JP2022537167A - アンテナを含む成層圏プラットフォーム飛行船団及びその位置決め方法 - Google Patents

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Abstract

サービスエリアに情報サービスを提供するように配置された成層圏プラットフォーム（ＨＡＰｓ）の飛行船団において、各ＳＨＨＡＰは少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナを含み、電気通信バックホールシステムと通信し、サービスエリアは少なくとも１００，０００台のユーザ機器（ＵＥ）を含み、サービスエリアは不均一なデータ需要分布を含み、データレート要求がより高いエリアとより低いエリアの両方を含み、ＳＨＨＡＰｓは、ＳＨＨＡＰｓがデータレート要求がより高いエリア上では、データレート要求のより低いエリア上より相互に近接して位置決めされるように、不均等な間隔で位置決めされる。

Description

本発明は、静止位置保持成層圏プラットフォーム（ＨＡＰｓ：ｈｉｇｈ ａｌｔｉｔｕｄｅ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ）飛行船団であって、各静止位置保持ＨＡＰ（ＳＨＨＡＰ：ｓｔａｔｉｏｎ－ｈｏｌｄｉｎｇ ＨＡＰ）が少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナを含み、電気通信バックホールシステムと通信する飛行船団と、その飛行船団のメンバの位置決め方法に関する。
成層圏プラットフォーム（高度１０～３５ｋｍに滞空する航空機及び空気より軽量の構造物）が様々な用途に対応するために提案されている。より多くの関心を引きつつある分野が、電気通信、測位、観測、及びその他の情報サービス用、特に高速インタネット、電子メール、電話による通信、テレビサービス、ゲーム、ビデオオンデマンド、マッピングサービス、及び全地球測位用である。
成層圏プラットフォームには衛星と比べて、地球表面にはるかにより近い位置、典型的には高度約２０ｋｍで動作することから、幾つかの利点がある。静止衛星は約４０，０００ｋｍの高度にあり、低地球周回軌道衛星は通常約６００ｋｍ～３０００ｋｍの高度にある。衛星はより低い高度にあるが、それらの寿命は非常に限定的であり、その結果として経済的な影響を伴う。
衛星と比較して成層圏プラットフォームが相対的に近いことにより、信号が発信源から送信され、応答を受信するまでの時間（システムの「レイテンシ」）が格段に短くなる。さらに、ＳＨＨＡＰｓは、信号強度及び信号レイテンシに関して標準的な携帯電話の送信範囲内にある。何れの衛星も通常の地上系携帯電話ネットワーク用の範囲内になく、特に大きなアンテナを用いずに動作する。
ＨＡＰｓの場合、衛星に必要なロケットによる打ち上げも回避され、それには高い加速度と振動が伴うほか、打ち上げ失敗率が高く、それに付随して衛星のコストに影響が及ぶ。
ＳＨＨＡＰｓのペイロードは、衛星のペイロードと比較して、容易に安価で回収できる。試験要件がそれほど厳しくないことから、開発時間がより短く、より低コストである。
米国特許第７，０４６，９３４号明細書は、衛星に関連する情報サービス送達用高高度気球を開示している。
米国特許出願公開第２００４０１１８９６９ Ａ１号明細書、国際公開第２００５０８４１５６ Ａ２号パンフレット、米国特許第５５１８２０５ Ａ号明細書、米国特許出願公開第２０１４／０２５２１５６ Ａ１号明細書は、高高度航空機の具体的な設計を開示している。
しかしながら、ＨＡＰｓから信頼性の高い情報サービを提供するためには多くの重大な技術的課題がある。信頼性、カバレッジ、及び単位地表面積当たりのデータ容量は携帯電話、デバイス通信システム、地球観測、及び測位サービスにとって極めて重要な性能評価基準である。
政府規制当局は通常、電磁放射を伝送するシステムが使用する周波数と帯域幅を規定する。波長が短いほど、ある一部の帯域幅で実現可能なデータレートは高くなるが、雨や壁等の障害物を通じた減衰が大きくなり、良好なカバレッジを提供するために使用できる回折がより限定される。これらの制約により、世界の大部分において０．７～５ＧＨｚのキャリア周波数が選択され、帯域幅は典型的に１０～２００ＭＨｚである。
単位地表面積当たりの高いデータレートに対する要求があり、これは１～１００Ｍｂｐｓ／平方キロメートル程度の現在のレベルから急速に増大している。
成層圏プラットフォーム飛行船団の編成の問題は、連続的なカバレッジが提供され、１つのＨＡＰから他のＨＡＰへと切り替えられるようにＨＡＰｓを編成する観点から検討されてきた。
K.Katzis,D.Grace,Inter-high-altitude-platform handoff for communications systems with directional antennas,(招待論文)URSI Radio Science Bulletin,March 2010 https://ieeexplore.ieee.org/document/7911046は主として、固定された操縦アンテナが地上局で使用された場合の１つの航空機から他の航空機へのハンドオフに関する。
米国特許第９０９３７５４ Ｂ２号明細書は、気球の高度に応じてリフレクタとエミッタの分離を変化させることに関する。
欧州特許出願公開第２８０３１４９Ａ１号明細書は、スーパノード気球間のフリースペース光通信及びスーパノードとサブノード気球間のＲＦ通信を用いる気球ネットワークに関する。
米国特許出願公開第２０１８００６９６１９Ａ１号明細書は、第一の成層圏プラットフォームと第二の成層圏プラットフォームとの間の水平距離を増大させることに基づいてカバレッジギャップを回避し、連続する地上カバレッジエリア内の第一の成層圏プラットフォームと第二の成層圏プラットフォームとの間のギャップを識別し、連続する地上カバレッジエリア内の第一の成層圏プラットフォームと第二の成層圏プラットフォームとの間のギャップを識別したことに応答して、第一の成層圏プラットフォームの通信システムに、より広い地上指向通信ビームを送信させて、連続する地上カバレッジエリアの中の識別されたギャップをカバーすることに基づく。
豪州特許第７６３００９Ｂ２号明細書は、ハンドオフが可能な自由気球を開示している。
米国特許第１０１７７９８５Ｂ２号明細書は、ネットワークフローの提供を満足させる。
D.Grace,J.Thornton,G.Chen,G.P.White,T.C.Tozer,Improving the system capacity of broadband services using multiple high-altitude platforms,IEEE Trans.Wirel.Commun.2005,4,700709,https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/1413236は、セルの正六角形パターンを提供するＳＨＨＡＰｓを開示している。
地上ベースの携帯電話又はユーザ機器と通信するシステムの場合、既存の移動機器を、Ｇｒａｃｅらの論文で言及されているｍｍ波長ではなく、周波数（典型的に、０．６ＧＨｚ～４ＧＨｚ－５０ｃｍ～７．５ｃｍ波長－λ）で使用することに利点があり、これは、それらの吸収率が比較的低く、壁やその他の物体をよりよく透過するからである。９０ＧＨｚ（波長３ｍｍ）までのより高い周波数も、「ラインオブサイト」がクリアであれば利用できる。
これまでは、ＨＡＰからの有用カバレッジエリアをなるべく大きくして、限定されたサービスを提供するために必要なインフラストラクチャの量を減らすことに重きが置かれていた。その結果、ＨＡＰカバレッジエリアは文献で提案されているように３０ｋｍ以上の半径となっている。
David Grace and Mihael Mohorcic,Broadband Communications via High Altitude Platforms,John Wiley and Sons,Hardcover 398 pages,ISBN:978-0-470-69445-9,Oct.2010では、このようなＨＡＰｓ飛行船団の間隔を均等にすることは、不均等なセル間隔を用いる必要のある地上無線通信配置に対する１つの固有の利点であることが教示されている。それゆえ、ＨＡＰｓ飛行船団のレイアウトは、今日までにほとんどが正平面充填形に基づいて設計され、例外は、例えば干渉を限定する必要があること、又はごくわずかな台数のＵＥしかないことから、カバレッジが望まれない、又は必須ではないエリアについての調整が必要である。
さらに、焦点は、本発明において使用されているように可能な限りセルエリアを最小化するのではなく、専用アンテナの使用によってＨＡＰカバレッジエリア全体で均等なセルエリアを取得する方法も含めており、これはJ.Thornton,D.Grace,M.H.Capstick,T.C.Tozer.,Optimising an Array of Antennas for Cellular Coverage from a High Altitude Platform,IEEE Trans.Wireless Commun.2(3)2003,pp.484-492,https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/1198098において示されている。
地上ベースの携帯電話マスト位置決めでは、マストカバレッジ密度がその地域の人口密度に依存すると長年にわたり認識されており、高い人口密度又は幹線道路若しくは鉄道ではマスト間の距離を短くする必要がある。
以前は、個々の成層圏プラットフォームのカバレッジエリア内でデータ密度率の変化の影響は考慮されていたものの、ＨＡＰＳの飛行船団の各メンバの最適位置に対するこれらのデータ密度率の影響は、各メンバがだいたいの静止位置を保持できる場合に、考慮されてこなかった。その結果、大きなエリアにわたるＨＡＰＳ飛行船団は、カバーされるそのエリア内の人口密度分布に実質的な差があるにも関わらず、均等な間隔を有する事態となっている。
したがって、成層圏プラットフォームシステムから提供されるデータレート提供のために、サービスエリアにわたるＨＡＰｓの均等な分布は、そのサービスエリア上のデータ需要が不均一であっても、最も道理にかなった配置であるとされてきた。
したがって、この分野での改良が非常に望ましい。
ＳＨＨＡＰに取り付けられた水平指向性フェーズドアレイアンテナと地上にあるＵＥとの間の単位地表面積当たりのデータレートは、地上にあるＵＥとＳＨＨＡＰとの間に引かれた線と垂直線との角度θに強く依存することが判明している。その結果、データ需要が不均一なサービスエリア上に均等な分布でＳＨＨＡＰｓ飛行船団を提供することは、そのサービスエリアへのデータ提供速度及び各ＳＨＨＡＰが提供できるデータレートの有用性の最大化の点で非常に効率が悪いことがわかった。
それゆえ、第一の態様において、本発明は、サービスエリアに情報サービスを提供するように配置された静止位置保持成層圏プラットフォーム（ＳＨＨＡＰｓ）飛行船団に関し、各ＳＨＨＡＰは、少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナを含み、電気通信バックホールシステムと通信し、サービスエリアは少なくとも１００，０００台のユーザ機器（ＵＥ）を含み、サービスエリアは不均一なデータ需要分布を含み、データレート要求の高い領域と低い領域の両方を含み、ＳＨＨＡＰｓは不均等な間隔で位置付けられ、ＳＨＨＡＰｓがデータレート要求のより高い領域では、データレート要求のより低いエリアより相互に近接して位置付けられる。
本発明では、成層圏プラットフォームに関して単位地表面積当たりのデータ送信及び受信に対する要求の差の程度が大きいエリアにサービスを提供することが、驚くほど重大な課題であることが認識されている。これは、人口密度分布のほか、１日の時間に応じた異なるエリアでの利用状況のばらつきによる可能性がある。
したがって、以下に詳しく述べるように、ある何れかのＵＥのＳＨＨＡＰに関する位置がデータレートにどのように影響を与えるかがわかれば、ＳＨＨＡＰｓの設置場所を最適化して、データ需要がばらばらのサービスエリア内におけるＳＨＨＡＰｓの能力の最適な利用を提供できる。
そのため、本発明には、サービスエリアにわたってデータ提供需要が異なる場合にＳＨＨＡＰｓを最適に位置付けることにおいて特に有益である。それゆえ、そこで生じるユーザ機器の最高密度対最低密度の比は好ましくは少なくとも２０、より好ましくは少なくとも５０である。換言すれば、ユーザ機器密度は、サービスエリア内でＵＥ ２０～１０００台毎ｋｍ２、好ましくはＵＥ １０～１５００台毎ｋｍ２、より好ましくはＵＥ ５～２０００台毎ｋｍ２、又はそれより大きなばらつきがある。
それゆえ、本発明により、様々な人口密度、地形、地上インフラストラクチャ、既存及び計画中の移動電話タワー、災害、都市通勤、娯楽イベント及びその他に合わせて大きく異なる能力で情報サービスを効率的に提供することが可能となる。
一般に、飛行船団は、サービスエリアの表面積の少なくとも９０％、より好ましくは少なくとも９５％、理想的には１００％近くにデータレートサービスを提供することができ、提供されるサービス内にわずかなギャップしかないことが確実となる。
ＳＨＨＡＰｓ飛行船団は、大きな人口を擁するサービスエリアをカバーするためのものである。したがって、サービスエリアは２００，０００台超、より好ましくは５００，０００台超、より好ましくは１００万台超のＵＥを含んでいてよい。
したがって、サービスエリアは１０，０００ｋｍ２超、好ましくは５０，０００ｋｍ２超、より好ましくは２００，０００ｋｍ２超であってよい。サービスエリアは、政治的又は社会的領域、例えば国、州、又は県全体とすることができる。したがって、一般にサービスエリアは複数の都市を含むことになる。
このようなサービスエリアに有効なサービスを提供するために、飛行船団は典型的に、少なくとも１０、より好ましくは少なくとも２０、最も好ましくは少なくとも４０のＳＨＨＡＰｓを含む。
効率的なサービスエリアを提供するために、ＳＨＨＡＰｓは好ましくは１０，０００～２５，０００メートルの高度を有する。
さらに好ましい配置では、データレート要求のより高い領域に配置されるＳＨＨＡＰｓの高度は、データレート要求のより低い領域に配置されるＳＨＨＡＰｓより低い。これは、ＳＨＨＡＰｓはデータレート要求のより高い領域において相互により近接しているため、１つのＨＡＰとあるＵＥとの間で角度θが一般に、より小さくなるからである。したがって、より低い高度では、高度の低さから、データレート増大中にシータをわずかしか大きくすることができない。他方で、角度θは一般に、密度要求の低い領域において、より大きいため、高度が下がるとサービス提供が減少し、したがって、一般には、より高い高度が最適となる。
それに加えて、データレート要求のより高い領域に配置されるＳＨＨＡＰｓの高度が（例えば、数百メートル幅で）変化することが望ましいかもしれない。これは、ＳＨＨＡＰｓを相互により近付け（平面図で）、しかも衝突のリスクを増大させないようにするのを助ける。
前述のように、本発明は特に、不均一なデータ需要分布を含むサービスエリアに適用可能である。好ましくは、データ需要のより高い領域はより高いユーザ機器密度を有し、データ需要のより低い領域はより低いユーザ機器密度を有し、ユーザ機器の最高密度対最低密度の比は少なくとも１０、より好ましくは少なとも２０、又はさらには少なくとも５０である。
ＳＨＨＡＰｓ間の間隔を規定する好ましい方法は、平面図において、あるＳＨＨＡＰとその最寄りの１つとの間の横方向の距離を規定することである。好ましくは、ＳＨＨＡＰｓは、ＳＨＨＡＰｓ間の最も遠い間隔対ＳＨＨＡＰｓ間の最も近い間隔の比が少なくとも２、より好ましくは少なくとも３となるように位置付けられる。
明らかに、間隔が最も小さいＳＨＨＡＰｓはデータ需要が最も高い領域に位置付けられ、間隔が最も大きいＳＨＨＡＰｓはデータ需要が最も低い領域に位置付けられることになる。ＳＨＨＡＰｓの正確な位置は後述のように最適化できる。
理解されるように、各ＳＨＨＡＰが提供できる見込みカバレッジエリアは、サービスエリアのうち、そのＳＨＨＡＰの位置の真下に中心を置くほぼ円形の部分にわたって延びることになる。このような円形の見込みカバレッジエリアの半径は、それ以下であると有益なサービスを提供できないと考えられる必要データ提供速度の定義により特定される。
しかしながら、理解されるように、隣接するＳＨＨＡＰｓの見込みカバレッジエリアは重複してよく、この場合、カバレッジエリアは、見込みカバレッジエリア内のある領域には隣接するＳＨＨＡＰの方がよりよくサービスを提供できる可能性を反映して、現実には削られる。その結果、見込みカバレッジエリアは依然として円形で重複したままであるにもかかわらず、カバレッジエリアは多角形の構造をとるかもしれない。
同じく理解されるように、カバレッジエリアの大きさは一般に、よりデータ需要の高い領域より小さく、それによって一般に、サービスエリア上でデータ需要とＳＨＨＡＰのカバレッジエリアとの間に逆相関の関係がある。
一般に、ＳＨＨＡＰＳは１～１００ｋｍの距離だけ離間されるが、ＳＨＨＡＰＳを異なる高度で動作させることによって、より近い間隔を得ることができる。
サービスエリア内のデータ密度要求のより高い領域では、地上のユーザ機器は典型的に、離散的角度の複数のＳＨＨＡＰｓを「見る」、すなわち、そこへ、及びそこから複数のビームを受信及び送信することができ、そのため、異なるＳＨＨＡＰｓを識別できることが好ましい。その最も単純な形態で、これはユーザ機器上の指向性アンテナを利用できる。その結果として、ＭＩＭＯシステムと同様の方法で、個々のデバイスへの、及びそこからのピークデータレートと（地上の）単位面積当たりで送信又は受信可能な情報量の両方が、ユーザ機器上のアンテナの数とＳＨＨＡＰｓの数に依存する係数で増大する。留意すべき点として、どちらも個々のユーザ機器への、及び照明された単位面積当たりのデータレートとして表現される増大されたデータレートは、そのプラットフォームから見えるプラットフォームの数に比例せず、プラットフォームの数の増加と共に大幅に増大する。
サービスエリアのうちのより密度の高い領域において、ユーザ機器からほぼ同じ距離の複数の隣接するＳＨＨＡＰｓを有することが有利である可能性がある。これには２つのプラスの結果がある。すなわち、それによって、より密度の高いエリアにおけるＳＨＨＡＰの位置によって最大データレートが変化する程度が縮小することと、ＳＨＨＡＰｓ間の最小距離が大きくなり、ＳＨＨＡＰが予想コースから逸脱する等の予定外のイベントに対して、より大きなマージンが提供されることである。
ＳＨＨＡＰｓは、それがサービスを提供している時間の高いパーセンテージにわたり、静止位置を保持する（それによって、時間の経過により無視できる程度の水平変位が実現され、例えば、その動作高度において遭遇する可能性のある最も激しい逆風の中でも地上位置を保持できる）ように設計される。例えば、航空機は時間の少なくとも９０％、好ましくは９９％、より好ましくは９９．９９％にわたり、その存在場所を半径５ｋｍの円柱内で、公称飛行高度からの高さのずれが＋／－３ｋｍで動作する位置に保つ。
飛行船団のメンバの位置を保持することは、航空機又は航空船が静止位置保持成層圏プラットフォーム（ＳＨＨＡＰ）であるときに、プラットフォームの動作高度における最強風に対しても静止位置を保持できるＳＨＨＡＰｓでのみ現実的に可能である。典型的に、高い高度（赤道から２０又は３０度より高い）での動作中のこのような風は、より寒冷な月において高く、より温暖な月ではより低い。このような高度では、風速は夏季において２０ｍ／ｓ未満であることが多く、実際、１０ｍ／ｓ未満であることが多いのに対し、冬季では、特に５５度までの高い高度で、それは４０ｍ／ｓ、時には５０又はさらには５５ｍ／ｓに達する可能性がある。高度５５度より高い冬季の極渦により近いところでは、それよりずっと高いピーク風速に遭遇する可能性がある。
実際に、高高度、すなわち１５ｋｍを超える高さ、特に１７ｋｍを超える高さで動作することができ、高高度で静止位置を保持できる航空機の場合、その典型的な最低巡航対気速度は少なくとも２０ｍ／ｓ、好ましくは３０ｍ／ｓ、及びより高い可能性としては４０ｍ／ｓであり、５０又は５５ｍ／ｓの対気速度に到達できる。
静止位置を保持するために、航空機は風速が低い時には、多くの場合に円である軌道で動作することが求められる。風速が高くなると、航空機は風の中へと飛ぶことによって位置を保持できる。軌道半径が小さい場合、航空機は通常、位置を保持するためにかなり大きいロール角で動作しなければならない。
これらのプラットフォームにほぼ水平高度の軽量フェーズドアレイを取り付けて、アレイの軸が動作中にほぼ垂直（２５度以内、好ましくは１０度以内）となるようにすることには大きな利点がある。その結果、以下の分析結果からわかるように、単位面積あたりのデータレートは、航空機の下の最大値からｃｏｓ４θに近い係数で減少する（入射角がゼロであり、したがってｃｏｓ４θは１）。ＳＨＨＡＰｓは１つ又は複数のこのようなアレイを有していてよい。
通常動作中に水平線に対して傾斜されたアレイを取り付けることができるが、その場合、密度分布は実質的に航空機の方位に依存するが、複数の傾斜アレイが使用される場合は例外であり、これは当業者により、中程度の人口密度がかかわる用途にとって、平坦なほぼ水平のアレイより有効性が低いことを証明できる。
地上カバレッジの単位面積当たりのデータの使用が人口密度に依存するような経済的カバレッジをユーザ機器に提供するために、ほぼ水平なフェーズドアレイを有するＳＨＨＡＰＳは、好都合な点として、２又は３種類のパターンで位置付けられることがわかった。
好ましい実施形態において、ＳＨＨＡＰｓの第一の配置はより高密度の領域に提供され（パターン１）、少なくとも３つのＳＨＨＡＰｓについて、ＳＨＨＡＰｓ間の（平面図における）距離は航空機の動作高度に、人口密度がそのエリアにおいて２０００超、又は典型的に３０００超人毎ｋｍ２である高人口密度エリアに通信するためのＳＨＨＡＰの高度のｐ～ｑ倍の係数以内で匹敵し、ｐは典型的にそのＳＨＨＡＰの動作高度の０．２×より大きく、ｑはその１～２×の範囲である。セルの充填パターンは、アレイの形状、無線アクセス技術、及びその他の要求事項に依存することになる。これらは規則的であっても、又は地上の人口及び需要分布のほか、地上ベースのインフラストラクチャと地形に対応できる不規則さを有することもできる。
第二のパターンは、より低密度領域（例えば、典型的にＵＥ ２５台超毎ｋｍ２の人口密度、時々存在する都市中心部は最大ＵＥ ２０００台毎ｋｍ２）のために提供されてよく、ＳＨＨＡＰｓ間の（平面図における）距離は一般に、典型的にＳＨＨＡＰｓの動作高度のｑ～ｒ倍とはるかに大きく、ｑはＳＨＨＡＰの動作高さの１～２×の範囲内、ｒはＳＨＨＡＰｓの動作高度の２～４×の範囲内である。このパターンは一般に、規則的ではなく、より人口密度の高い局所的な小規模の中心部に近いＳＨＨＡＰｓの所在場所のほか、隣接するＳＨＨＡＰｓ間の距離によって、データレートの変化を利用して、必要なデータレートでの連続的なカバーを提供するように特定される、これは本発明の一部をなす。
通信を必要とする住民とデバイスの数に対してＵＥ約２０台毎ｋｍ２未満の、平均人口密度の低い、より大きなエリアをカバーするために第三のパターンを作ることも適切であるかもしれず、ＳＨＨＡＰｓ間の距離はＳＨＨＡＰｓの動作高度のｒ倍より大きく、ＳＨＨＡＰｓの動作高度の１０倍より小さい。
フェーズドアレイアンテナを備えるＳＨＨＡＰｓにより、これまで認識されていたものより費用効率の高い有効な情報サービスを提供するために利用できるのはこれらの特徴であり、これらはＳＨＨＡＰｓ飛行船団のメンバを効率的に位置付けることができ、それによって各ＳＨＨＡＰにより提供されるデータ密度は、主に人口密度（典型的にＵＥ密度で表される）により決まる地上でのデータ需要と、これまでに予想されていたものより密接に一致する。
それに加えて、本発明によれば、地上ベースのバックホール地上局の配置と利用に関するさらなる技術的利点が得られる。バックホール地上局（ＢＧ局）は、プラットフォーム及び処理センタへの、及びそれらからの通信リンクを提供できる。各ＢＧ局はプラットフォームとＢＧ局のデータレート能力を最大にするために、ラインオブサイト内のできるだけ多くのプラットフォームと独立して通信できるべきである。
したがって、各ＢＧ局では少なくとも、個々のＢＧ局から見えるプラットフォームと同数のビームが形成される。ＢＧ局での通信システムとしてフェーズドアレイを使用することによって、この施設を提供できる。これらのフェーズドアレイの設計は、プラットフォーム上のそれらと同様とすることができる。
ＢＧ局の数とそれに伴うコストを削減するために、ＢＧ局はマルチビーム形成機能を有することが有益であり、それによってこれらは各々、複数のアンテナからなるグループがある場合に各空中アンテナと個別に通信して、そのネットワークに必要な高いデータレートを提供することができる。これは、各ＢＧ局への、又はそこからのデータレートを、ラインオブサイト内の航空機が１機である場合に可能なものより、ラインオブサイト内又はその付近の航空機の数と等しい係数で増大できることを意味する。
特定のＳＨＨＡＰに接続されるＢＧ局への、及びそこからのデータフローは、フロントホールアンテナにより提供されるＳＨＨＡＰからの、及びそこへのデータフローと等しくなければならない。これは例えば、フロントホール配置が、１００ＭＨｚの帯域幅の６００のビームを２．５ｂｐｓ／Ｈｚ、２つの偏極で提供し、したがってＳＨＨＡＰ全体容量が６００×１００×２．５×２＝３００Ｇｂｐｓであり、バックホール配置が５００ＭＨｚの帯域幅、２つの偏極、５Ｂｐｓ／Ｈｚ、５ＧＢｐｓ毎ビームの容量である場合、そのＳＨＨＡＰへの、及びそこからのデータフロー需要を満たすために、そのＳＨＨＡＰには６０のバックホールビームか、６０のＢＧ局のあるラインオブサイトの中にある必要がある。
ＢＧ局アンテナがフェーズドアレイアンテナを使用する場合、これらは、ＢＧ局アンテナがＳＨＨＡＰＳを識別するのに適した角分解能を有していれば、ラインオブサイト内の幾つのＳＨＨＡＰｓにもビームを提供できる。したがって、ＢＧ局アンテナが適切に配置されていれば－本発明によればＳＨＨＡＰｓの位置からわかる－、それはデータ需要の高いエリアに配置でき、この場合、ＳＨＨＡＰｓは相互に比較的近接し、関連するＢＧ局は多くのＳＨＨＡＰｓを識別でき、ＳＨＨＡＰｓの飛行船団にサービスを提供するのに必要なＢＧ局の数を大幅に減らすことができる。前述の例において、各ＢＧ局に、例えば２つのＳＨＨＡＰｓではなく５つのＳＨＨＡＰＳが見えていれば、１０のＳＨＨＡＰＳからなる飛行船団の場合、ＢＧ局の数は１０ ＳＨＨＡＰｓ×６０ビーム／ＳＨＨＡＰ／２から１０ ＳＨＨＡＰｓ×６０ビーム／ＳＨＨＡＰ／５へと、又は３００のＢＧ局から１２０のＢＧ局へと減らされ、非常に大きな経済的恩恵が得られる。
したがって、第二の態様において、本発明はサービスエリアに情報サービスを提供するためのシステムに関し、このシステムは、本明細書に記載のＳＨＨＡＰｓ飛行船団をバックホール地上局配置と共に含み、ＢＧ局は、ＢＧ局がデータレート要求のより低いエリアよりデータレート要求のより高い領域において相互により近接して位置付けられように、不均等な間隔で位置付けられる。
データ需要の低いエリアでは、ＳＨＨＡＰｓの間隔はより大きく、ＢＧ局はそれほど多くのＳＨＨＡＰｓを識別できない可能性があるが、これらのエリアでは、ＳＨＨＡＰごとのバックホール要求がより低いかもしれず、それによってＳＨＨＡＰ当たりのバックホールビームの数が減り、ＳＨＨＡＰごとのＢＧ局の相対的コストが低下する。
後述の説明の中に示されるように、１ビームのデータレートが一定であるときの単位面積当たりのデータレートは、最小ビームエリアにほぼ反比例し、したがって１／ｃｏｓ４θに比例し、前述のようにθはビームと垂直線との間の角度である。
前述のように、この驚くべき所見は、ＵＥ密度の異なるサービスエリアでのデータ提供を最大にするためにＳＨＨＡＰｓ飛行船団のメンバを最適に位置付ける方法に関して深い示唆を有する。
それゆえ、第三の態様において、本発明は、サービスエリアに情報サービスを提供するために成層圏プラットフォーム（ＨＡＰｓ）飛行船団のメンバを位置付ける方法に関し、各ＳＨＨＡＰは少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナを含み、電気通信バックホールシステムと通信し、サービスエリアは少なくとも１００，０００台のユーザ機器（ＵＥ）を含み、サービスエリアは不均等なデータ需要分布を含み、これはより高い、及びより低いデータレート要求の両方の領域を含み、この方法は、パラメータｃｏｓ４θ又はほぼ同等の関数を含む最適化データ提供レート計算を実行する第一のステップを利用し、θは各ＵＥにデータサービスレートを提供するための、上で定義した角度であり、それに、最適化計算の結果にしたがって飛行船団のメンバを位置付ける第二のステップが続く。
本発明の１つの重要な利点は、地上のＵＥｓの密度が時間と共に変化するのに合わせてＳＨＨＡＰｓの位置を適応させ、変化させることができる点である。これは、通勤による日中の変動若しくは周期的イベント又は、スポーツイベント若しくはエンタテインメントイベント等の稀な特別なイベント等の状況において特に有益であり得る。本発明の方法は、サービスエリア内の密度の変化にリアルタイムで適応できる。
本発明はまた、ＳＨＨＡＰが機能しなくなった場合にも利用できる。この場合、それまで最適であったパターンは最適ではなくなり、この方法は、希望に応じて追加の機能的ＳＨＨＡＰｓを飛行船団に追加できるまで最適な状態を保つために、数の減ったＳＨＨＡＰｓを再配置するために使用できる。
第四の態様において、本発明は、コンピュータ上で実行されるとコンピュータに本明細書に記載の方法を行わせるコンピュータ実装可能命令を含むコンピュータプログラムを提供する。
フロントホールのためのフェーズドアレイアンテナ
ＳＨＨＡＰＳに取り付けられたアンテナは、ＵＥへ、及びＵＥからの両方の通信が可能であり、これはここではフロントホールと呼ばれ、基本的にＳＨＨＡＰアンテナを介さなければ、インタネット又はセルラネットワーク等の大規模地上通信ネットワークと接続されない。このようなアンテナはまた、大規模地上通信ネットワークに直接接続され、当業者の間で知られている「バックホール」を提供するバックホール地上局（「ＢＧ局」）とも通信できる。
各アンテナ素子からの全ての信号が何れの用途にも利用できるため、アレイにわたって異なるディレイセットを印加し、第二の信号セットを合計し、第二のビームを形成することが現実的である。このプロセスを何度も繰り返して、アレイを使って同時に多くの異なるビームを形成できる。
デジタルドメインで多くのビームを形成することは容易に実現でき、デジタル化の後の唯一の要求事項は、全てのビーム情報を通信するか、さらに処理するための追加の処理リソース及びデータ帯域幅である。
個々のフェーズドアレイで多数のビームを形成することが可能であるが、他のビームの何れからも固有のデータを搬送できる「独立した」ビームの最大数は、そのアレイ内のアンテナ素子の総数を超えることはあり得ない。例えば、アレイに３００の独立したアンテナ素子（～λ／２又はそれ以上だけ分離されている）がある場合、最大３００の独立したビームがある可能性があり、その各々がセルを形成するために使用でき、これより多くのビームも形成できるものの、これらのビームは独立していない。実際、この独立性の欠如によってビーム間の相互干渉が生じる。これらの非独立ビームも依然として、適切なリソース共有スキームによって、又は本発明に関係するその他の方法で利用されてもよい。
フェーズドアレイは、アレイの平面に垂直な軸から約±７５°までのスキャン角度範囲にわたり明確に画定されたビームを形成できる。これは、アレイの幾何学的限界によるものであり素子の照明エリアはスキャン角度によって削減され、また、個々のアンテナ素子のビームの感度は、それらがビームの中心からずれるため、低下する。その結果、水平アレイを有するＳＨＨＡＰからの照明エリアは最大スキャン角度によってほぼ９０ｋｍの直径に限定され、大型のシングルアレイで送受信が行われる。
プラットフォームは通常、フロントホールのために、１、２、又はそれより多いフェーズドアレイを備えており、その素子は等しい大きさと数であることもあれば、大きく異なる周波数（例えば、２ＧＨｚと３．５ＧＨｚ）を使用する場合には異なることもある。２つのアレイがフロントホールのために使用される場合、典型的には送信アレイと受信アレイがあり、それによってシステムは、何れのエンコードのためにも同時に送受信できる。シングルアレイを使用することも可能であるが、必要な電子部品がはるかに複雑で重くなる。アレイが形成するビームは、サービスエリアを多くのパッチに分割する。パッチはセルラ電話ネットワークにより「セル」として扱われる。
アレイシステムの実施形態に応じて、位置検出システムを制御及び係数プロセッサと共に使用でき、これは信号処理システムとインタフェースで連結され、それは今度はクロックシステムに連結され、それは今度は測位システムとインタフェースで連結できる。
ビーム偏極を使ってデータレートを増大させることができる。
ビームフォーミング
ユーザ機器は、空間的に分解された狭ビームをＳＨＨＡＰｓ又はＳＨＨＡＰｓ群へと生成するフェーズドアレイアンテナを含んでいてよい。
地上のエリアの最小サイズ、すなわち１つの空中アンテナからの独立したビームが相互作用できる「分解能エリア」は、その空中アンテナに関するその位置によって異なる。あるビームの中で１つのアンテナへ、又はそこから伝送できる「最大ビームデータレート」（ＭＢＤＲ：ｍａｘｉｍｕｍ ｂｅａｍ ｄａｔａ ｒａｔｅ）は、ビット数毎秒毎ヘルツ帯域幅に利用可能な帯域幅を乗じたものより得られる。最大ビット数毎秒毎ヘルツは、信号の信号対ノイズ比によって限定され、これは当業者の間でよく知られている。
成層圏プラットフォーム
成層圏プラットフォームは、以下のように実装できる：
（ｉ）太陽エネルギ又は水素若しくは炭化水素燃料の何れかを動力として、通信機器を約２０ｋｍ（６５，０００フィート）で運ぶ航空機。航空機は、ＵＥｓ及びバックホール地上局（ＢＧ局）と通信するための機器を運ぶ。また、これらは信号処理システム、クロックリカバリ及びタイミングユニット、並びに制御コンピュータも運ぶ。好ましい航空機は、機体、翼、尾翼、及びある形態の推進部を含む。
（ｉｉ）太陽電池又はその他の技術を動力とする自由気球。気球は、ＵＥｓ及びＢＧ局と通信するための機器を運ぶ。また、これらは信号処理システム、クロックリカバリ及びタイミングユニット、並びに制御コンピュータも運ぶ。
（ｉｉｉ）テザと共に運ばれる水素を動力とするか、テザを介して電力が供給されるか、又は気球プラットフォーム上にある、又はそれに接続された太陽電池により電源供給される繋留気球。１つ又は複数のテザを支持できる繋留気球は、複数のプラットフォームを複数の異なる高度に運ぶことができ、各プラットフォームは今度はテザにより支持される。各プラットフォームはまた、それ自体の気球から追加の支持を受けてもよい。繋留プラットフォームシステムは、ＵＥｓ及びＢＧ局と通信するための機器を運び、また、信号処理システム、精密なクロック及びタイミングユニット、並びに制御コンピュータも運んでよく、或いはこれは地上ベースであってもよい。
システムは、前述の１つ又は複数のタイプのプラットフォームからなっていてもよい。
処理システム
ＳＨＨＡＰｓ飛行船団のメンバの位置決めは処理システムによって管理されてよく、これは分散されたシステム又は地上ベースとして、空中プラットフォーム上の重量と電力を軽減させてもよい。処理システムはセルラ電話ネットワークと相互作用でき、これはプラットフォームがＵＥｓと通信するために使用している信号を直接制御できる。
処理システムは、処理センタ、空中アンテナ及び／又はバックホール地上局と共同配置された処理、及び第三者（「クラウド」と呼ばれる）事業者により提供される処理サービス間に物理的分散されてよい。
処理システムはセルラネットワークとのインタフェースを、そのセルラネットワークとの既定のインタフェースを通じて提供できる。
処理システムは空中アンテナについて以下を計算してよい：
（ｉ）これらのフェーズドアレイのためにＵＥ及びＢＧ局から受信した信号に関するビームフォーミング係数であって、通常、ただしこれだけではないが、アンテナ素子の係数
（ｉｉ）ＵＥ及びＢＧ局に送信される信号の位相と振幅
（ｉｉｉ）プラットフォーム及びユーザ機器の位置特定等の動作的局面を実装するための全てのアルゴリズム
何れのＢＧ局についても、それは以下を計算し、提供することができる。
（ｉ）アンテナ素子がＢＧ局によって空中アンテナに送信される信号の係数
（ｉｉ）使用されるスパースなフェーズドアレイアンテナの中でＢＧ局アンテナ素子から受信される信号の係数
ＢＧ局は、光ファイバデータリンク又は直接マイクロ波リンク等の高速接続を介して処理センタに直接連結できる。
ＳＨＨＡＰｓの位置の最適化
一範に、サービスエリアには幾つかの経済的、技術的、及び／又は規制に基づく制約によって決まる一定の数のＳＨＨＡＰｓが提供される。
本発明の目的は、ＳＨＨＡＰｓ飛行船団のメンバの位置を、通常、特定のサービス機能を提供するシステムの経済的評価に関する最適化機能によって提供することである。サービス機能の例は以下のものとすることができる
（ａ）特定の最低レベルのサービス（送信若しくは受信モード、又はその組合せにおけるユーザ機器１台当たりのＭｂｐｓで定義される）を、適当なユーザ機器を備えている場合に、人口の中のある割合又は特定の種類のＵＥのある一部に提供すること
（ｂ）平均的レベルのサービスを、適当なユーザ機器を備えている場合に、人口の中のある割合又は特定の種類のＵＥのある一部に提供すること
（ｃ）特定のレベルのサービスをサービスエリア内のＵＥの異なるサブセットに提供することであって、このセットは以下のうちの幾つか又はそれ以上によって定義される：ＵＥの種類、場所、１日の時間、日付、及びその他
（ｄ）上記の何れかの組合せ
使用される最適化機能は、ＳＨＨＡＰｓ及び、バックホール地上局等のそれに関連する機器の運転及び資本費用並びにソフトウェア費用のほか、必要な可用性の程度、例えば６０％、９５％、９９％、９９．９％、９９．９９％等を考慮に入れるべきである。
以下の分析では、人口密度の高いエリアでは、ＳＨＨＡＰｓをＳＨＨＡＰｓの高度の０．２×（個々のＳＨＨＡＰの各々について半径２ｋｍ）という低い間隔で動作させることが望ましいかもしれないことが教示される。しかしながら、これらの小さい照明エリアでは、静止位置保持の際のＳＨＨＡＰｓの移動が大きくなる可能性がある。
ラインオブサイトの中に少なくとも４つのＳＨＨＡＰｓがあるとき、ユーザ機器から個々のＳＨＨＡＰｓの空間的分解を可能にすることによって、ユーザ機器への、及びそこからのデータ伝送レートを改善するために、複数のＳＨＨＡＰｓと同時に通信するために、１つ又は複数のフェーズドアレイを使用したユーザ機器によるビームフォーミングのために。
ここで、本発明を例として、また下記のような図面を参照しながら解説する。
フェーズドアレイアンテナ及び、１つの次元における横方向の距離と共にパッチサイズがどのように変化するかの平面図による表現である。 フェーズドアレイアンテナ及び、１つの次元における横方向の距離と共にパッチサイズがどのように変化するかの側面図による表現である。 ２つの次元における横方向の距離と共にパッチサイズがどのように変化するかの平面図による表現である。 データレートが単位長さ当たり一定の場合の半径方向の長さを示す。 データレートが１／ｃｏｓ３θとして変化する、変換された図３の半径方向の長さを示す。 中央に配置された空中アンテナにより提供される概念的な平坦地表面上のパッチジオメトリの概略的表現である。 中央に配置された空中アンテナにより提供される概念的な平坦地表面上のパッチジオメトリの概略的表現である。 中央に配置された空中アンテナにより提供される概念的な平坦地表面上のパッチジオメトリの概略的表現である。 空中アンテナの直下からの横方向の距離の関数としての最大データレートの減少パーセンテージを示す図表である。 サービスエリア全体に情報サービスを提供するＳＨＨＡＰｓ飛行船団の概略的表現である。 ＳＨＨＡＰの下からの半径方向の距離の関数として提供できる１平方マイル当たりの人口を示す図表である。 本発明により最適に位置付けられたＳＨＨＡＰｓの位置を示す英国の地図である。 本発明により最適に位置付けられたＳＨＨＡＰｓの位置を示すドイツの地図である。 本発明により最適に位置付けられたＳＨＨＡＰｓの位置を示すカリフォルニアの一部の地図である。
基本の理論
航空機上のアンテナを平坦な円形フェーズドアレイに近似させることができる場合、アジマス方向のビーム径は変化せず、航空機からの距離×１．２×波長／ビームの方向に垂直なアレイの直径（レイリ限界）にほぼ比例し、これは当業者の間でよく知られている。航空機からビームの中心が地面と交差する点までの距離は、航空機の高さを垂直仰角θのコサイン（水平距離はＨｔａｎθ）で割ったもの、すなわち１．２λＨ／（Ｄｃｏｓθ）である（図１及び図２参照）。
幾何学的分析により、垂直平面内のビーム軸に垂直な等価的なビーム径は、航空機からの距離×１．２×波長／垂直平面内のビーム軸に直角な表面に投射されるアレイの直径にほぼ比例する。この投射されたアレイの直径は、アレイの直径よりｃｏｓθの係数だけ小さく（図２参照）、この方向への帯域幅Ｂは１．２λＨ／（Ｄｃｏｓ２θ）となる。
地上では、これはより大きい長さ（図２に示される）、１．２λＨ／（Ｄｃｏｓ３θ）に投射される。
その結果、地上のビーム（図３参照）は、面積１．２２πλ２Ｈ２／（Ｄ２ｃｏｓ４θ）の楕円に近い。
上記の分析は、レイリ限界が大きい角度θでは上で提案されているものより大きく変化するため、概算に過ぎないが、それによってビーム面積が基本的にｃｏｓ４θとして変化することが示される。それゆえ、単位面積当たりのデータレートは、１ビーム当たりのデータレートが一定であるとすると、最小ビーム面積にほぼ反比例し、したがって１／ｃｏｓ４θに比例する。明らかに、距離を長くすることによるリンクバジェットへの影響又は、低い水平仰角（９０－θ）でのより多くの構造的遮蔽の影響、及び地球の曲率等のその他の要素が二次的又は三次的影響を有する。
この現象の重大な影響の印象は、単位面積当たりのデータレートが１／ｃｏｓ４θに反比例する場合に、単位表面積当たりの均等なデータレートがどのように１つに変換されるかを考えることによって説明できる。
この変換の実行には、１／ｃｏｓθの円周方向のデータレート変化と１／ｃｏｓ３θの半径方向のデータレート変化が関わり、その積によって１／ｃｏｓ４θの単位面積当たりのデータレートが得られる所望の変換結果が与えられる。
単位長さ当たりの情報が１／ｃｏｓ３θとして変化すると、ｄｙ＝ｄｘ／ｃｏｓ３θ＝ｄｘ／［Ｈ／√（Ｈ２＋ｙ２）］３となる（図４及び５参照）。したがって、
Figure 2022537167000002
となり、
代入によりｙ＝Ｈｔａｎφとなり、したがってｄｙ＝Ｈｓｅｃ２φｄφとなり、したがって
Figure 2022537167000003
となる。
すると、
Figure 2022537167000004
となる。したがって、ｘ＝Ｈｓｉｎ（ｔａｎ－１（ｙ／Ｈ）、且つｙ＝Ｈｔａｎ（ｓｉｎ－１（ｘ／Ｈ））となる。
高度２０ｋｍの航空機の場合、２ＧＨｚ、したがって波長１５ｃｍのビームで、開口径３．６ｍのフェーズドアレイを航空機の直下で使用すると、地上のビーム径は１．２λＨ／Ｄ＝１．２×０．１５ｍ×２０ｋｍ／３．６ｍ＝１ｋｍとなる。これは、それを下回ると２台の携帯電話又はユーザ機器がフェーズドアレイによって別々に識別できなくなる大体の寸法である。
大体のビーム形状が、六角形の直径１ｋｍの六角形の均一なアレイをゆがめることによって得られたこのような円形の平面アンテナのために考案されており、これは、半径方向の変換にしたがって、ある点の変換された座標半径がＨｔａｎ（ｓｉｎ－１（軌道半径／Ｈ））となるようにゆがめられ、Ｈ（航空機の高さ）＝２０ｋｍであり、原点（航空機の真下）からの角度は一定に保たれる。
図６は２０ｋｍ×２０ｋｍ、図７は１００ｋｍ×１００ｋｍ、図８は２００ｋｍ×２００ｋｍの中央面積を示す。図では、航空機からの距離が長いとそれによってゆがみが若干大きくなる地球の曲率等、地球表面の形状学的特徴は考慮されていない。各多角形は、２台のユーザ機器を相互に識別できないエリアを示し、これは使用しやすく、「セル」と呼ばれる。
これらの図からわかるように、航空機からの異なる距離におけるビーム形状には非常に顕著な変化があり、ビームの形状は異なる方位角において均一ではない。異なる周波数で動作する異なる大きさのアレイの場合、個々のパッチ又はセルの大きさは拡縮するが、全体的パターンはアレイの形状（円形、正方形、長方形、等）と地上のアレイの高度によって設定される。
航空機の真下の位置からの距離ｒに応じた全体的なデータレートの表示が前述の理論から策定された。
ある面積のデータレート（ｂｐｓ）＝Ｉ０ｃｏｓ４θｄＡであり、ｄＡは角度θでの面積（図２参照）、Ｉ０はアンテナが航空機の直下で扱うことのできる単位面積当たりの最大データレートである。
円形素子の場合、ｄＡ＝２πｒｄｒであり、ｒは半径＝Ｈｓｉｎθ、ｄｒ＝Ｈｃｏｓθｄθであり、θ＝ｔａｎ－１（ｙ／Ｈ）である。
したがって、ｄｌ＝Ｉ０ｃｏｓ４θｄＡ＝Ｉ０ｃｏｓ４．２πＨｓｉｎθＨｃｏｓθｄθとなる。
したがって、全体データレートは傾斜角、
Figure 2022537167000005
内にある。
この関数は図９に示されている。
留意すべき点として、送信又は受信可能な最大フェーズドアレイデータレートの割合の半分が航空機の下の位置から距離１０－ｋｍ以内で起こり、ほぼ４分の３が距離１５ｋｍ以内、９５％超が航空機の２５ｋｍ以内で起こる。この結果は、アレイの直径には関係なく、純粋にアレイの高度にのみ依存する。
実装を可能にする例示的なアルゴリズム
後述の主要アルゴリズム、「ＳＨＨＡＰ設置アルゴリズム」は、ＳＨＨＡＰｓを設置し、そのカバレッジエリアを充填して、そのサービスエリアにわたるデータ密度要求を満たす役割を果たす。これは、データ密度対サブプラットフォーム地点からの半径のｃｏｓ４θの関係の結果として生じる、異なるデータ密度のバンドエリアの概念を利用している。このアルゴリズムは、前述の高、中、及び低データ密度のエリアで機能し、例えばＳＨＨＡＰにつき３つのバンドが得られるか、又は希望に応じて、より多い、又は少ない数のバンドにより、各バンドはＳＨＨＡＰの下の点から同心円のリングを形成し、異なるパターンのＳＨＨＡＰカバレッジエリア充填が得られる。それゆえ、前述の例では、データ密度の高いエリアでは、ＳＨＨＡＰｓは相互により近接して配置されて、各ＳＨＨＡＰ上の最も高いデータ密度バンドが利用され、それに対して低いデータ密度のエリアでは、ＳＨＨＡＰｓはさらに分離され、それによって各ＳＨＨＡＰ上で３つ全てのテータ密度バンドが利用できる。それゆえ、前述のようなＳＨＨＡＰカバレッジエリア充填の３つのパターンが得られる。
ＳＨＨＡＰ配置アルゴリズムにより、ＳＨＨＡＰ飛行船団を一括配置して、サービスエリアをカバーすることができ、又はそれを周期的に実行して、アクティブなユーザ機器の密度の変化又は人口統計の変化を考慮に入れることができる。作業の周期は、これらのパラメータの変化の速度と、カバレッジ及び容量密度を要求と一致させることがどれだけ望ましいかに依存する。
ＳＨＨＡＰ配置アルゴリズムの結果として、サービスエリアの一部にＳＨＨＡＰカバレッジエリアが重複する可能性がある。これによって、ユーザが複数のアンテナを有している場合、ＭＩＭＯ技術を利用し、重複エリアの容量密度を高めることが可能となる。重複が必要のないエリアについては、ＳＨＨＡＰ設置アルゴリズムを実行した後に毎回、ビームを活性化して重複を限定する下記のようなサービスエリア照明アルゴリズムを実行できる。
アルゴリズムで使用される記号の定義
Ａは、データ密度バンドの数であり、各バンドはビーム当たりのデータレートと地上のビーム径により決まる既定のデータ密度範囲を有する
ＨＤｉは、データ密度バンドｉに関連するＳＨＨＡＰカバレッジエリアである
Ｃは、全てのＡデータ密度に対応するクラスタ群である
Ｃｉは、データ密度バンドｉに関連するユーザ機器密度に対応するクラスタ群である
Ｃｉ，ｊは、クラスタ群Ｃｉの中の特定のクラスタｊである
Ｂは、群Ｃｉ内のクラスタの数である
ＳＨＨＡＰ設置アルゴリズム
ステップ１ 各ＳＨＨＡＰカバレッジエリアを異なるデータ密度（ＨＤｉ）のＡ個のバンドに、最高データ密度から最低への順で分割し、ｉは１～Ａの範囲に含まれ、ｉ＝１は最高データ密度バンドエリアを表し、ｉ＝Ａは最低データ密度バンドエリアを表す。
ステップ２ 密度ベースのクラスタリングアルゴリズムを人口統計／アクティブなユーザ位置データに適用して、同じＡ個のデータ密度バンドを使ってクラスタ重心の位置とそれに対応するエリアを識別し、それによって各バンドがその密度範囲に対応するクラスタ群として含むようにする。
ステップ３ クラスタ群Ｃｉをデータ密度の高い順に配置する。ｉは１～Ａの範囲に含まれ、ｉ＝１は最高データ密度に対応するクラスタ群を表し、ｉ＝Ａは最低データ密度のクラスタ群を表す。
ステップ４
Figure 2022537167000006
（
ｉ＝１～Ａについて、
群Ｃｉ内のクラスタを面積の大きい順に並べる。
ｊ＝１～Ｂについて
Ｃｉ，ｊのエリアがデータ密度エリアＨＤ（ｉ∈１．．ｉ）のＳＨＨＡＰでカバーされない場合、
ＳＨＨＡＰサブプラットフォーム点をＣｉ，ｊの重心に置く。
Ｃｉ，ｊのエリアが設置されたＳＨＨＡＰのＨＤ（ｉ∈１．．ｉ）のエリアを超える場合、
エリアＣｉ，ｊをカバーするための最小数の追加のＳＨＨＡＰｓを設置し、最初のものを含めて全てを配置しなおして、各ＳＨＨＡＰｓのカバレッジエリアＨＤ（ｉ∈１．．ｉ）を使ってクラスタＣｉ，ｊのエリアにわたる充填とカバレッジを最大にする。
終了
終了
終了
終了
）
ステップ５ 人口統計／アクティブなユーザ位置、利用可能なＳＨＨＡＰｓの数の変化を考慮に入れるように、アルゴリズムの周期的に繰り返す。
ＳＨＨＡＰ飛行船団からの非重複カバレッジを最大にするためのサービスエリア照明アルゴリズム（必要な場合）
ＳＨＨＡＰ設置アルゴリズムを実行した後に毎回
Figure 2022537167000007
（
サービスエリアが照明されていない間
ｉ＝１
エリアＨＤｉ内の、最も小さい重複カバレッジを有する（所望のパーセンテージ限界以内まで）ＳＨＨＡＰｓの全てのビームを既存の活性化されたビームで（ビームは、重複が起こらないようにしながら、負荷を均等にするために同じＨＤｉ内の異なるＳＨＨＡＰｓからランダムに選択できる）活性化させる。
ｉ＝ｉ＋１
終了
）
例
図１０は、より大きいサービスエリア内の直径６０ｋｍのデータレート要求の高い領域（１３）（例えば、パターン１領域）の上で動作するＳＨＨＡＰｓ飛行船団の概略的表現であり、アンテナ群を構成するために複数のＳＨＨＡＰｓ（８）が利用されている。図のように、各航空機プラットフォーム（８）は２つのアンテナ（１５、１６）を支持し、一方が送信用、一方が受信用である。これらのシステムは、異なる方向への別々の多くのビーム（６、７）を提供して、異なる「パッチ」（１０）、すなわちアンテナビームにより照明されたエリア上にあるＵＥｓ（１１）と通信することができ、また、「バックホール」リンク（５）を「バックホール地上」、ＢＧ局（４）に提供することもできる。図のＵＥはこの場合、携帯電話であるが、家の側面、車両の上部、航空機、船舶、列車上、又は建物の中に設置されるアンテナとすることもできる。
この実施形態は、ＢＧ局（４）との通信リンクを提供して、セルラネットワークの残りの部分でＵＥ活動を支持するバックホールデータ通信システムを提供することができる。ＢＧ局は、標準プロトコルを介して地上ベースのコンピュータ処理センタ（１）に接続され、これは光ファイバ若しくはマイクロ波接続又は他の何れかの物理的接続技術（３）による。図１０では、簡潔にするために、ＢＧ局との全てのリンクが示されているわけではない。
データレートの計算
航空機が高度２０ｋｍにあり、地上ベースのユーザ機器とのフロントホールのための１つの円形フェーズドアレイアンテナを備え、それが直径３．６ｍ、帯域幅１００ＭＨｚ、２ＧＨｚで動作し、２つの偏極で３ビット毎秒／Ｈｚを提供するのに十分な電力を受け、０．０７５ｍ２の面積の約１７５０の素子を有する場合を考える。
これによって、１００ＭＨｚ×３ｂｐｓ／Ｈｚ×２偏極＝６００Ｍｂｐｓ／ビームの最大データレートが提供される。
航空機の直下で、ビーム径は１．２×（波長／直径）×高度＝１．２×（０．１５ｍ／３．６ｍ）×２０ｋｍ＝１ｋｍである。
したがって、各偏極で地上のＵＥでの最大データレートは３００Ｍｂｐｓ／（直径１ｋｍの円の面積）＝３８２Ｍｂｐｓ／ｋｍ２となる。
両方の偏極により、１機の航空機からの最大データレートはこの２倍－７６４Ｍｂｐｓ／ｋｍ２となる。
各ＳＨＨＡＰの下の地点からのある距離において、最大データレートは、ビームへのパワーがビット数／秒毎ヘルツへのリンクバジェットの影響を補償するために適切に調整され、距離が地球の曲率について補正できるだけ十分に短いことを前提として、７６４ｃｏｓ４θＭｂｐｓ／Ｈｚにより与えられ、θはアンテナへのビームの入射角であり、θ＝ａｒｃ ｔａｎ（ｒ／Ｈ）により与えられ、ｒ（半径）は航空機の直下の地上の点からのＵＥの距離であり、Ｈは航空機の高度である。例えば、１０ｋｍの半径で、角度θはａｒｃ ｔａｎ（１０／２０）＝２６．６度であり、最大データレート＝７６４ｃｏｓ４（２６．６）ｂｐｓ／ｋｍ２＝４８９Ｍｂｐｓ／ｋｍ２である。
現在の携帯電話の月間データ需要レートは、米国で約８ＧＢｙｔｅ／月、例えば欧州では平均してそれより幾分低い。８ＧＢ／月の需要の場合、平均瞬間データ需要レートは特に１日の時間に応じて変化し、ある局所エリアは、１日のピーク時間帯でこのデータレートの２倍、すなわち現在、ＵＥあたり５０ｋｂｐｓのレートに匹敵する。今後１０年間のある時点での平均ユーザ需要を１００Ｇｂｙｔｅ／月とすると、ＳＨＨＡＰｓが配備された場合、平均ピークユーザ需要６００ｋｂｐｓ／ＵＥ、すなわち０．６Ｍｂｐｓ／ＵＥを賄える。
航空機がユーザ機器の４０％にサービスを提供すると、航空機から半径１０ｋｍで、この平均データレートで満たすことのできる最大ユーザ数＝４８９Ｍｂｐｓ／ｋｍ２／（０．４×０．６）Ｍｂｐｓ＝２０４０ ＵＥ／ｋｍ２となる。
平方マイルで表現した面積の同様の数字は、２．５９×２０４０＝５２８０毎平方マイルとなる。
人口密度の高いエリアでは、他の技術が郊外及び田園地帯より有効であることが予想される。それに関して、半径ｒのデータ容量の分布は、例えば、特定の人口密度において市場シェアが４０％～１００％に増大することを前提とするように修正されてよい。このようなカーブは図１１に示されている。
このプロセスは、最適なデータレートを提供するために、航空機をどこに設置するかを見極めるための最適化プロセスの一部の例である。
集合都市の中心において示唆されるデータ需要に関して、１機の航空機は４０％の市場シェアで予想されるデータ需要を賄うことはできないであろう。
しかしながら、ＳＨＨＡＰＳを近接して配置できるようにすることにより、カーブを、例えば３又は４機のＳＨＨＡＰＳがＵＥによって見え、識別できるようにすれば、はるかに大きいデータ需要レートを満たせるように変更することができる。少ないリンクバジェットで、航空機のほぼ直下で、ｂｐｓ／Ｈｚレートも増大させることができる。
しかしながら、人口分布とフェーズドアレイアンテナのフィジクスの影響は、人口密度の高い集合都市、田園地帯、及び人口がまばらな地域について大きく異なるパターンを提供でき、これは図１２の英国、図１３のドイツ、及び図１４のカリフォルニアの例において示されている。生成されるカバレッジエリアは、重複によって、全てが円形であるとはかぎらないことがわかる。カバレッジエリアはまた、データ需要に逆相関するエリアにおいても変化する。
わかるように、ＳＨＨＡＰｓの位置は最も人口密度の高いエリアを追跡するだけでなく、アルゴリズムにより提供されるデータレート提供の低下を考慮して、サービスエリア全体に非常に良好なサービスレベルを提供する。

Claims (21)

  1. サービスエリアに情報サービスを提供するように配置された静止位置保持成層圏プラットフォーム（ＳＨＨＡＰｓ）飛行船団であって、各ＳＨＨＡＰは、少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナを含み、電気通信バックホールシステムと通信し、前記サービスエリアは少なくとも１００，０００台のユーザ機器（ＵＥ）を含み、前記サービスエリアは不均一なデータ需要分布を含み、データレート要求の高い領域と低い領域の両方を含み、前記ＳＨＨＡＰｓは不均等な間隔で位置付けられ、前記ＳＨＨＡＰｓがデータレート要求のより高い領域では、データレート要求のより低いエリアより相互に近接して位置付けられる、飛行船団。
  2. 前記サービスエリアは２００，０００台超、より好ましくは５００，０００台超、より好ましくは１００万台超のＵＥを含む、請求項１に記載の飛行船団。
  3. 前記サービスエリアは１０，０００ｋｍ２超、好ましくは５０，０００ｋｍ２超、より好ましくは２００，０００ｋｍ２超である、請求項１又は２に記載の飛行船団。
  4. 前記サービスエリアは複数の都市を含む、請求項１～３の何れか１項に記載の飛行船団。
  5. 少なくとも１０、より好ましくは少なくとも２０、最も好ましくは少なくとも４０のＳＨＨＡＰｓを含む、請求項１～４の何れか１項に記載の飛行船団。
  6. 前記ＳＨＨＡＰｓの高度は１０，０００～２５，０００メートルである、請求項１～５の何れか１項に記載の飛行船団。
  7. 前記データレート要求のより高い領域の上に配置された前記ＨＡＰｓの高度は、前記データレート要求のより低い領域の上に配置された前記ＨＡＰｓより低い、請求項１～６の何れか１項に記載の飛行船団。
  8. 前記データレート要求のより高い領域はより高いユーザ機器密度を有し、前記データレート要求のより低い領域はより低いユーザ機器密度を有し、最高ユーザ機器密度対最低ユーザ機器密度の比は少なくとも１０である、請求項１～７の何れか１項に記載の飛行船団。
  9. 前記ＳＨＨＡＰｓは、間隔の最も遠いＳＨＨＡＰｓと間隔の最も近いＳＨＨＡＰｓとの比が少なくとも２、より好ましくは少なくとも３であるように位置付けられる、請求項１～８の何れか１項に記載の飛行船団。
  10. 航空機の最小巡航対気速度は少なくとも２０ｍ／ｓ、好ましくは３０ｍ／ｓ、より好ましくは４０ｍ／ｓ又はそれより高い、請求項６に記載の飛行船団。
  11. 前記ＳＨＨＡＰｓは、太陽エネルギ又は水素若しくは炭化水素燃料の何れかを動力とする航空機である、請求項１～１０の何れか１項に記載の飛行船団。
  12. 前記ＳＨＨＡＰｓは、太陽電池又はその他の技術により動力が供給される自由気球である、請求項１～１１の何れか１項に記載の飛行船団。
  13. 前記ＳＨＨＡＰｓは、テザと共に運ばれる水素を動力とするか、前記テザを介して電力が供給されるか、又は気球プラットフォーム上にある、又はそれに接続された太陽電池により電源供給される繋留気球である、請求項１～１２の何れか１項に記載の飛行船団。
  14. ＳＨＨＡＰｓの第一の配置（パターン１）を含み、少なくとも３つのＳＨＨＡＰｓについて、ＳＨＨＡＰｓ間の距離は、人口密度がＵＥ ２０００台超毎ｋｍ２であるエリアに通信するための前記ＳＨＨＡＰの高度のｐ～ｑ倍と等しく、ｐは０．２より大きく、ｑは１～２の範囲である、請求項１～１３の何れか１項に記載の飛行船団。
  15. ＳＨＨＡＰｓの第二の配置（パターン２）を含み、少なくとも３つのＳＨＨＡＰｓについて、ＳＨＨＡＰｓ間の距離は、人口密度がＵＥ ２０００台未満毎ｋｍ２であるエリアに通信するための前記ＳＨＨＡＰの高度のｑ～ｒ倍と等しく、ｑは１～２の範囲、ｒは２～４の範囲である、請求項１～１４の何れか１項に記載の飛行船団。
  16. サービスエリアに情報サービスを提供するためのシステムであって、請求項１～１５の何れか１項に記載のＳＨＨＡＰｓの飛行船団を、バックホール地上局配置と共に含み、前記地上局は、データレート要求のより低いエリアよりデータレート要求のより高い領域において相互により近接して位置付けられるように不均等な間隔で位置付けられる、システム。
  17. サービスエリアに情報サービスを提供するために静止位置保持成層圏プラットフォーム（ＳＨＨＡＰｓ）飛行船団のメンバを位置付ける方法であって、各ＳＨＨＡＰは少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナを含み、電気通信バックホールシステムと通信し、前記サービスエリアは少なくとも１００，０００台のユーザ機器（ＵＥ）を含み、最高ユーザ機器密度対最低ユーザ機器密度の比は少なくとも１０であり、前記方法はパラメータｃｏｓ４θ又はほぼ同等の関数を含む最適化データ提供レート計算を実行する第一のステップを利用し、θは各ＵＥにデータサービスレートを提供するための、垂直線と、地上レベルに配置された前記ＵＥと前記ＳＨＨＡＰとの間に引かれた線との間の角度であり、それに、前記最適化計算の結果にしたがって前記飛行船団の前記メンバを位置付ける第二のステップが続く、方法。
  18. 前記サービスエリア内のデータ需要分布の変化にリアルタイムで適応する、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記ＳＨＨＡＰｓの数は固定され、前記データ提供レート計算は、前記サービスエリア内の基本的に全てのＵＥに最低又は平均データレートを提供することを含む、請求項１７又は１８に記載の方法。
  20. コンピュータ上で実行されたときに、請求項１７～１９の何れか１項において規定される方法を前記コンピュータに実施させるコンピュータ実行可能命令を含むコンピュータプログラム。
  21. 請求項２０において規定されるコンピュータプログラムを含むコンピュータプログラム製品。
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