JP2021521688A - 移動車両の新世代ワイヤレスネットワーク用のメタ構造アンテナシステム - Google Patents

Abstract

本明細書で開示される例は、移動車両の次世代ワイヤレスネットワーク用のメタ構造（「ＭＴＳ」）アンテナシステムに関連する。ＭＴＳアンテナシステムは、移動車両の外面上に設置されたＭＴＳアンテナであって、ＭＴＳセルのＭＴＳアレイを含む、ＭＴＳアンテナと、ＭＴＳアンテナにワイヤレス信号を伝達するための内部ゲートウェイとを含む。

Description

関連出願の相互参照
[0001] この出願は、２０１８年４月１７日に出願されたＥＴ．Ｓ仮特許出願第６２／６５９，１３０号への優先権を主張し、同特許は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

背景
[0002] ユーザの需要に応えるため、新世代ワイヤレスネットワークがますます欠かせないものになっている。モバイルデータ通信量は毎年増え続けており、ワイヤレスネットワークにおけるより速い速度の提供、より多くのデバイスとの接続、より短い待ち時間及びますます多くのデータの同時送信が要求されている。現在では、ユーザは、オフィスビル内であろうが、公共の場であろうが、オープン領域であろうが、車両内であろうが、環境や状況にかかわらず、瞬時のワイヤレス接続を期待している。これらの需要に応えて、近未来における配備のために、５Ｇとして知られている新しいワイヤレス規格が設計された。５Ｇ規格は、動作をミリ波帯域まで拡張し、世界中で、６ＧＨｚを超え、２４ＧＨｚ、２６ＧＨｚ、２８ＧＨｚ及び３９ＧＨｚと、最大で３００ＧＨｚまで計画される周波数をカバーする。

[0003] ミリ波周波数は、高い大気減衰の影響を受けやすい約１〜１０ｍｍの狭い波長範囲を有し、短い距離（わずか１キロメートル強）を有する。これらの周波数では、アレイアンテナは、高利得、狭ビーム及びビーム誘導性におけるいくつかの利点を示す。高密度散乱地帯の場合、マルチパス、シャドウイング及び地理的障害が原因で、死角が存在し得る。距離が長く、豪雨を伴う極端な気候条件が時折起こる遠隔地では、暴風雨のため、その環境条件により、オペレータは、大型アレイアンテナを使用することができなくなる。ワイヤレスサービスを必要とするユーザの移動にこれらの条件を加えると、５Ｇネットワークにおいて、周辺環境の多くの信号や構造間の干渉を避けながら、制御された方向に所望のビーム形態を生成するという課題が生じる。

図面の簡単な説明
[0004] 本出願は、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明と関連付けて、より完全に理解することができる。添付の図面は原寸に比例せず、図面全体を通じて、同様の参照文字は同様の部分を指す。

[0005]様々な例による、移動車両の新世代ワイヤレスネットワーク用のＭＴＳアンテナシステムの概略図を示す。 [0006]内部ゲートウェイを有するバス上に設置されたＭＴＭアンテナシステムを示す。 [0007]例示的なＭＴＳアンテナの概略図である。 [0008]図３の層のうちの１つ又は複数において使用するためのＭＴＳセルのアレイの概略図である。 [0009]周波数選択性表面の最も近くに配置された例示的なＭＴＳアレイを示す。 [0010]様々な例による、受動アンテナアレイの概略図である。 [0011]様々な例による、移動列車にワイヤレス通信を提供するためのフローチャートである。 [0012]様々な例による、２つのネットワークノードに接続される移動列車の概略図である。 [0013]様々な例による、ネットワークノードとのワイヤレス通信において移動列車の場所を決定するためのフローチャートである。

詳細な説明
[0014] 新世代（例えば、５Ｇ）ワイヤレスネットワークへの配備のためのメタ構造（「ＭＴＳ」）アンテナシステムが開示される。ＭＴＳアンテナシステムは、多くの異なる応用に適しており、各種の異なる環境及び構成において配備することができる。様々な例では、ＭＴＳアンテナシステムは、移動車両（例えば、車、バス又は列車（高速列車を含む））用の新世代ワイヤレスネットワークにおいて実装される。高速列車は、本明細書で一般に使用されるように、１００Ｋｍ／ｈを大幅に上回る速度で動作し、それらの経路に沿って多くのワイヤレス基地局又はセルを通じて移動する。高速列車などの移動車両における広帯域サービスを提供するには、ネットワークノード（例えば、４Ｇ ＬＴＥ又は５Ｇの場合はeNodeB、Wi-Fiアクセスポイント（「ＡＰ」）など）と車両内のユーザデバイスとの間の高速且つ高信頼性の双方向信号伝送が必要である。ＭＴＳアンテナシステムは、指向性を改善し且つ望ましくない放射パターン（サイドローブなど）を低減して、高利得を提供し、集束ビームを生成するように設計される。高利得及び集束ビームにより、より優れた性能や、車両の経路に沿った多くの基地局やセル間のよりシームレスなハンドオフが可能になる。

[0015] 様々な例では、ワイヤレス信号は、車両の金属ボディ又はその窓（着色されたもの、導電性層でコーティングされたもの及びガラス若しくは他の材料から作られたものであり得る）を通じて、大きな減衰又は妨害を経験し得る。本明細書で開示されるＭＴＳアンテナシステムは、車両の外部に位置し且つ車両の内部のゲートウェイ又はモジュールにワイヤレス信号を再送信する低コストで簡単な能動又は受動アンテナアレイを提供することによって、この課題に対処する。アップリンクシナリオでは、内部ゲートウェイからのワイヤレス信号は、この能動／受動送信アンテナアレイを通じて基地局無線機に中継される。

[0016] 以下の説明には、例の完全な理解を提供するために多くの具体的な詳細が記載されていることが理解されている。しかし、これらの具体的な詳細に限定されることなく、例を実践できることが理解されている。他の例では、例の説明を不必要に曖昧にすることのないように、周知の方法及び構造については詳細には説明しない。また、例は、互いに組み合わせて使用することができる。

[0017] 図１は、移動車両の新世代ワイヤレスネットワーク用のＭＴＳアンテナシステムの概略図を示す。ネットワーク１００は、移動車両（例えば、高速列車１０２など）の乗客に対するワイヤレス通信を可能にする新世代ワイヤレスネットワーク（例えば、５Ｇネットワーク）である。ネットワーク１００は、バックホールインターネットネットワーク又はＩＳＰネットワーク１０４への無線アクセスを提供する多くのネットワークノードを含む。ネットワークノード（例えば、ノード１０６ａ及び１０６ｂ）は、セルラ基地局及び／又はWi-Fi ＡＰであり得、電柱上に設置された無線機のものと同様の機能を提供する。ハンドオフは、車両１０２がノードの経路に沿って移動する際に、ネットワーク１００の異なるノード間（ノード１０６ａとノード１０６ｂとの間など）で起こり得る。

[0018] ネットワーク１００の各ネットワークノード１０６ａ及び１０６ｂは、ネットワーク１００に接続されたデバイス（例えば、携帯電話、ラップトップなど）のユーザ（車両１０２内の乗客など）とのデータの送受信を行う。ネットワーク１００のノードは、ポイントツーポイントリンクを介して、ユーザとのデータの送受信を行う。様々な例では、ネットワーク１００は、次世代ワイヤレスネットワークに対して指定されたミリ波スペクトル（３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲）で動作する。ネットワーク１００の各ネットワークノード１０６ａ及び１０６ｂは、必要な場合は常に誘導可能な高指向性利得及び狭ビームによる高いデータスループットのための受動又は能動ＭＴＳ位相アンテナアレイを含み得る。

[0019] ＭＴＳアンテナは、本明細書で一般に説明されるように、ＭＴＳ素子のアレイである。各ＭＴＳ素子は、屈折率がいかなる値も取り得る自然界に見られない電磁特性を有する工学的構造であり、その構造は、非周期的、周期的又は部分的に周期的な（準周期的な）ものであり得る。ＭＴＳ素子は、周波数及び空間分布の関数として電磁波位相を操作するものであり、各種の形状及び構成を有し得る。ＭＴＳ素子は、一定の指定された基準（例えば、所望のビーム特質を含む）を満たすように設計することができる。ＭＴＳアンテナは、受動又は能動のものであり得る。

[0020] いくつかの例では、ＭＴＳアンテナ素子は、各種の導電性構造及びパターンのメタマテリアルセルであり、受信した伝送信号は、そこから放射される。各メタマテリアルセルは、独自の特性を有し得る。これらの特性は、負誘電率及び透磁率を含み得、負屈折率をもたらし得る。これらの構造は、一般的に、左手系材料（「ＬＨＭ」）と呼ばれる。ＬＨＭの使用により、古典的な構造及び材料では達成できない挙動（電磁波又は伝送信号の伝播において観察できる興味深い効果を含む）が可能になる。メタマテリアルは、電気通信、自動車及び車両、ロボット、生物医学、衛星並びに他の応用においてなど、マイクロ波及びテラヘルツ工学におけるいくつかの興味深いデバイス（アンテナ、センサ、整合ネットワーク、反射器など）に対して使用することができる。アンテナの場合、メタマテリアルは、メタマテリアルによって放射される伝送信号の波長よりはるかに小さなスケールで構築することができる。メタマテリアル特性は、構造を形成する基本的な材料というよりむしろ、工学的に設計された構造から得られる。精密な形状、寸法、ジオメトリ、サイズ、向き、配列などは、波の遮断、吸収、増強又は屈曲による電磁波の操作が可能なスマートな特性をもたらす。

[0021] 様々な例では、車両１０２には、システム１０８ａ及び１０８ｂなどの少なくとも１つのＭＴＳアンテナシステムが装備される。各ＭＴＳアンテナシステム１０８ａ〜１０８ｃは、様々な構成の受動、能動又はハイブリッド受動／能動アンテナであり得る車両１０２の外装部分上に位置するＭＴＳアンテナ（ＭＴＳアンテナ１１Ｏａ〜１１Ｏｃなど）で、ネットワークノード１０６ａ及び１０６ｂとの信号の送受信が可能である。ＭＴＳアンテナ１１Ｏａ〜１１Ｏｃは、ネットワークノード１０６ａ及び１０６ｂから車両１０２の内部の１つ又は複数のゲートウェイ又はモジュール（ＭＴＳアンテナシステム１０８ａ〜１０８ｃの内部ゲートウェイ無線モジュールＨ２ａ〜Ｈ２ｃなど）にワイヤレス信号を再送信する。無線モジュール１１２ａ〜１１２ｃは、４Ｇ−ＬＴＥ若しくは５Ｇセルラネットワーク中継ノード又はWi-Fiゲートウェイノードであり得る。車両１０２内のユーザ／乗客は、セルラネットワークの一部としての中継ノード又はWi-Fi構成におけるメディアゲートウェイの機能を含む無線モジュール１１２ａ〜１１２ｃによってカバーされる。両構成では、ダウンリンクデータは、４Ｇ−ＬＴＥ若しくは５Ｇセルラバンド又はWi-Fiバンドで無線モジュール１１２ａ〜１１２ｃから放送される。

[0022] 図２では、内部ゲートウェイ２０４を有するバス２０２の外部上に設置されたＭＴＳアンテナ２００が示されている。バス２０２内のユーザは、４Ｇ−ＬＴＥ若しくは５Ｇセルラネットワーク中継ノード機器又はWi-Fiゲートウェイノードによってカバーされる。ユーザは、セルラネットワークの一部としての中継ノード又はWi-Fi構成におけるメディアゲートウェイの機能を含む無線モジュールによってカバーされる。両構成では、ダウンリンクデータは、４Ｇ−ＬＴＥ若しくは５Ｇ ＮＲセルラバンド又はWi-Fiバンド（２．４ＧＨｚ、５ＧＨｚ）で内部ゲートウェイ２０４からユーザデバイスに放送される。バス２０２又は列車１０２内のユーザデバイスは、セルラモード又はWi-Fiモードで、ネットワークの静止場所にあるように完全にトランスペアレントな方法で動作する。

[0023] 図３は、ＭＴＳアンテナの例を示す。ＭＴＳアンテナ３０２は、ネットワークノード（例えば、ノード１０６ａ及び１０６ｂ）から車両１０２又は２０２内のネットワークユーザにダウンリンクワイヤレス信号を中継することができる。ＭＴＳアンテナ３０２は、応用に応じて能動又は受動である反射及び透過アンテナであり得る。様々な例では、ＭＴＳアンテナ３０２の放射パターンは、ネットワーク１００のネットワークノード並びに車両１０２及び２０２内の内部ゲートウェイ無線モジュール（例えば、モジュールＨ２ａ〜Ｈ２ｃ）の場所に向けて最大利得を有するように設計される。アップリンクデータは、内部ゲートウェイ無線モジュールによって収集され、次いで、物理層及びＭＡＣ層における必要な処理（データリフレーミング、再多重化、再スケジューリングなど）の後に、ネットワークノード（例えば、ノード１０６ａ及び１０６ｂ）に再送信される。

[0024] ネットワーク１００のネットワークノードと車両１０２及び２０２内のユーザとの間では、先進ＭＴＳアンテナ３０２に基づく２つの方向におけるデータ伝送のために無線リンクが使用される。ＭＴＳアンテナ３０２は、ミリ波スペクトルで動作し、必要な場合は常に誘導可能な高指向性利得及び狭ビームによる高いデータスループットを提供する。一例では、ＭＴＳアンテナ３０２は、（１）受信アパーチャ層３０４、（２）フィルタリング構造層３０６及び（３）送信アパーチャ層３０８の３つの層を含む。層３０４〜３０８のうちの１つ又は複数は、誘導可能な集束ビームを提供するためのＭＴＳセルのアレイを含み得る。

[0025] ここで図４に注意を向ける。図４は、図３の層３０４〜３０８のうちの１つ又は複数において使用するためのＭＴＳセルのアレイの概略図を示す。アレイ４００は、複数のＭＴＳセルを含み、複数のＭＴＳセルは、基板の１つ又は複数の層に配置され、要望通りに応用に応じて、インピーダンス整合要素を組み込む伝送及び供給構造を含む他の回路、モジュール及び層に結合される。ＭＴＳ構造は、各種の形態のいずれかを取ることができる。アレイ４００のＭＴＳセル（ＭＴＳセル４０２など）は、示されるように配列しても、他の任意の構成（例えば、六方格子など）で配列してもよい。

[0026] ＭＴＳセル４０２は、導電性エリア４０６を取り囲む（間を空けて）導電性外側部分又はループ４０４を有するように示されている。各ＭＴＳセル４０２は、誘電性層上に構成することができ、異なるＭＴＳセルの周りに及び異なるＭＴＳセルの間に導電性エリア及びループが提供される。電圧制御可変リアクタンスデバイス４０８（例えば、バラクタ）は、導電性エリア４０６と導電性ループ４０４との間の制御リアクタンスを提供する。制御リアクタンスは、電圧印加（バラクタの事例では、逆バイアス電圧印加）によって制御される。リアクタンスの変化により、ＭＴＳセル４０２の挙動が変化し、ＭＴＳアレイ４００は、特定の場所に方向付けられる集束した高利得ビームを提供することができる。印加電圧は、ＭＴＳセル４０２外に放射されるビームに対するビーム誘導角度に効果的にマッピングされる。様々な例では、ＭＴＳアンテナは、任意の所望の方向にビームを方向付けるために、制御電圧を誘導角度にマッピングするように較正することができる。追加の回路、モジュール及び層をＭＴＳアレイ４００と統合できることが理解されている。

[0027] 図５は、図３の層３０４〜３０８のうちの１つ又は複数において使用することができる周波数選択性表面（「ＦＳＳ」）５００のスロット付き伝送線の最も近くに配置されたＭＴＳアレイ４００の例を示す。ＭＴＳアレイ４００の最も近くのＦＳＳ層５００の組合せは、伝送ビームの方位角制御と仰角制御の両方を提供する。ＭＴＳアレイ４００は、ＭＴＳセル４０２に電圧制御可変リアクタンスデバイス４０８を含むため、能動構造であることを指摘する。

[0028] 他の構成では、ＭＴＳアンテナは、図６に示されるものなどの受動アンテナアレイを含み得る。受動アンテナアレイは、設置された時点で、入射ビームを特定の方向／角度又は複数の方向／角度に方向付けるため、電子機器又は他の制御を必要としない。ビームの角度を変更するには、方向付けられたアレイ全体を再配置する必要があり得る。ＭＴＳアレイ６００は、アレイの個々の要素のサイズ及び構成により、指向性及び高帯域幅を提供する。これにより、簡単な設計で指向性が可能になり、多くの例では、その設計はパターン化構成である。ＭＴＳアレイ６００は、様々なサイズのタイル（タイル６０２及びタイル６０４など）を有するように構成され、各タイルは、異なる寸法を有する。

[0029] また、高指向性利得及び狭ビームを提供するメタ構造要素に基づく高性能位相アレイアンテナにより、ネットワークノード（例えば、図１のノード１０６ａ及び１０６ｂ）から車両のＭＴＳアンテナシステム（例えば、図１の車両１０２のシステム１０８ａ〜１０８ｃ）への通信リンクは、非常に高いデータレートをサポートできることも指摘する。ネットワークノード及び車両アンテナシステムにおける送信アンテナと受信アンテナとの間のビームは、高正確度の高速相対運動で保つ必要がある。

[0030] 高速列車の事例において考慮される独自の特殊性は、任意の所定の瞬間に列車が既知の鉄道セクションに位置し、ネットワークノードが既知の場所に位置付けられることである。列車の受信機が任意の瞬間における正確なタイミング情報を持っている場合は、基準点（例えば、鉄道駅）からその場所を計算して保持することができる。これは、自己位置推定と環境地図作成の同時実行（ＳＬＡＭ：Simultaneous Localization and Mapping）システム又はデッドレコニングに基づく航法システムなどの手法と同様である。また、高速列車には、慣性計測装置（「ＩＭＵ」）などの慣性航法端末を装備することができ、次いで、タイミングと共に、高速列車自体を位置付け、高速列車自体の軌道をトレースすることができる。これらのすべての事例では、高速列車は、ネットワークノードからの到着信号の角度を計算することができる。２つの通信体間の距離及び３Ｄ角度は、アンテナシステムに関連するシステム構成及び測定精度に応じて、合理的な精度で計算することができる。

[0031] 本明細書で開示されるＭＴＳアンテナシステムは、高速列車などの高移動性車両との４Ｇ−ＬＴＥ及び５Ｇセルラシステムなどのモバイル通信ネットワークに対して、それらの制御及びデータサポートにおいて、高性能のビーム誘導及び追跡位相アレイアンテナの動作に効率的なソリューションである。高速列車への応用の場合、信号伝播遅延が制限されるように通信リンクの両方の通信体は互いに対して一定の距離内であるという事実に基づいて、ビームポインティング及びビーム誘導によるその維持に対して、より簡単な技法を使用することができる。第１に、ネットワークノードの場所は、移動車両に正確に知られている。第２に、ネットワークノードは、ある程度の精度で、移動車両を決定してトレースすることができる。そして、第３に、移動車両は、ネットワークノードから送信された特別に設計されたパイロット信号を受信次第、それ自体をある精度で位置付けることができる。

[0032] 提案されるシステム構成及びアンテナ動作通信手順及び方法では、ネットワークノードは、非常に低い電力スペクトル密度を有する広帯域パイロット信号を移動列車に周期的に送信する。パイロット信号を受信次第、パイロット信号を検出して処理することによって、移動列車は、それ自体を位置付けて、ネットワークと同期する。それに加えて、移動ノードによってネットワークタイミングが取得されている際は、１つのネットワークノードのみでの測距が可能である。

[0033] 移動車両がそれ自体の場所情報を得て、ネットワークノードの場所を知った時点で、送信及び受信ＭＴＳアンテナとの角度を正確に計算することができる。これにより、移動車両のＭＴＳアンテナシステム（例えば、図１のシステム１０８ａ〜１０８ｃ）及びネットワークノード（例えば、図１のノード１０６ａ及び１０６ｂ）のＭＴＳアンテナは、要望通りの高指向性及びビーム誘導を有することができる。

[0034] ここで図７に注意を向ける。図７は、様々な例による、移動列車にワイヤレス通信を提供するためのフローチャートを示す。最初に、少なくとも１つのＭＴＳアンテナシステムが列車に提供される（７００）。ＭＴＳアンテナシステムは、上記で説明されるように、列車の外面上に設置されたＭＴＳアンテナと、列車内のユーザ／乗客に対して高速且つ高信頼性のワイヤレス通信を可能にするための内部ゲートウェイとを有する。ＭＴＳアンテナシステムは、指向性を改善し且つ望ましくない放射パターン（サイドローブなど）を低減して、高利得を提供し、集束ビームを生成するように設計される。高利得及び集束ビームにより、より優れた性能や、列車の経路に沿った多くのネットワークノード間のよりシームレスなハンドオフが可能になる。ＭＴＳアンテナシステムの指向性の改善により、ネットワークノードに達するように任意の所望の方向又は角度に高利得ビームを生成することが可能になり、それにより、列車内のユーザ／乗客とのシームレスなワイヤレス接続性の目標を達成することができる。

[0035] 移動列車のルートには多くのネットワークノードが存在するため、シームレスなワイヤレス接続性は、そのルートに沿って移動する際のその最も近くのネットワークノードに対する任意の所定の時刻における列車の場所を知ることによって達成される。移動列車の場所は、ネットワークノードからのタイミング基準に基づいて決定される（７０２）。タイミング基準により、以下でさらに詳細に説明されるように、列車のクロックをネットワーククロックと同期させ、列車がその経路に沿ってネットワークノードからネットワークノードに移動する際にタイミングを追跡できるようにすることができる。列車の場所が決定された時点で、ＭＴＳアンテナシステムは、その場所を使用して、列車がその経路に沿って移動する際のネットワークノードとの通信に使用するためのビーム誘導角度を決定する（７０４）。

[0036] 様々な例では、各ネットワークノードは、広ビームパイロット信号を移動列車の方向に送信する。疑似ランダム系列（例えば、ＰＮコード）でのスペクトル拡散を使用した広ビーム幅及びパイロット信号の広帯域設計により、列車の通信受信機は、この信号を受信することができる。パイロット信号は、繰り返し継続的に送信される。その広帯域特徴は、パイロット信号に非常に低い電力密度を持たせ、その結果、同じスペクトルで動作している他の無線システムによる著しい干渉は観察されなくなる。広帯域パイロット信号は、かなり長いＰＮコードに基づき、その結果、十分に高い検出確率及び非常に低い誤警報確率で検出することができる。列車の受信機では、デジタル位相ロックループ（「ＤＰＬＬ」）に基づく検出器を使用して、受信したパイロット信号が検出され、スライディングウィンドウ相関器アーキテクチャを用いてローカル基準信号でロックされる。

[0037] ここで図８に注意を向ける。図８は、２つのネットワークノードに接続される移動高速列車の概略図を示す。ネットワークノード８００及び８０２は、タイミング基準（マスタクロック）及びタイミングプロトコル（高精度時間プロトコル（「ＰＴＰ」）又はＩＥＥＥ１５８８など）と時間同期されると想定される。高度に正確な時間基準（マスタクロック｛ｔ_ｎ｝）は、ＧＰＳに基づくものであるか又は局所的に確立されるものであり得る。ネットワークノード８００及び８０２は、座標｛（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１），（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）｝で表現される既知の固定場所を有する。移動列車８０４は、座標（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ_ｔ）を有し、｛ｔ_ｔ｝は、そのクロックを示す。また、移動列車８０４は、パイロット信号を検出してロックするためのＤＰＬＬ ８０６も有する。タイムスタンプを有する２つのパイロット信号｛（Ｓｉ，ＴＳｉ），（Ｓ２，ＴＳ_２）｝が列車８０４によって受信され、そのクロックｔ_ｔに基づいてＳｉとＳ_２との到着の時間差が分かる。列車８０４は、Ｓｉを受信した時刻におけるその場所を決定することができ、次いで、Ｓｉの到着時刻（「ＴｏＡ」）及びＴＳｉを組み合わせることによってネットワーククロックを決定することができる。このネットワーククロックは、Ｓ_２のＴｏＡ及びＴＳ_２によって確認することができ、列車のクロックｔ_ｔは、ネットワーククロックと同期させることができる。

[0038] 図９は、様々な例による、ネットワークノードとのワイヤレス通信において移動列車の場所を決定するためのフローチャートである。列車の場所は、（１）列車がタイミング基準を取得する取得段階と、（２）タイミング基準を有する列車が近くのネットワークノードに対するその場所を決定する追跡段階との２つの段階において決定される。タイミング基準は、列車が通信しているネットワークノードによって使用されるネットワーククロックとの同期に対して必要である。取得段階の第１のステップは、列車が近くのネットワークノードからの２つのパイロット信号の探索及び検出を行うこと（９００）である。列車８０４は、２つのネットワークノード８００及び８０２から、タイムスタンプ（ＳＴｉ，ＳＴ_２）を有する２つのパイロット信号（Ｓｉ，Ｓ_２）を受信する。また、列車８０４は、２つのパイロット信号（Ｓｉ，Ｓ_２）のＴｏＡも知っており、（ｔｎ，ｔｒ_２）と示すことができる。様々な例では、パイロット信号（Ｓｉ，Ｓ_２）は、ＰＮ系列変調広帯域波形であり得る。この設計は、優れた受信性能及び時間正確度を保証する。列車８０４のローカルカウンタは、そのＤＰＬＬ ８０６がネットワークノード８００及び８０２からのパイロット信号をロックした（９０２）瞬間に始まり、ｔｎは、ネットワーククロックと列車通信ノードのローカルクロックとの間のクロック誤差及びパイロット信号のフライトの時間を含むことを意味する。タイムスタンプＳＴは、パイロット信号が送信された瞬間に対応する。

[0039] パイロット信号は、タイムタンプ及び他の何らかの有益な情報を運ぶが、タイムスタンプは、パイロット信号が送信する必要最小限のメッセージである。パイロット信号は、列車の通信ノード受信機によって正確な測距が可能であるように設計される可能性がある。列車８０４は、以下の通り、到着時間差（「ＴＤｏＡ」）及びネットワークタイミング同期に基づいてその場所を決定する（９０４）。
Ａｔ＝（ｔ_ｒ１−ＳＴ_１）−（ｔ_ｒ２〜ＳＴ_２） （方程式１）
ネットワークノード８００及び８０２が時間同期される事例では、ＳＴｉ＝ＳＴ_２であると想定され、その結果、
Ａｔ＝（ｔ_ｒ１）−（ｔ_ｒ２） （方程式２）
となる。列車のクロックは、ネットワーククロックに対して誤差（５ｔと示される）を有し得、その結果、ｔ_ｒｉ＝ｔ_ｎｉ＋５ｔ及びｔ，_−２＝ｔ_ｎ２＋Ａｔ＋δｔ＝ｔ_ｎｉ＋Ａｔ＋５ｔとなる。（ｔ_ｎ１，ｔ_ｎ２）を（ｔ_ｒ１，ｔ_ｒ２）に対応するネットワーク時間の瞬間とすると、方程式２は、
Ａｔ＝（ｔ_ｒ１）−（ｔ_ｒ２）＝（ｔ_ｎ１）−（ｔ_ｎ２） （方程式３）
と記載することができる。

[0040] すなわち、δｔは取り消され、列車のクロックをネットワーククロックと正確に同期させる必要はなく、列車８０４を依然として正確に位置付けることができる。それに加えて、列車８０４が正確に位置付けられた時点で、列車のクロックは、ネットワーククロックと正確に同期させることができる。次いで、列車は、ネットワークタイミング位相を取得するために、ネットワークノードまでの距離及びパイロット信号のフライトの時間を計算する（９０６）。従って、距離差は、
Ａｄ＝ｃ＊Δｔ （方程式４）
であり、式中、ｃは、光の速度である。（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）及び（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）によって示されるネットワークノード８００及び８０２の座標並びに（ｘ_ｔ，ｙ_ｔ，ｚ_ｔ）によって示される時刻ｔにおける列車８０４の座標を用いると、距離差は、以下の方程式を用いて、双曲線（例えば、双曲線８０８及び８１０）として表現することもできる。

[0041] Ａｔは既知数であり、固定されているため、列車の場所は、双曲線８０８及び８１０と鉄道線路８１２との２つの交点のうちの１つである。鉄道線路８１２は、いかなる座標系においても、ｆ（ｘ_ｔ，ｙ_ｔ，ｚ_ｔ）＝０によって示される数学関数として表現することができる。この関数は、集計して、データベースに数値的に格納し、ネットワークノード８００及び８０２によって並びに列車８０４の通信ノードシステムによって共有することができる。

[0042] 数値法は、以下の方程式系の解を見出すために使用することができる。

[0043] 鉄道線路８１２の軌道関数は、変動が非常に限られた３Ｄ曲線であり、いかなるローカルエリアに対しても、直線部分で近似させることができる。双曲線８０８及び８１０の場合、方程式６の解を簡素化するために、線形化を使用することができる。所定の固定されたＡｔ又はＡｄ並びに（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）及び（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）に対し、方程式６の非線形方程式系は、軌道関数と２つの双曲線表面８０８及び８１０との２つの交点により、たった２つの解しか有さないことを指摘する。ネットワークノード８００及び８０２の場所についての事前の情報を使用して、高速解法を使用することができる。方程式６の方程式系を解くことは、多くの異なる方法によって行うことができる。実用的な実装において、以下で説明されるような提案される方法を使用できるが、その方法は方程式６の唯一の解法ではないことを指摘する。

[0044] 方程式６の有効解は、瞬間ｔ_ｒｉにおける初期点からの交点を探索することによって決定することができる。これは、実際には、ｔ_ｎｉに非常に近く、列車８０４の軌道関数が双曲線表面８０８及び８１０のうちの１つと交差する実際の瞬間である。誤差は、２つのクロック間のタイミング誤差に対応する。軌道関数上のポイント（ｘ_ｔ，ｙ_ｔ，ｚ_ｔ）は、上記の方程式６の非線形方程式系の第１の方程式を満たす場合の１つの解である。探索ステップ数は、ｃ^＊５ｔ／Ｔｓであり、Ｔｓは、軌道関数ｆ（ｘ_ｔ，ｙ_ｔ，ｚ_ｔ）＝０の空間サンプリング周期であり、各Ｔｓ（ｍ）で集計される。例えば、δｔが０．５μｓである場合は、Ｔｓ＝０．５ｍであり、ステップ数は３００である。１秒当たり３００００回の探索が実行される場合は、解を見出すまでの時間は、約０．１ミリ秒である。

[0045] ２つの解のうちの１つが見出された時点で、ｔ_ｒ２に対応する別の開始点を使用して同じ探索が行われる。しかし、上記で概説される方程式系の２つの解は、場所の曖昧性を生み出す。この曖昧性は、上記の方程式６の２つの項を計算し、それらを比較することによって容易に解決することができる。第１の項の方が小さい場合は、列車は、ネットワークノード８００の方に近く、その逆も同様である（ネットワークノード８０２の方に近い）。これは、列車と２つのネットワークノードとの間の相対測位についての事前の情報である。

[0046] ２つの解のうちの１つを取り入れると、同じ機能をもたらすことを示すことができることに留意されたい。その瞬間における列車８０４の場所を間違って取り入れた事例では、提案される時間同期手順及び場所方法は、補正係数として２つの交点間の距離を取り入れることによって、依然として機能する。タイムスタンプ（ＳＴｉ，ＳＴ_２）及び列車座標（ｘ_ｔ，ｙ_ｔ，ｚ_ｔ）に基づいて、列車と２つのネットワークノードとの間の距離を計算することができ、２つのパイロット信号の真の到着時間（ｔ_ｎ１，ｔ_ｎ２）は、ＴＤｏＡ手順が開始された瞬間におけるｄ（ネットワークノード１，列車）／ｃ及びｄ（ネットワークノード２，列車）／ｃとしてそれぞれ見出すことができる。

[0047] （ｔｍ，ｔ_ｎ２）が得られた時点で、ｔ_ｒｉ＝ｔ_ｎｉ＋δｔ又はｔ，_−２＝ｔ_ｎ２＋δｉから、δｔを見出すことができ、列車のローカルクロックをネットワーククロックと同期させることができる。列車座標（ｘ_ｔ，ｙ_ｔ，ｚ_ｔ）が計算される（９０４）頃には、列車は、ある距離又は時間を前進していることになることに留意されたい。列車は、基準点に対するタイミングのインクリメントによって、その搭載データベースからその新しい場所を補外することができる。列車がネットワーククロック及びその軌道における基準点を取得した時点で、ステップ９００〜９０６を参照して説明されるものと同じ手順を使用して、参照したタイミング及び場所を周期的に更新することができる。列車８０４は、その場所データを保持し、制御電圧の形態で、ビーム誘導及び追跡のために経路データベースを適時に回収することができ、その結果、そのＭＴＳ位相アレイアンテナは、ネットワークノードのＭＴＳアンテナに正確にポインティングすることができる。場所及びタイミングが列車の受信機によって達成される限り、列車のＭＴＳアンテナシステムは、ネットワークノードのＭＴＳアンテナのビームへの十分に正確なビームポインティングを維持することを指摘する。

[0048] 列車８０４は、両方とも独自の高度に正確なタイミング基準に基づく２つのネットワークノード８００及び８０２から送信されるパイロット信号を用いて、それ自体を位置付けることが理解されている。列車のクロックとネットワーククロックが同期した時点で、同じパイロット信号を使用して高精度測距が可能になる。次いで、列車８０４は、その視野内の１つのネットワークノードのみを使用する追跡段階に切り替えることができる。ステップ９０８〜９１２の追跡段階の間、列車８０４によって、ネットワークノードのパイロット信号の周期的なタイムスタンプを用いてタイミングが更新される。この事例では、１つのネットワークノードのみが、鉄道線路８１２の軌道関数とサークル線を交差させることによって、列車８０４のそれ自体の位置付けを支援できることに留意されたい。場所の正確度は、測距の正確度に依存する。例えば、５Ｇ ＦＲ２割り当てにおいて典型的な約２８ＧＨｚの周波数帯域において、高速列車の相対速度が約３００ｋｍ／ｈ又は８５ｍ／ｓである場合は、周波数ずれはΔｆ＝約８ｋＨｚであり、パイロット信号のチップレートに対してＡｆ^＊Ｔｃｈでほんの０．１６％であり、Ｔｃｈは、５ＭＨｚの帯域幅に対するチップ持続時間である。最先端の設計のパイロット信号受信機は、ビーム誘導及び追跡要件を満たすために必要な正確度を提供する。２つ以上のネットワークノードを追跡することにより、列車の通信アンテナのビームをあるネットワークノードから別のネットワークノードに切り替えることによって、ハンドオーバプロセスをサポートすることができる。

[0049] 当業者が本開示を作成又は使用できるようにするため、開示される例の以前の説明が提供されることが理解されている。これらの例への様々な変更は、当業者に容易に明らかであり、本明細書で定義される一般的な原理は、本開示の精神又は範囲から逸脱することなく、他の例に適用することができる。従って、本開示は、本明細書に示される例に限定されることを意図せず、本明細書で開示される原理及び新規の特徴と一致する最も広い範囲が与えられる。

Claims (20)

1. 移動車両の次世代ワイヤレスネットワーク用のメタ構造（「ＭＴＳ」）アンテナシステムであって、
   前記移動車両の外面上に設置されたＭＴＳアンテナであって、ＭＴＳセルのＭＴＳアレイを含む、ＭＴＳアンテナと、
   前記ＭＴＳアンテナにワイヤレス信号を伝達するための内部ゲートウェイと
   を含む、ＭＴＳアンテナシステム。
2. 前記ＭＴＳアレイが、能動アンテナアレイを含む、請求項１に記載のＭＴＳアンテナシステム。
3. 前記ＭＴＳアレイが、受動アンテナアレイを含む、請求項１に記載のＭＴＳアンテナシステム。
4. 前記ＭＴＳアレイが、方向付けられたビームをネットワークノードのＭＴＳアンテナに放射する、請求項１に記載のＭＴＳアンテナシステム。
5. 前記ネットワークノードが、セルラ基地局及びWi-Fiアクセスポイントのうちの１つを含む、請求項４に記載のＭＴＳアンテナシステム。
6. 前記移動車両の外面上に設置された前記ＭＴＳアンテナが、受信アパーチャ、フィルタリング構造及び送信アパーチャを含む、請求項１に記載のＭＴＳアンテナシステム。
7. 前記ＭＴＳセルがメタマテリアルセルを含む、請求項１に記載のＭＴＳアンテナシステム。
8. 前記移動車両が高速列車である、請求項１に記載のＭＴＳアンテナシステム。
9. 前記高速列車が、２つのネットワークノードから送信された２つのパイロット信号の到着の時間差に基づいて、その場所を決定する、請求項８に記載のＭＴＳアンテナシステム。
10. 移動列車にワイヤレス通信を提供するための方法であって、
    前記移動列車に少なくとも１つのメタ構造（「ＭＴＳ」）アンテナシステムを提供することであって、前記ＭＴＳアンテナシステムが、前記列車の外面上に設置されたＭＴＳアンテナと、内部ゲートウェイとを含む、提供することと、
    ネットワークノードからのタイミング基準に基づいて、前記移動列車に対する場所を決定することと、
    前記ネットワークノードとの通信のために、前記決定された場所に基づいて前記ＭＴＳアンテナのビーム誘導角度を決定することと
    を含む、方法。
11. 前記ＭＴＳアンテナがＭＴＳセルのＭＴＳアレイを含む、請求項１０に記載の方法。
12. タイミング基準に基づいて前記移動列車に対する場所を決定することが、前記ネットワークノードから受信された第１のパイロット信号と別のネットワークノードから受信された第２のパイロット信号との間の到着の時間差を決定することを含み、各ネットワークノードが、セルラ基地局及びWi-Fiアクセスポイントのうちの１つを含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記列車のデジタル位相ロックループ（「ＤＰＬＬ」）を前記２つのパイロット信号にロックすることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ＭＴＳアレイが、能動アンテナアレイを含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記ＭＴＳアレイが、受動アンテナアレイを含む、請求項１１に記載の方法。
16. 前記ネットワークノードのＭＴＳアンテナに前記決定されたビーム誘導角度でビームを放射することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
17. タイミング基準に基づいて前記移動列車に対する場所を決定することが、列車のクロックをワイヤレスネットワーククロックと同期させることを含む、請求項１１に記載の方法。
18. 移動車両用のワイヤレス通信システムであって、
    ネットワークノードの少なくとも１つが第１のメタ構造（「ＭＴＳ」）アンテナシステムを含むネットワークノードのセットと、
    前記移動車両の第２のＭＴＳアンテナシステムであって、前記移動車両の外面上に設置されたＭＴＳアンテナを含む、第２のＭＴＳアンテナシステムと
    を含む、ワイヤレス通信システムであり、
    前記第１のＭＴＳアンテナシステムと前記第２のＭＴＳアンテナシステムが、前記移動車両内のユーザにワイヤレスサービスを提供するために通信する、ワイヤレス通信システム。
19. 前記移動車両の前記外面上に設置された前記ＭＴＳアンテナが、ＭＴＳセルのアレイを含む、請求項１８に記載のワイヤレス通信システム。
20. 前記ＭＴＳセルのアレイが、前記第１のＭＴＳアンテナシステムにビーム誘導角度でビームを放射する、請求項１９に記載のワイヤレス通信システム。

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