CN109644043A - 基于无线通信系统中有源天线的虚拟同心小区 - Google Patents

Abstract

用于在各小区中提供ATG无线通信的网络内的基站可以包括第一天线阵列、基站单元和设置在基站单元和第一天线阵列之间的远程无线电头。第一天线阵列限定多个第一扇区，所述多个第一扇区具有以方位角限定的相应宽度。第一扇区中的每个包括处于相应仰角处的第一扇区底层和第一扇区顶层，使得第一扇区底层和第一扇区顶层的组合创建以第一基站为中心的相应第一基站圆锥小区的至少一部分。第一基站被配置为在第一扇区底层和第一扇区顶层之间的相应仰角处限定另外的第一基站圆锥小区。远程无线电头接收指示飞机的位置的位置信息，以使远程无线电头能够在朝向飞机的第一天线阵列处形成在方位角和仰角中的可控波束。

Description

基于无线通信系统中有源天线的虚拟同心小区

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年5月20日提交的美国临时申请号为62/339,229的申请的优先权，该申请的全部内容通过引用整体并入本文。

技术领域

示例实施例通常涉及无线通信，并且更特别地涉及采用有源天线在虚拟同心的通信小区中的各种距离和高度处提供连续无线通信。

背景技术

高速数据通信和实现这种通信的设备已经在现代社会中普遍存在。这些设备使许多用户能够保持与互联网和其他通信网络的几乎连续的连接。尽管这些高速数据连接能够通过电话线、电缆调制解调器或其它具有物理有线连接的设备获得，但无线连接已经彻底改变了我们在不牺牲移动性的情况下保持连接的能力。

然而，尽管人们对在地面上持续连接到网络的熟悉程度仍然存在，但人们普遍认为，一旦登上飞机，容易和/或廉价的连接将趋于停止。至少对于机上乘客而言，航空平台仍然没有变得容易和廉价地连接到通信网络。试图在空中保持连接通常是昂贵的并且具有带宽限制或高延迟问题。此外，愿意接受由飞机通信能力带来的费用和问题的乘客通常限于由飞机上提供的刚性通信架构支持的非常特殊的通信模式。

传统的基于地面的无线通信系统使用垂直天线来为集中在地面附近的设备连接提供覆盖。然而，飞机在远离地面上方延伸的三维空间中运行。因此，可以理解的是，需要进行重大改变以能够为高达45,000英尺巡航高度的飞机提供三维覆盖。

发明内容

无线技术的不断发展给使用安装在某些站点的多个天线为在不同高度处的飞机提供无线覆盖提供了新的机会。

在一个示例实施例中，提供了一种用于在各小区中提供空对地(ATG)无线通信的网络。该网络包括第一基站和第二基站。第一基站可以包括第一天线阵列，第一天线阵列限定多个第一扇区，该多个第一扇区具有以方位角限定的相应宽度。每个第一扇区可以包括处于相应仰角处的第一扇区顶层和第一扇区底层，以使得第一扇区底层和第一扇区顶层的组合产生以第一基站为中心的相应第一基站圆锥小区的至少一部分。第一基站可以被配置为在第一扇区底层和第一扇区顶层之间的相应仰角处限定另外的第一基站圆锥小区。第二基站可以包括第二天线阵列，第二天线阵列限定多个第二扇区，所述多个第二扇区具有以方位角限定的相应宽度。每个第二扇区可以包括处于相应仰角处的第二扇区顶层和第二扇区底层，以使得第二扇区底层和第二扇区顶层的组合产生以第二基站为中心的相应第二基站圆锥小区的至少一部分。第二基站可以被配置为在第二扇区底层和第二扇区顶层之间的相应仰角处限定另外的第二基站圆锥小区。第一基站和第二基站可以设置为沿第一方向彼此偏移地定位。能够在第一扇区和第二扇区中的每个内形成可控波束。基于在第一基站的第一远程无线电头和第二基站的第二远程无线电头中的相应的一个处执行的波束控制，可控波束在方位角和仰角上都是可控的。

在另一个示例实施例中，提供了一种用于在各小区中提供ATG无线通信的网络内的基站。基站可以包括第一天线阵列、基站单元和设置在基站单元和第一天线阵列之间的远程无线电头。第一天线阵列可以限定多个第一扇区，该多个第一扇区具有以方位角限定的相应宽度。每个第一扇区可以包括处于相应仰角处的第一扇区底层和第一扇区顶层，以使得第一扇区底层和第一扇区顶层的组合产生以第一基站为中心的相应第一基站圆锥小区的至少一部分。第一基站可以被配置为在第一扇区底层和第一扇区顶层之间的相应仰角处限定另外的第一基站圆锥小区。远程无线电头可以接收指示飞机的位置的位置信息，以使远程无线电头能够在朝向飞机的第一天线阵列处形成在方位角和仰角上的可控波束。

附图说明

已经概括地描述了本发明，现在将参考附图，附图不一定按比例绘制，并且其中：

图1示出了根据示例实施例的随时间移动通过不同基站的覆盖区域的飞机；

图2示出了根据示例实施例的用于采用位置信息来辅助波束形成的系统的框图；

图3示出了根据示例实施例的可用于协助使用位置信息来辅助在远程无线电头处的波束形成的控制电路；

图4示出了由示例实施例的基站生成的覆盖区域的立体图；和

图5示出了根据示例实施例的用于部署基站以提供ATG无线通信的网络拓扑的侧视图。

具体实施方式

现在，将在下文中参照附图更全面地描述一些示例实施例，其中示出了一些但并非所有示例实施例。实际上，本文中描述和描绘的示例不应被解释为限制本公开的范围、适用性或配置。相反，提供了这些示例实施例，使得本公开将满足适用的法律要求。相同的附图标记始终表示相同的元件。此外，如本文中所使用的，术语“或”将被解释为逻辑运算符，只要其操作数中的一个或更多个为真，该逻辑运算符的结果就为真。如本文中所使用的，可操作耦合应理解为涉及直接或间接连接，在任一情况下，该直接或间接连接使得彼此可操作地耦合的部件的功能互连。

在一些示例实施例中，基站处的多个天线能够形成单独的扇区(在方位角上)，这些单独的扇区能够被组合以实现围绕基站的半圆形(或圆形)覆盖区域。扇区还能够限定在两个仰角之间，以限定在两个仰角之间远离基站延伸的楔形覆盖区域或小区。可以在每个扇区内形成可控波束，并且该波束在扇区内的方位角和仰角上能够是可控的。可控波束还具有方位角宽度和仰角宽度，方位角宽度和仰角宽度限定了可控波束的大小。因此，波束中的每个能够在其相应扇区内以恒定的仰角在方位角上扫过，以限定在基站处具有顶点的圆锥的一部分的弯曲表面。值得注意的是，弯曲表面在技术上也可以具有楔形，因为它在限定可控波束的高度的仰角之间延伸。考虑到多个扇区，可以以相同的仰角围绕基站扫过波束以限定圆锥形状(或及其部分，这取决于波束扫过多少扇区)。所限定的圆锥形状通常具有比圆锥的高度长得多的半径(例如，几乎是圆锥形状的边的长度)。由于波束在仰角上也是可控的，因此同心弯曲表面也能够在一个或更多个扇区内的方位角范围内以不同的仰角扫过，以限定略微不同和同心的圆锥形状(或其部分)。因此，可控能力可以允许形成虚拟同心小区，其中每个“小区”限定在两个仰角之间界定并扫过方位角的范围的圆锥表面(或其部分)。此外，可以在相应的相邻(或至少不同)仰角范围之间限定多个这样的小区。可以使用有源天线技术来创建这些虚拟同心小区，该有源天线技术允许将可控智能单元移近或移入天线，以进一步减少需要在远程无线电头(RRH)和基站的天线之间运行的电缆的数量。

相应地，本文中描述的一些示例实施例可以提供用于改进的空对地(ATG)无线通信性能的架构。在这方面，一些示例实施例可以提供具有天线结构的基站，该天线结构有助于在垂直和水平方向上、以足够的仰角提供无线通信覆盖，以与在高仰角处的飞机通信。基站能够提供楔形覆盖区域，其中，可控波束能够是可控的以在距基站预定距离内的预定高度处实现覆盖，以促进ATG无线通信。楔形覆盖区域在水平平面中能够是基本上半圆形(或圆形)，并且能够由多个天线提供，每个天线在半圆形方位角的一部分内提供楔形扇区。基站能够部署为在第一方向上基本上对齐，而在第二方向上偏移。例如，基站也能够以第一距离部署在第一方向上，以提供在仰角上的重叠覆盖以实现对预定高度的覆盖，并且基于扇区的可实现的覆盖区域距离在第二方向上部署在第二距离内。可控波束在方位角和仰角两者上可以是可控的，以允许限定虚拟同心小区。虚拟同心小区被限定在仰角限制之间，作为以位于地平线正上方的基站为中心并且远离基站延伸的同心圆锥(或其部分)。通过提供朝向地平线延伸的虚拟同心小区，任何特定基站上方的覆盖区域可以不由该基站提供。相反，相邻基站可以在每个单独的基站上方提供覆盖，以便减少来自基于地面的发射器的干扰的可能性，因为飞机能够向地平线寻求服务而不是直接降落，其中，预计将定位范围内的大多数干扰源。

图1示出了飞机移动通过不同基站的覆盖区的概念图，以说明示例实施例。如图1中可以看到，飞机100可以在时间t₀经由第一无线通信链路120与第一基站(BS)110通信。因此，飞机100可以包括使飞机100能够与第一BS110通信的机载无线通信器件，并且第一BS110也可以包括能够与飞机100通信的无线通信器件。如下面将更详细地讨论的，在每个端的无线通信器件可以包括无线电硬件和/或软件，用于处理在相应的天线阵列处接收的无线信号，这些天线阵列提供在各自的设备处以与它们各自的无线电通信。此外，示例实施例的无线通信器件可以被配置为采用波束形成技术，以使用天线阵列来利用指向聚焦、转向和/或波束的形成。因此，出于该讨论的目的，应该假定飞机100和第一BS110之间的第一无线通信链路120可以使用经由波束形成建立的至少一个链路来形成。换句话说，第一BS110或飞机100，或两者，可以包括能够采用波束形成技术来建立第一无线通信链路120的无线电控制电路。

第二BS130，其可以具有与第一BS110的那些性能和功能特性类似的性能和功能特性，可以在地理上定位成，使得对于飞机100的当前轨道，第二BS130是飞机100切换的候选者以保持飞机100和ATG无线通信网络的基于地面的基站之间在时间t₁的连续且不间断的通信链路。使第二BS130知道飞机100的接近可能是有帮助的，使得第二BS130能够采用波束形成技术来将波束引向飞机100。附加地或替代地，飞机100知道第二BS130的存在和位置可能是有帮助的，使得飞机100上的无线通信器件可以采用波束形成技术来将波束引向第二BS130。因此，第二BS130或飞机100上的无线通信器件中的至少一个可以采用由位置信息的知识辅助的波束形成技术，以便于在飞机100上的无线通信器件和第二BS130之间建立第二无线通信链路140。此后，到时间t₂，第一通信链路120可能中断，并且飞机100可以仅由第二BS130经由第二无线通信链路140来服务。在一些情况下，第一BS110和第二BS130之间的切换可以是从ATG无线通信网络的地面侧管理的硬切换。

根据示例实施例，可以提供波束形成控制模块，该波束形成控制模块采用关于飞机上的接收站或地面站的位置信息的知识来帮助应用波束形成技术。值得注意的是，根据一些示例实施例的波束形成技术可以包括选择多个固定波束中的一个，其中选择的固定波束瞄准期望的位置。因此，波束控制或波束形成应理解为还包括选择具有期望方向或投射图案的固定波束(例如，波束选择)。在任何情况下，示例实施例的波束形成控制模块中的一个或更多个实例可以物理地位于ATG通信网络内的多个不同位置中的任何(或全部)位置处。图2示出了ATG通信网络的功能框图，该ATG通信网络可以在靠近基站的天线阵列的远程无线电头处采用这种波束形成控制模块的示例实施例。

如图2中所示，第一BS110和第二BS130各自可以是ATG网络200的基站。ATG网络200还可以包括其他BS 210，并且BS中的每个可以经由网关(GTW)设备220与ATG网络200通信。ATG网络200还可以与诸如因特网230的广域网通信或其他通信网络通信。在一些实施例中，ATG网络200可以包括或以其他方式耦合到分组交换核心网络。

在示例实施例中，ATG网络200可以包括网络控制器240，网络控制器240可以包括例如切换功能。因此，例如，网络控制器240可被配置为处理往返于飞机100(或到飞机100上的通信器件)的路由呼叫和/或处理飞机100上的通信器件与ATG网络200之间的其他数据或通信传输。在一些实施例中，网络控制器240可用于在飞机100上的通信器件参与呼叫时提供到陆线中继线的连接。另外，网络控制器240可以被配置用于控制往返移动终端10的消息和/或数据的转发，并且还可以控制用于基站的消息的转发。应当注意，尽管在图2的系统中示出了网络控制器240，但是网络控制器240仅仅是示例性网络设备，并且示例实施例不限于在采用网络控制器240的网络中使用。

网络控制器240可以耦合到数据网络，例如局域网(LAN)、城域网(MAN)和/或广域网(WAN)(例如，因特网230)，并且可以直接或间接耦合到数据网络。反过来，诸如处理元件(例如，个人计算机、膝上型计算机、智能电话、服务器计算机等)的设备能够经由因特网230耦合到飞机100上的通信器件。

虽然本文并没有示出和描述了ATG网络200的每个可能实施例的每个元件，但是应当理解，飞机100上的通信器件可以通过ATG网络200耦合到许多不同网络中的任何一个或更多个。在这方面，网络能够根据许多第一代(1G)、第二代(2G)、第三代(3G)、第四代(4G)和/或未来移动通信协议等中的任何一种或更多种来支持通信。在一些情况下，所支持的通信可以使用诸如2.4GHz或5.8GHz之类的未许可带频定义的通信链路。然而，还可以支持许可频带通信，例如专用于ATG无线通信的频带中的通信。

如上所述，在示例实施例中，可以在网络侧或飞机侧中的任一个或两个处的无线通信器件上采用波束形成控制模块。因此，在一些实施例中，波束形成控制模块可以在飞机上的接收站(例如，与飞机的通信系统相关联的乘客设备或设备)中实施。在一些实施例中，波束形成控制模块可以在网络控制器240中、在基站中的一个或更多个处或在一些其他网络侧实体处实施。此外，在一些示例实施例中，可以通过在基站的RRH处提供位置/位置信息来实现波束形成，以实现如本文所述的有源天线波束形成。

图3示出了根据示例实施例的采用波束形成控制模块300的基站(例如，BS110、BS130或BS 210)的架构。如图3中所示，基站可以包括天线阵列250、远程无线电头(RRH)260和基本单元270。基本单元270可以包括电源、回程连接以及通常与基站相关联的各种信号处理和其他处理能力。在典型情况下，基本单元270可以可操作地耦合到天线阵列250，以与天线阵列250交互来从天线阵列250接收入站信号，并且相对于波束形成来引导天线阵列250，用于创建与飞行中的飞机(例如飞机100)的通信链路。然而，在典型的情况下，基站还可以包括能够相对高的塔或桅杆。因此，在发射器位于基本单元270中的范围内，需要通过延伸到数百英尺的电缆在基本单元270和天线阵列250之间提供高传输容量。为了最小化电缆长度，可以提供RRH 260。

RRH 260可以包括RF电路和模数转换器和/或数模转换器。RRH 2260还可以包括上/下转换器，并且具有操作和管理能力(如下文更详细地讨论)。在一些情况下，RRH 260还包括高频发射器，并且接近天线阵列250提供RRH 260。因此，RRH 260与天线阵列250之间的高频传输线的长度能够相对较短。这允许提高基站的效率，并降低与昂贵和长电缆相关的成本。同时，能够提供电力电缆和数据电缆(以及控制电缆，如果需要的话)以可操作地将RRH 260和基本单元270耦合。在一些情况下，电力电缆和数据电缆能够组合成单一的混合电缆。

在示例实施例中，波束形成控制模块300可以体现在RRH 260处的处理电路中。波束形成控制模块300可以使用指示飞机100的位置(相对或绝对项)的位置信息(或位置信息)来引导天线阵列250以形成朝向飞机250引导的波束。这样，波束形成控制模块300可以经由RRH 260与天线阵列250交互，以便将飞机100所位的位置通知RRH 260，以允许RRH 260告知天线阵列250形成哪个特定波束来到达飞机100。此外，波束形成控制模块300可以被配置为形成在方位角和仰角上具有有限宽度的波束，并且该波束在方位角和仰角上可以是可控的。

因此，示例实施例可以将与波束形成相关的至少一些智能单元放置在天线处或更靠近天线(或天线处)。这意味着，例如，由八个垂直极化天线形成的天线组件通常在RRH260与天线组件250之间需要八个同轴电缆来服务八个对应的元件列。然而，通过以逻辑控制元件的形式将与波束形成相关的幅度和相位信息的设备移位到更靠近天线的位置，天线基本上变成有源天线，并且例如，在示例实施例的RRH 260和天线组件250之间可以采用三根电缆而不是八根电缆来支持相同的波束形成工作，因为一个这样的电缆(例如，控制电缆)能够指示波束的方向被水平地(即，在方位角上)和垂直(即，在仰角上)地调节的位置，并且不需要物理开关。

波束形成控制模块300可以包括处理电路310，处理电路310被配置为基于对各种输入信息的处理提供控制输出，以用于在基站设置的天线阵列250处产生波束。根据示例实施例，处理电路310可被配置为执行数据处理、控制功能执行和/或其他处理和管理服务。在一些实施例中，处理电路310可以体现为芯片或芯片组。换句话说，处理电路310可以包括一个或更多个物理封装(例如，芯片)，该一个或更多个物理封装包括结构组件(例如，基板)上的材料、部件和/或电线。结构组件可以为其上包括的部件电路提供物理强度、尺寸保持和/或电相互作用的限制。因此，在一些情况下，处理电路310可以被配置为在单个芯片上或作为单个“片上系统”来实施本发明的实施例。这样，在一些情况下，芯片或芯片组可以构成用于执行一个或更多个操作以提供本文描述的功能的装置。

在示例实施例中，处理电路310可以包括与设备接口320通信或以其他方式控制设备接口320的处理器312和存储器314的一个或更多个实例。这样，处理电路310可以体现为配置为(例如，利用硬件、软件或硬件和软件的组合)执行本文描述的操作的电路芯片(例如，集成的电路芯片)。然而，在一些实施例中，处理电路310可以体现为机载计算机的一部分。在一些实施例中，处理电路310可以与ATG网络200的各种部件、实体和/或传感器通信。

设备接口320可以包括一个或更多个接口机制，以用于实现与其他设备(例如，模块、实体、传感器和/或基站的其他部件)的通信。在一些情况下，设备接口320可以是诸如硬件或硬件与软件的结合中所体现的设备或电路的任何装置，设备接口320被配置为从/向与处理电路310通信的基站的模块、实体、传感器和/或其他部件接收和/或发射数据。

处理器312可以以多种不同方式体现。例如，处理器312可以体现为各种处理装置，例如微处理器或其他处理元件、协处理器、控制器或各种其他计算或处理设备中的一个或更多个，该各种其他计算或处理设备包括集成电路，例如ASIC(专用集成电路)、FPGA(现场可编程门阵列)等。在示例实施例中，处理器312可被配置为执行存储在存储器314中或处理器312可访问的指令。这样，无论是由硬件配置还是由硬件和软件的组合配置，处理器312可以表示能够执行根据示例实施例的操作的实体(例如，物理地体现在电路中-以处理电路310的形式)，同时相应地配置。因此，例如，当处理器312被体现为ASIC、FPGA等时，处理器312可以是特别配置的用于执行本文描述的操作的硬件。可替代地，作为另一示例，当处理器312被体现为软件指令的执行器时，指令可以特别地配置处理器312以执行本文描述的操作。

在示例实施例中，基于处理电路310响应于接收到与网络的通信元件的各种位置或相对位置相关联的位置信息而接收的输入，处理器312(或处理电路310)可以被体现为、包括或以其他方式控制波束形成控制模块300的操作。这样，在一些实施例中，可以说处理器312(或处理电路310)使得结合波束形成控制模块300描述的操作中的与对天线阵列的调整有关的每个操作，响应于相应地配置处理器312(或处理电路310)的指令或算法的执行，进行与波束形成有关的相应功能。例如，指令可以包括用于处理移动接收站(例如，在飞机100上)的3D位置信息以及固定传输站点的2D位置信息的指令，以便于指示天线阵列250在一方向上形成波束，这将有助于在移动接收站和固定传输站之一之间建立通信链路，如本文所述的。

在示例性实施例中，存储器314可以包括一个或更多个非暂时性存储器设备，例如，可以是固定的或可移动的易失性和/或非易失性存储器。存储器314可以被配置为存储信息、数据、应用、指令等，以使处理电路310能够根据示例实施例执行各种功能。例如，存储器314可以被配置为缓冲输入数据以由处理器312处理。另外或替代地，存储器314可以被配置为存储指令以由处理器312执行。作为又一替代方案，存储器314可以包括可以响应于输入传感器和部件存储各种数据集的一个或更多个数据库。在存储器314的内容中，可以储存由处理器312执行的应用和/或指令，以便实现与每个相应的应用/指令相关联的功能。在一些情况下，应用可以包括用于提供输入以控制波束形成控制模块300的操作的指令，以用于引导天线组件250在如本文所述的特定方向上形成波束。

在示例实施例中，存储器314可以存储位置信息，例如，指示一个或更多个基站的固定地理位置的固定位置信息或指示飞机100的三维位置的动态位置信息。处理电路310可以被配置为基于固定位置信息和/或动态位置信息确定飞机100的预期相对位置，并基于飞机100的预期相对位置(或简单地基于位置信息)向天线阵列250提供信息以引导波束的形成。换句话说，处理电路310可被配置为利用指示飞机的位置的信息来确定将波束指向何处，以建立到飞机的通信链路。可采用跟踪算法来跟踪动态位置变化和/或基于飞机100的当前位置和移动的速率以及方向来计算未来位置，以便于将波束保持在飞机100上。因此，波束形成控制模块300可以使RRH 260作为控制设备(靠近天线组件250)，该控制设备被配置为调整天线阵列250的特性，以形成在预期相对位置的方向上能够被调节方向的定向可控波束。例如，这种可控波束可以具有5度或更小的方位角和仰角宽度。此外，在一些情况下，这种可控波束可以具有2度或更小的方位角和仰角宽度。然而，在一些实施例中也可以采用更大大小的可控波束。

在示例实施例中，动态位置信息可以包括纬度和经度坐标和高度以提供3D空间中的位置。在一些情况下，动态位置信息还可以包括航向和速度，使得能够基于3D空间中的当前位置以及航向和速度(以及还可能的高度变化率)进行计算以确定在未来某个时间飞机100的未来位置。在一些情况下，飞行计划信息也可用于预测目的，以便为可能需要的未来波束形成动作准备资产，或者为网络资产管理目的提供计划。动态位置信息可以通过任何合适的方法或使用任何合适的设备来确定。例如，可以使用飞机100上的全球定位系统(GPS)信息，基于飞机位置的三角测量、基于多个信号从基站中的相应一些基站到达飞机100的方向、使用飞机高度计信息、使用雷达信息等单独或彼此组合地，来确定动态位置信息。

可采用图3中所示的结构来产生在基站周围限定的扇区内在方位角和仰角上的可控波束。此外，示例实施例可以形成被配置为具有相对长的范围(例如，大于100km)并且通常可以正好在地平线正上方的波束。这确保了基站和飞机之间的通信不进行，使得飞机与飞机附近或下方的地面站通信。这些地面站往往位于也可能到达飞机的干扰源附近。然而，通过将来自基站的长范围波束朝向地平线聚焦到飞机，并且类似地通过将来自飞机的波束聚焦回基站，能够显著减少干扰。因此，在基站周围形成的所得覆盖区域或通信小区可以具有楔形形状，因为覆盖区域远离地平线正上方的基站延伸。在一些情况下，这些覆盖区域还可以由扇区限定。图4示出了由示例实施例的基站生成的覆盖区域(例如，扇区)的立体图。

图4的BS110采用形成图3的天线阵列250的多个天线元件。可以将天线元件分组以形成单个扇区(例如，第一扇区400、第二扇区402、第三扇区404等)。可以在方位角边界和仰角边界之间定义每个扇区。因此，例如，扇区之一可以在第一方位角410和第二方位角412之间以及在第一仰角420和第二仰角422之间延伸。方位角边界的宽度可以确定在BS110周围提供期望的覆盖量所需的扇区的数量。例如，如果扇区中的每个在方位角上具有三十度的宽度，则将需要六个扇区以在BS110的一侧上提供180度的覆盖。同样，如果期望圆形或360度覆盖，则需要十二个三十度的扇区。图4的示例示出了具有六个方位角为三十度的宽扇区的半圆形覆盖区域。

扇区在两个方位角之间限定，以在垂直平面中限定三角形或饼状扇区轮廓，并且在两个仰角之间限定，以在垂直平面中限定楔形轮廓。在扇区中的每个内，可以形成可控波束430，并且能够在扇区内的方位角和仰角上调节可控波束430的方向。可控波束430可具有小至五度或甚至两度的方位角和仰角宽度，以限定可控波束430的大小。然而，在一些情况下，根据生成可控波束430的信道，波束可具有不同的大小。例如，可控波束430在信道被配置为控制信道时的大小是信道被配置为业务信道的至少三倍或四倍。

如图4中所示，如果可控波束430在方位角上以第二仰角422从第一方位角410扫到第二方位角412，则得到扇区顶层440。同时如图4中所示，如果可控波束430在方位角上以第一仰角422从第一方位角410扫到第二方位角412，则得到扇区底层442。扇区顶层440和扇区底层442之间的整个空间是合适的空间，在该空间中能够调节相应扇区400的可控波束430的方向。

从图4可以理解，扇形顶层440和扇形底层442各自限定了圆锥的一部分的弯曲表面，该圆锥在BS110处具有其顶点。值得注意的是，弯曲表面在技术上也可以各自具有楔形形状，因为它在限定可控波束430的高度的仰角之间延伸。考虑到多个扇区，可以以相同的仰角围绕基站扫过波束以限定圆锥形状(或其部分取决于可控波束430扫过多少扇区)。所限定的圆锥形状通常将具有比圆锥的高度长得多的半径。在这方面，圆锥高度可以是大约10至15km，而半径可以超过100km(例如，可能大于200km)。

由于能够垂直地(例如，在仰角上)以及水平地(例如，在方位角上)调节可控波束430的方向，因此同心弯曲表面也能够在一个或更多个扇区400内的方位角的范围内、以每个不同仰角扫过以限定具有不同角度的同心圆锥形状(或其部分)。因此，可控能力可以允许形成虚拟同心小区，其中每个“小区”定义了限定在两个仰角之间(即，可控波束430本身的仰角限制，而不是扇形顶层和底层限制)并扫过方位角的范围的圆锥表面(或其部分)。此外，可以在相应的相邻(或至少不同)的仰角范围之间限定多个这样的小区。

例如，扇区的所有扇区顶层可以组合以限定小区顶层。如果小区顶层围绕整个BS110延伸超过360度，则小区顶层形成在BS110处具有其顶点的圆锥形状。同时，如果组合了所有扇区底层，则也可以将小区底层限定为在BS110处具有其顶点的圆锥。小区底层和小区顶层可以各自呈现为同心圆锥形状的“小区”，其中多个圆锥形状的小区具有在小区底层和小区顶层之间形成的略微不同的仰角。从以上描述可以理解，如果扇区仅围绕BS110覆盖180度，那么所有扇区底层和扇区顶层以及在给定仰角之间得到的每个小区将限定半圆锥。如上所讨论的，这些虚拟同心小区是使用有源天线技术创建的，该有源天线技术允许可控智能单元移近或进入天线，以进一步减少需要在RRH 260和基站的天线之间运行的电缆的数量。

在上面的示例中，波束形成控制模块300基于对RRH 260提供飞机位置信息来生成可控波束430(其可以是固定波束的选择)。然而，在其他情况下，可以采用时分方法使用扇区搜索技术来搜索飞机100。扇区搜索技术可以包括通过激活可控波束来循环直到飞机被定位。因此，例如，在扇区内，可以顺序地形成可控波束(例如，按顺序描绘顶层扇区或底层扇区以及每个其他同心小区)，直到飞机100被定位。在任何情况下，可以在RRH 260处执行用于波束控制的处理，使得能够采用较少的电缆和有源天线技术来进行更有效的波束形成。

在示例实施例中，由BS110形成的虚拟同心小区朝向地平线并略微高于地平线。因此，BS110基本上提供在另一BS的顶部上方的覆盖，而另一BS仍然提供在BS110的顶部上方的覆盖。图5示出了如果假设BS通常沿着方向(例如，主方向)对齐得到的覆盖方案。然而，应当理解，在图5所示的BS的相对侧上，其他BS也将以与图5中所示的BS间隔开(并且通常平行于图5中所示的BS)的行对齐。还应该理解，图5未按比例绘制。在这方面，BS之间的距离非常大(例如，大于100km)，并且覆盖的高度(尽管实际上是很大)通过比较相对较小(例如，大约最多10到15km)。

如图5中所示，飞机100处于时间t₁，其中可以发生BS110和BS130之间的过渡。从BS110生成的第一覆盖区域500被示出以在其他BS 210上方延伸，而从BS130生成第二覆盖区域510在BS110上方延伸。第三覆盖区域520由不可见的BS生成，并且第三覆盖区域520在BS130上方延伸。另一个BS 210还生成其自己的覆盖区域(即，第四覆盖区域530)。值得注意的是，相邻BS采用的频带可以不同以促进干扰抑制。

如从图5可以理解，覆盖区域彼此重叠，并且通常是楔形的(在横截面上)。可以在预定高度处限定覆盖区域顶层540，在该预定高度处，能够通过重叠覆盖区域来限定连续覆盖。覆盖区域顶层540可以被限定在最低高度处(或附近)，在该最低高度处，覆盖区域基于扇区顶层与相邻小区的最大覆盖范围的重叠来限定连续覆盖。类似地，覆盖区域底层550可以限定在最高高度处(或附近)，在该最高高度处，覆盖区域基于相邻小区的扇区底层的重叠来限定连续覆盖。覆盖区域底层550和覆盖区域顶层540之间的空间是操作区域560，在该操作区域560内，BS能够连续且不间断地服务于飞机100(例如，经由切换)。

如图5中所示，在BS110正上方，随着高度增加，所有覆盖由位于远端的BS(例如BS130)提供。此外，由BS130限定的每个相应的虚拟小区从BS130的扇区底层延伸到BS130的扇区顶层，该每个相应的虚拟小区限定了从覆盖区域底层550到覆盖区域顶层540的相应增加的高度带。在图5中示出了多个这样的高度带570，因此可以理解，通过垂直可控波束，利用每个相应的高度带570之一形成不同的圆锥小区(或其部分)。

因此，本文描述的一些示例实施例可以提供用于改进的ATG无线通信性能的架构。在这方面，一些示例实施例可以提供具有天线结构的基站，该天线结构有助于在垂直和水平方向上提供具有足够仰角的无线通信覆盖，以与高仰角处的飞机通信。基站通过在远程无线电头处提供飞机位置信息来采用有源天线技术，使得波束形成智能单元尽可能靠近天线本身实施。因此，每个基站提供楔形覆盖区域，在该楔形覆盖区域中，能够垂直和水平地控制可控波束，以实现在距基站预定距离内的最大预定高度和最小预定高度之间的重叠覆盖。由基站形成的虚拟同心小区被限定在仰角限制之间，作为同心圆锥(或其部分)，同心圆锥以位于地平线的正上方的基站为中心并且远离基站延伸以最小化干扰。

受益于前面的描述和相关附图中呈现的教导，本发明所属领域的技术人员将想到本文阐述的本发明的许多修改和其他实施例。因此，应该理解，本发明不限于所公开的特定实施例，并且修改和其他实施例旨在包括在所附权利要求的范围内。此外，尽管前面的描述和相关附图在元件和/或功能的某些示例性组合的语境中描述了示例性实施例，但是应当理解，可以通过替代实施例提供元件和/或功能的不同组合而不脱离所附权利要求的范围。在这方面，例如，如可以在所附权利要求中的一些中阐述的，还预期了与上面明确描述的元件和/或功能的组合不同的元件和/或功能的不同组合。在本文中描述了优点、益处或问题的解决方案的情况下，应当理解，这些优点、益处和/或解决方案可适用于一些示例实施例，但不一定适用于所有示例实施例。因此，不应认为本文所描述的任何优点、益处或解决方案对于所有实施例或本文要求保护的实施例是关键的、必需的或必要的。尽管本文采用了特定术语，但它们仅用于一般性和描述性的意义，而不是出于限制的目的。

Claims (20)

1.一种用于在各小区中提供空对地(ATG)无线通信的网络，包括：

第一基站，具有第一天线阵列，所述第一天线阵列限定多个第一扇区，所述多个第一扇区具有以方位角限定的相应宽度，每个第一扇区包括处于相应仰角处的第一扇区底层和第一扇区顶层，使得第一扇区底层和第一扇区顶层的组合产生以第一基站为中心的相应第一基站圆锥小区的至少一部分，第一基站被配置为在第一扇区底层和第一扇区顶层之间的相应仰角处限定另外的第一基站圆锥小区；和

第二基站，具有第二天线阵列，所述第二天线阵列限定多个第二扇区，所述多个第二扇区具有以方位角限定的相应宽度，每个第二扇区包括处于相应仰角处的第二扇区底层和第二扇区顶层，使得第二扇区底层和第二扇区顶层的组合产生以第二基站为中心的相应第二基站圆锥小区的至少一部分，第二基站被配置为在第二扇区底层和第二扇区顶层之间的相应仰角处限定另外的第二基站圆锥小区，

其中，第一基站和第二基站沿第一方向彼此偏移地设置，并且

其中，能够在第一扇区和第二扇区中的每个中形成可控波束，基于在第一基站的第一远程无线电头和第二基站的第二远程无线电头中的相应一个处执行的波束控制，可控波束在方位角和仰角上都是可控的。

2.根据权利要求1所述的网络，其中，第一和第二扇区底层以及第一和第二扇区顶层形成关于第一和第二基站中的相应基站的虚拟同心小区。

3.根据权利要求2所述的网络，其中，所述另外的第一和第二基站圆锥小区中的每个另外的一个形成虚拟同心小区，所述虚拟同心小区具有第一和第二扇区底层中相应的一个以及第一和第二扇区顶层中相应的一个。

4.根据权利要求2所述的网络，其中，在所述第一基站的第一扇区底层和第一扇区顶层之间限定的每个相应虚拟同心小区限定相应的增加的高度带，在所述高度带中，能够通过垂直波束控制形成所述可控波束。

5.根据权利要求1所述的网络，其中，由第一和第二天线阵列中的每个限定的定向辐射方向图在以所述第一方向为中心的方位角上延伸大致180度，并且在第一仰角和第二仰角之间延伸超过至少预定距离，以限定半圆形的楔形辐射方向图。

6.根据权利要求1所述的网络，其中，由所述第一基站提供的小区覆盖区域的一部分与所述第一基站阵列的第二基站的小区覆盖区域在垂直平面中的相应的不同高度范围处重叠。

7.根据权利要求6所述的网络，其中，覆盖区域顶层被限定在第一和第二扇区顶层连续重叠的最低高度处，并且其中覆盖区域底层被限定在第一和第二扇区底层连续重叠的最高高度处。

8.根据权利要求7所述的网络，其中，第一和第二天线阵列各自包括六个天线元件，每个天线元件提供第一和第二扇区中的相应扇区，所述相应扇区在第一和第二扇形顶层以及第一和第二扇形底层分别限定的第一仰角和第二仰角之间覆盖大致30度的方位角。

9.根据权利要求7所述的网络，其中，所述覆盖区域底层和所述覆盖区域顶层之间的空间限定了操作区域，在所述操作区域内，通过形成朝向飞机的可控波束而连续且不间断的服务于飞机。

10.根据权利要求1所述的网络，其中，所述第一方向大致与主方向相关。

11.根据权利要求1所述的网络，其中，第一和第二远程无线电头分别靠近第一和第二天线阵列设置，并且其中，第一和第二远程无线电头接收指示可控波束指向的飞机的位置的位置信息。

12.根据权利要求11所述的网络，其中，第一和第二远程无线电头分别靠近第一和第二天线阵列设置，并且其中，第一和第二远程无线电头在每个相应扇区内循环通过方位角和仰角，以确定可控波束指向的飞机的位置。

13.一种用于在各小区中提供空对地(ATG)无线通信的网络内的基站，所述基站包括：

第一天线阵列，限定多个第一扇区，所述多个第一扇区具有以方位角限定的相应宽度，每个第一扇区包括处于相应仰角处的第一扇区底层和第一扇区顶层，使得第一扇区底层和第一扇区顶层的组合产生以第一基站为中心的相应第一基站圆锥小区的至少一部分，第一基站被配置为在第一扇区底层和第一扇区顶层之间的相应仰角处限定另外的第一基站圆锥小区；和

基站单元，以及

设置在所述基站单元和第一天线阵列之间的远程无线电头，

其中，所述远程无线电头接收指示飞机的位置的位置信息，以使所述远程无线电头能够在朝向飞机的第一天线阵列处形成在方位角和仰角上的可控波束。

14.根据权利要求13所述的基站，其中，由基站限定的覆盖区域与由第二基站限定的覆盖区域重叠，第二基站具有第二天线阵列，所述第二天线阵列限定多个第二扇区，所述多个第二扇区具有以方位角限定的相应宽度，每个第二扇区包括处于相应仰角处的第二扇区底层和第二扇区顶层，使得第二扇区底层和第二扇区顶层的组合产生以第二基站为中心的相应第二基站圆锥小区的至少一部分，第二基站被配置为在第二扇区底层和第二扇区顶层之间的相应仰角处限定另外的第二基站圆锥小区，

其中，第一基站阵列和第二基站阵列的基站设置为沿第一方向彼此偏移地定位，并且

其中，能够在第一扇区和第二扇区中的每个中形成可控波束，基于在第一基站的第一远程无线电头和第二基站的第二远程无线电头中的相应一个处执行的波束控制，可控波束在方位角和仰角上都是可控的。

15.根据权利要求14所述的基站，其中，第一和第二扇区底层以及第一和第二扇区顶层形成关于第一和第二基站中的相应基站的虚拟同心小区。

16.根据权利要求15所述的基站，其中，所述另外的第一和第二基站圆锥小区中的每个另外的一个形成虚拟同心小区，所述虚拟同心小区具有第一和第二扇区底层中相应的一个以及第一和第二扇区顶层中相应的一个。

17.根据权利要求15所述的基站，其中，在所述第一基站的第一扇区底层和第一扇区顶层之间限定的每个相应虚拟同心小区限定相应的增加的高度带，在所述高度带中，能够通过垂直波束控制形成所述可控波束。

18.根据权利要求14所述的基站，其中，由所述第一基站提供的小区覆盖区域的一部分与所述第一基站阵列的第二基站的小区覆盖区域在垂直平面中的相应的不同高度范围处重叠，其中覆盖区域顶层被限定在第一和第二扇区顶层连续重叠的最低高度处，并且其中覆盖区域底层被限定在第一和第二扇区底层连续重叠的最高高度处。

19.根据权利要求13所述的基站，其中，所述远程无线电头靠近所述第一天线阵列设置，并且其中所述远程无线电头从外部源接收所述位置信息。

20.根据权利要求13所述的基站，其中，所述远程无线电头靠近所述第一天线阵列设置，并且其中所述远程无线电头通过循环通过每个相应扇区内的方位角和仰角来确定所述位置信息以确定飞机的位置。