用于飞机的地空宽带无线通信系统及方法

文档序号:7752437阅读:495来源:国知局
专利名称:用于飞机的地空宽带无线通信系统及方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域。更具体地说,本发明是用于飞机的地空宽带无线通信系统及方法。
背景技术
对社会而言,高速数据通信正在变得越来重要,并且已经成为人们社会生活中的不可或缺的要素。目前大部分的高速数据连接基于有物理连接的线路,如双绞线,光纤等。有线的连接在需要移动性的情况下很难得以被运用,因此基于无线技术的数据通信对于航线上的乘客而言是非常有吸引力的。然而高速无线数据连接对于实际中的飞行使用而言是难以达到覆盖距离要求的。一种替代手段是通过卫星给飞机提供高速链接。这种方案有着诸多方面的缺陷其一,其传输速率非常有限,导致每比特数据传输的成本很高;其次,基于卫星的方案需专门的天线以及相应的机载设备,这些设备价格很高,不具备相应的成本优势;最后基于卫星的数据通信方案需要的飞机改装时间太长,通常需要I周左右。而根据适航法规的要求,没有完成改装的飞机是不能用于航班运输的。这对于繁忙的航空公司而言将会造成少小的损失。因此为飞机提供一种成本合理的高速数据通信连接,在当下变得越来越迫切。

发明内容
本发明的目的在于提供一种为飞机提供高速数据通信的系统,该系统利用了一系列提供LTE空中接口协议的地面LTE地面基站信号发射机。这些LTE地面基站信号位于沿着已建立多架飞机的公共航线(航空航线)上。地面发射机的位置能为飞机从一个发射机转到另一个发射机时提供重叠覆盖区域。这样机上的乘客在空中就能享受到不间断的高速数据通信服务。本发明的另一目的在于提供一种为飞机提供高速数据通信的方法。根据本发明的第一方面,提供了一种为飞机提供高速地空宽带数据通信的系统,包括沿着预先定义的空中航线安装的多个LTE地面基站,相互邻接的LTE地面基站之间具有重叠通信覆盖区域,并且按LTE无线空口协议进行无线发射和接收;飞机上的LTE通信终端,按LTE无线空口协议进行无线发射和接收,以便与所述地面基站建立高速数双向据通信链路;其中,所述飞机外表面上装有多个飞机射频天线,所述多个飞机射频天线经由互连线缆连接所述LTE通信终端;其中,每个地面基站装有相同极化的射频天线,所述LTE通信终端使用所述多个飞机射频天线接收地面基站发射的射频信号,以及向地面基站发射射频信号。其中,所述每个地面基站装有的相同极化的射频天线是全向天线或具有一定波束宽度的定向天线。
其中,所述每个地面基站的射频天线通过一定角度的上倾角提供对空中飞行中的飞机射频信号的覆盖。其中,所述LTE通信终端提供由飞机乘客直接操作的地空通信服务。其中,所述LTE通信终端提供由飞机工作人员操作的地空双向中继数据链路服务。其中,所述LTE通信终端是与地面基站建立中继双向数据链路的LTE机载终端,用于通过安装在飞机上的机上网络为飞机乘客提供高速数双向数据业务。其中,所述机载终端包括射频模块,用来把利用所述多个飞机射频天线接收的来自地面基站的射频信号变 换成基带信号,以及将本机的基带信号转换成射频信号后经由所述飞机射频天线发送给地面基站;协议处理模块,用来处理来自所述射频模块的基带信号并生成业务数据,以及将本机业务数据处理成基带信号发送给所述射频模块;电源管理模块,用来将飞机上的标准电源转换成协议处模块与射频模块所需的电源,并对整个机载终端的电源进行管理。其中,所述机载终端还包括地面基站多小区干扰抑制单元,包括基带数据解调器,用来对来自所述射频模块的基带采样点信号进行解调,得到并输出多个地面基站的导频符号以及数据符号;信道估计器,用来根据所述基带数据解调器的输出,对多个地面基站的物理信道进行估计,得到各地面基站的信道系数;滤波系数生成器,用来利用通过估计得到的各地面基站的信道系数,计算对地面基站多小区干扰信号进行干扰抑制的滤波系数;接收滤波器,用来利用所述滤波系数,从飞机接收到的多个地面基站信号中滤出与飞机当前链接地面基站的有用信号,抑制作为干扰信号的其他地面基站信号。本发明的系统还包括安装在所述飞机上的飞机位置和姿态检测装置,用于通过检测飞机的位置和姿态,得到用于飞机越区切换的飞机位置信息和飞机姿态变化信息,以便所述地面基站根据所述飞机位置信息、飞机姿态变化信息、当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量,进行所述飞机越区切换。其中,所述机载终端上报所述飞机位置信息和飞机姿态变化信息,测量和上报当前地面基站信号质量,并根据当前地面基站的信号质量或者当前地面基站发送的切换测量请求,启动对邻居地面基站发射信号的测量,并上报邻居地面基站信号质量;所述地面基站接收所述机载终端上报的飞机位置信息和飞机姿态变化信息以及当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量,根据飞机位置信息向机载终端发送所述切换测量请求,并根据飞机姿态变化信息、飞机位置信息、当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量,进行从所述当前地面基站到邻居地面基站的越区切换。其中,上述机载终端包括当前地面基站信号测量和比较模块,用于测量当前地面基站的信号质量,并将当前地面基站的信号质量与预定门限值进行比较;邻居地面基站信号测量模块,用于在当前地面基站信号质量低于或等于预定门限值时,自行启动对邻居地面基站信号的测量,或者根据所述切换测量请求,启动对邻居地面基站信号的测量,并上报基于自行启动测量或基于请求启动测量的邻居地面基站信号质量。其中,所述地面基站包括切换测量请求发送模块,根据所述飞机位置信息确定飞机从当前地面基站近点区域进入当前地面基站远点区域的切换准备时刻,并在该切换准备时刻之前未收到基于自行启动测量的邻居地面基站信号质量的情况下,向机载终端发送切换测量请求。其中,所述地面基站设备还包括测量启动属性判断模块,用于判断机载终端上报的邻居地面基站信号质量的测量启动属性;
切换模块,当判断邻居地面基站信号质量的测量属于自行启动,则进一步判断飞行姿态信息变化值是否超过门限值,并在飞行姿态信息变化值超过门限值时暂停切换,反之,则通知机载终端进行切换;以及当判断邻居地面基站信号质量的测量属于依请求启动,则比较邻居地面基站信号质量和当前地面基站信号质量,并且当邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量时,通知机载终端进行切换。其中,每个地面基站利用所述定向天线的主瓣实现对目标小区的覆盖,以使沿航线布设的多个地面基站形成了对航线覆盖的“线状”多小区网络。其中,所述多个飞机射频天线按以下方式之一安装在所述飞机外表面上a)安装在飞机发动往机尾方向一侧的机腹或机顶上;b)安装在飞机发动往机头方向一侧的机腹或机顶上;c)分别安装在飞机发动机往机头方向一侧以及飞机发动机往机尾方向一侧的机腹或机顶上。其中,所述的每个飞机射频天线是相同极化的天线,并且其极化方向与地面基站射频天线的极化方向相同。其中,机载终端根据地面基站发送的随机接入信道PRACH扩展指令,生成扩展PRACH,并通过向地面基站发送所述扩展PRACH,进行随机接入;地面基站对机载终端发送的扩展PRACH进行PRACH检测,以确定上行接入机载终端的信道以及对应的发射时延值,并根据所述发射时延值生成并发送上行发射时间调整指令;机载终端根据地面基站发送的所述上行发射时间调整指令,调整发射的时间位置,从而实现上行定时同步。其中,所述地面基站还包括指令发送装置,在对各机载终端上行资源分配时,向小区内的所有机载终端发送在PRACH的保护间隔GT之后的一段时间不使用OFDM符号的PRACH扩展指令,和发送上行发射时间调整指令;PRACH检测装置,用于按扩展的PRACH进行PRACH检测。其中,所述PRACH检测装置包括定时器,用于确定进行扩展PRACH处理的数据位置值;PRACH滤波单元,用于把收到的上行宽带样点数据变成更窄带的经过滤波后的PRACH ;多个峰值检测单元,用于对PRACH信道滤波单元输出的数据进行峰值检测,以获得对应的PRACH信道号以及上行发射延时值TA ;滑窗位置存储器,用于记录多个并行PRACH处理单元的滑窗间隔;峰值处理单元,用于对多个峰值检测单元输出的峰值进行合并与处理,以最终输出有效的峰值位置与强度。其中,所述的机载终端还包括指令接收装置,用于接收所述PRACH扩展指令和所述上行发射时间调整指令;上行接入装置,根据所述PRACH扩展指令在所述PRACH保护间隔GT后形成与所述一段时间相对应的空区,得到所述GT+空区的扩展保护间隔GT’,从而生成并发送扩展·PRACH ;并且按所述TA值调整上行发送时间,实现上行发射同步。根据本发明第二方面,提供了一种为飞机提供高速地空宽带数据通信的方法,包括沿着预先定义的空中航线安装多个LTE地面基站,使相互邻接的LTE地面基站之间具有重叠通信覆盖区域,并且按LTE无线空口协议进行无线发射和接收;在飞机上安装LTE通信终端,所述LTE通信终端按LTE无线空口协议进行无线发射和接收,以便与所述地面基站建立高速数双向据通信链路;其中,所述飞机外表面上装有上多个飞机射频天线,所述多个飞机射频天线经由互连线缆连接所述机载终端;其中,每个地面基站装有相同极化的射频天线,所述相同极化的射频天线是具有一定波束宽带的定向天线,LTE通信终端使用所述多个飞机射频天线接收地面基站发射的射频信号,以及向地面基站发射射频信号。其中,所述LTE通信终端是与地面基站建立中继双向数据链路的LTE机载终端,用于通过机上网络为飞机乘客提供高速数双向数据业务。其中,每个地面基站利用所述定向天线的主瓣实现对目标小区的覆盖,以使沿航线布设的多个地面基站形成了对航线覆盖的“线状”多小区网络。其中,所述多个飞机射频天线按以下方式之一安装在所述飞机外表面上a)安装在飞机发动往机尾方向一侧的机腹或机顶上;b)安装在飞机发动往机头方向一侧的机腹或机顶上;c)分别安装在飞机发动机往机头方向一侧以及飞机发动机往机尾方向一侧的机腹或机顶上。其中,所述的每个飞机射频天线是相同极化的天线,并且其极化方向与地面基站射频天线的极化方向相同。其中,所述机载终端与所述地面基站按照如下步骤执行越区切换A、当前地面基站从所述机载终端获得飞机位置信息和飞机姿态变化信息;B、机载终端测量和上报当前地面基站信号质量;C、机载终端根据当前地面基站的信号质量或者当前地面基站发送的切换测量请求,启动对邻居地面基站发射信号的测量,并上报邻居地面基站信号质量;D、当前地面基站根据飞机姿态变化信息、飞机位置信息、当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量,进行从所述当前地面基站到邻居地面基站的越区切换。其中,所述步骤A包括Al、机载终端通过全球导航卫星系统GNSS获得飞机位置信息和飞机速度信息;A2、机载终端把所述飞机位置信息和速度信息上报给当前地面基站,当前地面基站通过速度信息计算得到飞机姿态变化信息;或者机载终端把所述飞机位置信息和通过速度信息计算得到的飞机姿态变化信息上报给所述当前地面基站。
其中,所述步骤A包括Al’、机载终端利用定位系统获得飞机位置信息,利用姿态传感器获得飞机姿态变化信息;A2’、机载终端把所述飞机位置信息和姿态变化信息上报给当前地面基站。其中,所述步骤C包括Cl、机载终端将当前地面基站信号质量与预定门限值进行比较;C2、当比较结果为所述当前地面基站信号质量低于或等于预定门限值时,自行启动对邻居地面基站信号的测量,并上报基于自行启动测量的邻居地面基站测量报告。其中,所述步骤C还包括C3、若在当前地面基站根据所述飞机位置信息确定飞机从当前地面基站近点区域进入当前地面基站远点区域的时刻,未收到基于自行启动测量的邻居地面基站信号质量,则向机载终端发送切换测量请求;C4、所述机载终端响应所述切换测量请求,启动对邻居地面基站信号的测量,并上报基于请求启动测量的邻居地面基站信号质量。其中,所述步骤D包括D1、当前地面基站收到所述邻居地面基站信号质量后,判断飞机姿态变化信息的变化值是否大于门限值;D2、若变化值大于门限值,则暂停切换;D3、若变化值小于门限值,则进一步判断邻居地面基站信号质量是否高于当前地面基站信号质量,若邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量且两者差值大于一定值,则通知机载终端进行切换,反之则暂停切换。其中,所述邻居地面基站信号质量和当前地面基站信号质量均包括信号强度或信号干扰噪声比;所述邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量包括邻居地面基站的信号强度大于当前地面基站的信号强度,或者邻居地面基站的信号干扰噪声比大于当前地面基站的信号干扰噪声比。其中,所述机载终端与所述地面基站按照如下步骤执行范围非同步地空通信E、各机载终端根据地面基站发送的随机接入信道PRACH扩展指令,生成扩展PRACH ;F、各机载终端通过向地面基站发送所述扩展PRACH,进行随机接入;G、地面基站对各机载终端发送的扩展PRACH进行PRACH检测,以确定各上行接入机载终端的信道以及对应的发射时延值,并根据所述发射时延值生成并发送上行发射时间调整指令;
H、各机载终端根据地面基站发送的所述上行发射时间调整指令,调整发射的时间位置,从而实现上行定时同步。其中,所述步骤E包括El、地面基站在进行各机载终端上行资源分配时,向小区内的所有机载终端发送在PRACH的保护间隔GT之后的一段时间不使用OFDM符号的PRACH扩展指令;E2、各机载终端根据所述PRACH扩展指令,在所述PRACH保护间隔GT后形成与所述一段时间相对应的空区,得到所述GT+空区的扩展保护间隔GT’,从而生成扩展PRACH ;其中,所述PRACH扩展指令是基站通过下行TOCCH信道进行上行用户资源分配时,将PRACH信道后面相邻的OFDM符号上PRACH信道所在频域上的资源预留出来的方式实现。
其中,所述不使用的OFDM符号的数量与地面基站需要扩展的覆盖半径成正比。其中,所述各机载终端通过以下方式之一向地面基站发送所述扩展PRACH :时分多址方式;频分多址方式;码分多址方式。其中,所述步骤G包括G1、从上行基带样点数据中滤出扩展PRACH对应的基带数据;G2、从扩展PRACH的CP后面开始的数据位置取出序列长度加上扩展后GP’长度的数据;G3、以不大于CP的长度为步长用多个并行的峰值检测单元做滑窗,对整个数据进行并行峰值检测;G4、根据滑窗的大小以及峰值的位置计算、检测出峰值位置与峰值大小;G5、根据输出的峰值大小与位置确认上行接入机载终端的扩展PRACH信道以及对应的发射时延值,并根据所述发射时延值生成并发送含有时延调整值TA的上行发射时间调整指令。其中,所述步骤H包括HI、各机载终端从所述上行发射时间调整指令中提取所述TA ;H2、各机载终端按所述TA值调整发送时间,实现上行发射同步。此外,本发明的高速数据通信链路包括互联网接入;流媒体视频接入;IP语音接入;基于飞机上的地面移动通信系统家用地面基站提供的语音接入,以及,文件传输接入。另外,本发明的LTE空中接口标准工作的频率范围在3. 6GHz以下。其中,所述LTE空中接口标准工作的频率范围在3GHz到6GHz之间。相对于现有技术,本发明的可以利用TLE规范的空中接口技术实现超过100公里的大范围地空通信;并且能够利用定向单极性天线的地空通信方式降低邻区同频干扰;还能够解决因飞机飞行姿态造成的断链问题。下面结合附图对本发明的原理、结构进行详细说明。


图I是本明发为飞机提供宽带通信系统的一种实施例;图2a是本发明示出的一种通过飞机上的LTE用户站实现地空通信的机舱连接示意图;图2b为本发明示出的一种机舱网络示意图;图3a是单频点同频组网的LTE系统网络示意图;图3b是二频点异频组网的 LTE系统网络不意图;图4是基于LTE核心网的全网络结网络结构示意图;图5是基于LTE空口标准协议接口以及私有网络的结构示意图;图6是本发明的机载终端和地面基站实现越区切换的示意图;图7a是本发明的越区切换的功能模块的示意图;图7b是图7a中的机载终端的涉及越区切换的功能|旲块的不意图;图8是本发明的姿态信息计算的处理流程图;图9是本发明的地面基站切换模块的处理流程图;图10是本发明的飞机飞行近点与远点区域示意图;图11是本发明的飞机在飞行过程中的切换示意图;图12a至图12h是显示本发明的各种天线安装位置的示意图;图13是本发明的地空宽带通信机载设备主要模块及连接的示意图;图14是本发明的地面基站对航线进行覆盖的示意图;图15a是本发明的地面基站使用较窄波束定向天线进行航线组网的示意图;图15b是本发明的地面基站使用较宽波束定向天线进行航线组网的示意图;图16是机载干扰抑制接收滤波装置的示意图;图17是本发明干扰抑制流程图;图18是本发明地面基站与不同距离的机载终端的通信示意图;图19a是LTE PRACH结构示意图;图19b是LTE PRACH参数示意图;图20a是现有LTE的上行接入的示意图;图20b是显示本发明的“打掉”LTE PRACH后面的部分OFDM符号上的频域数据,实现扩展PRACH的示意图;图20c是显示本发明的利用扩展PRACH进行多PRACH滑窗并行检测的示意图;图21是本发明的非同步上行接入流程图;图22是本发明的地面基站发射机、地面基站接收机、机载终端收发机的通信框图;图23是本发明的地面基站接收机上行PRACH检测流程图;图24是本发明的地面基站接收机上行PRACH检测装置框图。
具体实施例方式下面结合

本发明的实施方式。LTE空中接口标准在众多具有移动通信能力的宽带无线通信系统中,第三代合作伙伴计划(3GPP)开发制订的长期演进(LTE)技术是一种面向4G的无线通信技术,该系统以其独有的特性,特别地适合用于实现对飞机实现宽带无线通信。LTE采用了基于OFDM技术的空中接口设计,目标是构建出高速率、低时延、分组优化的无线接入系统,提供更高的数据速率和频谱利用率。LTE系统支持FDD和TDD两种双工方式,并对传统UMTS网络架构进行了优化,其中LTE仅包含eNodeB,不再有RNC ;EPC也做了较大的简化。这使得整个系统呈现扁平化特性。LTE空中接口标准是一种采用由NodeB构成的单层结构的固定宽带无线接入系统。这种结构有利于简化网络和减小延迟,实现了低时延,低复杂度和低成本的要求。它采用OFDM和MMO作为其无线网络演进的关键技术。在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能,提高小区容量和降低系统延迟。作为3GPP的长期演进系统,LTE 一方面可以继承3GPP标准(GSM、EDGE、WCDMA,HSPA、HSPA+)中已经在使用的频率,同时国际电联(ITU)以及各国政府也分别为MT(国际移动电信)技术分配了频谱,总共可用的频谱范围是450MHz-3600MHz,即3.6GHz以下的频谱。这些频谱也可以分配给LTE使用。另外,部分国家和地区也在考虑在3GHz-6GHz的频率范围内扩展为LTE在专用领域下使用。扩展的频率只需要对LTE地面基站与接收站的频率做相应修改,而空中接口标准不做任何修改即可使用。LTE空中接口标准是指第三代合作伙伴计划(3GPP)制订的长期演进计划(LTE)版·本8、9、10 (Release 8、9、10)及其后续演进版本。也有人将3GPP LTE版本8,9称为LTE,将版本10以后的版本称为LTE-A(高级的长期演进技术)。本发明所指的LTE是3GPP LTE空中接口技术的版本8、9、10及其后续演进的版本。特别地,LTE从系统设计上支持14公里、29公里、77公里以及100公里的小区覆盖。特别是100公里的小区覆盖,远大于目前所见到的地面移动通信系统,特别适合于飞行中的飞机使用的大范围高速移动通信系统。为飞机提供宽带地空无线通信为飞机提供宽带无线通信的系统,是将LTE空中接口协议的地面基站沿着预先定义航线的方向架设,并使地面基站的信号在空中有重叠的覆盖区域。图I显示了依照本发明设计的用于飞行中飞机上的宽带通信系统的一个实例。图中10为沿航线的方向且离航线有一定水平距离建设的多个LTE空中接口协议地面基站(以下简称LTE地面基站),11为地面基站所能够覆盖的航线高度上的水平空域范围,12与13为飞机在航线上航行的方向。在同一航线上,飞机按一定规则可以在同一水平面或不同高度上同方向或对方向飞行。LTE地面基站在空域中的覆盖范围有一定的重叠,以保证为飞机或飞机内的用户提供连续不间断的通信。当一个航班的飞机沿着它的飞行路径12、13经过时,它会沿着由地面基站10提供的不同覆盖区域11飞行,中间不会有通信中断。应当认为单个地面基站10可以覆盖每个空中覆盖区域11范围内的所有飞机。并且,当沿着飞行路径12、13飞行时,一架飞机可能同时在多个地面基站10的重叠覆盖区域范围内。LTE地面基站实现对空中覆盖射频信号。直接用于地面通信的LTE地面基站及其天线不能为空中飞机提供无线通信,其主要原因除了与空中航空使用的通信、导航、监视系统的电磁兼容问题之外,另一个主要原因是地面通信系统的LTE地面基站都是有一定的下倾角的,以确保提供足够的地面用户的通信覆盖。而带有下倾角的一般的地面通信系统的信号很难覆盖到空中,实验表明,通常在离地500-800米的空间,地面通信系统的信号会急剧地减小。为飞机提供空中通信覆盖的LTE地面基站天线,其地面基站的射频信号提供对空中飞机的射频信号的覆盖。这种覆盖方式与LTE地面基站相对于航线的位置有关。通常而言,无论是飞机上接收射频信号的机载天线还是地面LTE地面基站发射射频信号的LTE地面基站天线,都存在一定的顶部“盲区”,因此为了保证好的通信效果往往会将LTE地面基站建设在离航线两侧与航线有一定角度的位置上。LTE地面站建设的位置不同,LTE地面站上倾角的大小也有差异,通常的工程经验提供的一种比较好的设置上倾角的数值是在5-30度之间。而上倾角的提供方法可以是地面LTE地面站天线安装时向上有一定的倾角,或者是通过定制的天线为航线方向提供一定数值的电上倾角。在实际操作中,根据LTE在面站相对于所需覆盖航线在水平与垂直方向的距离来决定使用多大的上倾角,而上倾角的设置,即可以按天线电场方向或工程安装方式其中的一种或两者的组合来实现。LTE空中接口协议的双工方式。LTE空口接口协议支持100公里的大范围覆盖。要实现这么大范围的覆盖,上、下行通信收发切换时需要长的隔离保护。因此相对于TDD而言,FDD更适合于用于飞机宽带无线通信系统。对TDD的双工方式,则在LTE空中接口协议的规定内进行一些参数和信令的配置以预留出上、下行之间的保护即可直接用于飞机宽带无线通信系统。
机上通信系统与服务 机上LTE通信装置,包括可以直接使用带有LTE空口接口标准协议接收能力的终端,如手机、PDA、笔记本电脑或者飞机座舱中为乘客提供的专用电话等,或者直接安装在飞机上的机载设备。当机上LTE通信装置是乘客使用的设备时,LTE用户终端直接由机舱中的乘客来操作。当机上LTE通信装置是机载终端时,为飞机上的设备提供双向中继数据链路服务。当LTE地面基站直接与飞机上的机载终端通信时,飞机在与地面基站通过LTE空中接口标准来进行通信后,再通过飞机上的网络来给机舱乘客提供高速数据通信链路。实现这种机舱通信的网络是机舱通信网络。这种机舱通信网络可以是基于有线或无线的机舱局域网、家用小基站,也可以是飞机上的专有数据分发系统。图2a和图2b显示了飞机上的LTE机载终端实现地空通信的机舱连接关系。20为飞机,21为LTE机载终端使用的对地通信的天线,22为机上的LTE机载终端,根据LTE空口接口协议,实现地空双向通信功能。LTE机载终端可以进一步地连接飞机上专有的网络系统23,连接机舱通信与娱乐的有线局域网24以及无线局域网设备25,甚至可以连接机上的家用小基站设备26。设备25和26可以通过飞机上的机舱天线进一步提供机舱内的无线覆盖,以供机上,WiFi用户以及移动通信系统(如GPRS、WCDMA, TD-SCDMA以及LTE等)的用户终端的接入。系统为在空中航线飞行的飞机提供高速宽带通信服务。用户送一个地面基站切换到另一个地面基站的技术和行业内普遍用到的类似。无论是直接通过乘客来操作的接收站,还是直接通过飞机及飞机上的LAN来进行操作,或者是通过地面移动通信系统的家用基站无线网络进行的操作以及飞机专用网络系统的接入,通信链路可以为用户提供例如互联网接入、流媒体视频接入、IP语音接入、电话、文件传输接入以及包括对飞机上的信息的接入。此外,系统可以给地面相关机构如空中交通管理人员提供航空数据信息。航空数据包括空中交通管制信息,飞机状态和性能信息,飞机内部视频安全监控等等。飞机上的单个乘客可以直接接入系统,更进一步说就是飞机能够接入系统然后通过机上网络例如LAN提供个人访问。组网问题
LTE系统的空口标准协议具有同频组网能力。即在地空多用户的条件下,多个地面基站使用一个频点对空中实现覆盖,如图3a所示。在图3a所示的7个地空通信系统的小区中,所有的地面基站使用相同的频率Π,地面基站用LTE标准接口协议的同频组网技术实现不同地面基站使用单个频率工作的同频组网。这些技术包括ΜΙΜ0,软频率复用等。同时,在频率允许的条件下,LTE系统同样可以使用多个频率实现异频组网,如图3b所示。在图3b中,7个不同的地空通信小区使用3频点组网的方案,其频率分配的方式与地面系统类似,即不相邻的地空通信小区分配不同的频率,间隔一个小区使用相同的频率。这种频率分配的方法被称为“三色”异频组网方法,类似的还有“七色”或更多色的异频组网方法。在使用LTE空口接口技术实现地空通信之外,还可以使用LTE演进的包交换网络(EPC)来实现地空网络之间以及地空网络与互联网以及其它地面移动通信网的互通互联。如图4所示,两个地面LTE地面基站A和B之间可以通过光纤进行连接,地面基站与LTE核心网提供的标准核心网络30连接到互联网37。LTE的核心网络30如图4所示,包括以下标准网元31、32移动管理单元(MME),33服务网关网元,36归属位置服务网元,33服务网关网元,34包数据网关网元,以及35IP媒体子系统。地面基站B即可以与地面基站A使用 同一个MME接入网络31,还可以通过另一个MME接入网络32。以上网元为LTE系统标准定义的标准设备,本发明不做更详细地介绍。同样的,在使用LTE空中接口标准协议构成地空通信连接的网络时,地面核心网络还可以使用私有协议的网络结构。这主要得益于LTE地面基站是基于IP分组数据包的结构,因此空中飞机与地面基站的通信交互的IP数据包,可以基于非LTE标准的网络标准设备来组网,如图5所示。与图4的差异在于是使用用户自定义的核心网络结构来实现地面系统的网络间的联接,而不是使用图4的LTE标准的核心网络设备30。这种私有网络可以通过部分LTE核心网的设备来进行重新配置或者是通过自定义的服务器网关实现不同地面基站间,以及地面基站与互联网间的互通互联。尽管LTE基站和接收机适合于远距离通信,但是由于飞机在飞行中存在不同于地面的飞行速度、飞行范围、飞行姿态等问题,因此本发明在LTE技术的基础上,提出了更适合地空通信的越区切换子系统、天线子系统及大范围非同步地空通信子系统,下面结合图6至图24进行详细说明。高谏移动下地空宽带通信的越区切换子系统现有的LTE技术没有考虑航空通信的特殊性,比如在特定工作频段下,降雨等天气因素会带来较严重的信号衰落,飞机飞行姿态变化引起的飞机机体对天线信号的遮挡会导致信号质量20-30dB的严重衰落问题。当遇到出现持续的覆盖不足的问题时,地面移动通信系统通常通过增加地面基站或直放站的布设来解决。而在地空通信场景下,要增加地面基站数目,则会增加地面基站数量、以及增加布站的站址,这些方式因为地空通信站址选择困难、成本高等原因无法实施。在这种情况下,如果仅仅通过判断信号质量作为切换判决的条件,容易引起误切换和甚至产生频繁往返切换的“乒乓效应”。另一方面,在LTE技术中,通常在信号质量下降时开始对邻居地面基站进行测量,测量时间过长会导致切换时间点过晚,业务质量下降严重;测量时间过短则很难排除瞬间干扰因素,引起误切换和乒乓效应。因此,需要改进技术,从而准确判断切换时机,保证在当前链路质量下降之前及时切换到信号较好的相邻小区,以保证业务质量的平稳性。
此外,当前地面通信系统采用的终端在与当前地面基站通信过程中需不断测量相邻小区信号质量,以便生成一个候选的邻区切换地面基站列表,使得终端可以及时切换到表中相应的目标小区,但是这种方法需要终端不断测量邻居地面基站信道。这种方法测量持续时间长,测量带来的计算开销大,不太适合具有确定终端(飞机)位置信息与姿态信息的地空通信系统。为了解决上述技术问题,本发明提供了一种高速移动下地空宽带通信的越区切换方法及装置,以便实现高速地空宽带通信下的机载设备的宽带无线通信和网络的快速平稳切换。 图6是本发明的地空宽带通信系统示意图,所示发明的系统中,GNSS系统29和机载终端22安装于飞机20上,地面基站A和地面基站B以及分别对应于地面基站A和B的位置服务器11位于地面,地面基站A或地面基站B分别通过无线通信链路与飞机上机载终端22进行通信,地面基站A和地面基站B之间通过地面核心网30进行信息交互,地面基站和位置服务器通过通信链路进行信息交互。飞机上的机载终端22通常仅与一个地面基站进行通信,比如与地面基站A进行通信,本发明将当前与机载终端22进行通信的地面基站A称之为当前地面基站,而将未进行通信的地面基站B称之为邻居地面基站。下面结合图6说明本发明的一种高速移动下地空宽带通信的切换方法。当前地面基站A从所述机载终端22获得飞机位置信息和飞机姿态变化信息;机载终端22实时测量和上报含有当前地面基站信号质量的测量报告,该信号质量是机载终端22通过对当前地面基站A发送的无线信号测量得到的,并且通过测量报告发送给当前地面基站A ;机载终端根据所测量当前地面基站的信号质量或者当前地面基站A发送的切换测量请求,启动对邻居地面基站发射信号的测量,并通过测量报告上报的邻居地面基站信号质量,启动对邻居地面基站信号测量就意味着进入越区切换阶段,本发明根据两种情况启动对邻居地面基站信号测量其一是,当前地面基站信号突然变差,其二是,飞机从当前地面基站近点区域进入当前地面基站远点区域,以便确保机载终端通过切换,始终与信号质量最好的地面基站进行通信;当前地面基站A根据飞机姿态变化信息、当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量,进行从所述当前地面基站A到邻居地面基站B的越区切换。本发明机载终端可以通过全球导航卫星系统(GNSS)获得飞机位置信息,通过飞机姿态传感器得到飞机姿态信息(如利用陀螺仪得到三轴姿态信息),然后通过与当前飞机姿态信息进行比较,得到飞机姿态变化信息,然后机载终端22将飞机位置信息和姿态变化信息上报给当前地面基站A,使当前地面基站A得到飞机位置信息和姿态变化信息。另一方面,本发明也可以利用飞机上的GNSS获得飞机位置信息和姿态变化信息,具体操作步骤如下机载终端22通过机载卫星导航系统GNSS获得飞机三个方向上的位置信息和速度
信息;机载终端22把所述飞机位置信息和速度信息上报给当前地面基站A,当前地面基站A通过速度信息计算得到飞机姿态变化信息,使当前地面基站A得到飞机位置信息和飞机姿态变化信息。当然,机载终端22也可以先用速度信息计算出飞机姿态变化信息,然后再把飞机位置信息和飞机姿态变化信息上报给所述当前地面基站A。图8显示了利用飞机速度信息计算姿态变化信息的流程。如图8所示,处理开始于步骤S31 ;在步骤S32,位置服务器11从当前地面基站A得到机载终端22上报的飞机的速度信息,这里的速度是指东向、北向和上向速度观测值4、I、I;之后,在步骤S33,用卡尔曼滤波对东向、北向和上向数据进行独立滤波得到东向、北向、向上速度和加速度最优估值的i、毛,1、 Ν, I、毛;在步骤S34,进行伪姿态计算,伪姿态根据每次卡尔曼滤波得到的最优速度、加速度估值计算出伪偏航角、伪俯仰角、伪滚动/滚转角Ws、Θ S、
Φ s,其中
权利要求
1.一种为飞机提供高速地空宽带数据通信的系统,包括 沿着预先定义的空中航线安装的多个LTE地面基站,相互邻接的LTE地面基站之间具有重叠通信覆盖区域,并且按LTE无线空口协议进行无线发射和接收; 飞机上的LTE通信终端,按LTE无线空口协议进行无线发射和接收,以便与所述地面基站建立高速数双向据通信链路; 其中,所述飞机外表面上装有多个飞机射频天线,所述多个飞机射频天线经由互连线缆连接所述LTE通信终端; 其中,每个地面基站装有相同极化的射频天线,所述LTE通信终端使用所述多个飞机射频天线接收地面基站发射的射频信号,以及向地面基站发射射频信号。
2.根据权利要求I所述的系统,其中,所述每个地面基站装有的相同极化的射频天线是全向天线或具有一定波束宽度的定向天线。
3.根据权利要求2所述的系统,其中,所述每个地面基站的射频天线通过一定角度的上倾角提供对空中飞行中的飞机射频信号的覆盖。
4.如权利要求I或3所述的系统,其中,所述LTE通信终端提供由飞机乘客直接操作的地空通信服务。
5.如权利要求I或3所述的系统,其中,所述LTE通信终端提供由飞机工作人员操作的地空双向中继数据链路服务。
6.根据权利要求4或5所述的系统,其中,所述LTE通信终端是与地面基站建立中继双向数据链路的LTE机载终端,用于通过安装在飞机上的机上网络为飞机乘客提供高速数双向数据业务。
7.如权利要求I或6所述的系统,其中所述机载终端包括 射频模块,用来把利用所述多个飞机射频天线接收的来自地面基站的射频信号变换成基带信号,以及将本机的基带信号转换成射频信号后经由所述飞机射频天线发送给地面基站; 协议处理模块,用来处理来自所述射频模块的基带信号并生成业务数据,以及将本机业务数据处理成基带信号发送给所述射频模块; 电源管理模块,用来将飞机上的标准电源转换成协议处模块与射频模块所需的电源,并对整个机载终端的电源进行管理。
8.如权利要求7所述的系统,其中所述机载终端还包括多小区干扰抑制单元,包括 基带数据解调器,用来对来自所述射频模块的基带采样点信号进行解调,得到并输出多个地面基站的导频符号以及数据符号; 信道估计器,用来根据所述基带数据解调器的输出,对多个地面基站的物理信道进行估计,得到各地面基站的信道系数; 滤波系数生成器,用来利用通过估计得到的各地面基站的信道系数,计算对地面基站多小区干扰信号进行干扰抑制的滤波系数; 接收滤波器,用来利用所述滤波系数,从飞机接收到的多个地面基站信号中滤出与飞机当前链接地面基站的有用信号,抑制作为干扰信号的其他地面基站信号。
9.根据权利要求6或7所述的系统,还包括安装在所述飞机上的飞机位置和姿态检测装置,用于通过检测飞机的位置和姿态,得到用于飞机越区切换的飞机位置信息和飞机姿态变化信息,以便所述地面基站根据所述飞机位置信息、飞机姿态变化信息、当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量,进行所述飞机越区切换。
10.根据权利要求9所述的系统,其中,所述机载终端上报所述飞机位置信息和飞机姿态变化信息,测量和上报当前地面基站信号质量,并根据当前地面基站的信号质量或者当前地面基站发送的切换测量请求,启动对邻居地面基站发射信号的测量,并上报邻居地面基站信号质量; 所述地面基站接收所述机载终端上报的飞机位置信息和飞机姿态变化信息以及当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量,根据飞机位置信息向机载终端发送所述切换测量请求,并根据飞机姿态变化信息、飞机位置信息、当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量,进行从所述当前地面基站到邻居地面基站的越区切换。
11.根据权利要求9或10所述的系统,其中,所述机载终端还包括 当前地面基站信号测量和比较模块,用于测量当前地面基站的信号质量,并将当前地面基站的信号质量与预定门限值进行比较; 邻居地面基站信号测量模块,用于在当前地面基站信号质量低于或等于预定门限值时,自行启动对邻居地面基站信号的测量,或者根据所述切换测量请求,启动对邻居地面基站信号的测量,并上报基于自行启动测量或基于请求启动测量的邻居地面基站信号质量。
12.根据权利要求9或10所述的系统,其中,所述地面基站包括 切换测量请求发送模块,根据所述飞机位置信息确定飞机从当前地面基站近点区域进入当前地面基站远点区域的切换准备时刻,并在该切换准备时刻之前未收到基于自行启动测量的邻居地面基站信号质量的情况下,向机载终端发送切换测量请求。
13.根据权利要求10所述的系统,其中,所述地面基站设备还包括 测量启动属性判断模块,用于判断机载终端上报的邻居地面基站信号质量的测量启动属性; 切换模块,当判断邻居地面基站信号质量的测量属于自行启动,则进一步判断飞行姿态信息变化值是否超过门限值,并在飞行姿态信息变化值超过门限值时暂停切换,反之,则通知机载终端进行切换;以及当判断邻居地面基站信号质量的测量属于依请求启动,则t匕较邻居地面基站信号质量和当前地面基站信号质量,并且当邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量时,通知机载终端进行切换。
14.如权利要求9所述的系统,其中,每个地面基站利用所述天线实现对目标小区的覆盖,以使沿航线布设的多个地面基站形成了对航线覆盖的“线状”多小区网络。
15.如权利要求14所述的系统,其中所述多个飞机射频天线按以下方式之一安装在所述飞机外表面上 a)安装在飞机发动往机尾方向一侧的机腹或机顶上; b)安装在飞机发动往机头方向一侧的机腹或机顶上; c)分别安装在飞机发动机往机头方向一侧以及飞机发动机往机尾方向一侧的机腹或机顶上。
16.如权利要求14或15所述的系统,其中所述的每个飞机射频天线是相同极化的天线,并且其极化方向与地面基站射频天线的极化方向相同。
17.如权利要求6所述的系统,其中,机载终端根据地面基站发送的随机接入信道PRACH扩展指令,生成扩展PRACH,并通过向地面基站发送所述扩展PRACH,进行随机接入;地面基站对机载终端发送的扩展PRACH进行PRACH检测,以确定上行接入机载终端的信道以及对应的发射时延值,并根据所述发射时延值生成并发送上行发射时间调整指令;机载终端根据地面基站发送的所述上行发射时间调整指令,调整发射的时间位置,从而实现上行定时同步。
18.根据权利要求17所述的系统,所述地面基站包括 指令发送装置,在对各机载终端上行资源分配时,向小区内的所有机载终端发送在PRACH的保护间隔GT之后的一段时间不使用OFDM符号的PRACH扩展指令,和发送上行发射时间调整指令; PRACH检测装置,用于按扩展的PRACH进行PRACH检测。
19.根据权利要求18所述的系统,所述PRACH检测装置包括 定时器,用于确定进行扩展PRACH处理的数据位置值; PRACH滤波单元,用于把收到的上行宽带样点数据变成更窄带的经过滤波后的PRACH ;多个峰值检测单元,用于对PRACH信道滤波单元输出的数据进行峰值检测,以获得对应的PRACH信道号以及上行发射延时值TA ; 滑窗位置存储器,用于记录多个并行PRACH处理单元的滑窗间隔; 峰值处理单元,用于对多个峰值检测单元输出的峰值进行合并与处理,以最终输出有效的峰值位置与强度。
20.根据权利要求19所述的系统,所述的机载终端还包括 指令接收装置,用于接收所述PRACH扩展指令和所述上行发射时间调整指令; 上行接入装置,根据所述PRACH扩展指令在所述PRACH保护间隔GT后形成与所述一段时间相对应的空区,得到所述GT+空区的扩展保护间隔GT’,从而生成并发送扩展PRACH ;并且按所述TA值调整上行发送时间,实现上行发射同步。
21.一种为飞机提供高速地空宽带数据通信的方法,包括 沿着预先定义的空中航线安装多个LTE地面基站,使相互邻接的LTE地面基站之间具有重叠通信覆盖区域,并且按LTE无线空口协议进行无线发射和接收; 在飞机上安装LTE通信终端,所述LTE通信终端按LTE无线空口协议进行无线发射和接收,以便与所述地面基站建立高速数双向据通信链路; 其中,所述飞机外表面上装有上多个飞机射频天线,所述多个飞机射频天线经由互连线缆连接所述机载终端; 其中,每个地面基站装有相同极化的射频天线,所述相同极化的射频天线是全向天线或具有一定波束宽带的定向天线,LTE通信终端使用所述多个飞机射频天线接收地面基站发射的射频信号,以及向地面基站发射射频信号。
22.根据权利要求21所述的方法,其中,所述LTE通信终端是与地面基站建立中继双向数据链路的LTE机载终端,用于通过机上网络为飞机乘客提供高速数双向数据业务。
23.如权利要求22所述的方法,其中,每个地面基站利用所述天线的实现对目标小区的覆盖,以使沿航线布设的多个地面基站形成了对航线覆盖的“线状”多小区网络。
24.如权利要求22或23所述的方法,其中所述多个飞机射频天线按以下方式之一安装在所述飞机外表面上a)安装在飞机发动往机尾方向一侧的机腹或机顶上; b)安装在飞机发动往机头方向一侧的机腹或机顶上; c)分别安装在飞机发动机往机头方向一侧以及飞机发动机往机尾方向一侧的机腹或机顶上。
25.如权利要求22或23所述的方法,其中所述的每个飞机射频天线是相同极化的天线,并且其极化方向与地面基站射频天线的极化方向相同。
26.如权利要求22或23所述的方法,其中,所述机载终端与所述地面基站按照如下步骤执行越区切换 A、当前地面基站从所述机载终端获得飞机位置信息和飞机姿态变化信息; B、机载终端测量和上报当前地面基站信号质量; C、机载终端根据当前地面基站的信号质量或者当前地面基站发送的切换测量请求,启动对邻居地面基站发射信号的测量,并上报邻居地面基站信号质量; D、当前地面基站根据飞机姿态变化信息、飞机位置信息、当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量,进行从所述当前地面基站到邻居地面基站的越区切换。
27.根据权利要求26所述的方法,其中,所述步骤A包括 Al、机载终端通过全球导航卫星系统GNSS获得飞机位置信息和飞机速度信息; A2、机载终端把所述飞机位置信息和速度信息上报给当前地面基站,当前地面基站通过速度信息计算得到飞机姿态变化信息;或者机载终端把所述飞机位置信息和通过速度信息计算得到的飞机姿态变化信息上报给所述当前地面基站。
28.根据权利要求26所述的方法,其中,所述步骤A包括 Al’、机载终端利用定位系统获得飞机位置信息,利用姿态传感器获得飞机姿态变化信息; A2’、机载终端把所述飞机位置信息和姿态变化信息上报给当前地面基站。
29.根据权利要求26或27或28所述的方法,其中,所述步骤C包括 Cl、机载终端将当前地面基站信号质量与预定门限值进行比较; C2、当比较结果为所述当前地面基站信号质量低于或等于预定门限值时,自行启动对邻居地面基站信号的测量,并上报基于自行启动测量的邻居地面基站测量报告。
30.根据权利要求29所述的方法,其中,所述步骤C还包括 C3、若在当前地面基站根据所述飞机位置信息确定飞机从当前地面基站近点区域进入当前地面基站远点区域的时刻,未收到基于自行启动测量的邻居地面基站信号质量,则向机载终端发送切换测量请求; C4、所述机载终端响应所述切换测量请求,启动对邻居地面基站信号的测量,并上报基于请求启动测量的邻居地面基站信号质量。
31.根据权利要求30所述的方法,其中,所述步骤D包括 D1、当前地面基站收到所述邻居地面基站信号质量后,判断飞机姿态变化信息的变化值是否大于门限值; D2、若变化值大于门限值,则暂停切换; D3、若变化值小于门限值,则进一步判断邻居地面基站信号质量是否高于当前地面基站信号质量,若邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量且两者差值大于一定值,则通知机载终端进行切换,反之则暂停切换。
32.根据权利要求31所述的方法,其中,所述邻居地面基站信号质量和当前地面基站信号质量均包括信号强度或信号干扰噪声比; 所述邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量包括邻居地面基站的信号强度大于当前地面基站的信号强度,或者邻居地面基站的信号干扰噪声比大于当前地面基站的信号干扰噪声比。
33.如权利要求22或23所述的方法,其中,所述机载终端与所述地面基站按照如下步骤执行范围非同步地空通信 E、各机载终端根据地面基站发送的随机接入信道PRACH扩展指令,生成扩展PRACH; F、各机载终端通过向地面基站发送所述扩展PRACH,进行随机接入; G、地面基站对各机载终端发送的扩展PRACH进行PRACH检测,以确定各上行接入机载终端的信道以及对应的发射时延值,并根据所述发射时延值生成并发送上行发射时间调整指令; H、各机载终端根据地面基站发送的所述上行发射时间调整指令,调整发射的时间位置,从而实现上行定时同步。
34.根据权利要求33所述的方法,其中,所述步骤E包括 E1、地面基站在进行各机载终端上行资源分配时,向小区内的所有机载终端发送在PRACH的保护间隔GT之后的一段时间不使用OFDM符号的PRACH扩展指令; E2、各机载终端根据所述PRACH扩展指令,在所述PRACH保护间隔GT后形成与所述一段时间相对应的空区,得到所述GT+空区的扩展保护间隔GT’,从而生成扩展PRACH ; 其中,所述PRACH扩展指令是基站通过下行HXXH信道进行上行用户资源分配时,将PRACH信道后面相邻的OFDM符号上PRACH信道所在频域上的资源预留出来的方式实现。
35.根据权利要求34所述的方法,其中,所述不使用的OFDM符号数量与地面基站需要扩展的覆盖半径成正比。
36.根据权利要求34所述的方法,其中,所述各机载终端通过以下方式之一向地面基站发送所述扩展PRACH : 时分多址方式; 频分多址方式; 码分多址方式。
37.根据权利要求33或34所述的方法,其中,所述步骤G包括 G1、从上行基带样点数据中滤出扩展PRACH对应的基带数据; G2、从扩展PRACH的CP后面开始的数据位置取出序列长度加上扩展后GP’长度的数据; G3、以不大于CP的长度为步长用多个并行的峰值检测单元做滑窗,对整个数据进行并行峰值检测; G4、根据滑窗的大小以及峰值的位置计算、检测出峰值位置与峰值大小; G5、根据输出的峰值大小与位置确认上行接入机载终端的扩展PRACH信道以及对应的发射时延值,并根据所述发射时延值生成并发送含有时延调整值TA的上行发射时间调整指令。
38.根据权利要求37所述的方法,其中,所述步骤H包括H1、各机载终端从所述上行发射时间调整指令中提取所述TA ;H2、各机载终端按所述TA值调整发送时间,实现上行发射同步。
全文摘要
本发明公开了一种用于飞机的地空宽带无线通信系统与方法。包括沿着预先定义的空中航线安装的多个LTE地面基站,相互邻接的LTE地面基站之间具有重叠通信覆盖区域,并且按LTE无线空口协议进行无线发射和接收;飞机上的LTE通信终端,按LTE无线空口协议进行无线发射和接收,以便与所述地面基站建立高速数双向据通信链路;另外,飞机外表面上装有多个飞机射频天线,所述多个飞机射频天线经由互连线缆连接所述LTE通信终端;其中,每个地面基站装有相同极化的射频天线,所述相同极化的射频天线是具有一定波束宽带的定向天线,LTE通信终端使用所述多个飞机射频天线接收地面基站发射的射频信号,以及向地面基站发射射频信号。
文档编号H04B7/185GK102938670SQ201110233850
公开日2013年2月20日 申请日期2011年8月15日 优先权日2011年8月15日
发明者段世平, 黎超, 叶玲玲, 肖业平, 焦现军, 马馨睿, 张邵洁 申请人:北京为邦远航无线技术有限公司
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