CN113228534A

CN113228534A - 通信网络和维持连接的方法

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Publication number: CN113228534A
Application number: CN201980088552.3A
Authority: CN
Inventors: N·莫罗茨; D·格雷斯
Original assignee: Stratospheric Platforms Ltd
Current assignee: Stratospheric Platforms Ltd
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2039-11-08
Also published as: US12063566B2; CN113228534B; GB2580295A; WO2020095057A1; GB201818292D0; EP3878111A1; US20210392559A1

Abstract

公开了一种用于维持移动用户装备到核心网络的连接的方法和一种通信网络。所述方法包括以下步骤：在第一位置的用户装备和多个飞行器之间提供多信道通信链路；确定用户装备正在移动，由此可能发生经由多信道通信链路的连接性的丢失；和随后，经由切换步骤，将用户装备和核心网络之间的通信从经由多信道通信链路的通信转移到经由相应飞行器提供的单信道通信链路的通信。

Description

通信网络和维持连接的方法

本发明涉及通信网络和用户装备与飞行器之间的无线通信方法。特别地，但不排他地，本发明涉及从高空平台（HAP）提供高速宽带服务，其中当可能发生连接性丢失时，移动用户装备与核心网络之间的连接是通过经由切换步骤将用户装备与核心网络之间的通信从经由提供相对窄的小区覆盖区域的多信道通信链路的通信转移到经由提供相对宽小区覆盖区域的单信道通信链路的通信来维持的。

多年来一直提出使用飞行器来提供无线通信。已经提出了各种类型的飞行器，诸如系留气球或有人控制航空器或无人控制航空器。高空平台（HAP）已经作为一种类型的飞行器被提出。特别地，多年来现在在现有技术中已经讨论了从HAP提供高速宽带服务。各个作者已经讨论了部署在大约15到22 km海拔的平流层中的HAP如何可以在地面蜂窝网络和基于卫星的系统之间实现卓越的权衡。与地面系统相比，HAP具有如下优点：它们能够覆盖显著更大范围的视距（LoS）通信链路，但不受到基于卫星的系统通常提供的容量和传播延迟限制。例如，地球静止卫星定位得距离地球的表面是HAP距离地球的表面的大约1800倍。

需要无线网络通过高效的频谱使用，在有限的带宽内递送高聚合数据速率。实现此的一个方式是在每个HAP上使用定向天线。例如，已经提出了诸如移动电话、平板设备或膝上型计算机或其他此类用户设备之类的用户装备可以与许多配备有定向天线（诸如喇叭或多元件相控阵列天线）的HAP无线通信。这些天线可以用于形成朝向地面的波束，从而照射用户装备可以感知为常规地面小区的“小区”。与基于非飞行器的通信网络相比，该方法的优点是，由HAP创建的小区的位置和密度是动态可控的，并且不涉及对地面上的基础设施的改变。

对基于HAP的无线网络的无线频谱的空间复用的限制，以及从而对其容量的限制在于安装在HAP上的天线的方向性受到其孔径大小限制。安装在HAP上的天线的物理大小和重量受到考虑之中的任何HAP的有效载荷要求严重限制。

Grace等人的“Improving the system capacity of broadband services usingmultiple high-altitude platforms”（IEEE Transactions on WirelessCommunications, vol.4, no.3, pp.700-709, 2005年3月）已经提出了通过使用多个HAP照射同一区域来克服通过使用单个HAP天线波束宽度所强加的限制，并且因此提升该区域中的宽带容量的思想。在所提出的解决方案中，用户天线的方向性是关键组件。假设用户节点是静态的，具有例如盘子的高度定向的天线，使得他们能够在天空中不同HAP之间进行区分。然而，在用户设备定向不足以能够将窄波束指向其上方平流层中的单独HAP的场景中，该方法无法实现任何容量增益。例如，当需要HAP提供到常规蜂窝网络用户装备（即，其天线的方向性可忽略的移动电话）的连接性时，该方法不可使用。

GB2536015提出了用于克服安装在HAP上的天线大小所强加的空间频谱重用限制的方式。GB2536015讨论了使用所谓的多个HAP的星座来执行协作波束成形。在GB2536015中，间隔开几公里的多个HAP调整去往/来自特定用户装备的信号的相位，使得信号的所有副本同相到达接收机。这产生了功率增益，这是由于去往/来自每个HAP的多个信号的相干添加。作为大型、高度稀疏的相控阵列天线，该方法有效地起作用。因此，由几个HAP形成的可感知的“有效天线”跨越几公里。这允许HAP的星座在期望的位置创建窄的小区。然而，为了能够创建这样窄的小区，必须首先以非常高的准确程度准确地确定波束将被聚焦的任何用户装备的位置。这本身是复杂的问题，当用户装备是移动的时，使该问题变得更复杂。

常规上，形成这样窄的互HAP协作波束的挑战性方面是足够准确地确定用户装备的位置，即，至50 cm以内或优选10 cm以内。这样的协作形成的波束是多信道无线通信链路的一个示例，并且可以被认为提供个人小区（P-小区）。为了能够使用这样小的小区，需要一种方法将用户与P-小区相关联，并且假设小区如此小，则小区必须能够跟踪用户的位置，以便避免P-小区之间过于频繁的切换。如果用户装备的用户是移动的，则用户获取和跟踪二者难以实现。已经提出了现有技术的方法，该方法通过从定位得彼此靠近的几个HAP开始然后将越来越多的HAP添加到协作波束成形过程中（从而增加HAP天线的稀疏相控阵列的有效大小）来使现有波束逐渐变窄。然而，此类方法遭受各种缺点，诸如逐渐缩小现有波束所花费的时间。

本发明的目的是至少部分减轻以上提及的问题中的一个或多个。

本发明的某些实施例的目的是提供一种通信网络和通信方法，由此可以确定用户装备和飞行器之间的每个相应无线通信信道的传播特性，并且此后将其用于协作技术中，以经由多信道通信链路将用户装备连接到核心网络。

本发明的某些实施例的目的是提供一种过程，用于估计多个用户装备和多个飞行器天线之间的无线信道衰减和相移，并使用该信道信息向用户装备提供移动覆盖。

本发明的某些实施例的目的是在相同的频率-时间频谱中向多个用户装备提供移动覆盖。

本发明的某些实施例的目的是将空间复用方法所能支持的用户装备的数量增加到超出使用中的特定数量的飞行器以其他方式所强加的基本限制。

本发明的某些实施例的目的是提供一种增强的方法，由此可以消除由无线通信但是不是由特定的一组飞行器和用户装备形成的通信网络的一部分的另外设备引起的干扰效应，从而改进由飞行器提供的用户装备服务的链路质量。

本发明的某些实施例的目的是提供一种用于将移动用户装备连接到电信网络的核心网络的方法。

本发明的某些实施例的目的是提供一种方法，用于当移动用户装备移动时维持移动用户装备到电信网络的核心网络的连接。

本发明的某些实施例的目的是提供一种通信网络，其能够经由多信道通信链路将移动用户装备连接到核心网络，该多信道通信链路提供具有宽度小于1 m的占用空间（footprint）的小区覆盖区域。

本发明的某些实施例的目的是提供一种通信网络，用于在移动用户装备移动时维持移动用户装备到核心网络的连接。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于维持移动用户装备到核心网络的连接的方法，包括以下步骤：

在第一位置的用户装备和多个飞行器之间提供多信道通信链路；

确定用户装备正在移动，由此可能发生经由多信道通信链路的连接性的丢失；和

随后，经由切换步骤，将用户装备和核心网络之间的通信从经由多信道通信链路的通信转移到经由相应飞行器提供的单信道通信链路的通信。

适当地，所述方法还包括通过从所述相应飞行器的定向天线朝向地面形成照射第一小区覆盖区域的波束来提供单信道通信链路。

适当地，第一小区覆盖区域具有宽度大于100米并且可选地大于500米的占用空间。

适当地，提供第一多信道通信链路的步骤包括：

经由多个飞行器的相应定向天线朝向地面协作形成照射另外小区覆盖区域的波束。

适当地，另外小区覆盖区域具有宽度小于1米并且可选地小于0.5米的占用空间。

适当地，小区覆盖区域的占用空间包括无线信号强度足够强使得位于小区覆盖区域内的用户装备可以经由相关联的单信道通信链路或多信道通信链路与核心网络相关联的区域。

适当地，小区覆盖区域的占用空间包括由假想边界限定的区域，所述假想边界与其中单信道无线通信链路或多信道无线通信链路的无线信号强度分别处于低于最大信号强度的预定阈值水平的位置、或其中通信链路的载噪比在相应的第一或另外小区覆盖区域中处于预定阈值的位置一致。

适当地，预定阈值水平大约为 9dB。

适当地，确定用户装备正在移动的步骤包括：

提供多个附加无线通信链路，每个附加无线通信链路提供相应的附加小区覆盖区域，使相应的附加小区覆盖区域在地理上接近所述另外小区覆盖区域；

经由每个附加无线通信链路向所述用户装备传输相应的信标信号；和

响应于在用户装备处接收到的信标信号的功率水平而确定所述用户装备正在移动。

适当地，所述方法还包括围绕所述另外小区覆盖区域提供附加小区覆盖区域。

适当地，所述方法还包括响应于经由附加无线通信链路传输并在用户装备处接收的信标信号的接收功率水平，估计用户装备的移动方向。

适当地，所述方法还包括响应于所估计的移动方向，确定用户装备的预期位置并且将所述第一小区覆盖区域重定位为接近所述预期位置。

适当地，所述方法还包括实时地重复地将第一小区覆盖区域重定位到所述用户装备的预期位置。

适当地，确定用户装备正在移动的步骤包括：

经由多信道无线通信链路，命令所述用户装备传输上行链路参考信号；

在每个飞行器处，接收传输的上行链路参考信号；和

响应于在每个飞行器处接收的接收参考信号而确定用户装备正在移动。

适当地，所述方法还包括通过向所述用户装备传输参考信号请求来命令所述用户装备。

适当地，所述方法还包括大约每2ms左右传输参考信号请求。

适当地，所述方法还包括确定用户装备的预期位置并且响应于所述预期位置，将所述第一小区覆盖区域重定位为接近所述预期位置。

适当地，所述方法还包括，响应于确定用户装备正在移动，确定用户装备正在沿如下方向移动：由此经由第一多信道无线通信链路的连接丢失是可能的。

适当地，所述方法还包括通过确定预期位置的至少一个可能的无线传播特性来确定连接丢失是可能的，并且如果所述至少一个传播特性满足预定条件则确定连接丢失是可能的。

适当地，所述方法还包括通过确定预期位置离与第一小区覆盖区域相关联的中心点的距离大于预定距离来确定连接丢失是可能的。

根据本发明的第二方面，提供了一种通信网络，包括：

多个飞行器，每个飞行器支持至少一个相应的定向天线；和

处理元件，用于向核心网络注册具有第一小区覆盖区域并经由单信道无线通信链路提供的小区，并用于向核心网络注册具有另外小区覆盖区域并经由多信道无线通信链路提供的另外小区；其中

如果用户装备与核心网络之间的通信要从经由多信道无线通信链路的通信转移到经由单信道无线通信链路的通信，则处理元件被布置为发出用户装备的用户平面路径转换请求。

适当地，所述网络还包括：

基于地面的小区处理中心，其包括处理元件并且包括到核心网络的至少一个接口，并且可选地包括飞行器飞行控制单元和波束成形控制单元；和

至少一个地面站，每个地面站都包括定向天线单元，被布置为在每个飞行器与小区处理中心之间中继用户数据和控制信息。

适当地，处理中心包括可连接到核心网络的服务网关（S-GW）的用户平面外部接口（SI）和用于将信令协议递送到核心网络的移动性管理实体（MME）的另外接口（SI-MME）。

适当地，处理中心被布置用于为每个另外小区创建和维持相应的虚拟或物理基站。

适当地，处理中心还包括用于将虚拟基站与相应飞行器上的一个或多个天线连接的前传接口。

适当地，所述网络还包括至少一个用户装备；和

每个飞行器都包括高空平台（HAP），并且每个 HAP 上的每个天线都被布置为用于与每个用户装备进行无线通信的远程无线电头（RRH）。

适当地，每个飞行器都是海拔在海平面以上至少 10 km的HAP。

根据本发明的第三方面，提供了一种包括指令的计算机可读存储介质，所述指令当由计算机执行时，使计算机执行在至少一个用户装备和多个飞行器之间的无线通信的方法，包括以下步骤：

本发明的某些实施例提供了一种通信网络，该通信网络包括处理元件，该处理元件可以在飞行器中或者在基于地面的处理中心中，该处理元件可以确定与基于地面的用户装备和飞行器之间的相应多信道和/或单信道无线通信链路相关联的无线通信信道的一个或多个传播特性。该数据可以用于创建信道矩阵和伪逆信道矩阵，其可以选择性地应用于上行链路和下行链路方向上的传输和接收信号，从而允许与所有用户装备进行无干扰的并发数据通信。

本发明的某些实施例提供了一种为一个或多个用户装备和多个飞行器之间的每个无线通信信道确定至少一个传播特性的方法。

本发明的某些实施例提供了一种通信网络，该通信网络包括多个飞行器，诸如HAP星座、飞行器中或处理中心中的处理元件、以及可选地一个或多个地面站，所述地面站可以用作中继，以在每个HAP和处理元件之间中继用户数据和控制信息。

本发明的某些实施例提供了一种分组方案，由此可以支持无线通信的用户装备的数量大于所提供的特定数量的飞行器以其他方式可能支持的用户装备的数量。适当地，在用户装备的数量超过可能并发数据传输的预定最大数量的时候，该分组方案包括用户时间-频率资源调度方法。

本发明的某些实施例使得来自/去往其他无线通信设备的干扰能够作为飞行器与其指定用户装备通信的过程的一部分而被消除，所述其他无线通信设备不形成由多个飞行器服务的通信网络的一部分。这有助于改进所有设备的通信质量。

本发明的某些实施例提供了一种方法和通信网络，用于将移动用户装备连接到核心网络，由此通信最初经由单信道无线通信链路发生，这提供了相对大的小区覆盖区域，并且此后，经由切换步骤，通信经由具有较小小区覆盖区域的多信道无线通信链路发生。

本发明的某些实施例提供了一种方法和通信网络，用于在用户装备移动时维持移动用户装备到核心网络的连接。通信经由具有相对小的小区覆盖区域的多信道通信链路发生，然后当确定用户装备正在以意味着可能丢失连接性的方式移动时，发生如下切换步骤：将通信转移到经由具有较大小区覆盖区域的单信道通信链路的通信。此后，可选地，如果/当移动使得小的小区覆盖区域可能能够维持链路，则可以发生另外的切换步骤，以将通信转移回到具有小的小区覆盖区域的多信道通信链路。

本发明的某些实施例提供了一种通信网络，该通信网络包括至少一个机载天线，用于在天线和用户装备之间传输和接收信号，以及至少一个天线，用于与基站传输和接收信号，该基站与表面安装的处理中心连接。处理中心包括与核心网络连接的控制接口和蜂窝接口。

本发明的某些实施例使能实现了用于维持移动用户装备到核心网络的连接的用户跟踪方法。

本发明的某些实施例提供了一种过程，用于经由宽覆盖小区获取移动网络用户，使用安装在HAP上的天线来确定他们的位置，并且将用户设备切换到由安装在两个或更多HAP上的天线形成的窄小区。

本发明的某些实施例提供了执行精确信道估计的装置，该装置利用安装在多个HAP上的一些常规蜂窝信令和天线，以允许以小于0.5 m的准确度检测用户位置（也就是说，比常规技术允许的准确度高相当多）。

本发明的某些实施例提供了多个HAP的使用，这些HAP传输包含具有不同物理小区ID（或同步序列）的信标的重叠波束。

本发明的某些实施例提供使用来自不同HAP的信标信号进行用户装备辅助定位。可以请求用户装备测量和观察来自不同HAP的信号的到达时间差（OTDoA），并将其报告回到服务小区基站。

本发明的某些实施例提供了一种使用安装在多个HAP上的接收机天线来基于上行链路参考信号（URS）估计用户位置的过程。

本发明的某些实施例使得超窄小区的形成和操纵能够在用户的位置的0.5 m之内。

本发明的某些实施例提供了用户从宽覆盖小区到超窄小区的切换，所述超窄小区由安装在多个HAP上的天线形成。

本发明的某些实施例提供了用户装备从由安装在多个HAP上的天线形成的超窄小区到由较少HAP或可选地由单个HAP形成的宽覆盖小区的切换。

本发明的某些实施例提供了一种过程和装置，用于使得蜂窝设备能够同时与由安装在多个HAP上的天线形成的第一小区和由更少的HAP（和可选的单个HAP）形成的另外小区或地面基站连接。

用户设备位置可以在地理上定义，或可以按照用户设备和安装在HAP上的天线之间的射频（RF）信号的相移和衰减来定义。因此，对于本发明的某些实施例，如果用户设备不具有与HAP的视距连接，而是使用反射和/或阴影的无线电传播路径，则用户的表观位置仍然可以被确定并表示为用户和HAP之间的反射/阴影路径的信道相移和衰减。该信息可以用于使用安装在两个或更多个HAP上的天线形成窄的小区。

现在将参考附图，在下文中仅以示例的方式描述本发明的某些实施例，其中：

图1图示了多个飞行器经由多个可能的单信道无线通信链路向用户装备提供蜂窝覆盖；

图2图示了向相应用户装备提供两个多信道无线通信链路的HAP星座；

图3示意性地图示了用于估计无线信道的方式；

图4示意性地图示了用于估计无线信道的替代方式；

图5图示了在由多信道无线通信链路提供的P-小区已经建立之后并使用下行链路信号的测量到达时间的下行链路信道估计；

图6图示了在由多信道无线通信链路提供的P-小区已经建立之后并使用上行链路参考信号的信道估计；

图7图示了信道矩阵；

图8图示了权重矩阵；

图9图示了用户装备的分组；

图10图示了干扰消除；

图11图示了与蜂窝架构集成的HAP-小区系统，并且更详细地图示了与核心网络节点相关联的某些所选元件；

图12图示了使用下行链路信道估计的用户获取；

图13图示了使用上行链路信道估计的用户获取；

图14图示了用户获取装置；

图15图示了使用下行链路控制信号的用户装备跟踪；

图16图示了用户跟踪装置；

图17图示了用于避免丢失连接性的切换步骤；

图18图示了用户装备位置跟踪装置；

图19图示了用户装备同时与宽覆盖小区和窄P-小区二者通信，以帮助维持鲁棒连接并避免丢失连接性；和

图20图示了在没有到用户装备的初始飞行器的链路的情况下的用户获取和信道估计。

在附图中，同样的参考数字指代同样的部分。

本发明的某些实施例提供来自高空平台（HAP）的高速宽带服务。HAP可以是航空器或比空气结构更轻，其在海平面以上10到35 km。高空长航时（HALE）航空器或自由飞行或系留浮空器可以是HAP的示例。HAP是飞行器的示例。根据本发明的其他实施例，可以利用其他此类飞行器，诸如系留飞行器或有人控制航空器等。适当地，每个飞行器都部署在海平面以上至少5 km处。适当地，每个飞行器可以部署在海平面以上大约17到22 km的海拔处的平流层中。与常规的地面系统相比，HAP覆盖显著更宽的视距（LoS）链路的范围，并且不受与卫星相关联的容量和传播延迟限制。

图1图示了多个飞行器100_1-3（图1中示出了三个HAP）可以如何向用户装备提供无线服务。用户装备可以是移动电话、平板计算机或膝上型计算机或PDA等。仅作为示例，下文中描述的每个用户装备是智能电话。仅作为示例，下文中描述的每个飞行器是HAP。所示的每个HAP配备有一个或多个定向天线105、110。适当地，每个定向天线都是多元件相控阵列天线。这样的天线及其一般控制在GB2536015中描述，GB2536015的公开内容通过引用并入本文中。

如图1中所示，每个飞行器100可以单独形成指向地面的一个或多个波束120，从而照射“小区”。由单个HAP提供的波束可以用于在相应HAP和每个小区中的用户装备之间提供单信道无线通信链路。无线通信链路在可以支持上行链路和下行链路数据传送的意义上是两个方向的或双向的。用户装备可以将小区130感知为常规的地面无线电信小区。由HAP创建的小区的位置和密度是动态可控的。每个飞行器支持至少一个定向天线。在图1中，每个飞行器支持传输天线105和接收天线110。可选地，可以存在相控阵列天线或喇叭。每个相控阵列天线可以包括小天线元件阵列。

每个单信道无线通信链路在单个用户装备和单个HAP之间的信道上形成。单信道通信链路是通过从相应飞行器的定向天线朝向地面形成照射第一小区覆盖区域的波束来提供的。第一小区覆盖区域具有相对宽的占用空间，并且因此可以被称为宽小区。适当地，占用空间具有大于500 m的宽度。单信道通信链路使得能够实现在相应的用户装备和相应的HAP以及核心网络之间的控制信号的同步和/或关联和/或交换。

由任何一个HAP提供的第一小区覆盖区域的占用空间包括其中无线信号强度足够强使得位于小区覆盖区域内的用户装备可以经由相关联的无线通信链路与核心网络相关联的区域。适当地，小区覆盖区域的占用空间是由假想边界限定的区域，该假想边界与通信链路的无线信号强度处于比小区覆盖区域中的最大信号强度更低的预定阈值水平的位置一致。可选地，预定阈值大约为9 dB。

可选地，HAP 100利用协作的空中平台间波束成形（CAIB）。这样的协作波束成形方案可以在多个HAP上执行，以减小波束大小并增加无线电频谱的无线电资源使用效率。利用该技术，对于多个飞行器而言可能的是创建有效的波束，其在那些多个HAP和单个用户装备之间提供无线通信链路。这些协作形成的有效波束可以提供用于经由较小的小区照射许多个体用户。这些较小的小区具有可以小到10到100 cm宽的占用空间。照此，小区可以被认为是个人小区（P-小区），因为它们的规模接近使用用户装备的人的大小。同一组HAP可以同时为多个智能电话提供多个协作形成的波束。这提供了多个相应的多信道无线通信链路。

每个多信道无线通信链路是跨任何一个用户装备和协作波束成形以创建多信道无线通信链路的HAP星座中的HAP之间的多个信道形成的。多信道通信链路使得能够实现控制信号的同步和/或关联和/或交换。每个多信道通信链路可以通过经由多个飞行器的相应定向天线朝向地面协作地形成照射小区覆盖区域的波束来提供。

单信道通信链路提供第一小区覆盖区域。多信道通信链路照射另外小区覆盖区域。另外小区覆盖区域具有比由单信道通信链路提供的相关联占用空间小得多的占用空间。适当地，作为由多信道通信链路提供的小区覆盖区域的另外小区覆盖区域具有宽度小于1 m的占用空间。可选地，另外小区覆盖区域具有宽度小于0.5 m的占用空间。这些可以被认为是窄或超窄的小区。

由多信道通信链路提供的另外小区覆盖区域的占用空间包括无线信号强度足够强使得位于另外小区覆盖区域中的用户装备可以经由相关联的多信道通信链路与核心网络相关联的区域。适当地，另外小区覆盖区域的占用空间包括由假想边界限定的区域，该假想边界与多信道无线通信链路的无线信号强度处于比另外小区覆盖区域中的最大信号强度更低的预定阈值水平的位置一致。适当地，预定阈值大约为9 dB。

每个无线通信链路因此经由一个或多个相应的信道来提供。信道是路径或介质，通过它可以在任何两点之间无线传送数据。在单个HAP和单个用户装备之间提供的波束在它们具有单个源和单个宿的意义上是单信道。在单个用户装备和多个HAP之间提供的波束在它们具有多个源和单个宿或者单个源和多个宿（取决于上行链路还是下行链路传输正在发生）的意义上是多信道。

图2示意性地图示了多个（称为星座200）HAP（图2中示出了四个），它们一起提供两个同时的多信道无线通信链路210。每个多信道无线通信链路210经由协作波束成形技术以相应的用户装备220、230作为其目标来提供。对于图2中所示的示例，这提供了两个相应的P-小区240、250，每个形成在相应用户装备的位置上。每个P-小区240、250具有与小区130的对应占用空间相比在面积上小得多的占用空间，小区130的对应占用空间由单个HAP单独经由相应的单信道无线通信链路提供，在不与其他HAP进行波束成形的情况下被提供。

如图2中图示的，HAP的星座200与一个或多个地面站255（图2中所示的一个）无线通信。每个地面站255包括定向天线260，并且地面站可以使用相应的无线连接262在每个HAP和小区处理中心265之间中继用户数据和控制信息。图2中所示的处理中心265是HAP-小区处理中心。这可以位于地面站附近或者是地面站的一部分，或者如图2中所示，可以经由有线连接270连接到地面站/多个地面站255。可选地，无线连接可以将地面站/多个地面站连接到处理中心。

HAP-小区处理中心设有强大的计算能力。处理中心控制基于HAP的接入网络的操作。处理中心265可以包括运行用于波束成形控制的过程的波束成形控制单元275。处理中心可以包括HAP飞行控制单元280，其运行用于控制每个飞行器的飞行（诸如定位飞行路径和/或海拔）的过程。处理中心265包括经由相应的有线或无线连接292与核心网络290的至少一个接口285。

为了跨安装在HAP上的天线提供协作波束成形，对于每个HAP和每个用户装备之间的每个无线通信信道的准确信道估计被执行。这经由处理中心265中的处理元件295进行处理。这可以通过如下所述的在下行链路或上行链路上使用无线信号的不同方式来实现。处理元件295可以是处理器。这用于指示计算机或被配置为实行计算机程序指令的计算机内的中央处理单元（CPU）或电子电路。在下文中将理解，陈述处理器实现动作或者处理器被配置为实现动作类似于陈述处理器被配置为执行计算机可读指令并实现或执行动作。同样将理解，术语“计算机”旨在意指组件的装配件，所述组件例如是被布置成接收输入、产生输出、存储信息和算法以及执行指令的处理器、存储器元件、输入设备和输出设备。它不旨在限于任何特定的布置或组件组。为了避免疑问，处理器可选地可以是通用处理器、协处理器或专用处理器，诸如例如网络或通信处理器、压缩引擎、高吞吐量多集成核心协处理器、嵌入式处理器等。处理器可以植入在一个或多个芯片上。芯片可以彼此靠近或者在不同的位置互连。该处理器可以是一个或多个衬底的一部分和/或可以使用诸如例如BiCMOS、CMOS或EMOS的任何数量的处理技术在一个或多个衬底上实现。

因此，图2有助于图示通信网络296。通信网络包括多个飞行器（在图2中所示的HAP），每个飞行器支持至少一个相应的定向天线。处理元件297（在图2中示出为信道估计单元295的一部分）用于确定至少一个用户装备和所述多个飞行器中的每个飞行器之间的每个相应无线通信信道的至少一个传播特性。处理元件297确定每个无线通信信道的传播特性。这可以通过将经由相应无线通信信道传输的接收无线信号的幅度和相位与预定的参考幅度和参考相位或相关指示符进行比较（等同于比较幅度的指示符和/或相位的指示符）来实现。通信网络进一步包括基于地面的小区处理中心265（其在图2中包括处理元件），并且包括到核心网络290的至少一个接口。可选地，基于地面的小区处理中心265包括飞行器飞行控制单元280和波束成形控制单元275。将领会，飞行控制和波束成形控制以及信道估计可以在整个通信网络中的替代节点或其他替代节点处实行。通信网络296还包括至少一个地面站255。每个地面站包括定向天线元件260。地面站被布置成在每个飞行器和小区处理中心265之间中继用户数据和控制信息。如图2中图示的，通信网络还可以包括以智能电话、移动电话、平板计算机等形式的至少一个用户装备。图2图示了两个智能电话。

图3示意性地图示了用于估计用户装备和多个HAP之间的无线信道的方式。如图3中图示的，每个HAP（图3中示出五个）100经由相应的无线通信信道300_1-5与用户装备无线通信。每个HAP传输预定的参考信号作为信标信号（经由公共线310示意性示出），该信标信号可由所讨论的用户装备单独检测。用户装备测量每个参考信号的接收信号强度和相对到达时间差。可选地，用户装备测量每个参考信号的到达时间。可选地，用户装备中继每个参考信号的接收分组。适当地，参考信号包括参考序列。用户装备经由现有的通信链路（以下面更详细描述的方式提供）发回相应的测量报告，该相应的测量报告指示其从HAP接收的每个单独的参考信号的传播特性。因此，测量报告包括可以用于生成估计信道矩阵的信息。可以构造表示每个HAP和每个用户装备之间的所有无线通信信道的特性的信道矩阵。可选地，每个HAP-用户装备对具有与之相关联的复数。复数的幅度表示相应的信道幅度增益（功率增益的平方根）。复平面中的角度表示信道的相移。将领会，虽然信道矩阵可以由多个复数表示，但是可以利用其他数学技术来存储与信道幅度增益和相移相关联的指示符，所述信道幅度增益和相移与通信网络中用户装备和飞行器之间的多个信道的任何单个信道相关联。经由图3中图示的估计方案，用户装备仅需要向任何一个HAP发送带有其他HAP参考信号时间的完整列表的单个报告。用户装备不需要分别与每个HAP通信。用户装备经由单个小区进行注册和通信，该单个小区无论是宽覆盖小区还是P-小区。将领会，可能的替代方案是协作多点，其中单个用户可能一次由几个小区服务。

图4示意性地图示了用于估计用户装备和多个HAP之间的无线信道的替代方式。如图4中图示的，每个HAP（图4中示出了五个）100经由相应的通信信道进行无线通信，并且命令用户装备，或者经由来自所选HAP的单信道无线通信链路，或者在经由协作波束成形建立多信道无线通信链路之后经由该链路，以传输预定的参考信号。适当地，参考信号是如在长期演进（LTE）网络中标准化的探测参考信号。然后，该参考信号由每个单独的HAP经由相应的信道无线接收。接收到的数据可以被中继，或者从接收到的信号提取的数据被中继到HAP-小区处理中心中的处理元件，该处理元件然后可以估计上行链路信道衰减和相移。相比于关于图3描述的下行链路估计方法，该方法的优势是，它的准确度取决于HAP-小区系统的实现，并且不受标准移动用户装备的测量准确度限制。适当地，没有提取与接收参考信号相关联的内容。仅利用与形成参考信号一部分的传输数据分组相关联的相对幅度和相位。整个分组可以以同步方式中继到地面站，或者可以在每个HAP测量接收信号的幅度和到达时间，并中继测量值。跨不同HAP的时间参考可以同步，以帮助提供准确的信令。同步可以经由参考GPS时间基准、原子钟、来自地面站的同步信号（其知道到每个HAP的传播延迟差异）等中的一个或多个来实现。

通信网络的处理元件确定每个相应的无线通信信道的至少一个传播特性。适当地，至少一个传播特性包括无线通信信道的估计增益和估计相移。可选地，每个用户装备被布置成将参考信号从用户装备传输到飞行器中的每个。传输的参考信号可以包括标准化网络参考信号。适当地，标准化网络参考信号可以包括LTE探测参考信号。可选地，每个飞行器可以被布置成从飞行器向用户装备传输参考信号。

图5有助于图示在较早前已经建立了P-小区之后的下行链路信道估计。这对应于图3中图示的下行链路信道估计方案。图5图示了通信网络中的两个节点以及它们之间的信令和动作。第一个节点表示用户装备节点500，并且另外的节点510表示与图2中所示的HAP的星座 200、地面站255和HAP-小区处理中心265示意性相关联的HAP-小区系统。经由第一步骤S 515，HAP-小区处理中心命令用户装备测量从多个HAP发送的信标信号的到达时间差（TDoA）。那些HAP中的每一个都与窄小区相关联，或者替代地可能对该小区没有贡献。在步骤S 520，包括HAP的HAP-小区系统在用户装备附近传输信标信号。用户装备确定来自各种HAP的任何检测到的信标信号的幅度和到达时间差，并由此经由步骤S 530发回测量报告。测量报告可以可选地包括在用户装备自身确定的幅度/相位信息，或者可以可选地包括以原始数据形式的信息，该信息随后可以在与HAP-小区系统相关联的节点510处使用。响应于测量报告，在步骤S 540可以估计下行链路信道特性，其中估计值用于帮助创建信道矩阵。可以响应于估计的下行链路信道来估计上行链路信道。这由步骤S 545说明。可以通过假设用户装备和HAP之间的信号衰减和相移在上行链路和下行链路两者上是相同的来估计上行链路信道。信道估计步骤经由迭代步骤S 550被重复估计，该迭代步骤S 550可以以每100毫秒到每1秒之间的重复间隔发生。

图6图示了在较早前已经使用上行链路参考信号建立了P-小区之后的信道估计。图6图示了与用户装备相关联的通信网络中的节点500和与HAP-小区系统相关联的通信网络中的节点510之间的信号交换。该后一个节点510包括图2中图示的飞行器和地面站以及HAP-小区处理中心265。

在步骤S 615，示出了HAP-小区系统以命令用户装备以规则的间隔传输上行链路参考信号（URS）。这些指令在用户装备节点500被及时接收，然后在步骤S 625，用户装备节点500开始传输URS。在步骤S 630，基于在多个HAP接收的URS的幅度和相位差，HAP-小区系统估计上行链路信道特性。此后，经由步骤S 640说明的，可以基于上行链路信道估计来估计下行链路信道。通过假设用户装备和HAP之间的信号衰减和相移在上行链路和下行链路两者上是相同的，来估计下行链路信道。图6有助于图示URS传输以及上行链路和下行链路信道估计是如何以10毫秒和1秒之间的间隔迭代重复的。因为处理参考信号的负担是在HAP-小区系统侧，而不是在常规的用户装备（智能电话等）中，因此迭代可以更频繁。可以使用1 ms或更长的间隔。该迭代在图6中经由步骤S 650说明。

信道估计过程的目的是至少为每个HAP和每个用户装备之间的无线通信信道构建信道矩阵。图7中示出了信道矩阵700的结构。每个HAP-用户装备对都有与之相关联的信道系数710。该系数是复数，其幅度表示相应的信道增益，并且其相位表示相应的信道相移。这样，可以使用以下等式来计算每个用户装备处的接收信号：

其中，H是信道矩阵，

是来自每个HAP的传输信号的列向量，并且

是在每个UE处的接收信号的列向量。来自给定传输信号向量的每个用户装备的接收信号功率可以通过如下取接收信号向量的幅度的平方来计算：

。

在下行链路的情况下，该功能的任务是使用信道矩阵H的估计版本来组成传输向量

，使得想要的信号在其相应的用户装备接收机位置被成功地重构。然后可以导出图8中所示形式的矩阵W，以将需要传输到每个用户装备的信号变换成每个HAP的传输信号，使得然后在用户装备接收机处重构原始信号。

使用该矩阵的传输信号向量的组成可以表述如下：

其中W是图8中所示形式的矩阵800，Q是对角功率分配矩阵，并且

是每个用户装备的传输符号的列向量。这样，

矩阵中的每一列都指示与特定单个用户装备接收机通信所需的每个HAP处的信号幅度和相移。

在上行链路（均衡）的情况下，

是来自所有用户装备的信号的传输向量，并且

是在每个HAP处的接收信号的向量。因此，为了数学兼容性，信道矩阵H和权重矩阵W的维度被反转。均衡算法的工作于是是在给定每个HAP处的接收信号的情况下恢复每个用户的传输信号，如下：

。

如果信道矩阵H可以由HAP-小区系统估计，则它可以用于导出不同方法的权重。例如，可以使用的并且旨在最大化接收功率的方法是最大比合并（MRC）。严格来说，MRC是指在上行链路上合并来自多个HAP的信号：应用于下行链路的等效物可以称为最大比传输（MRT）。然而，在本说明书中，术语MRC用于两种情况：

其中

是信道矩阵H的厄米（即共轭转置），并且k是整个矩阵的单个标准化因子。

然而，采用所描述的复杂信道矩阵方法意味着可以使用具有干扰消除属性的其他方法。例如，迫零方法的权重矩阵如下给出：

这样，权重矩阵W _ZF是信道矩阵H的缩放伪逆。给定完美的信道估计和比HAP更少的用户装备数量，该方法可以实现完美或接近完美的干扰消除，即，到达每个UE的信号不受到来自去往每一个其他用户装备的并发信号的干扰。

使用迫零并且在最大化接收功率和消除来自其他传输的干扰之间实现了良好的平衡的替代方案是最小均方误差（MMSE）。MMSE的权重推导公式如下给出：

其中I是单位矩阵，并且a²是噪声方差项，其计算如下：

其中，

是传输功率（在下行链路预编码情况下进行标准化以优化远程接收机处的SNR所必需的，该因子不适用于上行链路均衡情况中，因为在那里，HAP是接收机）；并且

是接收机处的噪声功率（这包括来自其他贴片/小区或者通常来自给定H矩阵中未包括的所有其他传输的外部干扰）。

该噪声增强项有助于在干扰消除和接收信号功率之间提供可适应的权衡。在高SNR场景下，它是可忽略的，并且MMSE表现为迫零；然而，在低SNR场景下，该噪声方差项使MMSE在功率最大化模式下操作。

基于地面处理中心265中的信道估计单元295包括处理元件299，用于确定每个相应的无线通信信道的至少一个传播特性。信道估计单元295中的数据存储器298存储每个飞行器和每个用户装备之间的无线通信信道的信道矩阵。信道矩阵包括每个飞行器-用户装备对的每个无线通信信道的复数。

估计每个HAP和每个用户装备之间的无线通信信道使得能够在彼此紧密接近的用户装备之间部署具有干扰消除的另外波束成形方法。图7有助于图示可以利用的波束成形信道矩阵的结构。在下行链路的情况下，诸如此的复矩阵700可以用于将到每个用户装备的传输信号变换成从每个HAP发出的实际传输信号。这样，在每个单独的用户装备处重构想要的信号，并且消除掉不想要的干扰。在上行链路的情况下，给定在每个HAP处接收的信号的混合，复权重矩阵800（如图8中所示）可以用于重构从每个用户装备接收的信号。这样，对诸如在图7中描绘的信道矩阵的信道矩阵求逆或伪逆，并将结果用作波束成形权重矩阵，可称为迫零。如果用户装备的数量低于HAP的数量，并且如果信道被准确地估计，则理论上有可能消除掉所有干扰。因此，可以允许与所有用户装备进行无干扰的并发数据通信。即，来自HAP的空间复用。

因此，本发明的某些实施例使得基于复杂信道估计的波束成形方法能够通过使能与多个用户装备的高数据速率并发通信来实现相对于现有技术的网络容量增强。这些空间复用方法能够支持的用户装备的数量可能受到服务星座中的HAP数量限制。例如，如果存在50个用于协作平台间波束成形的HAP，则理论上可以独立并发支持干扰消除的用户装备数量少于50。

图9有助于图示将用户装备分组到调度集群中以帮助克服该限制的技术。因此，本发明的某些实施例通过使用用户时间-频率资源调度方法克服了该限制，并维持了由基于HAP的空间复用方法实现的网络吞吐量增强。该方法可选地应用于用户装备的数量超过预定或最佳并发数据传输数量的情况。图9图示了示例，其中存在需要数据通信的四个用户装备910、920、930、940，但是在假设的场景中，无干扰并发传输的最佳数量是三。在该实例中，可以通过采用广播时间调度集群来对用户装备进行分组。并发传输的最佳数量可以被定义为可实现其有效干扰消除的波束成形群集中的最大用户数量。这使得所有并发传输的总吞吐量达到其最大值。该数量将变化，并且通常将少于波束成形中涉及的HAP的数量。它将由HAP-小区处理中心基于HAP的数量和位置、信噪比和每个用户装备的测量信道特性来动态调整。

例如，可以将25%的广播时间分配给三个用户装备910、920和930的用户的第一调度集群。可以将25%的广播时间分配给另三个用户装备920、930和940的用户的第二调度集群。可以将25%的广播时间分配给仍另外三个用户装备910、930和940的用户的第三调度集群。可以将25%的广播时间分配给剩余三个用户装备910、920和940的用户的第四调度集群。

这样，每个用户装备被分配总共75%的带宽资源，其中四分之三的用户总是使用基于HAP的波束成形方法同时通信。将领会，该分组方法可以按比例扩大，其中每个用户将被最优地分配一定比例的广播时间资源：

广播时间比例=（最佳并发传输数量）/（用户总数）（9）。

图10图示了图9中图示的聚类方法的替代方案。与关于图9描述的同时服务的用户的数量超过了HAP-小区系统的空间复用容量的场景形成对比，将领会，存在用户装备的数量低于并发传输的预定数量的情形。例如，人口稀少的农村地区可能是这种情况。对于这些场景，本发明的某些其他实施例利用了在先前描述的信道估计和波束成形方法中包括其他无线电收发机/传输机。这些另外的接收机/传输器被考虑用于干扰消除的唯一目的。也就是说，数据不与这些另外设备通信。

图10有助于描绘该方法的示例。如所示，仅各自具有相应的用户装备1010、1020的两个用户与HAP的星座通信。在该假设的场景中，这低于HAP-小区系统的空间复用容量。结果，对应的波束成形权重矩阵可以被扩充以包括一个或多个另外无线设备的条目。图10中图示了一个另外无线设备1030。该另外无线设备830可以表示在不同小区中或者在相同频谱下操作的不同接入网络上具有用户装备的用户。这样，来自/去往另外无线设备的干扰将被波束成形过程消除掉。这有助于改进HAP星座和用户装备1010、1020之间的无线通信链路的质量，以及有助于改进另外的附加设备1030处的通信质量。

适当地，当用户装备的总数量超过与部署的HAP的数量相关联的预定数量时，每个用户装备被分配与该用户装备和多个飞行器相关联的相应无线通信链路的基本广播时间带宽资源的少于100%的份额。通过将用户装备分组到调度集群中来共享总基本广播时间带宽资源的该技术有助于预定数量的HAP向相对大量的用户装备提供无线通信。

适当地，信道估计单元的处理元件被布置用于选择性地确定在另外无线设备和由处理中心265服务的多个飞行器的每个飞行器之间的每个相应的另外无线通信信道的至少一个传播特性。也就是说，当处理中心经由飞行器星座处理与用户装备的通信时，可以是在另一网络上操作的无线设备的另外无线设备具有为那些另外无线通信信道确定的传播特性。由第三方设备传输的信号可以在单独的HAP处检测（但不能解码），并且可以比较到达时间和信号强度。这等同于上行链路信道估计。作为替代方案，可以利用基于地理位置的对信道的近似。这将是尽力干扰消除技术。仍另外的替代方案将涉及运营商之间的官方协议，以允许网络间参考信令。当在用户装备和多个飞行器之间提供无线通信链路时，信道估计单元295中的数据存储器298存储用于波束成形的权重矩阵，该权重矩阵包括响应于每个另外的无线通信信道的所确定的传播特性而确定的权重。

因此，本发明的某些实施例提供了一种用于估计多个用户设备和安装在移动的HAP上的多个天线之间的无线信道衰减和相移的过程。该信道信息用于向用户设备提供移动覆盖。该过程可以用于向同一频率-时间频谱中的多个用户设备提供移动覆盖，可选地利用均衡和预编码技术。可选地，可以利用用户调度，其中用户被划分成重叠的并发传输集群，并且每个用户集群被分配一定比例的频率-时间资源。本发明的某些实施例仅仅为了干扰消除的目的而不是为了数据通信而扩充并发用户通信集群。

本发明的某些实施例涉及使用安装在HAP上的两个或更多个天线向多个用户设备提供移动覆盖的过程和所需装置。可以利用精确的信道估计过程，其检测每个用户设备和HAP上的每个天线之间的衰减和相移。然后可以发生使用估计的信道信息与多个用户设备的同时通信。

已经描述了估计用户装备和HAP之间的信道的某些实施例。已经参考确定每个信道的幅度和相位。根据本发明的某些实施例，这可以以各种方式来确定。一种方式是用户装备测量参考信号的到达时间差（以时间单位，例如，特殊基本LTE时间单位的增量）并将它们发送回来。将领会，对于其他实现，相同的信息可以不同地表述。也就是说，不同的时间单位或者表述为相位。复数的相位可以根据以下等式从延迟导出：

其中，

是以弧度为单位的相位，f是以Hz为单位的载波频率，并且（

）是相对于时间

（例如是第一个接收到的参考信号的到达时间）测量的以秒为单位的参考信号到达时间差。

图11是通信网络296中某些节点的视图。第一节点500由通信网络296中的用户装备提供。单个用户装备在图11中图示。另外的节点510是HAP-小区系统，其包括由HAP 的星座200、HAP本身和HAP-小区处理中心265生成的小区。另外的节点1100表示可连接到互联网1110（诸如万维网等）的核心网络。核心网络1100包括移动性管理实体（MME）1120，其经由控制平面数据路径与处理中心通信。核心网络1100还包括服务网关（S-GW）1130，该服务网关（S-GW）1130经由用户平面连接与HAP-小区系统的处理中心265通信。核心网络同样还包括与服务网关1130和互联网1110通信的分组数据网络网关（PDN-GW）1140。因此，图11有助于演示蜂窝网络中不同实体之间的控制平面和用户平面连接。接入网络和核心网络之间的控制信令经由移动性管理实体1120来执行。因此，经由移动性管理实体来控制对有效基站的集中式控制。该实体还通过控制从给定的有效基站到特定服务网关1130（其进而连接到特定分组数据网络网关1140）的用户数据路径来帮助确保虚拟基站到互联网的连接性。

因此，图11有助于提供移动网络的顶层图示，该移动网络涉及高空平台的星座200，高空平台经由安装在其上的高定向天线在地面上创建小区。HAP的星座200可以表现作为一组有效的远程无线电头端（RRH）。这些执行波束成形，并去往/来自通信网络中的用户装备传输/接收无线信号。处理中心265控制HAP的操作，即，发送波束成形指令并中继发生在用户装备和HAP之间的蜂窝网络信号。处理中心265还帮助将虚拟基站与由HAP创建的波束相关联。因此，就标准用户装备而言，使得HAP-小区系统看起来像常规的蜂窝接入网络。要注意的是，为了有助于与其他常规蜂窝架构集成，HAP-小区系统可以可选地被配置为对于核心网络1100来说看起来像标准蜂窝接入网络。为此，HAP-小区处理中心具有与移动性管理实体1120的控制平面接口和到服务网关1130的用户数据信道。因此，在处理中心265维持的虚拟基站基带单元将具有与运营商的核心网络的连接性，并因此具有与互联网1110的其余部分的连接性。

图12有助于图示可以如何经由单个HAP宽小区使用下行链路信道估计发生初始用户获取。也就是说，图12有助于图示用户装备可以如何首先使用宽小区覆盖区域来获取到核心网络的通信链路。这由相应的单信道无线通信链路提供。经由宽小区覆盖区域的用户获取最初是有利的，因为经由由多信道无线通信链路形成的窄小区的用户获取使得在初始阶段中以其他方式难以定位用户装备。图12有助于图示被称为用户注册的第一阶段1205。图12有助于图示被称为经由单个HAP宽小区的初始信道估计的第二阶段1210。图12有助于图示第三阶段1215，其中发生从由单个HAP提供的单个宽小区到由多个HAP提供的P-小区的切换步骤。

在第一阶段1205中，用户装备从相关地理位置中的各种HAP接收信标信号。经由关联请求步骤S 1220，用户装备经由与具有最强信标信号的HAP相关联的最强宽覆盖区域小区做出关联请求。经由认证步骤S 1225，用户装备认证和注册信令发生在HAP-小区系统节点510和核心网络节点1100之间。在此之后，HAP-小区系统节点510经由用户装备选择的宽覆盖小区发送有效的关联响应。该关联响应由响应步骤S 1230图示。这随后是来自HAP-小区系统节点510的指令，以命令用户装备测量来自其他小区的信标信号的到达时间差（TDoA）。该指令由指令步骤S 1235图示。该步骤标志着用户获取过程的第二阶段的开始。经由报告步骤S 1240，用户装备发回测量报告。

响应于用户装备在步骤S 1240提供的测量报告，HAP-小区系统节点510可以基于来自其他小区的信标的TDoA来确定用户装备的位置。这由位置确定步骤S 1245图示。因此，图12有助于示出一种确定用户位置的方式，该方式可以利用用户装备执行的某些标准化标准测量。可以利用观察到的到达时间差测量。用户装备初始连接到宽覆盖小区，其例如由单个HAP上的天线使用标准小区关联程序创建。为了帮助提升宽覆盖范围、低增益小区信标信号（如果需要），HAP可以利用低带宽信道，例如1.4 MHz或3 MHz LTE信道。一旦用户装备被宽覆盖小区获取，它就可以被命令测量来自其他HAP的信标信号的OTDoA。星座中的其他HAP将把它们的波束指向相同的小区区域，并传输具有用户装备可检测的唯一物理小区ID号的信标。当用户装备将OTDoA测量报告发回回到服务有效基站（即宽覆盖小区）时，HAP-小区处理中心将能够结合其对HAP位置的准确了解看到这些测量。该组合信息可以用于确定用户装备位置。

基于OTDoA测量的方法的准确度可能受到标准用户装备设备的量化误差限制。例如，在LTE的情况下，步长大小近似为32纳秒，即，等于1/（15000 x 2048）秒的基本LTE时间单位。然而，根据本发明的某些实施例，该方法可以用作至1到10 m之内的准确度确定用户装备位置中的第一步骤。

在步骤S 1245确定用户装备位置之后，该位置经由存储控制步骤S 1250被发送到图示的核心网络，其中为每个用户装备存储相应的位置。在用户装备的位置被准确地确定之后，有可能使用多个HAP来在检测到的用户装备位置创建窄协作波束。这由图12中的波束创建步骤1255图示，并开始用户获取过程中的第三阶段1215的开始。该新的窄波束经由注册步骤S 1260被注册为小区。在将该窄波束注册为提供有效的窄小区并因此提供有效的基站之后，可以在用户装备和HAP-小区系统之间交换切换命令/请求。这由切换命令步骤S1265图示。此后，关联和同步发生在用户装备和经由协作波束成形创建的P-小区之间，并由图12中的关联和同步步骤S 1270图示。在与用户装备和P-小区关联和同步之后，请求从HAP-小区系统节点510传送到核心网络节点1100，以请求该特定用户装备的用户平面路径转换。这由图12中的请求步骤1275图示。更新步骤S 1280图示在请求用户平面路径转换之后对该特定用户装备的路径的更新。这导致路径转换确认作为确认步骤S 1285的一部分从核心网络发送到HAP-小区系统中的小区处理中心，这导致用户装备经由与P-小区相关联的多信道无线通信链路与核心网络通信。

图13图示了经由初始单个HAP宽小区使用上行链路信道估计的用户获取的替代方案。用户获取过程包括三个阶段。第一阶段1305是用户注册阶段。第二阶段1310是经由单个HAP宽小区阶段的初始信道估计。第三阶段1315是切换阶段，在该切换阶段中，发生从由单个HAP提供的宽覆盖小区到经由来自多个HAP的多信道通信链路提供的窄覆盖小区的用户切换。

关联请求步骤S 1320图示从用户装备发送到HAP-小区系统的关联请求。这是对从相关地理区域中的HAP传输信标信号的响应。进行关联请求以与由提供最强信标信号的HAP提供的宽覆盖区域小区相关联。在该请求之后，发生认证步骤S 1325，由此用户装备认证和注册发生在HAP-小区系统和核心网络之间。此后，经由用户装备原始选择的宽覆盖小区发送关联响应作为响应步骤S 1330。在该关联响应被发送之后，HAP-小区系统命令用户装备传输无线信号。适当地，这是上行链路参考信号（URS）。这由命令步骤S 1335来图示。这是用户获取过程的第二阶段的开始。接下来，用户装备经由传输步骤S 1340传输URS。响应于接收到的URS信号，如图13中的步骤S 1345图示的，有可能基于在多个HAP接收到的相位差或URS来确定用户装备的位置。因此，图13图示了用于准确地确定用户装备位置的OTDoA定位方法的替代方法。在图13中图示的该过程中，用户装备位置是由HAP而不是用户装备确定的。用户装备初始连接到的宽覆盖区域小区命令用户装备传输上行链路参考信号（URS）。适当地，这可以是探测参考信号（SRS）。用户装备因此被基站告知传输探测信号以开始P-小区用户获取。可选地，可以利用宽小区或P-小区阵列来寻找用户装备。适当地，URS被用于上行链路信道估计。这样，安装在HAP上的天线作为接收机工作，其测量从用户装备到达的URS的相位差。该方法的优点是，它不受由标准用户装备设备强加的任何量化误差限制，而是受由HAP-小区系统的专有性质确定的测量准确度限制。使用该技术，可以至0.5 m的准确度以内确定用户装备设备位置。根据本发明的某些实施例，甚至可以实现更大程度的准确度。

一旦用户装备的位置被确定，HAP-小区系统就向核心网络提供该位置，并且用户装备位置被存储在核心网络中。这由图13中的存储控制步骤1350图示。一旦知道了用户装备位置，就有可能利用多个HAP在检测到的用户装备位置处创建窄协作波束。这通过图13中的波束创建步骤1355图示，该步骤是用户获取过程的第三阶段中的初始步骤。此后，经由注册步骤S 1360图示的注册请求，窄波束被注册为小区。然后，经由用户装备在该阶段仍然连接到的原始宽覆盖小区来实行切换命令/请求。这由图13中的切换命令步骤S 1365说明。此后，发生与新的窄波束P-小区的关联和同步。这由图13中的步骤1370图示。此后，为用户装备请求从HAP-小区系统到核心网络的用户平面路径转换。这由步骤S 1375图示。在此之后，更新用户装备的路径。这由步骤S 1380图示。此后，经由步骤S 1385，路径转换确认从核心网络被发送到HAP-小区系统，并且经由由HAP星座提供的多信道通信链路，在用户装备和核心网络之间发生通信。因此，在检测到的用户装备位置处创建超窄协作波束之后，HAP-小区处理中心可以将P-小区注册为新小区。即，所得的新产生的虚拟基站可以与核心网络相关联。一旦新的超窄波束被注册为标准小区，用户装备就可以以比其当前服务的宽覆盖区域显著更高的功率开始接收具有其物理小区ID的信标信号。这通过在信号强度方面显现为最佳小区来触发用户装备与窄小区相关联。之后，取决于用户装备状态（即，空闲或主动上传/下载数据），或者用户装备将向宽区域小区基站发送切换请求，或者基站将向用户装备发送切换命令。一旦用户装备与其协作的HAP间波束P-小区关联和同步，HAP-小区处理中心就将使用其与核心网络的接口来更新用户平面数据路径。这有助于确保用户装备和P-小区基站连接到适当的网关，并且因此具有到互联网的连接性。

图14在图2中所示的通信网络296的某些元件在获取过程期间的使用的方面更详细地图示了所述某些元件。也就是说，图14图示了用户获取装置。HAP的星座200可以创建到用户装备的多信道无线通信链路，从而在用户装备的位置提供P-小区。星座中的HAP中的一个或多个同样提供单信道无线通信链路，该单信道无线通信链路在包括用户装备所在位置的区域处提供宽覆盖小区。HAP星座向地面站255通信，地面站255连接到HAP-小区处理中心265。图14图示了HAP-小区处理中心中的某些元件，诸如波束成形控制器275。还图示了虚拟宽覆盖小区控制器1400和虚拟P-小区控制器1410。波束成形控制器275以及宽小区控制器1400和窄小区控制器1410与用户获取控制器1420通信。用户获取控制器1420连接到波束成形控制器275，并向波束成形控制器提供波束成形指令，然后波束成形控制器经由控制接口和连接270向一个或多个地面站通信，并从那里经由HAP-小区控制接口向HAP星座通信。这与蜂窝前传接口相关联。

用户获取控制器1420同样在确定虚拟宽覆盖小区的操作的虚拟宽覆盖小区控制器1400和确定虚拟P-小区的操作的虚拟P-小区控制器1410之间交换控制信号。控制信号在相关联的连接之间交换，切换指令也是如此。虚拟宽覆盖小区控制器1400和虚拟P-小区控制器1410经由蜂窝前传接口和连接270与地面站/多个地面站225通信。

因此，本发明的某些实施例提供了一种用于将移动用户装备连接到核心网络的方法。该方法可以包括在用户装备和多个飞行器之一之间提供单信道通信链路的步骤。经由所述多个飞行器，为用户装备提供多信道通信链路。此后，经由切换步骤，在用户装备和核心网络之间的通信从经由单信道通信链路的通信转移到经由多信道通信链路的通信。提供单信道通信链路的步骤包括从飞行器的定向天线朝向地面形成波束，该波束照射第一小区覆盖区域，这是所谓的宽小区覆盖区域。宽覆盖小区的小区覆盖区域具有大于500 m宽度的占用空间。

提供多信道通信链路的步骤包括经由多个飞行器的相应定向天线朝向地面协作地形成照射另外小区覆盖区域的波束。该另外小区覆盖区域窄得多，并且可以被称为P-小区。另外小区覆盖区域具有宽度小于1 m的占用空间。可选地，占用空间具有小于0.5 m的宽度。在该意义上，小区覆盖区域的占用空间包括无线信号强度足够强使得位于小区覆盖区域内的用户装备可以经由相关联的单信道通信链路或多信道通信链路与核心网络相关联的区域。用户获取的方法包括响应于经由单信道无线通信链路交换的无线信号来确定用户装备的位置的步骤。此后，响应于确定用户装备的位置，选择性地转移用户装备和核心网络之间的通信。可以利用各种可选技术来确定位置。这些技术中的一种技术利用信标信号的OTDoA测量。另一选项是命令用户装备传输上行链路参考信号，诸如探测参考信号。根据本发明的某些实施例，当然可以利用其他选项。

图15和图16图示了在用户获取具有由多信道无线通信链路提供的窄P-小区的用户装备之后的用户装备跟踪。当用户装备移动时（如果用户装备是诸如智能电话的移动设备，则这可能是可能的），用户装备的位置的知识对于在多信道波束成形过程期间进行帮助是有用的。同样，该位置在确定多信道无线通信链路是否可能中断中是有用的。当用户装备移动时，其位置的确定将使得HAP-小区处理中心能够动态地调整任何协作波束成形中涉及的每个HAP的幅度和相位权重。

图15图示了可以用来跟踪用户装备位置的第一方法。这可以利用某些常规的蜂窝信令方案，但是假设用户装备已经连接到P-小区（如上所述）。如图15中图示的，可以创建几个附加的P-小区来包围服务P-小区波束。这些附加的P-小区中的每一个传输具有其自己唯一的小区ID的信标。带有小区ID的此类信标由小区使用。然后，用户装备由其服务的P-小区命令以将其接收的小区信标的功率水平报告回来。因此，图15图示了经由协作波束成形技术创建多个多信道无线通信链路的HAP的星座200。五个多信道无线通信链路1500_1-5在图15中示出。这些多信道无线通信链路中的每一个都提供相应的P-小区1510_1-5。一个P-小区1510₃被示为集中在用户装备被确定要位于的特定位置。这是服务小区。四个另外的P-小区被定向到服务P-小区附近并且在一定程度上围绕服务P-小区的位置。将领会，在靠近服务P-小区的位置处可以利用两个、三个、四个、五个或更多个P-小区。P-小区可以在一定程度上重叠，或可选地可以不重叠。适当地，作为辅助或额外的P-小区的P-小区彼此和/或与服务P-小区重叠10%或更多。

信标信号在下行链路上被传输（由图15中的箭头1520图示）到用户装备，然后用户装备发送测量报告1530。带有小区ID的信标由小区使用。用户装备被其服务的P-小区命令将其接收的小区信标的功率水平报告回来。给定该信息，处理中心可以估计服务P-小区波束必须向哪个方向移动以跟踪用户。例如，在最强的周围P-小区信标的方向上。

图16图示了替代技术，通过该替代技术有可能跟踪用户装备的移动。这有助于处理中心估计服务P-小区波束必须向哪个方向移动以保持跟踪用户。该第二方法基于上行链路参考信令（URS）。被指示为由相应的多信道无线通信链路1600生成的服务P-小区在用户装备的位置处生成相关联的P-小区1610。服务P-小区请求用户装备传输频繁的URS。该指令由图16中的箭头1620图示。作为响应，用户装备传输上行链路参考信号，由图16中相应的箭头1630图示。该上行链路参考信号然后由星座200中的每个HAP单独接收。接收到的信号随后可以由处理中心进行分析，以确定用户装备位置。例如，可以请求用户装备每2ms那样频繁地传输URS。这将足以跟踪高度移动的用户装备，例如乘坐汽车或甚至经由高速列车旅行的那些。

图17图示了在具有协作平台间波束成形的HAP-小区系统中可能出现的情形。这样的情形或风险是丢失与具有窄P-小区的用户装备的连接性。当用户装备走进建筑物中时，这可能发生，从而潜在地在至HAP的无线电传播路径中引入显著改变。替代地，这对于某些地理地区等中的非常快速移动的用户装备可能发生。对于这样的情况，本发明的某些实施例可以实现智能检测机制，该智能检测机制使用用户装备位置跟踪信息和其他控制信号来帮助预测何时将发生这样的P-小区连接性的丢失。当确定此时，可以发起从相对窄的P-小区回到与单信道无线通信链路相关联的较宽的宽覆盖小区的切换过程。这样，可以有可能维持用户装备到网络的连续连接。这可以在专用P小区变得超出用户装备的范围的情形下利用。将领会，可选地，当确定用户装备位置和移动使得可以利用P-小区时，本发明的某些实施例此后可以实行从宽覆盖小区到窄覆盖小区的另外切换转换。

图17图示了通信网络的三个相应节点。第一节点500与用户装备相关联。另外的中间节点510与HAP-小区系统相关联。第三节点1100与通信网络的核心网络相关联。如图17中图示，经由预测步骤S 1700，HAP-小区系统预测用户装备可能丢失与服务P-小区的连接性。根据本发明的某些实施例，该预测可以经由不同的技术发生。如果确定用户装备正在以可能丢失连接性的方式移动，则经由从HAP-小区系统节点510传递到用户装备的命令，发生切换命令步骤S 1710。此后，关联和同步步骤S 1720看到与宽覆盖小区交换关联和同步信号。随后，请求步骤S 1730看到针对特定用户装备的用户平面路径转换的请求被发送到核心网络。更新步骤S 1740发生在核心网络内，由此更新用户装备的通信路径等。一旦实行此，路径切换确认就从核心网发送到HAP-小区系统，如图17中确认发送步骤S 1750指示的。

因此，本发明的某些实施例提供了一种用于维持相对于核心网络移动的用户装备的连接的方法。该方法包括在第一位置处的用户装备和多个飞行器之间提供多信道通信链路的步骤。接下来，确定步骤确定用户装备正在移动，由此可能发生经由多信道通信链路的连接性丢失。随后，经由切换步骤，用户装备和核心网络之间的通信可以从经由与初始服务P-小区相关联的多信道通信链路的通信转移到经由相应的单个飞行器所提供的单信道通信链路的通信。可以通过从相应飞行器的定向天线朝向地面形成照射第一小区覆盖区域的波束来提供单信道通信链路。第一小区覆盖区域具有大于500 m的宽度的占用空间。提供多信道通信链路的步骤包括经由多个飞行器的相应定向天线朝向地面协作地形成照射另外小区覆盖区域的波束。另外小区覆盖区域具有宽度小于1 m并且可选地小于0.5 m的占用空间。

可以用不同的方式来实行确定用户装备正在移动。例如，确定用户装备正在移动的步骤可以包括提供地理上靠近由服务P-小区提供的小区覆盖区域的附加的P-小区，并且经由那些附加的无线通信链路传输相应的信标信号。确定运动可以响应于在用户装备处从附加小区接收的信标信号的功率水平而发生。可以以各种方式确定：确定连接性可能丢失，诸如通过确定移动速度超过预定阈值。替代地，利用可以单独存储的特定地理位置的知识，可以进行如下确定：用户装备正在移动到一个区中，由此与服务P-小区的连接性的丢失是可能的。用于确定用户装备正在移动的替代过程可以包括命令用户装备传输上行链路参考信号，并在多个点处接收所传输的信号。

图18图示了用户装备位置跟踪装置。特别地，图18图示了先前描述的集中于用户装备跟踪的通信网络的某些元件。如在图18中图示的，HAP星座200可以与覆盖区域交换无线信号，该覆盖区域可以包括多个用户装备。HAP星座200与一个或多个地面站255无线通信，一个或多个地面站255经由HAP-小区控制接口与HAP星座通信，并提供有效的蜂窝前传接口。HAP-小区处理中心265包括信道估计控制器295、虚拟宽覆盖小区控制器1800和虚拟P-小区控制器1810。HAP-小区处理265中的用户跟踪控制器1820从信道估计单元295接收信道估计信息。用户装备跟踪控制器向虚拟宽覆盖小区控制器1800发送信令指令，并向虚拟P-小区控制器1810发送信令指令。这些经由地面站/多个地面站255交换上行链路/下行链路控制信号。信道估计单元295经由HAP-小区控制接口与地面站/多个地面站255交换信息。在HAP-小区处理中心的用户装备跟踪控制器存储连接到HAP-小区系统的所有用户装备的估计位置。这包括它们的移动性的最近轨迹。这有助于使能在即将到来的分组传输期间预测它们的位置。用户装备跟踪控制器具有与服务用户的虚拟小区的接口，通过该接口它将命令小区传输所需的控制和参考信号。这可以在上行链路和下行链路二者上以指定的频率发生。用户装备跟踪控制器和信道估计单元之间的接口使得用户装备跟踪控制器能够获得参考信号的衰减和相位差，该参考信号在多个HAP处接收或从多个HAP传输。这有助于确定用户的位置。

图19有助于图示一种方法，该方法可以有助于进一步促进HAP-小区系统避免P-小区连接性丢失的能力。这可以被提供来帮助使得用户装备能够同时与宽覆盖小区连接，并且当可能时或者在所选的时间处，用户装备也可以连接到窄的P-小区。这是多点方案，其中单个用户装备可以同时使用多个小区。当P-小区可以到达时，用户装备将经由P-小区传送所有数据业务。最少需要的控制平面信号交换发生在宽覆盖小区的情况下。在丢失与P-小区的连接性的情况下，可以命令用户装备经由宽覆盖小区重定向其所有数据业务，从而不中断连接。

图20示意性地图示了在与用户装备和P-小区具有注册关系之前以及在跟踪位置之前的用户获取的替代方式。HAP-小区系统创建许多窄波束，并经由那些波束传输相应的信标信号，从而将每个波束表示为“标准小区”。这是基于/希望信标信号中的一个或多个可能“击中”用户装备。在此类情况下，在生成的窄波束的集水区域中的用户装备使用它作为信标的一部分接收的同步序列来响应关联请求。结果，通过乐观地/盲目地用它击中用户装备，已经提供了窄的P-小区。

因此，图20图示了通信网络的三个相应节点。第一节点500与用户装备相关联。另外的中间节点510与HAP-小区系统相关联。第三节点1100与通信网络的核心网络相关联。如图20中图示的，经由信标信号传输步骤S 2000，HAP-小区系统生成多个窄波束P-小区，并传输那些窄波束P-小区中的每一个的具有相应小区ID的信标信号。窄波束指向的方向跨与HAP-小区系统相关联的服务区域内是随机的或者预定的。替代地，波束在预测用户装备可能位于的方向上传输。这些生成的窄波束中的一些将被定向到用户装备位于的区域。为了这些，用户装备将向HAP-小区系统发送关联请求。关联请求经由图20中的步骤S 2010图示。在关联请求之后，作为认证和注册步骤S 2020的一部分，HAP-小区系统节点510与核心网络节点1100交换信号。随后，向用户装备发送关联响应S 2030。此后，在S 2040，基于所选择的P-小区的波束方向来确定用户装备的位置。该位置作为相应的用户装备位置信息存储在核心网络中，并且此后信道估计可以按照先前所述发生。

贯穿本说明书的描述和权利要求书，词语“包括”和“包含”以及它们的变形意味着“包括但不限于”，并且它们不旨在（并且不排除）其他部分、添加、组分、整体或步骤。贯穿本说明书的描述和权利要求书，除非上下文另有要求，否则单数包括复数。特别地，在使用不定冠词的情况下，除非上下文另有要求，否则说明书应被理解为考虑复数以及单数。

结合本发明的特定方面、实施例或示例描述的特征、整体、特性或组应被理解为适用于本文描述的任何其他方面、实施例或示例，除非与其不兼容。本说明书（包括任何所附权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征，和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤，可以以任何组合进行组合，除了特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合之外。本发明不限于任何前述实施例的任何细节。本发明扩展到本说明书（包括任何所附权利要求书、摘要和附图）中公开的特征的任何新颖的一个或新颖的组合，或者扩展到如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的一个或任何新颖的组合。

读者的注意力指向与本说明书同时或在本说明书之前提交的与本申请相关的所有论文和文件，并且这些论文和文件与本说明书一起公开供公众查阅，并且所有此类论文和文件的内容通过引用并入本文中。

Claims

1.一种用于维持移动用户装备到核心网络的连接的方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

通过从所述相应飞行器的定向天线朝向地面形成照射第一小区覆盖区域的波束来提供单信道通信链路。

3.根据权利要求2所述的方法，由此：

第一小区覆盖区域具有宽度大于100米并且可选地大于500米的占用空间。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，由此提供第一多信道通信链路的步骤包括：

5.根据权利要求4所述的方法，由此：

另外小区覆盖区域具有宽度小于1米并且可选地小于0.5米的占用空间。

6.根据权利要求3或权利要求5所述的方法，还包括：

小区覆盖区域的占用空间包括无线信号强度足够强使得位于小区覆盖区域内的用户装备可以经由相关联的单信道通信链路或多信道通信链路与核心网络相关联的区域。

7.根据权利要求3或权利要求5所述的方法，还包括：

小区覆盖区域的占用空间包括由假想边界限定的区域，所述假想边界与其中单信道无线通信链路或多信道无线通信链路的无线信号强度分别处于低于最大信号强度的预定阈值水平的位置、或其中通信链路的载噪比在相应的第一或另外小区覆盖区域中处于预定阈值的位置一致。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

预定阈值水平大约为 9dB。

9.根据权利要求4所述的方法，由此确定用户装备正在移动的步骤包括：

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

围绕所述另外小区覆盖区域提供附加小区覆盖区域。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，还包括：

响应于经由附加无线通信链路传输并在用户装备处接收的信标信号的接收功率水平，估计用户装备的移动方向。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

响应于所估计的移动方向，确定用户装备的预期位置并且将所述第一小区覆盖区域重定位为接近所述预期位置。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

实时地重复地将第一小区覆盖区域重定位到所述用户装备的预期位置。

14.根据权利要求4所述的方法，由此确定用户装备正在移动的步骤包括：

在每个飞行器处，接收传输的上行链路参考信号；和

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

通过向所述用户装备传输参考信号请求来命令所述用户装备。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

大约每2ms左右传输参考信号请求。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，还包括：

确定用户装备的预期位置并且响应于所述预期位置，将所述第一小区覆盖区域重定位为接近所述预期位置。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

19.根据权利要求9至18中任一项所述的方法，还包括：

响应于确定用户装备正在移动，确定用户装备正在沿如下方向移动：由此经由第一多信道无线通信链路的连接丢失是可能的。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：

通过确定预期位置的至少一个可能的无线传播特性来确定连接丢失是可能的，并且如果所述至少一个传播特性满足预定条件则确定连接丢失是可能的。

21.根据权利要求19所述的方法，还包括：

通过确定预期位置离与第一小区覆盖区域相关联的中心点的距离大于预定距离来确定连接丢失是可能的。

22.一种通信网络，包括：

多个飞行器，每个飞行器支持至少一个相应的定向天线；和

23.根据权利要求22所述的网络，还包括：

24.根据权利要求23所述的网络，还包括：

处理中心包括可连接到核心网络的服务网关（S-GW）的用户平面外部接口（SI）和用于将信令协议递送到核心网络的移动性管理实体（MME）的另外接口（SI-MME）。

25.根据权利要求23或权利要求24所述的网络，还包括：

处理中心被布置用于为每个另外小区创建和维持相应的虚拟或物理基站。

26.根据权利要求25所述的网络，还包括：

处理中心还包括用于将虚拟基站与相应飞行器上的一个或多个天线连接的前传接口。

27.根据权利要求22至26中任一项所述的网络，还包括：

至少一个用户装备；和

28.根据权利要求22至27中任一项所述的网络，其中每个飞行器都是海拔在海平面以上至少 10 km的HAP。

29.一种包括指令的计算机可读存储介质，所述指令当由计算机执行时，使计算机执行根据权利要求1至21中任一项所述的方法。