JP2014075834A - 機内ブロードバンド移動体通信サービスを提供するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】飛行機のための効率的な機内ブロードバンド移動体通信サービスを提供すること。
【解決手段】本発明は、機内ブロードバンド移動体通信サービスを提供するための地上ベースの通信システムであって、地上ベースの基地局の上方及び周辺に三次元空間を形成するセルを生成するように構成された、地上ベースの基地局を備え、該地上ベースの基地局は更に、空間分割多元接続（ＳＤＭＡ）を使用するセルによって範囲に含まれる空間内の飛行機にサービスを提供するために、セルを定義するビームを生成するための２次元ビーム形成を使用するために構成された、アンテナ・アレイを備え、地上ベースの基地局は、２次元ビーム形成によって生成されたビームを用いて、飛行機を追跡するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、地上ベースの無線セルラ通信システム、機内ブロードバンド移動体通信サービスを提供するように適合された飛行機機器、ならびに対応する方法に関する。また、本発明は、そのような地上ベースの無線セルラ通信システムと、少なくとも１つのそのような飛行機機器とを備える通信システムにも関する。

飛行機にブロードバンド（および／またはナローバンド）通信サービスを効率的に提供するため（乗客によって、乗務員によって、さらに／または（航空会社の）運用データの交換のために使用されるように）、地対空通信および空対地通信のスペクトル効率は、多数の飛行機に同時にサービスを提供しながら、真のブロードバンドサービスを提供し、地上ベースの基地局および／または要求される伝送リソース（例えば、認可されたスペクトル）の数を低く保つように、高くなければならない。さらに、飛行機の乗客が、ブロードバンド通信を実行するために乗客自らの通常の通信デバイス（電話機、ラップトップ・カードなど）を使用することができるようにされなければならない。

そのような機内ブロードバンド通信を提供するため、静止軌道の衛星との通信に依拠する衛星ベースのシステムが使用されることが可能である。しかし、そのようなシステムは、高価であり、通常、待ち時間が非常に長く、このため、サービス品質に悪影響を及ぼす。さらに、既存のＬバンド・ソリューションは、来るべき航空交通需要に要求される容量を提供しない。

より優れたソリューションは、空の大部分を範囲に含むようにアンテナ特性において広いメインローブを有する基地局アンテナを使用する地上ベースのセルラ・システムである。いくつかの飛行機にサービスを提供するための多元接続スキームは、ＴＤＭＡ（時分割多元接続）スキーム、またはＦＤＭＡ（周波数分割多元接続）スキーム、あるいはその両方の組合せである。しかし、これらの多元接続スキームは、１つのセル内のサービスを受ける複数の飛行機の空間的分離を考慮に入れない。このため、これらのスキームは、理論的に可能なスペクトル効率に達しない。

本発明の目的は、飛行機のための効率的な機内ブロードバンド移動体通信サービスを提供することである。

本発明の一態様は、基地局を囲む空間の立体角を規定する少なくとも１つのセルを生成するために適合された少なくとも１つの地上ベースの基地局を備える機内ブロードバンド移動体通信サービスを提供するための地上ベースの無線セルラ通信システムにおいて実施され、この地上ベースの基地局は、空間分割多元接続、ＳＤＭＡを使用する少なくとも１つのセルによって範囲に含まれる空間内の少なくとも１つの飛行機にサービスを提供するための少なくとも１つのビームを生成するために２次元ビーム形成を使用する少なくとも１つのアンテナ・アレイをさらに備える。

本発明の地上ベースの通信システムは、地上ベースの基地局において２次元ビーム形成を使用することによって、サービスを受ける飛行機の空間的分離を利用する。「２次元ビーム形成」という用語は、３つの球座標のうちの２つにおける、すなわち、方位角方向および仰角方向におけるビーム形成を指すのに対して、従来の（１次元）ビーム形成は、１つだけの球座標（方位角）に制限される。このため、従来のＴＤＭＡおよびＦＤＭＡに加えて、２次元ビーム形成は、ＳＤＭＡ（空間分割多元接続）、すなわち、１つのセル内の利用可能な伝送リソースの空間的再使用を可能にして、セル当たりの平均データ・スループットおよびピーク・データ・スループットを向上させる。さらに、２次元ビーム形成は、地対空方向と空対地方向の両方で受信機ＳＩＮＲ（信号対雑音干渉比）に関するビーム形成利得につながり、さらに個々のリンクのデータ・スループットも向上する。

地上ベースの移動体通信システムの基礎は、サービスエリアに広がった前述したタイプの基地局のセットによって与えられる。各基地局は、何らかの立体角によって規定される、その基地局の上方および周囲のいくつかのセクタ（セル）にサービスを提供することが可能である。そのような構成は、一般的なセルラ移動体通信システム（例えば、ＧＳＭ、ＵＭＴＳ、ＬＴＥ）と非常によく似ているが、３次元空間に散らばっている本通信システムの移動体ユーザ（飛行機）と比べて、一般的なセルラ移動体通信システムの場合、移動体ユーザは、大体、表面に散らばっている。

一実施形態において、地上ベースの基地局は、飛行機の現在位置を追跡するためにビーム、特に適応ビームを形成するように適合される。本明細書で説明されるシステムの場合、飛行機固有の適応型ビームが、好ましいビーム形成技術である。しかし、利用可能なビームの事前定義されたセットの中から１つの一時的に好ましいビームが繰り返し選択される２次元ビーム格子技術も、飛行機の現在位置を追跡する上で可能である。いずれにしても、各ビームが、サービスを受ける必要がある飛行機だけに向けられることが確実にされ得る。

さらなる実施形態において、このシステムは、インターネットなどのコア（コンピュータ）ネットワークに接続するためのゲートウェイを備える。地上ベースの移動体通信ネットワークのアーキテクチャに依存して、基地局は、データおよびシグナリングの迂回中継のために互いに、またはコントローラに接続される。基地局またはコントローラは、ブロードバンド・アクセスを提供するために何らかのゲートウェイによってコア・ネットワークにさらに接続されなければならない。この場合も、このシステムは、一般的なセルラ移動体通信システムに非常によく似ている。

地上ベースの無線セルラ通信システムは、専用インフラストラクチャを使用するネットワークであっても、既存の地上ベースのセルラ・ネットワークのオーバーレイ・ネットワークであってもよく、オーバーレイ・ネットワークである場合、システムの地上ベースの基地局のすべてが、必ずしも２次元ビーム形成を実行するように適合されているわけではないことを理解されたい。例えば、ＷｉＭＡＸまたはＬＴＥなどの従来のセルラ・ネットワーク技術が、２次元ビーム形成能力を有するいくつかの基地局／アンテナ・アレイを備えることが可能であり、これらの基地局が、例えば、ネットワークの特定のロケーションだけに配置され、これらの「対応型の」基地局のそれぞれが、例えば、１５０キロメートルという大きい半径（セル・サイズ）を範囲に含み、その他の基地局は、例えば、１〜５キロメートルというセル・サイズを有する。例えば、ドイツの大都市に９つだけのそのような基地局を配置することにより、ドイツ上空の空域全体に機内ブロードバンド・アクセスを提供することが可能になる。

さらなる態様が、地上ベースの無線セルラ通信システムを相手にユーザ・データを交換するための、特に、前述したタイプの少なくとも１つのアンテナと、地上ベースの無線セルラ通信システムとの空対地通信および地対空通信を扱うためにこの少なくとも１つのアンテナに接続されたトランシーバ・ユニットと、飛行機内の端末装置にユーザ・データを配信するため、およびそのような端末装置からユーザ・データを配信するための、特に無線タイプの、飛行機内通信システムと、トランシーバ・ユニットと飛行機内通信システムの間の通信のための相互通信ユニットとを備える機内ブロードバンド移動体通信サービスを提供するための飛行機機器において実施される。そのような飛行機機器は、地対空通信および空対地通信のユーザ・データを飛行機内の（例えば、乗客によって使用される）端末装置に配信するタスクを実行するために使用されることが可能である。このアンテナ・システムと、この飛行機内通信システムの両方に関して、以下のとおり、複数の実施形態が可能である。

乗客による使用を容易にするため、飛行機内無線通信システムは、有利であるが、必須ではない。特に、乗務員および航空会社の運用サービスを提供するためには、有線通信システムで十分である可能性がある。キャビン内配信システム（無線または有線）のタイプは、地上ベースの通信システムとの通信に影響を与えないことが当業者には容易に認識されよう。また、地上ベースの無線セルラ通信システムとの通信を扱うためのアンテナは、通常、それぞれ、空対地リンクおよび地対空リンクを介してデータの送信と受信の両方を行うように適合されることも理解されよう。

また、飛行機機器が、それぞれ、アンテナが、通信するように適合された無線通信システムは、必ずしも２次元ビーム形成を実行するために適合される必要はなく、実際、地上ベースの無線通信システムは、ビーム形成を実行するために全く適合されない可能性があることも理解されよう。特に、飛行機機器が通信する相手の地上ベースの通信システムは、ＷｉＭＡＸまたはＬＴＥなどの従来のセルラ・ネットワーク技術に基づくことが可能であり、好ましくは、１次元ビーム形成を実行するために適合される。

一実施形態において、少なくとも１つのアンテナは、飛行機の（通常、導電性の）外殻の外側に配置され、飛行機内無線通信システムは、飛行機の外殻の内側に配置される。それぞれ、空対地通信と飛行機内無線通信、地対空通信と飛行機内無線通信の効率的な分離が実行されることが可能である。乗客端末装置にデータを提供するために、飛行機内の通信システムは、飛行機の外殻の内側に配置された少なくとも１つのさらなるアンテナを備えることが可能であることが理解されよう。

さらなる実施形態において、地上ベースの無線セルラ・システムを相手にユーザ・データを交換するためのアンテナは、地上ベースの基地局を自動的に追跡するために適合された機械的に操向される指向性アンテナまたは２次元ビーム形成アンテナ・アレイである。このアンテナは、サービスを提供する地上ベースの基地局の自動追跡を提供する、高いアンテナ利得を有する機械的に操向される指向性アンテナとして、または、ビーム形成利得、ならびに地上基地局の自動的追跡を提供する２次元ビーム形成アンテナ・アレイとして実施されることが可能である。２次元ビーム形成アンテナ・アレイとして実施されるアプローチは、例えば、ハンドオーバ測定のために、複数の地上ベースの基地局が監視されるべき場合、好ましい可能性がある。代替として、高いアンテナ利得を有し、サービング地上基地局を自動的に追跡する第１の機械的に操向される指向性アンテナが、高いアンテナ利得を有し、ハンドオーバのために選択された地上基地局を自動的に追跡する第２の機械的に操向される指向性アンテナによって補完されてもよい。地上ベースの基地局アンテナ・アレイにおける２次元ビーム形成が十分な利得をもたらすので、このアンテナは、代替として、低いアンテナ利得しか有さない単純な無指向性アンテナとして実施されてもよいことが当業者には認識されよう。単純な無指向性アンテナとして実施されるアプローチは、例えば、ハンドオーバ測定のために、複数の地上ベースの基地局が監視されるべき場合、好ましい可能性がある。

一実施形態において、飛行機内通信システムは、飛行機内部で（ピコ）セルを生成するための少なくとも１つの機上基地局を備えるセルラ・システムである。この場合、地上ベースの基地局と移動飛行機トランシーバ・ユニットとの間で交換されるデータは、飛行機内の端末装置のための多重化されたデータ、および端末装置と飛行機トランシーバ・ユニットの両方と関係するシグナリングからなることが可能である。その場合、重要な点は、地対空リンク上、および空対地リンク上で伝送されるデータが、飛行機内の個々のユーザ（乗客、乗務員など）のためのデータの多重化であること、すなわち、飛行機内で、このユーザ・データは、飛行機内通信システムを使用して逆多重化されて、端末装置に配信されなければならないことである。

一実施形態において、飛行機内セルラ無線通信システムは、特に、ＧＳＭ、ＵＭＴＳ、およびＬＴＥからなるグループから選択された（移動）乗客、乗務員、および／または航空会社運用端末装置の少なくとも１つの通信標準と互換性がある。このことは、この場合、乗客が、従来の陸上ベースの移動体通信システム内でも使用する通常のデバイスを使用することができるので、有利である。

さらなる実施形態において、飛行機内無線通信システムは、非セルラ無線通信システム、特に、ＷＬＡＮシステムである。この場合、データは、ＷＬＡＮスペクトルなどの無認可である可能性があるスペクトルで端末装置に配信され、端末装置から配信される。

別の実施形態において、飛行機内無線通信システムは、飛行機内に設置された複数の飛行機運用者所有の端末装置を備える。この場合、ブロードバンド・サービスは、飛行機内に設置された飛行機運用者所有の端末装置を介して乗客または乗務員に提供されることが可能である。そのような端末装置は、例えば、飛行機エンターテイメント・システムの一環として飛行機座席に組み込まれることが可能である。

さらなる実施形態において、飛行機内無線通信システムは、中継局を備える。この場合、（移動）乗客端末装置は、中継局を介して地上ベースの基地局ベースのマクロセルに直接に接続され、１つのホップが、地上ベースの基地局から、飛行機の導電性の外殻の外側の中継アンテナまで進み、有線接続が（導電性の）外殻の中に入り、別のホップが、導電性の外殻の内側のアンテナから端末装置まで進み、同様に逆にもホップが進む。この中継器は、標準の端末装置が、例えば、時速９００キロメートルという速度から生じる、高いドップラー周波数にうまく対処することができない可能性があるので、信号品質を向上させるために信号処理技術を使用する可能性もある。

さらなる実施形態において、飛行機機器は、好ましくは、特に飛行機のＧＰＳ受信機または航法システムによって供給される、飛行機移動データを使用して、少なくとも１つのアンテナによって送受信される信号のドップラー補償および／または周波数変換を実行するために適合される。

ダウンリンクの地上−中継器間ホップにおいて、飛行機機器、例えば、中継局が、データを受信し、以下の２つのオプションを有する。すなわち、ａ）受信すること、ドップラー推定、ドップラー補償、場合により、周波数変換、増幅すること、中継器−端末装置間ホップに転送すること、またはｂ）受信すること、前述したドップラー推定およびドップラー補償に加えて再符号化を含め、完全に復号すること、場合により、周波数変換、増幅すること、および中継器−端末装置間ホップに転送すること。同様に、端末装置−中継器間ホップのアップリンクで、中継器は、やはり２つのオプションを有する。すなわち、ａ）受信し、ドップラー事前補償（例えば、ダウンリンクからの推定されたドップラー偏移を使用する）し、場合により、周波数変換、増幅、および転送を行うこと、またはｂ）受信し、完全に復号し、ドップラー事前補償（例えば、ダウンリンクからの推定されたドップラー偏移を使用する）を含む再符号化を行い、場合により、周波数変換、増幅、および転送を行うことである。

地対空／空対地リンクと機室内リンクが異なる２つの中央周波数を使用する場合（このことは、一部の実際の実施例において該当する可能性がある）、周波数変換が要求される可能性がある。しかし、地対空／空対地リンクと機室内リンクが同一の中央周波数を使用する場合、周波数変換は要求されない。

前述した実施形態のすべてにおいて、機内無線通信システムは、好ましくは、ＧＰＳ受信機によって、または飛行機の航法システムによって供給される飛行機移動データを使用するように適合されることが可能である。この場合、飛行機機器は、航路、速度などの飛行機移動データを、飛行機内にこの情報を格納するデバイスから取得するように適合される。もちろん、この飛行機移動データは、地上ベースの無線通信システムの関心対象であることも可能であり、このため、空対地リンクを使用して機上無線通信システムから地上ベースの無線通信システムに送信されることが可能である。

このように供給された飛行機移動データは、少なくとも以下のタスクのために非常に興味深い可能性がある。すなわち、送信機または受信機における信号処理、例えば、ドップラー補償のため（地対空リンクと空対地リンクの両方において、ドップラー補償は、事前補償または事後補償である）、２次元ビーム形成、および地上ベースの基地局（空対地リンク）または飛行機（地対空リンク）の追跡のため、ならびに最後に重要なこととして、ハンドオーバ機構を実施するためである。

本発明のさらなる態様は、前述した地上ベースの無線セルラ通信システムと前述した少なくとも１つの飛行機機器の組合せを備える通信システムに関する。そのような通信システムは、飛行機に機内ブロードバンド移動体通信サービスを費用対効果の大きい仕方で提供することを可能にする。

好ましい実施形態において、地上ベースの基地局とトランシーバ・ユニットは、多重化されたユーザ・データを交換するように適合される。この場合、機内無線通信システムは、適切なシグナリング、ならびにユーザ・データの逆多重化を使用することによって、個々の端末装置にユーザ・データを配信するために適合される。

本発明のさらなる態様が、地上ベースの基地局のアンテナ素子アレイにおける２次元ビーム形成を使用して、空間分割多元接続、ＳＤＭＡを使用する少なくとも１つのセルによって範囲に含まれる空間内の少なくとも１つの飛行機にサービスを提供するための少なくとも１つのビームを生成することを備える機内ブロードバンド移動体通信サービスを提供するための方法において実施される。本発明の方法の２次元ビーム形成は、地対空方向と空対地方向の両方で受信機ＳＩＮＲ（信号対雑音干渉比）に関するビーム形成利得につながり、さらに個々のリンクのデータ・スループットも向上する。２次元ビーム形成を提供する本発明の方法は、コンピュータ・プログラム製品として実施されることが可能であり、このコンピュータ・プログラム製品は、適切なソフトウェアまたはハードウェア、特に、ＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）またはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）またはＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）であることが理解されよう。

さらなる特徴および利点が、重要な詳細を示す図面の図を参照して、例示的な実施形態の後段の説明において述べられ、特許請求の範囲によって規定される。個々の特徴は、単独で個々に実施されることが可能であり、あるいは個々の特徴のいくつかが、所望される任意の組合せで実施されることが可能である。

例示的な実施形態が、概略の図面に示され、後段の説明で説明される。

２次元ビーム形成を使用する地上ベースの通信システムの実施形態を示す概略図である。 地上ベースの基地局と機内配信システムの間のブロードバンド通信のための飛行機機器の実施形態を示す図である。

図１は、地上ベースの無線セルラ通信システム１ａの地上ベースの基地局２を示す。地上ベースの基地局２は、地上ベースの通信システム１ａのサービスエリアにわたって広がる地上ベースの通信システム１ａのさらなる基地局（図示せず）に結合されることが可能である。地上ベースの無線通信システム／ネットワークのアーキテクチャに依存して、これらの基地局は、データおよびシグナリングの迂回中継のために互いに、またはコントローラに接続される。コンピュータ・ネットワークへのアクセスを提供するため、地上ベースの基地局２は、ゲートウェイ４によってコア（コンピュータ）ネットワーク３に接続される。この点で、地上ベースの通信システム１ａは、一般的なセルラ移動体通信システムに非常によく似ている。データ・トラフィックのためのコンピュータ・ネットワークの代わりに、音声トラフィックのための音声ネットワークが提供されてもよいことを理解されたい。もちろん、音声通信は、例えば、ボイスオーバーＩＰを使用する際に、データとして扱われることも可能である。

しかし、地上ベースの無線通信システム１ａは、基地局２が、２次元ビーム形成を行うことができる２つのアンテナ素子アレイ５ａ、５ｂを備えるという点で、従来のセルラ移動体通信システムとは異なる。この目的で、アンテナ素子アレイ５ａ、５ｂが、垂直と水平の両方に並べられるのに対して、従来のアンテナ素子アレイは、通常、垂直に積み重ねられ、したがって、複素アンテナ重みは、完全な垂直アンテナ・スタックだけにしか適用され得ず、方位角方向だけでしかビーム形成を許さない。これに対して、アンテナ素子アレイ５ａ、５ｂは、球座標系の方位角方向と仰角方向の両方における２次元ビーム形成を許す。

各アンテナ・アレイ５ａ、５ｂは、基地局２のセルＣ１、Ｃ２（すなわち、セクタ）にサービスを提供し、セルＣ１、Ｃ２は、基地局２を囲む空間の重なり合わない立体角を規定する。これらの適用例に関して、セルＣ１、Ｃ２のセル・サイズ、すなわち、半径は、５０キロメートル以上のオーダであることが可能である。

基地局２は、サービスを受ける飛行機８ａ〜ｅの方位角方向および仰角方向に向けられたビーム６ａ〜ｃ、７ａ〜ｃを形成するためにアンテナ重みを使用して信号処理アルゴリズムを実行するように適合され、基地局２は、飛行機８ａ〜ｅの空間的分離を利用するためにＳＤＭＡスケジューリング・アルゴリズムを実行するようにさらに適合される。

図１の実施例において、飛行機８ａ〜ｃはすべてセルＣ１内で、同一の時間／周波数リソース上で、ただし、飛行機固有の干渉しない異なるビーム６ａ〜ｃ（空間リソース）上でサービスを受けている。セルＣ２内で、飛行機８ｃ〜ｄが、同一の時間／周波数リソース上で、ただし、やはり飛行機固有の干渉しない異なるビーム７ａ〜ｃ上でサービスを受けている。この実施例において、第３の飛行機８ｃが、両方のセルＣ１、Ｃ２の間でハンドオーバ状態にあるので、両方のセルＣ１およびＣ２によるサービスを受けている。ＳＤＭＡに加えて、基地局２のスケジューリング・アルゴリズムは、最適なリソース使用率のために従来の時分割多元接続または周波数分割多元接続を使用することも可能である。

ビーム６ａ〜ｃ、７ａ〜ｃは、ビーム６ａ〜ｃ、７ａ〜ｃが飛行機８ａ〜ｃの現在位置を追跡するように形成される。この追跡は、飛行機８ａ〜ｅの位置に動的に適応させられる（複素）アンテナ重みを使用して飛行機固有の適応ビーム６ａ〜ｃ、７ａ〜ｃを生成することによって実行されることが可能である。また、代替として、利用可能な（固定）ビームの事前定義されたセットの中から１つの一時的に好ましいビームが、サービスを受ける飛行機８ａ〜ｅの位置に応じて選択される、２次元ビーム格子技術が適用されることも可能である。

以下に、地上ベースの無線通信システム１ａの基地局２と（マクロ）セルＣ１内の第１の飛行機８ａの間のリンクが、図２を参照して説明される。飛行機８ａは、地上ベースの基地局Ｃ１を自動的に追跡する有向ビーム１０を生成するために適合された機械的に操向される指向性アンテナとして実施される送受信アンテナ９を有する、飛行機機器１ｂを備える。１つではなく、２つの機械的に操向されるアンテナ、または別の２次元ビーム形成アンテナ・アレイが使用されてもよく、そうすることは、２つの基地局間でハンドオーバが実行されなければならない場合に特に役立つことが理解されよう。また、地上ベースの基地局２のアンテナ・アレイ５ａの２次元送受信ビーム形成が十分な利得をもたらす場合、低いアンテナ利得しか有さない単純な無指向性の送受信アンテナ９が使用されてもよい。

飛行機機器１ｂは、図１の地上ベースの無線セルラ通信システム１ａの基地局２を相手にした空対地通信および地対空通信を扱うための、送受信アンテナ９に接続されたトランシーバ・ユニット１１をさらに備える。さらに、飛行機機器１ｂは、飛行機８ａ内の乗客端末装置１３ａ〜ｃにユーザ・データを配信するため、およびそのような端末装置１３ａ〜ｃからユーザ・データを配信するための機内通信システム１２、ならびにトランシーバ・ユニット１１と機内無線通信システム１２の機上基地局１５との間の通信のための相互通信ユニット１４を備える。機上基地局１５は、移動乗客端末装置１３ａ〜ｃにユーザ・データおよびシグナリング・データを伝送するため、およびそのような端末装置１３ａ〜ｃからユーザ・データおよびシグナリング・データを伝送するために機内アンテナ１６に接続される。通信システム１２によるデータの無線機室内配信の代替として、またはそのような配信に加えて、有線配信が、例えば、乗務員によって、または運用サービスによって使用される端末装置のために使用されることも可能であることが理解されよう。

地上ベースの無線セルラ通信システム１ａの地対空リンク６ａおよび空対地リンク１０を機内無線通信システム１２から分離するために、送受信アンテナ９およびトランシーバ・ユニット１１が、飛行機８ａの外殻１７の外側に配置される一方で、基地局１５、ならびに機内配信システム１２のさらなるアンテナ１６は、飛行機８ａの（場合により、完全に導電性ではない）外殻１７の内側に配置される。代替として、またはさらに、両方の無線システムは、機内通信システム１２と空対地／地対空リンクに関して異なる２つの周波数範囲を使用することによって分離され得ることが理解されよう。異なる２つの周波数範囲を使用することによって分離される場合、飛行機機器１ｂ、特に相互通信ユニット１４は、それらの異なるシステムの中央周波数の間で周波数変換を実行するために適合されることが可能である。

図２の実施例において、トランシーバ・ユニット１１、機上基地局１５、および相互通信ユニット１４は、１つの共通の箱の中に並置されて、アンテナ９、１６と一緒に飛行機機器１ｂを形成する。しかし、飛行機機器１ｂの実際の構成は、飛行機構造によって与えられる設置制約に依存することが当業者には認識されよう。

地上ベースの基地局２と移動飛行機トランシーバ・ユニット１１の間で交換されるデータは、飛行機８ａ内の乗客端末装置１３ａ〜ｃに関する多重化されたデータ、ならびに乗客端末装置１３ａ〜ｃと飛行機トランシーバ・ユニット１１の両方と関係するシグナリングからなる。この場合、重要な点は、地対空リンクおよび空対地リンクで伝送されるデータが、飛行機８ａ内の個々のユーザ（乗客）のためのデータの多重化であること、すなわち、飛行機８ａ内で、そのデータが乗客端末装置１３ａ〜ｃに配信されなければならないことである。これらの乗客端末装置は、通常、乗客が従来の地上ベースの移動体通信システム内でも使用する乗客の通常のデバイスであるので、飛行機８ａ内の無線配信システム１２は、ＧＳＭ、ＵＭＴＳ、またはＬＴＥなどの、少なくとも１つの一般に使用される無線システム標準に準拠しなければならない。このため、飛行機８ａ内のサービス・プロビジョニングは、航空機８ａ内にピコセルＣ３を作り出す機上基地局１５の使用によって達せられる。

代替として、機内無線通信システム１２は、無認可である可能性があるスペクトルで送受信する非セルラ無線通信システムとして、特にＷＬＡＮシステムとして考案され得ることが当業者には認識されよう。また、一般的なセルラ無線通信システムまたは非セルラ無線通信システムと互換性のある乗客所有の端末装置にサービスを提供する代わりに、ブロードバンド・サービスは、飛行機８ａ内に設置された飛行機運用者所有の端末装置によって乗客に提供されてもよい。そのような端末装置は、例えば、飛行機エンターテイメント・システムの一部として飛行機座席に組み込まれてもよい。

また、飛行機８ａ内でピコセル機上基地局１５を使用すること、およびユーザ・データの多重化／逆多重化を実行することの代わりに、移動端末装置１３ａ〜ｃが、図２に示される飛行機機器１ｂの基地局の代わりに使用されている中継局１５を介して、地上ベースの基地局ベースのマクロセルＣ１に直接に接続されてもよい。この場合、１つのホップが、地上ベースの基地局２から導電性の外殻１７の外側の中継アンテナ９まで進み、有線接続が、データを導電性の外殻１７の中に伝送するために提供され、別のホップが、導電性の外殻１７の内側のアンテナ１６によって端末装置１３ａ〜ｃまで提供され、同様に逆にもホップが提供される。また、中継局１５は、標準の端末装置が、例えば、時速９００キロメートルという速度から生じる、高いドップラー周波数にうまく対処することができない可能性があるので、信号品質を向上させるために信号処理技術も使用する。

前述した実施形態のすべてにおいて、機内無線通信システム１２は、好ましくは、ＧＰＳ受信機１８によって、または飛行機８ａの航法システムによって供給される、飛行機移動データを使用するように適合されることが可能である。この場合、飛行機機器１ｂは、例えば、ドップラー周波数を計算するために、航路、速度などの飛行機移動データを使用するように適合されることが可能である。さらに、この飛行機移動データは、空対地リンクを使用して地上ベースの無線通信システム１ａに送信されることも可能である。

また、このように供給された飛行機移動データは、以下のタスクのために使用されることも可能である。すなわち、送信機または受信機における信号処理、例えば、ドップラー補償のため（地対空リンクと空対地リンクの両方における）、２次元ビーム形成、および地上基地局（空対地リンク）または飛行機（地対空リンク）の追跡のため、ならびにハンドオーバ機構を実施するためである。

本明細書で説明される機内ブロードバンド移動体通信システムは、高速インターネット・アクセス、音声、およびメッセージングに限定されず、機室ビデオ監視などのセキュリティ応用例、例えば、地上ベースの「ブラックボックス」を形成するための、飛行データおよび飛行機データのリアルタイム交換、ならびに、例えば、ロジスティックス応用例、例えば、貨物の監視、乗客手荷物の監視（「紛失手荷物追跡」）を包含することも可能であることが当業者には認識されよう。さらに、地上ベースのネットワークへのブロードバンド・リンクを備えた飛行機が、センサ・ネットワークとして使用されて、例えば、地上ベースの無線セルラ通信システム１ａに気象データを供給することも可能である。

好ましい実施形態の以上の説明は、例として与えられてきた。与えられた開示から、当業者には、本発明、および本発明に付随する利点が理解されるだけでなく、開示される構造および方法の様々な変更および変形が明白に認められよう。したがって、本出願人は、添付の特許請求の範囲、および均等の範囲によって規定されるすべてのそのような変更および変形を範囲に含めることを求める。

Claims (25)

1. 機内ブロードバンド移動体通信サービスを提供するための地上ベースの通信システム（１ａ）であって、該通信システムは、
   地上ベースの基地局（２）の上方及び周辺に三次元空間を形成する少なくとも１つのセル（Ｃ１、Ｃ２）を生成するように構成された、少なくとも１つの地上ベースの前記基地局（２）を備え、該地上ベースの基地局（２）は更に、
   空間分割多元接続（ＳＤＭＡ）を使用する前記少なくとも１つのセル（Ｃ１、Ｃ２）によって範囲に含まれる空間内の少なくとも１つの飛行機（８ａ〜ｃ、８ｃ〜ｅ）にサービスを提供するために、前記少なくとも１つのセル（Ｃ１、Ｃ２）を定義する少なくとも１つのビーム（６ａ〜ｃ、７ａ〜ｃ）を生成するための２次元ビーム形成を使用するために構成された、少なくとも１つのアンテナ・アレイ（５ａ、５ａ）を備え、
   前記地上ベースの基地局（２）は、前記２次元ビーム形成によって生成された前記少なくとも１つのビームを用いて、前記少なくとも１つの飛行機（８ａ〜ｃ、８ｃ〜ｅ）を追跡するように構成された、通信システム（１ａ）。
2. 少なくとも１つの前記地上ベースの基地局（２）をコア・ネットワーク（３）に接続するように構成されたゲートウェイ（４）を更に備える、請求項１に記載の地上ベースの通信システム。
3. 前記２次元ビーム形成によって生成された前記少なくとも１つのビームが、対応する前記飛行機を追跡することを容易にするための飛行機固有の適応ビーム（６ａ〜ｃ、７ａ〜ｃ）を備える、請求項１に記載の地上ベースの通信システム。
4. 前記２次元ビーム形成によって生成された前記少なくとも１つのビームが複数のビーム格子を含み、該複数のビーム格子に対して、該複数のビーム格子からの好ましいビームの選択が行なわれ、該選択が、対応する前記飛行機を追跡することと合わせて、ある時間に亘って繰り返される、請求項１に記載の地上ベースの通信システム。
5. 前記地上ベースの基地局（２）が、飛行機移動データを使用して、前記少なくとも１つのアンテナ（９）によって送受信された信号のドップラー補償および／または周波数変換を実行するように構成された、請求項１に記載の地上ベースの通信システム。
6. 前記地上ベースの基地局（２）が、多重化されたデータを前記少なくとも１つの飛行機と交換するように構成された、請求項１に記載の地上ベースの通信システム。
7. 機内ブロードバンド移動体通信サービスを飛行機に提供するための飛行機機器（１ｂ）であって、該飛行機機器（１ｂ）は、
   地上ベースの基地局（２）を有する地上ベースの通信システム（１ａ）を相手にユーザ・データを交換するように構成された、少なくとも１つのアンテナ（９）と、
   前記地上ベースの基地局（２）との空対地通信および地対空通信を扱うように構成され、前記少なくとも１つのアンテナ（９）に接続されたトランシーバ・ユニット（１１）と、
   前記飛行機（８ａ）内の端末装置（１３ａ〜ｃ）に前記ユーザ・データを配信し、そして、該端末装置（１３ａ〜ｃ）から該ユーザ・データを配信するように構成された、飛行機内通信システム（１２）と、
   前記トランシーバ・ユニット（１１）と前記飛行機内通信システム（１２）との間で通信する相互通信ユニット（１４）とを備え、
   前記地上ベースの基地局（２）は、
   前記地上ベースの基地局（２）の上方及び周辺に三次元空間を形成する少なくとも１つのセルを定義するための少なくとも１つのビームを生成するために、２次元ビーム形成を用いるように構成され、且つ、
   空間分割多元接続（ＳＤＭＡ）を使用する前記少なくとも１つのセル（Ｃ１、Ｃ２）の範囲内の前記飛行機（８ａ〜ｃ、８ｃ〜ｅ）にサービスを提供するように構成され、且つ、
   前記２次元ビーム形成によって生成された前記少なくとも１つのビームを用いて、前記飛行機（８ａ〜ｃ、８ｃ〜ｅ）を追跡するように構成される、
   飛行機機器（１ｂ）。
8. 前記少なくとも１つのアンテナ（９）は前記飛行機（８ａ）の外殻（１７）の外側に配置され、前記機内通信システム（１２）は、前記飛行機（８ａ）の前記外殻（１７）の内側に配置される、請求項７に記載の飛行機機器（１ｂ）。
9. 前記少なくとも１つのアンテナ（９）は、機械的に操向される指向性アンテナまたは２次元ビーム形成アンテナ・アレイを含む、請求項７に記載の飛行機機器（１ｂ）。
10. 前記機内通信システム（１２）が機上無線通信システムを具備し、該機上無線通信システムが、
    前記飛行機（８ａ）内でセル（Ｃ３）を生成するための少なくとも１つの機上基地局（１５）を備える、
    請求項７に記載の飛行機機器（１ｂ）。
11. 前記機上無線通信システムが、ＧＳＭ、ＵＭＴＳ、およびＬＴＥを含むグループの内の少なくとも１つの無線通信標準に準拠する、請求項１０に記載の飛行機機器（１ｂ）。
12. 前記機内通信システム（１２）が、ＷＬＡＮシステムを含む、請求項７に記載の飛行機機器（１ｂ）。
13. 前記機内通信システム（１２）が、
    前記飛行機（８ａ）内に設置された複数の飛行機運用者所有の端末装置（１３ａ〜ｃ）を備える、
    請求項７に記載の飛行機機器（１ｂ）。
14. 前記機内通信システム（１２）が、
    中継局（１５）を備える、
    請求項７に記載の飛行機機器（１ｂ）。
15. 飛行機移動データを使用して、前記少なくとも１つのアンテナ（９）によって送受信された信号のドップラー補償および／または周波数変換を実行するように構成された、請求項７に記載の飛行機機器（１ｂ）。
16. 前記トランシーバ・ユニット（１１）が、多重化されたデータを前記地上ベースの基地局（２）と交換するように構成された、請求項７に記載の飛行機機器（１ｂ）。
17. 前記２次元ビーム形成によって生成された前記少なくとも１つのビームが、前記飛行機を追跡することを容易にするための飛行機固有の適応ビーム（６ａ〜ｃ、７ａ〜ｃ）を備える、請求項７に記載の飛行機機器（１ｂ）。
18. 前記２次元ビーム形成によって生成された前記少なくとも１つのビームが複数のビーム格子を含み、該複数のビーム格子に対して、該複数のビーム格子からの好ましいビームの選択が行なわれ、該選択が、対応する前記飛行機を追跡することと合わせて、ある時間に亘って繰り返される、請求項７に記載の飛行機機器（１ｂ）。
19. 対応する前記機械的に操向される指向性アンテナまたは２次元ビーム形成アンテナ・アレイが、前記地上ベースの基地局（２）を追跡するように構成された、請求項９に記載の飛行機機器（１ｂ）。
20. 前記飛行機移動データが、ＧＰＳ受信機（１８）又は前記飛行機の航法システムから、飛行機機器（１ｂ）によって受信される、請求項１５に記載の飛行機機器（１ｂ）。
21. 機内ブロードバンド移動体通信サービスを提供する方法であって、該方法は、
    地上ベースの基地局（２）のアンテナ素子アレイ（５ａ、５ｂ）から少なくとも１つのビームを生成するために、２次元ビーム形成を実行するステップと、
    空間分割多元接続（ＳＤＭＡ）を使用する前記地上ベースの基地局（２）からの前記少なくとも１つのセル（Ｃ１、Ｃ２）の内の飛行機（８ａ〜ｃ、８ｃ〜ｅ）にサービスを提供するステップと、
    前記２次元ビーム形成によって生成された前記少なくとも１つのビームを用いて、前記地上ベースの基地局（２）から前記飛行機（８ａ〜ｃ、８ｃ〜ｅ）を追跡するステップと、
    を備え、
    前記少なくとも１つのビームは、前記地上ベースの基地局（２）の上方及び周辺に三次元空間を形成する少なくとも１つのセルを定義する、方法。
22. 前記２次元ビーム形成によって生成された前記少なくとも１つのビームが、前記飛行機を追跡することを容易にするための飛行機固有の適応ビーム（６ａ〜ｃ、７ａ〜ｃ）を備える、請求項２１に記載の方法。
23. 前記２次元ビーム形成によって生成された前記少なくとも１つのビームが複数のビーム格子を含み、該複数のビーム格子に対して、該複数のビーム格子からの好ましいビームの選択が行なわれ、該選択が、対応する前記飛行機を追跡することと合わせて、ある時間に亘って繰り返される、請求項２１に記載の方法。
24. 前記地上ベースの基地局（２）が、飛行機移動データを使用して、前記少なくとも１つのアンテナ（９）によって送受信された信号のドップラー補償および／または周波数変換を実行するように構成された、請求項２１に記載の方法。
25. 前記飛行機移動データが、ＧＰＳ受信機（１８）又は前記飛行機の航法システムによって生成され、前記飛行機から前記地上ベースの基地局（２）によって受信される、請求項２４に記載の方法。

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