CN106537178A - 用于使用无人机(uav)平台进行宽带接入的天线射束管理和网关设计 - Google Patents

用于使用无人机(uav)平台进行宽带接入的天线射束管理和网关设计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于产生从非地面车辆(例如，无人机(UAV))朝地面上的用户终端和网关的射束的系统和方法。本公开的另一方面包括用于当UAV在其轨道中移动时将UAV射束朝用户终端和网关切换的系统和方法。本公开的又一方面描述用于通过多个网关将通信量从用户终端路由到互联网的系统和方法。

Description

用于使用无人机(UAV)平台进行宽带接入的天线射束管理和 网关设计
优先权
本申请要求2014年9月15日提交并且标题为“ANTENNA BEAM MANAGEMENT ANDGATEWAY DESIGN FOR BROADBAND ACCESS USING UNMANNED AERIAL VEHICLE(UAV)PLATFORMS”的共同未决且共同拥有的美国专利申请序列号14/486,916的优先权，所述美国专利申请要求2014年7月14日提交且标题为“ANTENNA MANAGEMENT AND GATEWAY DESIGNFOR BROADBAND ACCESS USING UNMANNED AERIAL VEHICLE(UAV)PLATFORMS”的美国临时专利申请序列号62/024,421的优先权，所述美国临时专利申请全文以引用的方式并入本文。
相关申请
本申请还涉及以下专利申请：2014年6月3日提交且标题为“METHODS ANDAPPARATUS FOR MITIGATING FADING IN A BROADBAND ACCESS SYSTEM USING DRONE/UAVPLATFORMS”的共同拥有且共同未决的美国专利申请序列号14/295,160；2014年3月21日提交且标题为“BROADBAND ACCESS TO MOBILE PLATFORMS USING DRONE/UAV”的共同拥有且共同未决的美国专利申请序列号14/222,497；以及2014年3月24日提交且标题为“BROADBAND ACCESS SYSTEM VIA DRONE/UAV PLATFORMS”的共同拥有且共同未决的美国专利申请序列号14/223,705，上述专利申请全文以引用的方式并入本文。
版权
本专利文件的公开内容的一部分包含受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人复制与出现在美国专利与商标局的专利文档或记录中一致的专利文件或专利公开的复制，，但是另外保留任何所有版权权利。
技术领域
除其他外，本公开描述了用于产生从无人机(UAV)朝地面上的用户终端和网关的射束的系统和方法。本公开的另一方面包括用于当UAV在其轨道中移动时将UAV射束朝用户终端和网关切换的系统和方法。本公开的又一方面描述用于通过多个网关将通信量从用户终端路由到互联网的系统和方法。
背景技术
随着互联网通信量增大，需要新技术来以更低成本递送通入家庭和企业的宽带接入并且将其置于尚未覆盖到的地方。当前宽带递送系统实例包括地面有线网络诸如双绞线上的DSL(数字用户线路)、光纤递送系统诸如FiOS(光纤服务)和对地静止同步卫星系统。当前宽带接入系统具有多个缺点。一种问题是在偏远和/或人烟稀少区域无法提供服务。对地静止同步卫星确实在发达国家(诸如美国)偏远区域提供服务。然而，世界上较贫穷区域缺少充足卫星容量。
世界贫穷区域尚未提供充足卫星容量的一个明显原因是卫星系统成本相对较高。由于卫星轨道中的不利大气效应，卫星硬件必须是空间适用的，而又是昂贵的。用来将卫星送入轨道的运载火箭也很昂贵。此外，由于卫星的发射风险和较高成本，卫星和发射可能存在大量的保险费。因此，宽带卫星系统和服务是相对昂贵的，并且难以证明其尤其在世界上较贫穷区域的合理性。在人烟稀少的区域部署地面系统(诸如光纤或微波链路)也很昂贵。小密度的用户无法证明部署成本的合理性。
尽管本领域中存在用于为消费者提供宽带接入的各种各样方式，但无任何方式实现所期望水平的灵活性和成本，对于居住在偏远或人烟稀少的地理区域的消费者尤其如此。此外，用于向消费者提供宽带接入的基于地面的方法无法为改变人口和密度提供必要的灵活性。因此，需要提供用于向消费者提供宽带接入的必要水平的期望灵活性和成本的方法和设备。
发明内容
除其他外，本公开描述了用于产生从无人机(UAV)朝地面上的用户终端和网关的射束的系统和方法。
第一方面，公开了一种用于使用无人机(UAV)提供宽带接入的系统。在一个实施方式中，所述系统包括：第一天线系统，其包括多个第一天线子孔，其中每个第一天线子孔被配置来形成朝一或多个用户终端的至少一个第一射束；第二天线系统，其包括多个第二天线子孔，其中每个第二天线子孔被配置来形成朝配置用于提供到核心网络的连接性的一组地面网关中的一或多个网关的至少一个第二射束；第一组无线电收发器和调制解调器，其配置来向/从一或多个用户终端传输和接收多个第一信号；第二组无线电收发器和调制解调器，其配置来向/从一或多个网关传输和接收多个第二信号；和路由器/处理器子系统，其配置来在一或多个用户终端与一或多个网关之间路由数据包并且管理至少一个第一射束和至少一个第二射束。
在一个变型中，多个第二天线子孔包括K个天线元件，其各自与相邻天线元件间隔大致半个波长。第二天线子孔中的每个被配置来通过有一或多个适当相位的K个天线元件形成M个射束，并且路由器/处理器子系统基于所确定的信号质量选择M个射束中的一个。
在替代变型中，路由器/处理器子系统被配置来：根据与初级网关相关联的初级射束和至少另一候选射束上的接收信号，测量至少两个信号与干扰加噪声比(SINR)；将与初级射束和至少另一候选射束相关联的至少两个SINR进行比较；并且至少部分地基于所述比较确定应当何时将初级射束切换成至少另一候选射束。
在又一变型中，路由器/处理器子系统被配置来：执行UAV射束切换请求，所述请求被配置来致使至少一个用户终端被切换成不同射束。
在又一变型中，路由器/处理器子系统被配置来：确定实现给定射束的目标信号质量的最小发射功率；并且调整与给定射束相关联的功率放大器以便实现最小发射功率。
在又一变型中，目标信号质量指示雨衰条件并且功率放大器的调整包括增大发射功率以便补偿雨衰条件。
在又一变型中，路由器/处理器子系统被配置来：根据初级射束和至少另一相邻射束上的接收信号，测量至少两个信号与干扰加噪声比(SINR)；将与初级射束和至少另一相邻射束相关联的至少两个SINR进行比较；并且至少部分地基于所述比较确定应当何时将初级射束切换成相邻射束；并且执行从初级射束到相邻射束的射束切换。
在又一变型中，路由器/处理器子系统被配置来：根据与初级网关相关联的初级射束和至少一个不活动射束上的接收信号，测量至少两个信号与干扰加噪声比(SINR)；将与初级射束和至少一个不活动射束相关联的至少两个SINR进行比较；并且至少部分地基于所述比较确定应当何时将初级射束切换成至少一个不活动射束。
第二方面，公开了一种用于使用UAV提供宽带接入的天线固定装置。在一个实施方式中，天线固定装置包括多面天线结构，其具有多个孔，所述孔中的每个还包括多个子孔。每个子孔负责形成至少一个射束。
在一个变型中，多面天线结构包括相对于给定孔以一定角度放置的孔；以一定角度放置的孔进一步被配置来提供对天线固定装置的覆盖区域的边缘处的位置的覆盖。
在又一变型中，多面天线结构进一步被配置来形成朝配置用于提供到核心网络的连接性的一组地面网关中的一或多个网关的至少一个射束。
在又一变型中，所形成的至少一个射束源于相对于给定孔以一定角度放置的孔中的一个孔。
第三方面，公开了一种用于提供宽带接入的系统。在一个实施方式中，这个系统包括：多个网关，所述网关中的每个被耦接到核心网络；一或多个用户终端；以及无人机(UAV)。UAV包括：第一天线系统，其配置来形成朝一或多个用户终端形成的至少一个第一射束；第二天线系统，其配置来形成朝一或多个网关形成的至少一个第二射束；第一组无线电收发器和调制解调器，其配置来向/从一或多个用户终端传输和接收第一多个信号；第二组无线电收发器和调制解调器，其配置来向/从一或多个网关传输和接收第二多个信号；以及路由器/处理器子系统，其配置来在一或多个用户终端与多个网关中的至少一个之间路由数据包并且管理至少一个第一射束和至少一个第二射束。
在一个变型中，系统共同包括射束网络，所述射束网络具有至少三次频率复用，以使得给定射束分配有给定频率，从而使得与给定射束相邻定位的射束不会共享给定频率。
在又一变型中，频率复用减少相邻射束之间干扰，由此增大信号与干扰加噪声比(SINR)和所实现的数据速率。
在又一变型中，网关包括设置在UAV覆盖区域的第一位置处的第一网关和设置在UAV覆盖区域的第二位置处的第二网关，第一位置和第二位置设置在UAV覆盖区域的相对端处，由此为系统提供网关分集。
在又一变型中，当在UAV操纵期间第一网关无法为UAV提供到核心网络的连接性时，第二网关为UAV提供连接性。
在又一变型中，UAV的路由器/处理器子系统被配置来：根据与初级网关相关联的初级射束和至少另一候选射束上的接收信号，测量至少两个信号与干扰加噪声比(SINR)；将与初级射束和至少另一候选射束相关联的至少两个SINR进行比较；并且至少部分地基于所述比较确定应当何时将初级射束切换成至少另一候选射束。
在又一变型中，至少另一候选射束包括不活动射束。
在又一变型中，UAV还包括功率管理子系统，所述功率管理子系统被配置来至少部分地基于测量到的大气条件管理UAV的功率消耗。
在第四方面中，公开了用于当UAV在其轨道中移动时将UAV射束朝用户终端和网关切换的系统和方法。
在第五方面中，公开了用于通过多个网关将通信量从用户终端路由到互联网的系统和方法。
在第六方面中，公开了用于管理功率控制以便最小化UAV功率使用的系统和方法。
在第七方面中，公开了用于转向UAV的终端天线和网关天线射束的系统和方法。
在第八方面中，公开了用于提供相控阵列方式以实现UAV射束成形的系统和方法。
在根据本文所提供的公开内容考虑时，这些和其他方面应当变得清楚。
附图说明
在以下附图中，使用相同元件符号指示类似部件。附图中相同部件的多个实例通过在元件符号后插入破折号或添加第二元件符号进行区分。
图1.1是配置来服务于用户终端的一个示例性射束网络设计的图形描绘。
图1.2是配置来连接到网关的一个示例性射束网络设计的图形描绘。
图2.1是用于形成指向用户终端和网关的射束的一个示例性无人机(UAV)天线固定装置的图形描绘。
图2.2是用于形成指向用户终端和网关的射束的一个示例性无人机(UAV)天线子孔的图形描绘。
图3是结合本文所述各个方面来使用的一个示例性无人机(UAV)的一个示例性硬件架构的高级表示。
图4是通过多个网关将数据通信量路由到核心网络的无人机(UAV)的高级框图。
图5是示例性电子射束成形电路的逻辑表示。
所有附图均为Copyright 2014Ubiqomm,LLC.保留所有权利。
具体实施方式
现在参考绘图，其中在所有附图中，相同数字指代相同部分。
如本文所用，术语“无人机”和“UAV”可互换地使用，并且是指意欲在没有机载人类飞行员的情况下操作的任何类型的飞行器。这些无人机或UAV的实例包括但不限于靶机、无人驾驶直升机、气球、软式飞艇、飞艇等。这些UAV可以包括推进系统、燃料系统、以及机载导航和控制系统。在一个示例性实施方式中，UAV包括与推进装置(例如，螺旋桨、喷射推进装置等)相结合的固定机翼机身。在替代实施方式中，UAV包括例如由一或多个转子推进的所谓的无人驾驶直升机。UAV可机载燃料或可使用未必需要机载的替代能源(例如像太阳能)工作。
示例性UAV射束网络和射束切换机构-
在一个实施方式中，无人机(UAV)向高达300km半径的区域中的用户终端提供宽带接入。如接下来将论述的，需要两种(2)不同的天线系统：(i)用来提供对用户终端的覆盖的第一天线系统，其在本文中通常被称为“UAV用户终端天线系统”，和(ii)用来提供对网关的覆盖的第二天线系统，其在本文中通常被称为“UAV网关天线系统”。在至少某些部署场景中，与用户终端相比，网关可远离UAV覆盖区域定位，因为接近UAV可能无法获得到网关的有线连接。
图1.1示出配置来服务用户终端的一个可能的射束网络设计。如图所示，除射束之外，射束网络100具有为三(3)的频率复用，即，可用光谱被划分成F1、F2和F3三个波段，并且每个射束分配有三个频带中的一个，其方式为使得没有两个相邻射束使用同一频率。虚线圆圈110描绘覆盖每个六边形区域120的射束。示出六边形120以便帮助形象化连续的覆盖区域，然而实际射束覆盖区有重叠(如虚线圆圈所示)。三种虚线圆圈类型对应于三种频带。频率复用降低来自相邻射束的干扰，并且帮助增大高信号与干扰加噪声比(SINR)和所实现的数据速率。
虽然所示实施方式描绘包括根据为三(3)的频率复用布置的三十七个(37)射束的射束网络，但是普通技术人员将容易了解不同数目的射束和/或频率复用因子可用来适合多种其他的网络考虑(例如，成本、覆盖区、网络复杂性等)。例如，可选择多个射束和/或频率复用因子中的这种选项以便降低来自相邻射束的干扰水平、同时帮助提高SNIR和实现的数据速率。
如以下将论述的(参见例如示例性天线系统)，UAV中通常使用两种类型的天线系统。在所谓的“固定射束”系统中，射束并未主动地调整/转向以补偿UAV滚动和其他移动。在固定射束系统的一个示例性实施方式中，射束网路应设计成使得射束覆盖预期覆盖区域的更广阔的区域(例如，用户终端所在区域)。更广阔覆盖区域的原因在于当UAV滚动时，如图1.1所示聚在地面上的射束将在地面上移动。因此，射束必须覆盖更广阔区域以便当射束由于UAV滚动/转动而移动时，射束仍将覆盖用户终端的所期望平均区域。在所谓的“活动射束转向”系统(例如像相控阵)中，UAV对射束进行调整，使得射束不管UAV的移动而保持固定在地面上的同一位置(“覆盖区”)。
如先前所指的，对于固定射束系统，由于UAV的移动(诸如滚动和转动)，射束将相对于覆盖区域内的任何用户终端移动。通常，处置射束移动的方式是当射束移动时将用户终端从一个射束切换到另一射束。
便于UAV通信有效载荷处理此射束切换的硬件架构300在图3中示出。通信有效载荷是一种设备，其包括：天线子孔302、314，其配置来形成朝网关和用户终端的射束；调制解调器306，其配置来解调/调制来自/去往用户终端的信号；调制解调器310，其配置来解调/调制来自/去往网关的信号；一组无线电收发器和功率放大器312、304，其配置来连接到UAV网关和用户终端天线子孔314、302。除其他外，处理器/路由器子系统308被配置来提供用户终端与网关之间的必要宽带接入。
用户终端无线电子系统被配置来解调并解码来自用户终端已经被分配给的射束(即，如本文所用，所谓的“初级射束”或“初级集合”)的信号。与用户终端的初级射束相邻的射束被为用户终端的“相邻集合射束”或者“相邻集合”。用户终端的无线电子系统将周期性地调谐相邻集合射束的频道并且测量对应于UAV通信有效载荷已经在这些射束上传输的前同步码信号的一或多个信号与干扰加噪声比(SINR)。在一个实施方式中，此周期性调谐将以定期的(即，固定的)间隔发生。或者，此调谐可以动态的间隔(周期性地或者非周期性地)发生。例如，在一个实施方式中，相邻集合SINR的测量周期之间的时间频率可根据信号质量而提高。换句话讲，当相邻集合的SINR测量结果改进时，周期性调谐在预期可能从初级射束集合切换成不同射束中可更频繁地发生。或者，周期性调谐的间隔可根据UAV运动(例如，由于UAV的滚动和倾斜运动)进行调整。
在又一替代实施方式中，当相邻集合射束的初级集合的SINR落到阈值以下时，所述用户终端还可搜索所述相邻集合射束的一或多个前同步码。如果用户终端无线电子系统检测到相邻集合中的SINR(或者其他信号质量指标)在用户终端的初级射束的SINR的特定阈值内的射束，那么用户终端可请求UAV通信有效载荷将用户终端切换成不同射束。在其他情况下，其中用户终端无线电子系统检测到相邻集合中的SINR(或者其他信号质量指标)是可接受的射束并且其中用户终端的初级射束是不可接受的，那么用户终端可请求UAV通信有效载荷将用户终端切换成不同射束。考虑到本公开的内容，用于触发用户终端切换的另外其他方案对于普通技术人员将变得明显。类似地，为清楚起见，图3描绘从用户终端发出的在用户终端调制解调器处被接收并且由路由器/处理器子系统308处理的全部信号；然而，应了解各种其他配置可由相关领域的普通技术人员同等成功地进行替代，所描绘的实施方式仅仅是说明性的。
在一些情况下，网关可与UAV的覆盖区域的中心相距远至300km。为进一步使事物复杂化，示例性UAV围绕覆盖区的中心可以是静止的或移动的(例如，根据圆形图案、三叶草图案)。此外，UAV可经历滚动和倾斜运动，这可导致妨碍安装在UAV下方的任何天线的视线。例如，如果网关远离UAV放置以使得从网关朝向UAV的仰角低于UAV将滚动的角度，那么UAV天线在滚动过程中相对于指定网关被阻止。这里，从用户终端/网关到UAV的仰角被定义为从用户终端/网关的位置与地表相切的直线与将用户终端/网关连接到UAV位置的直线之间的角度。解决此阻止状况的一种方式是使用第二网关140，例如像图1.2所示的那个，所述第二网关140足够远离第一网关130，从而在UAV滚动过程中当第一网关受阻时将可见。即使UAV丧失对一个网关的覆盖，另一网关也将在UAV天线的覆盖区中并且可提供到UAV的连接性。换句话讲，由于距离和UAV移动(例如，倾斜)所导致的网关受阻可使用网关分集来解决。在一些情况下，网关分集还可用来缓解雨衰。
图1.2示出配置用于提供对网关130、140的覆盖的射束网络100的示例性实现方式。图1.2提供从UAV朝网关位置的多达N个射束；然而，如图所示，只有射束N和N/2正在进行传输，而其他射束(例如，1、2、N/2+1、N-1等)不传输。中部的中心圆150表示对用户终端的覆盖(图1.1中同样示出)。在示例性实现方式中，连接到网关所需的UAV射束的数目取决于所使用频带和所需天线增益。例如，UAV可在存在显著干扰时添加更多射束，或者在存在极少的通信量时减少射束等。
考虑UAV在网关穿过射束的覆盖区域时将先前不活动射束打开的示例性场景。当UAV围绕例如圆圈移动时，先前不活动的射束多网关可具有更好的可见性。当每个UAV射束越过网关时，UAV网关射束管理系统切换UAV网关射束，从而从一个射束到另一射束来服务网关。在本公开的一个方面中，UAV通信系统在确定切换成另一射束时考虑多个因素中的一或多个(例如，信号强度、网络考虑、地理位置等)。在一个实施方式中，即使只有几个射束正主动地传输到网关(如图所示，射束N和N/2正分别传输到网关A 130和B 140)，连接到不活动射束的调制解调器接收并监测网关所发送的信号。图3示出UAV射束切换方案的高级硬件框图。在操作过程中，UAV通信调制解调器310对从全部UAV网关射束(活动和不活动射束两者)上的每个网关接收的SINR进行比较；当不活动射束具有满足一或多个规定标准(例如，在活动传输射束的阈值内)的所接收SINR时，那么UAV通信系统可将传输射束切换成新的射束。
在一些实例中，可对一或多个标准(例如，阈值)静态地设定或动态地修改以便优化操作。例如，小的阈值可导致抢先的切换(和/或不必要的“剧烈搅动”)，而大的阈值可提供更慢的切换，从而可降低性能。
当存在多个网关时，多个UAV网关射束可同时进行传输。例如，如图1.2所示，两个网关130、140(即，网关A和B)在UAV覆盖区域的相对端上。在此情况下，正朝向两个网关传输的UAV网关射束并非相邻射束，并且因此不会致使彼此相干扰。虽然图1.2通过网关的空间位置的智能管理减少网关射束干扰，但应了解可使用其他措施来防止干扰。例如，网关射束可在不同频率上，使用不同时隙和/或扩频码等。
示例性天线系统-
在一个示例性实施方式中，UAV包括一或多个UAV用户终端天线系统和一或多个UAV网关天线系统。用户终端天线系统被配置来与一或多个用户终端通信，而网关天线系统被配置来与一或多个网关通信。
现在参考UAV用户终端天线系统，UAV处的天线固定装置被配置来覆盖朝用户终端的广范围的仰角。作为例示，图2.1示出配置来服务用户终端的UAV天线固定装置200的示例性实现方式。多面天线结构具有多个孔202，用来覆盖广范围的角度。另外，此天线具有多个孔，这些孔被设计成是适形的且是空气动力学的。图2.1的天线固定装置200具有七个(7)孔/面。每个孔覆盖对应区域(其可或可不与其他孔重叠)。每个孔包括示出为矩形的一或多个更小子孔204。每个子孔元件204产生一个射束。天线固定装置200被设计成使得其在中部是平坦的并且朝向UAV的表面以倾斜角向下锥化，使得置于天线固定装置上的天线子孔提供对不同区域的覆盖。在一个示例性实施方式中，天线可安装在UAV下方，然而应了解其他实现方式可将天线置于其他位置处以便适应其他用途。
中心处的孔202(如图所示，编号为7)覆盖最接近UAV的位置。孔1至6提供对覆盖区的边缘处的位置的覆盖。天线孔1至6相对于孔7以一定角度放置以便覆盖更远的距离。如先前所描述的，孔1至7各自包括天线子孔并且这些子孔中的每个在地面上产生不同射束。例如，为了聚合图1.1的三十七个(37)射束，图2.1的天线固定装置将需要各自产生一个射束的三十七个(37)子孔，所述三十七个子孔分布在七个(7)不同面内，以使得子孔生成所期望覆盖区域。
现在参考UAV网关天线系统，网关可远比用户终端相距覆盖区域的中心更远地放置，因此在一个示例性实施方式中，服务网关的UAV天线固定装置将典型地需要使其射束以更低的仰角朝向网关指向。在一个实现方式中，用于网关的天线固定装置的形状与UAV用户终端天线固定装置200的形状(图2.1所示)相同；然而，为了提供朝向网关的前述更低仰角，用于网关的UAV天线固定装置将需要围绕固定装置的圆周相对于翼的翼张向下倾斜放置的N个子孔，以便覆盖网关可能所在的相距UAV更远的距离。在这一实现方式中，N个子孔提供以大致45°仰角引导的360°方位的覆盖。
由于网关可在相对于UAV具有广泛范围的不同仰角的广阔区域中，可需要UAV网关天线系统以支持极大的覆盖区域。考虑以下实现方式：其中网关可在相对于UAV 5°至50°仰角之间的任一处。子孔射束必须覆盖45°仰角范围(即，50°–5°)，但每个天线子孔的典型的射束宽度仅是12°。在这一系统下，UAV网关天线系统包括四个(4)射束，其各自具有射束宽度12°以覆盖45°径向角区。然而，示例性天线固定装置设计(与图2.1的那个类似)仅具有一个子孔天线以覆盖45°径向角域。因此，在一个这种变型中，天线子系统使用射束成形技术与子孔天线单元一起产生四个(4)固定射束。换句话讲，射束成形可仅在沿着径向轴的一个方向上执行。四个(4)射束可以是固定射束并且UAV通信有效载荷将选择四个(4)固定射束中的一个以进行通信。
现在参考图2.2，示出并详细描述了UAV网关天线系统子孔250的替代实施方式。在一个示例性实施方式中，子孔包括天线元件252，所述天线元件252沿着子孔的长度间隔半个波长，如图2.2所示，其中示出K个天线元件。图2.2所示的子孔250的K个天线元件252可使用应用到K个元件的四组(4)不同的K个相位来调整相位。每组K个相位将产生指向在一个示例性实施方式中以12°间距间隔的四个(4)可能的不同射束位置中的一个的不同射束。UAV通信有效载荷的调制解调器子系统中的软件将选择四个(4)可能的射束中的一个并且通过使用来自四个(4)组内的适当组的八个(8)相位指导子孔电路来打开对应射束。
虽然先前论述考虑两个不同的天线固定装置(即，一个用来使射束朝向用户终端聚合，并且另一用来使射束朝向网关聚合)，应了解考虑到本公开的内容，相关领域的普通技术人员将容易明白各种其他配置。例如，前述部件和/或功能中的各个部件和/或功能可组合成单个固定装置，或者可跨更大数目的固定装置分布。
用于功率控制以最小化UAV功率使用的示例性方案-
在示例性配置中，UAV网关和用户终端传输器的功率放大器(PA)功率被配置来补偿雨衰/大气衰减。在一个示例性实施方式中，天气条件将通过天气数据传输从网关提供给UAV。或者，天气条件可由UAV自身确定。应了解雨衰条件也可由UAV基于直接信号测量来确定，然而，替代实现方式可考虑到来自其他源的信息。例如，UAV可包括脉冲Doppler雷达子系统(未示出)，其向处理器/路由子系统(图3，308)提供有关雨衰/大气衰减的信息以便于UAV网关和用户终端发射机的PA控制去往经传输射束中的单独一个的功率。相关领域的普通技术人员将了解在晴空条件下，PA功率根据频带可降低多达10dB或更多。在一个示例性实施方式中，UAV通信有效载荷系统基于接收到的测量到的SINR、其他质量测量结果和/或其他网络考虑结合有动态功率控制。例如，在晴空条件下，基于校准和测量结果预计UAV可具有最优SINR。当SINR由于例如雨衰而降低时，通信有效载荷系统将降低朝向正经历雨衰的用户终端或网关传输的功率。典型地，只有UAV的覆盖区域的一部分可受雨衰影响。因此，UAV可选择性地提高在雨衰条件下的具体UAV用户终端射束上的功率以便优化其总功率消耗，而不对覆盖造成不利影响。通过智能管理功率消耗，UAV通信有效载荷的平均功率使用将显著小于峰值功率使用(即，UAV将仅当全部射束在雨衰情况下时才需要其峰值消耗)。
示例性UAV调制解调器和射束切换设备-
如本文先前论述的，图3示出与网关通信并管理射束成形(例如，朝网关切换射束等)的无线电系统300的示例性配置的高级硬件框图。在例示实施方式中，存在朝网关的N个可能UAV射束。在N个射束中只有一个将传输到特定网关(如图3所示)。其余发射机将关闭。如可在图3中看出，附接到N个UAV网关天线子孔的所有的接收器是打开的，并且监测接收到的信号。在一个实施方式中，UAV网关调制解调器可接收在其相应射束上的信号以便测量信号质量指标诸如SINR。调制解调器将测量到的SINR发送到处理器单元子系统308。处理器子系统308将对来自不同子孔/射束的测量到的SINR进行比较并且将基于相对SINR值来确定是否应将初级UAV网关射束切换成不同UAV网关射束/天线子孔(或者“候选射束”)。在本上下文中，术语“UAV初级网关射束”是指但不限于提供对网关的覆盖的UAV网关射束/天线子孔。
如果切换是必要的，那么处理器对与两个射束(候选射束以及初级射束两者)对应的调制解调器进行配置以便执行切换，并且通知网关关于射束切换事件、新的射束和射束将切换的时间。一旦切换朝给定网关的射束，处理器/路由器子系统308就可恢复正常操作。如图3所示，处理器/路由器子系统308可将从调制解调器306接收到的服务用户终端射束的数据包路由到连接到新的UAV初级网关射束的调制解调器310。
转向UAV的示例性终端天线和网关天线射束-
在高频诸如28GHz和47GHz(例如，根据ITU针对HAPS(高空平台)所推荐的)下，需要高用户终端和网关天线增益以在存在雨衰的情况下实现高数据速率。为了提供这样的高增益，天线射束宽度可低到几度。遗憾的是，从用户终端位置与UAV在一定高度处围绕其巡航的圆对向的角度远大于用户终端天线的此类射束宽度。因此，在本公开的一个示例性实施方式中，用户终端天线使其射束转向以便跟踪UAV的移动。由于UAV可具有各种不同移动模式，射束转向应当提供相对于UAV的仰角以及方位角(即，在至少两个轴上)。
普通技术人员将了解，用户终端可使用在仰轴和方位轴两者中形成的电子射束，在一个轴中为电子射束转向而另一轴中为机械转向，或者在两个轴中均为机械射束转向。各种射束转向系统与不同成本考虑相关联。例如，由于用户终端使其射束转向所必须的速率可相当低，因此利用小型电机也可促成机械射束转向。要求更快地转向的其他实现方式可基于电气射束成形等。
在一些实施方式中，射束转向可作为多种技术组合来完成。例如，用户终端或网关调制解调器使用例如数据包之前的前同步码测量SINR或者进行某种其他信号质量测量。天线转向机构对天线射束位置造成小的扰动并根据这些前同步码测量SINR。使用在不同射束扰动下测量的SINR，射束转向算法从测量到的位置中选择最佳射束位置。射束扰动和调整过程连续地对射束位置进行调整。其他信息诸如使用陀螺仪/加速度仪测量的UAV的基于GPS的位置、UAV的航向和/或UAV的滚动/倾斜将周期性地发送到用户终端和网关，并且还可协助使天线射束转向。
用于UAV射束成形的示例性相控阵列方式-
在一个示例性实施方式中，图2.1的天线固定装置200需要每射束有一个子孔204，并且产生其中射束不主动转向的固定聚束系统。从硬件和软件的角度看，固定射束成形方案的主要优点是其简易性。例如，并且现在参考图5，示出了用于形成朝M个不同终端的M个射束的基带电路500。图5的基带电路使用相控阵列方式来动态形成朝M个不同终端的多个射束。传输到M个不同终端的信号各自可来自于不同调制解调器。N个天线元件用来形成朝M个终端的射束。标注为j的朝终端的射束通过使目的地为用户j的信号乘以N个系数Cj1……CjN并将结果发送给N个天线元件来形成。系数Cj1……CjN确定朝第j个终端形成的射束的形状。为了形成所有M个射束，发送给对应于不同终端的每个天线元件的系数相加、上变换、放大，并应用到如图5所示对应天线元件。在考虑到本公开的内容的情况下，普通技术人员将容易地理解用于实现相控阵列方式的其他方法。
利用多个网关的示例性网关间通信量路由-
图4示出系统400的框图，所述系统400将通信量从UAV(通过通信有效载荷402)路由到网关404并且反之亦然。网络包括与UAV通信有效载荷(UCP)通信的多个网关404。网关通过有线或微波回程连接到核心网络元件(CNE)406。CNE是将UAV网络与互联网408的其余部分相连接的路由器。CNE具有IP地址池(典型地为IP子网)，所述IP地址池可为单独用户终端分配IP地址。CNE将所有数据通信量向和从UAV网络和互联网路由。
当UAV移动时，到网关的UAV无线电链路的信号质量将由于UAV滚动和移动和/或由于雨衰、大气效应等而改变。通常，网络部署被配置来确保至少一个网关将与UAV随时处于无线电联络。网关维持与CNE的IP隧道，并且还周期性地通知CNE其与UAV的链路的质量。
从用户终端到达UCP 402的数据将跨与用户的覆盖区相关联的全部网关404分布。网关继而通过回程和IP隧道将IP数据包发送到CNE 406。对于来自互联网的分配给UAV网络的IP地址池的数据，CNE使用多路径路由技术来使IP数据包跨不同网关分布。多路径IP路由将会将对应于相应UAV的每个网关的信号强度考虑在内，并且因此对数据进行分布以便确保递送。
将认识到，虽然本公开的某些方面根据方法步骤的具体顺序进行描述，但是这些描述仅是本公开的更广泛方法的说明，并且可根据特定应用需要来修改。在某些情况下，某些步骤可视为不必要或任选的。另外，某些步骤或功能可添加到所公开的实施方式，或者两个或更多个步骤的执行次序可置换。所有此类变化被认为是涵盖在本文公开和要求保护的公开内容内。
虽然以上详细描述已示出、描述和指出本公开的应用于各种实施方式的新颖特征，但应理解，在不背离本公开的情况下，本领域的技术人员可做出在所示的装置或工艺的形式和细节上的各种省略、代替和改变。该描述决不表示为限制性的，而是应被视为说明本公开的一般原理。本公开的范围应参考权利要求书来确定。

Claims (20)

1.一种用于使用无人机(UAV)提供宽带接入的系统，其包括：
第一天线系统，其包括多个第一天线子孔，其中每个第一天线子孔被配置来形成朝一或多个用户终端的至少一个第一射束；
第二天线系统，其包括多个第二天线子孔，其中每个第二天线子孔被配置来形成朝朝向配置用于提供到核心网络的连接性的一组地面网关中的一或多个网关的至少一个第二射束；
第一组无线电收发器和调制解调器，其配置来向/从所述一或多个用户终端传输和接收多个第一信号；
第二组无线电收发器和调制解调器，其配置来向/从所述一或多个网关传输和接收多个第二信号；以及
路由器/处理器子系统，其配置来在所述一或多个用户终端与所述一或多个网关之间路由数据包并且管理所述至少一个第一射束和至少一个第二射束。
2.如权利要求1所述的系统，其中：
所述多个第二天线子孔包括K个天线元件，其各自与相邻天线元件间隔大致半个波长；
所述第二天线子孔中的每个被配置来通过有一或多个适当相位的所述K个天线元件形成M个射束，并且
其中所述路由器/处理器子系统基于所确定的信号质量选择所述M个射束中的一个。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述路由器/处理器子系统被配置来：
根据与初级网关相关联的初级射束和至少另一候选射束上的接收信号，测量至少两个信号与干扰加噪声比(SINR)；
将与所述初级射束和所述至少另一候选射束相关联的所述至少两个SINR进行比较；并且
至少部分地基于所述比较确定应当何时将所述初级射束切换成所述至少另一候选射束。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述路由器/处理器子系统被配置来：
根据初级射束和至少另一相邻射束上的接收信号，测量至少两个信号与干扰加噪声比(SINR)；
将与所述初级射束和所述至少另一相邻射束相关联的所述至少两个SINR进行比较；并且
至少部分地基于所述比较确定应当何时将所述初级射束切换成相邻射束；并且
执行从所述初级射束到所述相邻射束的所述射束切换。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述路由器/处理器子系统被配置来：
确定实现给定射束的目标信号质量的最小发射功率；并且
调整与所述给定射束相关联的功率放大器以便实现所述最小发射功率。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述目标信号质量指示雨衰条件并且所述功率放大器的所述调整包括增大所述发射功率以便补偿所述雨衰条件。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述路由器/处理器子系统被配置来：
接收源于所述一或多个用户终端的射束改变请求；并且
执行所述射束改变请求以便切换用于所述一或多个用户终端的射束。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述路由器/处理器子系统被配置来：
根据与初级网关相关联的初级射束和至少一个不活动射束上的接收信号，测量至少两个信号与干扰加噪声比(SINR)；
将与所述初级射束和所述至少一个不活动射束相关联的所述至少两个SINR进行比较；并且
至少部分地基于所述比较确定应当何时将所述初级射束切换成所述至少一个不活动射束。
9.一种用于使用UAV提供宽带接入的天线固定装置，其包括：
多面天线结构，其包括多个孔，所述孔中的每个还包括多个子孔；
其中每个子孔负责形成至少一个射束。
10.如权利要求9所述的天线固定装置，其中所述多面天线结构包括相对于给定孔以一定角度放置的多个孔，以一定角度放置的所述多个孔进一步被配置来提供对所述天线固定装置的覆盖区域的边缘处的位置的覆盖。
11.如权利要求10所述的天线固定装置，其中所述多面天线结构进一步被配置来形成朝配置用于提供到核心网络的连接性的一组地面网关中的一或多个网关的至少一个射束。
12.如权利要求11所述的天线固定装置，其中所形成的至少一个射束源于相对于所述给定孔以一定角度放置的所述多个孔中的一个孔。
13.一种用于提供宽带接入的系统，其包括：
多个网关，所述网关中的每个被耦接到核心网络；
一或多个用户终端；以及
无人机(UAV)，所述UAV包括：
第一天线系统，其配置来形成朝所述一或多个用户终端的至少一个第一射束；
第二天线系统，其配置来形成朝所述一或多个网关的至少一个第二射束；
第一组无线电收发器和调制解调器，其配置来向/从所述一或多个用户终端传输和接收第一多个第一信号；
第二组无线电收发器和调制解调器，其配置来向/从所述一或多个网关传输和接收第二多个第二信号；以及
路由器/处理器子系统，其配置来在所述一或多个用户终端与所述多个网关中的至少一个之间路由数据包并且管理所述至少一个第一射束和至少一个第二射束。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述系统共同包括射束网络，所述射束网络具有至少三次频率复用，以使得给定射束分配有给定频率，从而使得与所述给定射束相邻定位的射束不会共享所述给定频率。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述频率复用减少相邻射束之间干扰，由此增大信号与干扰加噪声比(SINR)和所实现的数据速率。
16.如权利要求13所述的系统，其中所述多个网关包括设置在UAV覆盖区域的第一位置处的第一网关和设置在所述UAV覆盖区域的第二位置处的第二网关，所述第一位置和第二位置设置在所述UAV覆盖区域的相对端处，由此为所述系统提供网关分集。
17.如权利要求16所述的系统，其中当在UAV操纵期间所述第一网关无法为所述UAV提供到所述核心网络的连接性时，所述第二网关为所述UAV提供所述连接性。
18.如权利要求13所述的系统，其中所述UAV的所述路由器/处理器子系统被配置来：
根据与初级网关相关联的初级射束和至少另一候选射束上的接收信号，测量至少两个信号与干扰加噪声比(SINR)；
将与所述初级射束和所述至少另一候选射束相关联的所述至少两个SINR进行比较；并且
至少部分地基于所述比较确定应当何时将所述初级射束切换成所述至少另一候选射束。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述至少另一候选射束包括不活动射束。
20.如权利要求13所述的系统，其中所述UAV还包括功率管理子系统，所述功率管理子系统被配置来至少部分地基于测量到的大气条件，管理所述UAV的功率消耗。
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