空中和基于地面的通信设备之间的无线通信链路的制作方法

本申请要求对2016年10月28日提交的编号为62/414107的美国临时申请的权益，所述美国临时申请通过引用以其整体而被结合于本文中。

背景技术：

本发明涉及基于陆地的蜂窝通信系统和位于空中飞行器中的用户设备之间的连接性，并且更具体地说，涉及在空中设备和基于地面的设备之间维持无线链路的技术。

世界正变得越来越连接，并且这已导致消费者对能够不管时间和地点而联机和体验至少适中数据速率具有日益增加的期望。作为对这些期望的一种回应，下一代移动技术，所谓的imt-2020(5g)，将高速移动性作为一个目标。所研究的示例性场景是高速公路上的高速列车和交通工具，但是遵循最近的趋势，预期飞机的地上飞行中宽带服务将在范围中——作为用户设备(ue)和基站之间的直接通信，或经由飞行器上的接入点(ap)，该接入点聚合某一数量的ue的业务并维持到基站的链路。

在2013年，联邦通信委员会(fcc)采取措施，所述措施针对通过分配14ghz射频(rf)频带中的500mhz宽的子频带以用于飞行中空对地宽带连接而能够实现更好的连接性。fcc的期望是到2021年，将存在使15000个航班向其乘客提供高速宽带连接性的需求。相比之下，在2013年全球有3000架飞机可用，并且这带有消费者认为太慢并且到目前为止太昂贵的连接。行业已注意到，如今的航线乘客期望与地面上可用的宽带服务相同级别的宽带服务。

已经进行了提供在通常用于常规蜂窝网络的低频带中的地上网络覆盖的若干试验。如果恰当地利用，则航空监管侧的最新进展将大大增强和简化基于地上网络的飞行中宽带服务。

用于维持地面上移动通信设备的覆盖的高级原则是众所周知的。所谓的无线电基站被部署在各种地理位置，并且对于给定的移动通信设备，选择“最合适的”基站作为到通信系统中的连接点。随着移动通信设备改变其位置，其与服务基站的无线电连接的质量可能恶化到进行重选的程度，由此更适合的基站接管而作为服务基站。

波束成形技术可以用来促进空中和基于地面的设备之间的无线电通信。但是在常规技术中，飞行器上的波束成形设备不知道它正在传送向的地上节点的精确位置，它也不依赖于飞行器的导航信息(例如，取向、位置、速度)。因此，旨在到达地面设备的波束需要足够宽，以确保来自传输的能量的至少一些实际到达地上节点。

但是，当地上运营商频率被重复用于空对地(a2g)回程链路时，将宽波束用于上行链路传输(在一些早期文档中，从空到地的方向也称为反向链路)可能对广区域中的地上ue造成干扰。干扰降低了被(一个或多个)波束所覆盖的区域中的地上ue的上行链路性能，因为信号散射并因此不能被空间滤波所阻挡。

此外，当宽波束用于上行链路传输时，由于要接收的信号的散射，每个回程链路潜在地会因时间色散(timedispersion)而被降级，并且在一些情况下还因频率色散(frequencydispersion)(取决于所应用的解决方案/技术)而被降级。

此外，散射降低了在不同波束中重复使用上行链路中的物理资源的可能性，因为来自两个波束的信号将从不同方向撞射(impinge)，使得在许多情况下通过空间滤波来阻挡干扰是具有挑战性的。

在同一组波束服务两个或更多个飞行器的情况下，或者当某些物理资源(prb)被保留用于地上ue时，必须在为不同回程用户(飞行器)传送或由不同回程用户(飞行器)传送的信号之间维持正交性。否则，载波间干扰将导致相应链路的性能的降级。

因此，仍然需要一种方法，通过其，当正使用空中和基于地面的设备之间的无线链路时，可以最小化由于散射和载波间干扰所引起的干扰，并且可以最大化容量。

技术实现要素：

应该强调的是，术语“包括(comprises和comprising)”当在本说明书中使用时被用来指定所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在；但是这些术语的使用并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、组件或其群组的存在或附加。

此外，在一些情况下(例如，在权利要求和发明内容中)提供了参考标号以便于标识各种步骤和/或元件。然而，参考标号的使用并不旨在估算或暗示如此引用的步骤和/或元素将以任何特定的顺序来执行或操作。

根据本发明的一个方面，上述和其它目的是采用飞行收发信台(flighttransceiverstation)技术来实现的，其通过在飞行器上安装时的飞行收发信台与一个或多个地上收发器点进行通信。通信包括所述飞行收发信台对于未来时刻t而确定以下项，

-所述飞行收发信台在三维空间中的位置；

-所述飞行收发信台的姿态；

-从所述飞行收发信台的所述位置到所述一个或多个地上收发器点的一个或多个相应方向；

-所述飞行收发信台和所述一个或多个地上收发器点之间的相应径向速度；以及

-基于所述相应方向和姿态，朝向所述一个或多个地上收发器点中的每个的一个或多个传送波束的波束成形权重。

所述飞行收发信台还基于所述相应径向速度，预测在所述飞行收发信台和所述一个或多个地上收发器点之间使用的载波频率的相应多普勒频移。然后，在所述未来时刻t，所述飞行收发信台将以下项应用于飞行收发信台传送器设备：所述一个或多个传送波束的所述波束成形权重；以及基于所预测的多普勒频移的多普勒预补偿。

在一些实施例中，所述飞行收发信台还基于所述相应方向和姿态，确定朝向所述一个或多个地上收发器点中的每个的一个或多个接收波束的波束成形权重；并然后在所述未来时刻t时或在所述未来时刻t之后，将以下项应用于所述飞行收发信台的接收器设备：

所述一个或多个接收波束的所述波束成形权重；以及

基于所预测的多普勒频移的多普勒后补偿。

在一些实施例中，所述飞行收发信台对于所述未来时刻t而确定所述飞行收发信台和所述一个或多个地上收发器点中的每个之间的相应距离；并基于对于所述未来时刻t而确定的所述距离和在相应前一传送定时调整和/或前一传送功率级别调整时确定的对应距离之间的差，确定传送定时调整和/或所述一个或多个传送波束的传送功率级别调整。所述飞行收发信台然后在所述未来时刻t，将所确定的传送定时调整和/或所述传送功率级别调整应用于所述飞行收发信台的传送器设备。

在一些实施例中，所述飞行收发信台在三维空间中的所述位置借助于从全球导航卫星系统获得的信息和所述飞行器的飞行路径的预测来直接或间接确定。

在一些实施例中，所述飞行收发信台经由以下任一项来获得所述一个或多个地上收发器点的位置：

控制平面通信；

用户平面通信；以及

所述飞行收发信台中的预加载数据存储组件。

在一些实施例中，所述飞行收发信台的操作包括将所述飞行收发信台和所述一个或多个地上传输点之间的所述径向速度计算为在某一时间间隔期间所述飞行收发信台和所述一个或多个地上收发器点之间的相应欧几里德距离的变化。

在一些实施例中，所述飞行收发信台的操作包括将所述飞行收发信台和所述一个或多个地上传输点之间的所述径向速度计算为所述飞行收发信台的速度和到所述一个或多个地上收发器点的所述相应方向之间的标量积。

在一些实施例中，所述飞行收发信台的所述姿态由飞行管理器系统所提供。

在一些实施例中，使用陀螺仪来确定所述飞行收发信台的所述姿态。

在一些实施例中，确定所述传送定时调整包括确定在所述前一传送定时调整和所述未来时刻t之间、所述飞行收发信台和所述一个或多个地上传输点之间的相应距离的差；并进一步包括基于视线传播条件，计算由相应距离的所确定的差而产生的传播时间差。

在一些实施例中，确定所述传送功率级别调整包括确定在所述前一传送定时调整和所述未来时刻t之间、所述飞行收发信台和所述一个或多个地上传输点之间的相应距离的差；以及基于电磁波的传播损耗模型，计算由相应距离的所确定的差而产生的传播损耗的变化。

在一些实施例中，所述飞行收发信台的操作包括使用回归模型来预测所述飞行器的所述飞行路径，所述回归模型基于所述飞行收发信台在多(n)个过去时间的过去三维位置，并且推知所述飞行收发信台的速度和三维位置，以获得所述飞行收发信台在所述未来时刻t在三维空间中的位置

在一些实施例的另一方面，所述飞行收发信台的操作包括接收关于一个或多个切换目标地上收发器点的配置信息；以及为在第二未来时刻t2时的应用来确定：

-朝向所述一个或多个切换目标地上收发器点中的每个的一个或多个传送波束的传输波束操纵权重；

-朝向所述一个或多个切换目标地上收发器点中的每个的一个或多个接收波束的接收波束操纵权重；

-要被应用于来自所述一个或多个切换目标地上收发器点的接收信号的多普勒预补偿；以及

-要被应用于导引朝向所述一个或多个切换目标地上收发器点的传送信号的传输功率级别。

然后，在所述第二未来时刻时或在所述第二未来时刻之后，所述飞行收发信台应用：

-朝向所述一个或多个切换目标地上收发器点中的每个的所述一个或多个传送波束的所述传输波束操纵权重；

-朝向所述一个或多个切换目标地上收发器点中的每个的所述一个或多个接收波束的所述接收波束操纵权重；

-要被应用于来自所述一个或多个切换目标地上收发器点的所述接收信号的所述多普勒预补偿；以及

-要被应用于导引朝向所述一个或多个切换目标地上收发器点的所述传送信号的所述传输功率级别。

然后，所述飞行收发信台开始与切换目标地上收发器点进行通信。

附图说明

通过结合附图阅读以下具体实施方式，将理解本发明的目的和优点，在附图中：

图1示出了ads-b部署。

图2示出了结合本发明实施例所使用的导航术语。

图3描绘了被配置成实行本发明的地面站方面的设备的示例性实施例。

图4描绘了被配置成实行本发明的飞行收发信台方面的设备的示例性实施例。

图5a和5b分别描绘了飞行器姿态和对波束操纵的影响。

图6描绘了与多普勒频移补偿相关的fts设备的示例性实施例。

图7在一个方面是由地面站的飞行跟踪器电路和由fts的飞行路径预测器所执行的步骤/过程的流程图。

图8在一个方面是由地面站的波束操纵器所执行以使波束的取向适配于飞行器的飞行路径的步骤/过程的流程图。

图9在一个方面是由fts所执行以使波束的取向和其它传输特性适配于飞行器的飞行路径的步骤/过程的流程图。

图10在一个方面是由fts所执行的、作为切换功能性的一部分的步骤/过程的流程图。

图11是用于实行如本文所描述(诸如结合图3、4、6、7、8、9和10)的本发明的各种方面的组件的元件的框图。

具体实施方式

现在将参考附图来描述本发明的各种特征，在附图中相同部分用相同附图标记来标识。

现在将结合多个示例性实施例更详细地描述本发明的各种方面。为了便于理解本发明，本发明的许多方面是根据将由计算机系统的元件或能够执行经编程指令的其它硬件所执行的动作的序列来描述的。将认识到，在每个实施例中，各种动作可以由专门的电路(例如，被互连以执行专门的功能的模拟和/或分立逻辑门)、由用合适的指令集所编程的一个或多个处理器、或者由两者的组合来执行。术语“配置成”执行一个或多个所描述的动作的“电路”在本文用于指任何此类实施例(即，单独或与一个或多个经编程处理器结合的一个或多个专门的电路)。此外，本发明另外可以被认为完全被实施在包含将使处理器实行本文所描述的技术的适当计算机指令集的任何形式的非暂时性计算机可读载体内，例如固态存储器、磁盘或光盘。因此，本发明的各种方面可以采用许多不同的形式来实施，并且设想所有这些形式都在本发明的范围内。对于本发明的各种方面中的每个，如上所述的任何这种形式的实施例在本文可以被称为“配置成”执行所描述的动作的“逻辑”，或者备选地被称为执行所描述的动作的“逻辑”。

还将认识到，在每个实施例中，各种动作可以由服务器电路来执行，该服务器电路使得其功能性作为借助于因特网或类似数据网络而可访问的服务而对节点可用(即，经由“云”而可用)。

关于本文使用的术语，在一些实施例中，使用非限制性术语ue。本文的ue可以是能够通过无线电信号与网络节点或另一个ue进行通信的任何类型的无线装置。ue还可以是无线电通信装置、目标装置、装置到装置ue、机器类型ue或能够进行机器到机器通信的ue、配备有ue的传感器、平板计算机、移动终端、智能电话、膝上型嵌入式设备(lee)、膝上型安装式设备(lme)、usb加密狗、用户驻地设备(cpe)等。

同样在一些实施例中，使用通用术语“无线电网络节点”或简单的是“网络节点(nw节点)”。这可以是任何种类的网络节点，其可以包括以下项中任意一项或多项：基站、无线电基站、基站收发信台、基站控制器、网络控制器、演进节点b(enb)、节点b、无线电网络控制器(rnc)、中继节点、定位节点、演进服务移动定位中心(e-smlc)、位置服务器、转发器、接入点(ap)、无线电接入点、远程无线电单元(rru)，远程无线电头端(rrh)、远程天线单元(rau)、多标准无线电(msr)无线电节点(例如分布式天线系统(das)中的msrbs节点)、son节点、操作和维护(o&m)节点、oss、mdt节点、核心网络节点、移动性管理实体(mme)等。

此外，在一些情况下，实施例的描述可以使用术语“飞机”。然而，这并不旨在以任何方式限制本发明，并且任何这样的用法都应该被更广泛地解释，例如，就好像已使用了术语“飞行器”(其不仅涵盖飞机，而且涵盖其它飞行机)。

在一些实施例中，采用了在单频网络(sfn)中使用的方面。在sfn中，多个网络节点在同一载波频率上传送相同的信息，并且在可能比单个节点所能覆盖的区域更宽的区域中使用同一小区标识。虽然传统上在多播广播的长期演进(lte)部署中使用，但是该术语在第三代合作伙伴计划(3gpp)进行的最新5g研究中已被扩展到还包括小区中的专用通信，其可以由若干网络节点以协作方式来管理，其中无线通信装置只知道在特定小区中，而不知道它正在与哪个网络节点进行通信。一个sfn可能涉及若干enodeb。

在一些实施例中，方面涉及组合小区的使用，所述组合小区是包括具有多个天线节点的网络节点的小区，其具有完全或部分重叠的覆盖。在其最简单的形式中，组合小区对应于具有从所有天线节点传送的相同信息的sfn，并且在更复杂的形式中，时间和频率资源可以被重复使用，例如，在空间分集复用方案中。组合小区可能是sfn的特例，其中只有一个enodeb管理sfn小区。

在本文描述的技术的一个方面，可以观察到，为了代替由空中交通管制(atc)所使用的二次监视雷达(secondarysurveillanceradar)(ssr)，一种被称为“自动相关监视——广播输出”(ads-bout)的新标准已经或要被世界上若干地方采用。现有系统ssr是基于使雷达站查验(ping)飞行器应答器(传送器-响应器)，应答器以这种方式通过发送关于飞行器的标识、高度等的信息进行响应。这允许atc能够跟踪飞行器并引导它们以避免碰撞。

较新的系统ads-bout与ssr的不同之处在于，信息周期性地从飞行器而被广播，而不用首先被雷达脉冲所触发。广播中包含的信息包括(但不限于)：

·飞行器标识和呼号(callsign)

·基于gps的位置(纬度、经度)

·高度

·位置和高度被确定了的基于gps的时间

地面站和附近的飞行器接收广播，并将它们中继给负责该空域的atc设施。该系统比ssr更便宜，因为不需要雷达站，而且更准确高达200倍，引起相对于位置的5.1m的公差。广播信号范围高达280km。当飞行器在地面上滑行时，该系统也可以被使用。

ads-bout的使用已经在加拿大和澳大利亚空域中被授权、在2015年开始被授权用于欧洲空域中以用于大型飞行器且在2017年开始被授权以用于所有飞行器、并且在2020年开始被授权用于美国空域中。它已经被授权以用于在香港、新加坡、越南、台湾和印度尼西亚中的部分或所有航路，并在诸如韩国和中国的一些国家中已进行了试验。目前尚不清楚何时它将在整个亚太地区被授权，但尽管不是授权的，但一般允许使用ads-b。所有主要的飞行器供应商现在都在运送准备有用于安装ads-b设备的布线和到机载飞行导航系统及经认证的全球定位系统(gps)接收器的连接的飞行器。

图1示出了示例性ads-b部署。每架飞机101-1、101-2基于从作为全球导航卫星系统(gnss)的一部分的卫星(诸如美国的navstargps和俄罗斯的glonass)接收的信号来确定其位置。指示飞机的标识、位置、高度和坐标被确定的时间的信息被周期性地广播，并被地面站105(并且还被附近的飞机)接收。一旦被地面站105接收，信息就被路由(例如，通过通信网络107)到负责空域的该部分的atc设施109。

航空爱好者可以通过使用便宜的设备来接收ads-bout广播；所有需要的只是dvb-tusb加密狗和开源软件，其花费不到20€。用大约800€(含税)可以获取专业等级的ads-bout。所述相当便宜的设备已经导致有许多ads-bout接收器遍布全球，并且通过与服务器共享数据，全球范围的实时跟踪成为可能。最著名的服务是成立于瑞典并依靠7000名志愿者将接收的ads-bout信息跨国馈送到集中式服务器的flightradar24。简而言之，接收和解码飞行信息很容易完成，并且只需要便宜的设备。对于配备有ads-bout的任何飞机都可以确定标识、位置和高度，这很快将成为全球空域中的大部分的要求。

为了便于更好地理解本发明的方面，本描述将首先集中于本文使用的和/或与技术方面相关的定义和术语。

首先参考移动和位置，图2示出了在enodeb203的范围内飞行的若干飞行器，包括飞行器201。每架飞行器相对于enodeb203的相应移动和位置可以通过多个不同的度量来表示，例如水平速度、垂直速度、航向和航迹(也称为“飞行路径”)。术语航向是指飞行器的机身指向的方向。术语航迹是指飞行器的机身正延其移动的轨迹。由于例如偏航，飞行器的航向和航迹可能或可不在同一方向。

术语“网络节点”(例如，基站、基站收发信台——bts——(2g)、nodeb(3g)、enodeb(4g)或gnodeb(5g))是指管理一个或多个地上传输点(ttp)的设备(独立或分布式的)，所述一个或多个地上传输点(ttp)一起形成一个或多个小区。

术语ads-b和ads-bout可互换地使用。ads-bout是ads-b中的功能性的子集，并且本文描述的技术仅依赖于该子集。

本文呈现的描述参考飞机等形式的飞行器示出了技术的各种方面。然而，各种方面不限于那些示例性实施例，并且可以同等适用于旋翼机(例如直升机)、无人驾驶飞行器等，只要那些示例性实施例正定期广播位置信息。

飞行收发信台(fts)可以可互换地称为中继节点、网络节点、ue、基站、接入点(ap)等，这取决于是从机舱内部观察它(通过其，它是基站或ap)还是从地面观察它(通过其，它例如可以被视为ue或中继站)。

本文对有源天线系统做出的参考是指诸如天线阵列的系统，其允许借助于波束成形对多个波束进行电子操纵。在一些但不一定是所有实施例中，也可能存在对天线阵列的机械操纵。

以下是本描述中使用的和/或与本文描述的技术相关的一些缩写的列表：

缩写解释

3d三维

a2g空对地通信

aas有源天线阵列

acars飞行器通信寻址和报告系统

ads-b自动相关监视广播

aes飞行器地球站

atc空中交通管制

atn航空电信网络

cpdlc业务控制器-导频数据链路通信

dvb-t数字视频广播-地面

esomps移动平台上的地球站

fans未来空中导航系统

fcc联邦通信委员会

fts飞行收发信台

gnss全球导航卫星系统

gps全球定位系统

icao国际民航组织

mimo多输入多输出

mme移动性管理实体

mu-mimo多用户mimo

prb物理资源块

ra随机接入

ran无线电接入网络

rrc无线电资源控制

sib系统信息块

ssr二次监视雷达

sv太空交通工具

ttp地上收发器点

usb通用串行总线

下面分别针对fts和ttp来描述示例性实施例的方面。为了便于说明，在一些情况下，在一个实施例中组合在一起描述了多个方面。然而，这并不旨在限制本发明的范围。相反，本发明人已经认识到，本文描述的技术的不同方面不需要被组合以是有用的，而是当单独实践时替代地构成实施例。此外，根据方法步骤描述了一些方面。然而，本发明可以采用其它形式来实施，例如但不限于设备；系统；计算机程序产品；以及包括软件的计算机可读存储介质，所述软件的指令在被一个或多个处理器执行时，使得设备执行所描述的方法。

a2g通信的回程链路是通过为飞行器配备有一个或多个基站来创建的，所述一个或多个基站具有大的天线阵列(例如，256个天线元件的矩阵)，其当被适当控制时能够朝向地面进行波束操纵。这种基站此后被称为飞行收发信台(fts)，其在更广的意义上可以被称为飞行器地球站(aes)或移动平台系统上的地球站(esomps)。

fts将窄波束导引朝向一个或多个地上收发器点(ttp)，其是地球上能够朝向天空进行波束操纵的基站。一个或多个ttp组成小区。如本文所使用的，术语“窄波束”指的是考虑到ttp的位置和飞行器的(并且因此还有fts的)导航信息(例如，取向、位置、速度)的知识而形成的波束，因此，因为它更精确地指向期望的方向，所以比“宽”波束更窄，否则将需要“宽”波束来确保其能量中的一些到达ttp。与窄波束不同，宽波束通常将从飞行器底部传送，略微朝下指向。由于在没有对于主动瞄准一个ttp所需的信息的情况下形成宽波束，所以波束成形需要考虑高度范围(系统需要通过其进行操作)和地上网络中的站点间距离。来自宽波束的所传送能量覆盖飞行器下面、前面、后面和侧面的相当大的区域。窄波束大体上比这更聚焦，因为它们更精确地指向期望的ttp。

fts和ttp分别跟踪彼此的相对位置，以便适配波束的操纵和调整传送功率。

由于视线条件(即，与地上通信不同，基本上没有任何东西散射指向飞行的飞行器的信号)，ttp或一些其它网络节点可以预测何时切换到另一个ttp将变得合适。因此，切换决策可能是盲的，即，它不必基于移动性测量的报告。选择要切换到哪个ttp(即选择“目标”ttp)可能取决于负载条件和其它飞行器的相对位置，因为在两个或更多个飞行器之间共享波束降低每个飞行器的可用容量。

在一个实施例中，在切换时，rrc连接重新配置消息携带关于(一个或多个)目标ttp的(一个或多个)地理位置的信息。源ttp将关于要被切换的飞行器的标识的消息发送到目标ttp，目标通过该信息将波束导引朝向fts。fts使用rrc连接重新配置消息中提供的目标ttp位置连同关于fts天线取向的信息以将一个或多个波束导引朝向目标ttp。

在一些实施例中，ttp的位置经由系统信息在新定义的sib中或者作为现有sib的扩展来提供。当fts被切换到另一组一个或多个ttp时，fts用所接收的系统信息对小区标识进行交叉检查，以确定(一个或多个)目标ttp的位置。

在一些备选实施例中，fts具有(一个或多个)ttp的地理位置的数据库和相应标识。当下命令进行切换时，源ttp向目标ttp发送关于要被切换的飞行器的标识的信息，目标通过该信息将波束导引朝向fts。fts在其数据库中查找目标ttp的位置，并使用此信息连同关于fts自身位置和天线取向的信息以将一个或多个波束导引朝向目标ttp。数据库可以被预载在fts中，或者可以从服务器获取(例如，在为起飞做准备时)。

符合本发明的实施例不限于上面提及的实施例；相反，符合本发明的实施例可以采用借以使fts知道目标ttp的地理位置的任何手段，所述信息可以连同关于fts天线取向的信息被用于将一个或多个波束引导朝向目标ttp。

在本文所描述的任何实施例中，关于fts位置和天线取向的信息可以从飞行器导航系统(例如，gps、航向信息、人工地平线信息)或者从可能位于fts或天线子系统(例如，gps接收器、磁通量门罗盘、陀螺仪等)内的传感器获得。因为天线阵列和fts以固定的方式被安装在飞行器中，所以这些部分中的每个对其它部分的相对取向是固定的，并且相对于飞行器或相对于fts的天线阵列取向可以例如通过当组件被安装在飞行器中时所执行的校准过程来找到，或者可以通过组件的设计在一定准确度上知道。

如上所提及的，空中和基于地面的设备之间的一些通信发生在下行链路方向上，而其它通信发生在上行链路方向上。所述技术的方面提供了这两方面的改进，其中一些功能性与飞行器相关联，并且其它技术与地面站相关联。总的来说，所述技术包括：

由安装在飞行器的设备所执行的功能性

这些方面以技术(例如，方法和/或对应设备)的形式来实施，所述技术用于飞行器上的系统中的干扰减少，所述系统用于向地面站提供无线回程，所述系统包括能够朝向一个或多个地面站进行波束操纵的aas基站。其它方面提供了处理正在进行的通信的切换方面的改进。总体而言，所述方法论包括：

·对于下行链路方向(即从地到空的方向，也称为前向链路)上的信号的接收：

ο基于以下项中的一项或多项，计算飞行器相对于在下行链路上进行传送的一个或多个地面站的位置、速度和径向速度：

■从地面站接收的关于一个或多个相邻网络节点的可用性和关联位置坐标的信息

■在空中节点处可用的预定义网络图

ο使用飞行器的相对位置作为操纵一组接收波束朝向在下行链路上进行传送的一个或多个地面站的基础

ο使用径向速度作为计算多普勒频移的基础，并且然后在处理所接收的下行链路信号之前补偿多普勒频移(例如，通过fft)。这在本文被称为后补偿(即，因为补偿发生在接收到受多普勒频移影响的信号之后)。

·对于上行链路方向(即从空到地的方向，也称为反向链路)上的信号的传输：

ο基于以下项中的一项或多项，计算飞行器相对于在上行链路上进行接收的一个或多个地面站的3d位置、速度和径向速度：

■从地面站接收的关于一个或多个相邻网络节点的可用性和关联位置坐标的信息

■在空中节点处可用的预定义网络图

ο使用相对3d信息作为操纵一组传输波束朝向在上行链路上进行接收的一个或多个地面站的基础

ο使用径向速度作为计算多普勒频移的基础，并且然后在上行链路上进行传送之前，通过补偿预期的多普勒频移(即，用于在多架飞行器共享波束的情况下维持正交性的预补偿)来修改要传送的信号

·关于切换操作：

ο接收rrc连接重新配置消息，其包括指示分别用于传送和接收的(一个或多个)地面站的(一个或多个)位置的信息

ο可选地，使用(在空中节点处可用的)网络位置图来查找与目标小区(即，作为从服务小区切换的结果而将接管正在进行的通信的责任的小区)相关联的位置坐标

ο当分别在下行链路和上行链路上适配波束和补偿多普勒频移时，使用地面站的位置信息

由安装在飞行器的设备所执行的功能性还可以包括：

·同步源：

ο使用gnss(或其它基于卫星的导航/定位系统)作为空中通信设备的同步源，从而基于传送的下行链路信号来避免在自动频率校正中的回绕(wrap-around)

·波束操纵：

ο使用关于飞行器位置和飞行路径/航迹的信息来确定从飞行器到地面站的方向

ο在波束操纵操作中，使用关于围绕滚转(roll)、俯仰(pitch)和偏航轴的机身取向(即飞行器姿态)的信息来补偿天线取向

由地面站所执行的功能性

这些方面以技术(例如，方法和/或对应设备)的形式来实施，所述技术用于在向飞行器提供无线回程的地上网络节点中的干扰减少。其它方面提供了处理正在进行的通信的切换方面的改进。总体而言，所述方法论包括：

·对于下行链路方向(即，从地到空的方向，也称为前向链路)上到飞行器的传输

○计算地面站相对于在下行链路上进行接收的一个或多个飞行器的3d位置，所述位置通过检测来自飞行器的ads-b广播来确定

○确定一架或多架飞行器是否将由同一波束所服务，并对应地拆分频谱和/或时间资源

○使用相对3d位置作为操纵一组传输波束朝向在下行链路上进行接收的一个或多个飞行器的基础。注意：为了维持所传送信号之间的正交性，不执行多普勒频移预补偿

·对于上行链路方向(即，从空到地的方向，也称为反向链路)上的接收

○计算地面站相对于在上行链路上进行传送的一个或多个飞行器的位置，当前位置通过检测来自飞行器的ads-b广播(即基于预测的跟踪)或由飞行器传送的提供诸如位置、高度、地面速度等信息的等效数据源来确定，根据所述等效数据源可以预测飞行器航迹。

○使用相对位置作为操纵一组接收波束朝向在上行链路上进行传送的一个或多个飞行器的基础。为了维持所接收信号的正交性，不执行多普勒频移补偿。多普勒频移转而通过由fts所应用的预补偿来处理。

·关于切换操作：

○源地面站确定一架或多架飞行器将被切换到另一个地面站。

■该确定可以基于飞行器的速度，空中交通工具的移动性的方向，以及飞行器、源地面站和/或目标地面站的位置。

■向空中通信设备提供一个或多个目标地面站的位置信息。

现在，描述将集中于实行以上所描述和以下进一步描述的至少一些功能的各种组件的实施例。

图3描绘了被配置成实行本发明的方面的地面站(地上收发器点)300的示例性实施例。示例性地面站300可以被安装为基站(或其它网络节点)的一部分。为了清楚起见，没有描绘基站(或其它网络节点)的常规且与本发明的方面无关的其它组件。

地面站300包括负责跟踪飞机的飞行跟踪器电路(ft)301、负责计算波束成形权重和/或波束控制参数的波束控制电路(bc)303、负责资源分配的无线电资源管理(rrm)电路305、负责基带处理(整个堆栈l1-l3)并能够并行处理多(n)个通信链路(其中每个链路包括至少一个上行链路和一个下行链路波束)的基带处理单元(bp)307，负责形成多达n组波束(各自被用于下行链路传输)并将来自接收天线的输入组合成n个通信链路的收发器电路(tc)309。此外，存在至少一个具有至少n+1个天线元件的天线阵列节点311。所述n个通信链路在空间上是分开的，但在时间和频率上是相互重叠的(空间分集类似于多用户多输入多输出——“mu-mimo”)。

在一些备选实施例中，仰角和/或方位的调整可以包括物理地改变每个天线节点的位置，例如改变倾斜和/或取向以跟随飞行器。在另外的实施例中，它可以是物理节点位置变化与由不同天线元件所接收或传送的信号的幅度和/或相位的修改的组合。此外，不排除由一个地面站300使用多个天线节点。

飞行跟踪器电路301跟踪飞行器，并基于在位置固定时刻t_k(k∈{0，1，…，k-1})的最后k个位置观测来预测飞行器在时间t1时将在哪里。在t1时的实际报告位置和在t1时的预测位置之间的任何偏差被反馈到预测模型，并用于调节预测权重。下面结合图7进一步讨论此方面。除了预测位置，飞行跟踪器电路301还预测地面上的航向和速度。

波束控制电路303、rrm电路305、基带处理电路307和收发器电路309本身包括如图3中所示的各种电路组件。

rrm电路305中的波束处理机电路313基于从(一个或多个)ttp到每个相应fts的方向来判定是否要由同一波束来服务多个fts。如果是，则小区内rrm电路315在物理资源的调度(资源分配)中考虑这一点。在要由同一波束来服务多个fts的情况下，那些fts必须共享资源(例如可用的prb)。

在a2g链路中正在使用地上载波频率的重复使用(通过其，地面上的一些用户可以在同一载波频率上被服务)的情况下，小区内rrm电路315可能为那些地上用户保留某些资源或某些子带，并且因此将那些资源排除出mu-mimo操作。基本原理是期望避免由于从fts传送到地面站的信号的散射而引起的干扰。

波束控制电路303中的计算器317确定到飞行器的方位、仰角和距离，并且波束控制电路303中所包括的波束操纵器319使用这些值作为相应地导引波束的基础。下面结合图8进一步讨论此方面。在一些实施例中，波束操纵还可以包括调整下行链路传送波束的传输(tx)功率，以便减少空中空间中的干扰。tx功率调整可以通过考虑传播路径损耗函数和ttp与fts之间的距离来确定。

图4描绘了被配置成实行本发明的方面的fts400的示例性实施例。示例性fts400可以被安装在飞行器上。为了清楚起见，没有描绘fts的常规且与本发明的方面无关的其它组件。

fts400包括波束控制电路401、a2g基带处理电路403(能够处理若干有源波束)、a2g收发器电路405、a2g天线阵列407和机载接入点(ap)409。机载接入点409可以基于任何当前或未来的3gpp标准、wifi、或一些新系统。飞行器上的用户连接到ap，并且然后它们的业务通过无线a2g回程链路而被中继和传递。

波束控制电路401包含飞行路径预测器411、方向和相对速度计算器413、波束操纵器415和多普勒频移计算器417。在一些实施例中，波束控制电路401借助于从全球导航卫星系统获得的信息直接或间接地接收421关于fts400的位置的信息。飞行路径预测器411具有与相对于地面站300中发现的飞行跟踪器电路301所描述的功能性类似的功能性，除了它计算到(一个或多个)ttp的方向和径向速度(例如，作为欧几里德空间中的矢量运算)。下面结合图7进一步讨论这一方面。波束操纵器415使用由飞行路径预测器411产生和供应的信息来操纵(从a2g天线阵列407输出的)波束朝向(一个或多个)ttp。多普勒频移计算器417也使用该信息。

现在将首先参考图5a和5b描述符合本发明的实施例的附加方面，图5a和5b分别描绘了飞行器姿态和对波束操纵的影响。如这些图中所示的，除非得到补偿，否则飞行器的姿态可能使得波束在不同于意图方向503的方向501上被操纵。计算适当的补偿需要关于飞行器的姿态的信息，并且此信息可以来自飞行管理器系统，或者可以由fts本身通过使用陀螺仪等来确定。多普勒频移计算器417被包括在波束控制电路401中，其中多普勒频移计算器417可以访问gnss/gps信息、关于预测飞行路径的信息、以及地面站的坐标。a2g收发器电路405中包括用于计算和应用必要的多普勒补偿的电路。

用笛卡尔坐标表示的航向，即机身指向的方向作为参考，姿态的影响可以经由针对角度滚动α、角度俯仰β和角度偏航γ的旋转矩阵来描述

以及

因此，如果轨迹是[xyz]^t，则机身的取向是[x′y′z′]^t＝

rxryrz[xyz]^t。由于fts400被附着到机身，所以姿态影响方向的感知，并且因此需要在波束操纵中被考虑。应当注意，姿态不影响fts和ttp之间的距离，它也不影响多普勒频移。

此外，当fts400和至少一个ttp之间的距离改变时，可以调整tx定时和tx功率。当距离减小时，用于降低tx功率的一个基本原理是避免在地上网络中造成过度干扰(特别是如果地上频率被重复用于a2g通信)。另一个基本原理是：避免高功率干扰被向上散射回空中，潜在地对由其它波束所服务的其它fts造成干扰。

简要参考回图4，可以看到a2g收发器电路405包括多普勒补偿器419。现在将参考图6描述这一点。如图中所示，多普勒频移补偿由fts400在处理所接收的下行链路信号之前(后补偿)和在传送上行链路信号之前(预补偿)应用。这一点的好处是，当若干fts共享同一波束时，上行链路上传送的信号在被ttp接收时将仍然是彼此正交的，因为在ttp侧上的处理中没有引入载波间干扰。倘若不同fts传送了以不同频移所接收的信号，那么当在ttp侧上使用fft来变换所接收的信号时，会引起载波间泄漏。

由fts400所采取的步骤在图9中被进一步示出。如上所提及的，关于fts400如何获取姿态和其它飞行相关信息，存在备选方案，并且这将在下面被进一步讨论。航空系统也被称为飞行管理器。

多普勒频移补偿值被计算如下：对于下行链路，δf_dl＝-v/c·f_dl，并且对于上行链路，δf_ul＝-v/c·f_ul，其中c为光速，f_dl为下行链路载波频率，f_ul为上行链路载波频率，并且v为fts朝向ttp的径向速度。此径向速度取决于飞行器(并且因此还有fts)延之移动的轨迹、飞行器(并且因此还有fts)的位置、以及ttp的位置。

多普勒补偿可以被实现为接收信号或待传送信号的频率调制。

现在将参考图7描述实施例的另外的方面，图7在一个方面是由地面站300的飞行跟踪器电路301并由fts400的飞行路径预测器411所执行的步骤/过程的流程图。

在另一方面，图7可以被认为描绘了示例性部件700，其包括被配置成执行所描述的功能的各种所示电路(例如，硬连线和/或适当编程的处理器)。

通过对在固定时刻t_(-n)，n∈{0，1，…，k-1}的位置进行观测来跟踪飞行器的实际位置，其中固定时刻彼此间隔固定量δt(步骤701)。做出关于飞行器在地面上的位置和速度在未来时刻t＝n·δt(n是整数)将是什么的预测，其中该预测基于飞行器位置的最后k次观测(步骤703)。在未来时刻t，获取飞行器的实际位置并将其与预测位置进行比较(步骤705)。在时间t的实际报告位置和在时间t的预测位置之间的任何偏差被反馈到预测模型，并用于调节预测权重以提高精度(步骤707)。

现在将参考图8描述实施例的另外的方面，图8在一个方面是由地面站300的波束操纵器319所执行以使波束的取向适配于飞行器的飞行路径的步骤/过程的流程图。

在另一方面，图8可以被认为描绘了示例性部件800，其包括被配置成执行所描述的功能的各种所示电路(例如，硬连线和/或适当编程的处理器)。

该电路使用预测器电路来确定对于时间t的飞行器的运动特性(步骤801)。然后，它基于预测来计算对于时间t的飞机的距离、仰角和方位角(步骤803)，并且相应地确定对于时间t的波束操纵权重(步骤805)。在一些但不一定所有实施例中，电路进一步确定对于时间t的地面站tx功率(步骤807)。最后，在时间t应用所确定的波束操纵权重和地面站tx功率设置。如更早提及的，调整下行链路传送波束的tx功率(可选地)被执行，以便减少空中空间中的干扰。tx功率调整可以通过考虑传播路径损耗函数和ttp与fts之间的距离来确定。

现在将参考图9描述实施例的另外的方面，图9在一个方面是由fts400所执行以使波束的取向和其它传输特性适配于飞行器的飞行路径的步骤/过程的流程图。

在另一方面，图9可以被认为描绘了示例性部件900，其包括被配置成执行所描述的功能的各种所示电路(例如，硬连线和/或适当编程的处理器)。

为了实现这一功能性，fts400确定飞行器的(并且因此还有fts400的)飞行器运动特性和姿态(步骤901)。这可以采用任何方式来完成，并且所有这些都被设想在符合本发明的实施例的范围内。在一个示例中，根据上述预测器函数来获得对于时间t的飞行器运动特性(步骤903)。此外，与时间t相关联的飞行器的机身偏航、滚转和俯仰例如从通常在飞行器上发现的飞行设备获得(步骤905)。

在另一备选示例中，从飞行器自己的航空系统来获得飞行器的运动特性和姿态(步骤907)。

使用在步骤901中获得的信息，fts400确定与垂直于地面站的天线的距离、仰角和方位角，其中这些值与时间t相关联(步骤909)。这些值用于对于时间t而确定波束操纵权重(步骤911)。

fts400另外对于时间t而确定相对于地面站的径向速度，并将其用作分别确定接收和传输的相关联多普勒后补偿和预补偿的基础(步骤913)。

示例性fts400还使用例如距离信息来确定将在时间t使用的fts传输功率(步骤915)。

此外，示例性fts400确定(步骤917)将在时间t使用的传送定时调整(步骤917)。与传送功率调整一样，传送定时调整可以基于对于未来时刻t所确定的距离和在先前传送定时调整和/或先前传送功率级别调整时确定的对应距离之间的差。

在未来时刻t时或在其之后，各种确定/预测值被应用于它们的相应fts组件(步骤919)。

符合本发明的一些实施例的其它方面涉及采用实行从服务小区到目标小区的正在进行的通信的切换的方式的改进。现在将参考图10描述示例性实施例，图10在一个方面是由fts400所执行的、作为切换功能性的一部分的步骤/过程的流程图。

在另一方面，图10可以被认为描绘了示例性部件1000，其包括被配置成执行所描述的功能的各种所示电路(例如，硬连线和/或适当编程的处理器)。

当ue(在此上下文中是fts400)要从服务小区(ttp的源集合)被切换到ttp的新集合(ttp的目标集合)时，它接收切换命令(在符合lte的系统中也称为“rrc连接重新配置”)，该切换命令还包含ttp的目标集合的位置坐标(步骤1001)。fts400与时间t相关联地确定ttp的目标集合的方向(相对于天线法线)和径向速度，还在确定波束方向时考虑fts姿态(滚转、俯仰、偏航)(步骤1003)。这些值被用作对于时间t而确定波束操纵权重的基础(步骤1005)。

根据飞行器和ttp的目标集合之间的径向速度，fts400确定分别在上行链路和下行链路上将需要的多普勒补偿(步骤1007)。

fts400还确定在随机接入ttp的目标集合期间要使用的合适的传输功率级别(步骤1009)。在传播损耗模型(诸如friis自由空间传播公式)的假设下，此传送功率设置可能取决于fts和目标ttp之间的距离。

在时间t，fts400应用各种确定的值来控制其传输；例如，波束操纵权重和多普勒补偿被应用于收发器设备(步骤1011)。

fts400调节到ttp的目标集合中，并确定下行链路帧定时，根据下行链路帧定时，它可以确定当它实行随机接入时要使用的合适的上行链路传送定时(步骤1013)。

然后执行对ttp的目标集合的随机接入(步骤1013)。

在一些实施例的另一方面，fts400接收包括目标小区的小区标识的切换命令(如在传统系统中)，并且fts考虑存储的表来查找ttp的目标集合的坐标。

查看符合本发明的实施例的另外的方面，图11是用于实行(例如结合图3、4、6、7、8、9和10)如上所述的本发明的各种方面的组件的元件的框图。具体而言，组件1101(例如，图3和图4中示出的任何组件/电路，或者图6至图10中示出的任何功能元件)包括被配置成实行上述各种功能中的任何一个或任何组合的电路。例如，这种电路可以是完全硬连线的电路(例如，一个或多个专用集成电路——“asic”)。然而，在图11的示例性实施例中描绘的是可编程电路，包括耦合到一个或多个存储器装置1105(例如，随机存取存储器、磁盘驱动器、光盘驱动器、只读存储器等)并耦合到接口1107的处理器1103，接口1107能够实现与系统中的其它组件进行双向通信。(一个或多个)存储器装置1105存储程序部件1109(例如，一组处理器指令)，其被配置成使得处理器1103控制其它节点元件，以便实行上述任何方面，例如但不限于参考图3、4、6、7、8和9所描述的那些方面。(一个或多个)存储器装置1105还可以存储表示处理器1103可能需要的和/或当实行其功能(例如由程序部件1109所指定的那些功能)时可能产生的各种常数和变量参数的表和数据(未示出)。

在另外的方面，注意到fts利用关于与其正通信的一个或多个ttp的位置的信息。在一些实施例中，fts经由与fts的控制计划通信来获得此位置信息。在一些备选实施例中，经由与fts的用户平面通信来获得关于ttp的位置的信息。在仍有的另一些备选实施例中，经由飞行收发信台中的预加载数据存储组件来获得关于ttp的位置的信息。

在一些但不一定是所有实施例的另一方面，fts对fts和一个或多个ttp之间的径向速度的计算被计算为在某一时间间隔期间fts和一个或多个ttp之间的相应欧几里德距离的变化。在一些但不一定是所有备选实施例中，fts将fts和一个或多个ttp之间的径向速度计算为fts的速度和到一个或多个ttp的相应方向之间的标量积。

在一些但不一定是所有实施例的另一方面，fts使用回归模型来预测飞行器的飞行路径，该回归模型基于fts在多(n)个过去时间的过去三维位置，并且推知fts的速度和三维位置，以获得fts在未来时刻t在三维空间中的位置

本文所描述的技术提供了相比常规技术的优点。在一个示例中，从fts传送窄波束限制了地平面的干扰级别。当地上运营商频率被重复用于a2g回程时，情况尤其如此。

此外，通过在上行链路(从空到地的方向，反向链路)上应用多普勒频移的预补偿，以及在下行链路(从地到空的方向，前向链路)上应用多普勒频移的后补偿，我们可以维持用户(即，共享同一组波束中的资源的fts)之间的正交性，并且也可以维持与地面上用户的正交性，从而允许为地上用户保护一些物理资源，并且否则这些物理资源会被来自fts的散射信号所干扰。

并且在另一示例中，通过在切换期间向fts通知目标小区的位置，fts可以迅速将其波束集合导引朝向(一个或多个)目标ttp。此外，上述技术允许运营商完全控制移动性，因为该解决方案不依赖于可能被破坏、过时或篡改的预加载信息。

在另一示例中，其中fts执行波束操纵和多普勒频移预补偿的实施例提供了效率和/或协同作用，因为关于飞行器的(并且因此还有fts的)位置的相同信息可以用于导出波束操纵权重(即波束的方向)以及还有用于确定多普勒频移预补偿的径向速度两者。

已经参考特定实施例描述了本发明。然而，对于本领域技术人员将容易显而易见的是，除了上述实施例的形式之外，还可能采用特定的形式来实施本发明。所描述的实施例仅仅是说明性的，并且不应被视为以任何方式进行约束。本发明的范围由所附权利要求进一步说明，而不是仅仅由前面的描述来说明，并且落入权利要求的范围内的所有变化和等效物旨在被包含于其中。