专利名称：通用航空通信系统及方法
技术领域：
本发明涉及通用航空通信技术领域，特别涉及一种通用航空通信系统及方法。
背景技术：
通用航空(GA，General Aviation)是除军事、警务、海关缉私飞行和公共航空运输飞行以外的航空活动，包括从事工业、农业、林业、渔业和建筑业的作业飞行以及医疗卫生、 抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、教育训练、文化体育等方面的飞行活动。通用航空基本在3000m以下的低空空域进行。目前，可用于通用航空通信的数据链包括高频(HF，High Frequency)电台、甚高频 (VHF, Very High Frequency)电台和卫星中继通信链路。同时，民航航线飞行中的服务如 ATC、ATM和AOC等也应用在通用航空中。然而，这些数据链和服务并不真正适用于通用航空。首先，VHF属于视距(LOS，Line Of Sight)传播，VHF基站覆盖区域半径通常超过 100km，对于通用航空活动的3000m以下低空空域存在覆盖盲区。其次，由于通用航空飞机仅在低空飞行，不需要像民航飞机一样安装昂贵的先进航空电子设备，对传统的VHF和卫星链路没有很高的经济效益。另外，未来几年通用航空飞机数量、规模将迅速扩大，传统数据链难以满足通信需求。同时，由于通用航空和民航利用同样的数据链，将会造成民航系统通信容量降低，对航线飞行任务的通信质量和安全造成一定影响。美国的AirCell公司研发的“GoGo”系统采用高空ATG(Air To Ground)EV-D0数据网络的通信方式，通过分布在北美各地的92个陆地宏蜂窝为飞机提供通信服务，使用成本较传统的VHF和卫星通信等更为低廉。同样采用该项技术的还有美国JetBlue公司研发的LiveTV系统。但是这两种通信系统都是针对民航航线飞行设计，对于通用航空应用同样存在局限性。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。为此，本发明需要提供一种基于地面移动通信网络的通用航空通信系统及方法，该通用航空通信系统及方法的优点是缓解通用航空规模化通信需求与无线电频谱资源紧张之间的矛盾，兼容多种现有移动通信网络以及提供多种服务。根据本发明的一方面，提供了一种通用航空通信系统，其特征在于，包括地面移动通信网络，所述地面移动通信网络包括基站、移动交换中心和移动通信骨干网，其中所述基站上安装有水平天线和垂直天线；机载终端，所述机载终端设置在通用航空飞机上，用于通过所述基站接入所述地面移动通信网络；以及通用航空移动信息服务中心，所述通用航空移动信息服务中心与所述地面移动通信网络相连，且通过所述基站与所述机载终端通信，以向所述通用航空飞机提供服务。根据本发明实施例的通用航空通信系统，可以直接利用现有地面移动通信频带，不需要占用其它频谱资源，可以兼容多种现有移动通信网络以及提供多种服务。根据本发明的一个实施例，所述水平天线相对于垂直方向的倾角为α，所述水平天线具有波束角9h，其中α ^O0 ；以及所述垂直天线相对于垂直方向的倾角为90°且所述垂直天线口面向上，所述垂直天线具有波束角θν，其中0h+ev-2a彡180°。根据本发明实施例的通用航空通信系统，所述水平天线和所述垂直天线的设置使得所述通用航空通信系统无盲区。根据本发明的一个实施例，所述水平天线和所述垂直天线在波束角波束角 θ ν内的增益大于最大增益的_3dB。根据本发明实施例的通用航空通信系统，所述天线增益的选取既能满足通信质量的需要，又能实现较低的功耗。根据本发明的一个实施例，所述机载终端包括地面移动通信无线接收单元，所述地面移动通信无线接收单元用于从所述基站接收无线信号；通用航空专用通信提取单元， 所述通用航空专用通信提取单元用于从所述无线信号中提取通用航空专用数据；以及通用航空通信业务处理单元，所述通用航空通信业务处理单元用于对所述通用航空专用数据进行处理。根据本发明实施例的通用航空通信系统，所述机载终端的配置使得所述通用航空飞机能够实现与地面移动通信网络的通信。根据本发明的一个实施例，所述服务包括空中交通管制业务、空中交通管理业务、 航空运行管理业务和航空旅客通信业务。根据本发明实施例的通用航空通信系统，可以向所述通用航空飞机提供多种服务。根据本发明的一个实施例，所述地面移动通信网络是GSM、IS95、WCDMA、CDMA2000、 TD-SCDMA 和 / 或 LTE 网络。根据本发明的一个实施例，所述通用航空通信方法使用的协议栈由低至高包括物理层，数据链路层，网络层，传输层以及应用层，其中所述物理层和所述数据链路层适配于地面移动通信网络所使用的物理层和数据链路层，且语音、导航和数据业务在数据链路层之上进行承载。根据本发明的一个实施例，语音业务的传输层使用电路交换，导航业务通过来波方向估计以及定位算法为所述通用航空飞机提供定位功能，数据业务中使用的网络层为IP 层、传输层为TCP层，应用层支持空中交通管制业务、空中交通管理业务、航空运行管理业务及航空旅客通信业务。根据本发明的一个实施例，当所述地面移动通信网络是LTE网络时，所述基站将频谱资源交叉分配给地面移动用户和所述通用航空飞机。根据本发明实施例的所述通用航空通信系统，可以消除多普勒扩展的影响。根据本发明的一个实施例，所述通用航空飞机当前所在的小区被划分为6个区域，所述通用航空通信系统使用快速小区间切换，其中当所述通用航空飞机进入所述6个区域中的一个时，当前小区所属的基站请求相邻6个小区中相应小区为所述通用航空飞机预留信道；所述相应小区的基站为所述通用航空飞机分配一条预留信道，同时向所述通用航空飞机发出准备越区的信令；所述通用航空飞机接收所述信令，在越区发生时立刻切换到所述预留信道；所述相应小区的基站向所述小区的基站发送越区报告；以及所述小区的基站进行越区确认。根据本发明实施例的通用航空通信系统，在所述通用航空飞机高速飞行时，也能实现快速小区间切换，从而保证所述通用航空通信系统的通信质量。根据本发明的另一方面，提供了一种通用航空通信方法，包括通用航空飞机上的机载终端向地面移动通信网络发送第一信号；所述地面移动通信网络中的基站使用水平天线和垂直天线将所述第一信号通过所述地面移动通信网络中的移动交换中心和移动通信骨干网传输到通用航空移动信息服务中心；所述航空移动信息服务中心向所述地面移动通信网络发送第二信号；所述地面移动通信网络中的移动通信骨干网和移动交换中心将所述第二信号传输到所述基站；以及所述基站使用所述垂直天线和所述水平天线将所述第二信号传输到所述机载终端以向所述通用航空飞机提供服务。根据本发明实施例的通用航空通信方法，可以直接利用现有地面移动通信频带， 不需要占用其它频谱资源，可以兼容多种现有移动通信网络以及提供多种服务。根据本发明的一个实施例，所述水平天线相对于垂直方向的倾角为α，所述水平天线具有波束角9h，其中α ^O0 ；以及所述垂直天线相对于垂直方向的倾角为90°且所述垂直天线口面向上，所述垂直天线具有波束角θν，其中0h+ev-2a彡180°。根据本发明实施例的通用航空通信方法，所述水平天线和所述垂直天线的设置使得所述通用航空通信系统无盲区。根据本发明的一个实施例，所述水平天线和所述垂直天线在波束角θ 波束角 θ ν内的增益分别大于最大增益的_3dB。根据本发明实施例的通用航空通信系统，所述天线增益的选取既能满足通信质量的需要，又能实现较低的功耗。根据本发明的一个实施例，所述服务包括空中交通管制业务、空中交通管理业务、 航空运行管理业务和航空旅客通信业务。根据本发明实施例的通用航空通信系统，可以向所述通用航空飞机提供多种服务。根据本发明的一个实施例，所述地面移动通信网络是GSM、IS95、WCDMA、CDMA2000、 TD-SCDMA 和 / 或 LTE 网络。根据本发明的一个实施例，所述通用航空通信方法使用的协议栈由低至高包括物理层，数据链路层，网络层，传输层以及应用层，其中所述物理层和所述数据链路层适配于地面移动通信网络所使用的物理层和数据链路层，且语音、导航和数据业务在数据链路层之上进行承载。根据本发明的一个实施例，语音业务的传输层使用电路交换，导航业务通过来波方向估计以及定位算法为所述通用航空飞机提供定位功能，数据业务中使用的网络层为IP 层、传输层为TCP层，应用层支持空中交通管制业务、空中交通管理业务、航空运行管理业务及航空旅客通信业务。根据本发明的一个实施例，当所述地面移动通信网络是LTE网络时，所述基站将频谱资源交叉分配给地面移动用户和所述通用航空飞机。根据本发明实施例的所述通用航空通信系统，可以消除多普勒扩展的影响。
根据本发明的一个实施例，所述通用航空飞机当前所在的小区被划分为6个区域，所述通用航空通信系统的小区间切换包括步骤当所述通用航空飞机进入所述6个区域中的一个时，当前小区所属的基站请求相邻6个小区中相应小区为所述通用航空飞机预留信道；所述相应小区的基站为所述通用航空飞机分配一条预留信道，同时向所述通用航空飞机发出准备越区的信令；所述通用航空飞机接收所述信令，在越区发生时立刻切换到所述预留信道；所述相应小区的基站向所述小区的基站发送越区报告；以及所述小区的基站进行越区确认。根据本发明实施例的通用航空通信系统，在所述通用航空飞机高速飞行时，也能实现快速小区间切换，从而保证所述通用航空通信系统的通信质量。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图1是根据本发明一个实施例的通用航空通信系统的结构框图；图2是根据本发明一个实施例的机载终端的结构框图；图3是根据本发明一个实施例的水平天线和垂直天线的结构示意图；图4是根据本发明一个实施例的水平天线和垂直天线的覆盖示意图；图5是根据本发明一个实施例的通用航空通信系统使用的协议栈的示意图；图6是根据本发明一个实施例的在进行越区切换时小区的结构示意图；图7是根据本发明一个实施例的通用航空通信方法的流程图；图8是根据本发明一个实施例的越区切换流程图；图9是根据本发明一个实施例的采用非连续频谱分配时ICI功率与多普勒扩展的关系的仿真示意图；图10是根据本发明一个实施例的通用航空通信系统的误码率与信噪比的关系的仿真示意图；以及图11是根据本发明一个实施例的频率复用与现有频率复用的比较示意图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。需要说明的是，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。进一步地，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。下面参考附图描述本发明的具体实施例。图1是根据本发明一个实施例的通用航空通信系统的结构框图。如图1所示，通用航空通信系统10包括地面移动通信网络11，机载终端12以及通用航空移动信息服务中心13。具体地，地面移动通信网络11包括基站111、移动交换中心(MSC) 112和移动通信骨干网113，其中基站111上安装有水平天线1111和垂直天线1112。机载终端12设置在通用航空飞机上，用于通过基站111接入地面移动通信网络11。通用航空移动信息服务中心13与地面移动通信网络11相连，且通过基站111与机载终端12通信，以向通用航空飞机提供服务。图2是根据本发明一个实施例的机载终端12的结构框图。如图2所示，机载终端 12包括地面移动通信无线接收单元121，通用航空专用通信提取单元122以及通用航空通信业务处理单元123。具体地，地面移动通信无线接收单元121用于从基站111接收无线信号。通用航空专用通信提取单元122用于从无线信号中提取通用航空专用数据。通用航空通信业务处理单元123用于对通用航空专用数据进行处理图3是根据本发明一个实施例的水平天线和垂直天线的结构示意图。如图3所示， 水平天线1111相对于垂直方向的倾角为α，水平天线1111具有波束角9h，其中α ^0°。 垂直天线1112相对于垂直方向的倾角为90 °且垂直天线1112 口面向上，垂直天线1112具有波束角θν。水平天线1111和垂直天线1112在波束角Q1^n波束角θ 的增益分别大于最大增益的_3dB，即最大增益的一半。水平天线1111与传统的地面移动基站的天线类似，朝向几乎水平，通常有很小的向下倾角，且3dB波束角范围较小，主要为地面移动用户提供普通的手机通信服务；也可以为通用航空飞机提供通信的接入服务，特别是在机场和机场附近。垂直天线1112的口面向上，通常有很大的3dB波束角，为通用航空移动用户提供通信服务。图4是根据本发明一个实施例的水平天线和垂直天线的覆盖示意图。如图4所示， 基站111形成的蜂窝区别于传统地面蜂窝，垂直天线1112覆盖上方3dB波束角范围内的低空空域，相邻两个蜂窝在空间产生交叠，如图中A点和B点以上区域，而A点和B点以下空域为其覆盖盲区。水平天线1111产生传统地面蜂窝，同时其3dB波束角上限部分需弥补A 点和B点以下的低空盲区，因此同样需要考虑覆盖高度，从而构成三维蜂窝。为使通用航空通信系统10无盲区，图3中示出的三个角度应满足eh+ev-2a彡180°图5是根据本发明一个实施例的通用航空通信系统使用的协议栈的示意图。如图 5所示，通用航空通信系统使用的协议栈由低至高包括物理层，数据链路层，网络层，传输层以及应用层，其中物理层和数据链路层适配于地面移动通信网络所使用的物理层和数据链路层，且语音、导航和数据业务在数据链路层之上进行承载。语音业务的传输层使用电路交换，导航业务通过来波方向估计以及定位算法为通用航空飞机提供定位功能，数据业务中使用的网络层为IP层、传输层为TCP层，应用层支持空中交通管制业务(ATC)、空中交通管理业务(ATM)、航空运行管理业务(AOC)和航空旅客通信业务(APC)。在本发明的一个实施例中，对于不同的地面移动通信网络，通用航空通信系统10 设计不同的物理层和链路层协议。地面移动通信网络可以是GSM、IS95、WCDMA, CDMA2000、 TD-SCDMA和/或LTE网络。典型的2G网络GSM频谱在900/1800MHz上，采用FDMA的方式，每隔200kHz为一个子载波，每个子载波又以TDMA的方式分为8个时隙，其传输速率为270Kb/s。典型的3G网络如TODMA、CDMA2000和TD-SCDMA采用扩频通信，传输速率在384Kb/s 2Mb/s，中国的CDMA网络频谱为上行825MHz 835MHz、下行87OMHz-88OMHz。LTE网络传输速率在100Mb/s以上，频谱从1. 4MHz到20MHz可扩展升级。通用航空飞机的飞行速度通常在200km/h 400km/h，多普勒扩展与民航航线飞行相比不太严重。而GSM和CDMA网络能够抵抗一定范围内的多普勒扩展，如GSM-R最大支持速度500km/h，可以直接利用其载波分配方案。然而，LTE是基于OFDM调制方式，即使很小的多普勒扩展也会产生载间干扰(ICI，Inter-Carrier-Interference)，因此采用非连续频谱分配的方法。具体地，将OFDM系统整个频谱资源交叉分配给地面移动用户和通用航空飞机，从在载波分配上将通用航空移动用户的载波间隔(Si ,Sub-carrier Interval)增大， 降低由多普勒扩展引起的ICI。当分配一个子载波给通用航空移动用户时，相邻的一个或几个子载波将不再分配给其他通用航空移动用户，SI相应增大一倍或几倍。而对于地面移动用户，由于没有多普勒扩展影响，在原有SI下即可正常通信，可以连续分配。由于通用航空飞机飞行高度在3km以下，信道可以用典型的Rician和Rayleigh 衰落信道模拟，并统一用Nakagami-m信道模型表示。其概率密度函数(PDF，Probability Density Function)表示为
权利要求
1.一种通用航空通信系统，其特征在于，包括地面移动通信网络，所述地面移动通信网络包括基站、移动交换中心和移动通信骨干网，其中所述基站上安装有水平天线和垂直天线；机载终端，所述机载终端设置在通用航空飞机上，用于通过所述基站接入所述地面移动通信网络；以及通用航空移动信息服务中心，所述通用航空移动信息服务中心与所述地面移动通信网络相连，且通过所述基站与所述机载终端通信，以向所述通用航空飞机提供服务。
2.根据权利要求1所述的通用航空通信系统，其特征在于，所述水平天线相对于垂直方向的倾角为α，所述水平天线具有波束角eh，其中 α ^O0 ；以及所述垂直天线相对于垂直方向的倾角为90°且所述垂直天线口面向上，所述垂直天线具有波束角θν，其中θ h+ θ ν-2 α ^ 180°。
3.根据权利要求2所述的通用航空通信系统，其特征在于，所述水平天线和所述垂直天线在波束角波束角θv内的增益分别大于最大增益的 _3dB。
4.根据权利要求1所述的通用航空通信系统，其特征在于，所述机载终端包括地面移动通信无线接收单元，所述地面移动通信无线接收单元用于从所述基站接收无线信号；通用航空专用通信提取单元，所述通用航空专用通信提取单元用于从所述无线信号中提取通用航空专用数据；以及通用航空通信业务处理单元，所述通用航空通信业务处理单元用于对所述通用航空专用数据进行处理。
5.根据权利要求1所述的通用航空通信系统，其特征在于，所述服务包括空中交通管制业务、空中交通管理业务、航空运行管理业务和航空旅客通信业务。
6.根据权利要求1所述的通用航空通信系统，其特征在于，所述地面移动通信网络是 GSM、IS95、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA 和 / 或 LTE 网络。
7.根据权利要求1所述的通用航空通信系统，其特征在于，所述通用航空通信系统使用的协议栈由低至高包括物理层，数据链路层，网络层，传输层以及应用层，其中所述物理层和所述数据链路层适配于地面移动通信网络所使用的物理层和数据链路层，且语音、导航和数据业务在数据链路层之上进行承载。
8.根据权利要求7所述的通用航空通信系统，其特征在于，语音业务的传输层使用电路交换，导航业务通过来波方向估计以及定位算法为所述通用航空飞机提供定位功能，数据业务中使用的网络层为IP层、传输层为TCP层，应用层支持空中交通管制业务、空中交通管理业务、航空运行管理业务及航空旅客通信业务。
9.根据权利要求6所述的通用航空通信系统，其特征在于，当所述地面移动通信网络是LTE网络时，所述基站将频谱资源交叉分配给地面移动用户和所述通用航空飞机。
10.根据权利要求6所述的通用航空通信系统，其特征在于，所述通用航空飞机当前所在的小区被划分为6个区域，所述通用航空通信系统使用快速小区间切换，其中当所述通用航空飞机进入所述6个区域中的一个时，当前小区所属的基站请求相邻6 个小区中相应小区为所述通用航空飞机预留信道；所述相应小区的基站为所述通用航空飞机分配一条预留信道，同时向所述通用航空飞机发出准备越区的信令；所述通用航空飞机接收所述信令，在越区发生时立刻切换到所述预留信道；所述相应小区的基站向所述小区的基站发送越区报告；以及所述小区的基站进行越区确认。
11.一种通用航空通信方法，其特征在于，包括通用航空飞机上的机载终端向地面移动通信网络发送第一信号；所述地面移动通信网络中的基站使用水平天线和垂直天线将所述第一信号通过所述地面移动通信网络中的移动交换中心和移动通信骨干网传输到通用航空移动信息服务中心；所述航空移动信息服务中心向所述地面移动通信网络发送第二信号；所述地面移动通信网络中的移动通信骨干网和移动交换中心将所述第二信号传输到所述基站；以及所述基站使用所述垂直天线和所述水平天线将所述第二信号传输到所述机载终端以向所述通用航空飞机提供服务。
12.根据权利要求11所述的通用航空通信方法，其特征在于，所述水平天线相对于垂直方向的倾角为α，所述水平天线具有波束角eh，其中 α ^O0 ；以及所述垂直天线相对于垂直方向的倾角为90°且所述垂直天线口面向上，所述垂直天线具有波束角θν，其中θ h+ θ ν-2 α ^ 180°。
13.根据权利要求12所述的通用航空通信方法，其特征在于，所述水平天线和所述垂直天线在波束角波束角θv内的增益分别大于最大增益的 _3dB。
14.根据权利要求11所述的通用航空通信方法，其特征在于，所述服务包括空中交通管制业务、空中交通管理业务、航空运行管理业务和航空旅客通信业务。
15.根据权利要求11所述的通用航空通信方法，其特征在于，所述地面移动通信网络是 GSM、IS95、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA 和 / 或 LTE 网络。
16.根据权利要求11所述的通用航空通信方法，其特征在于，所述通用航空通信系统使用的协议栈由低至高包括物理层，数据链路层，网络层，传输层以及应用层，其中所述物理层和所述数据链路层适配于地面移动通信网络所使用的物理层和数据链路层，且语音、导航和数据业务在数据链路层之上进行承载。
17.根据权利要求16所述的通用航空通信方法，其特征在于，语音业务的传输层使用电路交换，导航业务通过来波方向估计以及定位算法为所述通用航空飞机提供定位功能， 数据业务中使用的网络层为IP层、传输层为TCP层，应用层支持空中交通管制业务、空中交通管理业务、航空运行管理业务及航空旅客通信业务。
18.根据权利要求15所述的通用航空通信方法，其特征在于，当所述地面移动通信网络是LTE网络时，所述基站将频谱资源交叉分配给地面移动用户和所述通用航空飞机。
19.根据权利要求15所述的通用航空通信方法，其特征在于，所述通用航空飞机当前所在的小区被划分为6个区域，所述通用航空通信系统的小区间切换包括步骤当所述通用航空飞机进入所述6个区域中的一个时，当前小区所属的基站请求相邻6 个小区中相应小区为所述通用航空飞机预留信道；所述相应小区的基站为所述通用航空飞机分配一条预留信道，同时向所述通用航空飞机发出准备越区的信令；所述通用航空飞机接收所述信令，在越区发生时立刻切换到所述预留信道； 所述相应小区的基站向所述小区的基站发送越区报告；以及所述小区的基站进行越区确认。
全文摘要
本发明公开了一种通用航空通信系统及方法。通用航空通信系统包括地面移动通信网络，所述地面移动通信网络包括基站、移动交换中心和移动通信骨干网，其中所述基站上安装有水平天线和垂直天线；机载终端，所述机载终端设置在通用航空飞机上，用于通过所述基站接入所述地面移动通信网络；以及通用航空移动信息服务中心，所述通用航空移动信息服务中心与所述地面移动通信网络相连，且通过所述基站与所述机载终端通信，以向所述通用航空飞机提供服务。根据本发明实施例的通用航空通信系统及方法，可以直接利用现有地面移动通信频带，不需要占用其它频谱资源，可以兼容多种现有移动通信网络以及提供多种服务。
文档编号H04B7/185GK102412886SQ20111028058
公开日2012年4月11日 申请日期2011年9月20日 优先权日2011年9月20日
发明者余峻舟, 庞珂珂, 张超 申请人:清华大学