CN107113053A - 用于宽带接入的无人驾驶载具(uav)网络中的波束形成和指向 - Google Patents

用于宽带接入的无人驾驶载具(uav)网络中的波束形成和指向 Download PDF

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CN107113053A
CN107113053A CN201580060510.0A CN201580060510A CN107113053A CN 107113053 A CN107113053 A CN 107113053A CN 201580060510 A CN201580060510 A CN 201580060510A CN 107113053 A CN107113053 A CN 107113053A
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Abstract

本发明公开系统和方法，其被配置来从一个或多个无人驾驶载具(UAV)朝向地面上的目标覆盖区域形成和指向波束。一个实施方案描述当每个UAV天线系统生成静态波束时，在多个UAV之间划分所述地面上的所述目标覆盖区域。另一个实施方案描述当多个UAV的天线系统能够动态地导向它们相应的波束时，在所述多个UAV之间划分所述地面上的所述目标覆盖区域。另一组实施方案描述允许多个UAV使用相同频谱在所述地面上的所述相同区域中提供服务的系统和方法。

Description

用于宽带接入的无人驾驶载具(UAV)网络中的波束形成和 指向
优先权
本申请要求2015年2月19日提交并且题为“BEAM FORMING AND POINTING IN ANETWORK OF UNMANNED AERIAL VEHICLES(UAVS)FOR BROADBAND ACCESS”的共同未决和共同拥有的美国专利申请序列号14/626,698的优先权，本申请要求2014年11月6日提交并且题为“BEAM FORMING AND POINTING IN A NETWORK OF UNMANNED AERIAL VEHICLES(UAVS)FOR BROADBAND ACCESS”的共同未决和共同拥有的美国临时专利申请序列号62/076,360和2014年11月17日提交并且题为“BEAM FORMING AND POINTING IN A NETWORK OF UNMANNEDAERIAL VEHICLES(UAVS)FOR BROADBAND ACCESS”的美国临时专利申请序列号62/080,856的优先权，所述申请中的每一个以引用的方式整体并入本文。
相关申请
本申请涉及2014年10月16日提交的、题为“UNMANNED AERIAL VEHICLE(UAV)BEAMFORMING AND POINTING TOWARD GROUND COVERAGE AREA CELLS FOR BROADBAND ACCESS”的共同拥有、共同未决的美国专利申请序列号14/516,491，2014年9月15日提交的、题为“ANTENNA MANAGEMENT AND GATEWAY DESIGN FOR BROADBAND ACCESS USING UNMANNEDAERIAL VEHICLE(UAV)PLATFORMS”的共同拥有、共同未决的美国专利申请序列号14/486,916，2014年6月3日提交的、题为“METHODS AND APPARATUS FOR MITIGATING FADING IN ABROADBAND ACCESS SYSTEM USING DRONE/UAV PLATFORMS”的共同拥有、共同未决的美国专利申请序列号14/295,160，以及2014年3月21日提交的、题为“BROADBAND ACCESS TOMOBILE PLATFORMS USING DRONE/UAV”的共同拥有、共同未决的美国专利申请序列号14/222,497，上述中的每一个以引用的方式整体并入本文。
背景技术
1.技术领域
本公开描述用于使用无人驾驶载具(UAV)作为在不同类型的终端之间中继互联网通信的平台进行宽带互联网接入的系统的方面。本公开描述用于朝向地面上的覆盖区域最佳地指向UAV的波束并且基于UAV的高度、UAV移动和UAV运动(诸如俯仰/横滚)朝向地面覆盖区域调整波束的系统和方法。
2.相关技术描述
由于近几年互联网通信量增加，需要新技术将宽带接入以更低成本递送至家庭和企业以及尚未覆盖的场所。当前宽带递送系统的实例包括陆地有线网络(诸如双绞线上的DSL(数字订户线路))、光纤递送系统(诸如FiOS(光纤服务))和地球同步卫星系统。当前宽带接入系统具有许多缺点。一个问题是在偏远和人烟稀少的区域中缺乏服务。地球同步卫星在许多发达国家的偏远区域中提供服务。然而，世界上具有相对不发达网络基础设施的区域缺乏足够的卫星能力。
在世界的某些地区中尚不能足够地提供卫星能力的值得注意的原因在于卫星系统的相对高的成本。由于卫星轨道中不利的大气效应，卫星硬件必须是空间适用的并且成本高。发射载具以使卫星进入轨道成本也高。此外，由于卫星的发射风险和高成本，存在确保卫星和发射的显著的成本。因此，宽带卫星系统和服务成本相对较高并且不适合那些地区。在人烟稀少的地区中部署陆地系统(诸如光纤链路或微波链路)成本也是高的。小密度的订户不足以负担部署成本。
附图说明
在下列附图中，类似部件使用相同参考标号标识。附图中的相同部件的多个实例通过在参考标号之后插入虚线并且添加第二参考标号加以区分。
图1A是一些实施方案的基于空中平台的通信系统的图形描绘。
图1B是一些实施方案的空中平台的无线电子系统的图形描绘。
图1C是一些实施方案的基于空中平台的通信系统的地面终端的无线电子系统的图形描绘。
图2A是由两个空中平台/UAV在地面上形成的一组波束的图形描绘。
图2B是根据实施方案的由三个空中平台/UAV在地面上形成的一组波束的图形描绘。
图2C是根据实施方案的由两个空中平台/UAV在地面上形成的一组波束的图形描绘。
图3A是在相同频率下向相同区域提供覆盖的两个UAV的图形描绘。
图3B是在相同频率下向相同区域提供覆盖的两个UAV的图形描绘。
具体实施方式
本公开描述被设计来提供宽带接入的系统的方面。本公开的实施方案应用到的空中平台可以是无人机、无人驾驶载具(UAV)、气球、飞艇、飞船等。无人机或UAV可包括推进系统、燃料系统和机载导航和控制系统。在一个示例性实施方案中，无人机包括与螺旋桨等组合的固定的机翼机身。在其他实施方案中，UAV包括由旋翼推进的无人驾驶攻击武装直升机。UAV可具有机载燃料或使用电能(例如，电池供电)和/或太阳能运行。在本公开的其余部分中，术语“空中平台”和“UAV”是指上述平台(诸如无人机、气球、飞艇、飞船等)中的任一种。相反地，在本公开中对UAV、无人机、气球、飞艇、飞船等的引用可总体上是指空中平台或任何其他类型的空中平台。
图1A示出一个UAV 110。每个UAV 110具有无人机无线电子系统112、消息切换子系统116和被配置来生成无线电覆盖的“波束”或“覆盖区”的至少一个无人机天线孔径子系统114。
图1B中示出的无线电子系统112的示例性框图由五个子系统组成：(1)接收器318，接收器318解调和解码从天线子系统114接收的信号；(2)发射器子系统316，发射器子系统316调制从处理器314接收的数据并且向功率放大器(PA)子系统317并且然后向天线子系统114发送所产生的信号；(3)处理器子系统314，处理器子系统314执行下述功能，诸如配置接收器318子系统和发射器316子系统，处理从接收器318子系统接收的数据，确定数据通过发射器子系统316传输，以及控制天线子系统114；(4)存储器子系统312，存储器子系统312包括由处理器314访问以供执行的程序代码、配置数据和系统参数信息；以及(5)陀螺仪/加速计/GPS(全球定位系统)子系统319，陀螺仪/加速计/GPS(全球定位系统)子系统319用来确定位置坐标和取向角(诸如UAV 110的俯仰/横滚角)。
取决于UAV 110的高度，每个UAV 110覆盖地面上的一区域。通常，覆盖区域可具有低至几十千米和高至200km或更大的半径，但相关领域中的普通技术人员将容易认识到更小和/或更大的覆盖区域是可能的。UAV 110与至少两种类型的地面终端通信：一种类型是用户地面终端(GT)120(参见图1A)，其可包括位于家庭或企业处被配置来向家庭或企业提供互联网连接的终端；第二种类型是互联网网关终端130，其在路径212和232上使用网关无线电子系统模块132和天线子系统134与UAV 110通信。虽然所公开的实施方案主要参考地面上的固定终端或装置进行论述，但是相关领域的普通技术人员将容易认识到，本文描述的原理等同地应用到移动平台(诸如船、游艇、飞机、卡车和/或其他移动平台/载具)的终端或装置。
GT 120分别在路径222和212上使用UAV 110作为中间体从互联网136向GWT 130传输和接收数据。GWT 130无线电子系统模块132可通过借助于局域网(LAN)、局域无线(例如，Wi-Fi)、蓝牙、蜂窝、无线电、红外线或任何其他类型的数据连接进行连接来与互联网136通信。用户装置(诸如个人计算机和移动装置)可通过多个代理装置在GT 120与用户装置之间的网络中连接到UAV 110。在一些实施方案中，UAV 110无线电子系统聚集从至少一个GT(多达所有的GT)120接收的通信量并且将所聚集的数据通过GWT中的一个发送至互联网136。为了支持聚集的数据流，GWT 130可能需要提供比GT 120更高的来自和去往UAV 100的数据速率，因此，GWT天线子系统134的增益可能大于GT 124的增益，并且GWT发射器可比GT 416在更高的功率下进行传输。
如图1A所示，GT 120具有两个主子系统：地面终端无线电子系统122和地面终端天线子系统124。如图1C所示，GT无线电子系统122由4个子系统组成：(1)接收器418，接收器418解调和解码来自无人机天线子系统114的信号；(2)发射器子系统416，发射器子系统416调制数据并且通过天线子系统124发送所产生的信号；(3)处理器子系统414，处理器子系统414执行下述功能，诸如配置接收器418子系统和发射器416子系统，处理从接收器418子系统接收的数据，确定数据以被传输通过发射器子系统416，以及控制天线子系统124；以及(4)存储器子系统412，存储器子系统412包括由处理器414访问的程序代码、配置数据和系统参数信息。
空中平台(诸如UAV 110)在三维区域中巡航。当UAV 110以圆形/椭圆形方式在其巡航轨道中并且也垂直地在“站点保持区域”(即，UAV 110的最高轨道610和最低轨道612)内移动时，空中平台110相对于地面上终端的位置改变。如果基于UAV 110的移动对由UAV110生成的波束不作出调整，那么当UAV 110垂直地移动时，地面上的由UAV天线子系统114照射的覆盖区域将改变。
图2A是由两个UAV 110-1和110-2组成的网络的巡航区域的示例性图。后缀1和2用来标示图2A中不同UAV的相同属性。顶部的实心圆圈610-1和610-2示出UAV 110-1和110-2在它们最高可能高度处的巡航轨道。下部的点圆圈612-1和612-2示出在它们最低巡航高度处的巡航轨道。通常，UAV 110将在给定高度处在轨道周围巡航但同时将缓慢地垂直向上或向下移动，这取决于一天中的时刻(以便例如减少功率消耗等)。除垂直移动之外，当UAV110在其巡航轨道中行进时，它还翻滚或俯仰。
本发明的各种实施方案的UAV 110可具有不同的轨道路径610。路径形状可包括椭圆形或大致圆形轨道。其他路径610、612包括星形图案、三叶草形、花形、数字8形或几乎任何可能的飞行路径。本领域中的技术人员还将理解，本公开设想了不仅仅平行于地面的轨道路径。轨道610、612还可包括实质上垂直的轨道或包括三维飞行路径的轨道。在一组实施方案中，轨道610、612还可以是随机的或在某些限制或空间边界内是随机的，或包括具有相异的有角拐角轨道(即，三角形、四边形或其他多边形轨道)。
本公开中的一组实施方案描述优化在地面上由多个邻近UAV 110形成的波束的网络的系统和方法。另一组实施方案描述UAV部署方案，由此多个UAV 110可向处于相同覆盖区域中、处于相同频率带上的地面终端120提供覆盖。
如图2A的实施方案中所示，两个UAV 110-1和110-2以及它们相应的覆盖区域614-1和614-2被划分成多个单元。地面上的所希望的目标覆盖区域被划分成多个单元，如从1-19和20-38范围变化的六边形单元所示。UAV 110形成波束以覆盖地面上的处于其目标覆盖区域614中的每个单元。图2A示出在地面上，UAV 110-1在目标覆盖区域614-1中生成一组波束1至19，并且UAV 110-2在其目标覆盖区域614-2中生成一组波束20至38的实例。如图所示，六边形示出每个波束的理想的覆盖。实际上，波束如由圆圈所示重叠在每个六边形单元上。在图2A的实例中使用了三的频率再用(即，被分配至服务的在规则图案的区域或单元中再使用的频率)。在示出的实施方案中，将可用频率带宽划分成三个带，并且将三个频率带以如下方式指配给邻近波束：一个UAV 110的覆盖区域内不存在两个相邻波束使用相同频率带。三种不同的点圆圈类型(点、点划线、划线)指示使用不同频率带的波束。频率再用三减少了邻近波束处的干扰并且提高了数据速率。由UAV天线子系统114形成的波束通常被设计成在单元边缘处相对于单元中心处的波束峰值增益具有2至3dB的滚降。其他实施方案可被设计成合并在大于或小于2至3dB的滚降的情况下由波束的峰值增益形成的波束。因此，波束覆盖比由六边形形状单元所示但处于较低增益处的面积更大的面积。
在本公开的一个实施方案中，UAV 110和地面终端天线子系统124由两个天线极化(诸如垂直线性极化和水平线性极化，或左圆极化和右圆极化)组成。UAV 110和地面终端无线电子系统124还由两个发射器和两个接收器组成，发射器和接收器中的每一个连接到两个天线极化中的一个。UAV 110和地面终端无线电子系统124能够传输和接收两个数据流(两个天线极化中的每一个上有一个数据流)，从而产生所谓的2x2多输入多输出(MIMO)配置。无线电子系统的每对传输/接收子系统在下文被称为收发器。如上文所述的所产生的2x2MIMO配置可使用相同量的频谱而产生几乎双倍的系统吞吐量。
在本公开的另一个实施方案中，修改版本的IEEE 802.11空气接口协议(大体也称为无线局域网(WLAN)和/或商标名称为“Wi-Fi”)由UAV 110和地面终端无线电子系统124作为通信协议使用。如上文所述，UAV 110形成多个波束以覆盖地面上的目标覆盖区域614。由UAV 110形成的波束中的每一个使用不同的收发器来发送数据和从处于那个波束中的地面终端120接收数据。IEEE 802.11规范使用载波侦测多路访问/冲突避免(CSMA/CA)协议作为当用户终端通过无线媒体传输数据时防止它们彼此干扰的方法。本公开的实施方案可使用如例如在IEEE 802.11中描述的CSMA/CA框架。
尽管CSMA/CA对通过Wi-Fi或LAN处置数据传递冲突是有效协议(其中所有的用户终端相对靠近基站)，但是CSMA/CA可对在点到多点系统中在长距离上(诸如在UAV 110与地面终端120之间)处置传输是无效的。在点到多点系统中在UAV 110与地面终端120之间的长距离上使用CSMA/CA可能是无效的，原因是由于更靠近UAV 110的地面终端120将总是能够比更偏远的终端更快地侦测信道可用性并且因此能够在偏远终端传输之前进行传输，因而它们将支配信道仲裁过程。这种效应有时也被称为“远近”问题。除CSMA/CA方案中的远近问题之外，在时分复用(TDD)模式(其被专用于与IEEE 802.11一起使用)中，两个通信链路在相同的频率信道上但在不同时间下通信；因此，当无线电彼此紧密接近部署时，无线电干扰便变成了问题。如果不同的发射器不同步并且收发器相隔较短距离，那么从一个发射器接收的信号可能非常强并且可能严重地降低处于相同位置处的所有无线电收发器的性能，即使邻近收发器可在不同的非重叠频率下操作并且具有在不同方向上指向的天线也是这样。在UAV平台110内部，地面终端120和网关收发器130可紧密接近地放置。
为了解决CSMA/CA相关的问题，地面终端120处的无线电子系统、网关130和UAV110可在IEEE 802.11PHY顶端上运行定制的媒体访问控制(MAC)层。在一个示例性实施方案中，MAC层将处置通过无线媒体传输和接收数据框架的挑战。为了避免使UAV 110处的一组发射器与另一组接收器发生干扰，UAV 110处的所有收发器必须同步，使得它们几乎同时传输并且然后几乎同时进入接收模式。在使收发器同步的一个实施方案中，来自UAV 110处的GPS接收器319的定时信号用来向所有的收发器提供共同的时钟，并且由此使UAV 110内的收发器同步。在用于使收发器同步的另一个实施方案中，UAV 110处的收发器中的一个充当主装置并且将其时钟定时发送至使它们的时钟同步的剩余的收发器。时钟定时可以物理方式通过金属线从主收发器发送至UAV 110内的其他收发器；或主收发器可发送携带主收发器的时钟定时的信标消息并且UAV 110内的剩余收发器使它们的时钟与信标消息中的定时信号同步。
一旦UAV 110处的对应于不同UAV波束的所有收发器的定时同步，那么需要一种机制来解决上文所述的远近问题。在一个实施方案中，将时间划分成间隔并且将每个时间间隔进一步划分成下行链路子间隔和上行链路子间隔。将每个子间隔进一步划分成时隙。每个间隔中的第一子间隔专用于下行链路传输并且被称为下行链路子间隔，其中UAV 110处的对应于每个波束的收发器向它们波束内的不同终端传输数据。在用于向地面终端120发送数据的另一个实施方案中，UAV 110处的在给定波束中与地面终端通信的收发器在下行链路子间隔期间以轮转法的方式向不同地面终端120传输数据。在UAV 110在上行链路上向不同地面终端120分配时间的一个实施方案中，地面终端120在一个上行链路子间隔期间向UAV收发器发送它们的上行链路带宽要求。然后，在下行链路子间隔跟随上述上行链路子间隔期间，对应于波束的UAV发射器在上行链路上向用于下一个上行链路子间隔的每个终端分配时间。换句话讲，在一个上行链路子间隔中，地面终端120基于在先前下行链路子间隔中分配给每个终端120的时间来向它们波束的UAV收发器发送数据，并且也向UAV收发器发送它们针对下一个上行链路子间隔的上行链路带宽要求。在每个上行链路子间隔中，将某些时隙分配给地面终端120，在所述某些时隙中地面终端120发送它们的上行链路带宽要求。
为了增加在UAV 110的覆盖区中提供的吞吐量，可增加每个波束中使用的频谱量或增加用来覆盖给定覆盖区的波束的数量。例如，如图2A中所示的覆盖区域614-1由三个环组成——第一个环具有单元1，第二个环在第一个环(单元1)周围添加单元2至7，并且第三个环在第二个环周围添加单元8至19——向UAV 110-1的波束网络添加又一些单元和波束环将在第三个环周围将另外的18个波束添加到第四个环中，从而导致在覆盖区域614-1中产生总共37个波束。第五个波束环将添加另外的24个波束，从而导致在圆形覆盖区中产生总共61个波束。因此，根据本公开，用来覆盖UAV 110的所需覆盖区的单元和波束环的数量取决于所希望的吞吐量并且可根据实行适当的覆盖所希望或所需要来进行调整。
返回图2A，在UAV静态波束形成机制中(例如，在当UAV 110在其轨道614中巡航时，UAV天线子系统114不能使每个波束通过机械或电子波束导向在给定方位处指向的情况下)，当UAV 110巡航时，由UAV 110在地面上形成的波束将在圆圈(或其他轨道)内移动。在这种情况下，圆圈614-1和614-2内所示的波束在相应UAV 110在其轨道中行进时将绕覆盖区域的中心旋转。当波束在地面终端120上移动并且相邻波束向终端提供更好的覆盖时，地面终端将切换至具有更好覆盖的波束。这种类型的静态UAV波束形成的优点在于它减少了UAV天线子系统114的复杂性。
在静态UAV波束形成的一个实施方案中，由不同UAV 110形成的波束可由于UAV110的不同移动而在地面上以不同速率旋转。换句话讲，在静态UAV波束形成的情况下，在处于两个不同UAV 110之间的边界处的某些波束可使用相同频率带结束。在这种情况下，位于使用相同频率带的边界波束处的吞吐量可低于进一步处于每个覆盖区域内部的波束的吞吐量。提高使用相同频率的边界波束处的数据速率的一种方法将是以时分复用(TDM)的方式在两个UAV 110的边界波束之间使用相同的频率带。例如，处于UAV 110-1的波束12的边界处和UAV 110-2的波束37的边界处的终端可使用相同的频率但处于不同时间下，其中在给定时间下，仅UAV 110中的一个在其覆盖区域中正在向终端120传输。
在另一个实施方案中，将处于相同频率边界单元中的可用频谱划分成两个频率子带，并且将每个子带指配给相邻边界波束中的一个。换句话将，在处于每个覆盖区域内的波束中，可使用第一频率再用因子(例如，三(3))，但对于处于某些边界处的单元，有效频率再用将是双倍的(例如，六(6))。以此方式，处于那些边界处的波束可共享可用频谱。
在某些邻近边界波束之间划分频谱与处于覆盖区域内部的波束相比成比例地减少了波束中的吞吐量。因此，在一些变型中，由于可用频率带的划分，UAV无线电子系统112向与其他波束相比具有减少频谱的波束分配更多的传输功率以补偿由于可用频带的分割而导致降低的吞吐量。另外的传输功率以更少频谱增加了波束中的每单位频谱带宽的吞吐量。具有更大覆盖区域或更高通信量强度的波束的吞吐量还可通过增加对应波束中的传输功率来增加。以此方式，需要波束传输功率控制来基于波束的覆盖区域、通信量要求和频谱分配的量来调整不同波束的吞吐量。此外，波束传输功率控制还可用来响应于雨衰而调整波束功率。因此，分配给波束的功率放大器(PA)317将基于上述条件在一定动态范围上进行调整。处理器子系统314知道每个波束的通信量要求、分配频率、覆盖区域和/或大气条件。基于上述信息，处理器314确定将所需功率分配给每个波束并且命令无线电子系统112相应地针对每个波束对PA子系统317的功率进行调整。
在一些实施方案中，PA 317的动态范围较大并且PA输出与输入功率可具有线性要求。在这类实现方式中，PA 317的功率消耗可能是大的，因为PA 317必须被偏置来覆盖大的动态范围。在这种情况下，PA偏置将较大，从而导致高的PA功率消耗，即使实际的PA传输功率较低时。因为UAV 110的可用功率可能受限，所以可能需要用于最小化PA 317的功率消耗同时在宽的动态范围内允许PA传输功率控制的机制。在一个示例性实施方案中，将功率控制的所需动态范围划分成N个功率子范围以最小化PA功率消耗。PA 317被设计成包括多个偏置点，其中每个PA偏置点对应于N个功率子范围中的一个。然后，当PA 317在第j个功率子范围中操作时，对应于第j个功率子范围的第j个PA偏置点将由PA 317使用。换句话讲，PA偏置可对特定功率子范围进行最优化，在所述特定功率子范围处PA 317接受功率控制算法命令以进行操作。当PA传输功率处于更低子范围处时，PA偏置也被设定成更低，从而导致比具有单一但更大偏置的PA 317更低的PA功率消耗。
图2B示出在其中三组波束由三个邻近UAV 110形成的替代性配置。在三个UAV 110可以不同速度巡航并且采用UAV天线静态波束形成的假设下，那么处于覆盖区域614-1、614-2和614-3的边界处的波束可在某个时间下使用如上所论述的相同频率带。如上所述，UAV波束通常被设计成在地面上的单元边缘处滚降2至3dB。因此，UAV波束仍提供超过单元边缘但处于更低增益处的覆盖。更直接来说，由UAV 110形成的波束可向比由图2B中的六边形边界指定、但具有更低增益的更大区域提供覆盖。可见，不存在直接覆盖区域615的专用波束，在区域615附近三个覆盖区域614-1、614-2和614-3相交。然而，如图所示，区域615邻近于由波束27和54覆盖的区域。如上文所论述，使用如在波束27和54上由点圆圈指示的相同频率带的边界波束中的一些(诸如波束27和54)可划分处于两个波束之间的可用频率以减少同信道干扰并且提高数据速率。由于边界波束54和27“渗透”到更大区域中并且与其他波束相比有效地进入一半频谱，那么如上所论述，UAV可增加被分配给这些波束的功率以提高它们的吞吐量并且补偿它们更小的频谱和更大的覆盖。
本公开的另一个实施方案描述系统和方法，所述系统和方法用来当UAV天线子系统114在波束可保持固定在预定地面位置上的情况下有能力响应于UAV 110移动而动态导向其波束时，管理多个相邻UAV 110之间的波束组。动态波束形成可使用机械或电子波束导向机制实现。UAV天线子系统114定期地从UAV 110的加速计/陀螺仪/GPS子系统319接收UAV位置方位坐标以及UAV取向角。UAV天线子系统114然后使用更新的UAV位置坐标和取向角来导向波束以保持固定在它们在地面上指配的位置中。因此，即使当UAV 110移动时，波束可保持固定到它们指配的位置。
在动态UAV波束导向的情况下，覆盖不同单元的波束保持固定在那些单元上并且随时间大致上不移动。在这种情况下，在地面上的单元1-75之间设计频率再用方案是可能的，使得甚至对应于不同UAV 110的边界单元和波束使用不同频率。图2C示出在多个UAV110之间对覆盖区域616内的单元进行有效划分的一个实施方案。之后，在覆盖将要由多个UAV 110服务的区域的单元上叠加频率再用(如再用三)。接着，在不同UAV 110的覆盖区域之间划分单元1-75。图2C示出如何将地面覆盖区域的一部分划分成两个区域614-1和614-2，每个区域由不同UAV 110覆盖。在这个实例中，由每个UAV 110提供的覆盖区域近似为正方形。在对应于两个区域614-1和614-2的UAV 110之间划分单元的一种可能的原理是如果至少50％的单元区域由对应的UAV 110覆盖，那么将这个单元指配给这个UAV 110。例如，单元46、47和48将不会被指配给覆盖区域614-1，因为614-1覆盖少于50％的上述单元。但是单元41和42被指配给覆盖区域614-1并且由向614-1提供覆盖的UAV 110服务。覆盖50％的单元区域的情况可通过任意的、预定的或交替的指配(或如果并不总是固定的，那么就进行时间平均，如下文即将论述的)解决。可使用用于针对不同UAV 110划分覆盖区域的各种方案。可将区域616的剩余部分类似地指配给其他UAV 110。
在另外的实施方案中，其他覆盖标准用来确定单元指配。例如，在一些实施方案中，除非UAV 110可覆盖绝大多数区域(例如，75％)(高达100％)，否则就不将单元指配给UAV 110。在其他实施方案中，可向UAV 110指配具有更少覆盖(例如，低于50％)的单元。此外，实施方案也可使用其他标准而不是仅覆盖区域来确定是否应将单元指配给特定UAV110(诸如UAV 110以及它们配置中的个别项)和/或网络考虑因素(例如，当前使用、历史使用、预测使用等)。
在其他实施方案中，取决于对来自UAV 110的加速计/陀螺仪/GPS子系统319的UAV位置和取向的更新的周期，波束位置可如上文实施方案所描述的保持固定或允许移动远离它们的原始位置一段时间。如果UAV坐标被缓慢更新，那么波束位置也将相应地被调整。取决于与特定地面位置相关联的连接需求，这种配置可减少操作成本，例如UAV 110上的电池寿命。具有敏感资源考虑因素的基础设施或区域可由此选择增加更新周期以减少保养成本。
现参考图3A和图3B，描述UAV部署策略，由此多个UAV 110可向它们处于相同覆盖区域中和处于相同频率带上的相应地面终端提供覆盖。在部署方案的示例性实施方案中，将允许两个不同的操作者使用相同频谱向它们处于相同地理区域中的相应客户提供宽带服务。图3A示出在轨道610-1和610-2中巡航的两个UAV 110-1和UAV 110-2。两个UAV 110-1和UAV 110-2的覆盖区域614-1和614-2如由具有不同类型的虚线的两个圆圈所示重叠。UAV110-1与UAV 110-2之间的分隔通过将两个UAV 110-1和UAV 110-2的巡航轨道隔开并且也将UAV 110-1和UAV 110-2放置在它们相应的巡航轨道610-1和610-2中以进一步增加UAV110-1与UAV 110-2之间的分隔来实现。
与具有单独的巡航轨道610-1和610-2相反，UAV可在它们的巡航轨道中重叠，如图3B中所描绘。UAV 110-1和UAV 110-2共享相同的巡航轨道610，但是两个UAV 110-1和UAV110-2以为了维持两个UAV 110-1和UAV 110-2之间的一定分隔距离的方式巡航。每个UAV110-1和110-2提供到不同组的地面终端120的连接。图3A和图3B示出与UAV 110-1通信的地面终端120-1，以及与UAV 110-2通信的地面终端120-2。如果UAV 110-1和UAV 110-2两者在相同覆盖区域614中使用相同频率带，那么与第一UAV 110-1通信的地面终端120必须部署指向UAV 110-1的第一定向天线，以便衰减从由第二UAV 110-2传输的信号接收的干扰。地面终端120-1将其波束指向UAV 110-1。如果在两个UAV 110-1与UAV 110-2之间存在空间分隔并且地面终端120-1的衰减波束被选择成足够窄，那么地面终端120-1衰减波束的旁瓣将使从UAV 110-2接收的信号衰减。朝向UAV 110-2的所需地面终端110-1天线旁瓣衰减取决于地面终端120-1处的所希望的信号干扰比(S/I)。所希望的S/I越大，朝向干扰的UAV 110的地面终端波束旁瓣的所需衰减就越大，这进而需要地面终端天线波束的更窄的波束宽度。地面终端天线波束的所需波束宽度还取决于两个UAV 110-1和UAV 110-2的空间分隔。两个UAV 110-1和UAV 110-2靠得越近，地面终端的波束宽度必须越窄，以便维持来自干扰的UAV 110的干扰低于阈值。因此，一旦指定在地面终端处接收的所需S/I和两个UAV 110-1和UAV 110-2的最小分隔，那么可针对指定覆盖区域614中的每个地面终端方位计算地面终端波束的所需波束宽度。地面终端天线波束的波束宽度从所有的地面终端方位中被选择成最小波束宽度。在其他实施方案中，多于两个UAV 110-1和110-2可共享相同的巡航轨道610。
因此，通过将UAV 110-1与UAV 110-2之间的距离在巡航轨道610中足够地分隔，通过选择足够窄的波束宽度地面终端天线波束图案以及通过将每个地面终端天线的波束指向与其通信的UAV 110-1或UAV 110-2，对于多个UAV 110-1和UAV 110-2来说，向处于相同覆盖区域中的地面终端120提供服务并且使用相同频谱是可能的。这种UAV部署方案允许由处于相同地理区域中的多个UAV 110再使用相同频谱，由此使得有效地使用可用频谱。应注意，服务相同地理覆盖区域的不同的UAV 110可属于不同的服务提供商。不同的服务提供商需要一致同意目标S/I，并且然后计算所需UAV分隔和地面终端天线波束宽度/图案以实现目标S/I。所需UAV分隔和地面终端天线图案将被指定为由不同UAV服务提供商遵循以实现目标S/I性能要求的规则。
在另一种配置中，UAV 110-1和110-2的巡航轨道610-1和610-2可部分地重叠，只要UAV被定位成以便不使路径在巡航轨道610-1和610-2的交点处交叉。地面终端天线波束的波束宽度可能不需要与在图3B的配置中一样窄，因为可足够分隔UAV 110-1和UAV 110-2。如果UAV 110-1和UAV 110-2轨道以一定方式在它们(例如，在相同方向上并且并行的UAV110-1和UAV 110-2轨道)之间维持大致固定距离，那么尤其如此。在恒定的距离变型中，地面终端波束的波束宽度将保持相对恒定，从而减少来自/到其他UAV 110-1和UAV 110-2的干扰。另一方面，如果UAV 110-1与UAV 110-2之间的距离继续变化(例如，UAV 110-1和UAV110-2以不同速度和不同角度绕轨道而行)，那么将存在UAV 110-1与UAV 110-2之间的动态变化范围的距离。UAV 110-1和UAV 110-2必须通过基于由不平坦的轨道路径产生的变化的距离而调整它们的波束宽度来补偿。在技术限制或其他信号干扰使得难以恒定地发射具有较窄波束宽度的波束的情况下，或在空域受限于比将巡航轨道610-1和610-2完全地分隔所需的更小区域的情况下，轨道的部分重叠可提供折衷。
在一些实施方案中，当GT使用足够窄的波束宽度天线并且不同的UAV(如图2B所示)如在先前段落中所描述被足够地分隔时，那么与一个UAV的边界覆盖区域单元(例如，UAV 110-1的单元11)通信的地面终端可从相邻UAV 110-2和UAV 110-3接收可忽略不计的干扰，即使相邻单元27和54使用与单元11相同的频率。因此，处于多个UAV的覆盖区域边界处的单元可在那些单元中具有到GT的可忽略不计的干扰的情况下使用相同频率带并且无需进一步在边界单元之间划分时间或频率。
此外，在另外的实施方案中可以设想UAV 110可能够与其他UAV 110通信(或感应其他UAV 110的存在或位置)以确定适当距离、速率和PA输出。可以设想，UAV 110可取决于其他UAV 110的位置或移动来改变位置和/或轨道。例如，如果UAV 110中的一个离线，那么其他UAV 110可补偿。另外，对UAV 110的管理可从地面上的终端发生并且可以是手动的或自动的。应认识到，虽然本公开的某些方面按照方法的特定步骤顺序进行描述，但这些描述仅是本公开更广泛方法的说明并且可如特定应用所需要的来进行修改。某些步骤可在某些情形下视为不需要的或者是任选的。另外，可将某些步骤或功能添加到所公开的实施方案或可变更两个或更多个步骤的执行顺序。所有这类变化都被认为是包括在本公开和本文的权利要求书内。
还应理解，虽然本文描述的各种方法和设备的某些步骤和方面可由人执行，但是所公开的方面和各个方法和设备大体是计算机化的/计算机实现的。出于任何数量的原因包括但不限于商业生存力、实践性以及甚至可行性(即，某些步骤/过程仅仅不能由人以任何可行的方式执行)，计算机化的设备和方法需要完全地实现这些方面。
虽然上文的详细描述已经在应用于各种实施方案时示出、描述并指出本公开的新颖特征，但是应理解，在所示出装置或过程的形式和细节上的各种省略、代替和改变可在不背离本公开的情况下由本领域技术人员做出。前面的描述是当前所能设想到的执行本公开的最佳模式。这种描述决不意图限制但应采用本公开的一般原则的说明。本公开的范围应参考权利要求书来确定。

Claims (32)

1.一种无人驾驶载具(UAV)设备，其被配置来朝向地面区域上的至少一个目标覆盖区形成天线波束，所述UAV设备包括：
天线固定件，所述天线固定件被配置来形成一个或多个波束；
多个发射器，所述多个发射器被配置来向位于所述地面区域上的所述至少一个目标覆盖区内的多个地面终端传输第一信号；
多个接收器，所述多个接收器被配置来从所述多个地面终端接收第二信号；
处理器；以及
可操作来在所述处理器上运行的至少一个计算机程序，所述计算机程序包括一个或多个指令，所述一个或多个指令被配置来在由所述处理器执行时致使所述UAV设备执行以下操作：
在包括至少一个单元的所述地面上形成至少一个波束；
其中所述至少一个单元包括所述多个地面终端中的至少一个地面终端；并且
其中所述UAV设备在所述地面区域上方维持轨道。
2.如权利要求1所述的UAV设备，其中：
所述天线固定件被配置来形成静态波束以覆盖所述地面区域上的所述至少一个目标覆盖区；并且
所述至少一个目标覆盖区包括圆形区域。
3.如权利要求2所述的UAV设备，其中：
所述圆形区域内的邻近波束使用不同的频率带。
4.如权利要求2所述的UAV设备，其中：
邻近波束通过时分多路复用(TDM)方案共享相同频率带。
5.如权利要求2所述的UAV设备，其中：
邻近波束通过将相同频率带划分成一个或多个子带来共享相同频率带。
6.如权利要求1所述的UAV设备，其中：
所述天线固定件还被配置来导向所述一个或多个波束以便当所述UAV设备维持所述轨道时保持固定在所述地面区域上的所述至少一个目标覆盖区上。
7.如权利要求6所述的UAV设备，其中：
所述地面区域上的所述至少一个目标覆盖区被划分成多个邻接单元；并且
所述多个邻接单元被划分成至少两个子区，其中所述至少两个子区中的每一个中的至少一个单元由不同UAV的波束形成。
8.如权利要求7所述的UAV设备，其中当所述子区中的一个覆盖处于所述至少两个子区之间边界处的单元的大多数区域时，将所述边界处的所述单元指配给所述子区中的所述一个。
9.如权利要求1所述的UAV设备，其中每个发射器还包括功率放大器并且所述功率放大器的传输功率通过功率控制机制可调整。
10.如权利要求9所述的UAV设备，其中：
所述功率控制机制的范围被划分成多个功率子范围；
所述功率放大器特征在于多个偏置点，所述多个偏置点中的每一个对应于所述多个功率子范围中的不同的一个；并且
所述功率放大器的所述多个偏置点中的至少一个被设定成所述多个功率子范围中的对应的一个。
11.如权利要求1所述的UAV设备，其中所述至少一个目标覆盖区包括矩形区域。
12.一种地面终端设备，其包括：
终端天线固定件，所述终端天线固定件被配置来朝向一个或多个无人驾驶载具(UAV)形成第一波束，所述终端天线固定件被配置来导向其所述第一波束以在所述一个或多个UAV维持一个或多个对应轨道时追踪所述一个或多个UAV的位置；
多个无线电发射器，所述多个无线电发射器被配置来向所述一个或多个UAV传输第一信号；以及
多个接收器，所述多个接收器被配置来从所述一个或多个UAV接收第二信号。
13.如权利要求12所述的地面终端设备，其中所述一个或多个UAV中的至少第一UAV和第二UAV共享频率带。
14.如权利要求13所述的地面终端设备，其中所述至少第一UAV和所述第二UAV被配置来维持分隔的最小距离。
15.如权利要求14所述的地面终端设备，其中：
所述终端天线固定件包括定向天线，所述导向包括朝向所述第一UAV的位置指向其波束。
16.如权利要求15所述的地面终端设备，其中：
所述分隔的最小距离基于来自所述第一UAV的所接收信号与从所述第二UAV接收的干扰信号总和的最小特定比值来确定。
17.如权利要求12所述的地面终端设备，其还包括被配置来与具有互联网连接的网络通信的网络接口。
18.如权利要求17所述的地面终端设备，其中所述互联网连接由局域无线或有线连接实现。
19.如权利要求12所述的地面终端设备，其还包括与基本接近于地面区域的用户装置进行数据通信的网络接口。
20.一种通过无人驾驶载具(UAV)中继互联网通信量的方法，所述方法包括：
使多个地面终端中的每一个与多个单元中的相应各个相关联；
从网关设备接收所述UAV处的数据，所述网关设备与互联网进行数据通信；以及
向所述多个单元传输包括所述接收数据的至少一部分的波束，所述多个地面终端中的所述相关联的各个与所述UAV进行数据通信；
其中所述多个单元中的邻近各个在不同频率下接收所述波束。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述UAV和所述多个地面终端中的至少一个地面终端包括由两个天线极化组成的天线子系统。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述两个天线极化包括垂直线性极化和水平线性极化。
23.如权利要求21所述的方法，其中所述两个天线极化包括左圆极化和右圆极化。
24.如权利要求21所述的方法，其中所述UAV和所述至少一个地面终端两者包括两个发射器链和两个接收器链，并且其中所述发射器链和所述接收器链中的每一个连接到所述两个天线极化中的一个。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述UAV和所述至少一个地面终端被配置来传输和接收两个数据流，所述两个天线极化中的每一个上有一个数据流。
26.如权利要求20所述的方法，其中所述UAV形成多个波束以覆盖所述地面上的目标覆盖区域。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述多个波束中的至少第一个和第二个使用不同的收发器。
28.如权利要求20所述的方法，其中所述UAV和所述地面终端根据IEEE 802.11物理空气接口协议进行通信。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述UAV和所述地面终端被配置来执行IEEE802.11媒体访问控制(MAC)层，所述IEEE 802.11媒体访问控制层被配置来与从全球定位系统(GPS)接收器生成的定时信号同步。
30.如权利要求28所述的方法，其中所述UAV和所述至少一个地面终端被配置来执行IEEE 802.11媒体访问控制(MAC)层，所述IEEE 802.11媒体访问控制层被配置来与主UAV收发器同步。
31.如权利要求30所述的方法，其中所述主UAV收发器向所述UAV内的至少一个其他收发器提供时钟定时参考。
32.如权利要求30所述的方法，其中所述主UAV收发器通过信标消息向所述UAV提供时钟定时参考。
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