CN116783844A

CN116783844A - 用于管理地面到飞行器通信中的无线电频谱的系统和方法

Info

Publication number: CN116783844A
Application number: CN202280009158.8A
Authority: CN
Inventors: T·L·凯西; M·R·加涅
Original assignee: Ola Network Systems
Current assignee: Ola Network Systems
Priority date: 2021-01-06
Filing date: 2022-01-05
Publication date: 2023-09-19

Abstract

本文公开了一种地面到空中通信网络，其可被配置为包括频谱管理系统，该频谱管理系统确定性地将频谱分配给飞行器以供飞行期间使用。在一个或多个示例中，用户将飞行计划发送到被配置为管理给定空中空间中的RF频谱的频谱管理系统。在一个或多个示例中，并且基于所接收的飞行计划，频谱管理系统可以分配RF频谱频率“隙(slot)”(即，时隙(time slot)、子信道或资源块)以供飞行器在其预期飞行期间使用。频谱管理系统可以考虑可用频谱以及预测的网络业务及其频谱分配来确定RF频谱隙，该RF频谱隙可以在飞行器飞行期间向飞行器提供稳定且连续的通信信道。

Description

用于管理地面到飞行器通信中的无线电频谱的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年12月23日提交的美国临时申请No.63/293,579，于2021年7月1日提交的美国临时申请No.63/217,466和于2021年1月6日提交的美国临时申请No.63/134,521的优先权，它们各自的全部内容通过引用合并到本文中。

技术领域

本公开涉及空对地通信网络中的RF频谱管理，并且更具体地，涉及用于向机载资产(asset)分配RF窄带频谱信道以便于与基于地面的通信网络通信的系统和方法。

背景技术

载人和无人飞行的空中安全的关键特征之一是机载资产与地面通信以便在操作上中继关键通信的能力。确保机载资产能够维持到地面的连续且不间断的通信链路确保了机载资产能够从地面控制器接收必要的信息，以及在给定飞行期间的任何和所有点处向地面控制器发送必要的信息。

机载资产，特别是无人飞行器(UAV)的激增已使确保每个机载资产与地面站具有连续通信信道的任务复杂化。现在，UAV能够在广泛的地理区域内长距离飞行，同时始终与地面具有专门的通信要求。例如，地面的UAV操作者必须与UAV持续通信，不仅从地面向UAV提供指令，而且还从UAV接收关键的遥测，该遥测通知地面的操作者关于UAV的操作状态。

确保地面基站和远程无线电之间的用于空域中的航空操作的关键数据链路的性能对于支持有人驾驶、无人驾驶和可选驾驶的安全要求是关键的。数据链路需要满足监管者提出的可靠性、完整性和可用性性能目标。在任何给定时间都有许多机载资产正在通过空域的环境中，确保用于远程无线电的连续数据链路可能具有挑战性。RF频谱的可用性尤其可能是一个具有挑战性的问题。随着空中交通的增加，一个飞行器的通信在飞行期间干扰另一个飞行器的通信的可能性增加。当给定网络中的飞行器穿越大面积的地理区域，并且因此在其飞行期间必须依靠多个地面基站来维持与地面的连续通信链路时，网络干扰会进一步加剧。

发明内容

根据一个方面，地面到空中通信网络可以被配置为包括频谱管理系统，该频谱管理系统确定性地将频谱分配给飞行器以供飞行期间使用。在一个或多个示例中，希望驾驶飞行器的用户向频谱管理系统发送飞行计划，该频谱管理系统被配置为管理给定空中空间中的RF频谱。在一个或多个示例中，飞行计划可以包括飞行器的预期地理路线、飞行的开始时间、飞行的预期结束时间、以及飞行的操作细节(诸如数据吞吐量要求和飞行器的无线电配置)。在一个或多个示例中，基于所接收的飞行计划，频谱管理系统可以分配RF频谱频率“隙(slot)”(即，时隙(time slot)、子信道或资源块)以供飞行器在其预期飞行期间使用。在一个或多个示例中，频谱管理系统可以不仅基于飞行器的飞行计划，而且基于诸如为飞行创建的动态链路预算、动态RF覆盖预测、以及动态干扰和共存(即，在时间、空间和RF信道利用方面与其他飞行器的干扰和共存)预测之类的其他各种因素来选择给予飞行器什么频谱隙。频谱管理系统可以考虑可用频谱以及预测的网络业务及其频谱分配来确定RF频谱隙，该RF频谱隙可以在飞行器飞行期间向飞行器提供稳定且连续的通信信道。

根据一个方面，基于飞行计划的动态频谱/业务信道管理系统(即，频谱管理系统)可以预留和分配在地面基站、远程地面无线电和/或远程机载无线电处可用的频谱资源。在一个或多个示例中，这些频谱资源可以在数字系统的频域和时域中，并且包括频谱带宽和在频谱带宽内被称为子信道或资源块的个体业务信道。在一个或多个示例中，业务信道(在整个公开中也称为子信道、帧、资源块和承载)可以指指定频率的通信链路，其允许航空网络上的飞行器和飞行员之间的数据通信。在一个或多个示例中，业务信道可以被表示为多个子信道、帧、资源块和承载。系统查看若干变量，诸如可用频谱资源、无线电链路吞吐量和性能要求、位置(包括海拔)、时间段以及无线电频率环境，以在地面无线电和远程无线电之间分配非竞争资源。在一个或多个示例中，这些变量可以由频谱管理系统的若干内部和外部组件来填充。由于大量的信息以及频谱管理系统中数以千计的终端用户对频谱和/或业务信道的潜在请求，因此可以包括频谱管理系统的“数字孪生(digital twin)”，其可以被配置为执行所需的分析而不影响操作系统。

根据一个方面，一旦频谱管理系统确定要提供给飞行器的RF频谱隙，系统就可以将所选择的RF频谱隙和关于RF信道的附加信息(例如调制方案、纠错码等)发送到通信网络中的一个或多个基站，这些基站在飞行期间获取该信息并执行RF通信信道。在一个或多个示例中，地面基站可以包括频谱监控系统，该频谱监控系统被配置为连续地监控给定空域的活动RF环境的干扰。在一个或多个示例中，如果检测到可能影响飞行操作的不需要的干扰，则地面基站可以利用具有零形成(null forming)、波束调向技术的天线，其可以引导不需要的干扰源处的干扰信号(即，“零”)，以最小化或去除干扰。在一个或多个示例中，系统可以使用在卫星上采用的波束成形天线，而不是使用基于地面的波束成形天线。

根据一个方面，一种用于在空对地通信网络中分配RF频谱信道的方法包括：从用户处接收飞行计划，其中飞行计划包括要在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中飞行的飞行定时、位置和高度信息；基于从用户接收的飞行计划，确定在通信网络的一个或多个覆盖区域中的RF可用性；基于接收的飞行计划，从业务信道池中选择一个或多个RF频谱信道；基于接收的飞行计划和从业务信道池中选择的一个或多个RF频谱信道，确定通信网络中一个或多个干扰信号的存在；以及如果确定在通信网络中不存在干扰信号，则为所接收的飞行计划保留所选择的一个或多个RF频谱信道。

可选地，飞行计划包括关于执行飞行计划的飞行器的无线电配置的信息。

可选地，该方法包括基于所接收的关于执行飞行计划的飞行器的无线电配置的信息来确定飞行器的吞吐量要求。

可选地，飞行计划包括执行飞行计划的飞行器的吞吐量要求。

可选地，基于从用户接收的飞行计划确定通信网络的一个或多个覆盖区域中的RF可用性包括：基于接收的飞行计划生成用于飞行的一个或多个动态链路预算，其中每个动态链路预算被配置为确定通信网络的一个或多个覆盖区域中的通信链路的RF可用性，基于动态链路预算生成一个或多个地理围栏。

以及基于动态链路预算确定RF可用性，动态链路预算对应于通信网络的一个或多个覆盖区域，飞行器基于从用户接收的飞行计划将要飞入该一个或多个覆盖区域。

可选地，生成用于飞行的一个或多个动态链路预算包括：使用动态RF覆盖预测工具来填充一个或多个动态链路预算的一个或多个参数。

可选地，从业务信道池中选择一个或多个RF频谱信道包括：基于飞行的吞吐量要求确定要分配给飞行的RF频谱信道的数量。

可选地，从业务信道池中选择一个或多个RF频谱信道包括：从业务信道池中的可用RF频谱信道中选择确定数量的RF频谱信道。

可选地，业务信道池包括一个或多个保留的RF频谱信道，其中保留的RF频谱信道包括已经由通信网络的另一飞行保留的RF频谱信道。

可选地，业务信道池包括一个或多个受限的业务信道，其中受限的RF频谱信道包括为频谱管理系统使用而保留的RF频谱信道。

可选地，确定通信网络中一个或多个干扰信号的存在包括使用动态干扰预测工具。

可选地，该方法包括将所选择的一个或多个RF频谱信道发送到第三方管理机构以供批准，并且在接收到来自管理机构的批准后为所接收的飞行计划保留所选择的一个或多个RF频谱信道。

可选地，该方法包括将所选择的一个或多个RF频谱信道发送到频谱管理系统。

可选地，基站控制器被配置为操作飞行员和的飞行器之间的通信链路，飞行器用于在飞行期间执行所接收的飞行计划。

可选地，该方法包括选择调制方案以操作飞行员和飞行器之间的通信链路。

可选地，该方法包括选择前向纠错码以操作飞行员和飞行器之间的通信链路。

根据一个方面，一种用于在空对地通信网络中实现和维持RF通信链路的方法包括：接收关于将在空地通信网络的一个或多个覆盖区域中进行的飞行的信息，其中该信息包括与该飞行相关联的一个或多个RF频谱信道；基于与该飞行相关联的一个或多个RF频谱信道，在通信网络的基站处生成用户与进行飞行的飞行器之间的RF通信链路；基于所接收的信息并且基于通信网络的一个或多个条件，生成用于该飞行的动态链路预算；基于所生成的动态链路预算来确定在飞行期间在RF通信链路中存在一个或多个性能降级；如果确定在RF通信链路中存在一个或多个性能降级，则向RF通信链路应用一个或多个缓解(mitigation)，以及基于所应用的一个或多个缓解来更新动态链路预算。

可选地，关于将要在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中进行的飞行的信息包括：将要在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中飞行的飞行定时、位置和高度信息。

可选地，该信息包括关于执行飞行计划的飞行器的无线电配置的信息。

可选地，在基站处生成用户与飞行器之间的RF通信链路包括：基于与飞行相关联的一个或多个RF频谱信道，以RF频率将数据从用户发送到飞行器。

可选地，其中在基站处生成用户与飞行器之间的RF通信链路包括：为用户与飞行器之间的通信选择调制方案。

可选地，在基站处生成用户与飞行器之间的RF通信链路包括：为用户与飞行器之间的通信选择前向纠错码。

可选地，基于所接收的信息并且基于通信网络的一个或多个条件生成用于飞行的动态链路预算包括：从基站接收与基站处的一个或多个RF环境条件相关联的信息。

可选地，来自基站的与基站处的一个或多个RF环境条件相关联的信息由位于基站处的频谱监测设备生成。

可选地，来自基站的与基站处的一个或多个RF环境条件相关联的信息由基站链路监测工具生成，该基站链路监测工具被配置为检测用户和飞行器之间的RF通信链路的一个或多个条件。

可选地，动态链路预算基于由频谱监测设备和基站链路监测工具生成的信息。

可选地，频谱监测设备包括软件定义的接收器，其被配置为接收和处理在基站的监测天线处接收的RF信号。

可选地，频谱监测设备包括噪声基底监测工具，其被配置为检测基站处的噪声基底的功率水平。

可选地，频谱监测设备包括不需要信号检测组件，其被配置为检测在基站处不需要的RF信号。

可选地，频谱监测设备包括方向和功率检测部件，其被配置为检测基站处不需要的RF信号的功率和方向。

可选地，对RF通信链路应用一个或多个缓解包括：调整与动态链路预算相关联的一个或多个参数。

可选地，调整与动态链路预算相关联的一个或多个参数包括：增加由基站的天线发送到飞行器的信号的功率。

可选地，基于所生成的动态链路预算来确定在飞行期间RF通信链路中存在一个或多个性能降级包括：确定RF通信链路中存在一个或多个干扰信号。

可选地，确定RF通信链路中存在一个或多个干扰信号包括：在基站处确定一个或多个干扰信号传播的方向。

可选地，对RF通信链路应用一个或多个缓解包括：控制波束调向天线在一个或多个干扰信号传播的方向上发送零(null)信号。

根据一个方面，一种用于在空对地通信网络中分配RF频谱信道的系统包括存储器、一个或多个处理器，其中存储器存储一个或多个程序，一个或多个程序在由一个或多个处理器执行时使一个或多个处理器：从用户接收飞行计划，其中飞行计划包括要在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中飞行的飞行定时、位置和高度信息；基于从用户接收的飞行计划确定通信网络的一个或多个覆盖区域中的RF可用性；基于接收的飞行计划从业务信道池中选择一个或多个RF频谱信道；基于所接收的飞行计划和从业务信道池中选择的一个或多个RF频谱信道，来确定通信网络中一个或多个干扰信号的存在；以及如果确定通信网络中不存在干扰信号，则为所接收的飞行计划预留所选择的一个或多个RF频谱信道。

可选地，使一个或多个处理器基于接收到的关于执行飞行计划的飞行器的无线电配置的信息来确定飞行器的吞吐量要求。

可选地，基于从用户接收的飞行计划确定通信网络的一个或多个覆盖区域中的RF可用性包括：基于接收的飞行计划生成用于飞行的一个或多个动态链路预算，其中每个动态链路预算被配置为确定通信网络的一个或多个覆盖区域中的通信链路的RF可用性，基于动态链路预算生成一个或多个地理围栏，以及基于动态链路预算确定RF可用性，该动态链路预算对应于通信网络的一个或多个覆盖区域，飞行器基于从用户接收到的飞行计划要飞入该一个或多个覆盖区域。

可选地，业务信道池包括一个或多个保留的RF频谱信道，其中保留的RF频谱信道包括已经由另一个通信网络保留的RF频谱信道。

可选地，业务信道池包括一个或多个受限业务信道，其中受限RF频谱信道包括保留以供使用的RF频谱信道。

可选地，使一个或多个处理器将所选择的一个或多个RF频谱信道发送到第三方管理机构以供批准，并且在接收到来自管理机构的批准后为所接收的飞行计划预留所选择的一个或多个RF频谱信道。

可选地，使一个或多个处理器向频谱管理系统发送所选择的一个或多个RF频谱信道。

可选地，基站控制器被配置为操作飞行员与飞行器之间的通信链路，飞行器用于在飞行期间执行所接收的飞行计划。

可选地，使一个或多个处理器选择调制方案来操作飞行员与飞行器之间的通信链路。

可选地，使一个或多个处理器选择前向纠错码来操作飞行员与飞行器之间的通信链路。

根据一个方面，一种用于在空对地通信网络中实现和维持RF通信链路的系统包括存储器，一个或多个处理器，其中存储器存储一个或多个程序，一个或多个程序在由一个或多个处理器执行时使一个或多个处理器：接收关于在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中进行的飞行的信息，其中信息包括与飞行相关联的一个或多个RF频谱信道；基于与飞行相关联的一个或多个RF频谱信道，在通信网络的基站处生成用户与进行飞行的飞行器之间RF通信链路；基于所接收的信息并且基于通信网络的一个或多个条件来生成飞行的动态链路预算；基于所生成的动态链路预算来确定在飞行期间RF通信链路中存在一个或多个性能降级；如果确定在RF通信链路中存在一个或多个性能降级，则将一个或多个缓解应用于RF通信链路；以及基于所应用的一个或多个缓解来更新动态链路预算。

可选地，在基站处生成用户与飞行器之间的RF通信链路包括：选择用于用户与飞行器之间的通信的调制方案。

可选地，在基站处生成用户和飞行器之间的RF通信链路包括：选择用于用户与飞行器之间的通信的前向纠错码。

可选地，动态链路预算是基于由频谱监测设备和基站链路监测工具生成的信息。

可选地，频谱监测设备包括方向和功率检测部件，其被配置为检测在基站处不需要的RF信号的功率和方向。

可选地，对RF通信链路应用一个或多个缓解，其包括调整与动态链路预算相关联的一个或多个参数。

可选地，调整与动态链路预算相关联的一个或多个参数包括增加由基站的天线发送到飞行器的信号的功率。

可选地，确定RF通信链路中存在一个或多个干扰信号包括：确定一个或多个干扰信号在基站传播的方向。

可选地，对RF通信链路应用一个或多个缓解包括：控制波束调向天线在一个或多个干扰信号传播的方向上发送零信号。

根据一方面，一种非暂态计算机可读存储介质存储用于在空对地通信网络中分配RF频谱信道的一个或多个程序，程序由电子设备的一个或多个处理器执行，一个或多个处理器在由设备执行时使得设备：从用户接收飞行计划，其中飞行计划包括要在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中飞行的飞行定时、位置和高度信息；基于从用户接收的飞行计划确定通信网络的一个或多个覆盖区域中的RF可用性；基于接收的飞行计划从业务信道池中选择一个或多个RF频谱信道；基于所接收的飞行计划和从业务信道池中选择的一个或多个RF频谱信道，来确定通信网络中一个或多个干扰信号的存在；以及如果确定通信网络中不存在干扰信号，则为所接收的飞行计划预留所选择的一个或多个RF频谱信道。

可选地，其中飞行计划包括关于执行飞行计划的飞行器的无线电配置的信息。

可选地，使设备基于接收到的关于执行飞行计划的飞行器的无线电配置的信息来确定飞行器的吞吐量要求。

可选地，基于从用户接收的飞行计划确定通信网络的一个或多个覆盖区域中的RF可用性包括：基于接收的飞行计划生成用于飞行的一个或多个动态链路预算，其中每个动态链路预算被配置为确定通信网络的一个或多个覆盖区域中的通信链路的RF可用性，基于动态链路预算生成一个或多个地理围栏，以及基于动态链路预算确定RF可用性，该动态链路预算对应于通信网络的一个或多个覆盖区域，飞行器基于从用户收到的飞行计划要飞入该一个或多个覆盖区域。

可选地，其中业务信道池包括一个或多个保留的RF频谱信道，其中保留的RF频谱信道包括已经被保留的RF频谱信道。

可选地，其中使一个或多个处理器将所选择的一个或多个RF频谱信道发送到第三方管理机构以供批准，并且在接收到来自管理机构的批准时，为所接收的飞行计划预留所选择的一个或多个RF频谱信道。

可选地，其中使设备将所选择的一个或多个RF频谱信道发送到频谱管理系统。

可选地，其中基站控制器被配置为操作飞行员与飞行器之间的通信链路，飞行器用于在飞行期间执行所接收的飞行计划。

可选地，使设备选择调制方案来操作飞行员与飞行器之间的通信链路。

可选地，使该设备选择前向纠错码来操作飞行员与飞行器之间的通信链路。

可选地，一种非暂态计算机可读存储介质，其存储用于实现和维持空对地通信网络中的RF通信链路以在空对地通信网络中分配RF频谱信道的一个或多个程序，程序由电子设备的一个或多个处理器执行，当一个或多个处理器在由设备执行时使得设备：接收关于在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中进行的飞行的信息，其中信息包括与飞行相关联的一个或多个RF频谱信道；基于与飞行相关联的一个或多个RF频谱信道，在通信网络的基站处生成用户与进行飞行的飞行器之间RF通信链路；基于所接收的信息并且基于通信网络的一个或多个条件来生成飞行的动态链路预算；基于所生成的动态链路预算来确定在飞行期间RF通信链路中存在一个或多个性能降级；如果确定在RF通信链路中存在一个或多个性能降级，则将一个或多个缓解应用于RF通信链路；以及基于所应用的一个或多个缓解来更新动态链路预算。

可选地，关于将在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中进行的飞行的信息包括：将要在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中飞行的飞行定时、位置和高度信息。

可选地，在基站处生成用户与飞行器之间的RF通信链路包括：基于与飞行相关联的一个或多个RF频谱信道，以RF频率将数据从用户传送到飞行器。

可选地，在基站处生成用户与飞行器之间的RF通信链路包括：选择用于用户与飞行器之间的通信的前向纠错码。

可选地，频谱监测设备包括噪声基底监测工具，其被配置为检测基站处的噪声基底的功率电平。

可选地，调整与动态链路预算相关联的一个或多个参数包括：增加由基站的天线传送到飞行器的信号的功率。

附图说明

图1图示了根据本公开的示例的地到空网络。

图2图示了根据本公开的示例的用于地到空通信网络的RF频谱管理的示例性系统。

图3图示了根据本公开的示例的用于RF频谱分配和管理的示例性系统。

图4A图示了根据本公开的示例的示例性业务信道池。

图4B图示了根据本公开的示例的另一示例性业务信道池。

图5图示了根据本公开的示例的针对地到空通信网络的RF频谱管理的示例性信道分配过程。

图6图示了根据本公开的示例的示例性频谱监测设备。

图7图示了根据本公开的示例的示例性波束调向天线系统。

图8图示了根据本公开的示例的针对地到空通信网络的RF频谱管理的示例性飞行中过程。

图9图示了根据本公开的示例的针对网络的示例性系统

图10图示了根据本公开的示例的示例性计算系统。

具体实施方式

现在将详细参考本文描述的系统和方法的各个方面和变化的实现和实施例。虽然本文描述了系统和方法的若干示例性变型，但是系统和方法的其它变型可包括以具有所描述的全部或一些方面的组合的任何合适方式组合的本文描述的系统和方法的方面。

本文描述了用于分配和管理地面站与机载资产之间的RF通信的系统和方法。在本公开的一个或多个示例中，飞行员或其他用户可以生成飞行计划并将其发送到频谱管理系统中。另外地，或者可选择地，飞行员或用户还可以向频谱管理系统发送附加信息，例如他们在飞行期间将使用的飞行器类型/无线电配置，以及他们想要在飞行期间访问的一定量的数据吞吐量的请求。

在一个或多个示例中，在接收到飞行计划和/或来自飞行员的信息后，频谱管理系统继续将用户与RF频谱隙相匹配，以供飞行员在其计划的飞行期间使用。如下面进一步详细描述的，频谱管理系统可基于飞行员提交的信息和飞行计划以及其他因素(诸如对飞行过程中可能发生的射频频谱干扰的预测、RF覆盖范围预测以及飞行器在飞行过程中将穿越的一个或多个地理区域的RF频谱可用性)来选择飞行员使用的隙。

根据各个实施例，一旦已经为给定的飞行计划选择了一个或多个RF频谱隙，频谱管理系统还可以被配置为使用分配给飞行器的RF频谱隙及其飞行计划来实现飞行员/操作者与飞行器之间的通信链路。在一个或多个示例中，频谱管理系统可通过将所选择的RF频谱隙应用于地面基站并选择与通信链路相关联的其它参数来配置运营商与飞行器之间的通信链路。

在各种实施例的以下描述中，应理解，除非上下文另外明确指出，否则以下描述中使用的单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也旨在包括复数形式。还应当理解，本文所用的术语“和/或”是指并涵盖一个或多个相关所列项的任何和所有可能的组合。还应当理解，当在本文中使用时，术语“包括(includes)”，“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”指定了特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或单元的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件、单元和/或其组合的存在或添加。

本公开的某些方面包括本文中以算法的形式描述的处理步骤和指令。应注意，本发明的过程步骤和指令可实施于软件、固件或硬件中，且当实施于软件中时，可以下载并驻留在各种操作系统使用的不同平台上并在不同平台上运行。除非特别声明，否则如从以下讨论中显而易见的是，应当理解，在整个说明书中，利用诸如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“显示”、“生成”等术语的讨论指的是计算机系统或类似电子计算设备的动作和过程，该计算机系统或类似电子计算设备在计算机系统存储器或寄存器或其他该等信息存储、传输或显示设备中处理和转换表示为物理(电子)量的数据。

本公开在一些实施例中还涉及用于执行本文中操作的设备。该设备可以是为所需目的而专门构造的，或者它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机。这样的计算机程序可以存储在非暂态计算机可读存储介质中，例如但不限于任何类型的磁盘，包括软盘、USB闪存驱动器、外部硬盘驱动器、光盘、CD-ROM、磁光盘，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、专用集成电路(ASIC)、或适于存储电子指令的任何类型的介质，并且每种都连接到计算机系统总线。此外，说明书中提到的计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多个处理器设计的体系架构，诸如用于执行不同的功能或用于增加的计算能力。合适的处理器包括中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、现场可编程门阵列(FPGA)和ASIC。

本文描述的方法、设备和系统并不固有地涉及任何特定的计算机或其它装置。各种通用系统也可以与根据本文教导的程序一起使用，或者可以证明构造更专用的装置来执行所需的方法步骤是方便的。各种这些系统所需的结构将从下面的描述中显现出来。此外，本发明不参考任何特定编程语言来描述。应当理解，可以使用多种编程语言来实现如这里描述的本公开的教导。

当飞行器在飞行中时，关键是飞行器具有与地面的可靠且连续的通信链路。例如，在无人驾驶飞行器(UAV)的情况下，其中飞行器由操作者从地面飞行和控制，操作者需要不断更新有关无人驾驶飞行器状态的信息。为了便于无人飞行，UAV必须与地面上的操作者保持持续联系，使得它们可以接收指令，并且还使得它们可以发送重要的遥测信息以让操作者知道飞行的状态。然而，随着全世界的空中交通增加，在飞行器的整个飞行期间向飞行器提供可靠且连续的通信链路可能会成为一项复杂的工作。地对空通信网络可以包括许多飞行器、地面站和需要协调的地理区域，以便确保网络中的单个飞行器在其飞行期间可以被提供有可靠且连续的通信信道。

图1图示了根据本公开的示例的地到空网络。图1的示例示出了可被配置为提供一个或多个地面基站104a-104c与飞行中的一个或多个飞行器102之间的通信的示例性通信网络100。在一个或多个示例中，通信网络100可以包括一个或多个地面基站104a-104c。每一个地面基站104a-104c包括被配置为将通信从地面传送给一个或多个飞行器102的一个或多个天线。在一个或多个示例中，每个地面基站104a-104c可以被配置在覆盖区域108a-108c内提供传输。例如，地面基站104a可以被配置为在地理覆盖区域108a上发送RF频谱无线电信号。地面基站104b可以被配置为在地理覆盖区域108b上发送RF频谱无线电信号，并且地面基站104c可以被配置为在地理覆盖区域108c上发送RF频谱无线电信号。在一个或多个示例中，地理覆盖区域108a-108c可以是三维区域，其不仅覆盖一定范围的纬度和经度，而且提供对从地面向上直到最大可用高度的区域的覆盖。

在一个或多个示例中，每个飞行器102可以在其飞行期间从一个地面基站切换到下一个地面基站。例如，在飞行开始时，地面基站104a可以负责当飞行器102在覆盖区域108a内时为在地面上的操作者和飞行器之间提供通信信道。如果在飞行期间，飞行器从覆盖区域108a过渡到覆盖区域108b，则提供通信信道的责任可以从地面基站104a过渡到地面站104b。如果在飞行期间，飞行器102从覆盖区域108b过渡到覆盖区域108c，则提供通信信道的责任可以从地面基站104b过渡到地面站104c。以这种方式，通信网络100可以被配置以确保飞行器在沿着其飞行计划的任何点处具有与至少一个地面基站建立的通信信道，只要飞行计划在其飞行期间的任何点处经过至少一个覆盖区域。

在一个或多个示例中，每个基站104a-104c可以分别通信地耦合到基站控制器106a-106c。因此，在一个或多个实例中，地面基站104a可通信地耦合到基站控制器106a，地面基站104b可通信地耦合到基站控制器106b，且地面基站104c可通信地耦合到基站控制器106c。如下面进一步详细描述的，当飞行器正在穿越与控制器被配置为操作的基站相对应的覆盖区域108a-108c时，每个基站控制器可以被配置为在地面操作者和飞行器102之间实现基于RF的通信信道。在一个或多个示例中，实现基于RF的通信信道可以包括将由操作者发送的信号调制到分配给飞行器102的RF频谱频率，将适当的调制方案应用于所发送的信号，以及应用诸如纠错码的任何其他物理层通信协议。

在一个或多个示例中，通信网络100的目标可以是向在网络内操作的任何给定飞行器102提供在其飞行的整个持续时间内连续且可靠的RF频谱信道。在一个或多个示例中，向飞行器提供连续且可靠的RF频谱可以包括向飞行器提供单个RF频谱信道(即，隙)，该RF频谱信道可以在飞行器的整个飞行期间可靠地用于与地面通信。在一个或多个示例中，给定空域中的每个飞行器可以使用专用RF频谱信道(即，RF频谱中的频率范围，该频率范围对于飞行器是唯一的，并且可以仅由该单个飞行器用来发送和从地面接收通信)与地面通信。为了促进有效的飞行操作，在一个或多个示例中，耦合到其相应基站控制器106a-106c的每个地面基站104a-104c可以被配置为确保其覆盖区域108a-108c中的每个飞行器能够使用在分配给该飞行器的RF频谱信道中发送的通信来与地面通信。

分配给飞行器专用的RF频谱信道以使其整个飞行期间使用可能是困难的。通常，给定的基站负责在任何给定的时刻为数百次飞行提供通信信道，其中覆盖范围内的每个飞行器需要其自己的专用RF频谱信道，使得其可以与地面进行通信，而不受空中空间中的其它空中交通的干扰。此外，由于飞行在给定飞行期间可穿越多个基站，因此为飞行分配专用的RF频谱信道，使其在整个飞行过程中都能专用的RF频谱信道与地面进行无竞争的通信，这需要高度的协调，以确保没有两个飞行器使用相同的RF频谱信道穿越相同覆盖区。此外，由于给定覆盖区域中的RF环境是动态的，因此不仅需要确保给定覆盖区域中没有两个飞行在同一RF信道上操作，而且还需要确保飞行器与地面之间的任何通信不会受到来自可在给定覆盖区域中操作的各种噪声源的干扰。这些噪声源可以包括RF噪声基底，相关或不相关的网络同信道或相邻信道干扰以及带外干扰源。

为了协调RF频谱信道到飞行器的分配，在一个或多个示例中，可实施配置为支持安全航空运行的动态频谱管理系统，以协调在给定通信网络中运行的飞行器的射频频谱信道分配。在一个或多个示例中，频谱管理系统可以以确定性的方式分配频谱和业务信道，以确保地面基站和网络中飞行器上运行的机载无线电之间有可用的无线电资源。

图2图示了根据本公开的示例的用于地面到空中通信网络的RF频谱管理的示例性系统。在本公开的一个或多个示例中，图2的通信网络200可以包括与以上参考图1描述的通信网络100相同的组件(即，飞行器102、地面基站104a-104c和基站控制器106a-106c)，但是也可以包括一个或多个频谱管理系统组件(以下进一步详细描述)，其可以管理向网络200中的飞行器102分配RF频谱信道的过程。

在本公开的一个或多个示例中，一个或多个飞行员/操作者206可以连接到网络200，以便将数据(诸如命令和控制数据)发送到一个或多个飞行器。每个飞行员206可以通过频谱管理系统202通信地耦合到网络200，频谱管理系统202可以被配置为向由飞行员206控制的每个飞行器102分配RF频谱信道。在一个或多个示例中，频谱管理系统202可被配置为通过使用分配给每个飞行器的指定RF频谱信道建立RF通信链路，来促进每个飞行员206与其相应飞行器102之间的通信链路。

在本公开的一个或多个示例中，频谱管理系统可以被配置为实时地管理飞行器102与飞行员/操作员206之间的每个通信链路。因此，在一个或多个示例中，如果频谱管理系统202确定给定通信链路已受损或降级，则频谱管理系统202可采取行动来调整通信链路以缓解该问题。例如，在一个或多个示例中，如果由飞行器102使用的给定RF频谱信道不再令人满意地执行或满足所需规范，则频谱信道管理系统202可以实时地将RF频谱信道(下面详细描述)改变为备选可用信道，以确保每个飞行器维持可靠的RF通信链路。在一个或多个示例中，如果飞行员偏离他们公布的飞行计划(例如通过飞行长于预期)，则频谱管理系统202可被配置为采取行动(例如通过切换RF信道)以确保缓解对通信信道的任何中断。

在本公开的一个或多个示例中，除了实时地管理通信信道之外，频谱管理系统202还可以被配置为针对在飞行期间要使用的给定飞行分配和预留一个或多个RF信道。如下面进一步详细描述的，频谱管理系统202可以从飞行员/操作者206接收飞行计划，并且基于所提交的飞行计划以及其他因素，可以以考虑在飞行期间可能遇到的潜在干扰的确定性方式向每个飞行分配RF信道。

在一个或多个示例中，并且除了将业务信道分配给飞行器以与地面通信之外，频谱管理系统202还可以被配置为将业务信道分配给一个或多个地面基站以用于广播/多播服务的目的，与地面基站通信的机载无线电可以利用广播/多播服务来获得对服务(诸如飞行器高度计更新、增强型GPS(RTK)和其他航空相关服务)的访问。在一个或多个示例中，频谱管理系统202还可以将待分配的业务信道分配给基于地面的站，以便对来自机载无线电的按需请求或业务信道进行动态分配，机载无线电与基于地面的站通信但在地面站控制信道上处于空闲模式。使用这些信道的示例包括在其它网络(即，蜂窝、卫星或其它公共/专用陆地网络)上操作的飞行器，其它网络试图将这种服务转换到另一航空网络。在一个或多个示例中，为了便于转换，地面基站可以根据飞行员的请求将子信道动态分配给实时频谱管理系统202和地面基站。一旦分配了业务信道，飞行器将在所分配的信道上继续飞行操作，直到飞行操作完成或不再需要信道(即，飞行器已经从另一地面基站或其它服务提供方获得服务)。一旦不再需要信道，在一个或多个示例中，可以将动态分配给飞行器的信道返回到动态分配的业务信道池，以便将来动态分配给需要动态分配信道的另一飞行器。在一个或多个示例中，在如上的动态分配的交通信道的情况下，频谱管理系统202可以知道为分配了动态信道的给定飞行器提交的飞行计划，即使该飞行计划可以由另一网络提供服务。在一个或多个示例中，频谱管理系统202可以通过沿着控制信道的连通性来知道飞行器的空中无线电的位置，该控制信道可以连续地监测飞行器的位置，同时连续地更新频谱管理系统202以及波束成形天线系统，这两者都被准备用于在请求后提供业务信道。

在一个或多个示例中，上述频谱分配过程可以由频谱管理系统202来实现，或者可以在本文被称为“数字孪生(digital twin)”的单独组件中进行处理。由于大量的信息和给定空域中数万终端用户的频谱和/或业务信道请求的可能性，频谱管理系统的数字孪生可用于执行所需的分析而不影响操作系统。在一个或多个示例中，并且如图2的示例所图示的，数字孪生204可以与频谱管理系统202分开实现，以便减少频谱管理系统202的处理负载，从而使其自由地执行与管理通过由频谱管理系统202管理的空域的飞行器的活动通信信道相关联的实时操作。可选择地，数字孪生204也可以被实现为频谱管理系统的一部分，使得空中通信链路的实时管理和飞行计划由相同的组件执行。

在一个或多个示例中，数字孪生204可被配置为从飞行员206接收一个或多个对在给定飞行计划期间使用的频谱的请求。数字孪生使用由飞行员提供的飞行计划以及其他因素(下面描述)能够确定在飞行器的飞行开始时分配给飞行器的RF频谱信道。一旦在数字孪生204中确认了请求，就可以执行在可操作频谱管理系统202上的通信信道的执行和分配。

如上所述，频谱管理系统202和数字孪生飞行器204可以协调给定通信网络中多个飞行器的RF频谱需求，以便确保每个单独的飞行器在其整个飞行期间都可以访问与地面的可靠且连续的通信信道。在一个或多个示例中，频谱管理系统202和数字孪生204可以协同工作来为单个飞行器分配和预留RF频谱信道，并且如下所述，可以监测飞行中的每个单独的通信链路，以确保该通信链路按照其要求运行。

选择RF信道以分配给给定的飞行可以包括分析多个变量以确保所选择的信道将在飞行器的整个飞行期间服务飞行器的需要。在一个或多个示例中，频谱管理系统202和数字孪生能够分析诸如可用频谱资源、无线电链路吞吐量和性能要求、位置(包括仰角)、时间段以及无线电频率环境的若干变量，以在飞行员与飞行器之间分配非竞争资源。在一个或多个示例中，影响信道选择的变量可以由频谱管理系统202的若干内部和外部组件来填充，这些内部和外部组件一起工作以将飞行器匹配到一个或多个RF信道，以供在如下所述的飞行期间使用。

在一个或多个示例中，数字孪生可以使用机器学习和/或预测分析来增强其性能。在一个或多个示例中，考虑到外部因素的影响，数字孪生可以使用机器学习和/或预测分析来预测飞行器的性能。外部因素可以包括天气、空速、气压和/或可能影响飞行性能并因此影响网络的可预测性的其它因素。在一个或多个示例中，数字孪生可以使用机器学习和/或预测分析基于外部因素或飞行性能来预测网络干扰。

在一个或多个示例中，通信网络中的每个飞行员可以在其飞行之前和飞行期间经由频谱管理系统202和数字孪生204与通信网络接口。在飞行之前，并且如下所述，飞行员可以与频谱管理系统和数字孪生接口，以基于他们提交的飞行计划和其他变量接收在他们的飞行期间使用的RF频谱信道分配。在飞行期间，频谱管理系统202可以将所分配的RF频谱信道提供给飞行器和飞行员以建立连续的通信链路，并且频谱管理系统可以在飞行期间监测该链路以确保其在规范内执行。

在本公开的一个或多个示例中，网络200可以包括未连接到频谱管理系统202的一个或多个基站。在一个或多个示例中，提供和维护对频谱管理系统202的访问的服务提供方可以不向每个期望的地理位置提供覆盖。在一个或多个示例中，在飞行员可能想要操作飞行但不落入现有基站的覆盖区域内的区域中，服务提供方可以向飞行员提供临时或便携式基站208。在一个或多个示例中，临时/便携式基站可以不具有与频谱管理系统202的连接，因此不能为了向飞行器提供RF信道的目的而接收/向频谱管理系统发送信息。

在一个或多个示例中，临时/便携式基站208可用于在临时/便携式基站208与用于飞行操作的一个或多个飞行器无线电之间建立点对点和多点链路。在本公开的一个或多个示例中，临时/便携式基站208的运营商可以向服务提供方通知基站208的“操作概念”，该“操作概念”描述了飞行器的数量、它们将飞行的次数以及它们将用于与飞行器通信的频谱。虽然频谱监测系统202可以不向临时/便携式基站208发送实时信息，但是频谱管理系统202可以使用临时/便携式基站208的操作概念来更新连接到网络的基站106a-106c的地理围栏(下面详细描述)，并且可以工作以确保在其网络200内飞行的飞行不会对临时/便携式基站208的飞行操作造成干扰。在一个或多个示例中，频谱管理系统202可以向经过网络200的飞行的操作者通知由临时/便携式基站208引起的对其操作的物理限制，并且可以在进行RF频谱时隙分配时将临时/便携式基站208的操作纳入考虑。这样，虽然频谱管理系统202可以不协调临时/便携式基站208的操作，但是它可以用于保护它自己的网络(即，连接到频谱管理系统的基站)免受临时/便携式基站的点对点操作的操作。

图3图示了根据本公开的示例的用于RF频谱分配和管理的示例性系统。在一个或多个示例中，系统300可表示图1至2所示的通信网络的单个链路，并包括管理飞行员/终端用户302与飞行器336之间的链路的组件。在本公开的一个或多个示例中，飞行员302与飞行器336之间的链路的规划、创建和操作可以从飞行员302向数字孪生304提交关于其提议飞行的信息开始。在一个或多个示例中，如图3所示，由飞行员302发送到数字孪生304的信息可包括飞行计划、飞行器/无线电配置和吞吐量要求。

在一个或多个示例中，由飞行员302提交的飞行计划可以包括飞行任务细节(诸如在计划飞行期间飞行器的预期定时、高度、位置和速度)。在一个或多个示例中，飞行员302可向管理机构(诸如联邦航空管理局(FAA))提交飞行计划以供批准，且另外经由数字孪生304将飞行计划发送到频谱管理系统，以便获得一个或多个RF频谱信道以供在所提议的飞行期间使用。除了飞行计划之外，飞行员302可以向数字孪生304发送附加信息，数字孪生可以使用该附加信息来选择和向用户分配RF频谱信道。例如，在一个或多个示例中，飞行员304可发送飞行器或无线电的配置，以便通知数字孪生304关于飞行期间飞行员将与其通信的无线电的类型。对无线电配置的了解可以允许数字孪生304不仅理解飞行器的频谱需要，而且还可以允许数字孪生确定和预测关于通信信道的其它必要信息，诸如将在飞行中活动的调制方案和前向纠错码。

在本公开的一个或多个示例中，飞行员302还可以向数字孪生304发送吞吐量要求。在一个或多个示例中，吞吐量要求可以表示需要在通信链路上发送和接收的数据量。在一个或多个示例中，吞吐量可以由飞行员302指定，或者可以基于由飞行员提交的飞行器/无线电配置导出。例如，在一个或多个示例中，特定飞行器(诸如UAV)针对信道可能需要一定的数据吞吐量来适当地操作其自动驾驶功能，并且因此通过知道飞行器类型，系统可以得出该飞行的吞吐量要求。如下面详细描述的，吞吐量要求可用于确定RF频谱信道的带宽总量，并因此可通知具有有效带宽的一个或多个信道的选择以适应飞行的吞吐量要求。

如上所述，数字孪生104可以使用飞行计划和由飞行员302发送给它的其他信息以及其他信息来选择一个或多个RF频谱信道，以供飞行员302在其飞行期间使用。在一个或多个示例中，数字孪生104可访问业务信道池314以确定服务给定飞行的RF频谱信道的可用性。在一个或多个示例中，业务信道池314可以表示可能用于服务给定飞行的所有RF频谱信道。然而，由于在任何给定时间的网络中可以有多个飞行器，并且需要为紧急目的预留某些信道(下面详细描述)，因此在基于其飞行计划的飞行所需的时间和位置中，不是业务信道池314中的每个信道都可由特定飞行器使用。

图4A图示了根据本公开的示例的示例性业务信道池。在一个或多个示例中，业务信道池400可以包括最小频率402和最大频率404。最小频率402和最大值404之间的总范围可以表示网络的总RF频谱范围。在图4A的示例中，最小频率被示为454.665MHz，而最大频率404被示为454.985MHz，这意味着总RF频谱范围是320kHz。因此，必须为由通信网络操作的每个飞行分配320kHz频谱范围内的信道。图4A的示例中所示的频率值仅作为示例，而不应被视为对本发明的限制。

在一个或多个示例中，由最小频率402和最大频率404创建的RF频谱范围可被细分为一个或多个信道406。每一个信道406可表示可分配给单个用户的RF频谱范围的最小子部分。在图4A的例子中，320kHz的RF频谱范围可以分成64个单个的信道，每个信道表示5kHz的范围。在一个或多个示例中，飞行所需的用于其预期飞行计划的信道数量可以基于如上所述由用户定义的吞吐量要求。例如，在一个或多个示例中，如果用户需要大于5kHz可服务的带宽，则系统可分配多个信道406来服务飞行。例如，如果飞行基于其吞吐量要求需要15kHz的带宽，则系统可以在业务信道池400中分配三个相邻或不相邻的5kHz信道，使得飞行可以具有与其吞吐量要求相称的带宽分配。以上和贯穿本申请所述的信道大小和频率仅作为示例，并且不应被解释为限制，因为贯穿本申请描述的技术可以应用于不同的频率和信道大小，并且仍然落入本公开的范围内。

如上所述，假定在任何给定时间内可能存在在网络上操作的多个飞行，则对于给定的飞行计划，不是业务信道池400的RF频谱范围中的每个信道都可用。使用图4A的示例，一个或多个信道408可能先前已经被分配给其他飞行计划，因此当决定分配哪个信道时可能不可用于分配给给定用户。另外，在一个或多个示例中，某些预留信道410可以被预留用于紧急使用，因此不可用于分配。例如，如果在飞行期间，由于不可预见的情况，信道的性能降低，则系统可以将飞行从其分配的一个/多个信道切换到预留信道408之一，使得它可以维持与地面的可靠通信链路。在一个或多个示例中，业务信道池400可以包括一个或多个受限信道(未示出)，这些受限信道不能被系统使用，因为监管机构可能实施的各种标准和规则禁止使用这些信号。在一个或多个示例中，业务信道池400中一个或多个信道被指定为“在使用中”，因为该特定信道由当前操作的飞行计划使用，或者在正被计划的当前飞行将被操作时将由另一飞行计划使用。在一个或多个示例中，可以将业务信道池400指定为“动态分配的”信道。如上所述，动态分配的信道可以被分配给地面站，用于动态分配给飞行器，以便与地面站通信，即使飞行可能未积极地使用地面站正在运行的网络。使用这些信道的示例包括在其他网络(即，蜂窝、卫星或其他公共/专用地面网络)上操作的飞行器，这些网络试图将这种服务转换到另一航空网络。在一个或多个示例中，为了便于转换，地面基站可以根据飞行员的请求将子信道动态分配给实时频谱管理系统202和地面基站。一旦分配了业务信道，飞行器将在所分配的信道上继续飞行操作，直到飞行操作完成或不再需要信道(即，飞行器已经从另一地面基站或其它服务提供方获得服务)。一旦不再需要信道，在一个或多个示例中，可以将动态分配给飞行器的信道返回到动态分配的业务信道池中，以便将来动态分配给需要动态分配信道的另一飞行器。在一个或多个示例中，在如上所述的动态分配的业务信道的情况下，频谱管理系统202可以知道为分配了动态信道的给定飞行器提交的飞行计划，即使该飞行计划可以由另一网络提供服务。在一个或多个示例中，频谱管理系统202可以通过沿着控制信道的连通性来知道飞行器的空中无线电的位置，该控制信道可以连续地监测飞行器的位置，同时连续地更新频谱管理系统202以及波束成形天线系统，这两者都被准备用于在请求后提供业务信道。因此，在一个或多个示例中，业务信道池400可以具有一个或多个“动态分配的”信道，这些信道被保留以用于在上述场景中使用，并且因此可能不可用于在网络中操作的飞行。

上述图4A的示例提供了业务信道池的示例，其中每个飞行器被分配了自己的专用业务信道，用于在飞行期间承载飞行员与UAS之间的通信。然而，该示例不应被视为限制性的。例如，在一个或多个示例中，多个UAS可以例如通过在多个UAS之间对信道进行时分复用来共享单个信道，而不是为每个UAS分配其自己的业务信道。图4B图示了根据本公开的示例的另一示例性业务信道池。在一个或多个示例中，业务信道410可以包括类似于图4A的示例的多个子信道416，特别是图4A的信道406。

然而，与图4A的示例相反，在一个或多个示例中，可以将多个UAS分配给同一信道416，而不是将分配给基站的每个UAS分配给其自己的单独信道。例如，在一个或多个示例中，并且如图4B的示例业务信道池416中所图示的，多个UAS可以使用系统来共享单个子信道416，在该系统中分配给相同子信道的每个UAS的通信被时分复用。例如，在一个或多个示例中，特定子信道416可以具有预定义的多个时隙。

参见图4B的示例，在一个或多个示例中，子信道416可被划分成多个时隙414。在一个或多个示例中，分配给同一信道的多个UAS可以在特定时间期间在分配给它们的一个时隙/多个时隙期间发送数据。例如，子信道416(标记为SubCh1)可以被分配给四个不同的飞行器(UAS1-UAS4)。在一个或多个示例中，每个飞行器可以被分配到给定子信道的一定数量的时隙，例如UAS1可以被分配到时隙412A，UAS2可以被分配到时隙412B，UAS3可以被分配到时隙412C，并且UAS4可以被分配到时隙412D。在一个或多个示例中，每个时隙可被配置为使得每个UAS在指定到给定子信道的任何UAS在给定帧中第二次发送之前发送一次。这样，分配到给定子信道的每个UAS都可以在给定时隙内发送数据。例如，UAS1-UAS4可以以循环配置发送数据，使得每个UAS1-UAS4在分配给信道的任何UAS在第二时隙期间发送数据之前的时隙期间发送。

在一个或多个示例中，可以预先定义时隙内的帧的大小和时隙的大小。例如，在一个或多个示例中，可以预先确定帧的大小，以优化具有可以改善信道性能(例如改善前向纠错(FEC)性能)的大帧和最小化信道延迟的小帧大小之间的平衡。在一个或多个示例中，帧大小也可以由通信信道任一端上的硬件来确定。例如，如果无线电使用大小为20ms的帧，则可以将业务信道池416的帧大小设置为无线电的帧大小的整数倍(即80ms)。在一个或多个示例中，帧大小和时隙的长度可由用户配置以满足指派给时隙的实体的通信需要。因此，与业务信道池的每个子信道专用于单个飞行器的示例相比，图4B的示例可以允许4倍数量的UAS使用业务信道池410。类似于图4A的示例，一个或多个子信道418可被保留(即，未被分配给任何飞行器)以在紧急情况下被保持或用于以上关于图4A描述的其它保留用途。此外，类似于图4A的示例，一个或多个子信道也可以被分配给单个UAS，而另一个子信道可以由多个UAS共享。

在一个或多个示例中，图4B的业务信道池416可以表示与从地面到飞行器的传输相关联的前向时隙结构。在一个或多个示例中，返回时隙结构(即，从飞行器到地面的传输)可以与前向帧结构几乎相同，除了与特定飞行器相关联的返回业务可以被分配与前向帧中分配给飞行器的时隙不同的时隙，以便允许飞行器无线电的半双工操作。在一个或多个示例中，返回时隙也可以被放置在与前向时隙不同的RF子信道中。在一个或多个示例中，允许单个RF信道在时间上被多个飞行器划分，可以通过允许更多的飞行器使用业务信道池的RF子信道来提高频谱效率，而不是将单个飞行器分配到它自己的专用RF子信道中。

返回到图3的示例，数字孪生304可以从业务信道池314中选择一个或多个信道，如上所述，业务信道池314可以包括可用子信道316、保留信道318和受限业务信道320。然而，在一个或多个示例中，简单地选择用于分配的一个或多个可用子信道或信道可能不意味着使用该信道的通信链路在整个飞行中将是可靠的。诸如飞行期间经历的预测RF环境或预测干扰等各种因素可导致给定信道在飞行期间发生故障。因此，如下所述，作为分配过程的一部分，数字孪生304还可以执行分析以确保信道将是可用的，并且在飞行的整个持续时间内按要求执行。

为了向飞行器分配RF信道，在一个或多个示例中，数字孪生304可以首先确定RF覆盖是否可在飞行器的整个飞行期间用于飞行器。为此，在一个或多个示例中，频谱管理系统的数字孪生104可以对网络中的每个地面站的覆盖区域进行“地理围栏”，如306所示。在一个或多个示例中，“地理围栏”306可以指覆盖区域内的区域，在该区域中存在用于飞行业务的足够的RF可用性。在一个或多个示例中，当飞行员302提交飞行计划时，系统可查询地理围栏306以确保在计划的整个路径上以及在飞行计划中表示的所有高度处存在RF可用性。在本公开的一个或多个示例中，地理围栏可以与飞行的飞行员/操作者共享，并且可以被编程到飞行器的自动驾驶仪中以在飞行期间使用。

在一个或多个示例中，可以使用由数字孪生304维护的动态链路预算308来创建地理围栏。在一个或多个示例中，每个地理围栏306可以具有其自己的动态链路预算308。动态链路预算308可以确定在任何特定时刻给定地理围栏的RF可用性是什么，并且甚至可以基于各种参数预测给定地理围栏将来的RF可用性。在一个或多个示例中，动态链路预算308可以包括诸如天线增益、RF损耗、接收器灵敏度、功率、频率、频谱带宽、业务信道大小/数量(即，子信道、资源块)、服务质量(QOS)要求、调制、频谱监测系统结果(下面进一步详细描述)以及任何已知同信道干扰源的位置之类的参数。动态链路预算308还可以包括RF安全裕度，以确保地理围栏306中的可靠通信信号。在一个或多个示例中，操作频谱管理系统322(下文详细描述)可维持链路预算的实时版本，链路预算基于RF环境中的改变条件而改变。在一个或多个示例中，数字孪生304可维持链路预算的模型，且动态链路预算308可用于基于给定飞行路径所涉及的时间来预测将来时间处的RF条件。在一个或多个示例中，可使用区域中的每一基站处的RF频谱活动的测量来验证每一地理围栏的动态链路预算，以确保动态链路预算包含最新信息且准确地反映动态链路预算打算建模的RF环境。在一个或多个示例中，每个地理围栏可以被配置为基于以下来预测覆盖范围：呈现给频谱管理系统的飞行计划的组件、在每个基础状态下采用的频谱监测系统、在每个基站和/或卫星处的波束/零形成天线的能力、以及其他机载无线电的已知位置。在一个或多个示例中，可以监测在基站处创建的无线电链路的实际性能，并且将信息发送到频谱管理系统以用于地理围栏的验证和修改。

在一个或多个示例中，并且作为向飞行器分配RF频谱信道的过程的一部分，数字孪生104可以交叉参考校准的RF覆盖预测工具310与动态链路预算。在一个或多个示例中，RF覆盖预测工具310使用适当的RF预测模型、形态、拓扑、天线方向图特性和天线高度，基于远程无线电配置和用户要求来创建动态地理围栏覆盖区域。在一个或多个示例中，RF覆盖预测工具310可以使用机器学习和/或预测分析来创建动态地理围栏覆盖区域。在一个或多个示例中，RF覆盖预测工具310可用于基于飞行的现场飞行计划为飞行将经过的每个地理围栏覆盖区域生成动态链路预算。在一个或多个示例中，如果经由动态链路预算确定给定的飞行计划可能不能在其整个飞行期间维持可靠的通信信道，则可以通知飞行员302其的飞行计划必须被改变，以便给予飞行器336和飞行员302在飞行持续时间所需的通信信道。在一个或多个示例中，如果确定飞行计划是可服务的，则在本公开的一个或多个示例中，可以相对动态干扰和共存预测工具312(“干扰工具”)交叉参考从业务信道池分配给飞行的一个或多个特定RF频谱信道，以确定如上所述分配给飞行的特定频率是否潜在干扰网络中的另一飞行或被其干扰。在一个或多个示例中，干扰工具312可以被配置为计算可能在飞行期间发生的已知同信道干扰。在一个或多个示例中，同信道干扰可以由在网络中操作的其他远程无线电引起，这些远程无线电可以在地理上和高度上分布于给定飞行基于其飞行计划将经过的地理覆盖区域上。如果确定同信道干扰可影响给定的信道分配，则在一个或多个示例中，数字孪生304可从业务信道池中选择另一信道或多个信道，并使用干扰工具312来分析所分配的信道，以确定该信道在由飞行员302发送的整个飞行计划中是否可靠且可用。在一个或多个示例中，频谱管理系统可以使用干扰工具312来设置一个或多个禁区(即，飞行器不被允许飞行的地方)。另外，频谱管理系统可基于各种规章要求、干扰、点对点操作和包括卫星或地面通信网络的备选技术操作来设置一个或多个禁区。

在一个或多个示例中，频谱管理系统可以确定飞行过程中所涉及的每个地理围栏覆盖区域之间的切换点。在一个或多个示例中，切换点可以指时间或位置，在该时间或位置，去往/来自飞行器的传输被从一个基站或卫星转移到另一个基站或卫星，而飞行器不失去连通性。切换点的位置和高度可以由RF覆盖预测工具310在飞行之前计算。在一个或多个示例中，可以使与预测的切换点相关的信息在飞行之前为飞行员所知。飞行员可以使用与预测的切换点相关的信息来帮助确定禁区、清除资源分配中的冲突、以及配置相关地理围栏覆盖区域中的设备和天线系统的过程。在一个或多个示例中，可以将与预测的切换点相关的信息编程到自动驾驶仪中，使得飞行器和飞行员在完成飞行之前知道切换活动。

因此，如上所述，动态链路预算308(结合动态RF覆盖预测工具310)可被配置为确定给定飞行计划在飞行计划期间的所有点和时间内是否具有RF覆盖，而干扰工具312可被配置为确保从业务信道池314分配的信道在飞行期间不会受到有害的干扰。

在一个或多个示例中，频谱管理系统可以与其他频谱管理系统交互以形成网络的网络(a network of networks)来服务特定飞行计划。在一个或多个示例中，多个频谱管理系统的协调可以由空域集成方来执行。当具有特定频谱管理系统的一个特定无线服务的覆盖不能满足所请求的飞行计划的需要时，空域集成方可以允许多个频谱管理系统一起有效地工作以解决飞行计划的覆盖要求。在一个或多个示例中，空域集成方可包括来自全球利益相关方(例如，空中交通监管方、军事飞行操作方、航空航天管理方等)的信息、天气服务、与国家航空航天有关的民事规则、以及无人交通管理系统。空域集成方可以使用集成的信息来为飞行器分配物理空间，以及帮助无线网络运营商利用其频谱管理系统来确保基于提交的飞行计划的可预测的飞行性能。下面进一步提供示例性空气空域集成方的详细描述。

如上所述，如果网络的该网络、动态链路预算308或干扰工具312确定在飞行期间不能建立可靠的RF链路，或者满足飞行计划需要的信道在所提议的飞行时间期间不可用，则在一个或多个示例中，数字孪生304可以通知飞行员302需要调整飞行计划。

图5图示了根据本公开的示例的用于地到空通信网络的RF频谱管理的示例性信道分配过程。图5的过程500可说明飞行员302与数字孪生304之间的交互以接收如上所述的RF频谱信道分配。在一个或多个示例中，过程500可以开始于步骤502，其中系统(经由数字孪生304)可以从系统的飞行员或用户接收飞行信息，该飞行员或用户想要为给定飞行预留一个或多个RF频谱信道。如上所述，参考图3，在步骤504处接收的飞行信息可以包括飞行计划、飞行器/无线电配置和吞吐量要求。因此，在步骤502处，数字孪生304可以从飞行员/操作者接收确定给定飞行的RF信道需求以及飞行在其飞行期间将占据的地理位置和高度所必需的信息。

在一个或多个示例中，一旦在步骤502处接收到信息，过程500便可移动到步骤504，其中可对照站点覆盖和可用信道容量来映射所接收的飞行信息。在一个或多个示例中，在步骤504处，数字孪生304可使用从飞行员302接收的信息来确定是否存在对整个提议飞行的RF覆盖(如由动态链路预算308确定的)，数字孪生304还可从业务池314分配一个或多个可用信道，并可以使用干扰工具312来确定是否存在对信道的任何潜在干扰。在一个或多个示例中，确定整个飞行的RF覆盖可包括：对于将由飞行计划使用的每个RF信道，确保信道上存在可用时隙以便于来自与飞行计划相关联的飞行器的传输。在一个或多个示例中，确定RF覆盖可以包括考虑可能影响RF服务的任何因素，诸如干扰源。因此，在一个或多个示例中，将飞行计划映射到站点覆盖不仅可以包括确定RF业务资源是否可用于飞行，而且还可以包括确定飞行期间的RF服务质量是否满足可接受的最小阈值。

在一个或多个示例中，在步骤504处，一旦飞行已经被映射到站点覆盖和可用信道容量以便选择在飞行期间使用的一个或多个信道，则过程500可以移动到步骤506处，其中确认信道的可用性并且请求批准具有信道分配的飞行计划。在一个或多个示例中，可能需要诸如联邦航空管理局(FAA)的监管机构来批准包括信道分配的任何飞行计划。因此，在步骤506处，一旦已经分配了信道并且已经确认了信道的可用性，则可以将具有频谱分配的飞行计划发送到管理机构以便在需要时进行批准。

在步骤504中对照站点覆盖和可用信道容量映射飞行之后，如果在步骤506中系统不能确认信道可用性，则在一个或多个示例中，系统可以拒绝所接收的飞行计划，并警告用户该飞行计划已被拒绝。附加地或可选择地，在一个或多个示例中，除了基于缺乏信道可用性来拒绝飞行计划之外，系统还可以向用户提供建议的修改计划，该建议的修改计划允许飞行器以将确保整个飞行的RF信道可用性的方式从其预期起点行进到其预期目的地(基于用户提交的飞行计划)。在一个或多个示例中，修改飞行计划可以包括基于正进行飞行的空域类别、基于通信网络的RF覆盖可用性、或基于通信网络的业务信道可用性，来修改飞行器的预期地理路线(例如，位置和高度信息)。附加地或可选择地，代替重新规划飞行路线，在一个或多个示例中，系统可基于业务信道可用性来修改其中可进行飞行的时间窗(即飞行可起飞的时间)。可选择地，在一个或多个示例中，根据飞行的优先级，代替修改飞行计划，系统可以修改通信网络支持飞行计划的能力(例如，通过基于其优先级改变或取消通信网络中的另一飞行计划，并警告与该飞行相关联的用户其飞行计划已被改变或取消)。例如，如果飞行计划由具有高优先级的用户提交给系统(例如用于医疗飞行)，则在一个或多个示例中，系统可以修改或取消其他较低优先级飞行的飞行计划，以便在所提交的用于优先飞行的飞行计划中建议的飞行期间确保用于优先飞行的RF信道可用性。

在一个或多个示例中，一旦在步骤506处发送了批准请求，则过程500可移至步骤508，其中可接收来自监管机构的批准。另外，在步骤508处，一旦接收到批准，则系统(即，数字孪生304)可以预留最初分配给飞行并由管理机构批准的一个或多个信道。在一个或多个示例中，一旦在步骤508处已经预留了信道，则过程500可以移动到步骤510，其中预留的信道被分配给飞行员和飞行器以供在执行飞行计划时使用。

返回参考图3，如上所述，数字孪生304可以负责在飞行发生之前为飞行分配频谱和规划操作。然而，通信信道的实际操作可以由单独的频谱管理系统322来处理。在一个或多个示例中，数字孪生304和频谱管理系统304可被实现为单个系统。可选择地，数字孪生304和频谱管理系统322可以被实现为分离的系统。在本公开的一个或多个示例中，频谱管理系统322可以负责管理在给定通信网络中操作的所有通信链路。因为频谱管理系统322实时操作并且必须做出可能影响多个通信链路的决定，所以在一个或多个示例中，在分离的系统上实现数字孪生304和频谱管理系统322是有利的，使得数字孪生304的操作将不影响频谱管理系统322执行其操作的速度。在一个或多个示例中，并且如下所述，频谱管理322可以负责实现和管理给定空对地通信网络中的所有飞行的通信链路。因此，一旦数字孪生304确认了频谱请求，就可以在频谱管理系统322上执行具有所分配的一个或多个信道的通信信道的执行和分配。返回参考图5的示例，在步骤510处，一旦数字孪生304已经将一个或多个信道分配给操作者，则过程500可以移动到步骤510，其中信道分配和关于信道的其它附加信息可以被发送到频谱管理系统322以在飞行期间实现。在一个或多个示例中，附加信息可包括关于将由频谱管理系统322预测的通信信道的其它参数，诸如调制方案、纠错码等。另外地，或可选择地，除了数字孪生304发送附加信息之外，频谱管理系统322本身可确定在飞行期间建立给定通信所需的附加信息。

如上所述，频谱管理系统322不仅可以负责在给定通信网络中实现飞行员302和飞行336之间的所有通信信道，而且还可以负责实时监测链路，以确保它们在飞行期间根据它们的要求进行操作。为了执行其实现和监测任务，在一个或多个示例中，频谱管理系统322可以经由以上参考图1至2描述的基站控制器324与通信网络的每个基站326通信。在本公开的一个或多个示例中，网络中的每个基站可以包括一个或多个组件和工具，以在飞行器336经过基站的覆盖区域时帮助频谱管理系统322建立和实时监测通信链路。基站控制器324可通信地耦合到基站控制器，以便获得实现和监测通信链路所必需的组件和工具，频谱管理系统负责设置和维护诸如用于监测给定基站的RF环境的一个或多个天线元件和工具。

在本公开的一个或多个示例中，频谱管理系统322可以访问并控制位于通信网络中的每个基站326处的频谱监测设备328。在一个或多个示例中，频谱监测设备可包含一个或多个硬件组件(例如天线和传感器)，其共同经配置以监测基站326的RF环境。频谱监测设备可以位于通信网络中的每个基站处，并且可以被配置为连续地测量基站的活动RF环境的干扰。

图6图示了根据本公开的示例的示例性频谱监测设备。在一个或多个示例中，频谱监测设备604可以在基站控制器324中实现，基站控制器324可以将关于频谱的信息传送到数字孪生和频谱管理更新，以便自动且实时地更新由频谱管理系统管理的地理围栏。基站控制器324可以通信地耦合(例如通过同轴电缆连接)到一个或多个安装在塔上的监测天线602，监测天线602可以充当由频谱监测设备用来监测基站的RF环境的传感器。在一个或多个示例中，天线602可以安装在卫星上。在一个或多个示例中，频谱监测设备604可以包括软件定义的接收器606，其可以被配置为接收和处理由监测天线602接收的RF信号。频谱监测设备604的一个或多个组件可以使用软件定义的接收器来执行监测基站的RF环境所需的分析。

除了检测不想要的RF信号之外，频谱监测设备604可以包括方向/功率检测部件612，其可以检测不想要的信号的精确功率和方向。如下面详细描述的，基站可以包括波束调向天线，其可以用于最小化或消除不想要的和潜在的干扰RF信号。因此，方向/功率检测部件612可用于确定不需要的信号是什么功率和来自什么方向，并且可使用波束调向天线来使不需要的信号无效或最小化。在一个或多个示例中，波束调向天线可以配置有用于每个单独业务/资源信道的单个射频前端。射频前端可以动态地或直接地将来自天线的功率调整到期望的或不需要的目标，以改善无线电性能、降低噪声、增加无线电链路性能或系统容量，并提供附加的功率管理能力。在一个或多个示例中，方向/功率检测部件612和波束调向天线可以安装在卫星上。

在一个或多个示例中，频谱监测设备604可以包括RF签名数据库614。RF签名数据库614可以允许频谱监测设备将任何识别的和不需要的RF信号与用于识别的已知RF签名的数据库进行比较。在一个或多个示例中，如果可以使用RF签名数据库来识别不想要的干扰者(诸如未经许可使用频谱的恶意用户)的RF签名，则可以将该事件报告给监管机构以用于反对恶意用户的潜在动作。

在一个或多个示例中，频谱管理系统322可以利用由频谱监测设备604生成的数据来调整其所负责的一个或多个通信信道，以便确保每个通信链路执行到其期望的性能水平。再参考图3，基站326可以包括一个或多个波束调向天线部件330，其被配置为缓解或消除来自基站覆盖区域的不想要的RF信号。在一个或多个示例中，RF干扰可来自已知干扰源，例如在邻近空域上飞行的高空飞行器，或来自不合作源，诸如未经许可使用RF频谱的恶意用户。作为对这些类型的干扰的防御，在一个或多个示例中，基站326可以包括波束/零形成调向天线330，其可以将零指向干扰方，并且用于消除或基本上减少干扰者可能对在基站处操作的飞行器造成的干扰。

图7图示了根据本公开的示例的示例性波束调向天线系统。图7图示了通信网络700上下文中的示例性波束调向天线系统，以更好地示出系统的特征。在一个或多个示例中，通信网络700可以包括两个分离的基站708和基站704。在一个或多个示例中，基站708可以向正在穿越基站708的覆盖区域的飞行器706发送期望信号714。在图7的示例中，基站708被图示为发送459.825MHz的RF信号。在一个或多个示例中，飞行器706可以在如图所示的25000英尺的高度飞行。

在一个或多个示例中，通信系统700还可以包括在与基站708的覆盖区域相邻的覆盖区域中操作的基站704。在一个或多个示例中，在飞行器706正在基站708的覆盖区域发送的同时，基站704可以向经过其自身覆盖区域的飞行器702发送期望信号712。在图7的示例中，飞行器702被示为在1200英尺处飞行，并且使用以459.825MHz为中心的RF信道与基站704通信，该频率与飞行器706用于与其对应的基站708通信的频率相同。

如图7所示，虽然飞行器706工作在与飞行器702不同的基站上，但它与基站708的通信可能对飞行器702与其基站702的通信造成干扰。在一个或多个示例中，由于其相对高的高度，基站708的期望信号714(其指向飞行器706)可以以不需要信号710的形式被基站704看到。由基站708和飞行器706之间的通信引起的不需要信号710可以是459.825MHz，其与飞行器702和基站704之间的信号712的频率相同。因此，不需要的信号710可引起对期望的信号712的干扰。

在一个或多个示例中，使用上面关于图6描述的频谱监测设备以及基站链路监测工具(下面详细描述)，知道网络上的所有已知机载无线电的知识的频谱管理系统322可以验证或检测已知或未知的不需要信号710的存在，并且利用安装到基站704的塔的波束/零形成调向天线716来基本上减少或消除来自飞行器702的RF频谱环境的不需要信号710。在一个或多个示例中，波束/零形成调向天线716可以安装在卫星上。在一个或多个示例中，波束/零形成调向天线716可被配置为可指向不需要信号的方向的可调向天线。在一个或多个示例中，波束/零形成调向天线716可被实现为具有波束形成功能的相控阵天线，其可被配置为在特定的期望方向上发送RF能量。在一个或多个示例中，波束的方向可以由连接到基站704的基站控制器或由频谱管理系统322直接控制。在一个或多个示例中，如果波束/零形成调向天线716安装在卫星上，则基站控制器可与卫星通信以控制天线，从而使其控制波束的方向。

在一个或多个示例中，如果频谱管理系统322在网络中的特定基站处检测到不需要的信号，则频谱管理系统322可使用频谱监测设备来确定信号的方向以及信号的功率(例如通过使用方向/功率检测组件612)。一旦频谱管理系统322已经确定了不需要的信号的功率和方向，它就可以控制波束调向天线716以在不需要的信号的方向上形成零，并且通过引入噪声消除技术(如连续噪声消除和多用户检测)一起可以基本上减小不需要的信号在基站704的RF覆盖区域中的影响。在一个或多个示例中，波束可被配置为在指定方向上发送RF能量以消除所需目标与不需要目标之间的噪声。

返回参考图3，在一个或多个示例中，除了频谱监测设备328和波束/零形成控制天线330之外，基站326还包括基站链路监测功能332。在一个或多个示例中，基站链路监测功能332监测由基站326处的频谱管理系统322分配的各个链路中的每一个链路。而频谱监测功能328被配置为单独监测基站326的所有活动无线电链路，并且可以实时更新频谱管理系统322，以根据需要验证和调整飞行器与操作者的单独链路预测性能和利用率。

在一个或多个示例中，如果频谱管理系统322检测到网络中所有通信链路的条件或干扰，那么其可通过调整动态链路预算、更新实施波束/零形成控制天线能力的动态RF覆盖预测，以在检测到的干扰源处应用零，且将任何覆盖改变通知给操作者来缓解性能的任何降级。然而，在一个或多个示例中，如果频谱管理系统322不能通过上述技术缓解情况，则频谱管理系统322可以改变网络中单个飞行器的RF频谱信道分配，以便找到更有利的通信信道以供使用。因此，在一个或多个示例中，基站可以包括一个或多个子信道和资源块334，这些子信道和资源块由系统保留以分配给飞行中的可能正经历服务问题并且需要改变其频率的飞行器。

如上参考图4A所描述的，业务信道池314中的一个或多个信道可以被保留用于紧急目的。由频谱管理系统322控制的基站326可以访问这些保留的信道，以便在最初分配的通信链路发生故障或具有不可接受的服务质量的情况下，将这些信道分配给飞行中的飞行器。在一个或多个示例中，基站控制器324还可被配置为飞行在空中时操作链路。另外，基站控制器324可以在飞行期间工作，以确保向通信网络中的每个飞行器提供高质量的RF通信链路。因此，当飞行员准备起飞并执行他们的飞行计划时，在一个或多个示例中，基站控制器324可以使用频谱管理系统322提供给它的参数来实现和管理飞行期间的通信链路。在本公开的一个或多个示例中，频谱管理系统322可以跟踪正在进行的飞行(使用来自基站控制器324的数据)，并且可以将用户提交的飞行计划与实际飞行进行比较。一旦飞行结束，在一个或多个示例中，频谱管理系统可以在不再需要链路时通过从网络注销飞行器的机载无线电，并将所分配的RF频谱信道返回到业务信道池314，来通知基站控制器。

图8图示了根据本公开的示例的用于地到空中信网络的RF频谱管理的示例性飞行过程。在一个或多个示例中，图8的过程800可以开始于步骤802，其中在基站控制器324处从频谱管理系统322接收关于飞行的信道信息。如上所述，图3的数字孪生304可被配置为从飞行员处摄取飞行计划和其它数据，并基于所提供的信息为业务信道池314分配一个或多个RF频谱信道。一旦已经分配了该信道并且已经确定了关于该信道的其它参数，则在步骤802处，数字孪生304可以发送信息，该信息然后被频谱管理系统322接收并被发送到基站控制器324处。从频谱管理系统322提供给基站控制器324的信息可以通知基站控制器324如何在飞行336由飞行员302执行时为特定飞行提供通信信道。

在一个或多个示例中，当飞行准备好按照其飞行计划开始时，过程800可移至步骤804处，其中基站控制器324使用由频谱管理系统322发送的通信链路参数(其由数字孪生304生成)来创建通信链路(使用波束成形天线)。在一个或多个示例中，创建通信链路可以包括在适当的方向(飞行将位于的方向)上指向天线，基于所分配的RF频谱信道来设置用于在基站处发送和接收信号的适当的RF频率，以及应用诸如调制方案和前向纠错码的任何其他参数。

在一个或多个示例中，一旦在步骤804处创建了链路并且飞行正在进行中并正在利用通信链路，则过程800可以移动到步骤806处，其中由连接到基站326的基站控制器324监测通信。在一个或多个示例中，如上所述，监测通信链路可以包括使用频谱监测设备328和/或基站链路监测工具332来监测基站的频谱环境。在步骤804处，过程800可以监测链路以确保始终满足链路的要求。作为在步骤804处监测链路的一部分，频谱管理系统322可以通过更新实时动态链路预算以及用于飞行的覆盖和干扰应用来创建、维护和更新与基站相关联的覆盖区域的一个或多个地理围栏。在一个或多个示例中，动态链路预算可以包括与数字孪生保持的动态链路预算相同的参数，然而，频谱管理系统保持的动态链路预算可以实时更新以监测飞行期间的链路性能，而不是用于预测将来的链路性能。在一个或多个示例中，可使用提供到频谱监测设备328和基站链路监测工具332的信息来更新动态链路预算。

一旦监测在步骤806处开始，过程800可以移动到步骤808，其中确定通信链路是否受到干扰。在一个或多个示例中，可通过动态链路预算的改变或直接从频谱监测设备329和/或链路监测工具332来检测干扰。在一个或多个示例中，如果在步骤808处没有检测到干扰，则过程800可以返回到步骤806，在步骤806中进一步监测通信链路的干扰。然而，如果在步骤808处检测到干扰，则过程800可以移动到步骤810，其中频谱管理系统或基站控制器尝试缓解干扰。在一个或多个示例中，缓解干扰可以包括调整包括动态链路预算的地理围栏、改变业务信道、和/或向飞行员通知可用地理围栏服务区。附加地或可选择地，可以使用上面参考图7描述的波束调向天线来缓解干扰，以在干扰的方向和频率上施加零信号，来尝试并缓解其对飞行的通信链路的影响。

在一个或多个示例中，并且在步骤810处应用了缓解之后，过程800可以移动到步骤812，其中确定在步骤810处促使缓解的问题是否已经解决。在本公开的一个或多个示例中，确定问题是否已解决可以包括查看动态链路预算(如响应于缓解而更新的)，以查看通信链路现在是否正在根据其要求进行操作。在一个或多个示例中，如果在步骤812处确定问题已被解决，则过程800可返回到步骤806，在步骤806中进一步监测链路。

然而，如果在步骤812处确定问题没有得到解决，则过程800可以移动到步骤814，其中频谱管理系统322可以例如通过将预留信道之一从业务信道池分配给飞行，来改变分配给飞行的信道。如上所述，在为飞行分配的信道不再可用的情况下，或者在改变飞行计划(例如通过改变飞行在空中的时长)使得最初分配的信道对于整个飞行不可用的情况下，可以使用从业务信道池中预留的用于紧急用途的信道。因此，在一个或多个示例中，在步骤814处，过程800可将飞行的已分配信道改变为预留信道，以试图仍向飞行提供可靠且连续的信道。在一个或多个示例中，作为在步骤814处改变信道的过程的一部分，频谱管理系统322可以向飞行员以及飞行器通知该改变。

如上所述，频谱管理系统322可以在飞行期间建立和监测通信链路，并且具有在飞行期间可靠和连续的通信链路受到威胁时采取行动的能力。结合数字孪生304，整个系统可以规划用于飞行的通信信道，实现用于飞行的通信，并且在飞行期间响应关于飞行的通信链路的问题。

如上所述，频谱管理系统322可与其它频谱管理系统交互以形成有效地工作以解决服务特定飞行计划的覆盖要求的网络的网络。当单个频谱管理系统不能满足所请求的飞行计划的需要时，网络的网络可以协调来自一个或多个无线网络运营商的覆盖。网络的网络还可以协调多个频谱管理系统，以允许在飞行期间利用最佳无线连接，从而在更大的地理区域上提供更可靠的网络连接。

图9图示了根据本公开的示例的用于网络的网络的示例性系统。网络900的网络可以包括一个或多个无线网络运营商902。在一个或多个示例中，一个或多个无线网络运营商902中的每个网络可以包括具有根据上述描述操作的数字孪生的频谱管理系统。

网络900的网络可以包括飞行员904。飞行员904可以是图3所示的飞行员304的示例。飞行员904可以向网络900的网络提供输入。在一个或多个示例中，飞行员904可以提交飞行计划、配置飞行器和无线电、和/或输入吞吐量要求。来自飞行员904的输入可以被空域集成方906用来实现无线网络运营商902的通信信道。

在一个或多个示例中，多个无线网络运营商902的协调可以由空域集成方906来执行。当具有特定频谱管理系统的一个特定无线服务的覆盖不能满足所请求的飞行计划的需要时，空域集成方906可以允许多个无线网络运营商902一起有效地工作以解决飞行计划的覆盖要求。

在一个或多个示例中，空域集成方906可包括来自全球利益相关方910的信息。全球利益相关方910可包括空中交通控制、NASA、国家监管方、军事飞行操作方、航空航天集成方、天气服务、EASA和无人交通管理系统。在一个或多个示例中，空域集成方906可以包括与国家的民用空域908相关的规则。空域集成方906可以使用来自全球产业利益相关方910和民用空域908的整合信息来为飞行器分配物理空间，以及帮助无线网络运营商902利用其频谱管理系统来确保基于提交的飞行计划的可预测的飞行性能。

图10图示了根据一些实施例的计算系统1000的示例。系统1000可以是客户端或服务器。如图10所示，系统1000可以是基于处理器的系统的任何合适的类型，诸如个人计算机、工作站、服务器、诸如电话或平板之类的手持计算设备(便携式电子设备)、或专用设备。系统1000可以包括例如输入设备1020、输出设备1030、一个或多个处理器1010、存储器1040和通信设备1060中的一个或多个。输入设备1020和输出设备1030通常可以对应于上述设备，并且可以与计算机连接或集成。

输入设备1020可以是提供输入的任何合适的设备，诸如触摸屏、键盘或小键盘、鼠标、虚拟/增强现实系统的手势识别组件、或语音识别设备。输出设备1030可以是或包括提供输出的任何合适的设备，诸如显示器、触摸屏、触觉设备、虚拟/增强现实显示器或扬声器。

存储器1040可以是提供存储的任何合适的设备，例如电、磁或光存储器，包括RAM、缓存、硬盘驱动器、可移动存储盘或其它非暂态计算机可读介质。通信设备1060可以包括能够通过网络传送和接收信号的任何合适的设备，例如网络接口芯片或设备。计算系统1000的组件可以以任何合适的方式连接，诸如经由物理总线或无线地连接。

(多个)处理器1010可以是任何合适的处理器或处理器的组合，包括中央处理单元(CPU)、现场可编程门阵列(FPGA)和专用集成电路(ASIC)中的任何一个或任何组合。可以存储在存储器1040中并由一个或多个处理器1010执行的软件1050可以包括例如实现本公开的功能或功能的一部分(例如，如在上述设备中实现的)的编程。

软件1050还可以存储和/或传输在任何非暂态计算机可读存储介质中，以供指令执行系统、装置或设备(诸如上述那些)使用或与其结合使用，指令执行系统、装置或设备可以从指令执行系统、装置或设备获取与软件相关联的指令并执行指令。在本公开的上下文中，计算机可读存储介质可以是任何介质，诸如存储器1040，其可以包含或存储由指令执行系统、装置或设备使用或结合指令执行系统、置或设备使用的程序。

软件1050还可以在任何传输介质内传播，以便由指令执行系统、装置或设备(诸如上述那些)使用或与其结合使用，其可以从指令执行系统、装置或设备获取与软件相关联的指令并执行指令。在本公开的上下文中，传输介质可以是能够通信、传播或传输编程以供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的任何介质。传输计算机可读介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁或红外线有线或无线传播介质。

系统1000可以连接到网络，该网络可以是任何合适类型的互连通信系统。网络可以实现任何适当的通信协议，并且可以通过任何适当的安全协议来保护。网络可以包括能够实现网络信号的发送和接收的任何适当布置的网络链路，例如无线网络连接、T1或T3线路、电缆网络、DSL或电话线。

系统1000可以实现适于在网络上操作的任何操作系统。软件1050可以用任何适当的编程语言来编写，例如C、C++、Java或Python。在各种实施例中，体现本公开的功能的应用软件可被部署在不同的配置中，诸如在客户端/服务器布置中或通过web浏览器部署为例如基于web的应用或web服务。

出于解释的目的，已经参考具体实施例描述了上述描述。然而，上述说明性讨论并不旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。选择和描述实施例是为了最好地解释技术的原理及其实际应用。由此，本领域的其他技术人员能够最佳地利用具有各种修改的技术和各种实施例，以适合于预期的特定用途。出于清楚和简明描述的目的，本文将特征描述为相同或单独实施例的一部分；然而，应当理解，本公开的范围包括具有所描述的全部或一些特征的组合的实施例。

虽然已经参照附图充分描述了本公开和示例，但是应当注意，各种改变和修改对于本领域技术人员而言将变得显而易见。这些变化和修改应理解为包括在由权利要求限定的本公开和实施例的范围内。最后，本申请中涉及的专利和出版物的全部公开内容在此通过引用合并到本文。

Claims

1.一种用于在空对地通信网络中分配射频(RF)频谱业务资源的方法，所述方法包括：

从用户接收飞行计划，其中所述飞行计划包括要在所述空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中飞行的飞行定时、位置和高度信息；

基于从所述用户接收的所述飞行计划来确定所述通信网络的所述一个或多个覆盖区域中的RF通信信道可用性，其中确定所述通信网络的所述一个或多个覆盖区域中的RF通信信道可用性包括：

基于所接收的所述飞行计划，从业务资源池中选择一个或多个RF频谱业务资源；以及

基于所接收的所述飞行计划、以及从所述业务资源池中选择的所述一个或多个RF频谱业务资源来确定所述通信网络中一个或多个干扰信号的存在；

以及如果确定在所述通信网络中不存在干扰信号，则为所接收的所述飞行计划预留所选择的所述一个或多个RF频谱业务资源。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述飞行计划包括关于执行所述飞行计划的飞行器的无线电配置的信息，并且其中所述方法包括：基于所接收的关于执行所述飞行计划的所述飞行器的所述无线电配置的所述信息来确定所述飞行器的吞吐量要求。

3.根据权利要求1至2所述的方法，其中基于从所述用户接收的所述飞行计划确定所述通信网络的所述一个或多个覆盖区域中的RF通信信道可用性包括：

基于所接收的所述飞行计划来生成用于所述飞行的一个或多个动态链路预算，其中每个动态链路预算被配置为确定所述通信网络的所述一个或多个覆盖区域中的通信链路的RF频谱可用性；

基于所述动态链路预算来生成一个或多个地理围栏；以及

基于所述动态链路预算来确定RF频谱可用性，所述动态链路预算对应于所述通信网络的所述一个或多个覆盖区域，基于从所述用户接收的所述飞行计划，所述飞行器将要飞入所述一个或多个覆盖区域。

4.根据权利要求3所述的方法，其中生成用于所述飞行的所述一个或多个动态链路预算包括：使用动态RF覆盖预测工具来填充所述一个或多个动态链路预算的一个或多个参数。

5.根据权利要求1至4所述的方法，其中从所述业务资源池中选择一个或多个RF频谱业务资源包括：基于所述飞行的吞吐量要求来确定要指派给所述飞行的RF频谱业务资源的数目。

6.根据权利要求5所述的方法，其中从所述业务资源池中选择一个或多个RF频谱业务资源包括：从所述业务资源池中的可用RF频谱业务资源中选择所确定数目的RF频谱业务资源。

7.根据权利要求1至6所述的方法，其中所述一个或多个RF频谱信道资源包括一个或多个RF频谱信道，其中来自所述业务信道池的所述一个或多个RF频谱信道中的每个RF频谱信道包括多个时隙，其中所述多个时隙被配置为分配给多个飞行器，使得所述多个飞行器中的每个飞行器在其各自的时隙期间使用所述RF频谱信道进行通信。

8.根据权利要求7所述的方法，其中确定所述通信网络的所述一个或多个覆盖区域中的RF可用性包括：从要分配给所接收的所述飞行计划的所述多个时隙中确定所选择的RF频谱信道是否具有可用时隙。

9.根据权利要求1至8所述的方法，其中如果确定在所述通信网络中存在干扰信号，则拒绝所接收的所述飞行计划，并警告所述用户所述飞行计划已被拒绝。

10.根据权利要求1至9所述的方法，其中如果确定在所述通信网络中存在干扰信号，则修改所接收的所述飞行计划。

11.根据权利要求10所述的方法，其中修改所接收的所述飞行计划包括：基于所述飞行在其中进行的空域的类别来修改所述飞行计划的所述位置和高度信息。

12.根据权利要求10至11所述的方法，其中修改所接收的所述飞行计划包括：基于所述通信网络的所述RF覆盖可用性来修改所述飞行计划的所述位置和高度信息。

13.根据权利要求10至12所述的方法，其中修改所接收的所述飞行计划包括：基于所述通信网络的业务资源可用性来修改所述飞行计划的所述位置和高度信息。

14.根据权利要求1至13所述的方法，其中如果确定所述通信网络中存在干扰信号，则改变或取消所述通信网络中的另一飞行计划，并警告与该飞行相关联的用户其飞行计划已被改变或取消。

15.一种用于在空对地通信网络中分配射频(RF)频谱业务资源的系统，所述系统包括：

存储器；

一个或多个处理器；

其中所述存储器存储一个或多个程序，所述一个或多个程序在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述飞行计划包括关于执行所述飞行计划的飞行器的无线电配置的信息，并且其中使所述一个或多个处理器基于所接收的关于执行所述飞行计划的飞行器的所述无线电配置的所述信息来确定所述飞行器的吞吐量要求。

17.根据权利要求15至16所述的系统，其中基于从所述用户接收的所述飞行计划来确定所述通信网络的所述一个或多个覆盖区域中的RF通信信道可用性包括：

基于所述动态链路预算来生成一个或多个地理围栏；以及

18.根据权利要求17所述的系统，其中生成用于所述飞行的所述一个或多个动态链路预算包括：使用动态RF覆盖预测工具来填充所述一个或多个动态链路预算的一个或多个参数。

19.根据权利要求15至18所述的系统，其中从所述业务资源池中选择一个或多个RF频谱业务资源包括：基于所述飞行的吞吐量要求来确定要指派给所述飞行的RF频谱业务资源的数目。

20.根据权利要求19所述的系统，其中从所述业务资源池中选择一个或多个RF频谱业务资源包括：从所述业务资源池中的可用RF频谱业务资源中选择所确定数目的RF频谱业务资源。

21.根据权利要求15至20所述的系统，其中所述一个或多个RF频谱信道资源包括一个或多个RF频谱信道，其中来自所述业务信道池的所述一个或多个RF频谱信道中的每个RF频谱信道包括多个时隙，其中所述多个时隙被配置为分配给多个飞行器，使得所述多个飞行器中的每个飞行器在其各自的时隙期间使用所述RF频谱信道进行通信。

22.根据权利要求21所述的系统，其中确定所述通信网络的所述一个或多个覆盖区域中的RF可用性包括：从要分配给所接收的所述飞行计划的所述多个时隙中确定所选择的RF频谱信道是否具有可用时隙。

23.根据权利要求15至22所述的系统，其中如果确定所述通信网络中存在干扰信号，则使所述一个或多个处理器拒绝所接收的所述飞行计划，并警告所述用户所述飞行计划已被拒绝。

24.根据权利要求15至23所述的系统，其中如果确定在所述通信网络中存在干扰信号，则使所述一个或多个处理器修改所接收的所述飞行计划。

25.根据权利要求24所述的系统，其中修改所接收的所述飞行计划包括：基于所述飞行在其中进行的空域的类别来修改所述飞行计划的所述位置和高度信息。

26.根据权利要求24至25所述的系统，其中修改所接收的所述飞行计划包括：基于所述通信网络的所述RF覆盖可用性来修改所述飞行计划的所述位置和高度信息。

27.根据权利要求24至26所述的系统，其中修改所接收的所述飞行计划包括：基于所述通信网络的业务资源可用性来修改所述飞行计划的所述位置和高度信息。

28.根据权利要求15至27所述的系统，其中如果确定在所述通信网络中存在干扰信号，则使所述一个或多个处理器改变或取消所述通信网络中的另一飞行计划，并警告与该飞行相关联的用户其飞行计划已被改变或取消。

29.一种存储一个或多个程序的非暂态计算机可读存储介质，所述一个或多个程序用于在空对地通信网络中分配RF频谱信道，所述一个或多个程序由电子设备的一个或多个处理器执行，当由所述设备执行时，使得所述设备：

30.根据权利要求29所述的非暂态计算机可读存储介质，其中所述飞行计划包括关于执行所述飞行计划的飞行器的无线电配置的信息，并且其中使所述设备基于所接收的关于执行所述飞行计划的飞行器的所述无线电配置的所述信息来确定所述飞行器的吞吐量要求。

31.根据权利要求29至30所述的非暂态计算机可读存储介质，其中基于从所述用户接收的所述飞行计划来确定所述通信网络的所述一个或多个覆盖区域中的RF通信信道可用性包括：

基于所述动态链路预算来生成一个或多个地理围栏；以及

基于动态链路预算来确定RF频谱可用性，所述动态链路预算对应于所述通信网络的所述一个或多个覆盖区域，基于从用户接收的所述飞行计划，所述飞行器将要飞入所述一个或多个覆盖区域。

32.根据权利要求31所述的非暂态计算机可读存储介质，其中生成用于所述飞行的所述一个或多个动态链路预算包括：使用动态RF覆盖预测工具来填充所述一个或多个动态链路预算的一个或多个参数。

33.根据权利要求29至32所述的非暂态计算机可读存储介质，其中从所述业务资源池中选择一个或多个RF频谱业务资源包括：基于所述飞行的吞吐量要求来确定要指派给所述飞行的RF频谱业务资源的数目。

34.根据权利要求33所述的非暂态计算机可读存储介质，其中从所述业务资源池中选择一个或多个RF频谱业务资源包括：从所述业务资源池中的所述可用RF频谱业务资源中选择所述确定数目的RF频谱业务资源。

35.根据权利要求29至34所述的非暂态计算机可读存储介质，其中所述一个或多个RF频谱信道资源包括一个或多个RF频谱信道，其中来自所述业务信道池的所述一个或多个RF频谱信道中的每个RF频谱信道包括多个时隙，其中所述多个时隙被配置为分配给多个飞行器，使得所述多个飞行器中的每个飞行器在其各自的时隙期间使用所述RF频谱信道进行通信。

36.根据权利要求35所述的非暂态计算机可读存储介质，其中确定所述通信网络的所述一个或多个覆盖区域中的RF可用性包括：从要分配给所接收的所述飞行计划的所述多个时隙中确定所选择的RF频谱信道是否具有可用时隙。

37.根据权利要求29至36所述的非暂态计算机可读存储介质，其中如果确定在所述通信网络中存在干扰信号，则使所述设备拒绝所接收的所述飞行计划，并警告所述用户所述飞行计划已被拒绝。

38.根据权利要求29至37所述的非暂态计算机可读存储介质，其中如果确定在所述通信网络中存在干扰信号，则使所述设备修改所接收的所述飞行计划。

39.根据权利要求38所述的非暂态计算机可读存储介质，其中修改所接收的飞行计划包括：基于所述飞行在其中进行的空域类别来修改所述飞行计划的所述位置和高度信息。

40.根据权利要求38至39所述的非暂态计算机可读存储介质，其中修改所接收的所述飞行计划包括：基于所述通信网络的RF覆盖可用性来修改所述飞行计划的所述位置和高度信息。

41.根据权利要求38至40所述的非暂态计算机可读存储介质，其中修改所接收的所述飞行计划包括：基于所述通信网络的业务资源可用性来修改所述飞行计划的所述位置和高度信息。

42.根据权利要求29至41所述的非暂态计算机可读存储介质，其中如果确定在所述通信网络中存在干扰信号，则使所述设备改变或取消所述通信网络中的另一飞行计划，并警告与该飞行相关联的用户其飞行计划已被改变或取消。