CN104184692A - 用于宽带通信的自组织ofdma系统 - Google Patents

Abstract

提供了用于宽带通信的自组织OFDMA系统的系统和方法。在特定的实施例中，用于自组织网络的通信节点包括：通信接口，被配置为将数据发射到多个节点以及从多个节点接收数据；以及处理单元，被配置为执行计算机可读指令。此外，计算机可读指令指示处理单元：识别在小区内的子区域，其中通信节点位于子区域中；以及发射至少一个数据帧，其中来自通信节点的数据在如至少一个数据帧内定义的特别的时间和频率处进行发射，其中该时间和频率与子区域相关联。

Description

用于宽带通信的自组织OFDMA系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年5月28日提交的美国临时申请（No 61/827,844）的权益，其通过引用整体并入本文中。

政府许可权利

该发明是在由NASA埃姆斯研究中心授予的合同（合同号NNA12AB80C）下的政府支持的情况下做出的。政府具有在该发明中的特定权利。

背景技术

当前的数据链路技术使用集中式地面站，所述集中式地面站协调并管理用于在地面站的控制范围内的端节点的资源、频率和带宽以便从该集中式地面站进行数据发射和接收。然而，在海洋区域中，因为安装地面站是困难的，所以使用卫星链路以与交通工具通信。然而，基于卫星的服务可能是昂贵的并且也遭受针对空对空广播服务的缺点，因为卫星网络不支持用于机载监视应用的直接的端节点到端节点广播。卫星广播一般在单个方向上广播，即从端节点到卫星，并接着到其它的端节点。

在端节点与地面站之间的通常的卫星通信中，将分组发送到地面站以供处理和路由。当通过卫星进行通信时，端节点将分组广播到卫星，并且卫星将分组下行链路到地面站以供处理。然后，地面站将上行链路消息发送到卫星以供在区域上进行广播。由于消息通过卫星进行中继，所以存在由于相同的信息跨越不同的网络节点的多次传输所引起的相当大量的带宽损耗和在通信中的附加延迟。

发明内容

提供了用于宽带通信的自组织OFDMA系统的系统和方法。在特定的实施例中，用于自组织网络的通信节点包括配置为将数据发射到多个节点和从多个节点接收数据的通信接口；以及配置为执行计算机可读指令的处理单元。此外，计算机可读指令指示处理单元识别在小区内的子区域，其中，通信节点位于子区域内；以及发射至少一个数据帧，其中，在如至少一个数据帧内定义的特别的时间和频率处发射来自通信节点的数据，其中，该时间和频率与子区域相关联。

附图说明

理解的是，附图仅描绘了示例性实施例，并且不因此被认为限制范围，将通过使用附图用附加的特性和细节来描述示例性实施例，在所述附图中：

图1是在本公开内容中描述的一个实施例中的划分为不同的小区的地理区域的示意图；

图2是图示了在本公开内容中描述的一个实施例中的在自组织网络中的通信节点的示意图；

图3是图示了在本公开内容中描述的一个实施例中的位于小区内不同子区域处的多架飞机的示意图；

图4是在本公开内容中描述的一个实施例中的帧映射的示意图；

图5图示了在本公开内容中描述的一个实施例中的基于在帧的链接图中所保留的资源单元的分配；

图6图示了在本公开内容中描述的一个实施例中的将资源单元安排到小区内的子区域的图表；

图7图示了在本公开内容中描述的一个实施例中的将小区分开为不同的子区域；以及

图8是在本公开内容中描述的一个实施例中的用于由飞机在进入小区时建立通信的方法的流程图。

根据普通的实践，各种描述的特征不按比例绘制，而被绘制来强调与示例性实施例相关的具体特征。

具体实施方式

在下面详细的描述中，参考形成其部分的附图，并且在所述附图中，通过图示示出了具体的说明性实施例。然而，将理解的是，可以利用其它实施例，并且可以做逻辑、机械和电气改变。此外，在附图和说明书中呈现的方法不被解释为限制能够执行个别的步骤的顺序。所以，下面详细的描述不以限制意义被理解。

本文中描述的实施例提供了可以在没有基于地面的通信基础设施支持的情况下部署在空中系统之间的自组织数据链路。此外，自组织数据链路技术可以支持广播和点到点通信应用两者。在至少一个实现中，数据链路通过将地理区域划分为小区，并接着基于排他飞机空间将每一个小区划分为子区域而被自组织，其中，排他飞机空间可以是根据飞行规则由不多于一架飞机占据的空间。然后，在小区内的飞机基于由飞机当前占据的子区域在特别的时间和频率处广播数据。在替换的实现中，地面通信节点可以通过自组织数据链路与飞机通信。

图1是划分为不同的小区101-107的地理区域100的示意图。在一个实施例中，小区的大小由在地理区域100内飞行的飞机的广播范围110确定。例如，如果飞机具有50海里的广播范围，则小区101-107的直径为50海里的大小。因此，在小区内的飞机能够与在小区内的其它飞机通信。为了进一步彼此区分小区101-107，如图示的，在地理区域100中的小区101-107中的每一个小区具有相关联的频率信道。也在特定的实现中，信道也可以包括相关联的子载波集合。在使频率信道与地理区域相关联的示例中，小区101和104内的飞机在频率信道f3处广播数据，小区102和106内的飞机在频率信道f4处广播数据，小区103和107内的飞机在频率信道f2处广播数据，小区105内的飞机在频率信道f1处广播数据。在一个实现中，在邻近小区中的飞机在不同的频率信道上广播数据。因为邻近小区与不同的频率信道相关联，所以遍及地理区域100使用至少四个频率信道。然而，遍及地理区域100可以使用更多的频率信道。在示例中，正交频分多址（OFDMA）通信方案由在地理区域100中的飞机使用。在这样的示例中，用于小区的频率信道（f1、f2等等）指的是包括多个正交子载波的给定频率带宽。

图2图示了根据上面描述的用于在自组织网络中进行通信的通信节点200的框图。如图示的，通信节点200包括处理单元202和存储器单元204。存储器单元204包含用于与在自组织网络中的其它通信节点通信的可执行机器代码。例如，存储器单元204包括位置识别指令206和通信指令208。位置识别指令206被配置为当位置识别指令206由处理单元202执行时使处理单元202确定通信节点200的位置。通信指令208被配置为当由处理单元202执行时使处理单元202发射并接收在地理区域100内的通信。下面提供了关于位置识别指令206和通信指令208的更多的细节。

图3图示了在小区302内的多架飞机310和320。在该示例中，在（如针对飞机320所示的）飞机上的无线电的范围340基于小区302的大小来确定。飞机310和320位于小区302内的不同位置处。

每一个小区被划分为多个三维空间，所述三维空间在本文中被称作子区域。在特定的实施例中，每一个子区域的大小（以及因此在小区内的子区域的数量）由小区内除了单架飞机外的最小唯一可识别面积来确定。使用对应于除了单架飞机外的面积的子区域的大小确保了在任何给定时间处仅单架飞机出现在任何给定子区域内。在一个实现中，最小唯一可识别面积是基于控制飞机水平地且垂直地彼此飞行的接近程度的安全条例来确定的。例如，如果小区直径是150海里且条例规定飞机应当保持距彼此10海里的横向距离以及在空中路径中的前导和尾随飞机之间保持80海里，则在该特别的小区中的水平层次内将存在30个不同的子区域。在垂直方向上，可以将小区划分为不同的层次。例如，具有在水平层次内的30个不同的子区域的小区也可以具有五个不同的垂直层次。因此，小区可以具有在特别的小区内的150个不同的子区域。在至少一个实现中，遍及地理区域100静态限定小区101-107和子区域。可替换地，可以基于在地理区域100内的飞机动态限定小区101-107和子区域。

跨越地理区域100使用共同的通信方案，使得在地理区域100内的到飞机和来自飞机的通信彼此协调。在示例中，通信方案将各自的频率和时隙分派给地理区域的每一个小区内的每一个子区域。在示例中，在通信方案是OFDMA的情况下，分派给每一个子区域的每一个频率和时隙包括在给定的OFDMA频率信道内的一个或多个数据资源单元。同样地，每一个子区域被分派了在OFDMA频率信道内的一个或多个时隙中的一个或多个子载波。特别是，分派给给定子区域的一个或多个数据资源单元是来自分派给存在有子区域的小区的OFDMA频率信道的一个或多个资源单元。

在给定时间处，在地理区域100内的每一架飞机310和320的位置位于特别的小区302内的特别的子区域内。在图3所示的示例中，飞机320在子区域330内且飞机310在子区域334内。在至少一个实现中，当实现在飞机310与320之间的自组织通信时，每一架飞机在与包含飞机的子区域相关联的时隙和频率（例如，一个或多个数据资源单元）处广播数据。

在特定的实施例中，当通信节点200与其它通信节点通信时，处理单元202执行位置识别指令206以确定在小区内的通信节点200的位置。在至少一个实现中，为了确定在小区内的通信节点200的位置，通信节点200包括惯性导航系统。可替换地，通信节点200包括全球导航卫星系统接收器、飞行管理系统或者能够可靠地确定在三维空间中的位置的其它系统。当位置识别指令由处理单元202执行时，处理单元202使用由导航系统提供的任何信号来确定在小区内的通信节点200的位置。

当识别了在小区内的位置时，处理单元202继续执行通信指令208。当执行通信指令208时，处理单元202使用所识别的位置来确定飞机正在穿过的小区，并且处理单元202也识别飞机正在穿过的小区内的子区域。当识别了子区域和小区时，通信指令208可以确定用于分派给该子区域的通信的时隙和频率。然后，通信指令208可以指示处理单元202通过通信接口210在该时隙内且在该频率处发射消息，其中，时隙和频率与小区内的飞机位于的子区域相关联。当安排消息的传输时，时隙和频率可以与不同的子区域静态相关联，或者时隙和频率可以被动态分配给在不同的子区域内的飞机。下面更详细地描述消息传输的安排。在进一步的实现中，通信节点208从小区内的其它飞机接收通信。基于接收数据所处的频率和时间，处理单元202可以能够确定当前由其它飞机占据的小区中的子区域。

图4图示了将数据资源单元406映射到小区内的特别的子区域的帧映射400，其中，资源单元406是安排的时间段，其中，在特别的位置处的通信节点可以在信道内的特别的频率上进行广播。在特定的实现中，通信节点的位置与表示小区中的子区域的位置单元相关联。在至少一个实现中，基于如由帧映射400表示的正交频分多址技术（OFDMA）来分配资源单元。例如，帧映射400定义报头402、链接图404和为飞机或自组织网络中的其它节点保留的数据资源单元406。

在至少一个实现中，数据资源单元406是根据小区内的子区域静态安排的。例如，小区内的每一个子区域与静态预先定义的频率相关联。如果飞机期望在地理区域100内发射数据，则飞机识别了飞机的位置以及与飞机的位置相关联的子区域。因为每一个子区域具有静态预先定义的频率，所以飞机在与子区域相关联的特定的数据资源单元406处广播信息。

在替换的实现中，动态分配数据资源单元406，其中，根据存储在每一架飞机上的安排算法将数据资源单元406动态分配给不同的子区域。在一个示例性实现中，在小区内的飞机在链接图404中向彼此传送资源要求，其中，链接图404定义了小区内的每个子区域的数据资源单元406的分配。在至少一个示例性实现中，当飞机发射在链接图404中的资源要求时，飞机基于用于在小区中的飞机的飞机通信量预报来计算资源要求。因此，在特别的时间处，链接图404包括来自小区内的所有广播飞机的资源要求。当接收在帧单元中的链接图404时，每一架飞机上的调度程序算法就根据在链接图404中的资源要求将数据资源单元406分配给飞机。例如，调度程序算法可以根据在小区内的子区域的排序来分配数据资源单元406。此外，调度程序可以跨越飞机进行标准化，使得数据资源单元406的分配对于网络中的各种飞机是相同的。调度程序进行标准化以避免安排的资源单元的冲突。在特定的情况下，由在小区内的飞机请求的资源要求超过了可用资源单元的数量。当资源要求的数量超过可用资源单元时，可以使用调整请求的资源要求的公平的安排算法，使得通信在可用数据资源单元406内适合。图5图示了基于在帧的链接图中所保留的资源单元的分配。例如，在第一帧中，调度程序保留了用于由第一架飞机进行通信的资源单元。在随后的帧中，第一架飞机将在保留的资源单元处广播数据。

图6是图示了将数据资源单元406安排到小区内的子区域的图表600。当分配通信时，调度程序首先根据用于给定频率的符号时隙分配通信，并接着根据频率分配通信。如图表600所示，调度程序开始于安排用于由在特别的子区域中的第一架飞机进行通信的数据资源单元的第一分配602。在特定的实现中，调度程序首先在特别的子载波频率中分派符号时隙。当第一分配602使用了特别的子载波频率的所有符号时隙时，调度程序开始将资源单元分配给在另一个子载波频率处的第一分配602。当调度程序完成资源单元到第一分配602的安排且在相同的子载波频率上仍存在待安排的符号时隙时，调度程序在将资源单元分配给资源单元的第二分配604以供在第二子区域中的第二架飞机通信之前分配间隙608。在特定的实施例中，间隙的大小取决于在不同的飞机之间的在网络中所需的时间同步容差。例如，飞机可以同步到用于时间同步的UTC。在至少一个实现中，由调度程序进行的分配是关于彼此连续的。例如，如果特别的子区域没有由飞机占据，则与特别的子区域相关联的资源单元将被分配给在不同的子区域中的另一架飞机，使得不同的分配变得与下一架可用飞机连续。例如，在第三分配606中的资源单元通常可以与一个不同的子区域相关联，但因为该不同的子区域没有通信飞机，所以调度程序将第三分配606安排到处理通信飞机的子区域。此外，如果所请求的资源单元的总数超过每帧可用的资源单元的总数，则按比例减小请求以增加可能的不同的资源单元分配的数量。在特定的实现中，可以改进（capped）分配给飞机的资源单元的大小。此外，由于当资源单元没有使用用于特别的子载波频率的所有符号时在资源单元之间放置的间隙，当每一个子载波频率被分配给由单架飞机进行的通信时，调度程序能够将帧的最高百分比分配给由飞机进行的通信。

图7示出了用于将小区700分开为不同的子区域的另一个实现。为了将小区划分为子区域，计算通过小区的固定横向路径702的数量。不同的固定路径702基于固定横向偏移来彼此相等地分隔开，所述固定横向偏移等于在飞机之间保持的批准的距离。此外，每一个固定横向路径在任何给定时刻可以具有许多不同的飞机。例如，每一个横向路径在任何给定时刻可以具有2架飞机704和706。因此，在区域中的可能的飞机的数量等于通过小区的固定横向路径702的数量乘以在特别的固定横向路径上的可能的飞机的数量。例如，小区700具有七个固定横向路径702，当在路径上的可能的飞机的数量是2时，在特别的垂直层次上将存在14架可能的飞机。如果存在五个垂直层次，则调度程序将分配资源单元到70个可能的子区域或位置单元。此外，有时飞机的路径可能交叉且它们的水平位置可能大致在相同的水平位置处，然而，当飞机交叉时，它们将在子区域内的不同的垂直层次处交叉。此外，因为飞机穿过子区域，所以飞机使用轨迹信息以及其位置的知识来确定哪一个子区域目前包含该飞机。飞机上的调度程序使用其子区域的知识来确定将为来自飞机的通信分配哪一个资源单元。

图8是图示了用于在自组织网络中建立通信的方法800的流程图。方法800在802处继续，其中，计算在通信节点的小区内的位置。例如，飞机确定飞机目前正在小区内的哪一个子区域中飞行。然后，方法800在804处继续，其中，识别与通信节点的位置相关联的传输时间和传输频率。例如，在一个实现中，小区内的每一个子区域已经静态定义了传输时间和传输频率。可替换地，传输时间和传输频率与子区域动态相关联。

在特定的实现中，方法800在806处继续，其中，安排在传输时间和传输频率处的数据的传输。例如，当动态执行安排时，调度程序在第一帧中发射链接图中的数据资源单元请求，以在随后的帧中保留数据资源单元。因为多个通信节点可以在第一帧中发射数据资源单元请求，所以在不同的通信节点上的不同的调度程序采用标准化的算法来基于数据资源单元请求顺序地分配数据资源单元。方法800在808处继续，其中，发射数据。例如，在分配的数据资源单元中发射数据。

示例实施例

示例1包括一种用于自组织网络的通信节点，该通信节点包括：通信接口，被配置为将数据发射到多个节点以及从多个节点接收数据；处理单元，被配置为执行计算机可读指令，其中，计算机可读指令指示处理单元：识别在小区内的子区域，其中通信节点位于子区域中；发射至少一个数据帧，其中来自通信节点的数据在如至少一个数据帧内定义的特别的时间和频率处进行发射，其中该时间和频率与子区域相关联。

示例2包括示例1的通信节点，其中通信节点是以下的至少一个：基于地面的通信节点以及飞机。

示例3包括示例1-2中的任何示例的通信节点，其中发射至少一个数据帧包括：发射在至少一个数据帧中的第一帧的链接图中的数据资源单元请求，其中数据资源单元请求识别发射数据所处的特别的时间和频率；以及发射在第二帧中的数据资源单元中的数据，其中在特别的时间和频率处发射数据资源单元。

示例4包括示例3的通信节点，其中计算机可读指令进一步指示处理单元：从小区内的至少一个其它通信节点接收在第一帧的链接图中的至少一个数据资源单元请求；以及基于至少一个数据资源单元请求和数据资源单元请求安排数据的传输。

示例5包括示例1-4中的任何示例的通信节点，其中特别的时间和频率与子区域静态相关联。

示例6包括示例1-5中的任何示例的通信节点，其中通信节点是飞机，基于能够同时安全地存在于小区中的飞机的数量来将小区划分为子区域；

示例7包括示例1-6中的任何示例的通信节点，其中基于通过小区的横向路径的数量、垂直层次的数量以及能够同时存在于横向路径上的通信节点的数量来将小区划分为子区域。

示例8包括示例1-7中的任何示例的通信节点，其中频率是正交频分多址信道的子载波频率。

示例9包括一种自组织网络，该网络包括：多个通信节点，其中在多个通信节点中的个别通信节点包括处理单元，所述处理单元被配置为：确定个别通信节点的位置；发射数据资源单元请求；从在多个通信节点中的其它通信节点接收其它数据资源单元请求；以及基于数据资源单元请求和其它数据资源单元请求安排节点数据的传输。

示例10包括示例9的网络，其中个别通信节点是以下的至少一个：基于地面的通信节点以及飞机。

示例11包括示例9-10中的任何示例的网络，其中节点数据的传输包括：发射在帧的链接图中的数据资源单元请求，其中数据资源单元请求识别将用于在随后的帧中的节点数据的传输的数据资源单元的要求；

示例12包括示例11的网络，其中处理单元根据共同的安排算法来安排节点数据的传输，所述共同的安排算法用来安排来自其它通信节点的其它节点数据的传输。

示例13包括示例9-12中的任何示例的网络，其中帧包含在多个频率处的多个数据资源单元，其中在多个频率中的每一个频率包括多个符号。

示例14包括示例13的网络，其中第一处理单元和第二处理单元将数据资源单元分配给在多个频率中的第一频率集合处的第一节点数据的传输，并且分配给在多个频率中的第二频率集合处的第二节点数据的传输。

示例15包括示例14的网络，其中当符号时隙的第一集合和符号时隙的第二集合在单个频率处重叠时，第一处理单元和第二处理单元将与该单个频率相关联的数据资源单元的集合指定为在分配给在该单个频率处的第一节点数据的传输的数据资源单元与分配给在该单个频率处的第二节点数据的传输的数据资源单元之间的间隙。

示例16包括示例13-15中的任何示例的网络，其中当在组合的第一数据资源单元请求和第二数据资源单元请求中的所请求的数据资源单元的数量超过在多个数据资源单元中的数据资源单元的数量时，第一处理单元和第二处理单元减小用于第一节点数据和第二节点数据的所分配的数据资源单元的数量。

示例17包括一种用于自组织网络的方法，该方法包括：计算在小区内的通信节点的位置；识别与通信节点的位置相关联的传输时间和传输频率；安排在传输时间和传输频率处的数据的传输；以及发射数据。

示例18包括示例17的方法，其中安排数据的传输包括：发射在第一帧的链接图中的数据资源单元请求，其中数据资源单元请求与传输时间和传输频率相关联；从小区内的至少一个其它通信节点接收在第一帧的链接图中的至少一个其它数据资源单元请求；以及分配用于数据的传输的在第二帧中的数据资源单元。

示例19包括示例18的方法，其中通信节点和至少一个其它通信节点根据小区内的通信节点和至少一个其它通信节点的位置顺序地分配数据资源单元；并且其中通信节点和至少一个其它通信节点使用标准化的安排算法来安排数据传输。

示例20包括示例17-19中的任何示例的方法，其中识别与通信节点的位置相关联的传输时间和传输频率包括识别与小区内的通信节点的位置静态相关联的数据资源单元。

虽然本文中已经图示并描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将理解的是，打算用来达到相同的目的的任何布置可以代替所示的具体实施例。所以，显然意图的是，该发明仅由权利要求及其等同形式来限制。

Claims (3)

1. 一种用于自组织网络的通信节点（200），所述通信节点（200）包括：

通信接口（210），被配置为将数据发射到多个节点以及从多个节点接收数据；

处理单元（202），被配置为执行计算机可读指令，其中，所述计算机可读指令指示所述处理单元：

     识别在小区（302）内的子区域，其中所述通信节点（200）位于所述子区域中；

     发射至少一个数据帧，其中来自所述通信节点的所述数据在如所述至少一个数据帧内定义的特别的时间和频率处进行发射，其中所述时间和频率与所述子区域相关联。

2. 权利要求1所述的通信节点（200），其中所述至少一个数据帧的发射包括：

发射在所述至少一个数据帧中的第一帧的链接图（404）中的数据资源单元请求，其中所述数据资源单元请求识别发射所述数据所处的所述特别的时间和频率；以及

发射在第二帧中的数据资源单元（406）中的所述数据，其中在所述特别的时间和频率处发射所述数据资源单元（406）；

其中所述计算机可读指令进一步指示所述处理单元：

     从所述小区内的至少一个其它通信节点接收在所述第一帧的所述链接图中的至少一个数据资源单元请求；以及

     基于所述至少一个数据资源单元请求和所述数据资源单元请求安排所述数据的传输。

3. 一种用于自组织网络的方法，所述方法包括：

计算在小区（302）内的通信节点（200）的位置；

识别与所述通信节点（200）的所述位置相关联的传输时间和传输频率；

安排在所述传输时间和所述传输频率处的所述数据的传输；以及

发射所述数据。