(57)【要約】【課題】  本発明は、無線データ配信システムおよび方法を提供する。【解決手段】通信は、空中プラットフォーム（航空機など）のアンテナアレイと地上基地局との間で行うことができる。アンテナアレイは、複数の対応する空間方向に方向づけられる複数の指向性同期ビームを生成することができる。その他のアンテナアレイは、指向性同期ビームを受信し、同じように応答して、最初のアンテナアレイにその他のアンテナアレイの指向性を判定させる。その後、アンテナアレイはトレーニングビームを受信することができる。トレーニングビームは、フーリエ行列などの既知のデータを含み、該データはその後、重みを生成するのに利用することができる。次に、重みは、ベース信号の位相または振幅のいずれかを修正するように利用することができ、その後、ベース信号は、信号伝播の指向性を達成するためにアンテナアレイの各素子に送信される。よって、基地局などのトレーニングビーム源に向かって配向される指向性ビームを形成することができる。干渉源を特定することが望ましいであろう。干渉源は、対象周波数範囲内のすべての不所望の放射源である。最後に、該システムは、干渉源を実質上低減するために１つまたはそれ以上のヌルを導くことができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空中プラットフォームと地上基地局との間の無線通信中に干渉源を減衰させる方法であって、
基地局に向けた指向性ビームを形成することであって、前記指向性ビームは、前記空中プラットフォームから発せられる空間的に配向された信号伝播であり、前記指向性ビームは前記地上基地局から信号を受信し、
少なくとも１つの干渉源を特定することと、
前記少なくとも１つの干渉源を実質上減衰するために少なくとも１つのヌルを形成することと、
を備える方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つのヌルが、信号対干渉比を実質上低減するように形成される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つのヌルが、前記空中プラットフォームを利用して生成される請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つのヌルが、前記空中プラットフォームのほぼ下方で形成される請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記信号対干渉比を低減するため、時間テールを利用して、時間の経過と共に前記形成された少なくとも１つのヌルを変調することをさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項６】
複数の対応する空間方向に方向づけられる複数の指向性同期ビームを生成することと、
前記複数の生成された指向性同期ビームのうち少なくとも１つへの応答を受信することによって前記応答から基地局の方向を判定することと、
をさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記指向性同期ビームが、アンテナアレイ内の少なくとも１つのアンテナに供給される信号の位相および振幅のうちの少なくとも一方に、無作為摂動および決定論的摂動のうちの少なくとも一方を導入することによって生成される請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記複数の指向性同期ビームを生成することが、前記複数の指向性同期ビームを順次送信することを含む請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記複数の指向性同期ビームを生成することが、前記複数の指向性同期ビームを同時に送信することを含む請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
既知のデータを含むトレーニングビームを受信することと、
前記受信された既知のデータから重みを生成することと、
前記生成された重みを利用してベース信号の位相および振幅のうちの少なくとも一方を修正することと、
をさらに備え、前記位相および振幅のうちの少なくとも一方を修正することが、前記形成された指向性ビームの指向性を判定する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記既知のデータが、ウォルシュ、ゴレイ、アダマール、およびフーリエ行列のうちの少なくとも１つからのカラムを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
空中プラットフォームと地上基地局との間の無線通信のシステムであって、
複数の対応する空間方向に方向づけられる複数の指向性同期ビームを生成し、
前記複数の生成された指向性同期ビームのうちの少なくとも１つへの応答を受信することによって前記応答から基地局の指向性を判定し、
既知のデータを含むトレーニングビームを受信し、
前記受信された既知のデータから重みを生成し、
基地局に向けた指向性ビームを形成し、前記指向性ビームが前記空中プラットフォームから発せられる空間に配向された信号伝播であり、前記指向性ビームが前記地上基地局から信号を受信し、前記指向性ビームが修正されたベース信号を用いて形成され、前記ベース信号を修正することが、前記生成された重みを利用して位相および振幅のうちの少なくとも一方を修正することを含み、
すべての放射源にフラグを立て、少なくとも１つの入射ビームフォームを特定し、前記フラグを立てられた放射源から前記少なくとも１つの入射ビームフォームを生成している放射源を排除し、残りのフラグを立てられた放射源を干渉源として設定することによって、少なくとも１つの干渉源を特定し、
前記少なくとも１つの干渉源を実質上減衰するために少なくとも１つのヌルを形成する、
ように構成される空中プラットフォームにおいてアンテナアレイを備えるシステム。
【請求項１３】
空中プラットフォームと地上基地局との間の無線通信を同期させる方法であって、
複数の対応する空間方向に方向づけられる複数の指向性同期ビームを生成することと、
前記複数の生成された指向性同期ビームのうち少なくとも１つへの応答を受信することによって前記応答から基地局の指向性を判定することと、
を備える方法。
【請求項１４】
前記指向性同期ビームが、アンテナアレイ中の少なくとも１つのアンテナに供給される信号の位相および振幅のうちの少なくとも一方に、無作為摂動および決定論的摂動のうちの少なくとも一方を導入することによって生成される請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の指向性同期ビームを生成することが、前記複数の指向性同期ビームを順次送信することを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の指向性同期ビームを生成することが、前記複数の指向性同期ビームを同時に送信することを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
空中プラットフォームと地上基地局との間の無線通信をトレーニングする方法であって、
既知のデータを含むトレーニングビームを受信することと、
前記受信された既知のデータから重みを生成することと、
前記生成された重みを利用してベース信号の位相および振幅のうちの少なくとも一方を修正することと、
を備え、前記位相および振幅のうちの少なくとも一方を修正することが、前記形成された指向性ビームの指向性を判定する方法
【請求項１８】
前記既知のデータが、ウォルシュ、ゴレイ、アダマール、およびフーリエ行列のうちの少なくとも１つからのカラムを含む請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、データ配信システムおよび方法に関する。特に、本発明は、空中プラットフォームと地上基地局間の無許可無線周波数（ＲＦ）スペクトル上でデータコンテンツを配信するシステムおよび方法に関する。いくつかの実施形態では、このデータ配信システムは、１００Ｍｂｐｓを超える高スループットのデータ転送速度でデータを提供し、広範な安全、操作、および乗客データを転送することを可能にする。
【背景技術】
【０００２】
通信および情報アクセスは、航空業界にとって必須である。最古の商業用航空機は、双方向短波上で地上職員と通信する原始的な音声通信を有していた。この通信は、飛行の安全性を劇的に向上させただけでなく、航空輸送の商業化をそれまで未知であったレベルにまで進めた。
【０００３】
それ以来、空中プラットフォームは、レーダ、コンピュータ、さらにはデータリンクの出現で機能が向上され、通信を一層改善してきた。こうした技術は、飛行中の安全性を向上させ、乗客に快適さを提供するのに役立つ。しかしながら、真のブロードバンド高スループットデータアップリンクは、概して航空業界に欠けている。これは、技術面と経済面との制約が組み合わさって、商業用航空機全体に高ビットレートのデータ接続を提供することがこれまで非現実的であった、または不可能ですらあったためである。
【０００４】
しかしながら、こうした障害にもかかわらず、空中プラットフォーム用のブロードバンド無線通信を可能にすることが求められている。この必要性は通常、運航上の必要性（すなわち、メンテナンスと修理）、空の安全上の必要性、および乗客からの要求（必要性）に分類することができる。
【０００５】
運航上（メンテナンス）の必要性は、空中プラットフォームの状態をリアルタイムで把握することによって、航空会社が取り戻し得るコストの削減を動機とする。数ギガバイトもの飛行データが飛行毎に累積されるが、空中プラットフォームの着陸後まで容易にはアクセスできない（または、記憶されない場合、もしくはその後の検索の際に、完全にアクセス不能ですらある）。このため、適時の修理およびコスト節減のために、リアルタイムのエンジン動向、燃料消費速度、および部品のパフォーマンス変動を入手することができない。また、データのダウンロードが非常に低速である、または非常に高額であるために、データの一部が廃棄されることが多い。ボーイング７７７機またはエアバス３８０機などの最近の航空機では、このような運航データは、場合によってはリアルタイムで地上職員に供給することができる。しかしながら、このデータは制限されていることが多く、低いビットレート速度に頼っている。通常は、重要な運航データは、空中プラットフォームが着陸したときに有線アクセスポートを介して収集しダウンロードされる。しかしながら、こうした収集データはリアルタイムデータではなく、メンテナンスの必要性を予め計画するためには利用できない。
【０００６】
安全上の必要性は、惨事の原因を特定し、できれば惨事を回避するような能力を含む。現在、空中プラットフォームのフライトレコーダ（すなわち、「ブラックボックス」）は、空中プラットフォームの衝突後にアクセス可能である。コックピットボイスレコーダ（ＣＶＲ）は、事故の原因を特定するのにしばしば非常に有用な、音声レコーダである。衝突位置によっては、フライトレコーダおよび／またはＣＶＲが発見できないことも多い。フライトレコーダおよび／またはＣＶＲがなければ、衝突の原因が何かを判定することができないことがある。この因果関係を示すデータは、大衆の好奇心を満たし、遺族を助けるだけでなく、今後同様の事故が起きるのを防ぐためにプロトコル（規約）および／または安全検査を生成する上で、非常に重要である。同様に、地上職員がリアルタイムで空中プラットフォームの危機的な状況を把握していれば、災害の発生前に、起こり得る災害を特定し対処することが可能であろう。現在のところ、これらの安全上の必要性は、航空機に対する現行の制限されたデータ帯域幅では、満たされていない。
【０００７】
最後に、より大きなデータ帯域幅を求める多くの乗客からの要求（必要性）がある。たとえば、乗客用の自由なインターネットアクセスは、大きな広告収入をもたらす可能性がある。同じく、乗客は、高速インターネットサーフィンを通じて航空会社により多くの買物代と手数料を支払うようになる。現在、航空会社から提供されている制限されたインターネットアクセスは、低速と高コストのためにあまり使用されない。
【０００８】
インターネットアクセスまたはデータ通信を提供するように装備されたこれらの空中プラットフォームは通常、ダイヤルアップ速度よりもわずかに速いだけである。これは、上述したように、現行の技術上および経済上の障害によるものである。簡易なアプローチの１つは、認可された無線周波数（ＲＦ）スペクトルを購入して、地上から空中プラットフォームへの専用通信ネットワークを創設することである。しかしながら、このようなシステムは、飛行機１隊にサービスを提供するのに多大なスペクトルを必要とするため、経済面で手が出ない。たとえば、所望のパフォーマンスを達成するのに１６０ＭＨｚのスペクトルが必要であると予測される。近年、ベライゾン社は、１４ＭＨｚを購入するのに１０〜２０億ドルを投じた。当然ながら、企図されるサービスによって、あるスペクトルは他のスペクトルよりも高額である。セルラまたはセルラに近いスペクトルは、主要なスペクトル不動産と考えられる。にもかかわらず、必要な認可ＲＦスペクトルを購入するには、数十億ドルを超える法外な資本投資が必要となろう。
【０００９】
航空機にデータ接続を提供するその他のアプローチは、衛星Ｋｕバンドまたはセルラ受信機を設置することである。衛星システムの重量は約４５０ポンド（約２０４ｋｇ）である。セルラシステムはそれより軽いが、それでも余分な重量が１２５ポンド（約５６ｋｇ）もかかる。空中プラットフォームの重量は、今後の燃料消費量に直接関係する。よって、これらのシステムは、使用可能な寿命全体を通じて、航空会社に多額のコストを課すことになる。
【００１０】
燃料費に加えて、ユニット自体も高額である。セルラシステムには、空中プラットフォーム毎に、先行して約１２万５０００ドルもの多額の費用がかかる。衛星システムのコストはさらに高く、約４５万ドルである。また、衛星システムのメンテナンス費が空中プラットフォーム毎に年間１０万ドル上乗せされ、場合によっては、空中プラットフォーム上のアレイが空気力学上の不利益を招くことがある。
【００１１】
また、これらの機器の運用費は、送信されるデータのサイズに応じて非常に高額になる場合がある。衛星またはセルラシステム上で大量のデータを送信するには、高額の費用がかかるだろう。
【００１２】
最後に、一般的な共有サービス商業システムのデータ転送速度は、いまだに比較的低速である。衛星は、空中プラットフォーム毎に約１．５Ｍｂｐｓで動作し、セルラシステムは０．２５〜２．０Ｍｂｐｓで動作する。さらに、信号の信頼性がセルラシステムにとって問題となるかもしれない。同様に、たとえば、多数の空中プラットフォーム上で多数の乗客が大量のデータのダウンロードを開始した場合など、データダウンロードの需要の急増によって、衛星の帯域幅に負担がかかる場合がある。
【００１３】
よって、このような場合、上記の必要性の一部しか満たされない程度にデータを制限しなければならない。たとえば、これらの技術では、２時間の映画をダウンロードするのに必要な時間が、３時間を超えるかもしれない。したがって、空中プラットフォームへの既存のデータ転送技術は、実施のための資金が入手できたとしても、航空会社の要求（必要性）を満たすにはひどく不十分である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記の点に鑑み、長距離無線データ配信システムおよび方法を開示する。本発明は、かつてないデータ転送速度で、かつコスト効果の高い方法で、航空機とデータをやり取りする新規なシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、空中データ配信システムに関する。特に、本発明は、空中ブロードバンド無線データ配信のシステムおよび方法を教示する。データ配信システムは、いくつかの実施形態では、コスト効果の高いやり方で、長距離にわたり空中プラットフォームへの高速データ送信を提供するために利用することができる。
【００１６】
１実施形態では、該無線データ配信のシステムおよび方法は、１つまたはそれ以上のアンテナアレイ（アンテナ配列）を使用することができる。このようなアンテナアレイのいくつかは、空中プラットフォーム（航空機など）上に配置され、他のアンテナアレイは、地上基地局またはその近傍に置くことができる。場合によっては、アンテナアレイのうちの１つが複数の指向性同期ビーム（指向性の同期無線信号）を生成することができる。これらの指向性同期ビームは、複数の対応する空間方向に方向づけられる。いくつかの実施形態では、ビームの投射方向は、ベース信号の無作為または決定論的摂動に左右され得る。さらに、指向性同期ビームは、ある期間中に連続して送信することができる、または異なる周波数群であるために同時送信することが可能である。
【００１７】
その他のアンテナアレイは、指向性同期ビームを受信し、同じように応答する。次に、最初のアンテナアレイが応答を受信し、それを使用して、応答から基地局（または他のアンテナアレイ）の指向性を判定することができる。
【００１８】
次いで、アンテナアレイは、信号の忠実性を向上させるトレーニングを受けることができる。これには、トレーニングビームを受信するアンテナアレイを含めることができる。いくつかの実施形態では、トレーニングビームは、フーリエ行列などの既知のデータを含む。その後、受信された既知のデータは、重みを生成するのに利用することができる。
【００１９】
次に、これらの重みは、ベース信号の位相または振幅のいずれかを修正するように利用することができ、その後、ベース信号は、アンテナアレイの各素子に送信される。いくつかの素子を駆動する信号の位相および／または振幅を変調することによって、信号伝播の指向性を達成することができる（ビームフォーミング）。よって、任意の所望の方向に向けられる指向性ビームを形成することができ、トレーニング重みの場合、基地局などのトレーニングビーム源に向かって配向させることができる。
【００２０】
干渉源を特定することも望ましいであろう。干渉源は、対象周波数範囲内のすべての不所望の放射源である。これを特定するため、アンテナアレイは、すべての放射源を特定することができる。ビームフォーム（所望の信号）を発射する放射源は、特定された放射源のリストから削除することができる。残った放射源が干渉源と考えられる。最後に、システムは、干渉源を実質上減衰させるために１つまたはそれ以上のヌル（空白部分、空白区域）を導くことができる。
【００２１】
なお、上述の本発明の実施形態の各種特徴は、単独でまたは組み合わせて実施可能である。本発明の各種実施形態のこれらのおよびその他の特徴は、発明を実施するための形態において、以下の図面と組み合わせて、以下に詳細に説明する。なお、上述の本発明の各種特徴は、単独でまたは組み合わせて実施可能である。本発明のこれらのおよびその他の特徴は、発明を実施するための形態において、以下の図面と組み合わせて以下に詳細に説明する。
【００２２】
本発明は、限定ではなく例示のために図示され、添付図面中、同様の参照符号は同様の構成要素を指す。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】いくつかの実施形態に係る、基地局に接続される複数の地上アンテナアレイとの無線ブロードバンド通信における空中プラットフォームの例を示す図である。
【図２】いくつかの実施形態に係る、複数の地上アンテナアレイとの無線ブロードバンド通信における２つ以上の空中プラットフォームの例を示す図である。
【図３】いくつかの実施形態に係る、地上アンテナアレイとの無線ブロードバンド通信中、干渉源にヌル空間を配向させる空中プラットフォームの例を示す図である。
【図４】いくつかの実施形態に係る、多数の同期ビームフォームを投射するアンテナアレイの例を示す図である。
【図５】いくつかの実施形態に係る、アンテナパネルを含む地上アンテナアレイとの無線ブロードバンド通信における空中プラットフォームの例を示す詳細図である。
【図６】いくつかの実施形態に係る、アンテナアレイパネルの論理的な例を示す図である。
【図７Ａ】いくつかの実施形態に係る、広カバレージアンテナの例を示す図である。
【図７Ｂ】いくつかの実施形態に係る、傾けられた広カバレージアンテナの例を示す図である。
【図８】いくつかの実施形態に係る、データ配信システムのためのスケーラブルアーキテクチャの例を示すブロック図である。
【図９】いくつかの実施形態に係る、無線ブロードバンドデータ配信システム上でのデータ配信工程の例を示すフローチャートである。
【図１０Ａ】いくつかの実施形態に係る、地上アンテナアレイとモバイルアンテナアレイとの同期工程の第１の例のフローチャートである。
【図１０Ｂ】いくつかの実施形態に係る、地上アンテナアレイとモバイルアンテナアレイとの同期工程の第２の例のフローチャートである。
【図１１】いくつかの実施形態に係る、モバイルアンテナアレイとともに地上アンテナアレイをトレーニングする工程の例を示すフローチャートである。
【図１２】いくつかの実施形態に係る、干渉信号を遮断するヌル空間の生成工程の例を示すフローチャートである。
【図１３】いくつかの実施形態に係る、複数の基地局間の通信負荷のバランスを取る工程の例を示すフローチャートである。
【図１４】いくつかの実施形態に係る、アンテナアレイの周囲の垂直空域の例を示す図である。
【図１５Ａ】いくつかの実施形態に係る、対象および干渉源の範囲内でのアンテナアレイによる指向性ビームフォーミングの例を示す図である。
【図１５Ｂ】いくつかの実施形態に係る、対象および干渉源の範囲内でのアンテナアレイによる指向性ビームフォーミングの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明を、添付図面に示されるような選択された好適な実施形態を参照して、以下に詳細に説明する。以下の説明では、本発明を完全に理解してもらうために、多数の具体的な詳細を説明する。しかしながら、当業者にとっては、これらの具体的な詳細の一部または全部がなくても、本発明を実施可能であることは自明であろう。別の例では、本発明を不必要に曖昧にしないように、既知の工程ステップおよび／または構造を詳細に説明していない。以下の図面および説明を参照すれば、本発明の特徴および利点をよりよく理解することができる。
【００２５】
上述した通り、航空業界の負荷需要を満たすことができ、法外に高額でないシステムを提供するためには、多数の条件が満たされなければならない。これらの条件の中には、いくつかの実施形態では、無許可スペクトルの利用、十分なデータスループット、および十分な範囲が含まれる。他の実施形態では、許可無線スペクトルも、ブロードバンド無線通信システムによって使用される実現可能な媒体であると考えられる。
【００２６】
これらの要件を妥当なコストで満たすため、無線周波数（ＲＦ）スペクトル上での長距離無線データ配信のシステムおよび方法に一般に関係する、いくつかの実施形態が提供される。いくつかの実施形態では、コスト節減のためにシステムで無許可スペクトルを利用することが望ましいであろう。米国内の無許可スペクトルは、たとえば２．４５ＧＨｚと５．８ＧＨｚ辺りを中心とするスペクトルを含む。これらの領域は、米国連邦通信委員会（ＦＣＣ）の管轄権下にある。ＦＣＣ規則第１５部（４７ＣＦＲ第１５部）は、このスペクトル内で動作する装置が順守しなければならないパワー包絡線（安全性の観点からのパワーの限度）を含め、どのように無許可スペクトルを利用することができるかを定めている。ＦＣＣ第１５．２４７部は、６ｄＢｉアンテナで１ワットのＥＩＲＰにパワーを制限している。アンテナゲインが増えるにつれ、第１５．２４７部の仕様に従い許可される総ＥＩＲＰを低減しなければならない。たとえば、以下はＦＣＣ第１５部の現行規則の一部の概要を示す表である。
【表１】
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【００２７】
いくつかの実施形態は無許可無線スペクトルを利用するが、いくつかの実施形態の範囲内では、許可無線スペクトルなどのその他の地上無線信号を、同様にこのようにしてデータ送信に利用できると考えられる。
【００２８】
いくつかの実施形態では、必要な範囲とデータ転送速度を達成するために、無線スペクトル上でのビームフォーミングが利用される。加えて、ヌルステアリングによって、可能性のある干渉源を無視することができる。これにより、衛星またはセルラシステムよりも資本投資を大幅に減らす、より高い忠実度、範囲、およびデータ転送速度を有するシステムが可能になる。
【００２９】
ブロードバンド無線通信システム２００は、空中プラットフォーム１０２ａおよび１０２ｂにデータ通信リンクを提供するために使用することができる。このリンクは、空中プラットフォームに位置する複数のユーザにデータネットワーキングを提供するのに使用することができる。たとえば、空中プラットフォーム１０２ａは、１つまたはそれ以上の基地局１１０ａと通信する装置を使用することができる。次に、この接続は、空中プラットフォーム１０２ａおよび１０２ｂに搭乗する乗客を含む幅広いユーザと共有することができる。
【００３０】
このブロードバンド無線通信リンクは、音声および／または映像ストリーミング、インターネットアクセス、オンデマンド映画などの空中プラットフォームでの娯楽；コックピット／乗客室と地上間の映像および／または音声でのリアルタイムストリーミング、フライト追跡、航空機の搭乗員と地上間の通信などの空中プラットフォームセキュリティシステム動作；端末無線システムの統合（すなわち、ゲートでコンテンツをダウンロードするのと同じシステム）などの情報サービスの提供；旅行関連サービス（ホテル、自動車、レストラン、および／またはフライトの予約など）；および空中プラットフォームの乗客用の高速インターネットアクセス、を単独でまたは組み合わせて、１つまたはそれ以上を含む幅広いサービスのために使用することができる。
【００３１】
さらに、地上への単独の通信リンクは、空中プラットフォーム１０２ａ上のその他のシステム、およびＷｉＦｉネットワーク、イーサネット（登録商標）接続などの任意のデータネットワーキング技術を使用する乗客と共有することができる。サービスは、単独でまたは地上通信リンクと組み合わせてデータネットワーキング技術を使用する空中プラットフォーム１０２ａ上で提供することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、空中プラットフォーム１０２ａは、ゲームの諸規則の影響下にない空域への進入後に起動されるゲームサーバを備えることができる。このようにして、乗客は、ゲームサーバにアクセスして、賭けを行い、カジノのようなゲーム（たとえば、スロットマシーン、ブラックジャック、ビデオポーカーなど）に興じることができる。いくつかの実施形態では、たとえば、財政情報を確認したり、送金したりするために通信リンクが使用される。いくつかの具体例は、ペイパルやその他のインターネット支払サービスを使用して上記の送金を行う。
【００３２】
なお、本願の残りの部分では、空中プラットフォームとのデータのやり取りに特に注目する。しかしながら、いくつかの実施形態は、多種多様な長距離データ送信用途での使用に適応可能であると意図される。たとえば、提供される長距離無線通信システムおよび方法は、貨物船やクルーズ船などの海洋用途、貨物、通勤、および高速列車などの鉄道データ配信用途、および／または送電線網を利用しない家庭などの固定データ位置用途に同様に適する。たとえば、地上局、船舶、列車などの固定および可動の地上プラットフォームは、インターネットやＰＯＴＳなどの公的および／または私的ネットワーク、およびその組み合わせを介して互いに通信することができる。これらのネットワークは、マイクロ波または短波リンクおよびその組み合わせなどの有線および／または無線リンクを用いて実現することができる。本発明は、以下に詳細に説明する例示の実施形態である、空中対地上の長距離無線通信に加えて、地上対地上の無線通信にも適用することができる。
【００３３】
以下のいくつかの実施形態の説明を、多数のサブセクションに関連して提供する。見出しを伴うサブセクションを使用する目的は、実施形態の構造をより明確化することである。サブセクションには、本文書に含まれる開示を制限または制約する意図は全くない。よって、いずれのセクションに含まれる開示も、適宜、他の全セクションに適用されると意図される。
Ｉ．無線ブロードバンドデータ配信
【００３４】
いくつかの実施形態では、図１および２に示すように、ブロードバンド無線通信システム２００が、１つまたはそれ以上の空中プラットフォーム１０２ａ、１０２ｂ、および１０２ｃとのデータ通信を可能にする。空中プラットフォーム１０２ａ、１０２ｂ、および１０２ｃは、無線リンク１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ、１０６ｅ、および１０６ｆを介して１つまたはそれ以上のアンテナアレイ１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃと通信する。いくつかの実施形態では、無線リンク１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ、１０６ｅ、および１０６ｆは、位相アンテナアレイ１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃから生成される指向性信号の伝播を含むことができる。このような技術は当該業界において「ビームフォーミング」として知られており、以下にかなり詳細に説明する。
【００３５】
本願に記載されるビームフォーミングのために使用されるようなアダプティブ信号処理は、素子のアレイを使用しており、長期にわたり、通信システムにおける干渉信号に対抗するという課題の解決策であった。しかしながら、コンパクトで安価なデジタルコンピュータおよび新規で高度なプロトコルの導入で、現在では、検知および推定理論から一層複雑な結果を導き出すことが実現可能である。これらの結果から、信号環境の迅速な変化を調節し、それに対処することができるアダプティブアレイシステムが可能となる。結果として、これらのシステムは、従来のアダプティブアレイシステムよりも優れた柔軟性と信頼性を備える向上した受信を有する。
【００３６】
当該周波数が干渉信号の周波数と異なるときに１つの素子を使用する共通フィルタ技術が有効であると証明されているが、干渉信号のスペクトルと所望の信号のスペクトルが重複するときには、アダプティブアレイアルゴリズムが必要である。アダプティブアレイは、適切に実行されれば、環境に関する事前の知識がなくても信号と干渉雑音を自動的に感知し、それらを様々な方向から分離する能力を有する。さらに、アダプティブアレイは、その他の干渉低減技術と合わせて利用できるため、任意の１つの方法で達成できるよりも一層干渉を低減させることができる。
【００３７】
従来の通信システムでは、直接シーケンス拡散スペクトルシステムが利用されることも多く、通信信号を疑似雑音（ＰＮ）信号で変調した後、それを最初の既知のＰＮシーケンスとともに拡散する。この従来の方法は干渉を低減するが、ＰＮシーケンスの長さによって制限される。ＰＮコードが長いほど、信号を干渉雑音から分離する能力が高くなる。しかしながら、長いＰＮシーケンスは長い送信遅延も招くため、ＰＮコードの長さ、ひいては雑音の相殺能力が制限されることが多い。これはよくあることなので、干渉の減衰とチャネル容量の増加がさらに必要な場合は、アダプティブアレイシステムなどの他の方法が、しばしば拡散スペクトルアプローチと合わせて実施される。
【００３８】
伝統的なアダプティブアレイ方法は干渉信号の相殺に非常に有効であると証明されているが、それでもまだいくつかの重大な制限に悩まされる。このような干渉信号を相殺するシステムの能力は、干渉信号の到達角度と帯域幅に大きな影響を受ける。これらの問題を緩和するため、単独の重みを各素子に適用するのではなく、複数の周波数依存重みを各アレイ素子に適用するアダプティブシステムが利用されて、古く伝統的なアプローチを超える多数の利点を達成することができる。アダプティブ帯域分割として知られるこのアプローチは、周波数スペクトルを複数の狭いビン（区画）に分割してから、各ビンで空間相殺を実行する。このアプローチの最大の利点は、認識可能な帯域幅の干渉信号を相殺できることである。さらに、システムは、より多くの数のナローバンド干渉信号を相殺する能力も有する。伝統的なアプローチはＮ−１ナローバンド干渉信号を減衰することができるが（Ｎはアレイ中のアンテナ素子の数である）、新たに提案されるシステムは、各周波数ビン内のＮ−１ナローバンド干渉信号を減衰する能力を有する。
【００３９】
各空中プラットフォーム１０２ａは、アンテナアレイ１０４ａと処理能力を有する自身の無線通信システムを備えることができる。さらに、空中プラットフォーム１０２ａは、メディアプレーヤ、ゲームシステム、ビデオ機器などの追加モバイル装置のためのプラットフォームの機能を果たすことができる。
【００４０】
地上アンテナアレイ１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃは、ローカル基地局１１０ａ、１１０ｂ、および１１０ｃにそれぞれ接続される。各基地局１１０ａ、１１０ｂ、および１１０ｃは、以下により詳細に説明するように、アンテナアレイ１０２ａ、１０２ｂ、および１０２ｃで指向性データ送信の処理要件を提供することができる。
【００４１】
ローカル基地局１１０ａ、１１０ｂ、および１１０ｃは、たとえば、インターネットなどのネットワーク１０８に接続することができる。ローカル基地局１１０ａ、１１０ｂ、および１１０ｃのネットワーク１０８への接続は、有線接続、無線（すなわち、無線信号、マイクロ波信号など）、または任意の妥当な組み合わせを介して達成することができる。図１および２には、３つの基地局１１０ａ、１１０ｂ、および１１０ｃが示されている。しかしながら、任意数の基地局１１０ａ、１１０ｂ、および１１０ｃを使用することができる。たとえば、米国大陸をカバーする大容量システムは、カスタマの利用と需要に基づいて戦略的に配置された約５０〜５００の基地局１１０ａ、１１０ｂ、および１１０ｃとアンテナアレイ１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃとを備えることができる。当然のことながら、インフラおよび飽和要件に応じて、より多いまたは少ない基地局を利用することもできる。
【００４２】
ネットワーク１０８は、より協調的に基地局１１０ａ、１１０ｂ、および１１０ｃを管理することができる中央処理センタ１１２と接続することもできる。同様に、中央処理センタ１１２は、空中プラットフォーム用の情報およびデータを収集して受け入れる。
【００４３】
空中プラットフォーム１０２ａおよび１０２ｂとのブロードバンド無線通信を可能にするブロードバンド無線通信システムは、基地局１１０ａ、１１０ｂ、および１１０ｃを介したネットワーク１０８、たとえば、公衆交換電話網（「ＰＳＴＮ」）、私的ネットワーク、インターネットなどに結合されるセルラ式のセクタ化アンテナアレイ１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃを用いて実現することができる。アンテナアレイ１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃの周波数配分は、モバイル遠距離通信で使用される周知の技術に従い行うことができる。しかしながら、空中１０，０００フィート（約３ｋｍ）を飛行する空中プラットフォームは、全方向に１２０マイル（約１９３ｋｍ）の見通し無線カバレージを有する。したがって、空中プラットフォームは、複数のアンテナアレイ１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃとの見通し内通信が可能である可能性が高い。さらに、高度１０，０００フィート（約３ｋｍ）を飛行する２つの空中プラットフォーム１０２ａおよび１０２ｂは、２４０マイル（約３８６ｋｍ）の距離で見通し内通信を実行することができる。高度が上昇するにつれ、航空機１０２ａおよび１０２ｂの見通し通信範囲は拡大する。
【００４４】
ブロードバンド無線通信システムのスペクトル効率を向上させるため、指向性アンテナを使用することが望ましい。指向性アンテナは、各アンテナアレイ１０４で複数のアンテナを使用し、各アンテナには同じ基礎信号が供給されるが、その信号は、アンテナによっては、位相を、および時には位相と振幅の両方を変更することによって、変更されて指向性送信を生成する。この空間選択性は、適応性または固定の受信／送信ビームパターンを用いることで達成される。これは、当該技術において、上述したようにビームフォーミングとして知られる。ビームフォーミングは、相当量の有効なパワー（ゲイン）でデータ信号を対象へと長距離送信するために利用することができる。
【００４５】
従来、ビームフォーミングはその有効性が制限されていた。たとえば、空中プラットフォームのように高速で移動する装置上でビームフォーミングを使用することは、ドップラ効果により困難であることが知られている。同様に、ビームフォーミングの利用によるゲインの追加の恩恵は、従来のシステムでは認識できない。というのは、これらのシステムでは、２つの通信アンテナアレイを同期させる能力が、全指向的に送信する単独のアンテナのカバレージ領域に限定されているからである。
【００４６】
実施形態は、ビームフォーム同期プロトコル、改善されたドップラ効果の処理、および空中プラットフォームと組み合わせたビームフォーミングデータ通信システムの効率的かつ有効な使用を可能にするヌルステアリングおよびその他の手段を可能にすることによって、これらの技術的障害を克服する。
【００４７】
いくつかの実施形態では、地上アンテナアレイ１０４ａは、４つ以上のアンテナを備えることができる。同様に、空中プラットフォームに配置されるアンテナアレイも、４つ以上のアンテナから構成することができる。これは、受信端に２つのアンテナと送信用に単独のアンテナを採用するだけの一般的なＷｉＭＡＸおよびＬＴＥシステムと全く異なる。本実施形態では、アレイアンテナの４つ全部が送信と受信の両方に利用される。なお、地上ベースは、地上ベースまたは海上ベースのシステムを含む。さらに、地上システムは、架設された基地局のように固定されていても、船舶や鉄道上の基地局のように移動可能であってもよい。
【００４８】
４つのアンテナがアレイに４つのビームフォームを投射させることで、以下により詳細に説明するように、４つの異なる所望のヌルまたはその組み合わせが示される。当然ながら、他の実施形態では、より多いまたは少ないアンテナを、地上および空中プラットフォーム上のアレイに含めることができる。なお、本実施形態に記載されるようなシステムは、アンテナに供給されるパワーを増大させずにアンテナのパフォーマンスの結果として、１００Ｍｂｐｓのデータ転送速度で１００マイル（約１６０ｋｍ）にわたる機能範囲を有することができる。
【００４９】
さらに、いくつかの実施形態では、空中プラットフォームアンテナアレイは地上アレイ１０４ａと同数のアンテナを有するが、所望に応じて、アレイ毎に異なる数のアンテナを使用できると考えられる。たとえば、空港近傍などの多数の空中プラットフォームが行き交う混雑した領域では、地上アレイ１０４ａがより多数のビームを生成することによって、１度により多くの空中プラットフォームとの通信を維持できるようになるため、地上アンテナアレイが５つ以上のアンテナを備えることが望ましい場合がある。
【００５０】
いくつかの実施形態のもう１つの利点は、比較的狭いビームフォームを形成する能力である。場合によっては、これらのビームは、約５〜１０度のカバレージを達成することができる。つまり、任意の所与のアンテナアレイ１０４ａ毎に、水平方向に理論上最大７２個の異なる重複しない方向のビームが形成される（３６０度／５度＝７２）。同様に、垂直方向に理論上最大１８個のビームが形成され得る（９０度／５度＝１８）。よって、所与の時間、アンテナアレイ１０４ａの周囲に存在する三次元空間は、５度のビーム幅を前提とし、１２９６個の異なる重複しないボリュームに区分され得る（７２×１８＝１２９６）。
【００５１】
しかしながら、ビーム幅が増大するにつれ、アンテナアレイ１０４ａの周囲範囲のカバレージは粒度が粗くなる。たとえば、１０度のカバレージのビームフォームの場合、理論上は水平方向には３６個の異なる重複しない方向のビームフォーミングが形成されるが、垂直方向には９個のみである。この結果、アンテナアレイ１０４ａの周囲では、異なる重複しないボリュームはずっと少ない３２４個である。よって、ビームのカバレージは、狭い５度のビームの単に２倍にすぎなくても、アンテナアレイ１０４ａの周囲で個々に認知可能なボリュームは４分の１に減る。
【００５２】
アンテナアレイ１０４ａの周囲の空域の垂直領域を示す図１４を参照しよう。ここでは、アレイ１０４ａからの距離が１００マイル（約１６０ｋｍ）まで示されている。同様に、垂直高度が１０，０００フィート（約３ｋｍ）〜６０，０００フィート（約１８ｋｍ）の範囲で示されている。通常の空中プラットフォームは、正常な条件下で高度１０，０００フィート（約３ｋｍ）〜６０，０００フィート（約１８ｋｍ）の間を移動する。なお、この図は分かりやすくするために、等縮尺としていない。
【００５３】
この例で示されるように、図では、垂直方向に１０度刻みで領域を分割している。よって、垂直領域が、どのように別々の重複しない領域に分割されるかが示されている。次に、アンテナアレイ１０４ａを直接見下ろしていると仮定しよう。アレイは、アンテナアレイ１０４ａの範囲を規定する１００マイル（約１６０ｋｍ）の円の中心点として見ることができる。この水平領域は、パイのように、ビームフォームカバレージ角度、この例では１０度刻みに分割することができる。このパイのイメージと図１４に示される垂直領域とを組み合わせると、所与のアレイ１０４ａが生成可能なカバレージの個々のボリューム数（すなわち、粒度）と近似する。
【００５４】
空中プラットフォーム１０２ａ、１０２ｂ、および１０２ｃが飛行するにつれ、空中プラットフォーム１０２ａ、１０２ｂ、および１０２ｃから基地局のアンテナアレイ１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃへの相対方向は変動する。したがって、ＲＦの放射方向を変動させることができることが望ましい。多くのこのような技術が当該分野において既知であり、たとえば、１つまたはそれ以上の指向性アンテナを使用することができる。これらの指向性アンテナは、所望の方向に送信するように機械的に配置することができる。あるいは、利用可能なアンテナ間で切換を行い適切な配向のアンテナを選択する送受信機を備えた、１セットの指向性アンテナを使用することができる。さらに、いくつかの実施形態では、送信および／または受信の方向を動的に変動させる高性能アンテナアレイ１０４ａが使用される。
【００５５】
いくつかの具体例では、基地局１１０ａ、１１０ｂ、および１１０ｃのうちのいくつかは、ネットワーク１０８へ直接接続されない。たとえば、基地局１０４ａが、インターネットアクセスが高額で、信頼性が低く、不便で、またはそれ以外の形で望ましくない遠隔位置に配備される場合、基地局１１０ａは、その代わりにネットワーク１０８への無線リンクを有して配備することができる。この無線リンクは、本明細書に開示されるブロードバンド無線技術または現在既知のもしくは今後開発されるその他の任意のデータ通信技術を用いて実現することができる。
【００５６】
１具体例では、基地局１１０ａ、１１０ｂ、および１１０ｃは、（ｉ）無線リンク１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、および１０６ｄと同じスペクトルおよび技術を使用する無線通信リンク、（ｉｉ）パラボラマイクロ波シグナリング、（ｉｉｉ）インターネット、（ｉｖ）公衆交換電話網（「ＰＳＴＮ」）、（ｖ）私的ネットワーク、および（ｖｉ）それらの組み合わせ、のうちの１つまたはそれ以上を通じて、ネットワーク１０８に接続される。また、大部分の具体例では、地上基地局１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃを設けることが望ましい。しかしながら、本明細書に記載のシステムおよび技術は、空中基地局１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃのうち１つまたはそれ以上を使用するシステムにも同等に適用可能である。たとえば、基地局１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃは、空中モバイルコマンドセンタとして使用することができる。
【００５７】
上述したように、例示のために、空中プラットフォーム１０２ａおよび１０２ｂは、単なる例としてモバイル装置と称される。当業者であれば、本明細書に記載のシステムおよび技術は、その他の固定およびモバイル装置にも同等に適用可能であると理解するであろう。たとえば、本明細書に記載の技術は、自動車、船舶、列車などのためのブロードバンド無線データ通信を可能にするために利用することができる。
【００５８】
いくつかの実施形態では、無線システムが、複数の電源間を切り換える能力を有することが望ましいであろう。たとえば、空中プラットフォーム内の無線装置は、バッテリバックアップとゲート電源とを切り換えるように構成することができる。
【００５９】
次に図９を参照すると、無線ブロードバンド通信用の工程の実施形態の例が提供されている。地上アンテナアレイ１０４ａと空中プラットフォーム１０２ａのアンテナアレイの両方とも同等に送信と受信の両方を行うことができるため、図９に示されるような工程は、いくつかの実施形態では、地上基地局（対応するアンテナアレイを伴う）のシステム、または空中プラットフォーム１０２ａ内のモバイル装置に同じように適切に適用される。
【００６０】
工程は、ステップ９０２の地上アンテナアレイ１０４ａとモバイル空中プラットフォーム１０２ａとの同期で始まる。同期は、それ自体周知の工程である。しかしながら、現行システムが動作しているパワーの制約および空中プラットフォーム１０２ａとアンテナアレイ１０４ａ間の長距離を前提とすると、従来の同期プロトコルは、悲惨なほど不十分である。その代わりに、本システムが新規な方法で同期問題にアプローチすることによって、無作為にまたは決定論的に生成された、同期データを含むビームフォームが、多数の方向に送信される。この空中プラットフォームの通信システムと地上アンテナアレイ１０４ａの通信システムとの同期のための工程およびシステムについて、図１０Ａおよび１０Ｂを参照して、以下により詳細に説明する。
【００６１】
同期後、工程はステップ９０４に進み、そこで通信システムトレーニングが実行される。トレーニングは、目的の対象に到達するために、正確な指向性信号伝播を伴うビームフォームを適切に生成するのに必要である。トレーニング中、既知のシンボルまたはパイロットが送信されて、適切なビームフォームを生成し最初の送信装置に応答するため、アンテナの振幅および位相シフトのための重みを生成するように、受信機によって利用される。トレーニングは、図１１を参照して後でより詳細に説明する。
【００６２】
トレーニングの実行後、システムは、ステップ９０６で干渉源を特定することができる。干渉源は、同一または類似の周波数範囲内で動作する他の装置を含むことができる。いくつかの実施形態では、システムが混雑する無線スペクトル内で動作しているため、多数の装置が同一の周波数範囲内で無線信号を発する場合がある。無許可スペクトルの場合、これらは、Ｗｉ−Ｆｉアクセスポイント、コードレス電話、マイクロ波、遠隔制御装置、電子レンジなどを含む可能性がある。これらの装置は低パワー装置となりがちなため、通常は、比較的近い装置のみが干渉源と考えられる。
【００６３】
干渉源である外部装置に加えて、その他の地上アンテナアレイおよび空中プラットフォームも不所望な信号源になり得る。工程は、ステップ９０８で、ヌルステアリングを通じてこれらの干渉源をすべて遮断することができる。上述したように、ビームフォームの生成に加えて、１つまたはそれ以上のヌル空間をアンテナアレイ１０４ａで生成することができる。これらのヌル空間は、干渉源を「遮断する」ために配向させることができる。ヌルステアリングを図３および１２を参照して、以下により詳細に説明する。
【００６４】
ヌル空間の生成後、工程はステップ９１０に進み、そこで指向性ビームを受信装置に送信することができる（すなわち、ビームフォーミング）。上述したように、ビームフォーミングは、アンテナアレイ内の各アンテナに供給される信号の振幅および位相シフトの選択的重み付けによって達成することができる。重みは、上述したように、トレーニングステップ中にアンテナ毎に算出される。ビームフォームを介してデータを送信することに加えて、アンテナアレイ１０４ａは、同様にステップ９１２でデータを受信することができる。ビームフォームの送信および受信の詳細は、以下により詳細に説明する。
【００６５】
なお、ビームフォーマは、いかにして重みが選択されるかに応じて、データ独立または統計的最適として分類することができる。重みの生成は、いくつかの実施形態では、システムのトレーニング工程に関連して詳細に上述した通りである。データ独立ビームフォーマでの重みは、アレイデータに依存せず、すべての信号／干渉シナリオに対して明示された応答を取るように選択される。統計的最適ビームフォーマでの重みは、アレイデータの統計に基づき、アレイ応答を「最適化」するように選択される。概して、統計的最適ビームフォーマは、ビームフォーマ出力で信号対雑音比を最大化するように、ヌルを干渉源の方向に配置する。
【００６６】
データの送受信後、工程はステップ９１４に続き、そこで空中プラットフォーム１０２ａおよび地上基地局が範囲外にあるか否かが問い合わされる。範囲外であれば、工程が終了する。通常、これは、空中プラットフォーム１０２ａが地上アンテナアレイ１０４ａのカバレージ領域を超えて飛行する際に生じる。ほとんどの場合、空中プラットフォーム１０２ａは２つ以上の地上アンテナアレイ１０４ａと通信するので、複数の地上アンテナアレイのカバレージ領域を出入りする際にシームレスなデータ通信が可能になる。
【００６７】
ただし、空中プラットフォーム１０２ａが範囲外ではない場合、工程はステップ９１６へと続き、そこで基地局と空中プラットフォーム１０２ａ間の同期を更新するかどうかが問い合わされる。空中プラットフォーム１０２ａは常に迅速に移動しているため、同期の更新が必要である。ビームフォームのカバレージは比較的制限される。たとえば、ビームは５〜１０度ほども狭くなる可能性がある。よって、空中プラットフォームは移動しながら、空中プラットフォーム１０２ａと地上アンテナアレイ１０４ａとの間の距離に応じて、約２０ミリ秒でビームカバレージを通過することがある。よって、最適には、いくつかの実施形態では、ビーム電流に対する指向性情報を保管するために、同期を５ミリ秒毎に行うことができる。
【００６８】
更新が必要か否かを判定するために最後の同期イベントからの時間を使用することに加えて、特定のイベントで同期更新を作動させることができる。これらのイベントは、空中プラットフォーム１０２ａと地上アンテナアレイ１０４ａ間の連絡の切断や信号の劣化などを含むことができる。同期更新が所望される場合、システムはステップ９０２に戻り、同期工程が繰り返される。同期更新が所望されない場合、工程はその代わりにステップ９０６に戻り、干渉が特定される。
【００６９】
図９に示されるような長距離無線ブロードバンドデータ通信の個々の副工程を詳述するいくつかのサブセクションを以下に提示する。なお、提示するサブセクションは、特定の実施形態を説明することを目的とする。これらの副工程のいくつかを達成するために追加の方法を採用することができ、無線ブロードバンドデータ配信を完了させるために論理的な置換または代替工程を利用することは、完全に本発明の範囲に含まれる。
Ａ．空中プラットフォームと地上アンテナアレイとの同期
【００７０】
図９のステップ９０２に記載されるような、地上アンテナアレイ１０４ａと空中プラットフォーム１０２ａに収容されるモバイル装置との同期を、以下により詳細に説明する。
【００７１】
ブロードバンド無線通信システムのいくつかの実施形態では、単独のモバイル装置１０２ａは、アンテナアレイ１０４ａを介して複数の基地局１１０ａと直接通信することができる。従来の無線通信システムでは、アンテナアレイ１０４ａは、全方向に単独のアンテナの同期信号を定期的に送信する。全指向性送信により、基地局１１０ａは、その位置と関係なく、空中プラットフォーム１０２ａ内のモバイル装置と同期することができる。その代わりに基地局１０４ａがビームフォーミングを用いて信号を送信するとすれば、アンテナアレイ１０４ａの送信のヌル内に属するモバイル装置１０２ａは、基地局１１０ａと同期することができないであろう。
【００７２】
しかしながら、空中プラットフォーム１０２ａとの長距離通信という状況では、空中プラットフォーム１０２ａまたは基地局のいずれかによる全指向性同期送信が、背景雑音上で識別されるのに十分なパワーで対向する送受信機に到達しない可能性がある。最大アンテナパワーレベルの代わりにパワーの制約がある場合は、特にこれが当てはまる。また、これは、いくつかの実施形態では、ＦＣＣによってこのスペクトル内の通信に課せられるパワー包絡線の制約が原因である。上述されるように、空中プラットフォーム１０２ａと基地局間の通信は、無許可スペクトル内で動作するために、ビームフォーミングのゲインの利点を必要とする。全指向性送信は単純に弱すぎるため、基地局または空中プラットフォームのモバイル装置のいずれかによって認知されるための十分な信号強度をもってその距離を補うことができない。
【００７３】
このパワー制限を克服するため、ブロードバンド無線通信システムのいくつかの実施形態では、アンテナアレイ１０４ａは、アレイのうち少なくとも２つのアンテナを使用し、ビームフォーミングまたはその他の高度アンテナ技術を用いて同期信号を送信して、より長い距離にわたってより大きなゲインで同期信号を送信することができる。この技術は、より長い距離にわたって有効に同期信号を送信する一方、同期信号が大幅に低減される領域（たとえば、ヌル）が生じることにもなる。
【００７４】
この問題を解決するため、当該システムは、いくつかの実施形態では、様々な方向の信号伝播で定期的にビームを送信することができる。信号伝播の方向を異なるようにするために、同期信号を修正する２つの基本的アプローチ、（ｉ）無作為摂動、または（ｉｉ）決定論的摂動がある。摂動とは、アンテナ素子を駆動する信号の関係を変更することによって、ビームの方向を変化させることを指す。
【００７５】
無作為摂動（ランダム摂動）では、送信された同期信号を修正して、上記信号を無作為に変動させる。たとえば、ある無作為摂動技術では、基地局アンテナアレイ１０４ａの１つまたはそれ以上のアンテナによって送信される同期信号の位相を無作為に変動させる。たとえば、４つのアンテナが同期信号の送信に使用される場合、使用中の４つのアンテナのうち１つまたはそれ以上によって送信されている信号を、いくつかの側面（たとえば、位相、振幅など）で変動させる結果、同期信号の起こり得る伝播を変化させる。
【００７６】
決定論的摂動を用いると、同期信号は無作為摂動と異なる形で変動する。たとえば、同期信号は、モバイル装置１０２ａがヌルに属し、かつ基地局１０４ａと同期できなくなる可能性を低減するように、１つまたはそれ以上のビームを移動させるように設計された所定の形で変動させることができる。たとえば、同期信号を所定量変動させる、各アンテナによって送信される同期信号の特性（位相や振幅など）を変動させるなど、任意の決定論的変動を採用することができる。
【００７７】
このように、空中プラットフォーム１０２ａ内のモバイル装置は、無作為化ビームまたは決定論的ビームの少なくとも一方に属する可能性が高い。同様に、各モバイル装置は、不合理な期間にわたってヌルに属する可能性は低い。
【００７８】
図１０Ａは、９０２Ａに概略的に示されるような、ある時間領域にわたる無作為または決定論的ビームフォーム摂動を利用した同期工程の１実施形態を示す。この工程は、無作為または決定論的ビームフォーム摂動が生成されるステップ１００２から始まる。その後、ビームフォームは、これらの異なる指向性信号伝播路で順次送信される。次に、システムは、ステップ１００４で帰還送信を待つ。その後、帰還応答は、ステップ１００６で、今後のトレーニング送信の生成を較正するために利用することができる。
【００７９】
システムは、対称挙動も発揮することができる。空中プラットフォーム１０２ａに配置されたモバイル装置は、同様に基地局をサーチすることができる。これらの実施形態では、空中プラットフォーム１０２ａは、基地局に到達することを希望して、無作為ビームまたは決定論ビームを送信することができる。
【００８０】
図４を参照すると、基地局アンテナアレイ１０４ａの１具体例は、同期信号の送信に使用される複数のアンテナ素子を含む。この基地局アンテナアレイ１０４ａは複数のビーム４００を形成し、その間にヌルを有する。決定論的摂動を用いてこれらのビーム４００を変動させることによって、伝播パターンを、ある期間にわたってより大きな領域をカバーするように回転させることができる。同様に、類似の結果を生成するのに無作為摂動も使用することができる。
【００８１】
使用される摂動技術に加えて、同期のパフォーマンスは、上記摂動間の時間間隔を変動させることによって修正することができる。時間間隔が非常に短い場合、管理間接費が上昇するにつれてスペクトル効率が幾分低下することがある。しかしながら、時間間隔が長すぎると、移動局は適時に基地局との同期を取るのが困難になることがある。摂動は定期的に行ってもよいし、無作為に行ってもよいし、または１つまたはそれ以上の条件が満たされたときに行ってもよい。さらに、摂動は送信毎に必要とされない。いくつかの具体例では、同期信号は修正前の間隔の間は摂動なしで繰り返される。いくつかの実施形態では、摂動は所定の時間間隔（たとえば、１〜２０ｍｓ）後に行われる。他の具体例では、摂動はｘフレーム毎に行われる。ただしｘは１以上の数である。
【００８２】
加えて、いくつかの実施形態では、同期信号内に含まれるデータは通信データ信号と対照的に比較的少ないため、同期ビーム幅は、通信ビームよりも広くすることができる。いくつかの実施形態では、同期信号は基地局の方向とその他の関連データを示すデータヘッダを含み、その後に応答指示が続く。いったんモバイル装置が応答指示を含む同期信号を受信すれば、より狭く定義され、より高いゲインを含む、帰還ビームフォーム信号を生成することができる。
【００８３】
同期を向上させるために使用可能なもう１つの技術が、図１０Ｂの工程に示される。ここでは、使用されるスペクトルがＮ個の群に分割され、Ｎはステップ１０１２で１より大きな数である。たとえば、１具体例では、スペクトルはアンテナ毎に１つの群に分割される。次に、無作為摂動および／または決定論的摂動を、Ｎ個の群のそれぞれに対して使用することができる。
【００８４】
さらに、Ｎ個の群のうち２つまたはそれ以上の群の同期信号は同時に送信することができ、ビームはステップ１０１４で（無作為または協調させて）異なる方向に形成される。このように、移動局がＮ個の群すべてに対してヌルに属する可能性を大幅に低減する、または実質上排除することができる。たとえば、８０ＭＨｚのＲＦチャネルを使用するシステムを考えてみよう。この８０ＭＨｚのＲＦチャネルはたとえば、それぞれが２０ＭＨｚの４つの群に分割することができる。同期信号は４つの群のそれぞれに同時に送信することができ、各群への同期信号は異なって配向される。ビームパターンが図４に示されるように配向される場合、範囲内の移動局は、任意の所与の同期信号の送信の際、４つの群のうちの１つのビームに属する可能性が高い。ビームパターンは、上述したように、協調されてまたは無作為に摂動を受けることができる。いくつかの実施形態では、各群はトーンの群に対応し、１トーンはたとえば、６４、１２８、２５６、５１２、１０２４、２０４８、４０９６、または通信チャネルを構成するトーンのそれ以外の数からの１搬送波である。
【００８５】
この工程では、その後、システムはステップ１０１６で帰還送信を待つ。次にステップ１０１８で、今後のトレーニング送信の生成を較正するために帰還応答を利用することができる。
【００８６】
このようなシステムは、複数のビームを単独の時間フレーム内で周波数を変動させながら送信できるという利点を提供する。したがって、基地局と空中プラットフォーム１０２ａとを同期させるのに必要な全体の時間を低減することができる。このような方法の欠点は、上記技術により、実質的により多くの周波数スペクトルが利用されることである。つまり、同期期間中にデータ通信が休止される、または低減される。さらに、この技術によると、時分割同期よりも基地局１１０ａでより多くの算出パワーを必要とする場合がある。
【００８７】
空中プラットフォーム１０２ａは、複数のアンテナを用いて、たとえば、１、２、またはそれ以上の個数のアンテナを用いてＮ個の同期群のうちの１つ（たとえば、最も強い受信信号）に同期して、同期信号を受信するように構成することができる。２つまたはそれ以上のアンテナからの受信信号は、システムの同期範囲をさらに拡大するようにコヒーレントに結合することができる。さらに、複数の同期信号が送信されるとき（たとえば、上述したようなＮ個の同期群を使用するとき）、移動局は、同期範囲を拡大するように複数の群をコヒーレントに結合する、または干渉を相殺するように受信した信号を結合することができる。いくつかの実施形態では、ビームフォーミングは、各群で別々に実行される。他の実施形態では、ビームフォーミングは、群およびアンテナの一部または全部にまたがって一度に実行される。
【００８８】
いくつかの実施形態での使用に適するもう１つの同期方法を以下に説明する。この方法は、全アンテナアレイ１０４ａの位置を示す空中プラットフォーム１０２ａ内に記憶されたデータに依存する。同様に、高度および航行データを通じて、空中プラットフォーム１０２ａは、自身の位置も認識する。これらの２つの位置値が相互参照されて、空中プラットフォームがアンテナアレイ１０４ａの範囲内にいる時間と、アレイ１０４ａが配置される方向とを判定することができる。空中プラットフォームが地上アンテナアレイ１０４ａの範囲内にあるとき、システムは、通信を開始させるために、位置データに基づき空中プラットフォームから同期ビームフォームを生成するように構成することができる。このような決定論的システムの利点は、場合によっては重複する同期ビーム送信を最小限に抑えることができる点にある。また、位置データに基づく同期ビームフォームが最初に試みられ、応答が受信されないときのみ、システムが上述したような無作為サーチに戻るという、ハイブリッドアプローチを実行するようにシステムを構成することも可能である。
Ｂ．ビームフォーム重みのトレーニング
【００８９】
次に、図９のステップ９０４に示される、空中プラットフォーム１０２ａでの地上アンテナアレイ１０４ａのトレーニングを、より詳細に説明する。上述したように、いかにして重みを選択するかに応じて、ビームフォーマはデータ独立または統計的最適のいずれかに分類することができる。データ独立ビームフォーマにおける重みはアレイデータに依存せず、すべての信号／干渉シナリオに対する明示された応答を提示するように選択される。統計的最適ビームフォーマにおける重みは、アレイ応答を「最適化する」ようにアレイデータの統計に基づき選択される。本システムのいくつかの実施形態は、重みのデータ独立生成に頼ることができる。しかしながら、以下により詳細に説明するように、他の実施形態は、統計的最適ビームフォーマである。
【００９０】
複数の副ローブキャンセラ（ＭＳＣ）は、おそらく最古の統計的最適ビームフォーマである。ＭＳＣは、「主チャネル」と１つまたはそれ以上の「補助チャネル」から成る。主チャネルは、単独の高ゲインアンテナまたはデータ独立ビームフォーマのいずれかとすることができる。主チャネルは、所望の信号方向に向けられる高い指向性応答を有する。干渉信号は、主チャネル副ローブを通じて入ると仮定する。補助チャネルも干渉信号を受信する。目的は、補助チャネルの重みを選択して、主チャネルの干渉素子を相殺することである。これは、主チャネルの干渉源への応答と補助チャネルの線形組み合わせとが、同一でなければならないことを示唆する。その後、システム全体はゼロの応答を有する。概して、すべての干渉信号にゼロ応答を要求することは不可能である、または相当の白色雑音ゲインを招く可能性がある。よって、重みは通常、総出力パワーの予測値を最小限にすることによって、白色雑音ゲインの干渉抑制をトレードオフするように選択される。
【００９１】
出力パワーを最小化するように重みを選択すると、所望の信号も総出力パワーに影響を及ぼすため、所望の信号の相殺を引き起こす可能性がある。事実、所望の信号が強くなるほど、総出力パワーのより大きな割合に影響を及ぼして、そのパーセンテージの相殺が増加する。明らかにこれは望ましくない効果である。ＭＳＣは、最適な重みが注目しないために所望の信号が（干渉に対して）非常に弱い場合や、所望の信号が所定期間存在しないことが既知であるときの用途に非常に効果的である。重みは、所望の信号が存在しないときは適用させ、存在するときはフリーズさせておくことができる。
【００９２】
所望の信号が既知であるとき、ビームフォーマ出力と所望の信号間の誤差を最小限にするように重みを選択することができる。当然ながら、所望の信号を知っていることは、ビームフォーミングの必要性を排除する。しかしながら、用途によっては、忠実に描写する信号を生成するために、所望の信号を十分に認識していることがある。この信号は、参照信号と呼ばれる。通常、既知のセットのパイロットまたはトレーニングシンボルが、参照信号として移動局から基地局に送信される。基地局は、それらの既知のパイロットまたはトレーニングシンボルを使用して、ビームフォーミング重みを算出する。重みは、ビームフォーマ出力と参照信号間の平均平方誤差を最小限にするように選択される。
【００９３】
重みベクトルは、存在する未知の所望の信号と参照信号間の相互共分散に依存する。未知の所望の信号と自身の共分散に近似するという条件で、許容可能なパフォーマンスが得られる。たとえば、所望の信号が振幅を変調されている場合、搬送波と等しい参照信号を設定することによって、許容可能なパフォーマンスを得られることが多い。また、参照信号は干渉信号との相関関係を持たないと仮定する。所望の信号の方向を知る必要がないという事実は、参照信号アプローチの際立った特徴である。
【００９４】
再度図１を参照すると、空中プラットフォーム１０２ａまたは１０２ｂなどの移動局が複数のアンテナを使用してビームフォーミングを実行するとき、空中プラットフォーム１０２ａまたは１０２ｂがビームフォーミングの重みを有効に決定できるような機構を提供することが望ましい。１具体例では、基地局１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃは、基地局から空中プラットフォーム１０２ａまたは１０２ｂへ既知のトレーニングシンボルまたはコードを送信する。既知の信号を受信することによって、空中プラットフォーム１０２ａまたは１０２ｂは、空中プラットフォーム１０２ａまたは１０２ｂ上の２つまたはそれ以上のアンテナを用いて送信および／または受信ビームフォーミングを実行して、ビームフォーミングおよび／またはヌルステアリング重みを決定することができる。
【００９５】
たとえば、図１１の工程に示される１実施形態では、基地局１０４ａはステップ１１０２で、たとえば、ウォルシュ、ゴレイ、アダマール、またはフーリエ行列からのカラム（列）などの既知のデータを、基地局１０４ａから空中プラットフォーム１０２ａに送信する。
【００９６】
このトレーニングデータ（参照信号）は、基地局１０４ａから１つまたはそれ以上のアンテナを用いて送信され、好ましくはそのデータは、上述したように同期較正によって判定されるとおり、ビームを空中プラットフォーム１０２ａの方に導くように、各アンテナ上の特定の位相およびゲインと共に送信される。トレーニングデータは任意の時間に送信することができ、既存の信号と結合することができる。たとえば、同期信号は、同時の同期およびトレーニングを簡易化するためにトレーニングデータを付加することができる。
【００９７】
ステップ１１０４で、目的地の装置は既知のデータを受信し、それを利用して重みを生成する。この算出方法の１例は、以下の式で示すことができる。既知のデータＳが送信された場合（ただし、Ｓはトレーニングデータである）、以下のＭＭＳＥ解法を用いて重みを算出することができる。Ｗ＝（ｘＨｘ）−１（ｘＨＳ）。ただし、ｘはＮｘＭの大きさを有する受信データであり、Ｎはアンテナの数であり、Ｍはサンプルの数であり、サンプルは時間、トーン、またはその両方にある。
【００９８】
算出されたビームフォーミングおよび／またはヌルステアリングの重みは、たとえば新たな重みが算出されるまで、所定の時間間隔等の期間保持される。
【００９９】
工程は、ステップ１１０６で生成されている既知のデータの帰還送信を続行する。上で実行したトレーニング計算と同様、最初のソースは、ステップ１１０８で重みを生成するために帰還信号を利用することができる。その後、トレーニング工程は、図９のステップ９０６に戻ることによって終了することができる。
Ｃ．ヌルステアリング
【０１００】
次に、図９のステップ９０８に示されるように、検出された干渉源に応答するヌル空間の生成について詳細に説明する。
【０１０１】
ビームフォーミングの実行に加えて、空中プラットフォーム１０２ａ内に見られるような位相アンテナアレイ１０４ａは、ヌルステアリングを実行することができる。たとえば、空中プラットフォーム１０２ａが、現在使用されていない１つまたはそれ以上の基地局１０４ａ、１０４ｂ、または１０４ｃの方にヌルを導くことが望ましいであろう。このように、空中プラットフォーム１０２ａは、それらの基地局１０４ａ、１０４ｂ、または１０４ｃとの干渉を低減することができる。
【０１０２】
ビームフォーミング中、主ローブは、ヌルと副ローブとともに生成される。主ローブ幅（ビーム）および副ローブのレベルを制御するだけでなく、ヌルの位置を制御することができる。これは１つの特定の方向の雑音を、その他の方向のイベントに耳を傾けつつ無視するのに有効である。図３を参照すると、干渉源が空中プラットフォーム１０２ａの下方に存在していることを示している。
【０１０３】
ここでは、空中プラットフォーム１０２ａは無許可スペクトルを使用するように構成されるため、空中プラットフォーム１０２ａが、市街地で普及しているように、無許可スペクトルを用いるＷｉ−Ｆｉネットワーク、コードレス電話、またはその他の無線サービスとの干渉を引き起こす、またはそれらに干渉されることが起こり得る。
【０１０４】
これらの装置は、ほとんどの場合、全指向的に信号を投射する。しかしながら、これらの無許可装置はＦＣＣガイドラインも順守しなければならないために、通常は低パワー装置である。全指向性投射波は、距離の問題として指数関数的に劣化する。これは、装置の低パワーに加えて、無許可スペクトルで動作する空中プラットフォームの唯一の干渉源は通常、空中プラットフォームの直下の「接近した」装置であることを意味する。ヌル３０２を空中プラットフォームの直下に導くことによって、これらの干渉源候補を無視することができる。
【０１０５】
ヌル内にないアンテナアレイ１０４ａ、１０４ｂ、または１０４ｃは、空中プラットフォームと通信することができる。同様に、たとえアンテナアレイ１０４ａがヌル内にあるとしても、アンテナアレイ１０４ａのビームフォーミングが十分なゲインを有するために、ヌル空間内にあるにもかかわらずデータを受信することができる。
【０１０６】
ヌル生成の工程の１実施形態は、概して９０８に示されるように、図１２に見ることができる。いくつかの他の実施形態では、空中プラットフォーム１０２ａ上の移動局は、受信した信号を測定し、信号と予測されるトレーニングと合致しない信号の方向とを特定することによって、干渉を特定する。これらの干渉方向はステップ１２０２で受信される。その後、ステップ１２０４で、ヌルはそれらの特定された信号上に置かれる。既知ではない、または予定されていない他のセルからの信号はどれも干渉として扱われ、ヌルはそれらの方向の送受信上に置かれる。
【０１０７】
さらに、いくつかの具体例では、ステップ１２０６で、ヌルが時間の経過と共に減少するように時間テール（時間を引き延ばすこと、時間の延長）が使用される。よって、瞬間的な干渉が検出されると、たとえ検出された干渉が消えても、ヌルをある期間置くことができる。時間テールを使用することによって迅速に切り換わる干渉信号にとって、テールは有効であり、干渉信号の送信時に十分短い中断があるとき、既にヌルを所定位置に置くことができる。その後、工程は図９のステップ９１０に戻って終了する。
【０１０８】
ヌルステアリングの大半を干渉の排除に関連して説明したが、ヌルステアリングに関する重要な点は、これが送信機側の特定のビームフォーミングと合わさって、送信機がフルスループットで、同一周波数上で複数の受信機に同時にデータを送信できることである。既知の送信システムはこの機能を有していない。送信される非常に選択的な指向性信号伝播（ビーム）を通じて対象を分離できるだけである。所与の受信機を対象としていないビーム信号の反射または妨害は、受信機によって干渉とみなされ、ヌルステアリングを通じて無視される。これにより、１００％のスループットで完全なスペクトル再利用が可能になる。
【０１０９】
図１５Ａおよび１５Ｂは、いくつかの実施形態に係る、対象および干渉源の範囲内のアンテナアレイ１０４ａによる指向性ビームフォーミングの例を示す。これらの図は、送信対象と干渉源とが互いに比較的近接している場合のヌルステアリングの方法を示す。このような場合、対象も有効に遮断してしまうので、単に干渉源の方向にヌルを導くのは実用的ではないだろう。これらの図の例では、対象は空中プラットフォーム１０２ａである。オフィスビル１５００内の無線アクセスポイントが干渉源である。
【０１１０】
干渉ビル１５００は、これらの例の図中では、空中プラットフォーム１０２ａの対象に比較的近い。対象と干渉源とが近いと、干渉に導かれるヌルは対象の空中プラットフォーム１０２ａも遮断してしまい、これは望ましくない結果である。図示される例は、このシナリオに対処する異なる方法を示す。
【０１１１】
図１５Ａでは、最大ゲインが対象の空中プラットフォームに方向づけられるように、ビームフォームが方向づけられる。処理は、ある程度干渉を分離するように利用されるが、必然的にいくらかの干渉は受信される可能性が高い。図１５Ｂの第２の方法では、対象と干渉源とが受けるゲインの差を最大化することを優先して、絶対的ゲインを犠牲にする。本例では、ビームは対象の斜めに配向されるが、干渉源はずっと少ないゲインしか受け取らない。よって、対象信号が図１５Ａの例と比べて少ない認知されるゲインを受け取る一方、干渉源と対象とのゲイン差は、図１５Ｂの例よりも大きい。これは、対象ゲインと干渉ゲイン間の差を最大化するために、ビームとヌルの方向が考慮されるヌルステアリングの方法とみなすことができる。
Ｄ．ビームフォーミング
【０１１２】
上述したように、無許可無線スペクトルは、送信機器の最大パワー包絡線を含むＦＣＣ規則第１５部を順守しなければならない。空中プラットフォームとの通信に必要な長距離を前提とすると、全指向性送信機器がこのパワー包絡線内で動作する際、このような長距離での背景雑音で認識できない。よって、ビームフォーミングによって提供されるゲインは、無許可スペクトルが空中プラットフォームとの通信に利用されるシステムの動作を可能とするのに理想的である。よって、送信および送信の受信のため、システムはいくつかの実施形態では、図９のステップ９１０および９１２で上述したように、ビームフォーミングに頼ることがある。また、いくつかの実施形態は他の周波数を利用することができ、必ずしもＦＣＣ規則のこの部分に制約されない。その場合でも、干渉源を克服し、ずっと広い有効範囲を実現するために、信号ゲインを向上させることが望ましいであろう。
【０１１３】
ビームフォーミングという用語は、初期の空間フィルタが、特定の場所から放射される信号を受信し、他の場所からの信号を減衰するために、ペンシルビームを形成するように設計されたという事実に由来する。「ビームを形成する」は、エネルギーの放射を示すように思われる。しかしながら、ビームフォーミングは、エネルギーの放射または受取のいずれかに適用可能である。
【０１１４】
空間的に伝播する信号を受信するように設計されたシステムは、干渉信号に出遭うことが多い。所望の信号と干渉源が同一の時間周波数帯域を占める場合、信号と干渉源を分離するために時間フィルタリングを使用することができない。しかしながら、所望の信号と干渉信号は通常、異なる空間位置を起源とする。この空間的分離を利用して、受信機での空間フィルタを使用して信号と干渉源を分離することができる。時間フィルタの実行には、時間的な開口（アパーチャー）に収集されたデータの処理が必要である。同様に、空間フィルタの実行には、空間的な開口（アパーチャー）で収集されたデータの処理が必要である。
【０１１５】
いくつかの実施形態では、ビームフォーマは、各センサから空間的にサンプル採取された時系列を線形に結合し、ＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルタが時間的にサンプル採取されたデータを線形に結合するのと同じように、スカラー出力時系列を取得する。空間識別能力は空間開口のサイズに依存する。開口が増えると、識別が向上する。絶対開口サイズは重要ではなく、むしろ波長のサイズが重要なパラメータである。必要な識別を提供することのできる単独の物理的アンテナ（連続的空間開口）は、波長が短いため、高周波信号には実用的でないことが多い。しかしながら、低周波信号が対象である場合、センサのアレイは、単独の物理的アンテナで実用的であるよりもずっと大きな空間開口を合成することができる。なお、いくつかの実施形態では、各複合アンテナは１つのセンサを表す。
【０１１６】
任意の波長に関連してセンサのアレイを使用する第２の非常に大きな利点は、個別のサンプリングによって提供される空間フィルタリングの汎用性である。多くの用途で、干渉信号の有効な抑制を維持するために、リアルタイムで空間フィルタリング機能を変更することが必要である。この変更は、ビームフォーマがセンサデータを線形に結合する仕方を変更することによって、個別にサンプル採取されたシステム内で容易に実行される。連続開口アンテナの空間フィルタリング機能の変更は、非実用的である。
【０１１７】
ビームフォーミングがアレイ１０４ａの指向性を変化させるように干渉を利用することにより、建設的干渉がビームを生成し、破壊的干渉がヌル空間を生成する。たとえば、２つの空中プラットフォーム１０２ａおよび１０２ｂが、ＲＦ放射が主に地上に向かうように指向性アンテナを使用する場合、２つの離れた空中プラットフォーム１０２ａおよび１０２ｂ間の干渉を減少させることができる。指向性アンテナを使用することによって、通信システムはスペクトル効率を高め、さらにはアンテナアレイ１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃに同一の周波数またはより小さなサブセットの周波数を使用させることができる。
【０１１８】
空中プラットフォーム１０２ａ、１０２ｂ、および１０２ｃが飛行している間、空中プラットフォーム１０２ａ、１０２ｂ、および１０２ｃからアンテナアレイ１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃへの相対方向は変化する。したがって、ＲＦが放射される方向を変更することができることが望ましい。当該分野において多くの技術が既知であり、たとえば、１つまたはそれ以上の指向性アンテナを使用することができる。これらの指向性アンテナは、所望の方向に送信するように機械的に配置することができる。もしくは、１セットの指向性アンテナを使用して、適切な配向のアンテナを選択するように利用可能なアンテナ間を切り替える送受信機を備えることができる。さらに、いくつかの実施形態では、送信および／または受信の方向性を動的に変動させる高性能アンテナアレイ１０４ａが使用される。
【０１１９】
高性能アンテナアレイ１０４ａを使用するビームフォーミングは、送信中、波面での建設的および破壊的干渉のパターンを作成するため、各送信機で信号の位相および／または相対振幅を制御することによって達成される。同様に、受信時、異なるセンサからの情報は、予測放射パターンが優先的に観察されるように結合される（ヌルステアリング）。
【０１２０】
このようにビームを形成するには、アンテナアレイ１０４ａに最低２つのアンテナを必要とする。いくつかの実施形態では、４つのアンテナが、空中プラットフォーム１０２ａと基地局の両方で各送受信機に配置される。ビームフォーミングのこの指向性の利点は、しばらくの間当業者にとって既知であった。概して、ビームフォーミングは、当業者の既知のいくつかの方法によって達成することができる。指向性ビームフォーミングを実行する特定の方法の具体例として、Ｂ．Ｄ．Ｖ．ＶｅｅｎおよびＫ．Ｍ．Ｂｕｃｋｌｅｙ著「ビームフォーミング：空間フィルタリングの汎用アプローチ」、ＩＥＥＥ  ＡＳＳＰ  Ｍａｇａｚｉｎｅ、４〜２４頁、１９８８年４月を参照されたい。
【０１２１】
もう１つ、ビームフォーミングの背景の数学的例が、Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｌｅａｂｍａｎ著の論文「通信システムにおける干渉相殺のためのアダプティブ帯域分割」、マサチューセッツ工科大学出版、１９９７年２月、に見られる。
【０１２２】
大抵のアレイ文献は、直感的な「角度」の観点で空間依存を明示している。ユークリッド空間の観点で空間ベクトルである波数ベクトル
2013501480.tif 000004
を定義することも可能である。ただし、
2013501480.tif 000005
はラジアン周波数であり（２πｆ）、ｃは自由空間における伝播速度である。よって、
2013501480.tif 000006
は、１／長さの大きさを有する。ただし、電波に関しては波長λ＝ｆ／ｃ、およびｃ＝３＊１０８である。標準的な角度表示はすべての実際の信号の領域にわたる応答を記載しているが、全波数空間または「仮想」空間が、空間エイリアシングの結果を分析する際により有用である。
【０１２３】
次に、空間領域をサンプリングするＮ個の素子アレイについて検討する。ただし、素子の位置は
2013501480.tif 000007
によって支配される。各センサからの出力は、刺激応答ｗｉ（τ）を有する線形の時間不変フィルタへの入力である。フィルタの出力は合計されて、アレイｙ（ｔ）の出力を生成する。
【０１２４】
【数１】
2013501480.tif 000008
【０１２５】
空間−時間信号に関するフーリエ表示を用いると、単独の周波数の平面波
2013501480.tif 000009
は、ラジアン周波数ωおよびベクトル波数
2013501480.tif 000010
の観点から複素指数関数によって表すことができる。
【０１２６】
【数２】
2013501480.tif 000011
【０１２７】
平面波に対するアレイ応答は以下の通りである。
【０１２８】
【数３】
2013501480.tif 000012
【０１２９】
【数４】
2013501480.tif 000013
【０１３０】
【数５】
2013501480.tif 000014
ただし、τ＝ｔ−ｔ’
【０１３１】
【数６】
2013501480.tif 000015
【０１３２】
【数７】
2013501480.tif 000016
であれば、
【０１３３】
ｙ（ｔ）＝Ｗ＋（ω）Ｅ（ｋ）ｅｊωtとなる。
【０１３４】
ただし、
2013501480.tif 000017
は周波数波数応答である。方向
2013501480.tif 000018
に対して推定される周波数波数応答は、ビームパターンとして知られる。
【０１３５】
【数８】
2013501480.tif 000019
【０１３６】
ただし、（θ、φ）は球面座標における単位ベクトルである。
【０１３７】
いくつかの実施形態に適した最も広く使用されるアレイは、Ｎ個の素子と素子間の間隔Δｚを有する線形の一定荷重アレイである。なお、このようなアレイは単に例として使用されており、その他のアレイ設計も本発明の範囲に属すると考えられる。
【０１３８】
１／Ｎの周波数非依存一定重みが使用される場合、周波数波数応答は以下に至る。
【０１３９】
【数９】
2013501480.tif 000020
ただし
2013501480.tif 000021
【０１４０】
【数１０】
2013501480.tif 000022
【０１４１】
ｋｚ＝｜ｋ｜ｓｉｎ（θ）＝２π／λｓｉｎ（θ）に関して推定すると（ただし、θはｚ軸への角度に関して定義される）、ビームパターンは以下の式で算出される。
【０１４２】
【数１１】
2013501480.tif 000023
ただし、Ｌ＝ＮΔｚ
【０１４３】
各基地局は、図２に示されるように、複数の航空機と１度に通信するために複数のビームを利用することができる。たとえば、４つのアンテナアレイ１０４ａは、最大４つのビームおよびヌルを同時に生成することができる。同様に、ビームとヌルの組み合わせを４つに追加することも可能である。アレイ１０４ａ上のアンテナが増えるほど、容量要求を満たすようにビームの数を拡大することができる。同様に、各空中プラットフォームは、４つのアンテナ設計を前提とすると、複数の基地局と同時に通信するために最大４つのビームを生成することができる。
ＩＩ．アンテナアレイの設計
【０１４４】
次に、空中プラットフォーム１０２ａとの広範囲通信に適したカバレージを可能とする、独自のアンテナアレイ１０４ａの設計を示す図５〜７Ｂに注目する。図５で、アンテナアレイ１０４ａは、空中プラットフォーム１０２ａと無線通信を行っていることを示している。空中プラットフォーム１０２ａは、自身のアンテナアレイ５０４を含む。
【０１４５】
空中プラットフォーム１０２ａ内のアレイ５０４は、地上アンテナアレイ１０４ａと類似の設計を有することができる。図示されるように、アレイ５０４は、胴体に搭載された空力ポッド内に含めることができる。同様に、アレイ５０４は、空中プラットフォームの凹部位置、小翼内、または前方のレーダドーム内に配置することも可能である。
【０１４６】
これらの実施形態では、アンテナアレイ１０４ａは、４つのアンテナパネル５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、および５０２ｄを含む。基地局１１０ａで信号の振幅および位相を変調し、変調信号をアンテナパネル５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、および５０２ｄのそれぞれに供給することによって、指向性信号（すなわち、ビーム）１０６ａが生成される。
【０１４７】
図６は、アンテナパネル５０２ａをさらに詳細に示す図である。最適化されたアンテナの背後にある論理とは、空中対象（たとえば、空中プラットフォーム）を特定するために、アンテナが水平に３６０度、垂直に１８０度、空全体を見ることが要求されることである。しかしながら、垂直に高くを見るほど、アンテナによって要求されるゲインは低減される。これは、アンテナアレイ１０４ａに対する航空機の幾何的形状による。アンテナアレイ１０４ａの直上の空中プラットフォーム１０２ａは、アレイ１０４ａに比較的近い（すなわち、通常、アンテナアレイ１０４ａの上方１０，０００（約３ｋｍ）〜３５，０００フィート（約１０．６ｋｍ））。しかしながら、アンテナアレイ１０４ａから見て縦方向に下方の空中プラットフォーム１０２ａは、アレイ１０４ａからずっと遠く離れており、１００マイル（約１６０ｋｍ）以上も離れていることが多い。
【０１４８】
よって、理想的には、アンテナアレイ１０４ａは、画像領域が低いほど高ゲインで見られるように設計される。現在入手可能な通常のアンテナは、高ゲイン設計である。ほとんどの高ゲインアンテナは水平方向に広いビーム幅を有するが、垂直方向のビーム幅は非常に狭い。１例がゲイン１７ｄＢｉの２．４ＧＨｚアンテナであり、＋／−４５度の水平ビーム幅を有するが、垂直／上昇ビーム幅はわずか＋／−１０度である。逆に、広カバレージアンテナも利用可能である。しかしながら、これらのアンテナはゲイン値が大きく低減される傾向にある。たとえば、９０度垂直ビーム幅の２．４ＧＨｚの通常アンテナは、ゲインが３〜５ｄＢｉ未満となる。さらに、その他のゲインおよびカバレージのタイプのアンテナが、いくつかの実施形態の範囲内にあると考えられる。
【０１４９】
図６に示されるアンテナ設計によって、アンテナパネル５０２ａは、水平カバレージ領域において高ゲインを提供しながら、フルカバレージさえも有することができる。これは、２つ以上の高ゲインだがカバレージ（受信可能範囲）の制限されたアンテナ６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄ〜６０２ｎにわたって送信することで達成される。これらの高ゲインだがカバレージの制限されたアンテナ６０２ａは、平行に配線された一連のアンテナ素子から成る。ここで図示される、高ゲインだがカバレージの制限されたアンテナ６０２ａは、６つのアンテナ素子を含むと図示されている。しかしながら、これは純粋に例示のためである。より多いまたは少ないアンテナ素子も、本願の一部とみなされる。概して、単独で高ゲインだがカバレージが制限された、平行に配線されたアンテナ素子の数が多いほど、アンテナ６０２ａは、アンテナのゲインを増大させるがカバレージ領域を制限する。よって、高ゲインだがカバレージの制限されたアンテナ６０２ａは、カバレージ要求に対して最適なゲインを提供するように選択することができる。
【０１５０】
高ゲインだがカバレージの制限されたアンテナ６０２ａに加えて、各アンテナパネル５０２ａは、２つ以上の広カバレージアンテナ６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃ、６０４ｄ〜６０４ｎも備えることができる。通常、ゲインは低いがカバレージの大きなこれらのアンテナ６０４ａは、数個のアンテナ素子（通常、１〜４つのアンテナ素子）を備える。素子の数が少ないほどゲインが減少するが、カバレージ領域は拡大する。
【０１５１】
このようなアンテナ設計では結果的に、水平方向に沿って非常に狭いが高ゲインのカバレージであり、縦方向の角度が大きいほど弱いが広いカバレージが得られる。これは、上述したように、アンテナアレイ１０４ａの近傍を飛行する空中プラットフォームの幾何的形状に一致する。
【０１５２】
カバレージは、図７Ａおよび７Ｂの比較で示されるように、低ゲインまたは広カバレージのアンテナ６０４ａのカバレージ角度を傾けるまたは歪めることによって、さらに向上させることができる。図７Ａでは、広カバレージアンテナ６０４ａが２つのアンテナ素子を含んでいることが示されている。接触リード７０４は、広カバレージアンテナ６０４ａの中心線辺りを中心とするカバレージ領域７０２に至るアンテナ素子間に直接接続される。上述したように、広カバレージアンテナ６０４ａは、通常１〜４つのアンテナ素子を含む。２つ以上のアンテナ素子を含む場合はいつでも、広カバレージアンテナ６０４ａを傾けることができる。
【０１５３】
図７Ｂでは、対照的に、接触リード７０４がアンテナ素子のうちの１つに接近して接続されることによって各素子の駆動信号の相対的位相を変更させる結果、広カバレージアンテナ６０４ａの中心線の上方に偏ったカバレージ領域７０２が生じる。これは、アンテナの「傾斜」と称される。各アンテナ素子の位相を他の素子の位相に対して変更することによって、所望のカバレージ領域に適合するように傾斜を変動させることができる。アンテナパネル５０２ａにおいて、垂直に下方のカバレージ領域ほど高ゲインアンテナ６０２ａによって視聴されることを前提とすると、広カバレージアンテナ６０４ａが同じ視聴領域をカバーする必要はない。よって、これらのアンテナは、より高い垂直角度をカバーするように傾けることができる。したがって、広カバレージアンテナ６０４ａは、アンテナアレイ１０４ａの上方の空域の完全なカバレージを提供する。
ＩＩＩ．基地局間の負荷バランシング
【０１５４】
さらに、図１３の例示工程に示されるように、空中プラットフォーム１０２ａおよび１０２ｂとのデータ通信を可能にするブロードバンド無線通信システムは、複数の基地局１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃにわたって負荷のバランスを取ることによって向上させることができる。ビームフォーミングを用いて、空中プラットフォーム１０２ａは、単独の基地局１０４ａと通信する代わりに、ステップ１３０２に示されるように、基地局１０４ａの方に方向づけられるビームを形成し、基地局１０４ｂの方に方向づけられるビームを形成し、次にその結果を結合することによって、複数の基地局と同時に通信することができる。
【０１５５】
負荷バランシングは、システムに多数の恩恵を提供する。まず、単独の基地局が過度の負担を受けることがないため、データ転送速度を高めることができる。同様に、複数の基地局に頼ることによって、各基地局は空中プラットフォームに同時にデータを送信することができるため、システムは高バーストスループットを許容する。
【０１５６】
さらに、所与の基地局との接続が切れる場合、残りの基地局がそれを補うため、ネットワーク忠実度が向上する。最後に、複数の基地局間の負荷のバランスを取ることによって、空中プラットフォームが基地局のアンテナアレイ１０４ａのカバレージ領域から外へ出るときのセルからセルへの転送が容易に実行され、接続の空白期間がない。
【０１５７】
たとえば、図２に示すシステムを考えてみよう。空中プラットフォーム１０２ａは、複数のアンテナを用いてビームフォーミングを実行し、ビーム１０６ｆを基地局１０４ｂに向けて方向づけ、ビーム１０６ｅを基地局１０４ｃに向けて方向づけることによって、複数の基地局１０４ｂおよび１０４ｃと同時に通信する。このように、空中プラットフォーム１０２ａは、システム容量を大幅に増加させることができる。さらに、このようにビームフォーミングを使用して、ビーム１０６ｅおよび１０６ｆは、互いに干渉し合わずに同一アンテナから同一周波数で同時刻に送信され、追加のスペクトルを使用せずに容量を増大することができる。
【０１５８】
いくつかの実施形態では、空中プラットフォーム１０２ａは、ステップ１３０４に示されるように、利用に基づき容量を動的に調節することができる。たとえば、空中プラットフォーム１０２ａは、最初に単独のビーム１０６ｆを使用して基地局１０４ｂと通信することができる。利用が増大する（基地局１０４ｂまたは空中プラットフォーム１０２ａのいずれかで）と、空中プラットフォーム１０２ａは、第２のビーム１０６ｅを追加して基地局１０４ｃと通信することができる。空中プラットフォーム１０２ａは、たとえば、基地局１０４ｂおよび１０４ｃ間で利用を分割する、または所与の基地局で使用継続中の通信チャネルの総数などの何らかの基準に基づき負荷を分割するなど、任意のやり方で追加容量を使用することができる。多くのネットワーク負荷バランシング技術が当該分野において既知であり、現在既知の、または今後開発される上記のような技術を、こうして利用することができる。上述の実施形態は、空中プラットフォーム１０２ａなどの移動局からの負荷バランシングを開始し制御する。しかしながら、負荷バランシングは、ステップ１３０６に示されるように基地局１０４ｂまたは１０４ｃから、または協調して動作する空中プラットフォームと基地局の組み合わせを通じて、開始することもできる。
【０１５９】
上述の負荷バランシングの具体例は、２つのビーム１０６ｅおよび１０６ｆを使用する。しかしながら、いくつかの具体例は追加ビームを提供することができる。たとえば、空中プラットフォーム１０２ａは、Ｎ個のアンテナを使用して最大Ｎ個のビームを形成することができる。これらのビームはそれぞれ、異なる基地局に向けて方向づけられる。いくつかの具体例では、複数のビームが形成され、単独の基地局に向けて方向づけられる。しかしながら、このような具体例では、複数のビームが単独の基地局に方向づけられるとき、各ビームは、干渉を防ぐために異なる周波数を使用するように構成される。
ＩＶ．多重化処理素子
【０１６０】
たとえば上述した技術のような、ヌルステアリングおよび／またはビームフォーミングを実行するのに必要な処理能力は、些細ではない。さらに、たとえば、単独の１０ＭＨｚチャネルから２０ＭＨｚ、４０ＭＨｚ、８０ＭＨｚ、またはそれ以上などのより大きなチャネルまでを扱うスケーラブルな商業用システムを提供することが望ましいであろう。
【０１６１】
通常、システムがＮ倍の帯域幅を処理せざるを得ない場合、Ｎ倍の機器が必要である。たとえば、スケーラブルシステムの構築の１つのアプローチは、１０ＭＨｚを処理可能な処理装置を構築し、単に１０ＭＨｚ処理装置を追加して拡大する。よって、８０ＭＨｚの帯域幅システムは、８つの１０ＭＨｚ処理装置を必要とする。さらに、各装置からのアンテナ出力は、各アンテナに対して１つまたはそれ以上のＲＦ結合器／分波器を用いて結合される。しかしながら、結合器／分波器の使用は信号を減衰させて、貴重なゲインを失わせる。
【０１６２】
帯域幅を１０ＭＨｚから８０ＭＨｚにスケール変更する別のアプローチは、８０ＭＨｚ帯域幅チャネル全体を処理できるように、デジタルボードの処理能力を高めることである。８０ＭＨｚの帯域幅に必要な処理能力は１０ＭＨｚの帯域幅に必要な処理能力よりも大幅に高いため、現行技術による単独のボードの使用が望ましい、またはコスト効果が高いという可能性は低い。しかしながら、処理技術が進化すれば、このような実施形態は容易に利用することができる。
【０１６３】
その代わりに、いくつかの実施形態では、２つの技術を組み合わせて中間ステップを追加することによって、各アプローチの利点を利用するハイブリッドアプローチを用いることができる。利用可能なスペクトル全体の１ピースを処理できる複数の装置を使用する代わりに、Ｘ個の無線機をＹ個のデジタルベースバンド処理装置と共に使用できるように、アナログ無線機とデジタルベースバンド処理装置の機能を分割する。
【０１６４】
上記の１つのスケーラブルシステムは、帯域幅をＮ個の群に分割することによって設計することができる。たとえば、４つの装置を利用して、処理のために８０ＭＨｚを２０ＭＨｚ群に分割することができる。本実施形態では、デジタル処理装置毎に別個の無線を使用することができる。その結果生じるアナログ信号は、その後アンテナに結合されるＲＦ分波器／結合器によって、結合（送信用）または分割（受信用）される。この配置は、利用可能なアンテナ毎に複製することができる。
【０１６５】
他の実施形態では、図８に示すように、アンテナ（８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃ〜８０２ｐ）がその代わりに、ダウンコンバータおよびアナログ−デジタル（Ａ−Ｄ）コンバータ（８０４ａ、８０４ｂ、８０４ｃ〜８０４ｑ）を含む無線周波数（ＲＦ）ボードに直接接続される。たとえば、いくつかの実施形態では、アンテナによって受信した信号が２．４５ＧＨｚであると仮定する。ＲＦコンバータは、信号を、処理の可能なより低いビットレート、たとえば８０ＭＨｚまで低減することができる。しかしながら、アンテナの増加により、最終的な処理要求は、この例では８０ＭＨｚ×存在するＮ個のアンテナ分となる。この大量データは、所与の処理ユニットが処理するには困難であるかもしれない。その代わりに、本例では、デジタルプロセッサが２０ＭＨｚの帯域幅データを処理できると仮定する。よって、データ流は、処理のために管理可能な部分に分割されねばならない。この分割は、処理のために各デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）（８０８ａ、８０８ｂ、８０８ｃ〜８０８ｒ）へのデータ流を分割することのできる、アナログ−デジタルコンバータ（８０４ａ、８０４ｂ、８０４ｃ〜８０４ｑ）に接続されたデジタル分波器８０６によって達成可能である。
【０１６６】
データの分割に伴う問題は、それが信号であるために、単純に時間セクションに分割できないことである。その代わりに、本実施形態では、デジタル分波器８０６は、各種ＤＳＰ（８０８ａ、８０８ｂ、８０８ｃ〜８０８ｒ）の間で信号を分割するため、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を利用して信号を直交させることができる。
【０１６７】
より多いまたは少ない数のアンテナ（８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃ〜８０２ｐ）を、図示されるように処理ボードおよび無線機と共に使用することができる。たとえば、２つのアンテナを、４つのデジタル処理装置（８０８ａ、８０８ｂ、８０８ｃ〜８０８ｒ）および４つの無線機（８０４ａ、８０４ｂ、８０４ｃ〜８０４ｑ）と共に使用することができる。
【０１６８】
データ処理のための他の実施形態は、より少ない数の無線機に頼ることもできる。たとえば、いくつかの実施形態では、単独の無線機が使用される。これにより、ＲＦ分波器／結合器の必要性が排除されて、減衰が減る。しかしながら、このようなシステムを実現するには、デジタルベースバンド処理の前にチャネルをより小さな周波数群に分割する追加のステップが使用される。各無線機がチャネル全体の１部を処理する代わりに、無線機がチャネル全体を処理し、中間のデジタル処理装置によるベースバンド処理前にスペクトルが分割される。
【０１６９】
中間デジタル処理装置は、いくつかの技術を用いてチャネルを周波数群に分割することができ、たとえば、各アンテナ／無線機での受信時、データがアナログ−デジタルからデジタル化された後にアダマールまたは高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行し、各アンテナ／無線機での送信時、アダマールまたはＩＦＦＴを実行する。群はＩＦＦＴ／ＦＦＴおよびアダマールへの入力を与える。たとえば、受信時に８０ＭＨｚチャネルを４つの群に分割するため、４つのサンプルを８０ＭＨｚでＦＦＴに供給し、４つの出力を生成し、各出力は２０ＭＨｚチャネルである。逆に、４つの２０ＭＨｚの群を使用して、送信時にデジタル−アナログ変換を与えて、８０ＭＨｚ信号をもたらすことができる。
【０１７０】
このようにして、必要性および要望に応じて独立して変動させることの可能なデジタル処理装置の数を増加させつつも、アナログ無線機の数を減少させることができる。このようなシステムは、重複する無線機やその他のハードウェア部品を排除することによって、基地局の複雑性とコストを大幅に低減する。さらに、開示されるシステムはすべてスケーラブルであるため、ビットレートが上昇するにつれ、システムは処理需要を満たすように修正することができる。
Ｖ．動的周波数選択
【０１７１】
ブロードバンド無線通信システムのいくつかの実施形態では、空中プラットフォーム内で見られるようなモバイル装置が、通信チャネルの様々な部分を使用することができる。たとえば、通信チャネルはＮ個の群に分割することができ、モバイル装置はＮ個の群のいずれかを使用することができる。モバイル装置がたとえば、セクタからセクタへまたはセルからセルへと移動するにつれ、干渉と帯域幅の使用が変動する場合がある。したがって、いくつかの実施形態では、周波数使用を動的に変動させることが望ましい。
【０１７２】
たとえば、１具体例では、モバイル装置は８０ＭＨｚチャネルのＮ個の群を処理することができ、ここで各周波数群は８０ＭＨｚ／Ｎである。たとえば、測定された干渉、測定された使用、基地局からの要求などのいくつかの基準に基づき、モバイル装置は、ＲＦを異なる周波数群に調整することができる。いくつかの実施形態では、複数の群を１度に使用することができる。このような具体例では、モバイル装置は、特定の群では送信を行わないように選択可能で、好ましくは干渉および／または使用の少ない群でのみ送信可能なように構成することができる。
【０１７３】
いくつかの具体例では、モバイル装置が、異なるビームで異なる周波数および／または異なる群を使用できるようにすることが望ましいであろう。たとえば、モバイル装置が基地局アンテナアレイ１０４ａに接近しており、ゲインがさほど必要とされない場合、モバイル装置１０２ａは、Ｎ個のアンテナのそれぞれで８０ＭＨｚ／Ｎ帯域幅を処理するように各アンテナを異なるチャネルに調整することによって、８０ＭＨｚすべてを使用する可能性がある。各アンテナは異なる８０ＭＨｚ／Ｎ周波数を処理するだろう。これにより、ゲインおよびカバレージが必要とされるとき、単独のシステムがより少ない８０ＭＨｚ／Ｎチャネルでビームフォーミングのためにすべてのアンテナを使用することができる、または、システムが、８０Ｍｈｚ／Ｎチャネルのうちの１つに調整された各ＲＦ／アンテナを有することによってすべての８０ＭＨｚを処理することができる。干渉および／または利用が検出されると、それらの影響を受けた周波数は使用されない。
【０１７４】
いくつかの具体例は、負荷バランシングおよび／または動的周波数選択の組み合わせを使用して、空中プラットフォーム１０２ａに埋め込まれたモバイル装置がある基地局のアンテナアレイ１０４ａから次のアンテナアレイに移る間、一定のサービス品質（ＱｏＳ）を提供する。
ＶＩ．無線周波数パワー制御
【０１７５】
加えて、いくつかの実施形態では、ブロードバンド無線通信システムでは、起こり得る干渉を緩和するために、必要最小限のパワーを使用することが望ましい。モバイル装置上でＲＦパワー制御を行う１つの方法は、通信する基地局１１０ａが、受信した信号レベルを測定することである。この信号レベルは、複数のアンテナまたは単独のアンテナを使用して、空中プラットフォーム１０２ａのモバイル装置が行う送信から得ることができる。この測定に基づき、基地局１１０ａは、送信パワーが増大および／または減少しているか否かを示すメッセージを、空中プラットフォーム１０２ａに送信する。このメッセージに基づき、空中プラットフォーム１０２ａに配置される通信装置は、基地局のアンテナアレイ１０４ａとの通信に現在使用している２つまたはそれ以上のアンテナの送信パワーを調節する。
ＶＩＩ．中継を介したデータ転送
【０１７６】
いくつかの実施形態では、海洋の真ん中のように、地上アンテナアレイが存在しない場合がある。こうした場合、ある空中プラットフォーム１０２ａから別の空中プラットフォームへと信号を中継することによって、データ通信の機能範囲を拡大することができる。通常、空中プラットフォームは、地上と海洋のどちらの上方でも共通の飛行路をたどる。これらの飛行路の利点には、ポールの近傍を移動することによる距離の低減が含まれる。同様に、ＦＡＡ規則などの規則は定められた飛行路を要請しており、それによって空中プラットフォームは任意の所与の時間、着陸位置から特定の距離内に存在する。したがって、任意の所与の時間、これらの大洋横断空路に沿って、任意の所与の空中プラットフォーム１０２ａは、別の空中プラットフォーム１０２ａと送信可能な距離内にいる可能性が高い。これにより、所与の空中プラットフォーム１０２ａは、予め特定されたビームフォーミング方法を用いて飛行路に沿って別の空中プラットフォームに送信を行うことができる。その後、受信側の空中プラットフォーム１０２ａは、利用可能な地上アンテナアレイ１０４ａに到達するまで、別の空中プラットフォーム１０２ａなどに送信を中継することができる。このようにして、地上アンテナアレイ１０４ａが送信範囲にないという状況下でも、データ通信を維持することができる。いくつかの実施形態では、最後尾に位置するアンテナアレイが、空中プラットフォーム間の通信を簡易化するのに最適であろう。
【０１７７】
この形式の大洋横断中継を可能にするため、モバイル装置を備える海洋船舶を、同様に中継ポイントとして利用することができる。このようにして、データ通信のカバレージを一層拡大することが可能となる。
ＶＩＩＩ．アップロードとダウンロード間の適応配分
【０１７８】
いくつかの実施形態のもう１つの新規な特徴は、アップロードおよびダウンロードの帯域幅の許容誤差を適応的に配分できることである。インターネットとの大部分のデータ接続はたとえば、アップロードとダウンロード間の固定配分を有する。通常、アップロード（ＰＣからインターネットへ）は、ダウンロード（インターネットからＰＣへ）よりも小さな帯域幅が与えられる。これは、データの大部分が普通はインターネットからコンピュータユーザに流れるという方向を反映している。インターネットの要求（アップロード）は通常簡潔である。一般的な比は５対１であり、ダウンロードに確保される帯域幅が、アップロード（インターネット要求）に配分される帯域幅の５倍であることを意味する。したがって、人がインターネット速度テストを実行する際、ダウンロード１．５Ｍｂｐｓとアップロード０．３Ｍｂｐｓのような比を目にするかもしれない。速度テスト中、データをダウンロード中でなくても、アップロード帯域幅は固定されており、常に約３００Ｋｂｐｓを一定に維持する。これは、インターネットユーザが「Ｅｎｔｅｒ」ボタンを押してＵＲＬをインターネットに送信する際に、データのダウンロードが完了するまで要求が保留されないように確保するためである。そのため、インターネット接続は現状よりも高速であるように見える。
【０１７９】
両方向のスループットを最大化するため、いくつかの実施形態は、アップロードとダウンロード間で帯域幅を動的に配分するように構成される。アップロードトラフィックがない場合、１００Ｍｂｐｓ帯域幅全体がダウンロードに使用される。ダウンロードがない場合、１００Ｍｂｐｓ全体がアップロードに使用される。さらに、配分が動的であるため、同時に両方向のトラフィックがある場合、小量の方のデータトラフィックは、転送されている大量のデータよりも帯域幅が小さい。この工程は、両方向でのスループットを最適化する。インターネット速度テストは、ダウンロードで１００Ｍｂｐｓ、アップロードでも１００Ｍｂｐｓを示す。これは、アップロード用の帯域幅部分を用意する、または割り当てる必要がないほどスループットが十分に高速であるために可能である。
【０１８０】
いくつかの別の実施形態では、たとえば、空中プラットフォームから地上への運航および安全データの送信のために、帯域幅の特定部分を用意することができる。このため、システムのこれらの実施形態は、負荷バランスに関係なく重要なデータを常に転送することができる。よって、たとえ空中プラットフォーム上の全乗客が同時に映画をダウンロードするとしても、システムは、重要な安全および運航データのためにいくらかの設定された帯域幅を維持することができる。ただし、残りの帯域幅はすべて、上述したように動的に配分することができる。
【０１８１】
たとえば、総１００Ｍｂｐｓ帯域幅のうち２０Ｍｂｐｓが重要なデータ転送のために確保されていると仮定する。３０ギガバイトが空中プラットフォームの乗客によってダウンロードされているとしよう。同様に、１０ギガバイトのデータが乗客によってアップロードされているとする。このような場合、確保されていない８０Ｍｂｐｓの帯域幅を、動的に３対１に分割して配分することができる（すなわち、アップロードに２０Ｍｂｐｓ、ダウンロードに６０Ｍｂｐｓ）。
ＩＸ．空中プラットフォームビームフォームに関するドップラ効果の補正
【０１８２】
ドップラ効果は、実質的な速度が含まれる場合は常に問題となる。ビームフォーミングの場合、ドップラ効果は送信の位相を変更して、同様に信号伝播の方向に影響を及ぼす場合がある。よって、ドップラ効果は通常、ビームフォーミング無線通信を空中プラットフォームに適用する際の大きな障害とみなされる。
【０１８３】
２地点間無線は、応答信号を、通信が発生した正確な周波数ベクトルへと戻す。いくつかの実施形態によって実行されているように、無線可動性を提供するため、信号は（空中プラットフォームの移動／可動性のため）、最初の信号源の近傍の異なる位置に戻される。移動物体の場合、信号発生源の位置は、応答が送信される時点では既に変化している。そのため、応答信号は、信号の最初の発生源の位置を少々サーチしなければならない。このサーチには、２地点間接続よりもさらに数ナノ秒かかる。したがって、いくつかの実施形態では、システムは、「タイムアウト」期間を修正することができる。加えて、信号の方向パラメータも同様に、ドップラ効果に起因する位相シフトを吸収するように修正される。いくつかの実施形態では、これらの方向パラメータの修正は、信号伝播の指向性と空中プラットフォームの移動速度とに依存させることができる。
【０１８４】
要約すると、無線ブロードバンドデータ通信のシステムおよび方法が提供される。本発明の説明を支援するためにいくつかの具体例を提供したが、提示した例は発明の範囲を限定するのではなく、拡大することを目的とする。本発明の説明の助けとしてサブセクションのタイトルを提供したが、これらのタイトルは単に例示のためであって、本発明の範囲を限定することを目的としていない。
【０１８５】
システムおよび方法を機能的な用語で説明したが、本発明の実施形態は、完全なハードウェア、完全なソフトウェア、またはその２つの組み合わせを含むことができる。また、開示される方法のマニュアルパフォーマンスは、本発明によって開示されると考えられる。
【０１８６】
本発明をいくつかの好適な実施形態に関して説明したが、変更、置換、修正、および様々な代替等価物が本発明の範囲に含まれる。本発明の方法およびシステムを実行する代替方法が多数存在することに留意すべきである。したがって、以下に添付する特許請求の範囲は、本発明の真の精神と範囲に属する、このようなすべての変更、置換、修正、および様々な代替等価物を含むものとして解釈されると意図される。
【図１】
2013501480.tif 000024
【図２】
2013501480.tif 000025
【図３】
2013501480.tif 000026
【図４】
2013501480.tif 000027
【図５】
2013501480.tif 000028
【図６】
2013501480.tif 000029
【図７Ａ】
2013501480.tif 000030
【図７Ｂ】
2013501480.tif 000031
【図８】
2013501480.tif 000032
【図９】
2013501480.tif 000033
【図１０Ａ】
2013501480.tif 000034
【図１０Ｂ】
2013501480.tif 000035
【図１１】
2013501480.tif 000036
【図１２】
2013501480.tif 000037
【図１３】
2013501480.tif 000038
【図１４】
2013501480.tif 000039
【図１５Ａ】
2013501480.tif 000040
【図１５Ｂ】
2013501480.tif 000041
【手続補正書】
【提出日】平成24年4月20日(2012.4.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空中プラットフォームと地上基地局との間の無線通信中に干渉源を減衰させる方法であって、
基地局に向けた指向性ビームを形成することであって、前記指向性ビームは、前記空中プラットフォームから発せられる空間的に配向された信号伝播であり、前記指向性ビームは前記地上基地局から信号を受信し、
少なくとも１つの干渉源を特定することと、
前記少なくとも１つの干渉源を実質上減衰するために少なくとも１つのヌルを形成することと、
を備える方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つのヌルが、信号対干渉比を実質上低減するように形成される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つのヌルが、前記空中プラットフォームを利用して形成される請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つのヌルが、前記空中プラットフォームのほぼ下方で形成される請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記信号対干渉比を低減するため、時間テールを利用して、時間の経過と共に前記形成された少なくとも１つのヌルを変調することをさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項６】
複数の対応する空間方向に方向づけられる複数の指向性同期ビームを生成することと、
前記複数の生成された指向性同期ビームのうち少なくとも１つへの応答を受信することによって前記応答から基地局の方向を判定することと、
をさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記指向性同期ビームが、アンテナアレイ内の少なくとも１つのアンテナに供給される信号の位相および振幅のうちの少なくとも一方に、無作為摂動および決定論的摂動のうちの少なくとも一方を導入することによって生成される請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記複数の指向性同期ビームを生成することが、前記複数の指向性同期ビームを順次送信することを含む請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記複数の指向性同期ビームを生成することが、前記複数の指向性同期ビームを同時に送信することを含む請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
既知のデータを含むトレーニングビームを受信することと、
前記受信された既知のデータから重みを生成することと、
前記生成された重みを利用してベース信号の位相および振幅のうちの少なくとも一方を修正することと、
をさらに備え、前記位相および振幅のうちの少なくとも一方を修正することが、前記形成された指向性ビームの指向性を判定する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記既知のデータが、ウォルシュ、ゴレイ、アダマール、およびフーリエ行列のうちの少なくとも１つからのカラムを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
空中プラットフォームと地上基地局との間の無線通信のシステムであって、
複数の対応する空間方向に方向づけられる複数の指向性同期ビームを生成し、
前記複数の生成された指向性同期ビームのうちの少なくとも１つへの応答を受信することによって前記応答から基地局の指向性を判定し、
既知のデータを含むトレーニングビームを受信し、
前記受信された既知のデータから重みを生成し、
基地局に向けた指向性ビームを形成し、前記指向性ビームが前記空中プラットフォームから発せられる空間に配向された信号伝播であり、前記指向性ビームが前記地上基地局から信号を受信し、前記指向性ビームが修正されたベース信号を用いて形成され、前記ベース信号を修正することが、前記生成された重みを利用して位相および振幅のうちの少なくとも一方を修正することを含み、
すべての放射源にフラグを立て、少なくとも１つの入射ビームフォームを特定し、前記フラグを立てられた放射源から前記少なくとも１つの入射ビームフォームを生成している放射源を排除し、残りのフラグを立てられた放射源を干渉源として設定することによって、少なくとも１つの干渉源を特定し、
前記少なくとも１つの干渉源を実質上減衰するために少なくとも１つのヌルを形成する、
ように構成される空中プラットフォームにおいてアンテナアレイを備えるシステム。
【請求項１３】
空中プラットフォームと地上基地局との間の無線通信を同期させる方法であって、
複数の対応する空間方向に方向づけられる複数の指向性同期ビームを生成することと、
前記複数の生成された指向性同期ビームのうち少なくとも１つへの応答を受信することによって前記応答から基地局の指向性を判定することと、
を備える方法。
【請求項１４】
前記指向性同期ビームが、アンテナアレイ中の少なくとも１つのアンテナに供給される信号の位相および振幅のうちの少なくとも一方に、無作為摂動および決定論的摂動のうちの少なくとも一方を導入することによって生成される請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の指向性同期ビームを生成することが、前記複数の指向性同期ビームを順次送信することを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の指向性同期ビームを生成することが、前記複数の指向性同期ビームを同時に送信することを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
空中プラットフォームと地上基地局との間の無線通信をトレーニングする方法であって、
既知のデータを含むトレーニングビームを受信することと、
前記受信された既知のデータから重みを生成することと、
前記生成された重みを利用してベース信号の位相および振幅のうちの少なくとも一方を修正することと、
を備え、前記位相および振幅のうちの少なくとも一方を修正することが、前記形成された指向性ビームの指向性を判定する方法
【請求項１８】
前記既知のデータが、ウォルシュ、ゴレイ、アダマール、およびフーリエ行列のうちの少なくとも１つからのカラムを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
地上プラットフォームと基地局との間の無線通信を減衰させる方法であって、
基地局から信号を受信する地上プラットフォームから発せられる空間的に配向された信号伝播である方向性ビームをその基地局に向けて生成することと、
少なくとも１つの干渉源を特定することと、
前記少なくとも１つの干渉源を実質的に減衰させるために少なくとも１つのヌルを形成することと、
を備えている方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのヌルが信号対干渉比を実質的に減少させるために形成される請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記少なくとも１つのヌルが前記地上プラットフォームを利用して形成される請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記信号対干渉比を減少させるために、時間テールを利用して、前記形成された少なくとも１つのヌルを時間の経過と共に変調させることをさらに備えた請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
複数の対応する空間的な方向に配向されている複数の指向性同期ビームを生成することと、
前記複数の生成された指向性同期ビームの少なくとも１つに対する応答を受信することで、前記応答からの前記基地局の方向を判定することと、
をさらに備えた請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記指向性同期ビームが、アンテナアレイ内の少なくとも１つのアンテナに供給される信号の位相および振幅のうちの少なくとも一方に、無作為摂動および決定論的摂動のうちの少なくとも一方を導入することによって生成される請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記複数の指向性同期ビームを生成することが、前記複数の指向性同期ビームを順次送信することを含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記複数の指向性同期ビームを生成することが、前記複数の指向性同期ビームを同時に送信することを含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
既知のデータを含むトレーニングビームを受信することと、
前記受信された既知のデータから重みを生成することと、
前記生成された重みを利用してベース信号の位相および振幅のうちの少なくとも一方を修正することと、
をさらに備え、前記位相および振幅のうちの前記少なくとも一方を修正することが、前記生成された指向性ビームの指向性を判定する請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
前記既知のデータが、ウォルシュ、ゴレイ、アダマール、およびフーリエ行列のうちの少なくとも１つからのカラムを含む請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
地上プラットフォームと基地局との間の無線通信のシステムであって、
複数の対応する空間方向に方向づけられる複数の指向性同期ビームを生成し、
前記複数の生成された指向性同期ビームのうちの少なくとも１つへの応答を受信することによって前記応答から基地局の指向性を判定し、
既知のデータを含むトレーニングビームを受信し、
前記受信された既知のデータから重みを生成し、
前記基地局に向けた指向性ビームを形成し、前記指向性ビームが前記地上プラットフォームから発せられる空間に配向された信号伝播であり、前記指向性ビームが前記基地局から信号を受信し、前記指向性ビームが修正されたベース信号を用いて形成され、前記ベース信号を修正することが、前記生成された重みを利用して位相および振幅のうちの少なくとも一方を修正することを含み、
すべての放射源にフラグを立て、少なくとも１つの入射ビームフォームを特定し、前記フラグを立てられた放射源から前記少なくとも１つの入射ビームフォームを生成している放射源を排除し、残りのフラグを立てられた放射源を干渉源として設定することによって、少なくとも１つの干渉源を特定し、
前記少なくとも１つの干渉源を実質的に減衰するために少なくとも１つのヌルを形成するように構成される地上プラットフォームにおいてアンテナアレイを備えるシステム。
【請求項３０】
地上プラットフォームと基地局との間の無線通信を同期させる方法であって、
複数の対応する空間方向に方向づけられる複数の指向性同期ビームを生成することと、
前記複数の生成された指向性同期ビームのうち少なくとも１つへの応答を受信することによって前記応答から基地局の指向性を判定することと、
を備える方法。
【請求項３１】
前記指向性同期ビームが、アンテナアレイ中の少なくとも１つのアンテナに供給される信号の位相および振幅のうちの少なくとも一方に、無作為摂動および決定論的摂動のうちの少なくとも一方を導入することによって生成される請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記複数の指向性同期ビームを生成することが、前記複数の指向性同期ビームを順次送信することを含む請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記複数の指向性同期ビームを生成することが、前記複数の指向性同期ビームを同時に送信することを含む請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
地上プラットフォームと基地局との間の無線通信をトレーニングする方法であって、
既知のデータを含むトレーニングビームを受信することと、
前記受信された既知のデータから重みを生成することと、
前記生成された重みを利用してベース信号の位相および振幅のうちの少なくとも一方を修正することと、
を備え、前記位相および振幅のうちの少なくとも一方を修正することが、前記形成された指向性ビームの指向性を判定する方法。
【請求項３５】
前記既知のデータが、ウォルシュ、ゴレイ、アダマール、およびフーリエ行列のうちの少なくとも１つからのカラムを含む請求項３４に記載の方法。
【国際調査報告】
2013501480.tif 000042
2013501480.tif 000043