用于管理地面到飞行器通信中的无线电频谱的系统和方法与流程

本公开涉及空对地通信网络中的rf频谱管理，并且更具体地，涉及用于向机载资产(asset)分配rf窄带频谱信道以便于与基于地面的通信网络通信的系统和方法。

背景技术：

1、载人和无人飞行的空中安全的关键特征之一是机载资产与地面通信以便在操作上中继关键通信的能力。确保机载资产能够维持到地面的连续且不间断的通信链路确保了机载资产能够从地面控制器接收必要的信息，以及在给定飞行期间的任何和所有点处向地面控制器发送必要的信息。

2、机载资产，特别是无人飞行器(uav)的激增已使确保每个机载资产与地面站具有连续通信信道的任务复杂化。现在，uav能够在广泛的地理区域内长距离飞行，同时始终与地面具有专门的通信要求。例如，地面的uav操作者必须与uav持续通信，不仅从地面向uav提供指令，而且还从uav接收关键的遥测，该遥测通知地面的操作者关于uav的操作状态。

3、确保地面基站和远程无线电之间的用于空域中的航空操作的关键数据链路的性能对于支持有人驾驶、无人驾驶和可选驾驶的安全要求是关键的。数据链路需要满足监管者提出的可靠性、完整性和可用性性能目标。在任何给定时间都有许多机载资产正在通过空域的环境中，确保用于远程无线电的连续数据链路可能具有挑战性。rf频谱的可用性尤其可能是一个具有挑战性的问题。随着空中交通的增加，一个飞行器的通信在飞行期间干扰另一个飞行器的通信的可能性增加。当给定网络中的飞行器穿越大面积的地理区域，并且因此在其飞行期间必须依靠多个地面基站来维持与地面的连续通信链路时，网络干扰会进一步加剧。

技术实现思路

1、根据一个方面，地面到空中通信网络可以被配置为包括频谱管理系统，该频谱管理系统确定性地将频谱分配给飞行器以供飞行期间使用。在一个或多个示例中，希望驾驶飞行器的用户向频谱管理系统发送飞行计划，该频谱管理系统被配置为管理给定空中空间中的rf频谱。在一个或多个示例中，飞行计划可以包括飞行器的预期地理路线、飞行的开始时间、飞行的预期结束时间、以及飞行的操作细节(诸如数据吞吐量要求和飞行器的无线电配置)。在一个或多个示例中，基于所接收的飞行计划，频谱管理系统可以分配rf频谱频率“隙(slot)”(即，时隙(time slot)、子信道或资源块)以供飞行器在其预期飞行期间使用。在一个或多个示例中，频谱管理系统可以不仅基于飞行器的飞行计划，而且基于诸如为飞行创建的动态链路预算、动态rf覆盖预测、以及动态干扰和共存(即，在时间、空间和rf信道利用方面与其他飞行器的干扰和共存)预测之类的其他各种因素来选择给予飞行器什么频谱隙。频谱管理系统可以考虑可用频谱以及预测的网络业务及其频谱分配来确定rf频谱隙，该rf频谱隙可以在飞行器飞行期间向飞行器提供稳定且连续的通信信道。

2、根据一个方面，基于飞行计划的动态频谱/业务信道管理系统(即，频谱管理系统)可以预留和分配在地面基站、远程地面无线电和/或远程机载无线电处可用的频谱资源。在一个或多个示例中，这些频谱资源可以在数字系统的频域和时域中，并且包括频谱带宽和在频谱带宽内被称为子信道或资源块的个体业务信道。在一个或多个示例中，业务信道(在整个公开中也称为子信道、帧、资源块和承载)可以指指定频率的通信链路，其允许航空网络上的飞行器和飞行员之间的数据通信。在一个或多个示例中，业务信道可以被表示为多个子信道、帧、资源块和承载。系统查看若干变量，诸如可用频谱资源、无线电链路吞吐量和性能要求、位置(包括海拔)、时间段以及无线电频率环境，以在地面无线电和远程无线电之间分配非竞争资源。在一个或多个示例中，这些变量可以由频谱管理系统的若干内部和外部组件来填充。由于大量的信息以及频谱管理系统中数以千计的终端用户对频谱和/或业务信道的潜在请求，因此可以包括频谱管理系统的“数字孪生(digital twin)”，其可以被配置为执行所需的分析而不影响操作系统。

3、根据一个方面，一旦频谱管理系统确定要提供给飞行器的rf频谱隙，系统就可以将所选择的rf频谱隙和关于rf信道的附加信息(例如调制方案、纠错码等)发送到通信网络中的一个或多个基站，这些基站在飞行期间获取该信息并执行rf通信信道。在一个或多个示例中，地面基站可以包括频谱监控系统，该频谱监控系统被配置为连续地监控给定空域的活动rf环境的干扰。在一个或多个示例中，如果检测到可能影响飞行操作的不需要的干扰，则地面基站可以利用具有零形成(null forming)、波束调向技术的天线，其可以引导不需要的干扰源处的干扰信号(即，“零”)，以最小化或去除干扰。在一个或多个示例中，系统可以使用在卫星上采用的波束成形天线，而不是使用基于地面的波束成形天线。

4、根据一个方面，一种用于在空对地通信网络中分配rf频谱信道的方法包括：从用户处接收飞行计划，其中飞行计划包括要在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中飞行的飞行定时、位置和高度信息；基于从用户接收的飞行计划，确定在通信网络的一个或多个覆盖区域中的rf可用性；基于接收的飞行计划，从业务信道池中选择一个或多个rf频谱信道；基于接收的飞行计划和从业务信道池中选择的一个或多个rf频谱信道，确定通信网络中一个或多个干扰信号的存在；以及如果确定在通信网络中不存在干扰信号，则为所接收的飞行计划保留所选择的一个或多个rf频谱信道。

5、可选地，飞行计划包括关于执行飞行计划的飞行器的无线电配置的信息。

6、可选地，该方法包括基于所接收的关于执行飞行计划的飞行器的无线电配置的信息来确定飞行器的吞吐量要求。

7、可选地，飞行计划包括执行飞行计划的飞行器的吞吐量要求。

8、可选地，基于从用户接收的飞行计划确定通信网络的一个或多个覆盖区域中的rf可用性包括：基于接收的飞行计划生成用于飞行的一个或多个动态链路预算，其中每个动态链路预算被配置为确定通信网络的一个或多个覆盖区域中的通信链路的rf可用性，基于动态链路预算生成一个或多个地理围栏。

9、以及基于动态链路预算确定rf可用性，动态链路预算对应于通信网络的一个或多个覆盖区域，飞行器基于从用户接收的飞行计划将要飞入该一个或多个覆盖区域。

10、可选地，生成用于飞行的一个或多个动态链路预算包括：使用动态rf覆盖预测工具来填充一个或多个动态链路预算的一个或多个参数。

11、可选地，从业务信道池中选择一个或多个rf频谱信道包括：基于飞行的吞吐量要求确定要分配给飞行的rf频谱信道的数量。

12、可选地，从业务信道池中选择一个或多个rf频谱信道包括：从业务信道池中的可用rf频谱信道中选择确定数量的rf频谱信道。

13、可选地，业务信道池包括一个或多个保留的rf频谱信道，其中保留的rf频谱信道包括已经由通信网络的另一飞行保留的rf频谱信道。

14、可选地，业务信道池包括一个或多个受限的业务信道，其中受限的rf频谱信道包括为频谱管理系统使用而保留的rf频谱信道。

15、可选地，确定通信网络中一个或多个干扰信号的存在包括使用动态干扰预测工具。

16、可选地，该方法包括将所选择的一个或多个rf频谱信道发送到第三方管理机构以供批准，并且在接收到来自管理机构的批准后为所接收的飞行计划保留所选择的一个或多个rf频谱信道。

17、可选地，该方法包括将所选择的一个或多个rf频谱信道发送到频谱管理系统。

18、可选地，基站控制器被配置为操作飞行员和的飞行器之间的通信链路，飞行器用于在飞行期间执行所接收的飞行计划。

19、可选地，该方法包括选择调制方案以操作飞行员和飞行器之间的通信链路。

20、可选地，该方法包括选择前向纠错码以操作飞行员和飞行器之间的通信链路。

21、根据一个方面，一种用于在空对地通信网络中实现和维持rf通信链路的方法包括：接收关于将在空地通信网络的一个或多个覆盖区域中进行的飞行的信息，其中该信息包括与该飞行相关联的一个或多个rf频谱信道；基于与该飞行相关联的一个或多个rf频谱信道，在通信网络的基站处生成用户与进行飞行的飞行器之间的rf通信链路；基于所接收的信息并且基于通信网络的一个或多个条件，生成用于该飞行的动态链路预算；基于所生成的动态链路预算来确定在飞行期间在rf通信链路中存在一个或多个性能降级；如果确定在rf通信链路中存在一个或多个性能降级，则向rf通信链路应用一个或多个缓解(mitigation)，以及基于所应用的一个或多个缓解来更新动态链路预算。

22、可选地，关于将要在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中进行的飞行的信息包括：将要在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中飞行的飞行定时、位置和高度信息。

23、可选地，该信息包括关于执行飞行计划的飞行器的无线电配置的信息。

24、可选地，在基站处生成用户与飞行器之间的rf通信链路包括：基于与飞行相关联的一个或多个rf频谱信道，以rf频率将数据从用户发送到飞行器。

25、可选地，其中在基站处生成用户与飞行器之间的rf通信链路包括：为用户与飞行器之间的通信选择调制方案。

26、可选地，在基站处生成用户与飞行器之间的rf通信链路包括：为用户与飞行器之间的通信选择前向纠错码。

27、可选地，基于所接收的信息并且基于通信网络的一个或多个条件生成用于飞行的动态链路预算包括：从基站接收与基站处的一个或多个rf环境条件相关联的信息。

28、可选地，来自基站的与基站处的一个或多个rf环境条件相关联的信息由位于基站处的频谱监测设备生成。

29、可选地，来自基站的与基站处的一个或多个rf环境条件相关联的信息由基站链路监测工具生成，该基站链路监测工具被配置为检测用户和飞行器之间的rf通信链路的一个或多个条件。

30、可选地，动态链路预算基于由频谱监测设备和基站链路监测工具生成的信息。

31、可选地，频谱监测设备包括软件定义的接收器，其被配置为接收和处理在基站的监测天线处接收的rf信号。

32、可选地，频谱监测设备包括噪声基底监测工具，其被配置为检测基站处的噪声基底的功率水平。

33、可选地，频谱监测设备包括不需要信号检测组件，其被配置为检测在基站处不需要的rf信号。

34、可选地，频谱监测设备包括方向和功率检测部件，其被配置为检测基站处不需要的rf信号的功率和方向。

35、可选地，对rf通信链路应用一个或多个缓解包括：调整与动态链路预算相关联的一个或多个参数。

36、可选地，调整与动态链路预算相关联的一个或多个参数包括：增加由基站的天线发送到飞行器的信号的功率。

37、可选地，基于所生成的动态链路预算来确定在飞行期间rf通信链路中存在一个或多个性能降级包括：确定rf通信链路中存在一个或多个干扰信号。

38、可选地，确定rf通信链路中存在一个或多个干扰信号包括：在基站处确定一个或多个干扰信号传播的方向。

39、可选地，对rf通信链路应用一个或多个缓解包括：控制波束调向天线在一个或多个干扰信号传播的方向上发送零(null)信号。

40、根据一个方面，一种用于在空对地通信网络中分配rf频谱信道的系统包括存储器、一个或多个处理器，其中存储器存储一个或多个程序，一个或多个程序在由一个或多个处理器执行时使一个或多个处理器：从用户接收飞行计划，其中飞行计划包括要在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中飞行的飞行定时、位置和高度信息；基于从用户接收的飞行计划确定通信网络的一个或多个覆盖区域中的rf可用性；基于接收的飞行计划从业务信道池中选择一个或多个rf频谱信道；基于所接收的飞行计划和从业务信道池中选择的一个或多个rf频谱信道，来确定通信网络中一个或多个干扰信号的存在；以及如果确定通信网络中不存在干扰信号，则为所接收的飞行计划预留所选择的一个或多个rf频谱信道。

41、可选地，飞行计划包括关于执行飞行计划的飞行器的无线电配置的信息。

42、可选地，使一个或多个处理器基于接收到的关于执行飞行计划的飞行器的无线电配置的信息来确定飞行器的吞吐量要求。

43、可选地，飞行计划包括执行飞行计划的飞行器的吞吐量要求。

44、可选地，基于从用户接收的飞行计划确定通信网络的一个或多个覆盖区域中的rf可用性包括：基于接收的飞行计划生成用于飞行的一个或多个动态链路预算，其中每个动态链路预算被配置为确定通信网络的一个或多个覆盖区域中的通信链路的rf可用性，基于动态链路预算生成一个或多个地理围栏，以及基于动态链路预算确定rf可用性，该动态链路预算对应于通信网络的一个或多个覆盖区域，飞行器基于从用户接收到的飞行计划要飞入该一个或多个覆盖区域。

45、可选地，生成用于飞行的一个或多个动态链路预算包括：使用动态rf覆盖预测工具来填充一个或多个动态链路预算的一个或多个参数。

46、可选地，从业务信道池中选择一个或多个rf频谱信道包括：基于飞行的吞吐量要求确定要分配给飞行的rf频谱信道的数量。

47、可选地，从业务信道池中选择一个或多个rf频谱信道包括：从业务信道池中的可用rf频谱信道中选择确定数量的rf频谱信道。

48、可选地，业务信道池包括一个或多个保留的rf频谱信道，其中保留的rf频谱信道包括已经由另一个通信网络保留的rf频谱信道。

49、可选地，业务信道池包括一个或多个受限业务信道，其中受限rf频谱信道包括保留以供使用的rf频谱信道。

50、可选地，确定通信网络中一个或多个干扰信号的存在包括使用动态干扰预测工具。

51、可选地，使一个或多个处理器将所选择的一个或多个rf频谱信道发送到第三方管理机构以供批准，并且在接收到来自管理机构的批准后为所接收的飞行计划预留所选择的一个或多个rf频谱信道。

52、可选地，使一个或多个处理器向频谱管理系统发送所选择的一个或多个rf频谱信道。

53、可选地，基站控制器被配置为操作飞行员与飞行器之间的通信链路，飞行器用于在飞行期间执行所接收的飞行计划。

54、可选地，使一个或多个处理器选择调制方案来操作飞行员与飞行器之间的通信链路。

55、可选地，使一个或多个处理器选择前向纠错码来操作飞行员与飞行器之间的通信链路。

56、根据一个方面，一种用于在空对地通信网络中实现和维持rf通信链路的系统包括存储器，一个或多个处理器，其中存储器存储一个或多个程序，一个或多个程序在由一个或多个处理器执行时使一个或多个处理器：接收关于在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中进行的飞行的信息，其中信息包括与飞行相关联的一个或多个rf频谱信道；基于与飞行相关联的一个或多个rf频谱信道，在通信网络的基站处生成用户与进行飞行的飞行器之间rf通信链路；基于所接收的信息并且基于通信网络的一个或多个条件来生成飞行的动态链路预算；基于所生成的动态链路预算来确定在飞行期间rf通信链路中存在一个或多个性能降级；如果确定在rf通信链路中存在一个或多个性能降级，则将一个或多个缓解应用于rf通信链路；以及基于所应用的一个或多个缓解来更新动态链路预算。

57、可选地，关于将要在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中进行的飞行的信息包括：将要在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中飞行的飞行定时、位置和高度信息。

58、可选地，该信息包括关于执行飞行计划的飞行器的无线电配置的信息。

59、可选地，在基站处生成用户与飞行器之间的rf通信链路包括：基于与飞行相关联的一个或多个rf频谱信道，以rf频率将数据从用户发送到飞行器。

60、可选地，在基站处生成用户与飞行器之间的rf通信链路包括：选择用于用户与飞行器之间的通信的调制方案。

61、可选地，在基站处生成用户和飞行器之间的rf通信链路包括：选择用于用户与飞行器之间的通信的前向纠错码。

62、可选地，基于所接收的信息并且基于通信网络的一个或多个条件生成用于飞行的动态链路预算包括：从基站接收与基站处的一个或多个rf环境条件相关联的信息。

63、可选地，来自基站的与基站处的一个或多个rf环境条件相关联的信息由位于基站处的频谱监测设备生成。

64、可选地，来自基站的与基站处的一个或多个rf环境条件相关联的信息由基站链路监测工具生成，该基站链路监测工具被配置为检测用户和飞行器之间的rf通信链路的一个或多个条件。

65、可选地，动态链路预算是基于由频谱监测设备和基站链路监测工具生成的信息。

66、可选地，频谱监测设备包括软件定义的接收器，其被配置为接收和处理在基站的监测天线处接收的rf信号。

67、可选地，频谱监测设备包括噪声基底监测工具，其被配置为检测基站处的噪声基底的功率水平。

68、可选地，频谱监测设备包括不需要信号检测组件，其被配置为检测在基站处不需要的rf信号。

69、可选地，频谱监测设备包括方向和功率检测部件，其被配置为检测在基站处不需要的rf信号的功率和方向。

70、可选地，对rf通信链路应用一个或多个缓解，其包括调整与动态链路预算相关联的一个或多个参数。

71、可选地，调整与动态链路预算相关联的一个或多个参数包括增加由基站的天线发送到飞行器的信号的功率。

72、可选地，基于所生成的动态链路预算来确定在飞行期间rf通信链路中存在一个或多个性能降级包括：确定rf通信链路中存在一个或多个干扰信号。

73、可选地，确定rf通信链路中存在一个或多个干扰信号包括：确定一个或多个干扰信号在基站传播的方向。

74、可选地，对rf通信链路应用一个或多个缓解包括：控制波束调向天线在一个或多个干扰信号传播的方向上发送零信号。

75、根据一方面，一种非暂态计算机可读存储介质存储用于在空对地通信网络中分配rf频谱信道的一个或多个程序，程序由电子设备的一个或多个处理器执行，一个或多个处理器在由设备执行时使得设备：从用户接收飞行计划，其中飞行计划包括要在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中飞行的飞行定时、位置和高度信息；基于从用户接收的飞行计划确定通信网络的一个或多个覆盖区域中的rf可用性；基于接收的飞行计划从业务信道池中选择一个或多个rf频谱信道；基于所接收的飞行计划和从业务信道池中选择的一个或多个rf频谱信道，来确定通信网络中一个或多个干扰信号的存在；以及如果确定通信网络中不存在干扰信号，则为所接收的飞行计划预留所选择的一个或多个rf频谱信道。

76、可选地，其中飞行计划包括关于执行飞行计划的飞行器的无线电配置的信息。

77、可选地，使设备基于接收到的关于执行飞行计划的飞行器的无线电配置的信息来确定飞行器的吞吐量要求。

78、可选地，飞行计划包括执行飞行计划的飞行器的吞吐量要求。

79、可选地，基于从用户接收的飞行计划确定通信网络的一个或多个覆盖区域中的rf可用性包括：基于接收的飞行计划生成用于飞行的一个或多个动态链路预算，其中每个动态链路预算被配置为确定通信网络的一个或多个覆盖区域中的通信链路的rf可用性，基于动态链路预算生成一个或多个地理围栏，以及基于动态链路预算确定rf可用性，该动态链路预算对应于通信网络的一个或多个覆盖区域，飞行器基于从用户收到的飞行计划要飞入该一个或多个覆盖区域。

80、可选地，生成用于飞行的一个或多个动态链路预算包括：使用动态rf覆盖预测工具来填充一个或多个动态链路预算的一个或多个参数。

81、可选地，从业务信道池中选择一个或多个rf频谱信道包括：基于飞行的吞吐量要求确定要分配给飞行的rf频谱信道的数量。

82、可选地，从业务信道池中选择一个或多个rf频谱信道包括：从业务信道池中的可用rf频谱信道中选择确定数量的rf频谱信道。

83、可选地，其中业务信道池包括一个或多个保留的rf频谱信道，其中保留的rf频谱信道包括已经被保留的rf频谱信道。

84、可选地，业务信道池包括一个或多个受限业务信道，其中受限rf频谱信道包括保留以供使用的rf频谱信道。

85、可选地，确定通信网络中一个或多个干扰信号的存在包括使用动态干扰预测工具。

86、可选地，其中使一个或多个处理器将所选择的一个或多个rf频谱信道发送到第三方管理机构以供批准，并且在接收到来自管理机构的批准时，为所接收的飞行计划预留所选择的一个或多个rf频谱信道。

87、可选地，其中使设备将所选择的一个或多个rf频谱信道发送到频谱管理系统。

88、可选地，其中基站控制器被配置为操作飞行员与飞行器之间的通信链路，飞行器用于在飞行期间执行所接收的飞行计划。

89、可选地，使设备选择调制方案来操作飞行员与飞行器之间的通信链路。

90、可选地，使该设备选择前向纠错码来操作飞行员与飞行器之间的通信链路。

91、可选地，一种非暂态计算机可读存储介质，其存储用于实现和维持空对地通信网络中的rf通信链路以在空对地通信网络中分配rf频谱信道的一个或多个程序，程序由电子设备的一个或多个处理器执行，当一个或多个处理器在由设备执行时使得设备：接收关于在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中进行的飞行的信息，其中信息包括与飞行相关联的一个或多个rf频谱信道；基于与飞行相关联的一个或多个rf频谱信道，在通信网络的基站处生成用户与进行飞行的飞行器之间rf通信链路；基于所接收的信息并且基于通信网络的一个或多个条件来生成飞行的动态链路预算；基于所生成的动态链路预算来确定在飞行期间rf通信链路中存在一个或多个性能降级；如果确定在rf通信链路中存在一个或多个性能降级，则将一个或多个缓解应用于rf通信链路；以及基于所应用的一个或多个缓解来更新动态链路预算。

92、可选地，关于将在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中进行的飞行的信息包括：将要在空对地通信网络的一个或多个覆盖区域中飞行的飞行定时、位置和高度信息。

93、可选地，该信息包括关于执行飞行计划的飞行器的无线电配置的信息。

94、可选地，在基站处生成用户与飞行器之间的rf通信链路包括：基于与飞行相关联的一个或多个rf频谱信道，以rf频率将数据从用户传送到飞行器。

95、可选地，在基站处生成用户与飞行器之间的rf通信链路包括：选择用于用户与飞行器之间的通信的调制方案。

96、可选地，在基站处生成用户与飞行器之间的rf通信链路包括：选择用于用户与飞行器之间的通信的前向纠错码。

97、可选地，基于所接收的信息并且基于通信网络的一个或多个条件生成用于飞行的动态链路预算包括：从基站接收与基站处的一个或多个rf环境条件相关联的信息。

98、可选地，来自基站的与基站处的一个或多个rf环境条件相关联的信息由位于基站处的频谱监测设备生成。

99、可选地，来自基站的与基站处的一个或多个rf环境条件相关联的信息由基站链路监测工具生成，该基站链路监测工具被配置为检测用户和飞行器之间的rf通信链路的一个或多个条件。

100、可选地，动态链路预算基于由频谱监测设备和基站链路监测工具生成的信息。

101、可选地，频谱监测设备包括软件定义的接收器，其被配置为接收和处理在基站的监测天线处接收的rf信号。

102、可选地，频谱监测设备包括噪声基底监测工具，其被配置为检测基站处的噪声基底的功率电平。

103、可选地，频谱监测设备包括不需要信号检测组件，其被配置为检测在基站处不需要的rf信号。

104、可选地，频谱监测设备包括方向和功率检测部件，其被配置为检测基站处不需要的rf信号的功率和方向。

105、可选地，对rf通信链路应用一个或多个缓解包括：调整与动态链路预算相关联的一个或多个参数。

106、可选地，调整与动态链路预算相关联的一个或多个参数包括：增加由基站的天线传送到飞行器的信号的功率。

107、可选地，基于所生成的动态链路预算来确定在飞行期间rf通信链路中存在一个或多个性能降级包括：确定rf通信链路中存在一个或多个干扰信号。

108、可选地，确定rf通信链路中存在一个或多个干扰信号包括：确定一个或多个干扰信号在基站传播的方向。

109、可选地，对rf通信链路应用一个或多个缓解包括：控制波束调向天线在一个或多个干扰信号传播的方向上发送零信号。