JP7671765B2 - Ｌｔｅ信号の周波数誤差を補償する変調信号を用いたシステム - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２０２０年１月１５日に出願されたインド特許出願第２０２０１１００１８１４号、および２０２０年６月１日に出願された米国仮出願第６３／０３３０８７号の優先権の利益を主張するものであり、それらの出願の内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれ、依拠される。

米国特許第９，９７３，２６６号は、宇宙空間で多数の小型衛星アンテナアセンブリを組み立てて大きなアレイを形成するためのシステムを開示している。‘２６６特許の全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。‘２６６特許に開示されているように、図１（ａ）、１（ｂ）は、複数の小型衛星３０２のアレイ３００と、中央または制御衛星２００とを有する衛星通信システム１００を示す。小型衛星３０２は、地球上のフットプリント４００内のエンドユーザ５００と通信し、また制御衛星２００と通信し、制御衛星２００は、さらに基地局におけるゲートウェイ６００と通信する。複数の小型衛星３０２はそれぞれ、例えば、処理装置（例えば、プロセッサまたはコントローラ）および１つまたは複数のアンテナ要素を含むことができる。そして、制御衛星２００は、処理装置と１つまたは複数のアンテナまたはアンテナ要素とを含むことができる。

地上の携帯電話基地局は、無線送受信に関して、例えば、３ＧＰＰ（登録商標）ＴＳ ３６．１０４ Ｖ１２．１０．０（２０１６－０１）などの現行仕様に準拠する必要がある。特に、この仕様は、基地局から送信される信号の周波数精度および安定性の要件に言及している。地上の基地局は、高精度かつ安定したクロック源を使用することで、この要求に対応することができる。

人口の少ない遠隔地や外洋の船舶に経済的に効率的な接続を提供するためには、地球局装置（図２参照）は、スペクトル使用率とアンテナサイズとの都合から、Ｑ／Ｖバンドインターフェース１６による、より高いスペクトルバンドにアップコンバートされた後、典型的にはＭＵＸ／ＤＥ－ＭＵＸ１５内のマルチプレクサにより周波数多重された複数の信号を基地局処理装置１３から（宇宙に向かって）放射する。

宇宙では、これらの信号は衛星機器（図３参照）により受信され、Ｑ／Ｖバンドインターフェース２６によってベースバンド信号にダウンコンバートされ、ＭＵＸ／ＤＥ－ＭＵＸ補償器２５内のデマルチプレクサ（逆多重化装置）によってデマルチプレクス（逆多重化、分離）され、元のモバイルスペクトルにアップコンバートされ、送信／受信機２７により、地上のユーザ機器に、広域基地局の範囲を模した広いフィールドオブビュー（ＦｏＶ）にわたりリレーされる。

このような場合、地球局のクロック源１４と衛星装置のクロック源２４の周波数の違いや、地球局に対し非静止の衛星の運動によるドップラー効果により、信号周波数の精度を確保することは非常に困難である。これらは、高精度の安定したクロックと信号のドップラー補償とを用いることである程度対処できるが、衛星の位置（および動き）の予測誤差やクロック発振器の短期的な（不安定な）安定性による周波数の未補正誤差は、許容誤差（現在は広域基地局で＋／－０．０５ｐｐｍ）を容易に超えてしまう。例えば、‘２６６特許は、アレイ３００が複数のビームを形成し、各ビームが衛星エフェメリス（衛星歴）とビーム中心の緯度経度に基づき、衛星によって引き起こされるドップラー周波数シフトを予め補償することを開示している。

地球局と衛星間の無線通信リンクは、通常、衛星を介してユーザー機器（ＵＥ）に中継される送信信号と衛星を介して受信するＵＥからの信号との搬送（伝送）に加えて、衛星のサブシステムの監視および制御（モニターおよびコントロール、Ｍ＆Ｃ）を目的とする信号を搬送（伝送）する。

図１（ａ）は、公知のフェーズドアレイを示す図である。 図１（ｂ）は、公知のフェーズドアレイを示す図である。

図２は、本開示の一実施形態の地球局の装置および送信されたベースバンドスペクトルを示すブロックダイアグラムである。

図３は、本開示の一実施形態の非静止衛星の装置および受信されたベースバンドスペクトラムを示すブロックダイアグラムである。

図４は、ＵＥからｅＮｏｄｅＢへのアップリンク信号のフローを示すフローダイアグラムである、および

図５は、ｅＮｏｄｅＢからＵＥへのダウンリンク信号のフローを示すフローダイアグラムである。

詳細な説明

非限定的な実施形態を説明する際、図面に図示された本開示の例示の際に、特定の用語が、明確化のために援用されるであろう。しかしながら、本開示は、そのように選択された特定の用語に限定されることを意図しておらず、各特定の用語は、同様の目的を達成するために同様の方法で動作するすべての技術的同等物を含むと理解される。本開示のいくつかの実施形態は、例示のために記載されているが、本開示は、図面に具体的に示されていない他の形態で具現化され得ることが理解される。

図面を参照すると、図２、３は、本開示の１つの非限定的な例示的実施形態におけるシステムおよび方法を示している。図２は、地上局システムを有する地上局を示しており、地上局のシステムは、基地局（セルタワー（携帯基地局）で使用されるものと同様）用の処理装置１３と、信号遅延およびドップラー補償器（補正装置）１５と、Ｑ／Ｖバンドインターフェース１６と、安定クロック源１４と、モデム１１とを含む。処理装置１３は、ｅＮｏｄｅＢまたは複数のｅＮｏｄｅＢのバンクなどであってもよく、補償器１５と信号を通信し、次にインターフェース１６に信号を伝達する。ｅＮｏｄｅＢ１３は、補償器１５に信号を送信し、補償器１５は、遅延およびドップラーの補償（補正）を行い、さらに、信号を結合するためのマルチプレクサを含む。そして、補償された信号は、インタフェース１６でアップコンバートされ、衛星に送信される。クロック源１４は、ｅＮｏｄｅＢ１３、補償器１５、およびインタフェース１６と通信し、安定かつ正確なクロッキング信号を提供することによりｅＮｏｄｅＢ１３、補償器１５、およびインタフェース１６を稼働させる。

衛星装置（図３）は衛星システムを有し、衛星システムは、Ｑ／Ｖバンドインターフェース２６と、マルチプレクサ、デマルチプレクサおよび周波数補正を行うプロセッサ補償器２５と、Ｔｘ／Ｒｘトランシーバ２７と、モデム２１とを含む。地上局からの信号は、インタフェース２６でダウンコンバートされ、衛星の補償器２５でデマルチプレクス（逆多重化）される。トランシーバ（送受信機）２７は、周波数補正された信号を、広域基地局のカバレッジ（範囲）を模した広い視野（フィールドオブビュー、ＦｏＶ）上で（にわたり）、地上のユーザ機器（例えば、スマートフォンなどの携帯端末）に中継（リレー）する。クロック源２４は、インタフェース２６と、衛星の補償器２５と、トランシーバ２７と通信し、インタフェース２６、補償器２５、およびトランシーバ２７を動作させる（駆動する）ためのクロック信号を提供する。戻り（アップリンク）経路において、エンドユーザ５００からの信号は、トランシーバ２７によって受信され、補償器２５においてマルチプレクス（多重化）され、インタフェース２６を介してゲートウェイに再送信される。

衛星システムにおいて、衛星モデム２１は、衛星補償器２５に接続されている。衛星モデム２１は、補償器２５のマルチプレクサ－デマルチプレクサから、監視および制御（モニターおよびコントロール、Ｍ＆Ｃ）データ２３を受信し、その一部が地上局との周波数エラー（周波数誤差）２２として衛星補償器２５内の周波数シフタに供給される。Ｍ＆Ｃデータ２３は、ビーム数、ビーム周波数、スペクトル割り当て、帯域幅などのデータを含んでもよく、コントロールセンタ、ｅＮｏｄｅＢ１３または補償器１５から取得してもよい。周波数誤差は、ゲートウェイおよび衛星におけるクロック源１４、２４の相対的な周波数誤差、および衛星の位置および運動状態（ダイナミクス）の予測における誤差（それによりゲートウェイにおけるドップラー周波数の補償が不正確になる）に起因して発生する。衛星システムは、Ｍ＆Ｃチャンネル２３のオンボードモデム２１に含まれる復調器のキャリアオフセット検出機能を利用する。モデム２１は、予想周波数（Ｍ＆Ｃチャンネルのスペクトル割り当てに基づく）と衛星において観測された周波数との差である周波数誤差（周波数エラー）Δｆ２２を検出し、これは、地上における基地局１３の出力から衛星上のベースバンド変換２６の出力までの信号経路においてもたらされるものであり、モデムの復調部のキャリア周波数推定機能を用いてベースバンド信号を解析し、ベースバンド変換２６においてＭ＆Ｃチャンネル２３の受信キャリアｆ_ｃを推定し、それをＭ＆Ｃチャンネル２３の予想される周波数（ｆ_ｃ）から減じることによって行われる。これは、ダウンリンクのビーム信号の周波数誤差を同様に補正するためである。

補償器２５のデマルチプレクサ（逆多重機能、分離機能）は、ダウンリンクビーム毎に信号を分離した後、Δｆの負（ネガティブ）に等しい周波数シフトを適用し、その後、フェーズドアレイ２７（例えば、デジタルフェーズドアレイ）でＬＴＥバンドに変換して地上のユーザ機器（ＵＥ）に信号を放射するために送信する。フェーズドアレイ２７は、例えば、図１に示され、米国特許第９，９７３，２６６号に開示されているような、複数の小型衛星と制御衛星とを有するフェーズドアレイとすることができる。

同様に、逆方向では、地上局のモデム１１はインターフェース１６および１５を介して制御衛星からＭ＆Ｃチャンネルデータを受信する。Ｍ＆Ｃチャンネルの地上局のホストモデム１１内の復調器は、ＭＵＸ／ＤＥ－ＭＵＸ（マルチプレクサ／デマルチプレクサ）１５でベースバンド信号を解析して受信キャリアｆ_ｃを推定し、それを予想される周波数（予想された周波数、期待された周波数、ｆ_ｃ）から差し引くことによりＭ＆Ｃチャンネルの周波数誤差１２を推定する。予想される周波数（期待される周波数）は、Ｍ＆Ｃデータから得ることができる。デマルチプレクサ（逆多重装置、分離装置）１５は、各ビームから受信した信号を分離した後、Δｆの負（負の部分、ネガティブ）に等しい周波数シフトを施してから、ｅＮｏｄｅＢ１３（通常の地上波リンクの基地局側）に送信する。このように、基地局およびＵＥは、それぞれの入力において、通常の３ＧＰＰ（登録商標）規格に準拠した地上の携帯電話ネットワークで受信するであろう場合と同じ周波数精度の信号を受信する。

搬送波信号の周波数誤差（地上から衛星、衛星から地上の両方向）は３ＧＰＰ（登録商標）規格に反し、通信の劣化や途絶を引き起こす可能性がある。周波数誤差は、主に２つの要因で発生する。受信された搬送波周波数（キャリア周波数）ｆ_ｉ’は、「ｆ_ｉ’＝ｆ_ｉ＋Δｆ，ｆｏｒ ｉ＝０．．．ｎ」で表され、ここでΔｆは、以下の合計による周波数オフセットである。（ａ）地球局でのアップ／ダウン変換に使用されるクロック源１４と、衛星でのアップ／ダウン変換に使用されるクロック源２４との差（相違）、および（ｂ）地球局の補償器１５でのドップラー補償後の残留ドップラー。搬送波周波数ｆ_ｉは、ＵＥに送信するｉ番目の信号の搬送波周波数である。搬送波周波数ｆ_ｉは、予想される周波数ｆ_ｃで検出された誤差に基づいて補正する必要がある。衛星が軌道上を移動すると、地上局では信号の遅延が変化し、その結果がドップラーシフトとなる。システムは、衛星の位置の予測に基づき遅延およびドップラーを考慮して信号を時間的および周波数的にシフトさせることで、衛星に送信する信号を予め補正（補償、プレコンペンセイト）する。しかしながら、信号が衛星に到達した時点で誤差が残っている可能性がある。したがって、ドップラー補正は、予測されたドップラーに基づいて行われるが、予測は不正確であることがあり、モデム１１の復調器によって検出される残留誤差が残ることがあり得る。一実施形態では、周波数補正は、遅延およびドップラーの補正に加えて、遅延およびドップラー補正の後に行われる。

このΔｆは、Ｍ＆Ｃチャンネル（監視および制御チャンネル）とｅＮｏｄｅＢ／ＵＥのキャリア（搬送波）で同じである。したがって、衛星／地上局のＭ＆Ｃ復調器で推定されると、地上のｅＮｏｄｅＢから受信したすべての基地局信号や衛星を介して受信したＵＥからの信号の中心周波数を補正するために使用される。この誤差は、ゲートウェイから衛星間、衛星からゲートウェイの間の各方向で異なる可能性がある。

図面を参照すると、図４、５は、上記で説明したプロセスを、アップリンク３０およびダウンリンク７０の信号経路のそれぞれについて信号フローダイアグラムの形態で示している。図３、４を参照すると、アップリンク動作３０は、ステップ３２で始まり、衛星機器、例えば、ビームフォーミングフェーズドアレイ２７が、ビームを形成し、ユーザ機器からのアップリンク信号を収集する。これらは、中間周波数ＩＦでモデム２１の変調器（ステップ３３）からのＭ＆Ｃ信号（監視および制御信号）とともに補償器２５のマルチプレクサによって多重化され（ステップ３４）、インターフェース２６によってＶバンド周波数にアップコンバートされ（ステップ３６）、ＨＰＡとアンテナによって増幅されゲートウェイに向かって放射される（ステップ３８）。

ここで図２、４を参照すると、ゲートウェイ装置１０のインターフェース１６はアンテナおよび低雑音増幅器（ＬＮＡ）を有し、ステップ３８で衛星インターフェース２６から放射された信号を収集し（ステップ５２）、Ｖ－バンド（Ｖ帯域）からＩＦ周波数にダウンコンバートする（ステップ５４）。次に、補償器１５は、アップリンク信号とＭ＆Ｃ信号をデマルチプレクス（逆多重化、分離）し（ステップ５６）、遅延およびドップラーの変動を補償（補正）する（ステップ５８）。Ｍ＆Ｃ信号は、衛星２０から受信される（ステップ３３）。Ｍ＆Ｃ信号はモデム１１の復調器に送られ（ステップ５７）、キャリアオフセットまたは周波数誤差Δｆ_ｕが推定（例えば、スペクトル分析分解能に依存して、これは１パーセント程度の僅かなものになり得る）される。その後、アップリンク信号は、補償器１５によって、Ｍ＆Ｃ信号に基づいて決定された推定された周波数誤差に対して補正され（ステップ５９）、その後、ｅＮｏｄｅＢｓ１３に送られ（ステップ６４）、ユーザ機器（ＵＥ）で発信（生成）されたアップリンク信号の処理が行われる。

ダウンリンク信号の動作を図２、５に示す。ここで、ｅＮｏｄｅＢ１３を含むゲートウェイ装置１０は、ステップ７２で、ＵＥにダウンリンク信号を供給する。これと並行して、ネットワークコントロールセンターからＭ＆Ｃ（監視および制御）データが送信され（ステップ７４）、モデム１１の変調器により変調される（ステップ７５）。補償器１５は、アップリンク信号およびＭ＆Ｃ信号の遅延およびドップラーの変動を補償する（ステップ７３）。そして、補償器１５のマルチプレクサは、信号を中間周波数（ＩＦ）に多重化する（ステップ７６）。そして、インターフェース１６は、信号をＱバンド周波数（Ｑ帯域の周波数）にアップコンバートし（ステップ７７）、ＨＰＡおよびアンテナにより信号を増幅して衛星に向けて放射する（ステップ７８）。

衛星装置２０は、ステップ７８においてインターフェース１６が放射した信号を受信するためのアンテナおよびＬＮＡを有する。フェーズドアレイは、Ｑバンドの信号をＩＦに変換する（ステップ８３）。信号は、補償器２５のデマルチプレクサによって、デマルチプレクサ（逆多重化、分離）される（ステップ８４）。Ｍ＆Ｃ信号は、地上局１０から受信され（ステップ７５）、次に、モデム２１の復調器に供給され（ステップ８５）、キャリアオフセット（搬送波のオフセット）または周波数誤差Δｆ_ｄ２２が推定される（例えば、スペクトル分析分解能に依存して、これは１パーセント程度の微小なものであってもよい）。次に、補償器２５において、ダウンリンク信号は、遅延およびドップラーを補償され、次に、モニタおよび制御信号において推定された周波数誤差が補正され（ステップ８６）、その後、ビームフォーミングフェーズドアレイ２７によってＵＥに放射される（ステップ８８）。

また、このシステムは他の通信システムにおいても用いることが可能であり、その通信システムにおいては、複数のチャンネルを多重化して共通の無線リンクで通信し、そのうちの１チャンネルのみのベースバンド信号を解析し、その周波数誤差を推定することができ、それは全チャンネルに共通するので、受信機での信号の周波数誤差を補正することができる。

示された実施形態において、複数の小型衛星３０２および／または中央衛星２００は、図４、５に示された操作（動作）など、本開示に基づく様々な機能および動作を実行するための処理装置または処理構成要素を含むことができる。さらに、地上局は、処理装置１３および処理構成要素を有し、衛星は、処理構成要素を有し、処理装置を有することができる。処理装置は、例えば、コンピューティングデバイス、プロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、またはコントローラとすることができる。処理装置は、例えば、有線または無線通信リンク、および／またはアナログもしくはデジタルメモリもしくはデータベースなどの１または複数の記憶装置を含む多種多様な構成要素またはサブシステムのうちの少なくとも１つを備えることができる。開示されたシステムおよび方法において利用されるシステム、プロセス、および／またはデータの全て、または一部は、記憶装置上に記憶されるか、または記憶装置から読み出されることができる。処理装置は、記憶装置上に格納することができるソフトウェアを実行することができる。他に示されない限り、プロセスは、好ましくは、プロセッサによって実質的にリアルタイムで遅延なく自動的に実施される。

図２～３の実施形態では、システムは、周波数誤差を決定するための復調器と、受信信号に対し誤差補正を適用するための補償器（コンペンセータ、補正器）とを有する。しかしながら、周波数誤差を決定するために、例えば、コンパレータ（比較器）のような装置、また、誤差補正を適用するために、例えば、減算器のような、任意の適切な構成要素が提供され得る。システムは、Ｑ／Ｖバンドインターフェース、ｅＮｏｄｅＢ、マルチプレクサ、およびデマルチプレクサなどの、一般的な処理通信コンポーネントを有することにさらに留意されたい。他の任意の適切な構成要素を利用することができ、上記の構成要素および動作が必須ではないことは明らかであるべきである。例えば、周波数誤差の推定は、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、またはＱ／Ｖバンドインターフェースを含まないシステムで実施することができる。

前述の説明及び図面は、本開示の原理の例示に過ぎないと考えるべきであり、本開示は様々な方法で構成され得るとともに、本明細書に記載された実施形態によって限定されることを意図していない。本開示の多数の応用は、当業者にとって容易に想起されるであろう。したがって、開示された特定の例、または示され説明された正確な構造および動作に本開示を限定することは望まれない。むしろ、全ての好適な変更および等価なものは、本開示の範囲内に含まれる。

Claims (19)

1. 送信信号と監視および制御信号とを受信するように構成されたアンテナと、
   前記送信信号と前記監視および制御信号とを逆多重化し、逆多重化された送信信号と逆多重化された監視および制御信号とを提供するよう構成されたデマルチプレクサと、
   前記逆多重化された送信信号と前記逆多重化された監視および制御信号との遅延およびドップラー変動を補償し、遅延およびドップラーが補償された送信信号と遅延およびドップラーが補償された監視および制御信号とを提供するように構成された補償器と、
   前記遅延およびドップラーが補償された監視および制御信号を受信するように構成された復調器を含むモデムであって、前記復調器は、前記遅延およびドップラーが補償された監視および制御信号における残留周波数誤差を決定するように構成されている、モデムとを有し、
   前記補償器は、前記残留周波数誤差に対して前記遅延およびドップラーが補償された送信信号を補償し、残留周波数誤差が補償された送信信号を提供するようにさらに構成されている、通信用の地上局。
2. 請求項１において、
   前記残留周波数誤差が補償された送信信号を処理するように構成された処理装置をさらに有する、地上局。
3. 請求項１または２において、
   前記送信信号は、アップリンク信号を含む、地上局。
4. 請求項２において、
   前記処理装置は、ｅＮｏｄｅＢを含む、地上局。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記復調器は、前記遅延およびドップラーが補償された監視および制御信号の搬送波信号に対する周波数オフセットを決定することにより、前記残留周波数誤差を決定するように構成されている、地上局。
6. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記復調器は、前記遅延およびドップラーが補償された監視および制御信号の受信された搬送波周波数から、前記遅延およびドップラーが補償された監視および制御信号の予想される周波数を減算することにより、前記残留周波数誤差を決定するように構成されている、地上局。
7. 請求項６において、
   前記復調器は、前記受信された搬送波周波数を決定するように構成されている、地上局。
8. 請求項１ないし７のいずれかにおいて、
   前記アンテナは、前記送信信号を、衛星を介してユーザ機器から受信するように構成されている、地上局。
9. 送信信号と監視および制御信号とを受信するように構成されたアンテナと、
   遅延およびドップラー変動が補償された前記監視および制御信号の残留周波数誤差を決定するように構成された復調器と、
   前記残留周波数誤差に対して前記送信信号を補償して残留周波数誤差が補償された送信信号を提供するように構成された補償器とを有する通信用の地上局。
10. 請求項９において、
    前記復調器は、前記監視および制御信号の搬送波信号に対する周波数オフセットを決定することにより、前記残留周波数誤差を決定するように構成されている、地上局。
11. 請求項９において、
    前記復調器は、前記監視および制御信号の受信された搬送波周波数から、前記監視および制御信号の予想される周波数を減算することにより、前記残留周波数誤差を決定するように構成されている、地上局。
12. 請求項１１において、
    前記復調器は、前記受信された搬送波周波数を決定するように構成されている、地上局。
13. 地上局から送信信号と監視および制御信号とを受信するように構成された受信アンテナと、
    前記送信信号と前記監視および制御信号を逆多重化し、逆多重化された送信信号と逆多重化された監視および制御信号とを提供するよう構成されたデマルチプレクサと、
    前記逆多重化された監視および制御信号を受信するように構成された復調器を含むモデムであって、前記復調器は、前記逆多重化された監視および制御信号であって、遅延およびドップラー変動が補償された監視および制御信号における残留周波数誤差を決定するように構成されている、モデムと、
    前記残留周波数誤差に対して前記逆多重化された送信信号を補償し、残留周波数誤差が補償された送信信号を提供するように構成された補償器とを有する通信用のシステム。
    
14. 請求項１３において、
    前記残留周波数誤差が補償された送信信号をユーザ機器に送信するように構成された送信アンテナをさらに有する、システム。
15. 請求項１４において、
    前記送信アンテナは、フェーズドアレイを含む、システム。
16. 請求項１３ないし１５のいずれかにおいて、
    前記復調器は、前記遅延およびドップラーが補償された監視および制御信号の搬送波信号に対する周波数オフセットを決定することにより、前記残留周波数誤差を決定するように構成されている、システム。
17. 請求項１３ないし１５のいずれかにおいて、
    前記復調器は、前記遅延およびドップラーが補償された監視および制御信号の受信された搬送波周波数から、前記遅延およびドップラーが補償された監視および制御信号の予想される周波数を減算することにより、前記残留周波数誤差を決定するように構成されている、システム。
18. 請求項１７において、
    前記復調器は、前記受信された搬送波周波数を決定するように構成される、システム。
19. 請求項１３ないし１７のいずれかにおいて、
    前記通信用のシステムは、衛星システムを含む、システム。

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