用于在机载无线蜂窝网络中提供高速通信服务的系统的制作方法

本申请是2009年03月30日提交的申请号为200980129376.x的同名专利申请的分案申请。

本发明涉及蜂窝通信，尤其是涉及一种向机载网络所服务的无线用户站提供高速通信服务的系统。

背景技术：

在蜂窝通信领域中的一个问题是：在飞机航行和接近/离开机场时高效并持续地满足多个飞机中的乘客的通信需求。

一般的空对地蜂窝通信网络(其包括地对空链路)由多个陆地(地面)基站组成，其中，每个陆地基站在预定空间体积中提供径向布置在小区站点发射天线周围的射频覆盖区域。该陆地基站使用对源自地面或地面反射的信号的接收较不敏感的天线方向图，并且该天线方向图只在向天空的方向上是可发射的。陆地基站通常依据一般蜂窝通信网络布局而进行地理分布。也可以将陆地基站共置在机场附近，以当飞机在地面上时实现网络覆盖；在这种情况下，针对位于陆地的飞机来优化天线方向图。每个陆地基站的覆盖区域的边界实质上与邻近站点的覆盖区域相邻接，使得空对地蜂窝通信网络中的所有陆地基站的复合覆盖通常提供在目标区域上的覆盖。陆地基站可以使用与单个发射和接收天线系统相关联的收发机来提供单个全向覆盖小区，或者在覆盖小区内提供多个扇区，每个扇区具有相关联的收发机以及相关联的发射和接收天线。每个陆地基站有多个扇区的后一种布置的优点是允许在该陆地基站的覆盖区域中提供增加的呼叫处理容量。

使用传统双向通信信道来为飞机服务是对总的可用射频频谱的限制，并因此限制了在任何单个小区中的总的可用呼叫处理容量。因此，飞机和空对地蜂窝通信网络的陆地基站之间的射频通信链路具有有限的容量，表现为单点故障，并在服务陆地小区站点的呼叫处理容量方面表现为呼叫切换问题。

为了增加带宽受约束的无线空对地网络的容量、可用性和可靠性，可以使用其它方法来解析飞机正运行的可用空间和时间多维区域，例如上面提到的美国专利申请序列no.11/590,146所教导的那些方法。在该多链路飞机蜂窝系统中教导的这些方法包括使用两个基本上正交的偏振来使给定频谱分配的容量有效地加倍。进一步地，如果增加沃尔什码域分离，则实现了空对地蜂窝通信网络的呼叫处理容量的额外增加。

多链路飞机蜂窝系统的实现利用安装在飞机上的多个物理上分离的天线，以及使用额外的可选信号隔离和优化技术，来提高空对地蜂窝通信网络的呼叫处理容量。在地面上，以方位角、以仰角、以高度或以多个平面成形的基站天线方向图进一步将多维空间区域分割成多个扇区，从而通过空间频率再使用来提高系统容量。

所有前述容量增强技术本质上是可叠加的。例如，将基本上正交的偏振与6扇区方位角基站天线方向图一起使用，对给定基站和相关联飞机的总容量具有线性乘数效应。当考虑综合网络容量时，从整个系统的角度来看，多个节点上的负载峰值的平坦化或平衡化提供了增强的峰值负载管理。

因此，空对地蜂窝通信网络可以通过在多于一个的陆地小区或扇区之间共享其业务负载，并通过利用安装在飞机上的多个物理上分离的天线和基站天线方向图扇区化，以及使用额外的可选信号隔离和优化技术(例如使用正交偏振)，来在每飞机基础上增加其业务(数据和语音)处理容量。

然而，即使具有这些改进，可用来服务于飞机上的用户无线设备的总带宽可能还是不足的，特别是当乘客从事高带宽数据通信会话时更是如此。传输多媒体内容以为商务航班的乘客服务，特别是在具有大型飞机的情况下，需要相当大的带宽。因此，所需要的是在本领域中解决空对地蜂窝通信网络呼叫处理容量问题并显著提高系统可用性、系统可靠性和系统容量的进步。

技术实现要素：

用于在机载无线蜂窝网络中提供高速通信服务的本系统(在本文称为“宽带链路系统”)解决了上述问题，并在本领域中实现了技术进步。

宽带受约束的空对地蜂窝通信网络使用双向无线通信链路：空对地和地对空(在本文统称为“空对地”)，可以通过使用多个射频来同时服务于飞机的业务需要，从而在每飞机基础上增加其呼叫处理容量。这种先前使用的过程通过经由多于一个的空对地射频通信链路同时向多个陆地小区或扇区(或给定小区的扇区)传输飞机的呼叫业务来起作用。对于每个射频频谱分配而言，通过多个空对地射频通信链路将呼叫业务传播到多个陆地小区或扇区，对于所实现的每个额外的射频链路倍增了到/来自给定飞机的呼叫处理容量。同样重要的是，这种架构消除了由单个空对地射频通信链路引起的单点故障问题，从而使(由在不同频率上操作的多个空对地射频链路组成的)复合空对地射频通信链路的网络可用性变得实质上更高和更鲁棒。

本宽带链路系统通过提供对上述美国专利no.7,113,780中描述的多个射频链路的具体实现而脱离现有解决方案，并利用额外的、单独的高速宽带地对空数据信道来为飞机提供额外的数据通信容量。该宽带地对空数据信道可以是单向(地对空)的，并通过聚焦波束指向在宽带地对空数据信道的覆盖区域中运行的选定飞机，以使该飞机中的乘客能够在没有传输延迟的情况下获得多媒体数据，同时其到地面的传输一般由空对地射频通信链路来处理。或者，如果在两个方向上都需要高速数据通信，并且如果适当的频谱资源是可用的，则宽带地对空数据信道可以是双向的。以统一的方式管理空对地射频通信链路和宽带地对空数据信道两者上的各种数据传输的路由，以最大化这两个传输设施的利用。因此，可以根据各种服务质量(qos)业务参数以及相关联乘客的服务订制水平按需要地将数据业务路由到最划算和无延迟的介质。

附图说明

图1以方框图形式示出了将飞机舱内网络与基于地面的通信网络互联的复合空对地网络的总体架构；

图2以方框图形式示出了将飞机舱内网络与基于地面的通信网络互联的空对地网络的关键网络构造单元；

图3以方框图形式示出了本宽带链路系统的空中接口，具有单个双向空对地射频通信链路和相关联的宽带地对空数据信道；

图4以方框图形式示出了用于服务于多个飞机的单个双向空对地射频通信链路和相关联的宽带地对空数据信道的一般天线覆盖模式，其中多个飞机在图3的单个双向空对地射频通信链路的覆盖区域中运行；

图5以方框图形式示出了从宽带地对空数据信道到位于地面上的蜂窝设备的干扰可能性；以及

图6以图形的形式示出了来自宽带地对空数据信道的干扰信号的以距离为函数的功率密度。

具体实施方式

在该文献中有时不严格地使用术语“小区站点”和“小区”；术语“小区站点”通常表示基站收发机的位置，而术语“小区”通常表示由小区站点处的特定一组收发机和相关联的天线系统所服务的空间区域。“扇区”通常指当在小区站点处使用多个定向天线系统时创建的扇形覆盖区域，以通过将包围小区站点的名义上圆形的覆盖区域细分成相应数量的小区来提供更大的容量和/或覆盖。用于实现无线用户设备和发射机-接收机对之间的通信的特定技术以及在其间传输的数据(不管是语音、视频、遥测数据、计算机数据还是类似数据)的性质不是对本文所述系统的限制，这是因为公开的是新颖的系统构思而不是现有系统构思在技术上受限的具体实现。因此，如本文使用的，术语“蜂窝”表示如下一种通信系统：其在将空间分成多个体积部分或小区并管理位于小区中的无线用户设备与位于这些小区中的每个小区的小区站点处的相关联发射机-接收机对之间的通信的基础上进行操作。

总系统架构

图1以方框图形式示出了将飞机舱内网络3与陆地网络1互联的复合空对地网络2的总体架构；而图2以方框图形式示出了提供将飞机舱内网络3与陆地网络1互联的空对地网络2的这种系统的关键网络构造单元。这些图示出了空对地蜂窝通信网络的基本构思，并且为了说明的简单的目的，并不包括在一般网络中存在的所有元件。在图1和图2中公开的基本元件提供了用于实现空对地蜂窝通信网络以向无线用户设备提供服务的各种元件的相互关系的教导，并且在上述美国专利no.7,113,780中找到这种系统的实现的额外细节。

图1和图2所示的总构思是提供连接“外部网络”的两个部分的“内部网络”，“外部网络”的两个部分包括飞机舱内网络3和陆地网络1。这通过内部网络在飞机舱内网络3和陆地网络1之间传输用户业务(其包括语音和/或其它数据)以及控制信息和特征集数据两者来实现，从而使得位于飞机103、104中的无线用户设备能够在非陆地区域中接收与陆地(基于地面的)网络中的无线通信服务一致的服务。空对地网络2提供飞机舱内网络3与陆地通信基础设施之间的无线接入。该网络通常由一组基站收发机131、133和相关联的基站控制器132、134组成，这些基站收发机131、133和基站控制器132、134由空对地蜂窝通信网络服务提供商操作，并连接到蜂窝网络101，然后连接到基于地面的(陆地)通信网络1的有线网络102。

蜂窝网络101由传统元件组成，为了说明的目的，包括具有其相关联的访问者位置寄存器的移动交换中心121，其连接到归属位置寄存器125。蜂窝网络101提供语音业务到有线网络102的语音传输部分的互联，有线网络102的语音传输部分包括各种部件，包括但不限于公共陆地移动网络、公共交换电话网络、综合业务数字网和其它这种功能体。蜂窝网络101提供数据业务到有线网络102的数据传输部分的互联，有线网络102的数据传输部分包括各种部件，包括但不限于互联网、公共交换数据网络和其它这种功能体。地面蜂窝网络的实现可以不具有分离的语音和数据部分。优选的实现是将语音和数据部分集成到单个通信网络中的一种实现，其中具有用于不同业务类别的受管理的服务质量(qos)属性。这种网络一般将通过ip协议栈来实现，其中语音服务通过语音ip(voip)实现。

因此，在位于飞机103、104中的无线用户设备与基于地面的通信网络1的蜂窝网络101和有线网络102部分之间的通信是经由飞机舱内网络3和空对地网络2传输到空对地蜂窝通信网络的基于地面的基站收发机131-133和相关联的基站控制器132、134的。

空对地网络

图1和图2所示的空对地网络2明显地是基于在基于地面的蜂窝通信网络101和位于飞机103、104中的无线用户设备之间的(射频或光)无线通信的网络，优选的方法是射频连接108、109的方法。该射频连接108、109采取蜂窝拓扑的形式，其中，通常多于一个的小区描述复合空对地网络2的地理区域或覆盖区域。空对地连接携带用户业务和本地网络信令业务两者。

或者，空对地网络2可以通过无线卫星连接105-107实现，其中，分别在飞机103、104和卫星105之间以及在卫星105和基于地面的蜂窝通信网络101之间建立射频链路106、107。这些卫星105可以是地球同步的(从地球参考点看似乎是静止的)或移动的，如针对中地轨道(meo)和近地轨道(leo)的情况。在专业化卫星(例如用于直接广播卫星的那些专业化卫星)的情况下，链路一般是单向的，即，从卫星到接收平台(在这种情况下是飞机)。在这样的系统中，需要从飞机进行单向发送的链路，以使通信是双向的。这种链路本质上可以是基于卫星或基于地面的无线链路。

空对地网络2可以被视为在陆地网络1和飞机舱内网络3之间传输用户业务以及控制和网络特征集数据的管道。空对地网络2可以被实现为单个射频链路(第一频带)或多个射频链路(例如空对地链路108和卫星链路105-107)，其中信号的一部分通过不同类型的链路来路由。因此，在以各种组合的方式使用本文公开的各种部件和架构构思来实现该空对地网络2的过程中有相当大的灵活性。

呼叫处理容量增强问题

空对地蜂窝通信网络的容量增强问题是一个敏感的问题，这是因为空对地射频通信链路表示固定的带宽资源。由于空对地蜂窝通信网络为在具有变化的飞机空间密度的多维空间中的空中飞机服务，所以容量增强问题甚至更为复杂；特别是在机场中以及在机场周围，飞机空间密度可能很高。这些飞机以高速进行飞行，引起相关联的多普勒频移以及与大的小区半径相关联的时间延迟。飞机飞行剖面图包括变化的俯仰-滚动-偏转角度、不同的高度和不同的速度。从陆地基站的角度来看，每个飞机呈现为单个“节点”。作为单个节点，可能容纳数百乘客的每个飞机对陆地基站呈现为非常大的容量(单点网络负载)。每个唯一的乘客可能拥有具有特定数据和/或语音需求的无线设备，当特定数据和/或语音需求被乘客的无线设备的数量相乘时，可能在每飞机基础上产生相当大的业务负载。在任何给定的区域中，可能有数十架飞机，每架飞机单独地具有较大的业务负载，所有的飞机通过有限频率带宽的空对地射频通信链路来一起竞争来自空对地蜂窝通信网络的网络资源。

增加以第二频带操作的高速宽带地对空数据信道能够支持高数据速率。高数据速率转换空对地通信服务，并向飞行公众、航空公司和政府提供大量的高价值的数据应用。下面的描述使用一般高速宽带空对地数据信道的这个实例，来指明为了实现可操作的高速宽带地对空数据信道而必须解决的一般问题。

高速宽带地对空数据信道的描述

在图3中给出了对高速宽带地对空数据信道的空中接口组织的概述，其中，两个本质上不同的数据通信链路用于支持与飞机进行的数据通信。第一链路是双向的，其在所分配的空对地频带(第一频带)中支持目前的空对地射频通信链路。另一链路是在第二频带中操作的单向高速宽带地对空数据信道。如下文所示出的，在表1中提供了在这两个频带中的频率分配的概要。

表1：通信链路的频谱分配

双向空对地射频通信链路用于提供宽带数据服务并用于移动性和无线资源管理功能。例如，该链路可以基于1xevdoreva标准，其是1.25mhz宽的cdma技术。双向链路利用固定的(全向或扇区化的)波束天线并提供与传统陆地蜂窝系统的掩盖区域(blanketarea)覆盖类似的掩盖区域覆盖。进入空对地射频通信链路的覆盖区域的飞机检测该链路的导频信号，并且其通过该空对地射频通信链路的空对地部分注册并接入空对地蜂窝通信网络。除了用户业务以外，该网络的空对地部分还携带与高速宽带地对空数据信道相关联的资源分配和移动性管理业务。

以与空对地射频通信链路不同的方式来管理高速宽带地对空数据信道。根据飞机在地对空方向上的吞吐量需求，空对地蜂窝通信网络可以“决定”利用宽带地对空数据信道。该宽带地对空数据信道上的通信是通过支持窄波束控制的单独天线系统来进行的。如图3中所示，以这种方式，在hsga频带中的能量辐射被严格地控制，并被非常严密地指向受服务的飞机，其中，宽带地对空数据信道是针对飞机1和飞机2实现的。

因此，仅作为资源管理过程的结果对宽带地对空数据信道进行分配，并分配给需要高数据速率吞吐量的飞机。通过空对地射频通信链路的空对地链路来提供宽带地对空数据信道的无线资源管理所需要的反馈信道。

在现有的空对地射频通信链路的顶部上有效部署宽带地对空数据信道需要这两个链路之间的功率预算相匹配。换句话说，如果在现有的空对地射频通信链路的服务区域内的飞机要求高数据吞吐量，则该飞机应当是由空对地蜂窝通信网络的宽带地对空数据信道可达的。

宽带地对空数据信道需要能够匹配空对地射频通信链路的覆盖。由于较高的操作频率，在第二频带中的路径损耗实质上是较高的。为了克服损耗，宽带地对空数据信道在通信链路的两端使用高增益波束控制天线。此外，在实现宽带地对空数据信道的过程中考虑下面的因素：

1.每当由其它网络的地面发射机引起的噪声上升小于3db时，飞机天线需要具有至少10db的增益。

2.在一些情况下，由来自地面元件的干扰引起的噪声上升可能高达10db到25db。为了抵制这种干扰，安装在飞机上的天线阵列最小化这种干扰的影响。这意味着飞机天线需要具有非常小的旁瓣增益和较大的主瓣增益。

3.为了保证高选择性(小模式旁瓣)并为了确保服务地面基站总是在飞机天线的主波束中，需要将飞机天线实现为可控波束天线。由于能够准确地获知地面站的位置以及飞机的位置，所以空对地设置中的波束控制实现是一项相对容易的任务。因此，波束控制算法可以以几乎闭合形式的求解方式来计算单独阵列元件的增益。此外，由于空对地信道的稳定性，当飞机移动时，可以相对容易地实现基站位置的跟踪。

飞机天线的设计

因此，每当飞机在居民区(通常是大城市区域)附近时，从其它系统到飞机的干扰通常产生比3db高得多的噪声上升。在这种情况下，通常将基站设置在离人群中心150英里(大约230km)处。可以假定一般大城市区域具有100km的半径。在这种情况下可以假定飞机在30,000ft＝9km的高度处。这些参数导致所计算出来的由干扰引起的噪声上升可能高达20db到25db。飞机天线阵列接着必须指向230km处的远处基站，并且必须将来自地面的干扰削弱至比热噪声大约高3db的水平。

简单的计算表明，基站与从飞机到地球表面的垂直线所成的波束角大约为87.75度。因此，必须将天线元件波束方向图控制为朝向该方向。干扰信号限于-84.28度到+84.28度。

基站天线要求和竞争区

根据链路预算分析，来自宽带地对空数据信道基站天线的eirp可以比通常在未经许可的频带中允许的eirp稍大。然而，需要紧记的是，制定调整的发射机功率管理规则，使得其允许部署向移动陆地用户提供服务的地面基站。除了围绕祖先级系统的禁区以外，该部署在很大程度上是不受限制的。由于基站为移动陆地用户服务，所以其主要部署在居民区中，实际上可能有多于一个的系统在频带内操作。另一方面，宽带地对空数据信道的部署是完全不同的。由于向飞行的飞机提供服务，所以可以在人群密度非常低的区域中选择基站的位置。这样，宽带地对空数据信道对整个地域中的频带利用具有非常有限的影响。此外，宽带地对空数据信道基站将利用在水平和垂直平面中具有高辨别水平的波束控制天线，这甚至将进一步减小对频带中的其它用户的影响。因此，容易地实现了高速宽带地对空数据信道与未经许可频谱的其他用户的共存。

为了检查宽带地对空数据信道基站安装的影响，考虑图5所示的情况。来自宽带地对空数据信道链路旁瓣散射的信号可能干扰在同一频带中操作的其它地面系统。在附图中，示出了对移动设备的干扰，但是也可以是对其它系统的地面基站所引起的干扰。如图6所示，干扰信号功率密度的大小是距离的函数，并且是针对不同的波束控制天线隔离值的。将隔离值定义为在旁瓣散射的合计增益与主波束之间的增益差。假定路径损耗指数为3.2(即，路径损耗斜率为32db/dec)而产生这些曲线。

可以观察到，对于给定的隔离值而言，存在一间隔距离，在该间隔距离之后来自宽带地对空数据信道链路散射的干扰落在热噪声基底之下。从图6中，可以针对15db、10db和5db的隔离值将该距离分别估计为9.5、13.5和19.5英里。在宽带地对空数据信道安装的附近区域内，该系统使用允许其与频带中的其它系统共存的竞争协议。

基于竞争的协议的描述

由于本实例只在前向链路中示出了第二频带上的传输，所以针对基站概述基于竞争的算法。空对地蜂窝通信网络的前向链路基于多载波通信。然而，可以使用任何传输方案根据时间-频率资源块(称为组块)来实现所提出的协议。

在空对地蜂窝通信系统中，基站在覆盖整个预期传输带宽(例如，10mhz)的多个子载波(或更一般地，时间-频率资源块)上开始传输。与这个频带对应的子载波(或更一般地，时间-频率资源块)被称为所关注的子载波。每个基站定期地感测环境。如果满足下列条件，则任何基站称子载波(或更一般地，时间-频率资源块)在时刻t是忙碌的：

a)该子载波是所关注的子载波，

b)该子载波在时刻t-1用于传输，并且

c)在该时刻基站检测出该子载波上的(来自其它可能发射机的)活动。如果满足下列条件，则称子载波在时刻t(对于给定基站)是空闲的：

d)该子载波是所关注的子载波，

e)该子载波在时刻t-1未用于传输，并且

f)在时刻t基站未检测出该子载波上的(来自其它可能发射机的)活动。

下面的竞争协议可以用在这种情况中，然而该协议的其它变形也是可能的。每个基站被赋予放弃参数0<r<1和夺取参数0<s<1。在每个时刻t，基站进行如下操作：

g)以概率r抑制每个忙碌子载波的传输，以及

h)以概率s选择每个空闲子载波。

可以使用马尔可夫决策理论证明：

i)上面的竞争协议是稳定的，以及

j)其比csma及其变形更适应于其它网络传输。事实上，如果贪心的对手在所关注的频带中开始连续的传输而不实施任何谦让，则容易看到，该协议迫使基站完全避免传输。

属性(j)使该协议是通常在实际中使用的所有基于竞争的协议中最谦让的。然而，由于在发射机附近存在其它发射代理是非常不可能的(这是由于我们提出的基站的位置的选择)，所以可以预计到，虽然如此过于谦让，但是该系统仍能够提供高速空对地通信。

概述

本宽带链路系统利用额外的单独高速宽带地对空数据信道来为飞机提供额外的数据通信容量。该宽带地对空数据信道可以是单向的(地对空)，以使飞机中的乘客能够在没有传输延迟的情况下获得多媒体数据，而其到地面的传输一般由空对地射频通信链路处理。