複数の陸上セルサイトとの同時通信のためのマルチリンク航空機セルラーシステム
マルチリンク航空機セルラーシステムは、航空機上に装着された複数の物理的に分離したアンテナと、付加的に任意の信号絶縁及び最適化技術とを利用して、空対地セルラー通信ネットワークの通話処理容量を改善する。これらの付加的な技術には、偏波ドメイン及び地上アンテナパターン整形（方位角、仰角、又は両平面における）を含むことができる。更に、コードドメイン分離を付加した場合、能力の劇的な向上が実現する。従って、空対地セルラー通信ネットワークは、２つ以上のセル又はセクタ間でそのトラフィック負荷を共有することにより、更に航空機に装着された複数の物理的に分離したアンテナを利用すると共に、付加的に任意の信号絶縁及び最適化技術を利用することによって航空機単位でその機能を強化することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルラー通信に関し、詳細には、航空機と複数の陸上セルサイトとの間に複数の無線周波通信リンクを同時に供給するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
セルラー通信の分野では、航空機がその軌道を飛行し、空港に接近／空港を出発するときに、複数の航空機の乗客の通信要件を効率的且つ連続的に満たすことには問題がある。
【０００３】
典型的な空対地セルラー通信ネットワーク（地対空リンクを含む）は、多数の陸上（地上）基地局から成り、その各々は、セルサイト送信アンテナの周りに放射状に配置される予め設定された空間容積において無線周波数カバレッジエリアを提供する。この陸上基地局は、地上発信信号又は地上反射信号の受信の影響を受けず、上空方向にのみ伝送可能であるアンテナパターンを用いる。陸上基地局は、地理的に分散されており、一般的には、標準セルラー通信ネットワークレイアウトに従う。また、陸上基地局は、航空機が着陸状態にあるときにネットワークカバレッジを有効にするように空港近傍の同一の場所に配置することもでき、この場合には、アンテナパターンは、陸上に配置された航空機に対して最適化される。各陸上基地局のカバレッジエリアの境界は、実質的に隣接するサイトの境界と実質的に連続し、一般に、空対地セルラー通信ネットワークにおける陸上基地局の全ての複合カバレッジが、目標エリアに対するカバレッジを提供するようにする。陸上基地局は、単一の送受信アンテナシステムと関連付けられたトランシーバを用いたカバレッジの単一のオムニセル、或いは、各々が関連トランシーバ及び関連送受信アンテナを備えた、カバレッジのセル内に複数のセクタを設けることができる。陸上基地局当たりに複数のセクタを備える後者の構成の利点は、当該陸上基地局のカバレッジエリアにおける通話処理容量を増大させることができることである。
【０００４】
利用可能な総無線周波数スペクトルには制限があり、従って、あらゆる単一セルにおける利用可能な総通話処理容量には制限がある。無線通信装置が、１つのセル又はセルのセクタのカバレッジエリアから空間的に連続した隣接セル又はセルのセクタのカバレッジエリア内に移動すると、その無線通信装置からの通信は、第１のセル（又は第１のセクタ）から第２のセル（又は第２のセクタ）にハンドオーバされる。これには、この無線通信装置により示される新しい負荷をサポートするために、第２のセルに利用可能な通話処理容量が十分にあることが必要である。単一のパーソナル無線通信装置に必然的に伴うコールハンドオフは、セルに大きな過渡的負荷をもたらさない。しかしながら、空対地セルラー通信ネットワークでは、各航空機には数百の乗客がおり、各々がネットワーク容量を奪い合うので、航空機内で現在作動中のセルラー通話の数は、陸上セルサイトの通話処理容量の大部分に相当する可能性がある。セルサイトがサービスを提供することができる航空機が少数であり、セル内での航空機の平均通過時間が長い場合には、現在サービスを提供されている航空機がセルから離れてセル内の通話処理容量を解放する前に到着する可能性がある航空機に対してサービスを提供するために、アイドル容量が大きな割当量がなければならない。加えて、航空機とサービング陸上セルサイトとの間に単一の無線周波数リンクを用いることは、サービス提供が中断されると多数の通話に影響を及ぼすシングルポイント障害になることを意味する。
【０００５】
従って、航空機と空対地セルラー通信ネットワークの陸上基地局との間の無線周波通信リンクの能力は限定されており、シングルポイント障害を示し、更に、サービング陸上セルサイトの通話処理容量に関して通話ハンドオフ問題を示す。
【０００６】
必要とされているのは、空対地セルラー通信ネットワーク通話処理容量問題を解決し、システム可用性、システム信頼性、及びシステム容量を飛躍的に改善する当該技術分野の進歩である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上に記載した問題は、本明細書では「マルチリンク航空機セルラーシステム」と呼ばれる本発明の「複数の陸上セルサイトと同時に通信するためのマルチリンク航空機セルラーシステム」により解決される。
【０００８】
この技術的説明において、「空対地」セルラー通信ネットワークは、双方向性とみなされ、全２重無線通信リンクを生成するために地対空方向を含む。従って、本明細書では、空対地の記載には地対空方向をも含むものとする。
【０００９】
帯域幅が制約された空対地セルラー通信ネットワークは、２つ以上のセル又はセクタ間の航空機のトラフィック負荷を共有することにより航空機毎の単位で通話処理容量を増大させることができる。このプロセスは、複数の陸上セル又はセクタ（或いは所与のセルのセクタ）に対しての２つ以上の空対地無線周波通信リンクを通じた航空機の通話トラフィックを同時に通信させることにより機能する。所与の無線周波数スペクトル割り当ての場合、複数の空対地無線周波通信リンク上での通話トラフィックを複数の陸上セル又はセクタに対して広げると、実装される各付加的な無線周波数リンクに対して所与の航空機との間の通話処理容量が増倍する（他の航空機がこれらのセル又はセクタの能力に競合していない場合）。同様に重要なことには、このアーキテクチャは、単一空対地無線周波通信リンクにより引き起こされるシングルポイント障害問題を排除し、これによって、複合空対地無線周波通信リンクのネットワーク可用性をより高度でよりロバストなものにする。空対地セルラー通信ネットワークが所与の空間領域において使用中である、すなわち複数の航空機と極めて混雑している場合であっても、サービスエリア内の航空機の全てがネットワーク容量に対する要求を個々に且つ集合的に変化させるので、このプロセスは、複数の陸上セルにわたる集約ネットワーク負荷を「平滑化」することによって所与の航空機に対する全体のトラフィックスループットを依然として増大させる。
【００１０】
帯域幅制約無線空対地ネットワークの容量、可用性、及び信頼性を高めるために、航空機が動作している使用可能な空間及び時間多次元領域をパーズするための他の方法が必要である。これらの方法には、２つの実質的に直交する偏波を用いて所与のスペクトル割り当ての能力を効果的に２倍にすることを含む。更に、直交符号（Ｗａｌｓｈ ｃｏｄｅ）ドメイン分離が付加される場合には、空対地セルラー通信ネットワークの通話処理容量の付加的な増大が達成される。
【００１１】
本発明のマルチリンク航空機セルラーシステムの実施では、空対地セルラー通信ネットワークの通話処理容量を改善するため、航空機に搭載された複数の物理的に分離されたアンテナ、並びに付加的な任意選択の信号絶縁及び最適化技術を利用する。地上では、方位角、仰角、高度、又は複数の平面に整形する基地局アンテナパターンが、多次元空間的領域を複数のセクタに更にセグメント化し、これによって空間周波数の再利用によりシステム容量を改善する。
【００１２】
前述の容量強化技術の全ては、本質的に相加的である。例えば、実質的に直交偏波を６セクタ方位基地局アンテナパターンと共に用いると、その所与の基地局及び関連する航空機の全体容量に対して線形的な乗数効果を有する。集合的ネットワーク容量を考慮する場合、複数のノードにわたる負荷ピークを平滑化又は平衡化することにより、システム全体の観点からピーク負荷管理が向上される。
【００１３】
従って、空対地セルラー通信ネットワークは、２つ以上の陸上セル又はセクタ間でそのトラフィック負荷を共有すること、及び航空機に装着された複数の物理的に分離されたアンテナ及び基地局アンテナパターンセクタ化を利用すること、並びに直交偏波の利用などの付加的な任意選択の信号絶縁及び最適化技術を利用することによって、航空機単位でそのトラフィック（データ及び音声）処理容量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】ボーイング７３７航空機を示す側面図である。
【図１Ｂ】ボーイング７３７航空機を示す前面図である。
【図１Ｃ】ボーイング７３７航空機を示す上面図である。
【図２Ａ】ボーイング７３７〜５００航空機上の前方に装着されたベリーブレードアンテナのための無線周波数送信パターンを示す図である。
【図２Ｂ】エンジンポッドにより引き起こされる無線周波信号の遮断を示す図である。
【図３Ａ】ボーイング７３７〜５００航空機の２つの航空機ブレードアンテナの無線周波数送信パターンを示す図である。
【図３Ｂ】ボーイング７３７〜５００航空機上で、図３Ａの２つの航空機ブレードアンテナの１つが前方に、１つが機尾に装着されたことを示す図である。
【図４Ａ】スロットの長い方の長さに垂直なＥ−電場ベクトルを有するスロットアンテナラジエータを備えるベリー装着ブレードアンテナを示す図である。
【図４Ｂ】水平方向Ｅフィールドと、導電面の平面内にパターンヌルを有する導電面上の放射遠視野パターンとを備えた、図４Ａのベリー装着ブレードアンテナの無線周波放射パターンを示す図である。
【図４Ｃ】モノポール要素の長軸に平行なＥフィールドベクトルを有するモノポールアンテナラジエータを備えるベリー装着ブレードアンテナを示す図である。
【図４Ｄ】垂直Ｅフィールドと、導電面上の放射遠視野パターンとを備えた、図４Ｃのベリー装着ブレードアンテナの無線周波放射パターンを示す図である。
【図５Ａ】垂直及び水平方向Ｅフィールドの両方を備えたベリー装着ブレードアンテナを示す図である。
【図５Ｂ】導電面を覆う遠視野放射パターンを備えた（このアンテナの軸率は、水平では不十分であるが、図４Ｂと異なり、放射電力は、図４Ｂで完全に理論上ヌルとなるのに対して−３ｄＢ低下するのみである）円偏波ベリー装着アンテナを示す図である。
【図６】放射アンテナの平面内の導電面に装着された典型的なデュアル直線偏波マイクロストリップパッチアンテナの無線周波信号出力を示す図である。
【図７】放射アンテナの平面内の導電面上に装着された典型的なデュアル円偏波マイクロストリップパッチアンテナの無線周波信号出力を示す図である。
【図８Ａ】直線又は円偏波であり、航空機の側部胴体（又はベリーと側部胴体との間の領域）に装着されたコンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ（又はアレイ）を示す図である（これらのマイクロストリップアンテナは、図６及び図７に示すような単一のラジエータとすることもでき、マイクロストリップラジエータのアレイとして構成することもできる）。
【図８Ｂ】円偏波され、航空機ベリーに装着され、天底（地面）を向いたコンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ（又はアレイ）（この航空機アンテナは、基地局の天頂（天空）を向くアンテナとペアである）を示す図である。
【図９Ａ】幾つかの空対地陸上基地局により形成される空対地セルラー通信ネットワークのセルサイトの典型的なパターンを示す図である（六角形のセル形状を用いることにより容易に説明することができる）。
【図９Ｂ】セクタ間（セクタは偏波ドメインで更に分割され、この実施例では、垂直及び水平偏波が隣接セクタ間で交互する）を区別するために垂直及び水平偏波を用いて空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを２つのセクタにした方位角セクタ化を示す図である。
【図９Ｃ】セクタ間（セクタは、偏波ドメイン（この実施例では、右円偏波（ＲＨＣＰ）及び左旋円偏波（ＬＨＣＰ）が隣接するセクタ間で交互に起こる）で更に分割される）を区別するために右回り及び左旋円偏波を用いて空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを６つのセクタにした仰角セクタ化を示す図である。
【図９Ｄ】図９Ｂに示すシステムに存在する３つの航空機を示す図であり、垂直及び水平偏波を用いた空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを６つのセクタにする方位角セクタ化を用いてセクタ間を区別し、空間的幾何形状が許せば、航空機が２つ以上のセクタと同時に通信することができるようになる。
【図１０Ａ】航空機が基地局アンテナから遠方で伝播視角が極めて浅い場合の無線周波信号の直接経路及び反射経路を示す図である。
【図１０Ｂ】仰角セクタが２つの実質的に直交する偏波間で交互にされる、仰角方向に複数のセクタに分割されたセルサイトを示す図である。
【図１０Ｃ】２つの図示の方位角セクタに分割され、更に仰角で複数のセクタに分割され、両分割次元が２つの実質的に直交する偏波の間で交互にされ、その空間的ドメインにおいて、方位角又は仰角又は両方の次元で２つのセクタが現在のセクタに用いられるのと同じ隣接するセクタ偏波を有することがないようにしたセルサイトを示す図である。
【図１１Ａ】２つのアンテナ、すなわちコンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ及びブレードアンテナが航空機のベリー上に装着され、２つの異なる空対地陸上基地局との２つの空対地無線周波通信リンクをサポートする実施例を示す図である。
【図１１Ｂ】各々が少なくとも１つの空対地無線周波通信リンクを介して接続され、複数の航空機にサービスされる空対地セルラー通信ネットワークを示す一般図である。
【図１２Ａ】１つの送信ポート及び２つの受信ポートを備える現在の技術の送受信モジュール（トランシーバ）へのデータの流れを制御することによる航空機データ及び音声トラフィックの相互接続をブロック図形式で示す図である。
【図１２Ｂ】各々が送信及び受信することができる４つのアンテナ接続ポートを備える強化トランシーバモジュールをブロック図形式で示す図である。
【図１２Ｃ】基地局セクタからの受信パイロット信号強度の関数として航空機上の送信アンテナの選択を管理するためのシステムをブロック図形式で示す図である（図１２Ｃのプロセスは、図１２Ｄ及び図１２Ｅのプロセスと関連する）。
【図１２Ｄ】図１２Ｃのプロセスと関連し、無線周波信号を送信するための送信航空機ラジエータ偏波及びアンテナの選択を示す図である。
【図１２Ｅ】図１２Ｃのプロセスと関連し、無線周波信号を送信するための送信航空機ラジエータ偏波及びアンテナの選択を示す図である。
【図１２Ｆ】基地局セクタからの受信パイロット信号強度の関数として航空機の受信アンテナの選択を管理するためのシステムをブロック図形式で示す図である。
【図１２Ｇ】図１２Ｆのプロセスと関連し、１つの空対地リンク又は２つの空対地リンクが適所に存在するかどうかなど、可能性のある航空機システムレベル状態を詳細に説明する図である。
【図１２Ｈ】航空機アンテナ、偏波、及び周波数ドメインの間の可能なマトリクス組み合わせを示す図である（図１２Ｈは、実施例の形で、３つのドメインの１次及び２次ペアリングが、自己干渉を引き起こすことなく２つ同時の空対地リンクを可能にする必要があることを更に示している。）
【図１３】２つのトランシーバカードを殆ど修正なしで用いて、デュアルアンテナ、デュアル偏波、マルチリンク機能を可能にするための航空機上の主要な構成単位をブロック図の形式で示す図である。
【図１４Ａ１】マルチリンク機能により、航空機と陸上基地局との間の順方向及び逆方向経路の両方でどのように逆多重化がもたらされるかを示しており、ここでは、順序外のデータパケットが、選択した宛先に送達される前に航空機及び地上の両方で正しい順序に再構築され、更に、ＰＤＳＮ−逆多重化機能の位置を更に下流側に移動させ、ＢＴＳとＢＳＣの相互接続専用プロトコルを修正する必要がないようにする（これによって製品化の時間が短縮され、開発費用が低減される）。
【図１４Ａ２】陸上セクタが送信及び受信時に同様に偏波され、航空機トランシーバに航空機アンテナを接続することにより、接続マトリクスを通るダイバーシティ受信が可能になる特定の用途を示す図１４Ａ１の変更形態の図である。
【図１４Ｂ】航空機無線モデムと陸上ＰＤＳＮ（パケットデータ交換ネットワーク）とＨＡ（ホームエージェント）との間の接続を示す図であり、２つの無線マルチリンクを介して単一のＱｏＳ（サービス品質）をどのように空対地方向に送信し、次いで再結合して元のデータストリーム（航空機で発信したもの）と同一の複製にすることができるかを示している。
【図１４Ｃ】逆多重化が概念的にはどのように作動するかを示す簡略プロセスの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
空対地セルラー通信ネットワークの構成要素の多くは、複合空対地セルラー通信ネットワークトラフィック処理容量全体（データ、音声、その他）と相互作用して影響を及ぼすので、高信頼性及び高可用性の空対地セルラー通信サービスの提供は複雑なプロセスである。ネットワーク構成要素を変化させると、１つのネットワーク属性を改善することができるが、同時に別の属性を損なう可能性がある。システムの観点からは、ネットワーク設計は、高信頼性及び高可用性の両方を有すると共に、高トラフィック容量を有する必要がある。これらの属性を作動上管理するために、ネットワークアーキテクチャは、増加的にトラフィック容量を付加するために、時間の経過と共に拡大できる必要がある。
【００１６】
通話処理容量強化問題
詳細には、空対地無線周波通信リンクが固定帯域幅リソースとなるので、空対地セルラー通信ネットワークに対する容量強化の課題は重大な問題である。セルラー通信ネットワークは、様々な航空機の空間密度（詳細には、空港内及びその周辺で航空機の空間的密度が高くなる）を有する多次元空間において飛行中の航空機に供用するので、容量強化問題は更に複雑になる。これらの航空機は、高速で飛行しており、関連するドップラーシフト、並びに大きなセル半径に関連する時間遅延が発生する。航空機飛行プロファイルは、様々なピッチ−ロール−ヨー角度、異なる高度、及び異なる速度を含む。各航空機は、陸上基地局の観点から単一の「ノード」のように見える。単一のノードとして、数百の乗客を収容している可能性がある各航空機は、陸上（各）基地局に極めて大容量のシングルポイントネットワーク負荷として見える。各一意的な乗客は、特定のデータ及び／又は音声要件を備えた無線装置を有する可能性があり、これは、乗客の無線装置の数を掛合わせると、航空機単位毎に相当なトラフィック負荷が発生する可能性がある。何れかの所与の領域において、各々が大きなトラフィック負荷を個々に有する数十もの航空機が存在する可能性があり、全ての航空機が、限定された周波数帯域幅の空対地無線周波通信リンクを通じた空対地セルラー通信ネットワークからのネットワークリソースを全体として奪い合う。
【００１７】
航空機アンテナシステム
本明細書に記載する複数のリンクを用いた逆多重化システムは、放射された偏波がその放射方向で純粋なままであり、（陸上モバイル装置（携帯電話）との陸上セルラーネットワーク通信において起こるような）物理的物体散乱に起因する偏波ベクトルの回転を生じないといった、空対地システムの利点に大きく依存している。これは、空対地ネットワークの伝播経路が見通し（ＬＯＳ）にあり、どのような自然又は人工的な物体もが航空機と地上との間（或いは、地上と航空機との間）でＲＦ伝播を回折し、反射し、屈折し、又は他の方法で損うことがない（放射及び到達偏波が一定のままである）ことに起因する。従って、空対地ネットワークは、大部分が直交する２つの偏波タイプの間を良好に偏波絶縁することができる。直交偏波の実施例には、垂直偏波対水平偏波、及び右円偏波対左旋円偏波が含まれる。システムレベルの高周波電磁コンピュータモデル化、並びに電場測定は、直交偏波絶縁が通常は１２ｄＢ〜１５ｄＢの範囲であることを示す。この絶縁レベルは、システム容量を強化する（並びにネットワーク内干渉又は自己ネットワーク干渉を最小限にする）ための重要な要素として偏波を用いるのには十分すぎる程である。しかしながら、今日まで、民生用通信サービスのための全ての空対地通信システムは、常に単一方向に偏波され、すなわち、垂直偏波のみ又は水平偏波のみの何れかであった。歴史的に、空対地単一方向偏波は、ネットワーク全体に広がり、全ての航空機は、同じ偏波、すなわち全てが垂直偏波であるか、又は全てが水平偏波である何れかで作動される。例えば、垂直偏波したネットワーク１で作動可能な航空機は、この実施例では水平に偏波されたネットワーク２では作動することができない。本明細書に記載する発明は、実質的に直交偏波を用いて、マルチセクタ基地局アンテナパターンの自己干渉を管理し、これによって同じスペクトル又は帯域幅割り当てに対してシステム容量を飛躍的に向上させることを利用している。勿論、セクタ化により、有効ネットワーク容量の自己増大が付加される。しかしながら、偏波絶縁を含まなければ、帯域幅限定システムにおけるセクタ化単独では、空対地ネットワークの容量は向上しない。
【００１８】
システム内絶縁を生成し、これによって自己干渉することなく更にセクタ化することができる他の方法は、各セクタにおいて実質的に直交するコードドメインを利用することを含む。
【００１９】
空対地通信のための絶縁方法としての時間ドメインは遙かに複雑になる。距離が大きいこと（１００マイルを超える）により引き起こされる比較的長い伝播遅延が課題として含まれ、見通しの空対地アーキテクチャでは、パケットが空間内で更に延びるのを阻止し、数百マイル離れた別の対象とするパケットと潜在的に干渉するものは何もない。加えて、時間ドメインでは、種々のセル／セクタのパケットの航空機到着を同期させて、これにより（パケットのオンオフサイクルにタイミングを合わせることにより）１つのパケットを別のパケットから絶縁することは不可能である。従って、他のドメイン、すなわち、直交符号、偏波、方位角セクタ化、仰角セクタ化、アンテナパターン自己絶縁、及び周波数バンドの選択がより好ましい。
【００２０】
飛行中の航空機に対する最新のセルラー通信サービスは、現在の陸上ベースのセルラー通信ネットワークでは企図されない固有の問題が生じる。例えば、航空機に設置されたアンテナシステムは、飛行の極限（６５０マイル／時、温度範囲が地上の１２０°Ｆから、数分後には飛行中の４０°Ｆまで）に対処するだけでなく、極限の振動及び他の環境的危険にも対処する必要がある。無線通信の観点からは、これらの航空機アンテナは、全て極めて小さな物理的アンテナパッケージの中から関連する電磁偏波により特定の無線周波数（ＲＦ）エネルギーパターンを放射する必要がある（アンテナは、航空機の外側表面上に装着されるので大きな物理的物体により抗力が生じ、これは航空機の燃料節約に大きな影響を及ぼす可能性がある）。航空機自体は、航空機自体の電磁特性に起因して、装着した航空機アンテナから無線周波信号の物理的遮断物を透過する無線周波信号の伝播及び選択した無線周波信号偏波への非線形作用に影響を及ぼす。
【００２１】
航空機に設置するのに最適な多数のアンテナタイプが存在し、すなわち、ブレードスタイル、コンフォーマルパッチ、コンフォーマルパッチアレイ、ワイヤモノポール、ワイヤストリング（ＨＦ）、金属スロット等である。これらのうちで最も一般的に用いられるアンテナタイプの１つはブレードアンテナであり、これは、航空機のベリー上に装着されることが多い。ブレードスタイルのアンテナでは、特定の航空機装着部位は、他の隣接する航空機アンテナ、或いは航空機操縦翼面及び着陸装置格納ウェルのような航空機の機械的特徴部により更に制限される可能性がある。望ましい無線周波通信経路は、空対地及びその逆経路である地対空の両方であるので、ブレードアンテナでは航空機下部のベリー装着部位を用いることが特に望ましい。ブレードアンテナを大きな商用ジェット機のベリーに装着するときには、航空機自体が、見通し（ＬＯＳ）無線信号伝播経路に影響し始める。例えば、最新のジェットエンジン設計では、高バイパスジェットエンジン（高レベルの燃料効率を達成する）の物理的に大型のエンジンナセルは、実際には、水平飛行において航空機のベリーよりも下に懸架されている。エンジンナセルは、金属（導電性）であり、無線周波数エネルギーに対して透過性がない。従って、エンジンナセルは、ベリー装着ブレードアンテナから送信され、又はこれにより受信される無線周波数エネルギーを遮断する。この無線周波数伝播経路遮断はかなり大きい。また、着陸装置が降ろされてロックされる飛行の短い時間期間では、これらの機械的構造も無線周波数伝播に対して見通し遮断物である。
【００２２】
これとは別に、殆どの航空機が導電性外板から構成されるので、航空機の導電性材料の物理領域は、動作周波数、すなわち、上側ＵＨＦ、下側Ｌ帯域、及びこれよりも高い周波数の波長に対して電気的に大きい。従って、航空機アンテナの放出又は受信偏波（電磁気相反定理の適用）は、この電気的に大きな多次元導電性航空機表面により影響を受ける。詳細には、マックスウェルの方程式では、Ｅフィールド（電場）ベクトルが導電面に平行であるときに、電場強度が電気的に大きな導体の表面に沿ってゼロ（零）になることを必要とする。従って、水平面に偏波された（すなわち、航空機が水平飛行しているときにＥフィールド偏波平面が航空機のベリー及び地表に対して平行である）航空機アンテナは、実質的に水平の導電性航空機表面が存在するあらゆる方向で必然的にパターンロールオフを有する。更に、このパターンロールオフは、多くの導電性材料が存在するほどより顕著になる。例えば、ベリー装着水平偏波航空機アンテナは、航空機ベリーの長さに沿って機首から機尾まで水平に見るときに相当のパターンロールオフを生じる。航空機翼もまた、ある程度の影響を及ぼすが、翼の導電面は一般に水平の伝播水平面よりも上にあるので、この影響はあまり顕著ではない（サービングセル又はセクタに対する高所での航空機の視角は、僅か数度である）。
【００２３】
これらの課題、すなわち遮断物及び偏波パターン作用は、無線周波信号伝播経路の一時的損失により空対地セルラー通信ネットワークの可用性に大幅な影響を与える。また、これらの同じ課題はまた、所与の航空機との間の空対地セルラー通信ネットワークの総通話処理容量にも影響を及ぼす。音声通話のような時間又は待ち時間に感受性のある通信では、これらの課題は、音声電話通話を完全に不可能にする可能性がある。インターネットアクセスのようなデータアプリケーションでは、同じ空対地無線周波通信リンクに数百人の乗客が多重化しているとすると、システム容量の損失は許容可能ではない。
【００２４】
通話ハンドオフ
伝播の損失を管理するための現在の陸上無線セルラー技術は、良好な信号を有する隣接セル又はセル−セクタにその通話をハンドオフすることを含むことが多い。このような陸上ハンドオフ法は、当該技術分野では公知である。このハンドオフは、「ハード」（ｍａｋｅ−ｔｈｅｎ−ｂｒｅａｋ）、「ソフト」（同時に２つ又はそれ以上のセルを介した接続を有する）、又は「ソフター」（所与のセルの２つ又はそれ以上のセクタ間の接続を保持する）とすることができる。しかしながら、空対地セルラー通信ネットワークでは、セルサイトの物理的位置は、数百マイル離れており、これは、実行可能なハンドオフ（すなわちハード又はソフト又はソフター）が、単一のベリー装着航空機アンテナには利用可能ではなく、どのような時間期間でも障害のある無線周波数セルラー通信リンクを生じている可能性があることを意味する。実際、航空機が高所で直進水平飛行をしている場合には、この障害時間は、受け入れ難いほど長くなる可能性がある。
【００２５】
これとは別に、空対地セルラー通信ネットワークにおいて固定無線周波数スペクトル割り当てを用いると、本質的に容量限界がある。シャノンの法則により、最大で１ヘルツ当たりに幾つのビットの容量が実現できるかが定義される。従って、システム容量全体の強化を実現するためには、他の方法が必要となる。システム容量を改善するための公知の方法の幾つか（陸上セルラーシステム設計の概念から選出）は、空対地セルラー通信ネットワークに利用可能であるが、実際には、空対地環境は、独自のものであり、十分に活用できる独自の属性を有する。例えば、偏波ドメインでは、空対地セルラー通信ネットワークは、一般に、見通し（ＬＯＳ）伝播を有する。航空機は、一般に、直進水平飛行状態にあり、すなわち、旋回又は上昇／降下時でも、商用航空機が受ける飛行角度は顕著ではない。従って、水平及び垂直偏波間の測定偏波絶縁は、１２ｄＢ〜１５ｄＢ（純粋な陸上セルラーネットワークでは不可能）である。加えて、見通し条件により、飛行の殆ど全ての局面において無線周波通信リンクを複数のセル又はセクタに同時に直接伝播することが可能になるが、この場合も、陸上携帯端末装置がハンドオフ（ハンドオーバー）領域にある場合を除き、陸上セルラーネットワークでは一般に不可能である。最後に、空対地陸上基地局アンテナパターンは、仰角と方位角両方の２つの平面で整形することができる。陸上セルラーにおける建造物又はトンネルが干渉するような、これらのパターンと干渉するものはないので、パターン整形が３次元空間を小領域にパーズする手段を提供し、これにより固定スペクトル割り当てが何倍にも増えることになる。
【００２６】
課題
空対地無線周波通信リンク性能に影響を及ぼす可能性がある３つの重大な伝播課題、すなわち、航空機エンジンポッド遮断物による見通しシャドーイング、導電面に沿った水平偏波パターンヌリング、及びイントラシステム同一チャネル（同一周波数）干渉が存在する。
【００２７】
見通しシャドーイング
本明細書で論じる第１の課題は、見通しシャドーイングである。図１Ａ〜図１Ｃは、デュアルエンジンのボーイング７３７航空機のそれぞれ側面図、前面図、及び上面図を示す。航空機の幾つかのタイプでは（例えばボーイング７３７、７５７）、エンジンポッド１０１、１０２は、胴体１００の底部の下に延びて、ここで空対地セルラー通信ネットワーク用のアンテナ１５０、１５１が装着される。このエンジンポッド構成は、アンテナ１５０、１５１からサービング陸上セル（図示せず）への無線周波信号の見通し遮断物をもたらす可能性がある。
【００２８】
航空機装着アンテナの最大無線周波数カバレッジ範囲は、エンジンポッド遮断物がない場合の４／３地球曲率計算を用いて電波地平線により決定される。水平方向において、エンジンポッド遮断物が存在する場合、見通しカバレッジは地上から航空機までの仰角θによって決定され、この仰角は、航空機アンテナの垂直方向の角度よりも大きく、エンジンポッドを越えて通過するようにする必要がある。ボーイング７３７〜５００航空機では、この垂直角は１５．５度である。従って、垂直角並びに航空機高度は、水平シャドーイング領域において最大見通しカバレッジ範囲を定める。高度１０，０００フィートでは、シャドーイング領域におけるカバレッジ範囲は、ボーイング７３７〜５００航空機で７マイルであり、高度４０，０００フィートではカバレッジ範囲は２８マイルである。
【００２９】
図２Ａは、図２Ｂに示すようなボーイング７３７〜５００航空機の前方装着ベリーブレードアンテナ１５０の無線周波信号送信パターンを示し、エンジンポッド１０１、１０２により引き起こされる無線周波信号の遮断を示す。図２Ａの線２２０は、航空機が高度４０，０００フィートで飛行しているときのアンテナ１５０から放射される無線周波信号の範囲を示しており、図２Ａの線２３０は、航空機が高度１０，０００フィートで飛行しているときのアンテナ１５０から放射される無線周波信号の範囲を示している。これらのアンテナパターンから分かるように、領域２５０、２５１で表わされる、アンテナ１５０の可能性のある無線周波数カバレッジエリアの約３５％は、エンジンポッド１０１、１０２により遮断される。
【００３０】
第２のベリー装着アンテナ１５１を航空機の機首と尾部との間の中間点で航空機の中心線の後方に装着して付加すると、図２Ａに示すようなベリー装着アンテナ１５０の無線周波信号送信パターンにおいてヌルが減少又は排除される。図３Ａは、図３Ｂに示すような、１つがボーイング７３７〜５００航空機の航空機中心線の機首側に装着され、１つが航空機中心線の後方に装着された２つの航空機ブレードアンテナ１５０、１５１に於ける複合無線周波信号送信パターンを示す。この無線周波信号送信パターンから分かるように、第２のベリー装着ブレードアンテナ１５１は、第１のベリー装着ブレードアンテナ１５０を補完する無線周波信号送信パターンを有し、これによって、航空機エンジンポッド１０１、１０２により引き起こされる信号遮断を軽減することでより均一なカバレッジを提供する。
【００３１】
アンテナの組み合わせ
航空機に２つのアンテナを用いることにより、エンジンポッド遮断問題が軽減される。しかしながら、デュアル偏波アンテナの場合、２つのアンテナから４つのアンテナフィードが存在する。単一のＥＶ−ＤＯモデムを用いる場合には、ＥＶ−ＤＯモデムの２つのＲｘ入力に入力する前に、２つのアンテナからの２つの垂直偏波フィードを組み合わせ、２つのアンテナからの２つの水平フィードを組み合わせる必要がある。別の選択肢は、２つのＥＶ−ＤＯモデムを用いることである。２つのモデルを用いる場合、４つのアンテナフィードを組み合わせるのに２つの可能性がある。第１の選択肢では、モデムの１つを両方の垂直フィードに接続し、第２のモデムは、両方の水平フィードに接続する。第２の選択肢では、各モデムは、２つのアンテナのうちの１つの垂直及び水平フィードに接続する。
【００３２】
選択肢１−１つのモデムを垂直フィードに接続、１つを水平フィードに接続
モデム アンテナ１ アンテナ２
モデム アンテナ１ アンテナ２
モデム１＿＿＿Ｖ
＼ ／Ｈ
＼＿＿＿／＿＿＿＿＿＿＿＿Ｖ
モデム２＿＿＿／ Ｈ
＼＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿／
【００３３】
この構成には、セル／セクタ境界の偏波絶縁が有効である。加えて、この選択肢には、各モデムが異なるセル／セクタによりサービスされることが有効である。これにより、単一の航空機が多重化ゲインによって高いスループットを有することができるようになる。しかしながら、低ＳＩＮＲでセルによりサービスされているモデムがセル全体の性能を引き下げないように注意する必要がある。１つの可能性は、２つのセルのうち弱い方によって最低データ転送速度（又は等価な品質測定基準）をサポートできるときにのみ複数セルを多重化することである。弱い方のセルが最低品質測定基準を満たさない場合には、強い方のセルによりサービスされているモデムのみを用いる。
【００３４】
選択肢２−各モデムを２つのアンテナのうちの１つの垂直及び水平フィードに接続する
モデム アンテナ１ アンテナ２
モデム１＿＿＿＿Ｖ
＼＿＿＿＿Ｈ
モデム２＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿Ｖ
＼＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿Ｈ
この選択肢には、セル／セクタ境界の偏波絶縁は有効であるが、多重化ゲインは提供しない可能性が高い。これは、２つのモデムが常に同じセル（１つのアンテナが遮断されている場合を除く）によりサービスされており、送信リンクタイムスロットに対して互いに競合することになるためである。
【００３５】
或いは、動的に適応可能な「スマート」設計では、選択肢１又は選択肢２の何れの構成が最良であるかを最適に選択することができる。本明細書は、航空機のアンテナの数を２つのみに制限するものではない。図８Ａのように３つ以上の航空機アンテナを有することが最適である可能性がある（本明細書で後で検討する）。
【００３６】
典型的ブレードアンテナ構成
図４Ａは、金属プレートにカットされた、或いはプリント回路基板にエッチングされたスロット（穴）４５２を備えるベリー装着ブレードアンテナ４００を示す。ＲＦ入出力コネクタは、装着フランジ４７０上の４６０である。同軸ケーブル４６２は、インピーダンス整合された点４６０でスロットに給電する。同軸ケーブルの中心導体（ＰＣＢ上のエッチングスロットの対向する側部にエッチングされたマイクロストリップラインとすることもできる）は、開放空気スロットを超えて延びて、スロットの対向する縁部に取り付けられる（電気的接続）。ハウジング４５３は、耐飛性で且つＲＦ透過性のあるグラスファイバ又は樹脂材料で作られることが多い。このアンテナ４００は、水平方向４４０に電磁場４４０を生成する。
【００３７】
図４Ｂは、水平方向Ｅフィールド４４０と、導電面４１０の上の放射遠視野パターン４３０とを備えた、図４Ａのベリー装着ブレードアンテナ４００に対する無線周波放射パターンを示す。このアンテナの遠視野パターンは４３０として示される。遠視野パターンは、天底配向ベクトル４３５の周りで半径方向に対称である。スロット遠視野パターンは、天底４３５においてヌルである。天底は、水平飛行状態の航空機で地球に向かって直進下向きに向けられる。Ｅフィールドは、同様の方向の導電面の表面で「短絡」する必要がある（マクスウェルの法則に従う）ので、４２０では、水平方向に偏波されたベリー装着ブレードアンテナがパターンヌルを生じる。このパターンヌルは、天底ベクトル４３５の周りで半径方向に対称である。４２０でのヌルの角度及び深さは、装着される導電面の波長の大きさによって決まる。従ってベリー装着アンテナでは、胴体の機首から機尾までの長さに沿って大きな導電性が現れる。図４Ｂに示すような水平偏波アンテナでは、この導電面により、機首から機尾まで平面の軸線に沿って深い遠視野パターンがヌルになる。従って、図２及び図３に示す遠視野パターンは、ベリー装着水平偏波アンテナを示していない（但し、垂直偏波ベリー装着アンテナを示すことになる）。
【００３８】
幾何学的な観点からは、航空機から地上まで（及びその逆）の空対地ネットワークの視角は、動作空間容積の大部分に対して極めて浅い角度である。従って、４２０のパターンヌルは、極めて重大なリンクバジェットの課題である。水平偏波作用の課題は、逆多重化マルチリンクアーキテクチャのシステム設計全体で考慮する必要があるものである。マルチリンク概念を最適にするために、航空機からの両方の放射直交偏波は、できるだけ「パターンバランスがとれた」ものである必要があり、すなわち、それぞれの遠視野パターンは極めて類似する必要がある。言い換えると、何れの偏波パターンも、（４２０のような）空間の大きな領域にパターン穴を有する必要がない。
【００３９】
図４Ｃは、導電面４１０を覆う垂直モノポールを有するベリー装着ブレードアンテナ４０５を示す。ＲＦ入出力コネクタは４８０、ベース装着フランジは４７１であり、これは、航空機のベリーに取り付けられる。同軸ケーブル４８１は、モノポールラジエータ４８２に給電する。ブレードハウジング４０６は、グラスファイバのような耐空性の十分な材料で作られ、ＲＦ透過性である。このアンテナのＥフィールドは、４８３に示すように垂直である。直進水平飛行では、４８３は、航空機ベリーに対し垂直で、更に地球に対しても垂直である。このアンテナ４０５は、電磁遠視野４９０を生成し、水平偏波スロットのように天底に向いたパターンヌル４９３を有する。航空機ベリー上に装着される水平偏波スロットとは異なり、垂直偏波モノポールは、水平方向でパターンヌルを有さない。遠視野パターンは、天底ベクトル４９３の周りで半径方向に対称である。要約すると、図４Ｄは、垂直Ｅフィールド４８３及び導電面４１０を覆う放射遠視野パターン４９０と共に、図４Ｃのベリー装着ブレードアンテナ４０５の無線周波放射パターンを示す。
【００４０】
水平偏波スロット（図４Ａ及び図４Ｂ）又は垂直偏波モノポール（図４Ｃ及び図４Ｄ）であるこれらの例示的なアンテナの何れかにおいて、これらのアンテナが複合材又は非導電性機体に装着される場合には、遠視野パターンは有意に変化することになる。非導電性機体では、他のアンテナタイプがより好適とすることができ、或いは、アンテナを装着する胴体ベリー領域に導電性材料を埋め込むこともできる。例えば、水平偏波スロットアンテナは、Ｅフィールドが水平線で短絡しないので、実際に、非導電性機体よりも優れた性能を発揮することになる。何れの場合においても、これは、本明細書で識別された別個の高周波電磁気設計の問題であり、複数のリンクを用いた逆多重化の概念が非金属航空機又は複合材機体の航空機に対して依然として実施可能である。
【００４１】
図５Ａは、垂直及び水平方向Ｅフィールドの両方を備えたベリー装着ブレードアンテナ５００を示す。このアンテナ５００は、２つの電磁場、すなわち、垂直偏波Ｅフィールド５９０を備える第１の遠視野パターン５９１と、水平方向Ｅフィールド偏波５４０を備える第２の遠視野パターン５４１とを生成する。このアンテナは、導電性４１０の航空機胴体のベリー上に概念的に装着される。アンテナ５００は、「デュアル直線偏波アンテナ」と呼ばれる。これは、天底３１０に配向されたヌルを保持し、両偏波の遠視野パターンは、ベクトル５１０の周りで半径方向に対称である。水平パターン５４１は、電気的に大きな導電面を覆って放射されたときにその水平線ロールオフを保持する。
【００４２】
図５Ｂは、導電面（航空機ベリー）４１０を覆う関連の遠視野放射パターンと共に円偏波ベリー装着アンテナ５２０を示す。このアンテナ５２０は、図４Ａ及び図４Ｃのアンテナの組み合わせとすることができ、或いは、その長い天底配向軸線に垂直に（又は水平線に沿って）円偏波を放射し且つ同様の天底配向ヌルを有する「通常モード」螺旋のような全く異なるアンテナ構造とすることもできる。図５Ａと図５Ｂとの間の重要な相違点は、図５Ｂでは、２つのデュアル直線直交偏波が（図５Ｂに示すように）ここでは電気的な位相が９０度離れていることである。結果として得られる偏波は、右旋円偏波（ＲＨＣＰ）及び左旋円偏波（ＬＨＣＰ）である。ＲＨＣＰ及びＬＨＣＰの両方を生成するために、一方はＶ−ｐｏｌとＨ−ｐｏｌの間に＋９０度で給電し、もう一方は、Ｖ−ｐｏｌとＨ−ｐｏｌとの間に−９０度で給電する。電気的に位相が９０度離れた元の２つの遠視野パターンの組み合わせは、５５１及び５５０に示される「軸率」と呼ばれる組み合わせパターン効果をもたらす。５５１では、軸率は小さく、高度の円偏波純度を示す。これは、この領域の元のＶ−ｐｏｌ及びＨ−ｐｏｌの遠視野パターンの振幅がほぼ等しいことに起因する。しかしながら、５５０領域では、この領域のＨ−ｐｏｌ振幅がゼロになる（又はパターンヌルを有する）ので、軸率は不十分である。デュアル直線アンテナと同様に、円偏波アンテナは、天底ベクトル５１０の周りで半径方向に対称である。
【００４３】
円偏波を用いることの決定的な重要性は、５５０の領域では、この領域のＶ−ｐｏｌ寄与がパターンヌルを有さないので軸率は不十分であるが、正味の作用は僅か−３ｄＢの損失にすぎないことである（導電面を覆うＨ−ｐｏｌが厳密に配備される場合の全損と対比して）。同様に、逆多重化複数リンクの概念は、高品質の高可用性遠視野航空機アンテナパターンに依存し、すなわちこれは、サービスを提供する３次元空間の最も大きな容積を有する水平領域に特に当てはまり、また最大伝播距離を有する領域でもある。従って、円偏波を用いてこの重要な水平空間領域において航空機の航空機アンテナ遠視野パターンオン／オフを改善するような方法は、逆多重化の総合システム設計に必要不可欠な要素である。
【００４４】
図６は、典型的なデュアル直線偏波マイクロストリップパッチアンテナ６００の無線周波信号出力を示し、ここでは端子６２１での１つの出力が垂直偏波されて垂直方向Ｅフィールドベクトル６２０を生成し、端子６３１での出力が水平偏波されて水平方向Ｅフィールドベクトル６３０を生成する。同様に、図７は、典型的なデュアル円偏波マイクロストリップパッチアンテナ７１０の無線周波信号出力を示し、ここでは、１つの出力が０°で偏波され、他方の出力が１つの偏波に対して−９０°で偏波され、その結果、他方の偏波が０°及び＋９０度である（図７には示さず）。これらの２つの信号は、９０度ハイブリッド回路７２０に同時に印加され、これが、右旋円偏波Ｅフィールドベクトル７３０及び左旋円偏波Ｅフィールドベクトル７４０を生成する。Ｅフィールドは必然的にゼロになるので、導電面７００は、導体平面内の遠視野パターン形状に影響を及ぼすことになる点に留意されたい。
【００４５】
マイクロストリップパッチアンテナを用いる１つの重要な利点は、航空機上／から離れたビーム及びパターン整形を生じるように容易に構成できることである。この特徴により、システム設計者は、航空機内部アンテナパターン絶縁を構築することが可能になり、従って別の設計自由度を提供することができる。更に重要なことには、遥かに高いゲインの航空機アンテナが可能になる。例えば、図４Ａ及び図４Ｂの水平偏波スロット及び図４Ｃ及び図４Ｄの垂直偏波モノポールのアンテナゲインは、（等方性ラジエータと比較して）比較的低く、実際にはおよそ０ｄＢｉであるが、機体効果により−２ｄＢｉ〜−４ｄＢｉであることが多い。これとは対照的に、単一のマイクロストリップパッチアンテナのピークゲインは、およそ＋５ｄＢｉであり、パッチアンテナアレイのゲインはかなり高いことになる。これは、航空機との間のリンクバジェット均衡化を改善するだけでなく、航空機内の複数のアンテナ絶縁も提供する。また、これは、所与の陸上基地局セクタへの指向性を改善する。マイクロストリップパッチアレイは、アンテナが装着される航空機胴体の形状に一致するコンフォーマルに作ることができる。これにより、アンテナを越えて通過する空気流を極めて滑らかにすることができ、全体抗力が減少し、航空機燃料効率が改善される。
【００４６】
マイクロストリップ航空機アンテナ
図８Ａは、航空機８００の側部胴体上に装着されたコンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ８１０〜８４０（又はアレイ）のセットを示しており、このコンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ８１０〜８４０は、円偏波される（但し、直線偏波することもできる）。装着部位は、胴体の側部上とすることができ、或いは、ベリーと側部との間の移行領域とすることもできる。
【００４７】
図８Ｂは、コンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ（又はアレイ）８７０が航空機８５０のベリー上に装着された代替の構成を示しており、この天底（地上）指向アンテナ８７０は円偏波される。空対地セルラー通信ネットワークは、天頂指向円偏波アンテナを備えた基地局８８０を含む。空対地無線周波通信リンク８９０は、飛行ヨー角に関係なく共偏波されたアップリンク及びダウンリンク構成要素を含む。この構成の重要性は、陸上セルサイトの上の「ドーナツ穴」領域及び天底指向ヌルを有する典型的な航空機アンテナの「ドーナツ穴」領域（航空機の下）において空間的カバレッジを提供することである。天頂に向いた（又は直立した）陸上アンテナは、マイクロストリップパッチアンテナとすることができ、或いは、エンドファイアを放射する軸モード螺旋アンテナとすることもできる。地上及び空中の両方のアンテナは、単一円又はデュアル円偏波（容量が増大する）とすることができる。航空機及び陸上アンテナの両方が円偏波されるので、航空機は、セルサイト全体にわたりあらゆるコンパス方位（ヨー）で飛行し、常に同偏波することができる。
【００４８】
要約−見通しシャドーイング及び導電面に沿った水平偏波パターンヌル化
航空機に複数のアンテナを用いて見通し問題に対処すると、上記で検討したように、用いることができるアンテナの多くのタイプが存在すると共に、多くのアンテナ構成が存在する。加えて、特に胴体の長軸に沿って水平偏波パターンヌル化を補正又は補償するための航空機ベースアンテナの解決策が存在する。アンテナを適切に位置決めし、無線周波信号の偏波を選択することにより、空対地無線周波通信リンクのトラフィック（データ及び音声）処理容量が有意に改善される。
【００４９】
システム内同一チャネル干渉
典型的な空対地セルラー通信ネットワークは、幾つかの陸上（地上）基地局から成り、その各々は、セルサイト送信アンテナの周りに半径方向に配列された所定空間容積において無線周波数カバレッジエリアを提供する。図９Ａは、幾つかの陸上基地局により形成された空対地セルラー通信ネットワーク内のセルサイト９０１〜９０４の典型的なパターンを示している。典型的には六角形を使用するが、実際の形状は、一般に更に円形に近く且つ多次元であり、方位角及び仰角アスペクトを有する。各陸上基地局は、地上発信又は地上反射信号の受信に感受性が無く、アンテナパターンが上空方向にのみ送信又は受信可能であるアンテナパターンを用いる。また、陸上基地局は、航空機が地上に位置するときにネットワークカバレッジを可能にするように空港近傍の同一の場所に配置することができ、この場合には、アンテナパターンは、陸上に位置付けられた航空機に最適化される。空対地陸上基地局は一般に、典型的なセルラー通信ネットワークレイアウトに従って地理的に分散される。各空対地陸上基地局のカバレッジエリアの境界は、隣接サイトの境界と実質的に連続し、一般に、空対地セルラー通信ネットワークにおける陸上基地局の全ての複合カバレッジが、目標エリアに対するカバレッジを提供するようにする。
【００５０】
カバレッジエリアのセクタ化
ＣＤＭＡシステムは、本質的に干渉限界がある。システム内同一チャネル干渉を最小にする１つの解決策は、航空機に１つ又はそれ以上のデュアル偏波アンテナと共に陸上基地局に同様のデュアル偏波アンテナを用いることである。より詳細には、ＣＤＭＡシステムでは、各個々の陸上セルセクタは、送信及び受信の両方に対して同様に偏波され（例えば、両方ともＶ−ｐｏｌになる）、隣接するセクタもまた、送信及び受信に対して同様に偏波されることになるが、その偏波は、前の隣接するセクタ（これはＶ−ｐｏｌされている）に実質的に直交する（すなわちＨ−ｐｏｌ）ことになる。図９Ｂは、空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを６つのセクタ化（Ａ〜Ｆ）セルサイト９１１−９１４にセクタ化し、交互するセクタ上に垂直及び水平偏波を実装した方位角セクタ化の実施例を示している。交互偏波を用いると、陸上システムにおけるようなマルチパス伝播に起因した無線周波信号の偏波の損失がないので、空対地見通し環境に有利である。例証として、セルサイト９１４は、６つのセクタ４Ａ〜４Ｆ（９１４Ａ〜９１４Ｆ）に分割され、２つの実質的に直交する偏波の間で交互にされる。従って、例証として、セクタ９１４Ａ、９１４Ｃ、９１４Ｅは垂直に偏波され、セクタ９１４Ｂ、９１４Ｄ、９１４Ｆは水平に偏波される。この偏波絶縁はまた、セル９１２及び９１４の境界にも存在し、９１４Ｆが水平に偏波され、９１２の「２Ｃ」セクタが垂直に偏波される点に留意されたい。
【００５１】
図９Ｃは、空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを６つのセクタ化（Ａ〜Ｆ）セルサイト９２１〜９２４に方位角セクタ化し、交互セクタ上でＲＨＣＰ及びＬＨＣＰ偏波を実装していることを示している。交互偏波を用いると、陸上システムにおけるようにマルチパス伝播に起因した無線周波信号の偏波の損失がないので、空対地見通し環境に有利である。例証として、セルサイト９２４は、６つのセクタ４Ａ〜４Ｆ（９２４Ａ〜９２４Ｆ）に分割され、２つの実質的に直交する偏波の間で交互にされる。従って、例証として、セクタ９２４Ａ、９２４Ｃ、９２４Ｅは右旋円偏波にされ、セクタ９２４Ｂ、９２４Ｄ、９２４Ｆは左旋円偏波にされる。
【００５２】
これらの実施例では、図９Ｂ及び図９Ｃの両方に対するアンテナパターンは各々、方位角カバレッジ／セクタがほぼ６０度である。これらの所与のセクタの仰角パターンは、仰角空間の全てを含み、水平から天頂まで（すなわち、カバレッジ９０度）にわたることができ、或いは、仰角空間は、セクタ化（方位角セクタ単位）することもできる。
【００５３】
図９Ｄは、図９Ｂに示したシステムに現存している３つの航空機を示しており、ここでは、垂直及び水平偏波を用いた空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを６つのセクタにする方位角セクタ化を利用して、セクタ間を区別している。航空機９００は、垂直偏波を用いるセクタ２Ｅのセル９１２の空対地通信リンク９０１によりサービスされる。航空機９１０は、セル９１１、９１２、９１４の境界にあり、それぞれ無線周波信号の水平偏波、垂直偏波を用いるセクタ２Ｄ、１Ａにおけるセル９１２、９１１それぞれの空対地通信リンク９４１、９４２によりサービスされる。最後に、航空機９２０は、無線周波信号の垂直偏波を用いるセクタ１Ｅにおけるセル９１１の空対地通信リンク９５１、９５２によってサービスされる。この場合、両方の航空機アンテナが垂直に偏波され、航空機において対応する「ダイバーシティ受信ゲイン」が存在するので、ＣＤＭＡＥＤＶＯ受信機は、空間ダイバーシティ受信を用いている。
【００５４】
反射経路干渉
図１０Ａは、航空機１０００が基地局アンテナ１００２から遠方で浅い伝播角度にある場合の無線周波信号の直接経路１００７と反射経路１００６とを示している。詳細には、この実施例は、基地局アンテナ１００２がほぼ２００フィート高さであり、航空機１０００が高度７マイルで飛行している典型的な状況における無線周波信号の直接経路１００７と反射経路１００６との間の関係を示す。基地局アンテナ１００２と航空機１０００との間の距離は、１００マイルで示されている。この距離及び飛行高度では、反射経路１００６と地球の表面との間の角度１００４は０．０４度であり、反射経路は、地点１００３で地球表面に遭遇する。この経路の外向きセグメントでは、反射経路１００６と地球表面との間の角度１００５は７度である。この実施例では、これらの計算角度は、一般に４／３無線プロファイル地球（ｒａｄｉｏ ｐｒｏｆｉｌｅ ｅａｒｔｈ）に対して平坦な地球を想定している。
【００５５】
上に示した伝播角度は極度に浅いので、直接経路１００７及び反射経路１００６の距離は事実上等しく、従って、信号１００８、１００９の両方に対して伝播遅延及び到達位相が等しい。更に、反射経路基地局線束１００９の大きさは、直接経路基地局線束１００８と等しいが、（反射点１００３から）直接経路に対して１８０度位相が変化する。従って、直接線束１００８（直接経路１００７）及び反射線束１００９（反射経路１００６）は、大きさが等しいが位相が反対であるので、航空機１０００が水平位置にあるときには、航空機１０００の無線周波信号に深いパターンヌルが存在する。（水平方向に）ほぼ−５ｄＢでロールオフすることにより水平線で基地局アンテナパターンを整形すると、一般に、水平線でのこの伝播課題が補正される。航空機から基地局までの逆伝播経路は、グレージング反射角度が一般に大角度である（数度のグレージング角度を上回ると、パターンヌル化問題は顕著なものではない）ので、常に相互関係になるわけではない。
【００５６】
図１０Ｂは、仰角方向に複数のセクタ１０１３〜１０１６に分割されたセルサイトを示し、該セクタは２つの実質的に直交する偏波間で交互にされる。これらの仰角パターンは、セルが全方向性である場合には陸上基地局１０１２の周りで半径方向に対称とすることもでき、或いは、（６つのセクタ方位角セルを有する図９の一連の図に示されるような）単に所与の方位角セクタに対してのものとすることもできる。図示の偏波は、実施例であり、直線又は円形に関係なく偏波選択を制限するものはない。各パターンは、異なるゲイン、水平線より上の指示角度、及びリンクバジェット対距離対保護される空間容積（すなわち、その空間容積がどれほどの容量を必要とするか）のバランスをとるための異なるビーム幅を有する。一般に、仰角が増大すると、その特定のアンテナの垂直ビーム幅はそれよりも下にあるアンテナパターンのビーム幅よりも大きいことが予期される。パターン１０１７は、所与の航空機がセル１０１２にわたって飛行する方向に関係なく常に同偏波されるように円偏波である。空間領域１０１１は、図１０Ａに示すようなヌル化の影響を最小にするための水平線でのパターンロールオフを示す。
【００５７】
図１０Ｃは、２つの実質的な直交偏波の間で交互にされた仰角の複数のセクタ１０１３〜１０１６（図１０Ｂに示す）と、仰角の１０２０〜１０２４とに分割したセルサイト１０５０（セル４）を示す。仰角セクタ１０１３〜１０１６は方位角セクタ４Ｂ（１０１８）であり、仰角セクタ１０２０〜１０２４は方位角セクタ４Ｃである。天頂に向いたアンテナ１０１７は、円偏波される。アンテナパターン１０１３及び１０２０は、一般に、水平線を向くが、水平線（１０１１）でエネルギーを直接除去するために、機械的又は電気的に上方に傾けられる。方位角及び仰角セクタ化の両方を組み合わせて、各サブアンテナビーム間に尚も偏波絶縁を実現することが可能であることは明らかである。例えば、アンテナパターン１０２３は、方位角及び仰角の両方で絶縁され、すなわち、１０２３はＨ−ｐｏｌｌ、１０１５はＶ−ｐｏｌ（方位角）であり、仰角では、１０２４がＶ−ｐｏｌ、１０２１がＶ−ｐｏｌであるが、中間の１０２３はＨ−ｐｏｌである。空間の領域１０１１は、図１０Ａで説明されるようなヌル化の影響を最小にするための水平線でのパターンロールオフを示す。
【００５８】
従って、セクタ化の上記の実施例は、航空機内に配置された複数の無線加入者装置と空対地セルラー通信ネットワークとの間の通話トラフィックを交換するための多偏波である複数の多次元無線周波数セクタを備えた非陸上空間領域を実装する幾つかの方法を示す。セクタは、多次元空間（すなわち、方位角、仰角、高度、又は複数の平面）に生成され、これは、非陸上空間を制御可能にパーズして、この空間で作動している航空機の通信ニーズと一致させるようにする。隣接するセクタ間の干渉を低減するための無線周波信号の偏波に加えて、本発明のマルチリンク航空機セルラーシステムは、無線周波数「トンネル」の多次元アレイを生成し、その各々が、１つ又はそれ以上の航空機との関連する空対地セルラー通信リンクをサポートする。複数の無線周波数「トンネル」の可用性により、空対地セルラー通信ネットワークが、特定の航空機に対する必要に応じてトンネルを割り当てることによって各航空機が利用できるようにする効果的な無線周波信号帯域幅を正確に管理できるようになる。トンネルは、時間、空間、コード、偏波、航空機のアンテナ、地上アンテナ、周波数、方位角セクタ化、仰角セクタ化、ピッチ（Ｐｉｔｃｈ）、ロール、ヨー、飛行速度、及びその他の属性を有することができる。この通信空間の管理の説明は、以下に示され、これは、空対地セルラー通信ネットワーク通話処理容量問題を解決する強力なツールとなり、システム可用性、システム信頼性、及びシステム容量を飛躍的に改善する。
【００５９】
複数の空対地リンク
図１１Ａは、コンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ（又はアレイ）１１２０が航空機１１１０のベリー上に装着された実施例を示し、ここでは天底（地上）を向いたアンテナ１１２０が円偏波される。空対地セルラー通信ネットワークは、天頂指向円偏波アンテナを備えた空対地陸上基地局１１０５を含む。空対地無線周波通信リンク１１３０は、飛行ヨー角に関係なく同偏波されるアップリンク及びダウンリンク構成要素を含み、この実施例では、偏波はＲＨＣＰである。加えて、航空機１１１０は、ベリー装着垂直偏波ブレードアンテナ１１３０を備え、該アンテナは、方位角セクタ化垂直偏波アンテナを備えた空対地陸上基地局１１０７との空対地無線周波通信リンク１１４０を介して通信するように示されている。
【００６０】
２つの空対地セルサイト１１０５、１１０７は、それぞれ関連する基地局送受信装置（ＢＴＳ）１１３５、１１４５によりサービスされ、これらは、セルラー通信の分野で公知のようにＩＰ又は専用ネットワーク１１５０を介して基地局制御装置（ＢＳＣ）１１５１に接続されている。次に、ＢＳＣは、ＰＳＴＮ、ＰＳＤＮ及びインターネット（１１５２）に接続される。ＰＳＴＮ−ＰＳＤＮ−ＩＰ（１１５２）から航空機（１１１０）への全ての通信経路は双方向性である。
【００６１】
エアインタフェース路１１４０及びエアインタフェース路１１３０は各々、航空機との間で単一独立経路としてトラフィック（データ及び音声）を伝達することができる。すなわち、経路１１３０は、経路１１４０と混合される情報を何も含まない。実施例では、経路１１３０は、ビジネスクラス及びファーストクラスの顧客専用であり、経路１１４０がエコノミー又は普通席顧客専用とすることができる。この場合には、リンク１１３０と１１４０との間には論理的又は物理的接続は存在しない。
【００６２】
或いは、経路１１３０及び１１４０は、航空機からの総合トラフィック（データ及び音声）の一部が１１３０により部分的に伝達され、１１３０により伝達されない残りのトラフィックが１１４０により伝達されるような、逆多重化マルチリンク様式で論理的に接続して作動することもできる。マルチリンク法を用いると、個々のデータパケットは、もはや時間的に同期されず、すなわち、パケット２はパケット１の後に続く。従って、逆多重化機能は、経路１１３０及び１１４０により伝達された情報を正しい順序で（パケットを欠落させることなく）「再構築」し、集約的な複合データストリームにするために航空機と地上との両方に備える必要がある。
【００６３】
図１１Ｂは、複数の航空機にサービスする空対地セルラー通信ネットワークの汎用図を示し、その各々が、少なくとも１つの空対地無線周波通信リンクを介して接続される。航空機１１１０、１１７０〜１１７３は各々、少なくとも１つのサービング空対地陸上基地局送受信装置（ＢＴＳ）１１３５、１１４５、１１９０、及び１１９１と航空機を接続する少なくとも１つの空対地無線周波通信リンク１１３０、１１４０、１１６０〜１１６４を有する。データ通信リンク１１８０〜１１８３は、通信ネットワーク１１５０及びデータ通信リンク１１８４〜１１８５を介して、空対地陸上基地局送受信装置（ＢＴＳ）１１３５、１１４５、１１９０、１１９１と関連する基地局制御装置１１５１、１１９５とを相互接続し、次いで、これが一般通信事業者ネットワーク１１５２と相互接続される。
【００６４】
従って、この空対地セルラー通信ネットワークの基本アーキテクチャは、陸上セルラー通信ネットワークと類似するが、航空機が更に複雑になり、航空機当たりに複数の空対地無線周波通信リンクを用いて、空対地セルラー通信ネットワーク全体にわたり各航空機上に配置された無線端末装置により発生するトラフィックを分配する。
【００６５】
逆多重化機能は、航空機１１１０及び１１７０〜１１７３側と、並びに地上側での、ネットワーク１１５０、ＢＳＣ１１８４〜１１８５、又はこの目的（逆多重化）のために特別に生成された別の新しいネットワーク装置における何れかとの両方に備わっている。逆多重化の概念には、複数のリンクを共有してデータトラフィックを伝達することが含まれる。図１１Ｂでは、航空機１１１０は、１１３５（ＢＴＳ−１）及び１１４５（ＢＴＳ−２）と同時に通信する。図１１Ｂの遠方左端部は、より物理的な例図の図１１Ａの複写である点に留意されたい。例えば、経路１１３０は図１１Ａ及び図１１Ｂの両方で円偏波され、経路１１４０は図１１Ａ及び図１１Ｂの両方で垂直偏波される。図１１Ａ及び図１１Ｂの両方において、ＢＴＳは１１３５及び１１４５である。図１１Ａ及び図１１Ｂの両方において、ＢＴＳとＢＳＣとの間の相互接続ネットワークは１１５０、ＢＳＣは１１３１、パブリックネットワークは１１５２である。
【００６６】
図１２Ａは、ブロック図形式で、航空機上のデュアルアンテナへの送信及び受信信号の相互接続を示す。航空機は複数の顧客端末装置を含み、その各々がデータ通信要求を有する。これらの端末装置の相互接続は、データソース１２０１を集約し、データフロー制御プロセス１２０２を用いて、送信ポート１２０４及び２つの受信ポート１２０５、１２０６をサポートするトランシーバカード１２０３を介して空対地セルラー通信ネットワークと顧客端末装置を相互接続する他の手段の無線ローカルエリアネットワークにより行われる。送信路は、最良受信路パイロット測定に基づいて選択される。送信ダイバーシティは、現在実施可能ではない。受信機は、マルチパス遅延されるが同じソース又はセクタから到達する２つの信号の時間相関によるダイバーシティ受信能力を有する。
【００６７】
或いは、図１２Ｂに示すように、「強化」トランシーバカード１２０３は、４つのポート（今日現在存在しない）すなわち、アンテナ１ 垂直偏波、送信及び受信両用１２１０；アンテナ１ 水平偏波、送信及び受信両用１２１１；アンテナ２ 垂直偏波、送信及び受信両用１２１２；アンテナ２ 水平偏波、送信及び受信両用１２１３をサポートする。
【００６８】
図１２Ｃ〜図１２Ｅは、ブロック図形式で、航空機送信アンテナの選択を管理するためのシステムプロセスを示す。航空機送信アンテナの選択を管理する３つの論理図があり、各図は、段階１２９９（図１２Ｃ、図１２Ｄ、及び図１２Ｅ）で始まる。これらの３つのプロセスは、一般に並行して操作する。図１２Ｃの段階１２９９では、プロセスが開始され、ここで、航空機のプロセッサにより、選択した空対地陸上基地局送受信装置（ＢＴＳ）への空対地無線周波通信リンクを実施するための送信アンテナ及び偏波として働くアンテナ及び偏波の選択が開始される。各アンテナ及び無線周波信号偏波の組み合わせに１つずつの作動可能な複数のパイロット信号測定プロセスが存在する。この実施例では、２つのアンテナ（アンテナ１、アンテナ２）及び２つの無線周波信号偏波（水平、垂直）が存在し、これにより、１２９２、１２９３、１２９４、及び１２９５において、それぞれアンテナ／偏波１２１０、１２１１、１２１２、及び１２１３由来のパイロット信号強度を測定するのに用いられる４つのプロセスをもたらす。これらのプロセスは、並行して、交互に、又は連続して作動することができる。何れの場合においても、各パイロット信号測定プロセスは、１２１４でのパイロット信号比較プロセスに結果を返し、ここで、ある範囲内の空対地陸上基地局全てから受け取った航空機アンテナ及び無線周波信号偏波の各組み合わせに対してパイロット信号が比較される。
【００６９】
段階１２１５から段階１２３０までにおいて、どのアンテナ及び無線周波信号偏波が最も強いパイロット信号及び２番目に強いパイロット信号をもたらすかを判断する。最も強いパイロット信号を判断することにより、その航空機アンテナ及び無線周波信号偏波の組み合わせが１次送信機アンテナ及び関連する偏波選択となる。２番目に強いパイロット信号を判断することにより、その航空機アンテナ及び無線周波信号偏波の組み合わせが２次送信機アンテナ及び関連する偏波となる。
【００７０】
図１２Ｃに記載する送信アンテナ及び関連する偏波選択プロセスは、システムが、単なる単一のノードとしてだけでなく、ネットワークトラフィック全体の負荷（すなわち、所与のセル−セクタにより幾つの航空機がサービスを受けているか）をも考慮して航空機から最適送信路を探し出す連続的プロセスであり、複合ネットワークが、その地方、地域、及び国の観点からネットワークに対して全体的な最適化アルゴリズムを有する。詳細には、複合ネットワーク最適化アルゴリズムにより、ネットワーク通信リソースを奪い合う全ての航空機の間でサービスの公平さ及び品質（ＱｏＳ）が確保される。
【００７１】
図１２Ｄ及び図１２Ｅは、航空機送信アンテナ及び関連する偏波選択に対する付加的な論理規則を示している。詳細には、これらの２つの論理選択規則のセットは、２つの設置アンテナが空間的に絶縁されているかどうかに関係する。しかしながら、この概念は、２つのアンテナに限定されない。空間的絶縁の実施例は、航空機の後部尾翼胴体側部に装着されたアンテナが、前方右側胴体側部に装着されたアンテナに対して有することになる航空機内アンテナパターン自己絶縁となる。これらのアンテナがアンテナパターン空間分離を有する場合には、両方の航空機アンテナが場合によっては互いに自己干渉を引き起こすことなく同時に同じ偏波で送信できるので、容量強化の別の要素が生じている。
【００７２】
図１２Ｄは、２つの航空機送信アンテナが十分なパターン内絶縁（段階１２３１）を有さない場合に実施される論理プロセスである。次に、段階１２３２及び１２３３では、選択した１次及び２次送信偏波は、実質的に直交する必要があり、例えば、１次偏波がＶ−ｐｏｌである場合には、２次偏波はＨ−ｐｏｌとする必要がある。次いで、段階１２３４、１２３５、１２３６、及び１２３７で、本システムは、必要な２次直交偏波が、１次偏波と同じ物理的アンテナにあるかどうか、或いは２次偏波が他方の第２のアンテナに接続されているかどうかを判断する。
【００７３】
図１２Ｅは、２つの送信アンテナが、段階１２３８で十分なパターン内絶縁を有する場合に実施される論理プロセスである。この場合には、段階１２３９及び１２４０で、２次偏波は、１次偏波と同じとすることができ、或いは、１次偏波と直交することもできる。選択した１次及び２次偏波が、段階１２４１及び１２４３で同じである場合には、選択したアンテナは異なる必要がある。選択した１次及び２次偏波が異なる（又は直交する）場合には、選択したアンテナは同じであることも、異なるものとすることもできる。
【００７４】
図１２Ｆは、ブロック図の形式で、航空機上の受信アンテナ及び関連する偏波の選択を管理するためのシステムを示す。航空機受信アンテナの選択を管理する２つの論理図があり、各図は、段階１２９８（図１２Ｆ及び図１２Ｇ）で始まる。これらの２つのプロセスは一般に並行して作動する。図１２Ｆの段階１２９８でプロセスが開始され、ここで、航空機上のプロセッサが、選択した空対地陸上基地局送受信装置（ＢＴＳ）に対する空対地無線周波通信リンクを実施する受信アンテナ及び偏波として働くアンテナ及び偏波の選択を始める。各アンテナ及び無線周波信号偏波組み合わせに１つずつの作動可能な複数のパイロット信号測定プロセスが存在する。この実施例では、２つのアンテナ（アンテナ１、アンテナ２）及び２つの無線周波信号偏波（水平、垂直）が存在し、これにより、１２９２、１２９３、１２９４、及び１２９５においてそれぞれアンテナ／偏波１２１０、１２１１、１２１２、及び１２１３由来のパイロット信号強度を測定するのに用いられる４つのプロセスをもたらす。これらのプロセスは、並行して、交互に、又は連続して作動することができる。何れの場合においても、各パイロット信号測定プロセスは、１２４５でのパイロット信号比較プロセスに結果を返し、ここで、ある範囲内の空対地陸上基地局全てから受信した航空機アンテナ及び無線周波信号偏波の各組み合わせに対してパイロット信号が比較される。
【００７５】
段階１２４６〜段階１２６１までにおいて、どのアンテナ及び無線周波信号偏波が最も強いパイロット信号及び２番目に強いパイロット信号をもたたすかを判断する。最も強いパイロット信号を判断することにより、その航空機アンテナ及び無線周波信号偏波の組み合わせが１次受信アンテナ及び関連する偏波選択となる。２番目に強いパイロット信号を判断することにより、その航空機アンテナ及び無線周波信号偏波の組み合わせが２次受信アンテナ及び関連する偏波となる。
【００７６】
図１２Ｆに記載する受信アンテナ及び関連する偏波選択プロセスは、システムが、単なる単一のノードとしてだけでなく、
ネットワークトラフィック全体の負荷（すなわち、所与のセル−セクタにより幾つの航空機がサービスを受けているか）も考慮して航空機までの最適な送信路を探し出す連続プロセスであり、複合ネットワークが、その地方、地域、及び国の観点からネットワークに対して全体的な最適化アルゴリズムを有する。詳細には、複合ネットワーク最適化アルゴリズムにより、ネットワーク通信リソースを奪い合う全ての航空機の間でサービスの公平さ及び品質（ＱｏＳ）が確保される。
【００７７】
一般に、受信及び送信アンテナ及び関連する偏波を選択するプロセスは、受信及び送信アンテナ／偏波が一致する、すなわち同じとなることが多い。しかしながら、これは必ずしも常に当てはまるとは限らない。詳細には、他のシステムレベルプロセスは、所与の航空機に対するトラフィックプロファイルが、フォワードパス（基地から航空機）及びリバースパス（航空機から基地）においてアンバランスであると判断する可能性がある。この場合、システムは、２つの受信アンテナ及び関連する偏波を有するが、送信アンテナ及び関連する偏波は１つのみであるように選ぶことができる。この実施例では、フォワードパスは、リバースパスよりもトラフィック負荷が高い。
【００７８】
図１２Ｇは、１２９８で始まる受信アンテナ及び関連する偏波の選択を示す。プロセスは、段階１２６２及び１２６３を通って１２６４〜１２６７まで流れる。概念的に、２つの異なるアンテナに対する選択した受信偏波が同じである場合には、両方の航空機アンテナは、同じＢＴＳ生成セクタからの情報を受信している可能性が極めて高い。この場合には、１２６４及び１２６７において、ＥＶＤＯ ＣＤＭＡ受信装置は、空間ダイバーシティ受信としてこれらの２つの受信入力を用い、これによって到達ダイバーシティの時間が異なることによって複合受信信号品質を高める。選択した受信偏波が異なり、実質的に直交する場合（段階１２６５及び１２６６）には、航空機は、受信するために２つの別個のセクタに接続される可能性が高く、作動時に２つの互いに異なるリンクを有する。
【００７９】
図１２Ｈは、アンテナ（１及び／又は２）、偏波（Ｖ−ｐｏｌ又はＨ−ｐｏｌ）、周波数バンド（１つ又は２つ）、及び作動状態（１次又は２次）のいずれかの可能性のある組み合わせを示す。この図は、航空機上に２つのアンテナを示しているが、この図を３つ以上の航空機アンテナに拡張することは技術的には妨げられない。これらの図の各軸線は、偏波ドメイン並びに周波数ドメインの両方において実質的に自己絶縁していることを理解することが重要である。この自己絶縁により容量強化することが可能になる。２つの一般的な航空機アンテナシステム要素のペアリング、すなわち、１２９０に示す１次ペアリングと１２９１に示す２次ペアリングとが存在する。これらの２つのペアリングは、実質的に自己絶縁しており、一般に、１次ペアリング又は２次ペアリングの何れかが動作しているが、同時に両方は動作せず、すなわち、ペアリングは、一般的に他方に対して排他的である（すなわち、一般的に、航空機アンテナパターンが本明細書で上述されたように空間絶縁する場合を除き、互いに排他的であり、１次及び２次ペアリングは、潜在的に同時に作動することができることになる）。必要なマトリクス行列「セル」を覆う２つの実線で示される１次ペアリング１２９０は、以下の属性を有し、すなわち、アンテナ１の１２９６では、１次送信１２７６が、Ｈ−ｐｏｌの１２７１とバンド１の１２７２とにあり、１次受信１２７５が、Ｖ−ｐｏｌの１２７０とバンド２の１２７３とにあり、アンテナ２の１２９７では、１次送信１２８４が、Ｖ−ｐｏｌの１２８０とバンド１の１２８２とにあり、１次受信１２８７が、Ｈ−ｐｏｌの１２８１とバンド２の１２８３とにある。２点破線楕円内に含まれるように示される２次ペアリング１２９１において、概念的に同様のアンテナ−偏波−バンドマッピングを行うことができる。
【００８０】
図１３は、相互接続された構成単位１３００としての航空機電子システムの１つの実施形態を示す。航空機データソース／シンク１３０１は、データフロー制御及び（多重−多重分離装置）である１３０２に双方向性に接続される。また、「ｍｕｘ−ｄｅｍｕｘ」の機能は、航空機上で２つの別個の受信マルチリンクパスからのデータを再結合する「逆多重化」機能としても知られている。またこの機能は、（ネットワーク規模の単位で複数の航空機及び複数のセクタ間のトラフィック負荷のバランスをとるために）陸上ネットワークからの信号情報と併せて、航空機電子機器に備わっているトラフィック負荷管理及びリンク品質指標アルゴリズムに基づいて、２つのトランシーバ１３０３及び１３０４間で航空機送信データを割り当てる。データフロー制御ｍｕｘ−ｄｅｍｕｘ装置１３０２は、ＥＶＤＯ ＣＤＭＡトランシーバ１の１３０３とトランシーバ２の１３０４とに双方向に接続される。プロセッサ１３０５は、トランシーバ１３０３及び１３０４に対して双方向性である。このプロセッサ１３０５は、パイロット強度測定値比較又は他のリンク品質指標測定を行い、１次及び２次送信及び受信ポート選択に関する知的判断を行い、トランシーバ１３０３及び１３０４並びに１３０６のＭｘＮ無線周波数送信−受信マトリクスに選択指令を送る。装置１３０６は、ＲＦ信号のデュプレクサ（受信及び送信指向性経路を分離する）、ダイプレクサ（複数のＲＦ信号を同じ送信アンテナに接続する）、サーキュレータ、スイッチ及び／又はルータの機能を果たし、全て装置１３０５による命令に従って、アンテナポート１２１０〜１２１３をトランシーバポート１３１０〜１３１２及びトランシーバポート１３１５〜１３１７に接続する。装置１３０６は、図１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆ、１２Ｇ、及び１２Ｈに定められるような論理規則により、及び１３０５からの命令により管理される。
【００８１】
図１４Ａ１は、空対地（地対空）ネットワークにおいてで作動する逆多重化機能を示す。航空機電子システム１３００は、航空機アンテナ１４０１及び１４０２に接続され、これは、経路１４０５、１４０６及び１４１０、１４１１を通して陸上に配置されたアンテナ１４２０及び１４２１と通信する。陸上アンテナ１４２０及び１４２１は、ＢＴＳ１４３１及び１４３０にそれぞれ接続される。
【００８２】
この図１４Ａ１の実施形態では、陸上アンテナ１４２０「セルアンテナ５、セクタα」がデュアル直交線形偏波であり、これは、陸上アンテナ１４２１にも同様に当てはまる点に留意されたい。特定の無線技術又はアーキテクチャでは、これは、好ましい手法とすることができる。しかしながら、図１４Ａ２は、陸上アンテナセクタが受信及び送信両方に対して単一の偏波であり、受信及び送信周波数が実質的に異なる別の実施形態を示している。ＣＤＭＡ ＥＶＤＯのような、配備された特定の技術タイプでは、図１４Ａ２は自己干渉を管理するための好ましい方法であり、この方法は、本明細書における一連の図９及び図１０に示すセクタ化方式を用いる。
【００８３】
引き続き図１４Ａ１の説明で、これらのＢＴＳ１４３０及び１４３１は、ＢＳＣ２の１４３６に対するネットワーク１４３５に更に接続される。ネットワーク１４３５は、連結ネットワークに加えて、逆多重化機能を提供することができる。或いは、逆多重化機能は、更に下流のＢＳＣの出力にスライドすることができる（図１４Ａ２に示す）。しかしながら、ＢＳＣの後に逆多重化機能を移動させるこの手法は、使用する「非標準」機器の数量を最小にするのに有利とすることができる（ＢＴＳ及びＢＳＣ相互接続プロトコルは専用であることが多い）が、図１４Ａ１が逆多重化経路に複数のＢＳＣを有する場合には、これらのＢＳＣは、図１４Ｂに記載する手段を通じて互いに接続されて、パケットデータストリームを再構築する必要がある。図１４Ａ１の接続の説明を続けると、ＢＳＣ１４３６は、陸上に配置されたパブリックネットワーク１４３７に接続される。１４３７の出力は、航空機から複数の無線路を通じて送信された完全再構築のデータストリーム１４４１である。本明細書の記載事項は、航空機から地上（及び地上から航空機）の間の経路数を２つの無線リンクにのみ限定するものではない。概念的には、無線リンクの数の唯一の制限は、各固有の無線経路間の自己絶縁を生成するのにシステム設計者が利用可能な自由度（コード、空間、時間、偏波等）である。
【００８４】
図１４Ａ１を全て考察すると、空対地接続経路は１４０５及び１４０６である。これらのエアインタフェースデータストリーム内では、１３００で供給される元のパケットは、２つの別個のＲＦリンク１４０５及び１４０６上で順序外に地上に送られる。この順序外データがネットワーク１４３５に到達すると、この特定の実施形態では、順序外データは正しい順序に再構築され、最終的に完全に元の順序のパケットＡ〜Ｉで１４４１に伝達される。同様に、地対空方向では、エアインタフェース経路１４１０及び１４１１は、地上から航空機までのマルチリンク通信を提供する。１４４０では、１３００の出力のデータは、正しい順序のパケット１〜９に再構築される。
【００８５】
図１４Ａ２では、この説明図は、ＥＶＤＯ ＣＤＭＡ実施に更に特定されている。ここに示すアーキテクチャは、製品化するまでの時間を短縮すると共に、全国的又は本土全体で作動するネットワークを開発し配備する費用を最小にするために、修正を最小にした標準ＥＶＤＯプラットフォームの大部分を再利用しようとしている。図１４Ａ１及び図１４Ａ２との間には類似性があるが、図１４Ａ２に示す重要な差違は、マルチリンク逆多重化機能を実現するために、現行のＥＶＤＯ標準及びその周辺に技術的要素を付加することによってＥＶＤＯを用いて空対地（地対空）ネットワークを効率的に配備するのに重要である。航空機から始めると、構成単位１４５０は、データソース／シンク−データフロー制御−データ逆Ｍｕｘの機能を有する。装置１４５０は、本明細書では航空機無線モデム１及び航空機無線モデム２で記載される２つのＲＦトランシーバ１４５１及び１４５２に双方向で接続される。これらのモデムは、２つの航空機アンテナ１４５３及び１４５４に相互接続される。１４６５では、各航空機アンテナは、基地局又はセルアンテナ１４５５及び１４５６からの両方の偏波を受信することができる。航空機アンテナが放射送信パターン絶縁を有さなければ、各航空機アンテナは、実質的に直交偏波で送信することになり、すなわち、一方のモデムがＶ−ｐｏｌを送信し、他方のモデムがＨ−ｐｏｌを送信することになる。これらの送信偏波割り当ては動的であり、本明細書に記載するように航空機が１つの空間領域から別の領域に飛行するときに変化する。経路１４０３及び１４０６は、空対地の方向である。逆に、経路１４１０及び１４１１は地対空の方向である。セルアンテナ６、セクタγ１４５５の両方のアンテナポートは、Ｖ−ｐｏｌとして構成される。Ｖ−ｐｏｌ送信（Ｔｘ）ポートは１４６６であり、同様にＶ−ｐｏｌである受信ポートは、１４６７（Ｒｘ）で表示される。１４５６のセル４セクタδには同様の構成が設定されるが、この特定のセクタは、受信及び送信の両方のそれぞれのポート１４６９及び１４６８に対して水平に偏波される。概念的に、陸上アンテナセクタパターン１４５５及び１４５６は、方位角、仰角、又はその両方の何れかに空間的に隣接するが、１４５５は垂直に偏波され、１４５６は水平に偏波される。空間的に隣接するセクタの概念は、本明細書の図９及び図１０の一連の図で示される。このように、これらの２つの陸上アンテナセクタ１４５５及び１４５６の空間的境界では、航空機アンテナ１４５３及び１４５４において１２ｄＢ〜１５ｄＢの偏波絶縁が存在する。
【００８６】
アンテナ１４５５は、ＢＴＳ２の１４５８に接続され、アンテナ１４５６はＢＴＳ３の１４５７に接続される。ＢＴＳ１４５７及び１４５８の両方は、ネットワーク１４５９を通じてＢＳＣ１の１４６０に双方向性に接続される。続いて、１４６０は、ネットワーク１４６１を通じて装置１４６２に接続される。装置１４６２は、ＰＤＳＮ（パケットデータ交換網）、ＨＡ（ホームエージェント）、及び逆Ｍｕｘ（逆多重化）能力を含む。１４６２の出力は、航空機により送られたデータストリームを完全に再構築したものであり、１４６３で示す。
【００８７】
このマルチリンクネットワークは双方向性であるので、航空機装置１４５０は、１４６４で地上から送られるデータを完全に再構築されたデータストリームとして出力する。このデータストリーム１４６４は、次に、当該技術分野で公知のパケットパケットアドレス指定方式によって定義される航空機船室内部（又は航空機システム）に伝達される。ネットワークにより伝達されるデータは、データ、音声、ＶｏＩＰ等とすることができる。
【００８８】
図１４Ｂは、より詳細なアーキテクチャ上のサービス品質（ＱｏＳ）空対地１４７１経路を示し、ここでは、データストリーム１４７０が航空機で開始され、マルチリンク無線送信を通って、同データストリームが地上に送信され、２つのリンク１４０５及び１４０６を介して（関連する機器及びプロセスを用いて）１４７２として再構築される。航空機では、ＩＰ「Ｘ」１４７３として示されたデータストリーム１４７０は、逆Ｍｕｘ（マルチプレクサ）１４７４に配信され、これが、２つのデータストリーム、すなわちＩＰ「Ｙ」１４７６及びＩＰ「Ｚ」１４７５をそれぞれ出力する。ＩＰ「Ｚ」経路に続いて、航空機に配置されるＥＶＤＯ無線モデム１４７７は、無線でＢＴＳ １４７８に接続され、これが更にＢＳＣ １４７９及びＰＤＳＮ １４８０からＨＡ（ホームエージェント）１４８１に接続される。１４８１の出力は、１４７５ ＩＰ「Ｚ」である。同様の経路に沿って、ＩＰ「Ｙ」データストリームは、無線でＥＶＤＯモデム１４８２からＢＴＳ １４８３まで、次いで、ＢＳＣ １４８４、更にその後、ＨＡ １４８６を通ってＰＤＳＮ １４８５に流れ、元のデータストリームＩＰ「Ｙ」１４７６として再び現れる。両方のデータストリーム１４７５及び１４７６は、逆ＤｅＭｕｘ装置１４８７に接続される。装置１４８７は、１４７２としてデータストリームＩＰ「Ｘ」１４７３を出力する。この集約経路に沿った送信は、最終的に無損失であり、すなわち、航空機で何が送信されても、最終的にはエラー又はパケット損失がなく地上に到達する。
【００８９】
ＨＡ（ホームエージェント）は、ＣＤＭＡパケットデータネットワークでは任意である。ＣＤＭＡパケットデータネットワークアーキテクチャは、「Ｓｉｍｐｌｅ ＩＰ」及び「移動体ＩＰ」のＩＰ移動体モデルをサポートする。移動体ＩＰは、ＩＥＴＦ（ＲＦＣ２００２〜２００６）の従来のＩＰ移動体モデルである。ＨＡは、ＭＴ（移動体端末）により用いられるＩＰアドレスのアンカポイントである。ＭＴでは、インターネットへの接続ポイントが移動するので、ルーティングネットワークは、移動体に対して直接ルーティングすることができない。代替として、ＨＡは、各ＩＰアドレスにルーティングポイントを生成する。次に、ＨＡは、所与のＩＰアドレスに対するＩＰパケットを適切なフォーリンエージェント（ＦＡ）にトンネリングする。移動体ＩＰを用いる場合には、ＰＤＳＮがＦＡ機能を果たす。移動体が新しいＦＡ（ＰＤＳＮ）に移動する場合、移動体ＩＰプロトコルは、新しいＦＡに向くようにそのＨＡを更新処理する。
【００９０】
他の選択肢はＳｉｍｐｌｅ ＩＰを用いることである。Ｓｉｍｐｌｅ ＩＰでは、ＰＤＳＮはＩＰアドレスに対するアンカポイントを生成する。ＰＤＳＮは、ＤＨＣＰ又は何らかの同様の機能を介して、パケットデータセッションを確立したときにＭＴにＩＰアドレスを割り当てることになる。インターネットルーティングインフラストラクチャには、ＰＤＳＮは、これらのＩＰアドレスに対するエンドポイント（又は最終ルータ）のように見える。ＭＴがセル境界にわたって移動し、これによって新しいＰＤＳＮに割り当てられることになる場合には、新しいＩＰアドレスを入手する必要がある。移動体ＩＰでは、モビリティの別のレイヤが存在し、ＰＤＳＮ境界は、ＩＰアドレスの変化が生じない。
【００９１】
＿＿＿ＨＡ＿＿＿＿
／ ＼
ＰＤＳＮ１ ＰＤＳＮ２
／ ＼ ／ ＼
ＲＮＣ／ＰＣＦ１ ＲＮＣ／ＰＣＦ２ ＲＮＣ／ＰＣＦ３
／ ＼ ＼ ／
ＢＴＳ１ ＢＴＳ２ ＢＴＳ３ ＢＴＳ４
上に示すように、ＭＴがＢＴＳ２からＢＴＳ３に移動する場合、ＭＴは、依然として同じＰＤＳＮによりサービスされることになる。従って、Ｓｉｍｐｌｅ ＩＰ及び移動体ＩＰの両方を用いる場合、ＭＴは、新しいＩＰアドレスを割り当てられる必要はない。しかしながら、ＭＴが、ＢＴＳ３からＢＴＳ４に移動する場合、ＰＤＳＮが変化することになる。Ｓｉｍｐｌｅ ＩＰを用いる場合、これには、ＰＤＳＮ２により新しいＩＰアドレスの割り当てが必要になる。移動体ＩＰを用いる場合、ＨＡは同じままであり、従って、ＩＰアドレスの割り当ては必要ではない。但し、ポインタをＰＤＳＮ１ではなくＰＤＳＮ２を指すように更新されることになる。インターネットの他の部分は、ルーティングテーブル全てがＨＡを向くので移動が認知されない。
【００９２】
逆Ｍｕｘの位置に対して、ＨＡは、ＭＴとＨＡとの間の移動体ＩＰトンネルのエンドポイントである。これは、このトンネルの外側に逆Ｍｕｘを維持することが最も容易であるためである。同時に、ＨＡは、既に、ｂｉｇ−Ｉインターネットの前の最終エンドポイントであるので、逆Ｍｕｘ機能を実施するのに適切な場所である。
【００９３】
図１４Ｂでは、単一のＱｏＳの流れが示されている。しかしながら、複数のＱｏＳの流れも実施可能である。あらゆる場合において、ＭＴとＰＤＳＮとの間に各ＱｏＳの流れが確立される。加えて、ヘッダー圧縮及び／又はヘッダー除去がサポートされている。ＭＴ及びＰＤＳＮは、圧縮器／圧縮解除器のエンドポイントである。これらの理由で、ＭＴとＰＤＳＮとの間のどこかに逆Ｍｕｘ機能を挿入するために標準の変更が必要とされることになる。
【００９４】
逆Ｍｕｘの別の機能は、複数のＩＰアドレスのマッピングを処理して単一のＩＰアドレスに戻すことである。このため、逆Ｍｕｘは、ＨＡとインターネットとの間に位置する可能性が高いことになる。殆どの配備における２つのＨＡは、同じ物理エンティティとなるので、ＨＡは、逆Ｍｕｘ機能を実施するための良好な候補になる。
【００９５】
図１４Ｂの２つのＰＤＳＮは、別個の論理エンティティとして示されるが、多くの場合、これらは、単一の物理ネットワーク要素となる。これはＨＡにも当てはまる。
【００９６】
図１４Ｃは、簡略化された逆多重化プロトコルを示す。１４９０では、パケットが順序外で且つパケット損失の可能性もあるが、データストリームは受信される。１４９２では、プロトコルは、パケットがＮ＋１パケットであるか、すなわちシーケンスの次のパケットであるかどうかを確認する。そうである場合、パケットは、送信バッファ１４９１に送られ、順序外である場合には、パケットは１４９３に送られる。１４９４では、パケットが正しい順序に再構築される。１４９６では、データストリームを１４９７に送信する前に損失パケットがないか最後にもう一度確認する。パケット損失がある場合には、１４９５で、損失パケットを再送するようリクエストが送られる。
【００９７】
逆多重化
複数のＥＶ−ＤＯモデムを用いる場合、逆多重化機能を提供して２つのＥＶ−ＤＯストリームを組み合わせることが必要である。逆多重化は、単一のチャネルからデータをとり、複数の小さなチャネルにわたって分配し、相手方でデータが再構築される。マルチリンクＰＰＰは、複数の安定チャネル（例えば、論理ＩＳＤＮチャネル）を組み合わせるのに用いられてきたが、リンクの動的特性により、複数のＥＶ−ＤＯリンクには適切でないことになる。逆多重化機能は、各リンクの瞬間的状態を考慮する必要がある。この問題は十分に研究されており、幾つかのシステムが試作されている。逆多重化プロトコルは、典型的には、リンクの各端部で論理回路が必要である。
【００９８】
逆多重化は、スケジューリング、損失パケット、到達順序、パケット待ち時間等の因子を考慮する必要がある。加えて、集約ネットワーク負荷バランスアルゴリズムは、公平性及びサービス品質（ＱｏＳ）に対する制御機能を提供するために必要とされる。これらの変数全てと併せて、システムは、特に、複合ネットワークにおいて複数の航空機の全体的必要性を比較したときに、何れかの所与のリンクの実効スループットを連続的に測定する必要がある。
【００９９】
要約
本発明のマルチリンク航空機セルラーシステムは、航空機に装着された複数の物理的に分離したアンテナを利用すると共に、逆多重化により空対地セルラー通信ネットワークのトラフィック（データ及び音声）処理容量を改善するために、付加的に任意の信号絶縁及び最適化技術を用いる。マルチリンク航空機セルラーシステムの付加的な技術には、偏波ドメイン、コードドメイン、及び地上アンテナパターン整形（方位角、仰角、又は両方の平面）を含むことができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルラー通信に関し、詳細には、航空機と複数の陸上セルサイトとの間に複数の無線周波通信リンクを同時に供給するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
セルラー通信の分野では、航空機がその軌道を飛行し、空港に接近／空港を出発するときに、複数の航空機の乗客の通信要件を効率的且つ連続的に満たすことには問題がある。
【０００３】
典型的な空対地セルラー通信ネットワーク（地対空リンクを含む）は、多数の陸上（地上）基地局から成り、その各々は、セルサイト送信アンテナの周りに放射状に配置される予め設定された空間容積において無線周波数カバレッジエリアを提供する。この陸上基地局は、地上発信信号又は地上反射信号の受信の影響を受けず、上空方向にのみ伝送可能であるアンテナパターンを用いる。陸上基地局は、地理的に分散されており、一般的には、標準セルラー通信ネットワークレイアウトに従う。また、陸上基地局は、航空機が着陸状態にあるときにネットワークカバレッジを有効にするように空港近傍の同一の場所に配置することもでき、この場合には、アンテナパターンは、陸上に配置された航空機に対して最適化される。各陸上基地局のカバレッジエリアの境界は、実質的に隣接するサイトの境界と実質的に連続し、一般に、空対地セルラー通信ネットワークにおける陸上基地局の全ての複合カバレッジが、目標エリアに対するカバレッジを提供するようにする。陸上基地局は、単一の送受信アンテナシステムと関連付けられたトランシーバを用いたカバレッジの単一のオムニセル、或いは、各々が関連トランシーバ及び関連送受信アンテナを備えた、カバレッジのセル内に複数のセクタを設けることができる。陸上基地局当たりに複数のセクタを備える後者の構成の利点は、当該陸上基地局のカバレッジエリアにおける通話処理容量を増大させることができることである。
【０００４】
利用可能な総無線周波数スペクトルには制限があり、従って、あらゆる単一セルにおける利用可能な総通話処理容量には制限がある。無線通信装置が、１つのセル又はセルのセクタのカバレッジエリアから空間的に連続した隣接セル又はセルのセクタのカバレッジエリア内に移動すると、その無線通信装置からの通信は、第１のセル（又は第１のセクタ）から第２のセル（又は第２のセクタ）にハンドオーバされる。これには、この無線通信装置により示される新しい負荷をサポートするために、第２のセルに利用可能な通話処理容量が十分にあることが必要である。単一のパーソナル無線通信装置に必然的に伴うコールハンドオフは、セルに大きな過渡的負荷をもたらさない。しかしながら、空対地セルラー通信ネットワークでは、各航空機には数百の乗客がおり、各々がネットワーク容量を奪い合うので、航空機内で現在作動中のセルラー通話の数は、陸上セルサイトの通話処理容量の大部分に相当する可能性がある。セルサイトがサービスを提供することができる航空機が少数であり、セル内での航空機の平均通過時間が長い場合には、現在サービスを提供されている航空機がセルから離れてセル内の通話処理容量を解放する前に到着する可能性がある航空機に対してサービスを提供するために、アイドル容量が大きな割当量がなければならない。加えて、航空機とサービング陸上セルサイトとの間に単一の無線周波数リンクを用いることは、サービス提供が中断されると多数の通話に影響を及ぼすシングルポイント障害になることを意味する。
【０００５】
従って、航空機と空対地セルラー通信ネットワークの陸上基地局との間の無線周波通信リンクの能力は限定されており、シングルポイント障害を示し、更に、サービング陸上セルサイトの通話処理容量に関して通話ハンドオフ問題を示す。
【０００６】
必要とされているのは、空対地セルラー通信ネットワーク通話処理容量問題を解決し、システム可用性、システム信頼性、及びシステム容量を飛躍的に改善する当該技術分野の進歩である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上に記載した問題は、本明細書では「マルチリンク航空機セルラーシステム」と呼ばれる本発明の「複数の陸上セルサイトと同時に通信するためのマルチリンク航空機セルラーシステム」により解決される。
【０００８】
この技術的説明において、「空対地」セルラー通信ネットワークは、双方向性とみなされ、全２重無線通信リンクを生成するために地対空方向を含む。従って、本明細書では、空対地の記載には地対空方向をも含むものとする。
【０００９】
帯域幅が制約された空対地セルラー通信ネットワークは、２つ以上のセル又はセクタ間の航空機のトラフィック負荷を共有することにより航空機毎の単位で通話処理容量を増大させることができる。このプロセスは、複数の陸上セル又はセクタ（或いは所与のセルのセクタ）に対しての２つ以上の空対地無線周波通信リンクを通じた航空機の通話トラフィックを同時に通信させることにより機能する。所与の無線周波数スペクトル割り当ての場合、複数の空対地無線周波通信リンク上での通話トラフィックを複数の陸上セル又はセクタに対して広げると、実装される各付加的な無線周波数リンクに対して所与の航空機との間の通話処理容量が増倍する（他の航空機がこれらのセル又はセクタの能力に競合していない場合）。同様に重要なことには、このアーキテクチャは、単一空対地無線周波通信リンクにより引き起こされるシングルポイント障害問題を排除し、これによって、複合空対地無線周波通信リンクのネットワーク可用性をより高度でよりロバストなものにする。空対地セルラー通信ネットワークが所与の空間領域において使用中である、すなわち複数の航空機と極めて混雑している場合であっても、サービスエリア内の航空機の全てがネットワーク容量に対する要求を個々に且つ集合的に変化させるので、このプロセスは、複数の陸上セルにわたる集約ネットワーク負荷を「平滑化」することによって所与の航空機に対する全体のトラフィックスループットを依然として増大させる。
【００１０】
帯域幅制約無線空対地ネットワークの容量、可用性、及び信頼性を高めるために、航空機が動作している使用可能な空間及び時間多次元領域をパーズするための他の方法が必要である。これらの方法には、２つの実質的に直交する偏波を用いて所与のスペクトル割り当ての能力を効果的に２倍にすることを含む。更に、直交符号（Ｗａｌｓｈ ｃｏｄｅ）ドメイン分離が付加される場合には、空対地セルラー通信ネットワークの通話処理容量の付加的な増大が達成される。
【００１１】
本発明のマルチリンク航空機セルラーシステムの実施では、空対地セルラー通信ネットワークの通話処理容量を改善するため、航空機に搭載された複数の物理的に分離されたアンテナ、並びに付加的な任意選択の信号絶縁及び最適化技術を利用する。地上では、方位角、仰角、高度、又は複数の平面に整形する基地局アンテナパターンが、多次元空間的領域を複数のセクタに更にセグメント化し、これによって空間周波数の再利用によりシステム容量を改善する。
【００１２】
前述の容量強化技術の全ては、本質的に相加的である。例えば、実質的に直交偏波を６セクタ方位基地局アンテナパターンと共に用いると、その所与の基地局及び関連する航空機の全体容量に対して線形的な乗数効果を有する。集合的ネットワーク容量を考慮する場合、複数のノードにわたる負荷ピークを平滑化又は平衡化することにより、システム全体の観点からピーク負荷管理が向上される。
【００１３】
従って、空対地セルラー通信ネットワークは、２つ以上の陸上セル又はセクタ間でそのトラフィック負荷を共有すること、及び航空機に装着された複数の物理的に分離されたアンテナ及び基地局アンテナパターンセクタ化を利用すること、並びに直交偏波の利用などの付加的な任意選択の信号絶縁及び最適化技術を利用することによって、航空機単位でそのトラフィック（データ及び音声）処理容量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】ボーイング７３７航空機を示す側面図である。
【図１Ｂ】ボーイング７３７航空機を示す前面図である。
【図１Ｃ】ボーイング７３７航空機を示す上面図である。
【図２Ａ】ボーイング７３７〜５００航空機上の前方に装着されたベリーブレードアンテナのための無線周波数送信パターンを示す図である。
【図２Ｂ】エンジンポッドにより引き起こされる無線周波信号の遮断を示す図である。
【図３Ａ】ボーイング７３７〜５００航空機の２つの航空機ブレードアンテナの無線周波数送信パターンを示す図である。
【図３Ｂ】ボーイング７３７〜５００航空機上で、図３Ａの２つの航空機ブレードアンテナの１つが前方に、１つが機尾に装着されたことを示す図である。
【図４Ａ】スロットの長い方の長さに垂直なＥ−電場ベクトルを有するスロットアンテナラジエータを備えるベリー装着ブレードアンテナを示す図である。
【図４Ｂ】水平方向Ｅフィールドと、導電面の平面内にパターンヌルを有する導電面上の放射遠視野パターンとを備えた、図４Ａのベリー装着ブレードアンテナの無線周波放射パターンを示す図である。
【図４Ｃ】モノポール要素の長軸に平行なＥフィールドベクトルを有するモノポールアンテナラジエータを備えるベリー装着ブレードアンテナを示す図である。
【図４Ｄ】垂直Ｅフィールドと、導電面上の放射遠視野パターンとを備えた、図４Ｃのベリー装着ブレードアンテナの無線周波放射パターンを示す図である。
【図５Ａ】垂直及び水平方向Ｅフィールドの両方を備えたベリー装着ブレードアンテナを示す図である。
【図５Ｂ】導電面を覆う遠視野放射パターンを備えた（このアンテナの軸率は、水平では不十分であるが、図４Ｂと異なり、放射電力は、図４Ｂで完全に理論上ヌルとなるのに対して−３ｄＢ低下するのみである）円偏波ベリー装着アンテナを示す図である。
【図６】放射アンテナの平面内の導電面に装着された典型的なデュアル直線偏波マイクロストリップパッチアンテナの無線周波信号出力を示す図である。
【図７】放射アンテナの平面内の導電面上に装着された典型的なデュアル円偏波マイクロストリップパッチアンテナの無線周波信号出力を示す図である。
【図８Ａ】直線又は円偏波であり、航空機の側部胴体（又はベリーと側部胴体との間の領域）に装着されたコンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ（又はアレイ）を示す図である（これらのマイクロストリップアンテナは、図６及び図７に示すような単一のラジエータとすることもでき、マイクロストリップラジエータのアレイとして構成することもできる）。
【図８Ｂ】円偏波され、航空機ベリーに装着され、天底（地面）を向いたコンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ（又はアレイ）（この航空機アンテナは、基地局の天頂（天空）を向くアンテナとペアである）を示す図である。
【図９Ａ】幾つかの空対地陸上基地局により形成される空対地セルラー通信ネットワークのセルサイトの典型的なパターンを示す図である（六角形のセル形状を用いることにより容易に説明することができる）。
【図９Ｂ】セクタ間（セクタは偏波ドメインで更に分割され、この実施例では、垂直及び水平偏波が隣接セクタ間で交互する）を区別するために垂直及び水平偏波を用いて空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを２つのセクタにした方位角セクタ化を示す図である。
【図９Ｃ】セクタ間（セクタは、偏波ドメイン（この実施例では、右円偏波（ＲＨＣＰ）及び左旋円偏波（ＬＨＣＰ）が隣接するセクタ間で交互に起こる）で更に分割される）を区別するために右回り及び左旋円偏波を用いて空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを６つのセクタにした仰角セクタ化を示す図である。
【図９Ｄ】図９Ｂに示すシステムに存在する３つの航空機を示す図であり、垂直及び水平偏波を用いた空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを６つのセクタにする方位角セクタ化を用いてセクタ間を区別し、空間的幾何形状が許せば、航空機が２つ以上のセクタと同時に通信することができるようになる。
【図１０Ａ】航空機が基地局アンテナから遠方で伝播視角が極めて浅い場合の無線周波信号の直接経路及び反射経路を示す図である。
【図１０Ｂ】仰角セクタが２つの実質的に直交する偏波間で交互にされる、仰角方向に複数のセクタに分割されたセルサイトを示す図である。
【図１０Ｃ】２つの図示の方位角セクタに分割され、更に仰角で複数のセクタに分割され、両分割次元が２つの実質的に直交する偏波の間で交互にされ、その空間的ドメインにおいて、方位角又は仰角又は両方の次元で２つのセクタが現在のセクタに用いられるのと同じ隣接するセクタ偏波を有することがないようにしたセルサイトを示す図である。
【図１１Ａ】２つのアンテナ、すなわちコンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ及びブレードアンテナが航空機のベリー上に装着され、２つの異なる空対地陸上基地局との２つの空対地無線周波通信リンクをサポートする実施例を示す図である。
【図１１Ｂ】各々が少なくとも１つの空対地無線周波通信リンクを介して接続され、複数の航空機にサービスされる空対地セルラー通信ネットワークを示す一般図である。
【図１２Ａ】１つの送信ポート及び２つの受信ポートを備える現在の技術の送受信モジュール（トランシーバ）へのデータの流れを制御することによる航空機データ及び音声トラフィックの相互接続をブロック図形式で示す図である。
【図１２Ｂ】各々が送信及び受信することができる４つのアンテナ接続ポートを備える強化トランシーバモジュールをブロック図形式で示す図である。
【図１２Ｃ】基地局セクタからの受信パイロット信号強度の関数として航空機上の送信アンテナの選択を管理するためのシステムをブロック図形式で示す図である（図１２Ｃのプロセスは、図１２Ｄ及び図１２Ｅのプロセスと関連する）。
【図１２Ｄ】図１２Ｃのプロセスと関連し、無線周波信号を送信するための送信航空機ラジエータ偏波及びアンテナの選択を示す図である。
【図１２Ｅ】図１２Ｃのプロセスと関連し、無線周波信号を送信するための送信航空機ラジエータ偏波及びアンテナの選択を示す図である。
【図１２Ｆ】基地局セクタからの受信パイロット信号強度の関数として航空機の受信アンテナの選択を管理するためのシステムをブロック図形式で示す図である。
【図１２Ｇ】図１２Ｆのプロセスと関連し、１つの空対地リンク又は２つの空対地リンクが適所に存在するかどうかなど、可能性のある航空機システムレベル状態を詳細に説明する図である。
【図１２Ｈ】航空機アンテナ、偏波、及び周波数ドメインの間の可能なマトリクス組み合わせを示す図である（図１２Ｈは、実施例の形で、３つのドメインの１次及び２次ペアリングが、自己干渉を引き起こすことなく２つ同時の空対地リンクを可能にする必要があることを更に示している。）
【図１３】２つのトランシーバカードを殆ど修正なしで用いて、デュアルアンテナ、デュアル偏波、マルチリンク機能を可能にするための航空機上の主要な構成単位をブロック図の形式で示す図である。
【図１４Ａ１】マルチリンク機能により、航空機と陸上基地局との間の順方向及び逆方向経路の両方でどのように逆多重化がもたらされるかを示しており、ここでは、順序外のデータパケットが、選択した宛先に送達される前に航空機及び地上の両方で正しい順序に再構築され、更に、ＰＤＳＮ−逆多重化機能の位置を更に下流側に移動させ、ＢＴＳとＢＳＣの相互接続専用プロトコルを修正する必要がないようにする（これによって製品化の時間が短縮され、開発費用が低減される）。
【図１４Ａ２】陸上セクタが送信及び受信時に同様に偏波され、航空機トランシーバに航空機アンテナを接続することにより、接続マトリクスを通るダイバーシティ受信が可能になる特定の用途を示す図１４Ａ１の変更形態の図である。
【図１４Ｂ】航空機無線モデムと陸上ＰＤＳＮ（パケットデータ交換ネットワーク）とＨＡ（ホームエージェント）との間の接続を示す図であり、２つの無線マルチリンクを介して単一のＱｏＳ（サービス品質）をどのように空対地方向に送信し、次いで再結合して元のデータストリーム（航空機で発信したもの）と同一の複製にすることができるかを示している。
【図１４Ｃ】逆多重化が概念的にはどのように作動するかを示す簡略プロセスの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
空対地セルラー通信ネットワークの構成要素の多くは、複合空対地セルラー通信ネットワークトラフィック処理容量全体（データ、音声、その他）と相互作用して影響を及ぼすので、高信頼性及び高可用性の空対地セルラー通信サービスの提供は複雑なプロセスである。ネットワーク構成要素を変化させると、１つのネットワーク属性を改善することができるが、同時に別の属性を損なう可能性がある。システムの観点からは、ネットワーク設計は、高信頼性及び高可用性の両方を有すると共に、高トラフィック容量を有する必要がある。これらの属性を作動上管理するために、ネットワークアーキテクチャは、増加的にトラフィック容量を付加するために、時間の経過と共に拡大できる必要がある。
【００１６】
通話処理容量強化問題
詳細には、空対地無線周波通信リンクが固定帯域幅リソースとなるので、空対地セルラー通信ネットワークに対する容量強化の課題は重大な問題である。セルラー通信ネットワークは、様々な航空機の空間密度（詳細には、空港内及びその周辺で航空機の空間的密度が高くなる）を有する多次元空間において飛行中の航空機に供用するので、容量強化問題は更に複雑になる。これらの航空機は、高速で飛行しており、関連するドップラーシフト、並びに大きなセル半径に関連する時間遅延が発生する。航空機飛行プロファイルは、様々なピッチ−ロール−ヨー角度、異なる高度、及び異なる速度を含む。各航空機は、陸上基地局の観点から単一の「ノード」のように見える。単一のノードとして、数百の乗客を収容している可能性がある各航空機は、陸上（各）基地局に極めて大容量のシングルポイントネットワーク負荷として見える。各一意的な乗客は、特定のデータ及び／又は音声要件を備えた無線装置を有する可能性があり、これは、乗客の無線装置の数を掛合わせると、航空機単位毎に相当なトラフィック負荷が発生する可能性がある。何れかの所与の領域において、各々が大きなトラフィック負荷を個々に有する数十もの航空機が存在する可能性があり、全ての航空機が、限定された周波数帯域幅の空対地無線周波通信リンクを通じた空対地セルラー通信ネットワークからのネットワークリソースを全体として奪い合う。
【００１７】
航空機アンテナシステム
本明細書に記載する複数のリンクを用いた逆多重化システムは、放射された偏波がその放射方向で純粋なままであり、（陸上モバイル装置（携帯電話）との陸上セルラーネットワーク通信において起こるような）物理的物体散乱に起因する偏波ベクトルの回転を生じないといった、空対地システムの利点に大きく依存している。これは、空対地ネットワークの伝播経路が見通し（ＬＯＳ）にあり、どのような自然又は人工的な物体もが航空機と地上との間（或いは、地上と航空機との間）でＲＦ伝播を回折し、反射し、屈折し、又は他の方法で損うことがない（放射及び到達偏波が一定のままである）ことに起因する。従って、空対地ネットワークは、大部分が直交する２つの偏波タイプの間を良好に偏波絶縁することができる。直交偏波の実施例には、垂直偏波対水平偏波、及び右円偏波対左旋円偏波が含まれる。システムレベルの高周波電磁コンピュータモデル化、並びに電場測定は、直交偏波絶縁が通常は１２ｄＢ〜１５ｄＢの範囲であることを示す。この絶縁レベルは、システム容量を強化する（並びにネットワーク内干渉又は自己ネットワーク干渉を最小限にする）ための重要な要素として偏波を用いるのには十分すぎる程である。しかしながら、今日まで、民生用通信サービスのための全ての空対地通信システムは、常に単一方向に偏波され、すなわち、垂直偏波のみ又は水平偏波のみの何れかであった。歴史的に、空対地単一方向偏波は、ネットワーク全体に広がり、全ての航空機は、同じ偏波、すなわち全てが垂直偏波であるか、又は全てが水平偏波である何れかで作動される。例えば、垂直偏波したネットワーク１で作動可能な航空機は、この実施例では水平に偏波されたネットワーク２では作動することができない。本明細書に記載する発明は、実質的に直交偏波を用いて、マルチセクタ基地局アンテナパターンの自己干渉を管理し、これによって同じスペクトル又は帯域幅割り当てに対してシステム容量を飛躍的に向上させることを利用している。勿論、セクタ化により、有効ネットワーク容量の自己増大が付加される。しかしながら、偏波絶縁を含まなければ、帯域幅限定システムにおけるセクタ化単独では、空対地ネットワークの容量は向上しない。
【００１８】
システム内絶縁を生成し、これによって自己干渉することなく更にセクタ化することができる他の方法は、各セクタにおいて実質的に直交するコードドメインを利用することを含む。
【００１９】
空対地通信のための絶縁方法としての時間ドメインは遙かに複雑になる。距離が大きいこと（１００マイルを超える）により引き起こされる比較的長い伝播遅延が課題として含まれ、見通しの空対地アーキテクチャでは、パケットが空間内で更に延びるのを阻止し、数百マイル離れた別の対象とするパケットと潜在的に干渉するものは何もない。加えて、時間ドメインでは、種々のセル／セクタのパケットの航空機到着を同期させて、これにより（パケットのオンオフサイクルにタイミングを合わせることにより）１つのパケットを別のパケットから絶縁することは不可能である。従って、他のドメイン、すなわち、直交符号、偏波、方位角セクタ化、仰角セクタ化、アンテナパターン自己絶縁、及び周波数バンドの選択がより好ましい。
【００２０】
飛行中の航空機に対する最新のセルラー通信サービスは、現在の陸上ベースのセルラー通信ネットワークでは企図されない固有の問題が生じる。例えば、航空機に設置されたアンテナシステムは、飛行の極限（６５０マイル／時、温度範囲が地上の１２０°Ｆから、数分後には飛行中の４０°Ｆまで）に対処するだけでなく、極限の振動及び他の環境的危険にも対処する必要がある。無線通信の観点からは、これらの航空機アンテナは、全て極めて小さな物理的アンテナパッケージの中から関連する電磁偏波により特定の無線周波数（ＲＦ）エネルギーパターンを放射する必要がある（アンテナは、航空機の外側表面上に装着されるので大きな物理的物体により抗力が生じ、これは航空機の燃料節約に大きな影響を及ぼす可能性がある）。航空機自体は、航空機自体の電磁特性に起因して、装着した航空機アンテナから無線周波信号の物理的遮断物を透過する無線周波信号の伝播及び選択した無線周波信号偏波への非線形作用に影響を及ぼす。
【００２１】
航空機に設置するのに最適な多数のアンテナタイプが存在し、すなわち、ブレードスタイル、コンフォーマルパッチ、コンフォーマルパッチアレイ、ワイヤモノポール、ワイヤストリング（ＨＦ）、金属スロット等である。これらのうちで最も一般的に用いられるアンテナタイプの１つはブレードアンテナであり、これは、航空機のベリー上に装着されることが多い。ブレードスタイルのアンテナでは、特定の航空機装着部位は、他の隣接する航空機アンテナ、或いは航空機操縦翼面及び着陸装置格納ウェルのような航空機の機械的特徴部により更に制限される可能性がある。望ましい無線周波通信経路は、空対地及びその逆経路である地対空の両方であるので、ブレードアンテナでは航空機下部のベリー装着部位を用いることが特に望ましい。ブレードアンテナを大きな商用ジェット機のベリーに装着するときには、航空機自体が、見通し（ＬＯＳ）無線信号伝播経路に影響し始める。例えば、最新のジェットエンジン設計では、高バイパスジェットエンジン（高レベルの燃料効率を達成する）の物理的に大型のエンジンナセルは、実際には、水平飛行において航空機のベリーよりも下に懸架されている。エンジンナセルは、金属（導電性）であり、無線周波数エネルギーに対して透過性がない。従って、エンジンナセルは、ベリー装着ブレードアンテナから送信され、又はこれにより受信される無線周波数エネルギーを遮断する。この無線周波数伝播経路遮断はかなり大きい。また、着陸装置が降ろされてロックされる飛行の短い時間期間では、これらの機械的構造も無線周波数伝播に対して見通し遮断物である。
【００２２】
これとは別に、殆どの航空機が導電性外板から構成されるので、航空機の導電性材料の物理領域は、動作周波数、すなわち、上側ＵＨＦ、下側Ｌ帯域、及びこれよりも高い周波数の波長に対して電気的に大きい。従って、航空機アンテナの放出又は受信偏波（電磁気相反定理の適用）は、この電気的に大きな多次元導電性航空機表面により影響を受ける。詳細には、マックスウェルの方程式では、Ｅフィールド（電場）ベクトルが導電面に平行であるときに、電場強度が電気的に大きな導体の表面に沿ってゼロ（零）になることを必要とする。従って、水平面に偏波された（すなわち、航空機が水平飛行しているときにＥフィールド偏波平面が航空機のベリー及び地表に対して平行である）航空機アンテナは、実質的に水平の導電性航空機表面が存在するあらゆる方向で必然的にパターンロールオフを有する。更に、このパターンロールオフは、多くの導電性材料が存在するほどより顕著になる。例えば、ベリー装着水平偏波航空機アンテナは、航空機ベリーの長さに沿って機首から機尾まで水平に見るときに相当のパターンロールオフを生じる。航空機翼もまた、ある程度の影響を及ぼすが、翼の導電面は一般に水平の伝播水平面よりも上にあるので、この影響はあまり顕著ではない（サービングセル又はセクタに対する高所での航空機の視角は、僅か数度である）。
【００２３】
これらの課題、すなわち遮断物及び偏波パターン作用は、無線周波信号伝播経路の一時的損失により空対地セルラー通信ネットワークの可用性に大幅な影響を与える。また、これらの同じ課題はまた、所与の航空機との間の空対地セルラー通信ネットワークの総通話処理容量にも影響を及ぼす。音声通話のような時間又は待ち時間に感受性のある通信では、これらの課題は、音声電話通話を完全に不可能にする可能性がある。インターネットアクセスのようなデータアプリケーションでは、同じ空対地無線周波通信リンクに数百人の乗客が多重化しているとすると、システム容量の損失は許容可能ではない。
【００２４】
通話ハンドオフ
伝播の損失を管理するための現在の陸上無線セルラー技術は、良好な信号を有する隣接セル又はセル−セクタにその通話をハンドオフすることを含むことが多い。このような陸上ハンドオフ法は、当該技術分野では公知である。このハンドオフは、「ハード」（ｍａｋｅ−ｔｈｅｎ−ｂｒｅａｋ）、「ソフト」（同時に２つ又はそれ以上のセルを介した接続を有する）、又は「ソフター」（所与のセルの２つ又はそれ以上のセクタ間の接続を保持する）とすることができる。しかしながら、空対地セルラー通信ネットワークでは、セルサイトの物理的位置は、数百マイル離れており、これは、実行可能なハンドオフ（すなわちハード又はソフト又はソフター）が、単一のベリー装着航空機アンテナには利用可能ではなく、どのような時間期間でも障害のある無線周波数セルラー通信リンクを生じている可能性があることを意味する。実際、航空機が高所で直進水平飛行をしている場合には、この障害時間は、受け入れ難いほど長くなる可能性がある。
【００２５】
これとは別に、空対地セルラー通信ネットワークにおいて固定無線周波数スペクトル割り当てを用いると、本質的に容量限界がある。シャノンの法則により、最大で１ヘルツ当たりに幾つのビットの容量が実現できるかが定義される。従って、システム容量全体の強化を実現するためには、他の方法が必要となる。システム容量を改善するための公知の方法の幾つか（陸上セルラーシステム設計の概念から選出）は、空対地セルラー通信ネットワークに利用可能であるが、実際には、空対地環境は、独自のものであり、十分に活用できる独自の属性を有する。例えば、偏波ドメインでは、空対地セルラー通信ネットワークは、一般に、見通し（ＬＯＳ）伝播を有する。航空機は、一般に、直進水平飛行状態にあり、すなわち、旋回又は上昇／降下時でも、商用航空機が受ける飛行角度は顕著ではない。従って、水平及び垂直偏波間の測定偏波絶縁は、１２ｄＢ〜１５ｄＢ（純粋な陸上セルラーネットワークでは不可能）である。加えて、見通し条件により、飛行の殆ど全ての局面において無線周波通信リンクを複数のセル又はセクタに同時に直接伝播することが可能になるが、この場合も、陸上携帯端末装置がハンドオフ（ハンドオーバー）領域にある場合を除き、陸上セルラーネットワークでは一般に不可能である。最後に、空対地陸上基地局アンテナパターンは、仰角と方位角両方の２つの平面で整形することができる。陸上セルラーにおける建造物又はトンネルが干渉するような、これらのパターンと干渉するものはないので、パターン整形が３次元空間を小領域にパーズする手段を提供し、これにより固定スペクトル割り当てが何倍にも増えることになる。
【００２６】
課題
空対地無線周波通信リンク性能に影響を及ぼす可能性がある３つの重大な伝播課題、すなわち、航空機エンジンポッド遮断物による見通しシャドーイング、導電面に沿った水平偏波パターンヌリング、及びイントラシステム同一チャネル（同一周波数）干渉が存在する。
【００２７】
見通しシャドーイング
本明細書で論じる第１の課題は、見通しシャドーイングである。図１Ａ〜図１Ｃは、デュアルエンジンのボーイング７３７航空機のそれぞれ側面図、前面図、及び上面図を示す。航空機の幾つかのタイプでは（例えばボーイング７３７、７５７）、エンジンポッド１０１、１０２は、胴体１００の底部の下に延びて、ここで空対地セルラー通信ネットワーク用のアンテナ１５０、１５１が装着される。このエンジンポッド構成は、アンテナ１５０、１５１からサービング陸上セル（図示せず）への無線周波信号の見通し遮断物をもたらす可能性がある。
【００２８】
航空機装着アンテナの最大無線周波数カバレッジ範囲は、エンジンポッド遮断物がない場合の４／３地球曲率計算を用いて電波地平線により決定される。水平方向において、エンジンポッド遮断物が存在する場合、見通しカバレッジは地上から航空機までの仰角θによって決定され、この仰角は、航空機アンテナの垂直方向の角度よりも大きく、エンジンポッドを越えて通過するようにする必要がある。ボーイング７３７〜５００航空機では、この垂直角は１５．５度である。従って、垂直角並びに航空機高度は、水平シャドーイング領域において最大見通しカバレッジ範囲を定める。高度１０，０００フィートでは、シャドーイング領域におけるカバレッジ範囲は、ボーイング７３７〜５００航空機で７マイルであり、高度４０，０００フィートではカバレッジ範囲は２８マイルである。
【００２９】
図２Ａは、図２Ｂに示すようなボーイング７３７〜５００航空機の前方装着ベリーブレードアンテナ１５０の無線周波信号送信パターンを示し、エンジンポッド１０１、１０２により引き起こされる無線周波信号の遮断を示す。図２Ａの線２２０は、航空機が高度４０，０００フィートで飛行しているときのアンテナ１５０から放射される無線周波信号の範囲を示しており、図２Ａの線２３０は、航空機が高度１０，０００フィートで飛行しているときのアンテナ１５０から放射される無線周波信号の範囲を示している。これらのアンテナパターンから分かるように、領域２５０、２５１で表わされる、アンテナ１５０の可能性のある無線周波数カバレッジエリアの約３５％は、エンジンポッド１０１、１０２により遮断される。
【００３０】
第２のベリー装着アンテナ１５１を航空機の機首と尾部との間の中間点で航空機の中心線の後方に装着して付加すると、図２Ａに示すようなベリー装着アンテナ１５０の無線周波信号送信パターンにおいてヌルが減少又は排除される。図３Ａは、図３Ｂに示すような、１つがボーイング７３７〜５００航空機の航空機中心線の機首側に装着され、１つが航空機中心線の後方に装着された２つの航空機ブレードアンテナ１５０、１５１に於ける複合無線周波信号送信パターンを示す。この無線周波信号送信パターンから分かるように、第２のベリー装着ブレードアンテナ１５１は、第１のベリー装着ブレードアンテナ１５０を補完する無線周波信号送信パターンを有し、これによって、航空機エンジンポッド１０１、１０２により引き起こされる信号遮断を軽減することでより均一なカバレッジを提供する。
【００３１】
アンテナの組み合わせ
航空機に２つのアンテナを用いることにより、エンジンポッド遮断問題が軽減される。しかしながら、デュアル偏波アンテナの場合、２つのアンテナから４つのアンテナフィードが存在する。単一のＥＶ−ＤＯモデムを用いる場合には、ＥＶ−ＤＯモデムの２つのＲｘ入力に入力する前に、２つのアンテナからの２つの垂直偏波フィードを組み合わせ、２つのアンテナからの２つの水平フィードを組み合わせる必要がある。別の選択肢は、２つのＥＶ−ＤＯモデムを用いることである。２つのモデルを用いる場合、４つのアンテナフィードを組み合わせるのに２つの可能性がある。第１の選択肢では、モデムの１つを両方の垂直フィードに接続し、第２のモデムは、両方の水平フィードに接続する。第２の選択肢では、各モデムは、２つのアンテナのうちの１つの垂直及び水平フィードに接続する。
【００３２】
選択肢１−１つのモデムを垂直フィードに接続、１つを水平フィードに接続
モデム アンテナ１ アンテナ２
モデム アンテナ１ アンテナ２
モデム１＿＿＿Ｖ
＼ ／Ｈ
＼＿＿＿／＿＿＿＿＿＿＿＿Ｖ
モデム２＿＿＿／ Ｈ
＼＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿／
【００３３】
この構成には、セル／セクタ境界の偏波絶縁が有効である。加えて、この選択肢には、各モデムが異なるセル／セクタによりサービスされることが有効である。これにより、単一の航空機が多重化ゲインによって高いスループットを有することができるようになる。しかしながら、低ＳＩＮＲでセルによりサービスされているモデムがセル全体の性能を引き下げないように注意する必要がある。１つの可能性は、２つのセルのうち弱い方によって最低データ転送速度（又は等価な品質測定基準）をサポートできるときにのみ複数セルを多重化することである。弱い方のセルが最低品質測定基準を満たさない場合には、強い方のセルによりサービスされているモデムのみを用いる。
【００３４】
選択肢２−各モデムを２つのアンテナのうちの１つの垂直及び水平フィードに接続する
モデム アンテナ１ アンテナ２
モデム１＿＿＿＿Ｖ
＼＿＿＿＿Ｈ
モデム２＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿Ｖ
＼＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿Ｈ
この選択肢には、セル／セクタ境界の偏波絶縁は有効であるが、多重化ゲインは提供しない可能性が高い。これは、２つのモデムが常に同じセル（１つのアンテナが遮断されている場合を除く）によりサービスされており、送信リンクタイムスロットに対して互いに競合することになるためである。
【００３５】
或いは、動的に適応可能な「スマート」設計では、選択肢１又は選択肢２の何れの構成が最良であるかを最適に選択することができる。本明細書は、航空機のアンテナの数を２つのみに制限するものではない。図８Ａのように３つ以上の航空機アンテナを有することが最適である可能性がある（本明細書で後で検討する）。
【００３６】
典型的ブレードアンテナ構成
図４Ａは、金属プレートにカットされた、或いはプリント回路基板にエッチングされたスロット（穴）４５２を備えるベリー装着ブレードアンテナ４００を示す。ＲＦ入出力コネクタは、装着フランジ４７０上の４６０である。同軸ケーブル４６２は、インピーダンス整合された点４６０でスロットに給電する。同軸ケーブルの中心導体（ＰＣＢ上のエッチングスロットの対向する側部にエッチングされたマイクロストリップラインとすることもできる）は、開放空気スロットを超えて延びて、スロットの対向する縁部に取り付けられる（電気的接続）。ハウジング４５３は、耐飛性で且つＲＦ透過性のあるグラスファイバ又は樹脂材料で作られることが多い。このアンテナ４００は、水平方向４４０に電磁場４４０を生成する。
【００３７】
図４Ｂは、水平方向Ｅフィールド４４０と、導電面４１０の上の放射遠視野パターン４３０とを備えた、図４Ａのベリー装着ブレードアンテナ４００に対する無線周波放射パターンを示す。このアンテナの遠視野パターンは４３０として示される。遠視野パターンは、天底配向ベクトル４３５の周りで半径方向に対称である。スロット遠視野パターンは、天底４３５においてヌルである。天底は、水平飛行状態の航空機で地球に向かって直進下向きに向けられる。Ｅフィールドは、同様の方向の導電面の表面で「短絡」する必要がある（マクスウェルの法則に従う）ので、４２０では、水平方向に偏波されたベリー装着ブレードアンテナがパターンヌルを生じる。このパターンヌルは、天底ベクトル４３５の周りで半径方向に対称である。４２０でのヌルの角度及び深さは、装着される導電面の波長の大きさによって決まる。従ってベリー装着アンテナでは、胴体の機首から機尾までの長さに沿って大きな導電性が現れる。図４Ｂに示すような水平偏波アンテナでは、この導電面により、機首から機尾まで平面の軸線に沿って深い遠視野パターンがヌルになる。従って、図２及び図３に示す遠視野パターンは、ベリー装着水平偏波アンテナを示していない（但し、垂直偏波ベリー装着アンテナを示すことになる）。
【００３８】
幾何学的な観点からは、航空機から地上まで（及びその逆）の空対地ネットワークの視角は、動作空間容積の大部分に対して極めて浅い角度である。従って、４２０のパターンヌルは、極めて重大なリンクバジェットの課題である。水平偏波作用の課題は、逆多重化マルチリンクアーキテクチャのシステム設計全体で考慮する必要があるものである。マルチリンク概念を最適にするために、航空機からの両方の放射直交偏波は、できるだけ「パターンバランスがとれた」ものである必要があり、すなわち、それぞれの遠視野パターンは極めて類似する必要がある。言い換えると、何れの偏波パターンも、（４２０のような）空間の大きな領域にパターン穴を有する必要がない。
【００３９】
図４Ｃは、導電面４１０を覆う垂直モノポールを有するベリー装着ブレードアンテナ４０５を示す。ＲＦ入出力コネクタは４８０、ベース装着フランジは４７１であり、これは、航空機のベリーに取り付けられる。同軸ケーブル４８１は、モノポールラジエータ４８２に給電する。ブレードハウジング４０６は、グラスファイバのような耐空性の十分な材料で作られ、ＲＦ透過性である。このアンテナのＥフィールドは、４８３に示すように垂直である。直進水平飛行では、４８３は、航空機ベリーに対し垂直で、更に地球に対しても垂直である。このアンテナ４０５は、電磁遠視野４９０を生成し、水平偏波スロットのように天底に向いたパターンヌル４９３を有する。航空機ベリー上に装着される水平偏波スロットとは異なり、垂直偏波モノポールは、水平方向でパターンヌルを有さない。遠視野パターンは、天底ベクトル４９３の周りで半径方向に対称である。要約すると、図４Ｄは、垂直Ｅフィールド４８３及び導電面４１０を覆う放射遠視野パターン４９０と共に、図４Ｃのベリー装着ブレードアンテナ４０５の無線周波放射パターンを示す。
【００４０】
水平偏波スロット（図４Ａ及び図４Ｂ）又は垂直偏波モノポール（図４Ｃ及び図４Ｄ）であるこれらの例示的なアンテナの何れかにおいて、これらのアンテナが複合材又は非導電性機体に装着される場合には、遠視野パターンは有意に変化することになる。非導電性機体では、他のアンテナタイプがより好適とすることができ、或いは、アンテナを装着する胴体ベリー領域に導電性材料を埋め込むこともできる。例えば、水平偏波スロットアンテナは、Ｅフィールドが水平線で短絡しないので、実際に、非導電性機体よりも優れた性能を発揮することになる。何れの場合においても、これは、本明細書で識別された別個の高周波電磁気設計の問題であり、複数のリンクを用いた逆多重化の概念が非金属航空機又は複合材機体の航空機に対して依然として実施可能である。
【００４１】
図５Ａは、垂直及び水平方向Ｅフィールドの両方を備えたベリー装着ブレードアンテナ５００を示す。このアンテナ５００は、２つの電磁場、すなわち、垂直偏波Ｅフィールド５９０を備える第１の遠視野パターン５９１と、水平方向Ｅフィールド偏波５４０を備える第２の遠視野パターン５４１とを生成する。このアンテナは、導電性４１０の航空機胴体のベリー上に概念的に装着される。アンテナ５００は、「デュアル直線偏波アンテナ」と呼ばれる。これは、天底３１０に配向されたヌルを保持し、両偏波の遠視野パターンは、ベクトル５１０の周りで半径方向に対称である。水平パターン５４１は、電気的に大きな導電面を覆って放射されたときにその水平線ロールオフを保持する。
【００４２】
図５Ｂは、導電面（航空機ベリー）４１０を覆う関連の遠視野放射パターンと共に円偏波ベリー装着アンテナ５２０を示す。このアンテナ５２０は、図４Ａ及び図４Ｃのアンテナの組み合わせとすることができ、或いは、その長い天底配向軸線に垂直に（又は水平線に沿って）円偏波を放射し且つ同様の天底配向ヌルを有する「通常モード」螺旋のような全く異なるアンテナ構造とすることもできる。図５Ａと図５Ｂとの間の重要な相違点は、図５Ｂでは、２つのデュアル直線直交偏波が（図５Ｂに示すように）ここでは電気的な位相が９０度離れていることである。結果として得られる偏波は、右旋円偏波（ＲＨＣＰ）及び左旋円偏波（ＬＨＣＰ）である。ＲＨＣＰ及びＬＨＣＰの両方を生成するために、一方はＶ−ｐｏｌとＨ−ｐｏｌの間に＋９０度で給電し、もう一方は、Ｖ−ｐｏｌとＨ−ｐｏｌとの間に−９０度で給電する。電気的に位相が９０度離れた元の２つの遠視野パターンの組み合わせは、５５１及び５５０に示される「軸率」と呼ばれる組み合わせパターン効果をもたらす。５５１では、軸率は小さく、高度の円偏波純度を示す。これは、この領域の元のＶ−ｐｏｌ及びＨ−ｐｏｌの遠視野パターンの振幅がほぼ等しいことに起因する。しかしながら、５５０領域では、この領域のＨ−ｐｏｌ振幅がゼロになる（又はパターンヌルを有する）ので、軸率は不十分である。デュアル直線アンテナと同様に、円偏波アンテナは、天底ベクトル５１０の周りで半径方向に対称である。
【００４３】
円偏波を用いることの決定的な重要性は、５５０の領域では、この領域のＶ−ｐｏｌ寄与がパターンヌルを有さないので軸率は不十分であるが、正味の作用は僅か−３ｄＢの損失にすぎないことである（導電面を覆うＨ−ｐｏｌが厳密に配備される場合の全損と対比して）。同様に、逆多重化複数リンクの概念は、高品質の高可用性遠視野航空機アンテナパターンに依存し、すなわちこれは、サービスを提供する３次元空間の最も大きな容積を有する水平領域に特に当てはまり、また最大伝播距離を有する領域でもある。従って、円偏波を用いてこの重要な水平空間領域において航空機の航空機アンテナ遠視野パターンオン／オフを改善するような方法は、逆多重化の総合システム設計に必要不可欠な要素である。
【００４４】
図６は、典型的なデュアル直線偏波マイクロストリップパッチアンテナ６００の無線周波信号出力を示し、ここでは端子６２１での１つの出力が垂直偏波されて垂直方向Ｅフィールドベクトル６２０を生成し、端子６３１での出力が水平偏波されて水平方向Ｅフィールドベクトル６３０を生成する。同様に、図７は、典型的なデュアル円偏波マイクロストリップパッチアンテナ７１０の無線周波信号出力を示し、ここでは、１つの出力が０°で偏波され、他方の出力が１つの偏波に対して−９０°で偏波され、その結果、他方の偏波が０°及び＋９０度である（図７には示さず）。これらの２つの信号は、９０度ハイブリッド回路７２０に同時に印加され、これが、右旋円偏波Ｅフィールドベクトル７３０及び左旋円偏波Ｅフィールドベクトル７４０を生成する。Ｅフィールドは必然的にゼロになるので、導電面７００は、導体平面内の遠視野パターン形状に影響を及ぼすことになる点に留意されたい。
【００４５】
マイクロストリップパッチアンテナを用いる１つの重要な利点は、航空機上／から離れたビーム及びパターン整形を生じるように容易に構成できることである。この特徴により、システム設計者は、航空機内部アンテナパターン絶縁を構築することが可能になり、従って別の設計自由度を提供することができる。更に重要なことには、遥かに高いゲインの航空機アンテナが可能になる。例えば、図４Ａ及び図４Ｂの水平偏波スロット及び図４Ｃ及び図４Ｄの垂直偏波モノポールのアンテナゲインは、（等方性ラジエータと比較して）比較的低く、実際にはおよそ０ｄＢｉであるが、機体効果により−２ｄＢｉ〜−４ｄＢｉであることが多い。これとは対照的に、単一のマイクロストリップパッチアンテナのピークゲインは、およそ＋５ｄＢｉであり、パッチアンテナアレイのゲインはかなり高いことになる。これは、航空機との間のリンクバジェット均衡化を改善するだけでなく、航空機内の複数のアンテナ絶縁も提供する。また、これは、所与の陸上基地局セクタへの指向性を改善する。マイクロストリップパッチアレイは、アンテナが装着される航空機胴体の形状に一致するコンフォーマルに作ることができる。これにより、アンテナを越えて通過する空気流を極めて滑らかにすることができ、全体抗力が減少し、航空機燃料効率が改善される。
【００４６】
マイクロストリップ航空機アンテナ
図８Ａは、航空機８００の側部胴体上に装着されたコンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ８１０〜８４０（又はアレイ）のセットを示しており、このコンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ８１０〜８４０は、円偏波される（但し、直線偏波することもできる）。装着部位は、胴体の側部上とすることができ、或いは、ベリーと側部との間の移行領域とすることもできる。
【００４７】
図８Ｂは、コンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ（又はアレイ）８７０が航空機８５０のベリー上に装着された代替の構成を示しており、この天底（地上）指向アンテナ８７０は円偏波される。空対地セルラー通信ネットワークは、天頂指向円偏波アンテナを備えた基地局８８０を含む。空対地無線周波通信リンク８９０は、飛行ヨー角に関係なく共偏波されたアップリンク及びダウンリンク構成要素を含む。この構成の重要性は、陸上セルサイトの上の「ドーナツ穴」領域及び天底指向ヌルを有する典型的な航空機アンテナの「ドーナツ穴」領域（航空機の下）において空間的カバレッジを提供することである。天頂に向いた（又は直立した）陸上アンテナは、マイクロストリップパッチアンテナとすることができ、或いは、エンドファイアを放射する軸モード螺旋アンテナとすることもできる。地上及び空中の両方のアンテナは、単一円又はデュアル円偏波（容量が増大する）とすることができる。航空機及び陸上アンテナの両方が円偏波されるので、航空機は、セルサイト全体にわたりあらゆるコンパス方位（ヨー）で飛行し、常に同偏波することができる。
【００４８】
要約−見通しシャドーイング及び導電面に沿った水平偏波パターンヌル化
航空機に複数のアンテナを用いて見通し問題に対処すると、上記で検討したように、用いることができるアンテナの多くのタイプが存在すると共に、多くのアンテナ構成が存在する。加えて、特に胴体の長軸に沿って水平偏波パターンヌル化を補正又は補償するための航空機ベースアンテナの解決策が存在する。アンテナを適切に位置決めし、無線周波信号の偏波を選択することにより、空対地無線周波通信リンクのトラフィック（データ及び音声）処理容量が有意に改善される。
【００４９】
システム内同一チャネル干渉
典型的な空対地セルラー通信ネットワークは、幾つかの陸上（地上）基地局から成り、その各々は、セルサイト送信アンテナの周りに半径方向に配列された所定空間容積において無線周波数カバレッジエリアを提供する。図９Ａは、幾つかの陸上基地局により形成された空対地セルラー通信ネットワーク内のセルサイト９０１〜９０４の典型的なパターンを示している。典型的には六角形を使用するが、実際の形状は、一般に更に円形に近く且つ多次元であり、方位角及び仰角アスペクトを有する。各陸上基地局は、地上発信又は地上反射信号の受信に感受性が無く、アンテナパターンが上空方向にのみ送信又は受信可能であるアンテナパターンを用いる。また、陸上基地局は、航空機が地上に位置するときにネットワークカバレッジを可能にするように空港近傍の同一の場所に配置することができ、この場合には、アンテナパターンは、陸上に位置付けられた航空機に最適化される。空対地陸上基地局は一般に、典型的なセルラー通信ネットワークレイアウトに従って地理的に分散される。各空対地陸上基地局のカバレッジエリアの境界は、隣接サイトの境界と実質的に連続し、一般に、空対地セルラー通信ネットワークにおける陸上基地局の全ての複合カバレッジが、目標エリアに対するカバレッジを提供するようにする。
【００５０】
カバレッジエリアのセクタ化
ＣＤＭＡシステムは、本質的に干渉限界がある。システム内同一チャネル干渉を最小にする１つの解決策は、航空機に１つ又はそれ以上のデュアル偏波アンテナと共に陸上基地局に同様のデュアル偏波アンテナを用いることである。より詳細には、ＣＤＭＡシステムでは、各個々の陸上セルセクタは、送信及び受信の両方に対して同様に偏波され（例えば、両方ともＶ−ｐｏｌになる）、隣接するセクタもまた、送信及び受信に対して同様に偏波されることになるが、その偏波は、前の隣接するセクタ（これはＶ−ｐｏｌされている）に実質的に直交する（すなわちＨ−ｐｏｌ）ことになる。図９Ｂは、空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを６つのセクタ化（Ａ〜Ｆ）セルサイト９１１−９１４にセクタ化し、交互するセクタ上に垂直及び水平偏波を実装した方位角セクタ化の実施例を示している。交互偏波を用いると、陸上システムにおけるようなマルチパス伝播に起因した無線周波信号の偏波の損失がないので、空対地見通し環境に有利である。例証として、セルサイト９１４は、６つのセクタ４Ａ〜４Ｆ（９１４Ａ〜９１４Ｆ）に分割され、２つの実質的に直交する偏波の間で交互にされる。従って、例証として、セクタ９１４Ａ、９１４Ｃ、９１４Ｅは垂直に偏波され、セクタ９１４Ｂ、９１４Ｄ、９１４Ｆは水平に偏波される。この偏波絶縁はまた、セル９１２及び９１４の境界にも存在し、９１４Ｆが水平に偏波され、９１２の「２Ｃ」セクタが垂直に偏波される点に留意されたい。
【００５１】
図９Ｃは、空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを６つのセクタ化（Ａ〜Ｆ）セルサイト９２１〜９２４に方位角セクタ化し、交互セクタ上でＲＨＣＰ及びＬＨＣＰ偏波を実装していることを示している。交互偏波を用いると、陸上システムにおけるようにマルチパス伝播に起因した無線周波信号の偏波の損失がないので、空対地見通し環境に有利である。例証として、セルサイト９２４は、６つのセクタ４Ａ〜４Ｆ（９２４Ａ〜９２４Ｆ）に分割され、２つの実質的に直交する偏波の間で交互にされる。従って、例証として、セクタ９２４Ａ、９２４Ｃ、９２４Ｅは右旋円偏波にされ、セクタ９２４Ｂ、９２４Ｄ、９２４Ｆは左旋円偏波にされる。
【００５２】
これらの実施例では、図９Ｂ及び図９Ｃの両方に対するアンテナパターンは各々、方位角カバレッジ／セクタがほぼ６０度である。これらの所与のセクタの仰角パターンは、仰角空間の全てを含み、水平から天頂まで（すなわち、カバレッジ９０度）にわたることができ、或いは、仰角空間は、セクタ化（方位角セクタ単位）することもできる。
【００５３】
図９Ｄは、図９Ｂに示したシステムに現存している３つの航空機を示しており、ここでは、垂直及び水平偏波を用いた空対地陸上基地局アンテナの遠視野パターンを６つのセクタにする方位角セクタ化を利用して、セクタ間を区別している。航空機９００は、垂直偏波を用いるセクタ２Ｅのセル９１２の空対地通信リンク９０１によりサービスされる。航空機９１０は、セル９１１、９１２、９１４の境界にあり、それぞれ無線周波信号の水平偏波、垂直偏波を用いるセクタ２Ｄ、１Ａにおけるセル９１２、９１１それぞれの空対地通信リンク９４１、９４２によりサービスされる。最後に、航空機９２０は、無線周波信号の垂直偏波を用いるセクタ１Ｅにおけるセル９１１の空対地通信リンク９５１、９５２によってサービスされる。この場合、両方の航空機アンテナが垂直に偏波され、航空機において対応する「ダイバーシティ受信ゲイン」が存在するので、ＣＤＭＡＥＤＶＯ受信機は、空間ダイバーシティ受信を用いている。
【００５４】
反射経路干渉
図１０Ａは、航空機１０００が基地局アンテナ１００２から遠方で浅い伝播角度にある場合の無線周波信号の直接経路１００７と反射経路１００６とを示している。詳細には、この実施例は、基地局アンテナ１００２がほぼ２００フィート高さであり、航空機１０００が高度７マイルで飛行している典型的な状況における無線周波信号の直接経路１００７と反射経路１００６との間の関係を示す。基地局アンテナ１００２と航空機１０００との間の距離は、１００マイルで示されている。この距離及び飛行高度では、反射経路１００６と地球の表面との間の角度１００４は０．０４度であり、反射経路は、地点１００３で地球表面に遭遇する。この経路の外向きセグメントでは、反射経路１００６と地球表面との間の角度１００５は７度である。この実施例では、これらの計算角度は、一般に４／３無線プロファイル地球（ｒａｄｉｏ ｐｒｏｆｉｌｅ ｅａｒｔｈ）に対して平坦な地球を想定している。
【００５５】
上に示した伝播角度は極度に浅いので、直接経路１００７及び反射経路１００６の距離は事実上等しく、従って、信号１００８、１００９の両方に対して伝播遅延及び到達位相が等しい。更に、反射経路基地局線束１００９の大きさは、直接経路基地局線束１００８と等しいが、（反射点１００３から）直接経路に対して１８０度位相が変化する。従って、直接線束１００８（直接経路１００７）及び反射線束１００９（反射経路１００６）は、大きさが等しいが位相が反対であるので、航空機１０００が水平位置にあるときには、航空機１０００の無線周波信号に深いパターンヌルが存在する。（水平方向に）ほぼ−５ｄＢでロールオフすることにより水平線で基地局アンテナパターンを整形すると、一般に、水平線でのこの伝播課題が補正される。航空機から基地局までの逆伝播経路は、グレージング反射角度が一般に大角度である（数度のグレージング角度を上回ると、パターンヌル化問題は顕著なものではない）ので、常に相互関係になるわけではない。
【００５６】
図１０Ｂは、仰角方向に複数のセクタ１０１３〜１０１６に分割されたセルサイトを示し、該セクタは２つの実質的に直交する偏波間で交互にされる。これらの仰角パターンは、セルが全方向性である場合には陸上基地局１０１２の周りで半径方向に対称とすることもでき、或いは、（６つのセクタ方位角セルを有する図９の一連の図に示されるような）単に所与の方位角セクタに対してのものとすることもできる。図示の偏波は、実施例であり、直線又は円形に関係なく偏波選択を制限するものはない。各パターンは、異なるゲイン、水平線より上の指示角度、及びリンクバジェット対距離対保護される空間容積（すなわち、その空間容積がどれほどの容量を必要とするか）のバランスをとるための異なるビーム幅を有する。一般に、仰角が増大すると、その特定のアンテナの垂直ビーム幅はそれよりも下にあるアンテナパターンのビーム幅よりも大きいことが予期される。パターン１０１７は、所与の航空機がセル１０１２にわたって飛行する方向に関係なく常に同偏波されるように円偏波である。空間領域１０１１は、図１０Ａに示すようなヌル化の影響を最小にするための水平線でのパターンロールオフを示す。
【００５７】
図１０Ｃは、２つの実質的な直交偏波の間で交互にされた仰角の複数のセクタ１０１３〜１０１６（図１０Ｂに示す）と、仰角の１０２０〜１０２４とに分割したセルサイト１０５０（セル４）を示す。仰角セクタ１０１３〜１０１６は方位角セクタ４Ｂ（１０１８）であり、仰角セクタ１０２０〜１０２４は方位角セクタ４Ｃである。天頂に向いたアンテナ１０１７は、円偏波される。アンテナパターン１０１３及び１０２０は、一般に、水平線を向くが、水平線（１０１１）でエネルギーを直接除去するために、機械的又は電気的に上方に傾けられる。方位角及び仰角セクタ化の両方を組み合わせて、各サブアンテナビーム間に尚も偏波絶縁を実現することが可能であることは明らかである。例えば、アンテナパターン１０２３は、方位角及び仰角の両方で絶縁され、すなわち、１０２３はＨ−ｐｏｌｌ、１０１５はＶ−ｐｏｌ（方位角）であり、仰角では、１０２４がＶ−ｐｏｌ、１０２１がＶ−ｐｏｌであるが、中間の１０２３はＨ−ｐｏｌである。空間の領域１０１１は、図１０Ａで説明されるようなヌル化の影響を最小にするための水平線でのパターンロールオフを示す。
【００５８】
従って、セクタ化の上記の実施例は、航空機内に配置された複数の無線加入者装置と空対地セルラー通信ネットワークとの間の通話トラフィックを交換するための多偏波である複数の多次元無線周波数セクタを備えた非陸上空間領域を実装する幾つかの方法を示す。セクタは、多次元空間（すなわち、方位角、仰角、高度、又は複数の平面）に生成され、これは、非陸上空間を制御可能にパーズして、この空間で作動している航空機の通信ニーズと一致させるようにする。隣接するセクタ間の干渉を低減するための無線周波信号の偏波に加えて、本発明のマルチリンク航空機セルラーシステムは、無線周波数「トンネル」の多次元アレイを生成し、その各々が、１つ又はそれ以上の航空機との関連する空対地セルラー通信リンクをサポートする。複数の無線周波数「トンネル」の可用性により、空対地セルラー通信ネットワークが、特定の航空機に対する必要に応じてトンネルを割り当てることによって各航空機が利用できるようにする効果的な無線周波信号帯域幅を正確に管理できるようになる。トンネルは、時間、空間、コード、偏波、航空機のアンテナ、地上アンテナ、周波数、方位角セクタ化、仰角セクタ化、ピッチ（Ｐｉｔｃｈ）、ロール、ヨー、飛行速度、及びその他の属性を有することができる。この通信空間の管理の説明は、以下に示され、これは、空対地セルラー通信ネットワーク通話処理容量問題を解決する強力なツールとなり、システム可用性、システム信頼性、及びシステム容量を飛躍的に改善する。
【００５９】
複数の空対地リンク
図１１Ａは、コンフォーマルマイクロストリップパッチアンテナ（又はアレイ）１１２０が航空機１１１０のベリー上に装着された実施例を示し、ここでは天底（地上）を向いたアンテナ１１２０が円偏波される。空対地セルラー通信ネットワークは、天頂指向円偏波アンテナを備えた空対地陸上基地局１１０５を含む。空対地無線周波通信リンク１１３０は、飛行ヨー角に関係なく同偏波されるアップリンク及びダウンリンク構成要素を含み、この実施例では、偏波はＲＨＣＰである。加えて、航空機１１１０は、ベリー装着垂直偏波ブレードアンテナ１１３０を備え、該アンテナは、方位角セクタ化垂直偏波アンテナを備えた空対地陸上基地局１１０７との空対地無線周波通信リンク１１４０を介して通信するように示されている。
【００６０】
２つの空対地セルサイト１１０５、１１０７は、それぞれ関連する基地局送受信装置（ＢＴＳ）１１３５、１１４５によりサービスされ、これらは、セルラー通信の分野で公知のようにＩＰ又は専用ネットワーク１１５０を介して基地局制御装置（ＢＳＣ）１１５１に接続されている。次に、ＢＳＣは、ＰＳＴＮ、ＰＳＤＮ及びインターネット（１１５２）に接続される。ＰＳＴＮ−ＰＳＤＮ−ＩＰ（１１５２）から航空機（１１１０）への全ての通信経路は双方向性である。
【００６１】
エアインタフェース路１１４０及びエアインタフェース路１１３０は各々、航空機との間で単一独立経路としてトラフィック（データ及び音声）を伝達することができる。すなわち、経路１１３０は、経路１１４０と混合される情報を何も含まない。実施例では、経路１１３０は、ビジネスクラス及びファーストクラスの顧客専用であり、経路１１４０がエコノミー又は普通席顧客専用とすることができる。この場合には、リンク１１３０と１１４０との間には論理的又は物理的接続は存在しない。
【００６２】
或いは、経路１１３０及び１１４０は、航空機からの総合トラフィック（データ及び音声）の一部が１１３０により部分的に伝達され、１１３０により伝達されない残りのトラフィックが１１４０により伝達されるような、逆多重化マルチリンク様式で論理的に接続して作動することもできる。マルチリンク法を用いると、個々のデータパケットは、もはや時間的に同期されず、すなわち、パケット２はパケット１の後に続く。従って、逆多重化機能は、経路１１３０及び１１４０により伝達された情報を正しい順序で（パケットを欠落させることなく）「再構築」し、集約的な複合データストリームにするために航空機と地上との両方に備える必要がある。
【００６３】
図１１Ｂは、複数の航空機にサービスする空対地セルラー通信ネットワークの汎用図を示し、その各々が、少なくとも１つの空対地無線周波通信リンクを介して接続される。航空機１１１０、１１７０〜１１７３は各々、少なくとも１つのサービング空対地陸上基地局送受信装置（ＢＴＳ）１１３５、１１４５、１１９０、及び１１９１と航空機を接続する少なくとも１つの空対地無線周波通信リンク１１３０、１１４０、１１６０〜１１６４を有する。データ通信リンク１１８０〜１１８３は、通信ネットワーク１１５０及びデータ通信リンク１１８４〜１１８５を介して、空対地陸上基地局送受信装置（ＢＴＳ）１１３５、１１４５、１１９０、１１９１と関連する基地局制御装置１１５１、１１９５とを相互接続し、次いで、これが一般通信事業者ネットワーク１１５２と相互接続される。
【００６４】
従って、この空対地セルラー通信ネットワークの基本アーキテクチャは、陸上セルラー通信ネットワークと類似するが、航空機が更に複雑になり、航空機当たりに複数の空対地無線周波通信リンクを用いて、空対地セルラー通信ネットワーク全体にわたり各航空機上に配置された無線端末装置により発生するトラフィックを分配する。
【００６５】
逆多重化機能は、航空機１１１０及び１１７０〜１１７３側と、並びに地上側での、ネットワーク１１５０、ＢＳＣ１１８４〜１１８５、又はこの目的（逆多重化）のために特別に生成された別の新しいネットワーク装置における何れかとの両方に備わっている。逆多重化の概念には、複数のリンクを共有してデータトラフィックを伝達することが含まれる。図１１Ｂでは、航空機１１１０は、１１３５（ＢＴＳ−１）及び１１４５（ＢＴＳ−２）と同時に通信する。図１１Ｂの遠方左端部は、より物理的な例図の図１１Ａの複写である点に留意されたい。例えば、経路１１３０は図１１Ａ及び図１１Ｂの両方で円偏波され、経路１１４０は図１１Ａ及び図１１Ｂの両方で垂直偏波される。図１１Ａ及び図１１Ｂの両方において、ＢＴＳは１１３５及び１１４５である。図１１Ａ及び図１１Ｂの両方において、ＢＴＳとＢＳＣとの間の相互接続ネットワークは１１５０、ＢＳＣは１１３１、パブリックネットワークは１１５２である。
【００６６】
図１２Ａは、ブロック図形式で、航空機上のデュアルアンテナへの送信及び受信信号の相互接続を示す。航空機は複数の顧客端末装置を含み、その各々がデータ通信要求を有する。これらの端末装置の相互接続は、データソース１２０１を集約し、データフロー制御プロセス１２０２を用いて、送信ポート１２０４及び２つの受信ポート１２０５、１２０６をサポートするトランシーバカード１２０３を介して空対地セルラー通信ネットワークと顧客端末装置を相互接続する他の手段の無線ローカルエリアネットワークにより行われる。送信路は、最良受信路パイロット測定に基づいて選択される。送信ダイバーシティは、現在実施可能ではない。受信機は、マルチパス遅延されるが同じソース又はセクタから到達する２つの信号の時間相関によるダイバーシティ受信能力を有する。
【００６７】
或いは、図１２Ｂに示すように、「強化」トランシーバカード１２０３は、４つのポート（今日現在存在しない）すなわち、アンテナ１ 垂直偏波、送信及び受信両用１２１０；アンテナ１ 水平偏波、送信及び受信両用１２１１；アンテナ２ 垂直偏波、送信及び受信両用１２１２；アンテナ２ 水平偏波、送信及び受信両用１２１３をサポートする。
【００６８】
図１２Ｃ〜図１２Ｅは、ブロック図形式で、航空機送信アンテナの選択を管理するためのシステムプロセスを示す。航空機送信アンテナの選択を管理する３つの論理図があり、各図は、段階１２９９（図１２Ｃ、図１２Ｄ、及び図１２Ｅ）で始まる。これらの３つのプロセスは、一般に並行して操作する。図１２Ｃの段階１２９９では、プロセスが開始され、ここで、航空機のプロセッサにより、選択した空対地陸上基地局送受信装置（ＢＴＳ）への空対地無線周波通信リンクを実施するための送信アンテナ及び偏波として働くアンテナ及び偏波の選択が開始される。各アンテナ及び無線周波信号偏波の組み合わせに１つずつの作動可能な複数のパイロット信号測定プロセスが存在する。この実施例では、２つのアンテナ（アンテナ１、アンテナ２）及び２つの無線周波信号偏波（水平、垂直）が存在し、これにより、１２９２、１２９３、１２９４、及び１２９５において、それぞれアンテナ／偏波１２１０、１２１１、１２１２、及び１２１３由来のパイロット信号強度を測定するのに用いられる４つのプロセスをもたらす。これらのプロセスは、並行して、交互に、又は連続して作動することができる。何れの場合においても、各パイロット信号測定プロセスは、１２１４でのパイロット信号比較プロセスに結果を返し、ここで、ある範囲内の空対地陸上基地局全てから受け取った航空機アンテナ及び無線周波信号偏波の各組み合わせに対してパイロット信号が比較される。
【００６９】
段階１２１５から段階１２３０までにおいて、どのアンテナ及び無線周波信号偏波が最も強いパイロット信号及び２番目に強いパイロット信号をもたらすかを判断する。最も強いパイロット信号を判断することにより、その航空機アンテナ及び無線周波信号偏波の組み合わせが１次送信機アンテナ及び関連する偏波選択となる。２番目に強いパイロット信号を判断することにより、その航空機アンテナ及び無線周波信号偏波の組み合わせが２次送信機アンテナ及び関連する偏波となる。
【００７０】
図１２Ｃに記載する送信アンテナ及び関連する偏波選択プロセスは、システムが、単なる単一のノードとしてだけでなく、ネットワークトラフィック全体の負荷（すなわち、所与のセル−セクタにより幾つの航空機がサービスを受けているか）をも考慮して航空機から最適送信路を探し出す連続的プロセスであり、複合ネットワークが、その地方、地域、及び国の観点からネットワークに対して全体的な最適化アルゴリズムを有する。詳細には、複合ネットワーク最適化アルゴリズムにより、ネットワーク通信リソースを奪い合う全ての航空機の間でサービスの公平さ及び品質（ＱｏＳ）が確保される。
【００７１】
図１２Ｄ及び図１２Ｅは、航空機送信アンテナ及び関連する偏波選択に対する付加的な論理規則を示している。詳細には、これらの２つの論理選択規則のセットは、２つの設置アンテナが空間的に絶縁されているかどうかに関係する。しかしながら、この概念は、２つのアンテナに限定されない。空間的絶縁の実施例は、航空機の後部尾翼胴体側部に装着されたアンテナが、前方右側胴体側部に装着されたアンテナに対して有することになる航空機内アンテナパターン自己絶縁となる。これらのアンテナがアンテナパターン空間分離を有する場合には、両方の航空機アンテナが場合によっては互いに自己干渉を引き起こすことなく同時に同じ偏波で送信できるので、容量強化の別の要素が生じている。
【００７２】
図１２Ｄは、２つの航空機送信アンテナが十分なパターン内絶縁（段階１２３１）を有さない場合に実施される論理プロセスである。次に、段階１２３２及び１２３３では、選択した１次及び２次送信偏波は、実質的に直交する必要があり、例えば、１次偏波がＶ−ｐｏｌである場合には、２次偏波はＨ−ｐｏｌとする必要がある。次いで、段階１２３４、１２３５、１２３６、及び１２３７で、本システムは、必要な２次直交偏波が、１次偏波と同じ物理的アンテナにあるかどうか、或いは２次偏波が他方の第２のアンテナに接続されているかどうかを判断する。
【００７３】
図１２Ｅは、２つの送信アンテナが、段階１２３８で十分なパターン内絶縁を有する場合に実施される論理プロセスである。この場合には、段階１２３９及び１２４０で、２次偏波は、１次偏波と同じとすることができ、或いは、１次偏波と直交することもできる。選択した１次及び２次偏波が、段階１２４１及び１２４３で同じである場合には、選択したアンテナは異なる必要がある。選択した１次及び２次偏波が異なる（又は直交する）場合には、選択したアンテナは同じであることも、異なるものとすることもできる。
【００７４】
図１２Ｆは、ブロック図の形式で、航空機上の受信アンテナ及び関連する偏波の選択を管理するためのシステムを示す。航空機受信アンテナの選択を管理する２つの論理図があり、各図は、段階１２９８（図１２Ｆ及び図１２Ｇ）で始まる。これらの２つのプロセスは一般に並行して作動する。図１２Ｆの段階１２９８でプロセスが開始され、ここで、航空機上のプロセッサが、選択した空対地陸上基地局送受信装置（ＢＴＳ）に対する空対地無線周波通信リンクを実施する受信アンテナ及び偏波として働くアンテナ及び偏波の選択を始める。各アンテナ及び無線周波信号偏波組み合わせに１つずつの作動可能な複数のパイロット信号測定プロセスが存在する。この実施例では、２つのアンテナ（アンテナ１、アンテナ２）及び２つの無線周波信号偏波（水平、垂直）が存在し、これにより、１２９２、１２９３、１２９４、及び１２９５においてそれぞれアンテナ／偏波１２１０、１２１１、１２１２、及び１２１３由来のパイロット信号強度を測定するのに用いられる４つのプロセスをもたらす。これらのプロセスは、並行して、交互に、又は連続して作動することができる。何れの場合においても、各パイロット信号測定プロセスは、１２４５でのパイロット信号比較プロセスに結果を返し、ここで、ある範囲内の空対地陸上基地局全てから受信した航空機アンテナ及び無線周波信号偏波の各組み合わせに対してパイロット信号が比較される。
【００７５】
段階１２４６〜段階１２６１までにおいて、どのアンテナ及び無線周波信号偏波が最も強いパイロット信号及び２番目に強いパイロット信号をもたたすかを判断する。最も強いパイロット信号を判断することにより、その航空機アンテナ及び無線周波信号偏波の組み合わせが１次受信アンテナ及び関連する偏波選択となる。２番目に強いパイロット信号を判断することにより、その航空機アンテナ及び無線周波信号偏波の組み合わせが２次受信アンテナ及び関連する偏波となる。
【００７６】
図１２Ｆに記載する受信アンテナ及び関連する偏波選択プロセスは、システムが、単なる単一のノードとしてだけでなく、
ネットワークトラフィック全体の負荷（すなわち、所与のセル−セクタにより幾つの航空機がサービスを受けているか）も考慮して航空機までの最適な送信路を探し出す連続プロセスであり、複合ネットワークが、その地方、地域、及び国の観点からネットワークに対して全体的な最適化アルゴリズムを有する。詳細には、複合ネットワーク最適化アルゴリズムにより、ネットワーク通信リソースを奪い合う全ての航空機の間でサービスの公平さ及び品質（ＱｏＳ）が確保される。
【００７７】
一般に、受信及び送信アンテナ及び関連する偏波を選択するプロセスは、受信及び送信アンテナ／偏波が一致する、すなわち同じとなることが多い。しかしながら、これは必ずしも常に当てはまるとは限らない。詳細には、他のシステムレベルプロセスは、所与の航空機に対するトラフィックプロファイルが、フォワードパス（基地から航空機）及びリバースパス（航空機から基地）においてアンバランスであると判断する可能性がある。この場合、システムは、２つの受信アンテナ及び関連する偏波を有するが、送信アンテナ及び関連する偏波は１つのみであるように選ぶことができる。この実施例では、フォワードパスは、リバースパスよりもトラフィック負荷が高い。
【００７８】
図１２Ｇは、１２９８で始まる受信アンテナ及び関連する偏波の選択を示す。プロセスは、段階１２６２及び１２６３を通って１２６４〜１２６７まで流れる。概念的に、２つの異なるアンテナに対する選択した受信偏波が同じである場合には、両方の航空機アンテナは、同じＢＴＳ生成セクタからの情報を受信している可能性が極めて高い。この場合には、１２６４及び１２６７において、ＥＶＤＯ ＣＤＭＡ受信装置は、空間ダイバーシティ受信としてこれらの２つの受信入力を用い、これによって到達ダイバーシティの時間が異なることによって複合受信信号品質を高める。選択した受信偏波が異なり、実質的に直交する場合（段階１２６５及び１２６６）には、航空機は、受信するために２つの別個のセクタに接続される可能性が高く、作動時に２つの互いに異なるリンクを有する。
【００７９】
図１２Ｈは、アンテナ（１及び／又は２）、偏波（Ｖ−ｐｏｌ又はＨ−ｐｏｌ）、周波数バンド（１つ又は２つ）、及び作動状態（１次又は２次）のいずれかの可能性のある組み合わせを示す。この図は、航空機上に２つのアンテナを示しているが、この図を３つ以上の航空機アンテナに拡張することは技術的には妨げられない。これらの図の各軸線は、偏波ドメイン並びに周波数ドメインの両方において実質的に自己絶縁していることを理解することが重要である。この自己絶縁により容量強化することが可能になる。２つの一般的な航空機アンテナシステム要素のペアリング、すなわち、１２９０に示す１次ペアリングと１２９１に示す２次ペアリングとが存在する。これらの２つのペアリングは、実質的に自己絶縁しており、一般に、１次ペアリング又は２次ペアリングの何れかが動作しているが、同時に両方は動作せず、すなわち、ペアリングは、一般的に他方に対して排他的である（すなわち、一般的に、航空機アンテナパターンが本明細書で上述されたように空間絶縁する場合を除き、互いに排他的であり、１次及び２次ペアリングは、潜在的に同時に作動することができることになる）。必要なマトリクス行列「セル」を覆う２つの実線で示される１次ペアリング１２９０は、以下の属性を有し、すなわち、アンテナ１の１２９６では、１次送信１２７６が、Ｈ−ｐｏｌの１２７１とバンド１の１２７２とにあり、１次受信１２７５が、Ｖ−ｐｏｌの１２７０とバンド２の１２７３とにあり、アンテナ２の１２９７では、１次送信１２８４が、Ｖ−ｐｏｌの１２８０とバンド１の１２８２とにあり、１次受信１２８７が、Ｈ−ｐｏｌの１２８１とバンド２の１２８３とにある。２点破線楕円内に含まれるように示される２次ペアリング１２９１において、概念的に同様のアンテナ−偏波−バンドマッピングを行うことができる。
【００８０】
図１３は、相互接続された構成単位１３００としての航空機電子システムの１つの実施形態を示す。航空機データソース／シンク１３０１は、データフロー制御及び（多重−多重分離装置）である１３０２に双方向性に接続される。また、「ｍｕｘ−ｄｅｍｕｘ」の機能は、航空機上で２つの別個の受信マルチリンクパスからのデータを再結合する「逆多重化」機能としても知られている。またこの機能は、（ネットワーク規模の単位で複数の航空機及び複数のセクタ間のトラフィック負荷のバランスをとるために）陸上ネットワークからの信号情報と併せて、航空機電子機器に備わっているトラフィック負荷管理及びリンク品質指標アルゴリズムに基づいて、２つのトランシーバ１３０３及び１３０４間で航空機送信データを割り当てる。データフロー制御ｍｕｘ−ｄｅｍｕｘ装置１３０２は、ＥＶＤＯ ＣＤＭＡトランシーバ１の１３０３とトランシーバ２の１３０４とに双方向に接続される。プロセッサ１３０５は、トランシーバ１３０３及び１３０４に対して双方向性である。このプロセッサ１３０５は、パイロット強度測定値比較又は他のリンク品質指標測定を行い、１次及び２次送信及び受信ポート選択に関する知的判断を行い、トランシーバ１３０３及び１３０４並びに１３０６のＭｘＮ無線周波数送信−受信マトリクスに選択指令を送る。装置１３０６は、ＲＦ信号のデュプレクサ（受信及び送信指向性経路を分離する）、ダイプレクサ（複数のＲＦ信号を同じ送信アンテナに接続する）、サーキュレータ、スイッチ及び／又はルータの機能を果たし、全て装置１３０５による命令に従って、アンテナポート１２１０〜１２１３をトランシーバポート１３１０〜１３１２及びトランシーバポート１３１５〜１３１７に接続する。装置１３０６は、図１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆ、１２Ｇ、及び１２Ｈに定められるような論理規則により、及び１３０５からの命令により管理される。
【００８１】
図１４Ａ１は、空対地（地対空）ネットワークにおいてで作動する逆多重化機能を示す。航空機電子システム１３００は、航空機アンテナ１４０１及び１４０２に接続され、これは、経路１４０５、１４０６及び１４１０、１４１１を通して陸上に配置されたアンテナ１４２０及び１４２１と通信する。陸上アンテナ１４２０及び１４２１は、ＢＴＳ１４３１及び１４３０にそれぞれ接続される。
【００８２】
この図１４Ａ１の実施形態では、陸上アンテナ１４２０「セルアンテナ５、セクタα」がデュアル直交線形偏波であり、これは、陸上アンテナ１４２１にも同様に当てはまる点に留意されたい。特定の無線技術又はアーキテクチャでは、これは、好ましい手法とすることができる。しかしながら、図１４Ａ２は、陸上アンテナセクタが受信及び送信両方に対して単一の偏波であり、受信及び送信周波数が実質的に異なる別の実施形態を示している。ＣＤＭＡ ＥＶＤＯのような、配備された特定の技術タイプでは、図１４Ａ２は自己干渉を管理するための好ましい方法であり、この方法は、本明細書における一連の図９及び図１０に示すセクタ化方式を用いる。
【００８３】
引き続き図１４Ａ１の説明で、これらのＢＴＳ１４３０及び１４３１は、ＢＳＣ２の１４３６に対するネットワーク１４３５に更に接続される。ネットワーク１４３５は、連結ネットワークに加えて、逆多重化機能を提供することができる。或いは、逆多重化機能は、更に下流のＢＳＣの出力にスライドすることができる（図１４Ａ２に示す）。しかしながら、ＢＳＣの後に逆多重化機能を移動させるこの手法は、使用する「非標準」機器の数量を最小にするのに有利とすることができる（ＢＴＳ及びＢＳＣ相互接続プロトコルは専用であることが多い）が、図１４Ａ１が逆多重化経路に複数のＢＳＣを有する場合には、これらのＢＳＣは、図１４Ｂに記載する手段を通じて互いに接続されて、パケットデータストリームを再構築する必要がある。図１４Ａ１の接続の説明を続けると、ＢＳＣ１４３６は、陸上に配置されたパブリックネットワーク１４３７に接続される。１４３７の出力は、航空機から複数の無線路を通じて送信された完全再構築のデータストリーム１４４１である。本明細書の記載事項は、航空機から地上（及び地上から航空機）の間の経路数を２つの無線リンクにのみ限定するものではない。概念的には、無線リンクの数の唯一の制限は、各固有の無線経路間の自己絶縁を生成するのにシステム設計者が利用可能な自由度（コード、空間、時間、偏波等）である。
【００８４】
図１４Ａ１を全て考察すると、空対地接続経路は１４０５及び１４０６である。これらのエアインタフェースデータストリーム内では、１３００で供給される元のパケットは、２つの別個のＲＦリンク１４０５及び１４０６上で順序外に地上に送られる。この順序外データがネットワーク１４３５に到達すると、この特定の実施形態では、順序外データは正しい順序に再構築され、最終的に完全に元の順序のパケットＡ〜Ｉで１４４１に伝達される。同様に、地対空方向では、エアインタフェース経路１４１０及び１４１１は、地上から航空機までのマルチリンク通信を提供する。１４４０では、１３００の出力のデータは、正しい順序のパケット１〜９に再構築される。
【００８５】
図１４Ａ２では、この説明図は、ＥＶＤＯ ＣＤＭＡ実施に更に特定されている。ここに示すアーキテクチャは、製品化するまでの時間を短縮すると共に、全国的又は本土全体で作動するネットワークを開発し配備する費用を最小にするために、修正を最小にした標準ＥＶＤＯプラットフォームの大部分を再利用しようとしている。図１４Ａ１及び図１４Ａ２との間には類似性があるが、図１４Ａ２に示す重要な差違は、マルチリンク逆多重化機能を実現するために、現行のＥＶＤＯ標準及びその周辺に技術的要素を付加することによってＥＶＤＯを用いて空対地（地対空）ネットワークを効率的に配備するのに重要である。航空機から始めると、構成単位１４５０は、データソース／シンク−データフロー制御−データ逆Ｍｕｘの機能を有する。装置１４５０は、本明細書では航空機無線モデム１及び航空機無線モデム２で記載される２つのＲＦトランシーバ１４５１及び１４５２に双方向で接続される。これらのモデムは、２つの航空機アンテナ１４５３及び１４５４に相互接続される。１４６５では、各航空機アンテナは、基地局又はセルアンテナ１４５５及び１４５６からの両方の偏波を受信することができる。航空機アンテナが放射送信パターン絶縁を有さなければ、各航空機アンテナは、実質的に直交偏波で送信することになり、すなわち、一方のモデムがＶ−ｐｏｌを送信し、他方のモデムがＨ−ｐｏｌを送信することになる。これらの送信偏波割り当ては動的であり、本明細書に記載するように航空機が１つの空間領域から別の領域に飛行するときに変化する。経路１４０３及び１４０６は、空対地の方向である。逆に、経路１４１０及び１４１１は地対空の方向である。セルアンテナ６、セクタγ１４５５の両方のアンテナポートは、Ｖ−ｐｏｌとして構成される。Ｖ−ｐｏｌ送信（Ｔｘ）ポートは１４６６であり、同様にＶ−ｐｏｌである受信ポートは、１４６７（Ｒｘ）で表示される。１４５６のセル４セクタδには同様の構成が設定されるが、この特定のセクタは、受信及び送信の両方のそれぞれのポート１４６９及び１４６８に対して水平に偏波される。概念的に、陸上アンテナセクタパターン１４５５及び１４５６は、方位角、仰角、又はその両方の何れかに空間的に隣接するが、１４５５は垂直に偏波され、１４５６は水平に偏波される。空間的に隣接するセクタの概念は、本明細書の図９及び図１０の一連の図で示される。このように、これらの２つの陸上アンテナセクタ１４５５及び１４５６の空間的境界では、航空機アンテナ１４５３及び１４５４において１２ｄＢ〜１５ｄＢの偏波絶縁が存在する。
【００８６】
アンテナ１４５５は、ＢＴＳ２の１４５８に接続され、アンテナ１４５６はＢＴＳ３の１４５７に接続される。ＢＴＳ１４５７及び１４５８の両方は、ネットワーク１４５９を通じてＢＳＣ１の１４６０に双方向性に接続される。続いて、１４６０は、ネットワーク１４６１を通じて装置１４６２に接続される。装置１４６２は、ＰＤＳＮ（パケットデータ交換網）、ＨＡ（ホームエージェント）、及び逆Ｍｕｘ（逆多重化）能力を含む。１４６２の出力は、航空機により送られたデータストリームを完全に再構築したものであり、１４６３で示す。
【００８７】
このマルチリンクネットワークは双方向性であるので、航空機装置１４５０は、１４６４で地上から送られるデータを完全に再構築されたデータストリームとして出力する。このデータストリーム１４６４は、次に、当該技術分野で公知のパケットパケットアドレス指定方式によって定義される航空機船室内部（又は航空機システム）に伝達される。ネットワークにより伝達されるデータは、データ、音声、ＶｏＩＰ等とすることができる。
【００８８】
図１４Ｂは、より詳細なアーキテクチャ上のサービス品質（ＱｏＳ）空対地１４７１経路を示し、ここでは、データストリーム１４７０が航空機で開始され、マルチリンク無線送信を通って、同データストリームが地上に送信され、２つのリンク１４０５及び１４０６を介して（関連する機器及びプロセスを用いて）１４７２として再構築される。航空機では、ＩＰ「Ｘ」１４７３として示されたデータストリーム１４７０は、逆Ｍｕｘ（マルチプレクサ）１４７４に配信され、これが、２つのデータストリーム、すなわちＩＰ「Ｙ」１４７６及びＩＰ「Ｚ」１４７５をそれぞれ出力する。ＩＰ「Ｚ」経路に続いて、航空機に配置されるＥＶＤＯ無線モデム１４７７は、無線でＢＴＳ １４７８に接続され、これが更にＢＳＣ １４７９及びＰＤＳＮ １４８０からＨＡ（ホームエージェント）１４８１に接続される。１４８１の出力は、１４７５ ＩＰ「Ｚ」である。同様の経路に沿って、ＩＰ「Ｙ」データストリームは、無線でＥＶＤＯモデム１４８２からＢＴＳ １４８３まで、次いで、ＢＳＣ １４８４、更にその後、ＨＡ １４８６を通ってＰＤＳＮ １４８５に流れ、元のデータストリームＩＰ「Ｙ」１４７６として再び現れる。両方のデータストリーム１４７５及び１４７６は、逆ＤｅＭｕｘ装置１４８７に接続される。装置１４８７は、１４７２としてデータストリームＩＰ「Ｘ」１４７３を出力する。この集約経路に沿った送信は、最終的に無損失であり、すなわち、航空機で何が送信されても、最終的にはエラー又はパケット損失がなく地上に到達する。
【００８９】
ＨＡ（ホームエージェント）は、ＣＤＭＡパケットデータネットワークでは任意である。ＣＤＭＡパケットデータネットワークアーキテクチャは、「Ｓｉｍｐｌｅ ＩＰ」及び「移動体ＩＰ」のＩＰ移動体モデルをサポートする。移動体ＩＰは、ＩＥＴＦ（ＲＦＣ２００２〜２００６）の従来のＩＰ移動体モデルである。ＨＡは、ＭＴ（移動体端末）により用いられるＩＰアドレスのアンカポイントである。ＭＴでは、インターネットへの接続ポイントが移動するので、ルーティングネットワークは、移動体に対して直接ルーティングすることができない。代替として、ＨＡは、各ＩＰアドレスにルーティングポイントを生成する。次に、ＨＡは、所与のＩＰアドレスに対するＩＰパケットを適切なフォーリンエージェント（ＦＡ）にトンネリングする。移動体ＩＰを用いる場合には、ＰＤＳＮがＦＡ機能を果たす。移動体が新しいＦＡ（ＰＤＳＮ）に移動する場合、移動体ＩＰプロトコルは、新しいＦＡに向くようにそのＨＡを更新処理する。
【００９０】
他の選択肢はＳｉｍｐｌｅ ＩＰを用いることである。Ｓｉｍｐｌｅ ＩＰでは、ＰＤＳＮはＩＰアドレスに対するアンカポイントを生成する。ＰＤＳＮは、ＤＨＣＰ又は何らかの同様の機能を介して、パケットデータセッションを確立したときにＭＴにＩＰアドレスを割り当てることになる。インターネットルーティングインフラストラクチャには、ＰＤＳＮは、これらのＩＰアドレスに対するエンドポイント（又は最終ルータ）のように見える。ＭＴがセル境界にわたって移動し、これによって新しいＰＤＳＮに割り当てられることになる場合には、新しいＩＰアドレスを入手する必要がある。移動体ＩＰでは、モビリティの別のレイヤが存在し、ＰＤＳＮ境界は、ＩＰアドレスの変化が生じない。
【００９１】
＿＿＿ＨＡ＿＿＿＿
／ ＼
ＰＤＳＮ１ ＰＤＳＮ２
／ ＼ ／ ＼
ＲＮＣ／ＰＣＦ１ ＲＮＣ／ＰＣＦ２ ＲＮＣ／ＰＣＦ３
／ ＼ ＼ ／
ＢＴＳ１ ＢＴＳ２ ＢＴＳ３ ＢＴＳ４
上に示すように、ＭＴがＢＴＳ２からＢＴＳ３に移動する場合、ＭＴは、依然として同じＰＤＳＮによりサービスされることになる。従って、Ｓｉｍｐｌｅ ＩＰ及び移動体ＩＰの両方を用いる場合、ＭＴは、新しいＩＰアドレスを割り当てられる必要はない。しかしながら、ＭＴが、ＢＴＳ３からＢＴＳ４に移動する場合、ＰＤＳＮが変化することになる。Ｓｉｍｐｌｅ ＩＰを用いる場合、これには、ＰＤＳＮ２により新しいＩＰアドレスの割り当てが必要になる。移動体ＩＰを用いる場合、ＨＡは同じままであり、従って、ＩＰアドレスの割り当ては必要ではない。但し、ポインタをＰＤＳＮ１ではなくＰＤＳＮ２を指すように更新されることになる。インターネットの他の部分は、ルーティングテーブル全てがＨＡを向くので移動が認知されない。
【００９２】
逆Ｍｕｘの位置に対して、ＨＡは、ＭＴとＨＡとの間の移動体ＩＰトンネルのエンドポイントである。これは、このトンネルの外側に逆Ｍｕｘを維持することが最も容易であるためである。同時に、ＨＡは、既に、ｂｉｇ−Ｉインターネットの前の最終エンドポイントであるので、逆Ｍｕｘ機能を実施するのに適切な場所である。
【００９３】
図１４Ｂでは、単一のＱｏＳの流れが示されている。しかしながら、複数のＱｏＳの流れも実施可能である。あらゆる場合において、ＭＴとＰＤＳＮとの間に各ＱｏＳの流れが確立される。加えて、ヘッダー圧縮及び／又はヘッダー除去がサポートされている。ＭＴ及びＰＤＳＮは、圧縮器／圧縮解除器のエンドポイントである。これらの理由で、ＭＴとＰＤＳＮとの間のどこかに逆Ｍｕｘ機能を挿入するために標準の変更が必要とされることになる。
【００９４】
逆Ｍｕｘの別の機能は、複数のＩＰアドレスのマッピングを処理して単一のＩＰアドレスに戻すことである。このため、逆Ｍｕｘは、ＨＡとインターネットとの間に位置する可能性が高いことになる。殆どの配備における２つのＨＡは、同じ物理エンティティとなるので、ＨＡは、逆Ｍｕｘ機能を実施するための良好な候補になる。
【００９５】
図１４Ｂの２つのＰＤＳＮは、別個の論理エンティティとして示されるが、多くの場合、これらは、単一の物理ネットワーク要素となる。これはＨＡにも当てはまる。
【００９６】
図１４Ｃは、簡略化された逆多重化プロトコルを示す。１４９０では、パケットが順序外で且つパケット損失の可能性もあるが、データストリームは受信される。１４９２では、プロトコルは、パケットがＮ＋１パケットであるか、すなわちシーケンスの次のパケットであるかどうかを確認する。そうである場合、パケットは、送信バッファ１４９１に送られ、順序外である場合には、パケットは１４９３に送られる。１４９４では、パケットが正しい順序に再構築される。１４９６では、データストリームを１４９７に送信する前に損失パケットがないか最後にもう一度確認する。パケット損失がある場合には、１４９５で、損失パケットを再送するようリクエストが送られる。
【００９７】
逆多重化
複数のＥＶ−ＤＯモデムを用いる場合、逆多重化機能を提供して２つのＥＶ−ＤＯストリームを組み合わせることが必要である。逆多重化は、単一のチャネルからデータをとり、複数の小さなチャネルにわたって分配し、相手方でデータが再構築される。マルチリンクＰＰＰは、複数の安定チャネル（例えば、論理ＩＳＤＮチャネル）を組み合わせるのに用いられてきたが、リンクの動的特性により、複数のＥＶ−ＤＯリンクには適切でないことになる。逆多重化機能は、各リンクの瞬間的状態を考慮する必要がある。この問題は十分に研究されており、幾つかのシステムが試作されている。逆多重化プロトコルは、典型的には、リンクの各端部で論理回路が必要である。
【００９８】
逆多重化は、スケジューリング、損失パケット、到達順序、パケット待ち時間等の因子を考慮する必要がある。加えて、集約ネットワーク負荷バランスアルゴリズムは、公平性及びサービス品質（ＱｏＳ）に対する制御機能を提供するために必要とされる。これらの変数全てと併せて、システムは、特に、複合ネットワークにおいて複数の航空機の全体的必要性を比較したときに、何れかの所与のリンクの実効スループットを連続的に測定する必要がある。
【００９９】
要約
本発明のマルチリンク航空機セルラーシステムは、航空機に装着された複数の物理的に分離したアンテナを利用すると共に、逆多重化により空対地セルラー通信ネットワークのトラフィック（データ及び音声）処理容量を改善するために、付加的に任意の信号絶縁及び最適化技術を用いる。マルチリンク航空機セルラーシステムの付加的な技術には、偏波ドメイン、コードドメイン、及び地上アンテナパターン整形（方位角、仰角、又は両方の平面）を含むことができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機内に配置された複数の無線加入者装置と空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局との間の無線周波通信を管理するためのシステムであって、
前記航空機の外側表面上に装着された複数の無線周波数アンテナと、
前記複数の無線加入者装置と前記空対地セルラー通信ネットワークとの間の通話トラフィックを交換する無線周波通信信号を生成するため、前記航空機に配置された少なくとも１つのインタフェース手段と、
前記無線周波通信信号を前記複数の無線周波数アンテナのうちの選択したアンテナに選択的に印加して、前記空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局のうちの選択した基地局と複数の空対地無線周波通信リンクを同時に維持するようにする相互接続手段と、
を備える、無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項２】
前記複数の無線周波数アンテナが、
航空機のベリー上に物理的に間隔を置いた関係で装着された少なくとも２つのデュアル偏波無線周波数アンテナを含む、
請求項１に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項３】
前記複数の無線周波数アンテナが、
前記航空機の機首と尾部との間の中間点を含む航空機の中心線より前方の航空機ベリー上に装着された第１の無線周波数アンテナと、
前記航空機の中心線の後方の航空機ベリー上に装着された第２の無線周波数アンテナと、
を含む請求項１に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項４】
前記第１の無線周波数アンテナ及び前記第２の無線周波数アンテナが、デュアル偏波アンテナである、
請求項３に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つのインタフェース手段が、
第１の偏波で前記無線周波通信信号を生成するための第１の偏波手段と、
前記第１の偏波に実質的に直交する第２の偏波で前記無線周波通信信号を生成するための第２の偏波手段と、
を含む請求項３に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項６】
前記相互接続手段が、
前記第１の偏波での記無線周波通信信号の第１のセットを前記第１の無線周波数アンテナに印加し、前記第２の偏波での前記無線周波通信信号の第２のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加するための第１の接続手段と、
前記第１の偏波での前記無線周波通信信号の第３のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加し、前記第２の偏波での前記無線周波通信信号の第４のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加するための第２の接続手段と、
を含む請求項５に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項７】
前記相互接続手段が、
第１の偏波での前記無線周波通信信号の第１のセットを前記第１の無線周波数アンテナに印加し、前記第１の偏波での前記無線周波通信信号の第２のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加するための第１の接続手段と、
前記第２の偏波での前記無線周波通信信号の第３のセットを前記第１の無線周波数アンテナに印加し、前記第２の偏波での前記無線周波通信信号の第４のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加するための第２の接続手段と、
を含む請求項５に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項８】
前記相互接続手段が、
前記空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局の選択された局と複数の空対地無線周波通信リンクを確立するための陸上基地局選択手段を含む、
請求項１に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項９】
前記相互接続手段が、
前記空対地セルラー通信ネットワークの選択された空対地陸上基地局と通信する選択された空対地無線周波通信リンクの通信リンク特性を定義するための空対地無線周波通信リンク指定手段を含む、
請求項１に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項１０】
前記相互接続手段が、
前記空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局の選択された局と複数の空対地無線周波通信リンクを確立するための陸上基地局選択手段を更に含む、請求項９に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項１１】
前記空対地無線周波通信リンク指定手段が、前記通信リンク特性のセットから複数の通信リンク特性を選択し、前記通信リンク特性が、無線周波数、無線周波信号偏波、空対地陸上基地局、複数の多次元セクタを有する空対地陸上基地局の多次元セクタ、及び空対地無線周波通信リンクハンドオフ候補を含む、
請求項９に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項１２】
航空機内に配置された複数の無線加入者装置と空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局との間の無線周波通信を管理するための方法であって、
前記航空機の外側表面上に装着された複数の無線周波数アンテナを作動させる段階と、
前記航空機内で、前記複数の無線加入者装置と前記空対地セルラー通信ネットワークとの間の通話トラフィックを交換するための無線周波通信信号を生成する段階と、
前記無線周波通信信号を前記複数の無線周波数アンテナのうちの選択されたアンテナに選択的に印加して、前記空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局のうちの選択した基地局と複数の空対地無線周波通信リンクを同時に維持する段階と、
を含む方法。
【請求項１３】
前記複数の無線周波数アンテナが、
前記航空機の前記ベリー上に物理的に間隔を置いて配置された関係で装着された少なくとも２つのデュアル偏波無線周波数アンテナを含む、
請求項１２に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項１４】
前記複数の無線周波数アンテナを作動させる段階が、
前記航空機の機首と機尾との間の中間点を含む航空機の中心線より前方の航空機ベリー上に装着された第１の無線周波数アンテナを作動させる段階と、
前記航空機の中心線の後方の航空機ベリー上に装着された第２の無線周波数アンテナを作動させる段階と、
を含む、
請求項１２に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項１５】
前記第１の無線周波数アンテナ及び前記第２の無線周波数アンテナが、デュアル偏波アンテナである、
請求項１４に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項１６】
前記生成段階が、
第１の偏波での前記無線周波通信信号を生成する段階と、
前記第１の偏波に実質的に直交する第２の偏波で前記無線周波通信信号を生成する段階と、
を含む、
請求項１４に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項１７】
前記選択的に印加する段階が、
前記第１の偏波での前記無線周波通信信号の第１のセットを前記第１の無線周波数アンテナに印加し、前記第２の偏波での前記無線周波通信信号の第２のセットを前記第１の無線周波数アンテナに印加する段階と、
前記第１の偏波での前記無線周波通信信号の第３のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加し、前記第２の偏波での前記無線周波通信信号の第４のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加する段階と、
を含む、
請求項１６に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項１８】
前記選択的に印加する段階が、
第１の偏波での前記無線周波通信信号の第１のセットを前記第１の無線周波数アンテナに印加し、前記第１の偏波での前記無線周波通信信号の第２のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加する段階と、
前記第２の偏波での前記無線周波通信信号の第３のセットを前記第１の無線周波数アンテナに印加し、前記第２の偏波での前記無線周波通信信号の第４のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加する段階と、
を含む、
請求項１６に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項１９】
前記選択的に印加する段階が、
前記空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局の選択した局との複数の空対地無線周波通信リンクを確立する段階を含む、
請求項１２に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項２０】
前記選択的に印加する段階が、
前記空対地セルラー通信ネットワークの選択した空対地陸上基地局と通信するために、選択した空対地無線周波通信リンクの通信リンク特性を定義する段階を含む、
請求項１２に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項２１】
前記選択的に印加する段階が、
前記空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局の選択した局と複数の空対地無線周波通信リンクを確立する段階を更に含む、
請求項２０に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項２２】
前記確立する段階が、無線周波数、無線周波信号偏波、空対地陸上基地局、複数の多次元セクタを有する空対地陸上基地局の多次元セクタ、及び空対地無線周波通信リンクハンドオフ候補を含む前記通信リンク特性のセットから前記複数の通信リンク特性を選択する、
請求項２０に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項１】
航空機内に配置された複数の無線加入者装置と空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局との間の無線周波通信を管理するためのシステムであって、
前記航空機の外側表面上に装着された複数の無線周波数アンテナと、
前記複数の無線加入者装置と前記空対地セルラー通信ネットワークとの間の通話トラフィックを交換する無線周波通信信号を生成するため、前記航空機に配置された少なくとも１つのインタフェース手段と、
前記無線周波通信信号を前記複数の無線周波数アンテナのうちの選択したアンテナに選択的に印加して、前記空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局のうちの選択した基地局と複数の空対地無線周波通信リンクを同時に維持するようにする相互接続手段と、
を備える、無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項２】
前記複数の無線周波数アンテナが、
航空機のベリー上に物理的に間隔を置いた関係で装着された少なくとも２つのデュアル偏波無線周波数アンテナを含む、
請求項１に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項３】
前記複数の無線周波数アンテナが、
前記航空機の機首と尾部との間の中間点を含む航空機の中心線より前方の航空機ベリー上に装着された第１の無線周波数アンテナと、
前記航空機の中心線の後方の航空機ベリー上に装着された第２の無線周波数アンテナと、
を含む請求項１に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項４】
前記第１の無線周波数アンテナ及び前記第２の無線周波数アンテナが、デュアル偏波アンテナである、
請求項３に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つのインタフェース手段が、
第１の偏波で前記無線周波通信信号を生成するための第１の偏波手段と、
前記第１の偏波に実質的に直交する第２の偏波で前記無線周波通信信号を生成するための第２の偏波手段と、
を含む請求項３に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項６】
前記相互接続手段が、
前記第１の偏波での記無線周波通信信号の第１のセットを前記第１の無線周波数アンテナに印加し、前記第２の偏波での前記無線周波通信信号の第２のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加するための第１の接続手段と、
前記第１の偏波での前記無線周波通信信号の第３のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加し、前記第２の偏波での前記無線周波通信信号の第４のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加するための第２の接続手段と、
を含む請求項５に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項７】
前記相互接続手段が、
第１の偏波での前記無線周波通信信号の第１のセットを前記第１の無線周波数アンテナに印加し、前記第１の偏波での前記無線周波通信信号の第２のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加するための第１の接続手段と、
前記第２の偏波での前記無線周波通信信号の第３のセットを前記第１の無線周波数アンテナに印加し、前記第２の偏波での前記無線周波通信信号の第４のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加するための第２の接続手段と、
を含む請求項５に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項８】
前記相互接続手段が、
前記空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局の選択された局と複数の空対地無線周波通信リンクを確立するための陸上基地局選択手段を含む、
請求項１に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項９】
前記相互接続手段が、
前記空対地セルラー通信ネットワークの選択された空対地陸上基地局と通信する選択された空対地無線周波通信リンクの通信リンク特性を定義するための空対地無線周波通信リンク指定手段を含む、
請求項１に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項１０】
前記相互接続手段が、
前記空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局の選択された局と複数の空対地無線周波通信リンクを確立するための陸上基地局選択手段を更に含む、請求項９に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項１１】
前記空対地無線周波通信リンク指定手段が、前記通信リンク特性のセットから複数の通信リンク特性を選択し、前記通信リンク特性が、無線周波数、無線周波信号偏波、空対地陸上基地局、複数の多次元セクタを有する空対地陸上基地局の多次元セクタ、及び空対地無線周波通信リンクハンドオフ候補を含む、
請求項９に記載の無線周波通信を管理するためのシステム。
【請求項１２】
航空機内に配置された複数の無線加入者装置と空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局との間の無線周波通信を管理するための方法であって、
前記航空機の外側表面上に装着された複数の無線周波数アンテナを作動させる段階と、
前記航空機内で、前記複数の無線加入者装置と前記空対地セルラー通信ネットワークとの間の通話トラフィックを交換するための無線周波通信信号を生成する段階と、
前記無線周波通信信号を前記複数の無線周波数アンテナのうちの選択されたアンテナに選択的に印加して、前記空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局のうちの選択した基地局と複数の空対地無線周波通信リンクを同時に維持する段階と、
を含む方法。
【請求項１３】
前記複数の無線周波数アンテナが、
前記航空機の前記ベリー上に物理的に間隔を置いて配置された関係で装着された少なくとも２つのデュアル偏波無線周波数アンテナを含む、
請求項１２に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項１４】
前記複数の無線周波数アンテナを作動させる段階が、
前記航空機の機首と機尾との間の中間点を含む航空機の中心線より前方の航空機ベリー上に装着された第１の無線周波数アンテナを作動させる段階と、
前記航空機の中心線の後方の航空機ベリー上に装着された第２の無線周波数アンテナを作動させる段階と、
を含む、
請求項１２に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項１５】
前記第１の無線周波数アンテナ及び前記第２の無線周波数アンテナが、デュアル偏波アンテナである、
請求項１４に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項１６】
前記生成段階が、
第１の偏波での前記無線周波通信信号を生成する段階と、
前記第１の偏波に実質的に直交する第２の偏波で前記無線周波通信信号を生成する段階と、
を含む、
請求項１４に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項１７】
前記選択的に印加する段階が、
前記第１の偏波での前記無線周波通信信号の第１のセットを前記第１の無線周波数アンテナに印加し、前記第２の偏波での前記無線周波通信信号の第２のセットを前記第１の無線周波数アンテナに印加する段階と、
前記第１の偏波での前記無線周波通信信号の第３のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加し、前記第２の偏波での前記無線周波通信信号の第４のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加する段階と、
を含む、
請求項１６に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項１８】
前記選択的に印加する段階が、
第１の偏波での前記無線周波通信信号の第１のセットを前記第１の無線周波数アンテナに印加し、前記第１の偏波での前記無線周波通信信号の第２のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加する段階と、
前記第２の偏波での前記無線周波通信信号の第３のセットを前記第１の無線周波数アンテナに印加し、前記第２の偏波での前記無線周波通信信号の第４のセットを前記第２の無線周波数アンテナに印加する段階と、
を含む、
請求項１６に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項１９】
前記選択的に印加する段階が、
前記空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局の選択した局との複数の空対地無線周波通信リンクを確立する段階を含む、
請求項１２に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項２０】
前記選択的に印加する段階が、
前記空対地セルラー通信ネットワークの選択した空対地陸上基地局と通信するために、選択した空対地無線周波通信リンクの通信リンク特性を定義する段階を含む、
請求項１２に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項２１】
前記選択的に印加する段階が、
前記空対地セルラー通信ネットワークの複数の空対地陸上基地局の選択した局と複数の空対地無線周波通信リンクを確立する段階を更に含む、
請求項２０に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【請求項２２】
前記確立する段階が、無線周波数、無線周波信号偏波、空対地陸上基地局、複数の多次元セクタを有する空対地陸上基地局の多次元セクタ、及び空対地無線周波通信リンクハンドオフ候補を含む前記通信リンク特性のセットから前記複数の通信リンク特性を選択する、
請求項２０に記載の無線周波通信を管理するための方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１２Ｄ】
【図１２Ｅ】
【図１２Ｆ】
【図１２Ｇ】
【図１２Ｈ】
【図１３】
【図１４Ａ１】
【図１４Ａ２】
【図１４Ｂ】
【図１４Ｃ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１２Ｄ】
【図１２Ｅ】
【図１２Ｆ】
【図１２Ｇ】
【図１２Ｈ】
【図１３】
【図１４Ａ１】
【図１４Ａ２】
【図１４Ｂ】
【図１４Ｃ】
【公表番号】特表２０１０−５０８７７１（Ｐ２０１０−５０８７７１Ａ）
【公表日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５３５３７４（Ｐ２００９−５３５３７４）
【出願日】平成１９年９月１７日（２００７．９．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７８６４０
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０５４９３４
【国際公開日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【出願人】（５０６１９４２１０）エアーセル・エルエルシー (5)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１７日（２００７．９．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７８６４０
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０５４９３４
【国際公開日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【出願人】（５０６１９４２１０）エアーセル・エルエルシー (5)
【Ｆターム（参考）】
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