CN114008938A - 包括天线的高空平台机队及其定位方法 - Google Patents

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Abstract

一种高空平台（HAP）机队，该机队被布置为向服务区域提供信息服务，每个SHHAP包括至少一个相控阵列天线并与电信回程系统通信，该服务区域包括至少100,000个用户设备（UE），并且其中，该服务区域包括非均匀的数据要求分布，包括具有较高和较低数据速率要求两者的区域，并且其中，这些SHHAP以非均匀的间隔定位，使得这些SHHAP在数据速率要求较高的区域上比在数据速率要求较低的区域上更靠近地定位在一起。

Description

包括天线的高空平台机队及其定位方法
技术领域
本发明涉及一种保持驻留高空平台（HAP）机队，每个保持驻留HAP（SHHAP）包括至少一个相控阵列天线并与电信回程系统通信，并且涉及一种用于定位机队成员的方法。
背景技术
已经提出高空平台（位于从10 km至35 km海拔处的飞行器和比空气轻的结构）来支持各种各样的应用。越来越感兴趣的领域是电信、定位、观测和其他信息服务，并且具体地是提供高速互联网、电子邮件、电话、电视服务、游戏、视频点播、地图服务和全球定位。
高空平台由于更接近地球表面、典型地在大约20 km海拔处运行而具有优于卫星的若干优点。地球同步卫星位于大约40,000 km海拔处，并且近地轨道卫星通常在大约600km至3000 km海拔处。卫星存在于较低的海拔处，但它们的寿命非常有限，从而带来经济影响。
与卫星相比，高空平台的相对接近性导致了从源头发射信号的时间以及接收到应答的时间（系统的“延迟”）要短得多。此外，SHHAP处于标准移动电话的就信号功率和信号延迟而言的发射范围内。任何卫星都超出正常地面移动电话网络的范围，从而在没有特别大型天线的情况下运行。
HAP还避免了卫星所需的火箭推进发射，其中卫星的高加速度和振动以及高发射故障率伴随着对卫星成本的影响。
与卫星有效载荷相比，可以容易地且以适度的成本恢复SHHAP上的有效载荷。较短的开发时间和较低的成本起因于不太苛刻的测试要求。
US 7,046,934披露了用于与卫星相结合传送信息服务的高空气球。
US 20040118969 A1、WO 2005084156 A2、US 5518205 A、US 2014/0252156 A1披露了高空飞行器的具体设计。
然而，要从HAP提供可靠的信息服务存在着许多且重大的技术挑战。可靠性、覆盖范围和每单位地面面积的数据容量是移动电话、装置通信系统、地球观测和定位服务的关键性能指标。
政府监管机构通常限定由发射电磁辐射的系统使用的频率和带宽。波长越短，给定部分带宽所可能的数据速率越高，但是通过雨水或墙壁等障碍物时的衰减越大，并且可以用于提供良好覆盖范围的衍射也越有限。这些约束条件导致世界上大多数地区选择0.7GHz至5 GHz之间的载波频率、典型地选择10 MHz至200 MHz的带宽。
存在对每单位地面面积的高数据速率的需求，即从量级1 Mbps至100 Mbps/平方千米的当前水平迅速增加。
从组织高空平台的角度考虑了组织HAP机队的问题，以便提供连续覆盖并从一个HAP切换到另一个HAP。
K. Katzis、D. Grace的Inter-high-altitude-platform handoff forcommunications systems with directional antennas [具有定向天线的通信系统的高空平台间切换],（特约论文）URSI无线电科学公报 [URSI Radio Science Bulletin]，2010年3月，https://ieeexplore.ieee.org/document/7911046，主要涉及在地面站上使用固定和可操纵天线的情况下从一个飞行器到另一个飞行器的切换。
US 9093754 B2涉及根据气球海拔改变反射器与发射器的间隔。
EP 2803149 A1涉及气球网络，其中，在超级节点气球之间进行自由空间光通信，并且在超级节点气球与子节点气球之间进行RF通信。
US 20180069619 A1涉及基于第一高空平台与第二高空平台之间的水平距离的增加来避免覆盖间隙，识别第一高空平台与第二高空平台之间的连续地面覆盖区域中的间隙；响应于识别第一高空平台与第二高空平台之间的连续地面覆盖区域中的间隙，使得第一高空平台的通信系统发射更宽的面向地面的通信波束以覆盖连续地面覆盖区域中的所识别的间隙。
AU 763009 B2披露了能够进行切换的自由浮动气球。
US 10177985 B2满足了网络流量的提供。
D. Grace、J. Thornton、G. Chen、G.P. White、T.C. Tozer.的Improving thesystem capacity of broadband services using multiple high-altitude platforms[使用多个高空平台提高宽带服务的系统容量]，IEEE无线通信汇刊 [IEEE Trans. Wirel.Commun.]，2005，4，700-709，https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/1413236，披露了提供常规六边形小区模式的SHHAP。
对于与地面移动电话或用户设备通信的系统，由于其吸收率相对较低并且能更好地穿透墙壁和其他物体，在使用现有的移动设备方面是有利的，而不是Grace等人在论文中提到的mm波长，频率（通常高于0.6 GHz至4 GHz-50 cm至7.5 cm波长λ）。如果存在清晰视线，则还可以利用高达90 GHz（3 mm波长）的更高频率。
迄今为止，重点一直是最大化HAP的可用覆盖区域，以减少提供有限服务所需的基础设施数量。这导致文献中提出了半径为30 km或更大的HAP覆盖区域。
David Grace和Mihael Mohorcic在Broadband Communications via HighAltitude Platforms [经由高空平台的宽带通信]，John Wiley和Sons，精装书，398页，ISBN: 978-0-470-69445-9，2010年10月中教导了这种HAP机队的均匀间隔是优于要求使用不均匀的小区间隔的地面无线通信部署的一个独特优势。因此，迄今为止，HAP机队布局很大程度上是基于常规细分，除了需要对不期望或不强制覆盖的区域进行调整，例如由于需要限制干扰或存在非常有限个数的UE。
此外，重点包括通过使用专门的天线跨HAP覆盖区域获得均匀小区区域的方法，如在J. Thornton，D. Grace，M. H. Capstick，T. C. Tozer. 的Optimising an Array ofAntennas for Cellular Coverage from a High Altitude Platform [从高空平台优化用于蜂窝覆盖的天线阵列] 中所示出的，IEEE无线通信汇刊 [IEEE Trans. WirelessCommun]，2 (3) 2003，pp. 484-492，https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/1198098，而不是如在本发明中所使用的那样在可能的情况下最小化小区面积。
地面移动电话天线杆定位早就认识到，天线杆覆盖密度取决于当地人口密度：高人口密度或主要公路或铁路要求天线杆之间的距离较小。
以前，虽然在单独高空平台的覆盖区域内已经考虑了数据密度率变化的影响，但是在单独成员可以保持近似驻留的情况下，没有考虑这些数据密度率对HAP机队的单独成员的最佳位置的影响。因此，尽管在被覆盖的区域内的人口密度分布存在显著差异，但大区域上的HAP机队已经被示出具有均匀的间隔。
因此，对于从高空平台系统提供的数据速率提供，假设即使服务区域上的数据要求非均匀，HAP在服务区域上均匀分布也是最合理的布置。
因此，在该领域迫切需要改进。
具体实施方式
安装在SHHAP上的水平定向相控阵列天线与位于地面水平处的UE之间的每单位地面面积的数据速率已经被确定为在位于地面水平处的UE与SHHAP之间绘制的线与竖直线之间的角度θ的强函数。已经发现，这样做的结果是，在具有非均匀数据要求的服务区域上提供具有均匀分布的SHHAP机队，在服务区域的数据提供速率和最大化每个SHHAP可以提供的数据速率的效用方面将是非常低效的。
因此，在第一方面，本发明涉及一种保持驻留高空平台（SHHAP）机队，该机队被布置为向服务区域提供信息服务，每个SHHAP包括至少一个相控阵列天线并与电信回程系统通信，该服务区域包括至少100,000个用户设备（UE），并且其中，该服务区域包括非均匀的数据要求分布，包括具有较高和较低数据速率要求两者的区域，并且其中，这些SHHAP以非均匀间隔定位，使得这些SHHAP在数据速率要求较高的区域上比在数据速率要求较低的区域上更靠近地定位在一起。
本发明认识到向包括对高空平台的每单位地面面积的数据发射和接收具有很大程度的不同需求的区域提供服务存在惊人的重大挑战。这可能是由于人口密度分布，以及根据一天中的时间不同地区的使用情况的变化。
如下文详细讨论的，关于数据速率如何受任何给定UE相对于SHHAP的位置影响的知识因此允许优化SHHAP的放置，以在包含变化的数据需求的服务区域中提供SHHAP能力的最佳利用。
因此，当数据提供要求在服务区域上变化时，本发明在最佳定位SHHAP方面具有特别的效用。因此，出现的最高用户设备密度与最低用户设备密度的比值优选地至少为20、更优选地至少为50。换句话说，用户设备密度在服务区域中至少在每km2 20至1000个UE的范围内变化，优选地每km2 10至1500个UE、更优选地每km2 5至2000个UE、或者还有更大的变化。
因此，本发明允许在不同的人口密度、地形、地面基础设施、现有的和计划中的移动电话塔、灾害、城市通勤、娱乐事件等情况下，以非常不同的能力高效地提供信息服务。
通常，机队将能够向服务区域的至少90%（更优选地至少95%，并且理想地接近100%）的表面区域提供数据速率服务，并且确保在所提供的服务中只有小的间隙。
SHHAP机队旨在覆盖遍布大量人口的服务区域。因此，服务区域可以包括大于200,000、更优选地大于500,000、更优选地大于1百万个UE。
因此，服务区域可以大于10,000 km2、优选地大于50,000 km2、更优选大于200,000km2。服务区域可以是整个政治或社会区域，比如国家、州或省。因此，服务区域通常将包括多个城市。
为了在这种服务区域提供有效的服务，机队典型地包括至少10个、更优选地至少20个、最优选地至少40个SHHAP。
为了提供高效的服务区域，SHHAP的海拔最优选地在10,000至25,000米之间。
在进一步优选的布置中，位于数据速率要求较高的区域上的SHHAP具有比位于数据速率要求较低的区域上的SHHAP更低的海拔。这是因为，由于SHHAP在数据速率要求较高的区域上靠得更近，单个HAP和给定UE之间的角度θ通常更小。因此，较低的海拔仅可以提供很小的θ增加，同时由于较低的海拔而提供数据速率的增加。另一方面，在密度要求较低的区域上，角度θ通常较高，因此海拔的降低可能导致服务提供的减少，因此通常较高的海拔变得最佳。
另外，可能期望位于数据速率要求较高的区域上的SHHAP具有不同的海拔（例如几百米）。这可能有助于允许SHHAP靠得更近（在平面视图中），同时不会增加任何碰撞风险。
如所讨论的，本发明特别适用于包含非均匀数据要求分布的服务区域。优选地，数据要求较高的区域包含较高的用户设备密度，而数据要求较低的区域包含较低的用户设备密度，并且其中，最高与最低用户设备密度的比值至少为10、更优选地至少为20或者甚至至少为50。
定义SHHAP之间的间隔的优选方法是在平面视图中定义SHHAP与其最近邻居之间的横向距离。优选地，这些SHHAP被定位成使得间隔最远的SHHAP与间隔最近的SHHAP之间的比值至少为2、更优选地至少3。
显然，具有最低间隔的SHHAP将被定位在数据要求最高的区域上，而具有最高间隔的SHHAP将被定位在数据要求最低的区域上。如下文所讨论的，可以优化SHHAP的精确位置。
应当理解，每个SHHAP可以提供的潜在覆盖区域将在服务区域的近似圆形部分上延伸，直接集中在SHHAP的位置下方。这种圆形潜在覆盖区域的半径将由所要求的数据提供速率的定义来确定，低于该速率则认为不能提供有用的服务。
然而，应当理解的是，相邻的SHHAP的潜在覆盖区域可能重叠，并且在这种情况下，实际上覆盖区域将减少，以反映潜在覆盖区域内的区域可以由相邻的SHHAP更好地提供的可能性。这可能导致覆盖区域呈现多边形结构，尽管潜在的覆盖区域保持圆形和重叠。
还应当理解，覆盖区域的大小在数据要求较高的区域上通常较小，使得数据要求以及SHHAP在服务区域上的覆盖区域之间通常存在逆相关。
通常，SHHAP的间隔距离为1 km至100 km，尽管通过在不同海拔运行SHHAP可以获得更近的间隔。
在服务区域中数据需求密度较高的区域中，地面上的用户设备通常可以以离散的角度从多个SHHAP“看到”或接收多个波束以及向多个SHHAP发送多个波束，从而可以分辨不同的SHHAP。在其最简单的形式中，这可以利用用户设备上的（多根）定向天线。结果会是，以类似于MIMO系统的方式，去往和来自单独装置的峰值数据速率和每单位面积（在地面上）可以发射或接收的信息量都增加了某一因子，该因子取决于用户设备上的天线数量和SHHAP数量。应当注意，对于单独用户设备和表示为每单位照射面积的数据速率的增加的数据速率与平台可见的平台数量不是线性相关的，而是随着平台数量的增加而显著增加。
在服务区域的密集区域中，具有距用户设备大致相同距离的多个相邻SHHAP可能是有利的。这有两个积极的结果：其降低了最大数据速率随SHHAP在密集区域中的位置而变化的程度，并且增加了SHHAP之间的最小距离，并为比如SHHAP偏离预期路线等计划外事件提供了更大的余量。
SHHAP被设计为在其提供服务的大部分时间内保持驻留（使得随时间的推移实现可忽略的水平位移，例如，该SHHAP可以在其运行海拔处可能遇到的最不利的风中保持地面位置）。例如，飞行器在至少90%、优选地99%、更优选地99.99%的时间内将其位置保持在半径为5 km的圆柱体中运行的位置，高度偏离标称飞行高度 +/- 3 km。
当飞行器或飞艇是保持驻留高空平台（SHHAP）时，只有使用可以在平台的运行海拔处保持驻留以抵御最强烈的风的SHHAP实际上才能保持机队成员的位置。通常，在高纬度地区（距赤道超过20或30度）运行时，这种风在较冷的月份较高，而在较热的月份较低。在这些纬度地区，风速通常低于20 m/s，并且在夏季实际上通常低于10 m/s，而在冬季，风速可以达到40 m/s，并且偶尔达到50 m/s乃至55 m/s，特别是在高达55度的高纬度地区。在纬度55度以上的冬季极地涡旋附近，甚至会遇到更高的峰值风速。
在实践中，能够在高空，即15 km以上的高度，特别是17 km以上的高度处运行并且能够在高空保持驻留的飞行器具有典型的最小巡航空速，至少为20 m/s、优选地为30m /s，并且更可能为40 m/s，并且能够达到50 m/s或55 m/s的空速。
为了保持驻留，当风速较低时，要求飞行器在通常是圆形的轨道上运行。当风速很高时，飞行器可以通过迎风飞行来保持位置。如果轨道半径很小，则飞行器通常必须以显著的滚转角来运行，从而保持位置。
将这些平台与轻量级相控阵列以接近水平的姿态装配在一起具有相当大的优势，使得阵列的轴线在运行中接近竖直（在25度以内，优选地在10度以内）。因此，如下文的分析所示出的，每单位面积的数据速率从飞行器下方的最大值（入射角为零，因此cos4θ为1）降低了接近cos4θ的因子。SHHAP可以具有一个或多个这种阵列。
可以装配在正常运行中倾斜于水平方向的阵列，但是密度分布基本上取决于飞行器的取向，除非使用多个倾斜的阵列，对于涉及中等人口密度的应用，本领域的技术人员可以解释，这些倾斜的阵列没有平面的接近水平方向的阵列有效。
已经发现，为了为每单位地面覆盖范围面积的数据使用取决于人口密度的用户设备提供经济的覆盖范围，具有近似水平相控阵列的SHHAP可以方便地以两种或三种不同的模式定位。
在优选的实施例中，为更密集的区域提供了SHHAP的第一布置（模式一），其中对于至少三个SHHAP，SHHAP之间的距离（在平面视图中）与飞行器的运行海拔相当，在SHHAP海拔的p倍至q倍的因子内，以用于与人口密度大于每km2 2000或通常3000人的人口稠密区域通信，在该区域中，p通常大于SHHAP的运行高度的0.2倍并且q在SHHAP的运行高度的1倍至2倍的范围内。小区的细分模式（tessellation pattern）将取决于阵列形状、无线电接入技术和其他要求。这些细分模式可以是规则的，也可以是不规则的，以考虑到地面上的人口和需求分布以及地面基础设施和地形。
可以为低密度区域提供第二模式（例如，人口密度通常大于每km2 25个UE，偶尔城市中心高达每km2 2000个UE），其中SHHAP之间的距离（在平面视图中）通常远大于SHHAP的运行海拔的q至r倍，其中q在SHHAP的运行海拔的1倍至2倍范围内，并且r在SHHAP运行海拔的2倍至4倍范围内。该模式通常不是规则的，并且是由靠近人口密度较高的局部小中心的SHHAP的位置以及相邻SHHAP之间的距离确定的，以利用形成本发明一部分的数据速率的变化以所需的数据速率提供连续覆盖。
还可以适于建立第三模式以覆盖更大的区域，针对居民数量和需要通信的装置数量，这些区域的平均人口密度低于每km2约20个UE，并且SHHAP之间的距离大于SHHAP运行海拔的r倍，并且小于SHHAP运行海拔的十倍。
正是这些特征可以被具有相控阵列天线的SHHAP利用来提供比以前所认识到的更具成本效益的信息服务，可以有效地定位SHHAP机队的成员，使得每个SHHAP提供的数据密度更紧密地匹配地面上的数据需求，这在很大程度上是由人口密度（通常由UE密度表示）确定的，而不是迄今所预见的。
另外，本发明允许与基于地面的回程地面站的放置和使用有关的进一步技术优势。另外，回程地面站（BG站）可以提供去往和来自平台和处理中心的通信链路。每个BG站应当能够与视线中尽可能多的平台独立地进行通信，以最大化平台和BG站的数据速率能力。
因此，在每个BG站处形成的许多波束至少与从单独BG站可见的平台一样多。使用相控阵列作为BG站处的通信系统可以提供该设施。这些相控阵列的设计可以与平台上的那些相控阵列类似。
为了减少BG站的数量和其相关联成本，有用的是使BG站具有多波束能力，使得当存在多根天线组时，这些BG站可以各自与每根空中天线独立地进行通信，以提供网络所需的高数据速率。通过该方式，去往或来自每个BG站的数据速率可以增加某一因子，相比于在视线内的单个飞行器可能的数据速率，该因子等于在视线内或接近视线的飞行器数量。
流至和流自连接到特定SHHAP的BG站的数据必须等于流自和流至（多根）前传天线提供的SHHAP的数据。这意味着，例如，如果前传装置提供600个具有100 MHz带宽的波束，具有2.5 bps/Hz以及两个极化，因此总SHHAP容量为600 × 100 × 2.5 × 2 = 300 Gbps，而回程装置具有500 MHz带宽，两个极化和5 Bps/Hz，因此每个波束的容量为5 GBps，则SHHAP将需要60个回程波束，或者与60个BG站在视线内，以满足进出SHHAP的数据流要求。
如果BG站天线使用相控阵列天线，则在BG站天线具有合适的角度分辨率来分辨SHHAP时，其可以向视线中的任意多个SHHAP提供波束。因此，如果适当地定位BG站天线—根据本发明由SHHAP的位置通知，其可以被布置在数据需求高的区域，其中SHHAP相对靠近在一起，相关联的BG站可以分辨许多SHHAP，并且为SHHAP机队提供服务所需的BG站数量可以显著减少。如果在上文的示例中，每个BG站看到5个SHHAP而不是说2个SHHAP，则对于10个SHHAP的机队，BG站的数量将从10个SHHAP × 60波束/SHHAP/2减少至10个SHHAP × 60波束/SHHAP/5，或者从300个BG站减少至120个BG站，具有非常显著的经济效益。
因此，在第二方面，本发明涉及一种用于向服务区域提供信息服务的系统，该系统包括如本文所描述的SHHAP机队、以及回程地面站装置，其中，BG站以非均匀的间隔定位，使得BG站在数据速率要求较高的区域比在数据速率要求较低的区域更靠近地定位在一起。
在数据需求低的区域，SHHAP的间隔将更大，并且BG站不太可能分辨那么多的SHHAP，但在这些区域，每个SHHAP的回程要求可能会更低，因此每个SHHAP的回程波束数量会更少，并且每个SHHAP的BG站的相对成本会更低。
如下文的讨论所示出的，在每波束数据速率恒定的情况下，每单位面积的数据速率将大约与最小波束面积成反比，因此与1/cos4θ成正比，其中，如之前所描述的，θ是波束与竖直线之间的角度。
如所讨论的，这一令人惊讶的发现对如何在包含变化的UE密度的服务区域上最佳地定位SHHAP机队的成员以最大化数据提供具有深远的意义。
因此，在第三方面，本发明涉及一种定位高空平台（HAP）机队的成员以向服务区域提供信息服务的方法，每个SHHAP包括至少一个相控阵列天线并与电信回程系统通信，该服务区域包括至少100,000个用户设备（UE），并且其中，该服务区域包括非均匀的数据要求分布，包括具有较高和较低数据速率要求的区域，并且其中，该方法采用执行涉及参数cos4θ或近似等效函数的优化数据提供速率计算以向每个UE提供数据服务速率的第一步骤，其中θ是先前定义的角度，随后是根据优化计算的结果定位机群成员的第二步骤。
本发明的一个显著优点是能够随着地面上UE的密度随时间变化而适应和改变SHHAP的位置。这在比如由于通勤而导致的昼夜变化或周期性事件，或者比如体育事件或娱乐事件等不经常发生的特别事件的情况下特别有用。本发明的方法可以实时适应服务区域中的密度变化。
本发明还可以用于SHHAP变得不起作用的场景中。在这种情况下，先前的最佳模式将变成次优模式，并且可以采用该方法来重新布置减少数量的SHHAP以保持最佳状态，直到可以如所期望的将附加的功能性SHHAP添加到机队。
在第四方面，本发明提供了一种包括计算机可实施指令的计算机程序，当在计算机上实施时，该计算机程序使得计算机执行本文所描述的方法。
用于前传的相控阵列天线
安装在SHHAP上的（多根）天线既可以往返于UE进行通信，此处称为前传，而不是经由（多根）SHHAP天线、使用比如互联网或蜂窝网络等大型地面通信网络进行主要连接。此类（多根）天线还可以与直接连接到大型地面通信网络的回程地面站（“BG站”）进行通信，并提供本领域的技术人员已知的“回程”。
来自每个天线元件的所有信号可用于任何用途，实际上是跨阵列应用一组不同的延迟，对第二组信号进行求和并形成第二波束。该过程可以重复多次，以使用该阵列同时形成许多不同的波束。
在数字域中形成许多波束可以很容易地实现，数字化后的唯一要求是附加的处理资源和数据带宽，以传送或进一步处理所有的波束信息。
虽然利用单独相控阵列形成大量的波束是可能的，但是能够承载数据的相对于所有其他波束独特的“独立”波束的最大数量不能超过阵列中天线元件的总数量。例如，如果阵列具有300个独立的天线元件（以约λ/2或更大的距离隔开），则最多可以存在300个独立的波束，每个波束可以用来形成小区；可以形成比这更多的波束，但是这些波束不是独立的。实际上，该独立性的缺乏会产生波束之间的相互干扰。这些非独立的波束仍然可以被适当的资源共享方案或以与本发明相关的其他方式使用。
相控阵列可以在距法向于阵列平面的轴线高达大约±75°的扫描角度范围内形成定义明确的波束。这是由于阵列的几何限制，其中，元件的照射面积由于扫描角而减小；单独天线元件的波束的灵敏度也由于它们离开波束的中心而减小。结果是，在用于发射和接收的大型单个阵列的情况下，具有水平阵列的SHHAP的照射面积被最大扫描角度限制为大约90 km直径。
这些平台通常为前传配备有一个、两个或更多个相控阵列，这些相控阵列的大小和元件数量有时相同，但如果使用非常不同的频率（例如2 GHz和3.5 GHz），则有时不同。在前传使用两个阵列的情况下，通常会存在发射阵列和接收阵列，以使系统能够同时进行用于任何编码的发射和接收。使用单个阵列是可能的，但是所需的电子器件更复杂且重量更大。阵列形成将服务区域划分成多个贴片的波束。这些贴片被视为蜂窝式电话网络的“蜂窝区”。
根据阵列系统的实施例，位置检测系统可以与控制和系数处理器一起使用，该控制和系数处理器与信号处理系统接口连接进而链接到时钟系统，该时钟系统可以进而与定位系统接口连接。
波束极化可以用于提高数据速率。
波束成形
用户设备可以包括用于产生到SHHAP或SHHAP的星座的空间分辨的窄波束的相控阵列天线。
可以与来自单根空中天线的独立波束进行交互的地面上的最小大小区域（即“分辨率区域”）随着其相对于空中天线的位置而改变。可以传递到波束内的单个天线或从该单一天线传递的“最大波束数据速率”（MBDR）由每秒每赫兹带宽的比特数乘以可用的带宽来给出。如本领域的技术人员熟知的，每秒每赫兹的最大比特数受信号的信噪比值限制。
高空平台
高空平台可以实施为：
(i) 飞行器，该飞行器使用太阳能或者氢或碳氢燃料驱动以在大约20 km（65,000英尺）处承载通信设备。飞行器承载用于与UE和回程地面站（BG站）进行通信的设备。此外，这些飞行器还承载信号处理系统、时钟恢复和定时单元以及控制计算机。优选的飞行器包括机身、机翼、尾翼和一种推进形式。
(ii) 自由飞行浮空器，这些自由飞行浮空器由太阳能电池或其他技术驱动。浮空器承载用于与UE和BG站通信的设备。此外，这些飞行器还承载信号处理系统、时钟恢复和定时单元以及控制计算机。
(iii) 系留浮空器，这些系留浮空器由沿着系绳输送的氢气供电或者经由系绳驱动或者由位于浮空器平台上或连接到浮空器平台的太阳能电池驱动。支持一个或多个系绳的系留浮空器可以承载位于多个不同海拔处的多个平台，其中每个平台进而由（多个）系绳支持。每个平台还可以从其自己的浮空器接收附加的支持。系留平台系统承载用于与UE和与BG站进行通信的设备，并且它们可以承载信号处理系统、精确的时钟和定时装置以及控制计算机，或者该系留平台系统可以是基于地面的。
该系统可以由上述一种或多种类型的平台组成。
处理系统
SHHAP机队成员的定位可以由处理系统管理，该处理系统可以是分布式系统或基于地面的系统，节省了空中平台的重量和功率。处理系统可以与蜂窝电话网络接口连接，并且其提供对由平台用来与UE进行通信的信号的直接控制。
处理系统可以物理地分布在处理中心（该处理与空中天线和/或回程地面站共同定位）与由第三方（称为“云”）提供商提供的处理服务之间。
处理系统可以通过所定义的到蜂窝网络的接口提供到蜂窝网络的接口。
处理系统可以针对空中天线计算以下各项：
(i) 从这些相控阵列的UE和BG站接收到的信号的波束成形系数，通常但并非唯一地是天线元件的系数。
(ii) 待发射到UE和BG站的信号的相位和幅度
(iii) 用于实施诸如平台和用户设备的位置确定的操作方面的所有算法。
对于任何BG站，其可以计算和提供以下各项：
(i) 将由BG站的天线元件发射到空中天线的信号的系数。
(ii) 从所使用的稀疏相控阵列天线中的BG站天线元件接收的信号的系数。
BG站可以经由高速连接（诸如光纤数据链路或直接微波链路）直接链接到处理中心。
SHHAP位置的优化
通常，服务区域将提供有由一些经济、技术和/或监管限制确定的固定数量的SHHAP。
本发明的目的是通过优化功能提供SHHAP机队成员的位置，该优化功能通常与用于提供特定服务功能的系统的经济评估相关。服务功能的示例可以是
(a) 在配备有合适的用户设备时，向给定比例的人口或给定分数的特定类型的UE提供某一最低水平的服务（以每用户设备的Mbps在发射或接收模式或其组合下定义）。
(b) 在配备有合适的用户设备时，向给定比例的人口或给定分数的特定类型的UE提供平均水平的服务。
(c) 向服务区域中的UE的不同子集提供一定水平的服务，这些集由以下各项中的一些或多项定义：UE的类型、位置、一天中的时间、日期等。
(d) 上文的一些组合。
所使用的优化功能应该考虑SHHAP和相关联设备的运营和资本支出，包括回程地面站和软件成本，以及所需的可用性程度，例如60%、95%、99%、99.9%、99.99%等。
下文的分析教导了对于人口密度高的区域，可能期望以低至SHHAP海拔的0.2倍的间隔运行SHHAP（每个单独的SHHAP半径为2 km）。然而，在这些小的照射面积，在保持驻留时，SHHAP的移动会变得很重要。
对于波束成形，由用户设备使用一个或多个相控阵列进行以便同时与多个SHHAP通信，从而通过允许当在视线内存在至少4个SHHAP时来自用户设备的各个SHHAP的空间分辨率来提高去往和来自用户设备的数据传输速率。
现在将通过示例并参考以下附图来展示本发明，其中：
图1是表示相控阵列天线以及贴片大小如何随着横向距离而在一个维度上变化的平面视图。
图2是表示相控阵列天线以及贴片大小如何随着横向距离而在一个维度上变化的侧视图。
图3是表示贴片大小如何随着横向距离而在两个维度上变化的平面视图。
图4示出了径向长度，其中每单位长度的数据速率是恒定的。
图5示出了图3变换后的径向长度，其中数据速率随1/cos3θ而变化。
图6是由位于中心的空中天线提供的理论上平坦的地面上的贴片几何形状的示意性表示。
图7是由位于中心的空中天线提供的理论上平坦的地面上的贴片几何形状的示意性表示。
图8是由位于中心的空中天线提供的理论上平坦的地面上的贴片几何形状的示意性表示。
图9是示出了作为距空中天线正下方的横向距离的函数的最大数据速率的百分比减少的图表。
图10是SHHAP机队在服务区域上提供信息服务的示意性表示。
图11是示出了作为距SHHAP下方的径向距离的函数的每平方英里可提供人口数量的图表。
图12是英国的地图，示出了已经根据本发明被最佳定位的SHHAP的位置。
图13是德国的地图，示出了已经根据本发明被最佳定位的SHHAP的位置。
图14是加利福尼亚部分地区的地图，示出了已经根据本发明被最佳定位的SHHAP的位置。
基础理论
如果飞行器上的天线可以近似为平面圆形相控阵列，则方位角方向上的波束直径将不会改变，并且与距飞行器的距离 × 1.2 × 波长/与法向于波束的方向的阵列直径（瑞利极限）近似成比例，如本领域技术人员所熟知的。从飞行器到波束的中心与地面相交的点的距离为飞行器的高度除以竖直仰角θ的余弦（水平距离为Htanθ）或1.2λH/(Dcosθ)（见图1和图2）。
通过几何分析，法向于竖直平面中波束轴线的等效波束直径将与距飞行器的距离× 1.2 × 波长/投影到竖直平面中与波束轴线成直角的表面上的阵列直径成比例。该投影阵列直径将比阵列直径小因子cos θ（见图2），并且该方向B上的波束宽度将为1.2λH/(Dcos2θ)。
在地面上，这将投影到更大的为1.2λH/(Dcos3θ)的长度（如图2所示出的）。
因此，地面上的波束（见图3）将近似为面积为1.22 πλ 2H2/(D2cos4θ)的椭圆。
虽然上文的分析只是近似的，因为瑞利极限在大的角度θ下的变化比上文建议的要大，但其给出了波束面积主要随着cos4θ的变化而变化的指示。因此，在每个波束具有恒定数据速率的情况下，每单位面积的数据速率将近似与最小波束面积成反比，因此与1/cos4θ成正比。显然，其他因素，比如增加距离对链路预算的影响、或低水平仰角（90 - θ）下更多结构阴影的影响、以及地球曲率，将具有二级或三级影响。
可以通过考虑如何将每单位面积表面的均匀数据速率变换为每单位面积数据速率与1/cos4θ成反比来描述该现象的显著影响的印象。
执行该变换将涉及1/cosθ的圆周数据速率变化和1/cos3θ的径向数据速率变化，并且乘积将给出导致每单位面积的数据速率为1/cos4θ的期望的变换结果。
对于每单位长度的信息变化为1/cos3θ，则dy = dx/cos3θ = dx/[H/√(H2 + y2)]3（见图4和图5）。
因此，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
然后令
Figure 909191DEST_PATH_IMAGE002
；所以，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，所以，
Figure 764015DEST_PATH_IMAGE004
然后，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
Figure 543752DEST_PATH_IMAGE006
所以，x = H sin(tan-1(y/H))，并且y = H tan(sin-1(x/H))。
对于20 km海拔处的飞行器，波束为2 GHz，因此波长为15 cm，以及孔径为3.6 m的相控阵列，在飞行器正下方，地面上波束直径被给出为1.2 λH/D = 1.2 × 0.15 m × 20km/3.6 m = 1 km。这是近似尺寸，低于该尺寸相控阵列无法单独分辨两个移动电话或几个用户设备。
已经为这种圆形平面天线开发了近似的波束形状，该天线是通过扭曲具有1 km的六边形直径的均匀六边形阵列而获得的，根据径向变换而扭曲，使得点的变换坐标半径等于H tan(sin-1(原始半径/H))，其中H (飞行器的高度) = 20 km，并且与原点（飞行器正下方）的角度保持恒定。
图6示出了20 km × 20 km的中心区域，图7示出了100 km × 100 km，并且图8示出了200 km × 200 km。该图没有考虑地球表面的拓扑特征，比如地球的曲率等，这将使距飞行器较远距离处的失真略大。每个多边形描述了其中两个用户设备无法相互分辨的区域，其可以有效地称为“小区”。
从这些图中可以看出，距飞行器不同距离处的波束形状变化非常大，并且波束的形状在不同的方位角度处不均匀。对于在不同频率下运行的不同大小的阵列，单独贴片或小区的大小将按比例缩放，但一般模式由阵列的几何形状（圆形、方形、矩形等）以及阵列在地面上方的海拔设置。
总数据速率作为距飞行器正下方的位置的距离r的函数的指示已经从先前的理论中发展出来。
给定区域中的数据速率（bps）= I0 cos4 θ dA，其中dA是在某一角度θ的区域（见图2），并且I0是天线可以在飞行器正下方处理的每单位面积的最大数据速率。
对于圆形元件，dA = 2πrdr，其中r（半径）= Hsinθ，并且dr = Hcosθdθ，其中θ =tan-1 (y/H)
因此，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
因此，对角2θ内的总数据速率
Figure 876644DEST_PATH_IMAGE008
该函数在图9中示出
应当注意，一半比例的可以发射或接收的最大相控阵列数据速率发生在飞行器下方10-km的距离内，并且几乎四分之三发生在15 km的距离内，并且超过95%发生在飞行器25km的距离内。该结果与阵列直径无关，并且完全取决于阵列的海拔。
用于实现实施方式的示例算法
下文描述的主要算法，SHHAP放置算法，负责放置SHHAP并细分其覆盖区域，以满足服务区域上的数据密度要求。该算法利用了由于数据密度与距子平台点的半径的cos4θ关系而产生的不同数据密度带状区域的概念。该算法可以在先前所描述的具有高、中和低数据密度的区域中运行，产生例如每个SHHAP 3个带，或者根据所期望的，具有更高或更低数量的带-每个带由SHHAP下方的点形成同心环并产生SHHAP覆盖区域细分的不同模式。因此，在先前的示例中，对于高数据密度区域，SHHAP更靠近地定位在一起以利用每个SHHAP上的最高数据密度带，而低数据密度区域将SHHAP放置得更远，从而使得能够利用在每个SHHAP上的所有3个数据密度带。因此，获得了先前描述的SHHAP覆盖区域细分的三种模式。
SHHAP放置算法允许一次性放置SHHAP机队以覆盖服务区域，或者可以定期运行以考虑活动用户设备密度的变化或人口统计的变化。运行频率将取决于这些参数的变化率以及将覆盖范围和容量密度与要求相匹配的期望。
SHHAP放置算法将导致SHHAP覆盖区域在部分服务区域上可能重叠。当用户拥有多于一根天线时，这将允许利用MIMO技术，从而增加重叠区域中的容量密度。对于那些不需要重叠的区域，可以执行下文的服务区域照射算法，该算法会在每次运行SHHAP放置算法后激活波束以限制重叠。
算法中使用的符号的定义
A是数据密度带的数量，其中每个带具有由每个波束的数据速率和地面上的波束直径确定的定义的数据密度范围
HD i 是与数据密度带i相关联的SHHAP覆盖区域
C是与所有A个数据密度相对应的集群集
C i 是对应于与数据密度带i相关联的用户设备密度的集群集
C i,j 是集群集C i 中的特定集群j
B是集C i 中的集群的数量。
SHHAP放置算法
步骤1将每个SHHAP覆盖区域划分为不同数据密度（HDi）的A个带，从最高数据密度到最低数据密度排序，其中i在1到A的范围内，使得i = 1表示最高数据密度带区域，并且i= A表示最低数据密度带区域。
步骤2在人口统计/活动用户位置数据上使用基于密度的聚类算法，使用相同的A个数据密度带来识别聚类形心及其对应区域的位置，使得每个带包含与该密度范围相对应的集群集。
步骤3按照数据密度递减的顺序排列集群集C i ，其中i在1到A的范围内，使得i = 1表示与最高数据密度相对应的集群集，并且i = A表示具有最低数据密度的集群集。
Figure DEST_PATH_IMAGE009
步骤5定期地重复算法以考虑人口统计/活动用户位置、可用SHHAP的数量的变化。
服务区域照射算法，以最大化SHHAP机队的非重叠覆盖范围（如果需要的话）
在每次运行SHHAP放置算法后
当服务区域未被照射时
　　i = 1
　　激活HD i 区域中的SHHAP上的所有波束，这些波束与现有激活波束的重叠覆盖范围最小（在期望的百分比限制内）
　　（可以从同一HD i 内的不同SHHAP中随机选择波束以均衡负载，同时确保不发生重叠）
　　i = i + 1
结束。
示例
图10是在更大的服务区域内，在高数据速率要求的60 km直径区域（13）（例如，模式一区域）上方运行SHHAP机队，利用多个SHHAP机队（8）来创建天线的机队的示意性表示。如所示出的，每个飞行器平台（8）支持两根天线（15，16），一根天线用于发射并且一根天线用于接收。这些系统可以在不同的方向上提供许多单独的波束（6，7）来与位于不同的“贴片”（10）（由天线波束照射的区域）上的UE（11）通信，并且还可以提供到“回程地面”（BG站（4））的“回程”链路（5）。在这种情况下示出的UE是移动电话，但可以是放置在住宅的一侧、运载工具的顶部、飞行器上、船舶上、火车上或建筑物内部的天线。
该实施例可以提供与BG站（4）的通信链路，以提供与蜂窝网络的其余部分一起支持UE活动的回程数据通信系统。BG站可以经由标准协议中心（1）；通过光纤、或微波连接或任何其他物理连接技术（3）连接到地面计算机处理中心。为简单起见，图10中未示出所有到BG站的链路。
数据速率计算
考虑在为20 km海拔处的飞行器，该飞行器具有用于前传到地面用户设备的单个圆形相控阵列天线，直径为3.6 m，运行频率为2 GHz，带宽为100 MHz，具有足够的电力来提供3比特每秒/Hz，具有两个极化和大约1750个0.075 m正方形面积的元件。
这提供了100 MHz × 3 bps/Hz × 两个极化 = 600 Mbps/波束的每波束最大数据速率。
在飞行器正下方，波束直径 = 1.2 ×（波长/直径）× 海拔 = 1.2 ×（0.15 m/3.6 m）× 20 km = 1 km。
因此，对于每个极化，到地面上的UE的最大数据速率为300 Mbp/（直径为1 km的圆的面积）= 382 Mbps/km2。
对于这两个极化，来自单个飞行器的最大数据速率是该 - 764 Mbps/km2的两倍。
在距每个SHHAP下方的点一定距离处，将给出最大数据速率-假设波束的功率被适当调整以弥补链路预算对每赫兹比特数/秒的影响，并且距离足够小以通过764 cos4θMbps/Hz对地球曲率进行校正，其中θ是波束到天线的入射角，并且由θ = arc tan(r/H)给出，其中r（半径）是UE距飞行器正下方地面某点的距离，并且H是飞行器的海拔。例如在10km半径处，角度θ为arc tan(10/20) = 26.6度，并且最大数据速率 = 764 cos4 (26.6)bps/km2 = 489 Mbps/km2。
在美国目前的移动电话每月数据需求速率为约为8 GByte/月，并且例如在欧洲的平均水平略低。对于8 GB/月的需求，平均瞬时数据需求率具体地根据一天中的时间而变化，在一天中的高峰时间，本地区域具有两倍于该数据速率的数据速率，相当于当前每个UE50 kbps的速率。在未来十年的某个时间，以每月100 Gbyte的平均用户需求为例，当可能部署SHHAP系统时，提供为每个UE 600 kbps，或每个UE 0.6 Mbps的平均峰值用户需求。
如果飞行器为40%的用户设备提供服务，则在距飞行器10 km半径处，可以以该平均数据速率 = 489 Mbps/km2/(0.4 x 0.6) Mbps = 2040 UE/km2满足最大用户数量。
以平方英里表示的面积的等值数字是2.59 × 2040 = 每平方英里5280。
可以预期，其他技术在人口稠密的地区将比在郊区和农村区域更有效。在这种情况下，可以修改半径为r的数据能力分布，以假设例如在特定的人口密度下，市场份额开始从40%增加至100%。这种曲线如图11所示出的。
该过程是用于识别飞行器的位置以提供最佳数据速率的优化过程的一部分的示例。
对于大城市中心建议的数据需求，单个飞行器无法满足预计40%市场份额的数据需求。
然而，通过允许SHHAP的紧密放置，可以修改曲线，使得例如当三个或四个SHHAP可见并且可由UE分辨时，可以满足更大的数据需求速率。由于短链路预算，几乎在飞行器正下方bps/Hz速率也可以增加。
然而，人口分布的影响和相控阵列天线的物理性质在密集的大都市、农村和人口稀少的区域提供了显著的模式差异，如在图12中的英国、图13中的德国和图14中的加利福尼亚的示例中所示出的。可以看出，由于重叠，产生的覆盖区域并不都是圆形的。在区域中的覆盖区域的变化还与数据需求呈负相关。
可以看出，SHHAP的位置跟踪人口密度最高的区域，但还考虑到算法提供的数据速率提供的减少，以为整个服务区域提供非常好的服务水平。

Claims (21)

1.一种保持驻留高空平台（SHHAP）机队，该机队被布置为向服务区域提供信息服务，每个SHHAP包括至少一个相控阵列天线并与电信回程系统通信，该服务区域包括至少100,000个用户设备（UE），并且其中，该服务区域包括非均匀的数据要求分布，包括具有较高和较低数据速率要求两者的区域，并且其中，这些SHHAP以非均匀的间隔定位，使得这些SHHAP在数据速率要求较高的区域上比在数据速率要求较低的区域上更靠近地定位在一起。
2.根据权利要求1所述的机队，其中，该服务区域包括大于200,000个、更优选地大于500,000个、更优选地大于1百万个UE。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的机队，其中，该服务区域大于10,000 km2、优选地大于50,000 km2、更优选地大于200,000 km2。
4.根据前述权利要求中任一项所述的机队，其中，该服务区域包括多个城市。
5.根据前述权利要求中任一项所述的机队，其包括至少10个、更优选地至少20个、最优选地至少40个SHHAP。
6.根据前述权利要求中任一项所述的机队，其中，这些SHHAP的海拔为10,000米至25,000米。
7.根据前述权利要求中任一项所述的机队，其中，位于数据速率要求较高的这些区域上的HAP具有比位于数据速率要求较低的这些区域上的HAP更低的海拔。
8.根据前述权利要求中任一项所述的机队，其中，数据速率要求较高的这些区域包含较高的用户设备密度，并且数据速率要求较低的这些区域包含较低的用户设备密度，并且其中，最高用户设备密度与最低用户设备密度的比值至少为10。
9.根据前述权利要求中任一项所述的机队，其中，这些SHHAP被定位成使得间隔最远的SHHAP与间隔最近的SHHAP之间的比值至少为2、更优选地至少为3。
10. 根据权利要求6所述的机队，其中，这些飞行器的最小巡航空速至少为20 m/s、优选地30 m/s、并且更优选地40 m/s或更高。
11.根据前述权利要求中任一项所述的机队，其中，这些SHHAP是使用太阳能或者氢或碳氢燃料驱动的飞行器。
12.根据前述权利要求中任一项所述的机队，其中，这些SHHAP是由太阳能电池或其他技术驱动的自由飞行浮空器。
13.根据前述权利要求中任一项所述的机队，其中，这些SHHAP是系留浮空器，这些系留浮空器由沿着系绳输送的氢驱动，或者经由该系绳供应电力，或者由位于这些浮空器平台上或连接到这些浮空器平台的太阳能电池供应电力。
14. 根据前述权利要求中任一项所述的机队，其包括SHHAP的第一布置（模式一），其中，对于至少三个SHHAP，SHHAP之间的距离等于SHHAP海拔的p倍至q倍，以用于与人口密度大于每km2 2000个UE的区域通信，其中，p大于0.2，并且q在1至2的范围内。
15. 根据前述权利要求中任一项所述的机队，其包括SHHAP的第二布置（模式二），其中，对于至少三个SHHAP，SHHAP之间的距离等于SHHAP海拔的q倍至r倍，以用于与人口密度小于每km2 2000个UE的区域通信，其中，q在1至2的范围内，并且r在2至4的范围内。
16.一种用于向服务区域提供信息服务的系统，该系统包括根据前述权利要求中任一项所述的SHHAP机队、以及回程地面站装置，其中，这些地面站以非均匀的间隔定位，使得这些地面站在数据速率要求较高的区域中比在数据速率要求较低的区域中更靠近地定位在一起。
17.一种定位保持驻留高空平台（SHHAP）机队的成员以向服务区域提供信息服务的方法，每个SHHAP包括至少一个相控阵列天线并与电信回程系统通信，该服务区域包括至少100,000个用户设备（UE），并且其中，最高用户设备密度与最低用户设备密度的比值至少为10，并且其中，该方法采用执行涉及参数cos4θ或近似等效函数的优化数据提供速率计算以向每个UE提供数据服务速率的第一步骤，其中，θ是竖直线与在位于地面水平处的UE同该SHHAP之间绘制的线之间的角度，随后是根据优化计算的结果定位该机队的成员的第二步骤。
18.根据权利要求17所述的方法，其实时适应该服务区域中的数据要求分布的变化。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，其中，SHHAP的数量是固定的，并且该数据提供速率计算涉及向该服务区域中的基本上所有UE提供最小或平均数据速率。
20.一种包括计算机可实施指令的计算机程序，该计算机程序在计算机上实施时使该计算机执行根据权利要求17至19中任一项所述的方法。
21.一种计算机程序产品，包括根据权利要求20所述的计算机程序。
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