CN108353290A - 具有多个空中无人机的动态无线通信网络 - Google Patents

Abstract

一种用于与多个自主飞行器(诸如无人机)建立动态无线通信网络的系统和方法。无人机可以动态地改变通信网络的尺寸和可用性，并且与现有通信网络(诸如蜂窝电信或互联网协议网络)一起工作。因此无人机可以响应于各种需求(诸如紧急响应区域或大型体育赛事)创建和维护强健的网络。此外，无人机可以为移动设备建立通信热点，也可以替代地被配置为创建数据管线。

Description

具有多个空中无人机的动态无线通信网络

背景技术

诸如蜂窝电信网络和无线互联网协议网络的无线通信网络通常从地理上固定的无线电塔台或其他无线电波传播和接收设备来配置。固定设备将具有特定通信协议中的双向无线电信号，诸如用于蜂窝电信的“时分多址”(TDMA，也是GSM的一部分)或“码分多址”(CDMA)，或用于互联网网络的TCP/IP。在TCP/IP协议中，固定设备也可以动态分配网络地址给正在使用网络的其他通信设备。一些固定设备包括支持多种类型的多个无线网络的设备，例如GSM和CDMA网络两者，或蜂窝网络和诸如那些使用WiMAX(IEEE 802.16)标准的无线互联网网络。

基于地理上固定的通信设备的无线网络中出现的一个问题是存在分配给使用无线网络的设备的固定数量的通信信道、时隙和/或地址。如果大量通信设备需要同时使用网络，诸如发生在紧急响应区域或诸如体育赛事或音乐会的大型事件中，则对于存在于无线通信网络的地理区域中的所有设备，通信信道和地址不足。在最坏的情况下，固定设备的设备可能会因来自移动设备的通信请求而变得不堪重负，并且完全失败。

另一个问题发生在存在几乎没有或没有无线通信资源的地理区域，并且需要动态创建和维护无线网络(诸如远程紧急响应或搜索和救援站点)时。事先确定维护无线网络所需的资源非常困难，因为不优先存在所需的使用率或总带宽。

存在现有的便携式和临时无线通信设备，其可以为地理区域建立和维护无线网络，并且在某些情况下，可以为现有的无线通信网络提供额外的支持。这些设备的示例是移动无线电塔台，它们被驱动到地理区域并被设置以托管(host)网络，通常是用于即按即说(push-to-talk)或其他手持设备的单向或双向紧急频率无线电通信网络。便携式和临时塔台也可以托管蜂窝电信并且可以支持现有的固定地理无线网络设备。还有使用诸如飞机、直升机、软式飞艇和卫星的飞行器为地理区域创建基于空中的(aerial-based)无线网络的空中设备。

基于陆地和空中两者的临时无线网络设备的问题在于它们具有有限的资源，并且不能使网络动态地适应网络使用量的急剧增长。如果无线网络提供设备正在移动或者与其他移动无线网络设备协调，这些设备也不能解决地理网络中的变化，以快速且有效地处理临时无线网络所需增加的网络带宽或其他地理移位的问题。

附图说明

参照附图阐述具体实施方式。

图1是具有多个空中无人机的动态无线通信网络的一个实施例，示出了多个无人机为几个地理区域中的移动通信设备创建若干无线热点，其中无人机将信号中继到陆基无线电塔台和其他基于空中的卫星。

图2是与固定无线电塔台和其他无人机交互以保证地理区域的最小无线覆盖的多个无人机的一个实施例的代表图。

图3是使用一系列定向排列的无人机的系统的一个实施例的代表图，所述无人机被配置为创建到位于远程地理区域中的其他热点创建无人机的通信数据管线。

图4是托管多个无人机的蜂窝基站塔台的一个实施例的代表图，所述多个无人机可以在塔台处再充电并且被部署以在需要时增加蜂窝网络的带宽和/或地理范围。

图5是用于维护具有如图2所示的多个无人机的地理无线网络的算法的一个实施例的流程图。

图6是用于为如图3所示的其他无人机创建通信数据管线的算法的一个实施例的流程图。

图7是用于利用无人机结合如图4所示的固定蜂窝塔台的算法的一个实施例的流程图。

图8是在移动设备处使用的算法的一个实施例的流程图，所述移动设备可以发送信号以请求一个或更多个无人机前往移动设备的地理区域以在移动设备位置处创建临时无线热点。

具体实施方式

现在更详细地参考描述本系统和方法的附图，图1是动态无线通信网络102的一个实施例的代表图，具有多个空中无人机104、106，在若干地理区域中创建用于诸如智能电话114和蜂窝电话116的移动通信设备的若干无线热点118、120，其中无人机104、104将信号中继到诸如塔台108之类的陆基无线电塔台以及诸如卫星110之类的其他基于空中的卫星。无人机104、106被示出为通常使用的四轴无人机，但是可以是任何自主或半自主飞行器，诸如单轴无人机或多轴无人机、固定翼飞机或软式/轻型飞行器。优选的是，无人机104、106在飞行中至少是半自主的，使得如这里所描述的飞行无人机104、106所需的计算开销或飞行员资源保持到最小。

在一个实施例中，系统102允许固定塔台110的地理无线区域112外部的一个或更多个无线网络热点118、120。如在此进一步示出的，如果网络的移动用户已经使网络饱和，则无人机104、106还可以补充现有塔台108区域112的可用带宽。无人机104、106可以增加至无线网络的现有占地中，诸如扩展TDMA、CDMA、OFS等蜂窝网络，或者可以建立完全不同的通信网络，诸如WIFI或WIMAX互联网协议网络。

图2是与固定无线电塔台108和其他无人机208交互以保证地理区域上一系列小区202的最小无线覆盖的多个无人机206的一个实施例的代表图。如此处所示，每个无人机大致位于小区的地理中心，从而可以创建和维护该区域的全面覆盖。无人机206和塔台108可以交互以实现小区202之间正在进行的通信(诸如电话呼叫或数据流)的移动设备切换。此外，塔台108还可以自主方式工作以将无人机移入和移出小区以维护网络，诸如在小区202和204中所示的。

所示的无人机212需要返回以进行再充电并离开小区204，并且当无人机210移出时，无人机210从小区202移位以覆盖小区，由此维持小区204中的无线网络完整性。然后新充电的无人机208进入小区202以维持小区202中的无线网络。通过这种方法，最快需要再充电的无人机可以通过小区被路由到无线网络的地理区域的外围，或者到最靠近再充电基站的小区。该系统和方法还可以为在所述地理区域上建立无线网络的所有无人机206编制特定的飞行计划，以确保恒定小区覆盖。在另一个实施例中，无人机206可响应于无人机需要返回基站进行充电或区域故障而实现在其自己之间自主执行覆盖飞行模式。

小区202的地理区域可以是通常不具有任何无线网络覆盖的区域或者是需要额外的热点来处理移动设备通信业务的现有覆盖区域。需要的新区域的示例可以是紧急站点或偏远地区的战场。可能需要额外热点支持的现有区域的示例可以是音乐会、城市紧急事件、体育赛事、交通拥堵或大型集会。

图3是使用一系列定向排列的无人机310、312、314的系统302的一个实施例的代表图，该一系列定向排列的无人机310、312、314被配置成创建从塔台304到位于远程地理区域306中的其他热点创建无人机316、318的通信数据管线。以这种方式，无人机316、318可以为位于地理区域306中的移动设备308创建无线热点。在该实施例中，诸如无人机310、312、314的多个无人机可以托管仅来自塔台304的单向或双向数据流，以及托管从其他热点创建无人机316、318至塔台304的单向或双向数据流。在该配置中，无人机310、312、314将不托管来自移动设备的任何中间通信业务，以便最大化可用于去往和来自塔台304和由无人机316、318创建的无线网络的数据管线的资源。

无线网络的空中配置和创建指定带宽的数据管线所需的无人机的数量以及无线网络所需的无人机的数量可以在塔台304控制侧，可能通过与其通信的其他计算设备(未示出)来确定。或者，一些或全部无人机的配置可以由无人机完成，并在监测网络状况时进行更改。因此，如果移动设备308需要更多带宽，诸如可能出现更多的救援人员进入紧急区域并使用移动设备，则无人机可以发送指令以向热点添加更多无人机，如无人机316、318。类似地，如果到达塔台的总体数据管线变满，则其他无人机可以与无人机310、312、314一起部署在管线中以增加带宽。

通过使用这个实施例，可以在非常偏远的地区建立强健的无线通信网络，诸如可能发生空难或其他紧急站点，或者为了诸如石油勘探或考古挖掘之类的远程工作而发生的事件。该网络可以是传统的无线电网络，诸如单向即按即说系统，或蜂窝电信网络，或互联网无线网络或其组合。

图4是托管多个无人机410、414的蜂窝基站塔台402(或基站收发站)的一个实施例的代表图，无人机410、414可以在基板408、412上的塔台402处再充电并且被部署以当需要时增加蜂窝网络的带宽和/或地理范围。塔台402被示出为具有蜂窝电信阵列404，蜂窝电信阵列404可以支持例如TMDA或CDMA蜂窝网络。在该实施例中，塔台402还包括WiMAX天线406，使得其可以通过部署无人机410、414来选择性地创建WiMAX TCP/IP无线网络。或者，无人机410、414可用于增强现有蜂窝网络的带宽，和/或在来自塔台的无人机的实际操作范围内根据需要创建无线或蜂窝热点。

如这里所示，无人机410、414返回到塔台402以搁置(rest)在基板408、412上。无人机410、414通过感应充电在基板408、412上再充电。当无人机搁置在基板上时，基板408、412将包括将与无人机410、414(诸如由搁置在基板408上的无人机410所示出的)中的平行感应线圈(未示出)感应耦合的感应线圈(未示出)。可以使用其他类型的无人机以及加油、更换电池或再充电的方法。此外，再充电可以在另一站点进行，不一定在塔台402的基板上进行。用于确定无人机的飞行和再充电的控制系统可以驻留在塔台402处，或计算机网络中的其他地方。多个塔台和无人机也可以通过大型无线网络进行交互，诸如图2所示的小区网络202。

图5是用于维护具有如图2所示的多个无人机的地理无线网络的算法的一个实施例。该过程开始于关于无线网络是否需要在地理区域中建立或扩展到地理区域的判定，如在判定框502处示出，其在这里被示出为被重复的迭代过程。如果在判定框502不需要无线网络，则过程前进到判定框508。如果在判定框502需要无线网络，则对关于用于部署以在地理区域中创建无线网络的一个或更多个小区(如同图2中的小区202)所必须的无人机的数量进行确定。确定步骤504也可以用于配置无线网络，或者图2所示的蜂窝网络。

然后，系统102将诸如图2中的多个无人机206的无人机部署到无线网络的一个或更多个小区，以建立与诸如图1中的移动设备114和116的移动设备的通信，如步骤506中所示，然后继续进行确定所建立的网络中的带宽是否足够，如判定框508所示。如果在判定框508处带宽足够，则过程前进到判定框514。如果在判定框508处没有足够的带宽，则如步骤510所示，进行确定关于支持所需额外带宽所需的其他无人机的数量。然后，无人机被部署以增加无线网络的带宽，如步骤512所示。

然后进行关于建立无线网络的任何无人机是否需要更换的判定，如判定框514所示。在图2中的小区204的无人机更换中示出了这种步骤。该步骤可以通过与寻求操作状态信息(例如，电池电量水平、剩余燃料、操作特性)的无人机通信来完成，或者可以随着基于部署时间和其他已知变量(例如，天气、通信量等)的估计来完成，或通过两种方法的组合来完成。如果在判定框514处没有无人机需要更换，则该过程返回到判定框502以重新开始该过程。否则，如果在无线网络中无人机需要更换，则如步骤516中所示，确定覆盖更换物所需的无人机数量，然后如步骤518中所示，部署无人机以覆盖该更换。图2中示出了这种部署，其中无人机46被部署以覆盖小区202，而无人机210被移开以覆盖小区204。在步骤518处更换无人机被部署之后，该过程返回到判定框502以迭代并选择性地建立和维护地理区域中的无线网络。

图6是用于为如图3所示的其他无人机创建通信数据管线的算法的一个实施例。进行关于是否需要远程无线网络(例如，确定动态无线通信网络是否应当被创建在远程地理区域或被扩展到远程地理区域)的判定，如判定框602所示。在本上下文中的术语“远程”意味着需要无线网络的地理区域或者没在通信带宽的服务之下，或者根本没有服务。如果在判定框602处不需要远程无线网络，则该过程简单地在此处迭代。或者，这个过程可以开始于外部调用来执行，而不是系统处于等待状态。否则，如果在判定框602处需要远程无线网络，那么确定远程无线网络所需的总体带宽，如步骤604所示。然后，如步骤606所示，确定创建数据管线和远程无线网络308所需的无人机的数量，并且部署无人机，如步骤608所示。

然后，如判定框610所示，数据管线一旦被建立，进行关于是否存在用于该数据管线的足够带宽的判定。如果在判定框610处没有足够的带宽，则过程迭代至步骤604以再次确定并维护足够的带宽。否则，如果在判定框612处有足够的带宽，则进行关于远程无线网络308是否需要拆除的判定，如判定框612所示。如果在判定框612处远程无线网络308不需要拆除，则该过程返回到判定框610以迭代并确保带宽，直到远程无线网络308需要被拆除。一旦在判定框612处网络需要拆除，则无人机就被召回到基站，如步骤614所示。基站可以在图4中的小区塔台402处用基板408和412来体现。在步骤614中，无人机被召回之后，该过程返回到判定框602以确定何时再次需要远程无线网络308。

图7是用于利用无人机(诸如无人机410和414)结合如图4所示的固定蜂窝塔台402，以在从塔台402的无人机范围内具体地创建无线互联网热点的算法的一个实施例。进行关于在塔台402的蜂窝网络内移动设备(诸如图1中的设备114和116)是否已经请求无线互联网热点的判定，这意味着热点在地理上接近于塔台402处被请求。如果在判定框140处不需要热点，则该过程在那里迭代(例如，重复询问)以等待创建热点的需要。否则，如果在判定框702处需要热点，则确定需要被部署以创建所请求的热点的无人机的数量，如步骤704所示。然后确定是否可以创建所请求的热点，如判定框706所示。

判定706可以基于许多潜在变量做出，诸如无人机的可用性、移动设备距塔台402的距离、所需带宽的量等。如果在判定框706处不能创建无线热点，则向请求的移动设备输出错误，并且过程终止，如终止框708所示。否则，如果在判定框706处可以创建热点，则如步骤710所示，从塔台402部署无人机以为请求的移动设备创建热点。然后进行关于热点是否需要拆除的判定，如判定框712所示。如果在判定框712处热点不需要拆除，则该过程在那里迭代(例如，重复查询)以等待拆除热点的需要。否则，如果在判定框712处热点需要拆除，则无人机被召回到塔台402处的基站，如步骤714所示，这有效地将热点拆除。该过程然后返回到判定框702以等待在移动设备用户的请求下创建另一个无线热点的需要。

应该理解的是，除了移动设备请求之外，其他方法和动作可以触发对热点的需要，诸如第三方请求、一天的特定时间或其他标准。此外，该热点可以是利用任何通信协议的无线网络，包括与塔台402相同的协议。

图8是由移动设备(诸如移动设备114和116)使用的算法的示例性实施例，移动设备可以发送信号以激活诸如无人机104和106等的无人机以行进到移动设备的地理区域，以在移动设备位置处创建临时无线热点。因此，图8的过程是调用图7中的热点的设备侧过程的一个实施例。在该实施例中，热点请求用于在移动设备周围创建互联网无线网络。然而，可能使用基站和无线热点的网络的任何配置。

如过程802开始所示，该过程开始于移动设备上的应用程序接收来自用户的请求以为用户设置无线热点。然后，在该实施例中，如步骤804所示，应用程序请求用户输入用户在热点中想要的属性，并将它们中继到基站，诸如图2中的塔台402。例如，用户可以指定热点需要多大，热点中将有多少设备，诸如流媒体需要什么热点，甚至可以在特定时间和不同位置请求热点。在步骤804处，收集并中继热点的属性之后，然后如判定框806所示，进行关于对热点的请求是否随着被基站接收而被确认的判定。在判定框806处，如果在基站处未接收到确认，则向用户输出错误并且热点请求过程终止，如终止框808所示。

否则，如果在判定框806处，在该基站处已经接收到该请求，则如判定框810所示，进行关于是否已经创建了该无线热点的判定。这可以通过移动设备回音检查(pinging)无人机来查看它们是否存在，或者通过简单地尝试在无线网络上打开新的通信信道来完成。如果在判定框810处无线热点的创建没有被移动设备确认，则向移动设备的用户输出错误，并且热点请求过程终止，如终止框812所示。

否则，如果在判定框810处已经创建了无线热点，则如判定框814所示，进行关于用户是否已经请求终止热点的判定。如果在判定框814处用户尚未请求终止热点，那么该过程在判定框814处迭代(例如，重复询问)，直到已经接收到终止请求。或者，判定814可以针对热点的预定持续时间，并且可以在创建热点的一个或更多个无人机指示他们不能维持热点的情况下发生。一旦在判定框814要终止热点，则如步骤816所示，移动设备向基站发送请求以中断热点，并且终止热点请求例程，如终止框818所示。如图7所示，热点的拆除典型地通过召回无人机完成。移动设备还可以确保移动设备上的所有应用程序和进程在被移除之前都处于无法访问热点的状态。

结论

虽然已经用特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了主题，但是应该理解，在所附权利要求中限定的主题不一定限于上述特定特征或动作。相反，上述特定特征和动作是作为实现权利要求的示例形式公开的。

Claims (15)

1.一种由计算设备管理动态无线通信网络的方法，所述方法包括：

重复确定所述动态无线通信网络是否应当被创建在新地理区域中或被扩展到新地理区域；

在确定所述动态无线通信网络应当被创建在所述新地理区域中或被扩展到所述新地理区域时：

确定用于部署的多个自主飞行器以动态地创建用于所述新地理区域的所述动态无线通信网络的一个或更多个小区；以及

将所述多个自主飞行器部署到所述新地理区域的所述一个或更多个小区。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

在确定需要额外带宽以补充所述动态无线通信网络的地理区域中的现有带宽时，确定多个额外自主飞行器以补充所述现有带宽；以及

将所述多个额外自主飞行器部署到已经确定需要所述额外带宽的所述动态无线通信网络的所述地理区域。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：在确定应当更换所述动态无线通信网络的现有自主飞行器时，部署新的无人机以更换所述现有自主飞行器。

4.如权利要求3所述的方法，其中基于以下中的至少一个来确定是否应当更换自主飞行器：

(i)所述自主飞行器的电池电量；

(ii)所述自主飞行器的燃料水平；

(iii)部署所述自主飞行器的时间；以及

(iv)环境条件。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述新地理区域是以下中的至少一个：

(i)紧急站点；

(ii)事件站点；以及

(iii)远程努力站点。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或更多个自主飞行器托管来自和去往蜂窝塔台的单向或双向数据流。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述确定需要额外带宽以补充所述动态无线通信网络的地理区域中的现有带宽是基于从一个或更多个自主飞行器接收到的指令。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述自主飞行器的所述部署是来自蜂窝塔台。

9.一种计算设备，包括：

处理器；

网络接口，所述网络接口耦合到所述处理器，被配置为使能经由动态无线通信网络的通信；

存储设备，所述存储设备用于内容和编程；

程序，所述程序存储在所述存储设备中，其中由所述处理器对所述程序的执行配置所述计算设备以执行动作，所述动作包括：

重复地确定所述动态无线通信网络是否应当被创建在远程地理区域中或被扩展到远程地理区域；

在确定所述动态无线通信网络应当被创建在所述远程地理区域中或被扩展到所述远程地理区域时：

确定带宽以适应所述远程地理区域中的所述动态无线通信网络；

确定多个自主飞行器以创建被配置为提供所述确定的带宽的数据管线；以及

部署所述多个自主飞行器以在所述远程地理区域中创建所述数据管线。

10.如权利要求9所述的计算设备，其中所述程序的执行还配置所述计算设备以执行动作，所述动作包括在部署所述多个自主飞行器时：

重复地确定所述远程地理区域是否具有足够的带宽；以及

在确定所述远程地理区域具有足够的带宽并且在确定所述远程地理区域中的所述无线通信网络应当被移除或缩小时，将所述远程地理区域的所述多个自主飞行器中的至少一个召回到蜂窝塔台。

11.一种蜂窝塔台，包括：

处理器；

网络接口，所述网络接口耦合到所述处理器，被配置为使能经由动态无线通信网络的通信；

存储设备，所述存储设备用于内容和编程；

程序，所述程序存储在所述存储设备中，其中由所述处理器对所述程序的执行配置所述蜂窝塔台以执行动作，所述动作包括：

重复地确定是否请求所述蜂窝塔台的所述动态无线通信网络内的无线热点；

在确定所述无线热点被请求时：

确定多个自主飞行器以动态地创建所述无线热点；

确定创建所述无线热点是否可行；

在确定创建所述无线热点可行时，部署所述多个自主飞行器以动态地创建用于所述无线热点的数据管线；以及

在确定创建所述无线热点不可行时，向请求移动设备发送错误消息。

12.如权利要求11所述的蜂窝塔台，其中对所述无线热点的所述请求源自(i)移动设备，(ii)第三方电子设备以及(iii)预定时间中的至少一个。

13.如权利要求11所述的蜂窝塔台，其中对所述无线热点的所述请求源自移动设备上的应用程序，所述应用程序提供以下中的至少一项：

(i)所述无线热点的尺寸；

(ii)所述无线热点中的多个设备；

(iii)所述无线热点的目的；以及

(iv)针对所述无线热点的时间段。

14.如权利要求13所述的蜂窝塔台，其中所述程序的执行还配置所述蜂窝塔台以执行动作，所述动作包括：在从所述应用程序接收到对所述无线热点的所述请求时，向所述移动设备发送确认。

15.如权利要求11所述的蜂窝塔台，其中所述程序的执行还配置所述蜂窝塔台以执行动作，所述动作包括：

在创建所述无线热点时，重复地确定所述无线热点是否应当被移除或缩小；以及

在确定所述无线热点中的所述无线通信网络应当被移除或缩小时，将所述无线热点的所述多个自主飞行器中的至少一个召回到所述蜂窝塔台。