CN113613208A - 通过陆地网络进行飞行器无线通信的方法和机载系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了通过陆地网络进行飞行器无线通信的方法和机载系统。用于空对地通信的方法和系统，其允许飞行器通信与陆地蜂窝通信网络的集成。所提出的解决方案在飞行器中被执行，因此可以使用任何现有的标准陆地蜂窝通信网络，而无需进行任何修改。由于特殊飞行器条件(速度和高度)引起的约束有效地被解决，从而允许与蜂窝通信网络的广泛互操作性，满足了增长的高速数据需求。具体地，为了解决切换约束，飞行器天线将创建至少两个辐射模式：一个辐射模式用于维持与服务基站的当前连接，而另一个(或更多个)辐射模式用于搜索下一个合适的最佳站以进行切换。

Description

通过陆地网络进行飞行器无线通信的方法和机载系统

技术领域

本发明一般涉及无线电信。更具体地，本发明提出了用于空对地无线通信的方法和系统，在该方法和系统中，中断能力被提供给集成在飞行器中的无线电装置以允许提供新的连接服务。

背景技术

随着已经存在信息交换需求的指数增长，高速通信在现代社会中已经变得越来越重要，这引起蜂窝网络的演进和扩展，以便以足够的质量和有竞争力的价格提供该服务。航空领域也经历了增大通信速度(二进制速率)的必要性，并且为了这样做，已经使用了非常不同的过程。主要存在由大多数军事空军和航空公司为了上述连通性需求而使用的两种类型的技术：卫星通信和空对地通信。

-卫星通信：现今，大部分民事和军事飞行器运营商都选择宽带卫星通信系统的集成以用于机载无线通信。这些系统能够提供多达每秒几兆字节，但是设备飞行器集成过程和服务非常昂贵。仅具有大量资源的国家才能够为他们的军事平台负担得起这种系统，而对于商用飞行器，只有几家航空公司在他们的一些长途航班中决定提供这种服务，原因是每兆字节的高价格大大减少了潜在客户的数量。此外，每个公司都拥有其自己的解决方案并拥有其自己的卫星星座和频带，因此系统之间没有兼容性。在需要连接至两个或更多个服务提供商的网络的情况下，这意味着它们相应系统的集成，从而增加了通信系统的成本、重量和复杂性。

在不久的将来，新的近地轨道(LEO)卫星通信系统有望投入运行，其唯一目的是在全世界范围内提供宽带因特网服务。一旦该LEO网络被完全部署并全面运行，则预计任何平台都可以访问该服务；然而，由于缺乏关于系统性能、要集成的设备的数量和大小、服务价格以及“进入到服务(entry-to-service)”时间表的知识，使得这种解决方案不是当前可行的选择。

-空对地通信：基于该技术提供机载数据服务的主要公司已经设计了类似系统，在这些类似系统中，飞行器与它们自己的网络建立数据连接，所述网络的基站是地面分配的(分别在美国和欧洲附近)。即使这些系统基于4G LTE标准，但是每个公司具有它自己的专有解决方案，并且该专有解决方案与蜂窝陆地(地面)商业网络不兼容。

关于直接空对地通信，近年来已经进行了不同的调查研究，以分析和提供与蜂窝陆地网络通信中要处理的一些主要问题的可行解决方案。在本技术领域中存在的现有技术的共同方面是：参与直接空对地通信的陆地蜂窝网络需要特别适配的配置以能够执行所述空对地通信。例如，一些现有解决方案基于新基站的开发，特别是专用于与机载设备的连接(例如，参见美国专利US8831601B2)。

以这种方式，为了实现飞行器与基站之间的不间断通信，在现有技术中已经分析了用于连续天线之间的切换的不同方法，这些方法总是依赖于地面基站的适配(例如，如专利申请WO2017201383A1中所阐述的，利用地面基站中的特定波束成形以用于与飞行器连接)。或者，为了解决由于飞行器的高速度而引起的多普勒频移问题，现有技术解决方案依赖于空中段与地面段之间的特定交互以及依赖于预先知道所涉及的基站的位置。

因此，当前存在的机载无线通信是次优的，并且在空对地通信的情况下，它们需要对地面段进行深度修改。机载连接性需要演进，因此有必要提供新的航空通信服务，该新的航空通信服务能够满足增长的通信服务需求，尤其是飞行器舱内的用户的通信服务需求，该新的航空通信服务具有与其他通信系统的广泛互操作性并且对于用户而言具有合理的成本。

发明内容

本发明通过提出用于空对地通信的方法和系统来解决上述问题并克服先前说明的现有技术的局限性，所述方法和系统允许飞行器通信与地面网络——特别是与陆地蜂窝通信网络(例如，任何类型的移动通信网络如4G或5G移动通信网络)——的集成，而无需在地面网络中进行任何修改。

当前的空中通信系统基于模拟单向语音呼叫和高可靠、低吞吐量的数据链路，其主要目的是确保全球范围的可互操作的系统，该全球范围的可互操作的系统允许对民用空域中的平台进行安全的命令、管理和控制。然而，这些系统不具有提供针对客户和航空公司所需的新服务所需要的数据速率的能力，所述能力例如为乘客宽带连接、实时飞行器监控、任务更新以及预测性维护等。另一方面，近年来，因为地面蜂窝通信网络基于国际标准而被广泛传播并且因为地面蜂窝通信网络随着它们提供的吞吐量的增加而构成了许多新的服务，因此地面蜂窝通信网络已经经历了指数式发展。

本发明组合了这两个区域，这两个区域最初并没有被设计成：在它们之间可互操作，从而允许飞行器在飞行时连接至陆地蜂窝通信网络，而无需对陆地蜂窝通信网络进行任何修改。从地面网络的角度来看，飞行器连接将等同于在地面上连接的任何其他用户。因此，飞行器将获得低成本的高速数据链路，原因是数据费用不会高于由任何其他地面上的用户支付的费用，并且不需要网络维护；而移动网络运营商(MNO)不需要进行任何投资即可使其基础设施适配该新服务。对于飞行器运营商而言，这意味着大的优势，原因是飞行器运营商可以以非常低的价格广泛地提高连接吞吐量，并且移动网络运营商不需要对其网络进行任何硬件或软件更新即可提供该服务。

假设在地面段中不能进行修改或适配，则飞行器的特定移动性条件使得强制设计整个空中段以获得可行的数据通信(解决一些关键问题，例如地面基站之间的切换)。换言之，为了使本发明可行，需要对飞行器通信系统进行一些修改，主要在两个方面：机载无线电和机载天线。

机载无线电将负责管理和执行该新服务，对于该新服务，需要利用该功能加载波形。在机载软件定义无线电(SDR)上上传新波形的可能性使其适用于本发明，而不必在飞行器中集成新设备(这仅是可能的实施方式，在替选实施方式中，还可以使用其他飞行器装置或新的特定无线电装置)。

机载天线将负责在每个时刻将射频功率集中到最适当的方向，目的是使空对地通信在最佳传播条件下可行(这可以通过现有机载天线或通过特定的天线来完成)，并且尽可能减少由飞行器对陆地网络产生的干扰。特别地，在所提出的实施方式中，机载天线将自适应地创建几个并发辐射模式：一个并发辐射模式用于保持与服务小区(与服务基站)的当前连接，另外的并发辐射模式用于搜索下一个合适的小区(下一个合适的基站)以进行切换。由于用于搜索下一个小区以进行切换的该特定的辐射模式(连同用于小区选择的适当算法)，因此切换问题将得到有效解决。

根据第一方面，本发明提出了一种用于空对地通信的方法，该方法包括由位于飞行器中的电子系统执行的以下步骤：

a)与陆地蜂窝通信网络的地面基站建立通信；

b)在保持飞行器的天线阵列的波束指向地面基站的同时，使用天线阵列的几个波束沿不同空间方向扫描空间；

c)基于作为扫描的结果从属于陆地蜂窝通信网络或属于不同的陆地蜂窝通信网络的地面基站接收到的信号的一个或更多个信号参数来选择候选基站以进行切换；

d)在至少基于从地面基站接收到的信号的信号参数被确定的时刻，使连接从地面基站切换至所选择的候选基站；

其中，波束是通过由系统应用于天线阵列的N个辐射元件的数字波束成形技术而生成的，其中N是设计参数，N>1。

在实施方式中，对于由系统从任何地面基站接收到的信号，系统计算所接收到的信号的多普勒频移并且根据所计算的多普勒频移对所接收到的信号中的频移进行校正；以及

对于要从系统发送至地面基站的信号，系统估计信号在被相应的地面基站接收时要经历的多普勒频移，并且系统对要发送的这样的信号进行频移以预补偿所估计的多普勒频移；

其中，至少基于以下中的一个来进行多普勒频移的计算和估计：飞行器速度、飞行器位置和相应的地面基站位置。

在实施方式中，对于要从飞行器被发送至任何地面基站的信号，由系统基于飞行器位置和相应地面基站位置来校正时间提前。

可以根据天线阵列的波束指向相应地面基站的指向角度来估计相应地面基站的位置。

在步骤a)之前，可以执行沿不同空间方向的扫描，以基于作为扫描的结果从不同空间方向上的不同基站接收到的信号的信号参数来选择用于建立通信的地面基站。

可以基于由飞行器估计的或存储在飞行器中的数据库中的地面基站的位置来确定所扫描的空间方向。

所扫描的空间方向可以从飞行器覆盖所有朝向地面的空间方向，其中在所扫描的空间方向之间具有一定的预建立的间隔。

在实施方式中，当切换触发事件发生时开始步骤b)的扫描。所述切换触发事件可以基于由服务基站接收到的信号的质量低于某个阈值。

在实施方式中，步骤b)包括：

b1)从每个扫描的空间方向上的一个或更多个基站接收一个或更多个信号；

b2)对来自每个基站的每个接收到的信号执行多普勒频移校正；

b3)对在b2)中获得的每个信号进行解调和解码；

并且步骤c)包括：对于在b3)中获得的每个信号，基于所测量的信号参数的比较来测量来自每个信号的一个或更多个信号参数并且选择最佳候选基站以进行切换。

可以至少基于从地面基站接收到的信号的信号参数与从候选基站接收到的信号的信号参数的比较来确定执行切换的时刻。

所述电子系统可以包括软件定义的无线电设备。

根据第二方面，本发明提出了一种用于执行以上阐述的方法中的任何方法的系统。例如，提出了一种用于空对地通信的系统，该系统位于飞行器中并且包括：

-天线阵列，其包括N个辐射元件，N>1，其中N是设计参数；

-多于一个的射频RF发送器和接收器，所述发送器和接收器用于通过天线阵列向一个或更多个陆地蜂窝网络的地面基站发送信号以及通过天线阵列从一个或更多个陆地蜂窝网络的地面基站接收信号；

-数字信号处理模块(包括一个或更多个电子处理器的子系统)，其被配置成：

-与陆地蜂窝通信网络的地面基站建立通信；

-在保持飞行器的天线阵列的波束指向地面基站的同时，使用天线阵列的几个波束在不同的空间方向上扫描空间；

-基于作为扫描的结果从属于陆地蜂窝通信网络或属于不同的陆地蜂窝通信网络的地面基站接收到的信号的一个或更多个信号参数来选择候选基站以进行切换；

-在至少基于从地面基站接收到的信号的信号参数被确定的时刻，使连接从地面基站切换至所选择的候选基站，这样的信号参数被包括在由系统发送至地面基站的测量报告中；

其中，波束是通过应用于天线阵列的N个辐射元件的数字波束成形技术而生成的。

该系统可以包括飞行器的软件定义的无线电设备。

在本发明的最后一方面中，公开了一种计算机程序，该计算机程序包括适于执行所描述的方法的步骤的计算机程序代码装置，当所述程序在OFDMA网络的网络实体的处理装置上运行时，所述处理装置例如是计算机、数字信号处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、微处理器、微控制器或任何其他形式的可编程硬件。换言之，计算机程序包括指令，当所述程序在计算机上运行时，所述指令使执行程序的计算机执行所描述方法的所有步骤。还提供了一种数字数据存储介质，该数字数据存储介质用于存储包括指令的计算机程序，当所述程序在计算机上运行时，所述指令使执行程序的计算机执行所公开的方法的所有步骤。

参照下文描述的实施方式，本发明的这些和其他方面以及优点将变得明显并得以阐明。

附图说明

出于帮助理解本发明的特征的目的，根据本发明的优选的实际实施方式并且为了补充本说明书，以下附图作为本发明的组成部分被附上，具有说明性和非限制性的特征：

图1描绘了示出根据本发明的实施方式的飞行器与地面基站之间的空对地通信的示意图。

图2描绘了示出根据本发明的实施方式的飞行器连接性和辐射模式的示意图。

图3示出了根据本发明的实施方式的用于空对地通信的飞行器系统的框图。

图4示出了根据本发明的实施方式的用于空对地通信的飞行器系统的数字信号处理子系统的框图。

图5示出了根据本发明的实施方式的数字信号处理子系统的搜索下行链路模块和搜索上行链路模块的框图。

图6示出了根据本发明的实施方式的数字信号处理子系统的连接的下行链路模块和连接的上行链路模块的框图。

具体实施方式

本发明提出了用于通过一个或更多个陆地蜂窝通信网络(例如，无论它是FDD通信系统还是TDD通信系统，都使用诸如3G、4G LTE、5G或更高的任何移动通信技术的移动通信网络)向飞行器提供空对地通信的方法和系统。

主要优点之一在于本发明在飞行器中被实施；换言之，要实施本发明的所有修改都是在飞行器中进行的，并且在陆地蜂窝通信网络(地面网络)中不需要进行任何修改，因此可以使用任何MNO的任何现有标准蜂窝通信网络而无需进行任何修改。在提出的解决方案中(参见图1)，飞行器充当陆地蜂窝通信网络的用户设备(UE)；因此，上行链路(1，当飞行器正在飞行时物理上向下的方向)将是从UE(飞行器)到地面基站(陆地蜂窝通信网络的基站)的无线电链路(射频链路)，而下行链路(DL，2)将是从地面基站到UE(飞行器)的无线电链路(当飞行器正在飞行时物理上向上的方向)。通常，蜂窝通信网络中的术语“用户设备(UE)”是指地面上的移动终端；然而，在本文中，UE被称为机载通信终端，原因是本发明集中于空对地通信。

在飞行器舱内，想要使用陆地蜂窝通信网络进行通信的乘客必须将其通信终端连接至飞行器的内部(例如，WiFi)网络。对于下行链路传输，内部网络将负责接收由乘客的终端发送的信息，并且所述信息将由提出的飞行器系统通过已建立的空对地链路发送。对于上行链路，过程将相反：提出的飞行器系统将通过空对地链路来接收用于舱内乘客的终端的信息，并且内部网络将负责将每个信息分组(information package)递送至适当的乘客的通信终端。

也就是说，从陆地蜂窝通信网络的角度来看，所提出的飞行器系统充当单个用户(单个用户设备)。想要通过陆地蜂窝通信网络进行通信的飞行器内的乘客将必须将其通信终端连接至飞行器内部的接入点，并且提出的飞行器系统将作为单个用户设备与陆地蜂窝通信网络建立空对地链路。

基站可以是BTS(基地收发机站)、节点B、eNode B、gNode B，并且一般来说，基站可以是由地面网络(陆地蜂窝通信网络)使用的任何基站，基站的类型将取决于地面网络所使用的通信技术。从现在开始，术语“基站或地面基站”将等同地用于指代相同的概念，即，陆地蜂窝通信网络的基站。

本发明提供了一种允许与(蜂窝)地面通信网络进行通信的机上系统。如前所述，为了保持飞行器与地面网络之间的通信，关键约束之一(主要由于飞行器的速度和高度，高度可能超过5000m)是移动通信中的切换过程，即，从一个地面小区(属于某个地面基站)到另一个地面小区(属于另一个地面基站)的切换。如图2(图2示出了在飞行期间的飞行器连接性)中所示，为了解决此问题，所提出的通信系统将支持至少两个并发辐射模式(radiation pattern)：一个用于维持与服务小区(4)的当前连接(3)，而另一个(或更多个)用于搜索(5)下一个小区(6)以进行切换，由于飞行器的高的速度和高度，下一个小区(6)可能是邻近小区或另一个不邻近的小区(物理上分开)。由于飞行器天线的这种次级辐射模式(或并发辐射模式)，即使它远离服务小区(在服务基站中)，也可以找到合适的小区以进行切换(并因此找到合适的基站)。

在图3中，示出了根据本发明的实施方式的空对地通信机载系统的主要块(功能元件)，这些主要块(功能元件)被分组在不同的子系统中。为了简化和清楚起见，即使在图3中将功能元件示为单独的块，但是每个块的功能可以由相同的硬件元件(例如，相同的处理器)或者由不同的硬件元件(例如，不同的电子处理器)执行。类似地，执行所有不同功能的(一个或多个)元件可以共处在同一位置(在单个硬件单元中)，或者可以分布在不同的独立互连硬件单元中。并非出于限制目的，图3示出了所提出的实施方式；图3中示出的所有块(功能元件)并非在所有实施方式中都是强制的。

为了克服切换限制(以及在机载通信中相对于典型的地面蜂窝通信提出的其余限制)，仅在机载无线电段中进行修改，以允许根据本发明的实施方式的高速且高质量的空对地通信，所提出的飞行器通信系统包括以下子系统(如图3所示)：

-天线阵列(7)：天线阵列的辐射模式允许正确的无线电链路建立以及到其他地面基站和从其他地面基站的干扰减少。该阵列由一定数量的N个辐射元件(11)组成，辐射元件(11)也被称为天线元件(从第一辐射元件到第N辐射元件(12)，其中N>1，其中N是配置参数)。根据天线配置(元件数量、元件类型、几何形状、重量)，辐射模式提供增益和一个或更多个定向波束。如前所述，将存在指向当前服务基站的辐射模式(波束)以及搜索合适的下一个基站以进行切换的一个或更多个次级辐射模式(波束或波束组)。该系统能够基于阵列的每个辐射元件的权重计算来实时地自适应地指向期望的(一个或多个)基站，在优选实施方式中，这在数字水平(数字波束成形)下被执行；该(数字)波束成形由所提出的系统机上地执行。在优选实施方式中，没有考虑机械波束操纵。

本发明提出了在空中段中使用(优选地数字)三维(3D)波束成形技术，在存在的现有技术中对于空对地通信没有使用(优选地数字)三维(3D)波束成形技术。该技术意味着由几个辐射元件以特定拓扑组成的天线阵列的设计不仅用于优化波束指向(以允许双辐射模式，一个用于服务基站，以及一个用于搜索更好的基站以进行切换)而且用于优化干扰消除和接收到的信号的SNR。优选地，该天线阵列将是完全无源的。

-射频(RF)发送和接收(8)。它包括一个或更多个收发器(发送器/接收器)。根据本发明的优选实施方式，在接收器中，来自天线阵列的每个RF输入信号被接收、以及被放大、被滤波并被降频转换(转换为较低频率)为中间信号(13)，即转换为具有中频的模拟信号。从所述中间模拟信号，相应的模拟/数字转换器(14)获得要进一步处理(15)的数字信号。在发送器中，数字信号被转换为模拟信号(14)，然后被升频转换(转换为较高频率)、被滤波和放大(13)，以将输出RF信号递送至天线阵列以进行传输。在图3所示的实施方式中，对于每个天线阵列元件都有RF收发器(发送器/接收器)(因此存在N个RF收发器)以便允许进行数字波束成形。然而，系统可以支持其他波束成形技术，例如模拟和混合技术。在这种情况下，根据硬件配置，可以具有比天线元件少的RF收发器。

-定位信息(9)：正如稍后将要说明的，提出的通信解决方案需要飞行器定位信息；该定位信息可以包括例如以下参数中的一个或更多个：飞行器的位置(例如，坐标)、高度、姿态、速度和任何其他参数。可以从飞行器机上的定位系统(16)(专用于所提出的通信系统或已经存在于飞行器中)获得该信息。例如，全球导航卫星系统(GNSS)接收器(作为GPS接收器)、惯性导航系统或任何其他类型的定位系统或它们的组合。通常，从飞行器中已经存在的(一个或多个)系统(通过内部通信)接收这种定位信息，原因是飞行器自己的导航系统需要飞行器定位信息(位置、速度……)；换言之，可以从已经存在的飞行器定位系统(飞行器导航所必需的)而不是从特定的定位系统获得定位信息。

-数字信号处理(15)：这是所提出的系统的关键部分。在其他任务中，由该子系统执行允许与陆地蜂窝通信网络(例如，3G、LTE、4G、5G或任何其他类型的移动通信网络)进行空对地通信的蜂窝标准化波形。

在接收中，该子系统的输入是来自每个天线元件的由RF收发器进行预处理(放大、滤波、频率转换和数字化)之后的信号(17)，以及优选地，该子系统的输入还有定位信息。利用所述输入，执行支持蜂窝通信所需的所有任务(因为接收到的信号来自蜂窝通信网络)，以便从从陆地蜂窝通信网络接收到的信号中提取数据(由与飞行器进行通信的基站发送至飞行器的数据)，该数据被提供(18)给其他飞行器系统以进行分布；所述蜂窝通信标准任务可以包括同步、解调、解码、信道信息提取等。该子系统还对蜂窝通信标准执行所有必要的修改，以补偿由于空中环境(高的速度和姿态)而出现在空对地通信中的特殊条件(约束)。

在传输中，该子系统接收要从飞行器发送的数据(18)，根据蜂窝通信标准进行必要的调制、编码和映射(由于由空中环境导致的特殊条件，需要进行必要的修改)，并将所得到的数字信号(17)提供给收发器(根据本发明的实施方式，所得到的数字信号(17)在收发器处被类比、被频率转换、被滤波和放大)，并且从收发器被提供给天线阵列以进行传输。

为了执行上面说明的功能，为了实现与陆地蜂窝通信网络的数据链路的目的，在提出的空对地通信解决方案中需要新的无线电能力(通常的机载无线电不具有的能力)。这些新的无线电能力可以由用于所述新的无线电能力的电子系统来提供，或者可以由飞行器中已经存在但专门被修改以用于提供这些无线电能力的系统来提供。在后一种情况下，该系统的核心可以是安装在大多数当前飞行器中的机载软件定义的无线电(SDR)，该系统应被设计成/配置成具有增加的计算能力以支持这些新能力。被设计成具有这些特征的机载无线电(在优选实施方式中，是SDR)在空中通信中是新颖的，并提供了空对地应用中从未探索过的新能力。根据本发明的实施方式，其主要能力应该是：

·软件(SW)负荷：机载无线电(也被称为机载无线电系统)将负责管理蜂窝通信标准(该蜂窝通信标准应被加载到机载无线电的存储器中)，以便能够通过(一个或多个)陆地蜂窝通信网络进行通信。无线电应是完全可编程的。

·计算能力：机载无线电可以配备有用于管理标准蜂窝波形的中央CPU和一组FPGA(每个RF端口一个FPGA)，以增加线性信号处理的计算能力。

·RF前端(RFFE)：机载无线电应能够连贯地或分别管理多于一个RF端口。无线电应能够执行数字波束成形以及/或者应用分集增益或空间多路复用算法。

·数字波束成形：对于数字波束成形技术，机载无线电应能够管理不同RF端口的相位。实际上，所提出的机载无线电系统的任务之一是完全管理天线阵列，除其他事项外，还负责调整每个辐射天线元件的幅度和相位，以根据所执行的操作并行地(同时)创建和管理一个或更多个波束。

本发明的实施方式允许与陆地蜂窝通信网络(地面网络)进行空对地通信，而无需对已经部署的地面网络的基础设施进行任何修改。这一事实意味着，机载无线电中加载(发送或接收)的波形应该可与地面网络互操作，然而，飞行器的特殊移动性条件使得蜂窝通信标准所使用的一些参数超出标准，并且通信不可行(除非进行一些特定修改)。应当根据移动性条件对执行本发明的机载无线电设备(也仅被称为机载无线电)进行修改(在SDR的情况下，是SDR中加载的蜂窝通信标准软件)，以便能够建立和维护与地面段(陆地蜂窝通信网络)的通信链路。以前在空中通信中从来没有见过这种新颖的范围，在这种新颖的范围中，机载无线电负责处理标准过程中的所有修改，以利用已经部署用于其他目的的陆地(地面)网络。可以被执行的一些任务(并且因此，应在机载无线电中进行的修改)与以下项有关：

·移动性管理：这涉及无线电设备(在用户设备中)需要执行的所有任务，以便与基站建立连接并确保链路无中断，从而在当前信号弱时重新选择新小区(切换)。在本发明中，不修改地面网络的切换过程，并且机载无线电试图尽可能长时间地保持与服务小区(属于服务器基站)的连接，以避免每几秒钟切换一次(由于飞行器的高速)。因为仅少量时间用于此信令和控制操作，因此该过程将改善总体系统吞吐量。

根据本发明的实施方式，移动性管理过程开始使用数字波束成形技术通过机载无线电扫描空间，以便找出“最佳”小区并因此及时找出在那时的“最佳”基站(BS)。可以根据不同的标准来选择该“最佳”基站；在实施方式中，选择提供具有最高信号质量的服务的小区/基站(但是可以使用任何其他标准)。一旦选择了“最佳”基站，就通过所述基站(服务基站)建立通信链路，并且机载系统使天线阵列的波束(或波束组)中的一个保持指向该所选的基站，以便尽可能长时间地保持连接，同时它会监测(基于数字波束成形)传入信号，以避免由于信号快速衰减而开始切换过程。在实施方式中，当检测到从服务基站(从服务小区)接收到的信号功率接近预建立的边界时(或者当发生任何其他预建立的触发事件时)，无线电设备开始关于新小区(可能属于新基站)的切换过程。这样做是因为与当前连接并行，无线电通过使用波束组扫描空间根据选择标准(例如，接收信号质量比服务小区更好的小区；可以使用任何其他标准)连续地执行搜索过程以找到下一个可能的最佳小区，同时保持先前建立的链路。负责命令和管理切换的实体是基站，因此为了避免不期望的切换，在实施方式中，当基站需要错误的测量报告时，机载无线电将发送错误的测量报告。这背后的基本原理是以下事实：基站基于对提供服务的那个小区(服务小区)的周围小区的用户设备信号测量来决定要连接的下一个小区，即UE可以被请求定期发送测量报告以及可访问小区的测量。所提出的系统旨在避免多次切换，并试图尽可能长时间地连接同一小区，为了这样做，机载无线电必须伪造报告(例如，将无线电先前进行的测量的平均值发送至基站)，以便保持连接并执行与期望小区的切换以避免信号测量中的准时衰减，使得基站开始切换过程。

在实施方式中，当所提出的系统找到期望的下一个小区时，机载无线电将向正在提供服务的基站发布带有测量报告的切换事件消息，其中该消息将指示信号的弱点、当前链路的接收功率以及从其打算切换到的基站接收的良好信号水平。目的是使服务基站开始向由UE先前选择的该新小区的切换过程。在替选实施方式中，对新小区的这种搜索不是连续执行的，而是由某个触发事件触发的。

换言之，本发明的实施方式提出的移动性管理过程包括：建立与基站(服务基站)的链路以进行通信；保持天线阵列的一个第一波束指向所述服务基站；以及使用其他(并发)波束搜索下一个可能要连接的小区。作为另一替选，在实施方式中，当某个触发事件发生时(从服务基站接收的信号功率、接收到的信号的质量或SNR低于预建立的阈值；这仅是示例，并且可以使用任何其他触发标准，或者甚至在实施方式中可以连续进行搜索)，无线电系统通过使用天线阵列的几个并发波束(其可能指向与第一波束不同的方向)扫描不同的空间方向根据选择标准(例如，接收信号质量比服务小区更好的小区)开始新小区的搜索过程，同时保持先前建立的链路(即，第一波束被保持指向服务基站)。通过使用并发波束，这意味着系统会并行检查通过不同波束接收的信号(通过接收中的数字波束成形)以选择下一个小区。当选择了新小区(可能属于不同的基站)时，无线电将通过修改测量报告(如先前提到的)来促使到此新小区/基站的切换过程，所以建立与该新基站的链路并且该新基站变成服务基站(并且移动性管理过程再次开始)。由于飞行器的高速度和高度，从切换中选择的这个新基站通常将与服务基站不相邻(并且有时可能与服务基站相距很远)。此外，该新基站可以与服务基站属于相同的陆地蜂窝通信网络，或者该新基站可以与服务基站属于不同的陆地蜂窝通信网络。

这种新颖的切换方法允许与商业现有地面网络连接，原因是不需要对其进行任何修改，所有过程都由机载无线电执行。其他现有解决方案实现意味着软件和/或硬件基站更新的专有切换解决方案。

·多普勒频移：由于飞行器速度，引入到信号中的多普勒频移高于蜂窝网络通信标准中允许的最大多普勒频移。机载无线电必须根据飞行器速度和提供通信服务的基站的位置估计来估计(在机载无线电为SDR的情况下，则修改其软件)多普勒频移。将由机载无线电使用该估计的多普勒频移来补偿接收中的该频移，并对发送中的信号进行预失真(即，在发送信号之前修改信号)，以确保由基站接收到的信号的频移达到标准。使用数字波束成形技术，机载无线电保持指向服务基站，并且根据其导频信号和同步信号的相位变化获得距离估计。所提出的技术校正仅在飞行器中处理信号的两个方向(上行链路和下行链路)上的多普勒频移，而大部分现有系统要求每个段(地面段和空中段)补偿其自身的频移。

·时间提前(也称为定时提前)：在蜂窝通信网络中，该已知过程补偿了用户设备与基站之间的上行链路中的传播延迟。进行该补偿是为了防止由远处的用户设备发送的信号在接收器处与由附近的用户设备发送的信号交叠。时间提前参数具有由确定小区的最大半径的标准定义的最大值(阈值)。在本发明中，小区的半径通常大于由标准中的阈值定义的最大值，这是因为服务基站与用户设备(飞行器)之间的距离由于飞行器高度而较大。因此，在本发明中，机载无线电必须估计从飞行器到基站的真实距离(除其他因素外，基于飞行器定位信息)，并且预补偿信号定时，以确保信号由基站在预期时段内接收到(无论基站与飞行器之间的距离有多远)。在现有的空对地通信系统中，地面基站被配置成允许巨大的小区，并且不需要对时间提前的预补偿。

·干扰抑制：由于飞行器在飞行时能够接收的基站量，由机载无线电接收到的干扰高于由地面用户接收到的干扰。除了避免来自远离指向方向的基站的干扰的数字波束成形技术之外，可以在机载无线电系统中实现一些主动的抑制动作，如干扰消除算法。类似情况也适用于从飞行器到地面。通常，机载无线电不包括这种干扰抑制的算法，因此该新颖的技术允许在飞行器中进行新的一定数量的服务，这在当前机载无线电的情况下不可行。

图4示出了根据本发明的实施方式的飞行器的数字信号处理子系统(15)的主要块(功能元件)。图4在不出于限制目的的情况下示出所提出的实施方式；在所有实施方式中，不是图4中示出的所有块(功能元件)都是强制的。这些模块将执行信号处理任务，以允许飞行器与地面(陆地)蜂窝通信网络进行通信。

来自RF接收器(8)的数字信号(19)以及定位信息(21)被发送至搜索下行链路和连接的下行链路(子)模块(分别为23和25)二者。首先，在搜索下行链路模块(23)中，机上用户设备(连续地或由某个触发事件触发)在切换发生时寻找下一个小区以进行连接。为了做到这一点，该模块测量从不同地面小区接收到(通过扫描空间的几个并发天线波束接收，同时另一个天线波束保持指向服务基站)的信号。也可以在该处理中使用关于地面网络的基站位置的信息(由地面网络先前估计的或提供的)(该信息可以存储在飞行器数据库中)，以简化计算并增强性能；在任何情况下，该信息和数据库的使用都不是强制的。

因此，该模块(所选择以供切换的下一个小区/基站)的输出被发送(29)至切换管理模块(27)，在该切换管理模块中，处理来自搜索和连接模块的所有数据。基于来自搜索下行链路模块的该信息以及基于关于来自服务基站(从连接的下行链路模块31接收到)的信号的信息，该切换管理模块将决定用户设备是否需要改变到下一个小区(即，是否应当执行切换)；可以基于(从服务小区和/或从所选择的下一个小区)接收到的信号的功率或其他QoS(服务质量)指示符来做出该决定。

切换管理模块(27)与飞行器中的用户设备的蜂窝通信层(28)进行交互以配置执行切换所需的参数。允许两种工作模式：1)利用相同的用户SIM(订户身份模块)卡执行切换；或者2)使用不同的用户SIM执行切换，即建立与另一个用户SIM的新的连接。在该后一种情况下，即使为了简化说明，在本文档中也将其称为切换，严格来说，不执行同一用户的连接的切换(因为用户SIM改变)，而是旧用户(先前的用户SIM)的旧连接完成，并且与所选择的新基站建立新用户(新用户SIM)的新连接。也就是说，飞行器可以管理几个SIM用户卡的使用，以增加连接的可用性。例如，这是有利的，例如在当先前的BS属于一个国家的网络运营商而所选择以供切换的基站属于另一个国家的网络运营商时进行漫游(例如，由于跨越不同国家之间的边界)的情况下是有利的；在那些情况下，根据实施方式，选择另一个SIM卡以在新运营商中注册“新”用户设备，而飞行器正在飞行并利用其他SIM卡连接至“旧”运营商(先前国家的网络运营商)。

另一方面，连接的下行链路模块(25)从RF子系统(来自服务基站)接收数据，并通过切换管理模块(27)将数据发送(31)至UE蜂窝通信层(28)。在该连接的下行链路模块内，利用与用于数据传输的服务基站连接的天线波束执行数字波束成形，以尽可能地保持与同一地面基站的连接(即，波束适合于尽可能长地指向服务基站，以尽可能地维持与服务基站的连接)。从连接的下行链路模块(从服务基站)接收到的包含的数据作为输出(22)生成，该输出呈数据所针对的数据应用所需的对应格式。

在传输的情况下，从软件处理模块的外部接收要发送(22)的信息，并且将其转换为根据对应的蜂窝通信标准格式化的数据。然后，通过切换管理模块(27)将该数据发送至搜索上行链路(24)和/或连接的上行链路(26)模块(分别为30和32)二者。这两个模块(24，26)以与下行链路情况那样类似但适用于上行链路的方式(用相同的方法)工作，包括数字波束成形和添加蜂窝通信所需的物理信道。将两个模块的输出相加并发送(20)至RF子系统(8)，以通过天线阵列进行发送，其中至少一个波束用于连接的上行链路模块，以及至少另一个波束用于搜索上行链路模块。

搜索下行链路和上行链路模块具有如下目的：在飞行器轨迹中找到最佳的下一个小区(最佳的下一个基站)，以进行连接的下一次切换。图5示出了根据本发明的实施方式的飞行器的数字信号处理模块(15)的搜索下行链路(23)和上行链路(24)模块的主要块(功能元件)。图5在不出于限制目的的情况下示出了所提出的实施方式；在所有实施方式中，并非图5中示出的所有块(功能元件)都是强制的。

首先，在下行链路中(在搜索下行链路模块中)，通过RF接收器(8)从天线阵列(19)接收到的信号被接收并传递给波束成形部件。如在图5上可以看到的，存在并行的几个块，其在接收到的信号电平方面在最佳的下一个小区的搜索中工作。根据地面小区(属于地面基站)配置和位置，使用天线阵列的波束将每个块发布为指向每个空间方向(仰角和方位角)，当飞行器正在飞行时，从每个小区接收到的信号的空间方向可能不同。换言之，天线阵列的不同并发波束扫描许多不同的空间方向，并且从每个空间方向接收并分析来自一个或更多个小区的信号。在实施方式中，扫描所有地面定向的空间方向(其中在所扫描的空间方向之间具有一定的预建立的间隔)，而在另一个实施方式中，根据预存储的基站定位信息来选择扫描的空间方向。

在天线指向之后，可以应用对频率的多普勒校正。为此目的，需要飞行器定位信息(21)和指向角度(来自波束成形部件)。多普勒频移是由信号的偏移引起的，并且它取决于飞行器与地面基站之间的矢量的径向速度并取决于频率。因此，需要飞行器的频率、位置、速度以及天线阵列波束转向(这引起对基站位置的估计)的指向角度来校正多普勒频移。利用该信息，模块计算每个接收到的信号的多普勒频移并对多普勒频移进行校正。由于这是根据从每个扫描方向上的每个单元接收到的每个信号进行的，因此这就是在图5中用几个块表示它的原因(每个信号一个块)。

一旦校正了每个信号中的多普勒频移，则可以对在每个空间方向上接收到的信号进行解调和解码，以获得从每个指向的小区接收到的信号；利用该经解调和经解码的信号(称为参考信号)，获得用于作出哪个应是下一个候选小区的决定的参数的值(也称为指示符)。通常，这些参数基于从每个候选小区的每个特定参考信号接收到的信号功率以及/或者信号质量(例如，信号干扰比)(称为RSRP参考信号接收功率或RSRQ参考信号接收质量)。这仅是示例，并且可以使用蜂窝信号的任何其他参数(或参数的组合)。

这些参数在每个参考信号、该单元的每个参考信号以及每个信号的指向方向中的值从所有并行块被传递至搜索单元选择部件，该搜索单元选择部件基于参数值，根据预建立的某些选择准则选择下一个候选小区。输出信息被传递至空对地切换管理模块(27)。

一旦切换管理模块(27)决定应当执行切换，则切换管理模块(27)的输出(30)被发送至搜索上行链路模块(23)，其中在发送数据之前处理(加工)信号，因为信息将被发送至下一个候选小区(属于下一个候选基站)以允许到所述小区的切换处理(连接从服务小区的改变)。

在搜索上行链路模块(23)中，由于时间提前(TA)，首先可以校正信号。该过程在上行链路中补偿用户设备与基站之间的传播延迟，以防止来自不同用户设备(用户终端)的信号在接收机处交叠。为了执行该时间提前校正，根据其到接收基站的距离延迟信号，因此，经历越大传播延迟的信号(即，来自远离基站的终端的信号)需要越早发送，使得这些信号由基站在其正确的时间间隔内被接收。该校正仅在上行链路中是必需的，因为在下行链路中，由基站发送的所有信号都在给定的用户终端处以相同的传播延迟被接收(因此，信号之间不存在交叠的风险)。搜索上行链路模块基于飞行器(21)的定位信息和所选择的小区的天线阵列指向角度(所述信息来自搜索下行链路模块23的波束成形模块)来校正时间提前，这引起计算出小区所属的基站位置。

在TA校正之后，信号被传递至上行链路多普勒校正模块。在该模块中，应用多普勒校正算法以对由于多普勒频移而引起的信号中的对应的频移进行预补偿；先前基于飞行器速度以及飞行器位置和信号所针对的基站的位置(该位置可以根据天线阵列指向角度以及可选地根据已经存储在无线电设备中的数据库中的预存储的基站定位数据来估计)二者来估计该频移(该上行链路多普勒频移以与下行链路多普勒频移类似的方式进行计算)。

在TA校正和多普勒校正之后，将在时间和频率上经校正的信号发送至搜索上行链路波束成形算法，以将天线阵列的波束指向信号所针对的地面基站(所选择的下一个候选小区所属的基站)的期望方向。应用天线阵列的每个辐射元件的每个信号的权重(以获得在期望的指向角度中的期望的波束)，并且将N个结果信号(20)发送至RF子系统(8)以进行传输。

连接的下行链路模块和上行链路模块具有如下目的：建立并(尽可能长地)维持与服务小区(属于服务基站)的连接，从而实现飞行器中的用户设备与服务基站之间的通信所需的质量。图6示出了根据本发明的实施方式的飞行器的数字信号处理子系统(15)的连接的下行链路(25)模块和上行链路(26)模块的主要块(功能元件)。图6在不出于限制目的的情况下示出了所提出的实施方式；在所有实施方式中，并非图6中示出的所有块(功能元件)都是强制的。

如图4和图6所示，除了定位信息(21)，这些模块的输入还是：1)对于下行链路模块，来自天线阵列的在被RF模块数字化和处理之后的信号(19)；以及2)对于上行链路模块，来自UE蜂窝通信层(经由切换管理模块)的数字信号(32)。

在下行链路情况下，首先执行数字波束成形以跟随飞行器所连接的小区/基站(服务基站)。因此，获得由指向所连接的小区方向(该小区所属的基站方向)的天线接收到的信号。为了执行此操作，首先必须根据传入信号(19)获得参考信号，这意味着根据多普勒频移在频率上(使用针对搜索下行链路模块说明的相同机制)校正传入信号，然后对传入信号进行解调和解码。将该输出插入到连接的下行链路波束成形算法中。由于波束成形和多普勒校正由于多普勒校正需要正确的指向并且波束成形取决于参考信号准确度的事实而相关联，因此这三个部件的处理是迭代的。该模块的输出是沿服务基站方向转向并由于多普勒频移而被校正的接收信号。该输出通过切换管理模块被给予UE蜂窝通信层模块，如图4所示。

在上行链路方向上，在连接的上行链路模块(26)中从空对地切换管理模块(27)接收要发送(32)的信号，并且执行信号频率和时间校正以及波束成形处理，类似于搜索上行链路模块中执行的任务(针对搜索上行链路模块公开的这些任务的相同说明在此处适用)。仅有的差异是由于搜索上行链路模块(24)从空对地切换管理模块(27)获得的、在每种情况下发送的物理和逻辑信道的类型。换言之，不同的蜂窝通信标准将在它们的物理和逻辑信道中包括不同的信息；在所提出的系统中，该信息是基于由搜索上行链路模块(24)提供的信息发送的，因为它提供哪个是要连接的下一个小区的信息。

最后，切换管理模块(27)负责控制搜索和连接处理二者，以确保当前连接的小区与下一个小区之间的软且正确的切换。切换管理模块(27)从搜索模块接收关于角度、小区ID和信号电平指示符的信息。然后，它将连接的模块信号电平指示符(从服务小区接收到的信号的指示符)与要切换的可行基站(小区)的信号电平指示符进行比较，以决定启动切换蜂窝处理的正确时刻。优选地，其包括如下机制，该机制用于使与服务小区的连接的时间最大化，以及减少用于小区转变的时间，避免非常短的切换以及使可用性最大化。如先前所说明的，可以为飞行器处理几个SIM。例如，对于切换到同一国家内的其他运营商的情况，或者用于在不同国家进行漫游的情况下创建新的用户注册的情况。

总而言之，本发明允许飞行器通信与蜂窝陆地网络的集成，而无需对地面网络进行任何修改。为了实现这个目标，描述了之前没有用于这些目的的几个新颖技术。例如，本发明的实施方式包括用于小区选择、小区跟踪和切换的新颖过程。这些新颖的过程例如包括：基于将天线指向不同方向以便接收和分析来自不同空间方向上的不同小区的信号(同时如果存在已经建立的连接，则维持与服务基站的连接)的搜索算法；根据UE测量在每个时刻选择最适当的基站以进行连接；用于使信号质量、干扰减少、以及时间提前和多普勒校正最大化以支持蜂窝通信网络标准(例如但不限于4G LTE或5G移动通信网络)的波束成形适配。

本发明为商业和军事机载领域开辟了新的通信服务和市场，并且由于它可以与基于国际标准的蜂窝网络一起工作而可以在世界范围内使用。本发明的实施方式与来自任何移动网络运营商的任何陆地蜂窝通信网络一起工作，而与地面网络是否适应飞行器条件无关。

所提出的实施方式可以借助于软件元件、硬件元件、固件元件或它们的任何合适的组合来实现。即使为了简化和清楚起见，在图3、图4、图5和图6中将功能元件示为隔离的块，但是每个块的功能可以由相同的硬件元件或由不同的元件执行。

注意，在本文档中，术语“包括”及其派生词(例如“包含”等)不应以排他性的意义理解，即，这些术语不应解释为排除所描述和定义的内容可能包括其他元件、步骤等的可能性。

提供该详细描述中定义的内容以帮助全面理解本发明。因此，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行对本文中所述的实施方式的变型变化和修改。此外，为了清楚和简明起见，省略了对公知功能和元件的描述。当然，本发明的实施方式可以在各种架构平台、操作系统和服务器系统、装置、系统或应用中实现。提供本文中呈现的任何特定架构布局或实现方式仅是出于说明和理解的目的，并且不旨在限制本发明的方面。

Claims (15)

1.一种用于空对地通信的方法，所述方法包括由位于飞行器中的电子系统执行的以下步骤：

a)与陆地蜂窝通信网络的地面基站建立通信；

b)在保持所述飞行器的天线阵列的波束指向所述地面基站的同时，使用所述天线阵列的几个波束沿不同空间方向扫描空间；

c)基于作为所述扫描的结果从属于所述陆地蜂窝通信网络或属于不同的陆地蜂窝通信网络的地面基站接收到的信号的一个或更多个信号参数来选择候选基站以进行切换；

d)在至少基于从所述地面基站接收到的所述信号的信号参数被确定的时刻，使连接从所述地面基站切换至所选择的候选基站；

其中，通过由所述系统应用于所述天线阵列的N个辐射元件的数字波束成形技术来生成所述波束，其中，N是设计参数，N>1。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，对于由所述系统从任何地面基站接收到的信号，所述系统计算所接收到的信号的多普勒频移并且根据所计算的多普勒频移来校正所接收到的信号中的频移；以及

对于要从所述系统被发送至所述地面基站的信号，所述系统估计所述信号在被相应的地面基站接收到时要经历的多普勒频移，并且所述系统对要发送的这样的信号进行频移以预补偿所估计的多普勒频移；

其中，至少基于以下中的一个来进行所述多普勒频移的计算和估计：飞行器速度、飞行器位置和相应的地面基站位置。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对于要从所述飞行器发送至任何地面基站的信号，由所述系统基于所述飞行器位置和所述相应的地面基站位置来校正时间提前。

4.根据前述权利要求2至3中任一项所述的方法，其中，根据所述天线阵列的波束指向所述相应的地面基站的指向角度来估计所述相应的地面基站的位置。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤a)之前，执行不同空间方向上的扫描，以基于作为所述扫描的结果从所述不同空间方向上的不同基站接收到的信号的信号参数来选择所述地面基站。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于由所述飞行器估计的或存储在所述飞行器中的数据库中的地面基站的位置来确定所扫描的空间方向。

7.根据前述权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所扫描的空间方向从所述飞行器覆盖所有朝向地面的空间方向，其中在所扫描的空间方向之间具有一定的预建立的间隔。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当切换触发事件发生时，开始步骤b)的扫描。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述切换触发事件基于由服务基站接收到的信号的质量低于某个阈值。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤b)包括：

b1)从每个扫描的空间方向上的一个或更多个基站接收一个或更多个信号；

b2)对来自每个基站的每个接收到的信号执行多普勒频移校正；

b3)对在b2)中获得的每个信号进行解调和解码；

并且其中，步骤c)包括：对于在b3)中获得的每个信号，基于所测量的信号参数的比较，来测量来自每个信号的一个或更多个信号参数并且选择最佳候选基站以进行切换。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少基于从所述地面基站接收的信号的信号参数与从所述候选基站接收的信号的信号参数的比较来确定要执行所述切换的时刻。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电子系统包括软件定义的无线电设备。

13.一种用于空对地通信的系统，所述系统位于飞行器中并且包括：

-天线阵列，其包括N个辐射元件，N>1，其中，N是设计参数；

-多于一个的射频RF发送器和接收器，所述发送器和接收器用于通过所述天线阵列向一个或更多个陆地蜂窝网络的地面基站发送信号以及通过所述天线阵列从一个或更多个陆地蜂窝网络的地面基站接收信号；

-数字信号处理模块，其被配置成：

-与陆地蜂窝通信网络的地面基站建立通信；

-在保持所述飞行器的天线阵列的波束指向所述地面基站的同时，使用所述天线阵列的几个波束沿不同空间方向扫描空间；

-基于作为所述扫描的结果从属于所述陆地蜂窝通信网络或属于不同的陆地蜂窝通信网络的地面基站接收到的信号的一个或更多个信号参数来选择候选基站以进行切换；

-在至少基于从所述地面基站接收到的信号的信号参数被确定的时刻，使连接从所述地面基站切换至所选择的候选基站，这样的信号参数被包括在由所述系统发送至所述地面基站的测量报告中；

其中，通过应用于所述天线阵列的N个辐射元件的数字波束成形技术来生成所述波束。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述系统包括所述飞行器的软件定义的无线电设备。

15.一种用计算机程序编码的非暂态计算机可读介质，所述计算机程序包括指令，所述指令用于当在计算机系统上执行所述计算机程序时执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法的所有步骤。

Images