ＮＶＩＳ局１０３の要素を、ユニバーサル・シリアル・バス（「ＵＳＢ」）、Ｆｉｒｅｗｉｒｅ（登録商標）（ＩＥＥＥ１３９４）インターフェース、又は同様の高速ＰＣインターフェースを介して、ＰＣ又はサーバと通信可能な外部通信装置内に統合することができる。無論、本発明の基本原理は、ＮＶＩＳ局１０３をローカル・クライアント／サーバ１４０に結合するいずれの特定のインターフェース又は通信チャネルにも限定されないことに留意されたい。

ＭＩＭＯ及びダイバーシティ・システムは、チャネル容量を著しく増大させるために、実質的に、統計的に独立した通信チャネルが必要である。チャネルを改善するには、通常２度の到来角の差で十分である（「無線技術者のための参照データ（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｄａｔａ ｆｏｒ Ｒａｄｉｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）」、ＨＷ Ｓａｍｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、第５版、１９７３年発行、Ｐ２６〜２９を参照されたい）。更に、０．０５秒から９５秒までのフェーディング間隔が、０．６又はそれより下の係数値に対する非相関にみられる。

２次元チャネル変調、すなわち、ある種のＭ−ａｒｙ変調（例えば、ＱＡＭ、場合によってはＰＳＫ又はＦＳＫ）を用いることによって、以下のチャネル・モデルが生成され、
Ｙ＝Ｈｘ＋ｚ
これらの数量の各々はベクトルである。より具体的には、一実施形態においては、Ｈは、Ｍ行及びＮ列を有するｒ×ｔ複素行列であり、その入力項目ｈ_ijは、伝送アンテナから受信機への各伝送経路のゲインを表わす。この行列においては、ｒ及びｔは、それぞれ受信機とそれに対応するアンテナの数、及び伝送機とそれに対応する伝送機の数を示す。変数ｘは、伝送機及びそのアンテナから構成される複素ベクトルｔであり、変数ｙは、それらに対応する受信機及びそのアンテナのベクトル、すなわちベクトルｒである。変数ｚは、複素雑音ベクトル（例えば、独立した実数部及び虚数部をもつ独立して分布されたガウス確率変数）である。

非ベクトル表記では、これは、

と記述され、ベクトルｘのｉ個目の成分は、アンテナｉから伝送される信号であり、ベクトルｙのｊ個目の成分は、アンテナｊによって受信される信号である。

上記の分析によれば、（１）Ｈが決定性のもの、（２）Ｈがある確率分布関数に従って選択されたランダムなもの、（３）Ｈはランダムであるが、あるコード語では固定したものとして考慮されるものを含む様々な異なる構成が存在する。以下の考察では、（２）の場合に着目する。しかし、本発明の基本原理は（２）の場合に限定されないことに留意されたい。

行列Ｈを解く１つの方法は、ヌル値を（コード化によって）記号ストリームに挿入し、パイロット信号をそのヌル値に挿入することである。このパイロットは、その後、受信機によって検出されることになる。こうすることで、特定対に対してｈ_ijを求めることができる。無論、本発明の基本原理に従う範囲で、既知の様々な他の技術を採用することができる。

複数のアンテナを有し、ｔ＝ｒ（伝送アンテナ数が受信アンテナ数と等しい）であるガウス・チャネルでは、ＳＮＲが３ｄＢ増える毎に、ｔだけ多いビット／秒／Ｈｚが利用可能となる。伝送及び受信の両方で４つのアンテナを用いて、（各伝送機で）伝送電力を倍増した場合には、４だけ多いビット／秒／Ｈｚをガウス・チャネルにおいて達成することができる（例えば、１ｋＨｚのチャネルに対して４ｋｂ／ｓの追加、又は１ＭＨｚのチャネルに対して４Ｍｂ／ｓの追加）。

チャネル状態情報（「ＣＳＩ」）は、性能を決定する要因の１つである。ＣＳＩを推定するパイロット・トーン方式に加えて「チャネル・サウンディング」を採用して、固定電話モデムが、通信設定中に電話チャネルを掃引し、そのデジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）フィルタを調整して、異なる電話回線条件を最大限に活用するのと同様に、チャネル特性を求めることができる。

ＮＶＩＳは、時間と共に特性が変化する電話回線に幾分似ている。これらの変化は、時には１秒未満毎に行われ、（またある時は、条件が比較的安定している場合もある）。本発明の一実施形態においては、これらの経路及び時定数の変化はＣＳＩを用いて処理される。

チャネル・サウンディングに用いられるパイロット記号をデータ記号と共に伝送する場合には、実効チャネル速度を低減することができる。したがって、システム性能と伝送速度との間にはトレードオフが存在する。

伝送機及び受信機の数に関係なく、最適なトレーニング間隔は１／２である。使用可能な間隔の半分はトレーニング（すなわち、行列Ｈの数学的モデルの形成）に用いるべきである。

伝送機においてＣＳＩが使用可能である場合には、深いインターリーブ又はＨＦダイバーシティを必要とすることなく非常に速い速度が可能になる。これにより事実上、容量改善に関して相互関係が保証されるので、伝送アンテナのダイバーシティは、受信アンテナのダイバーシティと等価である。

図５に示すように、ＮＶＩＳ局１０１，１０３の一実施形態には、出力ＮＶＩＳデータ・ストリームを処理する信号伝送パイプライン５４６及び入力ＮＶＩＳデータ・ストリームを処理する信号受信パイプライン５４５が含まれる。通常、Ｍ個の伝送アンテナはＭ’個の受信アンテナから離間されている。一実施形態においては、ネットワーク転送処理論理５６０が、入力及び出力データ・ストリームをフォーマットして、特定のネットワーク（例えば、インターネット１１０やローカル・エリア・ネットワーク１３０）にわたり配布するか、あるいは、パーソナル・コンピュータ又はサーバによって直接処理する。説明目的のため、図５に示すＮＶＩＳは、伝送及び受信の両方を行うことができるものとする。しかし、本発明の基本原理は双方向通信が可能なＮＶＩＳ局に限定されないことに留意されたい。更に、全二重通信及び半二重通信の両方が可能なＮＶＩＳ局は本発明の範囲内にあると考えられる。

図４に示す別の実施形態では、１つ又は複数のソース４００から発せられたデータ入力は、次いで、多重化されて、単一のデータ・ストリームを別々のコード化ストリームに変換して、Ｍ個の伝送アンテナ４０５上で伝送する変調及びコーディング・エンジン４０１に入力される（説明目的のために３つのアンテナを示すが、任意数のアンテナを用いてよい）。Ｍ個の伝送アンテナ４０５とＭ’個の受信アンテナ４０６との間には、複数のエネルギー経路が存在する。図４には３つの受信アンテナが図示されているが、任意数の受信アンテナを用いてよい。伝送アンテナ数は、受信アンテナ数と等しい必要はない。これら複数の経路は同じではない。さらに、チャネル同士には高い相関性がないと言える。受信機の信号処理部４１０においては、独立したデータ・ストリームが無線データ及びチャネル障害から抽出され、結合器ブロック４１５に送られ、元のデータ・ストリームを再生してデータ出力部４２０に送る。

再び図５を参照すれば、一実施形態においては、ネットワーク／転送処理論理５６０によって信号伝送パイプライン５４６に与えられるデータは、１つ又はそれ以上のチャネルコーディング技術を用いることにより、最初にエンコーダ５５１によってエンコードされる。例えば、一実施形態においては、エンコーダ５５１は、ブロック・ベース誤信号訂正コーダ及び／又は前進型誤信号訂正コーダから構成される。一例として、ブロック・ベース誤信号訂正コーダは、伝送信号の誤りを修正するために引き続き用いられる冗長ビットを、定義された各データ・ブロックに付加するリードソロモン・エンコーダであってもよいし、又は、空間及び／又は時間及び／又は他の適切な次元における他の種類のエンコーダであってもよい。一実施形態における前進型誤信号訂正コーダは、連続した複数の伝送ビット間に相関関係が存在するエンコードされたビット・ストリームを生成するビタビ・エンコーダである。リードソロモン、ビタビ、ターボコード、又は他のエンコーディング技術を採用することができる。リードソロモン、ビタビ、及びターボコードは既知のエンコーディング技術であり、本発明の基本原理に従うのに必要なものではない。

エンコードされた信号は、変調器５４１に与えられ、次いで、このエンコードされた信号に対して特定の変調技術を採用する。例えば、一実施形態においては、信号の変調には、（衛星通信サービスのプロバイダによって今日用いられている）直交位相偏移変調（「ＱＰＳＫ」）などの位相偏移キー変調（「ＰＳＫ」）技術が採用される。一例として、限定的ではないが、直交振幅変調（「ＱＡＭ」）又はＭ−ＱＡＭを含む種々の他の変調技術を採用することができる。例えば、いかなるＯＦＤＭ又は多重搬送波変調も実際に用いることができる。

変調された信号は、ＭＩＭＯトランシーバ５２５に与えられ、次いで、指定されたＭＩＭＯチャネル上で特定の搬送周波数及び帯域幅（例えば、２０ＭＨｚ）において、複数のデータ・ストリームを送り出す。具体的には、一実施形態においては、ＭＩＭＯトランシーバ５２５は、異なるデータ配列を特定のＮＶＩＳアンテナ１０２，１０４にマップする重み付け及び／又はマッピング・モジュール５２１を含む。例えば、変調器５４１が複合変調記号を生成する変調方式（例えば、ＱＰＳＫのような）を採用する場合には、異なる複合変調記号を異なるアンテナにマップすることができる。更に、採用する変調方式及びマッピング技術に応じて、異なる「独立した」データ・ストリームは、完全に独立していてもよいし、部分的に独立していてもよいし（例えば、ある記号が他の記号に依存することができる）、又は完全に冗長であってよく（例えば、同じデータを２つ又はそれ以上のアンテナから伝送することができる）、また、これらは、互いに遅延してもよい。しかし、実際上は、ＮＶＩＳチャネルの特性が与えられているとすると、完全に独立したデータ・ストリームでは、部分的に独立したデータ・ストリーム又は完全に冗長なデータ・ストリームよりも高い帯域幅をもたらすことになる。加えて、重み付け／マッピング・モジュールは、異なるアンテナ要素の空間重み付け及び／又は線状アンテナ時空間の事前コーディングを実行することができる。

伝送された信号は、次いで、異なるＮＶＩＳ局（例えば、局１０３）内の信号受信パイプライン５４５によって受信されて処理される。具体的には、トランシーバ５２５内の重み付け／デマッピング・モジュール５２０が、異なるデータ・ストリーム１０６内でカプセル化されたデータを正しい順序で（すなわち、これらが異なるアンテナ１０２，１０４にマップされた順序に基づいて）組み合わせることによって、信号を再構成する。例えば、変調後のデータ・ストリームの一部が、連続した記号ｂ１，ｂ２，ｂ３で構成されており、各記号が異なる独立したデータ・ストリームで伝送された場合には、受信局における重み付け／デマッピング論理５２０は、復調前に（例えば、記号ｂ１を受信するまで記号ｂ２を格納しておくことにより、及び／又は、記号ｂ２及び記号ｂ１を受信するまで記号ｂ３を格納しておくことにより）元の順序で再構成しなければならない。データ・ストリームの前部分の到着を待つ間に、同時性動的ＲＡＭ（ＳＤＲＡＭ）から成る入力バッファなどのメモリを採用することができる。

ＣＳＩが予めわかっていない特定の実施形態では、受信した記号のうち幾つかは、チャネル障害を推定するためだけに用いられ、出力データ・ストリームに結合される前にコード化データ・ストリームから削除される。

再構成された信号は、次いで、復調器５４０によって復調される。復調器５４０によって採用される復調技術は、伝送側で（すなわち、変調器５４１によって）採用される特定の変調方式に基づく。例えば、変調器５４１がＱＰＳＫ変調を採用する場合には、復調器５４０はＱＰＳＫ復調を採用しなければならない。

復調された信号は、次いで、信号雑音により引き起されるビットの誤りの訂正を試みるデコーダ５５０（又は、他の種類の前進型誤信号訂正デコーダ）に与えられる。例えば、エンコーダにおいてビタビ復号を採用する場合には、デコーダ５５０のビタビ部は、システムによって実際に受信されたビット配列の統計上の相関関係を用いて、伝送された可能性が最も高いビット配列をビタビ・アルゴリズムに従って判断する。したがって、雑音が大量に存在する場合でも元のビット列を再構成することができる。

更に、エンコーダ５５１においてリードソロモン・エンコーディングを採用する場合には、デコーダ５５０のリードソロモン部は、あらゆる誤りの訂正及び元のデータの回復を試みる。従来技術において知られているように、訂正可能な誤りの数及び種類は、採用される特定のリードソロモン・コードの特性に依存する。しかし、上述のように、採用される特定の種類の誤信号訂正コーディングは、本発明の基本原理に関連するわけではない。

マッピング、復調及びデコーディングが完了すると、生データ・ストリームは、採用する特定のネットワーク／転送プロトコルに従って、ネットワーク／転送処理論理５６０により処理される。例えば、伝送制御プロトコル（「ＴＣＰ」）パケットは、ゲートウェイ又は同様の装置により、周知のＴＣＰ／ＩＰプロトコルに従って、ローカル・エリア・ネットワーク１３０にわたって送られる。基礎データ・ストリームが、ＭＰＥＧ転送ストリームのようなマルチメディア・データを含む場合には、転送ストリームは適宜配布され、処理される。例えば、ＭＰＥＧストリームがＭＰＥＧ−２ストリームである場合には、ＭＰＥＧ−２デコーダによってデコードして、コンピュータ又はテレビ画面に表示することができる。ネットワーク／転送処理ロジックは、本発明の基本原理に従う範囲で、他の様々な処理技術を採用することができる。

ＭＩＭＯはＮＶＩＳシステムの帯域幅を劇的に増大させるが、帯域幅を線形的に増大させるためには、アンテナ数を大まかに線形的に増加させる必要がある。通常のＮＶＩＳアンテナ・システムは、典型的には、半径２００マイルにわたるカバー範囲を与える。農村部における半径２００マイルは数百又は数千の潜在的ユーザしか網羅することができないが、人口密度の高い地域では数百万のユーザを網羅することができる。必要となるアンテナの物理的な数からすると、実質的に達成可能な帯域幅は多数のユーザによって混雑してしまう可能性がある。

この問題は、本発明の別の実施形態によって対処される。図６は、高指向性アンテナ６００を使用するＮＶＩＳシステムを示す。典型的なＮＶＩＳアンテナは、垂線の両側に約１５度（半径３０度）以内の指向性を有する。図６に示す指向性アンテナ６００は、その３０度の半径内で、より狭いビームを方向操作し、その結果、電離圏から反射した信号は、標準的なＮＶＩＳの半径２００マイルのカバー範囲全域よりも小さい地表スポットに到達する。そのようなアンテナ６００は、多数の従来技術のビーム方向操作技術のいずれかを用いて実現することができる。例えば、ビバート社（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｖｉｖａｔｏ．ｎｅｔ）は、ＩＳＭバンド、２．４ＧＨｚ帯域においてビームにより方向調節されたＷｉＦｉ接続に対応するフェーズド・アレイ・アンテナを提供している。ＨＦ帯域では、ビーム方向操作フェーズド・アレイ・アンテナの例が、アラスカにおける高周波活性オーロラ調査プログラム（ＨＡＡＲＰ）によって実装されている（ｗｗｗ．ｈａａｒｐ．ａｌａｓｋ．ｅｄｕ）。ＨＡＡＲＰのフェーズド・アレイ・アンテナは、本実施形態において説明したものと同様に、地面の比較的広域（数百ヤードから数十マイル）にわたって分布された多数のアンテナ要素によって実装される。

図６はまた、フェーズド・アレイ指向性アンテナの別の特性、すなわち１つより多い方向調節されたビームを一度に伝送する能力を示す。図６は、地上の２つの異なる位置に２つのスポットを形成する、指向性アンテナによって方向調節されている２つの同時ビームを示し、各スポットがクライアント局６０１、６０２の異なる組に対するカバー範囲を与える。従来技術を用いた適切なビーム成形信号処理により、フェーズド・アレイ・アンテナは、任意数の成形されたビームを一度に伝送することができる。例えば、１つのビバート製フェーズド・アレイ・アンテナ・システムは、成形された複数のビームを伝送し、受信することができる。これらのビームは、アンテナ・アレイ及びそれを駆動する信号処理システムの限界までの範囲で、同じ又は異なる周波数とすることができ、同じサイズ及び形状にすることができる。１つより多いカバー範囲スポットを有することにより、所定のＮＶＩＳシステムは、１つより多い領域で同じ周波数を使用することによって、帯域幅の総容量を増大させることができる。本願において説明する本発明の実施形態を実装するために、一例として、革新的な位相調整、プログラム可能な位相区分、ＤＳＰの予歪を含む、種々の付加的な通信及び信号処理技術を採用することができる。

ＮＶＩＳに適当な周波数では波長がかなり長く、結果として、非常に大きいフェーズド・アレイ・アンテナを用いて、狭いビームを成形することになる。波長が約１００メートル、Ｈ＝１００マイル、そしてＤが伝送アンテナの開口サイズであると仮定する。以下の方程式を用いてＤの値を求めることで、受信側において直径２５ｋｍ（４０マイル）のスポットＳを形成する伝送側の開口サイズを算出することができる：

（上の方程式においてはメートルが相殺されてマイルが残ることに留意されたい。）
長さ１．２マイルのフェーズド・アレイ・アンテナは、比較的平坦で広い領域に小さなアンテナを分布させることによって物理的に実装することができる。

図７は、望ましいカバー範囲に重複するセルを形成するために、いかに指向性アンテナを用いることができるかを示す図である。本例における各セルは３つの周波数Ａ，Ｂ及びＣのうちの１つであり、いずれの重複するセルも同じ周波数ではないようになっている。指向性アンテナ１は、成形されたビームを電離圏に向けて上方向へ伝送し、これらのビームが図示するようなセル状のパターンで地上に向けて下方向に反射するように設定される。指向性アンテナ２，３及び４は、電離圏から反射された後、指向性アンテナ１によって形成されるスポットと同じ場所に同じ周波数で到達するように、成形されたビームを伝送する。このような方法で、４つの空間的に異なる重複信号によって、前述したようなＭＩＭＯの実装に必要なダイバーシティが提供される。

図８は、望ましいクライアント・カバー範囲が、帯域幅の必要条件に関して、密度が異なる本発明の更に別の実施形態を示す。単位面積毎に高い帯域幅の必要条件がある高密度カバー範囲では、指向性アンテナは小さなスポットを形成するように設定される。帯域幅の必要条件に関して、低密度のカバー領域では、指向性アンテナは大きなスポットを与えるように設定される。指向性アンテナによって形成されるスポットは、必ずしも円形又は一様な形状である必要はないことに留意されたい。異なる形状を活用して、カバー範囲を必要とする領域の帯域幅の要求に最もよく適合させることができる。

本発明の実施形態は、上述のように様々なステップを含むことができる。このステップは、汎用又は特殊目的のプロセッサに特定のステップを実行させる、機械によって実行可能な命令として具体化することができる。例えば、図５に示すＮＶＩＳ局１０１，１０３内の様々な構成要素は、パーソナル・コンピュータ内のＰＣＩバス又は他のバスに結合することができる。本発明に関連する態様の不明瞭化を防ぐため、パーソナル・コンピュータにおけるコンピュータ・メモリ、ハードドライブ、入力装置といった周知の様々な構成要素は図から削除してある。

あるいは、一実施形態においては、本願において説明した様々な機能モジュール及びそれに関連するステップは、このステップを実行する特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）といった配線論理を含む特定のハードウェア要素、又は、プログラムされたコンピュータ要素及びカスタム・ハードウェア要素の任意の組み合わせによって実行可能である。

一実施形態においては、図５に示す特定のモジュール（例えば、重み付け／デマッピング論理５２０、復調器５４０、デコーダ５５０）は、テキサス・インスツルメンツ社のＴＭＳ３２０ｘアーキテクチャ（例えば、ＴＭＳ３２０Ｃ６０００、ＴＭＳ３２０Ｃ５０００など）を用いるＤＳＰなど、プログラム可能なデジタル・シグナル・プロセッサ（「ＤＳＰ」）上で実装可能である。本実施形態におけるＤＳＰは、パーソナル・コンピュータへのアドオン式のカード、例えばＰＣＩカード内に組み込むことができる。本発明の基本原理に従う範囲内で、様々な異なるＤＳＰアーキテクチャを用いることができる。

本発明の要素はまた、機械によって実行可能な命令を格納する機械可読媒体として与えることができる。この機械可読媒体として、フラッシュメモリ、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気又は光カード、伝播媒体、又は、電子命令を格納するのに適した機械可読媒体の他の種類が挙げられるが、これらに限定されるものではない。本発明は、例えば、搬送波又は他の伝播媒体により具体化されたデータ信号の形で、遠隔コンピュータ（例えば、サーバ）から通信リンク（例えば、モデム又はネットワーク接続）を介して、要求側コンピュータ（例えば、クライアント）に転送されることができるコンピュータ・プログラムとしてダウンロード可能である。

上記の説明を通して、説明目的のために幾多の特定の詳細が述べられ、本システム及び方法についての完全の理解が与えられた。しかし、当業者であれば、本システム及び方法は、これらの特定の詳細の幾つかを除いても実施できることが明らかであろう。したがって、本発明の精神と範囲は、特許請求の範囲により判断されるべきである。

Claims (20)

1. 近垂直放射空間波（「ＮＶＩＳ」）通信システム内で、時空間コーディング技術を用いて、複数のデータ・ストリームを伝送及び／又は受信するステップ、
   を含む方法。
2. 前記時空間コーディング技術が、多入力多出力（「ＭＩＭＯ」）信号通信技術を含む請求項１に記載の方法。
3. データを受信するユーザの要求に応答して、前記データをウェブ・サーバから取り出すステップと、
   前記ウェブ・サーバからの前記データを、前記複数のデータ・ストリームの２つ又はそれ以上に与えるステップと、
   を更に含む請求項１に記載の方法。
4. 遠隔ＮＶＩＳ受信局において、前記ウェブ・サーバからの前記データを受信するステップと、
   前記データを、１つ又はそれ以上の遠隔サーバ及び／又はクライアントに配布するステップと、
   を更に含む請求項３に記載の方法。
5. 前記ウェブ・サーバからの前記データが、他のウェブ・サーバへの埋め込みリンクを有するウェブ・ページを含んでおり、
   前記埋め込みリンクの検出に応答して、前記他のウェブ・サーバからデータを取り出すステップと、
   前記他のウェブ・サーバからの前記データを、前記複数のデータ・ストリームの前記２つ又はそれ以上に与えるステップと、
   を更に含む請求項３に記載の方法。
6. 近垂直放射空間波（ＮＶＩＳ）通信システム内で、時空間コーディング技術を使用して複数のデータ・ストリームを伝送し、受信する時空間コーディングモジュールを有するＮＶＩＳ局を含むことを特徴とするシステム。
7. 前記時空間コーディング技術が、多入力多出力（「ＭＩＭＯ」）信号通信技術を含む請求項６に記載のシステム。
8. 各々が前記複数のデータ・ストリームの１つを地球の電離圏に向けて伝送する複数の指向性アンテナ
   を更に含む請求項６に記載のシステム。
9. 前記指向性アンテナの１つ又はそれ以上が、更に、前記電離圏から反射される前記複数のデータ・ストリームの１つ又はそれ以上を受信し、前記複数のデータ・ストリームの１つ又はそれ以上が、以前に、別のＮＶＩＳ局から伝送されたものである請求項８に記載のシステム。
10. 前記ＮＶＩＳ局をインターネットと通信可能に結合するネットワーク・リンク、を更に含み、前記ＮＶＩＳ局が、データを取り出すユーザの要求に応答して、前記データを前記ネットワーク・リンク上でウェブ・サーバから取り出し、前記ウェブ・サーバからの前記データを前記複数のデータ・ストリームの２つ又はそれ以上に与える請求項６に記載のシステム。
11. 前記ウェブ・サーバからの前記データを受信する遠隔ＮＶＩＳ局と、
    第２のＮＶＩＳ局が、前記データを１つ又はそれ以上の遠隔サーバ及び／又はクライアントに配布するための第２の通信リンクと、
    を更に含む請求項１０に記載のシステム。
12. 第１の複数のデータ・ストリームを、それぞれの複数の指向性アンテナを介して、共通の周波数帯域内で同時に伝送する時空間エンコーディング・モジュールを有する信号伝送パイプライン
    を含み、前記複数の指向性アンテナが、前記第１の複数のデータ・ストリームを地球の電離圏に向けて同時に伝送し、
    第２の複数のデータ・ストリームを、前記それぞれの複数の指向性アンテナを介して、前記共通の周波数帯域内で同時に受信する時空間デコーディング・モジュールを有する信号受信パイプライン
    を含み、前記複数の指向性アンテナが、前記第２の複数のデータ・ストリームを前記地球の電離圏から同時に受信する
    ことを特徴とする装置。
13. 前記時空間エンコーディング・モジュールが、第１の連続したデータ・ブロック列を受信し、前記第１のデータ・ブロック列の各々を、伝送前に、前記複数の指向性アンテナの特定のアンテナにマップするマッピング論理
    を含む請求項１２に記載の装置。
14. 前記時空間デコーディング・モジュールが、前記第２の複数のデータ・ストリームの各々を異なるアンテナから受信し、該第２の複数のデータ・ストリームから第２の連続したデータ・ブロック列を再構成するデマッピング論理
    を更に含む請求項１３に記載の装置。
15. 前記時空間エンコーディング・モジュールが、多入力多出力（「ＭＩＭＯ」）エンコーディング・モジュールを含み、前記時空間デコーディング・モジュールが、ＭＩＭＯデコーディング・モジュールを含む請求項１２に記載のシステム。
16. 特定の変調技術を用いて、第１のデータ・ソースからの第１のデータを変調して、前記第１の連続したデータ・ブロック列を生成する変調器と、
    特定の復調技術を用いて、前記第２の連続したデータ・ブロック列を復調して、第２のデータを生成する復調器と
    を更に含む請求項１４に記載の装置。
17. 前記第１の列及び前記第２の列における前記データ・ブロックの各々が、前記特定の変調技術によって生成される複合変調記号を含む請求項１６に記載の装置。
18. 前記変調器が前記第１のデータを変調する前に、特定のデータ・エンコーディング技術を用いて、前記第１のデータ・ソースからの前記第１のデータをエンコードするエンコーダ・モジュールと、
    特定のデータ・デコーディング技術を用いて、前記復調器によって復調された前記第２のデータをデコードするデコーダ・モジュールと
    を更に含む請求項１６に記載の装置。
19. 前記特定のエンコーディング及びデコーディング技術の１つが、それぞれ、ビタビ・エンコーディング及びビタビ・デコーディングを含む請求項１８に記載の装置。
20. 前記特定のエンコーディング及びデコーディング技術の別の１つが、それぞれ、リードソロモン・エンコーディング及びリードソロモン・デコーディングを含む請求項１８に記載の装置。

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