JP6772166B2 - データ転送速度の向上 - Google Patents
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Description
http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=620534,
http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=933305,
http://digital−library.theiet.org/content/journals/10.1049/ecej_20010304,
http://digital−library.theiet.org/content/journals/10.1049/el_20001316
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=4275149&pageNumber%3D129861
当該処理は、空中アンテナの位置および向きに関するデータをデータ処理システムへ送信する動作を含み、処理システムがビーム形成命令を計算して空中アンテナへ送信することにより、空中アンテナが第1のユーザーアンテナとの間で各々の第1成分信号を受送信し、第2のユーザーアンテナとの間で各々の第2成分信号を送受信し、
第1成分信号の各々が、位相および通常は振幅が異なる以外は基本的に同一の情報内容を有し、第2成分信号の各々が、位相および通常は振幅が異なる以外は基本的に同一の情報内容を有していることにより、空中アンテナと第1のユーザーアンテナとの間の信号の協調和から第1の協調ビームを形成し、空中アンテナと第2のユーザーアンテナとの間の信号の協調和から第2の協調ビームを形成する。
当該処理は、空中アンテナの位置および向きに関するデータをデータ処理システムへ送信する動作を含み、処理システムがビーム形成命令を計算して空中アンテナへ送信することにより、空中アンテナが第1のユーザーアンテナとの間で各々の第1成分信号を受送信し、第2のユーザーアンテナとの間で各々の第2成分信号を送受信し、
第1成分信号の各々が、位相および通常は振幅が異なる以外は基本的に同一の情報内容を有し、第2成分信号の各々が、位相および通常は振幅が異なる以外は基本的に同一の情報内容を有していることにより、空中アンテナと第1のユーザーアンテナとの間の信号の協調和から第1の協調ビームを形成し、空中アンテナと第2のユーザーアンテナとの間の信号の協調和から第2の協調ビームを形成し、その結果生じた協調ビームは従って、少なくとも2個の空中アンテナの位置を包含するのに充分に大きい概念上の単一空中アンテナから形成されたビームと同一または類似の特性を有している。
ネットワークは、空中アンテナの位置および向きに関するデータを受信すべく適合された処理システムを含み、処理システムは更に、ビーム形成命令を生成して空中アンテナへ送信すべく適合されていて、空中アンテナは、第1のユーザーアンテナとの間で各々の第1成分信号を送受信すべく適合され、第2のユーザーアンテナとの間で各々の第2成分信号を送受信すべく適合されていて、
第1成分信号の各々が、位相および通常は振幅が異なる以外は基本的に同一の情報内容を有し、第2成分信号の各々が、位相および通常は振幅が異なる以外は基本的に同一の情報内容を有していることにより、空中アンテナと第1のユーザーアンテナとの間の信号の協調和から第1の協調ビームを形成し、空中アンテナと第2のユーザーアンテナとの間の信号の協調和から第2の協調ビームを形成する。
ネットワークは、空中アンテナの位置および向きに関するデータの受信に適合されたデータ処理システムを含み、処理システムは更に、ビーム形成命令を生成して空中アンテナへ送信すべく適合されていて、空中アンテナは、第1のユーザーアンテナとの間で各々の第1成分信号を送受信すべく適合され、第2のユーザーアンテナとの間で各々の第2成分信号を送受信すべく適合されていて、
第1の信号成分は各々位相および通常は振幅が異なる以外は基本的に同一の情報内容を有し、第2成分信号の各々が、位相および通常は振幅が異なる以外は基本的に同一の情報内容を有していることにより、空中アンテナと第1のユーザーアンテナとの間の信号の協調和から第1の協調ビームを形成し、空中アンテナと第2のユーザーアンテナとの間の信号協調和から第2の協調ビームを形成し、その結果生じた協調ビームは従って、少なくとも2個の空中アンテナの位置を包含するのに充分に大きい概念上の単一の空中アンテナから形成されたビームと同一または類似の特性を有している。
1.空中プラットフォーム(図示せず)に搭載された多数のUE(UE1、UE2〜UEm)およびBG局(51,52)と通信するプラットフォーム搭載の位相配列アンテナ
2.プラットフォームに搭載され、バックホールデータリンクを備えたオプションとしての追加的な受信器および送信器(図示せず)
3.プラットフォームと通信し、処理センターに接続するBG局または他のアンテナ
4.通信リンク用の全てのパラメータを計算して、より広いセルラネットワーク(54)にインターフェースを提供する処理センター(53)
を含む。
併合処理は処理センター内で、またはある距離離れた箇所で実行されてよい。
ユーザー機器は、類似の、但し反転した処理で、高転送速度または大量データストリームを受信することができる。
UEは、送信器または受信器あるいはその両方を含んでいてよい。空中アンテナは、位相配列または従来型アンテナあるいはその両方であってよい。
本発明は、UEへ向けて細い協調ビームを生成すべく複数の空中アンテナにまたがりビーム形成を利用する。
プラットフォームは、以下のように実装することができる。
(i)高度約20kmで通信装置を搭載すべく太陽エネルギーまたは水素あるいは炭化水素燃料を使用して電力供給された飛行機。飛行機はUEおよびBG局と通信する機器を搭載する。また、信号処理システム、精密なクロック、およびタイミング装置並びに制御コンピュータを搭載する。
(ii)太陽電池その他の技術により電力供給される自由飛行気球。気球はUEおよびBG局と通信する機器を搭載する。また、信号処理システム、精密なクロック、およびタイミング装置並びに制御コンピュータを搭載する。
(iii)係留綱と共に搭載された水素により電力供給される、または係留綱を介して電力供給される、あるいは気球プラットフォームに設置または接続された太陽電池により電力供給される係留気球。1本以上の係留綱により繋がれた係留気球は、多くの異なる高度で多数のプラットフォームを、各プラットフォーム自身が係留綱に繋がれている状態で搭載することができる。各プラットフォームはまた、より多くの係留綱により当該気球に繋がれていてよい。係留プラットフォームシステムはUEおよびBG局と通信する機器を搭載し、信号処理システム、精密なクロック、およびタイミング装置並びに制御コンピュータを搭載していてよく、またはこれらの構成要素は地上設置されていてもよい。図9にこのようなシステムの配置を示す。図示するケースにおいて、係留綱により地上に直接(93)または間接的(92)に接続された係留気球(90、91)がある。いくつかの気球(91)は地上に間接的に、いくつかは直接(90)接続されている。図示するケースではアンテナ(94)は、気球のエンベロープに完全に含まれている。アンテナは部分的に含まれていても、または全く含まれていなくてもよい。UE(96)との通信は空中アンテナ(94)からのビーム(95)により協調的に行われる。少なくとも2個のアンテナが各UEと通信する。
(iv)キャリア信号の波長の少なくとも1/10程度というアンテナの顕著な移動がある極めて高い塔または建物に設置された地上設置アンテナ。
(v)追加的な断続的空中アンテナ能力に対応した、旅客輸送に用いる従来の商用飛行機。
(vii)宇宙空間に設置された衛星群。
(viii)ハイブリッド飛行体。
全てのプラットフォームは通常、サイズおよび素子の個数が同等の少なくとも2個の位相配列、すなわち送信配列および受信配列を備えているため、任意の波形の同時送受信および選択された周波数割当と帯域幅で動作する多重化技術をシステムが有することができる。単一の配列を用いることは可能であるが、必要とされる電子部品の複雑さおよび重量が増大し、時分割多重化にしか対応できず、より一般的な周波数分割多重化には対応できない。配列は、サービス領域を多数のパッチに分割するビームを形成する。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。
本発明のシステムは、従来の地上設置されたマスト方式システムと同様にセルラネットワークと個別のユーザー機器との間に「透明な」リンクを提供することができる。これにより既存のセルラネットワークとの互換性が得られる。
1.各プラットフォーム上のUEとの通信に用いる位相配列の容量を利用する。
2.代替的な位相配列の代替的な大容量リンクを利用する。
3.単一ビームのポイントツーポイント大容量リンクを利用する。
4.BG局との自由空間光リンクを使用する。
5.プラットフォーム間の自由空間光リンクを使用することにより、発展が遅れている領域のプラットフォームが、BG局へのマイクロ波ダウンリンクを有する衛星または飛行機とレーザーより通信可能になる。これは、冗長性のある一連のリピータプラットフォームを介して行うことができる。
本発明を管理する処理システムは分散処理システムであっても、または図1に示すように、通常は地上設置されていて、空中プラットフォームの重量および電力を節約する処理センター(1)であってもよい。処理システムは、セルラ電話ネットワーク(2)とのインターフェースを有しており、UEと通信すべくプラットフォームが使用している信号を直接制御する。
(i)UEおよびBG局の両方から受信された信号に必要なアンテナのビーム形成係数と、当該アンテナが位相配列の場合は通常、但し非排他的に、アンテナ素子の係数
(ii)UEおよびBG局へ送信される信号の位相および振幅
(iii)プラットフォームおよびユーザー機器の位置特定等の動作態様を実行する全てのアルゴリズム
を計算する。
(i)BG局により空中アンテナへ送信される信号の係数
(ii)BG局アンテナから受信した信号の係数、およびBG局が位相配列アンテナを用いる場合、必要に応じてアンテナ素子
を計算して与えることができる。
1http://www.xilinx.com/products/silicon−devices/fpga/kintex−ultrascale.html
2Tera=1012;MAC=Multiply Accumulate(積和)、すなわちデジタル信号処理における基本処理演算
・必要とされるビームの形成に信号プロセッサが用いる係数を再構成する。
・位置および方位システムからの情報をビーム形成処理の一部として用いる。
・飛行機ペイロードシステムの状態を監視、制御、および報告する。インターフェースは処理センターとの間で開設されている。
上述のように、本発明は1個以上のBG局を設けることで利点が得られる。BG局は、プラットフォームおよび処理センターとの間の通信リンクを提供することができる。各BG局は、プラットフォームのデータ転送能力を最大化すべく、見通し線上に存在するなるべく多くのプラットフォームと独立に通信可能でなければならない。
UEと通信すべく飛行機は、図6に示すように、巨大な位相配列に適合されていて信号処理および制御システムに関連付けられている。
本システムは、従来の地上設置ネットワークと同様にUEの情報を追跡することができる。UEは、呼び出しまたはデータ転送が進行中の場合、協調ビーム内に維持されていなければならない。
・そのような集光ビームに接続を確立させるためには必要とされるアンテナの重み付けを充分に識別すること、
・接続中、空中アンテナおよびUEの移動を考慮に入れながらこれらの重み付けを適切に調整すること
が必要である。
セルラネットワークに対するビーム精度の要件は、特に国境でのエネルギー漏出に関して極めて厳格である。固定パラボラアンテナではなく位相配列技術を用いる大きな利点は、電子的にビームを修正する能力である。
利用可能なデータ転送速度は、使用中の帯域で利用可能な帯域幅に依存する。本実施形態の場合、帯域がLTE帯域1(他の周波数も利用可能)であると仮定する。
・アップリンク: 1920MHz〜1980MHz 60MHz帯域幅
・ダウンリンク: 2110MHz〜2170MHz 60MHz帯域幅
以下のように、国際電気通信連合によりHAPダウンリンクおよびアップリンク通信に割り当てられた28GHzおよび31GHzの周波数帯域がある。
・ダウンリンク: 27.5GHz〜28.35GHz 850MHz帯域幅
・アップリンク: 31.0GHz〜31.3GHz 300MHz帯域幅
考察する飛行機のペイロード電力使用は、通信配列、搭載されたデジタル処理システム、および制御/測位システムにおけるものである。飛行機のペイロード電力需要を低く保つことは、高高度で動作するソーラー電力飛行機または水素電力飛行機で使用可能な電力が限られているため重要である。
空中アンテナとBG局との間の通信リンクは通常、仰角が30度を超えるため、所与の位置に対して整合性のある信号が送られる。UEと空中アンテナとの間で受送信される信号は往々にして建物の屋根を通過する結果、顕著な損失が生じる。しかし、大規模なシステムでは、隣接または重なり合ったサービス領域上に多数の飛行機が存在するため、典型的に信号を透過させ易い窓や壁から信号が斜めに入射する可能性が高い。
HAP−CELLシステムは広大な領域上での使用を目的とする。人口密集地域、例えば主要都市の場合、複数のサービス領域にサービス提供する複数編隊の飛行機が必要になろう。本システムはこの規模にも容易に対応可能であり、インフラの節約および追加的な通信能力が利用可能になる。複数システムを図8に示す。
広大なカバレッジ面積:高度20kmのプラットフォーム上のアンテナにとっての地平線は半径約500kmである。このような計器の地上の任意の特定位置からの仰角は、当該測定器が当該位置で水平線から上方にある角度として定義される。プラットフォームが、仰角が5度を超えるには、地上の任意の位置が、当該プラットフォームの真下方に中心がある半径200kmの円内に存在になければならない。仰角が30度を超える場合、当該位置は、プラットフォームの下方に中心がある半径35kmの円内に存在しなければならない。後者の制約は、地上と、水平面に置かれた位相配列だけを搭載したプラットフォームとの間の通信に適している。前者の制約は、より複雑な配列形状に適しているが、信号強度は後述するように100km超の距離で制約要因になる。
Claims (19)
- (a)複数の空中アンテナの位置および向きが時間経過に伴い変化するように各プラットフォームが複数のアンテナ素子を含む1個の空中アンテナを搭載した複数の移動プラットフォームと、(b)前記空中アンテナよりも低い高度を有するユーザー機器に接続された少なくとも第1および第2のユーザーアンテナとの間の通信を行うための協調的空中アンテナ間ビーム形成の処理方法であって、
前記処理方法は、前記空中アンテナの位置および向きに関するデータを処理システムへ送信することを含み、前記処理システムがビーム形成命令を計算して前記空中アンテナへ送信することにより、前記空中アンテナが前記第1のユーザーアンテナとの間で各々の第1成分信号を送受信し、前記第2のユーザーアンテナとの間で各々の第2成分信号を送受信し、
前記第1成分信号の各々が、位相および振幅が異なる以外は同一の情報内容を有し、前記第2成分信号の各々が、位相および振幅が異なる以外は同一の情報内容を有していることにより、前記空中アンテナと前記第1のユーザーアンテナとの間の信号の協調和から第1の協調ビームを形成し、前記空中アンテナと前記第2のユーザーアンテナとの間の信号の協調和から第2の協調ビームを形成し、
各前記空中アンテナの位置は、当該空中アンテナと前記第1および第2のユーザーアンテナとの間の信号の波長の数分の一波長の範囲内の精度で特定される、処理方法。 - 前記処理システムがデータストリームを取得して前記データストリームを少なくとも第1および第2のデータストリーム成分に分割し、その各々を少なくとも第1および第2の協調ビームを介して少なくとも前記第1および第2のユーザーアンテナへ送信し、次いで前記ユーザー機器が前記第1および第2のデータストリーム成分を併合して前記ユーザー機器内でデータストリームを形成する、請求項1に記載の処理方法。
- 前記ユーザー機器がデータストリームを取得して前記データストリームを少なくとも第1および第2のデータストリーム成分に分割し、その各々を少なくとも第1および第2の協調ビームを介して前記空中アンテナへ送信し、次いで処理システムへ送信し、次いで前記処理システムが前記少なくとも第1および第2のデータストリーム成分を併合して前記処理システム内でデータストリームを形成する、請求項1または2に記載の処理方法。
- 前記空中アンテナの位置および向きデータが、前記空中アンテナにより少なくとも1個の地上局へ送信される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の処理方法。
- 前記処理システムが地上設置された処理センターを含んでいる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の処理方法。
- 地上レベルでの処理が全体的な信号処理能力を支配し、信号処理電子部品の電力需要の70パーセント超、好適には90パーセント超を占める、請求項5に記載の処理方法。
- 少なくとも1個の空中アンテナが少なくとも高度10,000m、好適には少なくとも17,000m、最も好適には成層圏にある、請求項1〜6のいずれか1項に記載の処理方法。
- 前記空中アンテナのうち少なくとも1個が位相配列アンテナである、請求項1〜7のいずれか1項に記載の処理方法。
- 前記空中アンテナのうち少なくとも1個が地上に接続されている、請求項1〜8のいずれか1項に記載の処理方法。
- 前記プラットフォームが無人ソーラー電力飛行機、飛行船、またはハイブリッド飛行体を含んでいる、請求項1〜9のいずれか1項に記載の処理方法。
- 前記プラットフォームが無人水素電力飛行機を含んでいる、請求項1〜10のいずれか1項に記載の処理方法。
- 前記プラットフォームが係留気球を含んでいる、請求項1〜11のいずれか1項に記載の処理方法。
- 前記プラットフォームが自由飛行気球を含んでいる、請求項1〜12のいずれか1項に記載の処理方法。
- 前記プラットフォームが炭化水素燃料飛行機を含んでいる、請求項1〜13のいずれか1項に記載の処理方法。
- 前記プラットフォームが衛星群を含んでいる、請求項1〜14のいずれか1項に記載の処理方法。
- 前記プラットフォームの少なくともいくつかが送受信に異なるアンテナを使用する、請求項1〜15のいずれか1項に記載の処理方法。
- 前記第1および第2のユーザーアンテナとの間のデータ転送速度が10Mbpsを上回り、好適には100Mbpsを上回る、請求項1〜16のいずれか1項に記載の処理方法。
- (a)複数の空中アンテナの位置および向きが時間経過に伴い変化するように各プラットフォームが複数のアンテナ素子を含む1個の空中アンテナを搭載している複数の移動プラットフォームと、(b)前記空中アンテナよりも低い高度を有するユーザー機器に接続された第1および第2のユーザーアンテナとの間の通信用に通信ネットワークを提供する装置であって、
前記通信ネットワークが、前記空中アンテナの位置および向きに関するデータを受信すべく適合された処理システムを含み、前記処理システムが更に、ビーム形成命令を生成して前記空中アンテナへ送信すべく適合されていて、前記空中アンテナが、前記第1のユーザーアンテナとの間で各々の第1成分信号を送受信すべく適合され、前記第2のユーザーアンテナとの間で各々の第2成分信号を送受信すべく適合されていて、
前記第1成分信号の各々が、位相および振幅が異なる以外は同一の情報内容を有し、前記第2成分信号の各々が、位相および振幅が異なる以外は同一の情報内容を有していることにより、前記空中アンテナと前記第1のユーザーアンテナとの間の信号の協調和から第1の協調ビームを形成し、前記空中アンテナと前記第2のユーザーアンテナとの間の信号の協調和から第2の協調ビームを形成し、
各前記空中アンテナの位置は、当該空中アンテナと前記第1および第2のユーザーアンテナとの間の信号の波長の数分の一波長の範囲内の精度で特定される、装置。 - コンピュータに実装されたならば、前記コンピュータに請求項1〜17のいずれか1項に記載の処理方法を実行させる、コンピュータ実装可能な命令を含むコンピュータプログラム。
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