KR20140131395A - 하이 데이터 레이트 항공기 대 지상 통신 안테나 시스템 - Google Patents

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아흐매드 잘알리
모함매드 에이. 타쏘우드지
에른스트 티. 오자키
윌리암 쥐. 아메스
레오나르드 엔. 스치프
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Abstract

지대공 통신을 위한 방법은, 항공기로부터 제 1 범위의 방위각 각도들을 커버하는 제 1 안테나 엘리먼트에 의해 제 1 지상 기지국으로부터 제 1 와이드 빔 상에서 제 1 파일럿 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 데이터는 제 1 안테나 엘리먼트에 의해 제 1 지상 기지국으로부터 지향된 데이터 빔 상에서 수신된다. 제 2 파일럿 신호는, 제 1 범위의 방위각 각도들과는 상이한 제 2 범위의 방위각 각도들을 커버하는 제 2 안테나 엘리먼트에 의해 제 2 지상 기지국으로부터 제 2 와이드 빔 상에서 수신된다. 제 2 파일럿 신호의 신호 강도는 제 1 파일럿 신호의 신호 강도와 비교된다. 제 2 파일럿 신호의 신호 강도가 제 1 파일럿 신호의 신호 강도보다 크면, 데이터 수신은 제 1 안테나 엘리먼트로부터 제 2 안테나 엘리먼트로 스위칭된다.

Description

하이 데이터 레이트 항공기 대 지상 통신 안테나 시스템{HIGH DATA RATE AIRCRAFT TO GROUND COMMUNICATION ANTENNA SYSTEM}
본 특허 출원은, M. Tassoudji 등의 명의로 2011년 2월 9일에 출원된 미국 가출원 제 61/441,231호를 우선권으로 주장하며, 상기 가출원은 본원의 양수인에게 양도되었고, 이로써 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 명백하게 포함된다.
본 출원은, 대리인 열람번호가 111025U2이고 A. JALALI 등의 명의의 "REAL-TIME CALIBRATION OF AN AIR TO GROUND COMMUNICATION SYSTEM"으로 명명된, 본원과 양수인이 동일한 미국 특허 출원, 및 대리인 열람번호가 111025U3이고 A. JALALI 등의 명의의 "GROUND STATION ANTENNA ARRAY FOR AIR TO GROUND COMMUNICATION SYSTEM"으로 명명된, 본원과 양수인이 동일한 미국 특허 출원과 관련되고, 상기 출원들의 개시들은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 명백히 포함된다.
본 개시의 양상들은 일반적으로 무선 통신 시스템들에 관한 것이고, 더 상세하게는 항공기에 인터넷 서비스들을 제공하기 위한 것이다.
2개의 주요 접근법들이 항공기들에 인터넷 액세스를 제공한다. 하나의 접근법에서는, 땅 위를 비행하는 항공기에 인터넷 액세스를 제공하기 위해, 공대지(ATG; Air to Ground) 시스템이 셀룰러 통신 기술들을 이용하여 지상의(terrestrial) 지상 기지국(GBS; Ground Base Stations)을 이용한다. 미대륙에 걸쳐 동작하는 현재 이용되는 ATG 시스템은 오직 3 MHz의 스펙트럼만을 이용한다. 이 시스템은 상업적으로 실행가능할 수 있지만, 제한된 스펙트럼은, 인터넷 서비스들, 이를테면, 항공기로의 인터넷 컨텐츠의 스트리밍에 대한 증가하는 요구를 수용하기에는 부적합할 수 있다. 다른 접근법에서는, 위성 링크들이 항공기에 인터넷 서비스를 제공한다. 위성 기반 시스템들은 이용가능한 더 많은 스펙트럼을 갖지만, 이들의 비용은 과도하다.
항공기 인터넷 통신에 대한 위성 링크들의 과도한 비용 때문에, 지상 기반 ATG 시스템들을 활용하는 것이 바람직하다. ATG에 대한 이용가능한 스펙트럼을 증가시키고, 이러한 시스템들이 실질적으로 비용을 증가시키지 않으면서 항공기 인터넷 서비스에 대한 증가하는 요구들을 수용하도록 허용할 기술들을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 개시의 일 양상에 따르면, 멀티-빔 항공기 어레이 안테나를 구비한 항공기와의 지대공(ground to air) 통신을 위한 방법이 설명된다. 방법은, 항공기 안테나 어레이의 제 1 안테나 엘리먼트에 의해 네트워크의 제 1 지상 기지국으로부터 제 1 와이드 빔 상에서 제 1 파일럿 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 일 양상에서, 제 1 안테나 엘리먼트는 항공기로부터 제 1 범위의 방위각(azimuth) 각도들을 커버한다. 데이터는 제 1 안테나 엘리먼트에 의해 제 1 지상 기지국으로부터 지향된 데이터 빔 상에서 수신된 데이터일 수 있다. 방법은, 항공기 안테나 어레이의 제 2 안테나 엘리먼트에 의해 네트워크의 적어도 하나의 제 2 지상 기지국으로부터 제 2 와이드 빔 상에서 제 2 파일럿 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 일 양상에서, 제 2 안테나 엘리먼트는 항공기로부터, 제 1 범위의 방위각 각도들과는 상이한 제 2 범위의 방위각 각도들을 커버한다. 제 2 파일럿 신호의 신호 강도는 제 1 파일럿 신호의 신호 강도와 비교될 수 있다. 일 양상에서, 방법은, 제 2 안테나 엘리먼트에 의해 수신된 제 2 파일럿 신호의 신호 강도가 제 1 안테나 엘리먼트 상에서 수신된 제 1 파일럿 신호의 신호 강도보다 크다고 결정하는 것에 응답하여, 데이터의 수신을 제 1 안테나 엘리먼트로부터 제 2 안테나 엘리먼트로 스위칭하는 단계를 포함한다.
다른 양상에서, 항공기가 멀티-빔 항공기 어레이 안테나를 구비하는 무선 네트워크에서 지대공 통신을 위한 장치가 설명된다. 장치는, 항공기로부터 제 1 범위의 방위각 각도들을 커버하는 제 1 안테나 엘리먼트에 의해 제 1 지상 기지국으로부터 제 1 와이드 빔 상에서 제 1 파일럿 신호를 수신하기 위한 수단을 포함한다. 장치는 또한, 제 1 안테나 엘리먼트에 의해 제 1 지상 기지국으로부터 지향된 데이터 빔 상에서 데이터를 수신하기 위한 수단을 포함한다. 장치는 또한, 제 1 범위의 방위각 각도들과는 상이한 제 2 범위의 방위각 각도들을 커버하는 제 2 안테나 엘리먼트에 의해 제 2 지상 기지국으로부터 제 2 와이드 빔 상에서 제 2 파일럿 신호를 수신하기 위한 수단을 포함한다. 장치는 또한, 제 2 파일럿 신호의 신호 강도를 제 1 파일럿 신호의 신호 강도와 비교하기 위한 수단을 포함한다. 일 양상에서, 장치는, 제 2 파일럿 신호의 신호 강도가 제 1 파일럿 신호의 신호 강도보다 크면, 데이터 수신을 제 1 안테나 엘리먼트로부터 제 2 안테나 엘리먼트로 스위칭하기 위한 수단을 포함한다.
다른 양상에서, 항공기가 멀티-빔 항공기 어레이 안테나를 구비하는 무선 네트워크에서 지대공 통신을 위한 컴퓨터 프로그램 물건이 설명된다. 컴퓨터 프로그램 물건은 프로그램 코드가 기록된 컴퓨터 판독가능 매체를 포함한다. 컴퓨터 프로그램 물건은, 항공기로부터 제 1 범위의 방위각 각도들을 커버하는 제 1 안테나 엘리먼트에 의해 제 1 지상 기지국으로부터 제 1 와이드 빔 상에서 제 1 파일럿 신호를 수신하기 위한 프로그램 코드를 갖는다. 컴퓨터 프로그램 물건은 또한, 제 1 안테나 엘리먼트에 의해 제 1 지상 기지국으로부터 지향된 데이터 빔 상에서 데이터를 수신하기 위한 프로그램 코드를 포함한다. 컴퓨터 프로그램 물건은 또한, 제 1 범위의 방위각 각도들과는 상이한 제 2 범위의 방위각 각도들을 커버하는 제 2 안테나 엘리먼트에 의해 제 2 지상 기지국으로부터 제 2 와이드 빔 상에서 제 2 파일럿 신호를 수신하기 위한 프로그램 코드를 포함한다. 컴퓨터 프로그램 물건은 또한, 제 2 파일럿 신호의 신호 강도를 제 1 파일럿 신호의 신호 강도와 비교하기 위한 프로그램 코드를 포함한다. 일 양상에서, 컴퓨터 프로그램 코드는 또한, 제 2 파일럿 신호의 신호 강도가 제 1 파일럿 신호의 신호 강도보다 크면, 데이터 수신을 제 1 안테나 엘리먼트로부터 제 2 안테나 엘리먼트로 스위칭하기 위한 프로그램 코드를 포함한다.
또 다른 양상에서, 항공기가 멀티-빔 항공기 어레이 안테나를 구비하는 무선 네트워크에서 지대공 통신을 위한 장치가 설명된다. 장치는 적어도 하나의 프로세서; 및 적어도 하나의 프로세서에 커플링된 메모리를 포함한다. 프로세서(들)는, 항공기로부터 제 1 범위의 방위각 각도들을 커버하는 제 1 안테나 엘리먼트에 의해 제 1 지상 기지국으로부터 제 1 와이드 빔 상에서 제 1 파일럿 신호를 수신하도록 구성된다. 프로세서(들)는 제 1 안테나 엘리먼트에 의해 제 1 지상 기지국으로부터 지향된 데이터 빔 상에서 데이터를 수신하도록 추가로 구성된다. 프로세서(들)는, 제 1 범위의 방위각 각도들과는 상이한 제 2 범위의 방위각 각도들을 커버하는 제 2 안테나 엘리먼트에 의해 제 2 지상 기지국으로부터 제 2 와이드 빔 상에서 제 2 파일럿 신호를 수신하도록 추가로 구성된다. 프로세서(들)는 제 2 파일럿 신호의 신호 강도를 제 1 파일럿 신호의 신호 강도와 비교하도록 추가로 구성된다. 일 양상에서, 프로세서(들)는, 제 2 파일럿 신호의 신호 강도가 제 1 파일럿 신호의 신호 강도보다 크면, 데이터 수신을 제 1 안테나 엘리먼트로부터 제 2 안테나 엘리먼트로 스위칭하도록 추가로 구성된다.
전술한 바는, 하기의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 본 개시의 특징들 및 기술적 이점들을 다소 광범위하게 요약하였다. 본 개시의 추가적 특징들 및 이점들이 이하 설명될 것이다. 본 개시는 본 개시의 동일한 목적들을 수행하기 위해 다른 구조들을 변형 또는 설계하기 위한 기초로 용이하게 이용될 수 있음을 당업자들은 인식해야 한다. 또한, 이러한 균등한 구조들이, 첨부된 청구항들에 기술되는 본 개시의 교시들을 벗어나지 않음을 당업자들은 인식해야 한다. 추가적 목적들 및 이점들과 함께 본 개시의 구성 및 동작 방법 모두에 관해 본 개시의 특징으로 믿어지는 신규한 특징들은 첨부한 도면들과 함께 고려될 때 다음의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 각각의 도면들은 오직 예시 및 설명의 목적으로 제공되며, 본 개시의 제한들에 대한 정의로 의도되지 않음이 명백하게 이해될 것이다.
본 개시의 특징들, 특성들 및 이점들은, 도면들과 관련하여 고려될 때 아래에서 기술되는 상세한 설명으로부터 더 명백해질 것이고, 도면들에서 유사한 참조 부호들은 도면 전체에서 대응하도록 식별된다.
도 1은 본 개시의 양상에 따른 공대지 통신 시스템의 예를 개념적으로 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 개시의 양상에 따른 항공기 안테나 시스템의 예를 개념적으로 도시하는 도면이다.
도 3a는 본 개시의 양상에 따라, 무한한 지면 상에서, 시뮬레이션된 이득 패턴 대 도 1의 각각의 안테나 엘리먼트의 앙각(elevation) 각도의 예를 개념적으로 도시하는 도면이다.
도 3b는 본 개시의 양상에 따라, 시뮬레이션된 이득 패턴 대 도 1의 인접한 안테나 엘리먼트들의 방위각 각도 및 결합된 빔의 예를 개념적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 본 개시의 양상에 따른 지상국 안테나 어레이 시스템 및 항공기 안테나 시스템을 개념적으로 도시하는 블록도이다.
도 5는 본 개시의 일 양상에 따른 지상국 안테나 어레이 시스템을 개념적으로 도시하는 블록도이다.
도 6은 본 개시의 추가적 양상에 따른 지상국 안테나 어레이 시스템을 개념적으로 도시하는 블록도이다.
도 7은 본 개시의 양상에 따른 지상국 안테나 어레이 시스템을 포함하는 공대지 양방향 통신 시스템의 실시간 교정을 위한 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 8은 본 개시의 양상에 따른 멀티-빔 스위칭가능 어레이 안테나를 구비한 항공기에 의한 공대지 통신을 위한 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 9는 본 개시의 일 양상에 따라 항공기 간섭을 완화하기 위해, 서빙 지상 기지국으로부터의 순방향 링크 상에서 송신 전력을 증가시키기 위한 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
첨부된 도면들과 관련하여 아래에 기술되는 상세한 설명은 다양한 구성들의 설명으로서 의도되고, 본 명세서에 설명된 개념들이 실시될 수 있는 유일한 구성들을 표현하는 것으로 의도되지 않는다. 상세한 설명은 다양한 개념들의 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 세부사항들을 포함한다. 그러나 이 개념들이 이 특정 세부사항들 없이도 실시될 수 있음은 이 분야의 당업자들에게 자명할 것이다. 몇몇 예들에서, 이러한 개념들을 모호하게 하지 않기 위해, 주지된 구조들 및 컴포넌트들은 블록도 형태로 도시되어 있다.
지상 공대지(ATG) 시스템들에 의해 항공기로의 인터넷 통신을 위해 이용가능한 스펙트럼은 실용적 및 경제적 이유들로 제한되어 왔다. (미대륙과 같은) 넓은 영역 위의 높은 고도에서 비행하는 항공기와의 끊김없는 통신을 제공하는 것은 넓은 영역에 걸쳐 이용가능한 스펙트럼과 관련된다(involve). 즉, ATG 시스템에 할당된 스펙트럼은 전국적으로 이용가능해야 한다. 그러나, 다른 용도들에 할당된 전국적으로 이용가능한 스펙트럼 부분을 배제하도록 정렬하는 것은 말할 것도 없고(much less), 이러한 스펙트럼 부분을 식별하는 것은 문제가 있었다.
대량의 스펙트럼이 브로드캐스트 TV 및 양방향 FSS(Fixed Satellite Service)에서의 이용을 위해 지구 정지 궤도 위성들에 할당되었다. 본 개시의 양상들은 ATG 애플리케이션들과 지구 정지 궤도 위성 통신 시스템들 사이에서 스펙트럼의 부분들을 공유하기 위한, 하이 데이터 레이트 항공기 대 지상(aircraft to ground) 통신 안테나 시스템을 제공한다. C 대역(4 GHz 다운링크, 6 GHz 업링크), Ku 대역(12 GHz 다운링크, 14 GHz 업링크) 및 Ka 대역(20 GHz 다운링크, 30 GHz 업링크)과 같은 주파수 대역들이 지구 정지 궤도 위성 시스템들에 의해 현재 이용된다. 일 양상에서, 하이 데이터 레이트 항공기 대 지상 통신 안테나 시스템은 항공기에 인터넷 서비스를 제공하기 위해 Ku 업링크 대역을 공유할 수 있다.
본 개시의 양상들은, 에어플레인들의 항공기 트랜시버들(AT들)과 통신하는 지상 기지국들(GBS들)이 위성 시스템들 상에서의 통신들과 허용불가능한 간섭 없이, 위성 시스템들에 할당된 스펙트럼의 업링크 부분을 이용할 수 있는 ATG 시스템을 위한 방법들 및 장치를 제공한다. 본 개시에서 설명되는 시스템들 및 기술들은, 기존의 위성 시스템과 새로운 ATG 시스템 사이에서 무시할 수 있는 상호 간섭으로, 동일한 스펙트럼 상에서 상기 두 시스템들의 공존을 허용할 수 있다.
본 개시의 예시적인 양상에 따른 무선 통신을 위한 시스템(100)이 도 1에서 설명된다. 일 양상에서, 시스템(100)은, 순방향 링크(FL)(108) 및 역방향 링크(RL)(106)를 이용하여 위성 업링크 대역 상에서 신호들을 송신 및 수신하는 지상 기지국(102)을 포함한다. 지상 기지국(102)과 통신하는 항공기 트랜시버(AT)(120)는 또한, 순방향 링크(108) 및 역방향 링크(106)를 이용하여 위성 업링크 대역 상에서 신호들을 송신 및 수신할 수 있다. 일 양상에서, 항공기 트랜시버(120)는 멀티-빔 스위칭가능 어레이 안테나를 포함할 수 있다. 다른 지상 기지국(110)이 또한 도시된다.
일 양상에서, 항공기 트랜시버(120)는, 임의의 방위각 각도에서 지상 기지국(102)과 통신할 수 있는 멀티-빔 스위칭가능 어레이로 이루어진 항공기 안테나를 포함할 수 있다. 항공기 안테나는 기체(fuselage) 아래에 작은 돌출부 및 공기역학적 프로파일과 함께 탑재되어 공기 저항을 감소 또는 최소화할 수 있다. 일 양상에서, 안테나 앙각(elevation) 커버리지는 수평 아래에서 대략 3°내지 10°이다. 안테나 어레이는 N개의 엘리먼트들을 포함할 수 있고, N개의 엘리먼트들은, 각각의 엘리먼트가, 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 각각이 360/N도들을 커버하는 상이한 방위각 각도들에서 별개의 빔을 지향시키도록 위치된다.
도 2는, 예를 들어, 14 기가헤르쯔(GHz)에서 동작하는 다수의 12-빔 어레이들(202)(202-1,...202-N)을 갖는 항공기 안테나 어레이 시스템(200)의 일례를 도시한다. 대표적으로, 항공기 안테나 어레이(202-1)는, 각각이 대략 2.0 인치 x 0.45 인치의 애퍼쳐(aperture) 사이즈를 갖고, >10dBi(dB isotropic)의 이득을 갖는, 방위각에서 30°의 섹터들을 커버하는 12 호른(horn) 안테나들(210)(210-1,...,210-12)을 갖는다. 일 양상에서, 안테나 어레이의 전체 직경은 대략 8인치이다.
도 2는 12-빔 어레이 구성의 항공기 안테나 어레이들(202)을 도시하지만, 본 개시 및 첨부된 청구항들의 범위 내를 유지하면서 다른 구성들이 가능함을 인식해야 한다. 구체적으로, 하나의 예시적인 구성은 4-빔 어레이 구성의 4-안테나 어레이들(202)을 포함한다. 일 양상에서, 다수의 항공기 안테나 어레이들(202)은 상이한 앙각들에서 지상 기지국 탐색을 가능하게 한다. 일 양상에서, 다수의 안테나 어레이들(202)은 앙각에서 지상 기지국 안테나 탐색의 섹터화를 가능하게 한다. 이 양상에서, 각각의 엘리먼트는 그 자신의 트랜시버에 커플링된다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 지상 기지국 탐색은 항공기 트랜시버(120)와 다음 지상 기지국, 이를테면 도 1에 도시된 지상 기지국(110) 사이의 핸드오프를 가능하게 한다.
일 양상에서, 항공기 안테나 어레이 시스템(200)은 기체 아래에 탑재되고, 항공기 인터넷 서비스를 개선하기 위해 항공기의 별개의 부분 상에 보조 안테나가 탑재된다. 구체적으로, 비행 중에 항공기의 뱅킹(banking) 또는 롤링(rolling)은 기체 아래에 탑재된 항공기 안테나 어레이 시스템(200)과 지상 기지국(102) 사이의 통신을 방해할 수 있다. 일 양상에서, 보조 안테나는, 항공기가 뱅킹 또는 롤링하는 경우, 이 시간들 동안 지상 기지국과의 통신들을 핸들링함으로써, 항공기 트랜시버(120)와 지상 기지국(102) 사이의 통신의 방해를 감소시킨다. 항공기 안테나(200)의 특징들은 도 3a 및 도 3b에서 추가로 도시된다.
도 3a는, 본 개시의 일 양상에 따라 0, 5, 10, 15 및 20 도의 방위각 각도들에서 단일 안테나 엘리먼트(210)의 시뮬레이션된 앙각 이득 패턴의 도면(300)을 도시한다. 대표적으로, 도 3a의 x-축은, 수평이 90°에 있는 구면좌표계(spherical coordinates)에서의 세타(theta) 각도를 표현한다. 무한한 지면에 대해 시뮬레이션이 수행되기 때문에, (-90 내지 90의) 수평위 이득 패턴은 이미지 이론에 기인하여 복제되고, 무시되어야 한다. 도 3b는, 본 개시의 일 양상에 따라 2개의 인접한 엘리먼트들의 시뮬레이션된 방위각 이득 패턴(352 및 354) 및 디지털로 결합된 빔(360)의 도면(350)을 도시한다.
항공기 인터넷 서비스를 제공하기 위한 항공기 안테나(200)의 동작은, 도 1에 도시된 바와 같이, 검출, 및 현재의 지상 기지국(102)과 다음 지상 기지국(110) 사이의 항공기 모뎀 핸드오프와 관련된다. 다양한 방식들의 통신 및 탐색이 안테나 시스템에 의해 이용될 수 있다. 일 양상에서는, 단일 수신 체인이 통신에 이용되고, 탐색은 순차적인 시분할 방식으로 수행된다. 다른 양상에서는, 지상국 통신을 위한 하나의 체인 및 지상 기지국 탐색을 위한 다른 하나의 체인을 갖는 2개의 수신 체인들이 이용될 수 있다. 2개의 수신 체인 구성에서, 탐색 체인은 또한, 탐색하지 않는 동안 이득 및 스루풋을 증가시키기 위한 다이버시티 결합에 이용될 수 있다. 지상 기지국 탐색은 다음과 같이 수행될 수 있다.
일 양상에서, 지상 기지국 탐색은 주어진 항공기 안테나 엘리먼트 상에서 지상 기지국들로부터 수신된 모든 파일럿 신호들의 탐색을 포함할 수 있다. 수신된 파일럿 신호들은, 항공기 모뎀이, 더 강한 파일럿 신호를 송신하고 있는 다른 지상 기지국으로 핸드오프해야 하는지 여부를 결정하도록 랭크된다. 일단 하나의 안테나 엘리먼트 상에서의 탐색이 완료되면, 탐색은 다른 엘리먼트로 스위칭할 수 있고, 그 엘리먼트 상에서 파일럿 탐색을 반복할 수 있다. 일 양상에서, 안테나 엘리먼트들(210-2 내지 210-12) 각각은, 도 2에 도시된 바와 같이, 안테나 엘리먼트(210-1)에 의해 데이터가 수신되는 동안 지상국들에 대해 계속 탐색할 수 있다.
앞서 설명된 구성들에서, 스위칭된 안테나 방식은, 낮은 복잡도를 유지하면서 높은 이득을 달성하기 위해, 상이한 안테나 엘리먼트들 사이에서 스위칭하는 트랜시버와 관련된다. 대안적으로, 단계적(phased) 어레이 기술들을 이용하여 다수의 안테나 엘리먼트들을 결합함으로써, 지향성 빔들이 형성될 수 있다. 일 양상에서, 앞서 설명된 스위칭된 안테나 방식은, 다이버시티를 제공하기 위해 하드웨어 복잡도를 오직 약간만 증가시키면서, 안테나 이득을 추가로 증가시키기 위해 결합된 빔(360)을 형성하도록 2개의 인접한 빔들(352 및 354)을 결합할 수 있다. 일 양상에서, 스위칭된 안테나 방식은 인접한 안테나 엘리먼트들의 부분적 단계적 어레이 빔 결합을 이용할 수 있다. 예를 들어, 통신하는 지상 기지국이 인접 빔들의 경계에 있거나 경계 근처에 있는 경우, 인접한 빔들은 시스템 성능을 개선하기 위해 결합될 수 있다.
도 4는, 지상 기지국(102) 및 항공기 트랜시버(120)의 설계의 블록도를 도시한다. 지상 기지국(102)은 안테나들(434a 내지 434t)을 구비할 수 있고, 항공기 트랜시버(120)는 안테나들(452a 내지 452r)을 구비할 수 있다.
지상 기지국(102)에서, 송신 프로세서(420)는 데이터 소스(412)로부터의 데이터 및 제어기/프로세서(440)로부터의 제어 정보를 수신할 수 있다. 프로세서(420)는 데이터 및 제어 정보를 프로세싱(예를 들어, 인코딩 및 심볼 맵핑)하여, 데이터 심볼들 및 제어 심볼들을 각각 획득할 수 있다. 프로세서(420)는 또한 기준 심볼들을 생성할 수 있다. 송신(TX) 다중입력 다중출력(MIMO) 프로세서(430)는, 적용가능하다면, 데이터 심볼들, 제어 심볼들 및/또는 기준 심볼들에 대해 공간 프로세싱(예를 들어, 프리코딩)을 수행할 수 있고, 출력 심볼 스트림들을 변조기들(MOD들)(432a 내지 432t)에 제공할 수 있다. 각각의 변조기(432)는 각각의 출력 심볼 스트림을 (예를 들어, OFDM 등을 위해) 프로세싱하여, 출력 샘플 스트림을 획득할 수 있다. 각각의 변조기(432)는 출력 샘플 스트림을 추가로 프로세싱(예를 들어, 아날로그로 변환, 증폭, 필터링 및 상향변환)하여, 다운링크/순방향 링크 신호를 획득할 수 있다. 변조기들(432a 내지 432t)로부터의 다운링크 신호들은 안테나들(434a 내지 434t)을 통해 각각 송신될 수 있다.
항공기 트랜시버(120)에서, 안테나들(452a 내지 452r)은 지상 기지국(102)으로부터 다운링크/순방향 링크 신호들을 수신할 수 있고, 수신된 신호들을 복조기들(DEMOD들)(454a 내지 454r)에 각각 제공할 수 있다. 각각의 복조기(454)는 각각의 수신된 신호를 컨디셔닝(예를 들어, 필터링, 증폭, 하향변환 및 디지털화)하여, 입력 샘플들을 획득할 수 있다. 각각의 복조기(454)는 입력 샘플들을 (예를 들어, OFDM 등에 대해) 추가로 프로세싱하여, 수신된 심볼들을 획득할 수 있다. MIMO 검출기(456)는 모든 복조기들(454a 내지 454r)로부터의 수신된 심볼들을 획득하고, 적용가능하다면 수신된 심볼들에 대해 MIMO 검출을 수행하고, 검출된 심볼들을 제공할 수 있다. 수신 프로세서(458)는 검출된 심볼들을 프로세싱(예를 들어, 복조, 디인터리빙 및 디코딩)하고, 항공기 트랜시버(120)에 대한 디코딩된 데이터를 데이터 싱크(460)에 제공하고, 디코딩된 제어 정보를 제어기/프로세서(480)에 제공할 수 있다.
역방향 링크/업링크 상에서는, 항공기 트랜시버(120)에서, 송신 프로세서(464)가 데이터 소스(462)로부터의 데이터 및 제어기/프로세서(480)로부터의 제어 정보를 수신 및 프로세싱할 수 있다. 프로세서(464)는 또한 기준 신호에 대한 기준 심볼들을 생성할 수 있다. 송신 프로세서(464)로부터의 심볼들은 적용가능하다면 TX MIMO 프로세서(466)에 의해 프리코딩되고, 변조기들(454a 내지 454r)에 의해 추가로 프로세싱되고, 지상 기지국(102)에 송신될 수 있다. 지상 기지국(102)에서, 항공기 트랜시버(120)에 의해 전송된 디코딩된 데이터 및 제어 정보를 획득하기 위해, 항공기 트랜시버(120)로부터의 업링크/역방향 링크 신호들은 안테나들(434)에 의해 수신되고, 복조기들(432)에 의해 프로세싱되고, 적용가능하다면 MIMO 검출기(436)에 의해 검출되고, 수신 프로세서(438)에 의해 추가로 프로세싱될 수 있다. 프로세서(438)는 디코딩된 데이터를 데이터 싱크(439)에 제공할 수 있고, 디코딩된 제어 정보를 제어기/프로세서(440)에 제공할 수 있다.
제어기들/프로세서들(440 및 480)은 지상 기지국(102) 및 항공기 트랜시버(120)에서의 동작을 각각 지시(direct)할 수 있다. 지상 기지국(102)에서의 프로세서(440) 및/또는 다른 프로세서들 및 모듈들은 본 명세서에서 설명되는 기술들에 대한 다양한 프로세스들의 실행을 수행 또는 지시할 수 있다. 항공기 트랜시버(120)에서의 프로세서(480) 및/또는 다른 프로세서들 및 모듈들은 또한, 도 8의 이용 방법 흐름도에 도시된 기능 블록들 및/또는 본 명세서에서 설명되는 기술들에 대한 다른 프로세스들의 실행을 수행 또는 지시할 수 있다. 메모리들(442 및 482)은 지상 기지국(102) 및 항공기 트랜시버(120)에 대한 데이터 및 프로그램 코드들을 각각 저장할 수 있다.
항공기 안테나(200)와 통신하기 위한 안테나 어레이들을 포함하는 지상국 안테나 어레이 시스템들은 본 개시의 양상들에 따라 도 5 및 도 6에 도시된다. 일 양상에서, 지상국 안테나 어레이 시스템은, 예를 들어, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 다수의 항공기들과 동시에 통신할 수 있는 높은 이득의 멀티-빔 안테나 어레이들을 포함할 수 있다. 도 5 및 도 6은 본 개시의 양상들에 따른 섹터화 및 안테나 어레이 구성들의 2개의 예들을 도시한다.
일 양상에서, 섹터화는 예를 들어, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 시스템 스루풋을 증가시키기 위해 앙각에서 섹터들을 스플리팅(splitting)하는 것을 포함할 수 있다. 대표적으로, 방위각 및 앙각의 커버리지 영역은, 안테나 어레이가 커버리지 영역에서 모든 각도들에 걸쳐 자신의 이득 요건을 유지할 수 있는 협소한 영역들로 분할될 수 있다. 일 구성에서, 안테나들은 방위각에서 120°및 앙각에서 0.5°내지 10°의 커버리지 영역을 갖는 14 GHz 범위에서 동작될 수 있다. 지상 기지국 안테나 이득은 0.5°앙각에서 40 dBi일 수 있고, 항공기에 대한 더 낮은 경로 손실에 기인하여 10°앙각에서 25.5 dBi로 감소된다.
도 5를 다시 참조하면, 도 5는, 각각이 방위각에서 60°를 커버하는 2개의 안테나 패널들(510 및 530)을 갖는 지상 기지국 안테나 어레이 시스템(500)의 구성을 도시한다. 일 양상에서, 각각의 안테나 패널(510/530)은, 본 명세서에서는 지상국 안테나 어레이들로 지칭될 수 있는, 안테나 엘리먼트들(522(522-1,..., 522-N), 524(524-1,..., 524-N), 542(542-1,..., 542-N) 및 544(544-1,..., 544-N))의 NxM 어레이(520/540)로 각각 구성될 수 있다. 일 양상에서, 각각의 안테나 엘리먼트는 송신/수신(T/R) 모듈을 포함한다. 대표적으로, 지상국 안테나 어레이들(520 및 540)은 50x6 안테나 엘리먼트들을 포함하지만, 설명된 양상들 및 첨부된 청구항들의 범위 내를 유지하면서 다른 구성들이 가능하다. 일 양상에서, 디지털 빔 형성은 신호를 결합하고 원하는 전체 이득을 달성하는데 이용될 수 있다. 디지털 빔 형성은 각각의 패널의 상이한 열들 및 행들의 안테나 엘리먼트들에 걸쳐 컴퓨팅될 수 있다.
도 6은, 앙각을 커버하는 안테나 패널들(610, 620, 630 및 640/650, 660, 670 및 680)의 수가 4로 증가되고, 방위각을 커버하는 패널들(602 및 604)의 수가 2로 유지되는 지상국 안테나 어레이 시스템(600)의 구성을 도시한다. 일 양상에서, 더 큰 앙각들을 커버하는 패널들(610/650)에 대한 애퍼쳐 사이즈는, 더 큰 앙각들에서 요구되는 더 낮은 이득에 기인하여, 낮은 앙각들을 커버하는 패널들(640/680)에 대한 애퍼쳐 사이즈보다 작다. 각각의 안테나 어레이(612(612-1,..., 612-N)/650(650-1,...650-N))는, 디지털 빔 형성이 적용되는 50x1 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 일 양상에서, 디지털 빔의 생성은, 항공기의 앙각에 의존하여, 예를 들어, 인접한 패널들(610/650)과 다음의 인접한 패널들(620/660) 사이에서 스위칭된다.
디지털 빔 형성을 위해 더 적은 수의 엘리먼트들을 활용하는 다른 구성들은, 어레이 사이즈를 유지하면서, 방위각에서 각각의 패널의 커버리지 영역을 추가로 감소시키고 엘리먼트들의 안테나 애퍼쳐를 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 이는, 더 큰 전체 지상국 안테나 어레이의 사이즈, 그러나 덜 복잡한 디지털 신호 프로세싱을 초래할 수 있다. 일 양상에서, 임의의 디지털 빔 형성 없이 각각의 섹터에 대해 단일 엘리먼트가 이용될 수 있고, 단일 엘리먼트는 상기 예에서 100x4 안테나들에 대응한다.
일 양상에서, 디지털 빔 형성은, 다수의 스티어링가능한(steerable) 펜슬-빔들(pencil-beams)을 제공하기 위해 각각의 어레이에서 이용될 수 있다. 어레이의 각각의 엘리먼트에 대한 신호는 T/R(송신/수신) 모듈을 통과할 수 있고, 기저대역으로 변환된다. 일 양상에서, 지향성 빔에 대한 위상 시프트들은 빔 스티어링 컴퓨터에 의해 계산되고 각각의 신호에 적용된다. 유사한 위상 팩터들이 신호를 송신하는데 적용될 수 있고, 송신/수신 모듈을 통해 안테나 엘리먼트에 전달된다. 일 양상에서, 교정 절차는 각각의 엘리먼트의 진폭 및 위상을 평준화하고, 회로의 시간 분산을 고려한다.
앞서 언급된 바와 같이, 교정은 안테나 및 송신/수신 유닛들의 상이한 위상/진폭 응답들을 보상한다. 교정의 일 타입은 빌트 인(built in) 회로를 이용하여 공장에서 수행될 수 있다. 이 교정은 임의의 주지된 기술을 이용할 수 있다. 빌트 인 교정 방식은 또한, 온도 및 노쇠화에 기인한 변화들을 파악(track)하기 위한, 현장에서의 주기적 교정을 위해 이용될 수 있다. 교정을 위한 다른 접근법이 에어 인터페이스에 구축될 수 있어서, 지상 기지국과 항공기 모뎀 사이의 양방향 통신을 수행하는 동안 실시간 교정을 제공할 수 있다. 일 양상에서, 교정은 에어 인터페이스의 통신 시그널링을 이용하여 주기적으로 수행된다. 구체적으로, 공대지 양방향 통신 시스템이 동작하는 동안 오버 디 에어(OTA) 실시간 교정이 수행될 수 있다.
일 양상에서, 지상 기지국(GBS) 유닛 상에서의 순방향 링크(FL)는, 전체 섹터를 커버하는 와이드 빔 상에서 파일럿 신호를 주기적으로 송신한다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 지상 기지국의 순방향 링크 상에서 주기적으로 송신된 파일럿 신호는 섹터 와이드 파일럿(SWP)으로 지칭될 수 있다. 일 양상에서, 섹터 와이드 파일럿은, 항공기가 새로운 지상 기지국들을 검출하고, 그 지상 기지국들에 동기화하고, 아래에서 설명되는 주기적 교정 절차에 대한 정보와 같은 시스템 파라미터들을 수신하게 할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 지상 기지국(102)은 순방향 링크(108)를 통해 섹터 와이드 파일럿을 송신할 수 있다.
일 양상에서, 섹터 와이드 파일럿을 송신하는데 이용되는 와이드 빔은, 예를 들어, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 개별적인 지상국 안테나 어레이 엘리먼트들(522, 524, 542, 544, 612 또는 650) 중 임의의 엘리먼트 상에서 송신함으로써 형성될 수 있다. 항공기 모뎀은 자신의 탐색 절차의 일부로서 이 섹터 와이드 파일럿을 검출할 수 있다. 지상국 안테나 어레이 엘리먼트들의 송신 엘리먼트들을 교정하기 위한 하나의 가능한 실시간 절차는 다음과 같이 수행된다.
일 양상에서, 지상 기지국은 교정 모드에 주기적으로 진입한다. 교정 모드의 시간은, 섹터 와이드 파일럿을 반송(carry)하는 동일한 와이드 빔 상에서 순방향 링크를 통해 전송될 수 있다. 지상국 안테나 어레이의 송신 측을 교정하는 것은 초기에 수행될 수 있다. 구체적으로, 지상 기지국 송신기는, 교정에 할당된 시간 기간 동안 모든 지상국 안테나 어레이 엘리먼트들 상에서 섹터 와이드 파일럿을 순차적으로 전송할 수 있다. 복조 이후에, k번째 지상국 안테나 어레이 엘리먼트로부터 항공기에서 수신된 신호는:
Figure pat00001
(1)
로 주어진다.
수식 (1)에서, 제 1 항은 RF 체인에서의 이득(αk) 및 지연(θk)에 대응할 수 있다. 제 2 항은 안테나 엘리먼트들 사이의 커플링의 진폭(βk) 및 위상(φk)에 대응할 수 있다. 제 3 항은 안테나 어레이 간격으로부터의 진폭(δk) 및 위상(νk)에 대응할 수 있다. 마지막 항은 다중경로 페이딩 진폭(σk) 및 위상(∂k)에 대응할 수 있다. 또한, 수식 (1)에서 j는 복소수의 허수부를 표현한다.
일 양상에서, 처음 3개의 항들은 하드웨어에 기인하고, 다수의 시간적 측정들을 행하여 마지막 항을 평균화함으로써 추정될 수 있다. 예를 들어, 항공기가 비행하는 빠른 속도가 주어지면, 채널 변화들이 매우 빠르게 (예를 들어, 대략 밀리초들로) 발생한다. 일 양상에서, 수식 (1)의 다수의 측정들이 2 밀리초 인터벌에 걸쳐 행해질 수 있다. 그 다음, 이 개별적 측정들은, 다중경로에 기인하는 수식 (1)의 마지막 항을 평균화하기 위해 필터링될 수 있다. 수식 (1)에서, 마지막 항은, 채널이 주파수 비선택적이거나, 측정들이 OFDM(직교 주파수 분할 멀티플렉싱) 물리 계층의 개별적 톤들과 같은 좁은 대역폭에 걸쳐 행해지는 것을 가정할 수 있다.
넓은 대역폭 시스템에 대한 일 양상에서, 신호들은 모든 주파수들에 걸쳐 하드웨어의 교정을 보장하기에 충분한 수의 톤들 상에서 전송될 수 있다. 항공기 모뎀은 앞서 설명된 바와 같이 교정 계수들을 컴퓨팅할 수 있고, 지상 기지국에 계수들을 송신하여, 지상 기지국은, 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 항공기를 향하는 순방향 링크 빔 형성을 위해 이 계수들을 이용할 수 있다.
공대지 양방향 통신 시스템의 실시간 교정을 위한 프로세스는 다음과 같이 수행될 수 있다. 도 7은 본 개시의 일 양상에 따라 지상국 안테나 어레이 시스템을 포함하는 공대지 양방향 통신 시스템의 실시간 교정을 위한 방법(700)을 도시하는 흐름도이다. 프로세스 블록(702)에서, 공대지 양방향 통신 시스템은, 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 항공기에 대한 인터넷 서비스를 제공하도록 동작한다. 프로세스 블록(704)에서, 공대지 양방향 통신 시스템의 동작 동안 교정 기간이 검출되는지 여부가 결정된다. 교정 기간이 검출될 때까지, 공대지 양방향 통신 시스템의 동작이 계속된다. 일단 교정 기간이 검출되면, 기지국 안테나 시스템의 교정은 다음과 같이 수행될 수 있다.
프로세스 블록(706)에서, 섹터 와이드 파일럿 신호는 기지국 안테나 어레이의 각각의 안테나 엘리먼트에 의해 와이드 빔 상에서 순차적으로 송신된다. 일 양상에서, 안테나(500)(도 5)는 지상국 안테나 어레이들(520 및 540)의 각각의 엘리먼트 상에서 섹터 와이드 파일럿(SWP)을 송신할 수 있다. 도 6에 도시된 구성에서, 지상국 안테나 시스템(600)은 항공기의 앙각에 의존하여, 인접한 안테나 패널들(610 및 650, 620 및 660, 630 및 670, 또는 640 및 680) 중 하나 상에서 섹터 와이드 파일럿을 송신할 수 있다.
도 7을 다시 참조하면, 프로세스 블록(708)에서, 안테나 어레이의 순방향 링크 교정 계수들은 교정 기간들 동안 섹터 와이드 파일럿 신호들에 응답하여 항공기로부터 수신될 수 있다. 일 양상에서, 교정 계수들은 항공기에 의해 수신된 섹터 와이드 파일럿 신호들을 특징화한다. 프로세스 블록(710)에서, 지상국 안테나 어레이 시스템의 안테나 어레이의 실시간 교정은, 예를 들어, 본 개시의 일 양상에 따른 수식 (1)을 이용하여, 수신된 교정 계수들에 따라 수행된다.
일 양상에서, 상기 방식과 유사한 방식으로, 그러나 도 1에 도시된 바와 같이, 항공기 모뎀이 역방향 링크(RL)(106) 상에서 파일럿 시퀀스를 송신하게 함으로써, 수신 측 교정이 수행될 수 있다. 파일럿 신호는, 지상 기지국에서 안테나 엘리먼트들 각각에서의 검출을 가능하게 하기 위해 충분한 양의 에너지로 그리고 충분한 양의 시간 지속기간으로 전송될 수 있다. 송신 체인을 교정하기 위해 앞서 설명된 방식과 유사하게, 일 양상에서, 수신 체인의 위상 및 진폭은 다중경로 페이딩에 기인하여 임의의 변동들에 걸쳐 평균화함으로써 추정될 수 있다.
지상 기지국 및 항공기 안테나들이 일단 교정되면, 임의의 다양한 방법들로 빔 형성이 수행될 수 있다. 일 양상에서, 항공기는 현재의 위치 결정(position location)에 기초하여 지상 기지국에 자신의 위치를 전송하고, 현재의 위치 결정은, 예를 들어, 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS)과 같은 위치 결정 시스템으로 결정될 수 있다. 지상 기지국은 이 정보를 이용하여, 항공기 방향에서, 그리고 또한 지상 기지국의 수신 측 상에서 빔을 형성할 수 있다. 교정된 안테나 시스템에서, 항공기 및 지상 기지국의 위치에 대한 지식은, 빔의 조준(bore sight)을 항공기의 위치로 향하게 하기 위해 단계적 어레이 안테나 계수들을 계산하는데 이용될 수 있다. 비행 동안, 빔은, 본 개시의 일 양상에 따라, 지상 기지국에 주기적으로 리포팅되는 항공기의 위치를 이용하여 조정될 수 있다.
일 양상에서, 항공기 및 지상 기지국은, 항공기에서 및 지상 기지국에서 수신된 신호 대 잡음 플러스 간섭(SINR)을 증가 또는 최대화하기 위해 자신들의 빔들을 조정할 수 있다. 예를 들어, 지상 기지국은 자신의 송신 빔을 약간 이동시킬 수 있다. 항공기는, 항공기에서 수신된 SINR 측정들을 지상 기지국으로 리포팅할 것이다. 일 양상에서, 지상 기지국은 항공기로부터 수신된 SINR 피드백에 기초하여 자신의 빔을 조정함으로써 개선된 또는 최적의 송신 빔을 발견할 수 있다. 일 양상에서, 지상 기지국은, 예를 들어, 측정된 신호 에너지에 기초하여, 인접한 빔들 중 하나가 개선된 성능을 제공하는지 여부를 결정하기 위해, 하나 또는 그 초과의 인접한 빔들을 전송할 수 있다. 일 양상에서, 개선된 또는 최적의 빔의 검출은 항공기로부터 지상 기지국으로의 역방향 링크 상에서 이용될 수 있다.
순방향 링크 및 역방향 링크가 상호대응적인(reciprocal) TDD(시분할 듀플렉스) 채널들에서, 교정되는 하드웨어 위상 및 지연들을 제외하고는, 지상 기지국은 인접한 빔들 상에서 수신된 SINR들을 비교함으로써 원하는 또는 최상의 수신된 빔을 결정할 수 있다. 그 다음, 지상 기지국은 자신의 수신 측 상에서의 원하는 또는 최적의 빔에 기초하여 항공기를 향하는 빔을 형성할 수 있다. 일 양상에서, 지상 기지국은 원하는 또는 최적의 수신 빔을 반복적으로 결정하고, 그에 따라 송신 빔을 조정한다. 멀티-빔 스위칭가능 어레이 안테나를 구비한 항공기에 의한 공대지 통신을 위한 프로세스는 다음과 같이 수행될 수 있다.
도 8은, 본 개시의 일 양상에 따라, 멀티-빔 스위칭가능 안테나 엘리먼트들의 다수의 안테나 어레이들을 구비한 항공기에 의한 공대지 통신을 위한 방법(800)을 도시하는 흐름도이다. 프로세스 블록(802)에서, 제 1 파일럿 신호는 안테나의 제 1 안테나 엘리먼트에 의해 네트워크의 제 1 지상국으로부터 와이드 빔 상에서 수신된다. 일 양상에서, 안테나(200)(도 2)는 항공기로부터 제 1 범위의 방위각 각도들을 커버하는 제 1 안테나 엘리먼트(210)(210-1,...210-12) 상에서 섹터 와이드 파일럿(SWP)을 수신할 수 있다. 도 2에 도시된 구성에서, 항공기 안테나(200)는, 각각이 방위각에서 30°의 섹터들을 커버하는 12개의 호른 안테나들(210)(210-1,...210-12)을 갖는다.
도 8을 다시 참조하면, 프로세스 블록(804)에서, 데이터는 제 1 안테나 엘리먼트(예를 들어, 210-1)에 의해 제 1 지상국으로부터 지향된 빔 상에서 수신된다. 프로세스 블록(806)에서, 적어도 하나의 제 2 파일럿 신호는, 항공기로부터, 제 1 범위의 방위각 각도들과는 상이한 제 2 범위의 방위각 각도들을 커버하는 안테나의 제 2 안테나 엘리먼트에 의해 네트워크의 적어도 하나의 제 2 지상국으로부터 와이드 빔 상에서 수신된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 데이터가 제 1 지상 기지국(102)으로부터 수신되고 있는 동안, 섹터 와이드 파일럿은 제 2 지상국(110)으로부터 수신될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 데이터는 제 1 안테나 엘리먼트(210-1)에 의해 수신될 수 있는 한편, 섹터 와이드 파일럿은 제 2 안테나 엘리먼트(210-2)에 의해 수신된다. 일 구성에서, 안테나 엘리먼트들(210-2 내지 210-12) 각각은 지상국들을 계속적으로 탐색할 수 있는 한편, 데이터는 안테나 엘리먼트(210-1)에 의해 수신된다. 대안적인 양상에서, 시분할 모드는 데이터를 수신하기 위해 단일 안테나 엘리먼트를 이용함으로써 동작하고, 데이터가 수신되고 있지 않은 경우, 나머지 안테나 엘리먼트들은, 항공기 모뎀 핸드오프를 수행할지 여부를 결정하기 위해 지상국들을 탐색할 수 있다.
도 8을 다시 참조하면, 프로세스 블록(808)에서, 제 2 파일럿 신호(들)의 신호 강도는 제 1 파일럿 신호의 신호 강도와 비교된다. 프로세스 블록(810)에서, 데이터의 수신은, 제 2 안테나에 의해 수신된 제 2 파일럿 신호 강도가 제 1 안테나 엘리먼트 상에서 수신된 제 1 파일럿 신호 강도보다 크다는 결정에 응답하여, 제 1 안테나 엘리먼트로부터 제 2 안테나 엘리먼트로 스위칭될 수 있다. 일 양상에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 방법(800)은, 다수의 항공기 안테나 어레이들을 갖는 구성들에 대해 각각의 항공기 안테나 어레이(202)(도 2)에 대해 반복된다. 대안적인 양상에서, 방법(800)은 선택된 항공기 안테나 어레이(예를 들어, 202-1)에 대해 수행된다.
비-지구 정지 궤도 위성 단말들로부터의 송신들은, 지상 기지국으로부터 서빙되는 항공기 상의 항공기 트랜시버로의 통신들과 간섭할 수 있다. 또한, 다른 항공기가, 지상 기지국으로부터 서빙되는 항공기 상의 항공기 트랜시버로의 통신들과 간섭할 수 있다. 또한, 공대지 통신 시스템에 의해 Ka 대역 또는 Ku 대역이 이용되는 경우, 비(rain)에 의해 신호 악화가 초래될 수 있다. 본 개시의 양상들은 항공기 단말에 대한 이러한 타입의 간섭 및 신호 악화를 완화시킬 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 지상 기지국(110)의 순방향 링크 송신 전력에서의 동등한 감소와 함께, 지상 기지국(102)의 순방향 링크(108) 상의 송신 전력은 간섭을 극복하기 위해 증가될 수 있다. 일 양상에서, 지상 기지국 제어기/프로세서(440)(도 4)는, 다양한 지상 기지국들에 걸친 전체 송신 전력의 합이 일정하게 유지되도록, 다양한 기지국들 사이에서 송신 전력을 조정하는 것을 담당한다.
구체적으로, 항공기 수신기는 신호 대 간섭 플러스 잡음비(SINR)를 측정할 수 있고, 측정된 SINR의 인덱스를 지상 기지국에 전송할 수 있다. 일 양상에서, 지상 기지국은, 항공기에서 수신된 SINR을 타겟 값보다 높게 유지하기 위해, 순방향 링크 빔 상의 송신 전력을 조정한다. 비(rain)의 경우, 신호가 감쇠되어, 항공기에서 수신된 SINR에서의 감소를 초래한다. 각각의 빔에는 최대 송신 전력이 허용될 수 있다. 기지국 제어기는 모든 지상 기지국들로부터의 전체 송신 전력에 대해 제한을 부여할 것이다. 다른 시스템들로부터 항공기 수신기로의 간섭의 경우, SINR의 간섭 항이 증가되어 항공기에서 수신된 SINR을 감소시킬 것이다. 일 양상에서, 지상 기지국 제어기는 항공기 모뎀으로부터의 SINR 피드백에 응답하여, 순방향 링크 전력을 증가시킬 수 있다.
도 9는 본 개시의 일 양상에 따라 항공기 간섭을 완화하기 위해, 서빙 지상 기지국으로부터 순방향 링크 상에서의 송신 전력을 증가시키기 위한 방법(900)을 도시하는 흐름도이다. 프로세스 블록(902)에서, 서빙 지상 기지국으로부터 항공기로 지상 기지국 안테나 어레이의 순방향 링크 상에서 데이터의 송신 동안 간섭이 검출된다. 프로세스 블록(904)에서, 서빙 지상 기지국은 항공기 간섭을 완화시키기 위해 순방향 링크 상에서 송신 전력을 증가시킬 수 있다. 일 양상에서, 서빙 지상 기지국에 대한 송신 전력을 증가시키는 것은 하나 또는 그 초과의 다른 지상 기지국들의 송신 전력에서의 동등한 감소와 관련된다. 따라서, 프로세스 블록(906)에서, 하나 또는 그 초과의 다른 지상 기지국들의 송신 전력에서의 감소가 수행된다. 일 양상에서, 다양한 지상 기지국들에 걸친 전체 송신 전력의 합이 일정하게 유지되도록, 송신 전력에서의 감소가 수행된다.
일 구성에서, 네트워크의 제 1 지상 기지국으로부터 제 1 와이드 빔 상에서 제 1 파일럿 신호를 수신하기 위한 수단을 포함하는 무선 통신을 위한 항공기가 구성된다. 일 양상에서, 제 1 파일럿 수신 수단은 도 2에 도시된 바와 같이, 항공기 안테나 어레이(200)의 제 1 안테나 엘리먼트(210-1), 및/또는 도 4의 안테나(452a-r), 복조기(454a-r), 수신 프로세서(458), 제어기/프로세서(480) 및/또는 메모리(482)일 수 있다. 항공기는 또한 제 1 지상 기지국으로부터 지향된 데이터 빔 상에서 데이터를 수신하기 위한 수단을 포함하도록 구성된다. 일 양상에서, 데이터 수신 수단은 도 2에 도시된 바와 같이, 항공기 안테나 어레이(200)의 제 1 안테나 엘리먼트(210-1), 및/또는 도 4의 안테나(452a-r), 복조기(454a-r), 수신 프로세서(458), 제어기/프로세서(480) 및/또는 메모리(482)일 수 있다. 항공기는 또한 제 1 지상 기지국으로부터 제 1 와이드 빔 상에서 제 2 파일럿 신호를 수신하기 위한 수단을 포함하도록 구성된다. 일 양상에서, 제 2 파일럿 수신 수단은 도 2에 도시된 바와 같이, 항공기 안테나 어레이(200)의 제 2 안테나 엘리먼트(210-2), 및/또는 도 4의 안테나(452a-r), 복조기(454a-r), 수신 프로세서(458), 제어기/프로세서(480) 및/또는 메모리(482)일 수 있다.
항공기는 또한 제 1 파일럿 신호의 신호 강도와 제 2 파일럿 신호의 신호 강도를 비교하기 위한 수단을 포함하도록 구성된다. 일 양상에서, 비교 수단은 도 1, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 항공기 안테나 어레이(200)의 항공기 트랜시버(120), 도 4의 제어기/프로세서(480), 및/또는 메모리(482)일 수 있다. 항공기는 또한 데이터의 수신을 제 1 안테나 엘리먼트로부터 제 2 안테나 엘리먼트로 스위칭하기 위한 수단을 포함하도록 구성된다. 일 양상에서, 스위칭 수단은 또한 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 항공기 안테나 어레이(200)의 항공기 트랜시버(120), 도 4의 제어기/프로세서(480) 및/또는 메모리(482)일 수 있다. 다른 양상에서, 전술된 수단은, 전술된 수단에 의해 인용되는 기능들을 수행하도록 구성되는 모듈 또는 임의의 장치일 수 있다.
일 구성에서, 서빙 지상 기지국으로부터 항공기로의 순방향 링크 상에서 데이터 송신 동안 간섭을 검출하기 위한 수단을 포함하는 무선 통신을 위한 지상 기지국이 구성된다. 일 양상에서, 검출 수단은 도 4의 복조기들(432a-t), 수신 프로세서(438), 안테나(434a-t), 제어기/프로세서(440) 및/또는 메모리(442)일 수 있다. 지상 기지국은 또한 본 개시의 일 양상에 따라 항공기 간섭을 완화시키기 위해 지상 기지국으로부터의 순방향 링크 상에서 송신 전력을 증가시키기 위한 수단을 포함하도록 구성된다. 일 양상에서, 증가 수단은 도 4의 제어기/프로세서(440), 메모리(442), 송신 프로세서(420), 변조기들(432a-t) 및/또는 안테나(434a-t)일 수 있다. 지상 기지국은 또한 하나 또는 그 초과의 다른 지상 기지국들의 송신 전력을 감소시키기 위한 수단을 포함하도록 구성된다. 일 양상에서, 감소 수단은 또한 도 4의 제어기/프로세서(440) 및/또는 메모리(442)일 수 있다. 다른 양상에서, 전술된 수단은, 전술된 수단에 의해 인용되는 기능들을 수행하도록 구성되는 모듈 또는 임의의 장치일 수 있다.
당업자들은 본 명세서의 개시와 관련하여 설명되는 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 회로들, 및 알고리즘 단계들이 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 이 둘의 조합으로서 구현될 수도 있음을 추가로 인식할 것이다. 하드웨어와 소프트웨어의 이러한 상호 호환성을 명확하게 설명하기 위해, 다양한 예시적인 컴포넌트들, 블록들, 모듈들, 회로들, 및 단계들이 일반적으로 이들의 기능적 관점에서 설명되었다. 이러한 기능이 하드웨어로 구현되는지, 또는 소프트웨어로 구현되는지 여부는 특정 애플리케이션, 및 전체 시스템에 대해 부과된 설계 제한들에 의존한다. 당업자들은 설명된 기능을 각각의 특정 애플리케이션에 대해 다양한 방식들로 구현할 수 있지만, 이러한 구현 결정들이 본 개시의 범위로부터의 이탈을 야기하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서의 개시와 관련하여 설명되는 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 및 회로들은 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 주문형 집적회로(ASIC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 또는 다른 프로그래머블 논리 디바이스, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트들 또는 본 명세서에 설명된 기능들을 수행하도록 설계된 이들의 임의의 조합으로 구현 또는 수행될 수 있다. 범용 프로세서는 마이크로프로세서일 수 있지만, 대안적으로 프로세서는, 임의의 종래의 프로세서, 제어기, 마이크로제어기, 또는 상태 머신일 수 있다. 프로세서는 또한 컴퓨팅 디바이스들의 조합, 예를 들어 DSP 및 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서들, DSP 코어와 결합된 하나 또는 그 초과의 마이크로프로세서들, 또는 임의의 다른 이러한 구성으로서 구현될 수 있다.
본 명세서의 개시와 관련하여 설명되는 알고리즘 또는 방법의 단계들은 직접적으로 하드웨어로, 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈로, 또는 이 둘의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래쉬 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터들, 하드디스크, 착탈식 디스크, CD-ROM 또는 업계에 공지된 임의의 다른 형태의 저장 매체에 상주할 수 있다. 예시적인 저장 매체는, 프로세서가 저장 매체로부터 정보를 판독하고, 저장 매체에 정보를 기록할 수 있도록 프로세서에 연결된다. 대안적으로, 저장 매체는 프로세서에 통합될 수 있다. 프로세서 및 저장 매체는 ASIC에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말에 상주할 수 있다. 대안적으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말에서 개별 컴포넌트들로서 상주할 수 있다.
하나 또는 그 초과의 예시적인 설계들에서, 설명된 기능들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현되는 경우, 상기 기능들은 컴퓨터 판독가능 매체 상에 하나 또는 그 초과의 명령들 또는 코드로서 저장되거나 이들을 통해 송신될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체들은 컴퓨터 저장 매체들, 및 일 장소에서 다른 장소로 컴퓨터 프로그램의 이전을 용이하게 하는 임의의 매체들을 포함하는 통신 매체 둘 모두를 포함한다. 저장 매체들은 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체들일 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 이러한 컴퓨터 판독가능 매체들은 RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광학 디스크 저장소, 자기 디스크 저장소 또는 다른 자기 저장 디바이스들, 또는 명령들 또는 데이터 구조들의 형태로 요구되는 프로그램 코드 수단을 저장 또는 전달하는데 사용될 수 있고, 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터 또는 범용 프로세서 또는 특수 목적 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 또한, 임의의 연결수단(connection)이 컴퓨터 판독가능 매체로 적절히 간주될 수 있다. 예를 들어, 소프트웨어가 웹사이트, 서버, 또는 다른 원격 소스로부터 동축 케이블, 광섬유 케이블, 연선(twisted pair), 디지털 가입자 라인(DSL), 또는 적외선, 라디오, 및 마이크로웨이브와 같은 무선 기술들을 이용하여 전송되는 경우, 동축 케이블, 광섬유 케이블, 연선, DSL, 또는 적외선, 라디오, 및 마이크로웨이브와 같은 무선 기술들이 이러한 매체의 정의에 포함된다. 본 명세서에서 사용되는 디스크(disk) 및 디스크(disc)는 컴팩트 디스크(disc)(CD), 레이저 디스크(disc), 광 디스크(disc), 디지털 다기능 디스크(disc)(DVD), 플로피 디스크(disk), 및 블루-레이 디스크(disc)를 포함하며, 여기서 디스크(disk)들은 데이터를 보통 자기적으로 재생하지만, 디스크(disc)들은 레이저들을 이용하여 광학적으로 데이터를 재생한다. 상기한 것들의 조합들 역시 컴퓨터 판독가능 매체들의 범위 내에 포함되어야 한다.
본 개시의 전술한 설명은 임의의 당업자가 본 개시를 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 본 개시에 대한 다양한 변형들은 당업자들에게 용이하게 명백할 것이며, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리들은 본 개시의 사상 또는 범위를 벗어남이 없이 다른 변형들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시는 본 명세서에 제시된 예들 및 설계들로 한정되는 것으로 의도되는 것이 아니라, 본 명세서에 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 가장 넓은 범위에 부합한다.

Claims (10)

  1. 멀티-빔 항공기 어레이 안테나를 구비한 항공기와의 지대공 통신을 위한 방법으로서,
    지상 기지국으로부터 항공기로 지상 기지국 안테나 어레이의 순방향 링크 상에서 데이터의 송신 동안 간섭을 검출하는 단계;
    상기 지상 기지국 안테나 어레이의 상기 순방향 링크 상에서의 송신 전력을 증가시키는 단계; 및
    공대지(air to ground) 양방향 통신 시스템의 모든 지상 기지국들에 걸쳐 일정한 총 송신 전력을 유지하기 위해, 적어도 하나의 다른 지상 기지국의 순방향 링크 상에서의 송신 전력을 감소시키는 단계를 포함하는,
    항공기와의 지대공 통신을 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭을 검출하는 단계는,
    상기 항공기로부터 신호 대 간섭 플러스 잡음비(SINR) 값을 수신하는 단계; 및
    수신된 SINR 값이 미리 결정된 타겟 값 미만이 되는 경우 간섭을 검출하는 단계를 포함하는, 항공기와의 지대공 통신을 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 전력을 증가시키는 단계는,
    상기 항공기에서의 측정된 신호 대 간섭 플러스 잡음비(SINR) 값을 타겟 값보다 크게 유지하기 위해, 상기 지상 기지국 안테나 어레이의 상기 순방향 링크 상에서의 송신 전력을 조정하는 단계를 더 포함하는, 항공기와의 지대공 통신을 위한 방법.
  4. 무선 통신을 위한 장치로서,
    지상 기지국으로부터 항공기로 지상 기지국 안테나 어레이의 순방향 링크 상에서 데이터의 송신 동안 간섭을 검출하기 위한 수단;
    상기 지상 기지국 안테나 어레이의 상기 순방향 링크 상에서의 송신 전력을 증가시키기 위한 수단; 및
    공대지 양방향 통신 시스템의 모든 지상 기지국들에 걸쳐 일정한 총 송신 전력을 유지하기 위해, 적어도 하나의 다른 지상 기지국의 순방향 링크 상에서의 송신 전력을 감소시키기 위한 수단을 포함하는,
    무선 통신을 위한 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 검출하기 위한 수단은,
    상기 항공기로부터 신호 대 간섭 플러스 잡음비(SINR) 값을 수신하기 위한 수단; 및
    수신된 SINR 값이 미리 결정된 타겟 값 미만이 되는 경우 간섭을 검출하기 위한 수단을 더 포함하는, 무선 통신을 위한 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 증가시키기 위한 수단은,
    상기 항공기에서의 측정된 신호 대 간섭 플러스 잡음비(SINR) 값을 타겟 값보다 크게 유지하기 위해, 상기 지상 기지국 안테나 어레이의 상기 순방향 링크 상에서의 송신 전력을 조정하기 위한 수단을 더 포함하는, 무선 통신을 위한 장치.
  7. 무선 네트워크에서 무선 통신을 위한 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서,
    상기 컴퓨터 판독가능 저장 매체에는 비일시적 프로그램 코드가 기록되고,
    상기 프로그램 코드는,
    지상 기지국으로부터 항공기로 지상 기지국 안테나 어레이의 순방향 링크 상에서 데이터의 송신 동안 간섭을 검출하기 위한 프로그램 코드;
    상기 지상 기지국 안테나 어레이의 상기 순방향 링크 상에서의 송신 전력을 증가시키기 위한 프로그램 코드; 및
    공대지 양방향 통신 시스템의 모든 지상 기지국들에 걸쳐 일정한 총 송신 전력을 유지하기 위해, 적어도 하나의 다른 지상 기지국의 순방향 링크 상에서의 송신 전력을 감소시키기 위한 프로그램 코드를 포함하는,
    컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  8. 무선 통신을 위한 장치로서,
    메모리; 및
    상기 메모리에 커플링된 적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    지상 기지국으로부터 항공기로 지상 기지국 안테나 어레이의 순방향 링크 상에서 데이터의 송신 동안 간섭을 검출하고;
    상기 지상 기지국 안테나 어레이의 상기 순방향 링크 상에서의 송신 전력을 증가시키고; 그리고
    공대지 양방향 통신 시스템의 모든 지상 기지국들에 걸쳐 일정한 총 송신 전력을 유지하기 위해, 적어도 하나의 다른 지상 기지국의 순방향 링크 상에서의 송신 전력을 감소시키도록
    구성되는,
    무선 통신을 위한 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 항공기로부터 신호 대 간섭 플러스 잡음비(SINR) 값을 수신하고; 그리고
    수신된 SINR 값이 미리 결정된 타겟 값 미만이 되는 경우 간섭을 검출함으로써, 상기 송신 동안 간섭을 검출하도록 추가로 구성되는, 무선 통신을 위한 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 항공기에서의 측정된 신호 대 간섭 플러스 잡음비(SINR) 값을 타겟 값보다 크게 유지하기 위해, 상기 지상 기지국 안테나 어레이의 상기 순방향 링크 상에서의 송신 전력을 조정함으로써, 송신 전력을 증가시키도록 추가로 구성되는, 무선 통신을 위한 장치.
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