专利名称：机载蜂窝系统的多普勒校正的制作方法
技术领域：
本发明一般性地涉及包含机载中继器的蜂窝通信系统，尤其涉及机载中继链路的补偿。
背景技术：
对偏远和地理分散位置的通信网络和能力的日益增长的需要已经产生了对蜂窝系统的较大需求。许多为这种系统提供基础设施的新电信公司将其资源集中于建设尽可能多的地面小区站，以便扩张其各自的覆盖区域并相应产生更多的收益。
然而，地面小区站的扩建率特别慢且费用昂贵，尤其是在多山的区域，或其它难以到达的区域。此外，在某些这样的区域中，电信公司的投资收益不能刺激承运商建设必需的小区站，使得这些区域仅得到有限的服务或完全没有蜂窝服务。而且，具有足够在高峰期和非高峰期间处理呼叫的蜂窝通信收发基站的许多区域，在体育比赛或其它暂时吸引大量观众的短期特别事件期间不能充分处理大量呼叫。
为了解决上述问题，提出了机载蜂窝系统，其中被安装在飞机上、在需要蜂窝覆盖的地理区域上执行预定飞行模式的蜂窝中继器，将呼叫从地理区域内的蜂窝电话连接到地面基站。因为飞机能够越过地理障碍并取代小区站，这种系统克服了常规地面蜂窝系统的上述限制。
尽管有许多优点，然而机载蜂窝系统提出在常规地面蜂窝系统的设计和实现中未遇到的设计和实现问题。例如，机载蜂窝系统即需要将基站和系统交换机链接到机载中继器的高频馈送链路，以及将机载中继器链接到覆盖区域内的蜂窝电话的客户或用户链路。由于飞机相对基站或蜂窝电话运动的缘故，在链接中引入了通常比较明显的多普勒频移。由于诸如TDMA EIA 136系统的蜂窝系统对多普勒频移特征是非常敏感，其性能通常与出现的多普勒频移量值成比例地降低。
此外，由于在飞机执行飞行模式时机载中继器发生移动，因此基站和飞机之间、飞机和系统用户之间的通信路径链接距离不断地变化。这些路径链接距离的变化引起信号损失的改变。而且，飞机的颠簸、摇摆和偏航使得波束偏离它的峰值增益，因此增加了中继器及其相关设备的平均功耗，增加了动态范围要求，并且增加了中继器及其相关设备的动态范围和功率消耗。所以，必须使用更重、更贵和功耗更高的功率放大器。
发明内容
很显然，存在解决上述问题的需要。
根据本发明，提供析出包含机载中继器的蜂窝通信系统中的前向和反向链路的信号误差的方法，包括接收类似于通信信号波段的波段内的反向链路导频参考信号；根据反向链路导频参考信号校正反向链路中的多普勒频移。
根据本发明，提供一种蜂窝移动通信系统，包括机载中继器，该机载中继器为基收发站和预定地理覆盖区域内的系统用户之间提供前向链路，以及为预定地理覆盖区域内的系统用户与基发送站之间提供反向链路；用于上变转换从基站发送到机载中继器的信号的前向链路地面转换器；用于下变转换从系统用户发送到机载中继器的信号的反向链路地面转换器；频移校正装置，该频移校正装置通过计算误差校正值并且经闭合反馈环路向反向链路地面转换器馈送该误差校正值，确定和补偿反向链路的多普勒频移。
根据本发明，提供补偿因改变机载蜂窝通信系统中继器的飞行模式位置而导致的信号强度变化的方法，包括检测携带蜂窝通信系统中继器的飞机的飞行模式位置；通过反向链路确定蜂窝通信系统中继器的覆盖区域内的系统用户小区电话位置；
预补偿因携带蜂窝通信系统中继器的飞机的运动引起的前向链路路径损失，使得通过前向链路从蜂窝通信系统中继器发送的通信信号具有均匀的强度；在预补偿前向链路路径损失之后，向覆盖区域内的系统用户小区电话发送均匀强度通信信号。
通过下面结合附图对优选实施例的详细描述可以理解本发明的优点。
图1是根据本发明对其多普勒频移进行校正的机载蜂窝通信系统的系统框图；图2是方框图，更详细地图解图1中所示的机载蜂窝通信系统的部件；图3是图解图1所示系统中多普勒频移是如何和在哪里产生的图例；图4是关于被用来校正图3所示的多普勒频移的部件的示意方框图；图5是给出图1中的系统的图例，其中由于根据本发明提供的信号路径损失补偿，该系统在预定地理区域上提供不间断的覆盖；图6是基于遥测数据技术的为馈送链路波束路径损失提供预补偿的方法的流程图；图7是基于导频信号振幅技术的为馈送链路波束路径损失提供预补偿的方法的流程图。
具体实施例方式
现在参照用类似附图标记表示类似部分的附图，图1所示的是机载蜂窝通信系统10。系统10一般包括三个主要的部分蜂窝基础设施部分12、无线基础设施部分14和飞机基础设施部分16。通过允许如手机18所示的系统用户10经包含中继器的飞机有效载荷22链接到公共交换电话网络(PSTN)20，这三部分组合起来能够为广大的地理区域提供蜂窝覆盖。下面会详细描述这三个系统部分中的每个部分的结构和功能。
蜂窝基础设施部分12包含移动交换局(MSO)24，该交换局包含诸如电话交换机、语音邮件和消息服务中心的设备，和蜂窝服务必备的其它常规设备。MSO 24连接到PSTN 20以便通过本领域众所周知的方式发出和接收电话呼叫。此外，MSO 24连接到操作和维护中心(OMC)26，其中蜂窝系统运营商从该操作和维护中心管理蜂窝基础设施部分12。MSO 24也连接到一或多个诸如30a、30b所示的BTS的基收发器站(BTS)。BTS 30a、30b通过无线基础设施部分14从系统用户18发送和接收RF信号。
更具体地，BTS 30a、30b通过地面转换设备32发送和接收RF信号。地面转换设备32将地面蜂窝格式信号转换成C波段格式信号，通过馈送链路33和遥测链路34与飞机有效载荷22进行通信，每个部分将在稍后详细讨论。当飞机离地面约30,000英尺左右保持飞行模式时，有效载荷22为在广阔的覆盖地理区域或覆盖区，即超过350km的区域上接通呼叫而建立无线链路36。
除飞机35之外，飞机部分16还包含飞机操作中心37，它至少部分根据来自诸如气象中心38的信息源的信息控制飞行任务布署，并且管理所有系统的飞机，因为系统最好包含三架飞机以保证连续覆盖。飞机从诸如空中交通控制中心40的信息源接收其它例行指令。
图2更详细地示出系统10的某些部件。具体地，地面转换设备32包含用于从/向有效载荷22接收/发送信号的C波段天线42(为了冗余目的还提供了第二个天线)，和用于适当转换由有效载荷22发出或送到有效载荷22的信号的C波段转换器44。根据优选实施例，C波段天线42和转换器44允许800MHz机载蜂窝天线70通过已建立的下行链路或馈送链路33与BTS 30a、30b通信，并且在信号传给飞机35之前，转换器44将来自BTS 30a、30b的标称信号上变转换成C波段信号。并且，每个BTS 30a、30b被分配C波段频谱中的不同波段，使得来自不同BTS 30a、30b的信号能够彼此分离并到达有效载荷22上的正确天线，比如天线56。此外，地面控制设备32包含诸如遥测天线46、遥测调制解调器48和遥测处理器50的遥测部件以便接收和处理从飞机遥测天线52发送的飞机数据，而处理器54则控制处理过的遥测数据向OMC 26和飞机操作中心37的传输。
在飞机部分16中，上面提到的飞机遥测天线52发送如附图标记58所示的飞机航空电子设备生成的飞机航空数据，这些数据包括飞机位置、方向和飞行模式数据，以及诸如飞机的颠簸、摇摆和偏航数据的其它数据。在通过遥测调制解调器62输出到遥测天线52之前，来自飞机航空电子设备58的数据被输入到有效载荷处理器60并被其加以处理。有效载荷处理器60还负责处理通过C波段天线42、56间建立的馈送链路33发送到和接收来自地面转换设备32的信号，并且负责处理通过用户18和诸如800MHz天线70的有效载荷下行链路天线间建立的下行链路或用户链路69发送到系统用户18和从系统用户18接收的信号，其中有效载荷接收和发送的信号被800MHz转换器72进行适当的上变转换或下变转换。除包含上述设备之外，有效载荷22还包含GPS设备74，GPS设备74的输出也可以被输入到处理器60，并且被发送到地面转换设备32或飞机操作中心37以用于飞机控制和/或监视目的。飞机和有效载荷中示出的部件一起构成飞机中继器，飞机中继器允许为较大的地理区域提供蜂窝覆盖，否则会因小区站数量不足等原因而不能支持地面蜂窝覆盖。
根据图1和图2示出的系统构造应当理解，从PSTN 20和系统用户18看来机载蜂窝系统10和常规地面蜂窝系统均是相同的。换句话说，通过蜂窝基础设施、无线基础设施和飞机基础设施链接到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不存在可辨识的与服务有关的差别，部分原因是蜂窝基础设施部分12在MSO 24和BTS 30a、30b中包含标准电话交换机，与常规地面系统基础设施中的那些标准电话交换机相同或基本相同。
仍然参照图1和图2，现在描述一个系统用户18完成呼叫期间机载蜂窝系统10的部件的操作。飞机35在进行空中值守时最好以圆形或接近圆形的飞行模式飞行(尽管飞行模式可以随具体天气和覆盖条件的变化而变化)，以便在执行飞行任务期间为预定的地理区域提供覆盖。当进行空中值守时，飞机与地面转换设备32保持通信，以便通过无线基础设施设备部分14为蜂窝基础设施部分12提供馈送链路33和用户链路36。飞机35也在覆盖区域上上发送预定数目的通信波束，例如13个波束，每个波束均被分配给BTS 30a、30b的一个的扇区，并拥有它自己的控制和业务信道配置以便在系统用户18和蜂窝基础设施部分12之间传输信令和语音数据。当飞机35以其飞行模式运动时，飞机辐射出的波束发生旋转。因此，系统用户18每45秒左右将“看见”不同的波束，并且蜂窝基础设施部分12对呼叫进行扇区到扇区的切换以避免呼叫掉线。
当开始呼叫时，例如用户18之一的系统用户利用波束中的控制信道发信号给MSO 24以请求呼叫建立。请求从用户18的手机发送到飞机的有效载荷22，并且接着被转发到地面转换设备32。地面转换设备32将请求转发到相应的BTS，例如BTS 30a。接着BTS 30a发送请求到MSO 24，而MSO 24与PSTN 20建立呼叫。因此，有效载荷22简单地将BTS 30的物理层延伸到用户18，从而比常规地面系统提供更大范围的覆盖，并减少了相关基础设施的建设成本。因此机载系统10对于这样的情况特别有用，即向仅需要覆盖数天的特定事件区域提供这种暂时的蜂窝覆盖，从而免去建立小区站的需求和成本，并且在特殊事件过后撤去小区站。
一旦呼叫建立完成，开始通过波束内的业务信道与PSTN 20进行语音通信，并且接着以和信令信息同样的方式转发语音。当呼叫结束时，信号被发送到MSO 24以拆除呼叫，用户18的手机释放用于语音通信的业务信道，信道返回到空闲状态。
参照图3和图4，现在针对根据本发明的优选实施例讨论对飞机的运动引入前向和反向用户链路和馈送链路的多普勒频移的校正。当飞机35执行其飞行模式时，馈送链路的多普勒频移在时间上随飞机相对于地面转换设备32的速度和方向的变化而变化，并且也许为正(当波束迎向飞机或飞机与地面转换设备的距离减少时)或者为负(当波束背离飞机或飞机与转换设备的距离增加时)。由于多普勒频移与发送的信号的中心频率成比例，系统10中的多普勒频移会相当重要。对于每个波束，用户链路上的多普勒频移较小且相对固定。换句话说，波束内的由飞机速度引起的多普勒频移对波束覆盖的所有用户都相似。正如现在将要描述的，本发明能够对馈送链路和用户链路上的多普勒频移进行校正以保证在指定的地理区域上保持连续覆盖。
参照包含前向馈送链路和用户链路的前向链路，BTS 30a发送信号到前向地面转换器44a，前向地面转换器44a是地面转换器44的部件。在C波段天线42(图2)通过馈送链路33发送信号之前，前向地面转换器44a将信号转换成更高的C波段频率。如图4所示，C波段天线是前向有效载荷转换器72a的组成部分，也是800MHz转换器72的组成部分。由于飞机35相对基站30a的运动，在馈送链路中通常引起随时间变化的多普勒频移。接着在天线70(图2)通过用户链路36向用户18的手机发送信号之前，前向有效载荷转换器72a将C波段频率信号还原为UHF频率信号。
如图4中包含反向馈送和用户链路的反向链路所示，用户18的手机通过反向用户链路36向天线70(图1)回送UHF信号，从而与图1中的蜂窝基础设施部分12通信。在将信号经反向馈送链路33送到反向地面转换器44b之前，作为转换器72的组成部分、包含C波段天线42的反向有效载荷转换器72b将信号转换为C波段信号。在信号到达BTS 30a之前，也是转换器44的部件的反向地面转换器44b再将信号转换成UHF信号。
在根据本发明的优选实施例中，除上述机载蜂窝系统协议外，C波段导频参考信号在90处由处理器60生成并通过天线56、42发送到处理器54。C波段导频参考信号最好是在蜂窝通信信道间的保护波段内的信号。处理器54精确地测量所接收的导频信号的频率。由于飞机和所有地面转换器均使用精确参考，例如基于GPS的参考，并且已知导频信号的频率，可以将所测量的频率与已知发送频率相比较以计算馈送链路的多普勒频移。在导频参考信号的多普勒频移量被确定之后，处理器54向反向地面转换器44b发送基于算出的多普勒频移的误差校正值，从而允许反向地面转换器44b根据这个误差校正值校正从天线42接收的C波段信号中的多普勒频移。
此外，处理器54还根据前向和反向馈送链路的频率差确定前向地面转换器44a的多普勒校正值。接着，前向地面转换器44a在馈送链路33上出现多普勒频移之前向已经上变转换的C波段信号提供预测(forward-looking)偏移。因此，前向地面转换器44a根据发送的导频参考信号上出现的多普勒频移对出现在馈送链路33中的多普勒频移进行预补偿。
虽然前面根据处理器60生成和发送的导频参考信号确定多普勒频移，然而应当理解，处理器54也可以替代使用由处理器60并且从遥测天线52发送的飞机遥测信号来计算与发送到用户链路69的信号相关的多普勒频移。在这种情况下，根据包含其位置和速度向量，或其它适于计算飞机运动引起的多普勒频移的信息的遥测数据来计算多普勒频移。可选地，多普勒频移和误差校正值可由飞机35中的处理器60而不是地面的处理器54计算。
如上面所提到的，本发明也对前向和反向用户链路中的多普勒频移进行补偿。在系统10中的每个通信波束使用馈送链路中的不同子带。由于每个用户的位置不能确切得知导致用户链路上的多普勒频移不能被确切计算，通过以逐个波束的方式考虑每个波束的期望值或平均值，并且基于每个波束的多普勒频移特性由相对于飞机速度向量的波束指向所确定这一事实，前向和反向地面转换器44a、44b提供每个波束的多普勒校正。这些计算可由地面转换设备32在地面上进行，也可由处理器60在飞机35上进行。
因此，本发明能够对馈送链路的多普勒频移进行精确校正，并且能够对每个子波束的用户链路的均值多普勒频移进行精确校正。然而应当理解，根据本发明，也可以通过确定每个波束覆盖范围内每个用户的确切位置来进行用户链路的多普勒频移校正，如果系统参数需要这种精度，并且如果进行所需的计算所要求的其它设备和系统成本在预算范围之内。
参照图5，现在讨论根据本发明的另一个优选实施例的前向馈送链路上的通信信号路径损失变化的补偿方法。具体地，当飞机35进行其预定的飞行模式时，飞机35、BTS 30a和用户18间的距离发生改变，因此信号路径损失随之而变。此外，飞机的颠簸、摇摆和偏航经常使飞机中继器的波束偏离其相应的峰值增益。
如上所述，通过(1)在调整前向地面转换器44a以补偿路径损失之前，用包含飞机位置数据的遥测数据计算期望路径损失；或(2)通过信号测量测量导频信号的幅度以估测路径损失，并且接着相应调整前向地面转换器44a的增益，本发明对前向馈送链路的波束路径损失提供预补偿。
图6和图7分别图解了实现上述所讨论的基于遥测数据的路径损失补偿技术和基于导频信号幅度的路径损失补偿技术的方法。在图6中，处理器54在100从飞机35接收包含飞机位置数据的飞机遥测数据。在102，处理器54根据飞机和诸如基站30a的地面基站间的距离计算期望路径损失。接着在104，处理器根据期望路径损失调整前向地面转换器44a的增益以便对馈送链路路径损失进行预补偿。
这里应当注意，反馈链路信号的预校正也是非常重要的，因为这种校正会改善BTS中的AGC(没有示出)的动态范围。使用诸如导频参考信号90的导频信号在地面进行预校正，或者利用飞机遥测数据在飞机35中进行预校正。然而，这种预校正最好在飞机上进行，因为当飞机靠近地面转换设备32时，随着天线发射功率的降低而减少总的飞机功耗。
基于导频信号幅度的路径损失补偿技术的方法在图7中给出。在110，处理器54测量由飞机在反向链路上生成并发送给反向地面转换器44b的接收导频信号的功率电平。接着在112，处理器54计算反馈链路路径损失并使用算出的值计算前向链路路径损失。在114，基于算出的前馈链路路径损失调整前向转换器44a的增益。
根据本发明的可选实施例，可以在飞机的有效载荷上实现自动增益控制电路以消除不能根据飞机位置计算的、天线指向误差对增益的影响。AGC会测量BTS发射的信号控制信道上的功率电平并调整增益，使得天线52所测量的该控制信道的功率电平保持固定。此外，所有的路径损失补偿计算可以通过飞机上的处理器60而不是地面上的操作来进行。
而且，尽管上述的讨论只涉及馈送链路的路径损失补偿，本发明也可以用于对前向链路和反向用户链路路径损失的补偿，尽管这样的损失通常会由用户18的手机来处理。不管采用哪种实施方法，本发明的链路路径补偿技术可以使所要求的系统动态范围最小，因此可以使系统成本和功率需求达到最小。
虽然前面对本发明的优选实施例进行了描述，然而应当理解，在不偏离下述权利要求的范围和正当含义的前提下可以对本发明进行修改、改变或变化。
权利要求
1.析出包含机载中继器的蜂窝通信系统中的前向和反向链路的信号误差的方法，包括接收类似于通信信号波段的波段内的反向链路导频参考信号；根据反向链路导频参考信号校正反向链路中的多普勒频移。
2.根据权利要求1的方法，还包括在前向链路受到多普勒频移影响之前，根据反向链路导频参考信号校正前向链路的多普勒频移。
3.根据权利要求1的方法，其中根据反向链路导频参考信号对反向链路中的多普勒频移进行的校正补偿机载中继器相对于地面蜂窝电话的运动，所述地面蜂窝电话正通过反向链路经中继器进行通信。
4.根据权利要求2的方法，其中根据反向链路导频参考信号对前向链路的多普勒频移进行的校正为机载中继器的运动提供预测补偿。
5.根据权利要求2的方法，其中反向链路和前向链路是C波段链路。
6.根据权利要求5的方法，其中反向链路的导频参考信号是C波段信号和邻近通过反向链路传输的C波段通信信号的保护波段信号之一。
7.根据权利要求2的方法，其中前向链路中的多普勒频移校正包括在进行传输之前对前向链路进行偏移以便对预定地理区域提供覆盖。
8.根据权利要求2的方法，其中校正反向链路中的多普勒频移和校正前向链路中的多普勒频移包括测量接收时的反向链路导频参考信号与发送时的反向链路导频参考信号的频率差以确定误差校正值；根据误差校正值校正反向链路中的多普勒频移；根据误差校正值校正前向链路中的多普勒频移。
9.根据权利要求8的方法，其中测量接收时的反向链路导频参考信号与发送时的反向链路导频参考信号的频率差以确定误差校正值的步骤基于GPS测量。
10.一种蜂窝移动通信系统，包括机载中继器，该机载中继器为基收发站和预定地理覆盖区域内的系统用户之间提供前向链路，以及为预定地理覆盖区域内的系统用户与基发送站之间提供反向链路；用于上变转换从基站发送到机载中继器的信号的前向链路地面转换器；用于下变转换从系统用户发送到机载中继器的信号的反向链路地面转换器；频移校正装置，该频移校正装置通过计算误差校正值并且经闭合反馈环路向反向链路地面转换器馈送该误差校正值，确定和补偿反向链路的多普勒频移。
11.根据权利要求10的蜂窝通信系统，其中频移校正装置还用于通过将误差校正值馈送到前向链路地面转换器以便按照预测方式析出前向链路的多普勒频移，对前向链路的多普勒频移进行补偿。
12.根据权利要求10的蜂窝通信系统，其中频移校正装置包括导频发生器，该导频发生器产生用于确定前向和反向链路中的多普勒频移的导频信号；用于测量接收的导频信号的频率的导频测量装置；多普勒频移计算器，该多普勒频移计算器通过确定导频测量装置上接收的导频信号和导频发生器上产生的导频信号的频率差来计算误差校正值，并且接着通过闭合反馈环路给前向链路地面转换器发送误差校正值。
13.根据权利要求10的蜂窝通信系统，其中频移校正装置包括机载中继器和基收发站之间的飞机遥测链路，该链路允许根据飞机位置和速度向量计算误差校正值。
14.根据权利要求10的蜂窝通信系统，其中频移校正装置是机载装置。
15.根据权利要求10的蜂窝通信系统，其中频移校正装置是地面装置。
16.补偿因改变机载蜂窝通信系统中继器的飞行模式位置而导致的信号强度变化的方法，包括检测携带蜂窝通信系统中继器的飞机的飞行模式位置；通过反向链路确定蜂窝通信系统中继器的覆盖区域内的系统用户小区电话位置；预补偿因携带蜂窝通信系统中继器的飞机的运动引起的前向链路路径损失，使得通过前向链路从蜂窝通信系统中继器发送的通信信号具有均匀的强度；在预补偿前向链路路径损失之后，向覆盖区域内的系统用户小区电话发送均匀强度通信信号。
17.根据权利要求16的方法，其中使用全球定位卫星信息和遥测链路信息中的至少一个来检测携带蜂窝通信系统中继器的飞机的飞行模式位置。
18.根据权利要求16的方法，其中预补偿前向链路路径损失还增加或减少前向链路的增益以维持所要求的最小链路极限值。
19.根据权利要求16的方法，其中预补偿前向链路路径损失是飞机上的操作和地面上的操作中的一个。
20.根据权利要求16的方法，其中预补偿前向链路路径损失包括预补偿前向馈送链路路径损失。
全文摘要
本发明对包含机载中继器的蜂窝通信系统(10)中的前向链路和反向链路的多普勒频移进行校正。在反向链路处理器中收到类似于通信信号波段的波段内的反向链路导频参考信号，基于这个反向链路的导频参考信号，对反馈链路中的多普勒频移进行校正。在前向馈送链路受到多普勒频移影响之前，也根据反向链路导频参考信号对前向馈送链路的多普勒频移进行校正。本发明也对中继器的飞行模式位置变化引起的信号强度变化进行补偿。在信号被发送给覆盖区内的系统用户蜂窝电话(18)之前，对飞机(35)的运动引起的前向链路路径损失进行预补偿，使得传到和从蜂窝通信系统中继器发出的通信信号具有同样的强度。
文档编号H04B7/185GK1439203SQ01811809
公开日2003年8月27日 申请日期2001年6月22日 优先权日2000年6月26日
发明者乔纳森·H·格洛斯, 小托马斯·P·埃蒙斯, 斯科特·C·怀特, 杜克·E·汉森 申请人:摩托罗拉公司