(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを含む地上のサービス領域に位置する複数のデバイスに通信を提供するシステムであって、
該システムは、前記サービス領域の上を飛行する航空機を含み、該航空機がアンテナセクションを持った浮遊スイッチングノードを有し、
前記浮遊スイッチングノードは、
前記アンテナセクションを介して、それぞれ前記サービス領域内における対応するセルに向けられた互いに異なる方向に指向性を有する複数の指向性ビームを送信し、
地上に対する前記航空機の移動に伴う補償を含み、前記航空機に対する前記指向性ビームの方向を調整し、
前記アンテナセクションを介して、複数の固定ビームを、飛行機の移動に伴い各固定ビームがそれぞれ前記複数のセルを横切ってサービス領域をトレースするように送信し、
前記アンテナセクションを介して、前記サービス領域に位置する複数のデバイスによって送信された各信号を受信して、その受信した各信号を、その信号を送信したデバイス以外の他のデバイスのいずれか１つに直接送信するシステム。
【請求項２】
前記浮遊スイッチングノードが、前記航空機に対する前記指向性ビームの調整を容易にするために前記浮遊スイッチングノードの制御のもとで前記航空機に対する前記アンテナセクションの方向を機械的に調整するアダプターをさらに有する請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記アダプターは、ほぼ水平に伸びている少なくとも１つの軸について前記航空機に対する前記アンテナセクションの傾きを変える請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記アダプターは、ほぼ垂直な軸について前記航空機に対して前記アンテナセクションを回転させる請求項２記載のシステム。
【請求項５】
前記アダプターが前記アンテナセクションを、前記アンテナセクションのコンパス方向を実質的に一定に維持するように回転する請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記アンテナセクションが、電気的に前記指向性ビームの方向を調整する少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナを含む請求項２記載のシステム。
【請求項７】
前記アンテナセクションが、電気的に前記指向性ビームの方向を調整する少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナを含む請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記アンテナセクションが、
それぞれ前記サービス領域内における前記セルの各サブセットの中の前記デバイスに関連づけられ、該デバイスを取り扱う複数のアンテナ部を有する請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記各アンテナ部は、送信アンテナと受信アンテナを含む請求項４記載のシステム。
【請求項１０】
前記アンテナセクションは、その周りを囲んでいる傾斜した周縁部を有する中央セクションを有するプラットフォームを含み、前記アンテナ部の１つは前記中央セクション上に設けられており、他のアンテナ部は前記傾斜した周縁部に設けられている請求項４記載のシステム。
【請求項１１】
前記中央セクションに設けられた前記アンテナ部が、サービスエリアの中央のセルに前記指向性ビームを指向し、前記傾斜した周縁部に設けられた前記アンテナ部が、前記サービス領域の中央を囲んでいるセルの各組に指向性ビームを指向する請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記浮遊スイッチングノードは、
前記サービス領域内のデバイスの中の第１のデバイスから前記アンテナセクションを介してパケットデータを受信し、前記サービス領域内のデバイスの中の第２のデバイスに送信するために前記パケットデータを前記アンテナセクションに導くパケットスイッチを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記浮遊スイッチングノードは、前記指向性ビームと前記セルの間の関連を記憶するメモリと、
パケットデータを前記アンテナセクションを介して前記セルの１つに位置する前記デバイスの中の第１のデバイスから受信し、前記メモリにアクセスして、前記セルの１つに位置する前記デバイスの中の第２のデバイスに関連する目的地ビームを決定し、および、前記パケットデータを前記目的地ビームを使用している前記第２のデバイスに送信するために前記アンテナセクションに導くパケットスイッチとを含み、
前記浮遊スイッチングノードがセル間のビームのハンドオフを実行する際に前記メモリ内の前記関連を更新する請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記デバイスが、
複数の第１周波数バンドのうちの１つを使用して前記浮遊スイッチングノードと通信する複数の加入者デバイスと、
前記第１周波数バンドとは異なる第２周波数バンドを使用して前記浮遊スイッチングノードと通信するゲートウェイデバイスとを有する請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記アンテナセクションは、
フェーズアレイ技術を用いて加入者デバイスとの通信を容易にする第１ポーションと、
前記第１ポーションと分離されていて、他のフェーズアレイ技術を用いてゲートウェイデバイスとの通信を容易にする第２ポーションとを含む請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記浮遊スイッチングノードが、地面設置通信のために設計された周波数バンドを使用して前記デバイスと通信する請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記浮遊スイッチングノードがさらにパイロット信号を送信するパイロット送信器を有し、
前記デバイスの少なくとも１つが、
前記パイロット信号を受信するためのアンテナと、
前記パイロット信号に応答して前記浮遊スイッチングノードで前記アンテナをポイントに位置決めするアンテナトラッカーとを有する請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記アンテナセクションは、前記複数の指向性ビームの同時送信を容易にする請求項１記載のシステム。
【請求項１９】
前記浮遊スイッチングノードがサテライトと通信する請求項１に記載の浮遊スイッチングノード。
【請求項２０】
別のサービス領域にある複数の別のデバイスと通信する別の浮遊スイッチングノードを持った別の航空機を含み、前記浮遊スイッチングノードが互いに通信する請求項１記載のシステム。
【請求項２１】
地上のサービス領域内に位置する複数のデバイスと通信するシステムであって、
前記サービス領域の上を飛行する航空機を含み、該航空機がアンテナセクションを持った浮遊スイッチングノードを有し、
前記浮遊スイッチングノードは、
前記アンテナセクションを介して前記サービス領域に、それぞれ異なる方向の複数の指向性ビームをその各指向性ビームが前記サービス領域のそれぞれのセルに関係付けられるように送信し、
前記アンテナセクションを介して、複数の固定ビームを、飛行機の移動に伴い各固定ビームがそれぞれ前記サービス領域の複数のセルを横切って当該サービス領域をトレースするように送信し、
前記航空機の地上に対する移動を補償する必要に応じて、前記各デバイスが前記サービス領域内で位置するところのセルに、いずれかの指向性又は固定ビームから他のいずれかの指向性又は固定ビームにハンドオフし、
前記アンテナセクションを介して、前記サービス領域に配置された複数のデバイスによって送信された各信号を受信して、前記指向性及び固定ビームの１つに関して受信した各信号を、信号を送信したデバイス以外の他のデバイスの１つに送信するシステム。
【請求項２２】
前記アンテナセクションがフェーズドアレイ技術を含み、電気的に前記指向性ビームをそれぞれの方向に指向する請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
浮遊スイッチングノードが、前記スイッチが前記アンテナセクションを介して前記サービス領域のデバイスの中の第１のデバイスからパケットデータを受信し、そのパケットデータを前記サービス領域のデバイスの中の第２のデバイスへ送信のために前記アンテナセクションに前記パケットデータを導くパケットスイッチを有する請求項２１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記浮遊スイッチングノードが、
前記指向性及び固定ビームと前記デバイスが位置するところのセル間の関係を記憶するメモリを含み、指向性及び固定ビーム間のセルのハンドオフを行い前記浮遊スイッチングノードが前記メモリの中の前記関係を更新し、
パケットデータを前記アンテナセクションを介して前記デバイスの中の第１のデバイスから受信し、前記メモリにアクセスして前記デバイスの中の第２のデバイスに関連する目的地の指向性又は固定ビームを決定し、該目的地の指向性又は固定ビームを使用して前記パケットデータを前記第２のデバイスに送信するために前記アンテナセクションに導くパケットスイッチを含む請求項２１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記浮遊スイッチングノードが地面設置通信のために設計された周波数バンドを使用してデータを前記デバイスと通信する請求項２１に記載のシステム。
【請求項２６】
前記浮遊スイッチングノードは、パイロット信号を送信し、地面設置のアンテナトラッキングを可能にするパイロット送信器をさらに有する請求項２１に記載のシステム。
【請求項２７】
前記アンテナセクションは、複数のアンテナ部を含み、
中央から周りに伸びる角のある傾斜した周縁部を持つ中央セクションを有するプラットフォームを含み、
前記中央セクションは、その上に、前記サービス領域の中央部分との通信を容易にする前記アンテナ部の１つを含み、
前記傾斜した周縁部は、前記中央部分の周りに配置されたサービス領域の各部分との通信を容易にする複数のアンテナ部を持っている請求項２１記載のシステム。
【請求項２８】
前記アンテナ部は、送信アンテナと受信アンテナを含む請求項２７のシステム。
【請求項２９】
前記アンテナセクションは、複数の指向性ビームを同時に送信する請求項２１記載のシステム。
【請求項３０】
前記浮遊スイッチングノードは、サテライトと通信する請求項２１記載のシステム。
【請求項３１】
別のサービス領域にある複数の別のデバイスと通信する別の浮遊スイッチングノードを持った別の航空機を含み、前記浮遊スイッチングノードが互いに通信する請求項２１記載のシステム。
【請求項３２】
前記浮遊スイッチングノードが、前記航空機に対する前記指向性ビームの調整を容易にするために前記浮遊スイッチングノードの制御のもとで前記航空機に対する前記アンテナセクションの方向を機械的に調整するアダプタをさらに含む請求項２１記載のシステム。
【請求項３３】
前記デバイスが、
複数の第１周波数バンドのうちの１つを使用して前記浮遊スイッチングノードと通信する複数の加入者デバイスと、
前記第１周波数バンドとは異なる第２周波数バンドを使用して前記浮遊スイッチングノードと通信するゲートウェイデバイスとを含み、
前記アンテナセクションは、
フェーズアレイ技術を用いて加入者デバイスとの通信を容易にする第１ポーションと、
前記第１ポーションと分離されていて、他のフェーズアレイ技術を用いてゲートウェイデバイスとの通信を容易にする第２ポーションとを含む、
請求項２１に記載のシステム。
【請求項３４】
複数のセルを含む地上のサービス領域に位置する複数のデバイスと通信する方法であって、
前記サービス領域の上に、アンテナセクションを含む浮遊スイッチングノードを有する航空機を飛行させることと、
前記アンテナセクションを介してそれぞれ異なる方向の複数の指向性ビームを、各指向性ビームが前記サービス領域内の対応する各セルにそれぞれ到達するように前記サービス領域に送信することと、
地上に対する前記航空機の移動に伴う補償を含み、前記航空機に対して前記指向性ビームの方向を調整することと、
前記アンテナセクションを介して、前記サービス領域に複数の固定ビームを、飛行機の移動に伴い各固定ビームがそれぞれ前記複数のセルを横切ってサービス領域をトレースするように送信し、
前記アンテナセクションを介して、前記サービス領域に配置された複数のデバイスによって送信された各信号を受信して、その受信した各信号を送信したデバイス以外の他のデバイスのいずれか１つに直接送信することとを含む方法。
【請求項３５】
前記調整することが、前記航空機に対する前記指向性ビームの方向を電気的に調整するステップを含む請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記調整することが、前記航空機に対する前記指向性ビーム方向を調整するために、前記アンテナセクションの方向を、前記航空機に対して機械的に調整するステップを含む請求項３４の方法。
【請求項３７】
前記機械的に調整するステップが、実質的に前記アンテナセクションのコンパス方向を一定に維持するために前記アンテナセクションを前記航空機に対して回転するステップを含む請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記浮遊スイッチングノードは、前記ビームと前記セル間の関係を記憶しているメモリを含んでおり、
セル間のビームのハンドオフを行う際に前記メモリ内の前記関係を更新するステップを含む請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
地面設置の通信のために設計される周波数バンドを使用して前記アンテナセクションに前記デバイスと通信させるステップを含む請求項３４に記載の方法。
【請求項４０】
地面設置のアンテナトラッキングを可能にするためにパイロット信号を前記アンテナセクションに送信させるステップをさらに含む請求項３４に記載の方法。
【請求項４１】
前記デバイスが複数の加入者デバイスとゲートウェイデバイスを含んでいる請求項３４記載の方法であって、
前記加入者デバイスにそれぞれ、複数の第１周波数帯の１つを使用して前記浮遊スイッチングノードと通信させ、
前記ゲートウェイデバイスに、前記第１周波数帯とは異なる第２周波数帯を使用して前記浮遊スイッチングノードと通信させる方法。
【請求項４２】
前記アンテナセクションに、複数の指向性ビームの同時送信を促進させるステップを含む請求項３４記載の方法。
【請求項４３】
地上のサービス領域にある複数のデバイスと通信する方法であって、
前記サービス領域の上に、アンテナセクションを含む浮遊スイッチングノードを有する航空機を飛ばすことと、
前記アンテナセクションを介して前記サービス領域に、それぞれ異なる方向の複数の指向性ビームをその各指向性ビームが前記サービス領域のそれぞれのセルに関係付けられるように送信することと、
前記アンテナセクションを介して、複数の固定ビームを、飛行機の移動に伴い各固定ビームがそれぞれ前記サービス領域の複数のセルを横切って当該サービス領域をトレースするように送信し、
前記航空機の地上に対する移動を補償する必要に応じて、前記各デバイスが前記サービス領域内で位置するところのセルにいずれかの指向性又は固定ビームから他のいずれかの指向性又は固定ビームにハンドオフし、
前記アンテナセクションを介して、前記サービス領域に配置された複数のデバイスによって送信された各信号を受信して、前記指向性及び固定ビームの１つに関して受信した各信号を信号が受信されたデバイス以外の他のデバイスの１つに送信することとを含む方法。
【請求項４４】
前記アンテナセクションはフェーズドアレイ技術を含み、前記指向性ビームを電気的にそれぞれの方向に向けるステップを含む請求項４３記載の方法。
【請求項４５】
前記浮遊スイッチングノードは、指向性及び固定ビームとデバイス間の関係を記憶しているメモリを含み、
前記メモリ内の前記関係を指向性及び固定ビーム間のセルのハンドオフを実行する際に前記関係を更新するステップを含む請求項４３記載の方法。
【請求項４６】
前記浮遊スイッチングノードに、地上設置通信用に設計された周波数帯を用いて前記デバイスと通信させるステップを含む請求項４３記載の方法。
【請求項４７】
前記アンテナセクションに地上設置アンテナトラッキングを可能にするパイロット信号を送信させる請求項４３記載の方法。
【請求項４８】
前記アンテナセクションに複数の指向性ビームを同時送信させる請求項４３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、ワイヤレス通信に関し、さらに詳しくは、浮遊スイッチングノードを用いたワイヤレス通信に関する。
【０００２】
（背景技術）
情報化時代の現代において、増大するユーザの要求を満たし得る接続性および容量を提供可能な通信システムが必要とされている。リモートコンピューティング、インターネット検索、マルチメディア通信等のデータインテンシブな応用が、既存の通信基盤に顕著な歪みを与えている。公共交換電話ネットワーク（ＰＳＴＮ）、長距離運搬データネットワーク、そして、他の開発された有線及びワイヤレスネットワークでは、これらの要求を満たすことはできない。
【０００３】
接続性と容量を増加させる一つの方法は、既存の地上の基盤施設を更新することである。新しい地上システムには、個人通信サービス（ＰＣＳ）周波数帯におけるワイヤレスデータサービス、ケーブルテレビ用に取り付けられた同軸ケーブルによるデータ転送、又は、テレホンネットワーク用のより線対によるデジタル加入者回線サービスの組合せがある。これらの地上の解決手段は、サービスを提供する前に基盤施設の準備と取り付けのために多くの時間を必要とするのみならず、破壊、雷、仮交換、周波数の再割り当て、高周波装置の再調整のための装置の維持管理に多大なコストを必要とする。また、地上の解決手段には、地形や建物からの干渉散乱により引起されるレイリー損失の問題があるため、受信信号強度の大きな変動を補償するために高いダイナミックレンジを有し高性能の装置が必要となる。
【０００４】
接続性と容量を増加させる別の方法として、静止軌道（ＧＥＯ）及び低高度軌道（ＬＥＯ）での衛星ベースの基盤施設を更新することがある。地上システムのように、衛星システムは、完全に展開するのに、特に、大きな星座ＬＥＯシステムに展開するのには何年も要する。また、衛星システムは、維持管理するのも更新するのにも多大なコストがかかる。その結果、衛星システムは過酷な放射環境においても確実に作動するように設計された証明された通信技術を含むので、システムのコストを増大させ、そして、システムの容量を減少させる。
【０００５】
衛星システムは、また、重量や電力容量が制限されるので、密集地域に提供するために必要な回路密度を提供することができない。
【０００６】
（本発明の要旨）
本発明によると、以前に開発された通信システムおよび方法に関連する欠点または問題を実質的に除去または低減する通信システムおよび方法が提供される。特に本発明は浮遊スイッチングノードを使用するワイヤレス通信を提供する。
【０００７】
本発明のある実施形態においては、多数のセルを有するサービス領域への通信を提供するためのシステムが、サービス領域上を飛行する航空機を有する。航空機に結合された浮遊スイッチングノードは、複数のビームをサービス領域内のセルへと電気的に指向するフェイズドアレーアンテナを有する。浮遊スイッチングノードは、第１セルから第２セル（または同じセル内の異なる加入者に）に送信するためのアンテナに受信されたデータに結合するスイッチも有する。サービス領域のセル内に配置された多数の装置は、浮遊スイッチングノードでデータを通信する。
【０００８】
本発明の他の実施の形態において、多数のセルを有するサービス領域に通信を提供するために航空機上に設けられた浮遊スイッチングノードは、多数のビームをサービス領域内のセルへと電気的に指向するフェイズドアレーアンテナを有する。スイッチは、第１セルから第２セルに送信するためのアンテナに受信されたデータを結合する。ペイロードアダプタは、ビームをサービス領域のセルに指向するために、航空機の移動に応答してアンテナの向きを機械的に調整する。
【０００９】
本発明のさらに他の実施形態においては、装置は航空機上に設けられた浮遊スイッチングノードと通信する。浮遊スイッチングノードは、電気的にビームを装置を含むセルに指向するフェイズドアレーアンテナを有する。装置はアンテナを有し、ビーム内において通信されるパケットデータとアンテナに結合されるＲＦユニットとを受信する。装置はさらに、パケットデータ引き出すためにＲＦユニットに結合されるネットワークインターフェイスユニットと、パケットデータを処理するためにネットワークインターフェイスユニットに結合される情報機器とを有する。
【００１０】
本発明の技術的効果は、サービス領域上の高い高度（例えば５２,０００〜６０,０００フィート）で軌道を描いて回っている航空機によって運ばれる浮遊スイッチングノード（ＡＳＮ）を有する。ＡＳＮは、サービス領域のセル内に設けられた加入者装置およびゲートウェイ装置のような地面設置（ｇｒｏｕｎｄ−ｂａｓｅｄ）装置に通信サービスを提供する。加入者装置は、広帯域および狭帯域レートで音声と映像とデータとを処理および通信するカスタマ建物内装置（ＣＰＥ）とビジネス建物内装置（ＢＰＥ）とを有する。ゲートウェイ装置は、ＡＳＮを公共の交換電話ネットワーク（ＰＳＴＮ）、インターネットサービスプロバイダ（ＩＳＰｓ）、ケーブルまたはビデオサービスプロバイダ、またはＡＳＮのサービス領域内または領域外のその他のネットワークにリンクするために作動する。
【００１１】
本発明の他の重要な技術的効果は、ＡＳＮが、サービス領域内のあらかじめ定義された地理的セルにビームを電気的に指向するフェイズドアレーアンテナを有することである。フェイズドアレーアンテナは、選択されたセル上にビームを維持するかまたは、サービス領域上をＡＳＮが軌道にのって回っているときに頻繁にセル間のビームハンドオフを提供する。特定の実施の形態において、ＡＳＮは、ビームと、サービスされたセルと、このメモリにアクセスしてビームのハンドオフを補償するパケットスイッチとの間の関連を記憶するメモリを有する。フェイズドアレーアンテナを使用して操る電子ビームに加えて、ＡＳＮは、アンテナの向きを機械的に調整してビームをサービス領域内のセルに指向するアダプタもまた含み得る。
【００１２】
ＡＳＮは、アンテナタワー、セルサイトビルディング、およびセルサイトランドのような陸上システムと関連するベースステーション装置および設備の必要性を排除する。特定の実施形態において、地面設置装置とＡＳＮとの間のリンクは、約２０度の最小の見通し線（ＬＯＳ）を有し、陸上システムからのインターフェアレンスを最小にする。特定の実施形態においてＡＳＮ通信と他の陸上システムとの隔離は十分であり、ローカルマルチポイント分配サービス（ＬＭＤＳ）周波数バンドのような設計された陸上の周波数が再利用可能である。ＡＳＮはまた、ゲートウェイ装置の使用により、重要な「バックホール」インフラストラクチャーを排除し、ＰＳＴＮ、ＩＳＰｓおよび他のネットワークインターフェイスへの直接のアクセスを提供する。ＡＳＮはまた、サテライトシステムと比較して高パワー、増大したペイロードキャパシティ、複雑なサーマルマネージメントシステムおよび増大した加入者密度から利益を得る。
【００１３】
本発明はまた迅速に展開可能でかつ柔軟性のある技術を提供し、高人口領域で十分な回路密度を有するモジュール式かつスケーラブルな通信サービスを提供する。あるアプリケーションは、緊急または軍事用のＡＳＮベースの通信ネットワークを迅速に配置および配備する。航空機隊（例えば８時間シフトの３つの航空機）は通信を提供するので、各航空機および関連するＡＳＮは、より軽く安価で早いデジタル通信技術を組み込むための連続的なサービス、変更および更新から利益を得る。また、航空機は高い高度で作動するので、ＡＳＮは、低減衰、高周波数、サテライトへのＬＯＳ通信リンクまたは他のＡＳＮサービス近傍領域をサポートする。その他の技術的な効果は、以下の図面、説明および請求範囲により、当業者にすみやかに明らかにされる。
【００１４】
（発明を実施するための最良の形態）
図１は、サービス領域１６に配置された種々の地面設置デバイスに通信サービスを提供するための浮遊（ａｉｒｂｏｒｎｅ）スイッチングノード（ＡＳＮ）１４を搭載した航空機１２を含む通信システムを示す。地面設置デバイスは、ゲートウェイのデバイスのみならず、カスタマ建物内装置（ＣＰＥ）１８やビジネス建物内装置（ＢＰＥ）２０のような加入者デバイスを含む。一般に、ＡＳＮ１４は、サービス領域１６における種々のデバイス間の無線による広帯域及び／又は狭帯域の通信を可能とする。
【００１５】
高揚力の、複合材料からなる航空機１２は、サービス領域１６の上空の所定の軌道３０をＡＳＮ１４を運んで飛行する。軌道３０は、円、楕円、８の字、又は、ＡＳＮ１４をサービス領域の上空に維持できる他の適当な軌道であれば良い。高い高度を長時間巡回することにより、航空機１２は、無線のセル状通信ネットワークが可能となるＡＳＮ１４用の安定なプラットホームを提供する。実施例においては、航空機１２は、５２０００〜６００００フィートの高度で、直径約５から８マイルの円を飛行することにより、ステーションを維持している。３機の航空機１２が交替で８時間ずつ飛行することにより、サービス領域１６では１日２４時間、1週間７日の間、連続して通信可能となる。
【００１６】
航空機１２と結合されたＡＳＮ１４は、周波数２０ＧＨｚ以上のミリメータ波（ＭＭＷ）によるサイト線の良好な通達範囲を確保するため２０度以上の視野角を有し、２８００平方マイルまでの大都市域に通達可能な通達範囲を有する。ＭＭＷ周波数による操作は、広帯域通信サービス（例えば、１Ｇｂｐｓから１０Ｇｂｐｓ）をサービス領域１６の加入者デバイスへ提供することを可能とする。通信システム１０はＭＭＷ周波数で動作するので、ＡＳＮ１４、ＣＰＥ１８、ＢＰＥ２０、そして、ゲートウェイデバイス２２の中の小さなアンテナアパーチャーを用いることにより、非常に狭く、集束されたビーム幅が得られる。
【００１７】
航空機１２は大気圏の上の軌道を回っているので、ＡＳＮ１４が低高度軌道（ＬＥＯ）及び／又は静止軌道（ＧＥＯ）衛星３４との衛星リンク３２を維持するようにしても良い。実施例においては、リンク３２は、地面設置の妨害を受けることなく６０ＧＨｚバンドで動作し、衛星間リンク３６との分離を可能とする。隣接するサービス領域１６にサービスを行う隣接するＡＳＮｓ１４は、衛星リンク３２と衛星間リンク３６とを使用する１以上の衛星３４を通して通信することができ、又は、赤外線、マイクロ波若しくは適当なＡＳＮ間リンク３８を使用して直接通信することもできる。リンク３６用には、代表的には、６０ＧＨｚバンドが使用される。これは、この周波数では地上と通信する場合、大気に大部分が吸収されてしまうからである。しかし、ＡＳＮ１４は大気圏の上に位置しているので、６０ＧＨｚバンドはまた、ＡＳＮ１４から衛星３４へのリンク３２をサポートする。非常に狭いビームが使用され、そして、リンク３２は傾斜しているが、リンク３６はかなり水平であるので、リンク３２とリンク３６との間の干渉は減少する。サービス領域１６には、大都市地域、指定避難地域、軍用地、又は、広帯域及び／又は挟帯域の無線サービスを必要とする地理的地域がある。
【００１８】
ＡＳＮ１４は、ビーム４０をサービス領域１６内のセル４２へ電子的に指向するフェイズドアレイアンテナを有している。図１は、サービス領域内の選択されたセル４２に指向されたビーム４０を示している。しかし、通信システム１０は、サービス領域１６内の各地域に、連続的に、又は、間欠的にビーム４０を指向するようにしている。サービス領域１６は、一つの中心セクタ４４と、多くの周囲セクタ４６からなり、各周囲セクタ４６は、サービス領域１６内のセル４２の選択されたサブセットセルを含んでいる。実施例では、各セクタ４４と４６とは、ＡＳＮ１４のフェイズドアレイアンテナの異なる部分に対応する。以下に詳細に記載されているように、ビーム４０は、特定のセクタ４４と４６の中の特定のセル４２に常に向けられていても良く、又は、航空機１２とＡＳＮ１４が軌道３０を巡回する時、ビーム４０をセル間にスイープ又はハンドオフしても良い。
【００１９】
実施例では、軌道３０の中心付近の中心セクタ４４に配置されているゲートウェイ２２は、ゲートウェイ２２とＡＳＮ１４との間の傾斜を減少させるので、大雨を通過する信号の経路の長さを減少させる。この配置は、最大データ速度の利用性や、使用可能な最小の値以上であって減速されたデータ速度の利用性を高めることを可能とし、そして、高濃度の雨柱により信号の経路が遮られて小地域へのサービスが停止となることを防止できる。データ速度と信頼性を向上させるため、ゲートウェイ２２は、ＣＰＥ１８とＢＰＥ２０にサービスするＡＳＮ１４上のフェイズドアレイアンテナから独立した、専用で、高ゲインで、機械的にジンバル制御されたアンテナ（例えば、パラボラ）を使用してＡＳＮ１４と通信できる。
【００２０】
隣接するセル４２の間の干渉を減らすため、ＡＳＮ１４からのビーム４０により形成されるセル状パターンは、適用可能であればいかなる多重化技術、又は分離技術を用いることができる。実施例では、各セル４２は、加入者デバイス（例えば、ＣＰＥ１８とＢＰＥ２０）と通信するために多くの周波数サブバンドの中の一つを使用する。ここで、各周波数サブバンドは、送信と受信の両方向の通信用の結合バンド幅を有している。この実施例では、別々のサブバンドにより、ＡＳＮ１４とゲートウェイ２２との間の通信を行う。２８ＧＨｚのローカルマルチポイント分配サービス（ＬＭＤＳ）バンドを使用して、通信システム１０は、ＡＳＮ１４のための約２８００平方マイルの範囲への通達を可能とするために、サービス領域１６内で全バンド幅を何度も再使用する。１個のＡＳＮ１４を有する通信システム１０の全容量は、１００Ｇｂｐｓ以上である。この容量は、地上の光ファイバーネットワークを介してのみ通常可能であるところの、２方向の広帯域のマルチメディアサービスを提供する。
【００２１】
１個のＡＳＮ１４を有する通信システム１０には、地上あるいは衛星システム以上の種々の利点がある。衛星システムと異なり、通信システム１０は、スペクトル使用を全て、特定の地理的地域に集中する。これにより、周波数調整が容易となり、ＬＭＤＳのような地面設置システムとの周波数の共用が可能となる。さらに、ＡＳＮ１４は、住宅サイトで維持されているＣＰＥ１８による広帯域データアクセスを可能とするのに十分高いパワーで動作する。ＡＳＮ１４は、地上システムと接続したベースステーション用の装置や設備、例えば、アンテナ塔、セルサイト用の建物、そして、セルサイト用の土地等の必要性を低下させる。ＡＳＮ１４は、また、衛星システムと比べ、高パワー、ペイロード容量を増加できる、複雑な熱管理システムが不要、そして、加入者密度を増加させることができるという恩恵を与える。一般的に、ＡＳＮ１４を有する通信システム１０は、モジュール化でき、計量可能で、更新可能で、そして、低コストである通信サービスに対し、高人口密度地域のための十分な回線密度を提供することの可能な技術、すなわち、短時間で展開可能で、かつ、融通性の高い技術を提供することができる。
【００２２】
運用中は、航空機１２は、サービスセンタ１６上空のある高度でＡＳＮ１４を維持して、軌道３０中を飛行する。ＡＳＮ１４中のフェイズドアレーアンテナ１４は、ビームをサービス領域のセクタ４４、４６中のセル４２に電気的に指向している。第１のセル４２に配置された始発信デバイス（例えば、ＣＰＥ１８、ＢＰＥ２０、ゲートウェイ２２）は、その第１のセル４２に提供されている第１のビームを使用してＡＳＮ１４にデータ送信する。ＡＳＮ１４中のスイッチが始発信デバイスから受信したデータを、第２のビームによって提供される第２のセル４２に配置された目的地デバイス（ｄｅａｔｉｎａｔｉｏｎ  ｄｅｖｉｃｅ）（例えば、ＣＰＥ１８、ＢＰＥ２０、ゲートウェイ２）に送信するためのフェイズドアレーアンテナに接続する。このようにして、ＡＳＮ１４は、サービス領域１６内にある２つのデバイス間を相互通信するようにスタートポロジーを実行する。
【００２３】
特別な実施例において、目的地デバイスはまた、始発信デバイスと同じセルに配置されてもよい。ＡＳＮ１４は、与えられたビームにつき多重加入者チャンネルを持っており、各チャンネルは、時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）、符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）、周波数分割多重アクセス（ＦＤＭＡ）、その他の適当なチャンネル選択法により、分離されている。同じビームを使用して加入者間の通信においては、ＡＳＮ１４は、第１のセル４２の始発信デバイスからのパケットデータを受信し、そのパケットデータを第１のセル中の第２の加入者に送信するためのアンテナに指向して、同じビーム４０内でチャンネル−チャンネル間通信を可能にする。
【００２４】
大抵のサービス領域（例えば、大都市領域、緊急地域、軍用地域）は、直径４０ないし６０マイルの足跡の範囲内にうまく収まる。しかし、ネットワーク化した多重のＡＳＮ１４は、この大きさを超えるか又は容量の増加を必要とするような領域を重なり合ってカバーすることができる。例えば、４つ以上のＡＳＮ１４は、ニューヨーク大都市圏を重ね合わせてカバーすることができ、信頼性の高いリンクを提供して、サービスの要請に対する遮断要因を低減することができる。
【００２５】
通信システム１０は、種々のサービスを提供する。ＣＰＥ１８のための通常の顧客サービスは１Ｍｂｐｓから５Ｍｂｐｓのリンクから成るが、ＢＰＥ２０のための通常の業務用サービスでは、５Ｍｂｐｓから１２．５Ｍｂｐｓのサービスリンクを含む。例えば、これらのリンクは、非同期伝送モード（ＡＴＭ）又は他のパケット交換プロトコルを使用して、要求時帯域幅（ＢＯＤ）を備えており、全体に利用可能なスペクトルが、ＣＰＥ１８とＢＰＥ２０との種々の活動時間の間で時分割される。公称データ速度は低くくても、ピーク時のデータ速度は特定のレベルまで拡張する。ゲートウェイ２２は、同様の時分割ＢＯＤあるいは、２５Ｍｂｐｓないし１５５Ｍｂｐｓ以上の一層高度な優先的「専用」リンクを含んでもよい。典型的な通信システム１０の容量は、ＡＳＮ１４ごとに１００００から７５０００個の同時対称Ｔ１回路（１．５Ｍｂｐｓ）である。それゆえ、単一のＡＳＮ１４で都市及び地方全体のカバー範囲は、４０ないし６０マイルサービス領域内１６（１２５０から２８００平方マイル）で１００００から７５０００の加入者を含んでいる。
【００２６】
図２は、通信システム１０の要素を詳細に示している。一般に、ＡＳＮ１４は、サービス領域１６内のいずれか２つのデバイス間のパケットデータ伝送のためのスタートポロジーネットワークのハブとして表される。ＡＳＮ１４と交叉する一行程は、二つのリンク５０から成り、各リンク５０は、ＡＳＮ１４と、ＣＰＥ１８、ＢＰＥ２０又はゲートウェイ２２とを接続する。パケットデータは、接続のない通信と、接続を配向した（例えば、仮想回路）通信の両方に便宜があるが、しかし、特に実施形態は、パケットデータは、要求時帯域幅（ＢＯＤ）を支持する接続のない環境で通信するデータのパケット、グループ又は配列を含んでいる。リンク５０は、広帯域か狭帯域で、ワイヤレスで、見とおし線（ｌｉｎｅ  ｏｆ  ｓｉｇｈｔ）である。
【００２７】
ＣＰＥ１８、ＢＰＥ２０又はゲートウェイ２２（一般には、デバイスと呼ばれる）は、全て同様の機能を果たす。これらのデバイスは、自動的にＡＳＮ１４を追跡する高利得アンテナを含み、リンク５０から搬送された変調信号をＭＭＷ周波数を使用して取り出す。デバイスは、取り出した信号をデジタルデータに変換し、標準ベースの又は独占的なデータ通信プロトコルを実行して、そのデジタルデータを種々の情報提供に伝送する。ＣＰＥ１８、ＢＰＥ２０又はゲートウェイ２２は、寸法、複雑さ、価格に変化があるが、ハードウエアとソフトウエアの両面で技術と部品のいくつかは、設計に共通している。ＣＰＥ１８は、顧客に提供する通信システム１０に個人的ゲートウェイを提供し、ＢＰＥ２０は、より高度のデータ速度を要求する企業にゲートウェイを提供する。ゲートウェイ２２は、ＡＳＮ１４、ＣＰＥ１８及びＢＰＥ２０をインターネットサービスプロバイダ（ＩＳＰ）５２やＰＳＴＮ５４、ビデオ／ケーブルサービス５６、さらに、他のローカルな又は遠隔地のネットワークサービスにリンクさせるための基幹構造ないし高度な信頼性のある高帯域幅通信を提供するものである。ＩＳＰ５２、ＰＳＴＮ５４、ビデオ／ケーブルサービス５６は、適当な備え付けのデバイスを使用して、又は広帯域幅無線または有線のリンク５８、例えば、マイクロウエーブ、光ケーブル、他の適当な方法で、ゲートウェイ２２を使用して、ＡＳＮ１４と直接接続することができる。
【００２８】
図３は、通信システム１０によって支持された色々な通信プロトコルと機器を図解している。ＡＳＮ１４は、ＭＭＷ搬送波周波数を使用して広帯域幅データサービスに提供するためにリンク５０を使用して二つのデバイス１００間を接続している。デバイス１００は、ＣＰＥ１８、ＢＰＥ２０及びゲートウェイ２２内にある通信プロトコルと機器の集合体である。
【００２９】
各デバイス１００は、リンク５０に結合された高帯域マルチプレクサ１０２（ＭＵＸ）を含んでいる。マルチプレクサ１０２は、リンク５０とデバイス１００中の種々の通信機器との間でパケットデータ、例えば、ＡＴＭパケットを接続する。一つの実施例は、マルチプレクサは、同期光ネットワーク（ＳＯＮＥＴ）プロトコル、例えば、ＯＣ−１（５２Ｍｂｐｓ）、ＯＣ−３（１５５Ｍｂｐｓ）、ＯＣ−１２（６２２Ｍｂｐｓ）、或いは他の高帯域通信プロトコルをサポートしている。パケット交換環境で標準的なＳＯＮＥＴまたはＡＴＭのプロトコルを使用すれば、ＡＳＮ１４は要求時帯域幅を提供して広範な音声、データ、及びビデオ機器を使用させることができる。後述するが、ＡＳＮ１４は、サービス領域内のデバイス間での有効なスケーラブルでモジュールによる通信を促進するＡＴＭパケット交換を含んでもよい。
【００３０】
マルチプレクサ１０２は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）１０４と直接接続し、ビデオ会議サービス１０６をサポートする。マルチプレクサ１０２は、またＶ．３５プロトコルとフレームリレーアダプタ１１０を支援して部分Ｔ１接続を使用してＬＡＮ１０４と直接接続することもできる。デバイス１００は、マルチプレクサ１０２と、適当なブリッジャー及びまたはルータ１１４と、の接続を通じて、ローカルエリアネットワークまたは広範囲ネットワークにある１つ以上のコンピュータ１１２との直接接続を支援する。デバイス１００は、Ｄ４チャンネルバンク１１６とのＴ１接続を含んでよく、アダプタ１２０により通常電話サービス（plain old telephone service)（ＰＯＴＳ）１１８、ローカル無線サービスを提供し、或いはＤ４チャンネルバンク１１６を通じて他の音声、ビデオ或いはデータのサービスを提供する。デバイス１００は、またマルチプレクサ１０２とＰＯＴＳ１２４との直接接続を通じて、さらに、データインターフェース１２６を使用して長距離データネットワークへの内部または外部接続を通して、ＰＯＴＳサービスを支援する。
【００３１】
図３中のデバイス１００は、特別の通信プロトコルと機器を示しているが、デバイス１００は、通信システム１０中で音声、ビデオ、データを処理し通信するどのようなプロトコルも機器もサポートすることができる。例えば、Ｔ１リンクは、Ｔ３、Ｅ１、Ｅ３または他の適当なデジタル通信リンクを含んでもよい。同様に、ＬＡＮ１０４、ＬＡＮ１０８、及びコンピュータ１１２は、イーサネット、高速イーサネット、ギガビットイーサネット、交換イーサネット、その他ネットワークプロトコルを実施してもよい。さらに、Ｄ４チャンネルバンク１１６は、他の適当な通信方法を含んでもよく、マルチプレクサ１０２と、デバイス１００内に含むかデバイス外から提供される多数の情報ネットワークないし情報機器と、の間のインターフェースを提供する。
【００３２】
運用においては、ＡＳＮ１４は、デバイス１００間を接続して、電話データ通信、ローカル無線サービス、ＬＡＮ／ＷＡＮ相互接続（ブリッジング／ルーティング）、図形データ送信、ビデオ送信、他のシステムとの接続性、例えば、Ｄ４チャンネルバンク１１６やデータインターフェース１１６を使用する長距離データネットワークを提供する。ＡＳＮ１４は、フレームリレー、ＬＡＮ／ＷＡＮ、Ｔ１、Ｖ．３５、及び他のパケット交換、例えば、ＡＴＭ交換を使用するトラヒックを輸送する。本発明の重要な形態は、パケットデータの輸送とＡＳＮ１４での交換とをサポートするエンドツーエンド（end-to-end)ＡＴＭプロトコル又はＡＴＭ型プロトコルの使用である。デバイス１００によるパケットデータの通信は、リンク５０内での帯域幅の使用を効果的に促し、特定の実施例では、サービス領域での航空機とＡＳＮ１４とが周回しながら、セル間にビームを頻繁にハンドオフすることを補償する。
【００３３】
図４は、さらに詳細に、航空機に搭載したＡＳＮ１４を示している。航空機１２は、高揚力複合材航空機であり、高高度（５２０００から６００００フィート）で長時間（８ないし１２時間）作動するターボファン推進器と組み合わせてある。航空機１２は、ＡＳＮ１４の部分を、胴体と、胴体の下に取り付けたペイロードとの両方で搭載している。ＡＳＮ１４の航空機同体内の部分には、冷却装置１５２、電力機器１５４、及び通信機器１５６を含んでいる。ポッド１５０には、傾斜した周縁部１６４によって囲まれた実質的に水平部１６２を設けている。多数の送信／受信ペア１６６がアンテナ１６０の水平部１６２と周縁部１６４に搭載されている。特別の実施例では、水平部に搭載された送信／受信ペア１６６は、サービス領域１６の中心セクタ４４にあるセル４２のために提供されるが、傾斜周縁部１６４上の送信／受信ペア１６６は、サービス領域のセクタ内にあるセル４２に供される。図４に示すアンテナ１６０上の送信／受信ペア１６６の特別な配置は、一つの中心セクタ４４と８つの周辺セクタ１６に提供される。各送信／受信ペア１６６は、２つの１６Ｘ１６と３０インチ四方のフェイズドアレイエレメントとから成っている。送信／受信ペア１６６は、アンテナ１６０上にモジュール化して追加し、取外しし、或いは変更することができ、種々の通信容量を提供することができる。
【００３４】
アンテナ１６０は、プラットフォーム固定ビーム、地上固定ビーム又はプラットフォーム固定ビームと地上固定ビームとの結合ビームを発生する。プラットフォーム固定ビームに対して、各送受信ペア１６６はアンテナ１６０に関係する固定角に方向付けられた固定された視界を維持する。ＡＳＮ１４のためのトータル視界は、個々の送受信ペア１６６の視界の総計である。プラットフォーム固定ビームアプローチは、サービス領域１６の上の航空機とＡＳＮ１４の軌道に従って複数のセル４２をビーム４０が横切るようにひんぱんなビームハンドオフを必要とする。コミュニケーション装置１５６内のパケットスイッチは、ビーム４０とビーム４０が供給されるセル４２と間の関係を維持することによってビームのハンドオフを補償する。特定の具体例において、アンテナ１６０は、航空機１２の動きを補償するためと安定してかつそれらの関係するセル４２上にそれらをセル４２に供給されるタイム期間の間、固定されたビーム４０を保つために電気的にビームを操縦する。
【００３５】
地上固定ビームに対しては、アンテナ１６０は航空機１２とＡＳＮ１４が軌道３０に沿って進行するにしたがって、その関係するセル４２に固定されるように各ビーム４０を操縦する。このアプローチは、アンテナ１６０に対してより電気的及び物理的な複雑さを伴うが、しかし、ビームハンドオフを非常に減少させ省略できるので、コミュニケーション装置１５６の負担を減少させる。各送受信ペア１６６は、サービス領域１６内において不変的に仕向けられ又は割り当てられたセル４２上にビームを維持するためにサービス領域１６を全て支配するためのより広い視界を維持する。プラットフォーム固定又は地上ビーム固定のいずれかのアプローチにおいて、ビーム４０の操縦性は、湖、海、海域、及び散在する居住領域により、必要とされるカバーレージギャップの回避が可能であろう。アンテナ１６０は、プラットフォーム固定及び地上固定技術の両方を組み込んだ混成アプローチを使用しても良い。
【００３６】
ポッド１５０は、アンテナ１６０の方向がビーム４０をサービス領域１６のセル４２に指向するために機械的に順応するアダプター１７０を用いて航空機１２に結合される。一実施形態において、アダプター１７０は、軌道３０に沿って進む航空機１２の旋回時の横傾斜を補償するアクティブ又はパッシブの方向調整を提供するための、１又はそれ以上のジンバル、ジョイント、又は、縦ゆれ、回転及び／又は軸ゆれの中での他の適当な機械的結合を含む。アダプター１７０はまた、アンテナ１６０を実質的に水平方向に維持するためにフラッターや他の高い周波数の航空機振動を能動的に補償してもよい。地上固定ビーム操縦技術を使用した場合、アンテナ１６０のコンパス方向を実質的に一定に維持するために、アダプター１７０は軸１７２についてアンテナ１６０を回転させてもよい。この具体例では、アダプター１７０は、航空機１２の軌道率に実質的に等しい率だけアンテナ１６０を回転させる。
【００３７】
図５は、ＡＳＮ１４のコンポーネントをさらに詳細に示している。ポッド１５０は航空機１２の下に搭載され、各送受信ペア１６６又はゲートウエイアンテナ１６８に対して無線周波数（ＲＦ）送信モジュール２００とＲＦ受信モジュール２０２を含んでいる。さらに、ユーザーデータのために、送信モジュール２００とＲＦ受信モジュール２０２は、アップリンク制御チャンネルとダウンリンク制御チャンネルとをそれぞれ組み込んでいてもよい。ポッド１５０はまた、パイロット送信モジュール２０４と接続されたアンテナとを含むパイロット送信機を持っている。そのパイロット送信機は、地上設置装置によってアンテナトラッキングとパワーコントロール用に使用されるパイロット信号２０８を送信する。特定の具体例において、パイロット信号２０８は地上設置装置の特定のトラッキング回路によって認識されるシングルトーンである。
【００３８】
ＡＳＮ１４はまた、各送受信ペア１６６とゲートウエイアンテナ１６８に対してモデム２１０とマルチプレクサ２１２を含んでいる。各マルチプレクサ２１２に接続されるスイッチ２１４は、コミュニケーションシステム１０内のデータの相互接続をする。スイッチ２１４はサービス領域１６の各セル４２上とサービスセル４２に関係した送受信ペア１６６によって形成されたビーム４０の情報を記憶するデータベース２１６を含む。データベース２１６はまた、非同期伝送モード（ＡＴＭ）又は他の適当なパケットスイッチング技術を遂行するために顧客、アドレッシング、ルーティング及びマッピング情報を保存する。データベース２１６は、ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリー（ＲＯＭ）、磁気又は光デバイス、又は他の適当なメモリーを含んでいてもよい。コモンエレクトロニクス２１８は、ＡＳＮ１４の動作をサポートするためにパワーサプライ、プロセッサー、及び他のハードウエアとソフトウエアを含む。
【００３９】
動作において、起点セル４２の起点デバイスは、パケットデータをリンク５０を介してＡＳＮ１４に送信する。起点セル４２に供給する起点ビーム４０を形成している送受信ペア１６６は、ダウンコンバートと適当なＲＦプロセス用にパケットデータを受信モジュール２０２に渡す。モデム２１０のデェモジュレータは、それからデジタルパケットデータを引き出してこの情報をマルチプレクサ２１２に渡す。ＳＯＮＥＴ又は他の適当なプロトコルの使用して、マルチプレクサ２１２はパケットデータをスイッチ２１４にルーティング用に渡す。
【００４０】
スイッチ２１４は、アドレッシング及びルーティング情報をパケットデータから回収し、この情報を特定のサブスクライバー又は指定のデバイスに結合し、結合される目標とするセル４２を決定し、目標とするセル４２に供給する目的地ビーム４２を決定する。目的地ビーム４０の決定に基いて、スイッチ２１４は、目的地ビーム４０を形成する送受信ペア１６６につながっている適当なマルチプレクサ２１４にパケットデータを送る。マルチプレクサ２１４は、同じ送受信ペア１６６のために、そのパケットデータを他のパケットデータに結合させて、この情報を、送信モジュール２００に供給するためにこの情報をモデム２１０のモジュレータに送る。送受信ペア１６６は、パケットデータを含んでいる変調されたＲＦ信号を目的地ビーム４０を用いて、目的地セル４２に伝達する。目的地デバイスはパケットデータを受信し、そのパケットデータを次の処理のためにデジタルデータに変調する。ＡＳＮ１４は、ゲートウェイ２２とゲートウェイアンテナ１６８とを含む通信のために同様の処理を行う。
【００４１】
図６は、ＣＰＥ１８、ＢＰＥ２０、ゲートウェイ２２及び、より一般的なＡＳＮ１４と通信するデバイス１００のより詳細な構成要素を示している。この議論は、ＣＰＥ１８のデザインと動作に焦点をあてているが、同様な構成と同様の動作を含むＡＳＮ１４と通信するどのようなデバイスであってもよい。
【００４２】
ＣＰＥ１８は、無線（ＲＦ）ユニット２４６、ネットワークインターフェイスユニット（ＮＩＶ）２４８、と種々の情報機器６０〜２７０を含む。ＲＦユニット２４６は、送信モジュール２５２に接続されたアンテナ２５０(例えば１２”〜１８”パラボラＭＭＷアンテナ）と受信モジュール２５４を含む。ＮＩＶ２４８は、送信モジュール２５２と受信モジュール２５４とに接続されたモデム２５６とエンドユーザ機器(例えばコンピュータ２６０、電話２６２、ビデオサーバ２６４、ビデオターミナル２６６、ビデオカメラ２６８）、ゲートウェイ機器（例えばゲートウェイインターフェイス２７０）、及び他の通信、ディスプレイ２は処理デバイスのような種々の情報機器接続されたマルチプレクサ２５８とを含む。ＮＩＶ２４８のモデム２５６は、Ｌ−バンドチューナとダウンコンバータ、モジュレータ、及びデモジュレータを含む。
【００４３】
動作時に、送信モジュール２５２は、モデム２５６のモジュレータからＬ−バンド（９５０〜１９５０ＭＨＺ）の中間周波数（ＩＦ）入力信号を受信し、この信号をＭＭＷ周波数に変換し、電力増幅器を用いて１００ｍＷから５００ｍＷの送信パワーレベルに増幅し、ＡＳＮ１４に送信するために、アンテナ２５０に供給する。受信モジュール２５４は、アンテナ２５０でＡＳＮ１４から受信された信号をローノイズアンプに結合させ、Ｌ−バンドＩＦにダウンコンバートし、モデム２５６のデモジュレータに信号を出力する前に増幅及び処理する。送信モジュール２５２と受信モジュール２５４は広帯域で動作するけれども、これらのコンポーネントは１度に４０ＭＨｚチャンネルの処理を行う、ＮＩＶ２４８のモデム２５６は特定のチャンネル周波数に波長を合わせる。
【００４４】
ＮＩＶ２４８は、ＮＩＶ２４８とＲＦユニット２４６間のＬ−バンド送信信号と結合させるコアペア２７０を介してＲＦユニット２４６とインターフェイス接続される。各ＣＰＥ１８は、送信受信双方において高いデータレート(例えば、ＯＣ−１  at ５２ＭｂｐＳ）を表示する。ある応用では、ＣＰＥ１８は、インターフェアレンスの対する性能を向上させるためにスペクトラム拡散を行う周波数バンド幅を使用する。
【００４５】
ＲＦユニット２４６はまた、アンテナトラッキングモジュール２８０とアンテナ２５０をＡＳＮ１４に指向するアンテナアクチュエータ２８２とを有するアンテナトラッカーを含む。アンテナトラッキングモジュール２８０は、ＡＳＮ１４のパイロット送信機２０４により送信されたトラッキング又はパイロットシグナル２０８を受信し、アンテナアクチュエータ２８２がＡＳＮ１４の結合される送受信ペア１６６によって発生されたビーム４０とアンテナ２５０とを調整する(合致させる）ためのコマンドを発する。特定の具体例では、アンテナトラッキングモジュールとアンテナアクチュエータ２８２は、ＡＳＮ１４を追跡し、軸調整のための２つの回転をサポート(支援）する。
【００４６】
アンテナ２５０、送信モジュール２５２、受信モジュール２５４、モデム２５６、及びマルチプレクサ２５８を含んでいるＣＰＥ１８の装置の多くは、ローカルマルチポイント分配サービス装置（ＬＭＤＳ）又は他の広帯域データサービス用にもうすでに開発された現存するコンポーネントであろう。これは、コミュニケーションシステムにおいて動作し、ＬＭＤＳ装置に適用するために最低コストとなっているであろうから、ＣＰＥ１８のコストを減少させる。ＬＭＤＳバンド（２８ＭＧＨｚ）においては処理を仮定すれば、ＣＰＥ１８は、現存するＬＭＤＳデザイン中にアンテナトラッキングモジュール２８０とアンテナアクチュエータ２８２を必要とするのみである。
【００４７】
図７は、コミュニケーションシステム１０に対するサービス領域１６を示している。容量、地理的にカバーできる領域、ＡＳＮ１４の動作高度、及び他の付加的なパラメータに依存して、サービス領域１６は、内部領域３００、第１週辺部３０２、および第２週辺部３０４を含む。代表的なメトロポリタン応用では、内部領域３００は、ゲートウェイ２２を含むであろう密集した都会領域をカバーし、第１週辺部３０２は準都市領域を含み、第２周辺部３０４は田園領域をカバーする。
【００４８】
通信システム１０において、地面に設置された装置と軌道３０上の遠距離点との間の、最小の見込み角３０６は、およそ２０度よりも大きな値と仮定される。これは、サービスエリア１６の周辺部にある装置に対応する値である。一方、セルラー電話の設計者は、カスタマから最も近いベースステーションにあるアンテナまでの見通し線は、１度以下の角度を持つと仮定する。通信システム１０において、最小見込み角３０６として大きな値を組み込むことにより、装置が、濃密な物体のない軌道３０中を飛ぶ航空機１２及びＡＳＮ１４によってスイープされる立体角に対して、確実にアクセスすることができるようにする。また、最小の見込み角３０６は、比較的短い送信距離を提供して、激しい降雨時のサービス利用の可能性を高める。最小の見込み角３０６は、また、通信システム１０が、２８ＧＨｚで動作するＬＭＤＳのような地上の無線ネットワーク用に設計された共通スペクトルを共有できるようにする。送信のためにより狭いビームを用いて、より高い周波数とする程、通信システム１０とこれと同一バンドで動作している地上のシステムとの分離は良好となる。第２の見込み角３０８は、サービス領域１６の内側領域３００を規定する。ある実施形態においては、通信システム１０は、ゲートウエイ２２を内側領域３００の中に備えることにより、激しい降雨中や濃厚な雲が覆っている場合であっても、信頼性をもって、途切れずに通信できることを保証する。
【００４９】
サービス領域１６（例えば、内側領域３００、第１の周辺部３０２、第２の周辺部３０４）の大きさと形、及び見込み角３０６及び３０８は、航空機１２が動作領域３１０内の異なる位置で運転された時には、変化する。これによって、航空機１２が、ユーザの密度やサービス領域１６の大きさに適合するように、ＡＳＮ１４を異なる高度及び異なる軌道３０に運ぶことが可能になる。
【００５０】
図８は、通信システム１０で用いられる周波数分割多重化法をより詳細に示す図である。ある実施形態においては、周波数プランは、サービスエリア１６を通して５：１の再利用ファクタを得る。例えば、ＬＭＳＤバンドを用いると、送信バンド３５０は２７．５ＭＨｚと２７．８ＭＨｚの間に５つの６０ＭＨｚ送信サブバンド３５２（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ）を含み、受信バンド３６０は、２８．０５ＭＨｚと２８．３５ＭＨｚの間に５つの６０ＭＨｚ受信サブバンド３５２（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ）を含む。２７．８ＧＨｚと２８．０５ＧＨｚの間の２５０ＭＨｚガードバンドは、送信バンド２５０と受信バンド２６０の間の干渉を抑制する。サービス領域１６内の各々の加入者セル４２は、ＣＰＥ１８及びＢＰＥ２０への送信及び受信リンクのための、４つのサブバンド３５２及び３６２（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）のうちの１つに対応しており、各々のサブバンド３５２及び３６２は、異なる送信及び受信周波数に対応している。各々のサブバンド３５２及び３６２は、異なる送信及び受信周波数に対応しており、セル４２は、隣接するセル４２と同一の周波数サブバンドを利用することが無いように配列されている。５番目のサブバンド３５２及び３６２（Ｅ）は、ゲートウェイ２２への送信及び受信リンクを提供する。この５番目のサブバンドは、ＣＰＥ１８及びＢＰＥ２０に用いられる通信周波数及び手法を変更することなく、ゲートウエイ２２の配置とアップグレードを行う自由を提供する。他のスペクトルオプション、例えば３８ＧＨｚを用いれば、通信システム１０は他の同様の周波数プランを採用することもできる。
【００５１】
通信システム１０は、ＭＭＷ周波数を用いて、広帯域無線データを送信し、サービス領域１６に小さなアンテナを持つ比較的小さなセル４２を形成する。地上のＬＭＤＳシステムは、２８ＧＨｚにおいて約１ＧＨｚのバンド幅を使用して、広帯域サービスのローカル分配を行う。これらのシステムにおける経路は、ほぼ地面に対する接線となっており、雨による減衰のために５ｋｍを越えることはできない。通信システム１０のような浮遊システムにおいては、最小の見込み角度３０６が降雨速度の速い領域を通過するような経路部分を減少させる。さらに、通信システム１０の構成部分にある高ゲインアンテナによって、セル４２を形成するための細いビームが生成され、これによって、ＭＭＷ信号のレンジ許容量を拡大する高いゲインがもたらされる。
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【００５２】
表１は、通信システム１０内の典型的な経路ロスの分析の結果をまとめたものである。リンクバジェットにおいて、最小の見込み角３０６を３０度と仮定する。最小の見込み角３０６を２０度とすると、経路ロスが約３ｄＢ増加する。このため、リンクマージンが約７ｄＢから４ｄＢに減少する。一般に、ＬＥＯサテライトシステムにおける雨による減衰は、この周波数において、見込み角を約４０度とすると、約１２ｄＢとなる。一方、地上のシステムにおける雨による減衰は、下面にほぼ水平なリンクとの間では、約１８ｄＢとなる。
【００５３】
リンクバジェットを計算するには、地上設置された装置とＡＳＮ１４の間の直線距離は３５ｋｍとし、浮遊したアンテナと地上アンテナの両方のゲインは３４ｄＢとし、浮遊したセグメントと地上セグメントの両方の送信パワーは２８ＧＨｚにおいて１００ｍＷとする。この分析において、通信システム１０はＱＰＳＫ変調を用い、レート７/８のコンボルーションコードをリード−ソロモン（Reed-Solomon）（２０４，１８８）コードと連結して用い、ＯＣ−１（例えば５１．８４Ｍｂｐｓ）と等価な情報レートを獲得するために、最大ビットエラーレート（ＢＥＲ）を１０-9と仮定して、過剰バンド幅ファクタとして０．２１を用いる。計算において、リンク有効率が９９．９％となる降雨速度を仮定する。この分析の結果は、雨による減衰の後であっても、７ｄＢに近いマージンが得られることを示している。通信システム１０は、送信パワーが１Ｗにまで増加すれば、このマージン１０ｄＢまで高めることができ、受信機のノイズレベルを改善すれば、さらに３ｄＢ高めることもできる。
【００５４】
ＭＭＷ信号は、見通し線上を進行する。木、建物、車両、地形は、通常、許容できない経路ロスを生じる。最小見込み角３０６を大きく設定することにより、こうした影響を最小に抑えることができる。通信システム１０は、送信機と受信機の間において経路が遮蔽されていないことを仮定している。影響を抑える手法には、地上設置された装置の高さを増したり、代替となるノードを設けたり、遮蔽物を除去することも含まれる。
【００５５】
本発明をいくつかの実施形態について説明したが、無数の変形、変更、置換、変換、モディファイが当業者に示唆され、これらの変形、変更、置換、変換、モディファイは、添付の請求の範囲における精神及び範囲の産物として本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  浮遊スイッチングノード（ＡＳＮ）を含む通信システムを示す。
【図２】  図１の通信システムの構成要素をより詳細に示す。
【図３】  ＡＳＮを介してリンクされたデバイスに搭載された種々の通信プロトコルや装置を示す。
【図４】  航空機に結合されたＡＳＮを示す。
【図５】  ＡＳＮの構成要素をより詳細に示す。
【図６】  ＡＳＮと通信するデバイスの構成要素をより詳細に示す。
【図７】  図１の通信システムのサービス領域を示す。
【図８】  図１の通信システムの用いられる周波数分割多重通信方式を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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