專利名稱：通過蜂窩基站塔與飛機通信的布置、系統(tǒng)和方法
通過蜂窩基站塔與飛機通信的布置、系統(tǒng)和方法 相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2005年5月18日提交的美國臨時申請?zhí)?0/682,055 的權(quán)益，其公開內(nèi)容通過引用結(jié)合于本文。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及無線電通信。更具體且不以限制的方式來說，本發(fā) 明針對一種用于通過蜂窩基站塔與飛機通信的系統(tǒng)和方法。
為了空中交通控制通信，飛行中的民航客機采用無線電頻譜的 116-174 MHz區(qū)域的窄帶信道與地面站通信。還在800-900 MHz區(qū) 域中上行頻帶和下行頻帶的每個頻帶中對飛機分配2-MHz頻譜段， 以便將對地面通信網(wǎng)絡(luò)訪問延伸到飛行中的乘客。下行頻帶已被用 于經(jīng)由座位背后電話向乘客論提供電話服務(wù)。
在相關(guān)領(lǐng)域中，對美國的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)分配更寬的頻譜段來用 于與移動臺的通信。例如，對1900-MHz頻帶中工作的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò) 在上行和下行方向上都分配60-MHz頻譜段?，F(xiàn)代蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)正在 升級到更高的數(shù)據(jù)速率，以便向移動訂戶提供因特網(wǎng)通信和其他所 說的多媒體通信。因特網(wǎng)是已經(jīng)成為與電話一樣無處不在且更偏向 于使用遠比電話高的帶寬的媒體。這種寬帶服務(wù)對于與飛機的通信 并不可用，因為在目前分配給地面至空中交通的2-MHz頻譜段內(nèi)無 法令人滿意地提供這些服務(wù)。
圖1A是圖示現(xiàn)有蜂窩基站塔的水平輻射方向圖的典型天線輻射 方向圖的俯視圖。在圖示的配置中，位于中央的扇區(qū)化天線在小區(qū) 的扇區(qū)A、扇區(qū)B和扇區(qū)C中發(fā)射和接收RF信號，其中扇區(qū)A、
扇區(qū)B和扇區(qū)C定義了基站的服務(wù)區(qū)。在水平平面中，三個獨立天 線陣列的每一個天線陣列覆蓋相關(guān)聯(lián)的120。方位角扇區(qū)。水平波束 形狀通常選為在+/-60°扇區(qū)邊緣距主波瓣的峰值約為-12dB ，因為在 該方向上僅需要最大范圍的一半。-3dB的波束寬度約為+/-30。，這與 用于覆蓋60°扇區(qū)的相同或相似。
圖1B是圖示圖1A的現(xiàn)有蜂窩基站塔中扇區(qū)A的垂直輻射方向 圖的典型天線輻射方向圖的側(cè)視圖。雖然未圖示，但是在垂直平面 中其他扇區(qū)中的垂直輻射方向圖以相似的方式布置。每個天線扇區(qū) 的輻射方向圖形成為水平定向的波瓣。在垂直平面中，波束寬度通 常較窄，因為覆蓋非地面級的站很少有任何要求。在一些小區(qū)中， 天線方向圖可能少量(例如5。)向下傾斜，具體取決于塔的高度、 小區(qū)大小和地形。蜂窩基站天線的典型方向性增益是18dBI，它可以 包括水平平面中的6 (即8 dB)方向性系數(shù)和垂直平面中的10 (即 IO犯)的系數(shù)。垂直平面中的IO犯增益可以包括每個天線單元的4dB 垂直方向性增益和由于共相位四個此類單元所產(chǎn)生的6dB陣列增益。
因此現(xiàn)有蜂窩基站塔的垂直輻射方向圖是為了與地面或建筑物 里的移動電話通信而進行優(yōu)化的。輻射方向圖提供不夠與飛行中的 飛機通信所需的較高仰角處的增益。
期望向飛行中的飛機提供寬帶通信以便提供多種多々某體服務(wù)。 具有一種用于向飛機提供寬帶通信服務(wù)而無需更多無線電頻譜以及 無需與基于地面的訂戶相干擾的天線布置、系統(tǒng)和方法將會是有利 的。本發(fā)明提供了這種布置、系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在蜂窩基站塔上提供一種新的天線連接，用于按從水平 平面向上的角度發(fā)送或接收信號以便與處于巡航高度的飛機通信， 同時不與使用相同頻率的地面用戶相干擾。以此方式，可以再利用 蜂窩頻帶來向飛機傳送信息以及從飛機傳送信息，并且可以向飛機
以及向其中機載的訂戶提供寬帶多々某體服務(wù)。
因此，在一個方面中，本發(fā)明針對蜂窩基站中的一種天線布置， 該天線布置用于在基站與服務(wù)小區(qū)內(nèi)運行中的基于地面的移動訂戶 之間以及基站與飛行通過服務(wù)小區(qū)的飛機之間發(fā)送和接收信號。該 天線布置包括用于生成水平天線波束的部件，通過上述水平天線波
束在基站和基于地面的訂戶之間發(fā)送和接收信號；以及用于生成有 仰角的天線波束(elevated antenna beam),通過上述有仰角的天線波束 在基站與飛機之間發(fā)送和接收信號。
在另一個方面中，本發(fā)明針對蜂窩基站中的一種天線布置，該 天線布置用于在基站與飛機之間發(fā)送和接收信號。天線布置包括垂 直定向的天線單元陣列；以及連接到每個天線單元的饋線布置，用 于向天線單元饋送逐漸相位延遲的信號;由此生成向上朝向飛機的 有仰角的天線波束。
在再一個方面中，本發(fā)明針對蜂窩基站中的一種方法，該方法 用于在基站與服務(wù)小區(qū)內(nèi)運行中的基于地面的移動訂戶之間以及基 站與飛行通過服務(wù)小區(qū)的飛機之間發(fā)送和接收信號，其中基站包括 具有垂直定向的天線單元陣列的天線布置。該方法包括利用垂直定 向的天線單元陣列生成用于在基站與基于地面的訂戶之間發(fā)送和接 收信號的水平天線波束；以及利用垂直定向的天線單元陣列生成用 于在基站與飛機之間發(fā)送和接收信號的有仰角的天線波束；
在再一個方面中，本發(fā)明針對蜂窩基站中的一種方法，該方法 用于在基站與飛機之間發(fā)送和接收信號。該方法包括如下步驟使 多個天線單元定向成垂直陣列；將饋線布置連接到每個天線單元； 以及向天線單元饋送逐漸相位延遲的信號，由此生成向上定向飛機 的有仰角的天線波束。
在再一個方面中，本發(fā)明針對一種蜂窩通信系統(tǒng)，該蜂窩通信 系統(tǒng)用于與處于服務(wù)區(qū)內(nèi)的基于地面的移動訂戶通信以及與飛行通 過服務(wù)區(qū)的飛機通信。該服務(wù)區(qū)設(shè)有多個按一定間距設(shè)置的基于地
面的天線塔，每個天線塔服務(wù)于服務(wù)區(qū)內(nèi)的一個小區(qū)。該系統(tǒng)包括
用于從通信網(wǎng)絡(luò)向多個天線塔發(fā)送通信襝號的部件；以及設(shè)在天線 塔的至少其中一個天線塔的天線布置。該天線布置包括用于生成用 于與基于地面的訂戶通信的在方位角上隔開(spaced)的水平天線波束 的部件；以及用于生成在垂直平面中與飛機通信所用的水平天線波 束分離的在方位角上隔開的有仰角的天線波束的部件。
在再一個方面中，本發(fā)明針對一種蜂窩通信系統(tǒng)，該蜂窩通信 系統(tǒng)用于與處于小區(qū)內(nèi)的基于地面的移動訂戶通信以及與飛行通過 小區(qū)的飛機通信。該系統(tǒng)包括基于地面的基站，該基站包括用于生 成用于與飛機通信的有仰角的天線波束的天線布置；飛機上用于與 基于地面的基站通信的收發(fā)器；以及連接到該收發(fā)器的用于與飛機 上的便攜式通信設(shè)備通信的微蜂窩基站。


在下面段落中，將參考附示的示范實施例來描述本發(fā)明， 其中
圖1A (現(xiàn)有技術(shù))是圖示現(xiàn)有蜂窩基站塔的水平輻射方向圖的 典型天線輻射方向圖的俯視圖1B (現(xiàn)有技術(shù))是圖示現(xiàn)有蜂窩基站塔的一個扇區(qū)的垂直輻 射方向圖的典型天線輻射方向圖的側(cè)視圖2是圖示本發(fā)明中適用于實現(xiàn)零度的輻射方向圖的示范垂直 共線陣列的側(cè)視圖3是圖示本發(fā)明中適用于實現(xiàn)仰角30。的輻射方向圖的示范垂 直共線天線陣列的側(cè)視圖4是圖示蜂窩基站塔與處于巡航高度的飛機之間通信的幾何 關(guān)系的示意圖5是圖示本發(fā)明中適用于同時提供用于不同信號的水平波束 和仰角30。的波束的垂直共線陣列的第 一示范實施例的側(cè)視圖； 圖6是圖示本發(fā)明中適用于同時提供用于不同信號的水平波束 和仰角30。的波束的垂直共線陣列的第二示范實施例的側(cè)視圖7是圖示將本發(fā)明與歐洲電信標準協(xié)會的GSM標準結(jié)合使用 時的智能頻率再利用計劃的示意圖；以及
圖8是本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例的簡化框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明在蜂窩基站塔上提供一種新的天線配置，用于按從水平 平面向上的角度發(fā)送或接收信號以便與處于巡航高度的飛機通信， 同時不與使用相同頻率的地面用戶相干擾。以此方式，可以將蜂窩 頻帶再利用于向飛機傳送信息和從飛機傳送信息。該信息可以包括 空中交通控制(ATC)信息、用于機載蜂窩訂戶的信息或諸如來自飛 機上的安全性設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)攝像頭(webcam)的視頻信號的其他寬帶 多媒體信息。在一個實施例中，專用于為飛機服務(wù)的基站塔只生成 向上定向的波瓣。在另一個實施例中，基站塔同時生成用于地面通 信的水平波瓣和用于飛機通信的向上波瓣。向上波瓣可以在水平平 面中具有空值，以便減少與從相同基站產(chǎn)生的地面通信相干擾。
圖2是圖示本發(fā)明中適用于實現(xiàn)零度的輻射方向圖的示范垂直 共線陣列10的側(cè)視圖。將四個垂直偶極子(lla-lld)設(shè)在反射器12 前面。在沒有反射器的情況下，天線的水平輻射方向圖將是全向的。 通過選擇偶極子與反射器的距離，并較'J、程度地選擇反射器寬度， 可以將水平輻射方向圖設(shè)計為輻射120。的水平扇區(qū)。通常，扇區(qū)覆 蓋所期望的水平輻射方向圖在+/- 30。處距峰值輻射約為-2.5dB以及在 +/-60°處距峰值輻射約為-12(18。
垂直輻射方向圖是因存在反射器而被修改的偶極子垂直輻射方 向圖與陣列系數(shù)的組合。該陣列系數(shù)增強了當通過適合的饋線布置 同相連接這些偶極子時零度仰角處的輻射方向圖。例如，饋線13可 以將這些偶極子連接到按半波長(X/2 )間距設(shè)置的抽頭(tap ) 14a-14d。
饋線通過反接備選偶極子來補償半波長線的180°相移，以便將它們 同相連接。該饋線布置僅是示范性的，而許多其他布置也是可能的， 例如將相鄰元件對連接到一個共用饋電點，然后將每對的公用饋電 點連接到一個共用饋電點。
圖2僅是示范性的，而可以釆用許多其他類型的天線單元，例 如貼片天線、縫隙天線或折疊偶極天線，并且可以采用許多不同的 饋線布置，包括同軸電纜或架空線路、耦合器或混合布置。此外， 也不一定要將天線單元同相饋送。如果向上移動逐漸相位延遲地對 它們饋送，則結(jié)果將是向上傾斜的垂直輻射方向圖?？梢酝ㄟ^將整 個天線向下傾斜來補償這種向上傾斜，以使輻射的峰值再次位于零 度仰角處。
圖3是圖示本發(fā)明中適用于實現(xiàn)仰角30。的輻射方向圖的示范垂 直共線陣列20的側(cè)視圖。在此實施例中的饋線布置向偶極子lla-lld 饋送逐漸90。相位延遲的信號，產(chǎn)生按30。向上傾斜的輻射方向圖。 以遠比空中交通通信系統(tǒng)所需的程度更密集的間隔設(shè)置蜂窩基站 塔。因此，假定朝向飛機的仰角大于30。'的情況下，與高空飛機最接 近的蜂窩基站塔一般在15公里左右內(nèi)?？梢酝ㄟ^例如按四分之一波 長(A74)間隔而非半波長間隔將饋線13分接來產(chǎn)生90。相位前進。 還可以在本發(fā)明范圍內(nèi)采用以期望的相位對偶極子饋送的其他布 置。
假設(shè)按半波長隔開這些偶極子，向上30。的輻射從每個逐漸降低 的偶極子必須多通過四分之一波長，由此通過饋線的四分之一波長 遞減來補償它接收它的驅(qū)動信號。因此，給定該有仰角的陣列方向 圖的峰值情況下，從所有偶極子，30。向上方向的輻射都是同相的。 而且從陣列的輻射在零度仰角下為零?？梢酝ㄟ^按如下表示輻射的 信號來看出這一點
S，
-jS ( 90°延遲)，
-S (180°延遲)，以及 jS ( 270°延遲)。
應(yīng)該注意在水平方向上它們相加為零。因此，以此方式發(fā)送的 信號達到適合地位于水平平面上方的接收器(例如飛行中的飛機)， 同時在水平平面中的接收器(例如地面的蜂窩電話)處基本被衰減 掉。對于從圖2的陣列輻射的信號，相反的道理也是成立的，它基 于相同的原因，在30。仰角處具有空值。因此，從圖2的陣列輻射的 信號將達到地面上的蜂窩電話，而在水平平面上方的接收器、具體 為30。仰角處的接收器處基本衰減掉。
天線設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，可以采用其他單元間隔、 單元的數(shù)量和相位設(shè)計來產(chǎn)生按其他角度向上傾斜的波束，而在水 平平面上仍具有零輻射或大大降低的輻射。同樣地，可以將在水平 平面中的具有峰值的天線陣列設(shè)計為在期望的仰角處具有空值。
圖4是圖示蜂窩基站塔21和22與處于巡航高度的飛機23之間 通信的幾何關(guān)系的示意圖?？梢钥吹?，當塔-A 21和塔-B 22間隔20 公里，飛機在10公里的巡航高度處時，飛機總是距任何一個塔在約 26。仰角以上。商務(wù)客機僅在起飛或著陸期間大大地低于巡航高度， 在此情況中它在機場的滑行跑道內(nèi)。因為機場也是為乘客便利提供 小區(qū)地點的合理地方，機場的蜂窩基站塔可以設(shè)計為提供按15。滑行 跑道角度向上傾斜且輻射出機場的波束。這確保了即使在起飛和降 落期間，當飛機基本低于巡航高度時，有飛機可以與之通信的適合 的蜂窩基站塔。
圖5是圖示本發(fā)明中適用于同時提供水平波束和仰角30。的波束 的垂直共線陣列30的第一示范實施例的側(cè)視圖。此外， 一個波束的 輻射峰值對應(yīng)另一個波束中的空值，且反之亦然， 一種稱為"正交 波束"的特性。
框31和32是180?；旌线B接，本文是以架空線路形式圖示的。 混合連接具有兩個輸入和兩個輸出。進入兩個輸入的第 一輸入的信
號同相地在多個輸出之間被分割(divided),而進入兩個輸入的第二 輸入的信號反相地分割到輸出。在架空線路形式中，這通過將四個 四分之一波長臂(arm )中的 一個的線路反向交叉(reversing crossover) 形成Moebius回路來實現(xiàn)。這種裝置也已經(jīng)利用同軸電纜構(gòu)建，其 中在一個臂中內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體反向來實現(xiàn)大約相同的結(jié)果。
使用混合連接31來對天線單元llb和lld饋送，可以同相地(為 水平波束所需)或異相地(為向上傾斜波束所需)驅(qū)動這些單元。 混合連接32對天線單元lla和llc執(zhí)行相同的功能。信號S2經(jīng)由相 等長度的饋線33同相地施加到兩個同相混合連接輸入，使得信號S2 同相地在所有四個天線單元之間分割，從而創(chuàng)建水平波束。另一方 面，在饋線34中通過額外四分之一波長相對于混合31將信號Sl按 90°延遲施加到混合32。以此方式，4安信號Sl要經(jīng)由向上傾斜的波 束發(fā)送或接收所需的，從上到下利用0。、 90°、 180°和270。的逐漸相 位延遲將信號S2在四個天線單元之間分支。
可以連接信號端口 Sl和S2以將發(fā)射器-接收器設(shè)備分開，以便 使用水平波束與蜂窩電話的通信可以與使用向上傾斜的波束對飛機 的通信同時提供。蜂窩設(shè)備可以是任何標準類型的，如符合IS95或 WCDMA UMT-2000 (3G)標準，或符合GSM標準或其他適合的標 準。
圖6是圖示本發(fā)明中適用于同時提供水平波束和仰角30°的波束 的垂直共線陣列40的第二示范實施例的側(cè)視圖。在此實施例中，可 以利用正交-3犯分離器(定向耦合器35)來替代圖5的90°定相線。 定向耦合器提供兩個端口 Sla和Slb，它們分別對應(yīng)于與0°、 90°、 180。 、270。的定相對應(yīng)的向上傾斜的波束和與0° 、-卯°、國180°、國270° 的定相對應(yīng)的向下傾斜的鏡像波束。向下傾斜的波束仍在水平平面 中具有空值，所以除非是非?？拷舅牡胤桨l(fā)送的，否則不會 對蜂窩信號強響應(yīng)。向下傾斜的波束拾取從地面反射的飛機傳輸。 這些信號的相位將是未知的，但是在分集組合接收器中可以利用接
收到的能量。在靠近水的地方，水提供優(yōu)良的反射面，所以這些反
射的信號可以與直接的波一樣強，因此在信干比方面提供3dB的改 主口 。
在CDMA的情況中，CDMA以能夠在所有小區(qū)中重復(fù)利用相同 的頻譜而聞名，向上波束和水平波束可以使用相同的頻譜。在傳輸 時，只需確保從每個波束發(fā)射的總功率是相似的，以便接收器處由 非期望的波束對期望的波束的干擾僅按兩個陣列方向圖的比例呈 示，這樣總是能足夠確?？珊雎缘幕ハ喔蓴_。存在從輻射的地面物 體反向散射而導(dǎo)致來自水平輻射的信號對飛機接收器的附加干擾， 但是這種干擾因CDMA的特性而被容忍。
圖7是圖示將本發(fā)明與歐洲電信標準協(xié)會的GSM/EDGE標準結(jié) 合使用時的智能頻率重復(fù)使用面的示意圖。GSM傳輸對于每個信號 利用比CDMA少的頻語，但是要求較高的期望信號對非期望信號的 比例，因此并不嘗試在每個小區(qū)中重復(fù)使用相同的頻譜。它們對反 向散射的干擾的容忍可能也不高。為了減輕后一種標準，可以實施 相對于三個向上傾斜的扇區(qū)智能地選擇三個水平扇區(qū)中使用的頻率。
用于三個地面覆蓋扇區(qū)的多組不同頻率信道集的使用通過標號 fl、 f2和f3來圖示。fl表示的一組信道用于扇區(qū)中的向上定向的波 束41a,其中地面波束41b使用f2信道組。同樣地，向上的波束42a 使用f2信道組，其下在扇區(qū)42b中地面使用f3信道組。向上的波束 43a使用f3信道組，其下為fl的地面波束43b。以此方式，將飛機 和地面通信對相同頻率的使用在方位角和仰角方面進行分離。此外， 還可以構(gòu)造這三個頻率組的第三種循環(huán)置換以用于仰角比波束41a、 42a和43a高的另一組波束。該組波束可以利用來對較靠近基站塔 的飛機提供服務(wù)。
原理上，可以將零到90°仰角的垂直波束空間分成任何數(shù)量波 束層，在釆用CDMA信號波形的情況中它們?nèi)渴褂孟嗤念l譜，
或者，使用120°方位角扇區(qū)頻譜分配的置換，使得相同仰角處方位 角或相同方位角處的仰角中相鄰的波束不使用相同的頻譜。這提供 波束-空間分離，以實現(xiàn)重復(fù)使用相同頻率信道以便在目標接收器 處維持較高的期望信號強度對非期望信號強度之比的實例。
本發(fā)明可以包括用于跟蹤飛機并指定它們經(jīng)由最接近或最適合 的一個或多個蜂窩基站塔來工作的控制網(wǎng)絡(luò)。例如，可以指定飛機 經(jīng)由提供最高質(zhì)量信號的基站塔來工作。如果飛機太靠近某個塔， 則仰角可能太大。因此，該控制網(wǎng)絡(luò)可以指定較遠的基站塔以便將 飛機置于仰角波束內(nèi)。
本發(fā)明還可以包功率控制系統(tǒng)，該功率控制系統(tǒng)工作以確Y呆 地面發(fā)射器和飛機發(fā)射器都使用剛好足以在飛機與最近的基站塔之 間達到的功率，從而避免與可能為不同飛機正在使用相同頻率的多 個基站塔相千擾或基本避免與可能正在接收非期望的飛機信號而成 為與它們的水平地面蜂窩天線波瓣的干擾的多個不同基站塔相干 擾。
與在蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中 一樣，該控制網(wǎng)絡(luò)包括用于在飛機移動通 過網(wǎng)絡(luò)時指定不同基站塔的切換系統(tǒng)。在一個實施例中，從基站塔 向飛機與從基站塔向地面用戶使用相同的發(fā)射功率，由此確保對于 每個目標接收器，通過目標天線的主波瓣增益對其他波瓣的側(cè)瓣電 平之比來確定期望的信號強度對非期望的信號強度之比。公知為 UMT-2000的第三代蜂窩系統(tǒng)采用寬帶pDMA (WCDMA)，是優(yōu)選 的傳輸技術(shù)，以便平衡現(xiàn)有技術(shù)的使用。
在另一個實施例中，可以將不同蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接到相同的基站。 一個蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以通過本發(fā)明的天線陣列形成的水平天線波束為基 于地面的訂戶提供服務(wù)。另一個蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以通過本發(fā)明的天線陣 列形成的有仰角的天線波束為機載訂戶提供服務(wù)。
圖8是本發(fā)明的系統(tǒng)的另一個實施例的筒化框圖?？罩薪煌?制(ATC)網(wǎng)絡(luò)51向基站52提供ATC信息。同樣地，蜂窩電信網(wǎng)
絡(luò)53向基站提供電話和寬帶多媒體信息。復(fù)用器/解復(fù)用器(MUX) 54將信息復(fù)用，基站使用本發(fā)明的天線配置將復(fù)用的信息傳輸?shù)斤w 機55。
來自基站的無線電信號優(yōu)選地被外部天線56接收到，外部天線 56可以安裝在飛機55表層，使得信號特性比天線在乘客機艙的便攜 式乘客裝置57的情況更易于預(yù)測。機載收發(fā)器58接收信號，并將 它們發(fā)送到編解碼器59,編解碼器59可以將數(shù)據(jù)流中的ATC信息 和蜂窩信息解碼。編解碼器就可以采用與座艙儀器61兼容的格式記 錄ATC信息。該編解碼器可以采用與便攜式乘客設(shè)備57兼容的格式 將信息重新編碼。然后將重新編碼的信息流發(fā)送到MUX62,由MUX 62將ATC信息與蜂窩信息分離。將ATC信息發(fā)送到座搶儀器61, 同時將蜂窩信息發(fā)送到機上中繼器或轉(zhuǎn)發(fā)器63，以用于在飛機內(nèi)再 傳輸。
基站52可以利用例如高速下行分組訪問(HSDPA)信號將信號 傳輸?shù)斤w機55。在編解碼器59重新編碼之后，機上轉(zhuǎn)發(fā)器63使用 另 一個或相似的WCDMA協(xié)議、GSM或EDGE協(xié)議或藍牙或802,11 協(xié)議來將蜂窩信息再傳輸。以此方式，可以在飛機內(nèi)將服務(wù)提供到 基本與任何標準相符的乘客設(shè)備57。同樣地，機上轉(zhuǎn)發(fā)器從乘客設(shè) 備和/或機載安全性設(shè)備(例如網(wǎng)絡(luò)攝像頭64)接收反向傳輸。通過 飛機至地面鏈路將該反向傳輸與ATC信息和安全性傳輸一起重新編 碼并復(fù)用。因此，空中至地面鏈路可以視為提供用于機栽微小區(qū)基 站的返程通信。
應(yīng)該注意本發(fā)明還可以直接與機上乘客設(shè)備57通信而不使用機 上轉(zhuǎn)發(fā)器或中繼裝置63。但是，由于標準多樣性和乘客設(shè)備的性能 方面的原因，使用轉(zhuǎn)發(fā)器應(yīng)該提供更好的性能和靈活性。
正如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到的，可以在廣泛的應(yīng)用范圍上對
本申請中描述的發(fā)明概念及性能進行修改和改變。因此，專利的主 題范圍不應(yīng)限于上文論述的特定示范技術(shù)，而是由所附權(quán)利要求來定義。
權(quán)利要求
1.一種在蜂窩基站中用于在所述基站與服務(wù)小區(qū)內(nèi)工作的基于地面的移動訂戶之間以及在所述基站與飛行通過所述服務(wù)小區(qū)的飛機之間發(fā)送和接收信號的天線布置，所述天線布置包括用于生成水平天線波束的部件，通過所述水平天線波束在所述基站和所述基于地面的訂戶之間發(fā)送和接收信號；以及用于生成有仰角的天線波束的部件，通過所述有仰角的天線波束在所述基站與所述飛機之間發(fā)送和接收信號。
2. 如權(quán)利要求1所述的天線布置，其特征在于，所述有仰角的 天線波束在仰角上與所述水平天線波束足夠分離，以消除這兩個波 束之間的相互干擾。
3. 如權(quán)利要求2所述的天線布置，其特征在于，將所述水平天 線波束的峰值指向零度仰角，將所述有仰角的天線波束的峰值指向30 度仰角。
4. 如權(quán)利要求2所述的天線布置，其特征在于，在所述水平天 線波束和所述有仰角的天線波束中使用相同的頻譜。
5. —種在蜂窩基站中用于在所述基站與飛行通過所述基站服務(wù) 的小區(qū)的飛機之間發(fā)送和接收信號的天線布置，所述天線布置包括垂直定向的天線單元陣列；以及連接到每個天線單元的饋線布置，用于向所述天線單元饋送逐 漸相位延遲的信號，由此生成向上定向飛機的有仰角的天線波束。
6. 如權(quán)利要求5所述的天線布置，其特征在于，所述饋線布置 向所述天線單元逐漸饋送90度相位延遲的信號，從最下方天線單元 開始向上推移，由此生成向上指向30度的有仰角的天線波束。
7. —種在蜂窩基站中用于在所述基站與服務(wù)小區(qū)內(nèi)工作的基于 地面的移動訂戶之間以及在所述基站與飛行通過所述服務(wù)小區(qū)的飛機之間發(fā)送和接收信號的方法，其中所述基站包括具有垂直定向的天線單元陣列，所述方法包括利用所述垂直定向的天線單元陣列生成水平天線波束，通過所 述水平天線波束在所迷基站和所述基于地面的訂戶之間發(fā)送和接收 信號；以及
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述有仰角的天線 波束在仰角上與所述水平天線波束足夠分離，以消除這兩個波束之 間的相互干擾。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于， 所述生成水平天線波束的步驟包括生成峰值指向零度仰角的水平天線波束；以及所述生成有仰角的天線波束的步驟包括生成峰值指向30度仰角 的有仰角的天線波束。
10. 如權(quán)利要求8所迷的方法，其特征在于，在所述水平天線波 束和所述有仰角的天線波束中^f吏用相同的頻譜。
11. 一種在蜂窩基站中用于在所述基站與飛行通過所述基站服務(wù) 的小區(qū)的飛機之間發(fā)送和接收信號的方法，所述方法包括 將多個天線單元定向成垂直陣列； 將饋線布置連接到每個天線單元；以及向所述天線單元饋送逐漸相位延遲的信號，由此生成向上定向 飛機的有仰角的天線波束。
12. —種用于與設(shè)在服務(wù)區(qū)內(nèi)的基于地面的移動訂戶通信以及與 飛行通過所述服務(wù)區(qū)的飛機通信的蜂窩通信系統(tǒng)，其中所述服務(wù)區(qū) 設(shè)有多個按一定間距隔開的基于地面的天線塔，所述天線塔的每個 天線塔服務(wù)于所述服務(wù)區(qū)內(nèi)的一個小區(qū)，所迷系統(tǒng)包括用于從通信網(wǎng)絡(luò)向所述多個天線塔發(fā)送通信信號的部件；以及 設(shè)在所述天線塔的至少其中一個天線塔上的天線布置，所述天 線布置包括用于生成用于與基于地面的訂戶通信的在方位角上隔開的 水平天線波束的部件；以及用于生成與飛機通信所用的在垂直平面中與所述水平天線 波束分離的在方位角上隔開的有仰角的天線波束的部件。
13. 如權(quán)利要求12所迷的系統(tǒng)，其特征在于，所述用于生成在 方位角上隔開的水平天線波束的部件生成具有垂直波束寬度的水平 天線波束，其中與基于地面的訂戶的通信不導(dǎo)致與飛機的通信的顯 著干擾。
14. 如權(quán)利要求13所迷的系統(tǒng)，其特征在于，所述用于生成在有仰角的天線波束，其中與飛機的通信不導(dǎo)致與基于地面的訂戶的 通信的顯著干擾。
15. 如權(quán)利要求14所迷的系統(tǒng)，其特征在于，在所述水平天線 波束和 >斤述有仰角的天線波束中使用相同的頻譜。
16. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述天線布置在 服務(wù)小區(qū)的方位角扇區(qū)中生成在方位角上隔開的水平天線波束和有 仰角的波束，在所述在方位角上隔開的水平天線波束的扇區(qū)之間對 頻譜進行劃分，以及在所述有仰角的天線波束的至少其中之一的方 位角扇區(qū)之間對頻謙進行劃分。
17. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，在所述水平天線 波束的方位角扇區(qū)之間對頻譜的劃分與在所述至少一個有仰角的天 線波束的方位角扇區(qū)之間的劃分相比是輪換的，其中在任何一個扇
18. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述蜂窩通信系 統(tǒng)是GSM/EDGE蜂窩通信系統(tǒng)。
19. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述蜂窩通信系 統(tǒng)是碼分多址(CDMA)蜂窩通信系統(tǒng)。
20. 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，在發(fā)自相同基站 塔的所有天線波束中使用相同的頻譜。
21. 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，來自相同基站塔 的不同波束的傳輸使用正交CDMA碼。
22. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述用于從通信 網(wǎng)絡(luò)向所述多個天線塔發(fā)送通信信號的部件包括用于從第 一通信網(wǎng)絡(luò)向所述天線布置發(fā)送通信信號以用于與基 于地面的訂戶通信的部件；以及用于從不同的第二通信網(wǎng)絡(luò)向所述天線布置發(fā)送通信信號以用 于與飛機通信的部件。
23. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述天線布置設(shè) 在多個天線塔上，以及所述系統(tǒng)還包括用于跟蹤飛機并指定所述飛 機經(jīng)由提供最高質(zhì)量的信號的天線塔工作的控制器。
24. 如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器還在 飛機從第一天線塔服務(wù)的第一小區(qū)移動到第二天線塔服務(wù)的第二小 區(qū)時將飛機從所述第 一天線塔切換到所述第二天線塔。
25. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括用于控制所述天線塔處機制，其中所述功率控制機制確保所述地面發(fā)射器和所述機載發(fā)射 器都以足以使發(fā)送的信號僅到達所述飛機與最接近的天線塔之間的 功率電平發(fā)射。
26. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括功率控制機制，所述功 率控制機制用于確保在所述有仰角的天線波束中用于發(fā)射信號的發(fā) 送功率電平與所述水平天線波束中用于發(fā)射信號的發(fā)送功率電平相 同。
27. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述將通信信號 從通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到所述多個天線塔的部件包括用于將寬帶多媒體通 信信號發(fā)送到所述天線布置的部件，其中所述天線布置在有仰角的 天線波束中將寬帶多媒體通信信號發(fā)送到飛機。
28. —種用于與設(shè)在小區(qū)內(nèi)的基于地面的移動訂戶通信以及與飛 行通過所述小區(qū)的飛機通信的蜂窩通信系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括服務(wù)于所述小區(qū)的基于地面的基站，所述基于地面的基站包括 用于生成用于與飛機通信的有仰角的天線波束的天線布置； 飛機上用于與基于地面的基站通信的收發(fā)器；以及 連接到所述收發(fā)器用于與^L上便攜式通信設(shè)備通信的微蜂窩基站。
29. 如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述基于地面的 基站從空中交通控制(ATC)網(wǎng)絡(luò)和從蜂窩電信網(wǎng)絡(luò)接收信息，所述 基于地面的基站包括復(fù)用器，所述復(fù)用器用于將來自所述ATC網(wǎng)絡(luò) 的信息與來自所述蜂窩網(wǎng)絡(luò)的信息復(fù)用到要利用所述有仰角的天線 波束發(fā)送到飛機的數(shù)據(jù)流中。
30. 如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，還包括飛機上的復(fù)用器，所述 復(fù)用器用于將所述數(shù)據(jù)流解復(fù)用以將所述ATC信息與所述蜂窩信息 分離，其中將所述蜂窩信息發(fā)送到所述微蜂窩基站，以便再傳輸?shù)?便攜式通信設(shè)備。
31. 如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，還包括用于將從所述基于地面 的基站接收到的數(shù)據(jù)流解碼、以及用于以所述便攜式通信設(shè)備采用 的格式將所述蜂窩信息重新編碼的編解碼器。
32. 如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述復(fù)用器將所 述ATC信息發(fā)送到座艙儀器，以及所述編解碼器以所述座搶儀器采 用的格式將所述ATC信息重新編碼。
全文摘要
一種用于在基站塔、基于地面的移動訂戶和飛機之間發(fā)送和接收信號的天線布置、方法和蜂窩通信系統(tǒng)。該天線布置包括垂直定向的天線單元陣列和饋線布置，該饋線布置以逐漸相位延遲的信號向天線單元饋送，由此生成向上定向飛機的有仰角且與基于地面的移動訂戶遠離的有仰角的天線波束。在一個實施例中，天線布置還生成用于與基于地面的訂戶通信的水平天線波束。水平波束與有仰角的波束在仰角上足夠分開以防止使用相同的頻譜時的互相干擾。
文檔編號H04W16/28GK101176367SQ200680016689
公開日2008年5月7日 申請日期2006年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月18日
發(fā)明者P·W·登特 申請人:艾利森電話股份有限公司