CN109690972B - 空对地通信系统中的服务小区选择 - Google Patents

Abstract

有效地选择空对地通信系统中的服务小区并且最大限度地知晓前向和返回链路信道条件允许最大化用户在任何时间点可用的吞吐量，特别是在存在高干扰的情况下。基于飞行和基于地面的系统可以收集前向和返回链路信道条件，并开发要由基于飞行器和地面的收发器使用的用户容量估计。可以在分布式空对地网络之间共享这样的用户容量估计，以确保最新的信道条件可用于服务小区选择决策。

Description

空对地通信系统中的服务小区选择

相关申请的交叉引用

本申请要求对2016年11月15日提交的且题为“Servicing Cell Selection InAir To Ground Communication Systems（空对地通信系统中的服务小区选择）”的美国专利申请No.15/352,255的优先权和权益，其要求对2016年7月5日提交的且题为“HybridAir-to-Ground Network Incorporating Unlicensed Bands（并入了未许可频带的混合空对地网络）”的美国临时专利申请No.62/358,437的优先权和权益，藉此通过引用将其全部公开内容并入本文。

技术领域

本公开一般涉及用于在空对地通信系统中选择服务小区的装置、方法和制品，并且更具体地，涉及在存在高干扰的情况下最大化空对地通信系统的用户可用的吞吐量。

背景技术

鉴于分配的无线电频谱的稀缺性，空对地（ATG）通信系统的供应商可以次要使用已经分配的频谱（例如在14千兆赫（GHz）范围内）或使用未许可频带（例如在2.4 GHz范围内），而同时提供ATG服务。不幸的是，射频（RF）频谱调查显示，RF噪声和干扰源随时间推移而增多，并且预期未来会继续增多。对2.4 GHz频段的一些示例调查观察到，在短时间内噪声上升约30dB。噪声调查还显示噪声水平随时间或空间的不均匀分布。这样的高干扰水平能够使无线电链路的质量和可用数据带宽显著降级，特别是在目标是要提供满足客户和行业期望的一致且可靠的数据速率的情况下。

鉴于存在高RF噪声和/或干扰，在给定时间处，可以找到其处的噪声或干扰足够低以保障可接受的数据速率的特定位置。例如，对于给定的飞行器位置，建立具有可接受的数据速率的连接可以利用如下方案：在考虑到来自多个候选服务小区位置的噪声水平的情况下选择服务小区。

网络运营商可以使用其现有设备和分配的频谱来建立与飞行器的用于控制信息的主通信，并使用有噪声的2.4 GHz频谱主要用于数据通信量。主飞行中通信网络可能需要地面与飞行器之间的可靠连接性，而辅助飞行中通信网络可以在有噪声的射频频谱上进行操作。主网络的一些示例可以包括在许可频谱上操作的卫星网络或其他ATG网络。

在ATG服务小区当中选择在高干扰频带中最大化在前向和返回方向上到给定飞行器的吞吐量的服务小区的方案可以在连接的稳定性、可用带宽和等待时间方面提供显著的性能优势。

发明内容

一个示例性实施例包括一种包括处理器可执行指令的非暂时性计算机可读介质，所述指令当由部署在飞行中的飞行器内的计算机处理器执行时，使得所述计算机处理器命令被安装在所述飞行器上的定向天线和被部署在所述飞行器内的收发器测量针对地面上的第一位置处的第一通信信道的第一信噪比；命令所述定向天线和所述收发器测量针对地面上的第二位置处的第二通信信道的第二信噪比；使用针对第一通信信道的第一信噪比来计算第一前向链路用户容量估计；使用针对第二通信信道的第二信噪比来计算第二前向链路用户容量估计；以及使用第一前向链路用户容量估计和第二前向链路容量估计来计算前向链路用户容量矩阵。

另一示例性实施例包括一种计算机实现的方法，其是利用部署在空对地通信地面站内的计算机处理器执行的，所述方法包括利用所述计算机处理器命令安装在所述地面站处的定向天线和部署在所述地面站内的收发器测量针对距所述地面站的当前位置的第一仰角和第一方位角处的第一通信信道的第一噪声功率水平；利用所述计算机处理器命令所述定向天线和所述收发器测量针对距所述地面站的当前位置的第二仰角和第二方位角处的第二通信信道的第二噪声功率水平；利用所述计算机处理器使用针对第一通信信道的第一噪声功率水平来计算第一反向链路用户容量估计；利用所述计算机处理器使用针对第二通信信道的第二噪声功率水平来计算第二反向链路用户容量估计；以及利用所述计算机处理器使用第一反向链路用户容量估计和第二反向链路容量估计来计算反向链路用户容量矩阵。

又一示例性实施例包括一种计算机系统，其包括一个或多个处理器和/或收发器，其被配置成检索以下中的至少一个：（i）包括多个前向链路用户容量估计的前向链路用户容量矩阵，每个前向链路用户容量估计与地面上的位置相关联；（ii）包括多个反向链路用户容量估计的返回链路容量矩阵，每个反向链路用户容量估计与距飞行中的飞行器的当前位置的方位角和仰角相关联；使用（i）所述前向链路用户容量矩阵和（ii）所述反向链路用户容量矩阵中的至少一个来计算候选服务小区；以及命令定向天线和收发器与所述候选服务小区发射或接收数据。

示例性实施例可以包括计算机实现的方法，其可以在其他实施例中包括被配置成实现所述方法的装置，和/或非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质包括使处理器实行所述方法的计算机可执行指令。

从对作为例示而示出和描述的优选实施例的以下描述，各优点对于本领域技术人员将变得更加明显。如将认识到的，本实施例可能够具有其他且不同的实施例，并且它们的细节能够在各个方面进行修改。因此，附图和描述应被视为本质上为例示性的而不是限制性的。

附图说明

下面描述的附图描绘了本文公开的系统和方法的各个方面。应当理解的是，每个附图描绘了所公开的系统和方法的特定方面中的一个方面，并且每个附图旨在符合其可能的方面。此外，在可能的情况下，以下描述对包括在以下附图中的参考标号进行参考，其中多个附图中描绘的特征用一致的参考标号来标明。

在附图中示出了目前讨论的布置，然而应该理解的是，本发明的实施例不限于所示出的精确布置和手段，其中：

图1例示了根据本公开的一个方面的空对地通信系统的示例性图示，包括与飞行中的飞行器通信的各种地面站；

图2例示了根据本公开的一个方面的用于在各种地面站与飞行中的飞行器之间进行通信的方法的示例性框图；

图3例示了根据本公开的一个方面的系统的示例性框图，该系统包括与地面站控制器互连的各种地理上分布的地面站，所述地面站控制器与飞行中的飞行器通信；

图4例示了根据本公开的一个方面的系统的示例性框图，该系统包括与飞行中的飞行器通信的各种地理上分布的地面站，其中飞行器构建前向链路用户容量矩阵；

图5例示了根据本公开的一个方面的前向链路用户容量矩阵的示例性图示；

图6例示了根据本公开的一个方面的系统的示例性框图，该系统包括与飞行中的飞行器通信的各种地理上分布的地面站，其中地面站构建反向链路噪声矩阵和反向链路用户容量矩阵；

图7例示了根据本公开的一个方面的反向链路噪声矩阵的示例性图示；

图8例示了根据本公开的一个方面的反向链路用户容量矩阵的示例性图示；

图9例示了根据本公开的一个方面的计算系统的示例性框图；以及

图10例示了根据本公开的一个方面的示例性非暂时性计算机可读介质。

附图仅出于例示的目的描绘了优选实施例。可以采用本文例示的系统和方法的替换实施例而不脱离本文描述的本发明的原理。

具体实施方式

尽管以下文本阐述了许多不同实施例的详细描述，但应该理解的是，本说明书的合法范围由本专利结尾处陈述的权利要求及其等同物的措辞来限定。该详细描述应被解释为仅是示例性的，并且不会描述每个可能的实施例，因为描述每个可能的实施例将是不切实际的。可以使用当前技术或在本专利申请日之后开发的技术来实现许多替换实施例，它们将仍然落入权利要求的范围内。

在一个实施例中，飞行器空对地（ATG）通信设备使用在ATG站的方向上转向的高指向性天线跨已分配或未分配的操作频率带宽执行功率测量。该过程可以以创建候选前向链路（FL）服务小区以及它们在不同频率子带或通信信道处的对应SINR水平的优先级列表而结束。

地面站还可以使用可转向的高指向性天线在不同方向上跨操作频率执行周期性功率测量。这样的过程可以以不同方向上的不同频率子带处的返回链路（RL）噪声的表征以及RL噪声矩阵的创建而结束。然后，地面站可以将RL噪声矩阵例如在集中式实现中转送到地面站（GS）ATG网络控制器，或者例如在分布式实现中转送到所有的邻近地面站。

在飞行器准备好接入辅助飞行中通信（IFC）系统的实施例中，飞行器可以通过主IFC网络将候选FL服务小区列表及其位置信息发送给ATG网络控制器。

ATG网络控制器可以接收候选FL服务小区列表，并以预定的或计算出的优先级顺序开始天线资源分配。一旦分配成功，对应的服务小区就可以使FL波束转向朝向已知的或计算出的飞行器位置，并且因此，UE或飞行器现在准备好进行FL传输。随后，地面站控制器可以使用来自飞行器的位置信息和RL噪声矩阵来生成或计算列表或优先级顺序中的RL候选服务小区的优先级列表。在成功创建该列表之后，网络控制器可以按优先级顺序开始资源分配过程尝试。一旦RL分配成功，对应的服务小区就可以使RL波束转向朝向飞行器，并且UE现在准备好进行RL传输。

在一个实施例中，空中接口技术可能要求FL和RL服务小区是同一个，并且因此地面站控制器可以确定其中FL和RL满足某些数据速率判据的小区。

通过采用高指向性天线来测量许多不同可能的通信方向中的噪声水平并周期性地刷新这些信息，ATG辅助IFC网络可以选择提供最佳可用SINR的服务小区。这样的实施例确保了将始终由向飞行器提供最佳可能数据速率的小区服务于飞行器。

在飞行器UE与GS网络之间使用高可靠性带外链路允许传送噪声测量、信道状态信息和位置信息，以用于选择合适的服务小区和对准追踪飞行器的可转向天线的目的。在一个实施例中，使用带外信道使得能够识别最佳服务器和天线转向。

一个实施例包括一种方案，该方案使用利用飞行器上的可转向定向天线的短期功率测量来识别具有最高SINR的方向上的服务小区。可以例如基于在所有可能的服务器的方向上的SINR测量来构建FL用户容量矩阵。

另一实施例包括利用地面站上的可转向定向天线进行短期和长期功率测量，以创建三维噪声加干扰表征矩阵和小区禁止（barring）矩阵，其目的是识别具有最低RL噪声上升的服务小区。这样的实施例包括RL噪声矩阵作为RL的三维表征，以使得能够快速识别最有效的RL服务小区。

又一实施例包括一种用于基于由UE或飞行器提供的噪声表征来以集中式或分布式方式执行FL和RL服务小区选择的方法。这样的实施例可以包括使用FL和RL用户容量矩阵来使得能够识别满足任何期望的选择判据的FL和RL度量，并且适合于集中式或分布式处理实现。

根据本公开，以下术语可以包括如下所述的其相关定义：

主IFC网络：提供到飞行器的主IFC链路的网络。该网络提供飞行器与地面网络之间的可靠连接。

ATG：空对地系统，其使用有噪声频谱来提供辅助IFC连接性或使用频谱作为次要使用。

主GSC：主IFC网络的网关。如果主IFC网络是ATG系统，则主GSC可以被定义为主地面站控制器。如果主IFC网络是卫星系统，则主GSC可以是远程埠（teleport）。

PGS：主IFC网络的固定站。如果主IFC网络是ATG系统，则PGS可以被定义为主地面站。如果主IFC网络是卫星系统，则PGS将是转发器。

GSC：辅助IFC系统的地面站控制器。GSC也被认为是ATG地面站控制器。如果ATG系统使用分布式实现，则GSC仅执行控制平面消息的路由。否则，如果该实现是集中式实现，则GSC执行一些计算和决策功能，这些功能是天线资源分配过程的一部分。

GS：辅助IFC系统的地面站。GS也称为基站。可以将地面站的覆盖区域划分成小区以增加频谱重用并允许波束形成技术的实际部署。这包括高指向性可转向天线或天线波束。GS可以每个小区具有一个或多个天线波束。

飞行器或UE：安装在飞行器中的ATG移动设备。这包括用于ATG系统的高指向性可转向天线或天线波束以及调制解调器。

前向链路：用于从GS到UE的无线传输的无线电链路。

返回链路：用于从UE到GS的无线传输的无线电链路。

带内传输：使用有噪声频带（例如，未许可频谱）的传输。

带外传输：使用保障良好可靠性的许可频带的传输。

ATG OOB控制：在UE与GS或GSC之间带外交换的ATG信令消息。

GPS信息：一组信息，包括：飞行器的纬度、经度、高度、航向和速度。

转向图1中例示的示例性空对地通信系统100，飞行器110可以包括收发器112和天线113，以与多个地面站120、135、150和165通信，这些地面站在地理上彼此分散。每个地面站120、135、150和165可以包括各自的地面站收发器125、140、155和160，以发射和接收信号。例如，具有地面站收发器155的地面站150可以与飞行器110上的天线113和收发器112传送射频信号145。

同样地，对于每一个都在飞行器110的通信范围内的每个地面站125、140和170，可以在地面站与飞行器天线113和收发器112之间传输RF信号115、139和160。地面站125、140、155和170中的每一个可以被部署在距飞行器110不同的物理距离处，并且经历不同的路径衰减、局部区域干扰和噪声等，这些以不同的方式干扰信号115、130、145和160的传输。然而，在一些实施例中，由飞行器收发器112提供的数据服务可能需要使用所述地面站中的一些或全部，或者随着信道条件改变而使用变化的一组地面站。

例如，在图2例示的框图200中，服务地面站和邻近地面站以及飞行器机载站使用一种方法来测量和使用变化的信道条件以确保可靠的数据服务。服务地面站可以测量各个方向上的功率水平（框205），并使用这种测量的结果来构建返回链路噪声矩阵（框210）。同样，邻近地面站可以测量各个方向上的功率水平（框225）并使用结果来构建返回链路噪声矩阵（230）。在一个实施例中，服务地面站和邻近地面站二者都可以与集中控制器或与其他邻近地面站共享返回链路噪声矩阵（框215和235）。

在一些实施例中，飞行器机载站可以测量服务地面站和邻近地面站的方向上的功率水平（框240）。飞行器机载站可以计算或确定前向链路候选服务站并且在例如前向链路用户容量矩阵中记录SINR测量值并且将这样的候选发射到网络控制器（框250）。飞行器机载站（框255）和由网络控制器基于噪声矩阵分配的服务地面站（框220）可以使通信波束转向朝向飞行器，并通过前向链路和返回链路进行通信。照此，如通过知晓前向和返回链路信道条件而确定的，最有效的地面站与飞行器机载站进行通信。

前向链路和返回链路数据的有效使用

图3例示了示例性系统，其具有互连的地面站315、320、325、330和335以及与飞行中的飞行器或UE 340通信的地面站控制器305和310。各种主地面站（PGS）315和325通过通信链路365和375连接到主地面站控制器（GSC）305。同样，各种地面站（GS）320和325通过通信链路340和345连接到地面站控制器（GSC）310。主GSC 305可以通过通信链路307连接到GSC 310。

在一些实施例中，UE或飞行器340可以通过主IFC链路370向GSC 310发送天线资源请求350消息。该消息可以包括按前向链路数据速率（FR）排序的FL用户容量矩阵。UE 340还可以开始周期性地向GSC 310发送GPS信息。取决于是采用集中式还是分布式实施例，GSC310可以执行大部分的服务小区天线资源分配过程，或者充当UE 340与GS之间的信令层代理。

在集中式情况下，GSC 310解析GSC消息并选择具有最高FR的GS，然后发送FL天线分配请求350消息连同GPS信息。在成功分配了天线资源后，例如320的GS用FL天线分配接受消息做出响应，并开始追踪飞行器。注意，GSC 310持续向GS转送周期性GPS信息以允许持续追踪飞行器。如果GS无法为该飞行器分配天线资源，则它会用FL天线分配拒绝做出响应。然后GSC 310选择具有第二高的FR的GS并重复该过程。在完成之后，GSC 310向UE 340发射OOB指示350，以发信号通知FL天线分配已完成。

并行地或顺序地，GSC 310使用GPS信息仅基于自由空间损耗特性来创建候选RL服务小区的列表。然后，对于每个候选小区，确定从小区到UE 340的方位角，如果GS支持波束355的仰角转向，则还确定仰角角度。利用方位角和仰角信息以及其对应的RL噪声矩阵，获得针对每个子带的RL噪声加干扰。GSC 310基于UE 340和GS GPS信息来计算UE 340与候选服务小区之间的距离。给定到UE 340的距离、UE的RL功率能力和RL噪声加干扰，GSC可以估计针对每个子带的RL数据速率（RR）以及针对每个候选服务小区的总最大RL数据。

RL用户容量矩阵捕获候选GS可以例如通过ATG链路360递送的最大数据速率。与FL情况类似，GSC执行针对RL的资源分配过程。从具有最高RR的小区开始，GSC通过发送RL天线分配请求350来尝试分配天线资源。在成功设定了RL资源后，GSC向UE发送确认，此时UE准备好通过ATG链路接收RL数据。

在分布式情况下，GSC 310将天线分配请求消息350连同FL用户容量矩阵和GPS信息一起发送给具有最高FR的GS，该具有最高FR的GS称为锚GS。锚GS 320尝试固定FL天线资源，如果失败，则锚GS 320将FL天线分配请求和最后的GPS信息发送给具有第二高的FR的GS。该过程一直持续到FL天线资源被固定下来为止。并行地，例如通过使波束355转向朝向UE 340来以相同的方式固定RL天线资源。由于锚GS 320具有所有邻近小区的RL噪声度量，因此它可以以相同的方式执行RL天线分配过程。在成功设定了FL和RL分配后，锚GS 320向GSC 310发送天线分配接受，其包括资源被分配至其处的GS 320的标识。GSC将周期性GPS信息的递送改至资源被设定于其处的GS 320，并且通过OOB链路350向UE 340通知已经分配了FL和RL天线资源。在此之后，UE 340准备好通过ATG网络交换数据。

在一些实施例中，空中接口技术可能需要FL和RL服务小区是同一个。在该情况下，不能独立地进行FL和RL服务小区的选择，因为很可能提供最高FL数据速率的小区不提供最高RL数据速率，或者甚至其提供较差的RL数据速率。因此，需要引入附加判据来选择FL和RL服务小区，所述附加判据诸如当前UE RL和FL通信量类型和加载以及针对ATG网络的预计通信量类型和加载。确切的判据可以取决于ATG预期携带的通信量类型。在一个实施例中，可以识别满足针对RL和FL数据速率的最小阈值的候选服务小区，并且然后基于最高RL或最高FL数据速率来选择那些小区中的一个作为服务小区。在TCP类型通信量的一般情况下，FL和RL带宽要求可能不是对称的。例如，对IFC服务中某些通信量模式的分析表明，RL和FL提供负载之比约为1:7。于是，可能的实施例可以是识别提供RL到FL数据速率比大于给定阈值的所有小区，并且然后按FR的降序对该列表进行排序。GSC或锚GS尝试从具有最高FR的小区开始固定FL和RL天线资源。

在成功设定FL和RL服务小区天线资源之后，UE可以按照为对应的空中接口技术定义的过程来执行空中接口上的接入过程。要注意的是，GPS信息通过主IFC链路持续发送给ATG网络，这使得天线转向能够追踪飞行器。一旦UE获得对ATG网络的接入，它就可以继续更新FL用户容量矩阵，在静默时段期间或使用第二天线进行测量。当SINR降级到某个阈值以下或者找到更好的候选时，UE向GSC发送包括FL用户容量矩阵的切换请求消息。这使得能够实现贯穿ATG网络的移动性。

在替换实施例中，GSC（集中式实现）或GS站点（分布式实现）使用经由OOB控制信道提供的每个飞行器的GPS信息。利用该信息，GSC或GS站点可以估计针对每个飞行器的当前仰角和方位角角度以及规划路径或航向。ATG网络可以使用该信息通过使天线转向以在当前飞行器位置处和在将来的规划飞行器位置处进行噪声加干扰测量来如外科手术版精确地（surgically）更新RL噪声矩阵。

前向链路用户容量表征

图4中例示的用于收集和计算前向链路用户容量的示例性系统400包括通过通信链路415连接到GSC 410的主GSC 405。一组主地面站420和425通过通信链路430和435连接到主GSC 405。同样，一组地面站440和445通过通信链路455和460连接到GSC 410。飞行器或UE 470经由无线通信链路475、480和485与三个地面站440、445和450通信。

UE 470通过估计每个周围小区（例如440、445和450）的SINR来开始接入ATG网络的过程。这可以如下执行：通过进行SINR测量或通过测量噪声加干扰并基于针对对应小区配置的功率设置导出SINR。在前一种情况下，UE 470需要知晓发射每个候选服务小区导频信号的时间以使得能够实现SINR测量，因此可能需要与每个候选服务小区的时间同步。为了解决该问题，在开始功率测量之前，UE 470通过主IFC链路向GSC 410发送预分配消息，如图3中例示的，该消息包含飞行器的GPS信息。GSC 410将该消息转送到飞行器周围的多个小区，例如440、445和450。在接收到预分配消息时，这些小区将FL波束（例如475、480和485）向上带至飞行器的方向上，并开始发射导频信号。UE 470使用导频信号来执行时间同步，然后对每个候选服务小区440、445和450进行SINR测量。一旦FL天线资源完成，就使这些波束下降。

替换地，UE 470可以基于噪声加干扰测量和每个候选服务小区440、445和450的功率设置来估计SINR。这种方法实现起来比较简单，但对天线有更严格的要求。具体地说，该方法可以在GS FL波束足够窄以使得由同一小区服务于两个飞行器的概率非常低的情况下工作良好。UE 470可以使其窄波束定向天线转向指向每个邻近小区以使得能够实现测量。UE 470可以知晓ATG网络中的所有小区的位置和基本配置，这是在UE准备（provisioning）期间配置的或者是在准备之后通过主ATG网络下载的。因为FL发射波束很窄并且GS没有在飞行器的方向上发射，因此预期所有测量的功率仅是噪声加干扰。该测量将给出用于SINR计算的分母。基于通过传播损耗调整的候选服务小区的已知功率水平来估计信号功率。传播损耗可以从飞行器与GS之间的距离导出。利用该信息估计SINR。

在一些实施例中，在操作带宽的不同子带处执行SINR测量或估计。利用该信息，UE470估计每个候选服务小区的预期FL数据速率（FR），并构建FL用户容量矩阵。在图5中示出了FL用户容量矩阵的示例性例示。在示例性实施例中，带宽B被划分成N个子带（例如，SB1、SB2、SBN）505。此外，矩阵500描绘了表征针对S地面站（例如GS1、GS2、GSS）510的预期数据速率的情况。使用每个子带处的SINR和针对所使用的空中接口技术的频谱效率比SINR，UE可以估计针对每个子带的预期数据速率和针对每个GS（例如FR1、FR2、FRS）515的总预期数据速率。FR是虑及了SINR和总可用带宽的单个度量，该数字可以用作用来识别能够提供最高FL吞吐量的服务小区的品质因数。一旦UE 470完成了FL用户容量矩阵500的创建，UE 470就准备好了接入ATG系统。

返回链路用户容量表征

在图6的框图中例示了用于确定返回链路容量的一个示例性系统600。系统600包括通过通信链路615连接到GSC 610的主GSC 605。一组主地面站620和625通过通信链路645和650连接到主GSC 605。同样，一组地面站630、635和640通过通信链路655、660和665连接到GSC 610。

为了获得高SINR水平，在无线电链路中需要良好的空间隔离，这通过使用具有窄波束宽度和可转向能力的高指向性天线来追踪飞行器而得以实现。在一个实施例中，天线的仰角平面模式可以是恒定的，并且被优化以提供良好的仰角覆盖，然后方位角天线波束宽度应该足够窄以减少方位角平面中的干扰。在这种情况下，可以使用10度或更小的方位角波束宽度。如果天线技术允许形成笔形波束，例如波束670、675和680，则可以使用方位角和仰角为10度或更小的波束宽度。本发明没有限定确切的波束宽度，因为这将取决于特定的链路预算、干扰水平和可用的天线技术。

GS 630、635和640周期性地测量RL噪声加干扰水平。如果使用频分双工，则可以在RL未被使用的任何时间处执行测量，或者通过调度静默时段来执行测量。否则，如果使用时分双工，则可以在RL未被使用的任何时间或通过使用保护时间段来执行测量。使用功率测量来估计RL噪声功率。考虑到GS控制FL和RL调度，在不预期任何传输时执行的RL功率测量仅表示噪声和干扰功率。在RL噪声矩阵700中捕获整个RL噪声加干扰功率表征，如图7中例示的。

RL噪声矩阵700是RL噪声加干扰的三维表征。带宽B被划分成N个子带（例如SB1、SB2、SBN）705，N的值将取决于许多因素，如资源分配带宽、信道状态报告带宽、测量速度等。根据天线阵列的方位角波束宽度将方位角平面的覆盖区域划分成M个不同的方向（例如，Az1, Az2, …, AzM）720。例如，如果一个扇区意图覆盖60°且方位角波束宽度为10°，则M为6，并且方位角方向将为±5、±15、±25（假设0°位于该扇区的中心）。类似地，根据仰角波束宽度将仰角平面划分成L个不同的仰角（E1, E2, …, EL）715。例如，如果扇区意图覆盖从0°到40°的仰角，并且仰角波束宽度为10°，则L为4，并且仰角方向为5、15、25和35。总的来说，使天线波束跨MxL个不同方向进行转向，并且在每个方向上针对N个子带中的每一个测量噪声加干扰。目标是要在资源分配将要发生时跨这些自由度表征噪声。在本文献中，给定的子带、方位角和仰角组合被称为频率空间资源。对于天线在仰角平面中不可转向而非具有允许足够仰角覆盖的仰角模式的情况，RL噪声矩阵缩减为二维矩阵。

迭代通过所有频率空间资源的最简单方法是循环（round robin）方案。然而，可以描绘其他方案以更好地适应空间复用调度需求。例如，可以使用加权方案，其中具有更多利用率的方位角或仰角被赋以更高的权重并因此更频繁地被测量。另一种替换方案是基于定期航班的已知航道来更新RL噪声矩阵。

对于每个频率空间资源，RL噪声矩阵捕获平均噪声和干扰功率。干扰可变性的时间尺度以及实现约束定义了要在其上执行功率平均的持续时间。对于RL噪声矩阵，平均窗口预期是短期的。还可能存在其他因素导致某些频率空间资源不适于使用，尤其是在通过长期窗口进行观察时。例如，高噪声峰值会导致链路经常以不稳定的模式下降，在这种情况下，最好禁止使用该频率空间资源。该条件可以被名为RL噪声禁止矩阵的另一个矩阵所捕获。该矩阵的目的是要在噪声条件将使链路显著降级的可能性较高的情况下避免在给定的频率空间上将给定的小区指派为服务器。因此，长期观察定义了RL噪声禁止矩阵。另外，将一个方位角方向全部一起禁止可能更有意义，在这种情况下，可以将每个方位角的附加禁止标记710添加到RL噪声矩阵。

一旦RL噪声矩阵700完成，GS就周期性地将其发送给GSC 610——集中式实现情况；或者将其发射给其所有的邻居——分布式实现情况。要注意的是，持续更新RF噪声矩阵700，以这种方式，GSC 610或邻近GS总是具有最新信息。

类似于图5的FL用户容量矩阵500，图8中例示的RL用户容量矩阵800捕获候选GS810例如通过图3的ATG链路360可以递送的最大数据速率（RR）815。在示例性实施例中，带宽B被划分成N个子带（例如，SB1、SB2、SBN）805。类似于FL的情况，GSC 610执行针对RL的资源分配过程。从具有最高RR的小区开始，GSC 610通过发送RL天线分配请求350来尝试分配天线资源，如图3中例示的。在成功设定了RL资源后，GSC 610向UE发送确认，此时，UE准备好通过ATG链路来接收RL数据。

替换数据使用和表征实施例

本公开的替换实施例包括依赖于由天线的指向性属性而提供的空间隔离来表征噪声和干扰环境。这样的实施例不同于依赖于由宽广播波束定义的预定义覆盖足迹来确定服务小区的现有技术。

此外，现有技术未能在比较了从不同子带和空间方向处测量的噪声导出的数据速率之后就选择服务小区。使用OOB链路来实现波束形成使得ATG系统对干扰更加鲁棒，并且使得能够完成服务小区设定过程，同时具有对ATG频谱中的干扰的额外抗扰性。

其他实施例包括利用窄波束天线技术的能力并利用ATG网络在飞行器周围创建的空间分集来选择最佳服务器。这样的实施例使得能够充分利用可用于资源分配的所有自由度，并因此识别最佳可能服务器。

仍其他实施例包括多个静态波束，其允许飞行器在有噪声的频谱中执行接入过程。然而，这样的实施例无法保障服务小区提供最佳可能吞吐量和可靠链路。此外，可能需要大量的波束来提供足够的覆盖。

又一替换实施例包括通过OOB链路发送GPS信息，但将所有其他控制消息留在带内。一个方面包括将每个小区上的宽广播波束配置成执行FL SINR测量。此外，该实施例可以为FL和RL需要由同一小区服务的情况提供优势。

在一些实施例中，800 MHz的ATG网络可以用作主IFC链路，并且2.4 GHz的ATG LTE网络可以用作辅助服务。然而，在其他实施例中，IFC解决方案可以通过LEO卫星星座（在其可用时）进行操作。LEO链路可以提供低到足以用作OOB链路以使得能够实现控制信息的交换的等待时间，以支持飞行器与ATG网络之间的可转向波束的配置。

仍更多的实施例可以包括除LTE之外的技术。例如，可以使用允许仅在一个方向上补充数据管道的空中接口技术，例如DVB，并且可以通过可靠的OOB连接来发送用以使得能够用可转向的波束来追踪飞行器的信息。

图9例示了示例性计算系统900，例如，其在一些实施例中可以对应于图1、3、4和6的一个或多个GSC、GS和UE，或者以其他方式，其包括一个或多个微处理器905，所述微处理器905通过多址总线925和940耦合到支持设备。动态随机存取存储器930和935可以与数据总线925对接，并且存储由所述一个或多个微处理器905使用的数据。系统900包括存储用于所述一个或多个微处理器905的可执行指令的指令寄存器920以及存储用于执行的数据的数据寄存器915。在一些实施例中，系统900包括一个或多个算术协处理器910，以辅助或补充所述一个或多个微处理器905。数据总线940包括到图形接口945的接口，在一些实施例中，图形接口945可以在显示器或类似设备上为用户处理和传输图形数据。同样，数据总线940包括用于数字I/O接口的接口，该接口处理和传输例如键盘、指示设备以及由用户或其他机器产生和消费的其他数字和模拟信号。网络接口955通过有线和无线网络处理和传输编码信息，以将系统900连接到其他机器和用户。数据总线940还包括至非易失性存储器接口的至少一个接口，其可以处理和传输驻留在非易失性存储器设备上的数据。

图10例示了非暂时性计算机可读介质1005，其包括处理器可执行指令1010。这样的处理器可执行指令可以包括由图9的一个或多个微处理器905执行的指令。

其他考虑

所有前述计算机系统可以包括额外的、更少的或替换的功能性，包括本文讨论的功能性。所有计算机实现的方法可以包括额外的、更少的或替换的动作，包括本文讨论的那些动作，并且可以经由一个或多个本地或远程的处理器和/或收发器、和/或经由存储在一个或多个计算机可读介质上的计算机可执行指令来实现。

本文讨论的处理器、收发器、移动设备、服务终端、服务器、远程服务器、数据库服务器、启发式服务器、交易服务器和/或其他计算设备可以经由无线通信网络或电子通信网络彼此通信。例如，计算设备之间的通信可以是通过一个或多个无线电链路或无线或数字通信信道的无线通信或数据传输。

客户可以选择允许他们在获得许可或同意的情况下与服务供应商远程服务器共享移动设备和/或客户的程序。反过来，服务供应商远程服务器可以提供本文讨论的功能性，包括安全性、欺诈或其他监控，并且响应于检测到异常活动而生成给客户的建议和/或为客户生成警报。

以下的额外考虑适用于前述讨论。贯穿本说明书，复数个实例可以实施被描述为单个实例的组件、操作或结构。尽管一个或多个方法的各个操作被例示和描述为单独的操作，但是各个操作中的一个或多个可以被同时执行，并且不要求以所例示的顺序执行操作。在示例配置中作为单独的组件呈现的结构和功能性可以被实施为组合的结构或组件。类似地，作为单个组件呈现的结构和功能性可以被实施为单独的组件。这些和其他变化、修改、添加和改进落入本文中的主题的范围内。

此外，某些实施例在本文中被描述为包括逻辑或多个例程、子例程、应用或指令。这些可以构成软件（例如，体现在机器可读介质上或传输信号中的代码）或硬件。在硬件中，例程等是能够执行某些操作的有形单元并且可以以某种方式被配置或布置。在示例实施例中，一个或多个计算机系统（例如，独立式、客户端或服务器计算机系统）或计算机系统的一个或多个硬件模块（例如，处理器或处理器的组）可以由软件（例如，应用或应用部分）配置为操作以执行如本文中所描述的某些操作的硬件模块。

在各种实施例中，硬件模块可以被机械地或电子地实现。例如，硬件模块可以包括专用电路或逻辑，所述专用电路或逻辑被永久地配置（例如，作为专用处理器，诸如现场可编程门阵列（FPGA）或专用集成电路（ASIC））以执行某些操作。硬件模块还可以包括可编程逻辑或电路（例如，如包含在通用处理器或其他可编程处理器内），所述可编程逻辑或电路由软件临时配置成执行某些操作。将理解，在专用和永久配置的电路中、或者在临时配置的电路（例如由软件来配置）中机械地实施硬件模块的决定可以由成本和时间考虑来驱动。

相应地，术语“硬件模块”应该被理解成包含有形实体，即被物理构造、永久配置（例如，硬连线）或临时配置（例如编程）来以某种方式操作或者执行本文中描述的某些操作的实体。考虑其中硬件模块被临时配置（例如，编程）的实施例，硬件模块中的每个硬件模块不需要在任何一个时刻被配置或实例化。例如，在硬件模块包括使用软件配置的通用处理器的情况下，所述通用处理器可以在不同的时间被配置为相应的不同的硬件模块。软件因此可以配置处理器，例如，以在一个时刻构成特定的硬件模块，并且在不同的时刻构成不同的硬件模块。

硬件模块可以向其他硬件模块提供信息并从其他硬件模块接收信息。因此，所描述的硬件模块可以被视为被通信地耦合。在同时存在多个这样的硬件模块的情况下，通信可以通过连接硬件模块的信号传输（例如，通过适当电路和总线）来实现。在其中多个硬件模块在不同时间被配置或实例化的实施例中，可以例如通过在多个硬件模块具有对其的访问权的存储器结构中存储和检索信息来实现在这样的硬件模块之间的通信。例如，一个硬件模块可以执行操作并将该操作的输出存储在该硬件模块被通信地耦合到其的存储器设备中。然后，另外的硬件模块可以在之后的时间访问存储器设备以检索和处理所存储的输出。硬件模块还可以发起与输入或输出设备的通信，并且可以对资源（例如，信息的集合）进行操作。

本文中描述的示例方法的各种操作可以至少部分地由临时配置（例如通过软件）或永久配置以执行相关操作的一个或多个处理器来执行。无论是临时配置的还是永久配置的，这样的处理器都可以构成操作以执行一个或多个操作或功能的处理器实现的模块。在一些示例实施例中，本文中涉及的模块可以包括处理器实现的模块。

类似地，本文中描述的方法或例程可以是至少部分地处理器实现的。例如，方法的操作中的至少一些可以由一个或多个处理器或处理器实现的硬件模块来执行。操作中的某些的执行可以被分布在一个或多个处理器之中，不仅驻留在单个机器内，而且跨多个机器部署。在一些示例实施例中，一个或多个处理器可以位于单个位置中（例如，在家庭环境、办公室环境或如服务器群内），而在其他实施例中，处理器可以跨多个位置分布。

操作中的某些的执行可以分布在一个或多个处理器之中，不仅驻留在单个机器内，而且跨多个机器部署。在一些示例实施例中，一个或多个处理器或处理器实现的模块可以位于单个地理位置中（例如，在家庭环境、办公室环境或服务器群内）。在其他示例实施例中，一个或多个处理器或处理器实现的模块可以跨多个地理位置分布。

除非另外具体说明，否则本文中使用的诸如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“呈现”、“显示”或诸如此类的词的讨论可以指代机器（例如计算机）的动作或过程，该机器操纵或变换一个或多个存储器（例如，易失性存储器、非易失性存储器或其组合）、寄存器、或接收、存储、传输或显示信息的其他机器组件内的被表示为物理（例如电子、磁或光）量的数据。

如本文中所使用的，对“一个实施例”或“实施例”的任何引用意指结合该实施例描述的特定元素、特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。说明书中各种位置中出现的短语“在一个实施例中”不一定全都指代同一个实施例。

可以使用表达“耦合”和“连接”连同它们的衍生词来描述一些实施例。例如，可以使用术语“耦合”来描述一些实施例，以指示两个或更多个元素处于直接物理或电接触中。然而，术语“耦合”还可以意指两个或更多个元素不彼此直接接触，但是仍旧还彼此合作或交互。实施例不限于该上下文中。

如本文中所使用的那样，术语“包括”、“包括了”、“包含”、“包含了”、“具有”、“有”或其任何其他变型旨在涵盖非排他性包括。例如，包括元素的列表的过程、方法、物品或装置不一定仅限于那些元素，而是可以包括未明确列出的或对于这样的过程、方法、物品或装置固有的其他元素。此外，除非有相反的明确说明，否则“或”指代包含性的或而非排他性的或。例如，条件A或B通过以下各项中的任一项来满足：A为真（或存在）且B为假（或不存在）、A为假（或不存在）且B为真（或存在）、以及A和B两者都为真（或存在）。

此外，采用对“一”或“一个”的使用来描述本文中的实施例的元素和组件。这样做仅是为了方便和给出描述的一般意义。该描述以及跟随的权利要求应被阅读为包括一个或至少一个，并且单数也包括复数，除非明显意指其他方式。

本专利申请的末尾处的专利权利要求不旨在按照相关规则来解释，除非明确地陈述传统的模块加功能语言，诸如（一个或多个）权利要求中明确地陈述“用于……的部件”或“用于……的步骤”语言。

本文描述的系统和方法涉及对计算机功能性的改进，并且改进了传统计算机的运行。

该详细描述应被解释为仅是示例性的，并且并未描述每个可能的实施例，因为描述每个可能的实施例将是不切实际的（如果并非不可能的话）。可以使用当前技术或在本申请的申请日之后开发的技术来实现许多替换实施例。

Claims (14)

1.一种用于空对地通信的系统，包括一个或多个处理器和一个或多个收发器，所述系统被配置成：

检索

（i）包括多个前向链路用户容量估计的前向链路用户容量矩阵，每个前向链路用户容量估计与地面上的相应位置相关联，以及

（ii）包括多个返回链路用户容量估计的返回链路用户容量矩阵，每个返回链路用户容量估计与相对于飞行中的飞行器的当前位置的相应方位角和仰角相关联；

基于（i）所述前向链路用户容量矩阵和（ii）所述返回链路用户容量矩阵来确定部署在地面上的候选服务小区；以及

命令定向天线和所述一个或多个收发器中的一个收发器在所述飞行中的飞行器与所述候选服务小区之间发射或接收数据。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述候选服务小区包括高于阈值的噪声功率水平。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述阈值包括以下中的至少一个：

短期噪声阈值，其使得能够在多个服务小区当中进行服务小区选择决策；或者

长期噪声阈值，其使得能够实现未来的服务小区限制决策。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述一个或多个收发器还被配置成使用带外信道发射（i）所述前向链路用户容量矩阵或（ii）所述返回链路用户容量矩阵中的至少一个。

5.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，其中，所述前向链路用户容量矩阵指示与替换服务小区相比更低的与所述候选服务小区相关联的信噪比，并且其中，所述替换服务小区位于距所述飞行中的飞行器的一定距离处，该距离大于所述候选服务小区距所述飞行中的飞行器的距离。

6.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，其中，所述多个前向链路用户容量估计或所述多个返回链路用户容量估计中的至少一个与多个通信信道相关联。

7.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，其中：

所述一个或多个处理器，所述一个或多个收发器和所述定向天线被部署在所述飞行中的飞行器处；并且

所述一个或多个收发器还被配置成：（i）将所述前向链路用户容量矩阵发射到被部署在地面上并与多个服务小区通信连接的空对地网络控制器，所述多个服务小区包括所述候选服务小区，以及（ii）从所述空对地网络控制器接收所述返回链路用户容量矩阵。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，部署在所述飞行中的飞行器处的所述一个或多个处理器和所述一个或多个收发器还被配置成：

使用所述定向天线确定地面上的第一位置处的第一通信信道的第一信噪比，第一通信信道被配置成支持去往/来自所述飞行中的飞行器的传输；

使用所述定向天线确定地面上的第二位置处的第二通信信道的第二信噪比，第二通信信道被配置成支持去往/来自所述飞行中的飞行器的传输；

使用第一通信信道的第一信噪比计算第一前向链路用户容量估计；以及

使用第二通信信道的第二信噪比计算第二前向链路用户容量估计；以及

使用第一前向链路用户容量估计和第二前向链路容量估计来生成所述前向链路用户容量矩阵。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，以下中的至少一个：

（i）第一通信信道的第一信噪比包括第一通信信道的第一信噪比的短期平均值或长期平均值中的至少一个，第一前向链路用户容量估计是基于第一通信信道的第一信噪比的短期平均值或长期平均值中的至少一个，第二信噪比包括第二通信信道的第二信噪比的短期平均值或长期平均值中的至少一个，并且第二前向链路用户容量估计是基于第二通信信道的第二信噪比的短期平均值或长期平均值中的至少一个；或者

（ii）通过进一步使用第三前向链路容量估计来生成所述前向链路用户容量矩阵，基于地面上的第三位置处的第三通信信道的第三信噪比来计算第三前向链路容量估计，第三通信信道被配置成支持去往/来自所述飞行中的飞行器的传输。

10.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，其中：

所述一个或多个处理器，所述一个或多个收发器和所述定向天线被部署在一个或多个空对地通信地面站处，所述空对地通信地面站被部署在地面上；并且

所述一个或多个处理器和所述一个或多个收发器还被配置成：（i）将所述返回链路用户容量矩阵从所述地面站发射到机载地部署在所述飞行中的飞行器上的另一处理器，以及（ii）从机载地部署在所述飞行中的飞行器上的所述另一处理器接收所述前向链路用户容量矩阵。

11.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，其中，所述一个或多个处理器和所述一个或多个收发器被部署在地面上部署的空对地通信地面站处并且还被配置成：

检索包括多个返回链路噪声估计的返回链路噪声矩阵，每个返回链路噪声估计与相对于所述飞行中的飞行器的当前位置的相应方位角和仰角相关联；

使用所述定向天线确定相对于所述地面站的位置的第一仰角和第一方位角处的第一通信信道的第一噪声功率水平，第一通信信道被配置成支持去往/来自所述飞行中的飞行器的传输；

使用所述定向天线确定相对于所述地面站的位置的第二仰角和第二方位角处的第二通信信道的第二噪声功率水平，第二通信信道被配置成支持去往/来自所述飞行中的飞行器的传输；

使用第一通信信道的第一噪声功率水平计算第一返回链路噪声估计；

使用第二通信信道的第二噪声功率水平计算第二返回链路噪声估计；以及

使用第一返回链路噪声估计和第二返回链路噪声估计来生成所述返回链路噪声矩阵，并且

其中，进一步基于所述返回链路噪声矩阵来确定所述候选服务小区。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，以下中的至少一个：

（i）第一通信信道的第一噪声功率水平包括第一通信信道的第一噪声功率水平的短期平均值或长期平均值中的至少一个，第一返回链路噪声估计是基于第一通信信道的第一噪声功率水平的短期平均值或长期平均值中的至少一个，第二通信信道的第二噪声功率水平包括第二通信信道的第二噪声功率水平的短期平均值或长期平均值中的至少一个，并且第二返回链路噪声估计是基于第二通信信道的第二噪声功率水平的短期平均值或长期平均值中的至少一个；或者

（ii）通过进一步使用第三返回链路噪声估计来生成所述返回链路噪声矩阵，基于第三通信信道的第三噪声功率水平来计算第三返回链路噪声估计，第三通信信道被配置成支持去往/来自所述飞行中的飞行器的传输。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述返回链路噪声矩阵指示与所述候选服务小区相关联的噪声功率水平比替换服务小区更高，并且其中，所述替换服务小区位于距所述飞行中的飞行器的一定距离处，该距离大于所述候选服务小区距所述飞行中的飞行器的距离。

14.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，其中：

第一通信信道包括第一中心频率和第一带宽，

第二通信信道包括第二中心频率和第二带宽，并且

第一通信信道不与第二通信信道重叠。

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