JPH10145260A - 通信信号品質を改善するインテリジェント・ビーム形成方法およびシステム - Google Patents

通信信号品質を改善するインテリジェント・ビーム形成方法およびシステム

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JPH10145260A
JPH10145260A JP9314318A JP31431897A JPH10145260A JP H10145260 A JPH10145260 A JP H10145260A JP 9314318 A JP9314318 A JP 9314318A JP 31431897 A JP31431897 A JP 31431897A JP H10145260 A JPH10145260 A JP H10145260A
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antenna
signal
digital
communication
dbf
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Randy Lee Turcotte
ランディ・リー・ターコッテ
Stephen Chih-Hung Ma
ステフェン・チー−ハン・マ
Sergio Aguirre
セルジオ・アグイレ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 他のシステム間との干渉を緩和しつつ、他の
システムとスペクトルを共有する通信システムを提供す
る。 【解決手段】 インテリジェント・デジタル・ビーム形
成装置（１０）は、衛星に基づくアレイ・アンテナ（２
０）と共に、地表上にある加入者ユニット（９０）と通
信するための、複数の動的に制御可能なアンテナ・ビー
ム（５２）を供給する。デジタル・ビーム形成係数を調
節することにより、干渉信号の位置において、送信およ
び受信アンテナ・パターンにヌルを配することによっ
て、干渉を緩和する。干渉信号が衛星に対して移動する
と、干渉信号を追跡し、干渉の緩和を維持する。また、
デジタル・ビーム形成係数を動的に調節することによっ
て、加入者ユニットとの通信における信号品質の最適化
を図る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、位相調整アレイ・
アンテナの分野に関し、更に特定すれば、デジタル・ビ
ーム形成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】衛星通信システムは、位相調整アレイ・
アンテナを用い、多数のアンテナ・ビームを通じて多数
のユーザと通信を行ってきた。典型的に効率の高い帯域
変調技法を多元接続技法(multiple access technique)
と組み合わせ、周波数分離方法を採用して、ユーザ数の
増加を図っている。しかしながら、セルラ電話機やペー
ジャのようなワイヤレス個人通信装置の急増により、電
子的環境の密度が増々高くなりつつあるために、これら
ワイヤレス通信システムには、これまで以上の情報およ
び洗練性が要求されている。例えば、全てのユーザが限
られた周波数スペクトルのために競合する場合では、種
々のシステム間の干渉緩和が種々のユーザに対するスペ
クトル割り当ての鍵となる。
【０００３】更に、スペクトル共有の概念、例えば、多
数のシステムが共通のスペクトルを同時に使用する機能
は、Federal Communications Commission （ＦＣＣ）の
ような、衛星システム運営者に通信の免許を付与する政
府組織には、最も重要なものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】したがって、必要とさ
れているのは、他のシステム間との干渉を緩和しつつ、
かかる他のシステムとスペクトルを共有する通信システ
ムである。また、共有可能であり、他の通信システムと
のスペクトル共有に対処可能な装置および方法も必要と
されている。
【０００５】ビーム形成のために種々の技法が開発され
てきたが、現行のデジタル・ビーム形成アンテナ・シス
テムは、多数の通信システム用途によって必要とされる
計算処理能力に欠けている。このため、低コストで高性
能の計算能力を提供するデジタル・ビーム形成システム
が必要とされている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、特に、アレイ
・アンテナにおいて用いて好適なデジタル・ビーム形成
装置を提供する。好適実施例では、デジタル・ビーム形
成装置は、干渉信号からの干渉を緩和する方法を提供す
る。また、本発明は、干渉信号の位置を追跡し、デジタ
ル・ビーム形成係数を再調節することにより、かかる干
渉信号を対象とするアンテナ・パターンにヌル(null)を
作成する方法も提供する。更に、本発明は、干渉信号か
らの干渉を緩和するデジタル・ビーム形成装置も提供す
る。
【０００７】更に、本発明は、デジタル・ビーム形成装
置を有するアレイ・アンテナを用いて、通信端末，加入
者ユニット，リレーまたは航空機と通信する方法も提供
する。好適実施例では、デジタル・ビーム形成係数を調
節し、通信端末から受信された通信信号の信号品質を改
善し、あるいは最高に高める。本発明の一実施例では、
通信端末は、衛星に品質インディケータを与え、当該通
信端末が受信した信号の品質を示す。受信したリンク品
質インディケータに応答して、衛星に搭載されているデ
ジタル・ビーム形成装置は、そのアンテナ・ビーム・パ
ターンを動的に調節し、通信端末に送信される信号の最
適化を図る。本発明の他の実施例では、デジタル・ビー
ム形成係数を再調節することによって、通信端末および
衛星がそれらの相対位置を変化させる際に、連続的な受
信信号の信号品質維持を図り、これの改善または最適化
を図る。
【０００８】また、本発明は、アレイ・アンテナに基づ
き、衛星に搭載されたデジタル・ビーム形成装置を用い
て、通信端末と通信する方法も提供する。デジタル・ビ
ーム形成係数を調節し、通信サービスに対する需要が多
い地理的領域に供給するアンテナ・ビームを増大させ、
更に調節を行って、通信サービスに対する需要が少ない
領域に供給するアンテナ・ビームを減少させる。好適実
施例では、通信サービスに対する需要が地理的位置に対
して変化すると、本発明のデジタル・ビーム形成装置は
動的にアンテナ・ビームを割り当てる。即ち、通信サー
ビスに対する需要変化に応答して、追加のビームを割り
当てる。また、本発明は、デジタル・ビーム形成装置が
構成されているアレイ・アンテナを用いて、衛星，通信
局またはその他の通信端末と通信する、加入者装置のよ
うな通信端末も提供する。
【０００９】アナログ・アレイ・アンテナは当技術では
既知である。アンテナ・ビーム特性の制御は、各アレイ
素子の受信または送信信号の振幅および位相を調節する
ことによって行われる。これらの制御を通じて、各アン
テナ・ビームの整形、その指向方向の規定、アンテナ・
ヌル(antenna null)の方向付け等が可能となる。振幅お
よび位相調整を多数行って、多数のアンテナ・ビームを
生成することができる。これらのシステムの複雑性のた
め、多数のビーム・パターンを発生する殆どのアナログ
・アレイ・アンテナは、バトラ・マトリクス(butler ma
trix) を用いて各アレイ素子からの信号を組み合わせ
る、位相調整アレイである。通常、一旦バトラ・マトリ
クスおよび結合ネットワーク(combining network) を構
築したなら、アンテナ・ビームの特性は不変となる。本
発明では、デジタル・ビーム形成装置を用いて、放射素
子各々の振幅および位相を動的に制御し、多数のアンテ
ナ・ビームを形成する。主ビームの指向方向，他のビー
ムのいずれかの指向方向，帯域，ヌルの位置，開口不規
則性(aperture irregularities) に対する補正のような
ビームの特性，およびその他のビーム特性は全て、ビー
ム係数の動的な調節を用いることによって制御する。こ
のような柔軟性は、アナログ位相調整アレイによる実施
では不可能である。
【００１０】本発明は、特許請求の範囲に特定的に指摘
されている。しかしながら、本発明の一層完全な理解
は、詳細な説明および特許請求の範囲を参照し、図面に
関連付けて検討することによって得ることができよう。
尚、図面においては、同様の参照番号は同様の部分を引
用するものとする。
【００１１】
【発明の実施の形態】これより記載する例示は、本発明
の好適実施例をその一形態において示すものであり、か
かる例示は、限定として解釈することは全く意図するも
のでない。
【００１２】図１は、本発明の好適実施例によるデジタ
ル・ビーム形成装置を組み込んだ衛星受信機部分および
送信機部分のブロック図を示す。デジタル・ビーム形成
装置１０は、受信デジタル・ビーム形成（ＤＢＦ）ネッ
トワーク３２，受信ビーム制御モデュール３４，受信Ｄ
ＢＦコントローラ３６，送信ＤＢＦネットワーク４０，
送信ビーム制御モジュール４２および送信ＤＢＦコント
ローラ４８を含む。受信機部分は、アレイ・アンテナ２
０の受信部分，１つ以上の受信機モジュール２６，およ
び１つ以上のアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２８
を含む。
【００１３】ビーム形成装置１０は、アンテナ・ビーム
に所望の特性を形成するために必要なビーム方向制御(s
teering)および制御機能を実施する。ビーム形成装置１
０が各ビーム・チャネライザ(beam channelizer)３５に
供給するデジタル出力は、いずれの単一の信号アンテナ
・ビームの出力とも同等であることが好ましい。これら
のデジタル出力は、パケット交換素子を通じて、適切な
クロス・リンク通信経路またはダウン・リンク通信経路
のいずれかに送出される。ダウン・リンクの場合、プロ
セスは逆に進められる。
【００１４】送信デジタル・ビーム形成ネットワーク４
０は、適切なビーム方向制御およびビーム制御ベクトル
を各信号に適用し、ダウン・リンク・ビームに予め指示
した特性を形成する。これらベースバンド信号は、アナ
ログ信号に逆変換され、ダウン・リンク周波数に変換さ
れる。電力増幅器が個々のアレイ素子の各々を駆動する
ことが好ましい。送信機部分は、１つ以上のデジタル／
アナログ（Ｄ／Ａ）変換器４４，１つ以上の送信機モジ
ュール４６，およびアレイ・アンテナ２０の送信部分を
含む。
【００１５】アレイ・アンテナ２０は素子群２２を含
む。素子群２２は二次元アレイに配列されていることが
好ましいが、他のアレイ構成にも適したものがある。受
信無線周波数（ＲＦ）信号は、素子レベルで検出されデ
ジタル化される。フェーディングがない場合、受信信号
は通常等しい振幅を有するが、位相は各素子毎に異な
る。これらの信号はあらゆる数の通信チャネルをも表わ
すことができる。
【００１６】受信信号に応答して、受信機モジュール群
２６はアナログ信号を発生する。受信機モジュール群２
６は、周波数ダウン・コンバート，濾波，およびＡ／Ｄ
変換器２８に適した電力レベルへの増幅という機能を実
行する。放射信号の位相情報は、アナログ信号に含まれ
る同相（Ｉ）および直交（Ｑ）成分によって保存され
る。ＩおよびＱ成分は、それぞれ、復素アナログ信号の
実部および虚部を表わす。素子群２２および受信機モジ
ュール群２６間に１対１の対応があることが好ましい。
【００１７】Ａ／Ｄ変換器群２８は、アナログ信号のサ
ンプリングおよびデジタル化を行い、デジタル信号を生
成する。各Ａ／Ｄ変換器は、各アレイ素子が発生する信
号の処理に専用とすることが好ましい。Ａ／Ｄ変換の
後、デジタル信号は、受信デジタル・ビーム形成ネット
ワーク３２に送られ、内積ビーム(inner-product beam)
を表わす重み付け和(weighted sum)を計算する。典型的
に、内積ビームは単一の通信チャネルを表わす。
【００１８】重み値は、受信ビーム制御モジュール３４
によって、受信デジタル・ビーム形成ネットワーク３２
に渡される。適切なアルゴリズムを用いて、受信ビーム
制御モジュール３４は、各放射素子２２に対して適正な
重みを適応的に決定する。これは、アンテナ・システム
の全体的なデータ・スループットに比較すると、比較的
遅い速度で行うことができる。受信ＤＢＦコントローラ
３６は、入来信号を分析し、以下で論ずる手順およびプ
ロセスを実行する。
【００１９】受信ＤＢＦネットワーク３２は、各放射素
子２２から受信したデジタル信号を、ビーム・チャネラ
イザ群３５に供給する。このデジタル信号は、放射素子
からの振幅および位相情報（ＩおよびＱ）を含む。各ビ
ーム・チャネライザ・モジュールは、これらのデジタル
信号を、１つの特定のアンテナ・ビームまたはチャネル
のためのデジタル・データ・ストリームに変換する。好
ましくは、各チャネライザ・モジュールは、１つのアン
テナ・ビームと対応する。ビーム・チャネライザ・モジ
ュール群３５は、このデジタル・データ・ストリーム
を、データ・パケット交換素子群３８に供給し、これよ
りデータがパケット化され、しかるべくパケットが送出
される。好適実施例では、データ・パケットは、クロス
リンク・アンテナ群３９を通じて他の衛星に、ダウンリ
ンクを通じてゲートウエイまたは地上の端末に、または
衛星によって設けられたダウンリンクを通じて通信端末
に送出される。好ましくは、アレイ・アンテナ２０は、
通信端末に対して、アップリンクおよびダウンリンク双
方を提供する。
【００２０】データ・パケット交換素子群３８からの入
来する分解パケット・データ(de-packetized data)は、
ビーム・シンセサイザ・モジュール４５に供給される。
データ・パケット交換素子群３８は、個々のアンテナ・
ビームを表わすデジタル・データ・ストリームを、各ビ
ーム・シンセサイザ・モジュール４５に供給する。入来
するデジタル信号は、各チャネル／アンテナ・ビームに
対する位相情報（ＩおよびＱ成分）を含むことが好まし
い。ビーム・シンセサイザ・モジュール群４５は、この
デジタル・データ・ストリームを、各送信放射素子２２
に対するアナログ波形を表わすデジタル出力信号に変換
する。各ビーム・シンセサイザ・モジュール４５は、そ
のデジタル出力信号を、送信デジタル・ビーム形成ネッ
トワーク４０および送信ビーム制御モジュール４２双方
に供給する。送信ビーム制御モジュール４２は、重み付
け和を送信デジタル・ビーム形成ネットワーク４０に供
給する。好ましくは、重み付け和は、アレイ・アンテナ
２０の送信放射素子２２の各々と対応するように供給す
る。
【００２１】重みは、送信ビーム制御モジュール４２に
よって、デジタル・ビーム形成ネットワーク４０に渡さ
れる。適切なアルゴリズムを用いて、送信ビーム制御モ
ジュール４２は適応的に適正な重みを決定する。
【００２２】Ｄ／Ａ変換器群４４は、ビーム形成ネット
ワーク４０の各放射素子に対するデジタル出力信号を、
各放射素子２２に対する対応するアナログ信号に変換す
る。送信機モジュール群４６は、放射素子によって、送
信に適した信号を発生し、好ましくは、周波数アップ・
コンバート，濾波，および増幅という機能を実行する。
【００２３】図１に示すデジタル・ビーム形成アンテナ
・システムは、とりわけ、集中するユーザを分離し、入
来データに応答してビーム・パターンを適応的に調節
し、アンテナ・ビームを個々のユーザに供給し、通信サ
ービスの需要に応答してアンテナ・ビームを供給し、望
ましくないＲＦ信号のパターンゼロ化(pattern nullin
g) を改良するので、従来の固定ビーム・アンテナに対
して利点を有する。これらの特徴は、コントローラ３
６，４８に埋め込まれる適切なソフトウエアによって実
施される。
【００２４】図２は、本発明の好適実施例によるデジタ
ル・ビーム形成装置を含む、通信端末およびアレイ・ア
ンテナのブロック図を示す。通信端末９０は、移動端
末，地上局，中継局，あるいは移動またはセルラ電話機
のような通信端末とすることができ、移動可能であって
も、ある場所に固定されていてもよい。通信端末９０
は、航空機に搭載されていてもよい。通信端末９０は、
アレイ・アンテナ８９に結合されている。アレイ・アン
テナ８９は、複数の放射素子から成り、好ましくは、二
次元アレイ構成に配列する。各アレイ素子は、ＲＦ信号
の受信および／または送信を行うことが好ましい。アン
テナの特性のために、この説明は送信および受信にも等
しく適切なものである。
【００２５】通信端末９０は、アレイ・アンテナ８９か
らの受信信号および送信信号を分離する、アイソレータ
(isolator)９１を含む。アイソレータ９１は、送信モジ
ュール群９３からの送信信号を、送信モジュール群９３
によって各アレイ素子に供給する。アイソレータ９１
は、各アレイ素子からの受信信号を、受信モジュール群
９２に供給する。また、地上端末９０は、好ましくは送
信デジタル・ビーム形成ネットワーク９４，受信デジタ
ル・ビーム形成ネットワーク９８およびデジタル・ビー
ム形成コントローラ９９を含むデジタル・ビーム形成装
置１０も含む。送信デジタル・ビーム形成ネットワーク
９４は、ＤＢＦコントローラ９９から、ビーム形成係数
を受信する。ＤＢＦコントローラ９９は、アレイ・アン
テナ８９の各放射素子における送信ＲＦ信号の位相およ
び振幅成分を制御する。受信デジタル・ビーム形成ネッ
トワーク９８は、ＤＢＦコントローラ９９からビーム形
成係数を受信し、アレイ素子群即ちアレイ・アンテナ８
９からの受信ＲＦ信号の位相および振幅調節を行う。
【００２６】送信モジュール群９３は、図１の送信モジ
ュール群４６と同様であり、これらと同様の機能を実行
する。受信モジュール群９２は、図１の受信機モジュー
ル群２６と同様であり、これらと同様の機能を実行す
る。送信モジュール群９３は、送信デジタル・ビーム形
成ネットワーク９４から受信したＩおよびＱデジタル信
号をアナログ信号に変換し、一方受信モジュール群９２
は、アナログ信号をＩおよびＱデジタル信号に変換し、
これらＩおよびＱデジタル信号を受信デジタル・ビーム
形成ネットワーク９８に供給する。受信デジタル・ビー
ム形成ネットワーク９８は、チャネル化出力デジタル信
号(channelized output digital signal)をデジタル信
号プロセッサ（ＤＳＰ）９５に供給する。チャネル化出
力デジタル信号は、地上端末が通信を行っている通信チ
ャネル信号を表わす。本発明の一実施例では、地上端末
９０は、同時に数個のチャネル上で通信することも可能
である。したがって、受信デジタル・ビーム形成ネット
ワーク９８は、各通信チャネルに対する信号をＤＳＰ９
５に供給する。
【００２７】本実施例では、ＤＳＰ９５は更に通信チャ
ネル信号を、地上端末が通信する各通信チャネルに対す
る送信デジタル・ビーム形成ネットワーク９４に供給す
る。１つの通信チャネル上で通信を行うセルラ電話機ま
たは移動電話機の場合、受信ＤＢＦは１つの通信チャネ
ルをＤＳＰ９５に供給し、一方、ＤＳＰ９５は１つの送
信通信チャネルを送信デジタル・ビーム形成ネットワー
ク９４に供給する。送信および受信通信チャネルを同一
とする要件はない。ＤＳＰ９５は、入出力部（Ｉ／Ｏ）
およびメモリ素子９７と共に、移動端末地上局，加入者
ユニットのような通信端末，またはセルラ電話機の動作
に関連する標準的な機能全てを設ける。概略的に、アレ
イ素子群即ちアレイ・アンテナ８９，送信および受信デ
ジタル・ビーム形成ネットワーク９４，９８ならびにＤ
ＢＦコントローラ９９は、図１の各素子と同様である。
通信端末９０は、時分割多元接続（ＴＤＭＡ），周波数
分割多元接続（ＦＤＭＡ）または符号分割多元接続（Ｃ
ＤＭＡ）方法を用いて通信を行うように構成することが
好ましい。
【００２８】加入者ユニットの場合、衛星位相アレイ・
アンテナにおけるよりも、アレイ素子は少なくて済む。
したがって、受信ＤＢＦおよび送信ＤＢＦモジュールに
関連する素子は少ない。例えば、図１の衛星位相調整ア
レイ・アンテナでは、好適な発明の好適実施例は６４組
の８ｘ８放射素子を用いる。これら４０９６個の放射素
子は、４０９６個の関連する受信機モジュール２６およ
び送信機モジュール４６を用いることが好ましい。した
がって、４０９６個のアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変
換器２８またはデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器４
４も使用する。各Ａ／Ｄ変換器は、１６ビットのＩおよ
びＱデータを供給することが好ましい。受信ＤＢＦネッ
トワークは、Ａ／Ｄ変換器からの４０９６ｘ１６個の入
力を有する。ＩおよびＱビットの数は、１６よりも多く
てもまた少なくてもよく、放射素子の数は、リンクのマ
ージン，信号対ノイズ比およびアンテナ・ビーム特性を
含むいくつかのファクタによって異なる。例えば、加入
者ユニットや移動およびセルラ電話機の用途では、放射
素子の数は８個ないし数百個の間である。一方、多くの
異なるアンテナ・ビームを通じて多くの異なる通信チャ
ネルを処理する移動端末および地上端末では、放射素子
の数は数百個から数千個になる場合もある。図２の通信
端末は、デジタル・ビーム形成装置８８の使用を通じ
て、衛星またはその他の通信局，あるいは他の加入者ユ
ニットまたは通信端末と通信を行う。
【００２９】デジタル・ビーム形成装置８８は、送信デ
ジタル・ビーム形成ネットワーク９４，受信デジタル・
ビーム形成ネットワーク９８およびデジタル・ビーム形
成コントローラ９９を含む。デジタル・ビーム形成装置
８８は、図１のデジタル・ビーム形成装置１０と同様の
機能を有し、同様のハードウエアを含む。
【００３０】図２の加入者ユニットまたは通信端末９０
に埋め込まれているデジタル・ビーム形成装置８８の使
用を通じて、本発明の一実施例における通信端末９０
は、干渉信号(interfering signal)を追跡し、この干渉
信号の方向に、そのアンテナ・パターンにヌルを与え
る。例えば、地上局が静止衛星と通信する場合、干渉信
号は低地球軌道衛星が空を横切って移動するために発生
する可能性がある。また、本発明の他の実施例では、端
末９０は他の干渉信号も追跡し、それら干渉信号の方向
において、アンテナ・パターンをゼロ化(nulling) す
る。本発明の他の実施例では、通信端末９０は、信号品
質を改善するために、信号対ノイズ比またはキャリア対
ノイズ＋干渉比のような、その受信ＤＢＦ係数を調節す
ることによって、入来する信号の受信を改善しようと試
みる。
【００３１】本発明の他の実施例では、通信端末９０
は、それ自体が通信しつつある通信局または衛星（ある
いは他の通信端末）から、リンク品質インディケータ(l
ink quality indicator)を受信する。リンク品質インデ
ィケータ（ＬＱＩ）は、好ましくは、衛星の受信機また
は地上基地局の受信機において受信された信号の品質を
示す３ビットのデータを供給する。リンク品質インディ
ケータは、地上端末または加入者ユニットに戻され、こ
れにしたがって、その送信デジタル・ビーム形成係数を
動的に調節し、その送信信号の品質向上を図る。本実施
例では、ＤＳＰ９５はリンク品質インディケータを評価
し、ＤＢＦコントローラ９９に、送信デジタル・ビーム
形成ネットワーク９４に供給するビーム形成係数を調節
するように指示する。通常、これによって、送信および
受信アンテナ・ビーム特性は、加入者ユニットまたは通
信端末が現在置かれている特定の状況に対して一層最適
化されることになる。この状況には、他の信号からの干
渉特性，地上の地形や受信基地局および／または衛星の
特定的な受信アンテナ特性によって生じる干渉特性が含
まれる。
【００３２】本発明の他の実施例では、加入者ユニット
および／または通信端末９０は、当該加入者ユニットま
たは地上端末が移動するのにしたがって、基地局および
衛星からの通信信号を追跡する。例えば、移動加入者ユ
ニットは、それらが通信している地上局または衛星の方
向を追跡する。この追跡は様々な方法の１つによって行
われ、その中には、受信信号を用い、この受信信号の角
度即ち到達方向を分析することが含まれる。あるいは、
加入者ユニットが移動するのにしたがって、アンテナ・
ビーム、好ましくは送信および受信双方のアンテナ・ビ
ームを継続的に調節し、信号品質の向上を図る。このよ
うにして、得られたアンテナ・ビーム・パターンは、通
信局に向けて発信され、一方あらゆる干渉信号源にはヌ
ルが発信される。本発明の一実施例では、加入者ユニッ
トは、低地球軌道にある衛星のような非静止軌道内の衛
星と通信するために適した構成となっている。衛星が頭
上を通過すると、アンテナ・ビーム特性が、デジタル・
ビーム形成装置８８の使用を通じて、低地球軌道衛星と
の改善された通信を維持するように調節され、衛星が空
を横切って移動するに連れて、衛星に向かってその方向
を維持し続けることが好ましい。
【００３３】図２の加入者ユニットおよびアンテナ・ア
レイの一例は、自動車両の屋根に取り付けられたアレイ
素子群を含み、この車両内部に配置された通信端末９０
に結合されている。地上端末の場合、アレイ素子は家ま
たは建物の屋上に取り付ければよく、地上端末もいずれ
かの場所に配置すればよい。
【００３４】図３は、非静止衛星とスペクトルを共有す
る、本発明の好適実施例によるデジタル・ビーム形成装
置を備えた静止衛星を示す。図３は、本発明を用いるこ
とができる典型的なスペクトル共有場面を示すものであ
る。図示のように、静止（ＧＳＯ）衛星６２および非静
止（ＮＧＳＯ）衛星６０，ＮＧＳＯ端末６８，ＧＳＯ地
上端末６６ならびに干渉信号源６４間にはいくつかの見
通し線経路(line-of-sight path)がある。ＮＧＳＯ衛星
６０は地表に関して固定されていないので、ＮＧＳＯ衛
星は種々の時点で視野に入る可能性がある。２つの通信
システムが周波数スペクトルの共通セグメントを占有す
る場合、これら２つのシステム間で干渉が発生する可能
性がある。
【００３５】ＧＳＯ衛星６２が本発明のデジタル・ビー
ム形成装置を採用する場合、デジタル・ビーム形成装置
の受信機部分は、ＧＳＯ衛星のアンテナ・ビームを構成
する際に、望ましくはその主通信ビームを地上のＧＳＯ
端末６６を指示し、一方、ＮＧＳＯ地上端末６８の方向
のアンテナ・パターンにはヌルを与えることが好まし
い。こうすることにより、ＮＧＳＯ地上端末６８からの
あらゆる干渉も大幅に減少する。好ましくは、ＧＳＯ衛
星６２のアンテナ・パターンにおける他のヌルを、ＮＧ
ＳＯ衛星６０に方向付け、これを追跡する。これを行う
ために、ＤＢＦ受信および／または送信係数を継続的に
調節することにより、ＮＧＳＯ衛星６０が移動する際
に、ＮＧＳＯ衛星６０の方向にヌルを維持する。このよ
うにして、これらのヌルは動的に制御される。
【００３６】ヌルは、ＮＧＳＯ端末６８に方向付けられ
るアンテナ・パターンに配置される。ＮＧＳＯ端末６８
は、通常、ＮＧＳＯ衛星が頭上にあるときに一度だけ送
信および受信を行う。したがって、ＧＳＯ衛星６２の送
信および受信アンテナ・パターンにおけるヌルは、ＮＧ
ＳＯ端末６８に応じて、オンおよびオフに切り替えるこ
とができる。ＧＳＯ衛星６２の受信および送信アンテナ
・パターンにおけるヌルの位置決めによって、２つのシ
ステムがスペクトルを共有することができる。本発明の
好適実施例では、送信および受信ヌルは、同様の方向に
配置される。方向情報は、図１の受信ＤＢＦコントロー
ラ３６および送信ＤＢＦコントローラ４８間で共有する
ことが好ましい。
【００３７】一好適実施例では、アンテナ・ヌルを方向
付ける方向は、干渉信号からの到達情報の方向を用いて
決定される。ＧＳＯ衛星６２のＤＢＦは、好ましくは２
種類の信号、即ち、相乗(synergistic) 信号および非相
乗(non-synergistic) 信号を求めて、その視野を監視す
る。相乗信号は、特性が既知の信号である。好ましく
は、これら相乗干渉信号は、ＧＳＯ衛星６２においてベ
ースバンド・レベルで復調し、これにしたがって送信お
よび受信デジタル・ビーム形成係数を調節し、この干渉
信号の受信を減少させ、最少化を図る。非相乗信号、即
ち、未知の信号の場合、基本的な到達方向技法を用い
て、これらの信号からの干渉を緩和する。
【００３８】本発明のデジタル・ビーム形成装置は、Ｎ
ＧＳＯ衛星６０上でも用いることができ、ＧＳＯ端末６
６および干渉信号源６４の方向にヌルを与える。
【００３９】本発明の利点の１つに、スペクトルの共有
を改善し、静止衛星の密度を高めることがあげられる。
例えば、図１に示したデジタル・ビーム形成装置の使用
を通じて、静止衛星を、２°未満だけ分離された軌道ス
ロット上に配置することができる。例えば、通信端末が
それに指定された静止衛星と通信している場合、静止衛
星の各々は獲得チャネル情報を同報通信している。通信
端末のアンテナは視野内の衛星各々からこの情報を受信
する。獲得チャネルが、周波数のように、いずれかの方
法で分離可能な場合、地上端末は各獲得チャネルを受信
し、獲得信号各々の到達方向を判定することが好まし
い。デジタル・ビーム形成装置は、静止衛星の地上端末
において採用される場合、その送信および受信アンテナ
・ビーム特性を調節し、その主アンテナ・ビームを所望
の静止衛星に対して差し向け、一方、他の静止衛星の方
向にはヌルを方向付けることが好ましい。到達方向は、
とりわけ、通信端末の位置に関連する情報を用いて判定
すればよい。
【００４０】超分解技法(super resolution technique)
はこれらの信号の分解能を、アンテナ・ビーム幅の約１
／１０だけ分離することができる。このような細かい分
離を維持するためには、高い信号対ノイズ比の値が望ま
しい。したがって、地上局に適切な量のアレイ素子２２
（図１）を設けることによって、容認可能な信号対ノイ
ズ比、および適切なアンテナ・ビーム利得特性を得るこ
とができる。
【００４１】本発明の他の実施例では、静止衛星に搭載
して具体化したデジタル・ビーム形成装置がアンテナの
整合を維持する。例えば、ＧＳＯ衛星はその軌道位置に
おいてゆっくりとドリフトする。典型的に衛星上に局を
保持するには、衛星の位置を維持する必要がある。ＧＳ
Ｏ衛星はドリフトするので、そのアンテナ・ビームはそ
れらの意図する指示方向から外れ、典型的に、システム
制御設備からの周波数トーンの送信に基づく種々の整合
技法を用いて衛星アンテナの指示方向を整合し直す。反
射器またはレンズ・アンテナに基づくＧＳＯ衛星アンテ
ナ・システムは、アンテナまたはアンテナ・フィードを
物理的に動かすことによって、これらの移動を補正す
る。かかる技法は、アンテナ素子を可動構造上に記す(n
ote)ことを必要とする。本発明のデジタル・ビーム形成
装置は、これら機械的構造の必要性をなくするものであ
る。デジタル・ビーム形成装置は、ビーム指示方向を、
静止衛星がドリフトするのにしたがって補正する。この
補正は、好ましくは、送信または受信信号品質レベルの
使用に基づいて行う。
【００４２】図４は、本発明によるデジタル・ビーム形
成装置を用いて、個々のアンテナ・ビームを供給する衛
星を示す。衛星５０は、静止衛星または非静止衛星のい
ずれでもよい。衛星５０には、フットプリント領域(foo
tprint region)が関連付けられている。フットプリント
領域とは、衛星が通信サービスを提供する地理的領域の
ことである。衛星５０は、フットプリント領域５３内か
らの信号に対して、１本のアンテナ・ビームでこのフッ
トプリント領域５３に対応することができ、通信サービ
スに対する要求の監視，干渉監視およびサービスを要求
する加入者ユニットの監視を含む。また、衛星５０は、
フットプリント領域５３内に、複数の個別アンテナ・ビ
ーム５２も供給する。本発明によるデジタル・ビーム形
成装置は、これらのアンテナ・ビームを供給するように
構成されている。別個のアンテナ・ビーム５２は、種々
の方法で供給され、好ましくは、個々の加入者ユニット
に供給される。また、別個のアンテナ・ビーム５２は、
通信サービスに対する要求に応答して供給される。別個
のアンテナ・ビーム５２は、フットプリント領域５３全
体にわたる加入者ユニットの移動を追跡する。これらに
ついては、以下の手順で、更に詳細に説明する。
【００４３】図５は、本発明の好適実施例によるデジタ
ル・ビーム形成装置を用いた、アンテナ・ビームの地表
の一部上への投影を示す。この実施例では、アンテナ・
ビームは、通信サービスの需要に応答して供給される。
トラフィック要求に適応する機能は、あらゆる衛星シス
テムにおいても非常に望まれるものである。図１のデジ
タル・ビーム形成装置１０は、アンテナ・ビーム・パタ
ーン内にヌルの配置を行い、ビーム整形を行い、これら
のデジタル・ビーム形成技法の使用を通じて動的に変更
される他のビーム特性を与える。本発明の好適実施例で
は、デジタル・ビーム形成装置１０は、図５に示すよう
な、動的に再構成可能なアンテナ・パターンを供給す
る。これらの例としてあげたアンテナ・ビーム・パター
ンは、現在のトラフィック需要を基準とする。例えば、
アンテナ・ビーム７４は、通信サービスの需要が少ない
大領域にわたって広い有効範囲を備えており、一方アン
テナ・ビーム８０は小さく、通信サービスに対する需要
が高い領域において、高い濃度の通信容量を提供する。
【００４４】他の実施例では、アンテナ・ビームは、通
信サービスの需要に応答して整形される。アンテナ・ビ
ーム７４の変更および整形を行い、例えば、海のような
通信サービスに対する需要が事実上ない領域に隣接す
る、通信サービスに対する需要が高い地理的領域の輪郭
を近似する。したがって、通信容量は、それを必要とす
る所に集中させることができる。好適実施例では、アン
テナ・ビーム７０は、通信サービスの需要に応答して、
リアル・タイムで動的に構成される。しかしながら、本
発明の他の実施例では、アンテナ・ビームは、通信サー
ビスに対する需要の履歴および測定に基づいて供給す
る。
【００４５】図６および図７は、本発明の好適実施例に
よる干渉緩和およびアンテナ・ビーム割り当て手順を示
すフローチャートである。手順１００は、上から下に連
続するフローとして示しているが、図１のデジタル・ビ
ーム形成装置１０が実行するステップを例示することを
意図したものである。ここに示すタスクおよびステップ
の多くは、並列に実行することが好ましく、手順１００
は、多くの加入者ユニットおよび干渉信号に対して同時
に実行することが望ましい。当業者は、手順１００のタ
スクを実行するための受信ＤＢＦコントローラ３６およ
び送信ＤＢＦコントローラ４８のソフトウエアを書くこ
とができる。好ましくは、手順１００は、受信ＤＢＦコ
ントローラ３６および送信ＤＢＦコントローラ４８によ
って、ビーム・コントローラ・モジュール３４，４２と
共に実行される。ソフトウエアは、ＤＢＦコントローラ
３６，送信ＤＢＦコントローラ４８，およびビーム・コ
ントローラ・モジュール３４内に埋め込まれ、ここに記
載する機能を実行する。手順１００の部分は、他の衛星
または地上局上のプロセッサによって、図１に示す衛星
部分と共に、同時に実行してもよい。手順１００は、衛
星および地上を基本とする加入者ユニット間の通信につ
いて説明するが、中継局や通信端末を含むあらゆる通信
局にも手順１００は適応可能である。
【００４６】タスク１０２において、通信局は、好まし
くは衛星のフットプリント内で、信号を聴取する。好ま
しくは、受信ビーム・コントローラ・モジュール３４
は、衛星フットプリント全体をほぼ覆う少なくとも１つ
の広いアンテナ・ビームを供給するように、アンテナ・
ビームを構成する。したがって、この１つのアンテナ・
ビーム上においてこのフットプリント内のどこからでも
信号が受信される。受信された信号は、この衛星システ
ムと既に通信している既存のユーザからの信号、干渉信
号、例えば、干渉信号を含む非システム・ユーザからの
信号，およびシステムへのアクセスを要求しているシス
テム・ユーザからの信号を含む場合がある。
【００４７】タスク１０４は、信号が既存のユーザから
のものであるか否かについて判定を行う。通常、既存の
ユーザの位置はわかっている。受信した信号が既存のユ
ーザからではない場合、タスク１０６が、その信号源の
位置を判定する。当業者は、信号源の地理的位置を判定
するためには、様々な方法が使用可能であることを認め
よう。これらの方法は、到達角度，到達時刻，到達周波
数などの分析を含む。あるいは、信号源が、システムへ
のアクセスを要求するユーザである場合、その加入者ユ
ニットは、そのシステム・アクセス要求信号上に地理的
座標を備えてもよい。
【００４８】一旦信号源の位置が判定したなら、タスク
１１０は、この信号が干渉信号であるか否かについて判
定を行う。言い換えれば、タスク１１０は、信号源が、
衛星システムに割り当てられたスペクトルの一部を干渉
するか否か、あるいは、干渉信号は、衛星と通信中の加
入者ユニットによって現在使用中の通信チャネルである
の否かについて判定を行う。タスク１１０が、信号源が
干渉信号ではなく、信号源が新しいチャネルに対する要
求であると判定した場合、タスク１１２はアンテナ・ビ
ームをそのユーザに割り当てる。タスク１１２は、種々
のセキュリティおよびアクセス要求手順を用いることが
できるが、これは本発明には必ずしも重要ではない。好
適実施例では、受信および送信ＤＢＦコントローラ３
６，４８が、適切な情報をビーム制御モジュール３４，
４２に供給することによって、タスク１１２を実行す
る。
【００４９】ビーム制御モジュール３４，４２は、受信
および送信ＤＢＦネットワーク３２，４０に、当該加入
者ユニットの地理的位置にある加入者ユニットに向け
て、個々の受信および送信アンテナ・ビームを発生させ
る。タスク１１４，１１６は、好ましくは、ＤＢＦ送信
および受信係数を繰り返し調節し、加入者ユニットから
受信する信号品質の改善を図る。
【００５０】本発明の一実施例では、加入者ユニット
は、受信信号の品質を示す、リンク品質インディケータ
（ＬＱＩ）を供給する。加入者ユニットは、このリンク
品質インディケータを衛星に供給する。リンク品質イン
ディケータは、受信したＤＢＦコントローラ３６および
送信ＤＢＦコントローラ４８が評価し、送信ビーム制御
モジュール４２にＤＢＦ制御係数を調節させることによ
り、加入者ユニットへの送信アンテナ・ビームの最適化
を図る。
【００５１】タスク１１０において、信号源が干渉信号
源、例えば、非システム・ユーザであると判定された場
合、タスク１１８およびタスク１２０は、受信ＤＢＦネ
ットワーク３２に供給された受信ＤＢＦ係数の計算およ
び調節を行い、干渉信号からの干渉の低減または最少化
を図る。本発明の一実施例では、タスク１１８は、干渉
信号の方向には、アンテナ・パターンに「ヌル」を配置
する。好適実施例では、干渉が所定レベル未満になるま
で、タスク１１８，１２０を繰り返す。タスク１２２に
おいて、衛星が移動するに連れてあるいは干渉信号が移
動するに連れて、干渉信号を継続的に監視し追跡する。
【００５２】タスク１０４が、信号源が既存のユーザで
あると判定した場合、タスク１２４はいつハンドオフが
要求されるかについて判定を行う。本発明の実施例の中
には、加入者ユニットがハンドオフを要求するものがあ
り、一方、本発明の他の実施例には、システムがハンド
オフを必要とするときを判定するものもある。好ましく
は、ハンドオフは、信号品質に基づいて判定する。通
常、ハンドオフが要求されるのは、ユーザがアンテナ・
パターンのフットプリント領域の縁部、即ち、除外帯(e
xlusion zone) 付近にいる場合である。
【００５３】本発明の一好適実施例では、アンテナ・ビ
ームは個々に加入者ユニットに供給され、個々のアンテ
ナ・ビームが加入者ユニットの位置を追跡する。したが
って、ハンドオフは衛星間で行われ、衛星のフットプリ
ントの縁部において必要となる。ハンドオフが必要とな
った場合、タスク１１２を実行し、他の衛星からの新し
いアンテナ・ビームをユーザに割り当てる。ハンドオフ
が要求されない場合、タスク１２８を実行する。タスク
１２８において、受信した電力レベルおよびリンク品質
メトリクス(link quality metrics)と共に、帯域内干渉
を監視する。
【００５４】タスク１３２において、受信および送信Ｄ
ＢＦ係数を調節し、改善した信号品質、即ち、最大信号
品質の維持を図り、帯域内干渉の減少または最少化を図
り、更に受信電力レベルの最大化を図る。この「追跡」
モードの間、追加の干渉信号１３０が、信号品質の低下
の原因となる場合がある。このため、タスク１３２がＤ
ＢＦ係数を動的に再調節し、信号品質の維持を図る。本
発明の一実施例では、リンク品質インディケータ１３１
は、通信端末または加入者ユニットによって供給され
る。したがって、タスク１２８ないし１３２の組み合わ
せによって、加入者ユニットおよび衛星間の相対的な位
置が変化するのにしたがって、加入者ユニットの追跡が
行われる。タスク１３４は、いつハンドオフが要求され
るかについて判定を行う。ハンドオフが要求されない場
合、加入者ユニットは追跡モードに留まる。ハンドオフ
が要求されると、タスク１３６が、次の衛星へのハンド
オフを実行する。本発明の一実施例では、次の衛星に
は、ハンドオフが要求されたことが通知され、加入者ユ
ニットの地理的位置が供給される。このようにして、次
の衛星は、加入者ユニットがその現衛星から放逐される
前に、この加入者ユニットに特定して、アンテナ・ビー
ムを割り当て、発生することができる。一旦加入者ユニ
ットが次の衛星にハンドオフされたなら、タスク１３８
が使用可能なアンテナ・ビームをその資源管理部(resou
rce pool) に追加し、このアンテナ・ビームを他の加入
者ユニットに割り当てるために使用可能とする。
【００５５】図８は、通信サービスの要求に応答して、
アンテナ・ビームを地理的領域に供給する手順を示すフ
ローチャートである。手順２００は、上から下への連続
的なフローとして示しているが、図１のデジタル・ビー
ム形成装置１０が実行するステップを例示しようとする
ものである。図示するタスクおよびステップの多くは、
並列に実行することが好ましく、手順２００は多くの加
入者ユニットに対して同時に実行されることが望まし
い。当業者は、手順２００のタスクを実行するために、
受信ＤＢＦコントローラ３６および送信ＤＢＦコントロ
ーラ４８のソフトウエアを書くことができる。手順２０
０のタスクは、受信および送信ＤＢＦコントローラ３
６，４８によって、連続的に実行することが好ましい。
手順２００の説明は衛星および地上を基本とする加入者
ユニット間の通信について行うが、手順２００は、中継
局および通信端末を含む、あらゆる通信局に適用可能で
ある。タスク２０２において、衛星のフットプリント領
域内において通信サービスの要求を監視する。好適実施
例では、１つのアンテナ・ビームを用いて、フットプリ
ント全体にわたる要求を監視する。タスク２０４におい
て、需要が多い地理的領域および需要が少ない地理的要
求の位置を判定する。タスク２０４は、多数の方法のい
ずれでも実行可能である。例えば、システムと通信する
各加入者ユニットは、地理的位置が関連付けられてい
る。更に、システムへのアクセスを要求する各加入者ユ
ニットは、システムに地理的位置データを供給する。一
旦多需要地域および少需要地域の地理的位置を判定した
なら、タスク２０６はＤＢＦビーム制御モジュールに、
少需要地域に供給するアンテナ・ビームを減少させ、多
需要地域に供給するアンテナ・ビームを増加させる。本
発明の一実施例では、各アンテナ・ビームが供給する通
信容量には限度がある。
【００５６】図５を参照すると、少需要地域には、多需
要地域に供給されるアンテナ・ビームよりも遥かに大き
な有効領域を有するアンテナ・ビームが供給されてい
る。例えば、図５のアンテナ・ビーム７４は、現在通信
サービスに対する需要が少ない、大きな地理的領域を覆
う。一方、アンテナ・ビーム８０は、格段に小さい地理
的有効領域を有し、現在通信サービスに対する需要が多
い領域に、より多い通信容量を与える。本発明の他の実
施例では、タスク２０６，２０８は、通信サービスに対
する要求に基づいて、アンテナ・ビームの形状を調節す
る。例えば、図５を参照すると、アンテナ・ビーム７４
は、通信サービスに対する有効領域と区域が一致するよ
うに形成された細長いビームとなっている。例えば、沿
岸領域では、通信容量が殆ど全く要求されない海上では
通信容量を減少するように狭いビームを供給する。本実
施例では、アンテナ・ビーム７４は、通信サービスに対
する需要に応答して、動的に整形することが好ましい。
【００５７】通信サービスに対する需要が変わると、そ
れに応答して動的にアンテナ・ビーム７０を供給する。
例えば、図５は、米国における通信サービスの大陸図を
示す。１日が始まると、まずアンテナ・ビームは米国の
東海岸に沿って供給される。１日の時間が進むに連れ
て、アンテナ・ビームは、通信サービスに対する需要に
応答して、１日の時間の変化と共に国土を横切って遷移
する。通信サービスに対する需要が極端に大きくなる可
能性のある自然災害の場合、専用のアンテナ・ビームを
供給してもよい。衛星制御設備が衛星のデジタル・ビー
ム形成装置１０を指揮し、それに応じてビームを割り当
ててもよい。通常、アンテナ・ビーム７０は、オペレー
タの補助を受けずに、通信サービスに対する需要の変化
に応答して供給することが好ましい。
【００５８】図９は、本発明の実施例によるデジタル・
ビーム形成装置のブロック図である。ビーム形成装置
は、複数の計算ユニット（ＣＵ）１６０〜１７６および
複数の加算プロセッサ１８０〜１８４を含む。計算ユニ
ット１６０〜１７６は、プロセッサ・アレイを形成す
る。プロセッサ・アレイ内の各列は、対応するデジタル
信号を受信する。デジタル信号を受信すると、各計算ユ
ニットは独立して信号に重み付けを行い、重み付け信号
を発生する。加算プロセッサ１８０〜１８４は、各行に
よって発生された重み付け信号を加算し、出力を生成す
る手段を与える。本質的に、各出力信号は重み付け和(w
eighted sum)を表わす。デジタル・ビーム形成装置のア
ーキテクチャは、離散フーリエ変換の高速並列計算に適
している。
【００５９】図１０は、図９のデジタル・ビーム形成装
置において使用可能な計算ユニットの第１実施例を表わ
すブロック図を示す。この計算ユニットは、乗算器１９
０およびメモリ回路１９２を含む。計算ユニットは、入
来するデジタル信号に、メモリ回路１９２に格納されて
いる、予め計算してある重み値を乗算することによっ
て、この入来デジタル信号に重み付けを行う。乗算器１
９０の出力は、重み付け信号を表わす。
【００６０】メモリ回路１９２は、ＲＯＭ（リード・オ
ンリ・メモリ），ＥＥＰＲＯＭ（電気的消去可能プログ
ラム可能リード・オンリ・メモリ），ＤＲＡＭ（ダイナ
ミック・ランダム・アクセス・メモリ），またはＳＲＡ
Ｍ（スタティック・ランダム・アクセス・メモリ）のよ
うに、値を格納し、その内容がデジタル・ビーム制御モ
ジュール３４，４２（図１）によって更新可能な手段で
あればいずれでもよい。
【００６１】図１１は、図９のデジタル・ビーム形成装
置において使用可能な計算ユニットの第２実施例を表わ
すブロック図を示す。計算ユニットのこの実施例では、
入来する信号に重み付けを行う際に、対数系（ＬＮＳ:l
ogarithmic number system）算術演算を用いている。Ｌ
ＮＳに基づく算術演算は、乗算処理を行う際に乗算器の
代わりに加算器を用いることができるので、有利であ
る。デジタル加算回路は、それに匹敵する乗算回路より
も大幅に小型であるので、ＬＮＳに基づく計算ユニット
を組み込むことによって、ビーム形成プロセッサ・アレ
イの小型化が可能となる。
【００６２】ＬＳＮに基づく計算ユニットは、対数変換
器２１０，加算器２１２，メモリ回路２１４，および逆
対数（ｌｏｇ-1）変換器２１６を含む。入来信号は、ま
ず、対数変換器２１０によって、それぞれの対数信号に
変換される。次に、加算器２１２は、対数信号とメモリ
回路２１４からの対数化重み値とを加算し、和を生成す
る。次に、この和を、逆対数変換器２１６によって、重
み付け信号に変換する。
【００６３】対数変換器２１０および逆対数変換器２１
６は、先に明らかにした関連出願第１号ないし第４号の
同時係属中の米国特許出願に記載されている変換器のい
ずれかを用いて実施可能である。
【００６４】図１２は、図９のデジタル・ビーム形成装
置において使用可能な計算ユニットの第３実施例を表わ
すブロック図を示す。計算ユニットのこの実施例は、復
素信号に重み付けを行おうとするものである。多くの用
途では、復素デジタル信号のＩおよびＱ成分は、１対の
３ビット・ワードで表わされる。短いワード長に制限さ
れている訳ではないが、図１２の計算ユニットは、集積
回路を用いて実施された場合に、必要な電力および空間
が少なくて済むので、かかる用途において利点が得られ
る。
【００６５】計算ユニットは、第１スイッチ２２０，第
１メモリ回路２２２，第２スイッチ２２４，第２メモリ
回路２２６，減算器２２８，および加算器２２１を含
む。第１メモリ２２２は、虚部の重みに基づく第１予備
計算値を格納する。第２メモリ２２６は、実部の重みに
基づく第２予備計算値を格納する。この計算ユニットの
目的は、これら２つの複素数の乗算を行うことである。
第１メモリ２２２は、虚部の重みに対する予備計算値Ｉ
およびＱを格納し、一方、第２メモリ２２６は、実部の
重みに対する予備計算値ＩおよびＱを格納する。３ビッ
ト・ワードを用いて復素成分および重みを表わす場合、
各メモリに８個の６ビット・ワードを格納する必要があ
ることは、当業者には明白であろう。
【００６６】第１スイッチ２２０は、ＩまたはＱ成分の
いずれかを用いて第１メモリ回路２２２にアドレスし、
第１予備計算値の１つを、第１メモリ回路出力として選
択する手段を与える。第２スイッチ２２４は、Ｉまたは
Ｑ成分のいずれかを用いて第２メモリ回路２２６にアド
レスし、第２予備計算値の１つを第２メモリ回路出力と
して選択する手段を与える。
【００６７】減算器２２８は、第２メモリ出力から第１
メモリ出力を減算し、重み付け同相成分を発生し、次に
これを重み付け信号に含ませる。加算器２２１は、第１
メモリ出力および第２メモリ出力を加算し、重み付け直
交成分を発生し、これも次に重み付け信号に含ませる。
【００６８】計算ユニットの一実施例では、減算器２２
８は、２の補数を加算可能な加算器を含む。予備計算値
は、２の補数値としてメモリに格納するか、あるいは追
加の論理回路を計算ユニット内に配し、予備計算値をそ
れぞれの２の補数値に変換する。
【００６９】好ましくは、減算器２２８は、１にセット
されたキャリー入力を有する加算器および反転器を含む
ことにより、第２メモリ出力の１の補数を形成する。加
算器は、キャリー入力および１の補数値を加算すること
により、第２メモリ出力の２の補数値を効果的に利用す
る。
【００７０】図１３は、図９のデジタル・ビーム形成装
置において使用可能な加算プロセッサの一実施例を表わ
すブロック図である。この加算プロセッサの特定実施例
は加算器ツリー(adder tree)２３０から成る。加算器ツ
リー２３０は、３つ以上の入力信号を同時に加算可能と
なるように互いに接続された加算器を含む。図１３に示
す加算ツリー形状(adder tree topology) を用いる場
合、Ｎ個の入力を加算するために、Ｎ−１個の加算器を
必要とする。図１３に示す例に関して、８個の入力信号
を同時に受信可能であり、したがって、７個の加算器が
加算器ツリー２３０には必要となる。これより多い数の
入力信号を加算したい場合、一層多い加算器が必要とな
る。例えば、１２８個の入力信号を加算するためには、
加算器ツリーは１２７個の加算器を必要とする。加算器
ツリー２３０は、出力和を供給する遅れが短いので、利
点がある。
【００７１】図１４は、図９のデジタル・ビーム形成装
置において使用可能な加算プロセッサの第２実施例を表
わすブロック図を示す。この加算プロセッサの実施例
は、複数の加算器２４０〜２４８，複数の遅延回路２５
０〜２５４，およびリップル加算器(ripple adder)２５
６を含む。この加算プロセッサの形状は、これに匹敵す
る加算器ツリーよりも、最終的な和を発生するのに必要
な時間は長くなる可能性があるが、集積回路において実
施する場合、必要な面積が狭くて済む。
【００７２】加算器２４０〜２４８の各々は、同一行に
位置する計算ユニット群からの重み付け信号を加算し、
重み付け和信号を生成する。加算器は、加算ツリーや、
連続的に入力を加算するアキュミュレータのように、重
み付け信号を加算する手段であれば、いかなるものでも
含むことができる。
【００７３】遅延回路２５０〜２５４は、所定時間重み
付け和信号をバッファすることによって、遅延信号を生
成する。通常、重み付け信号は、ほぼ同時に加算器の出
力に生成される。重み付け信号を正しく加算するために
は、プロセッサ行の下流部分において発生される重み付
け信号を遅延させる必要がある。遅延時間は、プロセッ
サ列内の計算ユニット群の位置の関数となる。
【００７４】リップル加算器２５６は、２つ以上のカス
ケード接続された加算器２５８〜２６４を含み、遅延信
号および最初の２つの重み付け和を加算する。リップル
加算器２５６の出力は、所与のプロセッサ行における全
重み付け信号の総和を表わす。
【００７５】図１５は、本発明の第２実施例による、デ
ジタル・ビーム形成装置のブロック図を示す。ビーム形
成装置のこの実施例は、対数変換器２７０，複数の計算
ユニット２７２〜２８８，逆対数変換器２９０，および
複数の加算プロセッサ２９２〜２９６を含む。計算ユニ
ット２７２〜２８８は、プロセッサ・アレイを形成す
る。入来するデジタル信号は、最初に対数変換器２７０
によって対数信号に変換される。プロセッサ・アレイ内
の各列は、対応する対数信号を受信する。対数信号を受
信すると、各計算ユニットは独立して信号に重み付けを
行い、加算信号を発生する。次に、逆対数変換器２９０
によって加算信号を重み付け信号に変換する。各プロセ
ッサ行に対して、加算プロセッサ２９２〜２９６の１つ
によって重み付け信号をそれぞれ加算し、出力信号を発
生する。
【００７６】対数変換器２７０および逆対数変換器２９
０は、先に明らかにした同時係属中の米国特許出願に記
載されている変換器のいずれかを用いて実施可能であ
る。本手法はＩおよびＱ領域において説明したが、同様
の技法は極領域においても同様に適用可能である。
【００７７】上述の特定実施例の説明は、本発明の全体
的な性質を余すところ無く明らかにするので、他の者
は、現在の知識を適用することにより、包括的な概念か
ら逸脱することなく、種々の用途のための変更および／
または適合化をかかる特定実施例に容易に行うことがで
きよう。したがって、かかる適合化および変更は、開示
された実施例の意味および均等物の範囲に含まれるべき
であり、そのように意図するものである。
【００７８】また、ここで採用した表現や用語は、記載
の目的のためのものであり、限定を意味するものではな
い。したがって、本発明は、特許請求の範囲の精神及び
広範な範囲に該当する、かかる代替物，変更物，均等物
および変形を全て包含することを意図することとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施例による、デジタル・ビーム
形成装置を組み込んだ衛星受信機部分および送信機部分
を示すブロック図。
【図２】本発明の好適実施例による、デジタル・ビーム
形成装置を含む、地上端末およびアンテナ・アレイを示
すブロック図。
【図３】非静止衛星とスペクトルを共有する、本発明の
好適実施例によるデジタル・ビーム形成装置を用いた、
静止衛星を示す図。
【図４】本発明によるデジタル・ビーム形成装置を用い
た個々のアンテナビームを供給する衛星を示す図。
【図５】通信サービスに対する要求に応答する、本発明
の好適実施例によるデジタル・ビーム形成装置を用い
た、地球表面上におけるアンテナ・ビームの投影を示す
図。
【図６】本発明の好適実施例による、干渉緩和およびア
ンテナ・ビーム割り当て手順を示すフロー・チャート。
【図７】本発明の好適実施例による、干渉緩和およびア
ンテナ・ビーム割り当て手順を示すフロー・チャート。
【図８】通信サービスに対する要求に応答し、アンテナ
・ビームを地理的領域に提供するための手順を示すフロ
ー・チャート。
【図９】本発明の好適実施例によるデジタル・ビーム形
成装置を示すブロック図。
【図１０】本発明の好適実施例のデジタル・ビーム形成
装置において用いて好適な計算ユニットの第１実施例を
表わすブロック図。
【図１１】本発明の好適実施例のデジタル・ビーム形成
装置において用いて好適な計算ユニットの第２実施例を
表わすブロック図。
【図１２】本発明の好適実施例のデジタル・ビーム形成
装置において用いて好適な計算ユニットの第３実施例を
表わすブロック図。
【図１３】本発明の好適実施例のデジタル・ビーム形成
装置において用いて好適な加算プロセッサの第１実施例
を表わすブロック図。
【図１４】本発明の好適実施例のデジタル・ビーム形成
装置において用いて好適な加算プロセッサの第２実施例
を表わすブロック図。
【図１５】本発明の第２実施例によるデジタル・ビーム
形成装置を示すブロック図。
【符号の説明】
１０ デジタル・ビーム形成装置 ２０ アレイ・アンテナ ２６ 受信機モジュール群 ２８ アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器 ３２ 受信デジタル・ビーム形成（ＤＢＦ）ネットワ
ーク ３４ 受信ビーム制御モデュール ３５ ビーム・チャネライザ ３６ 受信ＤＢＦコントローラ ３８ データ・パケット交換素子群 ３９ クロスリンク・アンテナ群 ４０ 送信ＤＢＦネットワーク ４２ 送信ビーム制御モジュール ４４ デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器 ４５ ビーム・シンセサイザ・モジュール群 ４６ 送信機モジュール ４８ 送信ＤＢＦコントローラ ５０ 衛星 ５３ フットプリント領域 ６０ 非静止（ＮＧＳＯ）衛星 ６２ 静止（ＧＳＯ）衛星 ６４ 干渉信号源 ６６ ＧＳＯ地上端末 ６８ ＮＧＳＯ端末 ７０ アンテナ・ビーム ７４ アンテナ・ビーム ８０ アンテナ・ビーム ８９ アレイ・アンテナ ９０ 通信端末 ９１ アイソレータ ９２ 受信モジュール群 ９３ 送信モジュール群 ９４ 送信デジタル・ビーム形成ネットワーク ９５ デジタル信号プロセッサ ９７ メモリ素子 ９８ 受信デジタル・ビーム形成ネットワーク ９９ デジタル・ビーム形成コントローラ １６０〜１７６ 計算ユニット（ＣＵ） １８０〜１８４ 加算プロセッサ １９０ 乗算器 １９２ メモリ回路 ２１０ 対数変換器 ２１２ 加算器 ２１４ メモリ回路 ２１６ 逆対数（ｌｏｇ-1）変換器 ２２０ 第１スイッチ ２２１ 加算器 ２２２ 第１メモリ回路 ２２４ 第２スイッチ ２２６ 第２メモリ回路 ２２８ 減算器 ２３０ 加算器ツリー ２４０〜２４８ 加算器 ２５０〜２５４ 遅延回路 ２５６ リップル加算器 ２７０ 対数変換器 ２７２〜２８８ 計算ユニット ２９０ 逆対数変換器 ２９２〜２９６ 加算プロセッサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 セルジオ・アグイレ アメリカ合衆国アリゾナ州フェニックス、 イースト・シルバーウッド・ドライブ809

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】デジタル・ビーム形成装置（ＤＢＦ）を有
    するアレイ・アンテナを用いて通信局と通信する方法で
    あって、前記アレイ・アンテナは、アンテナ・フットプ
    リント領域内において方向制御可能なアンテナ・ビーム
    を供給する複数の放射素子を有し、前記ＤＢＦは、前記
    方向制御可能なアンテナ・ビームの特性を制御するため
    の係数を各放射素子に供給し、前記方法は：前記方向制
    御可能なアンテナ・ビームの１つにおいて前記通信局か
    ら通信信号を受信する段階；および受信した通信信号の
    信号品質を改善するために前記係数を調節する段階；か
    ら成り、 前記受信した通信信号を受信する段階は、更に、前記各
    放射素子から受信した前記通信信号を、デジタルＩおよ
    びＱ信号に変換する段階；および前記係数を用いて、前
    記デジタルＩおよびＱ信号の各々をアンテナ・ビーム・
    デジタル信号に変換し、各アンテナ・ビーム・デジタル
    信号が１つの方向制御可能なアンテナ・ビームを表わ
    す、段階から成り、 前記通信信号を受信する段階に先だって、前記通信局に
    よる通信チャネルに対する要求を受信する段階；前記要
    求に応答して、前記通信局の方向を判定する段階；およ
    び前記係数を発生することによって、前記通信局の前記
    方向に、前記１つの方向制御可能なアンテナ・ビームを
    形成する段階；を行うことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】デジタル・ビーム形成装置（ＤＢＦ）を有
    するアレイ・アンテナを用いて加入者ユニットと通信す
    る方法であって、前記アレイ・アンテナは、地球表面上
    のアンテナ・フットプリント領域内において複数の方向
    制御可能なアンテナ・ビームを供給する複数の放射素子
    を有し、前記ＤＢＦは、前記方向制御可能なアンテナ・
    ビームの特性を制御するための係数を各放射素子に供給
    し、前記方法は：前記方向制御可能なアンテナ・ビーム
    の１つにおいて前記加入者ユニットに通信信号を送信す
    る段階；前記加入者ユニットが受信した前記通信信号の
    品質を示すリンク品質インディケータ（ＬＱＩ）を、前
    記加入者ユニットから受信する段階；および前記加入者
    ユニットに送信された通信信号に対する前記ＬＱＩに基
    づいて、前記係数を調節し前記通信信号の品質を改善す
    る段階；から成ることを特徴とする方法。
  3. 【請求項３】複数の放射素子を有するアンテナ・アレイ
    を備えた加入者ユニットであって：各放射素子にデジタ
    ルＩおよびＱ信号を供給するデジタル・ビーム形成装置
    （ＤＢＦ）；および前記デジタルＩおよびＱ信号を各放
    射素子に対するアナログ信号に変換する送信部；から成
    り、 前記ＤＢＦは：方向制御可能な送信アンテナ・ビームを
    形成する送信係数を各放射素子に供給する送信ビーム制
    御モジュール；および前記送信ビーム制御モジュールに
    前記送信係数を調節させ、通信局に送信される通信信号
    の信号品質を改善するコントローラ；を更に含むことを
    特徴とする加入者ユニット。
  4. 【請求項４】複数の放射素子を有するアレイ・アンテナ
    を備えた加入者ユニットであって：各放射素子からのア
    ナログ信号をデジタルＩおよびＱ信号に変換する受信機
    部分；およびデジタル・ビーム形成装置（ＤＢＦ）：か
    ら構成され、前記ＤＢＦは：受信デジタル・ビーム形成
    係数を調節し、方向制御可能な受信アンテナ・ビームを
    形成する受信ビーム制御モジュール；および前記受信ビ
    ーム制御モジュールに、前記受信デジタル・ビーム形成
    係数を調節させ、通信局から受信される通信信号の信号
    品質を改善するコントローラから成る前記ＤＢＦ；から
    成ることを特徴とする加入者ユニット。
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