CN107431508B - 用于与用户天线进行通信的过程和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于进行协同空中天线间波束成形以便在(a)多个移动平台与(b)安装在用户设备上的至少一根天线之间进行通信的过程，每个平台具有安装在其上的空中天线，使得所述空中天线具有随时间的推移可变的位置和取向，并且所述用户设备具有低于所述空中天线的海拔；所述过程包括将与所述空中天线的所述位置和所述取向相关的数据发射到处理系统，所述处理系统计算波束成形指令并将其发射至所述空中天线，所述空中天线由此发射或接收每根用户天线的对应分量信号，每根用户天线的所述分量信号具有基本上相同的信息内容但是它们的相位并且通常幅度是不同的，以便根据所述空中天线与所述用户天线之间的所述信号的协同总和形成协同波束。一种确定移动空中天线或天线元件的位置的方法，所述移动空中天线或天线元件安装在至少一个移动平台上，使得所述空中天线具有随时间的推移可变的位置和取向，所述方法包括：确定已知波长为λi的信号之间的相位差yi，所述相位差是值为0与1之间的波长的一部分，所述信号在(a)i个基于地面的发射器与(b)所述空中天线或天线元件之间进行发射，所述基于地面的发射器可以是回程基站，其中，i为至少三，所述基于地面的发射器具有已知在λi/10内的位置，从而将所述基站到所述空中天线或天线元件的距离确认为λi(ni+yi)，其中，ni是未知整数；通过差分GPS或其他方法近似地将所述空中天线或天线元件的位置确定为在少量波长λi内，从而确定ni可以是每个信号的有限数量的可能整数值中的一个；所述基站的数量及其位置足以允许消除与来自其他基于地面的发射器的ni的有限数量的可能值不一致的ni的可能值，直到针对每个ni仅确立一个整数值；通过三角测量所述空中天线或天线元件的距至少三个基于地面的发射器的已知距离λi(ni+yi)来确定所述空中天线或天线元件的位置。

Description

用于与用户天线进行通信的过程和装置
技术领域
本发明涉及利用多个相控阵列天线的空中天线间波束成形，其使得能够递送信息服务，包括电信、地球观测、天文和定位服务。它还使得能够以类似的方式使用多个常规天线。
背景技术
高空平台(High altitude platforms)(飞行器以及位于从10km至35km海拔处的比空气轻的结构)——HAPS，已经被提出用于支持宽范围的应用。越来越感兴趣的领域是电信、定位、观测和其他信息服务，并且具体地是提供高速互联网、电子邮件、电话、电视服务、游戏、视频点播、地图服务和全球定位。
高空平台由于更接近地球表面、典型地在大约20km海拔处操作而具有优于卫星的若干优点。地球同步卫星位于大约40,000km海拔处，并且近地轨道卫星通常在大约600km至3000km海拔处。卫星存在于较低的海拔处，但它们的寿命非常有限，从而带来经济影响。
与卫星相比，高空平台的相对接近度导致从源发射信号的时间和接收答复的时间要短得多(这对系统的“延迟”具有影响)。此外，高空平台处于标准移动电话的发射范围内，以用于信号功率和信号延迟。任何卫星都超出正常地面移动电话网络的范围，从而在没有特别大型天线或专用天线的情况下进行操作。
高空平台还避免了卫星所需的火箭推进发射，其中卫星的高加速度和振动以及高发射故障率伴随着对卫星成本的影响。
与卫星有效载荷相比，高空平台上的有效载荷可以容易地并以适度的成本恢复。较短的开发时间和较低的成本起因于不太苛刻的测试要求。
美国专利7,046,934公开了用于与卫星结合来递送信息服务的高空气球。
US 20040118969 A1、WO 2005084156 A2、US 5518205A、US 2014/0252156 A1公开了高空飞行器的具体设计。
然而，为从高空平台提供可靠的信息服务存在着许多且重大的技术挑战。每单位地面面积的可靠性、覆盖范围和数据容量是移动电话、设备通信系统、地球观测和定位服务的关键的性能标准。
政府监管机构通常定义由发射电磁辐射的系统使用的频率和带宽。波长越短，对给定的一部分带宽可能的数据速率越高，但是穿过障碍物(诸如雨水或墙)的衰减越大，并且具有更有限的可以用于提供良好覆盖的衍射。这些约束导致在世界的大部分地区选择在0.7与5Ghz之间的载波频率以及典型地10至200MHz的带宽。
存在对每单位地面面积的高数据速率的需求，即从量级1-10Mbps/平方千米的当前水平迅速增加。
为了提供每单位地面面积的高数据速率，高空无人驾驶的长航时(HALE)飞行器、或自由飞行浮空器或系留浮空器将需要承载(多根)大型天线来区分紧密基于地面的收发器。较大直径的天线导致系统的较小的角分辨率，因此系统可以分辨的地面上的距离越短。最终，分辨率由本领域技术人员熟知的“瑞利准则”确定。天线分辨率越高，每单位地面面积的潜在数据速率越高。
然而，使用当前或设想的平台技术将一根或多根直径为50米或更大的极大直径的天线装配到平台上是不可行的。
在以下文献中已经考虑将相控阵列数字“波束成形”(DBF)和多波束喇叭(MBH)天线用于高空平台：例如，R.Miura和M.Suzuki，“针对使用高空平台站的电信和广播的初步飞行测试程序(Preliminary Flight Test Program on Telecom and Broadcasting UsingHigh Altitude Platform Stations)”，Wireless Pers.Commun.，An Int’l.J.，Kluwer学术出版社，第24卷第2期，2003年1月，第341-361页。其他参考文献包括：
http：//ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp？arnumber＝620534，
http：//ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp？arnumber＝933305，
http：//digital-library.theiet.org/content/journals/10.1049/ecej_20010304，
http：//digital-library.theiet.org/content/journals/10.1049/el_20001316
http：//ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp？arnumber＝4275149&page Number％3D129861
然而，现有技术表明，使用高空平台并不代表着一种用于提供下一代高速率通信手段的有前途的方式。
发明内容
在第一方面，本发明涉及一种用于进行协同空中天线间波束成形以便在(a)多个移动平台与(b)安装在用户设备UE上的至少一根天线之间进行通信的过程，每个平台具有安装在其上的空中天线，使得一根或多根空中天线具有随时间的推移可变的位置和取向，并且所述用户设备具有低于所述空中天线的海拔；所述过程包括将与所述空中天线的位置和取向相关的数据发射到处理系统，所述处理系统计算波束成形指令并将其发射至所述空中天线，所述空中天线由此发射或接收每根用户天线的对应分量信号以便能够实现与至少一根用户天线的通信，从所述空中天线接收或发射的每根用户天线的所述分量信号具有基本上相同的信息内容但是它们的相位并且通常幅度是不同的，以便根据所述空中天线与所述用户天线之间的所述信号的协同总和形成协同波束。
此外，本发明涉及一种用于进行协同空中天线间波束成形以便在至少两根空中天线与安装在用户设备上的至少一根天线之间进行通信的过程，所述至少两根空中天线安装在至少一个移动平台上，使得所述空中天线中的一根或多根具有随时间的推移可变的位置和取向，并且所述用户设备具有低于所述空中天线的海拔；所述过程包括将与所述空中天线的位置和取向相关的数据发射到数据处理系统，处理系统计算波束成形指令并将其发射至所述空中天线，所述空中天线由此发射或接收每根用户天线的对应分量信号，每根用户天线的所述分量信号具有基本上相同的信息内容但是它们的相位和幅度不同，以便根据所述空中天线与所述用户天线之间的信号的协同总和形成协同波束，所得到的协同波束因此具有与由大到足以涵盖所述至少两根空中天线的位置的概念上的单根空中天线形成的波束相同或类似的特性。
术语“相同或类似的”是指诸如波束大小的特性。
在第二方面，本发明涉及用于提供通信网络以便在(a)多个移动平台与(b)安装在用户设备上的至少一根用户天线之间进行通信的装置，每个平台具有安装在其上的空中天线，使得一根或多根空中天线具有随时间的推移可变的位置和取向，并且所述用户设备具有低于所述空中天线的海拔；所述网络包括数据处理系统，所述数据处理系统被适配成接收与所述空中天线的位置和取向相关的数据，所述处理系统进一步被适配成计算波束成形并向所述空中天线发射波束成形指令，所述空中天线被适配成生成或接收每根用户天线的对应分量信号，每根用户天线的所述分量信号具有基本上相同的信息内容，但是它们的相位和幅度不同，以便在所述空中天线与所述用户天线之间的信号的协同总和之间形成协同波束，所得到的协同波束因此具有与由大到足以涵盖所述至少两根空中天线的位置的概念上的单根空中天线形成的波束相同或类似的特性。
此外，本发明涉及用于提供通信网络以便在至少两根空中天线与安装在用户设备上的至少一根用户天线之间进行通信的装置，所述至少两根空中天线安装在至少一个移动平台上，使得一根或多根空中天线具有随时间的推移可变的位置和取向，并且所述用户设备具有低于所述空中天线的海拔；所述网络包括数据处理系统，所述数据处理系统被适配成接收与所述空中天线的位置和取向相关的数据，所述处理系统进一步被适配成计算波束成形并向所述空中天线发射波束成形指令，所述空中天线被适配成生成或接收每根用户天线的对应分量信号，每根用户天线的所述分量信号具有基本上相同的信息内容，但是它们的相位和幅度不同，以便在所述空中天线与所述用户天线之间的信号的协同总和之间形成协同波束，所得到的协同波束因此具有与由大到足以涵盖所述至少两根空中天线的位置的概念上的单根空中天线形成的波束相同或类似的特性。
合成孔径综合在射电天文学中长期以来是已知的，其中通过使用来自适当间隔的相对小的天线的信号来合成大型天线的分辨率。事实上，马丁·赖尔(Martin Ryle)和安东尼·休伊什(Antony Hewish)由于对无线电干涉测量的发展和使用的这方面和其他贡献而在1974年共享了诺贝尔物理学奖。孔径综合的相关技术已经在与潜艇的低频无线电通信中、在声学中、在LTE和WiFi系统中的相控阵列中使用了多年。然而，先前从未考虑过将所述技术用于多根空中天线(其中一根或多根正在移动)与用户设备之间的通信。
因此，根据本发明，如果对空中天线的位置和取向足够了解，则可以执行用于生成分量信号的处理，以产生比可以由各个空中天线中的任一空中天线实现的波束窄得多的合成协同波束。
因此，通过应用孔径综合原理，可以形成具有窄宽度的协同波束，如可以由大到足以涵盖至少两根空中天线的位置的概念上的单根空中天线提供的波束。如本领域的技术人员将了解的，概念上的天线越大，波束越窄。
基于针对相当遥远的射电天文学技术领域开发的技术，已经发现，可以通过改变发送到每根空中天线或从每根空中天线接收的不同信号的定相和权重来实现这些非常窄的协同波束的生成。
这种窄的协同波束的优点很多，并且下文将讨论本发明的不同细节和优点。
如将理解的，本发明的优选特征是具有空中天线的精确位置和取向信息。这些空中天线可能随着变化的地面和/或空气速度而移动，从而导致在波束成形情况下显著的位移，如下文将讨论的。
本发明利用适合定位系统的将多个平台上的天线的相对位置确定为在所使用的电磁辐射(甚至高达GHz频率)的波长的一部分内的能力。如上所述，利用用于实现类似于射电天文学中通常使用的“孔径综合”的适当的信号处理，随后可以获得与直径等于空中天线的最大分离距离的架空天线的波束分辨率相当的波束分辨率。
具有非常窄的协同波束的显著优点是，如果需要，附近的其他用户设备(例如在几米或更小距离内)也可以在相同或类似的载波频率上接收或发射全带宽信号。因此，这将显著地增加系统向多个用户提供数据带宽的能力。
为了执行本发明的过程，应当将空中天线相对于所有其他空中天线的位置确定为在波长的大约1/6内、优选地在波长的1/10内，并且利用现代定位技术使所述位置确定达到空中天线用于移动通信的操作所需的精确度已变得可能。
了解所有空中天线的物理位置，并且如果它们是相控阵列，则空中天线内的元件对于生成和产生有用的波束来说是必不可少的。需要将这些空中天线或天线元件的位置确定为在波长的一部分内、优选地小于波长的1/10，对于2Ghz的载波信号，1/10是约1.5cm。在这种精度下，几乎没有信号损失或波束形状失真，特别是在考虑到多个平台有可能具有随机位置误差时。
平台位置的确定可以在地面处通过在多个地面站处测量平台信号的相位并对平台的位置进行三角测量来执行，同时可以确定平台取向和变形、每个天线元件的位置和取向的适当测量。
更优选的是，可以通过反转波束成形过程并且通过使来自阵列上的天线的信号相关来找到天线元件的位置，如果已知通过差分GNSS(例如GPS、GLONAS、GALILEO或其他方法)天线位置达到中等精确度的话。以这种方式，可以通过使用来自已知在小于波长的1/10的位置中的多个地面站或信标的信号来找到位置“解”。这于是给出了平台的非常精确的位置和取向。
在第三方面，本发明涉及一种确定安装在至少一个移动平台上的移动空中天线或天线元件的位置的方法，使得这些空中天线具有随时间的推移可变的位置和取向，所述方法包括：确定已知波长为λi的信号之间的相位差yi，所述相位差是值为0与1之间的波长的一部分，这些信号从i个基于地面的发射器发射到所述空中天线或天线元件或者从所述空中天线或天线元件发射到这些基于地面的发射器，所述基于地面的发射器可以是回程基站，其中，i为至少三，所述基于地面的发射器具有在λi/10内的已知位置，从而将所述基站到所述空中天线或天线元件的距离确定为λi(ni+yi)，其中，ni是未知整数；通过差分全球定位系统GPS或其他方法近似地将这些空中天线或天线元件的位置确定为在少量波长λi内，从而确认ni可以是每个信号的有限数量的可能整数值中的一个；这些基站的数量及其位置足以允许消除与来自其他基于地面的发射器的ni的有限数量的可能值不一致的ni的可能值，直到针对每个ni仅确认一个整数值；通过三角测量所述空中天线或天线元件的距至少三个基于地面的发射器的已知距离λi(ni+yi)来确认所述空中天线或天线元件的位置。
因此，本发明涉及一种确定在升高位置处的至少两根天线的位置的方法，至少一根天线正在移动，使得这些空中天线具有随时间的推移可变的位置和取向，所述方法包括两个阶段，第一阶段是通过外部参考、典型地使用差分GNSS(例如GPS)来将平台的位置以及因此天线的位置确定在可实现的精确度的极限内，典型地小于20cm、更典型地小于10cm。这与几GHz的典型移动电话频率下的波长相当。
随后，第二阶段是通过使天线阵列上的一些或全部天线元件相关来检测来自多个地面站中的每一个的信号——通过试验在每个地面站处所接收的信号的许多不同的相对延迟来从每个地面站找到信号的相位，并且找到最大化从每个地面站所接收的信号的延迟。这调整了从每个单独的地面站到空中天线的范围，从而在由第一(例如差分GPS)方法所定义的容积内给出更加精确的距离。通过具有多个地面站并找到它们更精确的范围，则这些范围的交点给出平台和天线位置。
因为阵列的自由度模式是三个正交距离轴线，所以需要至少三个地面站以使得利用本发明的针对协同天线间波束成形过程的这个方面来足够精确地完全确定空中天线位置成为可能。如果还通过这种方法来确定空中天线的取向，则需要另外三个地面站来确定这些空中天线的取向。可替代地，可以通过使用机载取向设备(例如适合的陀螺仪)来确定天线取向。
代替使用特定的地面站，专用的信标安排可以提供定位信号。
尽管空中天线发生移动，通过将来自天线元件的信号以足够的频率相关并且使用短期位置预测，了解近似平台(具体地，如果它是飞行器的话)速度、方向以及横滚率、偏航率和俯仰率，可以确定空中天线元件的位置达到协同波束成形所需的精确度。
相反地，可以使用相同的过程，从而将信号从空中天线或天线元件发射到多个地面站。
一旦空中天线元件以这种方式定位，就可以追踪它们的所有移动。然而，在本发明的附加方面中，需要精确的本地时间测量以允许以所需的频率确定信号相位，以确保处理系统在进行处理时的合理的计算负荷，所述处理系统局部地位于平台上或者在一个或多个处理中心处或两者的某种组合。例如，如果需要进行更新，则时间测量优选地在更新之间的时间段内是足够精确的，以允许待测量的位置小于波长的1/10(在2GHz的情况下，这将在50皮秒内)。
在本发明的替代实施例中，协同空中天线间“波束成形”可以与用于无线通信的许多不同的特定技术结合使用，以提高对自然干扰、人为干扰或噪声的抵抗力或限制功率通量密度。这些技术包括(除其他之外)如基于例如电气与电子工程师协会(IEEE)802.1标准或“无线局域网”(WLAN)的本地无线区域技术(WiFi)。它们还利用不同“扩频”技术，包括跳频扩频(FHSS)、直接序列扩频(DSSS)、跳时扩频(THSS)、线性调频扩频(CSS)和这些技术的组合，其中信号在比原始信息的频率含量大的频谱上进行发射。
在本发明的优选实施例中，可以利用与适当的回程设施关联的协同空中天线间“波束成形”，其中迄今为止需要仅与光纤电缆的紧密或实际连接相关联的高持续或峰值数据速率。对于外部广播应用、超高清晰度视频和游戏应用以及类似应用，需要数十Mbps、更尤其是数百Mbps或更高的此类数据速率。
通过用于波束成形计算的处理系统共享空中天线元件的位置和取向。
现在将通过举例的方式具体地参考被称为“HAP-CELL”的实现方式并且参考以下附图来说明本发明，所述实现方式利用协同空中天线波束成形，在附图中：
图1是根据本发明的系统的示意图。
图2是相控阵列的图解。
图3示出单个相控阵列上的波束形成。
图4示出通过由飞行器支持的天线星座图实现的波束形成。
图5是系统安排和与移动电信网络的连接的示意图。
图6是飞行器通信系统的示意性安排。
图7是回程地面站(BG站)系统的示意性安排。
图8示出多个HAP-Cell系统。
图9示出由系留浮空器支持的多个平台。
图10示出所述系统追踪建筑物内的UE的能力。
图11示出可以如何修改来自一根或多根空中天线的波束以给出达到国家边界的良好覆盖但最小化能量溢出的示例。
术语表在
表3中进行描述。
本发明可以向能够通过常规移动电信网络或互联网接口连接的UE提供高数据速率通信并提供来自所述UE的高数据速率通信。
本发明允许支持标准接口规范和协议或专用接口协议。在说明性示例中，支持与作为UE的标准的、未修改的移动电话、智能电话、平板电脑或移动计算机的通信。可以支持的其他UE将是车辆、船舶或飞行器上的收发器，或建筑物上或内部的使得电子设备能够连接到互联网的固定设备。
此外，本发明能够通过适当的接口连接到预先存在的移动电话网络和互联网。通信拓扑能够以与常规移动电话网络相同的方式来安排，并且在这种情况下，本发明可以用作常规移动网络的一部分。
图1是本发明的示意图。图1仅示出一种潜在的配置：利用多个飞行器(8)作为平台来在例如大约60km直径的“服务区”(13)内创建天线的星座图。
所述系统使用安装于在大约20km海拔处操作的多个平台(9)上的天线的“星座图”。这些平台可以是例如系留浮空器或自由飞行浮空器；或者有人驾驶或无人驾驶的飞行器。在飞行器的情况下，例如，它们可以在适合的纬度和季节由太阳能长时间供电，或者使用氢作为高能量密度燃料以用于需要更高功率设备的应用或用于在特定季节太阳辐射有限的地区。可以利用其他燃料，诸如烃类。
在图1中，每个飞行器平台(8)支持两根天线(15、16)，一根天线用于发射并且一根天线用于接收。在一个实施例中，平台携带相控阵列系统或喇叭天线系统。这些系统在使用波束成形技术时可以在不同方向上提供许多单独的波束(6、7)以便与位于不同的“贴片”(10)(即由天线波束照射的区域)上的UE(11)进行通信，并且还可以提供到“回程地面”、即BG站(4)的“回程”链路(5)。
本发明可以提供与BG站(4)的通信链路，以提供与蜂窝网络的其余部分一起支持UE活动的回程数据通信系统。BG站还可以在计算机处理系统(例如，地面计算机处理中心)的控制下通过使用波束成形技术的相控阵列系统直接与平台或者更简单的碟形或喇叭系统进行通信。BG站可以经由标准协议、通过光纤或微波连接或任何其他物理连接技术(3)连接到地面计算机处理中心(1)。为简单起见，图1中未示出所有到回程站的链路。
如图5所示，本发明的说明性实施例包括：
1.基于平台的相控阵列天线，所述基于平台的相控阵列天线与由空中平台(未示出)支持的许多UE(UE1、UE2至UEm)和BG站(51、52)进行通信。
2.任选的附加的基于平台的接收器和发射器，这些接收器和发射器携带回程数据链路(未示出)
3.BG站或其他天线，这些BG站或其他天线与平台通信并且链接到处理中心
4.处理中心(53)，所述处理中心计算用于通信链路的所有参数并且提供到较宽蜂窝网络(54)的接口。
因此，本发明提供：天线(通常为至少三根，但在地面UE驻留的区域内的视线中典型地为十五根或甚至几百根)的星座图为与个人用户进行目标性非常强的通信提供协同波束成形或平台间波束成形，参见图1：特定贴片内的用于单一用户的波束(12)非常小。
利用本发明可以在单个UE上形成目标波束：所述目标波束与地面的交点可以作为具有使用完整可用资源(信号带宽和通信功率)来与单个UE进行通信的能力的单个蜂窝区呈现给移动网络。这些蜂窝区在此称为“动态家庭基站”或DF-Cell。
图10示出所述系统追踪建筑物内的UE的能力。由飞行器(111)支持的空中天线的星座图位于其中存在两个UE(1和2)(110)的建筑物(112)的上方。在所述图解中，所示出的每个飞行器表示多个飞行器。如果建筑物的墙壁和顶部相对不受用于通信的无线电波长的影响，通信将取决于通过窗户和其他孔发射和接收的无线电信号。在这种情况下，只有在UE1的视线中、即在由φ1定义的圆锥图内的天线或来自UE 2的在由φ2定义的圆锥图内的从地板的反射将显著地有助于通信。因此，重要的是，所使用的天线的选择和分配给这些天线的权重和相位根据天线星座图生成能够将本地条件反映给UE的波束，从而允许波束具有适当的方向和位置。
此类选择可以改进UE处的信号强度，并减少在空中平台上以其他方式浪费的能源的支出，从而增加可用于其他通信需要的耐久性或功率。通过使用根据本发明的过程或网络，去往或来自单个UE的超过100Mbps的高数据速率是可能的。
特定数据、应用和内容的通信可能对用户设备或特定用户(例如儿童)产生有害影响。本系统允许系统操作员在处理中心或其他地方对数据、应用和内容引入检查，以保护用户设备或特定用户。
因此，在另一个方面中，本发明涉及一种从用户设备上的天线接收和/或向用户设备上的天线发射数据、应用和/或内容的方法，所述方法利用如在此描述的网络或过程。
与当前系统相比，本系统允许在广泛的覆盖区域内更加精确地识别地理位置、以及更高的数据速率。
目前在城市地区以外的宏蜂窝区中，除了通过使用附加系统(诸如差分GPS)之外，位置难以建立到小于几十米(如果不是几百米的话)。甚至在具有微蜂窝区的城市地区内，也难以获得10m或更小的位置。
在可通过天线的星座图访问的大区域内，通常可以根据传播条件在数米并且甚至亚米分辨率内识别位置。这允许系统在房间或建筑物的分辨率下有能力在连续或间歇的基础上限制对特定或一般用户设备的访问。
这种访问能力有可能允许特性内的适当权限，通过所述访问能力，这些权限具有适合的权利来限制或修改访问，例如在特定时间或连续地控制特定房间中的未成年人或访客访问。所述能力还具有容易地将关于用户设备的位置的信息提供到与另一个用户设备接触的另一方的能力。
在优选实施例中，本发明涉及一种用于通过指定位置和/或将允许或拒绝向所述位置发射或从所述位置接收信息的时间来管理对在此描述的装置或过程的访问的过程。
相控阵列天线和天线间波束成形技术
UE可以包括发射器或接收器或两者。空中天线可以是相控阵列或常规天线或两者。
如上所讨论，在优选实施例中，本发明涉及使用先进的相控阵列，所述相控阵列能够实现“阵列内波束成形”或单一天线内波束成形。以下简要描述这些技术。
相控阵列由大量的单独天线元件组成，但在本文档的其余部分中，“(多根)天线”将指一个或多个相控阵列或一根或多根常规的单独天线，诸如(多根)喇叭天线。
相控阵列对于高海拔飞行器和其他平台而言具有特定的优点，原因在于它们的纵横比，它们的宽度深度比通常较低，并且因此经常需要更容易安装在需要低气动阻力的结构中。
安装在高海拔平台上的(多根)天线可以与UE进行来回通信，而不是主要经由(多根)高海拔平台天线、使用大型地面通信网络(诸如互联网或蜂窝网络)连接。此类(多根)天线还可以与直接连接到大型地面通信网络的回程地面站(“BG站”)进行通信，并提供本领域的技术人员已知的“回程”。
UE可以包括发射器或接收器或两者。空中天线可以是相控阵列或常规天线或两者。
图2是小型相控阵列(21)的图解。所述小型相控阵列具有小型天线元件(22)的阵列，这些小型天线元件在数字化之前作为接收系统连接到低噪声放大器的输入端或连接到用于发射的输出放大器。每个天线元件被独立地使用，并且随后可以通过控制元件之间的信号的精确时间或相位来以与抛物面天线反射器类似的方式形成波束。可以设计相控阵列，使得天线元件如图2所示都是平面的，其中两个或更多个层(23)定义电磁性能。相控阵列还可以是更复杂的形状，例如“弯曲的”，使得最外部的元件以一定角度指向所述阵列的轴线。
用于从单个接收相控阵列形成波束的机构在图3中一维地示出，所述图示出在单个阵列上的波束成形。相控阵列波束成形是良好建立的且被充分理解的技术，并且本发明支持相控阵列天线概念。以图解的方式来考虑具体认识，其中每个天线元件(36)位于与其邻居相距一定的距离(37)，所述距离小于或等于最高工作频率的波长的一半；在图3所示的示例中，每个天线元件被设计成在2Ghz频带(λ＝15cm)中工作，间距(37)为约7.5cm。这使得阵列能够检测所接收的电磁信号的幅度和相位。每个天线元件被连接到低噪声放大器。为了形成平面阵列的波束，要求是跨阵列的宽度具有线性增加的信号延迟；这可以在模拟域或数字域中完成。在图3的顶部处的简图示出了y轴(30)上的用于产生波束(35)的相对延迟(32)，其中在x轴(31)上绘制了跨天线的距离。随后将来自适当的相对延迟的所有天线元件的信号相加以形成复合信号，所述复合信号是“波束”。波束大小大致由λ/d给定，其中λ是波长并且d是阵列的直径。在2GHz信号和1.5米直径阵列的情况下，波束通常将为约5.7°宽。然而，通过适当的天线元件“加权”，可以对此进行定制以使波束加宽。如果需要，这使得波束能够改变以便在地面上提供大致均匀的覆盖，因为阵列的高度距地面上的点的变化导致波束在表面上扩展到较大或较小的程度。
相控阵列还具有以下益处：通过使用数字技术的最新发展，可以实现非常宽的带宽。最近的、平面的天线元件的频率范围从所支持的最低频率到最高频率可以高达3∶1。在此类平面系统中，多个导电层或部分导电层各自位于彼此平行并且与天线的轴线成90度的平面中。
来自每个天线元件的所有信号可用于任何用途，实际的是，跨阵列应用一组不同的延迟，将第二组信号相加并且形成第二波束，还如图3所示：另一个波束(34)可以通过不同的延迟组(33)产生。所述过程可以重复多次，以使用所述阵列同时形成许多不同的波束。
在数字域中形成许多波束可以很容易地实现，数字化后的唯一要求是附加的处理资源和数据带宽，以传送或进一步处理所有的波束信息。
虽然利用单个相控阵列形成大量的波束是可能的，但是能够携带数据的相对于所有其他波束独特的“独立”波束的最大数量不能超过阵列中天线元件的总数量。例如，如果阵列具有300个独立的天线元件(以约λ/2或更大的距离隔开)，则可以存在最多300个独立的波束；可以形成比这更多的波束，但是这些波束将并不全是独立的。在这种情况下，非独立的波束将各自发射和接收相同(或类似的)编码信息——这些波束仍可以通过适当的资源共享方案或以与本发明相关的其他方式来利用。
相控阵列可以在距垂直于阵列平面的轴线的多达约±60°的扫描角度范围内形成波束。这是由于阵列的几何限制，其中元件的照射面积作为扫描角的余弦减小；单个天线元件的波束的灵敏度也由于它们离开波束的中心而减小。结果是，在用于发射和接收的大型单一阵列的情况下，水平阵列的照射面积由最大扫描角限制为大约60km的直径，所述极限可以通过阵列的更复杂的成型来扩展。
参考图6，接收阵列可以由规则阵列(64)中的许多平面双极化接收元件(68)组成。由于需要精确的幅度和相位信息，对于天线间波束成形技术来说两个极化是优选的；也是为了确保在任意定位的UE处的最佳信号接收。每个极化在所需的接收带宽上被放大、滤波和数字化。天线元件电子器件便利地安装在接收天线元件的正后方，用于进行低噪声拾取、更简单的组装并在大面积上分布热负荷。将用于每个极化的数字化信号发射到用于波束成形的信号处理系统。
在一个示例中，阵列的直径是1.5米，其中天线元件间隔7.5cm。这导致大约315个天线元件或630个信号路径。这给出了直径为60km的被分解成约160块贴片的服务区(稍后在本文档中讨论可以覆盖更宽区域的修改阵列的概念)。
位置检测系统(60)、取向检测系统(62)以及控制和系数处理器(61)与信号处理系统(63)接口连接，在所述优选实现方式中，所述信号处理系统需要可以进而接口连接到定位系统(67)的高度准确的时钟系统(66)。
发射阵列(65)具有与接收阵列非常类似的设计和大小。所述发射阵列具有许多双极化的发射元件(69)。信号处理系统针对每个极化计算数字化信号，所述数字化信号被发射到数模转换器，经滤波放大并且被传递到输出功率放大器以便进行发射。与接收阵列一样，元件电子器件可以安装在发射元件后方以分布热负荷并且最小化杂散辐射。
波束成形
本发明利用跨多个空中天线的波束成形来生成到UE的窄协同波束。
所述系统由天线、例如在每个平台上的多个阵列的“星座图”中的相控阵列操作，每个阵列形成其到特定“贴片”上的分量信号中的一个。从所有阵列发送到特定贴片的信号携带基本上相同的信息内容(差异可能包括例如来自量子化和模拟效果的噪声)，但具有跨天线的星座图的相位延迟，从而从单独的阵列波束形成非常窄的“合成波束”。
从单根天线到UE的相位空间中的不同距离精确地补偿从每根天线到UE的宽带信号、数据信号的相位延迟或时间延迟。计算所述延迟，使得从每根天线到UE的信号同时到达并且在UE处是相位相干的。调整来自每个空中平台的信号幅度，使得典型地所有信号在UE处被归一化，但可以被调整，例如以减少旁瓣。这些调整被称为每个信号的“波束成形系数”。类似的过程应用于贴片内的到每个UE的信号，并且被组合以形成每根空中天线的整个贴片波束。可以在地面上的处理中心中计算这些波束形成指令，并且将其作为贴片波束的编码表示发射到每根空中天线，或者在平台处使用以形成贴片波束。
对于从UE发射到空中天线的星座图的信号，处理系统类似地将相位延迟或时间延迟从星座图中的每根空中天线应用于贴片波束，并且随后将它们相加以在UE上形成相干接收波束。所述组合信号用于与较宽的蜂窝网络进行通信。典型地，这种处理将在地面处理中心执行，所述地面处理中心接收在空中天线处所接收的贴片波束的编码表示。
计算合成波束以成为追踪特定UE的“用户波束”。这在图4中示出，所述图示出了通过被标记为HAPl、HAP2至HAPm的天线星座图在服务区中实现的波束形成。HAP1上的天线被示出为产生三个波束(40、42和44)，这三个波束指向三个贴片(41、43和45)。HAP2和HAPm被示出为产生类似的波束。
合成波束的大小要小得多：约为λ/D，其中D是天线星座图的最大直径。例如，如果天线位于直径D＝10km的圆内、在直径为60km的服务区的中心，则对于2Ghz信号，波束仅为0.1弧分宽；这导致在天线星座图正下方的地面水平处波束直径为仅60cm直径，或在服务区的边缘处波束直径小于3米直径。与这些用户波束进行交互的小尺寸区域由区域(46)示出。
可以与来自单根空中天线的独立波束进行交互的地面上的最小尺寸区域(即“分辨率区域”)随着其相对于空中天线的位置而改变。可以传递到波束内的单一天线或从所述单一天线传递的“最大波束数据速率”(MBDR)由每秒每赫兹带宽的比特数乘以可用的带宽来给出。如本领域的技术人员熟知的，每秒每赫兹的最大比特数受信号的信噪比限制。
可以将波束大小调整成大于单一天线的最小波束大小，使得由每个波束照射的区域可以根据系统的操作环境的要求进行定制。
如果与服务区的直径相比，所有空中天线都相对靠在一起，则“分辨率区域”的大小从一根天线到另一根天线将是相当的。如果空中天线相距甚远，则来自不同天线的“分辨率区域”大小将会迥然不同。如果来自每根天线的分辨率区域大小相似，则在一个分辨率区域内可传递的数据量的极限由星座图中的天线数量乘以MBDR给出。可用带宽可以分成多个资源块，例如频段、时隙和代码，从而增加能够支持的UE的数量，尽管具有可用于每个UE的较低的数据速率。可以使用其他无线电资源共享技术。用户波束中不可能存在比在天线波束中可用的数据更多的数据。
通过使用本发明，空中天线的星座图正像具有1千米至30千米、优选地5千米至20千米的尺寸的单一天线那样有效地进行操作。因此，可以生成非常窄的波束。
考虑到(多个)天线平台的取向和姿态，可以改变天线元件的权重，以便基于反映人口密度或数据速率密度的优化功能来控制基于地面的贴片大小。以这种方式，如果星座图的中心在大城市之上，但在服务区的边缘处存在低的人口密度，则去往和来自星座图的波束可能仅包括每个阵列的天线元件的一小部分，从而节约了功率。
支持天线的平台
平台可以实现为：
(i)飞行器，所述飞行器使用太阳能或氢气或烃类燃料供电以便在约20km处运载通信设备。飞行器运载用于与UE和BG站进行通信的设备。它们还运载信号处理系统、精确的时钟和定时装置以及控制计算机。
(ii)自由飞行浮空器，这些自由飞行浮空器由太阳能电池或其他技术供电。浮空器运载用于与UE和BG站通信的设备。它们还运载信号处理系统、精确的时钟和定时装置以及控制计算机。
(iii)系留浮空器，这些系留浮空器由沿着系绳输送的氢气供电或者经由系绳供应电功率或者由位于浮空器平台上或连接到浮空器平台的太阳能电池提供电功率。支持一个或多个系绳的系留浮空器可以运载位于多个不同海拔处的多个平台，其中每个平台进而由(多个)系绳支持。每个平台还可以从其自己的浮空器接收附加的支持。系留平台系统运载用于与UE和与BG站进行通信的设备，并且它们可以运载信号处理系统、精确的时钟和定时装置以及控制计算机，或者所述系留平台系统可以是基于地面的。图9示出这种系统的布局。
在所示出的情况中，存在由系绳直接连接到地面(93)或间接连接到地面(92)的系留浮空器(90、91)。一些浮空器(91)间接连接到地面，而一些直接(90)连接到地面。在所示出的情况中，天线(94)完全包含在浮空器的包封内。它们可以被部分地包含或完全不包含。UE(96)以协同的方式通过来自空中天线(94)的波束(95)与空中天线进行通信。至少两根天线与每个UE进行通信。
(iv)基于非常高的塔或建筑物的地面天线，其中具有载波信号的至少1/10波长的天线存在显著移动。
(v)用于客运的常规商用飞行器，所述常规商用飞行器支持附加的间歇的空中天线能力。
(vii)基于空间的卫星。
(viii)混合动力的空中运载工具
所述系统可以由上述一种或多种类型的平台组成。
平台与UE的通信
这些平台通常都配备有具有相同大小和数量的元件的至少两个相控阵列，即发射阵列和接收阵列，以使得系统能够对在所选择的频率分配和带宽下操作的任何波形和复用技术具有并发的发射和接收。使用单个阵列是可能的，但是所需的电子器件具有更大的复杂度和重量，并且可能仅支持时分复用，而不支持更通常的频分复用。阵列形成将服务区划分成多个贴片的波束。这些贴片被视为蜂窝式电话网络的“蜂窝区”。
UE可以是基于地面的，或者可以位于比空中天线的海拔低的海拔处的有人驾驶或无人驾驶的飞行器上。无人驾驶的空中运载工具。UE还可以在某种形式的运输技术(包括但不限于火车、机动车辆和船舶)上运载。
回程通信
本发明的系统能够以与常规的基于地面天线杆的系统类似的方式在蜂窝网络与个体用户的设备之间提供“透明”链路。这提供了与现有的蜂窝网络的兼容性。
本发明允许在平台与UE之间传送大量数据的可能性。因此，必须具有通过回程系统传送到平台和处理系统并从所述平台和处理系统传送的至少相同数量的用户数据。以下是用于经由以下通信链路将数据发射到平台并从平台接收数据的一些选项：
1.使用用于与每个平台上的UE通信的相控阵列上的容量
2.使用在代相控阵列上的替代的高容量链路
3.使用单波束点对点大容量链路
4.使用到BG站的自由空间光链路。
5.使用平台之间的自由空间光链路，使得在不太发达区域中的平台可以通过激光与具有到BG站的微波下行链路的卫星或飞行器进行通信。这可以在具有冗余度的情况下经由一系列中继器平台实现。
两个极化可以在回程链路上独立使用，从而潜在地将所需的BG站的数量减半。
下文描述的实施例将使用上文的实现方式1，并在大型阵列上共享资源以提供回程通信和用户链路两者。
本发明中使用的大部分技术在电信行业中使用，并且开发了在用于波束成形和波束成型的射电天文学中使用的技术。一维相控阵列、接口规范、数据编码技术的使用、信号处理的使用等都由现有的蜂窝电信系统广泛地使用。本发明的整合产生了非常高性能的系统，所述系统相互兼容地接口连接到大多数现有的蜂窝式电话网络技术中。
处理系统
本发明由处理系统来管理，所述处理系统可以是分布式系统或者如图所示的系统，图1示出处理中心(1)，所述处理中心通常是基于地面的，从而节省了空中平台上的重量和功率。处理系统接口连接到蜂窝式电话网络(2)，并且所述处理系统提供对由平台用来与UE进行通信的信号的直接控制。
处理系统可以物理地分布在处理中心(所述处理与空中天线和/或回程地面站共同定位)与由第三方(称为“云”)提供商提供的处理服务之间。
处理系统通过所定义的到蜂窝网络的接口来提供到蜂窝网络的接口。
处理系统针对空中天线计算：
(i)从UE和BG站两者的天线所接收的信号所需的波束成形系数，并且如果这些天线是相控阵列，则这些波束成形系数通常但非排他地是天线元件的系数。
(ii)待发射到UE和BG站的信号的相位和幅度
(iii)用于实现诸如平台和用户设备的位置确定的操作方面的所有算法。
对于BG站，处理系统可以计算并提供
(i)将由BG站发射到空中天线的信号的系数。
(ii)从BG站天线所接收的信号的系数，并且如果BG站正在使用相控阵列天线，则如果需要的话，这些系数是天线元件的系数。
BG站可以经由高速连接(诸如光纤数据链路或直接微波链路)直接链接到处理中心。
平台处的信号是复杂的，因为它们定义了所有性质，以使得平台相控阵列的星座图能够精确地波束成形到个人用户上。
所有这些信号处理和波束成形计算在处理系统中执行。处理系统可以包括至少一个处理中心，其中在每个平台上需要一些处理。为简单起见，此类处理中心理想地位于地面水平处。然而，优选地，地面水平处理主导整体信号处理能力，消耗信号处理电子器件电功率要求的超过70％、优选地超过90％。
处理系统还确定系统如何向蜂窝网络呈现其自身，包括提供所需的接口以实现有效的资源分配。
处理系统可以能够实现另外的一系列功能，如现在将要说明的。处理系统可以能够确定需要何时形成DF-Cell以允许达到对给定用户设备的最大资源分配。处理系统将支持蜂窝网络所需的所有资源分配方法，包括但不限于频分复用和时分复用。处理系统还将确定将由每个平台使用的频率。这可以达到频率分配的全带宽，或者使用根据本发明的重叠系统或地面天线与本系统的混合体来限制特定网络或移动电话运营商的频带。它还将支持多个运营商的协同使用，假设可以达成适合的协议。
所述系统还可以使用时分复用或其他无线电资源共享技术。
可编程信号处理组件、现场可编程门阵列(FPGA)现在具有适合于所述系统的功率和能力。可以执行所述任务的这些设备现在是可用的，例如来自赛灵思公司(Xilinx)的Kintex1系列设备，所述设备的特征在于使用适度的功率(典型地低于40瓦特)而达到8个Tera MAC2的处理能力和64x 16Gb/s通信通道。
信号处理系统使用从处理中心发射的信息以便在UE和BG站(如果需要的话)上形成所需的波束。所形成的波束中的数据被重新发射给用户、BG站，或由飞行器上的控制处理器使用。
如所讨论的，平台上的处理优选地最小化，然而可能存在在那里执行的至少一些处理，所述至少一些处理可以包括：
·重建由信号处理器使用的系数以形成所需的波束；
·使用来自位置和取向系统的信息作为波束成形过程的一部分
·监测、控制和报告飞行器有效载荷系统的状态。接口去往处理中心。
所需的处理能力是常规PC服务器的量级，但作为专业实现方式需要更少的功率。
移动的空中天线处的精确时间确定对于使用信号的波束成形的精确接收和发射来说是必不可少的。
已经发现，适合的时钟生成使用GPS系统以获得长期(大于数
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十秒)精确度并且使用炉温度稳定的晶体振荡器以获得短期精确度。这种组合将给出本地飞行器波束成形和飞行器之间的波束成形两者所需的相位精度。要求是针对模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)具有相位稳定性，以便始终都具有精确采样。
回程地面站(BG站)
如所讨论的，本发明可以受益于一个或多个BG站的提供。BG站可以提供去往和来自平台和处理中心的通信链路。每个BG站应当能够与视线中尽可能多的平台独立地进行通信，以最大化平台的数据速率能力。
因此，典型地在每个BG站处形成的波束至少与从各个BG站可见的平台一样多。使用相控阵列作为BG站处的通信系统将提供所述设施。这些相控阵列的设计可以与平台上的那些相控阵列类似。
BG站可以在飞行器与处理中心之间提供高速数据链路。为了减少BG站的数量和其相关联成本，有用的是使BG站具有多波束能力，使得当存在多根天线的星座图时，这些BG站可以各自与每根空中天线独立地进行通信，以提供网络所需的高数据速率。通过这种方式，去往或来自每个BG站的数据速率能够以一定的因子增加，所述因子等于在将可能与单个飞行器进行通信的BG站上进行通信的飞行器的数量。
使用与飞行器上所使用的系统类似的相控阵列的实现方式在图7中示出。与飞行器相控阵列一样，存在单独的发射阵列(75)和接收阵列(74)。
接收阵列(74)具有向接收器处理系统(72)提供信号的大量元件(78)。发射阵列(75)具有从发射器处理系统(73)接收信号的大量元件(79)。接收器处理系统和发射器处理系统两者与处理系统(70)接口连接(71)。它们还可以要求来自时钟系统(76)的输入，所述时钟系统进而接收来自定位系统(77)的输入。
针对来自各个飞行器阵列的波束，BG站分开得足够远，以便独立地利用不同的阵列波束来解析它们。这为每个飞行器提供了足够的聚合数据速率。
在所示出的示例中，BG站处于处理系统的直接控制下；处理系统确定每个阵列元件的幅度和相位。
在BG站的可用性较低的某些位置中，可能有利的是，通过激光或自由空间光学设备将一个飞行器与更适合地定位在BG站上的另一个飞行器链接。这些技术已在近年中开发出来并且在适度(低于100W)的功率消耗的情况下允许高数据速率通信(大于每秒1千兆比特)，并且可以具有小于25kg的适度重量，但能够在平流层中在至少60km、并且更优选地250km、并且有时为500km或更大的距离处进行通信。在这种安排的情况下，可能的是，通过利用附加飞行器之间的激光通信链路将一个或多个空中天线链接到数百千米(如果不是数千千米)的BG站。
基于飞行器的通信系统
为了与UE进行通信，飞行器装配有大型相控阵列和相关联的信号处理和控制系统，如图6所示。
存在两个相控阵列：用于接收的相控阵列(64)和用于发射的相控阵列(65)。这是为了确保两个路径之间存在完全分离，使得两个系统都能够使用频分双工(FDD)系统进行操作；这些系统是最流行的蜂窝电话通信链路。两个阵列还可以支持替代的时分双工(TDD)系统，而不需要共享用于发射和接收的阵列的复杂性。
如上所讨论的，这些阵列都具有许多单独的接收或发射元件(68、69)；阵列信号在信号处理系统(63)中进行组合以产生所需的波束。
在连接期间查找位置并追踪用户
所述系统能够以与常规的基于地面的网络类似的方式追踪UE。当正在进行呼叫或数据传递时，需要将UE保持在协同波束内。
当使用空中天线间波束成形时，UE上的波束可以是非常集中的，例如，具有约1米的直径。那么存在所需的另外两种功能：
·充分识别所需的天线权重以允许这种聚焦波束建立连接；
·在连接期间适当地调整这些权重以允许空中天线和UE的移动。
已经发现，通过使用星座图中的阵列以便通过使用越来越多且有时不同的天线作为波束成形过程的一部分来“聚焦”在UE上，可以实现这种过程。通过在包括更多飞行器之前为信号强度优化波束成形的位置，随后可以优化相关的天线权重。如果所述功能可用，则可以通过UE报告其GPS位置来大体上加速聚焦过程。
在连接期间，UE可以移出波束。可以使用(多个)窄带宽的次级波束以围绕用户的位置的模式快速进行采样，然后可以使用在特定方向上或特定区域中的增加的信号强度来修改天线权重以及波束位置和方向。
因此，在优选实施例中，第一协同波束在第一时间点处生成，并且在第二时间点处，执行第二波束成形操作，以确保协作波束被引导到移动的用户天线的位置。
波束成型和旁瓣最小化
对蜂窝网络的波束精度的要求相当严格，特别是对国界处的能量溢出。使用相控阵列技术而不是固定的碟形卫星天线的极大益处是以电子方式修改波束的能力。
设置天线元件上的适当的幅度和相位延迟形成波束并操纵这些波束。当存在许多天线元件时，这通过折衷灵敏度和波束控制而给出特定要求在波束成型方面的灵活性。结果是可以很好地定义贴片，并且可以紧密地控制服务区的边缘，以最小化旁瓣或影响邻近区域的其他伪影。
图11示出可以如何修改来自一根或多根空中天线的波束以给出达到国家边界的良好覆盖但最小化到相邻国家中的能量溢出的示例。
在图11中的简图130中，来自单根天线或多根天线的覆盖波束的贴片遵循规则的网格安排，其中网格元件的位置在x轴(133)(在这种情况下是东-西方)上用数字给出并且在y轴(132)(在这种情况下是南-北方)上用字母给出。例如，元件136可以被称为具有位置G7。示出了不规则的国界(135)。
带影线的正方形示出能量由空中天线系统发射到的地方。
可以看出，为了确保能量的低溢出，在边界旁边存在一个区域，在所述区域中传输较少的能量，例如在贴片A6、B7、C7、D5、E5、F8等中。
在图11中的简图131中示出了具有相同的y轴(132)和相当的x轴(134)的相同区域，但是其中天线元件和天线定相以及幅度(如果需要的话)被修改以使贴片左右移动以便更紧密地跟随国界。例如，蜂窝区G7(136)与其所在的行(G1至G5)一起在向东的方向上移动，因此它已经位于新的位置(137)处。更接近国界的未覆盖区域已显著地减少。
使用天线间波束成形形成的合成波束可以类似地被控制，以便以灵敏度为代价获得波束形状来最小化伪影并且有效地控制波束大小。
数据速率
可用的数据速率取决于从在使用中的频带可获得的带宽。对于所述实施例，假设所述频带是LTE频带1(其他频率也是可用的)：
·上行链路： 1920MHz至1980MHz 60MHz带宽
·下行链路： 2110MHz至2170MHz 60MHz带宽
在某些实施例中，去往各个UE的链路将仅使用所使用的功能所需的带宽，因此带宽可以被细分以服务尽可能多的用户。
通过示例性HAP-CELL系统实现的数据速率显示在表1中，如可以看出，这是使用频带1的频率和机队中的50个飞行器。每条链路的数据速率取决于链路的信噪比；因此，在用于回程链路的相同带宽中，期望获得比去往UE的数据速率更高的数据速率。这是因为与移动UE相比，由于设备的固定的室外性质和使用更高的发射功率和更大型天线的可能性，可以更好地管理到回程的连接。
如可以看出，假设使用清楚的高SNR连接，去往UE的最大数据速率非常高。与所有蜂窝网络一样，将针对实际的链路性能来调整数据速率。
存在对BG站的数量和可用于每条链路的功率的非常强的折衷。值得注意的是，主导的数据通信将是在网络与用户之间，其中典型地较低数据速率普遍在返回路径上。这意味着从地面站到飞行器可以使用更高的功率以实现每赫兹更多的比特数，从而获得更好的频谱效率；此外，来自飞行器的用于发射的功率高于由用户在所述链路上为增强数据速率所使用的功率。
使用28/31GHz频带
存在由国际电信联盟向HAP下行链路和上行链路通信分配的28Ghz和31GHz的频段，如下：
·下行链路： 27.5Ghz至28.35GHz 850MHz带宽
·上行链路： 31.0Ghz至31.3GHz 300MHz带宽
这些提供比通常用于移动网络的2GHz频率显著更大的带宽，但是与常规电子器件相比更难实现——特别是作为相控阵列。
表1：示例性HAP-CELL系统、50个飞行器、1.5m 2GHz的单一阵列(值用于指示系统的尺寸估计)
Figure BDA0001396353400000271
Figure BDA0001396353400000281
Figure BDA0001396353400000291
对飞行器有效载荷的功率要求
所考虑的飞行器上的有效载荷功率用途是用于通信阵列、飞行器上的数字处理系统以及控制和定位系统。保持飞行器有效载荷功率要求较低对于在高海拔处操作的太阳能动力飞行器或氢动力飞行器中的有限功率可用性来说是重要的。
对于相控阵列接收器和发射器，功率将与天线元件的数量成比例。执行与在基于地面的处理设施中实际的处理一样多的处理最小化飞行器处的处理要求。用于大量数字接口的功率将主导处理功率。
对功耗的估计显示在表2中。这是针对结合用于发射和接收的两个1.5m直径的相控阵列的飞行器而计算的示例。每个阵列具有315个双极化天线元件；因此，每个阵列具有630条信号通道。
这些阵列的功率要求是约1.6kW。
位于平台上的处理系统的元件使用标准组件来实现，并且因此将随时间的推移受益于所消耗的每单位功率可用的处理方面的改进。
这将与元件的数量或与阵列直径的平方几乎线性地成比例。因此，3m直径的阵列的功率要求将是所述功率要求的大约四倍。
表2：所估计的具有2x 1.5m 2GHz阵列的飞机的功率要求
Figure BDA0001396353400000292
Figure BDA0001396353400000301
基于飞行器的通信对移动用户的影响
空中天线与BG站之间的通信链路通常将位于超过30度的仰角处，从而导致用于给定位置的一致信号。对于UE，去往和来自空中天线的信号通常将穿过建筑物的屋顶，这将导致显著的损失。然而，在大型系统中，在相邻的或交叠的服务区上方具有许多飞行器的情况下，那么非常可能的是，信号穿过对信号来说典型地更透明的窗户和墙壁倾斜地进入。
飞行器高达35km远，并且具有超过70km的往返航程线路；处理将有一些缓冲延迟。延迟合计将不会超过几毫秒，这完全符合＜30ms的当前移动网络规格或所提议的＜5ms的5G规格。
多个服务区
HAP-CELL系统旨在用于大型区域内。对于人口稠密的区域，例如主要城市，可能需要多个飞行器机对来服务多个服务区。所述系统以这种方式容易进行缩放，并且基础设施和附加通信能力的经济性变得可用。图8中示出多重系统。存在已识别的三个飞行器机队(85、86、87)。这些机队在其唯一的照射区域例如(88)或重叠区域例如(89)中的贴片上形成波束。蜂窝网络和互联网(81)与一个或多个处理中心(82)接口连接，所述处理中心通过光纤电缆或通过微波(83)链接到BG站(84或841)。每个服务区(810、811、812)的直径为约60km。如可以看出，服务区可以交叠，这为用户提供更高的总数据速率。还具有改进覆盖的好处，例如，如果用户由于在建筑物的“另一侧”上而被屏蔽免于一个飞行器机队的覆盖，则有可能获得来自相邻机队的覆盖。
由于来自一个飞行器机队的用户波束对个人用户是“私用的”，因此不存在来自相邻机队的显著干扰、来自相邻机队的在空间上分离的波束。
将大大地节省基础设施。BG站(841)在适当地定位的情况下可以服务多于一个飞行器机队。BG站形成到机队内的每个飞行器的波束，因此，只要机队在范围内，BG站就可以服务30km至35km内的所有机队。
区域的覆盖范围的设计应当考虑多个飞行器(例如，50-100个)应当何部署在机队中以具有最大的益处处，可能存在较多的小型机队或较少的大型机队，其中具有适当程度的服务区域交叠。细节将取决于人口密度和其他因素，但HAP-CELL系统可以允许进行这些折衷。
空中天线间波束成形系统的优点的概述
通过使用高空平台和天线间波束成形技术，本发明赋予现有移动电话和通信系统以下优点：
广泛的覆盖面积：在20km海拔处的平台上的天线的水平线位于约500km半径处。这种仪器距地面上的任何特定位置的仰角被定义为仪器在所述点处的水平面上方的角度。对于在5度仰角上方的平台，地面上的任何位置都将位于在平台正下方居中的半径为200km的圆内。对于大于30度的仰角，位置必须位于在平台下方居中的半径为35km的圆内。后一种约束适用于地面与仅运载位于水平面中的相控阵列的平台之间的通信。前一种约束可适用于更复杂的阵列几何形状，但信号强度将成为超过100km的距离处的限制因素，这稍后进行讨论。
低安装成本：平台的使用减少了对既安装费时又运行昂贵的地面安装的需求。现有的地面安装可以与系统结合使用，以大大增加容量和覆盖范围。
高数据速率链路：移动网络的传统操作将网络划分成一组“蜂窝区”。蜂窝区内的多个UE必须共享可用资源(信号带宽和通信功率)，所述多个UE通过无线电资源共享技术、例如但非排他地共享带宽或时分复用来确定到用户的最大数据速率。关键要素是天线间波束成形用于创建以特定设备为中心的DF-Cell。这允许由单个设备使用由所实现的协议变得可用的所有资源。本发明也支持如标准实现方式中的资源共享。
在用户处聚焦射频功率：由于天线间波束成形，精确的用户位置处的功率增加。这最小化平台上的功率使用并且提高了链路质量。这在表2和表3中详细地描述。
可缩放能力：通过在同一区域中添加更多的平台，用户的数量和数据速率可以容易且快速地增加——而通常不需要附加的地面基础设施。通常可以避免添加额外的BG站，除非需要超过先前基础设施的非常大的容量增加。所述特征本身在系统中提供了实质性的弹性。例如，由于设备故障或维护或由于飞行模式而暂时不可用而失去十个类似平台中的一个平台将系统的容量降低10％，但仍然在服务区内给出完全覆盖。类似地，失去一百个地面站中的一个地面站也将只损失1％的通信数据速率能力。这显著优于标准移动电话蜂窝区天线杆的损失，在标准移动电话蜂窝区天线杆的情况下，它所控制的蜂窝区内的所有用户都将失去信号。
可以精确地定制覆盖区域：相控阵列和波束成形技术使得与基于地面的系统相比，能够更精确地控制覆盖区域。这对于接近国家边界的操作来说是重要的。
为了可靠的通信，波束成形技术需要管理诸如来自墙壁的反射的影响；或者诸如来自居间对象(诸如建筑物的屋顶)的边缘的衍射效应，如果UE是基于地面的话。理想地，从UE的角度来看，许多平台上的天线在视线中或接近视线。
表3：本文档中使用的术语表
Figure BDA0001396353400000321
Figure BDA0001396353400000331
Figure BDA0001396353400000341
Figure BDA0001396353400000351

Claims (47)

1.一种用于进行协同空中天线间波束成形以便在 (a) 多个移动平台与 (b) 安装在用户设备上的至少一根天线之间进行通信的过程，每个平台具有安装在其上的空中天线，使得所述空中天线中的一根或多根具有随时间的推移可变的位置和取向，所述用户设备具有低于所述空中天线的海拔；所述过程包括将与所述空中天线的所述位置和取向相关的数据发射到处理系统，所述处理系统进行计算并将波束成形指令发射至所述空中天线，所述空中天线由此发射或接收每根用户天线的相应分量信号，每根用户天线的所述分量信号具有基本上相同的信息内容但是它们的相位并且幅度是不同的，以便根据所述空中天线与所述用户天线之间的所述信号的协同总和形成协同波束，其中使用包括两个阶段的方法来确定每个空中天线的相应位置：
第一阶段是通过差分GNSS来将天线的第一位置确定在可实现的精确度的极限内；
第二阶段是通过使空中天线上的一些或全部天线元件相关来检测来自多个地面站中的每一个的信号，通过试验在每个地面站处所接收的信号的许多不同的相对延迟来从每个地面站找到信号的相位，并且找到最大化从每个地面站所接收的信号的延迟，并且由此调整从每个单独的地面站到空中天线的范围，从而在由第一阶段所定义的容积内给出更加精确的距离，
所述第二阶段还包括从从每个单独的地面站到空中天线的范围的交点找到天线位置。
2.一种用于提供通信网络以便在 (a) 多个移动平台与 (b) 安装在用户设备上的至少一根用户天线之间进行通信的装置，每个平台具有安装在其上的空中天线，使得一根或多根空中天线具有随时间的推移可变的位置和取向，所述用户设备具有低于所述空中天线的海拔；所述网络包括处理系统，所述处理系统被适配成接收与所述空中天线的所述位置和取向相关的数据，所述处理系统进一步被适配成生成波束成形指令并将其发射至所述空中天线，所述空中天线被适配成生成或接收每根用户天线的相应分量信号，每根用户天线的所述分量信号具有基本上相同的信息内容，但是它们的相位并且幅度是不同的，以便在所述空中天线与所述用户天线之间的所述信号的协同总和之间形成协同波束，其中使用包括两个阶段的方法来确定每个空中天线的相应位置：
第一阶段是通过差分GNSS来将天线的第一位置确定在可实现的精确度的极限内；
第二阶段是通过使空中天线上的一些或全部天线元件相关来检测来自多个地面站中的每一个的信号，通过试验在每个地面站处所接收的信号的许多不同的相对延迟来从每个地面站找到信号的相位，并且找到最大化从每个地面站所接收的信号的延迟，并且由此调整从每个单独的地面站到空中天线的范围，从而在由第一阶段所定义的容积内给出更加精确的距离，
所述第二阶段还包括从从每个单独的地面站到空中天线的范围的交点找到天线位置。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的过程或装置，其中，存在至少三根空中天线。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的过程或装置，其中，所述位置和取向数据由所述空中天线发射到至少一个地面站。
5.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述处理系统包括基于地面的处理中心。
6.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，已知所述空中天线的所述位置在所述分量信号的波长的四分之一内。
7.根据以上权利要求1-2中任一项所述过程或装置，其中，概念上的天线具有从1至30千米的尺寸。
8.根据权利要求4所述的过程或装置，其中，所述地面水平处理主导整体信号处理能力，消耗信号处理电子器件电功率要求的超过70%。
9.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，至少一根空中天线在至少10,000 m的升高位置处。
10.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述协同波束是在第一时间点处生成的，并且在第二时间点处，执行第二波束成形操作，以确保所述协同波束被引导到所述移动的用户天线的所述位置。
11.根据权利要求10所述的过程或装置，其中，随时间的推移执行进一步的波束成形操作以确保所述协同波束被引导到所述移动的用户天线的所述位置。
12.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述空中天线中的至少一根是相控阵列天线。
13.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述空中天线中的至少一根被连接到地面。
14.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述平台包括无人驾驶太阳能动力飞行器、飞艇或混合动力空中运载工具。
15.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述平台包括无人驾驶氢动力飞行器。
16.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述平台包括系留浮空器。
17.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述平台包括自由飞行浮空器。
18.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述平台包括烃化合物燃料飞行器。
19.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述平台包括卫星。
20.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述平台中的至少一些使用不同的天线进行发射或接收。
21.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，去往和/或来自所述用户设备天线的数据速率超过10 Mbps。
22.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，可以使用常规资源共享方法。
23.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述波束成形适应于用户设备的变换位置以跟随所述用户设备从而维持高完整性通信。
24.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，通过修改空中天线权重来动态地适配所述波束成形从而提供最佳服务条件。
25.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述用户设备是可移动的。
26.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，考虑到一个或多个天线平台的所述取向和姿态，改变天线元件的权重，以便基于反映人口密度或数据速率密度的优化功能来控制基于地面的贴片大小。
27.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述用户设备中的至少一些是基于地面的。
28.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述用户设备中的至少一些在无人驾驶空中运载工具上。
29.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述用户设备中的至少一些在有人驾驶飞行器上。
30.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述用户设备中的至少一些在某种形式的运输技术上，包括但不限于火车、机动车辆和船舶。
31.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，其中，所述空中天线在太阳能照射为低时在特定的位置上的时期内主要由氢动力飞行器承载，并且在其他时期内由太阳能动力飞行器或太阳能和氢动力飞行器承载。
32.根据以上权利要求1-2中任一项所述的过程或装置，由多个空中平台机队组成。
33.根据权利要求3所述的过程或装置，其中存在至少十根空中天线。
34.根据权利要求33所述的过程或装置，其中存在至少三十根空中天线。
35.根据权利要求34所述的过程或装置，其中存在至少一百根空中天线。
36.根据权利要求6所述的过程或装置， 其中，已知所述空中天线的所述位置在所述分量信号的波长的十分之一内。
37.根据权利要求7所述的过程或装置，其中，概念上的天线具有从5至20千米的尺寸。
38.根据权利要求8所述的过程或装置，其中，所述地面水平处理主导整体信号处理能力，消耗信号处理电子器件电功率要求的超过90%。
39.根据权利要求9所述的过程或装置，其中至少一根空中天线在至少17,000 m的升高位置处。
40.根据权利要求39所述的过程或装置，其中至少一根空中天线在平流层中。
41.根据权利要求21所述的过程或装置，其中去往和/或来自所述用户设备天线的数据速率超过100 Mbps。
42.根据权利要求22所述的过程或装置，其中，可以使用共享频率、时间和代码或其他技术的常规资源共享方法。
43.根据权利要求31所述的过程或装置，其中，所述空中天线在冬季时在特定的位置上的时期内主要由氢动力飞行器承载，并且在其他时期内由太阳能动力飞行器或太阳能和氢动力飞行器承载。
44.根据权利要求1所述的过程，所述过程还包括确定移动空中天线或天线元件的位置，所述移动空中天线或天线元件安装在至少一个移动平台上，使得所述空中天线具有随时间的推移可变的位置和取向，所述过程包括：确定已知波长为λi的信号之间的相位差yi，所述相位差是值为0与1之间的波长的一部分，所述信号在 (a) i个基于地面的发射器与(b) 所述空中天线或天线元件之间进行发射，所述基于地面的发射器可以是回程基站，其中，i为至少三，所述基于地面的发射器具有在λi/10内的已知位置，从而将从所述基站到所述空中天线或天线元件的距离确立为λi(ni + yi)，其中，ni是未知整数；通过差分GPS或其他方法近似地将所述空中天线或天线元件的位置确定为在少量波长λi内，从而确立ni可以是每个信号的有限数量的可能整数值中的一个；
所述基站的数量及其位置足以允许消除与来自其他基于地面的发射器的ni的有限数量的可能值不一致的ni的可能值，直到针对每个ni仅建立一个整数值；
通过三角测量所述空中天线或天线元件的距至少三个基于地面的发射器的已知距离λi(ni+yi)来确立所述空中天线或天线元件的位置。
45.一种向用户设备上的天线接收和/或发射数据、应用和/或内容的过程，所述过程利用根据以上权利要求1-43中任一项所述的装置或过程。
46.一种用于通过指定位置和/或将允许或拒绝向那个位置发射或接收信息的时间来管理对根据权利要求1至43中任一项所述的装置或过程的访问的过程。
47.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当在计算机上实现时，所述程序致使所述计算机执行如权利要求1和3至46中任一项所述的过程。
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