KR101174727B1 - 비행중 광대역 모바일 통신 서비스를 제공하기 위한 시스템들 및 방법 - Google Patents

비행중 광대역 모바일 통신 서비스를 제공하기 위한 시스템들 및 방법 Download PDF

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Abstract

비행중 광대역 모바일 통신 서비스들을 제공하기 위한 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템(1a)에 관한 것으로, 기지국(2)을 둘러싸는 공간의 입체각을 규정하는 적어도 하나의 셀(C1, C2)을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 지상 기반 기지국(2)을 포함하고, 지상 기반 기지국(2)은 공간 분할 다중 액세스(SDMA)를 이용하는 적어도 하나의 셀(C1, C2)에 의해 커버된 공간의 적어도 하나의 항공기(8a 내지 8c, 8c 내지 8e)를 서빙하기 위한 적어도 하나의 빔(6a 내지 6c, 7a 내지 7c)을 생성하기 위해 2차원 빔포밍을 이용하는 적어도 하나의 안테나 어레이(5a, 5a)를 추가로 포함한다. 또한, 본 발명은 비행중 광대역 모바일 통신 서비스들을 제공하기 위한 항공기 장비에 관한 것으로: 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템(1a)과의 이용자 데이터의 교환을 위한 적어도 하나의 안테나, 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템(1a)과의 공중-지상 및 지상-공중 통신을 핸들링하기 위한 적어도 하나의 안테나(9)에 연결된 트랜시버 유닛, 및 항공기 내에서 이용자 데이터를 단말들에 및 이로부터 분배하기 위한 기내 통신 시스템을 포함한다.

Description

비행중 광대역 모바일 통신 서비스를 제공하기 위한 시스템들 및 방법{SYSTEMS AND METHOD FOR PROVIDING IN-FLIGHT BROADBAND MOBILE COMMUNICATION SERVICES}
본 발명은 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템, 비행중 광대역 모바일 통신 서비스들을 제공하도록 구성된 항공기 장비 뿐만 아니라, 대응하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템을 포함하는 통신 시스템 및 적어도 하나의 이러한 항공기 장비에 관한 것이다.
항공기들에 광대역(및/또는 협대역) 통신 서비스들을 효율적으로 제공하기 위해서(승객들, 승무원에 의해 이용될, 및/또는 (에어라인) 운전 데이터의 자동 교환을 위해서), 지상-공중 및 공중-지상 통신에서 스펙트럼 효율은 실제 광대역 서비스들을 제공하기 위해서 및 많은 수의 항공기들을 동시에 서빙(serving)하면서도 지상 기반 기지국들 및/또는 요구되는 송신 리소스들(예를 들면, 허가를 받은 스펙트럼)의 수를 적게 유지하기 위해서 커야 한다. 또한, 광대역 통신을 실행하기 위해 항공기 승객들은 자신들의 보통의 통신 디바이스들(전화들, 랩톱 카드들, 등)을 이용할 수 있어야 한다.
이러한 비행중 광대역 통신을 제공하기 위해서, 정지 궤도에 위성들과의 통신에 의존하는 위상 기반 시스템이 이용될 수도 있다. 그러나, 이러한 시스템은 고가이며 전형적으로 매우 큰 레이턴시(latency)를 가져, 이에 따라 서비스 품질에 부정적 영향을 미친다. 또한, 현존의 L-대역 해결책들은 다가오는 공중 트래픽 수요들을 위해 필요한 용량을 제공하지 않는다.
더 나은 해결책은 대부분의 하늘을 커버(cover)하기 위해 안테나 특성들에서 넓은 주 로브들(main lobes)을 가진 기지국 안테나들을 이용하는 지상 기반 셀룰러 시스템일 것이다. 복수의 항공기들을 서빙하기 위한 복수의 액세스 방법은 시분할 다중 액세스(TDMA) 방법, 또는 주파수 분할 다중 액세스(FDMA) 방법, 또는 이들 둘의 조합일 것이다. 그러나, 이들 다중 액세스 방법들은 한 셀 내에서 서빙되는 항공기들의 공간적 분리를 고려하지 않는다. 이에 따라, 이들 방법들은 이론적으로 가능한 스펙트럼 효율에 미치지 못한다.
본 발명의 목적은 항공기들을 위한 효율적인 비행중 광대역 모바일 통신 서비스들을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태는 비행중 광대역 모바일 통신 서비스들을 제공하기 위한 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템으로 구현되고, 상기 시스템은: 기지국을 둘러싸는 공간의 입체각을 규정하는 적어도 하나의 셀을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 지상 기반 기지국을 포함하고, 지상 기반 기지국은 공간 분할 다중 액세스(SDMA)를 이용하여 적어도 하나의 셀에 의해 커버된 공간의 적어도 하나의 항공기를 서빙하기 위한 적어도 하나의 빔을 생성하기 위해 2차원 빔포밍을 이용하는 적어도 하나의 안테나 어레이를 추가로 포함한다.
본 발명의 지상 기반 통신 시스템은 지상 기반 기지국들에서 2차원 빔포밍을 이용함으로써 서빙되는 항공기들의 공간 분리를 이용한다. 통상의 1차원 빔포밍은 단지 한 구면 좌표(어지무스(azimuth))로 제약되는 반면, 용어 "2차원 빔포밍"은 3 구면 좌표들 중 2개, 즉 어지무스 및 고도 방향으로의 빔포밍을 지칭한다. 이에 따라, 통상의 TDMA 및 FDMA에 더하여, 2차원 빔포밍은 공간 분할 다중 액세스(SDMA), 즉 한 셀 내에 가용한 송신 리소스들의 공간적 재이용을 할 수 있게 하여, 셀 당 피크 뿐만 아니라, 평균 데이터 처리량을 개선한다. 또한, 2차원 빔포밍은 지상-공중 및 공중-지상 방향 양쪽 모두에서 수신기 신호-대-잡음-및-간섭 비(SINR)에 대한 빔포밍 이득을 갖게 하여, 개개의 링크들의 데이터 처리량들이 개선된다.
지상 기반 모바일 통신 시스템의 토대는 서비스 영역에 산재된 위에 기술된 유형의 한 세트의 기지국들에 의해 주어진다. 각각의 기지국은 어떤 입체각에 의해 규정된 기지국 위 및 주위의 공간의 몇개의 섹터들(셀들)에 서비스할 수 있다. 이러한 배열은 공통의 셀룰러 모바일 통신 시스템들(예를 들면, GSM, UMTS, LTE)과 매우 유사하나, 모바일 이용자들은 3차원 공간에 분포된 현재 통신 시스템의 모바일 이용자들(항공기들)에 비해 표면 상에 더 또는 덜 분포된다.
일 실시예에서, 지상 기반 기지국은 항공기들의 현재 위치를 추적하기 위해, 빔들, 특히 적응형 빔들을 형성하도록 구성된다. 여기에 기술된 시스템에 있어서, 항공기 특정의 적응형 빔들이 바람직한 빔포밍 기술이다. 그러나, 항공기의 현재 위치를 추적하기 위해, 미리 규정된 한 세트의 가용한 빔들 중에서 일 순간 바람직한 빔이 반복하여 선택되는 2차원 격자 빔 기술이 가능하다. 어느 경우이든, 서빙되어야 하는 항공기에만 각각의 빔의 지향되는 것이 보증될 수 있다.
다른 실시예에서, 시스템은 인터넷과 같은 코어 (컴퓨터) 네트워크로의 연결을 위해 게이트웨이를 포함한다. 지상 기반 모바일 통신 네트워크의 아키텍처에 따라, 기지국들은 서로 연결되거나, 데이터 및 시그널링의 백홀링을 위해 제어기들에 연결된다. 기지국들 또는 제어기들은 광대역 액세스를 제공하기 위해 어떤 게이트웨이에 의해 코어 네트워크에 더욱 연결될 것이다. 이것은 일반적인 셀룰러 모바일 통신 시스템들과 매우 유사하다.
지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템은 전용 인프라스트럭처를 이용하는 네트워크일 수도 있거나, 현존의 지상 기반 셀룰러 네트워크의 오버레이 네트워크일 수도 있으며, 후자의 경우에 시스템의 모든 지상 기반 기지국들이 반드시 2차원 빔포밍을 실행하도록 구성되는 것은 아님을 알 것이다. 예를 들면, 와이맥스 또는 LTE와 같은 통상의 셀룰러 네트워크 기술은 다수의 기지국들/2차원 빔포밍 능력을 가진 안테나 어레이들이 제공될 수 있고, 기지국들은 예를 들면, 네트워크의 특정 위치들에만 배열되고, 이들 "활성화된" 기지국들 각각은 예를 들면, 150 km의 큰 반경(셀 크기)을 커버하며, 다른 기지국들은 예를 들면, 1 내지 5 km의 셀 크기를 갖는다. 예를 들면, 주요 독일 도시들에 단지 9개의 이러한 기지국들을 배열하는 것은 독일에 전체 공중 공간에 비행중 광대역 액세스를 제공할 수 있게 할 것이다.
또 다른 양태는 비행중 광대역 모바일 통신 서비스들을 제공하기 위한 항공기 장비에 있어서, 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템과의 이용자 데이터의 교환을 위한, 특히 위에 기술된 유형의 적어도 하나의 안테나, 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템과의 공중-지상 및 지상-공중 통신을 핸들링하기 위해 적어도 하나의 안테나에 연결된 트랜시버 유닛, 항공기 내에서 이용자 데이터를 단말들에 및 이로부터 분배하기 위한, 특히 무선 유형의 기내 통신 시스템, 및 트랜시버 유닛과 기내 통신 시스템 간의 통신을 위한 상호-통신 유닛을 포함하는, 항공기 장비로 구현된다. 이러한 항공기 장비는 항공기 내에서 지상-공중의 이용자 데이터 및 공중-지상 통신을 단말들(예를 들면, 승객들에 의해 이용되는)에 분배하는 작업을 실행하기 위해 이용될 수 있다. 안테나 시스템 및 기내 통신 시스템 양쪽 모두에 대해서, 복수의 구현들이 가능하다.
승객들에 의한 이용이 편리하게 하기 위해서, 기내 무선 통신 시스템은 요구되는 것은 아니다. 특히, 승무원 및 에어라인 운전 서비스들을 제공하는 잇점이 있으며, 유선 통신 시스템이 충분할 수 있다. 당업자는 기내 분배 시스템의 유형(무선 또는 유선)이 지상 기반 통신 시스템과의 통신에 영향을 미치지 않음을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템과의 통신을 핸들링하는 안테나는 전형적으로, 각각, 공중-지상 및 지상-공중 링크를 통해 데이터를 송신 및 수신하도록 구성됨을 알 것이다.
또한, 항공기 장비, 각각 안테나가 통신하도록 구성된 무선 통신 시스템은 반드시 2차원 빔포밍을 실행하도록 구성될 필요는 없고; 사실, 지상 기반 무선 통신 시스템은 전혀 빔포밍을 실행하도록 구성되지 않을 수도 있음을 알 것이다. 특히, 항공기 장비가 통신하는 지상 기반 통신 시스템은 와이맥스 또는 LTE와 같은 통상의 셀룰러 네트워크 기술에 기초할 수 있고, 바람직하게 1차원 빔포밍을 실행하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 안테나는 항공기의 (전형적으로 전도성) 선체 밖에 배열되며, 기내 무선 통신 시스템은 항공기의 선체 내에 배열된다. 이에 따라 공중-지상의 효과적인 분리, 각각, 지상-공중 통신 및 기내 무선 통신이 실행될 수 있다. 데이터를 승객 단말들에 제공하기 위해서, 항공기 내에 통신 시스템은 항공기의 선체 내에 배열되는 적어도 하나의 또 다른 안테나를 포함할 수 있음을 알 것이다.
다른 실시예에서, 지상 기반 무선 셀룰러 시스템과의 이용자 데이터의 교환을 위한 안테나는 기계적으로 조향된 지향성 안테나, 또는 지상 기반 기지국들을 자동 추적하기 위한 2차원 빔포밍 안테나 어레이이다. 안테나는 서빙하는 지상 기반 기지국들의 자동 추적을 제공하는, 고 안테나 이득을 가진 기계적으로 조향된 지향성 안테나로서, 또는 지상 기지국들의 빔포밍 이득 및 자동추적을 제공하는 2차원 빔포밍 안테나 어레이로서 구현될 수 있다. 후자의 방법은 하나 이상의 지상 기반 기지국이 예를 들면, 핸드오버 측정들에 대해 모니터링(monitoring)될 것이라면 바람직할 수 있다. 대안적으로, 고 안테나 이득 및 서빙하는 지상 기지국의 자동추적을 갖춘 제 1 기계적으로 조향된 지향성 안테나는 고 안테나 이득 및 핸드오버를 위해 선택된 지상 기지국의 자동추적을 갖춘 제 2 기계적으로 조향된 지향성 안테나에 의해 보완될 수 있다. 당업자는 지상 기반 기지국 안테나 어레이에서 2차원 빔포밍이 충분한 이득을 제공하므로, 안테나가 대안적으로 저 안테나 이득만을 가진 단순 비-지향성 안테나로서 구현됨을 알 것이다. 후자 방법은 예를 들면, 핸드오버 측정들에 대해 하나 이상의 지상 기반 기지국이 모니터링될 것이라면 바람직할 수 있다.
일 실시예에서, 기내 통신 시스템은 항공기 내에 (피코) 셀을 생성하기 위한 적어도 하나의 에어본 기지국을 포함하는 셀룰러 시스템이다. 이 경우에, 지상 기반 기지국들 및 모바일 항공기 트랜시버 유닛 간에 교환되는 데이터는 항공기 내에 단말들을 위한 멀티플렉싱된 데이터와 단말들 및 항공기 트랜시버 유닛들 양쪽 모두에 관계된 시그널링으로 구성될 수 있다. 요점은 지상-공중 및 공중-지상 링크들로 전달되는 데이터는 항공기 내에 개개인의 이용자(승객들, 승무원, 등)을 위한 데이터의 멀티플렉스이라는 것이다. 즉, 항공기 내에서, 이용자 데이터는 디멀티플렉스되어 기내 통신 시스템을 이용하여 단말들에 분배되어야 한다.
일 구현에서, 기내 셀룰러 무선 통신 시스템은 특히 GSM, UMTS, 및 LTE로 구성된 그룹에서 선택된, (모바일) 승객, 승무원 및/또는 에어라인 운전 단말들의 적어도 하나의 통신 표준과 호환할 수 있다. 이것은 이 경우에, 승객들은 이들이 통상의 지상 기반 모바일 통신 시스템들 내에 이용하는 보통의 디바이스들을 이용할 수 있어 잇점이 된다.
다른 실시예에서, 기내 무선 통신 시스템은 비-셀룰러 무선 통신 시스템, 특히 WLAN 시스템이다. 이 경우에, WLAN 스펙트럼과 같은 잠재적으로 무면허 스펙트럼으로 단말들에 및 이로부터 데이터가 분배된다.
또 다른 실시예에서, 기내 무선 통신 시스템은 항공기 내에 설치된 복수의 항공기 운영자 소유의 단말들을 포함한다. 이 경우에, 항공기 내에 설치된 항공기 운영자 소유의 단말들에 의해 승객들 또는 승무원에게 광대역 서비스들이 제공될 수도 있다. 이러한 단말들은 예를 들면, 항공기 엔터테인먼트 시스템의 부분으로서 항공기 좌석들에 일체화될 수도 있다.
다른 실시예에서, 기내 무선 통신 시스템은 중계국을 포함한다. 이 경우에 (모바일) 승객 단말들은 지상 기반 기지국으로부터 항공기의 전도성 선체 밖의 중계 안테나로 가는 한 홉, 및 (전도성) 선체로의 유선 연결, 전도성 선체 내 안테나로부터 단말들로 및 그 반대로의 또 다른 홉을 갖는, 중계국을 통해 지상 기반 기지국 기반 매크로 셀에 직접 연결된다. 또한, 이 중계는 표준 단말들이 예를 들면, 900 km/h의 속도들에 기인하여 고 도플러 주파수들에 대처할 수 없을 수도 있기 때문에, 신호 질을 개선하기 위해서 신호 처리 기술들을 이용한다.
다른 실시예에서, 항공기 장비는 특히 항공기의 GPS 수신기 또는 내비게이션 시스템에 의해 제공된, 바람직하게 항공기 이동 데이터를 이용하여, 적어도 하나의 안테나에 의해 수신되고 송신된 신호들의 도플러 보상 및/또는 주파수 변환을 실행하도록 구성된다.
다운링크 지상-중계-홉에서, 항공기 장비, 예를 들면, 중계국은 데이터를 수신하며, 2가지 선택들로서, a) 수신, 도플러 추정, 도플러 보상, 잠재적으로 주파수 변환, 증폭, 및 중계-단말 홉으로의 전달, 또는 b) 수신, 완전한 디코딩, 상기 언급된 도플러 추정 및 도플러 보상과 이에 더하여 재-인코딩을 포함해서, 잠재적으로 주파수 변환, 증폭, 및 중계-단말 홉으로의 전달을 갖는다. 마찬가지로, 업링크 단말-중계-홉에서, 중계 이득은 2가지 선택들로서, a) 수신, 도플러 사전 보상(예를 들면, 다운링크로부터 추정된 도플러 시프트를 이용해서), 잠재적으로 주파수 변환, 증폭 및 전달 또는 b) 수신, 완전한 디코딩, 재-인코딩, 도플러 사전 보상(예를 들면, 다운링크로부터 추정된 도플러 시프트를 이용해서)을 포함, 잠재적으로 주파수 변환, 증폭 및 전달을 갖는다.
주파수 변환은 지상-공중/공중-지상 링크 및 기내 링크가 2개의 상이한 중심 주파수들(일부 실제 구현들에서 그러할 수도 있는)을 이용한다면 요구될 수 있다. 그러나, 주파수 변환은 공중-지상/지상-공중 링크 및 기내 링크가 동일 중심 주파수들을 이용한다면 요구되지 않는다.
위에 기술된 모든 실시예들에서, 기내 무선 통신 시스템은 바람직하게 GPS 수신기에 의해서 또는 항공기의 내비게이션 시스템에 의해 제공된 항공기 이동 데이터를 이용하도록 구성될 수도 있다. 이 경우에, 항공기 장비는 경로, 속도, 등과 같은 항공기 이동 데이터 정보를 항공기 내 저장하는 디바이스로부터 이 정보를 인출하도록 구성된다. 물론, 항공기 이동 데이터는 지상 기반 무선 통신 시스템에 중요할 수 있으며 이에 따라 공중-지상 링크를 이용하여 에어본 무선 통신 시스템에서 지상 기반 무선 통신 시스템에 송신될 수도 있다.
이와 같이 하여 제공되는 항공기 이동 데이터는 적어도 다음의 작업들로서, 신호 처리, 예를 들면, 송신기 또는 수신기에서의 도플러 보상 작업(지상-공중 링크 및 공중-지상 링크 양쪽 모두에서, 도플러 보상은 사전 보상 아니면 사후 보상이다), 지상 기지국들(공중-지상 링크) 또는 항공기들(지상-공중 링크)의, 및 마지막이지만 아주 중요한 것으로 핸드오버 메커니즘들을 구현하기 위한, 2차원 빔포밍 및 추적의 작업에 매우 중요할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 위에 기술된 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템과 위에 기술된 적어도 하나의 항공기 장비의 조합을 포함하는 통신 시스템에 관한 것이다. 이러한 통신 시스템은 비용효과적인 방법으로 항공기들 비행중 광대역 모바일 통신 서비스들을 제공할 수 있게 한다.
바람직한 실시예에서, 지상 기반 기지국들 및 트랜시버 유닛들은 멀티플렉싱된 데이터를 교환하도록 구성된다. 이 경우에, 기내 무선 통신 시스템은 이용자 데이터의 적합한 시그널링 및 디멀티플렉싱을 이용함으로써 개개의 단말들에 이용자 데이터를 분배하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 양태는 비행중 광대역 모바일 통신 서비스들을 제공하기 위한 방법에 있어서: 공간 분할 다중 액세스(SDMA)를 이용하여 기지국의 적어도 하나의 셀에 의해 커버된 공간의 적어도 하나의 항공기를 서빙하기 위한 적어도 하나의 빔을 생성하기 위해 지상 기반 기지국의 안테나 소자 어레이로 2차원 빔포밍을 이용하는 방법에서 구현된다. 본 발명의 방법의 2차원 빔포밍은 지상-공중 및 공중-지상 방향 양쪽 모두에서 수신기 신호 대 잡음 및 간섭비(SINR)에 대한 빔포밍 이득을 갖게 하며, 개개의 링크들의 데이터 처리량들이 개선된다. 2차원 빔포밍을 제공하는 본 발명의 방법은 적합한 소프트웨어 또는 하드웨어인 컴퓨터 프로그램 제품로 구현될 수 있고, 특히 FPGA(field programmable gate array) 또는 ASIC(application-specific integrated circuit) 또는 디지털 신호 프로세서(DSP)로 구현될 수 있음을 알 것이다.
또 다른 특징들 및 잇점들이 상세를 도시한 도면들을 참조하여 다음의 실시예들의 설명에서 언급되며, 청구항들에 의해 규정된다. 개개의 특징들은 자체들이 개별적으로 구현될 수 있거나, 이들 중 몇몇은 임의의 요망되는 조합으로 구현될 수 있다.
예시적인 실시예들이 도면에 도시되고 이하 설명에서 설명된다. 다음이 도시된다.
도 1은 2차원 빔포밍을 이용하는 지상 기반 통신 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 2는 지상 기반 기지국과 기내 분배 시스템 간에 광대역 통신을 위한 항공기 장비의 일 실시예를 도시한 도면.
도 1은 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템(1a)의 지상 기반 기지국(2)을 도시한 것이다. 지상 기반 기지국(2)은 지상 기반 통신 시스템(1a)의 서비스 영역에 산재된 지상 기반 통신 시스템(1a)의 또 다른 기지국들(도시되지 않음)로의 연결될 수 있다. 지상 기반 무선 통신 시스템/네트워크의 아키텍처에 따라, 기지국들은 데이터 및 시그널링의 백홀링을 위한 제어기들에 상호연결 또는 연결된다. 컴퓨터 네트워크로의 액세스를 제공하기 위해서, 지상 기반 기지국(2)은 게이트웨이(4)에 의해 코어 (컴퓨터) 네트워크(3)에 연결된다. 이러한 면에서, 지상 기반 통신 시스템(1a)은 일반적인 셀룰러 모바일 통신 시스템들과 매우 유사하다. 데이터 트래픽을 위한 컴퓨터 네트워크 대신에, 음성 트래픽을 위한 음성 네트워크가 제공될 수 있음이 이해될 것이다. 물론, 음성 통신들은 예를 들면, 음성 패킷망(Voice over IP)을 이용할 때, 데이터로서 취급될 수 있다.
그러나, 지상 기반 무선 통신 시스템(1a)은 기지국(2)이 2차원 빔포밍을 행할 수 있는 2개의 안테나 소자 어레이들(5a, 5b)을 포함하는 점에서 통상의 셀룰러 모바일 통신 시스템들과는 다르다. 이 목적을 위해서, 안테나 소자 어레이들(5a, 5b)은 수직 및 수평으로 배열되나, 통상의 안테나 소자 어레이들은 전형적으로 수직으로 적층되어, 복합 안테나 가중치들이 완전한 수직 안테나 소자 스택에 적용될 수 있을 뿐이어서 어지무스 방향으로만 빔포밍이 가능하다. 이와는 반대로, 안테나 소자 어레이들(5a, 5b)은 구면 좌표계의 어지무스 및 고도 방향으로 2차원 빔포밍을 가능하게 한다.
각각의 안테나 어레이(5a, 5b)는 기지국(2)의 셀(C1, C2)(즉, 섹터)를 서빙하며, 셀들(C1, C2)은 기지국(2)을 둘러싸는 공간의 비중첩 입체각들을 규정한다. 본 애플리케이션들에 있어서, 셀 크기, 즉 셀들(C1, C2)의 반경은 50 km 이상 정도일 수 있다.
기지국(2)은 서빙되는 항공기들(8a 내지 8e)의 어지무스 및 고도 방향들로 지향되는 빔들(6a 내지 6c, 7a 내지 7c)을 형성하기 위해서 안테나 가중치들을 이용한 신호 처리 알고리즘들을 실행하도록 구성되며, 기지국(2)은 항공기들(8a 내지 8e)의 공간적 분리를 이용하기 위해서 SDMA 스케줄링 알고리즘들을 실행하게 더욱 구성된다.
도 1의 예에서, 항공기들(8a 내지 8c)은 모두가 동일 시간/주파수 리소스들로, 그러나 상이한 비간섭 항공기 특정의 빔들(6a 내지 6c)(공간 리소스들)로 셀(C1) 내에서 서빙된다. 셀(C2) 내에서 항공기들(8c, 8d)은 동일 시간/주파수 리소스들로, 그러나 상이한 비간섭 항공기 특정의 빔들(7a 내지 7c)로 서빙된다. 이 예에서, 제 3 항공기(8c)는 이것이 두 셀들(C1, C2) 간에 핸드오버 상태에 있을 땐, 두 셀들(C1, C2)에 의해 서빙된다. SDMA에 더하여, 기지국(2)의 스케줄링 알고리즘은 최적의 리소스 이용을 위해 통상의 시분할 다중 액세스 또는 주파수 분할 다중 액세스를 이용할 수 있다.
빔들(6a 내지 6c, 7a 내지 7c)은 이들이 항공기들(8a 내지 8c)의 현재 위치들을 추적하게 형성된다. 추적은 항공기들(8a 내지 8e)의 위치에 맞게 동적으로 적응되는 (복합) 안테나 가중치들을 이용하여 항공기 특정의 적응형 빔들(6a 내지 6c, 7a 내지 7c)를 생성함으로써 실행될 수 있다. 대안적으로, 서빙되는 항공기(8a 내지 8e)의 위치에 따라, 미리 규정된 한 세트의 가용한 (고정된) 빔들 중에서 일 순간 바람직한 빔이 선택되는 2차원 격자 빔 기술이 적용될 수도 있다.
다음에, 지상 기반 무선 통신 시스템(1a)의 기지국(2)과 (매크로) 셀(C1) 내 제 1 항공기(8a) 간에 링크가 도 2를 참조하여 기술될 것이다. 항공기(8a)는 지상 기반 기지국(C1)을 자동으로 추적하는 지향된 빔(10)을 생성하도록 구성된 기계적으로 조향된 지향성 안테나로서 구현되는 송신 및 수신 안테나(9)를 구비한 항공기 장비(1b)를 포함한다. 하나 대신에, 두 기지국들 간에 핸드오버가 실행되어야 할 때 특히 유용한 것으로 2개의 기계적으로 조향된 안테나들 또는 또 다른 2차원 빔포밍 안테나 어레이가 이용될 수도 있음을 알 것이다. 또한, 지상 기반 기지국(2)의 안테나 어레이(5a)의 2차원 송신 및 수신 빔포밍이 충분한 이득을 제공하는 경우에는, 저 안테나 이득만을 가진 단순 비-지향성 송신 및 수신 안테나(9)가 이용될 수도 있다.
항공기 장비(1b)는 도 1의 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템(1a)의 기지국(2)과의 공중-지상 및 지상-공중 통신을 핸들링하기 위한 송신 및 수신 안테나(9)에 연결된 트랜시버 유닛(11)을 추가로 포함한다. 또한, 항공기 장비(1b)는 항공기(8a) 내에서 승객 단말들(13a 내지 13c)에 및 이로부터 이용자 데이터를 분배하기 위한 기내 통신 시스템(12), 뿐만 아니라 트랜시버 유닛(11)과 기내 무선 통신 시스템(12)의 에어본 기지국(15) 간의 통신을 위한 상호-통신 유닛(14)을 포함한다. 에어본 기지국(15)은 모바일 승객 단말들(13a 내지 13c)에 및 이로부터 이용자 및 시그널링 데이터의 송신을 위해 기내 안테나(16)에 연결된다. 대안적으로 또는 통신 시스템(12)에 의한 데이터의 무선 기내 분배에 더하여, 예를 들면, 승무원에 의해서 또는 동작 서비스들에 의해 이용되는 단말들을 위해 유선 분배가 이용될 수도 있음을 알 것이다.
기내 무선 통신 시스템(12)으로부터 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템(1a) 의 지상-공중 및 공중-지상 링크(6a, 10)를 분리하기 위해서, 수신 및 송신 안테나(9) 및 트랜시버 유닛(11)은 항공기(8a)의 선체(17) 밖에 배열되며, 기지국(15) 및 기내 분배 시스템(12)의 또 다른 안테나(16)는 항공기(8a)의 (아마도 완전히 전도성이 아닌) 선체(17) 내에 배열된다. 대안적으로 또는 추가로, 두 무선 시스템들은 기내 통신 시스템(12) 및 공중-지상/지상-공중 링크에 대해 2개의 상이한 주파수 범위들을 이용함으로써 분리될 수 있음을 알 것이다. 후자의 경우에, 항공기 장비(1b), 특히 상호-통신 유닛(14)은 상이한 시스템들의 중심 주파수들 간에 주파수 변환을 실행하도록 구성될 수도 있다.
도 2의 예에서, 트랜시버 유닛(11), 에어본 기지국(15) 및 상호-통신 유닛(14)은 한 공통의 박스 내에 공존하여, 안테나들(9, 16)과 함께 항공기 장비(1b)를 형성한다. 그러나, 당업자는 항공기 장비(1b)의 실제 구성은 항공기 구조에 의해 주어지는 설치 제약들에 따를 것임을 알 것이다.
지상 기반 기지국(2)과 모바일 항공기 트랜시버 유닛(11) 간에 교환되는 데이터는 항공기(8a) 내에 승객 단말들(13a 내지 13c)을 위한 다중화된 데이터와, 승객 단말들(13a 내지 13c) 및 항공기 트랜시버 유닛(11) 양쪽 모두에 관계된 시그널링으로 구성된다. 여기에서 요점은 지상-공중 및 공중-지상 링크들로 전달되는 데이터는 항공기(8a) 내 이용자들(승객들) 개개인을 위한 데이터의 멀티플렉스라는 것이다. 즉, 항공기(8a) 내에서, 데이터는 승객 단말들(13a 내지 13c)에 분배되어야 한다. 이들 승객 단말들은 전형적으로 통상의 육상 기반 모바일 통신 시스템들에서도 이용하는 승객들의 통상의 디바이스들이기 때문에, 항공기(8a) 내에 무선 분배 시스템(12)은 GSM, UMTS 또는 LTE와 같은 적어도 하나의 공통으로 이용되는 무선 시스템 표준에 호환되어야 한다. 따라서, 항공기(8a) 내에서 서비스 제공은 항공기(8a) 내에서 피코 셀(C3)을 생성하는 에어본 기지국(15)의 이용에 의해 달성된다.
대안적으로, 기내 무선 통신 시스템(12)은 잠재적으로 무면허 스펙트럼으로 송신 및 수신하는 비-셀룰러 무선 통신 시스템, 특히 WLAN 시스템으로서 고안될 수도 있음을 당업자는 알 것이다. 또한, 공통의 셀룰러 또는 비-셀룰러 무선 통신 시스템에 호환되는 승객 소유의 단말들을 서빙하는 대신에, 항공기(8a) 내에 설치된 항공기 운영자 소유의 단말들에 의해 승객들에게 광대역 서비스들이 제공될 수도 있다. 이러한 단말들은 예를 들면, 항공기 엔터테인먼트 시스템의 부분으로서 항공기 좌석들에 일체화될 수도 있다.
또한, 항공기(8a)에서 피코-셀 에어본 기지국(15)을 이용하고 이용자 데이터의 멀티플렉싱/디멀티플렉싱을 실행하는 대신에, 모바일 단말들(13a 내지 13c)은 도 2에 도시된 항공기 장비(1b)의 기지국 대신 이용되는 중계국(15)을 통해 지상 기반 기지국 기반 매크로 셀(C1)에 직접 연결될 수 있다. 이 경우에, 지상 기반 기지국(2)로부터 전도성 선체(17) 밖의 중계 안테나(9)로 한 홉이 진행하며, 유선 연결이 데이터를 전도성 선체(17)에 송신하기 위해서 제공되고, 단말들(13a 내지 13c)로 전도성 선체(17) 내 안테나(16)에 의해 및 그 반대로도 또 다른 홉이 제공된다. 또한, 중계국(15)은 표준 단말들이 예를 들면, 900 km/h의 속도들에 기인하여 고 도플러 주파수들에 대처할 수 없을 수도 있기 때문에, 신호 질을 개선하기 위해서 신호 처리 기술들을 이용한다.
위에 기술된 모든 실시예들에서, 기내 무선 통신 시스템(12)은 바람직하게 GPS 수신기(18)에 의해서 또는 항공기(8a)의 내비게이션 시스템에 의해 제공된 항공기 이동 데이터를 이용하도록 구성될 수도 있다. 이 경우에, 항공기 장비(1b)는 예를 들면, 도플러 주파수를 계산하기 위해서, 경로, 속도, 등과 같은 항공기 이동 데이터를 이용하도록 구성될 수도 있다. 또한, 항공기 이동 데이터는 공중-지상 링크를 이용하여 지상 기반 무선 통신 시스템(1a)에 송신될 수도 있다.
이와 같이 하여 제공되는 항공기 이동 데이터는 신호 처리 예를 들면, 송신기 또는 수신기(지상-공중 링크 및 공중-지상 링크 양쪽 모두에서)에서의 도플러 보상 작업, 지상 기지국들(공중-지상 링크) 또는 항공기들(지상-공중 링크)의 및 핸드오버 메커니즘들을 구현하기 위한, 2차원 빔포밍 및 추적의 작업을 위해 이용될 수도 있다.
당업자는 여기에 기술된 비행중 광대역 모바일 통신 서비스들은 고속 인터넷 액세스, 음성 및 메시징으로 제한되지 않으며, 이를테면 기재 비디오 감시와 같은 보안 애플리케이션들, 예를 들면, 지상 기반 "블랙 박스"를 형성하기 위한, 비행 및 항공기 데이터의 실시간 교환, 및 로지스틱 애플리케이션들(logistic applications) 예를 들면, 화물 모니터링, 승객 수화물의 모니터링("유실 수화물 추적")을 포함할 수 있음을 알 것이다. 또한, 지상 기반 네트워크로의 광대역 링크를 장착한 항공기들은 예를 들면, 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템(1a)에 계측 데이터를 제공하는 센서 네트워크로서 이용될 수도 있다.
바람직한 실시예들의 위에 기술한 바는 예로서 주어졌다. 주어진 개시된 바로부터, 당업자들은 본 발명 및 이의 수반되는 잇점들을 이해할 뿐만 아니라, 개시된 구조들 및 방법들에 대한 명백한 다양한 변경들 및 수정들을 발견할 것이다. 그러므로, 출원인은 첨부된 청구항들, 및 이들의 등가물들에 의해 규정되는 모든 이러한 변경들 및 수정들을 포함하려는 것이다.
1a: 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템
1b: 항공기 장비 기반 기지국 3: 코어 네트워크
4: 게이트웨이
5a, 5b: 안테나 소자 어레이
8a, 8b, 8c, 8d, 8e: 항공기
9: 송신 및 수신 안테나 11: 트랜시버 유닛
12: 기내 통신 시스템
14: 상호-통신 유닛 15: 에어본 기지국
16: 기내 안테나 17: 선체

Claims (15)

  1. 비행중 광대역 모바일 통신 서비스들을 제공하기 위한 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템(1a)에 있어서:
    적어도 하나의 지상 기반 기지국(2)을 둘러싸는 공간의 입체각(solid angle)을 규정하는 적어도 하나의 셀(C1, C2)을 생성하도록 구성된 상기 적어도 하나의 지상 기반 기지국(2)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 지상 기반 기지국(2)은 공간-분할 다중 액세스(spatial-division multiple access; SDMA)를 이용하는 상기 적어도 하나의 셀(C1, C2)에 의해 커버(cover)된 상기 공간의 적어도 하나의 항공기(8a 내지 8c, 8c 내지 8e)를 서빙(serving)하기 위한 적어도 하나의 빔(6a 내지 6c, 7a 내지 7c)을 생성하기 위해 2차원 빔포밍을 이용하는 적어도 하나의 안테나 어레이(5a, 5b)를 추가로 포함하고,
    상기 적어도 하나의 지상 기반 기지국(2)은 상기 적어도 하나의 항공기(8a 내지 8c, 8c 내지 8e)의 현재 위치를 추적하기 위해, 빔들(6a 내지 6c, 7a 내지 7c)을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템(1a).
  2. 제 1 항에 있어서,
    코어 네트워크(3)로의 연결을 위해 게이트웨이(4)를 추가로 포함하는, 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템(1a).
  3. 제 1 항에 따른 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템(1a), 및 비행중 광대역 모바일 통신 서비스들을 제공하기 위한 적어도 하나의 항공기 장비(1b)를 포함하는 통신 시스템(1a, 1b)에 있어서,
    상기 항공기 장비(1b)는:
    지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템(1a)과의 이용자 데이터의 교환을 위한 적어도 하나의 안테나(9),
    상기 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템(1a)과의 공중-지상(air-to-ground) 및 지상-공중(ground-to-air) 통신을 핸들링(handling)하기 위해 상기 적어도 하나의 안테나(9)에 연결된 트랜시버 유닛(transceiver unit)(11),
    상기 항공기(8a) 내에서 상기 이용자 데이터를 단말들(13a 내지 13c)에 및 상기 단말들(13a 내지 13c)로부터 분배하기 위한 기내 통신 시스템(12), 및
    상기 트랜시버 유닛(11)과 상기 기내 통신 시스템(12) 간의 통신을 위한 상호-통신 유닛(14)을 포함하는, 통신 시스템(1a, 1b).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 안테나(9)는 상기 항공기(8a)의 선체(17) 밖에 배열되고, 상기 기내 통신 시스템(12)은 상기 항공기(8a)의 선체(17) 내에 배열되는, 통신 시스템(1a, 1b).
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 안테나(9)는 상기 적어도 하나의 지상 기반 기지국(2)을 자동 추적하도록 구성된 2차원 빔포밍 안테나 어레이 또는 기계적으로 조향된 지향성 안테나인, 통신 시스템(1a, 1b).
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 기내 통신 시스템(12)은 상기 항공기(8a) 내에서 셀(C3)을 생성하기 위한 적어도 하나의 에어본 기지국(airborne base station)(15)을 포함하는 셀룰러 무선 시스템인, 통신 시스템(1a, 1b).
  7. 제 6 항에 있어서,
    셀룰러 무선 시스템인 상기 기내 통신 시스템(12)은 GSM, UMTS, 및 LTE로 구성된 그룹에서 선택된, 모바일 승객 단말들(13a 내지 13c)의 적어도 하나의 무선 통신 표준에 호환되는, 통신 시스템(1a, 1b).
  8. 제 3 항에 있어서,
    무선 유형의 상기 기내 통신 시스템(12)은 비-셀룰러 무선 통신 시스템인, 통신 시스템(1a, 1b).
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 기내 통신 시스템(12)은 상기 항공기(8a) 내부에 설치된 복수의 항공기 운영자 소유의 단말들(13a 내지 13c)을 포함하는, 통신 시스템(1a, 1b).
  10. 제 3 항에 있어서,
    무선 유형의 상기 기내 통신 시스템(12)은 중계국(15)을 포함하는, 통신 시스템(1a, 1b).
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 항공기(8a)의 내비게이션 시스템 또는 GPS 수신기(18)에 의해 제공된, 항공기 이동 데이터를 이용하여, 상기 적어도 하나의 안테나(9)에 의해 수신되고 송신된 신호들의 도플러 보상 및/또는 주파수 변환을 실행하도록 구성되는, 통신 시스템(1a, 1b).
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 지상 기반 무선 셀룰러 통신 시스템(1a)의 지상 기반 기지국(2) 및 상기 적어도 하나의 항공기 장비(1b)의 트랜시버 유닛(11)은 멀티플렉싱(multiplexing)된 데이터를 교환하도록 구성되는, 통신 시스템(1a, 1b).
  13. 비행중 광대역 모바일 통신 서비스들을 제공하기 위한 방법에 있어서:
    공간 분할 다중 액세스(SDMA)를 이용하여 지상 기반 기지국(2)의 적어도 하나의 셀(C1, C2)에 의해 커버된 공간의 적어도 하나의 항공기(8a 내지 8c, 8c 내지 8e)를 서빙하기 위한 적어도 하나의 빔(6a 내지 6c, 7a 내지 7c)을 생성하기 위해 상기 지상 기반 기지국(2)의 안테나 소자 어레이(5a, 5b)로 2차원 빔포밍을 실행하는 단계, 및
    상기 적어도 하나의 항공기(8a 내지 8c, 8c 내지 8e)의 현재 위치를 추적하기 위해 상기 지상 기반 기지국(2)에서 빔들(6a 내지 6c, 7a 내지 7c)을 형성하는 단계를 포함하는, 비행중 광대역 모바일 통신 서비스들을 제공하기 위한 방법.
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