CN109874144B - 适用飞行器的通信终端装置及其行动通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于飞行器的通信终端装置。通信终端装置包括天线、飞行高度侦测器以及处理电路。天线用以提供电磁波收发范围。飞行高度侦测器用以取得离地高度测量值。离地高度测量值适合用来描述飞行器的离地高度。处理电路耦接天线及飞行高度侦测器，并经配置而用以：判断离地高度测量值是否超过高度临界值；响应于离地高度测量值未超过高度临界值，将天线的电磁波收发范围设定成全向性；响应于离地高度测量值超过高度临界值，执行天线波束宽度调整机制，以将天线的电磁波收发范围塑型成指向性的波束。
Description
技术领域
本发明是有关于一种通信终端装置及其行动通信方法，且特别是有关于一种适用飞行器的通信终端装置及其行动通信方法。
背景技术
一般轻型飞行器，如无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)，利用宽带行动通信网络进行实时数据传输的应用开始受到重视。这主要是因为陆基行动通信网络(如3G/4G/5G行动通信网络)的地面基站已高密度部署，飞行器若在常见的法规限制离地高度(如400呎)下作飞行，仍可利用3G/4G/5G行动网络规格的信号覆盖，进行飞控、图传、数据传输等无线传输操作。
然而，无人机在空中飞行时若利用陆基行动通信网络进行通信，随高度升高会因为空中遮蔽物减少而使得基站的信号覆盖重叠区逐渐变大，这将使无人机在通信上会受到更多邻近基站的干扰，例如造成换手(handover)上的混淆、联机质量不稳定等影响。
发明内容
本发明提出一种适用飞行器的通信终端装置及其行动通信方法，可让飞行器与地面行动网络通信时，按照不同的离地高度及/或信号质量指针自动调适天线的电磁波收发范围，从而降低邻近或其他不相关基站的干扰。
根据本发明的一方面，提出一种适用飞行器的通信终端装置。通信终端装置可与陆基行动通信网络进行无线通信。通信终端装置包括天线、飞行高度侦测器以及处理电路。天线用以提供电磁波收发范围。飞行高度侦测器用以取得离地高度测量值。离地高度测量值适合用来描述飞行器的离地高度。处理电路耦接天线及飞行高度侦测器，并经配置而用以：判断离地高度测量值是否超过高度临界值；响应于离地高度测量值未超过高度临界值，将天线的电磁波收发范围设定成全向性，使电磁波收发范围包括以平行于地球平面为基准的仰角与俯角方向；响应于离地高度测量值超过高度临界值，执行天线波束宽度调整机制，以将天线的电磁波收发范围塑型成指向性的波束，使电磁波收发范围仅包括以平行于地球平面为基准的俯角方向。
根据本发明的另一方面，提出一种适用飞行器的通信终端装置的行动通信方法。通信终端装置适用于飞行器，并用以透过天线与陆基行动通信网络进行无线通信。行动通信方法包括：取得离地高度测量值。离地高度测量值适合用于表示飞行器的离地高度。判断离地高度测量值是否超过高度临界值。响应于离地高度测量值未超过高度临界值，将天线的电磁波收发范围设定成全向性，使电磁波收发范围包括以平行于地球平面为基准的仰角与俯角方向；响应于离地高度测量值超过高度临界值，执行天线波束宽度调整机制，以将天线的电磁波收发范围塑型成指向性的波束，使电磁波收发范围仅包括以平行于地球平面为基准的俯角方向。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附附图详细说明如下：
附图说明
图1示意性示出依照本发明一实施例的适用于飞行器的通信终端装置的方块图。
图2示意性示出装载于飞行器的通信终端装置根据飞行器的离地高度调整其电磁波收发范围的示意图。
图3示意性示出依照本发明一实施例的通信终端装置的行动通信方法的流程图。
图4示意性示出依照本发明一实施例的通信终端装置的行动通信方法的流程图。
图5示意性示出根据信号质量指针调整与波束宽度的一例映射关系图。
图6示意性示出根据依照本发明一实施例的行动通信方法的流程图。
附图的符号说明
100：通信终端装置
102：天线
104：飞行高度侦测器
106：处理电路
200：飞行器
EA：电磁波收发范围
Cel_A、Cel_B、Cel_C、Cel_D：信号涵盖范围
BS_A、BS_B、BS_C、BS_D：基站
TA：高度临界值
302、304、306、308、312、314、316、318、320、322、402、404、406、408、410、412、414、416、418、420、422、424、426、428、602、604、606、608：步骤
502：曲线
Xi：自变量
f(xi)：因变量
具体实施方式
本发明提出一种适用飞行器的通信终端装置及其行动通信方法。本发明所指的通信终端装置例如是指用户装置(UE)或其它相对于地面基站而言属于下行(downlink)接收端(receiver)或上行(uplink)传输端(transmitter)的通信装置。通信终端装置可与陆基行动通信网络进行无线通信，其中陆基行动通信网络泛指利用部属于地面的基站、无线电收发设备提供通信终端装置行动通信服务的网络。通信终端装置可装载或内嵌于飞行器(如遥控无人机、视距外无人机、自动无人机等)，并作为飞行器与地面基站之间无线通信的媒介。通信终端装置可根据不同的离地高度测量值及/或信号质量指针动态地调整天线的电磁波收发范围，以避免飞行器在飞行期间与地面基站的通信时受到邻近基站或其他不相关基站的信号干扰。
图1示意性示出依照本发明一实施例的适用于飞行器的通信终端装置100的方块图。通信终端装置100包括天线102、飞行高度侦测器104以及处理电路106。天线102例如可以是具有波束调整机构(例如角度可调的一或多个电磁波挡板)的天线，或是由多个天线单元组成的天线数组或是波束形成器(beamformer)。飞行高度侦测器104可透过例如气压计、全球定位系统(GPS)来实现，以得到装置的大致高度，亦可透过光学测距装置(例如激光测距仪)取得更精准的离地高度测量值。处理电路106例如可以被实施为微控制单元(microcontroller)、微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signalprocessor)、特殊应用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、数字逻辑电路、现场可程序逻辑门阵列(field programmable gate array，FPGA)、或其它具备运算处理功能的电子电路。
天线102可由一或多个独立天线或天线数组来实现，用以提供电磁波收发范围。飞行高度侦测器104用以取得离地高度测量值。此离地高度测量值是适合用于表示飞行器的离地高度。处理电路106耦接天线102以及飞行高度侦测器104。处理电路106可经配置而用以执行本发明实施例的行动通信方法。所述方法例如包括以下步骤：判断离地高度测量值是否超过高度临界值；响应于判断出离地高度测量值未超过高度临界值，将天线102的电磁波收发范围设定成全向性(omni-directional)，使电磁波收发范围包括以平行于地球平面为基准的仰角与俯角方向；响应于判断出离地高度测量值超过高度临界值，执行天线波束宽度调整机制，以将天线102的电磁波收发范围塑型成指向性(directional)的波束，使电磁波收发范围仅包括以平行于地球平面为基准的俯角方向，也就是朝地表的方向。
在一实施例中，处理电路106可透过机械方式及/或电子方式调整天线102的电磁波收发范围。机械方式可例如被实施为驱动机械马达使天线102上的金属挡板或其他机构、组件移至特定角度或位置，或是调整射频透镜(RF lens)来改变天线102的电磁波收发范围(天线场型)。电子方式可例如被实施为对天线数组中的天线单元馈入具有特定相位差的信号，以混成特定的天线场型。
图2示意性示出装载于飞行器200的通信终端装置100根据飞行器200的离地高度调整其电磁波收发范围的示意图。
如图2所示，当飞行器200的离地高度低于高度临界值TA，通信终端装置100的电磁波收发范围EA被设定为全向性场型(图中以实线圆盘表示)。当飞行器200的离地高度测量值大于超过高度临界值TA，通信终端装置100将执行天线波束宽度调整机制，使电磁波收发范围EA切换成朝着地面的指向性波束(图中以圆锥表示)。此外，一旦飞行器200的离地高度测量值大于或等于高度临界值TA(也就是在执行天线波束宽度调整机制的期间)，通信终端装置100更可动态地调整天线102的波束宽度，例如使波束宽度随着离地高度测量值提升而变窄。
透过上述实施例的调整，可有效避免飞行器200上的通信终端装置100受到邻近基站或不相关基站的信号干扰。进一步说，传统上地面的基站主要是为了服务地面上或地表建筑物内的用户装置，故其信号涵盖范围往往是根据地形、地面遮蔽物来作优化。如图2中两个相邻的基站BS_A以及BS_B，其各自的信号涵盖范围Cel_A、Cel_B在接近地面高度时是根据固定的地面遮蔽物(如大楼)来作优化，以减少信号重叠区域。
然而，随着飞行器200的高度升高，飞行器200上的通信终端装置100将因为遮蔽物减少而受到邻近基站、甚至是远方非邻近基站的干扰。如图2所示，若原本飞行器200在地表附近是由基站BS_A服务，随着高度提升(例如离地高度大于高度临界值TA)，飞行器200将同时落入基站BS_A的信号涵盖范围Cel_A和基站BS_B的信号涵盖范围Cel_B内，此时通信终端装置100将面临较严重的信号干扰问题。更甚者，当飞行器200的高度再提升，通信终端装置100还可能受到非邻近的基站BS_C、BS_D直接或间接(如地面反射(ground reflection))的信号干扰，例如落入基站BS_C的信号涵盖范围Cel_C以及基站BS_D的信号涵盖范围Cel_D内。
因此，根据本发明实施例，当侦测到离地高度测量值低于高度临界值TA，通信终端装置100将规划天线102具有全向性场型，使通信终端装置100可如地面用户装置般利用优化后的地面网络配置。当侦测出离地高度测量值超过高度临界值TA，通信终端装置100将规划天线102具有朝地面的指向性波束场型来与地面基站(如基站BS_A)进行通信，以降低/避免来自邻近基站(如基站BS_B)或其他远方基站(如基站BS_C、BS_D)的信号干扰。
图3示意性示出依照本发明一实施例的通信终端装置100的行动通信方法的流程图。通信终端装置100例如装设于飞行器200。首先执行步骤302以设定高度临界值TA。高度临界值TA例如是由原厂或使用者进行设定。步骤304可取得对应第i时间点的离地高度测量值Hi，其中i为整数。第i时间点例如是表示一当前时间点，或是其他特定的时间点。
高度测量值Hi可用来表示飞行器200或通信终端装置100在第i时间点的离地高度。在一实施例中，可直接以飞行高度侦测器104在单一时间点(如第i时间点)所取得的测量结果作为离地高度测量值Hi；亦可以一段期间内所取得的离地高度测量值统计结果来作为离地高度测量值Hi，例如以第i-k+1时间点～第i时间点取得的离地高度测量值的平均来作为对应第i时间点的离地高度测量值Hi，其中k为小于或等于i的正整数。
步骤306可判断对应第i时间点的离地高度测量值Hi是否大于或等于高度临界值TA。若离地高度测量值Hi大于或等于高度临界值TA，则接续步骤308，启动天线波束宽度调整机制。而若是离地高度测量值Hi小于高度临界值TA，则步骤310中将天线102设定为全向性。步骤310执行后将接续步骤322以针对下一时间点i+1的离地高度测量结果作判断。
根据图3的实施例，天线波束宽度调整机制包括根据离地高度测量值Hi调整天线102的波束宽度。处理电路106可比较对应第i时间点的离地高度测量值Hi与对应第i-1时间点的离地高度测量值Hi-1，以判断飞行器200是处于上升状态或下降状态，再根据判断结果调整天线102的波束的波束宽度，其中第i-1时间点是早于第i时间点。
如图3所示，当步骤312判断出离地高度测量值Hi＞Hi-1，表示飞行器200处于上升状态，此时若天线102的波束的波束宽度尚未小至一可缩小范围极限，步骤314将缩小天线102的波束的波束宽度。反之，若步骤316判断出离地高度测量值Hi＜Hi-1，表示飞行器200是处于下降状态，此时若天线102的波束的波束宽度尚未大至一可扩大范围极限，步骤318将控制天线102扩大波束的波束宽度。可缩小范围极限以及可扩大范围极限取决于以机械方式及/或电子方式调整天线102的波束宽度的物理限制，或是自定义的默认值。
当离地高度测量值Hi＝Hi-1，表示飞行器200高度几乎无变化，此时步骤320将维持现有天线波束宽度。针对第i时间点执行的天线波束宽度调整机制完成后，步骤322将针对下一时间点，也就是第i+1时间点，进行下一阶段的判断。
在图3的实施例中，步骤308、312、314、316、318、320可例如视为包含于天线波束宽度调整机制中的程序。
图4示意性示出依照本发明又一实施例的通信终端装置100的行动通信方法的流程图。根据此实施例，天线波束宽度调整机制包括根据通信终端装置接收信号的信号质量指针调整天线102的波束宽度。
如图4所示，步骤402设定高度临界值TA。步骤404设定信号质量临界值上限XH以及信号质量临界值下限XL。高度临界值TA、信号质量临界值上限XH、以及信号质量临界值下限XL可由原厂或使用者进行设定。
步骤406取得对应第i时间点的离地高度测量值Hi。高度测量值Hi可用来表示飞行器200或通信终端装置100在第i时间点的离地高度。
步骤408量测飞行终端装置100在第i时间点接收信号的信号质量指针Qi。信号质量指针Qi例如是接收信号强度(received signal strength indicator，RSSI)、信号噪声比(signal-to-noise ratio，SNR)、参考信号强度(reference signal received power，RSRP)、参考信号质量(reference signal received quality，RSRQ)。此处的参考信号可以是前导信号(pilot signal)、信标(beacon)、前序信号(preamblesignal)等。量测接受信号的信号质量的机制一般多已内建于通信装置(如通信终端装置100)。另外，通信终端装置100亦可透过信号量测解析出可同时看到的基站站点数目。
如同图3的步骤306，步骤410可判断对应第i时间点的离地高度测量值Hi是否大于或等于高度临界值TA。若离地高度测量值Hi大于或等于高度临界值TA，则接续步骤412，启动天线波束宽度调整机制。而若是离地高度测量值Hi小于高度临界值TA，则步骤414中设定通信终端装置100的天线102为全向性，以如地面的用户装置般以全方向接受来自基站的信号。步骤414执行后将接续步骤428以针对下一时间点i+1的测量结果作判断。
根据图4的实施例，天线波束宽度调整机制包括根据飞行器200的信号质量指针Qi调整指向性波束的波束宽度。当信号质量指针Qi满足第一条件，且波束的波束宽度尚未小至一可缩小范围极限，处理电路106将缩小天线102的波束宽度；当信号质量指针Qi满足第二条件，且波束的波束宽度尚未大至一可扩大范围极限，处理电路106将扩大天线102的波束宽度。第一条件与第二条件的设定取决于信号质量指针Qi的定义。满足第一条件表示当前测量到的信号质量劣于先前信号质量。满足第二条件表示当前测量到的信号质量优于先前信号质量。举例来说，若信号质量指针Qi是以SNR表示，则第一条件是指信号质量指针Qi低于一临界值下限，第二条件是指信号质量指针Qi高于一临界值上限。
如图4所示，当步骤416判断出信号质量指针Qi<调整临界值下限XL，表示通信终端装置100可能因受到不相关基站的信号干扰而导致信号质量不佳，此时若天线102波束的波束宽度尚未小至一可缩小范围极限，步骤418将缩小天线102的波束宽度。另一方面，若步骤420判断出信号质量指针Qi＞调整临界值上限XH，表示通信终端装置100的信号质量变好，此时若天线102的波束的波束宽度尚未大至一可扩大范围极限，步骤422将控制天线102扩大波束的波束宽度。
若信号质量指针Qi介于临界值下限XL以及临界值上限XH之间，表示信号质量指针Qi无太大变动/无变动，步骤424将控制天线102维持现有的天线波束宽度。
另一方面，步骤426中处理电路106更可响应通信终端装置100的一调变要求变化，调整临界值下限XL以及临界值上限XH至少其中之一，以符合不同调变类型所需的通信规格条件。在一实施例中，在步骤426中，处理电路106不调整临界值下限XL以及临界值上限XH，维持目前的临界值下限XL以及临界值上限XH。
针对第i时间点执行的天线波束宽度调整机制完成后，步骤428将针对下一时间点，也就是第i+1时间点，进行下一阶段的判断。
在图4的实施例中，步骤412、416、418、420、422、424、426可视为包含于天线波束宽度调整机制中的程序。
应注意，文中所描述的方法无须依所描述的顺序(或任何特定顺序)来执行。此外，针对文中所识别的方法所描述的各种活动可以串行或并列方式来执行。
在一实施例中，处理电路106可根据一关联于信号质量指针的一函式来调整天线102的波束宽度。如图5所示，其示意性示出根据信号质量指针调整与波束宽度的一例映射关系图。根据图5的实施例，天线102的波束宽度W可依据下式作调整：
W＝Φ×f(AVG(Qi)-X) (式一)
其中Φ表示波束宽度的步阶调整量；
L表示信号质量平均取样长度；X表示一预设偏量。
曲线502描述式一中函数f(·)的自变量Xi与因变量f(xi)的关系。可看出，若一段时间内的平均信号质量越好，天线102将被调整成具有较大的波束宽度。反之，若一段时间内的平均信号质量越差，则天线102将被调整成具有较小的波束宽度。应注意的是，虽然处理电路106在执行天线波束宽度调整时可根据式一调整天线102所形成的波束宽度，处理电路106亦可根据其他与信号质量指针Qi及/或离地高度测量值Hi有关的线性或非线性映像函数来决定天线102的波束宽度。
图6示意性示出根据依照本发明一实施例的行动通信方法的流程图。所述的行动通信方法可例如由图1的通信终端装置100执行。
步骤602，通信终端装置100的飞行高度侦测器104取得离地高度测量值，其中离地高度测量值适合用于表示飞行器的飞行高度。
步骤604，通信终端装置100的处理电路106判断离地高度测量值是否超过高度临界值。
步骤606，响应于判断出离地高度测量值未超过高度临界值，处理电路106将天线102的电磁波收发范围设定成全向性，使电磁波收发范围包括以平行于地球平面为基准的仰角与俯角方向。
步骤608，响应于判断出离地高度测量值超过高度临界值，处理电路106执行天线波束宽度调整机制，以将天线102的电磁波收发范围塑型成指向性的波束，使电磁波收发范围仅包括以平行于地球平面为基准的俯角方向。
根据上述多个实施例的适用飞行器的通信终端装置及其行动通信方法，通信终端装置可在离地高度测量值大于或等于一高度临界值时启动一天线波束宽度调整机制。在执行天线波束宽度调整机制的期间，天线的电磁波收发范围将从全向性场型切换至具有一特定波束宽度的指向性波束，且该波束宽度更可依飞行器不同的离地高度及/或通信终端装置接收信号的信号质量指针而动态调整，从而降低或避免来自邻近基站或其他远方基站的信号干扰。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。
Claims (14)
1.一种通信终端装置，适用于飞行器，该通信终端装置用以与陆基行动通信网络进行无线通信，该通信终端装置包括：
天线，用以提供电磁波收发范围；
飞行高度侦测器，用以取得离地高度测量值，该离地高度测量值适合用于表示该飞行器的飞行高度；
处理电路，耦接该天线以及该飞行高度侦测器，该处理电路经配置用以：
判断该离地高度测量值是否超过高度临界值；
响应于该离地高度测量值未超过该高度临界值，将该天线的该电磁波收发范围设定成全向性，使该电磁波收发范围包括以平行于地球平面为基准的仰角与俯角方向；以及
响应于该离地高度测量值超过该高度临界值，执行天线波束宽度调整机制，以将该天线的该电磁波收发范围塑型成指向性的波束，使该电磁波收发范围仅包括以平行于该地球平面为基准的俯角方向；
该天线波束宽度调整机制包括：
根据该通信终端装置接收信号的信号质量指针调整该波束的波束宽度的大小；
响应该信号质量指针满足第一条件，且该波束宽度尚未小至可缩小范围极限，缩小该波束宽度；以及
响应该信号质量指针满足第二条件，且该波束宽度尚未大至可扩大范围极限，扩大该波束宽度。
2.如权利要求1所述的通信终端装置，其中该天线波束宽度调整机制还包括：
根据该离地高度测量值调整该波束的波束宽度的大小。
3.如权利要求2所述的通信终端装置，其中该天线波束宽度调整机制还包括：
比较对应于第一时间点的第一离地高度测量值与对应于第二时间点的第二离地高度测量值，其中该第二时间点早于该第一时间点；
响应该第一离地高度测量值大于该第二离地高度测量值，且该波束宽度尚未小至可缩小范围极限，缩小该波束宽度；以及
响应该第一离地高度测量值小于该第二离地高度测量值，且该波束宽度尚未大至可扩大范围极限，扩大该波束宽度。
4.如权利要求3所述的通信终端装置，其中该天线波束宽度调整机制还包括：
响应该第一离地高度测量值等于该第二离地高度测量值，维持该波束宽度不变。
5.如权利要求1所述的通信终端装置，其中该处理电路还用以：
取得该通信终端装置接收信号的该信号质量指针。
6.如权利要求1所述的通信终端装置，其中该第一条件是该信号质量指针低于临界值下限，该第二条件是该信号质量指针高于临界值上限。
7.如权利要求6所述的通信终端装置，其中该天线波束宽度调整机制还包括：
响应该通信终端装置的调变要求的变化，调整该临界值下限以及该临界值上限至少其中之一。
8.一种通信终端装置的行动通信方法，该通信终端装置适用于飞行器，并用以透过天线与陆基行动通信网络进行无线通信，该行动通信方法包括：
取得离地高度测量值，该离地高度测量值适合用于表示该飞行器的飞行高度；
判断该离地高度测量值是否超过高度临界值；
响应于该离地高度测量值未超过该高度临界值，将该天线的电磁波收发范围设定成全向性，使该电磁波收发范围包括以平行于地球平面为基准的仰角与俯角方向；以及
响应于该离地高度测量值超过该高度临界值，执行天线波束宽度调整机制，以将该天线的该电磁波收发范围塑型成指向性的波束，使该电磁波收发范围仅包括以平行于该地球平面为基准的俯角方向；
该天线波束宽度调整机制包括：
根据该通信终端装置接收信号的信号质量指针调整该波束的波束宽度的大小；
响应该信号质量指针满足第一条件，且该波束宽度尚未小至可缩小范围极限，缩小该波束宽度；以及
响应该信号质量指针满足第二条件，且该波束宽度尚未大至可扩大范围极限，扩大该波束宽度。
9.如权利要求8所述的行动通信方法，其中该天线波束宽度调整机制还包括：
根据该离地高度测量值调整该波束的波束宽度的大小。
10.如权利要求9所述的行动通信方法，其中该天线波束宽度调整机制还包括：
比较对应于第一时间点的第一离地高度测量值与对应于第二时间点的第二离地高度测量值，该第二时间点早于该第一时间点；
响应该第一离地高度测量值大于该第二离地高度测量值，且该波束宽度尚未小至可缩小范围极限，缩小该波束宽度；以及
响应该第一离地高度测量值小于该第二离地高度测量值，且该波束宽度尚未大至可扩大范围极限，扩大该波束宽度。
11.如权利要求10所述的行动通信方法，其中该天线波束宽度调整机制还包括：
响应该第一离地高度测量值等于该第二离地高度测量值，维持该波束宽度不变。
12.如权利要求8所述的行动通信方法，还包括：
取得该通信终端装置接收信号的该信号质量指针。
13.如权利要求8所述的行动通信方法，其中该第一条件是该信号质量指针低于临界值下限，该第二条件是该信号质量指针高于临界值上限。
14.如权利要求13所述的行动通信方法，其中该天线波束宽度调整机制还包括：
响应该通信终端装置的调变要求的变化，调整该临界值下限以及该临界值上限至少其中之一。
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