CN1373944A - 多飞机蜂窝通信系统 - Google Patents

Abstract

用于蜂窝通信系统(10)的通信链路包括第一架飞机(35),用于以第一飞行图(86)飞行并包括第一天线,第一天线用于发射RF波束(92)以在第一目标地区(98)形成第一地面覆盖图(96),从而在该地面覆盖图内为蜂窝电话用户(18)提供第一通信链路。第二架飞机(35’)以第二飞行图(86)飞行并包括第二天线,第二天线用于发射RF波束(92)以在第二目标地区(98)形成第二地面覆盖图(96),从而在第二地面覆盖图内为蜂窝电话用户(18)提供第二通信链路。第一架飞机和第二架飞机分别以低于一个高空飞行高度飞行,并且改变其飞行高度从而以与天气情况和地理特征无关的方式对地面的业务区提供连续不间断覆盖。

Description

多飞机蜂窝通信系统

相关专利申请的交叉参考

本申请涉及到、并且要求优先权基于1999年9月13日提交的、标题为Wireless AERO Solution for Communications Networks的第60-153620号(Motorola公司第IR105288号备审案件)临时专利申请，在此引用其内容供参考。

发明领域

本发明一般地涉及包括机载转发器的蜂窝通信系统，更具体地说，本发明涉及由两架飞机实现的这样一种系统。

发明背景

通信网络的需求以及边远地方和地理情况复杂的地方通信能力需求的不断增加，对蜂窝系统产生了更大的需求。为这种系统提供基础设施的许多新运营商将他们的资源集中在建设尽可能多的地面蜂窝站，以扩展其相应覆盖区并由此产生更多的效益。

然而，地面蜂窝站的建造速度通常较慢而且造价昂贵，特别是在山区或不易进入的地区。此外，在某些这类地区，运营商的投资回报不能为运营商提供建设必要的蜂窝站所需的资金，从而使得这些地区只有有限的蜂窝业务，或者根本没有蜂窝业务。此外，具有足够多蜂窝通信基站收发信台从而可以在高峰期间和非高峰期间对呼叫进行处理的许多地区，在运动会或临时吸引大量人群的其它特殊短期大型活动时也不足以处理大量呼叫。

根据上述原因，建议采用机载蜂窝系统，在该系统中，将一个蜂窝转发器安装在一架飞机上，该飞机在要求蜂窝覆盖的地理范围内按预定飞行图飞行，转发器将所覆盖区内的蜂窝电话发出的呼叫链接到地面基站。因为飞机可以克服地理限制并代替蜂窝站，所以这种系统可以克服常规地面蜂窝系统的上述局限性。

尽管其具有许多优势，但是在机载蜂窝系统的设计和实施中，需考虑一些在常规地面蜂窝系统的设计和实施中不会出现的问题。例如，一个机载系统通常包括携带一个蜂窝转发器的一架飞机。因此，当飞机遇到不利天气情况时，必须改变其飞行图，并因此改变转发器的覆盖区。现有建议的机载系统采用可以克服不利天气条件的高空飞行飞机。然而，由于这种飞机需要专门训练的飞行员、专门维护以及长距离飞行，因此增加了相关的系统成本。显然，需要一种解决方案来解决上述问题。

附图说明

根据参考附图对本发明优选实施例所做的详细说明，本发明的优势将变得更加明显，附图包括：

图1示出根据本发明的机载蜂窝通信系统的系统图；

图2更详细示出图1所示机载蜂窝通信系统各部件的物理框图；

图3是根据本发明第一实施例的机场布局的方框图，说明与图1所示飞机的飞行图相关的机场位置；

图4是根据本发明第二实施例的多飞机机载蜂窝系统的波束图以及高空飞行的单架飞机机载蜂窝系统的原理图；

图5是根据第二实施例的多飞机机载蜂窝系统以及高空飞行的单架飞机机载蜂窝系统的波束图地面覆盖图平面图；

图6至图8是根据第二实施例的多飞机机载蜂窝系统可形成的地面覆盖图的示意图；

图9至图10分别示出根据本发明第三实施例的多飞机机载蜂窝系统内的两架飞机实现信号越区切换技术和天气影响缓解技术的示意图；

图11示出根据本发明第四实施例的多飞机机载蜂窝系统中实现通信转接技术的的两架飞机的飞行图；

图12至图13示出根据第四实施例用于从图11所示的一个圆形覆盖区飞行图转换到另一个飞行图的两种可选方法的流程图；

图14示出根据本发明第五实施例的多飞机机载蜂窝系统的波束图的平面图，其中在更大圆形覆盖区上具有多个可能的飞行图；以及

图15示出根据第五实施例实现从图14所示的一个飞行图切换到后续飞行图而不丧失对基本地理覆盖区的覆盖的方法的流程图。

优选实施例的详细说明

现在参见附图，附图中相同参考编号表示同样的部件，图1示出机载蜂窝通信系统10。系统10通常包括三个主要部分：蜂窝基础设施部分12、无线电基础设施部分14以及飞机部分16。通过一个包括转发器的飞机有效负载22将系统用户(通常由手持机18代表)链接到公用交换电话网(PSTN)20，这3个部分组合在一起可以对大范围地理区域提供蜂窝通信覆盖。以下将分别详细说明这三个系统部分的结构和功能。

蜂窝基础设施部分12包括移动交换局(MSO)24，移动交换局24包括诸如电话交换机的设备、话音邮件与消息业务中心以及蜂窝业务所需的其它常规部件。MSO 24与PSTN 20相连以本技术领域内众所周知的方式发送和接收电话呼叫。此外，MSO 24还与运行与维护中心(OMC)26相连，蜂窝系统管理员通过运行与维护中心26对蜂窝基础设施部分12进行管理。MSO 24还与一个或多个基站收发信台(BTS)(例如30a、30b所示的BTS)相连。通过无线电基础设施部分14，BTS 30a、BTS 30b针对系统用户18发射并接收RF信号。

更具体地说，通过地面变换设备32，BTS 30a、BTS 30b发射和接收RF。地面变换设备32将地面蜂窝格式信号变换为C波段格式信号，并通过馈线链路33和遥测链路34与机载有效负载22通信，以下将详细说明馈线链路33和遥测链路34。有效负载22建立无线链路36用于连接广阔覆盖区(或“地面覆盖图”)内的呼叫，当飞机保持在地面上方约30,000英尺左右飞行时，覆盖区的直径可以超过350km。

除了飞机35之外，飞机部分16还包括飞机运营中心37，该中心37至少部分地根据来自诸如气象中心38的信息源的信息对飞行后勤进行控制，并且对所有系统飞机进行管理，系统最好包括3架飞机以保证连续覆盖。飞机还从诸如空中交通管制中心40的信息源接收其它例行指示。

图2详细示出系统10内的某些部件。具体地说，地面变换设备32包括：一个C波段天线42，用于从有效负载22接收信号/将信号发射到有效负载22(此外，还设置第二天线用作备用)；以及一个C波段变换器44，用于将从有效负载22接收的或发送到有效负载22的信号进行适当变换。根据一个优选实施例，C波段天线42和变换器44使800MHz机载蜂窝天线70通过已建立的下行链路(或馈线链路33)与BTS 30a、BTS 30b通信，并且变换器44将来自BTS 30a、BTS 30b的标称信号上变换为C波段信号，然后将该信号发送到飞机35。此外，对BTS 30a、BTS 30b分别指定C频谱内不同的频带，从而可以将BTS 30a、BTS 30b发射的信号分离并发送到正确天线，例如有效负载22上的天线56。此外，地面控制设备32包括遥测部件，例如遥测天线46、遥测调制解调器48以及遥测处理器50，以接收并处理机载遥测天线52发射的飞机数据，而控制终端54控制将经过处理的遥测数据发送到OMC 26和飞机运营中心37。

在飞机部分16，上述飞机遥测天线52发射通常用58表示的飞机航空电子设备产生的飞机航空电子数据，飞机航空电子数据包括飞机位置、方向和飞行图数据以及诸如飞机颠簸、旋转和偏航数据的其它数据。飞机航空电子设备58输出的数据被输入到有效负载处理器60并被有效负载处理器60处理，然后通过遥测调制解调器62输出到遥测天线52。在800 MHz变换器72对有效负载接收和发送的信号进行适当上变换和下变换情况下，有效负载处理器62还负责对通过C波段天线42、56之间建立的馈线链路33发送到地面变换设备32和从地面变换设备32接收的信号进行处理，并且负责对通过用户18与有效负载下行链路天线如800MHz天线70之间建立的下行链路(或用户链路)69发送到系统用户的和从系统用户18接收的信号进行处理。除了包括上述设备之外，有效负载22还包括GPS设备74，GPS设备74也可以将信号输入到处理器60并将信号发送到地面变换设备32或发送到飞机运营中心37用于进行飞行控制和/或飞行监视。飞机内和有效负载内所示的部件一起构成飞机转发器，该飞机转发器可以对因为蜂窝站等的数量不足用地面蜂窝覆盖方法不能支持的大地理区域提供蜂窝覆盖。

从图1和图2所示的系统配置可以看出，对于PSTN 20和系统用户18来说，机载蜂窝系统10与常规地面蜂窝系统相同。换句话说，在通过蜂窝基础设施部分12、无线电基础设施部分14以及飞机部分16链接到PSTN 20的呼叫与通过常规地面系统基础设施处理的呼叫之间，看不出与业务有关的差别，部分原因在于蜂窝基础设施部分12在MSO 24以及BTS 30a、BTS 30b内包括的标准电话交换机与常规地面系统基础设施内的标准电话交换机相同或接近相同。

再参考图1和图2，将对在系统用户18之一完成呼叫期间，机载蜂窝系统10的各部件的运行进行说明。飞机35上岗时优先以圆形飞行图或接近圆形飞行图(但是根据天气条件和覆盖情况可以改变飞行图)飞行，以在飞行期间对预定地区提供覆盖。在飞机上岗时，它与地面变换设备32保持接触，以通过无线电基础设施部分14为蜂窝基础设施部分12提供馈线链路33和用户链路36。飞机35还在覆盖区上方发射预定数量的通信波束(例如13束)，每个波束被指配对应BTS 30a、BTS 30b之一的一个扇区，并各自有控制信道和业务信道在系统用户18与蜂窝基础设施部分12之间传送信令和话音数据，由于飞机35按其飞行图运动，所以飞机发射的波束旋转。因此，系统用户18每45秒钟左右可以“看”到一个不同波束，蜂窝基础设施部分12执行呼叫从一个扇区到另一个扇区的越区切换以避免呼叫掉线。

在启动呼叫时，系统用户，例如用户18之一利用波束内的控制信道向MSO 24发送信号以请求建立呼叫。用户18手机将该请求发送到飞机有效负载22，然后转接到地面变换设备32。地面变换设备32将该请求转接到相应BTS，例如BTS 30a。BTS 30a将该请求发送到MSO 24，MSO 24与PSTN 20建立呼叫。因此，有效负载22简单将BTS 30的物理层扩展到用户18从而实现比常规地面系统通常提供的覆盖面积大得多的覆盖面积，并且相关基础设施的建设成本低。机载系统10还最适合用于对举办特殊大型活动的地区提供临时蜂窝覆盖，因为只需要覆盖几天时间，所以消除了建设蜂窝基站以及在特殊大型活动结束后拆除蜂窝基站的必要性和相关成本。

一旦完成呼叫建立，就启动了通过波束内的业务信道与PSTN 20的话音通信，然后以转接信令信息相同的方式转接话音信息。在呼叫结束时，将信号发送到MSO 24以断开此呼叫，用户18的手机释放用于话音通信的业务信道，并且该信道回到空闲状态。

图3示出根据本发明第一优选实施例的用于支持飞机35并确保图1和图2所示的机载蜂窝通信系统有效的两个机场支持配置80。具体地说，两个机场支持配置包括以预定距离间隔开的第一机场82和第二机场84，在图3所示的实施例中，示例距离为400英里。

第一机场82用作飞机35的支持与维护基地，通过执行具有与机场82和机场84等距的飞行图中心88的飞行图86，飞机35覆盖预定地区。第一机场82包括在飞行任务期间对飞机35进行维护保养的机械师以及空中交通管制设施，例如图1所示的飞机运营中心37和气象中心38。第二机场用作诸如飞机35的第二系统飞机的支持与维护基地，该飞机作为轮流执行飞行图86的另一架飞机以对预定地区提供不间断蜂窝覆盖。此外，第二机场84还可以作为其它飞机(例如，在一架或多架飞机35、35均因为不利天气条件或维护问题不能使用时，为了完成飞行图86，在系统10内作为备用飞机的飞机35)的支持与维护基地，以下将做进一步说明。

尽管上述机场82作为飞机35的支持与维护基地，上述机场82可以作为飞机35的支持与维护基地，实际上，任何一架飞机35、35、35均可以利用机场82或机场84进行支持和维护。此外，机场82和机场84之一可以用作主支持与维护基地，而另一个机场用作辅助基地并提供有限服务，例如，飞机库和加油服务和/或备用飞机运营中心支持。在此配置中，仅在特定时间内(例如，在不利天气条件下，当飞机不能在作为主支持与维护基地的机场着陆时，或者在主支持与维护基地出现诸如停电的技术故障时)使用作为辅助基地的机场。根据特殊系统需要和运行条件，确定机场82和机场84提供的特殊服务。

根据第一实施例，飞机35、35均是低空飞行飞机，例如Pilatus ModelPC 12飞机，在每次续航期间，这种飞机每日可以执行的飞行任务多达8小时。在飞机35的飞行任务结束时，飞机35以下述方式取代执行飞机35的飞行路线86。同样，在飞机35的飞行任务结束时，飞机35取代执行飞机35的飞行路线86。如果飞机之一，例如图1所示的飞机35因为例如机场84周围的恶劣天气或维护问题不能从着陆机场起飞，则利用飞机35来执行飞机35执行的飞行图。

再参考图3，机场82、84分开预定距离，该预定距离优先满足小引擎低空飞机的滑降距离。上述说明的机场82与机场84之间的400英里分离距离对应于生产的Pilatus PC 12的200英里的滑降距离，Pilatus PC12在30,000英尺至45,000英尺高度飞行。然而，实际高度根据执行飞行图所使用的飞机的型号和类型以及当地气象图、地形和覆盖客户的变化发生变化，并且其变化范围在例如15,000英尺至60,000英尺之间。因此，如果执行飞行图86的飞机出现引擎问题，则它可以安全地滑降到两个机场之一进行维修。此分离距离还可以使很少覆盖全部400英里范围地区的一个雷暴同时影响在两个机场82和84起飞和着陆的可能性降低到最小。此外，如果雷暴移动到机场84所在地区并且不能使用位于机场82的备用飞机，则飞机35可以被运送到机场82支持后续飞行任务。

因此，第一优选实施例的配置80有助于用蜂窝通信系统10为一个地区提供转发器覆盖的飞机进行动态飞行规划，以将因为诸如雷雨的恶劣天气条件以及因为飞机的机械故障引起的系统故障时间降低到最短。因为一架或多架飞机始终准备取代执行飞行图86，每架飞机35、35、35起飞和降落的时间具有更大的灵活性。根据上述优选实施例，通过除飞机35、35、35之外为配置80再增加飞机，或者通过除机场82、84之外再增设机场，从而进一步避免系统因为天气问题出现故障并提供其它备用系统，可以提供更好的灵活性。

图4和图5示出高空飞行机载蜂窝通信系统90和低空飞行机载蜂窝通信系统92的波束图和相应波束地面覆盖图，图5示出对应于相应波束地面覆盖图90、92的波束地面覆盖图94、96，以及需要进行蜂窝覆盖的地区98。在根据本发明的第二实施例中，通过同时使用两架商业生产飞机，例如图3所示的、并通常如图4所示的飞机35、35，可以实现波束图92和结果波束地面覆盖图96，而通过使用一架可以在50,000英尺以上高空实现飞行图的高空飞行飞机(通常用图4中的100表示)，可以实现高空飞行机载蜂窝通信系统波束图90和结果地面覆盖图94。

如果可以使用高空飞行飞机，则低空飞行飞机35、35比高空飞行飞机的成本低。当前，尽管建议采用高空飞行飞机，但是这种飞机还未投入生产。然而，估计这种飞机的初始成本在3千万美元至6千万美元之间。此外，还必须满足更严格的FAA要求，包括备用氧系统、更高座舱弹射压力以及高空飞行员训练。飞机35、35比高空飞行飞机(估计爬高时间/下降时间为1至2小时，估计飞行续航时间为20至40小时)具有更理想的性能参数，例如爬高时间和下降时间(接近30分钟)以及飞行任务续航时间(4至6小时)。此外，低空飞机飞行的灵活性在于，通过飞机运营中心37可以在飞行任务规划中设立多种可能性选项，例如天气问题、飞机机械故障以及机场维护问题选项，以避免因为飞机维护问题出现系统故障。

如图5所示，两架飞机35、35可以提供更准确的飞行任务特定地面覆盖图96，与高空飞行飞机100比较，飞行任务特定地面覆盖图96更好地集中在地区98。通过改变飞机35、35之一或二者的高度来改变波束图，可以改变此地面覆盖图的大小和形状。因此，可以根据波束图104使波束地面覆盖图具有例如图6中102所示的8字型形状，或者根据波束图108使波束地面覆盖图具有图7中106所示的箱形形状。另一方面，如图8所示，可以使用多架飞机形成被设计为特定客户基地的组合波束图。例如，如果使用诸如35、35、35的3架飞机，则根据波束图110形成诸如图8所示的地面覆盖图108的三角形地面覆盖图。

显然，多架飞机实现覆盖可以扩展到根据第一实施例的两架飞机支持配置，因此可以实现分别包括两架或多架飞机的机载覆盖组，从而以与实现图3所述的一架飞机飞行图的基本上相同方式实现环形预定飞行图。

因此，与一架携带转发器的高空飞行飞机相比，第二优选实施例可以提供多机机载蜂窝通信系统，其中两架或多架携带转发器飞机可以实现更集中的同区蜂窝覆盖。通过改变用于形成地面地面覆盖图的一架或多架飞机的飞行图和/或飞行高度可以改变天线辐射图，多架飞机可以提供更好的地面覆盖图覆盖。

以下将参考图9和图10说明根据本发明的第三优选实施例。具体地说，图9示出在机载蜂窝通信系统中实现通信覆盖越区切换以确保在诸如区域112的地区内实现通信覆盖的两架飞机，例如飞机35、35。例如，如果飞机35执行其飞行图，气象中心38确定诸如图10所示的雷暴113的恶劣天气移动到该地区，则飞机35从诸如图3所示的机场84起飞并爬行到预定高度。在此预定高度，飞机35、35几乎在地区112上辐射相同波束图114、116从而形成组合地面覆盖图118。因此，飞机35、35均对地面上的系统用户提供通信链路。

如图10所示，两架飞机35、35分离开从而使雷暴113从两架飞机之间通过。在两架飞机35、35之间形成的间隔120最好垂直于雷暴113的方向。每架飞机35、35的天线角度增大，但是在位于122的波束边远位置，波束图信号因为波束图重复而被放大，因此可以对雷暴113干扰的地区提供连续通信覆盖。这是因为在信号从雷暴的一侧辐射而非通过雷暴时，波束图信号穿过更少的雷暴。此外，还可以提高诸如图2所示的天线70的飞机天线的旁瓣功率从而确保在这种情况下提供足够链路容限。

在雷暴消散时，飞机可以返回图9所示的飞行图位置，因此可以再一次形成基本相同的波束图。如果第一架飞机35接近完成其飞行任务，则设定第二架飞机35负责全部通信链路，从而使飞机35降落到机场82、84之一进行加油、维护、机务人员换班等。

因此，第三优选实施例使两架飞机辐射的多个天线波束来加强从一架飞机越区切换到另一架飞机，从而确保即使在恶劣天气情况下也能连续蜂窝覆盖系统用户，因为波束绕着雷暴而非通过它辐射。

现在参考图11，说明根据本发明第四优选实施例在两架飞机35、35之间进行的附加通信转接过程。具体地说，机载转发器提供的主通信链路必须从执行通信飞行图的现有飞机转接到将代替当前飞机的后续飞机上。然而，为了不影响地面的业务，必须以无缝方式进行此转接过程。例如，为了进行此转接过程，飞机35从图3所示的机场82、84之一起飞并升空到不同于飞机35的高度的高度，而飞机35继续执行顺时针通信覆盖飞行图130。例如，如图11所示，飞机35的高度可以是比飞机35的高度高的1000英尺。位于此预定高度，飞机35开始执行其顺时针飞行图132，飞行图132的半径与飞行图130的半径相同，只是稍有相位差。一旦飞机35开始执行飞行图132，就开始进行地面定向控制通信转接过程或功率定向控制转接过程，现在将分别对它们进行详细说明，并且它们都不对系统用户产生影响。

现在参考图12说明呼叫业务从一架飞机转接到另一架飞机的地面定向控制转接过程。具体地说，在步骤140，在预定飞行高度执行正常飞行图130时，诸如飞机35的第一架飞机发射第一通信波束图，例如，预定飞行高度通常在28,000英尺至31,000英尺标准高度范围内，它还以最低巡航速度飞行从而将飞行时间延长到最长。在步骤142，诸如飞机35的第二架飞机升空到预定高度，并在执行诸如飞行图132的会合飞行图时发射第二通信波束图。在步骤144，在第二架飞机开始执行会合飞行图并试图接近达到以相位差为180度飞行图飞行的第一架飞机的飞行速度之后，在步骤146，根据两架飞机输出的遥测数据，确定位于各自飞行图内的这两架飞机是否成一条直线，并因此可以确定这两架飞机发射的相应波束图是否重叠。另一种情况是，当(a)第一架飞机和第二架飞机以相同飞行高度以平行飞行图飞行并分离开FAA许可的间距时；(b)第一架飞机和第二架飞机分别执行相同飞行图但相位差为180度时；或者(c)第一架飞机和第二架飞机执行高度不同并且方向相反的单独飞行图时，该技术可以实现呼叫业务转接。

如果波束图不重叠，则在步骤147监视波束图的状态，直到确定这两架飞机成一条直线并且相应波束图发生重叠为止。然后，在步骤148，系统10中包括蜂窝基础设施部分12和无线电基础设施部分14在内的地面部分与第二架飞机建立通信并确定执行通信转接的时间。在步骤150，例如通过接收无线电基础设施部分14和系统用户发送的通信信号的第二架飞机进行预转接验证。在步骤152，系统10的地面部分命令第一架飞机停止发射其通信信号波束，并在步骤154，准同步命令第二架飞机的转发器开始通过第一架飞机转发器停止工作的馈线链路33、遥测链路34以及用户链路36工作。因此，在步骤154，第一架飞机和第二架飞机的波束图覆盖区内的所有系统用户发送的呼叫均从第一架飞机的波束图转换到第二架飞机的波束图。最好在一个通信信号时帧内进行转接，一个通信信号时帧被定义为2至10毫秒处理时间周期。在步骤156，在第一架飞机离开第一飞行图130后，第二架飞机通过降低到预定巡航速度并进入飞行图130，取代第一架飞机提供的通信覆盖。

现在将参考图13所示的流程图说明呼叫业务从一架飞机转接到另一架飞机的功率控制逐渐转接技术。步骤140至146与上述对地面定向控制技术所述的步骤140至146相同。在步骤160，一旦第二架飞机建立了其会合飞行图，则它就通过通信波束图建立了与第一架飞机建立的馈线链路、遥测链路以及用户链路相同的馈线链路、遥测链路以及用户链路。一旦建立了波束图，则在步骤162，位于第一架飞机内的转发器降低其输出功率。在步骤164，降低功率会迫使系统用户18的终端/手持机以自定方式从第一架飞机发射的用户链路波束转换到第二架飞机发射的用户链路波束。还可以安排在预定时间周期(例如：几分钟的时间周期)降低功率，从而有时间在步骤164使呼叫从第一架飞机转发器转换到第二架飞机转发器。

在步骤166，确定第一架飞机内的转发器是否已经完成降低功率。如果该转发器还未完成降低功率，则在步骤162继续进行功率降低过程并在步骤164继续进行呼叫转接过程，直到该转发器完成功率降低过程。一旦转发器完成功率降低过程，则第二架飞机内的转发器承担全部呼叫负荷。一旦第一架飞机离开第一飞行图130，则在步骤168，第二架飞机升高以执行第一飞行图130，或者执行系统参数确定的另一种飞行图。

在上述说明的两种转接技术中，以对地面蜂窝通信系统中的呼叫越区切换进行管理的相同方式，飞机35、35以及蜂窝基础设施部分12可以对呼叫业务从一架飞机转接到另一架飞机的过程进行管理。可以专门设计软件使机载系统10使用这些相同的基本越区切换/转接技术。最好在短呼叫业务时间内执行转接技术，从而进一步确保系统可靠并可以将呼叫掉线次数降低到最小。

作为对上述说明的功率控制逐渐转接技术的一个变换，基站收发信台30a、30b还可以在第一架飞机与第二架飞机之间对频谱资源进行分割从而将呼叫从第一架飞机转接到第二架飞机，对第二架飞机分配的频谱资源百分比逐渐增加直到将所有频谱资源分配给第二架飞机，从而将所有呼叫业务分配到第二架飞机。

如上所述，显然第四实施例可以确保机载蜂窝通信系统可靠并且可以升级满足用户需要，而且即便系统机载转发器间进行通信覆盖转换过程中通信业务保持不间断。此外，上述转接技术使机载蜂窝通信系统利用现有地面系统的越区切换硬件和软件。转接技术适于地面系统协议，而与该协议例如是CDMA、TDMA、GSM还是宽带机载系统协议无关。此外，通过同时利用上述第一架飞机和第二架飞机的覆盖可以处理高峰呼叫业务负荷从而提高了呼叫处理能力，在呼叫业务负荷再一次降低到可以由一架飞机处理的程度时，可以利用上述转接技术从覆盖区内取消飞机之一。

图14示出根据本发明第五优选实施例诸如图1和图2所示的飞机35的飞机的飞行图170。该飞行图包括总圆形覆盖172，在圆形覆盖172内，通过发射通信波束在相应预定地区形成波束地面覆盖图174a至174h，飞机提供通信覆盖。诸如圆形飞行图176a至176d的小半径飞行图分别相切位于大半径飞行图外接圆178内。

当机载蜂窝通信系统10内诸如飞机35的飞机执行飞行图176a至176d之一时，可以在总圆形覆盖172内提供要求的通信覆盖。然而通常情况下，天气情况可能使飞机通过位移飞行图的中心点改变其预定飞行图，从而减小通信系统的覆盖面积并降低了通信系统的可用度。

然而，本发明可以使飞机重新获得一些例如在雷暴接近飞机飞行图期间丢失的系统覆盖面积和系统可用度。具体地说，根据恶劣天气情况，飞机脱离其选择的圆形飞行图，例如圆形飞行图176a，并围绕飞行图外接圆178移动到不同的飞行图，例如圆形飞行图176b，圆形飞行图176b也与飞行图外接圆178相切。随后，通过接通或断开外部天线波束并定型波束，诸如有效负载处理器60的基于地面的控制设施对图2所示的天线70发射的定相或定位阵列波束的方向进行控制，以保持与要求覆盖区的边缘有关的足够链路容限。这样，波束图不旋转或开/断，而是相对于最终波束图地面覆盖图覆盖的地面位置保持固定。当飞机进入新飞行图176b时，它就执行飞行图176b并重新使该波束图旋转以继续提供蜂窝通信覆盖。

因此，与类似绕中心轨道飞行的飞机比较，根据第五实施例的飞行图配置和飞机飞行技术减小了一架飞机可以覆盖的总可能地区，该配置和技术可以通过执行预定飞行图覆盖区的飞机绕开雷暴以及其它恶劣天气图而不间断覆盖，从而提高覆盖区的总系统可用度。

图15示出用于确定执行飞行图176a至176d之一的飞机是否应该沿飞行图外接圆178移动的方法的流程图。在步骤180，确定开始影响或将要影响通信覆盖的天气是否已经进入当前飞机飞行图附近。飞机继续执行其当前飞行图，直到在步骤182，它到达飞行图内与飞行图外接圆178相切的点。在步骤184，OMC 26向飞机发送命令以使飞机发射的波束图相对于地面固定，并且在步骤186，飞机开始沿飞行图外接圆178航行。飞机继续沿飞行图外接圆178航行，直到在步骤188，它到达位于影响气象图外部、对应于与飞行图外接圆178相切的圆形飞行图176a至176d之一的点的新操作点。到达新操作点后，在步骤190，在飞机执行新飞行图时，飞机重新开始正常波束图旋转，并且在步骤192，重新开始对对流小区移动进行监视直到新恶劣天气图进入其飞行图，或者直到飞机完成其飞行任务。

因此，与简单圆形飞行图比较，根据本发明第五实施例的飞行图配置和飞机飞行技术可以对机载蜂窝通信系统实现更高的运行效率，因为它提供的飞机通过在沿相切位于大飞行图圆形内的多个小飞行图内移动，可以绕开雷暴以及其它恶劣天气情况而提供通信覆盖。因此提高了系统可用度。

以上对本发明的优选实施例进行了说明，在不背离所附权利要求所述的本发明范围和清晰概念的前提下，可以对本发明进行调整、变更或变换。

Claims (26)

1.一种用于蜂窝通信系统的通信链路，该通信链路包括：

第一架飞机，以第一飞行图飞行并包括第一天线，第一天线用于发射RF波束以在第一目标地区形成第一地面覆盖图，从而在该地面覆盖图内为蜂窝电话用户提供第一通信链路；

第二架飞机，以第二飞行图飞行并包括第二天线，第二天线用于发射RF波束以在第二目标地区形成第二地面覆盖图，从而在第二地面覆盖图内为蜂窝电话用户提供第二通信链路；

所述第一架飞机和第二架飞机分别以低于高空飞行高度的第一飞行图和第二飞行图飞行；

所述第一飞行图和第二飞行图可以改变，从而使第一架飞机和第二架飞机分别通过第一波束图和第二波束图以与天气情况和地理特征无关的方式对地面的业务区提供连续不间断覆盖。

2.根据权利要求1所述的通信链路，还包括第一机场，根据第一架飞机和第二架飞机的下滑距离，第一机场离开第一架飞机和第二架飞机的覆盖区中心一定距离。

3.根据权利要求2所述的通信链路，还包括第二机场，第二机场提供的业务通常与第一机场业务提供的业务相同，第二机场位于第一架飞机和第二架飞机可到达的位置。

4.根据权利要求3所述的通信链路，还包括第三架飞机，第三架飞机位于第一机场和第二机场之一，所提供的覆盖与第一架飞机和第二架飞机提供的覆盖相同。

5.根据权利要求1所述的通信链路，其中，第一架飞机和第二架飞机包括第一机载覆盖组，并且还包括至少一个其它机载覆盖组，该机载覆盖组提供的业务通常与第一机载覆盖组提供的业务相同。

6.根据权利要求1所述的通信链路，其中，第一架飞机和第二架飞机以相同高度飞行。

7.根据权利要求1所述的通信链路，其中，第一架飞机和第二架飞机以不同高度飞行。

8.根据权利要求1所述的通信链路，其中，第一架飞机和第二架飞机的飞行高度根据链路容限要求变化。

9.根据权利要求1所述的通信链路，其中，第一架飞机和第二架飞机的相应第一飞行图和第二飞行图的高度在15,000英尺至60,000英尺之间。

10.根据权利要求9所述的通信链路，其中，第一架飞机和第二架飞机的相应第一飞行图和第二飞行图的高度接近30,000英尺。

11.根据权利要求1所述的通信链路，其中，第一架飞机和第二架飞机中至少一架对第一飞行图和第二飞行图分别进行调整，使得第一波束图和第二波束图中至少有一个可以绕开雷暴。

12.根据权利要求1所述的通信链路，其中，在需要提供连续不间断通信覆盖时，第一架飞机用于将呼叫越区切换到第二架飞机。

13.一种用于蜂窝通信系统的机载链路，该机载链路包括：

第一架飞机，用于发射RF波束以在覆盖特定地区的第一波束地面覆盖图内提供通信覆盖；

第二架飞机，用于在第一架飞机的飞行任务结束时，通过建立使呼叫以将呼叫掉线降低到最少的方式转接的飞行图和第二波束地面覆盖图，来替换第一架飞机。

14.根据权利要求13所述的机载链路，还包括一个地面控制站，当第二架飞机建立呼叫转接会合飞行图时，该地面控制站对呼叫转接进行控制。

15.根据权利要求14所述的机载链路，其中，通过逐渐降低与第一波束地面覆盖图相关的输出功率，地面控制站将第一波束地面覆盖图内的呼叫逐渐转接到第二波束地面覆盖图内，从而使用户手持机转接到第二波束地面覆盖图。

16.根据权利要求13所述的机载链路，其中，通过逐渐降低与第一波束地面覆盖图相关的输出功率，第一架飞机开始进行呼叫转接以将用户手持机转接到第二波束地面覆盖图。

17.根据权利要求13所述的机载链路，其中，第一飞行图和第二飞行图为平行飞行图和相差为180度的飞行图之一。

18.一种将呼叫从蜂窝通信系统内的基于原飞机的通信链路转换到基于替补飞机的通信链路的方法，该方法包括：

使第一架飞机保持在第一飞行图，从而通过第一通信链路对指定地区提供连续覆盖；

第二架飞机升空到预定飞行图以在指定地区上方建立第二通信链路；

根据预定转接协议，将第一通信链路传送的呼叫转移到第二通信链路；以及

在所有呼叫均被转接到第二通信链路之后，第一架飞机飞离第一飞行图。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，转移呼叫为基于地面控制的操作。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，转移呼叫为基于功率控制的操作，其中，逐渐降低第一通信链路的功率从而将通过第一通信链路的呼叫逐渐越区切换到第二通信链路。

21。根据权利要求18所述的方法，其中，转移呼叫是基于分割频谱资源的操作，其中，分配给第二通信链路的频谱资源的百分比逐渐增加，直到100％频谱资源被分配给第二通信链路。

22.一种利用基于飞机的天线阵列提供蜂窝通信覆盖的方法，该方法包括：

通过有一个外部点与半径大于第一飞行图半径的外接圆飞行图相切的第一圆形飞行图，对预定地区建立蜂窝通信覆盖；

如果天气影响通信覆盖，则从第一飞行图开始沿外接圆飞行图飞行，直到到达与外接圆飞行图相切的另一个飞行图的一个点对应的新操作点；以及

执行另一个半径与第一飞行图半径相同的飞行图，以对预定地区保持蜂窝通信覆盖。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括从第一飞行图开始飞行期间对蜂窝通信覆盖进行调节，以对预定地区保持蜂窝通信覆盖。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，从第一飞行图开始飞行的过程还包括接通/断开提供蜂窝通信覆盖的波束和重新定型提供蜂窝通信覆盖的波束这两种操作中至少之一。

25.根据权利要求22所述的方法，其中，从第一飞行图开始飞行的过程是一项基于飞机的功能。

26.根据权利要求22所述的方法，其中，从第一飞行图开始飞行的过程是一项基于地面的功能。

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