用于空对地通信系统的地面站天线阵列 |
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| 申请号 | CN201280008435.X | 申请日 | 2012-02-09 | 公开(公告)号 | CN103380538A | 公开(公告)日 | 2013-10-30 |
| 申请人 | 高通股份有限公司; | 发明人 | A·贾拉利; M·A·塔苏德吉; E·T·奥萨基; W·G·埃姆斯; L·N·希夫; | ||||
| 摘要 | 地面站天线阵列包括第一天线元件阵列（610）。第二天线元件阵列（640）与第一天线元件阵列垂直对齐。第一天线元件阵列和第二天线元件阵列被耦合到数字波束成形 电路 ，并且每一个均 覆盖 相同的方位 角 扇区；第一天线元件阵列只覆盖第一仰角；第二天线元件阵列只覆盖较低的第二仰角。数字波束成形电路将第一天线元件阵列的 辐射 方向图引导到第一仰角范围内，并且将第二天线元件阵列的辐射方向图引导到第二仰角范围内。第二天线元件阵列具有比第一阵列更高的增益。相应的收发机被耦合到第一阵列和第二阵列中的相应天线元件。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高增益多波束地面站天线阵列，包括： |
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| 说明书全文 | 用于空对地通信系统的地面站天线阵列[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本专利申请要求于2011年2月9日递交的、发明人为M.Tassoudji等的美国临时申请No.61/441,231的优先权，该临时申请已经转让给本申请的受让人，故以引用方式将其全部内容明确地并入本文。 [0003] 本申请与发明人为A.JALALI等、代理方案号为111025U2、名称为“REAL-TIME CALIBRATION OF AN AIR TO GROUND COMMUNICATION SYSTEM”的共同转让的美国专利申请以及发明人为A.JALALI等、代理方案号为111025U1、名称为“HIGH DATA RATE AIRCRAFT TO GROUND COMMUNICATION ANTENNA SYSTEM”的共同转让的美国专利申请有关，通过引用方式将这两个专利申请的公开内容全部明确地并入本文。 技术领域[0004] 概括地说，本发明的方面涉及无线通信系统，具体地说，涉及用于向航空器提供互联网服务。 背景技术[0005] 存在两种主要的方式来向飞机提供互联网接入。在一种方式中，空对地（ATG）系统使用采用蜂窝通信技术的陆地地面基站（GBS）来向在陆地上方飞行的航空器提供互联网接入。当前使用的、在美国大陆上运行的ATG系统只使用3MHz的频谱。虽然该系统有望在商业上得以实现，但是受限的频谱可能不足以适应对互联网服务的不断增长的需求，例如向航空器流式传输互联网内容。在另一种方式中，卫星链路向航空器提供互联网服务。基于卫星的系统具有更多可用的频谱，但是其成本过高。 [0006] 因为用于航空器互联网通信的卫星链路成本过高，所以使用基于陆地的ATG系统更有优势。期望增加ATG的可用频谱，并提供允许这样的系统适应对航空器互联网服务的不断增长的需求而基本上不会增加成本的技术。 发明内容[0007] 根据本发明的一个方面，描述了一种高增益多波束地面站天线阵列。所述地面站天线阵列包括第一天线元件阵列。第二天线元件阵列与所述第一天线元件阵列垂直对齐。所述第一天线元件阵列和所述第二天线元件阵列被耦合到数字波束成形电路，并且均覆盖相同的方位角扇区。所述第一天线元件阵列只覆盖第一仰角。所述第二天线元件阵列只覆盖较低的第二仰角。所述数字波束成形电路将所述第一天线元件阵列的辐射方向图引导到第一仰角范围内，并且将所述第二天线元件阵列的辐射方向图引导到第二仰角范围内。所述第二天线元件阵列具有比所述第一阵列更高的增益。相应的收发机被耦合到所述第一阵列和第二阵列中的相应天线元件。 [0008] 在另一方面中，描述了一种多波束航空器天线阵列。所述航空器天线阵列包括耦合到数字波束成形电路的第一天线元件阵列。第二天线元件阵列与所述第一天线元件阵列垂直对齐，并且被耦合到所述数字波束成形电路。在一个配置中，所述第一天线元件阵列只覆盖第一仰角，并且所述第二天线元件阵列只覆盖较低的第二仰角。在一个方面中，所述数字波束成形电路被配置为将所述第一天线元件阵列的辐射方向图引导到第一仰角范围内，并且被配置为将所述第二天线元件阵列的辐射方向图引导到第二仰角范围内。在一个方面中，所述航空器天线包括辅助航空器天线，该辅助航空器天线被耦合到航空器的远离所述航空器天线阵列的部分。 [0009] 已经相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解随后的详细描述。将在下文描述本发明的附加特征和优点。本领域技术人员应当清楚的是，本发明可以容易地用作修改或设计其它结构的基础，以实现本发明的相同目的。本领域技术人员还应当意识到，这样的等价构造并不脱离本发明的在所附权利要求中阐述的教导。通过下面结合附图给出的描述将更好地理解被认为是本发明的特性的新颖特征（在其组织和操作方法方面）以及进一步的目的和优点。然而，应当明确理解的是，每个附图只是为了解释和描述的目的而提供的，并且并不是要作为对本发明的限制的限定。 附图说明[0010] 通过下面结合附图阐述的详细描述，本发明的特征、属性和优点将变得更加显而易见，其中，相同的参考标记在全文中进行相应地标识。 [0011] 图1是概念地示出了根据本发明的一个方面的空对地通信系统的示例的方框图。 [0012] 图2是概念地示出了根据本发明的一个方面的航空器天线系统的示例的示意图。 [0013] 图3A是概念地示出了根据本发明的一个方面的图1中的每个天线元件在无限的地平面上的仿真的增益方向图对仰角的示例的示意图。 [0014] 图3B是概念地示出了根据本发明的一个方面的图1中的相邻天线元件的仿真的增益方向图对方位角以及组合波束的示例的示意图。 [0015] 图4是概念地示出了根据本发明的一个方面的地面站天线阵列系统和航空器天线系统的方框图。 [0016] 图5是概念地示出了根据本发明的一个方面的地面站天线阵列系统的方框图。 [0017] 图6是概念地示出了根据本发明的另一方面的地面站天线阵列系统的方框图。 [0018] 图7是示出了根据本发明的一个方面用于对包括地面站天线阵列系统的空对地双向通信系统进行实时校准的过程的流程图。 [0019] 图8是示出了根据本发明的一个方面由配备有多波束可切换阵列天线的航空器进行空对地通信的过程的流程图。 [0020] 图9是示出了根据本发明的一个方面用于增加来自服务地面基站的前向链路上的传输功率以减轻航空器干扰的过程的流程图。 具体实施方式[0021] 下文结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而并不旨在表示可以实施本文描述的构思的仅有配置。为了提供对各种构思的全面理解，详细描述包括具体的细节。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，没有这些具体的细节也可以实现这些构思。在一些例子中，以方框图的形式示出了公知的结构和组件，以便避免使这些构思变得模糊。 [0022] 由于实际和经济的原因，已经对可用于由陆地空对地（ATG）系统进行的与航空器的互联网通信的频谱进行了限制。提供与在较大区域（例如美国大陆）上在较高的高度飞行的航空器的无缝通信涉及在该较大区域上可用的频谱。也即是说，分配给ATG系统的频谱应当是全国范围内可用的。然而，识别频谱中在全国范围内可用的部分是有问题的，更不用说安排对频谱中的已经被分配以供它用的部分进行释放。 [0023] 已经将大量的频谱分配给同步卫星，以在广播TV和双向FSS（固定卫星服务）中使用。本发明的方面提供了用于在ATG应用和同步卫星通信系统之间共享频谱部分的高数据速率的航空器对地面通信天线系统。同步卫星系统当前使用诸如C波段（4GHz的下行链路，6GHz的上行链路）、Ku波段（12GHz的下行链路，14GHz的上行链路）以及Ka波段（20GHz的下行链路，30GHz的上行链路）之类的频段。在一个方面中，高数据速率的航空器对地面通信天线系统可以共享Ku上行链路波段，以向航空器提供互联网服务。 [0024] 本发明的方面提供了用于ATG系统的方法和装置，在ATG系统中，与飞机中的航空器收发机（AT）进行通信的地面基站（GBS）可以使用频谱的分配给卫星系统的上行链路部分，而不会对卫星系统上的通信产生不可容忍的干扰。在本发明中描述的系统和技术可以允许现有的卫星系统与新的ATG系统共存于同一频谱上，而在这两个系统之间只存在可以忽略的交叉干扰。 [0025] 在图1中描述了根据本发明的示例性方面用于无线通信的系统100。在一个方面中，系统100包括地面基站102，地面基站102使用前向链路（FL）108和反向链路（RL）106在卫星上行链路波段上发送并接收信号。与地面基站102进行通信的航空器收发机（AT）120也可以使用前向链路108和反向链路106在卫星上行链路波段上发送并接收信号。在一个方面中，航空器收发机120可以包括多波束可切换阵列天线。还示出了另一地面基站 110。 [0026] 在一个方面中，航空器收发机120可以包括航空器天线，航空器天线由多波束可切换阵列组成，多波束可切换阵列能够在任何方位角与地面基站102进行通信。航空器天线可以安装在机身下方，其具有较小的突起和空气动力学轮廓，以降低或最小化风阻。在一个方面中，天线的仰角范围大约在水平线以下3°到10°。天线阵列可以包括N个元件，这N个元件被设置成使得每个元件在不同的方位角引导单独的波束，每个元件覆盖360/N度，例如如图2中所示。 [0027] 图2示出了航空器天线阵列系统200的一个示例，航空器天线阵列系统200具有多个例如工作在14千兆赫兹（GHz）的12波束阵列202（202-1，……，202-N）。典型地，航空器天线阵列202-1具有12个喇叭天线210（210-1，……，210-12），每个喇叭天线的方位角覆盖30°的扇区，每个喇叭天线的孔径大小大约为2.0英寸x0.45英寸并且具有大于10dBi（dB各向同性）的增益。在一个方面中，天线阵列的总直径约为8英寸。 [0028] 虽然图2示出了12波束阵列配置形式的航空器天线阵列202，但是应当意识到的是，在仍然属于本公开内容和所附权利要求的范围内的同时，其它配置也是可能的。具体地说，一种示例性配置包括4波束阵列配置形式的4天线阵列202。在一个方面中，多个航空器天线阵列202能够实现在不同的仰角进行地面基站搜索。在一个方面中，多个天线阵列202能够实现地面基站天线搜索在仰角上的扇区化。在这一方面中，每个元件耦合到其自己的收发机。如下文进一步详细描述的，地面基站搜索能够实现航空器收发机120与下一地面基站（例如如图1中所示的地面基站110）之间的切换。 [0029] 在一个方面中，航空器天线阵列系统200安装在机身下方，并且辅助天线安装在航空器的不同部分之上，以改善航空器互联网服务。具体地说，航空器在飞行期间的倾斜或旋转可能中断安装在机身下方的航空器天线阵列系统200与地面基站102之间的通信。在一个方面中，在航空器倾斜或旋转时，辅助天线通过在这些时间期间操纵与地面基站的通信来降低航空器收发机120与地面基站102之间的通信中断。在图3A和图3B中进一步示出了航空器天线200的特性。 [0030] 图3A示出了根据本发明的一个方面的单个天线元件210在方位角0、5、10、15和20度处的仿真的仰角增益方向图的示意图300。典型地，图3A中的x轴表示球坐标中的theta角，其中水平线位于90°。因为该仿真是在无限的地平面上进行的，所以根据图像理论水平线以上（-90和90之间）的增益方向图是重复的，并且应当忽略。图3B示出了根据本发明的一个方面的两个相邻元件的仿真的方位角增益方向图352和354以及数字组合的波束360的示意图350。 [0031] 航空器天线200的用于提供航空器互联网服务的操作涉及检测以及在当前地面基站102与下一地面基站110（如图1中所示）之间的航空器调制解调器切换。天线系统可以采用各种通信和搜索的方案。在一个方面中，单个接收链用于通信，其中以连续的、时分的方式来执行搜索。在另一方面中，可以使用两个接收链，其中一个链用于地面站通信，另一链用于地面基站搜索。在两个接收链配置中，在不进行搜索时，搜索链还可以用于分集组合以增加增益和吞吐量。地面基站搜索可以按如下方式来执行。 [0032] 在一个方面中，地面基站搜索可以包括：在给定的航空器天线元件上搜索从地面基站接收的所有导频信号。对所接收的导频信号进行排序，以确定航空器调制解调器是否应当切换到另一地面基站，其中，航空器调制解调器正从该另一地面基站接收更强的导频信号。一旦在一个天线元件上完成搜索，该搜索就可以切换到另一元件，并在该元件上重复导频搜索。在一个方面中，天线元件210-2到210-12中的每一个可以在天线元件210-1接收数据的同时不断地搜索地面站，如图2中所示。 [0033] 在上文描述的配置中，切换的天线方案涉及在不同天线元件之间进行切换以在保持较低的复杂性的同时实现较高的增益的收发机。可替换地，可以通过使用相控阵技术组合多个天线元件来形成定向波束。在一个方面中，上文描述的切换天线方案可以组合两个相邻的波束352和354，以形成组合波束360，从而在只略微增加硬件复杂性以提供分集的同时进一步增加天线增益。在一个方面中，切换天线方案可以使用相邻天线元件的部分相控阵波束组合。例如，当进行通信的地面基站处于相邻波束的边缘或其附近时，可以组合相邻波束来改善系统的性能。 [0034] 图4示出了地面基站102和航空器收发机120的设计的方框图。地面基站102可以配备有天线434a到434t，并且航空器收发机120可以配备有天线452a到452r。 [0035] 在地面基站102处，发射处理器420可以从数据源412接收数据，并从控制器/处理器440接收控制信息。处理器420可以分别对该数据和控制信息进行处理（例如，编码和符号映射），以获得数据符号和控制符号。处理器420还可以生成参考符号。如果适用的话，发射（TX）多输入多输出（MIMO）处理器430可以对数据符号、控制符号和/或参考符号执行空间处理（例如，预编码），并且可以向调制器（MOD）432a到432t提供输出符号流。每个调制器432可以（例如针对OFDM等）处理相应的输出符号流，以获得输出采样流。每个调制器432可以进一步对输出采样流进行处理（例如，切换到模拟、放大、滤波以及上变频），以获得下行链路/前向链路信号。来自调制器432a到432t的下行链路信号可以分别经由天线434a到434t进行发送。 [0036] 在航空器收发机120处，天线452a到452r可以从地面基站102接收下行链路/前向链路信号，并且可以将所接收的信号分别提供给解调器（DEMOD）454a到454r。每个解调器454可以对相应的接收信号进行调节（例如，滤波、放大、下变频以及数字化）以获得输入采样。每个解调器454还可以（例如针对OFDM等）对输入采样进行处理，以获得接收符号。MIMO检测器456可以从所有解调器454a到454r获得接收符号，如果适用的话对接收符号执行MIMO检测，并提供检测符号。接收处理器458可以对检测符号进行处理（例如，解调、解交织以及解码）、向数据宿460提供针对航空器收发机120的解码数据，并向控制器/处理器480提供解码的控制信息。 [0037] 在反向链路/上行链路上，在航空器收发机120处，发射处理器464可以对来自数据源462的数据以及来自控制器/处理器480的控制信息进行接收和处理。处理器464还可以生成参考信号的参考符号。来自发射处理器464的符号可以由TX MIMO处理器466预编码（如果适用的话），进一步由调制器454a到454r处理并被发送到地面基站102。在地面基站102处，来自航空器收发机120的上行链路/反向链路信号可以由天线343接收，由解调器432处理，由MIMO检测器436检测（如果适用的话），并进一步由接收处理器438处理，以获得解码的由航空器收发机120发送的数据和控制信息。处理器438可以向数据宿439提供解码的数据，并向控制器/处理器440提供解码的控制信息。 [0038] 控制器/处理器440和480可以分别指导地面基站102和航空器收发机120处的操作。地面基站102处的处理器440和/或其它处理器和模块可以执行或指导用于本文描述的技术的各个过程的执行。航空器收发机120处的处理器480和/或其它处理器和模块还可以执行或指导在图8的使用方法流程图中示出的功能方框和/或用于本文描述的技术的其它过程的执行。存储器442和482可以分别为地面基站102和航空器收发机120存储数据和程序代码。 [0039] 在图5和图6中示出了根据本发明的方面包括用于与航空器天线200进行通信的天线阵列的地面站天线阵列系统。在一个方面中，地面站天线阵列系统可以包括高增益的多波束天线阵列，该高增益的多波束天线阵列能够同时与多个航空器进行通信，例如如图5和图6中所示的。图5和图6示出了根据本发明的方面的扇区化和天线阵列配置的两个示例。 [0040] 在一个方面中，扇区化可以包括在仰角上分割扇区以增加系统吞吐量，例如如图5和图6中所示。典型地，可以将方位角和仰角上的覆盖区域划分成窄区域，其中，天线阵列可以在覆盖区域中的所有角度上维持其增益要求。在一个配置中，天线可以在14GHz范围内工作，其覆盖区域为方位角120°和仰角0.5°到10°。由于到航空器的路径损耗较低，因此地面基站天线增益在0.5°仰角处可以是40dBi，并且在10°的仰角处减小到 25.5dBi。 [0041] 再次参照图5，图5示出了具有两个天线面板510和530的地面基站天线阵列系统500的配置，每个天线面板的方位角覆盖60°。在一个方面中，每个天线面板510/530可以分别由具有天线元件522（522-1，……，522-N）、524（524-1，……，524-N）、542（542-1，……，542-N）和544（544-1，……，544-N）的NxM的阵列520/540组成，其中阵列520/540在本文中可以称为地面站天线阵列。在一个方面中，每个天线元件包括发射/接收（T/R）模块。典型地，地面站天线阵列520和540包括50x6个天线元件；然而，在仍然属于所描述的方面和所附权利要求的范围内的同时其它配置也是可能的。在一个方面中，可以采用数字波束成形来组合信号并实现所期望的总增益。可以在每个面板的不同列和行中的天线元件上计算数字波束成形。 [0042] 图6示出了地面站天线阵列系统600的配置，其中，覆盖仰角的天线面板610、620、630和640/650、660、670和680的数量增加到4个，并且覆盖方位角的面板602和604的数量维持在2个。在一个方面中，覆盖较高仰角的面板（610/650）的孔径大小小于覆盖较低仰角的面板（640/680）的孔径的大小，这是因为在较高的仰角处需要的增益更小。每个天线阵列612（612-1，……，612-N）/650（650-1，……，650-N）可以包括50x1个元件，其中在这50x1个元件上应用了波束成形。在一个方面中，例如，根据航空器的仰角，将数字波束的生成从相邻面板610/650之间切换到下一相邻面板620/660。 [0043] 可以通过在保持阵列的大小的同时进一步降低每个面板在方位角上的覆盖区域并增加元件的天线孔径，来实现使用更少数量的元件进行数字波束成形的其它配置。这可能导致更大的总地面站天线阵列大小，但是不太复杂的数字信号处理。在一个方面中，单个元件可以用于每个扇区，而不需要进行任何数字波束成形，在上文的示例中这对应于100x4个天线。 [0044] 在一个方面中，数字波束成形可以用在每一个阵列中，以提供多个可操纵的笔形波束。针对阵列中的每个元件的信号可以通过T/R（发射/接收）模块，并转换为基带。在一个方面中，可以通过波束操纵计算机来计算定向波束的相移，并将该相移应用到每一个信号。可以将相似的相位因子应用到发射信号，并通过发射/接收模块将该相位因子传递到天线元件中。在一个方面中，校准过程对每个元件的幅度和相位进行均衡化，并考虑电路的时间变化。 [0045] 如上文提到的，校准对天线和发射/接收单元的不同相位/幅度响应进行补偿。可以使用内置电路在工厂中执行一种类型的校准。这种校准可以使用任何公知的技术。内置的校准方案还可以用于电场的定期校准，以跟踪由温度和时间引起的变化。另一种用于校准的方式可以内置到空中接口中，以在地面基站和航空器调制解调器之间执行双向通信的同时提供实时校准。在一个方面中，使用空中接口的通信信令来定期地执行校准。具体地说，在空对地双向通信系统运行时，可以执行空中（OTA）实时校准。 [0046] 在一个方面中，地面基站（GBS）单元上的前向链路（FL）定期地在覆盖整个扇区的宽波束上发送导频信号。如本文中所描述的，在地面基站的前向链路上定期发送的导频信号可以被称为扇区宽导频（SWP）。在一个方面中，扇区宽导频可以允许航空器检测新的地面基站、与地面基站同步以及接收诸如关于下文描述的定期校准过程的信息之类的系统参数。例如，如图1中所示的，地面基站102可以在前向链路108上发送扇区宽导频。 [0047] 在一个方面中，可以通过在各个地面站天线阵列元件（522、524、542、544、612或650）（例如如在图5和图6中所示的）中的任意一个上进行发送，来形成用于发送扇区宽导频的宽波束。航空器调制解调器可以检测这种扇区宽导频，以作为其搜索过程的一部分。用于校准地面站天线阵列元件中的发射元件的一个可能的实时过程是按如下方式执行的。 [0048] 在一个方面中，地面基站定期地进入校准模式。可以在承载扇区宽导频的同一宽波束上在前向链路上发送校准模式的时间。首先可以执行对地面站天线阵列的发射方的校准。具体地说，地面基站发射机可以在分配给校准的时段期间在所有地面站天线阵列元件上连续地发送扇区宽导频。在解调之后，在航空器处从第k个地面站天线阵列元件接收的信号由下式给出： [0049] [0050] 在式（1）中，第一项可以与RF链中的增益（αk）和延迟（θk）相对应。第二项可以与天线元件之间耦合的幅度（βk）和相位（φk）相对应。第三项可以与来自天线阵列间隔的相位（νk）相对应。最后一项可以与多径衰落幅度（σk）和相位 相对应。并且，式（1）中的j表示复数的虚部。 [0051] 在一个方面中，前三项是由硬件引起的，并且可以通过进行多个瞬时测量以对最后一项求平均值来进行估计。例如，考虑到航空器飞行的速度较高，信道变化发生得非常快（例如，以毫秒为量级）。在一个方面中，可以在两毫秒的间隔上进行式（1）的多个测量。然后，可以对这些单独的测量进行滤波，以对式（1）中的最后一项求平均值，最后一项是由多径引起的。在式（1）中，最后一项可以假定信道是频率非选择性的，或者假定测量是在窄带宽上（例如在OFDM（正交频分复用）物理层的各个音调上）进行的。 [0052] 在较宽的宽带系统的一个方面中，可以在足够数量的音调上发送信号，以确保在所有频率上校准硬件。航空器调制解调器可以计算上文描述的校准系数，并且将这些系数发送到地面基站，所以地面基站可以将这些系数用于针对航空器的前向链路波束成形，例如如图1中所示的。 [0053] 空对地双向通信系统的实时校准过程可以按如下方式来执行。图7是示出了根据本发明的一个方面包括地面站天线阵列系统的空对地双向通信系统的实时校准方法700的流程图。在过程方框702处，空对地双向通信系统运行，以向航空器提供互联网服务，例如如图1中所示的。在过程方框704处，确定在空对地双向通信系统运行期间是否检测到校准时段。在检测到校准时段之前，空对地双向通信系统继续运行。一旦检测到校准时段，就可以按如下方式来对基站天线系统执行校准。 [0054] 在过程方框706处，通过基站天线阵列中的每个天线元件在宽波束上连续地发送扇区宽导频信号。在一个方面中，天线500（图5）可以在地面站天线阵列520和540中的每个元件上发送扇区宽导频（SWP）。在图6所示的配置中，地面站天线系统600可以根据航空器的仰角，在相邻天线面板610和650、620和660、630和670或者640和680中的一个上发送扇区宽导频。 [0055] 再次参照图7，在过程方框708处，在校准时段期间，可以从航空器接收天线阵列的响应于扇区宽导频信号的前向链路校准系数。在一个方面中，校准系数表征航空器所接收的扇区宽导频信号。在过程方框710处，使用根据本发明的一个方面的式（1）根据所接收的校准系数来对地面站天线阵列系统中的天线阵列执行实时校准。 [0056] 在一个方面中，可以以与上文的方案类似的方式，但是通过使航空器调制解调器在反向链路（RL）106（如图1中所示的）上发送导频序列来执行接收侧的校准。可以使用足够的能量并使用足够的持续时间来发送导频信号，以能够实现在地面基站处的每个天线元件处的检测。与上文描述的用于校准发射链的方案类似，在一个方面中，可以通过对由多径衰落引起的任何变化求平均值来估计接收链的相位和幅度。 [0057] 一旦校准了地面基站和航空器天线，就可以以任意数量的方式来执行波束成形。在一个方面中，航空器基于当前位置方位向地面基站发送其位置，其中当前位置方位可以使用例如诸如全球定位系统（GPS）之类的位置定位系统来确定。地面基站可以使用该信息来在航空器的方向上并且还在地面基站处的接收侧上形成波束。在被校准的天线系统中，关于航空器和地面基站的位置的知识可以用于计算相控阵天线的系数，以使波束的瞄准线指向航空器的方位。根据本发明的一个方面，可以在飞行期间使用定期向地面基站报告的航空器位置来调整波束。 [0058] 在一个方面中，航空器和地面基站可以调整其波束，以增加或最大化在航空器处以及在地面基站处接收的信号与噪声加干扰比（SINR）。例如，地面基站可以稍微移动其发射波束。航空器将向地面基站报告在航空器处接收的SINR测量。在一个方面中，地面基站可以通过基于从航空器接收到的SINR反馈调整其波束，来查找改善的或最优的发射波束。在一个方面中，地面基站可以发送一个或多个相邻的波束，以基于例如所测量的信号能量来确定相邻的波束中的一个是否提供了改善的性能。在一个方面中，可以在从航空器到地面基站的反向链路上使用对改善的或最优的波束的检测。 [0059] 在前向链路和反向链路互易的TDD（时分双工）信道中，除了被校准的硬件相位和延迟以外，地面基站还可以通过对相邻波束上接收的SINR进行比较来确定期望的或最佳的接收波束。然后，地面基站可以基于其接收侧上的期望的或最优的波束来形成针对航空器的波束。在一个方面中，地面基站重复地确定期望的或最优的接收波束，并相应地调整发射波束。配备有多波束可切换阵列天线的航空器所进行的空对地通信的过程可以按照如下方式来执行。 [0060] 图8是示出了根据本发明的一个方面配备有多个具有多波束可切换天线元件的天线阵列的航空器所进行的空对地通信的方法800的流程图。在过程方框802处，通过天线的第一天线元件在来自网络的第一地面站的宽波束上接收第一导频信号。在一个方面中，天线200（图2）可以在第一天线元件210（210-1，……，210-12）上接收扇区宽导频（SWP），该第一天线元件覆盖与航空器所成的第一方位角范围。在图2中所示的配置中，航空器天线200具有12个喇叭天线210（210-1，……，210-12），每个喇叭天线在方位角上覆盖30°的扇区。 [0061] 再次参照图8，在过程方框804处，通过第一天线元件（例如，210-1）在来自第一地面站的定向波束上接收数据。在过程方框806处，通过天线的第二天线元件在来自该网络的至少一个第二地面站的宽波束上接收至少一个第二导频信号，其中，第二天线元件覆盖与航空器所成的第二方位角范围，第二方位角范围不同于第一方位角范围。例如，可以在从第一地面基站102接收数据的同时从第二地面站110接收扇区宽导频，如图1中所示。 [0062] 如图2中所示，数据可以由第一天线元件210-1接收，而扇区宽导频由第二天线元件210-2接收。在一个配置中，在天线元件210-1接收数据的同时，天线元件210-2到210-12中的每一个可以不断地搜索地面站。在可替换的方面中，时分模式通过使用单个天线元件接收数据而运行，并且在不接收数据时，其余天线元件可以搜索地面站，以确定是否执行航空器调制解调器切换。 [0063] 再次参照图8，在过程方框808处，将第二导频信号的信号强度与第一导频信号的信号强度进行比较。在过程方框810处，响应于确定第二天线所接收的第二导频信号强度大于在第一天线元件上接收的第一导频信号强度，可以将对数据的接收从第一天线元件切换到第二天线元件。在一个方面中，对于具有多个航空器天线阵列的配置而言，可以针对每个航空器天线阵列202（图2）重复如图8中所示的方法800。在可替换的方面中，针对选择的航空器天线阵列（例如202-1）来执行方法800。 [0064] 来自非同步卫星终端的传输可能干扰从地面基站到被服务的航空器上的航空器收发机的通信。此外，其它航空器可能干扰从地面基站到被服务的航空器上的航空器收发机的通信。此外，当空对地通信系统使用Ka波段或Ku波段时，雨水可能引起信号退化。本发明的方面可以减轻对航空器终端的这种类型的干扰以及信号退化。 [0065] 如图1中所示的，可以增加地面基站102的前向链路108上的传输功率以克服干扰，同时对地面基站110的前向链路传输功率进行等量的减少。在一个方面中，地面基站控制器/处理器440（图4）负责调整各个基站之间的传输功率，使得各个地面基站上的总传输功率之和保持不变。 [0066] 具体地说，航空器接收机可以测量信号与干扰加噪声比（SINR），并向地面基站发送所测量的SINR的索引。在一个方面中，地面基站调整前向链路波束上的发射功率，以使航空器处接收的SINR保持在目标值以上。在下雨的情况中，信号变弱，从而导致航空器处的接收SINR减小。可以允许每个波束具有最大的发射功率。基站控制器将对来自所有地面基站的总发射功率施加限制。在存在来自其它系统的对航空器接收机的干扰的情况下，SINR的干扰项将增加，从而减小了航空器所接收的SINR。在一个方面中，地面基站控制器可以响应于来自航空器调制解调器的SINR反馈来增加前向链路功率。 [0067] 图9是示出了根据本发明的一个方面用于增加来自服务地面基站的前向链路上的传输功率以减轻航空器干扰的方法900的流程图。在过程方框902处，在地面基站天线阵列的从服务地面基站到航空器的前向链路上的数据传输期间，检测干扰。在过程方框904处，服务地面基站可以增加前向链路上的传输功率，以减轻航空器干扰。在一个方面中，增加服务地面基站的传输功率涉及对一个或多个其它地面基站的传输功率进行等量减小。相应地，在过程方框906处，对一个或多个其它地面基站的传输功率进行减小。在一个方面中，对传输功率进行减小，使得各个地面基站上的总传输功率之和保持不变。 [0068] 在一个配置中，航空器被配置用于无线通信，该航空器包括耦合到数字波束成形单元的第一天线元件阵列单元。在一个方面中，数字波束成形单元可以是图4中的调制器454a-r、发射处理器464、天线452a-r、控制器/处理器480和/或存储器482。在另一方面中，第一天线元件阵列单元可以是图2中所示的航空器天线阵列202-1和/或图4中的天线452a-r、解调器454a-r、接收处理器458、控制器/处理器480和/或存储器482。航空器被进一步配置为包括第二天线元件阵列单元，其与第一天线元件阵列单元垂直对齐并且被耦合到数字波束成形单元。在一个配置中，第一天线元件阵列单元只覆盖第一仰角，并且第二天线元件阵列单元只覆盖较低的第二仰角。在一个方面中，第二天线元件阵列单元可以是图2中所示的航空器天线阵列202-N和/或图4中的天线452a-r、解调器454a-r、接收处理器458、控制器/处理器480和/或存储器482。 [0069] 在一个配置中，地面基站102被配置用于无线通信，该地面基站102包括耦合到数字波束成形单元的第一天线元件阵列单元。在一个方面中，数字波束成形单元可以是图4中的调制器432a-t、发射处理器420、天线434a-t、控制器/处理器440和/或存储器442。在另一方面中，第一天线元件阵列单元可以是图5中的地面站天线阵列500中的天线元件 520/540。地面基站102还被配置为包括第二天线元件阵列单元，其与第一天线元件阵列单元垂直对齐并且被耦合到数字波束成形单元。在一个配置中，第一天线元件阵列单元和第二天线元件阵列单元中的每一个覆盖相同的方位角扇区。在另一配置中，第一天线元件阵列单元只覆盖第一仰角，并且第二天线元件阵列单元只覆盖较低的第二仰角。在一个方面中，第二天线元件阵列单元可以是图5中的地面站天线阵列500中的天线元件520/540。在其它方面中，前述单元可以是被配置为执行前述单元所记载的功能的模块或任何装置。 [0070] 本领域技术人员还应清楚的是，结合本文的公开内容描述的各种示例性的逻辑方框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地表示硬件和软件之间的可交换性，上面对各种示例性的组件、方框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了总体描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为引起与本发明的范围的背离。 [0071] 可以使用被设计用于执行本文所描述的功能的通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件或者其任意组合，来实现或执行结合本文的公开内容所描述的各种示例性的逻辑框、模块和电路。通用处理器可以是微处理器，或者，该处理器也可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或者状态机。处理器也可能实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP内核的结合，或者任何其它此种结构。 [0072] 结合本文的公开内容所描述的方法或者算法的步骤可直接体现在硬件、由处理器执行的软件模块或其组合中。软件模块可以位于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或者本领域公知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质耦合到处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。或者，存储介质可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。该ASIC可以位于用户终端中。或者，处理器和存储介质也可以作为分立组件位于用户终端中。 [0073] 在一个或多个示例性设计中，所描述的功能可以实现在硬件、软件、固件或其任意组合中。如果实现在软件中，则可以将这些功能作为一个或多个指令或代码存储或传送到计算机可读介质上。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，该通信介质包括有助于实现将计算机程序从一个位置传送到另一个位置的任何介质。存储介质可以是能够由通用或专用计算机访问的任何可用介质。举例而言而非限制性地，该计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁存储设备或者可以用于以指令或数据结构形式携带或存储所需的程序代码并且能够由通用或专用计算机或者通用或专用处理器访问的任何其它介质。此外，任何连接都可以适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线（DSL）或诸如红外、无线电和微波的无线技术来从网站、服务器或其它远程源发送软件，则上述同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或诸如红外、无线电和微波的无线技术包含在介质的定义中。如本文所使用的，磁盘和光盘包括压缩光盘（CD）、激光光盘、光盘、数字多功能光盘（DVD）、软盘、蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地复制数据，而光盘利用激光光学地复制数据。上述各项的组合也应当包括在计算机可读介质的范围内。 [0074] 提供了本发明的以上描述，以使本领域任何技术人员能够实现或使用本发明。对于本领域技术人员而言，对本发明进行的各种修改都将是显而易见的，并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文定义的通用原理可以应用于其它变型。因此，本发明并不旨在限于本文所描述的示例和设计，而是应当与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。 |
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