ES2595229T3

ES2595229T3 - Sistema y método para permitir una transferencia rápida e ininterrumpida para comunicaciones de aire a tierra

Info

Publication number: ES2595229T3
Application number: ES10005834.6T
Authority: ES
Inventors: Yehuda Ben-Shimol; Itzik Kitroser; Hans Joachim Einsiedler; Gerhard Kadel
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 2009-07-06
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2030-06-07
Also published as: EP2278732B1; EP2278732A2; PL2278732T3; EP2278732A3; HUE028543T2; HRP20161253T1; PT2278732T

Abstract

Método de transferencia rápida e ininterrumpida en comunicaciones inalámbricas entre estaciones (300a...300n) de base en tierra y una aeronave (301), que comprende las etapas de: a. identificar estaciones (300a...300n) de base en tierra a lo largo de la trayectoria (302) de vuelo de dicha aeronave (301); b. definir un grupo de estaciones de base en tierra activas en un área geográfica en la que se desplaza dicha aeronave (301); c. usar un método de equilibrio de carga para seleccionar para dicha aeronave (301) una estación de base en tierra de servicio de dicho grupo de estaciones de base en tierra activas; d. mantener comunicaciones entre dicha estación de base de servicio y dicha aeronave (301); y e. sincronizar todas las estaciones de base en tierra activas para que todos los datos de tierra a aire sean enviados a la totalidad de dichas estaciones de base en tierra activas.

Description

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DESCRIPCION

Sistema y metodo para permitir una transferencia rapida e ininterrumpida para comunicaciones de aire a tierra Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a un proceso de transferencia en redes de comunicaciones inalambricas entre estaciones de base en tierra y una aeronave. De forma mas espedfica, la presente invencion se refiere a un sistema y a un metodo para permitir una transferencia rapida e ininterrumpida para sistemas de comunicaciones de aire a tierra.

Antecedentes de la invencion

Las redes de comunicaciones inalambricas en sistemas de comunicaciones de aire a tierra permiten obtener canales de comunicaciones para pasajeros situados a bordo de una aeronave a efectos de permitir el uso de aplicaciones de internet estandar (tales como voz, video y datos) y de comunicaciones por correo electronico mientras la aeronave se desplaza a lo largo de su plan de vuelo del aeropuerto de origen al aeropuerto de destino.

De forma tfpica, tal como se muestra en la Fig. 1, una red de comunicaciones inalambricas de aire a tierra puede incluir una aeronave 101 que vuela a lo largo de una trayectoria 102 de vuelo, una pluralidad de estaciones (GBS o BS) de base en tierra 1o0a, 100b y 100c, y una pluralidad de estaciones (GW) de puerta 103a, 103b y 103c. La aeronave 101 esta comunicada con las estaciones de base en tierra a traves de un canal 104 de comunicaciones. Cada estacion de puerta puede estar conectada a una pluralidad de estaciones de base en tierra a traves del canal 105 de comunicaciones o a otras estaciones de puerta a traves de los canales 108 o 107 de comunicaciones. Las diferentes estaciones de base en tierra pueden comunicarse entre sf a traves de los canales 106 de comunicaciones. Es comun que cada estacion de base en tierra cubra un area geografica determinada. Cuando la aeronave esta dentro del area cubierta de una estacion de base en tierra espedfica, la aeronave se conecta a dicha estacion de base en tierra a traves de un canal 104 creado usando una tecnologfa de comunicaciones terrestres inalambricas determinada (por radio u optica). En una aeronave espedfica, la estacion de base en tierra a la que se esta conectado en ese momento se denomina estacion de base en tierra de servicio.

Del mismo modo que las tecnologfas inalambricas del estado de la tecnica que soportan movilidad en tierra, la aeronave puede desplazarse de un area geografica cubierta por una estacion de base en tierra determinada a un area geografica cubierta por otra estacion de base en tierra. La nueva estacion de base en tierra hacia la que se desplaza la aeronave se denomina estacion de base en tierra de destino, y el cambio entre una estacion de base en tierra de servicio y una estacion de base en tierra de destino se denomina “transferencia”.

La red de comunicaciones inalambricas de aire a tierra incluye una aeronave desplazandose a alta velocidad (de forma general, superior a 804 km/h (500 mph), y esto significa que las situaciones de transferencia que se producen al cambiar del area geografica cubierta por una estacion de base en tierra a la de otra estacion de base en tierra pueden suceder con una frecuencia elevada y, de este modo, deben realizarse de manera oportuna. A diferencia de los sistemas de comunicaciones terrestres, en los sistemas de comunicaciones de aire a tierra las trayectorias de la aeronave que se desplaza de los aeropuertos de origen a los aeropuertos de destino son conocidas por anticipado hasta cierto nivel de precision. Esto permite que el sistema de comunicaciones conozca por anticipado todas las estaciones de base en tierra a lo largo del plan de vuelo de una aeronave espedfica.

La Fig. 2 muestra una situacion en la que dos aeronaves 201a y 201b se estan desplazando a lo largo de planes (o trayectorias) 202a y 202b de vuelo diferentes. Tal como puede observarse, la aeronave 201b se desplaza a lo largo de la trayectoria 202b y debe conmutar (es decir, realizar una transferencia) entre tres areas geograficas (203c, 203d y 203e), mientras que la aeronave 201a se desplaza a lo largo de la trayectoria 201a y debe conmutar entre cinco areas geograficas (203c, 203a, 203d, 203b y 203e).

El problema consiste en realizar una transferencia rapida e ininterrumpida a efectos de proporcionar una continuidad del servicio a los pasajeros situados a bordo de la aeronave usando el sistema de comunicaciones para servicios basados en internet y comunicaciones de correo electronico, incluyendo, aunque no de forma limitativa, servicios de comunicaciones de voz, video y datos.

Algunos sistemas de comunicaciones terrestres inalambricas, tales como los sistemas de comunicaciones 802.16e del instituto de ingenieros electricos y electronicos (IEEE) y los sistemas de evaluacion a largo plazo (LTE) 3GPP y LTE, permiten obtener medios para llevar a cabo procedimientos de transferencia eficaz e ininterrumpida.

En el sistema 802.16e del IEEE se define un plan de conmutacion rapida de estacion de base (FBSS), de modo que la estacion movil mantiene un grupo de estaciones (BS) de base, denominado grupo de diversidad. La estacion movil intercambia senales solamente con una BS, que se denomina BS ancla entre las BS en el grupo de diversidad. La estacion movil puede cambiar la BS ancla usando algun plan de seleccion. La estacion movil gestiona su grupo de diversidad correspondiente usando criterios para excluir una BS del grupo de diversidad o usando criterios para anadir una nueva BS al grupo de diversidad. A efectos de realizar la transferencia entre BS diferentes en un grupo

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de diversidad, las BS correspondientes deben sincronizarse basandose en una fuente de tiempo comun, deben funcionar en el canal de frecuencia y tambien deben compartir o transferir un contexto de control de acceso al medio (MAC). Dicho contexto incluye toda la informacion que la estacion movil y la BS intercambian normalmente durante una entrada a la red.

En el sistema LTE se definen los medios para obtener una transferencia eficaz y para reducir la perdida de datos durante la transferencia. Un mecanismo de este tipo consiste en la emision dual, en la que la puerta de servicio realiza emisiones duales (bi-cast) o multiples (multi-cast) de paquetes de datos a un grupo de eNB (NodoB E- UTRAN), incluyendo el eNB de servicio, que son candidatos a ser el siguiente eNB de servicio. Otro mecanismo de este tipo consiste en el envfo de bufer (buffer forwarding). En el envfo de bufer, una vez se toma la decision de transferencia, la fuente de eNB envfa los datos en bufer para el equipo del usuario al eNB de destino.

Park (publicacion de patente US 2007/0218842) se refiere a la transferencia de una estacion de base de servicio a una estacion de base de destino para usuarios de telefoma movil en tierra. De forma espedfica, se hace referencia a un sistema y a un metodo para actualizar un grupo de diversidad entre una estacion de base ancla de servicio y una estacion movil durante la transferencia en un sistema de comunicaciones. La estacion de base transmite un grupo de diversidad de estaciones de base o el grupo de diversidad de estaciones de base y un grupo recomendado de estaciones de base a una estacion movil, y genera un grupo de diversidad de estaciones de base temporal que incluye estaciones de base incluidas en el grupo de diversidad de estaciones de base y en el grupo recomendado de estaciones de base, permitiendo de este modo la transferencia incluso aunque se produzca una discrepancia de grupo de diversidad entre la estacion de base y la estacion movil. Resulta evidente que los automoviles estandar se desplazan a una velocidad no superior a 96,5 km/h (60 mph) y que los usuarios de telefoma movil que caminan se desplazan de manera considerablemente mas lenta. El metodo de Park no servina para usuarios de telefoma movil que se desplazan rapido en una aeronave, que puede desplazarse generalmente mas de diez veces mas rapido que un automovil y mas de 200 veces mas rapido que una persona que se desplaza a pie. En el caso de una aeronave, es necesaria una transferencia mucho mas rapida. Cualquier discrepancia en el grupo de diversidad supone una perdida de comunicaciones, debido a que la aeronave se desplaza muy rapidamente.

Asimismo, Vesterinen (publicacion de patente US 2008/0188223) se refiere a la transferencia de una estacion de base de servicio a una estacion de base de destino para usuarios de telefoma movil en tierra. El mismo da a conocer un sistema para realizar una transferencia de un equipo movil de una red fuente a una red destino en un sistema de telecomunicaciones moviles. El problema espedfico de Vesterinen es la perdida de informacion de datos de bajada durante el proceso de transferencia debido a la separacion del usuario de la red fuente al desplazarse a una red destino. De forma espedfica, esta publicacion se refiere a escenarios de transferencia entre redes 3GPP LTE/SAE y 3GPP 2G/3G (segunda generacion/tercera generacion). Los datos, que pueden ser transferidos a traves de la red fuente al equipo movil cuando el mismo esta asociado a la red fuente, estan en un bufer en un elemento de red si es necesaria una transferencia. Los datos en bufer en el elemento de red son enviados del elemento de red a la red destino para transferirlos al equipo movil despues de su asociacion a la red destino.

US 2006/229104 A1 define la comunicacion entre velmculos moviles y estaciones de transceptor de base (BTS) utilizando metodos de antena direccional de formacion de haces. El modelo de comunicaciones de aire a tierra se basa en UMTS como tecnologfa de base y, de forma espedfica, en un modelo de transferencia blanda (soft- handoff). La aeronave debe conocer por anticipado la ubicacion espedfica de las BTS de destino, de modo que el controlador de antenas podra crear haces direccionales a dos BTS y permitir un metodo de transferencia blanda de conmutacion entre BTS (es decir, cierre antes de apertura (make before break)). La trayectoria conocida se usa para obtener la posicion de una BTS de destino y para permitir establecer una comunicacion de haz direccional a efectos de facilitar, entre otras cosas, el procedimiento de transferencia blanda. La seleccion de la BTS de destino se lleva a cabo utilizando un algoritmo “BTS mas cercana” basado en metrica basada en distancia o mediante metrica basada en calidad de senal “mejor relacion senal/interferencia (S/I)” o mediante la mejor S/I basandose en tablas de consulta calculadas previamente. La propuesta es espedfica para el caso de comunicaciones con dos BTS durante el proceso de transferencia blanda, donde un haz tiene como destino la BTS activa y el segundo se dirige a la BTS de destino. El sistema debe conocer la ubicacion de todas las BTS para permitir la seleccion de BTS de destino adecuadas segun el criterio mencionado anteriormente.

Ninguna solucion de la tecnica anterior conocida comprende una transferencia rapida para estaciones moviles que se desplazan rapidamente, tales como una aeronave.

Por lo tanto, un objetivo de la presente invencion consiste en dar a conocer un canal de comunicaciones continuas cuando una aeronave realiza una transferencia de una estacion de base en tierra a otra.

Otro objetivo de la presente invencion consiste en solucionar el problema de transferencia ininterrumpida y rapida en una red de comunicaciones inalambricas de aire a tierra manteniendo una pluralidad de estaciones de base en tierra a lo largo de una trayectoria conocida (o plan de vuelo) de una aeronave, de modo que todas las estaciones de base en tierra esten sincronizadas.

Otro objetivo de la presente invencion consiste en definir medios de sincronizacion entre estaciones de base en tierra en terminos de buferes de transmision y estado de protocolo.

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Otros objetivos y ventajas de esta invencion iran apareciendo al desarrollarse la descripcion.

Resumen de la invencion

En un primer aspecto de la invencion, se da a conocer un metodo de transferencia rapida e ininterrumpida en comunicaciones inalambricas entre estaciones de base en tierra y una aeronave. El metodo comprende las etapas de:

a. identificar estaciones de base en tierra a lo largo de la trayectoria de vuelo de la aeronave;

b. definir un grupo de estaciones de base en tierra activas en un area geografica en la que se desplaza la aeronave;

c. usar un metodo de equilibrio de carga para seleccionar para dicha aeronave una estacion de base en tierra de servicio de dicho grupo de estaciones de base en tierra activas;

d. mantener comunicaciones entre una estacion de base de servicio en el grupo de estaciones de base en tierra activas y la aeronave; y

e. sincronizar todas las estaciones de base en tierra activas para que todos los datos de tierra a aire sean enviados a la totalidad de dichas estaciones de base en tierra activas.

Realizaciones del metodo de la invencion comprenden ademas las etapas de:

a. identificar nuevas estaciones de base en tierra de destino cuando la aeronave se aproxima a una nueva area geografica a lo largo de la trayectoria de vuelo;

b. anadir las nuevas estaciones de base en tierra de destino identificadas al grupo de estaciones de base en tierra activas; y

c. borrar del grupo de estaciones de base en tierra activas estaciones de base en tierra por las que ya se ha pasado en la trayectoria de vuelo.

En realizaciones del metodo de la invencion, todas las estaciones de base en tierra activas se sincronizan y todos los datos de tierra a aire se envfan a todas las estaciones de base en tierra activas. Es posible seleccionar la estacion de base en tierra de servicio para una aeronave determinada del grupo de estaciones de base en tierra activas mediante una estacion de puerta o mediante una entidad de gestion.

En realizaciones del metodo de la invencion, la decision relacionada con la seleccion de estacion de base en tierra por aeronave se lleva a cabo por anticipado de manera “desconectada” basandose en los planes de vuelo previstos de todas las aeronaves que se preve que volaran sobre una region geografica determinada. En otras realizaciones del metodo de la invencion, los datos en lmea relacionados con los cambios de trayectoria o de velocidad se envfan desde la aeronave a traves de las estaciones en tierra al ordenador de puerta y a la entidad de gestion, siendo capaces cada uno de los mismos de reasignar la aeronave a estaciones en tierra diferentes.

En realizaciones del metodo de la invencion, la estacion de base en tierra de servicio por aeronave se selecciona a partir de una estacion de base en tierra activa que da servicio al menor numero de aeronaves restantes. Es posible usar un metodo de equilibrio de carga para seleccionar por aeronave una estacion de base en tierra de servicio del grupo de estaciones de base en tierra activas.

En un segundo aspecto, la invencion comprende un sistema de transferencia rapida e ininterrumpida en comunicaciones inalambricas entre estaciones de base en tierra y una aeronave. El sistema comprende las siguientes entidades:

a. una entidad de gestion;

b. una pluralidad de estaciones de puerta a lo largo de la trayectoria de vuelo de una aeronave;

c. una pluralidad de estaciones de base en tierra a lo largo de la trayectoria de vuelo de la aeronave;

d. enlaces de comunicaciones entre las entidades que comprende dicho sistema;

Segun la invencion, un grupo de estaciones de base en tierra activas que incluye una estacion de base de servicio esta situado en un area geografica en la que se desplaza la aeronave y todos los datos de tierra a aire son enviados por una estacion de puerta a todas las estaciones de base en tierra en el grupo.

Todas las caractensticas y ventajas de la invencion descritas anteriormente, asf como otras adicionales, resultaran mas comprensibles mediante la siguiente descripcion ilustrativa y no limitativa de realizaciones preferidas de la misma, haciendo referencia a los dibujos adjuntos.

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Breve descripcion de los dibujos

- la Fig. 1 es un diagrama que muestra un ejemplo de una topologfa de red de la tecnica anterior de un sistema de comunicaciones inalambricas de aire a tierra;

- la Fig. 2 es un diagrama que muestra dos posibles trayectorias de una aeronave;

- la Fig. 3 es un diagrama que muestra un ejemplo de una topologfa de red de un sistema de comunicaciones inalambricas de aire a tierra segun la presente invencion;

- la Fig. 4 es un diagrama de flujo que muestra el transcurso de la transferencia y la adicion de nuevas estaciones de base en tierra y su sincronizacion con la aeronave;

- la Fig. 5 es un diagrama que muestra una red de estaciones de base en tierra y trayectorias de vuelo de multiples aeronaves;

- la Fig. 6 es un grafico que muestra dos aeronaves y sus trayectorias;

- la Fig. 7 es un grafico en dos partes que muestra soluciones al problema de equilibrio de carga para un grupo espedfico de aeronaves y un grupo de estaciones de base en tierra; y

- la Fig. 8 es un diagrama de flujo que muestra el proceso de equilibrio de carga segun una realizacion de la invencion.

Descripcion detallada de realizaciones de la invencion

Tal como contempla la presente invencion, la transferencia ininterrumpida y rapida en una red de comunicaciones inalambricas de aire a tierra se lleva a cabo manteniendo un grupo activo de una pluralidad de estaciones de base en tierra a lo largo de una trayectoria conocida (o plan de vuelo) de una aeronave y sincronizando la comunicacion entre todas las estaciones de base en tierra en el grupo activo.

La Fig. 3 es un diagrama que muestra un ejemplo de una topologfa de red de un sistema de comunicaciones inalambricas de aire a tierra segun la presente invencion. La red de comunicaciones de aire a tierra inalambricas puede incluir una aeronave 301 que vuela a traves de una trayectoria 302 de vuelo, una pluralidad de estaciones (GBS o GS) 300a, 300b, 300c y ... 300n de base en tierra y una pluralidad de estaciones (GW) 303a, 103b y ... 303n de puerta. En cualquier momento determinado, la aeronave 301 esta en comunicacion con una o mas estaciones de base en tierra a traves de un canal 304 de comunicaciones. Las estaciones de base en tierra pueden comunicarse entre sf a traves de canales 306 de comunicaciones. Cada estacion de puerta puede conectarse a una pluralidad de estaciones de base en tierra a traves de canales 305 de comunicaciones o a otras estaciones de puerta a traves de un canal 307 de comunicaciones. Las estaciones de puerta pueden comunicarse con la entidad 330 de gestion a traves de la red 309 del operador (principal (backbone)).

De forma espedfica, en cualquier momento determinado, mas de una estacion de base en tierra se sincronizara con la aeronave a lo largo de la trayectoria o del plan de vuelo de la estacion de base en tierra. Usando la Fig. 2 como ejemplo, esto significa que, para la aeronave 201a, es posible sincronizar todas las estaciones de base en tierra en las areas geograficas 203c, 203a, 203d, 203b y 203e y, para la aeronave 201b, es posible sincronizar todas las estaciones de base en tierra en las areas geograficas 203c, 203d y 203e.

Sincronizacion significa que todos los datos de tierra a aire seran enviados por la puerta a todas las estaciones de base en tierra activas en ese momento, por ejemplo, mediante una emision multiple o un metodo similar conocido en la tecnica. En caso necesario, las estaciones de puerta enviaran dichos datos a otras estaciones de puerta y, de este modo, a la estacion de base en tierra correspondiente (p. ej., GW1 o GW2 en la Fig. 3). De forma mas espedfica, tal como se muestra en la Fig. 3, las estaciones 303a, 303b de puerta se comunican a lo largo de las lmeas 307 de comunicaciones. De este modo, cada estacion de puerta se comunica con cada estacion de base en tierra en su area mediante los canales 305 de comunicaciones. Una de las estaciones de puerta, por ejemplo, la estacion GW1 (103a), se comunica con la entidad 330 de gestion a traves de la red principal 309.

Ademas, toda la informacion de MAC, incluyendo las maquinas de estado de MAC, tales como maquinas ARQ (peticion automatica de repeticion) y/o de estado de encriptacion, se sincronizara entre todas las estacones de base en tierra activas en ese momento.

Cuando se produce el evento de transferencia de una estacion de base en tierra de servicio a la nueva estacion de base en tierra de servicio a lo largo de la trayectoria de vuelo, la estacion de base en tierra de servicio previa se excluye del grupo activo y la siguiente estacion de base en tierra a lo largo de la trayectoria o del plan de vuelo se anade al grupo activo. De forma espedfica, debido a que se conoce el plan de vuelo, tambien se conocen necesariamente las diversas estaciones de puerta y estaciones de base en tierra a lo largo de la ruta. Inicialmente, se preve que todas las estaciones de puerta y las estaciones de base en tierra a lo largo de la ruta inicial en una distancia definida determinada esten activas y sincronizadas. De este modo, cuando se produce cada transferencia,

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las estaciones de puerta y las estaciones de base en tierra por las que se ha pasado y que ya no estan en comunicacion con la aeronave dejan de estar activas y sincronizadas, y se sustituyen por el siguiente grupo de estaciones de puerta y de estaciones de base en tierra a lo largo de la ruta. Por lo tanto, el grupo activo incluye estaciones de base en tierra de mas de un area geografica.

El procedimiento espedfico resultara mas comprensible a partir del diagrama de flujo de la Fig. 4. Despues de la activacion (etapa 400), la estacion de base en tierra de servicio genera una indicacion o senal de transferencia (etapa 402). Por ejemplo, haciendo referencia a la Fig. 3, la estacion GS2 de base en tierra de servicio genera una senal de transferencia que envfa por el canal 305 de comunicaciones a GW2. A continuacion, GW2 se comunica a traves de la red principal 309 con la entidad 330 de gestion, que identifica la siguiente estacion de base en tierra basandose en el plan de vuelo o trayectoria de la aeronave espedfica (etapa 404). Se envfa un mensaje (o senal) a traves de la red principal 309, de la GW2 y del canal 305 de comunicaciones a la nueva estacion GS3 de base en tierra para su union al grupo activo de estaciones de base en tierra (etapa 406). Se envfa informacion de estatus de bufer y de maquina de estado actual a traves del canal 306 de comunicaciones de la estacion GS2 de base en tierra activa en ese momento a la nueva estacion GS3 de base en tierra (etapa 408). La puerta GW2 se actualiza mediante la entidad 330 de gestion para enviar paquetes de tierra a aire a la nueva estacion de base de destino en tierra y la estacion GS1 de base en tierra anterior se elimina del grupo activo de estaciones de base en tierra (etapa 410). Debido a que la aeronave se desplaza a lo largo de su ruta, las etapas 302 a 310 se repiten de forma continua. El proceso finaliza (etapa 412) cuando la aeronave llega a su destino.

La realizacion de la topologfa de red descrita anteriormente haciendo referencia a la Fig. 3 y a la Fig. 4 es un modelo simplificado para ilustrar el procedimiento de transferencia de la invencion. Son posibles numerosas variantes de este modelo. Por ejemplo, el grupo activo puede comprender muchas mas estaciones de base en tierra, y mas estaciones de puerta pueden estar en comunicacion con las mismas. Las estaciones de puerta, es decir, los componentes que llevan a cabo las tareas de la estacion de puerta, pueden estar incluidas en las estaciones de base en tierra o, tal como se muestra en la presente memoria, en entidades externas que controlan mas de una estacion de base en tierra.

Debe observarse que, normalmente, en cualquier momento determinado, no solamente hay una unica aeronave en el aire en una region geografica. De hecho, de forma tfpica, hay muchas aeronaves, teniendo cada una de las mismas su propia ruta y sus propias necesidades de comunicaciones. Por lo tanto, el sistema debe tener en cuenta que es posible la presencia de multiples aeronaves en un area geografica espedfica al mismo tiempo. Por ejemplo, haciendo referencia a la Fig. 2, las aeronaves 201a y 201b pueden estar ambas al mismo tiempo en el area geografica 203c. Multiples aeronaves pueden utilizar la misma estacion de base en tierra y/o la misma estacion de puerta. Por lo tanto, tambien existe la necesidad de un equilibrio de carga, de modo que el sistema no sobrecargue ninguna estacion espedfica sino que distribuya la carga por todas las estaciones que resulten necesarias.

La Fig. 2 muestra una situacion simplificada en la que las dos aeronaves estan volando a lo largo de trayectorias rectas paralelas. La Fig. 5 muestra una situacion en dos dimensiones mas realista. En el momento mostrado, cinco aeronaves diferentes estan desplazandose en trayectorias diferentes a traves de un area a la que dan servicio 36 estaciones de base en tierra (puntos negros en la figura). En este ejemplo, el area de cobertura de cada una de las estaciones en tierra (drculos centrados en cada estacion en tierra) es la misma. Basandose en la Fig. 5, a continuacion se ilustra el concepto de equilibrio de carga. A tftulo de ejemplo, se considera un grupo A de aeronaves (AC) y un grupo N de estaciones (BS) de base en tierra. Cada aeronave AC(i) se desplaza a lo largo de una trayectoria determinada cubierta por un subgrupo solapado N(i) e N de estaciones de base en tierra. Se muestran diversas trayectorias posibles para varias aeronaves. Las regiones con un sombreado intenso de la Fig. 5 son areas de cobertura solapada a las que puede dar servicio mas de una estacion de base en tierra. Cada aeronave debe seleccionar una estacion de base en tierra de servicio del grupo disponible de estaciones de base en tierra. Tal como puede observarse, cada trayectoria se convierte en un grupo de intervalos de tiempo sin solapamiento de dos tipos. El tipo I es un intervalo de tiempo sin opcion de seleccion de estacion de base en tierra (es decir, areas cubiertas por una unica estacion de base en tierra). El tipo II es un intervalo de tiempo con opciones de seleccion (es decir areas cubiertas por mas de una estacion de base en tierra). Las flechas de la Fig. 5 representan la trayectoria de cada aeronave con respecto a una lmea cronologica de referencia. La cola de cada flecha indica la ubicacion de la aeronave en un instante de referencia, y el cuerpo de cada flecha indica la ubicacion presente prevista de la aeronave, dependiendo de su velocidad. Dos flechas que se cruzan pueden representar el caso en el que dos aeronaves diferentes visitan la misma localizacion geografica. Dicho cruce puede ser simultaneo, lo que significa que dos aeronaves estan cercanas entre sf en un instante determinado, o dicho cruce puede ser secuencial, lo que significa que la aeronave visita la misma ubicacion geografica en diferentes instantes.

Para llevar a cabo el equilibrio de carga los intervalos de tiempo del segundo tipo (tipo II) deben determinarse para una aeronave que cruza simultaneamente la misma region geografica. Para cada aeronave es necesario determinar cuando ejecutar una transferencia y es necesario determinar que estacion de base en tierra seleccionar. El objetivo consiste en minimizar el numero de aeronaves a las que da servicio simultaneamente la misma estacion de base en tierra, definiendo de este modo un ancho de banda maximo para cada aeronave. La decision relacionada con la seleccion de estacion de base en tierra por aeronave puede tomarse por anticipado de manera “desconectada”. Dichas decisiones pueden llevarse a cabo mediante la entidad de gestion en el ordenador de puerta usando

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informacion de los planes de vuelo previstos de todas las aeronaves que se preve que volaran sobre una region geografica determinada que facilita la entidad de gestion. No obstante, pueden producirse cambios en las trayectorias durante el vuelo. Ademas, tambien puede cambiar el instante en el que la aeronave entrara en el area de cobertura de una estacion en tierra determinada, p. ej., debido a un cambio en el horario de salida previsto o en la velocidad de la aeronave. Este cambio de horario afectara a la lmea cronologica de los intervalos de cobertura de la aeronave y puede afectar a la seleccion de GS realizada previamente de manera desconectada. Los datos “en lmea” relacionados con la respuesta a cambios en la trayectoria o en la velocidad se envfan desde la aeronave, a traves de las estaciones en tierra, al ordenador de puerta, que puede reasignar la aeronave a GS diferentes. De forma alternativa, los datos en lmea procedentes de la aeronave pueden ser enviados a la entidad de gestion, que realiza la reasignacion y envfa la nueva asignacion a la estacion de puerta y a la estacion en tierra adecuadas.

El j-esimo intervalo (CI) de cobertura para una aeronave AC(i) se define como la tupla CIj(i) = < tj, tj+i, Nij>, donde tj < tj+i, y tij y tj+i son los instantes de inicio y final del intervalo de cobertura, respectivamente, y Nj £ N es un subgrupo de estaciones de base en tierra que pueden dar servicio a una aeronave i durante tj < t < tj+i. Una trayectoria Traj(i) para la aeronave i se define como una secuencia de intervalos de cobertura consecutivos, tal como sigue; Traj(i) = {< tii, ti2, Nii>, < ti2, ti3, Ni2>, ...}.

En la Fig. 6 se muestran a titulo de ejemplo las trayectorias de dos aeronaves. Los intervalos de cobertura de tipo I se indican mediante un sombreado en diagonal y los intervalos de cobertura de tipo II se indican mediante un sombreado uniforme. Entre cada dos intervalos de cobertura de tipo I debe haber al menos un intervalo de cobertura de tipo II. De forma espedfica, las areas de cobertura de cada dos estaciones de base en tierra adyacentes se solapan. En la Fig. 6 el eje temporal esta compuesto por la superposicion de intervalos de cobertura de las trayectorias determinadas. Un punto ti de decision se define como el i-esimo evento en el que una de las aeronaves entra en un intervalo de cobertura o lo abandona. En cada punto de decision, es necesario considerar una nueva asignacion de aeronave y de estaciones de base en tierra.

Se define que una aeronave ACi £ A esta activa en un instante t si 3CIk(i) {CIk(i) e Traj(i) A tik < t < tik+i}. Si AC(t) indica un grupo de todas las aeronaves que estan activas en un instante t, entonces GS n £ N se define como en estado activo en el instante t si 3CIk(i) {CIk(i) e Traj(i) a tik < t < tik+i a n e Nik}. Si N(t) indica un grupo de todas las GS que estan activas en el instante t, entonces es posible representar la asignacion de la aeronave a las GS en el punto tj de decision como un problema de asignacion en

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donde

Aj = AC(tj), y

e = {ACi, Nj} e E o 3CIk(i) {CIk(i) e Traj(i) a tik < tj < tWi a Nj e Nik}.

Gj indica un grafico en dos partes cuyos vertices son la union inconexa de GS y aeronaves activos en el punto tj de decision y sus lfmites y Ej representa todos los lfmites entre las aeronaves y sus GS activas (es decir, todas las GS incluidas en el intervalo de cobertura de cada aeronave). La Fig. 7 es un ejemplo de Gj.

Ademas, se define una funcion w de ponderacion que planifica un valor real de cada lfmite e e Ej. Una ponderacion w(e) para el par (lfmite) e = {ACi, Nj} representa la conveniencia de asignacion de ACi a GS Nj.

Dicha funcion de conveniencia puede representar, por ejemplo, la continuacion de la conexion a una GS que estaba conectada a la AC en un punto de decision previo o el hecho de que la transferencia de la AC a GS diferentes resultara en algun tipo de penalizacion de sistema, p. ej., un retraso en el tiempo de llegada al destino. Otro ejemplo del uso de la funcion de ponderacion es el caso en el que multiples GS de diferentes operadores de lmeas aereas estan asociadas al intervalo de cobertura de la AC. En tal caso, la funcion de ponderacion puede representar una preferencia de conectar la AC a GS que pertenecen a un operador determinado.

Una solucion posible del problema de asignacion para un Gj determinado es un sub-grafico

G'| = CAiONti'O donde

imagen2

La ponderacion de la posible solucion G'j se define como

^ w(«)

sEEj

5

10

15

20

25

30

35

Naturalmente, se busca una solucion con la maxima ponderacion.

En una realizacion del problema de asignacion, un requisito de equilibrio de carga se representa intentando igualar el grado de cada vertice en Nj, que se refiere al numero de aeronaves a las que da servicio cada BS.

La Fig. 7 es un grafico en dos partes que muestra soluciones al problema de equilibrio de carga para un grupo de aeronaves y para un grupo de estaciones de base en tierra espedficos. Los drculos en el lfmite izquierdo de la Fig. 7 representan cuatro aeronaves y los drculos en el lfmite derecho representan cinco estaciones en tierra. Las flechas que salen de un drculo que representa una aeronave y que acaban en un drculo que representa una estacion en tierra significan que, en el momento representado por el grafico, la aeronave esta volando sobre el area de cobertura de dicha estacion en tierra. Los numeros situados encima son la ponderacion asignada a la asignacion de una aeronave espedfica a una estacion en tierra espedfica y las flechas negras son las soluciones al problema de equilibrio de carga determinadas por el ordenador de la autoridad de gestion (o por el ordenador de la puerta) siguiendo el procedimiento descrito anteriormente.

En el ejemplo de la Fig. 7: ACi esta volando sobre el area de cobertura de GS1, GS3 y GS5; AC2 vuela solamente sobre GS2; AC3 vuela sobre GS1 y GS4 y AC4 vuela solamente sobre GS5. La solucion del problema de equilibrio de carga para AC2 y AC4 resulta evidente. ACi y AC3 podnan asignarse a GS1, no obstante, la ponderacion para ACi es mas alta; por lo tanto, ACi se asigna a GS1. AC3 podna asignarse a GS1 o a GS4, no obstante, debido a que ACi ya ha sido asignada a GS1 y a que ninguna aeronave ha sido asignada a GS4, entonces AC3 se asigna a GS4. Esta asignacion se lleva a cabo a pesar del hecho de que la ponderacion para esta asignacion es inferior a la de la asignacion a GS1. En otras circunstancias, por ejemplo, cuando ambas GS1 y GS4 no tienen ninguna aeronave asignada a las mismas, entonces el sistema habna asignado AC3 a GS1 en vez de a GS4, tal como sucede en este caso.

La Fig. 8 es un diagrama de flujo que muestra el proceso de equilibrio de carga llevado a cabo por la entidad de gestion. Despues de iniciar el proceso en la etapa 800, se introduce en la unidad de procesamiento de la entidad de control una base de datos que incluye datos tales como el numero de vuelo, los horarios y las trayectorias de los vuelos previstos (etapa 802). Para cada aeronave, el tiempo de vuelo se divide en intervalos de decision (ver Fig. 6) y se realiza una asignacion a una estacion en tierra para cada aeronave para cada intervalo (Fig. 7) en la etapa 804. La entidad de gestion distribuye la informacion de asignacion a la estacion de puerta adecuada a traves de la red principal del sistema (etapa 806). En la etapa 808, las estaciones de puerta reciben datos en lmea relacionados con su velocidad y direccion de desplazamiento actual procedentes de la aeronave y transmiten estos datos a la entidad de gestion. En la etapa 810, la entidad de gestion repite la etapa 804 usando los datos en lmea para actualizar la base de datos y reasigna las aeronaves que no estan siguiendo su trayectoria de vuelo prevista originalmente a estaciones en tierra distintas en caso necesario. La informacion de reasignacion se transmite a las puertas y las etapas 806 a 810 se repiten dclicamente.

Aunque se han descrito realizaciones de la invencion a tftulo de ilustracion, se entendera que es posible poner en practica la invencion con numerosas variantes, modificaciones y adaptaciones sin salir del alcance de las reivindicaciones.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

REIVINDICACIONES

1. Metodo de transferencia rapida e ininterrumpida en comunicaciones inalambricas entre estaciones (300a...300n) de base en tierra y una aeronave (301), que comprende las etapas de:

a. identificar estaciones (300a...300n) de base en tierra a lo largo de la trayectoria (302) de vuelo de dicha aeronave (301);

b. definir un grupo de estaciones de base en tierra activas en un area geografica en la que se desplaza dicha aeronave (301);

c. usar un metodo de equilibrio de carga para seleccionar para dicha aeronave (301) una estacion de base en tierra de servicio de dicho grupo de estaciones de base en tierra activas;

d. mantener comunicaciones entre dicha estacion de base de servicio y dicha aeronave (301); y

e. sincronizar todas las estaciones de base en tierra activas para que todos los datos de tierra a aire sean enviados a la totalidad de dichas estaciones de base en tierra activas.
2. Metodo segun la reivindicacion 1, que comprende ademas:

a. identificar nuevas estaciones de base en tierra de destino cuando dicha aeronave (301) se aproxima a una nueva area geografica a lo largo de la trayectoria (302) de vuelo;

b. anadir las nuevas estaciones de base en tierra de destino identificadas a dicho grupo de estaciones de base en tierra activas; y

c. borrar de dicho grupo de estaciones de base en tierra activas estaciones de base en tierra por las que ya se ha pasado en la trayectoria (302) de vuelo.
3. Metodo segun la reivindicacion 1, en el que la estacion de base en tierra de servicio para una aeronave (301) determinada se selecciona del grupo de estaciones de base en tierra activas mediante una estacion (GW1...GWn) de puerta o una entidad (330) de gestion.
4. Metodo segun la reivindicacion 3, en el que la decision relacionada con la seleccion de estacion de base en tierra por aeronave se lleva a cabo por anticipado de manera “desconectada” basandose en los planes de vuelo previstos de todas las aeronaves que se preve que volaran sobre una region geografica determinada.
5. Metodo segun la reivindicacion 4, en el que los datos en lmea relacionados con los cambios de trayectoria o de velocidad se envfan desde la aeronave (301) a traves de las estaciones en tierra al ordenador (GW1...GWn) de puerta y a la entidad (330) de gestion, siendo capaces cada uno de los mismos de reasignar la aeronave (301) a estaciones (300a...300n) en tierra diferentes.
6. Metodo segun la reivindicacion 1, en el que el metodo de equilibrio de carga comprende seleccionar la estacion de base en tierra activa que da servicio al menor numero de aeronaves restantes como la estacion de base en tierra de servicio.
7. Sistema de transferencia rapida e ininterrumpida en comunicaciones inalambricas entre estaciones (300a...300n) de base en tierra y una aeronave (301), que comprende las siguientes entidades:

a. una entidad (330) de gestion;

b. una pluralidad de estaciones (GW1...GWn) de puerta a lo largo de la trayectoria (302) de vuelo de una aeronave (301);

c. una pluralidad de estaciones (300a...300n) de base en tierra a lo largo de la trayectoria (302) de vuelo de dicha aeronave (301);

d. enlaces (304, 305, 306, 307, 309) de comunicaciones entre dichas entidades que comprende dicho sistema;

en el que un grupo de estaciones de base en tierra activas que incluye una estacion de base de servicio para dicha aeronave (301), seleccionada mediante un metodo de equilibrio de carga de dicho grupo de estaciones de base en tierra activas, esta situado en un area geografica en la que se desplaza dicha aeronave (301) y todos los datos de tierra a aire comunicados entre dicha estacion de base de servicio y dicha aeronave (301) son enviados por una estacion de puerta a todas las estaciones de base en tierra en dicho grupo.