KR20010031643A - 항공 스위칭 노드를 사용하는 무선 통신 - Google Patents

항공 스위칭 노드를 사용하는 무선 통신 Download PDF

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KR20010031643A
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KR1020007004696A
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마틴제임스엔.
랭스톤제이.릴렌드
Original Assignee
토마스 디. 하이드
레이데온 컴퍼니
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Abstract

본 발명의 통신 시스템은 서비스 지역 내에 위치한 다양한 지상 기지용 디바이스에 통신을 제공하는 공중 스위칭 노드를 지원하는 비행체를 포함한다. 상기 디바이스는 고객 소유 장비 및 사업자 소유 장비와 같은 가입자 디바이스는 물론 게이트웨이 디바이스를 포함한다.

Description

항공 스위칭 노드를 사용하는 무선 통신 {WIRELESS COMMUNICATION USING AN AIRBORNE SWITCHING NODE}
오늘날과 같은 정보 시대에서는, 증가하는 사용자의 요구를 만족시켜줄 만한 접속력 및 용량을 제공하는 통신 시스템이 필요하다. 원격 컴퓨터, 인터넷 브라우징, 멀티미디어 통신 및 기타 등등과 같은 데이터 집적 응용은 현존하는 통신 하부구조에 상당한 압력으로 작용하고 있다. 공중 스위칭 전화 네트워크(PSTN), 장거리 데이터 네트워크 및 다른 종류의 선진 유선 및 무선 네크워크도 상기 요구들을 만족시킬 수 없다.
증가해 가는 접속력 및 용량에 대한 하나의 해결책은 상기 현존하는 지상의 하부구조를 업그레이드하는 것이다. 새 지상 시스템은 개인 통신 서비스(PCS) 주파수 밴드, 케이블 텔레비젼용으로 설치된 동축 케이블에 존재하는 데이터 이동 또는 전화 네트워크용으로 설치된 꼬인 와이어 쌍에 존재하는 디지털 사용자 라인 서비스의 집합에서 무선 데이터 서비스를 포함한다. 상기 지상 해결책은 서비스의 제공을 개시하기 전에 상기 하부구조를 준비하고 설치하는데 상당한 시간을 요구한다. 또한 파괴, 번개, 임시 변화, 주파수 재배치 및 라디오 주파수(RF) 장비의 개조로 인하여 장비의 유지에 비용이 든다. 또한, 지상에서의 해결책은 지상 및 빌딩으로부터의 분산되는 방해로 야기된 레이레이 페이딩(Rayleigh fading)을 겪어야 하고 수신된 신호 강도에 극도의 변화를 보상하기 위하여 고 다이내믹 범위 및 미세한 장비를 요구한다.
증가하는 접속력 및 용량에 또 다른 접근은 기하동기 궤도(GEO) 및 저접지 궤도(LEO)에서 작동하는 인공위성에 기초한 하부구조를 업그레드하는 것이다. 지상 시스템과 같이, 인공위성 시스템은 종종 특히 큰 콘스트레이션(constellation) LEO 시스템을 완전히 배치시키는데 수년이 걸린다. 또한, 인공위성 시스템은 유지 또는 업그레이드를 위한 비용을 필요로 한다. 결과적으로, 인공위성 시스템은 강한 방사선 환경에서 적합하게 작동하도록 디자인된 증명된 통신 기술을 포함하며, 이는 상당한 시스템의 비용 증가 및 시스템의 용량 감소를 낳는다. 인공위성 시스템은 또한 제한된 무게 및 전력 용량의 단점을 가지며, 고밀도 지역에 서비스를 공급하기 위하여 필요한 회로 밀도를 제공하는데는 실패하고 있다.
본 발명은 무선 통신에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 항공 스위칭 노드를 사용한 무선 통신에 관한 것이다.
도 1은 항공 스위칭 노드(ASN)를 포함하는 통신 시스템을 도시한다.
도 2는 통신 시스템의 요소에 대한 상세도이다.
도 3은 다양한 통신 프로토콜 및 상기 ASN을 통하여 연결된 장비에 의해 지원되는 장비를 도시한다.
도 4는 비행체에 결합된 ASN을 도시한다.
도 5는 상기 ASN의 요소에 대한 상세도이다.
도 6은 상기 ASN과 통신하는 장치의 요소에 대한 상세도이다.
도 7은 상기 통신 시스템의 서비스 영역을 도시한다.
도 8은 상기 통신 시스템에 사용되는 주파수 분할 다중통신 기술을 도시한다.
본 발명에 의하면, 기존 계발된 통신 시스템 및 방법과 관련하여 단점 및 문제점들을 상당히 제거하거나 감소하는 통신 시스템 및 방법을 제공된다. 특히, 본 발명은 항공 스위칭 노드를 사용한 무선 통신을 제공한다.
본 발명의 일실시예에서는, 많은 셀을 갖는 서비스 영역에 통신을 제공하는 시스템이 상기 서비스 영역 상으로 비행하는 비행체를 포함한다. 상기 비행체에 연결된 항공 스위칭 노드는 많은 빔을 상기 서비스 영역 내의 셀에 전자적으로 보내는 위상 어레이(phased-array) 안테나를 포함한다. 상기 항공 스위칭 노드는 또한 제1 셀로부터 제2 셀로의(또는 같은 셀에서 다른 가입자로의) 전송용 안테나로 수신된 데이터를 결합하는 스위치를 포함한다. 상기 서비스 영역의 셀 내에 위치한 많은 장치는 데이터를 상기 항공 스위칭 노드와 통신하도록 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는, 많은 셀을 갖는 서비스 영역에 통신을 제공하는 비행체 상에 위치한 항공 스위칭 노드가 많은 빔을 상기 서비스 영역 내의 셀에 전자적으로 향하도록 하는 위상 어레이 안테나를 포함한다. 스위치는 제1 셀로부터 제2 셀로의 전송용 안테나로 수신된 데이터를 결합한다. 페이로드 어댑터가 빔을 상기 서비스 영역 내의 셀들로 향하게 하는 비행체 이동에 반응하여 상기 안테나의 방향을 기계적으로 조정한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는, 장치가 비행체 상에 위치한 항공 스위칭 형 노드와 통신한다. 상기 항공 스위칭 노드는 빔을 상기 장치를 포함하는 셀로 전자적으로 향하게 하는 위상 어레이 안테나를 포함한다. 상기 장치는 상기 빔 내에서 통신하는 패킷 데이터를 수신하는 안테나 및 상기 안테나에 결합된 RF 유닛를 포함한다. 상기 장치는 또한 상기 RF 유닛과 결합된 네트워크 인터페이스 유닛을 포함하여 상기 패킷 데이터 및 상기 패킷 데이터를 프로세스 처리하는 상기 네트워크 인터페이스에 결합된 정보를 추출한다.
본 발명의 기술적인 장점은 고도(예를 들면, 52,000 내지 60,000 피트)에서 선회하는 비행체에 의해 수행되는 항공 스위칭 노드(ASN)를 포함한다. 상기 ASN은 통신 서비스를 가입자 장치 및 상기 서비스 영역의 셀에 위치한 게이트웨이 장치와 같은 지상에 기초한 장치에 제공한다. 가입자 장치는 광역밴드 및/또는 협역 밴드율(band rate)에서 보이스, 비디오 및 데이터를 처리하고 통신할 수 있는 (CPE) 및 (BPE)를 포함한다. 게이트웨이 디바이스는 상기 ASN을 상기 ASN의 서비스 영역 내 또는 외의 상기 공공 스위칭 전화 네트워크(PSTN), 인터넷 서비스 제공자(ISPs), 케이블 또는 비디오 서비스 제공자 또는 다른 네트워크에 연결시키기 위하여 작동된다.
본 발명의 다른 중요한 기술적인 장점은 빔을 상기 서비스 영역 내의 기설정된 지오그래픽 셀로 전자적으로 향하게 하는 위상 어레이 안테나를 갖는 ASN을 포함한다. 상기 위상 어레이 안테나는 선택 셀 상의 빔을 유지하거나 상기 서비스 영역 상의 ASN 궤도로서 셀들 사이에 빔 핸드오프를 자주 제공한다. 특정 실시예에서는, 상기 ASN은 빔과 서비스된 셀들 사이에 어소시에이션을 저장한 메모리 및 빔 핸드오프를 보상하기 위하여 상기 메모리에 액세스할 패킷 스위치를 포함한다. 상기 위상 어레이 안테나를 사용한 전자 빔 스티어링에 덧붙여, 상기 ASN은 또한 상기 빔이 상기 서비스 영역 내의 셀들로 향하도록 상기 안테나의 방향을 기계적으로 조정한다.
상기 ASN은 베이스 스테이션 장비를 필요로 하지 않고, 안테나 타우어, 셀 사이트 빌딩 및 셀 사이트 랜드와 같은 지상 시스템과 연관되어 편리성을 제공한다. 특정 실시예에서는, 지상에 기초한 장치 및 상기 ASN 사이의 연결이 상기 지상 시스템으로부터 인터페이스를 최소로하기 위하여 대략 20도의 최소 라인 오프 사이트(line-of-sight)(LOS)를 가진다. 특정 실시예에서는, ASN 통신 및 다른 지상 시스템 사이의 격리가 국부 다지점 분배 서비스(LMDS) 주파수 밴드와 같은 디자인된 지상 주파수의 재사용을 가능하게 한다. 상기 ASN은 또한 PSTN, ISPs 및 다른 네트워크 인터페이스로의 직접 접근(direct access)을 제공하기 위하여 게이트웨이 디바이스의 사용을 통하여 상당한 ″백홀(backhaul)″ 하부구조를 제거한다. 상기 ASN은 인공위성 시스템과 비교할 때, 또한 더 높은 전력, 증가된 페이로드 용량, 덜 복잡한 터미널 유지 시스템 및 증가된 가입자 밀도로부터 이익을 갖는다.
본 발명은 또한 고밀도 영역에서 충분한 회로 밀도로서 모듈식 및 측정할 수 있는 통신 서비스를 제공하기 위하여 급속하게 배치될 수 있고 탄력성 있는 기술을 제공한다. 한 적용은 비상 또는 군의 사용을 위한 ASN 기초한 통신 네트워크를 신속하게 찾아내고 배치시킬 수 있다. 비행체(예를 들면, 8 시간 교대의 3개의 비행체) 기대는 통신을 제공하기 때문에, 각각의 비행체 및 관련 ASN은 연속적인 서비스, 수정으로부터 장점을 가지며, 더 가볍고, 싸고, 더 빠른 디지탈 통신 기술을 결합하기 위하여 업그레이드된다. 또한, 상기 비행체는 고도에서 작동되기 때문에, 상기 ASN은 낮은 감쇠, 높은 주파수, 위성 또는 다른 ASNs 서비스 부근 영역으로의 LOS 통신 연결을 지원한다. 다른 기술적인 장점은 이하 기술될 본 발명의 구성, 상세한 기술 및 청구항으로부터 당업자에게 명백할 것이다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 발명의 상세한 설명 및 청구항에서 명백해질 것이다.
도 1은 서비스 영역(16)에 위치한 많은 지상 기초한 장치들로 통신 서비스를제공하기 위하여 항공 스위칭 노드(ASN)(14)를 지지하는 비행체(12)를 포함한다. 상기 지상 기초한 장치들은 게이트웨이 디바이스(22) 뿐만 아니라 소비자 프레미스 장비 (CPE)(18)및 비지니스 프레미스 장비(BPE)(20)과 같은 가입자 장치를 포함한다. 일반적으로, ASN(14)는 서비스 영역(16)에서 다양한 장치들 사이에서 무선 광역 밴드 및/또는 협역 밴드 통신을 제공한다.
하이 리프트(high-lift), 복합 물질 비행체(12)는 서비스 영역(16) 상에서 기설정된 궤도(30)에서 ASN(14)을 수행한다. 궤도(30)는 서비스 영역(16) 상에 위치한 ASN(14)을 유지하기 위하여 원형, 타원형, 구조 8 형 또는 임의의 다른 적절한 궤도일 수 있다. 확장된 타임 피리오드 동안 고도에서 원형을 만듦으로써, 비행체(12)는 무선 셀룰러 통신 네트워크를 실행하기 위하여 ASN(14)용으로 안정된 플래트폼을 제공한다. 특정 실시에에서는, 비행체(12)는 52,000 내지 60,000 피트 사이의 고도에서 약 5 내지 8 마일의 직경으로 원형으로 비행하면서 스테이션을 유지시킨다. 각각이 8시간을 비행하는 세 대의 비행기(12)는 하루 24시간, 1주일 7일동안 서비스 영역(16)에 연속적인 통신 접속을 제공할 수 있다.
비행체(12) 및 관련 ASN(14)은 20 GHz 또는 그 이상의 밀리미터 파장(MMW) 주파수에서 좋은 라인 오프 사이트(line of site)(LOS)를 조성하기 위하여 25도 또는 그 이상의 조망 각도로 도시 영역의 최고 2,800 제곱 마일까지 커버력을 제공할 수 있다. MMW 주파수에서의 작동은 서비스 영역(16) 내의 가입자 디바이스에 광역 밴드 통신 서비스(예를 들면, 1Gbps 내지 10Gbps)의 전달을 가능하게 한다. 통신 시스템(10)은 MMW 주파수에서 작동하므로, 매우 좁고 집중된 빔폭이 ASN(14), CPE(18), BPE(20) 및 게이트웨이 디바이스(22)에서 작은 안테나 애퍼처를 사용하여 구현될 수 있다.
비행체(12)는 대부분의 지상 대기권 상으로 궤도를 돌기 때문에, ASN(14)은 인공위성 링크(32)를 저지구 궤도(LEO) 및/또는 지구 동기 궤도(GEO)에 인공위성 링크(32)를 유지시킬 수 있고, 내부 인공위성 링크(36)로부터 격리를 허용한다. 주변의 서비스 영역(16)에 서비스를 제공하는 인접하는 ASNs(14)은 인공위성 링크(32) 및 내부 인공위성 링크(36)를 사용하여 하나 이상의 인공위성(34)을 통하여 통신할 수도 있고 또는 적외선 마이크로웨이브 또는 다른 적절한 내부 ASN 링크(38)를 사용하여 직접 통신할 수도 있다. 상기 주파수에서는 지상과 통신하기 위해서는 대기권에서 너무 많은 흡수가 일어나므로, 상기 60 GHz 밴드가 전형적으로 링크(36)를 위하여 사용된다. 그러나, ASN(14)은 대부분의 대기권 상에 있으므로, 상기 60GHz 밴드는 또한 ASN(14)로부터 인공위성(34)으로 링크(32)를 지지한다. 링크(36)가 상대적으로 수평인 반면, 매우 좁은 빔이 사용되고 링크(32)가 기울어지기 때문에 링크(32) 및 링크(36) 사이의 인터페이스는 감소된다. 서비스 영역(16)은 도시 지역, 지정된 비상 영역, 군 영역 또는 광역밴드(wide band) 및/또는 협역밴드(narrow band) 무선 통신을 요구하는 다른 지오그래픽 영역일 수 있다.
ASN(14)은 서비스 영역(16) 내에 빔(40)을 셀(42)로 전자적으로 향하도록 위상 어레이 안테나를 포함한다. 토의의 목적 및 명확성을 위하여, 도 1은 서비스 영역 내에서 선택된 셀(42)로 향하는 빔(40)을 도시한다. 그러나, 통신 시스템(10)은 서비스 영역(16) 내의 각각의 영역에 빔(40)의 연속 또는 간헐적인 방향을 보상한다. 서비스 영역(16)은 각각이 서비스 영역(16) 내의 셀(42)의 선택된 서브세트을 포함하는 중심 섹터(44) 및 많은 주변 섹터(46)를 포함한다. 특정 실시예에서는, 각각의 섹터(44)(46)가 ASN(14)의 위상 어레이 안테나의 다른 부분에 대응한다. 이하 더 상세히 기술되는 바와 같이, 빔(40)은 항상 특정 섹터(44)(46) 내의 특정 셀(42)과 관련될 수 있거나 또는 빔(40)은 궤도(30)를 통하는 비행체(12) 및 ASN(14) 사이의 비행을 스위핑 하거나 또는 핸드오프할 수 있다.
특정 실시에에서는, 궤도(30)의 중심 주변에 중심 섹터(44)에 위치한 게이트웨이(22)는 게이트웨이(22) 및 ASN(14) 사이 및 따라서 심한 폭풍우에서도 신호경로 길이의 기울어진 범위를 감소시킨다. 상기 배열은 최고 데이터 전송율(data rate)의 고도의 가능성, 가능한 최소 상의 감소한 데이터 전송율의 더 높은 가능성을 가능하게 하고, 고밀도의 폭풍우 컬럼에 의한 신호 경로의 차단으로 인한 작은 영역으로의 차단을 제한한다. 데이터 전송율 및 신뢰성을 증가시키기 위하여, 게이트웨이(22)는 기계적으로 수평 유지된 높은 이득(gain)의 전용(dedicated) CPE(18) 및 BPE(20)에 서비스를 제공하는 ASN(14)에 위상 안테나로부터 이격된 안테나(예를 들면, 포물선)를 사용하여 ASN(14)으로 통신할 수 있다.
ASN(14)로부터 빔(40)에 의해 형성된 셀룰러 패턴은 주변의 셀(42) 사이의 인터페이스를 감소시키기 위하여 적절한 임의의 멀티플렉싱 또는 분리 기술을 사용할 수 있다. 특정 실시예에서, 각각의 셀(42)은 가입자 장치(예를 들면, CPE(18) 및 BPE(20)), 전송에서 통신용 관련 밴드폭을 가지는 각각의 주파수 서브밴드와 많은 주파수 서브밴드의 하나를 사용한다. 본 실시예에서, 분리 서브밴드는 ASN(14) 및 게이트웨이(22) 사이의 통신을 지지한다. 28GHz에서 국부 다지점 분배 서비스(LMDS) 밴드를 사용하여, 통신 시스템(10)은 서비스 영역(16) 내에서 ASN(14)용 대략 2,800 평방 마일을 얻는 전체 밴드폭을 수회 재사용한다. 단일 ASN(14)에서 통신 시스템(10)의 전체 용량은 100Gbps 또는 그 이상이 될 수 있다. 상기 용량은 일반적으로 단지 지상 광섬유 네트워크를 통해서만 가능한 투웨이 광역밴드 다지점 서비스를 제공한다.
ASN(14)을 갖는 통신 시스템(10)은 지상 또는 위성 시스템보다 다양한 장점을 제공한다. 위성 시스템과는 달리, 통신 시스템(10)은 특정한 지오그래픽 영역에서 모든 스펙트럼 사용을 집중시킴으로써, 주파수 조정 문제를 최소화하고, 주파수 나눔을 지상에 기초한 LMDS와 같은 시스템을 갖는 주파수의 나눔을 허용한다. 더구나, ASN(14)은 충분히 높은 전력에서 작동하여 존재 사이트에서 유지되는 CPE(18)에 의해 광역 밴드 데이터가 액세스를 가능하게 한다. ASN(14)은 베이스 스테이션 장비 사용을 불필요하게 하고, 안테나 타우어, 셀 사이트 빌딩 및 셀 사이트 랜드 등과 같은 지상 시스템과 연관되어 촉진시킨다. ASN(14)은 또한 인공위성 시스템과 비교할 때, 더 높은 전력, 증가된 페이로드 용량, 덜 복잡한 열 유지 시스템 및 증가된 가입자 밀도로부터 이점을 가질 수 있다. 일반적으로, ASN(14)을 갖는 통신 시스템(10)은 급격하게 배치되고 탄력성 있는 기술을 제공하여 모듈식, 측정가능한, 업그레이드 가능한, 상대적으로 저비용 통신 서비스를 고밀도 지역에 충분한 회로 밀도로 제공한다.
동작에서, 비행체(12)는 ASN(14)을 서비스 영역(16) 상의 고도에서 유지시키기 위하여 궤도(30)에서 비행한다. ASN(14) 내의 상기 위상 어레이 안테나는 빔(40)을 서비스 영역(16)의 섹터(44)(46) 내의 셀(42)로 향하게 한다. 제1 셀(42)에 위치한 원래 장치(예를 들면, CPE(18), BPE(20), 게이트웨이(22)는 데이터를 상기 제1 셀(42)에 서비스를 제공하는 제1 빔(40)을 사용하여 ASN(14)로 전송한다. ASN(14) 내의 스위치는 상기 원래 장치로부터 수신된 데이터를 제2 빔(40)에 의해 서비스된 제2 셀(42)에 위치한 목적 장치(예를 들면, CPE(18), BPE(20), 게이트웨이(22))로의 전송용 상기 위상 어레이 안테나로 결합시킨다. 상기 방식으로, ASN(14)은 서비스 영역(16) 내의 임의의 두 개의 장치를 내부 연결시키기 위하여 스타 토폴로지(star topology)를 실행한다.
특정 실시예에서, 상기 목적 장치는 또한 상기 원래 장치와 같은 셀에 위치할 수도 있다. ASN(14)은 각각의 채널이 타임 분리 다중 액세스(TDMA), 코드 분리 다중 액세스(CDMA), 주파수 분리 다중 기술(FDMA) 또는 다른 적절한 채널 분리 기술에 의해 분리되어 있으며, 상기 주어진 빔(40) 내에서 다중 가입자 채널을 지지한다. 상기 같은 빔(40) 내의 가입자 사이에 통신을 위하여, ASN(14)은 제1 셀(42) 내의 원래 장치로부터 패킷 데이터를 수신하고, 상기 같은 빔(40) 내에서 채널 대 채널 통신을 가능하게 하기 위하여 상기 제1 셀(42) 내의 제2 가입자로의 전송을 위하여 상기 패킷 데이터를 상기 안테나로 향하도록 한다.
대부분의 서비스 영역(16)(예를 들면, 도시 지역, 비상 지역, 군 지역)은 반경이 40 내지 60 마일의 발자국 내에서 맞을 것이다. 그러나, 다중 네트워크된 ASNs(14)는 상기 크기를 넘는 영역 내의 커버를 중복할 수도 있고, 또는 증가된 용량을 요구할 수도 있다. 예를 들면, 4 또는 그 이상의 ASNs(14)는 더 높은 신뢰성 링크를 제공하고 서비스용 요구에서 블락킹 팩터를 감소하기 위하여 뉴욕시 도시 지역에 중첩된 커버 영역을 제공할 수 있다.
통신 시스템(10)은 다양한 클래스의 서비스를 제공한다. BPE(20)에 대해 전형적인 비지니스 서비스가 서비스 링크 당 5Mbps 내지 12.5Mbps로 구성될 수 있는 반면, CPE(18)에 대한 전형적인 소비자 서비스는 1Mbps 내지 5Mbps를 포함할 수 있다. 비행체의 전송 모드(ATM) 또는 다른 패킷 스위치 프로토콜을 사용하여, 이러한 링크는 주문상 밴드폭(BOD)을 제공하여 전체적인 가능한 스펙트럼이 CPEs(18) 및 BPEs(20)의 다양한 능동 부분 사이의 시분할(time-share)이 될 수 있다. 상기 픽 데이터 전송율이 특정 레벨로 연장되는 반면, 명목상의 데이터 전송율은 낮을 수 있다. 게이트웨이(22)는 유사한 타임-쉐어 BOD 링크 또는 25Mbps 내지 155Mbps 또는 그 이상의 더 높은 종래의 ″집중″ 링크로 구성될 수 있다. 전형적인 통신 시스템(10)의 용량은 각각의 ASN(14)에 대해 10,000 내지 75,000 동시의, 대칭적인 T1 회로(1.5Mbps)이다. 그러므로, 하나의 ASN(14)으로 부터 전체적인 도시 및 시골지역의 커버는 40 내지 60 마일 직경 서비스 영역(16)(1,250 내지 2,800 평방 마일)에서 100,000 내지 750,000 가입자를 포함할 수 있다.
도 2는 통신 시스템(10)의 요소를 상세히 도시하고 있다. 일반적으로 ASN(14)은 서비스 영역(16) 내의 임의의 두 개의 장치 사이에 패킷 데이터를 발송하는 스타 토폴로지 네트워크의 허브(hub)를 나타낸다. 각각의 링크(50)가 ASN(14)를 CPE(18), BPE(18), 또는 게이트웨이(22)에 결합하고, ASN(14)을 관통하여 하나의 허브는 두 개의 링크(50)를 포함한다. 패킷 데이터는 작은 연결 및 연결-중심된(예를 들면, 실질적인 회로) 통신을 모두를 수용하나, 특정 데이터에서는 패킷 데이터는 임의의 패킷, 결합 또는 주문형 밴드폭(BOD)을 지지하는 작은 연결 환경에서 통신되는 데이터의 배열을 포함한다. 링크(50)는 광역밴드 또는 협역밴드, 무선 및 라인 오프 사이트이다.
CPE(18), BPE(20) 및 게이트웨이(22)(일반적으로 디바이스로 칭함) 모두 유사한 기능을 수행한다. 상기 디바이스는 MMW 주파수를 사용하여 링크(50) 상에 전송되는 변조된 신호를 추출하기 위하여 고이득 안테나를 포함한다. 따라서, 상기 디바이스는 추출된 신호를 디지털 데이터를 전환하고, 표준 기초한 또는 개인소유의 데이터 통신 프로토콜을 수행하고, 디지털 데이터를 다양한 정보 기기에 전송한다. 비록 CPE(18), BPE(20) 및 게이트웨이(22)가 크기, 복잡성 및 비용에서 달라질 수 있지만, 기술의 일부 및 하드웨어 및 소프트웨어 양쪽의 성분은 모든 디자인에서 공통될 수 있다. CPE(18)는 개인 게이트웨어를 소비자에게 서비스를 제공하는 통신 시스템(10)에 제공하고, BPE(20)는 더 높은 데이터 전송율을 요구하는 비지니스용 게이터웨이를 제공한다. 게이트웨이(22)는 하부구조를 제공하고, 고도의 신뢰성, 링크 ASN(14)으로의 고 밴드폭 통신, 인터넷 서비스 제공자(ISPs)(52)으로의 CPE(18) 및 BPE(20), PSTN(54), 비디오 및/또는 케이블 서비스(56) 및 다른 국부 및 원격 네트워크 서비스를 제공한다. ISPs(52), PSTN(54), 및 비디오 및/또는 케이블 서비스(56)는 적절한 프레미스 장비를 사용하여 ASN(14)로 직접적으로 결합또는 마이크로웨이브, 광 케이블 또는 다른 적절한 미디어와 같은 고 밴드폭 무선 또는 유선 링크(58) 상의 게이트웨이(22)를 통하여 결합할 수 있다.
도 3은 통신 시스템에 의해 지원된 다양한 통신 프로토콜(protocol) 및 설비를 예시한다. ASN(14)은 MMW 캐리어 주파수를 사용하는 광대역 데이터 서비스까지 제공하기 위해 링크(50)를 사용하는 두 디바이스(100)를 상호 접속한다. 상기 디바이스(100)는 CPE(18), BPE(20), 및 게이트웨이(22)에 존재할 수 있는 통신 프로토콜 및 설비를 수집하여 나타낸다.
각 디바이스(100)는 링크(50)에 연결된 고 대역폭(high bandwidth) 멀티플렉서(102)를 포함한다. 상기 멀티플렉서(102)는 상기 링크(50)들 간에 ATM 패킷(packet)과 같은 패킷 데이터(packet data)를 통신하고 상기 디바이스(100)의 다양한 통신 설비와 통신한다. 본 발명의 일 실시예에서, 멀티플렉서는 OC-1(52Mbps), OC-3(155Mbps), OC-12(622Mbps)와 같은 동기식 광 네트워크(synchronous optical network; SONET) 프로토콜, 또는 다른 고 대역폭 통신 프로토콜을 지원한다. 패킷-스위치 환경에서 표준 SONET 프로토콜 및 ATM 프로토콜의 사용은 ASN(14)이 매우 다양한 음성, 데이터, 및 비디오 성분(component)을 사용하는 요구(demand; BOD) 서비스에 대한 대역폭을 제공하도록 한다. 또한, 아래에 기술되는 바와 같이, ASN(14)은 서비스 지역(16)내의 디바이스(100)들 간에 스칼라형(scalable), 및 변조형(modular) 통신을 효율적으로 높이고, ATM 패킷 절환 장치(switch)를 포함할 수 있다.
멀티플렉서(102)는 화상 회의 서비스(video conferencing service, 106)를 지원하기 위해 근거리 통신망(local area network; LAN)에 바로 연결된다. 또한 멀티플렉서(102)는 V.35 프로토콜을 지원하는 지역 T1 접속(fractional T1 connection)과 프레임 릴레이 어댑터(frame relay adapter, 110)를 사용하여 LAN(108)에 연결된다. 상기 디바이스(100)는 또한 멀티플렉서(102)와 적절한 브리저(bridger) 및/또는 루터(router, 114) 사이의 접속을 통해 근거리 통신망 또는 광역망(wide area network; WAN)에서 하나 이상의 컴퓨터(112)에 직접 접근(direct access)을 지원한다. 상기 디바이스(100)는 플레인 올드 텔레폰 서비스(plain old telephone service; POTS, 118), 어댑터(122)를 통한 근거리 무선 서비스(local wireless service, 120), 또는 D4 채널 뱅크(116)에 의해 지원된 다른 음성 서비스, 비디오 서비스, 또는 데이터 서비스를 제공하기 위해 D4 채널 뱅크와의 T1 접속(connect)을 포함한다. 상기 디바이스(100)는 또한 멀티플렉서(102)와 POTS(124)간의 직접 접속, 및 데이터 인터페이스(126)를 사용하는 장거리 데이터 네트워크(long-haul data network)와의 내부 접속(internal connection) 또는 외부 접속(external connection)을 통해 POTS 서비스를 지원한다.
도 3의 디바이스(100)는 특별한 통신 프로토콜과 설비를 예시하지만 상기 디바이스(100)는 통신 시스템(10)에서 음성, 비디오, 및 데이터를 통신하거나 처리하는 소정의 프로토콜 및 설비를 지원할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, T1 링크는 T3, E1, E3, 또는 다른 적당한 디지털 통신 링크를 포함할 수 있다. 유사하게, LAN(104, 108)과 컴퓨터(112)는 이서네트(Ethernet), 고속 이서네트, 기가비트(gigabit) 이서네트, 교환 이서네트(swithched Ethernet), 또는 다른 네트워킹 프로토콜을 실행할 수 있다. 또한 D4 채널 뱅크(116)는 멀티플렉서(102)와 상기 디비이스(100) 내에 포함되고 상기 디바이스(100) 외부에 제공된 다양한 정보 네트워크 및 정보 기기(information appliance) 사이의 인터페이스를 제공하는 소정의 다른 적당한 통신 기술을 포함할 수 있다.
작동시, ASN(14)는 전화 통신(telephony) 및 데이터 통신, 근거리 무선 서비스, LAN/WAN 상호 접속(브리징/루팅), 그래픽 데이터 전송(graphical data transmission), 비디오 전송, 및 D4 채널 뱅크(116)나 데이터 인터페이스(126)를 사용하는 장거리 데이터 네트워크와 같은 다른 시스템과의 접속(connectivity)을 제공하기 위해 디바이스(100)와 상호 접속한다. ASN(14)는 프레임 릴레이(frame relay), LAN/WAN, T1, V.35, 및 ATM 스위칭(switching)과 같은 패킷 스위칭을 사용하여 다른 트래픽(traffic)을 전송한다. 본 발명의 중요한 특징 하나는 ASN(14)에서 패킷 데이터 전송(packet data transport) 및 스위칭을 지원하기 위해 종단간 ATM(end-to-end ATM) 프로토콜 또는 ATM형 프로토콜(ATM-like protocol)의 사용이다. 디바이스(100)에 의한 패킷 데이터의 통신은 링크(50)에서의 대역폭 사용 효율을 높힐 수 있도록 하고, 특히 본 발명의 실시예에서는, 서비스 지역(16) 위의 비행체(aircraft, 12) 및 ASN(14)의 궤도(orbit)에 따라(as) 셀(42)들 간의 빈번한(frequent) 빔 핸드오프(beam handoff)를 보상한다.
도 4는 비행체(12) 상에 장착된 ASN(14)을 보다 상세하게 예시한다. 비행체(12)는 오랜 기간(extended duration) (예를 들면, 8시간 내지 20시간) 동안 높은 고도 (예를 들면, 52,000 내지 60,000 피드(feet))에서 작동하는 터보-팬 추진기(trubo-fan propulsion)를 조립한 고 양력(high-lift)의 복합 물질(composite material) 비행체이다. 상기 비행체(12)는 자신의 동체 내에 그리고 비행체(12) 동체 아래에 장착된(suspended) 페이로드 포드(payload pod; 150)에서 ASN(14) 부분을 운송한다. 비행체(12) 동체 내의 ASN(14) 부분은 냉각 설비(152), 전원 설비(154), 및 통신 설비(156)를 포함한다. 포드(150)는 각이 진 림(angled rim, 164)으로 둘러싸여진 대체로 수평한 부분(horizontal section, 162)을 포함하는 위상 어레이 안테나(phased array antenna; 160)를 포함한다. 많은 송신/수신 쌍(transmit/receive pair)은 상기 안테나(160)의 상기 수평 부분(162)과 각이 진 림(164) 상에 장착한다. 본 발명의 특정 실시예에서, 상기 수평 부분(162) 상에 장착된 송신/수신 쌍은 서비스 지역(service area, 16)의 중심 섹터(44)에 있는 셀(42)을 서비스하고, 반면에, 상기 각이 진 림(164) 상에 장착된 송신/수신 쌍은 서비스 지역(16)의 주변 섹터(46)에서 있는 셀(42)을 서비스한다. 도 4에 도시된 안테나(160) 상의 특별한 송신/수신 쌍(166)의 정렬은 하나의 중심 섹터(44)와 여덟 개의 주변 섹터(46)를 서비스한다. 송신/수신 쌍 각각은 16×16, 30 인치 사각형 두개의 위상 어레이 구성요소(element)를 포함할 수 있다. 상기 송신/수신 쌍(166)은 다양한 통신 성능을 제공하기 위해 모듈식으로(in modular fashion) 상기 안테나(160) 상에 더해질 수 있고, 제거될 수 있고, 또는 배열될 수 있다.
포드(150)는 또한 서비스 지역(16)내의 각 게이트웨이(22)와 통신하기 위해
기계적으로 수평이 유지된(gimballed) 고 게인(gain)의 전용(dedicated) 게이트웨이 안테나(168)를 포함할 수 있다. 상기 안테나(168)은 상기 안테나(168)을 게이트웨이(22)로 지향시키도록 적어도 두 개의 짐벌축(gimbal axe)을 갖는 패러볼릭일 수 있다. 상기 안테나(168)는 송신/수신 쌍(166)에 걸처(over) 증가된 게인을 제공하고, 보다 높은 데이터 전송율 및 ASN(14)과 게이트웨이(22) 사이의 링크에 대해 향상된 신뢰성(reliability)을 제공한다. 송신/수신 쌍(166)과 같이, 게이트웨이 안테나(168)도 다양한 통신 성능을 제공하기 위해 모듈식으로 더해질 수 있고, 제거될 수 있고, 또는 정렬될 수 있다.
안테나(160)는 플랫폼-고정 빔(platform-fixed beam), 지상-고정 빔(earth-fixed beam), 또는 상기 플랫폼-고정 빔과 지상-고정 빔의 조합을 생성한다. 플랫폼-고정 빔을 위해, 각 송신/수신 쌍(166)은 안테나(160)에 대해 상대적으로 고정 각도(fixed angle)만큼 지향된(directed) 시야(field-of-view)를 유지한다. ASN(14)의 전체 시야는 각 송신/수신 쌍(166)의 시야를 합친 것이다. 플랫폼-고정 빔의 접근(approach)은 서비스 지역(16) 위의 비행체(12) 및 ASN(14) 궤도에 따라 셀(42)을 가로지는(traverse) 빔(40)이 스위프(sweep)하는 것만큼 빈번한 빔 핸드오프를 요구한다. 통신 설비(156)내의 패킷 절환 장치는 빔(40)과 상기 빔(40)에 의해 서비스된 셀(42) 사이의 연관 관계(association)을 유지함으로써 빔 핸드오프를 보상한다. 본 발명의 특정 실시예에서, 안테나(160)는 비행체(12)의 움직임(movement)을 보상하기 위해 그리고 빔(40)이 셀(42)을 서비스하는 시간 동안 빔(40)과 연관된 셀(42) 위에 안정되게(stable) 고정된 빔(40)을 유지하기 위해 상기 빔(40)을 전자적으로 조향한다(steer).
지상-고정 빔을 위해서, 안테나(160)는 각 빔(40)을 전자적으로 조향하므로 상기 빔(40)은 비행체(12)와 ASN(14)이 궤도(30)를 따라 진행하는 대로(as) 빔(40)과 연관된 셀(42) 상에서 고정 상태를 유지한다. 이러한 접근은 전자적이고 물리적으로 보다 복잡한 안테나(160)를 발생시키지만, 빔의 핸드오프가 상당히 감소되거나 제거되기 때문에 통신 설비(156)상의 부하(burden)를 감소시킨다. 각 송신/수신 쌍(166)은 서비스 지역(16)내의 영구 지정(permanently designated)되거나 영구 할당된(permanently assigned) 셀(42)에 각 빔(40)을 유지하기 위하여 서비스 지역(16)을 완전히 조향하기 위한 넓은 시야를 유지한다. 플랫폼-고정 또는 지상-고정 접근에서 빔(40)의 조향성(steerability)은 호수, 해양, 사막, 및 인구가 희박한 지역으로 인해 요구된 서비스 구역(converage)에서의 갭(gap)을 회피할 수 있도록 허용할 수 있다. 안테나(160)는 또한 플랫폼-고정 및 지상-고정 기술 모두를 통합한 하이브리드 접근(hybrid approach)을 사용할 수 있다.
포드(150)는 빔(40)을 서비스 지역(16)내의 셀(42)로 지향시키기 위하여 안테나(160)의 배향(orientation)을 기계적으로 조정하는 어댑터(170)를 사용하여 비행체(12)에 연결된다. 본 발명의 일 실시예에서, 어댑터(170)는 비행체(12)가 궤도(30)를 따라 이동함에 따라 비행체(12)의 뱅크를 보상하는 액티브(active) 또는 패시브(passive) 배향 조정을 제공하도록 피칭(pitch), 롤링(roll), 및/또는 요잉(yaw) 축(axis)에 하나 이상의 짐벌, 조인트, 또는 다른 적당한 기계적인 커플링(coupling)을 포함한다. 어댑터(170)는 또한 실제 수평 배향으로 안테나(160)를 유지하기 위해 불규칙적인 진동(flutter) 및 다른 고주파수의 비행체 움직임을 능동적으로 보상한다. 지상-고정 빔 조향(steering) 기술을 사용하는, 어댑터(170)는 안테나(160)가 나침반 배향을 거의 일정하게 유지하도록 축(172)을 중심으로 안테나(160)를 회전시킬 수 있다. 본 실시예에서, 어댑터(170)는 비행체(12)의 궤도율(orbital rate)과 실제로 동일한 비율(rate)로 안테나(160)를 회전시킨다.
도 5는 ASN(14)의 구성요소를 상세하게 예시한다. 비행체(12) 아래에 장착된 포드(150)는 각 송신/수신 쌍(166) 또는 게이트웨이 안테나(168)용 라디오 주파수(radio frequency; RF) 송신 모듈(200)과 RF 수신 모듈(202)을 포함한다. 사용자 데이터(user data) 이외에, 송신 모듈(200)과 수신 모듈(202)은 각각 업링크 제어 채널(uplink control channel)과 다운링크 제어 채널(downlink control channel)을 내장할 수 있다. 또한 포드(150)는 파일럿 송신 모듈(204) 및 연관된 안테나(206)를 포함하는 파일럿 송신기(pilot transmitter)를 내장한다. 상기 파일럿 송신기는 안테나 추적과 전원 제어를 위하여 지상 기지용 디바이스(ground-based device)에 의해 사용된 파일럿 신호(208)를 전송한다. 본 발명의 특정 실시예에서, 상기 파일럿 신호(208)는 상기 지상 기지용 디바이스의 특정 추적 회로(tracking circuitry)에 의해 인식된 단일 톤(single tone)이다.
또한 ASN(14)는 각 송신/수신 쌍(166)과 게이트웨이 안테나(168)를 위한 모뎀(210) 및 멀티플렉서(212)를 포함한다. 각 멀티플렉서(212)에 연결된 절환 장치(switch, 214)는 통신 시스템(10)에서의 데이터 상호 접속을 제공한다. 상기 절환 장치(214)는 서비스 지역(16) 내의 각 셀(42)에 대한 정보와 셀(42)을 서비스하기 위하여 송신/수신 쌍(166)에 의해 형성된 연관된 빔(40)을 저장하는 데이터베이스(216)를 포함한다. 상기 데이터베이스(216)는 또한 비동기 전송 모드(asynchronous trasnfer mode; ATM) 또는 다른 적당한 패킷 스위칭 기술을 수행하기 위해 적당한 고객(customer) 정보, 어드레싱(addressing) 정보, 루팅(routing) 정보, 및 매팅(mapping) 정보를 유지한다. 데이터베이스(216)는 램(random access memory; RAM0, 롬(read only memory; ROM), 자기 디바이스(magnetic device)나 광학 디바이스(optical device), 또는 다른 적당한 메모리를 포함할 수 있다. 공통 전자 장치(218)는 ASN(14)의 작동을 지원하기 위하여 전원 공급 장치(power supply), 프로세서(processor), 및 다른 하드웨어 및 소프트웨어를 포함한다.
작동시, 목적지 셀(originating cell)의 목적지 디바이스가 링크(50)를 통해 ASN(14)으로 패킷 데이터를 전송한다. 목적지 셀(42)을 서비스하는 개시 빔(40)을 형성하는 송신/수신 쌍(166)은 다운 커버팅(down converting) 및 적당한 RF 처리를 위해 수신 모듈(202)로 패킷 데이터를 전송한다. 그런 다음, 모뎀(210)내의 복조기(demodulator)는 디지털 패킷 데이터를 추출하고 상기 정보를 멀티플렉서(212)로 전송한다. SONET 또는 다른 적당한 프로토콜을 사용하여, 멀티플렉서(212)는 루팅 동안 패킷 데이터를 절환 장치(214)로 전송한다.
절환 장치(214)는 패킷 데이터로부터 어드레싱 정보 또는 루팅 정보를 복원하고, 상기 정보를 특별 가입자 또는 목적지 디바이스(destination device)와 연결시키고(associate), 연결된 목적지 셀(destination cell, 42)을 결정하고, 상기 목적지 셀(42)을 서비스하는 목적지 빔(40)을 결정한다. 상기 목적지 빔(40)을 결정하자마자, 절환 장치(214)는 목적지 빔(40)을 형성하는 송신/수신 쌍(166)을 서비스하는 적절한 멀티플렉서(212)에 패킷 데이터를 전송한다(route). 멀티플렉서(212)는 상기 패킷 데이터를 동일한 송신/수신 쌍(166)에 대한(to) 다른 패킷 데이터와 결합하고, 송신 모듈(200)로 인도(delivery)하기 위해 모뎀(210)의 변조기(modulator)로 상기 정보를 전송한다. 송신/수신 쌍(166)은 목적지 빔(40)을 사용하는 목적지 셀(42)로 상기 패킷 데이터를 포함한 변조된 RF 신호를 전송한다. 목적지 디바이스는 상기 패킷 데이터를 수신하고 또 다른 처리 동작을 위해 상기 패킷 데이터를 디지털 정보로 변환한다. 상기 ASN(14)은 게이트웨이(22)와 게이트웨이 안테나(168)를 포함하는(involve) 통신을 위해서도 유사한 작동을 수행한다.
도 6은 ASN(14)과 통신하는 CPE(18), BPE(20), 게이트웨이(22), 및 보다 일반적인 디바이스(100)의 구성요소를 보다 상세하게 예시한다. 본 기재가 CPE(18)의 설계와 작동에 초점이 맞춰지지만, ASN(14)과 통신하는 소정 디바이스는 유사한 구성요소를 포함할 수 있고 유사한 작동을 수행할 수 있다.
CPE(18)는 라디오 주파수(RF) 유닛(246), 네트워크 인터페이스 유닛(network interface unit; NIU, 248), 및 다양한 정보 기기(260 내지 270)을 포함한다. 상기 RF 유닛(246)는 송신 모듈(252) 및 수신 모듈(254)에 연결된 안테나(250)(예를 들면, ″12″ 내지 ″18″ 패러볼릭 MMW 안테나(parabolic MMW antenna)를 포함한다. NIU(248)는 송신 모듈(252) 및 수신 모듈(254)에 연결된 모뎀(254), 및 다양한 정보 기기에 연결된 멀티플렉서(258)를 포함하고, 상기 다양한 정보 기기는 최종 사용자 설비(end-user equipment)(예를 들면, 컴퓨터(260), 전화(262), 비디오 서버(264), 비디오 단말기(266), 비디오 카메라(268)), 게이트웨이 설비(예를 들면, 게이트 인터페이스(270)), 및 다른 통신 디바이스, 디스플레이 디바이스, 또는 프로세싱 디바이스로 예시될 수 있다. NIU(248)의 모뎀(256)은 L-밴드 튜너(L-band turner)와 다운 컨버터, 변조기, 및 복조기를 포함한다.
작동시, 송신 모듈(252)은 모뎀(256)의 변조기로부터 L-밴드(950 내지 1950 MHz) 중간 주파수(intermediate frequency; IF)의 입력 신호를 수신하고, 상기 신호를 MMW 주파수로 변환하고(translate), 전원 증폭기를 사용하여 100㎽ 내지 500㎽의 전송 전원 레벨로 상기 신호를 증폭하며, ASN(14)으로 전송하기 위해 안테나로(250)로 송출(feed)한다. 상기 수신 모듈(254)은 ASN(14)으로부터 보내져 안테나(250)에서 수신된 신호를 저 노이즈 증폭기로 보내고, 상기 신호를 L-밴드 IF로 다운 변환하며, 모뎀(256)의 복조기로 상기 신호를 출력하기 전에 후속적인 증폭 동작과 처리 동작을 실행한다. 상기 송신 모듈(252)과 수신 모듈(254)이 광대역에서 작동하더라도, 상기 구성요소는 한번에 단일 40㎒ 채널을 통상적으로 처리한다. NIU(248)의 모뎀(256)은 특정 채널 주파수로 동조된다.
NIU(248)은 자신과 RF 유닛(246) 사이에 있는 L-밴드 송신 신호 및 수신 신호를 연결하는(couple) 동축 케이블(coax) 쌍(270)을 경유하여 RF 유닛(246)에 인터페이스한다. 각 CPE(18)는 송신 및 수신 모든 방향에서 높은 데이터 전송율(예를 들면, 52Mbps의 OC-1)을 지원한다. 소정의 애플리케이션에서, CPE(18)는 인터페이스에 대비하여(against) 성능을 향상시키기 위해 스펙트럼 확산 코딩(spread spectrum coding)을 실현하기 위하여(incorporate) 상기 소정의 대역폭을 사용한다.
RF 유닛(246)는 또한 ASN(14)의 안테나(250)를 가리키도록(point) 안테나 추적 모듈(280) 및 안테나 액츄에이터(282)를 구비하는 안테나 추적기(tracker)를 포함한다. 안테나 추적 모듈(280)은 ASN(14)의 파일럿 전송 장치(204)에 의해 전송된 추적 신호 또는 파일럿 신호(208)를 수신하고, 상기 안테나(250)를 ASN(14)의 연관된 송신/수신 쌍(166)에 의해 생성된 빔(40)에 정렬하기 위하여 안테나 액츄에이터(282)용 커맨드를 발생한다. 본 발명의 특정 실시예에서, 안테나 추적 모듈(280)과 안테나 액츄에이터(282)는 ASN(14)를 추적하고 ASN(14)에 정렬되도록 두 개의 축을 중심으로한 회전을 지원한다.
안테나(250), 송신 모듈(252), 수신 모듈(254), 모뎀(256), 및 멀티플렉서(258)를 포함하는 CPE(18)의 많은 설비는 지역 채널 다지점 분배 서비스(local multipoint distribution service; LMDS) 또는 다른 광대역 데이터 서비스용으로 이미 개발되어 존재하는 구성요소일 수 있다. 이것은 통신 시스템(10)에서 작동하도록 LMDS 설비를 개조하기 위한 최소 비용만이 필요하기 때문에 CPE(18)의 제조 원가를 줄인다. LMDS 밴드(28㎓)에서 작동하는 것으로 가정하는, CPE(18)는 존재하는 LMDS 설계내에 안테나 추적 모듈(280)과 안테나 액츄에이터(282)만을 조립하면 된다.
도 7은 통신 시스템(10)을 위한 서비스 지역(16)을 예시한다. 용량(capacity), 지역적인 서비스 구역(geographical coverage area), 및 ASN(14)의 작동 고도, 및 다른 작동 파라메터에 따라서, 서비스 지역(16)은 내부 지역(300), 제1 주변 지역(perimeter)(302), 및 제2 주변 지역(304)을 포함할 수 있다. 전형적인 대도시에서의 적용(metropolitan application)에서, 상기 내부 지역(300)은 게이트웨이(22)를 포함할 수 있는 인구가 밀집한 도시 지역을 커버하며, 제1 주변 지역(302)은 실질적으로 도시 근교 지역(suburban area)을 커버하고, 제2 주변 지역(304)은 실질적으로 시골 지역(rural area)을 커버한다.
통신 시스템(100)은 지상 기기 디바이스들 간의 최소 시야각(look angle, 306)과 일반적으로 20도(degree)보다 크게 되는 궤도(30) 상에 또 따른(further) 지점(point)을 가정한다. 이 값은 서비스 구역(16)의 주변 지역에서의 디비이스에 대응한다. 반면에, 셀룰러 전화기(cellular telephone) 지정자(designer)는 고객에서부터 가장 가까운 기지국(base station)까지의 시정거리(line-of-sight)는 1도 이하인 것으로 가정한다. 디바이스가 밀집한 대상물(dense object)에 대해 자유로운(free) 궤도(30) 상에서 비행하는 비행체(12) 및 ASN(14)에 의해 스위프된(swep) 입체 각도(solid angle)로 액세스하는 것을 보장하도록 통신 시스템(10)은 큰 최소 시야각(306)을 적용한다(incorporate). 또한 최소 시야각(306)은 심한 폭우시 높은 서비스 유용성(availability)을 보장하도록 상대적으로 짧은 전송 경로를 제공한다. 최소 시야각(306)은 또한 통신 시스템(10)이 28㎓에서 작동하는 LMDS처럼 지상 기지용 무선 네트워크용으로 지정된 공통 스펙트럼을 할당하도록 하다. 동일한 밴드에서 작동하는 통신 시스템(10)과 지상 기지용 시스템간의 분리(isolation)는 전송을 위해 보다 좁은 빔을 사용하는 보다 큰 주파수에 대하여 증가한다. 제2 시야각(308)은 서비스 지역(16)의 내부 지역(300)을 한정한다. 본 발명의 특정 실시예에서, 통신 시스템(10)은 비록 심한 폭우 동안에도 신뢰성 있고 연속적인 통신을 보장하도록 내부 지역(300) 내에 게이트웨이(22)를 위치시켜 밀집 지역(dense)을 커버한다.
서비스 지역(16)(예를 들면, 내부 지역(300), 제1 주변 지역(302), 제2 주변 지역(304))과 시야각(306, 308)의 크기와 형상은 비행체(12)가 운행 지역(310) 내의 상이한 위치에서 운행함에 따라 변화한다. 이것은 사용자의 밀도와 서비스 지역(16)의 크기를 조정하도록 비행체(12)가 상이한 고도 및 상이한 궤도(30)에서 ASN(14)을 운반할 수 있도록 한다.
도 8은 통신 시스템(10)에서 사용된 주파수 분할 다중 기술(frequency division multiplxing technique)을 보다 상세하게 예시한다. 본 발명의 특정 실시예에서, 주파수 플랜(frequency plan)은 서비스 지역(16)에 걸쳐 5:1 재사용 요소(reuse factor)를 달성한다. 일 예로서 LMDS 밴드를 사용하는, 송신 밴드(350)는 27.5㎓ 내지 27.8㎓ 사이에 다섯 개의 60㎒ 송신 서브-밴드(352)(A, B, C, D, E)를 포함하고, 수신 밴드(360)는 28.05㎓ 내지 28.35㎓ 사이에 다섯 개의 60㎒ 수신 서브-밴드(362)(A, B, C, D, E)를 포함한다. 27.8㎓ 내지 28.05㎓ 사이에 250㎒의 보호 밴드(guard band)는 송신 밴드(250)와 수신 밴드(260) 사이의 간섭(interference)을 줄인다. 서비스 지역(16)의 각 가입자 셀(42)은 CPE(18)와 BPE(20)로의 송신 랭크 및 수신 링크를 위한 네 개의 서브 밴드(352, 362)중 하나에 대응한다. 각 서브 밴드(352, 362)는 상이한 송신 주파수 및 수신 주파수에 대응하고, 셀(42)은 두 개의 인접 셀(42)이 동일한 주파수 서브 밴드를 사용하지 않은 방식으로 정렬된다. 다섯 번째 서브 밴드(352, 362)(E)는 게이트웨이(22)로의 송신 링크 및 수신 링크를 제공한다. 상기 다섯 번째 서브 밴드는 CPE(18)와 BPE(20)을 위해 사용된 통신 주파수나 기술을 변경하지 않고 게이트웨이(22)의 배치(deployment) 및 업그레이드(upgrade)에 대한 융통성(flexibility)을 제공한다. 38㎓와 같은 다른 스펙트럼 옵션을 갖는(with), 통신 시스템(10)은 다른 유사한 주파수 플랜을 채용할 수 있다.
통신 시스템(10)은 대역폭 무선 데이터를 전송하기 위해 그리고 작은 안테나
표 1은 통신 시스템(10)의 통상적인 경로 손실 분석 결과를 요약한 것이다.
링크 예산은 30도에 대한 최소 시야각(306)인 경우를 가정한 것이다. 30도에 대한 최소 시야각(306)은 약 3dB의 경로 손실을 추가한다. 이것은 링크 마진을 약 7dB에서 4dB까지 감소시킨다. 통상적으로, 이러한 주파수에서 시야각이 약 40도인 경우의 LEO 위성 시스템에 대한 비로 인한 감쇄는 약 12 dB인 반면, 지상에 대체로 평행한 링크를 갖는 지상 시스템에 대한 비로 인한 감쇄는 약 18dB이다.
링크 예산을 계산하기 위해, 지상 기지용 디바이스 및 ASN(14) 사이의 경사 범위는 35km이고, 항공 안테나 및 지상 안테나 양자의 이득은 34dB이며, 항공 세그먼트 및 지상 세크먼트 양자에 의해 전송된 전력은 28GHz에서 100mW이다. 이러한 분석을 위해, 통신 시스템(10)은 QPSK 변조, 리드 솔로몬(204, 208) 코드가 연결된 7/8 비율의 콘볼루션 코드, 및 OC-1에 해당하는 정보 전송 속도(information rate)(즉, 51.84Mbps)를 달성하기 위해 10-9의 가정된 최소 비트 에러율(error rate; BER)을 갖는 0.21의 초과 대역폭 요소를 사용한다. 99.9%의 링크 유용성을 허용하는 폭우량을 산출하여 가정한다. 이러한 해석의 결과는 비가 그친 후 거의 7dB의 마진(margin)을 나타낸다. 통신 시스템(10)은 전송된 전원이 1W까지 증가되었다면 10dB까지, 그리고 수신기 노이즈 특성을 향상시킴으로써 또 다른 3dB만큼 상기 마진을 향상시킬 수 있다.
MMW 신호의 전파(propagation)는 시야이다. 빌딩(building), 자동차, 및 지형(terrain)뿐만 아니라 나무는 일반적으로 채택할 수 없는 경로 손실을 발생시킨다. 높은 최소 시야각(306)은 이러한 결과를 최소화하고, 통신 시스템(10)은 송신기와 수신기 사이의 차단 통로(unobstructed path)를 가정한다. 완화 기술(mitigation technique)은 지상 기지용 디바이스의 높이를 증가시키고, 대안적인 노드를 제공하며, 방해물(blockage)을 제거하는 동작을 포함한다.
본 발명이 여러 실시예로 기술되었지만, 무수한 변경, 변화, 대체, 및 변형이 해당 분야의 당업자에게 제안될 수 있고, 본 발명은 첨부된 청구범위의 본질 및 범위를 벗어나지 않은 범위 내에서 상기한 변경, 변화, 대체, 및 변형을 포함하도록 의도된다.

Claims (42)

  1. 복수의 셀을 구비한 서비스 지역에 대한 통신을 제공하는 시스템에 있어서,
    상기 서비스 지역 상공을 비행하는 비행체;
    상기 비행체에 연결되는 공중 스위칭 노드―여기서 항공 스위칭 노드는 각 빔이 상기 서비스 지역 내의 관련 셀에 할당되도록 복수의 빔을 상기 서비스 지역으로 지향시키는 위상 어레이 안테나를 포함함―; 및
    상기 서비스 지역의 셀 내에 위치하며, 공중 스위칭 노드와 데이터를 통신하는 복수의 디바이스
    를 포함하는 통신 제공 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 빔을 이들 빔이 할당된 상기 서비스 지역 내의 셀로 지향시키는 상기 안테나의 배향을 기계적으로 조정하는 페이로드 어댑터(payload adapter)를 추가로 포함하는 통신 제공 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 안테나가 상기 복수의 빔을 이들 빔이 할당된 상기 서비스 지역 내의 셀로 전자적으로 지향시키는 통신 제공 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 안테나가 복수의 송신/수신 쌍―여기서 각 송신/수신 쌍은 상기 서비스 지역 내의 셀의 선택된 서브세트와 연관됨―을 포함하는 통신 제공 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    제 1 셀로부터 패킷 데이터를 수신하고, 제 2 셀로 전송하기 위한 상기 안테나에 상기 패킷 데이터를 지향시키는 통신 제공 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    제 1셀 내의 가입자로부터 패킷 데이터를 수신하고, 동일 빔 내에서 채널 대 채널 통신을 허용하도록 상기 제 1 셀 내의 제 2 가입자에게 전송하기 위한 상기 안테나에 상기 패킷 데이터를 지향시키는 통신 제공 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 스위치가
    상기 복수의 빔과 셀 간의 연관 관계를 저장하는 메모리; 및
    제 1 셀로부터 패킷 데이터를 수신하고, 제 2 셀과 연관되는 목적지 빔을 결정하기 위해 상기 메모리를 액세스하며, 상기 목적지 빔을 사용하여 제 2 셀로 전송하기 위한 상기 안테나에 상기 패킷 데이터를 지향시키는 패킷 스위치
    를 포함하고,
    상기 공중 스위칭 노드는 상기 셀들 사이에서 소정 빔의 핸드오프가 이루어지면 상기 메모리를 갱신하는
    통신 제공 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 디바이스가
    복수의 제 1 주파수 밴드 중 하나를 사용하여 상기 공중 스위칭 노드와 통신하는 복수의 가입자 디바이스; 및
    상기 제 1 주파수 밴드와는 상이한 제 2 주파수 밴드를 사용하여 상기 공중 스위칭 노드와 통신하는 게이트웨이 디바이스
    를 포함하는 통신 제공 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 공중 스위칭 노드 및 상기 디바이스가 지상 기지용 통신용으로 지정된 소정 주파수 밴드를 사용하여 통신하는 통신 제공 시스템.
  10. 제 3항에 있어서,
    상기 공중 스위칭 노드는 파일럿 신호를 전송하는 파일럿 전송기를 추가로 포함하고,
    상기 각 디바이스는
    상기 파일럿 신호를 수신하는 안테나; 및
    상기 파일럿 신호에 응답하여 상기 공중 스위칭 노드를 가리키도록 상기 안테나를 위치시키는 안테나 추적기
    를 포함하는
    통신 제공 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 데이터는 비동기 전송모드 패킷 데이터(asynchronous transfer mode packet data)인 통신 제공 시스템.
  12. 복수의 셀을 구비한 서비스 지역에 통신을 제공하는 비행체 상에 위치된 항공 스위칭 노드에 있어서,
    각 빔이 상기 서비스 지역 내의 관련 셀에 할당되도록 복수의 빔을 상기 서비스 지역 내의 셀로 지향시키는 위상 어레이 안테나; 및
    상기 서비스 지역으로부터 수신된 데이터를 전송용 안테나로 연결하는 스위치
    를 포함하는 항공 스위칭 노드.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 복수의 빔을 이들 빔이 할당된 상기 서비스 지역 내의 셀로 지향시키는 상기 안테나의 배향을 기계적으로 조정하는 페이로드 어댑터(payload adapter)를 추가로 포함하는 항공 스위칭 노드.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 페이로드 어뎁터가 상기 안테나의 나침반 배향을 거의 일정하게 유지하도록 상기 안테나를 회전시키는 항공 스위칭 노드.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 안테나가 상기 복수의 빔을 이들 빔이 할당된 셀로 전자적으로 지향시키는 항공 스위칭 노드.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 안테나가 복수의 송신/수신 쌍―여기서 각 송신/수신 쌍은 상기 서비스 지역 내의 셀의 선택된 서브세트와 연관됨―을 포함하는 항공 스위칭 노드.
  17. 제 12항에 있어서,
    상기 안테나가 각이 진 림(angled rim)으로 둘러싸인 대체로 수평한 부분을 포함하며, 상기 수평한 부분 상에 장착되며, 상기 서비스 지역 중심 내의 셀로 상기 복수의 빔을 지향시키는 제 1 송신/수신 쌍; 및 상기 각이 진 림 상에 장착되며, 상기 서비스 지역의 중심을 둘러싸는 셀로 상기 복수의 빔을 지향시키는 복수의 송신/수신 쌍을 추가로 포함하는 항공 스위칭 노드.
  18. 제 12항에 있어서,
    상기 스위치가 제 1 셀로부터 패킷 데이터를 수신하고, 제 2 셀로 전송하기 위한 상기 안테나에 상기 패킷 데이터를 지향시키는 항공 스위칭 노드.
  19. 제 12항에 있어서,
    상기 스위치가 제 1 셀 내의 가입자로부터 패킷 데이터를 수신하고, 동일 빔 내에서 채널 대 채널 통신을 허용하도록 상기 제 1 셀 내의 제 2 가입자에게 전송하기 위한 상기 안테나에 상기 패킷 데이터를 지향시키는 항공 스위칭 노드.
  20. 제 12항에 있어서,
    상기 스위치가
    상기 복수의 빔과 셀 간의 연관 관계를 저장하는 메모리; 및
    제 1 셀로부터 패킷 데이터를 수신하고, 제 2 셀과 연관되는 목적지 빔을 결정하기 위해 상기 메모리를 액세스하며, 상기 목적지 빔을 사용하여 제 2 셀로 전송하기 위한 상기 안테나에 상기 패킷 데이터를 지향시키는 패킷 스위치
    를 포함하고,
    상기 공중 스위칭 노드는 상기 셀들 사이에서 소정 빔의 핸드오프가 이루어지면 상기 메모리를 갱신하는
    공중 스위칭 노드.
  21. 제 12항에 있어서,
    상기 공중 스위칭 노드가 지상 기지용 통신용으로 지정된 소정 주파수 밴드를 사용하여 데이터를 통신하는 공중 스위칭 노드.
  22. 제 12항에 있어서,
    상기 공중 스위칭 노드가 위성간 통신용으로 지정된 소정 주파수 밴드를 사용하여 소정 위성과 데이터를 통신하는 공중 스위칭 노드.
  23. 제 12항에 있어서,
    지상 기지용 안테나 추적을 인에이블시키기 위해 파일럿 신호를 전송하는 파일럿 전송기를 추가로 포함하는 공중 스위칭 노드.
  24. 제 10항에 있어서,
    상기 데이터가 비동기 전송 모드 패킷 데이터를 포함하는 공중 스위칭 노드.
  25. 소정 비행체에 위치되는 공중 스위칭 노드를 구비한 통신용 장치에 있어서,
    상기 공중 스위칭 노드는 상기 통신용 장치를 포함하는 할당된 소정 셀로 소정 빔을 지향시키는 위상 어레이 안테나를 포함하며,
    상기 통신용 장치는
    상기 빔 내에서 통신되는 패킷 데이터를 수신하는 안테나;
    상기 안테나에 연결되는 고주파(RF) 유닛;
    상기 고주파 유닛에 연결되며, 상기 패킷 데이터를 추출하는 네트워크 인터페이스 유닛; 및
    상기 네트워크 인터페이스 유닛에 연결되며, 상기 패킷 데이터를 처리하는 정보 기기(information appliance)
    를 포함하는
    통신용 장치.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 정보 기기가 공중 교환 전화망, 인터넷 정보 제공자, 케이블 서비스 제공자와 연결되는 게이트웨이 인터페이스를 포함하는 통신용 장치.
  27. 제 25항에 있어서,
    상기 공중 스위칭 노드로부터 수신된 파일럿 신호에 응답하여, 상기 안테나를 상기 빔에 정렬시키는 안테나 추적기를 추가로 포함하는 통신용 장치.
  28. 제 25항에 있어서,
    상기 공중 스위칭 노드 및 상기 통신용 장치가 지상 기지용 통신용으로 지정된 소정 주파수 밴드를 사용하여 통신하는 통신용 장치.
  29. 제 25항에 있어서,
    상기 안테나, 고주파 유닛, 및 네트워크 인터페이스 유닛이 지역 채널 다지점 분배 서비스(Local multipoint distribution service: LMDS) 디바이스를 포함하는 통신용 장치.
  30. 제 25항에 있어서,
    상기 정보 기기가 비디오, 데이터, 또는 음성을 지원하는 최종 사용자 장비를 포함하는 통신용 장치.
  31. 제 25항에 있어서,
    상기 패킷 데이터가 비동기 전송 모드 패킷 데이터를 포함하는 통신용 장치.
  32. 복수의 셀을 구비한 서비스 지역에 대한 통신을 제공하는 방법에 있어서,
    위상 어레이 안테나에 의해 형성되는 소정의 발신 빔을 사용하여 소정의 발신 셀로부터 데이터를 수신하는 단계;
    목적지 셀과 연관되는 목적지 빔을 결정하기 위해 소정의 메모리를 액세스하는 단계; 및
    상기 안테나에 의해 형성되는 목적지 빔을 사용하여 상기 목적지 셀에 상기 데이터를 전송하는 단계
    를 포함하고,
    상기 단계들이 소정의 공중 스위칭 노드에서 수행되는
    통신 제공 방법.
  33. 제 32항에 있어서,
    상기 발신 빔은 상기 발신 셀로, 상기 목적지 빔은 상기 목적지 셀로 전자적으로 지향시키는 단계를 추가로 포함하는 통신 제공 방법.
  34. 제 32항에 있어서,
    상기 발신 빔은 상기 발신 셀로, 상기 목적지 빔은 상기 목적지 셀로 지향시키는 비행체 움직임에 응답하여 상기 안테나의 배향을 기계적으로 조정하는 단계를 추가로 포함하는 통신 제공 방법.
  35. 제 32항에 있어서,
    상기 안테나가 상기 발신 빔을 형성하는 제 1 송신/수신 쌍, 및 상기 목적지 빔을 형성하는 제 2 송신/수신 쌍을 포함하는 통신 제공 방법.
  36. 제 32항에 있어서,
    상기 데이터는 패킷 데이터를 포함하며,
    상기 통신 제공 방법은 상기 목적지 셀로 전송하기 위한 상기 안테나에 패킷 스위치를 통해 상기 패킷 데이터를 스위칭하는 단계를 추가로 포함하는
    통신 제공 방법.
  37. 제 32항에 있어서,
    상기 목적지 빔이
    상기 안테나에 의해 형성되며, 제 1 시간 주기 동안 상기 목적지 셀에 제공되는 제 1 목적지 빔; 및
    상기 안테나에 의해 형성되며, 제 1 시간 주기 후 제 2 시간 주기 동안 상기 목적지 셀에 제공되는 제 2 목적지 빔
    을 포함하는 통신 제공 방법.
  38. 제 32항에 있어서,
    상기 제 1 목적지 빔 및 제 2 목적지 빔 사이에서 소정의 핸드오프가 이루어지면 상기 메모리를 갱신하는 단계를 추가로 포함하는 통신 제공 방법.
  39. 제 32항에 있어서,
    상기 안테나가 지상 기지용 통신용으로 지정된 소정 주파수 밴드를 사용하여 통신하는 통신 제공 방법.
  40. 제 32항에 있어서,
    지상 기지용 안테나 추적을 인에이블하는 파일럿 신호를 전송하는 단계를 추가로 포함하는 통신 제공 방법.
  41. 제 32항에 있어서,
    상기 안테나의 나침반 배향을 거의 일정하게 유지하도록 상기 안테나를 회전시키는 단계를 추가로 포함하는 통신 제공 방법.
  42. 제 32항에 있어서,
    상기 데이터가 비동기 전송 모드 패킷 데이터를 포함하는 통신 제공 방법.
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