(57)【要約】  予測的でメイク・ビフォア・ブレイクなコネクテッド車両の接続のためのシステムおよび方法が記載される。一実施形態において、方法は、無線通信に使用するアンテナを含む車両がたどるルートに関連する外部情報を受信することと、車両が将来の時間に通過することが予想されるとともに第１の通信接続が利用できないことが予想されるルート上の場所に車両が到達する前に第１の通信接続から第２の通信接続に先取り的に切り替えることと、を含む。【選択図】図１
2021530162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信に使用するアンテナを含む車両がたどるルートに関連する外部情報を受信することと、
前記車両が将来の時間に通過することが予想されるとともに第１の通信接続が利用できないことが予想される前記ルート上の場所に到達する前に前記第１の通信接続から第２の通信接続に先取り的に切り替えることと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記外部情報は、前記ルートに沿った交通状況、前記ルートに沿った気象状況、および前記ルートに沿った道路停止状況のうち１以上を含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記車両が前記場所にあることが予想される時期を判定することを含めて、前記将来の時間における前記ルート上の前記場所において前記アンテナとの前記第１の通信接続が利用できることが予想されないと判定することをさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記将来の時間における前記ルート上の前記場所において前記アンテナとの前記第１の通信接続が利用できることが予想されないと判定することは、前記車両が前記場所にあった少なくとも１回の他の時間に関して前記車両により収集された障害情報と、１以上の他の車両が前記場所にあった少なくとも１回の他の時間に関して前記１以上の他の車両により収集された障害情報と、前記場所に関して取得されたその他の障害情報と、のうち１以上に基づく、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記車両が前記場所にあることが予想される時期を判定することは、前記車両の速度と、進行方向と、外部情報の一部と、のうちの１つまたは複数に基づく、
請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の接続が衛星接続であるとともに前記第２の接続が地上ネットワーク接続である、
請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の接続は、前記第１の接続からの切り替えの前にセットアップされる、
請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の通信接続から第２の通信接続に先取り的に切り替えることは、前記第１の通信接続から前記第２の通信接続へのセッションのハンドオフを実行することを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の通信接続から前記第２の通信接続に先取り的に切り替えることは、
切り替えのために利用可能な、前記第２の接続を含む複数の接続を判定することと、
前記複数の接続から前記第２の接続を選択することと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記複数の接続から前記第２の接続を選択することは、ユーザの選択、接続コスト、接続の信頼性、およびデータの転送速度のうちの１つ以上に基づく、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
車両障害情報と、進行方向と、現在の位置および時刻に関する情報と、を前記車両により取得することをさらに含み、
前記第１の通信接続から前記第２の通信接続に先取り的に切り替えることは、取得した情報に基づく、
請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記車両の乗員に１以上の通知を提供するユーザインターフェースを表示することをさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記１以上の通知は、
前記ルートに沿ったリアルタイム通信の利用可能性に関連する情報と、
前記リアルタイム通信の前記利用可能性がオープンになったままの時間の量の標示と、
リアルタイム通信利用可能性を用いて取得されうる１以上の代替車両ルートを示す情報と、
継続的な通信接続を用いて車両を停止するための前記ルートに沿った１以上のエリアを指定する情報と、
衛星通信を利用できるエリアを指定する情報と、
車両が通信接続を維持できる時間またはそのような通信接続が得られるようになるまでの時間の量を指定する情報と、
を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
通信ウィンドウが発生するまで通信を保持するための接続システムへの通知と、前記車両に送信されるメッセージに関する優先順位付けと、通信を代替通信接続に切り替えるためのコマンドと、のうち１以上を前記車両により前記接続システムに無線で送信することをさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
データルーティングを制御するためのシステムであって、
車両の衛星アンテナと、
前記車両がたどるルートに関連する外部情報を受信する受信機と、
前記車両が将来の時間において通過することが予想される前記ルート上の場所において第１の通信接続が利用できないことが予想される時期を予測するように前記外部情報を含むデータを分析するサブシステムと、
前記ルート上の前記場所に到達する前に前記車両の通信を前記第１の通信接続から第２の通信接続に先取り的に切り替えるように前記サブシステムおよび前記衛星に接続されるコントローラと、
を備える、システム。
【請求項１６】
前記第１の接続が衛星接続であるとともに前記第２の接続が地上ネットワーク接続であり、前記コントローラが前記サブシステムからの情報に基づいて切り替えをするように前記サブシステムが動作可能である、
請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記外部情報は、前記ルートに沿った交通状況、前記ルートに沿った気象状況、およびルートに沿った道路停止状況のうちの１以上を含む、
請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記サブシステムは、前記将来の時間における前記ルート上の前記場所において前記衛星アンテナを使用した通信が利用できることが予想されないと判定するように動作可能であり、かつ前記車両が前記場所にあることが予想される時期を判定するように動作可能である、
請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記サブシステムは、前記車両が前記場所にあった少なくとも１回の他の時間に関して前記車両により収集された障害情報と、１以上の他の車両が前記場所にあった少なくとも１回の他の時間に関して前記１以上の他の車両により収集された障害情報と、前記場所に関して取得されたその他の障害情報と、のうち１以上に基づいて、前記ルート上の前記場所において前記衛星アンテナを使用した通信が利用できることが予想されないと決定するように動作可能である、
請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記サブシステムは、前記車両の速度および前記外部情報の一部のうち１以上に基づいて前記車両が前記場所にあることが予想される時期を判定するように動作可能である、
請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記コントローラは、前記第１の通信接続から前記第２の通信接続に先取り的に切り替える場合に、前記第１の通信接続から前記第２の通信接続へのセッションのハンドオフを実行するように動作可能である、
請求項１５に記載のシステム。
【請求項２２】
前記コントローラは、ユーザの選択、接続コスト、接続の信頼性、およびデータの転送速度のうちの１以上に基づいて、複数の接続から前記第２の接続を選択するように動作可能である、
請求項１５に記載のシステム。
【請求項２３】
前記車両の乗員に１以上の通知を提供するユーザインターフェースを表示するように前記コントローラに接続されたディスプレイをさらに備える、
請求項１５に記載のシステム。
【請求項２４】
前記１以上の通知は、
前記ルートに沿ったリアルタイム通信の利用可能性に関連する情報と、
前記リアルタイム通信の前記利用可能性がオープンになったままの時間の量の標示と、
リアルタイム通信利用可能性を用いて取得されうる１以上の代替車両ルートを示す情報と、
継続的な通信接続を用いて車両を停止するための前記ルートに沿った１以上のエリアを指定する情報と、
衛星通信を利用できるエリアを指定する情報と、
車両が通信接続を維持できる時間またはそのような通信接続が得られるようになるまでの時間の量を指定する情報と、
を含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
インストラクションのシーケンスを表すデータが記憶された非一時的なコンピュータで読み取り可能な記憶媒体であって、
前記インストラクションは、システムにより実行されたとき、
無線通信に使用するアンテナを含む車両がたどるルートに関連する外部情報を受信することと、
前記車両が将来の時間に通過することが予想されるとともに第１の通信接続が利用できないことが予想される前記ルート上の場所に前記車両が到達する前に前記第１の通信接続から第２の通信接続に先取り的に切り替えることと、
を前記システムに実行させる、非一時的なコンピュータで読み取り可能な記憶媒体。
【請求項２６】
前記外部情報は、前記ルートに沿った交通状況、前記ルートに沿った気象状況、および前記ルートに沿った道路停止状況のうちの１以上を含む、
請求項２５に記載の媒体。
【請求項２７】
前記方法は、前記車両が前記場所にあることが予想される時期を判定することを含めて、前記将来の時間における前記ルート上の前記場所において前記アンテナとの前記第１の通信接続が利用できることが予想されないと判定することをさらに含む、
請求項２５に記載の媒体。
【請求項２８】
前記将来の時間における前記ルート上の前記場所において前記アンテナとの前記第１の通信接続が利用できることが予想されないと判定することは、前記車両が前記場所にあった少なくとも１回の他の時間に関して前記車両により収集された障害情報と、１以上の他の車両が前記場所にあった少なくとも１回の他の時間に関して前記１以上の他の車両により収集された障害情報と、前記場所に関して取得されたその他の障害情報と、のうち１以上に基づく、
請求項２７に記載の媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜クロスリファレンス＞
この出願は、２０１８年６月２９日に出願された“Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ  Ｍａｋｅ−Ｂｅｆｏｒｅ−Ｂｒｅａｋ  Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  Ｃａｒ  Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ，  ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  Ｈａｎｄｌｉｎｇ  ｏｆ  Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｉｅｓ  ａｎｄ  Ｐａｔｈ−ｄｅｓｃｅｒｎｍｅｎｔ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｄａｔａ  Ｔｙｐｅｓ”というタイトルの対応米国仮出願６２／６９２，４８８と、２０１９年６月２７日に出願された“Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ  Ｍａｋｅ−Ｂｅｆｏｒｅ−Ｂｒｅａｋ  Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ  Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ”とういタイトルの米国本出願１６／４５５，４４７と、に対して優先権を主張するとともに、それらを引用として組み込む。
【０００２】
本発明の実施形態は、無線通信の分野に関する。特に、本発明の実施形態は、ある接続が利用できなくなる場合に複数の無線通信接続間で先取り的に（ｐｒｏａｃｔｉｖｅｌｙ）切り替えを行うことに関する。
【背景技術】
【０００３】
メイク・ビフォア・ブレイクは、セルラー強度に基づく標準的なセルラー概念であるが、これは、衛星の位置に基づく野心的な衛星の概念に過ぎない。衛星通信のためには、定常的でない衛星コンステレーションとの通信を維持しようとする衛星端末は、ある衛星が端末の視野内にある間のみ、その衛星を向くことができる。衛星が視野を離れる場合、端末は、最近視野に入った別の衛星を向く必要がある。一度にある衛星を向くビームが１つだけであるために、別の衛星への移行中にＲＦ接続が失われる。つまり、衛星は、その視野に入りつつあるまたは既に入っている新たな衛星との接続を構成するように、その視野を離れる衛星との接続を遮断する必要がある。このブレイク・ビフォア・マイク接続は、アンテナが向く角度を切り替えるための時間と、トラッキングアルゴリズムが新しい衛星を向くことを最適化するための時間と、モデムが新しいキャリアをロックするための時間と、ネットワークがエンドツーエンド接続を再確立するための時間と、によって引き起こされる接続障害につながる。
【発明の概要】
【０００４】
予測的でメイク・ビフォア・ブレイクなコネクテッド車両の接続のためのシステムおよび方法が記載される。一実施形態において、方法は、無線通信に使用するアンテナを含む車両がたどるルートに関連する外部情報を受信することと、車両が将来の時間に通過することが予想されるとともに第１の通信接続が利用できないことが予想されるルート上の場所に車両が到達する前に第１の通信接続から第２の通信接続に先取り的に切り替えることと、を含む。
【０００５】
本発明は、以下に示す詳細な説明および本発明の様々な実施形態の添付図面からより完全に理解されうるが、これらは、本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、単に説明および理解のためのものである。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、車両通信システムの一実施形態のブロック図である。
【図２】図２は、接続エンジンの一実施形態のブロック図である。
【図３】図３は、接続エンジンのデータ解析部の部分の一実施形態のブロック図である。
【図４】図４は、車両によって使用される通信接続を先取り的に切り替えるための処理の一実施形態のフロー図である。
【図５Ａ】図５Ａは、ビーム分割アンテナシステムの一実施形態を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、代替となるビーム分割アンテナシステムのブロック図である。
【図６】図６は、円筒給電ホログラフィック放射アパーチャアンテナの一実施形態の概略を示す。
【図７】図７は、グランドプレーンおよび再構成可能な共振器層を含むアンテナ素子の１つの列の斜視図を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、整調可能な共振器／スロットの一実施形態を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、物理アンテナアパーチャの一実施形態の断面図を示す。
【図９Ａ−Ｄ】図９Ａ〜Ｄは、スロットアレイを作成するための異なる層の一実施形態を示す。
【図１０】図１０は、円筒給電アンテナ構造の一実施形態の側面図を示す。
【図１１】図１１は、発信波を伴うアンテナシステムの別の実施形態を示す。
【図１２】図１２は、アンテナ素子に関するマトリクス駆動回路の配置の一実施形態を示す。
【図１３】図１３は、ＴＦＴパッケージの一実施形態を示す。
【図１４】図１４は、同時の送受信パスを有する通信システムの一実施形態のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下の説明では、本発明のより完全な説明を提供するために多くの詳細が示されている。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細なしで実施されうることは当業者にとって明らかであろう。他の例では、本発明を曖昧にすることを回避するために、周知の構造およびデバイスが詳細ではなくブロック図の形で示されている。
【０００８】
本発明の実施形態は、車両（たとえば自動車、トラックなど）との間のデータの送信にどの通信経路を使用するかを予測または選択するための方法および装置を含む。一実施形態において、方法および装置は、複数の経路の中から選択し、その選択をいつ実施するかを決定する。一実施形態において、複数の経路は、複数の衛星通信接続を含む。これら複数の通信接続は、異なる周波数（たとえば異なる周波数の２つのビーム）または異なるキャリアサイズ（たとえば異なるキャリアサイズの２つのビーム）を用いて同じ衛星アンテナにより行われる。別の実施形態において、複数の経路は、衛星および地上通信経路を含む。一実施形態において、地上通信は、地上セルラー通信（５G、ＬＴＥ、またはその他の標準無線通信など）を用いて実行され、衛星通信は、衛星５Ｇ、ＧＥＯ／ＬＥＯ、ＨＥＯまたはその他の非地上ネットワーク（ＮＴＮ）コンステレーション、またはその他の衛星通信を用いて実行される。
【０００９】
一実施形態において、複数の通信経路の中からの選択は、現在使用されている通信経路が将来利用できなくなる場合に先取り的に行われる。この場合、現在使用されている通信経路との通信を失う前に別の通信経路に先取り的に切り替えることによって、ここに記載される実施形態は、メイク・ビフォア・ブレイク通信システムを実現する。したがって、ここに記載される技術は、通信パスが使用できなくなる場合にシームレスなデータ接続を可能にする。一実施形態において、このメイク・ビフォア・ブレイク通信システムは、地上（たとえばセルラー）とＮＴＮ（たとえば衛星通信ネットワーク）との間にあり、予測データ解析に基づいている。他の実施形態において、このメイク・ビフォア・ブレイク通信システムは、ＬＥＯ、ＭＥＯまたはＧＥＯ衛星ネットワークを介した１つの衛星接続と、ＬＥＯ、ＭＥＯまたはＧＥＯ衛星ネットワークを介した別の衛星接続との間にある。
【００１０】
本発明の実施形態は、いくつもの利点を含む。第１に、ここに記載される実施形態は、衛星通信を使用するとともに道路は固定されて動かないという地上の考えを利用した通信システムにおけるメイク・ビフォア・ブレイクの概念を実現する。より具体的に、一実施形態では、道路と当該道路で利用可能な通信接続とがマッピングされる。一実施形態において、利用可能な通信接続に関する情報は、道路を利用する現在の車両および／または他の車両と、異なる形態の通信の通信接続に関するそれらの経験と、から得られる。このマッピングにより、通信システムは、衛星ネットワークと地上ネットワークとの両方への接続がある場所を認識し、これらの通信タイプのそれぞれの品質を認識し、どのタイプの通信も存在しない場所を認識する。この認識により、一実施形態において、システムは、ネットワークパフォーマンスと、コスト、レイテンシ、セキュリティ、サービス品質（ＱｏＳ）、およびバルク配信に関するデータ要件と、に基づいて、このカバレッジを比較、対比、および照合する。車両の履歴、および／または、他の情報（群衆情報など）に基づくもっともらしい目的地の推定、に基づいて進みそうな車両の位置と、現在の交通、建設、天気、および葉っぱの状況と、に関する知識により、システムは、地上システムがダウンする場所およびＮＴＮシステムがダウンしない場所、その逆も同様、を認識する。この認識に基づいて、一実施形態において、システムは、別のネットワークへの接続を構成し、当該接続を中断することなく継続することができる。一実施形態において、接続の切り替えは、２つの異なる通信接続を跨る通信セッションが維持されるように、１つの通信接続で使用されるＩＰアドレスを他の通信接続と同期することを含む。
【００１１】
別の実施形態において、システムは、最小の中断時間を用いて接続を切り替えることができる。一例として、ビーム、たとえば衛星１のビーム１、が失われ、別のビーム、たとえば衛星２のビーム２、が使用可能になり、新しいビーム（ビーム２）への高精度な切り替えのために最初のビーム（ビーム１）をトラッキングしている間に現在の姿勢からトラッキング情報が使用されることにより、新しいビームを見つけるための検索時間が大幅に短縮される、という非デュアルビームのハンドオフシナリオがある。これは、新しい接続が構成される前に接続が切断された場合であっても、ユーザの観点からはほとんどシームレスと見なされうる高速なハンドオフにつながる。
【００１２】
図１は、車両の一部の一実施形態のブロック図である。図１を参照すると、車両通信システム１０１は、車両内のコンピューティングシステム１０２に通信可能に接続されている。コンピューティングシステム１０２は、たとえばカーナビゲーションシステム、カー診断システム、または他のカーディスプレイシステムなど、ただしこれらに限定されない、のような、車両に統合されたコンピュータを含みうる。また、コンピューティングシステム１０２は、たとえばラップトップコンピュータシステム、タブレット、スマートフォン、携帯情報端末、ＩｏＴデバイスなど、ただしこれらに限定されない、のような、車両の乗員により使用されている車内のコンピュータシステムを含みうる。
【００１３】
一実施形態において、車両通信システム１０１は、有線通信システム（たとえばイーサネット、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）、または任意の他の周知の有線通信システム）を介してコンピューティングシステム１０２に通信可能に接続される。別の実施形態において、車両通信システム１０１は、無線接続（たとえばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｚｉｇｂｅｅ、赤外線、他の短距離無線通信システムなど）を介した有線通信システムを介してコンピューティングシステム１０２に通信可能に接続される。
【００１４】
一実施形態において、車両通信システム１０１は、無線通信を利用して車両との間でデータを転送するための無線通信機能を含む。一実施形態において、車両通信システム１０１は、衛星通信を使用して車両との間でデータを通信するための１以上の衛星通信サブシステム１１０を含む。衛星通信システムの例は、衛星５G、ＧＥＯ／ＬＥＯ、ＨＥＯ、または他のＮＴＮコンステレーション、ただしこれらに限定されない、を含む。車両通信システム１０１の一部でありうる衛星サブシステムの例は、以下においてより詳細に説明される。
【００１５】
また、別の実施形態において、車両通信システム１０１は、地上通信を使用して車両との間でデータを通信するための１以上の地上通信サブシステム１１１を含む。地上通信サブシステムの例は、地上セルラー通信システム（たとえば５Ｇ、ＬＴＥ、他のセルラー無線標準など）を含む。
【００１６】
一実施形態において、衛星通信サブシステム１１０および地上通信サブシステム１１１は、車両との通信のために、それぞれ送信機および受信機として動作する送信および受信ロジックを有するトランシーバを含む。
【００１７】
また、一実施形態において、車両通信システム１０１は、１以上のＬＥＯ、ＭＥＯ、またはＧＥＯ衛星ネットワークを含むがこれらには限定されない衛星ネットワークと接続するための１以上の衛星通信サブシステム１１０に接続される接続エンジン１２０と、コンピューティングシステム１０２と車両の外部の場所との間の通信を提供するためにどの通信サブシステムを使用するかを制御する１以上の地上通信サブシステム１１１と、を含む。一実施形態において、接続エンジン１２０は、コンピューティングシステム１０２と車両の外部の場所との間の通信を提供するために、通信サブシステムの中から選択する選択処理を実行する。選択は、利用可能な接続とユーザ入力とに基づきうる。別の実施形態では、１以上の衛星通信サブシステムおよびハイブリッドモジュールに接続されていない接続エンジン１２０が、地上と衛星との間の切り替えを担当しうる、ということに留意されたい。
【００１８】
一実施形態において、接続エンジン１２０は、車両によって使用される第１の通信接続から、車両によって使用される第２の通信接続に先取り的に切り替える。一実施形態において、切り替えは、第１の通信接続が利用可能にならないという判定に応じて実行される。このようにして、接続エンジン１２０は、車両と外部の場所との間の通信を維持するために、通信接続を先取り的に切り替える。
【００１９】
一実施形態において、第１および第２の通信接続は、同じ通信サブシステムを使用して行われる。たとえば、一実施形態において、接続エンジン１２０は、異なる衛星間で切り替えるか、または同じ衛星サブシステムの異なる周波数またはキャリアサイズの使用を切り替えるように、１つの衛星サブシステム１１０を制御する。別の実施形態において、接続エンジン１２０は、衛星サブシステム１１０のうち１つと地上通信サブシステム１１１のうち１つとを、一方と行われる通信接続を他方と行われる通信接続に切り替えるように制御する。たとえば、衛星サブシステム１１０のうちの１つと通信するときに通信接続が失われると判定される場合、接続エンジン１２０は、地上通信サブシステム１１１のセルラー通信システムとの通信に先取り的に切り替える。たとえば、ルートの地形による衛星の閉塞、ルート上の葉っぱ、衛星帯域幅の制限などのように、衛星サブシステム１１０の１つとの通信接続が失われることになる多くの理由がありうる。
【００２０】
車両通信システム１０１は、１以上の衛星通信サブシステム１１０と１以上の地上通信サブシステム１１１およびコンピューティングデバイス１０２との間でデータおよび制御インターフェースを提供するために接続エンジン１２０によって制御される通信インターフェース１３０をさらに含む。したがって、衛星通信サブシステム１１０または地上通信サブシステム１１１のどちらが車両との通信に使用されるかに基づいて、データおよび制御情報は、通信インターフェース１３０を介して接続エンジン１２０により選択された通信サブシステムを使用して送受信される。このようにして、データは、接続エンジン１２０により選択された通信サブシステムにデータを指示するとともにデータを無線で送信する送信ロジックを使用することで、車両の外部の場所に、コンピューティングデバイス１０２により送信される。
【００２１】
また、一実施形態において、通信インターフェース１３０は、データおよび情報を接続エンジン１２０に送り届ける。たとえば、車両との通信を処理するために接続エンジン１２０によって選択される通信サブシステムは、接続エンジン１２０用のデータを受信し、このような場合、データは、選択された通信サブシステムの受信機によって受信されるとともに接続エンジン１２０に送り届けられる。一実施形態において、選択された通信サブシステムの受信機によって受信されるとともに接続エンジン１２０に送り届けられたデータは、通信接続を先取り的に切り替えるか否かを判定するために接続エンジン１２０によって使用されるか、または、通知、警告、およびアラートの生成に使用される。一実施形態において、通信インターフェース１３０は、コンピューティングシステム１０２と接続エンジン１２０との間でデータおよび他の情報を送り届ける。一実施形態において、この情報は、車両に格納および／または車両によって取得されるとともに通信接続を先取り的に切り替えるか否かを判定するために接続エンジン１２０によって使用される内部データを含む。一実施形態において、この情報は、車両の乗員にアラートを行うために接続エンジン１２０によって生成またはコンピューティングデバイス１０２に送信される通知および／または警告を含む。一実施形態において、通知および／または警告は、完全に不連続なゾーンを含む様々な通信状態および取りうる緩和行動について車両の乗員に注意喚起する。
【００２２】
図２は、接続エンジンの一実施形態のブロック図である。一実施形態において、図２の接続エンジンは、図１の車両通信システムで使用される。一実施形態において、接続エンジンは、ハードウェア（たとえば回路、専用ロジックなど）、ソフトウェア、および／またはファームウェアを含む。
【００２３】
図２を参照すると、接続エンジン２００は、データ解析部２０１と、コントローラ２０２と、メモリ２０３と、を含む。データ解析部２０１は、車両が通過するルートに沿って、利用されている通信接続がいつ利用できなくなるかを予測する。一実施形態において、データ解析部２０１は、予測アルゴリズムを実行する接続予測エンジンを用いて、利用されている通信接続がいつ利用できなくなるかを予測する。
【００２４】
一実施形態において、データ解析部２０１は、内部データ２１０および／または外部データ２１１に基づいて、利用されている通信接続がいつ利用できなくなるかを予測する。一実施形態において、外部データ２１１は、交通状況、気象状況、道路停止状況、葉っぱの状況、および、衛星および地上通信システムの接続障害または利用可能性の状況のうち１以上のような、車両がたどるルートに関連する１以上のデータを含む。
【００２５】
一実施形態において、外部データ２１１は、リモートシステム２３０のような、１以上のリモートシステムから送信される。一実施形態において、リモートシステム２３０は、１以上のクラウドベースシステムを含む。一実施形態において、リモートシステム２３０は、他の車両からの障害および現在の状況、ルートに沿った状況（たとえば交通、天気、道路の停止、葉っぱなど）に関するデータと、衛星および地上通信システムに関する接続情報（たとえば利用可能性、信頼性情報、品質情報、レイテンシ情報、コスト情報、転送速度、ビットレートなど）と、を収集し、当該情報を接続エンジン２００に送信する。一部の情報はリモートシステム２３０からコントローラ２０２に直接提供される場合があることに留意されたい（利用できない接続の予測および接続の先取り的な切り替えに関するコマンドまたはメッセージを含む）。
【００２６】
一実施形態において、メモリ２０３に格納された内部データ２１０は、車両がたどるルートおよび／または車両が利用できる代替ルート、車両の進行方向、車両の現在の位置、時刻情報、車速、過去に車両が通信障害を被った時期および通信障害が発生した場所を示す障害情報、気象情報、車両の衛星アンテナのヨーおよびピッチなどを示す１以上のルート情報を含む。内部データ２１０の一部は１以上の車両センサまたはシステム２４０により取得されたデータであることに留意されたい。たとえば、車速は、車両のＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）バスを使用して取得され、車両の現在位置は、車両のＧＰＳサブシステムを使用して取得され、車両の衛星アンテナのヨーおよびピッチは、アンテナ設定から取得されうる。
【００２７】
受信された情報を使用して、データ解析部２０１は、車両によって使用されている第１の通信接続が将来の時間において車両のルート上の場所で利用可能であるとは予想されないという予測を生成する。また、一実施形態において、データ解析部２０１は、車両がその場所にあることが予想される時期を判定する。データ解析部２０１は、この情報をコントローラ２０２に提供する。
【００２８】
データ解析部２０１からの情報に応じて、コントローラ２０２は、車両によって使用されている第１の通信接続から第２の通信接続に先取り的に切り替えるか否かを判定する。その場合、コントローラ２０２は、通信接続を切り替えるために、制御信号および／またはコマンドと、通信インターフェース（たとえばインターフェース１３０）とを、衛星通信サブシステムの１つ（たとえば図１の衛星通信サブシステム１１０）および／または地上通信サブシステムの１つ（たとえば図１の地上通信サブシステム１１１）に送信する。
【００２９】
一実施形態において、衛星通信サブシステムの１つおよび／または地上通信サブシステムの１つにコントローラ２０２によって送信される制御信号および／またはコマンドと、通信インターフェースとは、車両のコンピューティングデバイスと車両の外部の場所との間に存在する通信セッションを維持するために、２つの通信接続間のハンドオフの調整に使用される。ＯＳＩモデル（７層）の用語を使用すると、制御信号および／またはコマンドは、レイヤー４のトランスポートおよびレイヤー３のネットワーク層のみを変更し、他の全ての層はこの制御に対して透過的である。
【００３０】
一実施形態において、データ解析部２０１およびコントローラ２０２は、ハードウェアソフトウェア、ファームウェア、または３つ全ての組み合わせを含む。
【００３１】
図３は、図２のデータ解析部２０１の部分のブロック図である。図３を参照すると、データ解析部２０１は、接続予測エンジン３０２と、通知／警告生成部３０２と、を含む。一実施形態において、接続予測エンジン３０２は、衛星接続が利用できないときを予測する衛星接続障害予測部３１１と、地上接続が利用できないときを予測する地上接続障害予測部３１２と、を備える。
【００３２】
一実施形態において、接続性予測エンジン３０２は、内部データ２１０および外部データ２１１を受信し、この情報を予測の実行に使用する。これらの予測は、図２のコントローラ２０２に提供され、コントローラ２０２は、通信接続を先取り的に切り替えるかどうかを判定するために使用する。一実施形態において、切り替えが実行されるべきか否かをコントローラ２０２が決定することができるように、接続予測エンジン３０１は、車両によって現在使用されている通信接続に関連する予測のみをコントローラ２０２に送信する。
【００３３】
一実施形態において、衛星接続障害予測部３１１および地上接続障害予測部３１２の出力は、内部データ２１０および外部データ２１１とともに通知／警告生成部３０２に入力される。これらの入力に応じて、通知／警告生成部３０２は、車両のコンピューティングデバイス１０２の表示画面に送信および表示される１以上の通知を生成する。表示画面は、統合車両コンピュータシステムの表示画面でありうる。たとえば、表示画面は、車両のナビゲーションシステムの画面でありうる。あるいは、表示画面は、車両の乗員のコンピュータシステムまたは他のデバイスの一部でありうる。
【００３４】
一実施形態において、通知および警告は、アンテナが接続不良の領域を横断することになるという判定に基づいて車両の乗員が行動を起こすことを可能にする。たとえば、通信接続が終了することを警告されたとき、車両の乗員は、通信が所定の時間（たとえば、特定の分数）利用できなくなるので、ストリーミングされている映画全体をダウンロードすることを決定しうる。あるいは、特に過去に車両（または他の車両）がルート内の現在の場所の近くで一定期間（たとえば、２０分）接続を失った場合、通知は、接続を見つけるまたは車両が接続を継続するために道路のわきに寄せることを可能にするオプションを提供しうる。
【００３５】
一実施形態において、通知／警告生成部３０２は、いくつかの通知および警告を判定および生成するロジックを含む。一実施形態において、通知／警告生成部３０２は、接続ありと車両がみなしうる１以上の代替ルートを決定するために内部データ２１０および／または外部データ２１１からの情報を使用する代替ルート通知生成部３２１を含む。一実施形態において、代替ルートは、各ルートに対する接続のタイプがユーザに通知されるように、データタイプによって特徴付けられる。また、ルートは、信頼性、品質、レイテンシ、セキュリティ、データ転送速度、ネットワークタイプ、および／またはコストによって特徴付けられる。通知／警告生成部３０２は、そのようなルートをコンピューティングデバイス１０２にその表示画面への表示のために送信する。
【００３６】
一実施形態において、通知／警告生成部３０２は、車両がたどることができるルートおよび／または接続がある場所を、現在の速度、交通量、道路および天候（温度など）状況のもとで車両がその場所に到達するのにかかる時間とともに判定するために内部データ２１０および／または外部データ２１１からの情報を使用する接続あり位置生成部３２２を含む。一実施形態において、代替ルートは、（ユーザがルートに関する接続のタイプを知ることを可能にするための）１以上のデータタイプと、たとえば信頼性、品質、レイテンシ、データ転送速度、ネットワークタイプ、および／またはコストのような、ただしこれらには限定されない、利用可能な通信接続の特性と、によって特徴付けられる。通知／警告生成部３０２は、ルートの通知をコンピューティングデバイス１０２にその表示画面への表示のために送信する。
【００３７】
一実施形態において、通知／警告生成部３０２は、車両が接続性を有する残り時間（すなわち、接続がオープンになったままである時間）を決定するために内部データ２１０および／または外部データ２１１からの情報を使用する残り接続時間生成部３２３を含む。通知／警告生成部３０２は、接続が失われる前に存在する有限期間および／または通信サブシステムを使用して車外と通信するために残っているタイミングをユーザに通知するために、計算された時間をコンピューティングデバイス１０２にその表示画面への表示のために送信する。一実施形態において、接続の残り時間は、コンピューティングデバイス１０２の表示画面上のタイマーとしてカウントダウンする。
【００３８】
一実施形態において、通知／警告生成部３０２は、車両が現在の速度、道路、天気（気温など）の状況のもとで現在のルートに沿って接続を獲得できるようになるまでの時間を決定するために内部データ２１０および／または外部データ２１１からの情報を使用する接続時間算出部３２４を含む。この時間を示す通知をコンピューティングデバイス１０２に表示画面への表示のために通知／警告生成部３０２が送信し、差し迫った障害に適応するためにサービスが調整されうるとともにダウンロード時間が変更される。一実施形態において、サービスは、ここに記載される実施形態に基づいて予想される経路の接続状態をインテリジェントに予測し、車両へのアプリケーション、サービス、更新、および他の通知の配信を調整する。一実施形態において、ファイルは、より高いボーレートで配信されうるか、より高い優先度割り当てが割り当てられるとともに他のコンテンツの前に配信されうるか、または、より最適な転送時間のために保持されうる。一実施形態において、ファイルは、完全な閉塞が発生する前に、最良のコストシステムで保持されたり、より高いボーレートまたはより高い優先度で送信されたりしうることに留意されたい。
【００３９】
一実施形態において、通知／警告生成部３０２は、他の通知および警告を表示のために生成する他の警告ロジック３２５を含む。これらの警告は、たとえば、道路の停止、気象状況などのような、ルートに沿った状況について車両の乗員に注意喚起しうる。
【００４０】
図４は、車両からの通信を管理するための処理の一実施形態のフロー図である。一実施形態において、処理は、ハードウェア（たとえば回路、専用ロジックなど）、ソフトウェア（たとえばチップ上で実行されるソフトウェア）、ファームウェア、またはそれら３つの組み合わせを含みうる処理ロジックによって実行される。
【００４１】
一実施形態において、車両は、衛星アンテナを備えた衛星通信サブシステムを含む。一実施形態において、衛星アンテナはフラットパネルアンテナである。別の実施形態において、衛星アンテナは、電子的にステアリングされるフラットパネルアンテナである。そのような電子的にステアリングされるフラットパネルアンテナの例は、以下でより詳細に説明される。
【００４２】
図４を参照すると、処理は、車両が走行しているルートに関するとともにルートに沿って利用可能な通信に関する情報を指定する外部情報および／または内部データを受信することにより開始する（処理ブロック４０１）。一実施形態において、情報は、交通状況、気象状況、道路停止状況を含む。
【００４３】
次に、処理ロジックは、車両によって使用されている第１の通信接続が、横断されるルート上の場所で将来利用可能であることが予想されないことを判定する（処理ブロック４０２）。たとえば、車両に保存および／または送信された履歴データによって示される車両および／または他の車両の過去の経験に基づいて、ルートに沿った特定の場所において定期的、季節的、または常に衛星通信に障害があるという判定が行われうる。
【００４４】
車両によって使用されている第１の通信接続が、車両がたどるルートに沿った特定の場所で将来利用可能であることが予想されないという判定の後、処理ロジックは、当該場所において第２の通信接続が利用可能であるまたは潜在的に利用可能であることを判定する（処理ブロック４０３）。
【００４５】
第２の通信接続が識別されると、処理ロジックは、第１の通信接続が利用できないことが予想されるときに、ルート上の場所に到達する前に、第１の通信接続の使用から第２の通信接続の使用に先取り的に切り替える（処理ブロック４０４）。
【００４６】
一実施形態において、第１および第２の通信接続は、衛星接続である。一実施形態において、２つの衛星接続は、車両の衛星サブシステムの同じ衛星アンテナで行われる。たとえば、一実施形態において、２つの接続は、同じ衛星アンテナでの異なる周波数用である。別の例では、一実施形態において、同じ衛星の２つの接続は、異なるキャリアサイズ用である。
【００４７】
一実施形態において、第１および第２の通信接続は、衛星接続および地上ネットワーク接続を含む。たとえば、一実施形態において、第１の接続は衛星通信接続であり、第２の通信接続はセルラー接続用であり、衛星接続が利用できなくなる前に車両が衛星接続の使用からセルラー接続の使用に先取り的に切り替えられる。
【００４８】
一実施形態において、第１の通信接続と第２の通信接続との間での先取り的な切り替えは、第１の通信接続から第２の通信接続への通信セッションのハンドオフを実行することを含む。一実施形態において、セッションのハンドオフは、セッションのために維持されているＩＰアドレスで発生する。一実施形態において、ネットワークコアにとって、車両通信システムは、１つのＩＰアドレスを有し、ネットワークスタック上のレベル３に統合されているという点で、１つのセッションのように見える。したがって、一実施形態において、現在のＩＰアドレスおよびセッションがパススイッチングの量に関係なく維持されるので、セッション（たとえばインターネットセッション）が維持されるとともにアプリケーションまたはサービスが中断されない。
【００４９】
一実施形態において、クラウドサーバは全ての接続を維持し、共通のＩＰアドレスが使用される。しかしながら、このようなシステムでは、全てのトラフィックを同じゲートウェイ経由でルーティングする必要がある。
【００５０】
処理ロジックは、１以上の通知／アラート／警告を生成することおよびそれらをコンピューティングデバイスの表示画面への表示のために送信することをオプション的に含む（処理ブロック４０５）。
【００５１】
一実施形態において、通信システムのリモートシステム（たとえばリモートシステム２３０）は、衛星および地上の接続の利用可能性、品質（レイテンシおよびビットレートによって測定される）を対象の道路ごとに格納するクラウドベースの解析を含む。一実施形態において、このシステムのモデルは、衛星、地上、および端末のタイプによる障害の履歴を測定および格納する。一実施形態において、この手段は、季節的、太陽および付随する葉っぱの変化、建設、道路閉鎖、人為的または自然災害、あるネットワークの容量を圧する可能性のある非定型イベント、および接続性に影響を与える他の変化に敏感でもある。一実施形態において、このシステムは、地形および通信の技術の変化を説明するためにシステムのモデルに挑戦し続けるアルゴリズム（たとえばランダム化アルゴリズム）を有する。この情報を使用して、リモートシステムは、車両通信システムが通信接続を先取り的に切り替える時期を決定することができる。
【００５２】
一実施形態において、リモートシステムは、ビジネスルールに基づいて最良コストのルーティングを判定するためのデータベースおよびベストコストルーティングエンジンを含む。一実施形態において、ルーティング判定は、次の１以上に基づく：アプリケーションタイプ／データタイプ／セキュリティ要件、プライバシー、データの局所性および主権、ＤＲＭ（ｄｉｇｉｔａｌ  ｒｉｇｈｔｓ  ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）、および、マルチキャスト、ブロードキャストまたはユニキャストへの適応性。一実施形態において、データは、緊急性およびレイテンシの要件に基づいて優先順位が付けられ、コストおよび緊急性の交点（たとえば最適な交点）のパス上で送信される。
【００５３】
一実施形態において、リモートシステムは、現在の天気、道路、および交通状況に基づいて、１）他のネットワークパスへの切り替えが行われるべき前、２）そのタイプのデータがビジネスルールに基づいて適切である場合、および、３）それが不可能または適切でない場合はこの接続が失われるまでの秒数をドライバに警告する前、の期間を確認するための予測アルゴリズムを含む。この情報に基づいて車両が通信接続を先取り的に切り替えるべきであるとリモートシステムが判断した場合、リモートシステムは、先取り的な切り替えを発生させるために、通信（たとえばメッセージ、コマンド、信号など）を、車両の接続エンジン（たとえば、に直接送信されるコマンド）に送信する。
【００５４】
一実施形態において、車両の接続エンジンのデータ解析部は、これらの解析を実行する、および／またはこれらのアルゴリズムを実行するために必要な機能および処理能力を含むことに留意されたい。
【００５５】
通信接続の先取り的な切り替えを引き起こすリモートシステムの一実施形態の動作が一例として示されうる。この例示的な実施形態において、データ解析は、車両自体で実行されるのではなく、接続システムと呼ばれる、遠隔に配置されたシステム（たとえばクラウドベースのシステム）で実行される。別の実施形態では、そのような接続システムが車両に統合されることに留意されたい。自動車は、公道、私道、またはオフロードトレイルを走行しており、上記の車両通信システムを有する。遠隔に配置された接続システムは、自動車との間でデータ（たとえば外部データ２１１）を送受信している。一実施形態において、このデータを送受信するために使用される通信技術は、地上通信システム（たとえば５Ｇ、ＬＴＥおよび他のセルラー通信、Ｗｉ−ＦｉおよびＤＳＲＣなど）、および衛星通信システム（たとえば、衛星ベースの５Ｇ、および、ＬＥＯ、ＧＥＯ、およびＨＥＯコンステレーションを含むこれらに限定されない標準ＮＴＮコンステレーションにおける他の非地上ネットワーク（ＮＴＮ）標準）によるものである。
【００５６】
一実施形態において、接続システムは、接続システムにおいて取得および格納された特定のＯＥＭからの全車両のうち同様に装備された全ての車両の経験（外部データ２１１を表す）と、車両自体の個々の履歴およびその車両の現在の経験（内部データ２１０を表す）と、に基づいて、地上ベースのシステムと衛星ベースのシステムとの間のデータパスの最適点を決定し、前のパスを切断する前に新しいパスへの新しい通信接続を行う。現在のＩＰセッションは維持され、アプリケーションはパスの切り替わりを認識しない。ユーザは、パスが変更されたことの兆候を受けない。
【００５７】
一実施形態において、持つべき新たなパスがないと接続システムが判断した場合、または、新たなパスがセキュリティ、レイテンシ、コスト、または他のビジネスまたは技術基準に関するデータの要件を満たさない場合、接続システムは、現在の速度、道路、および交通状況に基づいて、データ接続の切断までの時間についての車両のまたは車両内のディスプレイ上での通知（たとえば警告）を生成し、ドライバまたは他の車両乗員に提供する。一実施形態において、接続領域および切断点は、車両の組み込みナビゲーションシステム上に表示される。
【００５８】
別の例として、ドライバが地方を通って車両を運転していると仮定する。車両通信システムは、ＬＥＯ衛星を介してインターネットに接続される。その車両に経験が蓄積されているこのポイントを通過した１００台の同様に有効な車両の接続エクスペリエンス（たとえば外部データ）に基づいて、車両通信システムの接続エンジンは、ルート上の対象道路での社則に基づいて、接続の切断が発生する可能性のある時期および場所を決定する。接続エンジンは、トンネル、葉っぱ、建物の建設による閉塞、地上システムの変更、および衛星システムの変更のような経験に基づいてアップデートする。
【００５９】
一実施形態において、接続エンジンは、前のパス（この場合は衛星容量）が切れる前にＩＰトラフィックを新しいパス（この場合は地上ソース）に「接合」し、これにより車両上院にシームレスなユーザ体験を提供する。一実施形態において、接合は、パケットがＩＰネットワークを介してその宛先に向かって最良の経路に沿って転送されるように、前の接続経路が切れる前にルーティングのルールを更新することにより実行される。これは、ＷｉｎｄｏｗｓまたはＬｉｎｕｘＯＳに実装されたルーティングテーブルによって容易になる。代替経路がない場合、接続エンジンは、切断が発生する場所および時期を車両乗員（たとえばドライバ）に知らせる、車両の表示画面への表示のための通知を生成し、車両の乗員に送信する。さらに、一実施形態において、接続エンジンは、乗員がデータセッション（たとえばこの場合は音声会話）を継続することを選択した場合、必要に応じて、車両をナビゲートおよび停止するための安全な場所を車両乗員に知らせる。
【００６０】
上記の例に関して、代替の実施形態では、接続エンジンによって実行されるこれらの動作が遠隔に配置されたシステムによって実行されて接続エンジンに提供されうることに留意されたい。
【００６１】
本発明の実施形態は、ここに記載される、下記を含むがこれらには限定されない、いくつかの革新のうちの１以上を含む：
・車両に出入りするデータは、一連のルール（たとえばビジネスルール）に基づいて、区別され、非地上ネットワーク（ＮＴＮ）または地上にルーティングされ、
・通信接続は、車両と、地上およびＮＴＮの間でこのルートを走行したことのある全ての装備された車両と、の経験に基づいて、前の接続が切断される前に行われ、
・１以上の遠隔に配置されたシステム（たとえばクラウドベースのサーバ）は、全てのデータタイプおよび特定のデータタイプの通信接続をいつ切り替えるかを予測するために使用する地上およびＮＴＮ接続データを収集しており、
・通信接続サービスの切断が発生する場合、通知生成部は、車両乗員および／または関連システムへの警告、および／または、接続を維持するための代替戦略の提案および／または実現のために、通知／警告／アラートを送信する。
【００６２】
本発明の実施形態は、下記の方法のうちの１以上において有用である：
・デッドゾーンは、車両乗員（たとえばドライバ、コンピューティングデバイスユーザ）の切り替えまたは通知によって予測および軽減され、
・ミッションクリティカルなまたは自律的なシステムの害となる切断が計画されるか、または、接続が存在するエリアで車両が停止する可能性がある。人間にとって不便な切断が代替手段および警告によって軽減される可能性があり、
・コンスタントな連絡が維持され、特定のデータタイプに最適なルートが利用される。
【００６３】
＜同じ衛星の接続間の先取り的な切り替え＞
一実施形態では、現在の通信接続がもはや利用できないときに現在の通信接続に使用される１つのビームから新たな接続に使用される第２のビームに通信が切り替わる場合に、通信接続間の先取り的な切り替えが、２つのビームを同時に生成する１つの衛星アンテナを使用して実行される。
【００６４】
一実施形態において、単一のアンテナを含む衛星通信システムは、現在の通信接続のための１つのビームの生成から、現在の通信接続を維持するために一方のビームが使用されるとともに異なる周波数またはキャリアサイズで別の衛星または同じ衛星との通信接続を得るために他方のビームが使用されるという２つのビームの生成に進むことができる。一実施形態において、アンテナは、フラットパネルアンテナである。別の実施形態において、衛星アンテナは、電子的にステアリングされるフラットパネルアンテナである。このような電子的にステアリングされるフラットパネルアンテナの例は、以下でより詳細に説明される。
【００６５】
一実施形態において、アンテナは、電子的にステアリングされるフラットパネルアンテナであり、ビームフォーミングのために電子的にステアリングされるアンテナのビームパターンを生成し、無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子（たとえば、以下に説明するもののような、ただしそれらには限定されない、表面散乱メタマテリアルアンテナ素子）のセットを有する電子的にステアリングされるフラットパネルアンテナのアンテナアパーチャにビームパターンを送信し、現在の通信接続のためのアンテナパターンに基づいてＲＦ放射アンテナ素子を用いて受信ビームを生成するとともに第２の衛星（または同一の第１の衛星）をトラッキングするアンテナを用いて少なくとも１つの追加の受信ビームを生成すると同時に第１の衛星を指してトラッキングする受信ビームを生成し続けることによって使用される。一実施形態において、マルチビームモードがデュアルビームモードであるときにおいて、２つの衛星が、前のシングルビーム構成の間中アンテナが指してトラッキングしていた衛星と、マルチビーム構成中にアンテナが新たな信号を取得したとともに第２のビームを用いてトラッキングを始めた新たな衛星と、を含む場合、アンテナは、２つの衛星を指すとともに追跡するための２つの受信ビームを生成する。
【００６６】
その後、追加の衛星のトラッキングの後、前のシングルビーム構成中にトラッキングされていた衛星から新たな衛星にトラフィックをハンドオフすることを含む、２つの通信接続間の先取り的な切り替えが実行されうる。一実施形態において、トラフィックのハンドオフは、前にトラッキングされた衛星から新しい衛星への移行の全体にわたって接続が維持されるようにシームレスに実行される。
【００６７】
一実施形態において、第１および第２のビームは、異なる周波数にあるキャリアを指す。一実施形態において、第１および第２のビームは、異なるアンテナゲインを有し、第２のビームのゲインは、第１のビームのゲインよりも低い。一実施形態において、これは、第２の衛星からの信号を取得するために第２のビームが使用されるときに発生する。一実施形態において、第２の衛星からの信号を取得するために使用される場合、第２のビームは第１のビームよりも広い。一実施形態において、ビームは、信号の正確な位置に関してある程度の不確実性がある場合、信号の捕捉を可能にするためにより広げられる。一実施形態において、ビームを広げる量は、信号の位置に関する不確実性の程度に依存する。一例の実施形態において、ポインティングおよびトラッキング中のビームが２度未満の幅である場合、取得用のビームが約１０度（ただし限定はされない）の幅に広げられる。これは単なる例であり、取得時のビームは幅が１０度に制限されないことに留意されたい。ただし、ビームが広すぎると、別の衛星をとらえるリスクがある。
【００６８】
一実施形態において、２つのビームを同時に生成するための２セットのＲＦ放射アンテナ素子は、互いに異なるが、アンテナのＲＦ放射アンテナ素子の一部である。一実施形態において、デュアル受信ビーム構成でアンテナを操作するときに２つのビームを同時に生成するための２セットのＲＦ放射アンテナ素子は、シングルビーム構成でアンテナを操作するときに１つのビームを生成するために使用されるＲＦ放射アンテナ素子の一部であるか、またはその全てを含む。
【００６９】
一実施形態において、２セットのＲＦ放射アンテナ素子は、異なる数のＲＦ放射アンテナ素子（たとえば、第１のビームの生成に使用されるアンテナ素子の７５％および信号取得中の第２のビームの生成に使用されるアンテナ素子の２５％）を有する。各ビームの生成に使用される素子の数は、最小ゲインレベルの衛星に依存する。一実施形態では、特定の衛星／シナリオについて、１０ｄＢ以上の信号対雑音比（ＳＮＲ）がありえるので、２つの放射パターンはその分だけ相殺されうる。ただし、他のシナリオでは、１０ｄＢ以上よりも大きいまたは小さい差で十分な場合がある。
【００７０】
上記の技術は、衛星通信に使用されるアンテナにより実行される。一実施形態において、アンテナは、複数の電子制御無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子（たとえば表面散乱メタマテリアルアンテナ素子、または、たとえば以下でより詳細に記載されるような共振器）と、アンテナアパーチャが、第１の衛星をトラッキングするためにアンテナアパーチャにより第１のビームを生成し、第１のビームの生成と同時に第２の衛星をトラッキングするためにアンテナアパーチャにより第２のビームを生成し、第１の衛星から第２の衛星へのトラフィックをハンドオフするようにアンテナアパーチャを制御するためにアンテナアパーチャに接続される１以上のプロセッサと、を有する電子的にステアリングされるフラットパネルアンテナアパーチャを含む。一実施形態において、プロセッサは、第１の衛星から第２の衛星への移行の全体を通して接続が維持されるように、第１および第２の衛星間のトラフィックをシームレスにハンドオフする。
【００７１】
一実施形態では、第２の衛星をトラッキングするために第２のビームを生成する前に、プロセッサは、第１のビームを生成しながら第２の衛星から信号を取得するために第２のビームを生成するようにアンテナアパーチャを制御する。一実施形態において、プロセッサは、周波数が異なるキャリアをそれぞれ指し示す第１および第２のビームを生成するアンテナアパーチャの無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子の第１および第２のセットにそれぞれ適用するように第１および第２のパターンを生成する。
【００７２】
図５Ａは、特に通信接続間の先取り的な切り替えに使用される場合に、２つの衛星間の通信のハンドオフを容易にするために１つの受信ビームまたは２つの受信ビームを同時に生成することが可能な衛星アンテナアーキテクチャの例である。
【００７３】
図５Ａを参照すると、ホストプロセッサ５０２は、衛星位置（たとえば緯度および経度）および偏波情報を受信し、これらの入力に応答して、ＡＳＭ（ａｎｔｅｎｎａ  ｓｙｓｔｅｍ  ｍｏｄｕｌｅ）５０１のアンテナアパーチャのアンテナ素子に提供されるおよび当該アンテナ素子を制御するポインティングおよびトラッキング情報を生成することにより、アンテナ受信ポインティングを実行する。ＲＦ放射アンテナ素子（たとえば表面散乱アンテナ素子または共振器）を有するこのようなアンテナアパーチャの例は、以下でより詳細に説明される。一実施形態において、ポインティングおよびトラッキング情報は、ここに説明されるようなＲＦ放射アンテナ素子を制御するために使用される電子制御アンテナ波形パターンに関連付けられる。
【００７４】
一実施形態において、ポインティングおよびトラッキング情報は、ポインティング角度（たとえばシータ、ファイ）と、周波数情報と、シンボルレート情報と、を含む。シータの範囲は［０，９０］度でありうるし、ファイの範囲は［０，３６０］度でありうる。また、一実施形態において、ホストプロセッサ５０２は、ＡＳＭ５０１のアンテナアパーチャに提供される偏波値を生成する。偏波値は、［０，３６０］度の範囲でありうる。一実施形態において、偏波値は、当技術分野で周知の方法でホストプロセッサ５０２によって生成される。
【００７５】
ＡＳＭ５０１のアンテナアパーチャの受信部は、衛星からＲＦ信号を取得するとともにそれをモデム５０３に提供するためのビームを生成するように新しいポインティング角度を使用する。一実施形態において、１セットのみのポインティング情報がホストプロセッサ５０２によりＡＳＭ５０１に送信される場合、ＡＳＭ５０１のアンテナアパーチャは、（送信に使用されるものではなく）受信送信用に指定される全てのＲＦ放射アンテナ素子を使用して１つの受信ビームを生成し、受信ビームは、衛星からＲＦ信号を取得するために使用される。
【００７６】
受信されたＲＦ信号に応じて、モデム５０３は、受信されている受信（Ｒｘ）信号に関する受信メトリック（たとえばＳＮＲ、Ｃ／Ｎなど）を生成する。一実施形態において、受信メトリックは、当技術分野で周知の方法で信号が１以上の所定の基準（たとえば所定の閾値より大きいＳＮＲまたはＣ／Ｎ）を満たすか否かに基づいて衛星信号が発見されたか否かを示す。
【００７７】
一実施形態において、ポインティングおよびトラッキング情報の各セットがＡＳＭ５０１のアンテナアパーチャのアンテナ素子の異なるセットを制御するためのものである場合、ホストプロセッサ５０２は、ＡＳＭ５０１がビーム１および２を生成することを許可するように、ＡＳＭ５０１のアンテナアパーチャに２セットのポインティングおよびトラッキング情報を提供する。すなわち、ホストプロセッサ５０２は、ＡＳＭ５０１のアンテナアパーチャのアンテナ素子の異なるセットを用いて２つの受信ビームを同時に生成するために、２セットのポインティングおよびトラッキング情報をＡＳＭ５０１に送信する。一実施形態では、１セットのアンテナ素子を２つのグループに分割する（たとえばアンテナ素子の１つおきのリング、または、１つのリングまたは分布内のまたはランダムに分布した１つおきのアンテナ素子）とともに、その素子のタイプの動的な帯域幅内で同じ周波数または異なる周波数で２つの独立したビームを形成することにより、２つの受信ビームが生成される。これは、異なるシータまたは同じシータでありうる。
【００７８】
一実施形態では、電子的にステアリングされるアンテナのパターンを生成するために、ホストプロセッサ５０２は、ターゲット衛星のトラッキングを開始するためにＡＳＭ５０１上のＡＣＰ（ａｎｎｔｅｎｎａ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｐｒｏｃｅｓｓ）モジュールにコマンドを送信し、情報に応じて、ＡＣＰモジュールは、セットアップ情報と、ポインティング情報としてのシータ、ファイ、および直線偏波角（ＬＰＡ）値を有するポインティングベクトルと、のような、ＡＳＭ５０１のアンテナアパーチャに対する動作周波数（たとえばｆ１、ｆ２）および偏波値からなるセットアップおよびポインティング情報をパターン生成サービスに送信する。
【００７９】
セットアップおよびポインティング情報に応じて、サービスは、２つの受信ビームを形成するようにアンテナアパーチャのアンテナ素子（たとえばＲＦ放射アンテナ素子（たとえばメタマテリアル散乱アンテナ素子））を制御する電子的にステアリングされるアンテナのパターンを提供する。一実施形態において、このサービスは、ＡＳＭ５０１の１以上のプロセッサによって実行されるソフトウェアサービスを含む。別の実施形態において、このサービスは、ＡＳＭ５０１上のハードウェアを含む。
【００８０】
一実施形態において、パターン生成サービスは、パターンに対応するＦＰＧＡにビームフォーミングパラメータをロードする。呼応して、ＦＰＧＡは、電子的にステアリングされるアンテナのアンテナ素子に、（パターンごとの）デジタル−アナログ（ＤＡＣ）値の形式で、パターンを出力する。より具体的に、アンテナアパーチャ内のアンテナ素子ごとのＤＡＣ値は、パターン生成サービスによって提供されるビームフォーミングパラメータを使用して、ＦＰＧＡによって算出される。そして、ＦＰＧＡは、算出されたパターンを駆動するようにアンテナ素子に制御信号を出力する。一実施形態において、ＤＡＣ値は、ビームを生成するアンテナ開口（不図示）のアンテナ素子を制御するために、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を制御する。ＴＦＴの例およびその制御については、以下でより詳細に説明される。
【００８１】
ＡＳＭ５０１のパターン生成サービスにより生成されたパターンに応じて２つのビーム、ビーム１およびビーム２、のそれぞれが形成された後、ＡＳＭ５０１の受信機は、各受信ビームの使用から戻った信号を受信し、それをダイプレクサ５０５に提供する。ダイプレクサ５０５から、信号は、当技術分野で周知の方法でノイズフィルタリング機能とダウンコンバージョンおよび増幅機能とを実行する低雑音ブロック（ＬＮＢ）５０６により処理される。図５Ａでは、一実施形態において、２つのビームからの信号は周波数が異なるため、ＬＮＢ５０６が両方の周波数を同時にカバーすることに留意されたい。一実施形態において、ＬＮＢ５０６は、屋外ユニット（ＯＤＵ）内にある。別の実施形態において、ＬＮＢ５０６はアンテナ装置に統合されている。
【００８２】
ＬＮＢ５０６による信号処理の後、信号は、ＬＮＢ５０６から出力された受信信号からのエネルギーを、Ｒｘ電力分割器５４３およびモデム５０３に（信号５３１として）結合する方向性結合器５４４に送られる。一実施形態において、方向性結合器５４４は、１０ｄＢ方向性結合器であるが、他の結合器も使用されうる。
【００８３】
Ｒｘ電力分割器５４３は、方向性結合器５４４から受信された信号を２つの信号に分割し、一方の信号をトラッキング受信機５４１に送信するとともに他方の信号をトラッキング受信機５４２に送信する。一実施形態において、信号は、ビーム１に関連する信号がトラッキング受信機５４１および５４２のうち一方に送信され、ビーム２に関連する信号がトラッキング受信機５４１および５４２のうち他方に送信されるように、周波数に基づいて分割される。アンテナがシングルビームモードで動作しており、１つの受信ビームの生成のみをしている場合、Ｒｘ電力分割器５４３は、１つの信号をトラッキング受信機５４１または５４２の一方のみに提供し、他方には信号を提供しない、ということに留意されたい。一実施形態において、Ｒｘ電力分割器は、ダイプレクサである。あるいは、Ｒｘ電力分割器５４３は、パワースプリッタまたは周波数調整可能フィルタを含む。
【００８４】
信号５３１に応じて、モデム５０３は、当技術分野で周知の方法で信号５３１を処理する。より具体的に、モデム５０３は、方向性結合器５４４から出力された受信信号をデジタル形式に変換するＡＤＣ（ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を含む。デジタル形式に変換されると、信号は、受信波上の符号化されたデータを取得するために復調器によって復調されるとともにデコーダによってデコードされる。そして、デコードされたデータは、当該データを宛先（たとえばコンピューターシステム）に送信するコントローラに送信される。
【００８５】
また、モデム５０３は、送信されるデータを符号化するエンコーダを含む。符号化されたデータは、変調器によって変調され、そして、アナログ信号５３２を生成するためにＤＡＣ（ｄｉｇｉｔａｌ−ｔｏ−ａｎａｌｏｇ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）（不図示）によってアナログに変換される。そして、アナログ信号５３２は、ＢＵＣ（ｂｌｏｃｋ  ｕｐｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）５０４によってフィルタリングされ、ダイプレクサ５０５の１つのポートに提供される。一実施形態において、ＢＵＣ５０４は、屋外ユニット（ＯＤＵ）内にある。当技術分野で周知の方法で動作するダイプレクサ５０５は、送信信号５３２を送信のためにＡＳＭ５０１に提供する。
【００８６】
一実施形態では、その動作をサポートするために、モデム５０３は、中間周波数で送信および受信信号を処理するＩＦ（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）トランシーバ５１０と、デジタルシステム用のデータを取得するためにダウンコンバートされたデジタル信号を処理するデジタルベースバンドプロセッサ５１１と、変調、復調および他の機能を実行するためにモデムによって使用されるパラメータ、データテーブル、および他の情報を記憶するメモリ５１２と、モデム５０３の動作のクロッキングを管理するクロック管理ユニット５１３と、モデム５０３の電力消費を管理する電力管理ユニット５１４と、を含む。これらのユニットは、特に明記しない限り、当技術分野でよく知られている方法で動作する。
【００８７】
動作時において、一実施形態では、１つの衛星が端末の視野を離れ始めると、シングルビーム構成から２ビームに変更されるとともに第２のビームを用いて次の衛星との接続のセットアップを開始するように、ＡＳＭ５０１のアンテナアパーチャが制御される。一実施形態において、第２のビームは、次の衛星を見つけて接続するためだけのものであり、大量のデータを送信するためのものではないため、最初のビームに対する第２のビームの利得はより低く、衛星端末のデータ伝送速度への影響を低減し、潜在的に最小化することが可能になる。
【００８８】
一実施形態において、２つのビームは、衛星にアクセスするために、電子的にステアリングされる単一のフラットアンテナで同時に生成され、そして、第１のビームから第２のビームへのトラフィックのハンドオフがシームレスに行われるが、第１のビームおよび第２のビームは同じ衛星に向けられているが異なる周波数で衛星キャリアにアクセスしている。この例が図５Ｂに示される。
【００８９】
図５Ｂを参照すると、ホストプロセッサ５３１は、ポインティングおよびトラッキング情報５３０を生成し、それを１つまたは２つの受信ビームのためにＡＳＭ５０１に送信する。一実施形態において、ポインティングおよびトラッキング情報５３０は、シータ（たとえばＴｈｅｔａ１）、ファイ（たとえばＰｈｉ１）、周波数（たとえばｆｒｅｑ１、ｆｒｅｑ２）、およびシンボルレート（たとえばＳＲ１）情報を含む。これは、たとえば受信ビームに関連付けられた受信信号に関連付けられたＳＩＮＲ値（たとえばＳＩＮＲ１、ＳＩＮＲ２）または受信信号強度インジケータ（ＲＳＳＩ）（たとえばＲＳＳＩ１、ＲＳＳＩ２）のような、信号品質情報またはメトリックに応じたものでありうる。一実施形態において、これは、アンテナビームが衛星をトラッキングしていることを示す物理層同期信号（たとえばＰＬｓｙｎｃｈｌ、ＰＬｓｙｎｃｈ２）に応じたものである。一実施形態において、信号品質情報またはメトリックと同期信号とは、モデム５０３から受信される。
【００９０】
ビーム１および２を使用して、ＡＳＭ５０１のアンテナアパーチャは、１つまたは２つの衛星から信号を受信する。受信された信号は、ダイプレクサ５０５に送信され、そして上述したように動作するＬＮＢ５０６に送信される。ＬＮＢ５０６から、信号は、受信された信号をトラッキング受信信号（Ｒｘ１）５８１およびトラッキング受信信号（Ｒｘ２）５８２に分割する２ウェイ電力分割器５８０に送信される。一実施形態において、トラッキング受信信号（Ｒｘ１）５８１およびトラッキング受信信号（Ｒｘ２）５８２は、周波数選択が行われるモデム５０３内のＲＦチューナで終端する。この場合、電力分割器５８０は、単純なパワースプリッタである。別の実施形態において、電力分割器５８０は、トラッキング受信信号（Ｒｘ１）５８１およびトラッキング受信信号（Ｒｘ２）５８２を生成するために入力信号をフィルタリングするバンドパスフィルタとして動作する。これらの信号は、モデム５０３に送信され、上述したように処理される。
【００９１】
図５Ｂには示されていないが、一実施形態において、第２のスプリッタ／電力分割器は、ＬＮＢ５０６の前に配置され、Ｒｘ１とＲｘ２とを分けるために含まれる。
【００９２】
＜アンテナの実施形態の例＞
上記の技術は、フラットパネルアンテナで使用することができる。そのようなフラットパネルアンテナの実施形態が開示される。フラットパネルアンテナは、アンテナアパーチャに、複数のアンテナ素子を備えた１以上のアレイを含む。一実施形態において、アンテナ素子は、液晶セルを備える。一実施形態において、フラットパネルアンテナは、行および列に配置されていない各アンテナ素子を一意にアドレス指定して駆動するマトリクス駆動回路を含む円筒給電アンテナである。一実施形態において、素子は、リング状に配置される。
【００９３】
一実施形態において、アンテナ素子の１以上のアレイを有するアンテナアパーチャは、一体に結合された複数のセグメントから構成される。一体に結合されると、複数のセグメントの組み合わせは、アンテナ素子の閉じた同心のリングを形成する。一実施形態において、同心のリングは、アンテナ給電部に対して同心である。
【００９４】
＜アンテナシステムの例＞
一実施形態において、フラットパネルアンテナは、メタマテリアルアンテナシステムの一部である。通信衛星地球局用のメタマテリアルアンテナシステムの実施形態について説明する。一実施形態において、アンテナシステムは、民間商業衛星通信用のＫａバンド周波数またはＫｕバンド周波数のいずれかを使用して動作するモバイルプラットフォーム（たとえば航空、海事、陸上など）上で動作するＥＳ（Ｅａｒｔｈ  Ｓｔａｔｉｏｎ）の構成要素またはサブシステムである。モバイルプラットフォーム上にない地球局（たとえば固定されたまたは輸送可能な地球局）においてもアンテナシステムの実施形態が使用可能であることに留意されたい。
【００９５】
一実施形態において、アンテナシステムは、表面散乱メタマテリアル技術を使用して、別個のアンテナを介して送受信ビームを形成および操作する。一実施形態において、アンテナシステムは、（フェイズドアレイアンテナのような）ビームを電気的に形成および操作するためにデジタル信号処理を使用するアンテナシステムとは対照的に、アナログシステムである。
一実施形態において、アンテナシステムは、（１）円筒波給電アーキテクチャからなる導波構造、（２）アンテナ素子の一部である波動散乱メタマテリアルユニットセルのアレイ、および（３）ホログラフィック原理を使用してメタマテリアル散乱素子から同調可能な放射場（ビーム）の形成を指示する制御構造、という３つの機能的サブシステムから構成される。
【００９６】
＜アンテナ素子＞
図６は、円筒給電ホログラフィック放射アパーチャアンテナの一実施形態の概略を示す。図６を参照すると、アンテナアパーチャは、円筒給電アンテナの入力給電部６０２の周りに同心リング状に配置されたアンテナ素子６０３の１以上のアレイ６０１を有する。一実施形態において、アンテナ素子６０３は、ＲＦ（ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）エネルギーを放射するＲＦ共振器である。一実施形態において、アンテナ素子６０３は、アンテナアパーチャの表面全体に交互に配置されるとともに分散されたＲｘアイリスおよびＴｘアイリスの両方を含む。このようなＲｘおよびＴｘアイリスまたはスロットは、３以上のセットのグループ内にあることがあり、各セットは、個々におよび同時に制御される帯域のためのものである。アイリスを含むこのようなアンテナ素子の例について、以下で詳細に説明する。ここで説明されるＲＦ共振器が円筒給電部を含まないアンテナで使用可能であることに留意されたい。
【００９７】
一実施形態において、アンテナは、入力給電部６０２を介して円筒波給電を提供するために使用される同軸給電部を含む。一実施形態において、円筒波給電アーキテクチャは、給電点から円筒状外側に広がる励振により中心点からアンテナに給電を行う。すなわち、円筒給電アンテナは、外向きに進行する同心円状の給電波を生成する。それでも、円筒給電部の周りの円筒給電アンテナの形状は、円形、正方形、または任意の形状とすることができる。別の実施形態において、円筒給電アンテナは、内向きに進行する給電波を生成する。このような場合、給電波は、円形の構造から最も自然に発生する。
【００９８】
一実施形態において、アンテナ素子６０３は、複数のアイリスを含み、図６のアパーチャアンテナは、調整可能な液晶（ＬＣ）材料を介してアイリスを照射するための円筒給電波からの励振を使用することで形づくられたメインビームを生成するために使用される。一実施形態において、アンテナは、所望の走査角で水平または垂直に偏波された電場を放射するように励振されうる。
【００９９】
一実施形態において、アンテナ素子は、パッチアンテナのグループを含む。このパッチアンテナのグループは、散乱メタマテリアル素子のアレイを備える。一実施形態において、アンテナシステム内の各散乱素子は、下部導体と、誘電体基板と、エッチングまたは溶着された相補型電気的誘導性−容量性共振器（「相補型電気ＬＣ」または「ＣＥＬＣ」）を埋め込む上部導体と、からなるユニットセルの一部である。当業者によって理解されるように、ＣＥＬＣの文脈におけるＬＣは、液晶とは異なり、インダクタンス−キャパシタンスを意味する。
【０１００】
一実施形態において、液晶（ＬＣ）は、散乱素子の周りのギャップに配置される。このＬＣは、上述した直接駆動の実施形態により駆動される。一実施形態において、液晶は、各ユニットセルに封入され、スロットに関連付けられた下部導体を、パッチに関連付けられた上部導体から分離する。液晶は、液晶を含む分子の配向の関数である誘電率を有し、分子の配向（つまり誘電率）は、液晶の両端のバイアス電圧を調整することで制御されうる。この特性を利用することにより、一実施形態において、液晶は、誘導波からＣＥＬＣへのエネルギーの伝達のためのオン／オフスイッチを統合する。オンに切り替わると、ＣＥＬＣは、電気的に小さいダイポールアンテナのように電磁波を放射する。本明細書の教示は、エネルギー伝達に関して２値的な態様で動作する液晶を有することに限定されないことに留意されたい。
【０１０１】
一実施形態では、このアンテナシステムの給電形状は、波動給電における波のベクトルに対して４５度（４５°）の角度でアンテナ素子が配置されることを可能にする。他の配置が使用されうることに留意されたい（たとえば４０°の角度）。素子のこの配置は、素子により受信されるまたは素子から送信／放射される自由空間波の制御を可能にする。一実施形態において、アンテナ素子は、アンテナの動作周波数の自由空間波長よりも短い素子間間隔で配置される。たとえば、波長ごとに４つの散乱素子がある場合、３０ＧＨｚ送信アンテナにおける素子は、約２．５ｍｍ（すなわち、３０ＧＨｚの１０ｍｍ自由空間波長の１/４）となる。
【０１０２】
一実施形態において、素子の２つのグループは、同じ調整状態に制御される場合、互いに垂直であり、かつ等振幅励振を同時に有する。それらを供給波の励振に対して＋／−４５度で回転させることは、両方の所望の特徴を同時に達成する。１つのグループを０度、他のグループを９０度回転させることは、垂直目標を達成しうるが、等振幅励振目標を達成しない。単一の構造におけるアンテナ素子のアレイを２つの側面から給電する場合、アイソレーションを達成するために０度および９０度が使用されうることに留意されたい。
【０１０３】
各ユニットセルからの放射電力の量は、コントローラを使用してパッチ（ＬＣチャネルの両端のポテンシャル）に電圧を印加することによって制御される。各パッチのトレースは、パッチアンテナへの電圧の供給に使用される。電圧は、ビームフォーミングを実施するための個々の素子の静電容量、したがって共振周波数、のチューンまたはデチューンに使用される。必要な電圧は、使用されている液晶混合物によって異なる。液晶混合物の電圧チューニング特性は、主に、液晶が電圧の影響を受け始めるしきい値電圧と、超過すると電圧の増加が液晶の目立ったチューニングを引き起こさなくなる飽和電圧と、によって説明される。これらの２つの特性パラメータは、異なる液晶混合物に対して変化しうる。
【０１０４】
上述したように、一実施形態において、マトリクス駆動は、各セルに対する個別の接続を有すること（直接駆動）なく各セルを他の全てのセルとは別に駆動するためにパッチに電圧を印加するために使用される。素子の密度が高いため、マトリックス駆動は、各セルを個別にアドレスする効率的な方法である。
【０１０５】
一実施形態において、アンテナシステムの制御構造は、アンテナシステムのための駆動電子装置を含み、（ここに記載されるような表面散乱アンテナ素子の）波動散乱構造の下にある一方、マトリクス駆動スイッチングアレイが放射を妨害しないような態様で放射ＲＦアレイの全体に点在しているアンテナアレイコントローラ、という２つの主要な構成要素を有する。一実施形態において、アンテナシステムのための駆動電子装置は、素子へのＡＣバイアス信号の振幅またはデューティサイクルを調整することにより各散乱素子のバイアス電圧を調整する民放テレビ装置で使用される民生用のＬＣＤ制御装置を含む。
【０１０６】
一実施形態では、アンテナアレイコントローラは、ソフトウェアを実行するマイクロプロセッサも含む。コントロール構造は、位置および向きをプロセッサに提供するためのセンサ（たとえばＧＰＳ受信機、３軸コンパス、３軸加速度計、３軸ジャイロ、３軸磁力計など）を組み込みうる。位置および向きの情報は、地球局の他のシステムによりプロセッサに提供されてよく、および／または、アンテナシステムの一部でなくてよい。
【０１０７】
より具体的に、アンテナアレイコントローラは、どの素子をオフにし、どの素子を動作周波数におけるどの位相および振幅レベルでオンにするかを制御する。これらの素子は、電圧印加により周波数動作のために選択的にデチューンされる。
【０１０８】
送信の場合、コントローラは、変調、または制御パターンを生成するために、電圧信号のアレイをＲＦパッチに供給する。この制御パターンは、素子が様々な状態に変わることを引き起こす。一実施形態において、マルチステート制御は、方形波とは対照的な正弦波制御パターンにより近い（すなわち正弦波グレーシェード変調パターン）様々なレベルに様々な素子がオン／オフされることに使用される。一実施形態では、いくつかの素子が放射していくつかの素子が放射しないのではなく、いくつかの素子が他の素子よりも強く放射する。液晶の誘電率を様々な量に調整する特定の電圧レベルを印加し、これにより素子を可変的にデチューンするとともに一部の素子に他の素子よりも多く放射させることによって、可変的放射が達成される。
【０１０９】
素子のメタマテリアルアレイによる集束ビームの生成は、強め合うおよび弱め合う干渉の現象によって説明されうる。各電磁波は、自由空間で出会うときに同相であれば足し合い（強め合う干渉）、自由空間で出会うときに逆相であれば互いに相殺する（弱め合う干渉）。連続する各スロットが誘導波の励振点から異なる距離に位置するようにスロットアンテナのスロットが配置されている場合、その素子からの散乱波は、前のスロットの散乱波とは異なる位相を有する。スロットが誘導波長の１／４の間隔で配置されている場合、各スロットは、前のスロットから４分の１の位相の遅延で波を散らす。
【０１１０】
アレイを使用すると、ホログラフィの原理を用いてアンテナアレイのボアサイトからプラスまたはマイナス９０度（９０°）の任意の方向にビームを理論的に向けることができるように、強め合うおよび弱め合う干渉の生成可能なパターンの数を増やすことができる。したがって、どのメタマテリアルユニットセルをオンまたはオフにすることにより（つまり、どのセルをオンにし、どのセルをオフにするかのパターンを変更することにより）、強め合うおよび弱め合う干渉の異なるパターンを生成することができ、アンテナは、メインビームの方向を変更することができる。ユニットセルをオンおよびオフにするのに必要な時間は、ある場所から別の場所にビームを切り替わることができる速度を規定する。
【０１１１】
一実施形態において、アンテナシステムは、アップリンクアンテナ用の１つのステアリング可能なビームと、ダウンリンクアンテナ用の１つのステアリング可能なビームと、を生成する。一実施形態において、アンテナシステムは、衛星からのビームを受信して信号をデコードするとともに、衛星に向けられた送信ビームを形成するために、メタマテリアル技術を使用する。一実施形態において、アンテナシステムは、（フェイズドアレイアンテナのような）ビームを電気的に形成およびステアリングするためにデジタル信号処理を使用するアンテナシステムと異なり、アナログのシステムである。一実施形態において、アンテナシステムは、特に従来の衛星パラボラアンテナ受信機と比較した場合に、平面的で比較的薄型の「表面型」アンテナとみなされる。
【０１１２】
図７は、グランドプレーンと、再構成可能な共振器層と、を含む１行のアンテナ素子の斜視図を示す。再構成可能な共振器層１２３０は、同調可能スロット１２１０のアレイを含む。同調可能スロット１２１０のアレイは、アンテナを所望の方向に向けるように構成されうる。各同調可能スロットは、液晶の両端の電圧を変化させることにより同調／調整されうる。
【０１１３】
制御モジュールまたはコントローラ１２８０は、図８Ａの液晶の両端の電圧を変化させることにより同調可能スロット１２１０のアレイを変調するように、再構成可能な共振器層１２３０に接続される。制御モジュール１２８０は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、マイクロプロセッサ、コントローラ、システムオンチップ（ＳｏＣ）、または他の処理ロジックを含みうる。一実施形態において、制御モジュール１２８０は、同調可能スロット１２１０のアレイを駆動する論理回路（たとえばマルチプレクサ）を含む。一実施形態において、制御モジュール１２８０は、同調可能スロット１２１０のアレイ上で駆動されるホログラフィック回折パターンの仕様を含むデータを受信する。ホログラフィック回折パターンは、ホログラフィック回折パターンがダウンリンクビーム（およびアンテナシステムが送信を実行する場合はアップリンクビーム）を通信に適切な方向にステアリングするように、アンテナと衛星との間の空間的関係に応じて生成されうる。各図には描かれていないが、制御モジュール１２８０に類似した制御モジュールが、本開示の図に記載されている同調可能スロットの各アレイを駆動してもよい。
【０１１４】
また、高周波（「ＲＦ」）ホログラフィは、ＲＦ参照ビームがＲＦホログラフィック回折パターンに遭遇したときに所望のＲＦビームを生成することができる類似の技術を使用することによって可能である。衛星通信の場合、参照ビームは、給電波１２０５（いくつかの実施形態では約２０ＧＨｚ）のような給電波の形態をしている。（送信または受信のいずれかの目的で）給電波を放射ビームに変換するために、所望のＲＦビーム（オブジェクトビーム）と給電波（参照ビーム）の間で干渉パターンが算出される。干渉パターンは、給電波が（所望の形状および方向を有する）所望のＲＦビームに「ステアリング」されるように、同調可能スロットのアレイ１２１０上で回折パターンとして駆動される。すなわち、ホログラフィック回折パターンに遭遇する給電波は、通信システムの設計要件に従って形成されるオブジェクトビームを「再構成」する。ホログラフィック回折パターンは、各素子の励振を含み、導波路内の波動方程式としてのｗinと出力波の波動方程式としてのｗoutとを用いてｗhologram＝ｗin*ｗoutにより算出することができる。
【０１１５】
図８Ａは、同調可能共振器／スロット１２１０の一実施形態を示す。同調可能スロット１２１０は、アイリス／スロット１２１２と、放射パッチ１２１１と、アイリス１２１２およびパッチ１２１１の間に配置される液晶１２１３と、を含む。一実施形態において、放射パッチ１２１１は、アイリス１２１２と同じ場所に配置される。
【０１１６】
図８Ｂは、物理アンテナアパーチャの一実施形態の断面図を示す。アンテナアパーチャは、グランドプレーン１２４５と、再構成可能な共振器層１２３０に含まれるアイリス層１２３３内の金属層１２３６と、を含む。一実施形態において、図８Ｂのアンテナアパーチャは、図８Ａの同調可能共振器／スロット１２１０を複数含む。アイリス／スロット１２１２は、金属層１２３６の開口によって定義される。図８Ａの給電波１２０５のような給電波は、衛星通信チャネルと互換性のあるマイクロ波周波数を有しうる。給電波は、グランドプレーン１２４５と共振器層１２３０との間を伝播する。
【０１１７】
また、再構成可能な共振器層１２３０は、ガスケット層１２３２とパッチ層１２３１とを含む。ガスケット層１２３２は、パッチ層１２３１とアイリス層１２３３との間に配置される。一実施形態ではスペーサがガスケット層１２３２に取って代わることができるということに留意されたい。一実施形態において、層１２３３は、金属層１２３６として銅層を含むプリント回路基板（「ＰＣＢ」）である。一実施形態において、アイリス層１２３３は、ガラスである。アイリス層１２３３は、他の種類の基板であってもよい。
【０１１８】
開口は、スロット１２１２を形成するように銅層にエッチングされうる。一実施形態において、アイリス層１２３３は、導電性結合層によって図８Ｂの他の構造（たとえば導波路）に導電的に結合される。一実施形態では、アイリス層が導電性結合層によって導電的に結合されておらず、代わりに、非導電性結合層と接続されていることに留意されたい。
【０１１９】
パッチ層１２３１は、放射パッチ１２１１として金属を含むＰＣＢであってもよい。一実施形態において、ガスケット層１２３２は、金属層１２３６とパッチ１２１１との間の寸法を定義する機械的なスタンドオフを提供するスペーサ１２３９を含む。一実施形態において、スペーサは、７５ミクロンであるが、他のサイズ（たとえば３〜２００ｍｍ）も使用されうる。上述したように、一実施形態において、図８Ｂのアンテナアパーチャは、図８Ａのパッチ１２１１と液晶１２１３とアイリス１２１２とを含む同調可能共振器／スロット１２１０のような、複数の同調可能共振器／スロットを含む。液晶用チャンバ１２１３は、スペーサ１２３９、アイリス層１２３３、および金属層１２３６によって定義される。チャンバが液晶で満たされると、共振器層１２３０内に液晶を密封するように、パッチ層１２３１がスペーサ１２３９上に積層されうる。
【０１２０】
パッチ層１２３１とアイリス層１２３３との間の電圧は、パッチとスロット（たとえば同調可能共振器／スロット１２１０）との間のギャップ内の液晶を同調するように変調されうる。液晶１２１３の両端の電圧を調整は、スロット（たとえば同調可能共振器／スロット１２１０）の静電容量を変化させる。したがって、スロット（たとえば同調可能共振器／スロット１２１０）のリアクタンスは、静電容量を変更することによって変化されられうる。また、スロット１２１０の共振周波数は、ｆがスロット１２１０の共振周波数、ＬおよびＣがそれぞれスロット１２１０のインダクタンスおよびキャパシタンスである場合、等式ｆ＝1／（２π√ＬＣ）に従って変化する。スロット１２１０の共振周波数は、導波路を介して伝播する給電波１２０５から放射されるエネルギーに影響を与える。一例として、給電波１２０５が２０ＧＨｚである場合、スロット１２１０の共振周波数は、スロット１２１０が給電波１２０５からのエネルギーと実質的に結合しないように、（キャパシタンスを変えることにより）１７ＧＨｚに調整されうる。あるいは、スロット１２１０の共振周波数は、スロット１２１０が給電波１２０５からのエネルギーと結合してそのエネルギーを自由空間に放射するように、２０ＧＨｚに調整されうる。挙げた例は２値的であるが（完全放射または無放射）、多値の範囲上での電圧変化によれば、リアクタンス、したがってスロット２１０の共振周波数の完全なグレースケール制御、が可能である。したがって、各スロット１２１０から放射されるエネルギーは、詳細なホログラフィック回折パターンが同調可能スロットのアレイによって形成されうるように、細かく制御されうる。
【０１２１】
一実施形態において、ある行の同調可能スロットは、λ／５だけ互いに離間している。他の間隔が使用されてもよい。一実施形態において、ある行の各同調可能スロットは、隣接する行の最も近い同調可能スロットからλ／２だけ離間しており、したがって、異なる行において共通して配向された同調可能スロットは、他の間隔も可能であるが（たとえばλ／５、λ／６．３）、λ／４だけ離間している。別の実施形態において、ある行の各同調可能スロットは、隣接する行の最も近い同調可能スロットからλ／３だけ離間している。
【０１２２】
実施形態は、２０１４年１１月２１日に出願された“Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｃｙｌｉｎｄｅｉｃａｌｌｙ  Ｆｅｄ  Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ａｎｔｅｎｎａ”というタイトルの米国特許出願第１２／５５０，１７８号と、２０１５年１月３０日に出願された“Ｒｉｄｇｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｆｅｅｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  Ａｎｔｅｎｎａ”というタイトルの米国特許出願第１４／６１０，５０２号と、に記載されているような再構成可能メタマテリアル技術を用いる。
【０１２３】
図９Ａ〜Ｄは、スロットアレイを作成するための様々な層の一実施形態を示す。アンテナアレイは、図６に示した例示的なリングのように、リング状に配置されたアンテナ素子を含む。この例では、アンテナアレイが、２つの異なる種類の周波数帯域に使用される２つの異なる種類のアンテナ素子を有することに留意されたい。
【０１２４】
図９Ａは、スロットに対応する場所を有する第１のアイリス基板層の部分を示す。図９Ａを参照すると、円は、アイリス基板の下側の金属部における開いたエリア／スロットであり、給電部（給電波）への素子の結合を制御するためのものである。この層はオプション的な層であって全ての設計で使用されるわけではないことに留意されたい。図９Ｂは、スロットを含む第２のアイリス基板層の部分を示している。図９Ｃは、第２のアイリスボード層の部分の上のパッチを示している。図９Ｄは、スロットアレイの部分の上面図を示している。
【０１２５】
図１０は、円筒給電アンテナ構造の一実施形態の側面図を示す。アンテナは、２重層給電構造（すなわち２層の給電構造）を使用して、内向きに進行する波を生成する。一実施形態において、アンテナは、円形の外形を有するが、これは必須でない。すなわち、非円形の内向きの進行構造を使用することができる。一実施形態において、図１０のアンテナ構造は、たとえば、２０１４年１１月２１日に出願された、“Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ  Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｌｙ  Ｆｅｄ  Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ａｎｔｅｎｎａ”というタイトルの米国特許出願公開第２０１５／０２３６４１２号明細書に記載されるような同軸給電部を含む。
【０１２６】
図１０を参照すると、同軸ピン１６０１は、アンテナの下段に電場を励起するように使用される。一実施形態において、同軸ピン１６０１は、容易に入手可能な５０Ω同軸ピンである。同軸ピン１６０１は、導電性のグランドプレーン１６０２である、アンテナ構造の底部に結合（たとえばボルト締め）される。
【０１２７】
導電性のグランドプレーン１６０２から離間して、内部導体である介挿導体１６０３がある。一実施形態において、導電性のグランドプレーン１６０２と介挿導体１６０３とは、互いに平行である。一実施形態において、グランドプレーン１６０２と介挿導体１６０３との間の距離は、０．１〜０．１５インチである。別の実施形態において、この距離は、λが動作周波数での進行波の波長である場合、λ／２であってもよい。
【０１２８】
グランドプレーン１６０２は、スペーサ１６０４を介して介挿導体１６０３から離間されている。一実施形態において、スペーサ１６０４は、発泡体または空気状のスペーサである。一実施形態において、スペーサ１６０４は、プラスチックのスペーサを含む。
【０１２９】
介挿導体１６０３の上部には、誘電体層１６０５がある。一実施形態において、誘電体層１６０５は、プラスチックである。誘電体層１６０５の目的は、進行波を自由空間速度に対して遅くすることである。一実施形態において、誘電体層１６０５は、進行波を自由空間に対して３０％遅くする。一実施形態において、自由空間が定義により１に等しい屈折率を有する場合、ビームフォーミングに適した屈折率の範囲は、１．２〜１．８である。たとえばプラスチックのような他の誘電体スペーサ材料は、この効果を達成するために使用される。所望波の減速効果が得られる限り、プラスチック以外の他の材料が使用されうることに留意されたい。あるいは、分布構造を有する材料は、たとえば機械で加工されうる、またはリソグラフィにより定義されうる周期的なサブ波長の金属構造のような誘電体１６０５として使用されうる。
【０１３０】
ＲＦアレイ１６０６は、誘電体１６０５の上部にある。一実施形態において、介挿導体１６０３とＲＦアレイ１６０６との間の距離は、０．１〜０．１５インチである。別の実施形態において、この距離は、λeffが設計上の周波数における媒体の有効波長である場合、λeff／２であってもよい。
【０１３１】
アンテナは、側面１６０７および１６０８を含む。側面１６０７および１６０８は、同軸ピン１６０１から給電された進行波を介挿導体１６０３（スペーサ層）の下の領域から介挿導体１６０３の上のエリア（誘電体層）に反射により伝搬させるように、角度付けられている。一実施形態において、側面１６０７および１６０８の角度は、４５°の角度である。別の実施形態において、側面１６０７および１６０８は、反射を達成するように連続した半径で置き換えられうる。図１０は４５度の角度を持つ側面を示しているが、下層の給電から高層の給電への信号伝送を実現する他の角度も使用されうる。つまり、下側の給電における有効波長が上側の給電における有効波長と一般に異なることを考えると、下側から上側の給電段への伝送を支援するために理想的な４５°の角度からのいくらかの偏差が利用されうる。例えば、別の実施形態において、４５°の角度は、単一の段差に置き換えられる。アンテナの一方端の段差は、誘電体層、介挿導体、およびスペーサ層の周囲を取り囲む。これらの層の多端には、同一の２つの段差がある。
【０１３２】
動作時において、給電波が同軸ピン１６０１から供給されると、その波は、グランドプレーン１６０２と介挿導体１６０３との間の領域で同軸ピン１６０１から同心状に外向きに進む。同心状の外向きの波は、側面１６０７および１６０８によって反射され、介挿導体１６０３とＲＦアレイ１６０６との間の領域を内側に進む。円周部の縁からの反射は、波を同相のままにする（すなわちこれは同相反射である）。進行波は、誘電体層１６０５によって減速される。この時点で、進行波は、所望の散乱を得るためにＲＦアレイ１６０６内の素子と相互作用および励起を始める。
【０１３３】
進行波を終わらせるため、終端１６０９は、アンテナの幾何学的中心においてアンテナに含まれる。一実施形態において、終端１６０９は、ピン終端（たとえば５０Ωピン）を含む。別の実施形態において、終端１６０９は、未使用エネルギーがアンテナの給電構造を介して反射するのを防止するために未使用エネルギーを終わらせるＲＦ吸収体を備える。これらは、ＲＦアレイ１６０６の上部で使用されうる。
【０１３４】
図１１は、外に向かう波を伴うアンテナシステムの別の実施形態を示す。図１１を参照すると、２つのグランドプレーン１６１０および１６１１は、これらのグランドプレーンの間にある誘電体層１６１２（たとえばプラスチック層など）とともに互いに実質的に平行になっている。ＲＦ吸収体１６１９（たとえば抵抗器）は、２つのグランドプレーン１６１０および１６１１を一体に結合する。同軸ピン１６１５（たとえば５０Ω）は、アンテナに給電する。ＲＦアレイ１６１６は、誘電体層１６１２およびグランドプレーン１６１１の上部にある。
【０１３５】
動作時において、給電波は、同軸ピン１６１５を介して供給され、同心状に外側に進み、ＲＦアレイ１６１６の素子と相互作用する。
【０１３６】
図１０および１１の両方のアンテナにおける円筒給電は、アンテナのサービス角を改善する。プラスまたはマイナス４５度の方位角（±４５°Ａｚ）およびプラスまたはマイナス２５度の仰角（±２５°Ｅｌ）に代えて、一実施形態では、本アンテナシステムが、ボアサイトから全方向に７５度（７５°）のサービス角を有する。多くの個別の放射器で構成されるビームフォーミングアンテナと同様に、全体的なアンテナゲインは、それ自体が角度に依存する構成素子のゲインに依存する。一般的な放射素子を使用する場合、全体的なアンテナゲインは、通常、ビームがボアサイトからさらに離れた方向を向くにつれて減少する。ボアサイトから７５度外れると、約６ｄＢの大幅なゲイン低下が予想される。
【０１３７】
円筒給電を有するアンテナの実施形態は、１以上の課題を解決する。これらは、集合的な分配ネットワークにより給電されるアンテナと比較して給電構造を劇的に簡素化することで必要なアンテナ数およびアンテナ給電量の総量を削減することと；（単純なバイナリ制御にまで拡張する）より粗い制御により高いビーム性能を維持することによって製造誤差および制御誤差に対する感度を低下させることと；円筒状に配向された給電波が遠方場で空間的に多様なサイドローブをもたらすということを理由として直線状の給電と比較してより有利なサイドローブパターンを与えることと；偏波器を必要とせずに左旋円偏波と右旋円偏波と直線偏波とを可能にすることを含む、偏波が動的になることを可能にすることと、が含まれる。
【０１３８】
＜波動散乱素子のアレイ＞
図１０のＲＦアレイ１６０６および図１１のＲＦアレイ１６１６は、放射器として作用する一群のパッチアンテナ（すなわち散乱体）を含む波動散乱サブシステムを含む。この一群のパッチアンテナは、散乱メタマテリアル素子のアレイを含む。
【０１３９】
一実施形態において、アンテナシステム内の各散乱素子は、下部導体と、誘電体基板と、エッチングまたは溶着された相補型電気的誘導性−容量性共振器（「相補型電気ＬＣ」または「ＣＥＬＣ」）を埋め込む上部導体と、からなるユニットセルの一部である。
【０１４０】
一実施形態において、液晶（ＬＣ）は、散乱素子の周りのギャップに注入される。液晶は、各ユニットセルにおいてカプセル化されており、スロットに関連付けられる下部導体を、そのパッチに関連付けられる上部導体から分離する。液晶は、液晶を含む分子の配向の関数である誘電率を有し、分子の配向（したがって誘電率）は、液晶の両端のバイアス電圧を調整することにより制御されうる。この特性を利用して、液晶は、導かれた波動からＣＥＬＣへのエネルギー伝達用のオン／オフスイッチとして作用する。オンに切り替わると、ＣＥＬＣは、電気的に小さいダイポールアンテナのように電磁波を放射する。
【０１４１】
ＬＣの厚みの制御は、ビーム切り替え速度を増加させる。下部導体と上部導体との間のギャップ（液晶の厚み）の５０パーセント（５０％）減は、速度の４倍増をもたらす。別の実施形態において、液晶の厚みは、約１４ミリ秒（１４ｍｓ）のビーム切り替え速度をもたらす。一実施形態において、ＬＣは、７ミリ秒（７ｍｓ）の要件を満たすことができるように、当技術分野において周知の方法でドープされる。
【０１４２】
ＣＥＬＣ素子は、ＣＥＬＣ素子の面に対して平行であるとともにＣＥＬＣギャップコンプリメントに対して直交する磁場に応答する。メタマテリアル散乱ユニットセルの液晶に電圧が印加されると、導かれた波動の磁場成分は、導かれた波動と同じ周波数の電磁波を次々に生成するＣＥＬＣの励磁を誘発する。
【０１４３】
単一のＣＥＬＣによって生成された電磁波の位相は、導かれた波動のベクトル上のＣＥＬＣの位置によって選択されうる。各セルは、ＣＥＬＣに対して平行な導かれた波動と同位相の波動を生成する。ＣＥＬＣが波長よりも小さいため、出力波は、ＣＥＬＣの下を通過するときの導かれた波動の位相と同じ位相を有する。
【０１４４】
一実施形態において、このアンテナシステムの円筒給電形状は、ＣＥＬＣ素子が波動給電における波動のベクトルに対して４５度（４５°）の角度で配置されることを可能にする。素子のこのような配置は、素子から生成されまたは素子によって受信される自由空間波の偏波の制御を可能にする。一実施形態において、ＣＥＬＣは、アンテナの動作周波数の自由空間波長よりも短い素子間間隔で配置される。たとえば、波長ごとに４つの散乱素子がある場合、３０ＧＨｚ送信アンテナの素子は、約２．５mm（つまり３０ＧＨｚの自由空間波長１０ｍｍの１／４）となる。
【０１４５】
一実施形態において、ＣＥＬＣは、２つの間に液晶を有するスロット上に同じ場所に配置されたパッチを含むパッチアンテナにより実装される。この点に関して、メタマテリアルアンテナは、スロットのある（散乱）導波路のように機能する。スロットのある導波路により、出力波の位相は、導かれた波動に関してスロットの位置に依存する。
【０１４６】
＜セルの配置＞
一実施形態において、アンテナ素子は、システマティックなマトリクス駆動回路を許容する方法で、円筒給電アンテナアパーチャに配置される。セルの配置は、マトリクス駆動用のトランジスタの配置を含む。図１２は、アンテナ素子に関するマトリックス駆動回路の配置の一実施形態を示す。図１２を参照すると、行コントローラ１７０１は、トランジスタ１７１１および１７１２に、それぞれ行選択信号Ｒｏｗ１およびＲｏｗ２を介して接続され、列コントローラ１７０２は、列選択信号Ｃｏｌｕｍｎ１を介してトランジスタ１７１１および１７１２に接続される。また、トランジスタ１７１１は、パッチへの接続１７３１を介してアンテナ素子１７２１に接続され、トランジスタ１７１２は、パッチへの接続１７３２を介してアンテナ素子１７２２に接続される。
【０１４７】
非規則的なグリッドに配置されるユニットセルを備えた円筒給電アンテナ上でマトリックス駆動回路を実現するための初期アプローチでは、２つのステップが実行される。第１のステップでは、セルが同心リング上に配置され、セルの傍に配置されるとともに各セルを個別に駆動するスイッチとして作用するトランジスタに各セルが接続される。第２のステップでは、全てのトランジスタを接続するために、マトリックス駆動アプローチが必要とする一意のアドレスを用いて、マトリックス駆動回路が構築される。マトリックス駆動回路は、（ＬＣＤと同様の）行および列のトレースにより構築されるが、セルは、リング上に配置されるので、各トランジスタに一意のアドレスを割り当てる体系的な方法はない。このマッピングの問題は、全てのトランジスタをカバーする非常に複雑な回路をもたらし、ルーティングを達成するための物理トレースの数の大幅な増加につながる。高いセルの密度のため、それらのトレースは、カップリング効果により、アンテナのＲＦ性能を妨害する。また、トレースの複雑さおよび高い集積密度のため、市販のレイアウトツールではトレースのルーティングを果たすことができない。
【０１４８】
一実施形態において、マトリックス駆動回路は、セルおよびトランジスタが配置される前に予め定義される。これは、それぞれに一意のアドレスを有する全てのセルを駆動するのに必要なトレースの数の最小化を保証する。この方針は、駆動回路の複雑さを軽減するとともにルーティングを簡素化し、これにより、アンテナのＲＦ性能を向上させる。
【０１４９】
より具体的に、一アプローチでは、第１のステップにおいて、セルは、各セルの一意のアドレスを記述する行および列で構成される規則的な長方形グリッドに配置される。第２のステップにおいて、セルは、グループ化され、第１のステップで定義されたアドレスと行および列への接続とを維持しながら同心円に変形される。この変形のゴールは、複数のセルをリング上に配置することだけでなく、セル間の距離とリング間の距離とをアパーチャ全体にわたって一定にすることである。このゴールを達成するために、セルをグループ化する方法がいくつかある。
【０１５０】
一実施形態において、ＴＦＴパッケージは、マトリックス駆動における配置および一意のアドレス指定を可能とするために使用される。図１３は、ＴＦＴパッケージの一実施形態を示す。図１３を参照すると、ＴＦＴおよび保持キャパシタ１８０３が入力ポートおよび出力ポートとともに示されている。行および列を併用してＴＦＴを接続するために、トレース１８０１に接続された２つの入力ポートと、トレース１８０２に接続された２つの出力ポートと、がある。一実施形態において、行トレースと列トレースとは、行および列トレースの間の結合を低減および潜在的に最小化するために、９０°の角度で交差する。一実施形態において、行および列トレースは、異なる層上にある。
【０１５１】
＜全二重通信システムの例＞
別の実施形態において、組み合わされたアンテナアパーチャは、全二重通信システムで使用される。図１４は、同時の送受信パスを有する通信システムの一実施形態のブロック図である。１つの送信パスと１つの受信パスのみが示されているが、通信システムは、複数の送信パスおよび／または複数の受信パスを含みうる。
【０１５２】
図１４を参照すると、アンテナ１４０１は、上述したように異なる周波数で同時に送受信するように独立して動作可能な空間的に交互に配置された２つのアンテナアレイを含む。一実施形態において、アンテナ１４０１は、ダイプレクサ１４４５に接続される。接続は、１以上の給電ネットワークによるものであってもよい。一実施形態において、放射給電アンテナの場合、ダイプレクサ１４４５は、２つの信号を組み合わせ、アンテナ１４０１とダイプレクサ１４４５との間の接続は、両方の周波数を搬送できる単一の広帯域給電ネットワークである。
【０１５３】
ダイプレクサ１４４５は、当技術分野で周知の方法によりノイズフィルタリング機能とダウンコンバージョンおよび増幅の機能とを実行するＬＮＢ（ｌｏｗ  ｎｏｉｓｅ  ｂｌｏｃｋ  ｄｏｗｎ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１４２７に接続される。一実施形態において、ＬＮＢ１４２７は、屋外ユニット（ＯＤＵ）内にある。別の実施形態において、ＬＮＢ１４２７は、アンテナ装置に統合される。ＬＮＢ１４２７は、コンピューティングシステム１４４０（たとえばコンピュータシステム、モデムなど）に接続されるモデム１４６０に接続される。
【０１５４】
モデム１４６０は、ダイプレクサ１４４５からの受信信号出力をデジタル形式に変換するようにＬＮＢ１４２７に接続されるＡＤＣ（ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１４２２を含む。デジタル形式に変換されると、信号は、受信波上の符号化されたデータを取得するために復調器１４２３で復調されるとともにデコーダ１４２４でデコードされる。そして、デコードされたデータは、それをコンピューティングシステム１４４０に送るコントローラ１４２５に送られる。
【０１５５】
また、モデム１４６０は、コンピューティングシステム１４４０から送信されるデータを符号化するエンコーダ１４３０を含む。符号化されたデータは、変調器１４３１によって変調され、その後、ＤＡＣ（ｄｉｇｉｔａｌ−ｔｏ−ａｎａｌｏｇ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１４３２によってアナログに変換される。そして、アナログ信号は、ＢＵＣ（アップコンバートおよびハイパス増幅器）１４３３によってフィルタリングされ、ダイプレクサ１４４５の１つのポートに提供される。一実施形態において、ＢＵＣ１４３３は、屋外ユニット（ＯＤＵ）内にある。
【０１５６】
当技術分野で周知の方法で動作するダイプレクサ１４４５は、送信信号をアンテナ１４０１に送信のために提供する。
【０１５７】
コントローラ１４５０は、単一の組み合わされた物理アパーチャ上にアンテナ素子の２つのアレイを含むアンテナ１４０１を制御する。
【０１５８】
通信システムは、上述した結合器／アービタを含むように変形しうる。このような場合、結合器／アービタは、モデムの後段で、ＢＵＣおよびＬＮＢの前段にある。
【０１５９】
図１４に示される全二重通信システムは、インターネット通信、車両通信（ソフトウェアアップデートを含む）などを含むがこれらには限定されないいくつかの用途を有することに留意されたい。
【０１６０】
ここに記載されるいくつかの例示的な実施形態が存在する。
【０１６１】
例１は、無線通信で使用するためのアンテナを含む車両がたどるルートに関連する外部情報を受信することと、前記車両が将来の時間に通過することが予想されるとともに第１の通信接続が利用できないことが予想される前記ルート上の場所に到達する前に前記第１の通信接続から第２の通信接続に先取り的に切り替えることと、を含む方法である。
【０１６２】
例２は、前記外部情報が、前記ルートに沿った交通状況、前記ルートに沿った気象状況、および前記ルートに沿った道路停止状況のうち１以上を含む、ということをオプション的に含みうる例１の方法である。
【０１６３】
例３は、前記車両が前記場所にあることが予想される時期を判定することを含めて、前記将来の時間における前記ルート上の前記場所において前記アンテナとの前記第１の通信接続が利用できることが予想されないと判定する、ということをオプション的に含みうる例１の方法である。
【０１６４】
例４は、前記将来の時間における前記ルート上の前記場所において前記アンテナとの前記第１の通信接続が利用できることが予想されないと判定することが、前記車両が前記場所にあった少なくとも１回の他の時間に関して前記車両により収集された障害情報と、１以上の他の車両が前記場所にあった少なくとも１回の他の時間に関して前記１以上の他の車両により収集された障害情報と、前記場所に関して取得されたその他の障害情報と、のうち１以上に基づく、ということをオプション的に含みうる例３の方法である。
【０１６５】
例５は、前記車両が前記場所にあることが予想される時期を判定することが、前記車両の速度と、進行方向と、外部情報の一部と、のうちの１つまたは複数に基づく、ということをオプション的に含みうる例３の方法である。
【０１６６】
例６は、前記第１の接続が衛星接続であるとともに前記第２の接続が地上ネットワーク接続である、ということをオプション的に含みうる例１の方法である。
【０１６７】
例７は、前記第２の接続が、前記第１の接続からの切り替えの前にセットアップされる、ということをオプション的に含みうる例１の方法である。
【０１６８】
例８は、前記第１の通信接続から第２の通信接続に先取り的に切り替えることが、前記第１の通信接続から前記第２の通信接続へのセッションのハンドオフを実行することを含む、ということをオプション的に含みうる例１の方法である。
【０１６９】
例９は、前記第１の通信接続から前記第２の通信接続に先取り的に切り替えることが、切り替えのために利用可能な、前記第２の接続を含む複数の接続を判定することと、前記複数の接続から前記第２の接続を選択することと、を含む、ということをオプション的に含みうる例１の方法である。
【０１７０】
例１０は、前記複数の接続から前記第２の接続を選択することが、ユーザの選択、接続コスト、接続の信頼性、およびデータの転送速度のうちの１つ以上に基づく、ということをオプション的に含みうる例９の方法である。
【０１７１】
例１１は、車両障害情報と、進行方向と、現在の位置および時刻に関する情報と、を前記車両により取得し、前記第１の通信接続から前記第２の通信接続に先取り的に切り替えることが、取得した情報に基づく、ということをオプション的に含みうる例１の方法である。
【０１７２】
例１２は、前記車両の乗員に１以上の通知を提供するユーザインターフェースを表示する、ということをオプション的に含みうる例１の方法である。
【０１７３】
例１３は、前記１以上の通知が、前記ルートに沿ったリアルタイム通信の利用可能性に関連する情報と、前記リアルタイム通信の前記利用可能性がオープンになったままの時間の量の標示と、リアルタイム通信利用可能性を用いて取得されうる１以上の代替車両ルートを示す情報と、継続的な通信接続を用いて車両を停止するための前記ルートに沿った１以上のエリアを指定する情報と、衛星通信を利用できるエリアを指定する情報と、車両が通信接続を維持できる時間またはそのような通信接続が得られるようになるまでの時間の量を指定する情報と、を含む、ということをオプション的に含みうる例１２の方法である。
【０１７４】
例１４は、通信ウィンドウが発生するまで通信を保持するための接続システムへの通知と、前記車両に送信されるメッセージに関する優先順位付けと、通信を代替通信接続に切り替えるためのコマンドと、のうち１以上を前記車両により前記接続システムに無線で送信することを含む、ということをオプション的に含みうる例１の方法である。
【０１７５】
例１５は、車両の衛星アンテナと、前記車両がたどるルートに関連する外部情報を受信する受信機と、前記車両が将来の時間において通過することが予想される前記ルート上の場所において第１の通信接続が利用できないことが予想される時期を予測するように前記外部情報を含むデータを分析するサブシステムと、前記ルート上の前記場所に到達する前に前記車両の通信を前記第１の通信接続から第２の通信接続に先取り的に切り替えるように前記サブシステムおよび前記衛星に接続されるコントローラと、を含む、データルーティングを制御するためのシステムである。
【０１７６】
例１６は、前記第１の接続が衛星接続であるとともに前記第２の接続が地上ネットワーク接続であり、前記コントローラが前記サブシステムからの情報に基づいて切り替えをするように前記サブシステムが動作可能である、ということをオプション的に含みうる例１５のシステムである。
【０１７７】
例１７は、前記外部情報が、前記ルートに沿った交通状況、前記ルートに沿った気象状況、およびルートに沿った道路停止状況のうちの１以上を含む、ということをオプション的に含みうる例１５のシステムである。
【０１７８】
例１８は、前記サブシステムが、前記将来の時間における前記ルート上の前記場所において前記衛星アンテナを使用した通信が利用できることが予想されないと判定するように動作可能であり、かつ前記車両が前記場所にあることが予想される時期を判定するように動作可能である、ということをオプション的に含みうる例１５のシステムである。
【０１７９】
例１９は、前記サブシステムが、前記車両が前記場所にあった少なくとも１回の他の時間に関して前記車両により収集された障害情報と、１以上の他の車両が前記場所にあった少なくとも１回の他の時間に関して前記１以上の他の車両により収集された障害情報と、前記場所に関して取得されたその他の障害情報と、のうち１以上に基づいて、前記ルート上の前記場所において前記衛星アンテナを使用した通信が利用できることが予想されないと決定するように動作可能である、ということをオプション的に含みうる例１８のシステムである。
【０１８０】
例２０は、前記サブシステムが、前記車両の速度および前記外部情報の一部のうち１以上に基づいて前記車両が前記場所にあることが予想される時期を判定するように動作可能である、ということをオプション的に含みうる例１８のシステムである。
【０１８１】
例２１は、前記コントローラが、前記第１の通信接続から前記第２の通信接続に先取り的に切り替える場合に、前記第１の通信接続から前記第２の通信接続へのセッションのハンドオフを実行するように動作可能である、ということをオプション的に含みうる例１５のシステムである。
【０１８２】
例２２は、前記コントローラが、ユーザの選択、接続コスト、接続の信頼性、およびデータの転送速度のうちの１以上に基づいて、複数の接続から前記第２の接続を選択するように動作可能である、ということをオプション的に含みうる例１５のシステムである。
【０１８３】
例２３は、前記車両の乗員に１以上の通知を提供するユーザインターフェースを表示するように前記コントローラに接続されたディスプレイ、をオプション的に含みうる例１５のシステムである。
【０１８４】
例２４は、前記１以上の通知が、前記ルートに沿ったリアルタイム通信の利用可能性に関連する情報と、前記リアルタイム通信の前記利用可能性がオープンになったままの時間の量の標示と、リアルタイム通信利用可能性を用いて取得されうる１以上の代替車両ルートを示す情報と、継続的な通信接続を用いて車両を停止するための前記ルートに沿った１以上のエリアを指定する情報と、衛星通信を利用できるエリアを指定する情報と、車両が通信接続を維持できる時間またはそのような通信接続が得られるようになるまでの時間の量を指定する情報と、を含む、ということをオプション的に含む例２３のシステムである。
【０１８５】
例２５は、インストラクションのシーケンスを表すデータが記憶された非一時的なコンピュータで読み取り可能な記憶媒体であって、前記インストラクションが、システムにより実行されたとき、無線通信に使用するアンテナを含む車両がたどるルートに関連する外部情報を受信することと、前記車両が将来の時間に通過することが予想されるとともに第１の通信接続が利用できないことが予想される前記ルート上の場所に前記車両が到達する前に前記第１の通信接続から第２の通信接続に先取り的に切り替えることと、を前記システムに実行させる、非一時的なコンピュータで読み取り可能な記憶媒体である。
【０１８６】
例２６は、前記外部情報が、前記ルートに沿った交通状況、前記ルートに沿った気象状況、および前記ルートに沿った道路停止状況のうちの１以上を含む、ということをオプション的に含みうる例２５の媒体である。
【０１８７】
例２７は、前記車両が前記場所にあることが予想される時期を判定することを含めて、前記将来の時間における前記ルート上の前記場所において前記アンテナとの前記第１の通信接続が利用できることが予想されないと判定することをさらに含む前記方法、をオプション的に含みうる例２５の媒体である。
【０１８８】
実施例２８は、前記将来の時間における前記ルート上の前記場所において前記アンテナとの前記第１の通信接続が利用できることが予想されないと判定することが、前記車両が前記場所にあった少なくとも１回の他の時間に関して前記車両により収集された障害情報と、１以上の他の車両が前記場所にあった少なくとも１回の他の時間に関して前記１以上の他の車両により収集された障害情報と、前記場所に関して取得されたその他の障害情報と、のうち１以上に基づく、ということをオプション的に含みうる例２７の媒体である。
【０１８９】
上述した詳細な説明のいくつかの部分は、コンピュータメモリ内のデータビットに対する操作のアルゴリズムおよび記号表現の観点から記載されている。これらのアルゴリズムの説明および表現は、データ処理分野の当業者が自身の仕事の内容を他の当業者に最も効果的に伝えるために使用する手段である。アルゴリズムとは、ここでは、および一般的に、所望の結果につながる自己矛盾のない一連のステップであると考えられている。ステップは、物理量の物理的な操作を必要とする。必ずではないが、通常、これらの量は、保存、転送、結合、比較、その他の操作が可能な電気的または磁気的な信号の形式をとる。主に一般的な使用上の理由から、これらの信号を、ビット、値、要素、シンボル、文字、用語、数字などと呼ぶと便利な場合がある。
【０１９０】
しかしながら、これらのおよび類似の用語の全ては、適切な物理量に関連付けられるべきであり、これらの量に適用される便利なラベルにすぎないという点に留意すべきである。特に記載がない限り以下の議論から明らかなように、説明全体を通して、「処理する（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」または「計算する（ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）」または「算出する（ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ）」または「判定する（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ）」または「表示する（ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ）」などのような用語を利用した議論は、コンピュータシステムのレジスタおよびメモリ内の物理（電子）量として表されるデータを、コンピュータシステムのメモリまたはレジスタまたは他のそのような情報ストレージ、送信または表示デバイス内の物理量として同様に表される他のデータに操作および変換するコンピュータシステムまたは類似のコンピューティングデバイスの作用および処理を意味する。
【０１９１】
また、本発明は、ここに記載された動作を実行するための装置にも関する。この装置は、必要な目的のために特別に構築されてもよく、またはコンピュータに格納されたコンピュータプログラムによって選択的に起動されまたは再構成された汎用コンピュータであってもよい。このようなコンピュータプログラムは、コンピュータシステムのバスに接続された、フロッピーディスク、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、および光磁気ディスクを含む任意の種類のディスク、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気または光カード、または電子命令を保存するのに適した任意の種類の媒体のような、ただしこれらには限定されない、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納されうる。
【０１９２】
ここに提示されるアルゴリズムおよび表示は、特定のコンピュータまたは他の装置に本質的に関連するものではない。様々な汎用システムは、本明細書の教示にしたがったプログラムとともに使用されてもよく、または、必要な方法ステップを実行するためにより専用的な装置を構築することが便利であることが明らかな場合もある。これらの様々なシステムに必要な構造は、以下の記載から明らかとなる。さらに、本発明は、特定のプログラミング言語との関係で記載されていない。ここに記載される本発明の教示を実施するためにさまざまなプログラミング言語を使用できることは理解されよう。
【０１９３】
マシン読み取り可能な媒体は、マシン（たとえばコンピュータ）によって読み取り可能な形式で情報を格納または送信するための任意のメカニズムを含む。たとえば、マシン読み取り可能な媒体は、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、磁気ディスク記憶媒体、光学記憶媒体、フラッシュメモリデバイスなどを含む。
【０１９４】
以上の説明を読んだ当業者にとって本発明の多くの変更例および変形例は疑いなく明らかになっているが、例示により示されたおよび説明された特定の実施形態のいずれも限定と見なされることが全く意図されていないことは理解されるべきである。したがって、様々な実施形態の詳細への言及は、それ自体が本発明に不可欠であると考えられる特徴のみを列挙する特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。
【図１】
2021530162.tif 000003
【図２】
2021530162.tif 000004
【図３】
2021530162.tif 000005
【図４】
2021530162.tif 000006
【図５Ａ】
2021530162.tif 000007
【図５Ｂ】
2021530162.tif 000008
【図６】
2021530162.tif 000009
【図７】
2021530162.tif 000010
【図８Ａ】
2021530162.tif 000011
【図８Ｂ】
2021530162.tif 000012
【図９Ａ−Ｄ】
2021530162.tif 000013
【図１０】
2021530162.tif 000014
【図１１】
2021530162.tif 000015
【図１２】
2021530162.tif 000016
【図１３】
2021530162.tif 000017
【図１４】
2021530162.tif 000018
【国際調査報告】
2021530162.tif 000019
2021530162.tif 000020