專利名稱：用于管理空地蜂窩通信網(wǎng)中多條空地通信鏈路的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蜂窩通信。具體而言，本發(fā)明涉及在飛機和多個陸地小區(qū) 站點之間同時提供多條射頻通信鏈路的一種系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
蜂窩通信領(lǐng)域的一個問題是當(dāng)飛機沿著它們的路線S行以及接近或離 開機場時，如何有效并且連續(xù)不斷地滿足多架飛機中乘客的通信需求。
典型的空地蜂窩通信網(wǎng)(包括地空鏈路)由多個陸地(地面)基站組 成，每個基站在預(yù)定的空域內(nèi)提供一個射頻覆蓋區(qū)。這些射頻覆蓋區(qū)在小 區(qū)站點發(fā)射天線周圍成輻射狀排列。這種陸地基站采用的天線對地面發(fā)出 的或者地面反射的信號不敏感，并且這種天線只朝天空方向發(fā)射信號。這 種陸地基站在地理上是分布式的， 一般都是采用典型的蜂窩通信網(wǎng)布局。
這些陸地基站也可以靠近機場與機場在一起。當(dāng)飛機在地面l:的時候，這 些飛機也能夠得到網(wǎng)絡(luò)覆蓋。在這種情況下，針對地面上的飛機來優(yōu)化天 線。每個陸地基站覆蓋區(qū)的邊界都與相鄰站點覆蓋區(qū)的邊界基本連續(xù)，從 而使空地蜂窩通信網(wǎng)中所有陸地基站的組合覆蓋為整個目標(biāo)區(qū)域提供通信 覆蓋'。陸地基站可以利用與單個發(fā)射和接收天線系統(tǒng)有關(guān)的收發(fā)信機來提 供單個全向覆蓋小區(qū)，或者可以利用有關(guān)的收發(fā)信機和有關(guān)的發(fā)射和接收 天線在小區(qū)的覆蓋區(qū)內(nèi)提供多個扇區(qū)。后一種布局中每個陸地基站多個扇 區(qū)的優(yōu)點在于在這個陸地基站的覆蓋區(qū)內(nèi)能夠提高呼叫處理容量。
可以使用的無線電頻譜在總量上是有限的，因此任何小區(qū)的呼叫處理 總?cè)萘慷际怯邢薜摹．?dāng)無線通信裝置從一個小區(qū)或扇區(qū)的覆蓋區(qū)移動到相 鄰小區(qū)或扇區(qū)的覆蓋區(qū)時，要將這個無線通信裝置的通信從第一個小區(qū)或 扇區(qū)切換到第二個小區(qū)或扇區(qū)。這樣做要求第二個小區(qū)有足夠的呼叫處理容量可供使用，以便支持這個無線通信裝置帶來的新的負荷。單個個人無 線通信裝置的呼叫切換不會給小區(qū)帶來很大的瞬間負荷。但是，在空地蜂 窩通信網(wǎng)中，飛機內(nèi)正在進行的大量呼叫會占用陸地小區(qū)站點的大部分呼 叫處理容量，因為每架飛機都有幾百個乘客，每一個乘客都在爭相占用網(wǎng) 絡(luò)容量。由于小區(qū)站點能夠支持的飛機數(shù)量有限，而飛機在小區(qū)內(nèi)的平均 滯留時間卻很長， 一架飛機還沒有離開并釋放小區(qū)處理容量時，就可能有 另一架飛機到達，因此必須有很大的空閑容量用來為飛機提供服務(wù)。另外， 在飛機和提供服務(wù)的陸地小區(qū)站點之間采用單條射頻鏈路意味著一個故障 就會導(dǎo)致大量呼叫中斷。
所以，空地蜂窩通信網(wǎng)中飛機和陸地基站之間的射頻通信鏈路容量有 限，容錯能力差，導(dǎo)致提供服務(wù)的陸地小區(qū)站點的呼叫處理容量有限。
在這一領(lǐng)域需要解決空地蜂窩通信網(wǎng)呼叫處理容量問題，并且顯著地 提高系統(tǒng)可用度、系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)容量。
發(fā)明內(nèi)容
以上問題是利用本發(fā)明中用于與多個陸地小區(qū)站點同時通信的多鏈路 飛機蜂窩系統(tǒng)來解決的。在這里將這一系統(tǒng)稱為"多鏈路飛機蜂窩系統(tǒng)"。
在這一技術(shù)說明書中，"空地"蜂窩通信網(wǎng)被看做是雙向的，包括地空 方向，從而形成全雙工無線通信鏈路。因此，在這一說明書中，空地也包 括地空方向。
通過在一個以上的小區(qū)或扇區(qū)之間分擔(dān)飛機的通信流量，帶寬有限的 這種空地蜂窩通信網(wǎng)能夠提高其針對每架飛機的處理容量。這一方法通過 到多個陸地小區(qū)或扇區(qū)(或者給定小區(qū)的多個扇區(qū))的一條以上的空地射 頻通信鏈路來同時承載飛機的呼叫通信流量。對于給定的無線電頻譜分配， 在多條空地射頻通信連路上將呼叫通信流量擴散到多個陸地小區(qū)或扇區(qū)， 只要沒有任何其它飛機爭用這些小區(qū)或扇區(qū)的容量，就能夠使呼叫處理容 量成倍增長。意義同樣重大的是，這種體系結(jié)構(gòu)能夠解決單條空地射頻通 信鏈路容錯能力差的問題，從而使這一組合起來的空地射頻通信鏈路的網(wǎng) 絡(luò)可用度得到顯著提高，并使其更加魯棒。通過將總的網(wǎng)絡(luò)負荷"分攤" 到多個陸地小區(qū)，即使在某個空域內(nèi)有多架飛機，空地蜂窩通信網(wǎng)非常繁
7忙，這一方法也會因為這個服務(wù)區(qū)內(nèi)的飛機在獨立、共同地改變它們對網(wǎng) 絡(luò)容量的需求，而提高給定飛機的總通信流吞吐量。
為了提高帶寬受限無線空地網(wǎng)絡(luò)的容量、可用度和可靠性，還需要其 它方法來分解飛機在其中工作的可用空間和時間多維區(qū)域。這些方法包括 使用兩個基本正交的極化來有效地將給定頻譜分配的容量加倍。此外，如 果還增加沃爾什碼域分隔，還能夠進一步提高空地蜂窩通信網(wǎng)的呼叫處理 容量。
本發(fā)明中的多鏈路飛機蜂窩系統(tǒng)利用安裝在飛機上并且互相分開的多 個天線，以及額外的可選信號隔離和優(yōu)化技術(shù)來提高空地蜂窩通信網(wǎng)的呼 叫處理容量。在地面上，在方位、俯仰方向上以及在高度上或者在多個平 面內(nèi)的基站天線方向圖成形使得多維空間區(qū)域被進一步分隔成多個扇區(qū)， 從而通過空間頻率重用來進一步提高系統(tǒng)容量。
從本質(zhì)上講，上面提到的提高容量的技術(shù)全部都是加性的。例如，與 方位上六扇區(qū)基站天線方向圖一起使用基本正交的極化，對給定基站和有 關(guān)飛機的總?cè)萘烤哂芯€性相乘的效果。在考慮網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘繒r，在多個節(jié)點 之間對負荷尖峰進行平滑或平衡，能夠提高整個系統(tǒng)的尖峰負荷管理能力。
因此，通過在一個以上的陸地小區(qū)或扇區(qū)之間分擔(dān)通信流量負荷，利 用飛機上安裝的多個分隔開的天線，以及利用基站天線方向圖劃分扇區(qū)， 并且利用正交極化這種額外的可選信號隔離和優(yōu)化技術(shù)，這種空地蜂窩通 信網(wǎng)能夠提高其對每一架飛機的通信流量(數(shù)據(jù)和話音)處理容量。
圖1A 1C分別是波音737飛機的側(cè)視圖、正視圖和頂視圖； 圖2A說明波音737-500飛機前部安裝的(forward mounted)腹部刀片 天線(blade antenna)的射頻發(fā)射方向圖；圖2B說明發(fā)動機吊艙(engine pods)
對射頻信號的遮擋；
圖3A說明兩個飛機刀片天線的射頻發(fā)射方向圖， 一個刀片天線安裝在 波音737-500飛機的前部(forward), —個刀片天線安裝在后部(aft)，如 圖3B所示；
圖4A說明在飛機腹部安裝的具有縫隙天線輻射器的刀片天線，天線的
8電場矢量垂直于縫隙的長度方向；
圖4B說明圖4A中安裝在腹部的刀片天線的射頻輻射方向圖，以及在 導(dǎo)電表面上的水平電場和遠場輻射方向圖，在導(dǎo)電表面平面內(nèi)有方向圖零 點；
圖4C說明安裝在腹部的具有單極天線輻射器的刀片天線，它的電場矢
量平行于單極單元的長軸；
圖4D說明圖4C所示安裝在腹部的刀片天線的射頻輻射方向圖，以及
在導(dǎo)電表面上的垂直電場和遠場輻射方向圖5A說明安裝在腹部的刀片天線，以及垂直電場和水平電場；
圖5B說明安裝在腹部的圓極化天線，以及導(dǎo)電表面上的遠場輻射方向 圖(在水平方向上這個天線的軸比(axial ratio)很差，但是，和圖4B不同， 輻射功率只是下降3分貝，而在圖4B中則是一個理論上的理想零點)；
圖6說明安裝在導(dǎo)電表面上的典型雙線極化微帶貼片天線在輻射天線 所在平面內(nèi)的射頻信號輸出；
圖7說明在導(dǎo)電表面上安裝的典型雙圓極化微帶貼片天線在輻射天線 所在平面內(nèi)的射頻信號輸出；
圖8A說明安裝在飛機機身側(cè)面上(或者在腹部和機身側(cè)面之間的區(qū)域 內(nèi))的線極化或圓極化共形微帶貼片天線(或天線陣)(這些微帶天線可以 是圖6和7所示的那種單個輻射器，也可以是微帶輻射器陣列)；
圖8B說明安裝在飛機腹部并且指向天底(地面)的圓極化共形微帶貼 片天線(或天線陣)(這個飛機天線與基站處指向天頂(天空)的天線配對);
圖9A說明多個空地陸地基站形成的空地蜂窩通信網(wǎng)中小區(qū)站點的典 型模式(利用六角形的小區(qū)形狀能夠更加容易地說明)；
圖9B說明利用垂直極化和水平極化區(qū)分扇區(qū)，在方位方向上將空地陸 地基站天線的遠場方向圖劃分成六個扇區(qū)(在極化域進一步劃分扇區(qū)，在 這個實例中，相鄰扇區(qū)之間垂直極化和水平極化交替)；
圖9C說明利用右旋圓極化和左旋圓極化區(qū)分扇區(qū)，在俯仰方向上將空 地陸地基站天線的遠場方向圖劃分成六個扇區(qū)(在極化域進一步劃分扇區(qū)， 在這個實例中，相鄰扇區(qū)之間右旋圓極化(RHCP)和左旋圓極化(LHCP) 交替)；圖9D說明在圖9B所示的系統(tǒng)中有三架飛機，其中利用垂直極化和水 平極化區(qū)分扇區(qū)，在方位方向上將空地陸地基站天線的遠場方向圖劃分成 六個扇區(qū)，如果空間幾何形狀允許，其中的飛機能夠同時與一個以上的扇 區(qū)通信；
圖10A說明飛機遠離基站天線，傳播視角很小的情況下，射頻信號的 直接路徑和反射路徑；
圖10B說明在俯仰方向上劃分成多個扇區(qū)的小區(qū)站點，其中俯仰方向 上的扇區(qū)交替采用兩個基本正交的極化；
圖10C說明在方位上劃分成圖示兩個扇區(qū)的小區(qū)站點在俯仰方向上被 進一步劃分成多個扇區(qū)，這兩個扇區(qū)劃分維度被交替采用兩個基本正交的 極化，因此不論是在方位方向上還是在俯仰方向上或者同時在兩個維上， 空域中的兩個相鄰扇區(qū)都不象目前的扇區(qū)中那樣具有相同的極化；
圖11A說明這樣一個實例，其中在飛機腹部安裝的兩個天線， 一個是 共形微帶貼片天線，另一個是刀片天線，用于支持與不同的兩個空地陸地 基站的兩條空地射頻通信鏈路；
圖11B是為多架飛機提供服務(wù)的空地蜂窩通信網(wǎng)的總示意圖，其中的 每架飛機都通過至少一條空地射頻通信鏈路進行連接；
圖12A以框圖的形式說明飛機數(shù)據(jù)和話音業(yè)務(wù)通過數(shù)據(jù)流量控制到具 有一個發(fā)射端口和兩個接收端口的當(dāng)前技術(shù)收發(fā)模塊(收發(fā)信機)的互聯(lián);
圖12B以框圖的形式說明具有四個天線連接端口，每個都能夠發(fā)射和 接收的增強型收發(fā)信機模塊；
圖12C以框圖的形式說明根據(jù)收自基站扇區(qū)的導(dǎo)頻信號的強度來管理 飛機上發(fā)射天線的選擇的系統(tǒng)(圖12C中的過程與圖12D和12E中的過程 相結(jié)合)；
圖12D和12E與圖12C的過程相結(jié)合，用于說明如何選擇飛機上發(fā)射 輻射器的極化以及如何選擇射頻信號的發(fā)射天線；
圖12F以框圖的形式說明根據(jù)收自基站扇區(qū)的導(dǎo)頻信號的強度來管理 飛機上接收天線的選擇的系統(tǒng)；
圖12G與圖12F的過程相結(jié)合，進一步說明最有可能的飛機系統(tǒng)級狀 態(tài)，例如是有一條空地鏈路還是有兩條空地鏈路；圖12H說明飛機天線、極化和頻域之間可能的陣列組合。圖12H還以 實例的形式說明同時使用兩條空地鏈路而不會導(dǎo)致自相干擾的三個域的 主、次配對；
圖13以框圖的形式說明飛機上利用兩個收發(fā)信機卡(多半是未經(jīng)修改 的)來實現(xiàn)雙天線、雙極化和多鏈路能力的關(guān)鍵組件；
圖14A1說明多鏈路能力如何在飛機和陸地基站之間的正向和反向路 徑上進行逆復(fù)用(inverse multiplexing),其中在發(fā)送到選中的目的地之前， 在飛機上和地面上按照正確的順序?qū)⑹驍?shù)據(jù)分組重新組裝；圖14A2是圖 14Al的改進，說明具體應(yīng)用，其中陸地扇區(qū)具有相似的發(fā)射極化和接收極 化，到飛機收發(fā)信機的飛機天線連接使得能夠通過連接矩陣MXN進行分 集接收；圖"Al中還將PDSN逆復(fù)用功能的位置向下游搬遷，從而不必修 改BTS到BSC互聯(lián)私有協(xié)議(因而能夠縮短進入市場的時間，并且降低開 發(fā)成本)；
圖14B說明飛機無線電調(diào)制解調(diào)器和陸地PDSN (分組數(shù)據(jù)交換網(wǎng)) 以及HA(歸屬代理)之間的連接，以說明如何通過兩條無線多鏈路在空地 方向上傳送單個服務(wù)質(zhì)量(QoS),并且然后重新組合成原始數(shù)據(jù)流的等同 副本(源自飛機)；以及
圖14C從概念上說明逆復(fù)用的簡化工作過程。
具體實施例方式
提供高可靠度和高可用度的空地蜂窩通信服務(wù)是一個非常復(fù)雜的過 程，因為空地蜂窩通信網(wǎng)的許多組件互相作用，影響復(fù)合的整個空地蜂窩 通信'網(wǎng)業(yè)務(wù)處理容量(數(shù)據(jù)、話音等)。改變網(wǎng)絡(luò)組件能夠改善一個網(wǎng)絡(luò)屬 性，但同時會影響另一個網(wǎng)絡(luò)屬性。從系統(tǒng)的角度來看，設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該 在具有髙業(yè)務(wù)容量的同時，具有高可靠度和高可用度。為了能夠選擇地管 理這些屬性，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能夠隨著時間不斷升級，從而不斷提高業(yè)務(wù)
提高呼叫處理容量的問題
由于空地射頻通信鏈路代表的是固定帶寬資源，因此，如何提高空地蜂窩通信網(wǎng)的容量是一個很大的問題。由于蜂窩通信網(wǎng)要為多維空間的空 中飛機提供服務(wù)，這個多維空間內(nèi)具有不斷變化的飛機空間密度，因此提 高容量的問題更加復(fù)雜，尤其是在機場和機場附近，飛機的空間密度非常 高。這些飛機高速飛行，導(dǎo)致多普勒頻移，還存在因為小區(qū)半徑很大而帶
來的時間延遲。飛機飛行姿態(tài)(aircraft flight profiles)包括不斷變化的上升 角(pitch)、橫滾角和偏航角，具有不同的高度和不同的速度。從陸地基站 的角度來看，每架飛機都是單獨一個"節(jié)點"。作為單獨一個節(jié)點，對于陸 地基站而言，可能有數(shù)百乘客的每架飛機都具有非常大的容量，都是非常 大的單點網(wǎng)絡(luò)負荷。每個獨特的乘客都可能有一個無線裝置，這個無線裝 置具有特定的數(shù)據(jù)和/或話音要求。這些數(shù)據(jù)和/或話音要求乘以乘客的無線 裝置的數(shù)量，會使得每架飛機的業(yè)務(wù)負荷極大。在給定的任意區(qū)域內(nèi)，可 能有數(shù)十架飛機，每架飛機都有很大的業(yè)務(wù)負荷，所有飛機一起爭用空地 蜂窩通信網(wǎng)通過有限頻帶的空地射頻通信鏈路的網(wǎng)絡(luò)資源。
飛機天線系統(tǒng)
在這里描述的采用多鏈路的逆多路復(fù)用系統(tǒng)在很大程度上依賴于空地 系統(tǒng)的這樣一個優(yōu)點，那就是空中輻射極化會維持它們的輻射后狀態(tài)，不 會(象與陸地移動裝置也就是蜂窩電話通信的陸地蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信一樣)因 為物體散射而出現(xiàn)極化矢量旋轉(zhuǎn)。這是因為空地網(wǎng)絡(luò)中的傳播路徑是視距 (LOS)傳播路徑，在飛機和地面之間沒有人和自然的或人造的物體來衍射、
折射、反射或用其它方式影響飛機和地面之間(或者類似地在地面和飛機 之間)的射頻信號傳播(輻射出去的和到達的信號的極化維持不變)。因此， 空地網(wǎng)絡(luò)能夠很好地在兩種正交極化的類型之間實現(xiàn)良好的極化隔離。正 交極化的實例包括垂直極化到水平極化，以及右旋圓極化到左旋圓極化。 系統(tǒng)級別的高頻電磁計算機模擬和現(xiàn)場測量都表明這一正交極化隔離通常 在12分貝到15分貝的范圍之內(nèi)。這一隔離程度完全足以將極化用作(使 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)或網(wǎng)絡(luò)自身的干擾最小以及)提高系統(tǒng)容量的關(guān)鍵因素。但是，到 目前為止，用于消費通信服務(wù)的所有空地通信系統(tǒng)都是單一極化的，或者 只是垂直極化的，或者只是水平極化的。在歷史上，空地單一極化只是局 限于網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，全部飛機都工作于同一極化方式，或者全部是垂直極化的，或者全部是水平極化的。例如在垂直極化的網(wǎng)絡(luò)1中工作的飛機不能
在水平極化的網(wǎng)絡(luò)2中工作。這里描述的本發(fā)明充分利用基本正交的極化 來管理多扇區(qū)基站天線方向圖的自身干擾，從而顯著地提高同一頻譜或頻 帶分配的系統(tǒng)容量。當(dāng)然，劃分扇區(qū)本身也能夠提高有效網(wǎng)絡(luò)容量。但是， 如果沒有極化隔離，在帶寬有限的系統(tǒng)內(nèi)只是劃分扇區(qū)不能提高空地網(wǎng)絡(luò) 的容量。
可以用于進行系統(tǒng)內(nèi)隔離從而進一步劃分扇區(qū)而沒有自身干擾的其它 方^^包括利用碼域方案，在這種方案中，在每個扇區(qū)使用基本正交的碼。
對于空地通信，時域隔離方法要復(fù)雜得多。其中存在的問題包括大
距離(超過一百英里)引起的較長傳播延遲；沒有任何辦法來阻止分組在 空中繼續(xù)傳播從而干擾數(shù)百英里以外的另一個分組。另外，不可能在時域
上讓各個小區(qū)/扇區(qū)到達飛機的分組同步，從而將分組互相隔離(通過對分 組開-關(guān)循環(huán)進行時序控制)。因此，其它域中的方法是更為優(yōu)選的方法沃 爾什碼，極化，在方位上劃分扇區(qū)，在高度上劃分扇區(qū)，天線方向圖自身 隔離，以及頻帶選擇。
用現(xiàn)有技術(shù)中的蜂窩通信系統(tǒng)給空中的飛機提供服務(wù)存在獨特的問 題，這些當(dāng)今的陸地蜂窩通信網(wǎng)都沒有考慮過這些問題。例如，安裝在飛
機上的天線系統(tǒng)不僅會經(jīng)歷飛行中的極端情況(每小時650英里，從地面 上的華氏120度到飛行中華氏零下40度的溫度范圍)，還必須承受極端的 振動和其它惡劣環(huán)境條件。從無線通信的角度來看，這些飛機天線必須輻 射具有相關(guān)電磁極化的特殊射頻(RF)信號，這些輻射全部來自非常小的 天線(天線安裝在飛機外表面上，而很大的物體會帶來阻力，從而顯著地 影響飛機的燃油經(jīng)濟性)。飛機本身會對射頻信號造成遮擋，飛機自己的電 磁特性對某些射頻信號的極化具有非線性效應(yīng)，這些都會影響來自飛機天 線的射頻信號的傳播。
有多種類型的天線非常適合于安裝在飛機上刀片天線、共形貼片天
線、共形貼片陣列天線、線狀單極天線、拉線(HF)天線、金屬縫隙天線 等等。在這些天線中，最常用的天線是刀片天線，常常將刀片天線安裝在 飛機腹部。對于刀片天線，具體的安裝位置進一步受限于相鄰的其它飛機 天線或者飛機的機械構(gòu)造，例如飛機控制表面和起落架艙(landing gearstorage well)。由于所希望的射頻通信路徑是空到地路徑和相反的地到空路 徑，因此特別希望將刀片天線安裝在較低的飛機腹部。將刀片天線安裝在 大型商用噴氣機腹部上的時候，飛機本身開始影響視距無線電信號的傳播 路徑。例如，根據(jù)現(xiàn)代噴氣機的發(fā)動機設(shè)計，大涵道噴氣發(fā)動機(high bypass jet engines)(這種發(fā)動機能夠?qū)崿F(xiàn)較高的燃油經(jīng)濟性)的巨大發(fā)動機艙
(engine nacelle)實際上是掛在水平飛行的飛機的腹部以下。發(fā)動機艙是(導(dǎo) 電)金屬的，對于射頻能量而言是不透明的。因此，發(fā)動機艙會遮擋安裝 在腹'部上的刀片天線發(fā)射或接收的射頻能量。對射頻傳播路徑的這種遮擋 非常明顯。另外，在起落架放下并鎖定的短暫飛行過程中，這些機械結(jié)構(gòu) 也是對射頻傳播的視距遮擋物。
另外，由于大多數(shù)飛機都是用導(dǎo)電外皮構(gòu)建的，因此相對于工作頻率
(較高的UHF，較低的L波段，以及更高頻率)而言，飛機導(dǎo)電材料的電 面積很大。因此，飛機天線輻射信號或接收信號的極化(符合電磁互易性 原理)受到電尺寸很大的這個多維導(dǎo)電飛機表面的影響。具體地說，麥克 斯韋方程要求沿著電尺寸很大的這個導(dǎo)體表面，與導(dǎo)體表面平行的電場矢 量的電場強度應(yīng)該等于零。因此，在存在基本水平的導(dǎo)電飛機表面的地方， 在水平面中極化(也就是說當(dāng)飛機水平飛行時，電場的極化平面平行于飛 機腹部和地平面)的飛機天線必然在任意方向都具有方向圖凹陷(roll-off)。 更進一步，存在的導(dǎo)電材料越多，這一方向圖凹陷更加明顯。例如，沿著 飛機腹部的長度方向上朝前、后看去，在腹部安裝的水平極化飛機天線在 水平方向上存在非常明顯的方向圖凹陷。機翼也有某種影響，雖然因為機 翼的導(dǎo)電表面一般在地平面的水平傳播平面以上使得這種影響不那么明顯
(在飛機的高度上看去，給它提供服務(wù)的小區(qū)或扇區(qū)的視角只有幾度)。 由于射頻信號傳播路徑的臨時損耗(temporary loss),這些因素，包括 遮擋和極化方向圖效應(yīng)，會顯著地影響空地蜂窩通信網(wǎng)的可用度。同樣的 這些因素還影響空地蜂窩通信網(wǎng)與給定飛機之間的聚合呼叫處理容量
(aggregate call handling capacity)。對于對時間或等待時間敏感的通信，例 如話音呼叫，這些因素會導(dǎo)致話音電話呼叫簡直無法進行。對于數(shù)據(jù)應(yīng)用， 例如因特網(wǎng)接入，如果有數(shù)百乘客被復(fù)用到同一空地射頻通信鏈路，系統(tǒng) 容量的損失是不可接受的。呼叫切換
目前管理傳播損耗的陸地?zé)o線蜂窩技術(shù)常常包括將呼叫切換到具有更 好信號的相鄰小區(qū)或小區(qū)扇區(qū)。這種陸地切換方法在這一領(lǐng)域中是眾所周 知的。這種切換可以是"硬切換"(切換，然后斷開)、"軟切換"(同時與 兩個或多個小區(qū)連接)或"更軟切換"(在給定小區(qū)的兩個或多個扇區(qū)之間 進行連接)。但是，對于空地蜂窩通信網(wǎng)，小區(qū)站點位于數(shù)百英里以外，這 意味著安裝在飛機腹部的單個飛機天線涉及的射頻蜂窩通信鏈路正在經(jīng)受 任何可能時間長度的性能下降，對于這樣的天線而言，可能沒有可行的切 換，不論是硬切換、軟切換還是更軟切換。事實上，如果飛機正在高處平 直飛行，這種性能下降的持續(xù)時間可能長得難以忍受。
另外，在空地蜂窩通信網(wǎng)中采用固定的射頻頻譜分配，從本質(zhì)上講， 其容量是有限的。香農(nóng)定律說明了最大能夠?qū)崿F(xiàn)每赫茲多少比特的容量。 因此，需要其它方法來提高系統(tǒng)總?cè)萘俊１M管空地蜂窩通信網(wǎng)可以采用提 高系統(tǒng)容量的一些已知方法(從陸地蜂窩系統(tǒng)設(shè)計繼承而來)，但是實際上， 空地環(huán)境非常獨特，具有獨特的特性可以加以利用。例如，在極化域中，
空地蜂窩通信網(wǎng)一般都是視距(LOS)傳播。飛機一般是在平直飛行，即便 是在轉(zhuǎn)彎或爬升/下降，商用飛機的飛行角都不大。因此，測量得到的水平 極化和垂直極化之間的極化隔離為12分貝到15分貝(在純粹陸地蜂窩網(wǎng) 中這是不可能的)。另外，對于飛行過程中的幾乎所有階段，視距傳播條件 使得射頻通信鏈路能夠同時直接傳播到多個小區(qū)或扇區(qū)。同樣，這在陸地 蜂窩網(wǎng)中一般也是不可能發(fā)生的，只有陸地移動終端裝置正在切換區(qū)這種 情況除外。最后，空地陸地基站天線方向圖可以在兩個平面內(nèi)成形，包括 仰角面和方位面。因為沒有任何東西干擾這些方向圖，象建筑物或隧道對 陸地蜂窩通信造成的影響一樣，方向圖成形提供了一種手段來將三維空間 進一步分解成更小的區(qū)域，從而將固定的頻譜分配擴展數(shù)倍。
問題
有三個重要的傳播問題會影響空地射頻通信鏈路的性能因為飛機發(fā)
動機遮擋而引起的視距遮蔽(line-of-sight shadowing)，沿著導(dǎo)電表面方向的水平極化方向圖零點(nulling),以及系統(tǒng)內(nèi)的同信道(同頻)干擾。 視距遮蔽
在這里討論的第一個問題是視距遮蔽。圖1A 1C分別是雙引擎波音737 飛機的側(cè)視圖、正視圖和頂視圖。在一些類型的飛機(例如波音737、 757) 中，發(fā)動機吊艙101、 102延伸到安裝空地蜂窩通信網(wǎng)天線150、 151的機 身底部以下。這種發(fā)動機吊艙結(jié)構(gòu)會對從天線150、 151到提供服務(wù)的陸地 小區(qū)(沒有畫出)的射頻信號造成視距遮擋。
對于安裝在飛機上的天線，最大的射頻覆蓋范圍由無線電地平線(radio horizon)確定，在沒有任何發(fā)動機吊艙遮擋的情況下，要用4/3地球曲率來 計算這里的無線電地平線。在存在發(fā)動機吊艙遮擋的水平方向上，由地面
到飛機的仰角e來決定視距覆蓋，這個仰角肯定大于清除發(fā)動機吊艙以后的
(clearing the engine pod)飛機天線的垂直角(vertical angle)。對于波音 737-500飛機，這個垂直角是15.5度。因此，垂直角和飛機高度決定了在水 平遮蔽區(qū)中的(in the horizontal shadowed region)最大視距覆蓋范圍。對于 波音737-500飛機，在l萬英尺高度上，遮蔽區(qū)中的覆蓋范圍是7英里，而 在4萬英尺的高度上，覆蓋范圍是28英里。
圖2A說明波音737-500飛機前部安裝的腹部刀片天線150的射頻信號 發(fā)射方向圖；圖2B說明發(fā)動機吊艙101、 102對射頻信號的遮擋。圖2A 中的線條220說明當(dāng)飛機在4萬英尺的高度飛行時，從天線150發(fā)出的射 頻信號的有效范圍，圖2A中的線條230則說明當(dāng)飛機在1萬英尺的高度飛 行時，從天線150發(fā)出的射頻信號的有效范圍。從這些天線方向圖可以看 出，區(qū)域250和251表示的天線150的大約35%的潛在射頻覆蓋區(qū)被發(fā)動 機吊艙101、 102遮擋。
在飛機腹部中線后部，飛機機頭和機尾之間的中點上，另外安裝的第 二個天線151，能夠減少或消除圖2A所示安裝在腹部的天線150的射頻信 號發(fā)射方向圖中的零點。圖3A說明兩個飛機刀片天線150、 151的射頻信 號發(fā)射的組合方向圖， 一個刀片天線安裝在波音737-500飛機中線的前部， 一個刀片天線安裝在其中線的后部，如圖3B所示。從這一射頻信號發(fā)射方 向圖可以看出，安裝在腹部的這第二個刀片天線151具有的射頻信號發(fā)射方向圖能夠補充在腹部安裝的第一個刀片天線150的方向圖，從而通過減 少飛機發(fā)動機吊艙101、 102引起的信號遮擋，來提供更加均勻的覆蓋。
'天線組合
使用飛機上的兩個天線能夠部分地解決發(fā)動機吊艙遮擋的問題。但是， 利用雙極化天線，從兩個天線會有四個天線饋入(feed)。利用單個EV-DO 調(diào)制解調(diào)器，在輸入EV-DO調(diào)制解調(diào)器的兩個Rx輸入端之前，來自兩個 天線的兩個垂直極化饋入必須組合，來自兩個天線的兩個水平饋入也必須 組合起來。另一個選項是使用兩個EV-DO調(diào)制解調(diào)器。利用兩個調(diào)制解調(diào) 器，組合這四個天線饋入有兩種可能。在一種選擇中， 一個調(diào)制解調(diào)器連 接兩個垂直饋入，而第二個調(diào)制解調(diào)器則連接兩個水平饋入。在第二個選 擇中，每個調(diào)制解調(diào)器都連接到兩個天線之一的垂直和水平饋入。
選擇l: 一個調(diào)制解調(diào)器連接垂直饋入， 一個連接水平饋入
調(diào)制解調(diào)器 天線1 天線2
.調(diào)制解調(diào)器 天線l 天線2
調(diào)制解調(diào)器1_V
\ H
\ /_V
調(diào)制解調(diào)器2_/ . H
\___/
這種結(jié)構(gòu)受益于小區(qū)/扇區(qū)邊界上的極化隔離。另外，這一選擇還受益 于每個調(diào)制解調(diào)器都由不同的小區(qū)/扇區(qū)提供服務(wù)這樣一個事實。這樣就使 得單架飛機因為復(fù)用增益而具有更高的吞吐量。但是，必須注意，不要讓 低SINR的小區(qū)提供服務(wù)的調(diào)制解調(diào)器將整個小區(qū)的性能拖拽下來。 一種可 能性是僅僅在兩個小區(qū)中較弱的那一個能夠支持最低的數(shù)據(jù)速率(或等同 質(zhì)量度量)時，才復(fù)用多個小區(qū)。如果較弱的這個小區(qū)不滿足最低質(zhì)量度 量要求，就只使用由較強小區(qū)提供服務(wù)的調(diào)制解調(diào)器。
選擇2:每個調(diào)制解調(diào)器連接兩個天線之一的垂直和水平饋入
調(diào)制解調(diào)器 天線1 天線2
調(diào)制解調(diào)器1_V\_H
調(diào)制解調(diào)器2_V
\_H
盡管這種選擇受益于小區(qū)/扇區(qū)邊界上的極化隔離，但是它沒有復(fù)用增 益。這是因為兩個調(diào)制解調(diào)器總是由同一個小區(qū)提供服務(wù)(只有當(dāng)一個天 線被遮擋這種情況除外)，并且會互相爭用前向鏈路時隙。
也可以換成采用動態(tài)自適應(yīng)"智能"設(shè)計來選擇哪一種結(jié)構(gòu)最好，是 選擇1還是選擇2。在這里沒有任何因素將飛機上天線的數(shù)量限制為僅僅兩 個。優(yōu)選具有多于兩個飛機天線，如圖8A所示(這將在本說明書的后面加 以討論)。
典型刀片天線結(jié)構(gòu)
圖4A說明在腹部安裝的刀片天線400，刀片天線400具有切入金屬板 或者腐蝕到印刷電路板上去的縫隙(孔)452。射頻輸入輸出連接器460在 安裝法蘭470上。同軸電纜462在阻抗匹配點460處給縫隙饋電。同軸電 纜的中心導(dǎo)體(也可以是在印刷電路板上腐蝕出來的縫隙的相對側(cè)腐蝕出 來的微帶線)穿過開放的空氣縫隙，連接到縫隙的對面邊緣上(電氣連接)。 常常利用玻璃纖維或樹脂材料來制作外殼453，這些材料適合飛行并且對于 射頻信號而言是透明的。這個天線400在水平方向440產(chǎn)生電磁場440。
圖4B說明圖4A中安裝在腹部的刀片天線400的射頻輻射方向圖，以 及在導(dǎo)電表面410上的水平電場440和遠場輻射方向圖430。將這個天線的 遠場方向圖表示為430。遠場方向圖繞指向天底的矢量435呈放射狀對稱。 這個縫隙遠場方向圖在天底方向435具有零點。對于水平飛行的飛機而言， 天底方向向下垂直指向地球。由于(根據(jù)麥克斯韋方程)在導(dǎo)電表面上平 行電場必須為零，因此，在420處，安裝在腹部的水平極化刀片天線有一 個方向圖零點。這個方向圖零點繞指向天底方向的矢量435呈輻射狀對稱。 420處的零點的角度和深度取決于安裝天線的導(dǎo)電表面的電尺寸。因此，對 于在腹部安裝的天線，沿著飛機前后的機身長度方向，飛機本身就具有很 大的電尺寸。對于圖4B所示的水平極化天線而言，這一導(dǎo)電表面會在沿著 飛機前后軸線方向上導(dǎo)致很深的遠場方向圖零點。因此，圖2和3所示的遠場方向圖并不代表在腹部安裝的水平極化天線的遠場方向圖(但是可以 代表在腹部安裝的垂直極化天線的遠場方向圖)。
從幾何角度來看，對于很多工作空域，空地網(wǎng)絡(luò)從飛機到地面(以及
從地面到飛機)的視角非常小。因此，在420處的方向圖零點是非常重要 的鏈路預(yù)算問題(linkbudgetissue)。水平極化效應(yīng)是在逆復(fù)用、多鏈路結(jié) 構(gòu)的總體設(shè)計中必須考慮的問題。為了使這一多鏈路是優(yōu)化鏈路，從飛機 輻射出來正交的兩種極化應(yīng)當(dāng)盡可能地"方向圖平衡"，意思是說，它們的 遠場方向圖應(yīng)當(dāng)非常相似。換句話說，兩個極化的方向圖中沒有任何一個 極化方向圖應(yīng)當(dāng)在很大的空域具有方向圖零點(象420—樣)。
圖4C說明安裝在腹部導(dǎo)電表面410上，具有垂直單極子的刀片天線 405。射頻輸入/輸出連接器是480，安裝法蘭是471。這個安裝法蘭安裝在 飛機腹部。同軸電纜481為單極輻射器482饋電。刀片外殼406由玻璃纖 維這種適合于飛行并且對于射頻信號而言透明的材料制作。這一天線的電 場是垂直的，如圖中483所示。在平直飛行過程中，483垂直于飛機腹部， 也垂直于地球。這個天線405產(chǎn)生電磁遠場4卯，并且象水平極化縫隙一樣， 具有指向天底方向的方向圖零點493。跟安裝在飛機腹部的水平極化縫隙不
同，垂直極化單極子在水平方向上沒有方向圖零點。遠場方向圖繞指向天 底的矢量493呈輻射狀對稱?？傊瑘D4D說明圖4C所示安裝在腹部的刀 片天線405的射頻輻射方向圖，以及在導(dǎo)電表面410上的垂直電場483和 遠場輻射方向圖490。
對于垂直極化縫隙(圖4A和4B)和垂直極化單極子(圖4C和4D) 這兩個示例性天線中的任何一個，如果將這些天線安裝在復(fù)合材料或非導(dǎo) 電的機架(airframe)上，遠場方向圖將會發(fā)生明顯的改變。對于非導(dǎo)電機 架，其它形式的天線可能更加合適，或者可以在飛機機身腹部安裝天線的 地方嵌入導(dǎo)電材料。例如，實際上水平極化的縫隙天線在非導(dǎo)電機架上性 能更好，因為水平方向的電場不必為零。無論如何，這是在這里指出的另 外一個高頻電磁設(shè)計問題，逆復(fù)用概念仍然可以用于非金屬飛機或復(fù)合材 料機架飛機上。
圖5A說明安裝在腹部的刀片天線500，它同時具有垂直電場和水平電 場。這個天線500產(chǎn)生兩個電磁場具有垂直極化電場590的第一遠場方向圖591，以及具有水平極化電場540的第二遠場方向圖541。這一天線安 裝在導(dǎo)電410飛機機身腹部。將天線500稱為"雙線極化天線"。它仍然有 指向天底方向510的零點，兩種極化的遠場方向圖都繞矢量510成輻射狀 對稱。在電尺寸很大的導(dǎo)電表面上輻射時，水平方向圖541仍然有其地平 線上的凹陷。
圖5B說明安裝在腹部的圓極化天線520，以及導(dǎo)電表面(飛機腹部) 410上與之有關(guān)的遠場輻射方向圖。這個天線520可以是圖4A和4C所示 天線的組合，也可以是完全不同結(jié)構(gòu)的天線。例如"正常模式(normalmode)" 螺旋線，它在與其指向天底方向的長軸垂直的方向上(也就是沿著地平線 方向)輻射圓極化電磁波，并且在指向天底的方向上具有相似的零點。圖 5A和圖5B之間關(guān)鍵的不同之處在于，在圖5B中正交的兩個雙線極化具有 90度相位差(如圖5B所示)。此時得到的極化是右旋圓極化(RHCP)和 左旋圓極化(LHCP)。為了獲得右旋圓極化和左旋圓極化， 一個天線的垂 直極化和水平極化之間相位相差+90度，另一個天線的垂直極化和水平極化 之間相位相差-90度。具有90度相位差的原來的兩個遠場方向圖相組合就 得到551和550處所示的稱為"軸比"的組合方向圖。在551處，軸比很 小，這表明圓極化的純度很高。這是因為原來的垂直極化和水平極化遠場 方向圖在這個區(qū)域具有相近的幅度。但是，在550區(qū)域，軸比很差，因為 水平極化信號的幅度在這個區(qū)域趨于零(也就是具有方向圖零點)。與雙線 天線相似，這種圓極化天線繞指向天底方向的矢量510呈輻射狀對稱。
采用圓極化最重要的地方在于，在區(qū)域550中，盡管因為垂直極化在 這個區(qū)域的貢獻沒有方向圖零點而導(dǎo)致軸比很差，但是凈效應(yīng)只是3分貝 的損失(與在導(dǎo)電表面上采用嚴格水平極化的完全損失相比)。逆復(fù)用、多 鏈路概念再一次依賴于高質(zhì)量、高可用度的飛機天線遠場方向圖。在地平 線方向上這一點尤其正確，在這個方向上，不僅有最大的三維空域需要提 供服務(wù)，還有傳播距離最遠的區(qū)域。因此，采用圓極化這一類的方法來改 善空域中這個關(guān)鍵地平線區(qū)域里飛機天線的遠場方向圖的開/關(guān)，對于用于 逆復(fù)用的聚合系統(tǒng)設(shè)計而言是非常重要的要素。
圖6說明典型雙線極化微帶貼片天線600的射頻信號輸出，其中端子 621處的輸出是垂直極化的，它產(chǎn)生垂直電場矢量620，而端子631處的輸出則是水平極化的，它產(chǎn)生水平電場矢量630。與此類似，圖7說明典型雙 圓極化微帶貼片天線710的射頻信號輸出，其中對于一個極化， 一個輸出 在O度處極化，另一個輸出在-90度處極化；對于另一個極化，它們分別是 在0度和+90度處極化(圖7中沒有畫出)。將這兩個信號同時施加到90 度混合器720，這個混合器720產(chǎn)生右旋圓極化電場矢量730和左旋圓極化 電場矢量740。要注意，導(dǎo)電表面700會影響遠場方向圖在導(dǎo)體平面中的形 狀，因為平行電場必須為零。
使用微帶貼片天線的一個重要優(yōu)點是很容易將它們布成陣，從而在飛 機上/下(on/off)進行波束和方向圖成形。這一特性使得系統(tǒng)設(shè)計師能夠開 發(fā)飛機內(nèi)天線方向圖隔離，從而提供另一種設(shè)計自由度。更重要的是，這 樣做能夠獲得增益高得多的飛機天線。例如，圖4A和4B中的水平極化縫 隙以及圖4C和4D中的垂直極化單極子都只能獲得較低的天線增益。實際 上，在0dBi左右(相對于各向同性輻射器)，但是因為機架影響，更多的 情況是只有-2 dBi到-4 dBi。與此形成對照，單個微帶貼片天線的峰值增益 在大約+5dBi，而貼片天線陣列則具有明顯高得多的增益。這樣一來，不僅 能夠改善去往/來自飛機的鏈路預(yù)算等式(link budget equations),還能夠提 供飛機內(nèi)的多天線隔離。還有，它還能夠提高到給定陸地基站扇區(qū)的方向 性?？梢詫⑽зN片陣列制作成共形的，它們與安裝天線的飛機機身的形 狀一致。這樣就能夠使得天線上的氣流非常平順，從而減小整體拖拽，提 高飛機的燃油經(jīng)濟性。
微帶飛機天線
圖8A說明安裝在飛機800機身側(cè)面上的 一組共形微帶貼片天線 810~840 (或天線陣)，這些共形微帶貼片天線810 840是圓極化的(但是 也可以是線極化的)。安裝位置可以是機身側(cè)面，也可以是腹部和側(cè)面之間 的過渡區(qū)域。
圖犯說明一種替換結(jié)構(gòu)，其中的共形微帶貼片天線(或陣列)870安 裝在飛機850的腹部，這個指向天底(地面)的天線870是圓極化的?？?地蜂窩通信網(wǎng)包括基站880，基站880配備了指向天頂?shù)膱A極化天線。這個 空地射頻通信鏈路890包括獨立于飛行偏航角的上行鏈路和下行鏈路組件，它們是同極化的。這種結(jié)構(gòu)的重要性在于，在陸地小區(qū)站點以上的"圓環(huán)
洞(donuthole)"區(qū)域內(nèi)以及(飛機以下)具有指向天底的零點的典型飛機 天線的"圓環(huán)洞"區(qū)域內(nèi)提供空間覆蓋。指向天頂方向(或者朝上指)的 陸地.天線可以是微帶貼片天線，也可以是在末端輻射的(radiates end-fire) 軸向模式螺旋線(axial mode helix)。地面和空中的天線都可以是單一圓極 化或(提高容量的)雙圓極化的。由于飛機天線和陸地天線都是圓極化的， 因此飛機能夠在小區(qū)站點上面朝任意方向(任意偏航角)飛行，并且總是 同極化的。
概要——視距遮蔽和水平極化方向圖沿著導(dǎo)電表面方向的零點
在飛機上使用多個天線能夠?qū)⒁暰鄦栴}考慮進來，如同這里所討論的 一樣，可以使用的天線有多種類型，也有多種天線結(jié)構(gòu)。另外還有基于S 機的天線解決方案用來糾正或補償水平極化方向圖零點，特別是沿著機身 長軸方向。將天線放置在適當(dāng)?shù)奈恢貌⑦x擇射頻信號的極化能夠明顯地提 高空地射頻通信鏈路的業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)和話音)處理容量。
系統(tǒng)內(nèi)同信道干擾
典型的空地蜂窩通信網(wǎng)由多個陸地(地面)基站組成，每個陸地基站 在預(yù)定的空域內(nèi)提供一個射頻覆蓋區(qū)，這個射頻覆蓋區(qū)圍繞小區(qū)站點發(fā)射 天線呈輻射狀排列。圖9A說明多個陸地基站形成的空地蜂窩通信網(wǎng)中小區(qū) 站點901~904的典型模式。利用六角形的小區(qū)形狀作為代表，但是真實形 狀更加接近圓形和多維，具有方位和俯仰方面的變化。每個陸地基站都是 用一種天線方向圖，這種方向圖對于來自地面的或者地面反射的信號不敏 感，這種天線方向圖僅僅朝著天空方向發(fā)射或者僅僅接收來天空方向的信 號。陸地基站也可以靠近機場，以便當(dāng)飛機在地面上時，提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋。 在這種情況下，為位于地面上的飛機優(yōu)化天線方向圖?？盏仃懙鼗驹诘?理區(qū)域上是分布式的， 一般是按照典型的蜂窩通信網(wǎng)布局分布。每個空地 陸地基站的覆蓋區(qū)的邊界都與相鄰站點接鄰，因而空地蜂窩通信網(wǎng)中所有 陸地基站的組合覆蓋一般都能夠在目標(biāo)區(qū)域上提供全面覆蓋。對覆蓋區(qū)劃分扇區(qū)
CDMA系統(tǒng)從本質(zhì)上講都是受干擾限制的。使系統(tǒng)內(nèi)的同信道干擾最 小的一種解決方案是與陸地基站上的雙極化天線一樣在飛機上同時使用一 個或多個雙極化天線。更加具體地說，在CDMA系統(tǒng)中，每個單個陸地小 區(qū)扇區(qū)中的發(fā)射和接收都會是相似地極化的，例如兩者都是垂直極化。相 鄰扇區(qū)的發(fā)射和接收也會是相似地極化的。但是，與(垂直極化的)前一 個相鄰扇區(qū)相比，它具有基本上正交的極化，也就是水平極化。圖9B說明 小區(qū)站點911~914的一個實例，其中在交替的扇區(qū)上利用垂直極化和水平 極化，在方位方向上將空地陸地基站天線的遠場方向圖劃分成六個扇區(qū) (A F)。使用交替的極化在空地視距環(huán)境中是有利的，因為射頻信號的極 化不會象在陸地系統(tǒng)中那樣因為多徑傳播而喪失。作為一個實例，將小區(qū) 站點914劃分成六個扇區(qū)4A 4F (914A 914F)，這六個扇區(qū)的極化在兩個 基本正交的極化之間交替變化。于是，作為一個實例，扇區(qū)914A、 914C、 914E是垂直極化的，扇區(qū)914B、 914D、 914F是水平極化的。要注意，在 小區(qū)912和914的邊界上也存在這種極化隔離，其中914F是水平極化的， 912的2C扇區(qū)是垂直極化的。
圖9C說明在小區(qū)站點921 924交替的扇區(qū)中利用右旋圓極化和左旋圓 極化，在方位方向上將空地陸地基站天線的遠場方向圖劃分成六個扇區(qū) (A F)。使用交替的極化在空地視距環(huán)境中是有利的，因為射頻信號的極 化不會象在陸地系統(tǒng)中那樣因為多徑傳播而喪失。作為一個實例，將小區(qū) 站點924劃分成六個扇區(qū)4A 4F (924A 924F)，這六個扇區(qū)的極化在兩個 基本正交的極化之間交替變化。于是，作為一個實例，扇區(qū)924A、 924C、 924E是右旋圓極化的，扇區(qū)924B、 924D、 924F是左旋圓極化的。
在這些實例中，圖9B和9C每個扇區(qū)的天線方向圖都具有近似60度的 方位覆蓋。這些給定扇區(qū)在俯仰方向上的方向圖可以是包括從水平方向到 天頂方向的整個俯仰空域(也就是90度的覆蓋)，也可以是同樣給這個俯 仰方向(每個方位方向上的扇區(qū))的空域劃分扇區(qū)。
圖9D說明在圖9B所示的系統(tǒng)中有三架飛機，其中利用垂直極化和水 平極化區(qū)分扇區(qū)，在方位方向上將空地陸地基站天線的遠場方向圖劃分成 六個扇區(qū)。飛機900由小區(qū)912的扇區(qū)2E中的空地通信鏈路901提供服務(wù)，這條鏈路使用垂直極化。飛機910在小區(qū)911、 912和914的邊界上，分別由小區(qū)912、 911的扇區(qū)2D、 1A的空地通信鏈路941、 942提供服務(wù)，這些鏈路分別使用射頻信號的水平極化、垂直極化。最后，飛機920由小區(qū)911的扇區(qū)1E中的空地通信鏈路951、 952提供服務(wù)，這些鏈路使用射頻信號的垂直極化。在這種情況下，CDMAEVDO接收機使用空間分集接收，因為兩個飛機天線都是垂直極化的，飛機上存在對應(yīng)的"分集接收增益"。
反射路徑干擾
圖10A說明飛機1000遠離基站天線1002，傳播視角很小的情況下，射頻信號的直接路徑1007和反射路徑1006。具體地說，這個實例說明典型情況下射頻信號的直接路徑1007和反射路徑1006之間的關(guān)系，其中基站天線1002的高度近似為200英尺，飛機1000在7英里的高度飛行。在圖中，基站天線1002和飛機1000之間的距離為100英里。在這個距離和飛行高度上，反射路徑1006和地球表面之間的夾角1004是0.04度，反射路徑在點1003處接觸地球表面。在這條路徑離開地球的一段上，反射路徑1006和地球表面之間的夾角1005是7度。對于這個實例，計算這些角度時一般都假設(shè)平坦的地球?qū)Ρ?/3無線電剖面地球。
由于上面提到的傳播角都極其小，直接路徑1007和反射路徑1006的距離實際上相等。因此，信號1008和1009具有相等的傳播延遲和相等的到達相位。此外，反射路徑基站射線1009的幅度與直接路徑基站射線1008的幅度相等，但是相對于直接路徑具有180度的相位變化(來自反射點1003)。于是，當(dāng)飛機1000在地平線上時，在飛機1000處，射頻信號具有很深的方向圖零點，因為直接射線1008 (直接路徑1007)和反射射線1009(反射路徑1006)幅度相等但是相位相反。通過將基站天線方向圖(在地平線方向上)凹陷大約-5分貝，對地平線上的基站天線方向圖進行成形，一般都能夠糾正地平線上的這個傳播問題。從飛機到基站的反向傳播路徑并不總是互易的，因為掠射角一般較大(高于幾度的掠射角，方向圖零點問題不是那么突出)。
圖10B說明在俯仰方向上劃分成多個扇區(qū)1013 1016的小區(qū)站點，其
中俯仰方向上的扇區(qū)交替采用兩個基本正交的極化。如果小區(qū)是全向的，那么這些俯仰方向上的方向圖可以是繞陸地基站1012呈輻射狀對稱的，或者這些方向圖可以僅僅是針對給定方位扇區(qū)的(例如如圖9系列所示，其中每個小區(qū)有6個方位扇區(qū))。圖中的極化是作為實例，沒有任何因素對極化的選擇施加限制，這種極化既可以是線極化，也可以是圓極化。每個方向圖都具有不同的增益，地平線以上的指向角，不同的波束寬度來平衡鏈路預(yù)算對比距離對比覆蓋的空域大小(也就是說這個空域大小需要多大的容量)?？傊A(yù)期隨著仰角增大，特定天線的垂直波束寬度大于在它之下的天線方向圖的垂直波束寬度。方向圖1017是圓極化的，因此它總是同極化的，而與給定飛機在小區(qū)1012上飛行的方向無關(guān)。空間1011的區(qū)域說明在地平線上的方向圖凹陷，以使圖10A所描述的零點的影響最小。
圖10C說明被劃分成在俯仰方向上的多個扇區(qū)1013~1016 (如圖10B所示)，在俯仰方向上的多個扇區(qū)1020 1024的小區(qū)站點1050 (小區(qū)4)，它們交替采用兩個基本正交的極化。俯仰扇區(qū)1013 1016在方位扇區(qū)4B中(1018)，俯仰扇區(qū)1020-1024在方位扇區(qū)4C中。指向天頂?shù)奶炀€1017是圓極化的。天線方向圖1013和1020 —般都是指向地平線的，雖然采用機械或電氣方式將它們向上傾斜，以去除直接射向地平線(1011)的能量。很清楚，有可能組合方位和俯仰方向的扇區(qū)劃分，同時仍然在每個子天線波束之間實現(xiàn)極化隔離。例如，在方位和俯仰方向上天線方向圖1023都是隔離的1023是水平極化的，1015是垂直極化的(在方位方向上)；在俯仰方向上，1024是垂直極化的，1021是垂直極化的；但是中間的1023是水平極化的?？臻g1011的區(qū)域說明在地平線上的方向圖凹陷，以便使圖10A所描述的零點的影響最小。
于是，以上劃分扇區(qū)的實例說明了讓非陸地空間區(qū)域具有多個多維射頻扇區(qū)的一些方式，這些多維射頻扇區(qū)是多種極化的，以便在位于飛機上的多個無線用戶裝置和空地蜂窩通信網(wǎng)之間交換呼叫業(yè)務(wù)。在多維空間中設(shè)置這些扇區(qū)——在方位方向上，在俯仰方向上，在高度方向上，或者在多個平面內(nèi)——這樣就以能夠控制的方式分解非陸地空間，從而匹配在這個空間中工作的飛機的通信需求。通過給射頻信號增加極化來減小相鄰扇區(qū)之間的干擾，這里的多鏈路飛機蜂窩系統(tǒng)形成射頻"隧道"的一個多維陣列，每個隧道支持與一架或多架飛機的有關(guān)的空地蜂窩通信鏈路。多個射頻"隧道"的可用度使得空地蜂窩通信網(wǎng)能夠管理有效射頻信號帶寬，通過根據(jù)需要將這些隧道分配給某架飛機，讓每架飛機能夠獲得這些帶寬。隧道可以具有時間、空間、碼、極化、天線-飛機、天線-地面、頻率、方位扇區(qū)、俯仰扇區(qū)、傾斜角、橫滾角、偏航角、飛行速度屬性等等。下面描述對這一通信空間的管理，這種管理代表著解決空地蜂窩通信網(wǎng)呼叫處理容量問題，極大地提高系統(tǒng)可用度、系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)容量的一種有力工具。
多條空地鏈路
圖IIA說明這樣一個實例，其中在飛機1110腹部安裝有共形微帶貼片天線(或陣列)1120，這個指向天底(地面)方向的天線1120是圓極化的。這個空地蜂窩通信網(wǎng)包括空地陸地基站1105，這個空地陸地基站1105配備了指向天頂方向的圓極化天線?？盏厣漕l通信鏈路U30包括上行鏈路和下行鏈路組件，它們是同極化的，獨立于飛行偏航角；在這個實例中，這一
極化是右旋圓極化。另外，飛機iiio配備了在腹部安裝的垂直極化刀片天
線1130，在圖中說明它正在通過空地射頻通信鏈路1140與空地陸地基站1107通信。這個空地陸地基站1107配備了在方位方向上劃分了扇區(qū)的垂直極化天線。
兩個空地小區(qū)站點1105、 1107分別由有關(guān)的基地收發(fā)信機站(BTS)1135、 1145提供服務(wù)，這些BTS通過IP或私有網(wǎng)絡(luò)1150連接到基站控制器(BSC) 1151,如同在蜂窩通信領(lǐng)域里眾所周知的一樣。BSC隨后連接到PSTN、 PSDN和因特網(wǎng)(1152)。從PSTN-PSDN-IP (1152)到飛機(1110)的全部通信路徑都是雙向的。
飛機接口路徑1140和飛機接口路徑1130作為獨立的路徑，各自承載來往于飛機的業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)和話音)。換句話說，路徑1130不包含與路徑1140互相^g合的任何信息。 一個實例是路徑H30僅僅用于商務(wù)和頭等艙顧客，路徑1140則僅僅用于經(jīng)濟艙或二等艙乘客。在這種情況下，鏈路1130和1140之間沒有任何邏輯或物理連接。
也可以換成是路徑1130和1140邏輯上互相連接，并且按照一種逆復(fù)用、多鏈路方式工作，其中來自飛機的聚合業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)和話音)中的一部分由路徑1130承載，路徑1130不承載的其余業(yè)務(wù)由路徑1140承載。利用多鏈路方法，各個數(shù)據(jù)分組不再在時間上同步，也就是說不不再是分組2跟隨分組l。于是，需要有逆復(fù)用功能同時駐留于飛機和地面，以便按照正確的順序?qū)⒙窂?130和1140傳送的信息"重新裝配"(不丟失任何分組)成聚
合、復(fù)合的數(shù)據(jù)流。
圖11B是為多架飛機提供服務(wù)的空地蜂窩通信網(wǎng)的總示意圖，其中每架飛機都通過至少一條空地射頻通信鏈路進行連接。每架飛機1110、1170~1173擁有至少一條空地射頻通信鏈路1130、 1140、 1160-1164，這些鏈路將飛機與提供服務(wù)的至少一個空地陸地基地收發(fā)信機站(BTS) 1135、1145、 1190和1191連接起來。數(shù)據(jù)通信鏈路1180-1183通過通信網(wǎng)1150和數(shù)據(jù)通信鏈路1184-1185將空地陸地基地收發(fā)信機站(BTS) 1135、 1145、1190、1191與有關(guān)的基站控制器1151、1195互相連接，這些基站控制器1151、1195則與共同的承載網(wǎng)1152互聯(lián)。
因此，這個空地蜂窩通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)與陸地蜂窩通信網(wǎng)類似，但是更加復(fù)雜一些，其中有飛機，并且每架飛機利用了多條空地射頻通信鏈路來下發(fā)整個空地蜂窩通信網(wǎng)中每架飛機上的無線終端裝置產(chǎn)生的業(yè)務(wù)。
逆復(fù)用能力駐留在飛機U10和1170 1173上，也駐留在地面上，在網(wǎng)絡(luò)1150中，在BSC 1184-1185中，或者在為這一 目的(逆復(fù)用)創(chuàng)造的另
一個新的網(wǎng)絡(luò)裝置中。逆復(fù)用的概念涉及共享多條鏈路來傳遞數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在圖11B中，飛機1110同時與1135 (BTS-1)和1145 (BTS-2)通信。要注意，圖IIB最左邊是更加具體的圖IIA的一個復(fù)制。例如，在圖11A和IIB中，路徑1130都是圓極化的，在圖11A和11B中，路徑1140都是垂直極化的。對于圖11A和11B， BTS是1135和1145。對于圖11A和11B，BTS和BSC之間的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是1150， BSC是1151，公眾網(wǎng)絡(luò)是1152。
圖12A以框圖的形式說明發(fā)射和接收信號到飛機上的雙天線的互聯(lián)。飛機有多個顧客終端裝置，每個顧客終端裝置具有數(shù)據(jù)通信需求。這些終端裝置的互聯(lián)是利用其它方式的無線局域網(wǎng)實現(xiàn)的，以便聚合數(shù)據(jù)源1201并且使用數(shù)據(jù)流量控制過程1202通過收發(fā)信機卡1203來將顧客終端裝置與空地蜂窩通信網(wǎng)互聯(lián)，其中的收發(fā)信機卡1203支持一個發(fā)射端口 1204和兩個接收機端口 1205、 1206。發(fā)射路徑是基于最佳接收路徑導(dǎo)頻測量結(jié)果來選擇的。目前，發(fā)射分集是不可能的。接收機具有通過兩個信號的時間相關(guān)的分集接收能力，這兩個信號經(jīng)歷了多徑延遲，但是來自同一源或扇區(qū)。
也可以換成是，如圖12B所示，增強的收發(fā)信機卡1203支持四個端口
(現(xiàn)在還沒有這樣的事情)天線1垂直極化，能夠發(fā)射和接收1210;天線1水平極化，能夠發(fā)射和接收1211;天線2垂直極化，能夠發(fā)射和接收1212;
天線'2水平極化，能夠發(fā)射和接收1213。
圖12C 12E以框圖的形式說明管理飛機上發(fā)射天線的選擇的系統(tǒng)過程。管理飛機發(fā)射天線的選擇有三個邏輯示意圖，每個示意圖從步驟1299開始(圖12C、 12D和圖.12E)。這三個過程一般都是并行進行的。在圖12C中的步驟1299中，這一過程開始，其中，飛機上的處理器開始選擇天線和極化，用作發(fā)射天線和發(fā)射極化，來實現(xiàn)到選中的空地陸地基地收發(fā)信機站(BTS)的空地射頻通信鏈路。有多個可選的導(dǎo)頻信號測量過程，每個天線和射頻信號極化組合一個。在這個實例中，有兩個天線(天線1，天線2)和兩個射頻信號極化(水平極化，垂直極化)。這樣就得到四個過程，利用這四個過程來在1292、 1293、 1294和1295處測量導(dǎo)頻信號強度，它們分別來自天線/極化1210、 1211、 1212和1213。這些過程可以并行進行，交織進行，或者串行進行。無論如何，每個導(dǎo)頻信號測量過程都將結(jié)果返回給1214處的導(dǎo)頻信號比較過程，這個比較過程為飛機天線和射頻信號極化的每個組合，比較從范圍內(nèi)的全部空地陸地基站收到的導(dǎo)頻信號。
在步驟1215 —直到步驟1230，確定哪個天線和射頻信號極化導(dǎo)致最強導(dǎo)頻信號和次強導(dǎo)頻信號。具有最強導(dǎo)頻信號的飛機天線和射頻信號極化的組合成為主發(fā)射天線和有關(guān)的極化選擇。具有次強導(dǎo)頻信號的飛機天線和射頻信號極化的組合成為次發(fā)射機天線和有關(guān)的極化。
圖12C中描述的發(fā)射天線和有關(guān)的極化選擇過程是系統(tǒng)尋求從飛機的最優(yōu)傳輸路徑的繼續(xù)，不是僅僅作為單個節(jié)點，而是考慮整個網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負荷(也就是有多少架飛機正由給定小區(qū)-扇區(qū)提供服務(wù))，對于局部、區(qū)域和全國范圍的網(wǎng)絡(luò)，這一復(fù)合網(wǎng)絡(luò)具有總的優(yōu)化算法。具體地說，這一復(fù)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法確保爭用網(wǎng)絡(luò)通信資源的所有飛機之間的公平和服務(wù)質(zhì)量(QoS)。圖12D和12E說明選擇飛機發(fā)射天線和有關(guān)極化的額外邏輯規(guī)則。具體地說，這兩組邏輯選擇規(guī)則涉及安裝的這兩個天線是否具有空間隔離。但是，這一概念不限于兩個天線?？臻g隔離的一個實例是飛機內(nèi)天線方向圖自隔離，飛機后部-機尾機身側(cè)邊上安裝的天線會與前部-右舷(starboard)機身側(cè)邊安裝的天線具有這樣的方向圖自隔離。如果這些天線具有天線方向圖空間隔離，就產(chǎn)生了增大容量的另一條途徑，因為這兩個飛機天線可以同時用相同極化進行發(fā)射，而不會自己互相干擾。
圖12D是在兩個飛機天線沒有足夠的方向圖間隔離的情況下所采取的邏輯過程(步驟1231)。然后，在步驟1232和1233中，選中的主、次發(fā)射
極化'必須基本正交。例如，如果主極化是垂直極化，那么次極化就必須是水平極化。然后，在步驟1234、 1235、 1236和1237中，這個系統(tǒng)判斷必需的次正交極化是跟主極化一樣在同一個天線上，還是次極化連接到了另一個第二天線。
圖12E是在在步驟1238中兩個發(fā)射天線有足夠的方向圖間隔離的情況下所采用的邏輯過程。在這種情況下，在步驟1239和1240中，次極化可-以和主極化一樣，或者可以和主極化正交。如果在步驟1241和1243中選中的主、次極化相同，那么選中的天線必須不同。如果選中的主、次極化不同(或者正交)，那么，選中的天線可以是同一個天線也可以是不同的天線。
圖12F以框圖的形式說明管理飛機上接收天線和有關(guān)極化的選擇的系統(tǒng)。管理飛機接收天線的選擇的有兩個邏輯示意圖，每個示意圖都從步驟1298開始(圖12F和12G)。這兩個過程一般都是并行進行的。在圖12F的步驟1298中，這一過程初始化，飛機上的處理器開始選擇天線和極化，用作接收天線和極化，來實現(xiàn)到選中的空地陸地基地收發(fā)信機站(BTS)的空地射頻通信鏈路。有多個導(dǎo)頻信號測量過程是可選的，每個天線和射頻信號極化組合一個。在這個實例中，有兩個天線(天線1和天線2)和兩個射頻信號極化(水平極化、垂直極化)，這樣就得到用于在步驟1292、 1293、1294和1295中測量導(dǎo)頻信號強度的四個過程，這些過程分別來自天線/極化1210、 1211、 1212和1213。這些過程可以并行進行，交織起來，或者串行進行。在任何情況下，每個導(dǎo)頻信號測量過程都將結(jié)果返回給步驟1245中的導(dǎo)頻信號比較過程，這個過程為飛機天線以及從范圍內(nèi)的全部空地陸地基站收到的射頻信號極化的每個組合比較導(dǎo)頻信號。
在步驟1246-1261中，確定哪個天線和射頻信號極化得到最強導(dǎo)頻信號和次強導(dǎo)頻信號。具有最強導(dǎo)頻信號的飛機天線和射頻信號極化組合作為主接收天線和有關(guān)的極化選擇。具有次強導(dǎo)頻信號的飛機天線和射頻信號極化組合作為次接收天線和有關(guān)的極化選擇。
圖12F中描述的接收天線和有關(guān)的極化選擇過程是連續(xù)的，系統(tǒng)在其中尋找到飛機的最佳傳輸路徑，不是只考慮飛機這單獨一個節(jié)點，而是考慮整個網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負荷(也就是給定小區(qū)-扇區(qū)正在為多少飛機提供服務(wù))，并且這個復(fù)合網(wǎng)絡(luò)是局部、區(qū)域和全國范圍的這個網(wǎng)絡(luò)的整體優(yōu)化算法。特別是，這個復(fù)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法能夠確保爭用網(wǎng)絡(luò)通信資源的所有飛機之間的公平性和服務(wù)質(zhì)量(QoS)。
總之，選擇接收和發(fā)射天線以及有關(guān)極化的過程常常會使得接收和發(fā)射天線/極化相匹配，也就是相同。但是，并不要求總是這樣。具體地說，其它系統(tǒng)級別的過程可以決定給定飛機的業(yè)務(wù)剖面(profile)在前向(基站到飛機)和反向(飛機到基站)路徑上不平衡。在這種情況下，系統(tǒng)可以選擇擁有兩個接收天線和有關(guān)的極化，但是只有一個發(fā)射天線和有關(guān)極化。在這個實例中，前向路徑比反向路徑具有更高業(yè)務(wù)負荷。
圖12G說明接收天線和有關(guān)極化的選擇從步驟1298開始。這一過程包括步驟1262、 1263、 1264—直到1267。從概念上講，如果為兩個不同天線選中的接收極化相同，那么很有可能飛機天線正在從同一個BTS生成的扇區(qū)接收信息。在這種情況下，在步驟1264和1267中，EVDOCDMA接收機使用這兩個接收輸入作為空間分集接收，從而通過區(qū)分到達時間分集來提高復(fù)合接收信號質(zhì)量。如果選中的接收極化不同，并且基本上正交(在步驟1265和1266中)，那么飛機很可能連接到兩個不同扇區(qū)進行接收，并且有兩條不同的鏈路正在工作。
圖12H說明天線(1和/或2)、極化(垂直極化或水平極化)、頻帶(一個或兩個)以及工作狀態(tài)(主或次)的可能組合。盡管這個示意圖說明飛機上有兩個天線，但是沒有任何因素從技術(shù)上限制將這一示意圖擴展到兩個以上的飛機天線。認識到這些示意圖中的每個軸在極化域和頻域都具有充分的自身隔離非常重要。這種自身隔離能夠提高容量。有兩種一般的飛
機天線系統(tǒng)單元配對1290所示的主配對和1291所示的次配對。這兩個配 對具有足夠的自身隔離，并且總的來說，或者是主配對工作，或者是次配 對工作，不會二者同時工作。這些配對一般都是排它性地工作(也就是說 一般都是互相排斥的，除非飛機天線方向圖具有前面討論的空間隔離；于 是主、次配對有可能同時工作)。在圖中將主配對1290畫成覆蓋必要矩陣 行、列"格子"的兩個實線橢圓，它具有如下屬性對于天線一 1296，主 發(fā)射1276為水平極化1271和頻帶一 1272，主接收1275為垂直極化1270 和頻帶二1273;對于天線二 1297，主發(fā)射1284為垂直極化1280和頻帶一 1282，而主接收1287為水平極化1281和頻帶二 1283?？梢詾閮蓚€虛線橢 圓中包含的次配對1291完成概念上相似的天線-極化-頻帶映射。
圖13用互聯(lián)積木1300的形式說明飛機電子系統(tǒng)的一個實施例。飛機 數(shù)據(jù)源/漏1301雙向連接到1302， 1302是數(shù)據(jù)流量控制和復(fù)用-去復(fù)用。"復(fù) 用-去復(fù)用"功能也稱為"逆復(fù)用"功能，在飛機上，這一功能將來自兩條 不同接收多鏈路路徑的數(shù)據(jù)重新組合起來。它還基于飛機電子中駐留的業(yè) 務(wù)負荷管理和鏈路質(zhì)量度量算法，結(jié)合來自陸地網(wǎng)絡(luò)的信令信息，在兩個 收發(fā)信機1303和1304之間分配飛機發(fā)射數(shù)據(jù)(在整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在多架飛機 和多個扇區(qū)之間平衡業(yè)務(wù)負荷)。數(shù)據(jù)流量控制、復(fù)用-去復(fù)用1302以雙向 方式連接到EVDO CDMA收發(fā)信機一 1303和收發(fā)信機二 1304。處理器1305 到收發(fā)信機1303和1304之間也是雙向的。這個處理器1305進行導(dǎo)頻強度 測量比較或者其它鏈路質(zhì)量度量測量，關(guān)于主、次發(fā)射和接收端口選擇進 行智能決策，并且發(fā)送選擇命令給收發(fā)信機1303和1304以及1306， MXN 射頻發(fā)射-接收矩陣。裝置1306實現(xiàn)射頻信號雙工器(分離收發(fā)路徑)、同 向雙工器(將多個射頻信號連接到同一發(fā)射天線)、環(huán)行器、開關(guān)和/或路由 器的功能，并且將天線端口 1210~1213連接到收發(fā)信機端口 D10 1312和 收發(fā)信機端口 1315-1317，它們?nèi)坑裳b置1305控制。裝置1306遵循來自 1305.的指令以及一些邏輯規(guī)則，例如圖12C、 12D、 12E、 12F、 12G和12H
中定義的邏輯規(guī)則。
圖14A1說明空地(地空)網(wǎng)絡(luò)中的逆復(fù)用功能。飛機電子系統(tǒng)1300 連接到飛機天線1401和1402，這些天線通過路徑1405、 1406和1410、 1411與位于陸地上的天線1420和1421通信。陸地天線1420和1421分別連接 至[JBTS 1431和1430。
要注意，在這個圖14A1中，陸地天線1420 "小區(qū)天線五、扇區(qū)a"是 雙正交線極化的；這對于陸地天線1421也是正確的。對于特定的無線技術(shù) 或體系結(jié)構(gòu)，這可能是優(yōu)選方法。但是，圖14A2說明另一個實施例，其中 的陸地天線扇區(qū)是收、發(fā)單極化，而收發(fā)頻率則完全不同。對于部署的某 些技術(shù)，例如CDMAEVDO，圖14A2是管理自身干擾的優(yōu)選方法(這一 方法采用這里的圖9系列和圖10系列中示出的扇區(qū)化方案)。
繼續(xù)圖14A1的描述，這些BTS 1430和1431還連接到網(wǎng)絡(luò)1435和BSC 二 1436。除了作為連接網(wǎng)以外，網(wǎng)絡(luò)1435還能提供逆復(fù)用功能。也可以換 成是將逆復(fù)用功能進一步挪到BSC輸出端口的下游(如圖14A2所示)。但 是，盡管將逆復(fù)用功能挪到BSC以后這一方法可能對于減少"非標(biāo)準(zhǔn)"設(shè) 備的量而言是有利的(BTS和BSC互聯(lián)協(xié)議常常是私有的)，但是如果圖 14A1在逆復(fù)用路徑上具有多個BSC,這些BSC將不得不互相連接，通過 圖14B所描述的方法重新裝配分組數(shù)據(jù)流。繼續(xù)圖14A1的連接描述，BSC 1436連接到位于陸地的公眾網(wǎng)1437。 1437的輸出是理想地重新裝配的通過 多條無線路徑從飛機發(fā)送的數(shù)據(jù)流1441。這里描述的因素中沒有任何因素 會將飛機到地面(以及地面到飛機)的路徑的數(shù)量限制成只有兩條無線鏈 路。從概念上講，對無線鏈路數(shù)量的唯一制約是系統(tǒng)設(shè)計師在每條獨一無 二無線路徑之間實現(xiàn)自身隔離的自由度(碼、空間、時間、極化等等)。
完成圖14A1的討論，空地鏈接路徑是1405和1406。在它們的空中接 口數(shù)據(jù)流中，在兩條不同的射頻鏈路1405和1406上不按順序?qū)⒃醋?300 的原始分組發(fā)送到地面。當(dāng)不按順序的這些數(shù)據(jù)到達網(wǎng)絡(luò)1435時，在這個 特定實施例中，將不按順序的數(shù)據(jù)重新裝配成正確的序列，并最終以理想 的、初始的順序(分組A~I)傳送到1441。類似地，在地空方向上，空中 接口路徑1410和1411提供從地面到飛機的多鏈路通信。在1440中，按正 確的順序(分組1~9)重新裝配1300的輸出處的數(shù)據(jù)。
在圖14A2中，這一說明更加針對EVDO CDMA實現(xiàn)。說明的這一體 系結(jié)構(gòu)努力重用盡可能多的標(biāo)準(zhǔn)EVDO平臺而讓修改盡可能少，以縮短投 入市場的時間，以及開發(fā)成本和部署全國或全洲網(wǎng)絡(luò)的成本。盡管在圖14A1和14A2之間存在相似性，但是通過圍繞現(xiàn)有的EVDO標(biāo)準(zhǔn)增加技術(shù)元素 來實現(xiàn)多鏈路逆復(fù)用功能，圖14A2所示的關(guān)鍵區(qū)別對于利用EVDO有效 地部署空地(地空)網(wǎng)而言是非常重要的。在飛機上開始，積木1450具有 數(shù)據(jù)源/漏-數(shù)據(jù)流量控制-數(shù)據(jù)逆復(fù)用的功能。裝置1450雙向地連接到兩個 射頻收發(fā)信機1451和1452，在這里將它們分別描述成飛機無線電調(diào)制解調(diào) 器一和飛機無線電調(diào)制解調(diào)器二。這些調(diào)制解調(diào)器互相連接到兩個飛機天 線1453和1454。在1465中，每個飛機天線可以接收來自基站或小區(qū)天線 1455.和1456的兩個極化。除非飛機天線具有輻射的發(fā)射方向圖隔離，否則 每個飛機天線都將用基本正交的極化進行發(fā)射，也就是說， 一個調(diào)制解調(diào) 器將發(fā)射垂直極化，另一個調(diào)制解調(diào)器將發(fā)射水平極化。這些發(fā)射極化分 配是動態(tài)的，如同前面描述的一樣，隨著飛機從一個空域飛往另一個空域 而變化。路徑1405和1406都在空地方向上。相反，路徑1410和1411都 在地空方向上。小區(qū)天線六扇區(qū)y 1455具有配制成垂直極化的兩個天線端 口。垂直極化發(fā)射(Tx)端口是1466，也是垂直極化的接收端口 1467 (Rx) 標(biāo)為1467。為1456建立類似的配置，小區(qū)四扇區(qū)5，但是對于接收端口 1469 和發(fā)射端口 1468這一特定扇區(qū)都是水平極化的。從概念上講，陸地天線扇 區(qū)方向圖1455和1456都是空間相鄰的，在方位方向上，俯仰方向上，或 者在這兩個方向上。但是M55是垂直極化的，1456是水平極化的。在這里 的圖9系列和圖IO系列中描述空間相鄰扇區(qū)的概念。因此，在這兩個陸地 天線扇區(qū)1455和1456的空間邊界上，在飛機天線1453和1454處實現(xiàn)了 12分貝到15分貝的極化隔離。
天線1455連接到BTS 二 1458，天線1456連接到BTS三1457。BTS 1457 和1458都是通過網(wǎng)絡(luò)1459雙向連接到BSC — 1460的。繼續(xù)下來，1460 通過網(wǎng)絡(luò)1461連接到裝置1462。裝置1462包含PDSN(分組數(shù)據(jù)交換網(wǎng))、 HA (歸屬代理)和逆復(fù)用(逆復(fù)用)能力。1462的輸出是完全重新裝配好 的飛機發(fā)送的如圖1463所示的數(shù)據(jù)流。
由于這條多鏈路網(wǎng)絡(luò)是雙向的，飛機裝置1450將在1464從地面發(fā)送 的數(shù)據(jù)作為完全重新裝配好的數(shù)據(jù)流輸出。然后在飛機機艙內(nèi)傳遞這個數(shù) 據(jù)流1464 (或者傳遞到飛機系統(tǒng))，如同本領(lǐng)域中眾所周知的分組尋址方案 所定義的一樣。網(wǎng)絡(luò)傳遞的數(shù)據(jù)可以是數(shù)據(jù)、話音、VoIP等。圖14B更加詳細地說明服務(wù)質(zhì)量(QoS)空地1471路徑，其中數(shù)據(jù)流 1470從飛機處開始，通過多鏈路無線傳輸，通過兩條鏈路1405和1406將 同樣的數(shù)據(jù)流發(fā)送到地面，并(利用有關(guān)的設(shè)備和過程)重新裝配成1472。 在飛機上，將示出為IP"X" 1473的數(shù)據(jù)流1470下發(fā)給逆復(fù)用(多路復(fù)用 器)1474，逆復(fù)用1474輸出兩個數(shù)據(jù)流，IP"Y，，和IP"Z"， 1476和1475。 在IP"Z"路徑以后，飛機上的EVDO無線電調(diào)制解調(diào)器1477以無線方式連 接到BTS 1478， BTS 1478進一步連接到BSC 1479、 PDSN 1480、 HA (歸 屬代理)1481。 1481的輸出是1475 IP"Z"。沿著類似的路徑，IP "Y"數(shù)據(jù) 流以無線方式從EVDO調(diào)制解調(diào)器1482流向BTS 1483、BSC 1484和PDSN 1485.、 HA 1486，作為原始數(shù)據(jù)流IP "Y" 1476重新出現(xiàn)。這兩個數(shù)據(jù)流， 1475和1476，連接到逆去復(fù)用裝置1487。裝置1487將數(shù)據(jù)流IP "X" 1473 作為1472輸出。沿著這條聚合路徑的傳輸是最終無損的。也就是說，從飛
機發(fā)射的任何東西最終到達地面時沒有分組差錯也沒有分組丟失。
在CDMA分組數(shù)據(jù)網(wǎng)中，HA (歸屬代理)是可選的。CDMA分組數(shù) 據(jù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)支持"簡單IP"和"移動IP"IP移動性模型。移動IP是IETF (RFC 2002 2006)的傳統(tǒng)IP移動性模型。HA是MT (移動終端)使用的IP地扯 的錨定點。由于移動終端正在將它的附著點移動到因特網(wǎng)，因此路由網(wǎng)不 能直接路由到移動終端。取而代之，HA為每個IP地址提供路由點。HA隨 后將給定IP地址的IP分組傳送到適當(dāng)?shù)耐獠看?FA)。使用移動IP時， PDSN實現(xiàn)FA功能。如果移動終端移動到新的FA (PDSN)，移動IP協(xié)議 更新它的HA來指向新的FA。
另一選項是使用簡單IP。利用簡單IP， PDSN為IP地址提供錨定點。 當(dāng)移動終端建立分組數(shù)據(jù)會話時，通過DHCP或某種類似的能力，PDSN 將IP地址分配給移動終端。對于因特網(wǎng)路由基礎(chǔ)設(shè)施，PDSN看起來像是 那些IP地址的端點(或最后路由器)。如果移動臺跨越小區(qū)邊界，會導(dǎo)致將 它分配給新的PDSN，然后它必須獲得新的IP地址。利用移動IP，有另一 層移動性，PDSN邊界不引起IP地址發(fā)生改變。
一HA— / \ PDSN1 PDSN2/ \ / \
RNC/PCF1 RNC/PCF2 RNC/PCF3
/\ \ /
BTS1 BTS2 BTS3 BTS4
如上所述，如果移動終端從BTS2移動到BTS3，它將由同一個PDSN
提供服務(wù)。因此，利用簡單IP和移動IP，都不需要給移動終端分配新的IP 地址。但是，如果移動臺從BTS3移動到BTS4，它就會改變PDSN。利用 簡單IP，需要PDSN2分配新的IP地址。利用移動IP，歸屬代理仍維持不 變，因此，不需要分配IP地址。它僅僅將它的指針更新為指向PDSN2而 不是指向PDSN1。因特網(wǎng)的余下部分不知道這一移動，因為路由表全部指 向歸屬代理。
相對于逆復(fù)用的位置，歸屬代理是移動終端和歸屬代理之間移動IP隧 道的端點。這就是為什么讓逆復(fù)用在這個隧道以外最為簡單。與此同時， 歸屬代理是實現(xiàn)逆復(fù)用功能的很自然的地方，因為它已經(jīng)是大I因特網(wǎng)之前 的最后端點。
在圖14B中，示出了單個服務(wù)質(zhì)量流。但是，可能有多個服務(wù)質(zhì)量流。 在所有情況下，每個服務(wù)質(zhì)量流都是在移動終端和PDSN之間建立的。另 外，還支持報頭壓縮和/或報頭去除。移動終端和PDSN是壓縮器/解壓縮器 的端點。因為這些原因，需要改變標(biāo)準(zhǔn)賴在移動終端和PDSN之間中的任 何位置插入逆復(fù)用功能。
逆復(fù)用的另一個功能是處理多個IP地址往回映射到單一IP地址。因此， 逆復(fù)用很可能位于歸屬代理和因特網(wǎng)之間。由于在大多數(shù)部署中兩個歸屬 代理是同樣的物理實體，因此歸屬代理將是實現(xiàn)逆復(fù)用功能的良好候選對 象。
雖然在圖14B中將兩個PDSN畫成單獨的邏輯實體，但是在許多情況 下，它們將是單個物理網(wǎng)絡(luò)單元。歸屬代理也同樣。
圖14C說明簡化逆復(fù)用協(xié)議。在1490中，接收數(shù)據(jù)流，雖然其中的分 組沒有按順序，而且可能丟失了某些分組。在1492中，協(xié)議進行檢查，來 看分組是不是第N+1個分組，或者順序中的下一個分組。如果是，就將分 組發(fā)送到發(fā)射機緩沖器1491。如果不是按順序的，就將分組發(fā)送給1493。在1494中，將分組重新裝配成正確順序。在1496中，在將數(shù)據(jù)流發(fā)送到 1497之前，最后一次檢査是否有丟失的分組。如果有分組丟失，就在1495 發(fā)送請求，請求重新發(fā)送丟失的分組。
逆復(fù)用
利用多個EV-DO調(diào)制解調(diào)器，有必要提供逆復(fù)用功能來組合兩個 EV-DO流。逆復(fù)用功能從單個信道獲取數(shù)據(jù)，將它通過多個較小的信道分 發(fā)，在另一端重新裝配。雖然已經(jīng)將多鏈路PPP用于組合多個穩(wěn)定的信道 (例如邏輯ISDN信道)，但是因為鏈路的動態(tài)本性，對于多條EV-DO鏈路 而言是不合適的。逆復(fù)用功能必須考慮每條鏈路的瞬時狀態(tài)。這個問題己 經(jīng)得到了很好的研究，并且已經(jīng)給出了幾個系統(tǒng)的原型。在鏈路的每一端 逆復(fù)用協(xié)議一般都需要邏輯。
逆復(fù)用必須考慮如下因素調(diào)度、丟失的分組、到達順序、分組等待 延遲等等。另外，聚合網(wǎng)絡(luò)負荷平衡算法需要提供公平性和服務(wù)質(zhì)量控制 功能.。結(jié)合所有這些變化因素，這一系統(tǒng)必須不斷地測量任何給定鏈路的 有效吞吐量，特別是當(dāng)它跟復(fù)合網(wǎng)絡(luò)中多架飛機的總體需求相比的時候。
摘要
本發(fā)明的多鏈路飛機蜂窩系統(tǒng)利用安裝在飛機上的多個分開的天線， 并通過逆復(fù)用，利用額外的可選信號隔離和優(yōu)化技術(shù)來提高空地蜂窩通信 網(wǎng)的業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)和話音)處理容量。多鏈路飛機蜂窩系統(tǒng)中的額外技術(shù)包 括極化域、碼域和地面天線方向圖成形(在方位、俯仰方向或者這兩個平 面內(nèi))。
權(quán)利要求
1. 一種用于管理位于多架飛機里每一架飛機中的多個無線用戶裝置和空地蜂窩通信網(wǎng)的多個空地陸地基站之間非陸地空域中的射頻通信的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多個射頻天線，安裝在所述飛機里每一架飛機的外表面上；互聯(lián)模塊，位于所述飛機里的每一架飛機中，用于選擇性地將所述射頻通信信號施加到所述多個射頻天線里選中的若干個，以便同時維持與所述空地蜂窩通信網(wǎng)的所述多個空地陸地基站里選中的若干個的多條空地射頻通信鏈路；所述空地蜂窩通信網(wǎng)的多個空地陸地基站，用于在所述非陸地空域中分布多個多維射頻扇區(qū)，每個都具有多個射頻特性，以便在所述多個無線用戶裝置和所述空地蜂窩通信網(wǎng)之間交換呼叫業(yè)務(wù)；以及連接管理模塊，用于標(biāo)識所述飛機射頻天線里選中的若干個和所述多個多維射頻扇區(qū)里選中的若干個之間的對應(yīng)關(guān)系，以建立所述空地射頻通信鏈路。
2. 如權(quán)利要求l所述的用于管理射頻通信的系統(tǒng)，其中所述連接管理 模塊包括導(dǎo)頻信號確定模塊，位于所述飛機里的每一架飛機中，用于測量所述 多個射頻天線中每一個處的導(dǎo)頻信號強度；以及鏈路選擇模塊，響應(yīng)所確定的導(dǎo)頻信號強度，用于激活所述互聯(lián)模塊， 以將射頻信號應(yīng)用于所述飛機射頻天線中所述選中的若干個，其中射頻信 號匹配對應(yīng)的多維射頻扇區(qū)的所述多個射頻特性。
3. 如權(quán)利要求2所述的用于管理射頻通信的系統(tǒng)，其中所述多個空地 陸地基站包括扇區(qū)生成模塊，用于生成射頻信號的方向圖，在方位、俯仰、高度和 多個平面之一內(nèi)將所述多維空間劃分成多維射頻扇區(qū)。
4. 如權(quán)利要求3所述的用于管理射頻通信的系統(tǒng)，其中所述多個射頻特性是從包括如下特性的一組中選擇出來的時間、空間、代碼、極化、天線-飛機、天線-地面、頻率、方位扇區(qū)、 俯仰扇區(qū)、上升角、橫滾角、偏航角和飛行速度。
5. 如權(quán)利要求1所述的用于管理射頻通信的系統(tǒng)，其中所述多個空地陸地基站包括扇區(qū)生成模塊，用于生成射頻信號方向圖，在方位、俯仰、高度和多 個平面之一內(nèi)將所述多維空間劃分成多維射頻扇區(qū)。
6. 如權(quán)利要求l所述的用于管理射頻通信的系統(tǒng)，其中所述互聯(lián)模塊 包括邏輯路徑鏈接模塊，用于在所述多條空地射頻通信鏈路的第一條上發(fā) 送所述呼叫業(yè)務(wù)的第一部分，在所述多條空地射頻通信鏈路的第二條上發(fā) 送所述呼叫業(yè)務(wù)的第二部分，其中所述呼叫業(yè)務(wù)中的各個數(shù)據(jù)分組不是時 間同步的。
7. 如權(quán)利要求1所述的用于管理射頻通信的系統(tǒng)，其中所述連接管理 模塊包括導(dǎo)頻信號確定模塊，位于所述飛機里的每一架飛機中，用于測量所述 多個射頻天線中每一個處的導(dǎo)頻信號強度；以及主鏈路選擇模塊，響應(yīng)所確定的導(dǎo)頻信號強度，用于選擇所述多個射 頻天線中的主天線，以及與最強導(dǎo)頻信號強度對應(yīng)的有關(guān)極化。
8. 如權(quán)利要求7所述的用于管理射頻通信的系統(tǒng)，其中所述連接管理模塊還包括次鏈路選擇模塊，響應(yīng)所確定的導(dǎo)頻信號強度，用于選擇所述多個射 頻天線中的次天線，以及與次強導(dǎo)頻信號強度對應(yīng)的有關(guān)極化。
9. 一種用于管理位于多架飛機里每一架飛機中的多個無線用戶裝置和空地蜂窩通信網(wǎng)的多個空地陸地基站之間非陸地空域中的射頻通信的方 法，包括操作多個射頻天線，所述多個射頻天線安裝在所述飛機中每一架飛機 的外表面上；選擇性地將所述射頻通信信號施加到所述多個射頻天線里選中的若干 個，以便同時維持與所述空地蜂窩通信網(wǎng)的所述多個空地陸地基站里選中 的若干個的多條空地射頻通信鏈路；利用所述空地蜂窩通信網(wǎng)的多個空地陸地基站，在所述非陸地空域中 分布多個多維射頻扇區(qū)，每個都具有多個射頻特性，以便在所述多個無線 用戶裝置和所述空地蜂窩通信網(wǎng)之間交換呼叫業(yè)務(wù)；以及標(biāo)識所述飛機射頻天線里選中的若干個和所述多個多維射頻扇區(qū)里選 中的'若干個之間的對應(yīng)關(guān)系，以建立所述空地射頻通信鏈路。
10. 如權(quán)利要求9所述的用于管理射頻通信的方法，其中所述標(biāo)識步 驟包括在所述飛機里的每一架飛機中，測量所述多個射頻天線中每一個處的 導(dǎo)頻信號強度；以及響應(yīng)所確定的導(dǎo)頻信號強度，激活所述互聯(lián)模塊，以將射頻信號應(yīng)用 于所述飛機射頻天線里所述選中的若干個，其中射頻信號匹配對應(yīng)的多維 射頻扇區(qū)的所述多個射頻特性。
11. 如權(quán)利要求10所述的用于管理射頻通信的方法，其中所述分布步 驟包.括生成射頻信號的方向圖，在方位、俯仰、高度和多個平面之一內(nèi)將所 述多維空間劃分成多維射頻扇區(qū)。
12. 如權(quán)利要求ll所述的用于管理射頻通信的方法，其中所述多個射 頻特性是從包括如下特性的一組中選擇出來的時間、空間、代碼、極化、天線-飛機、天線-地面、頻率、方位扇區(qū)、 俯仰扇區(qū)、上升角、橫滾角、偏航角和飛行速度。
13. 如權(quán)利要求9所述的用于管理射頻通信的方法，其中所述分布步驟包括生成射頻信號方向圖，在方位、俯仰、高度和多個平面之一內(nèi)將所述 多維空間劃分成多維射頻扇區(qū)。
14. 如權(quán)利要求9所述的用于管理射頻通信的方法，其中所述標(biāo)識步驟包括在所述多條空地射頻通信鏈路的第一條上發(fā)送所述呼叫業(yè)務(wù)的第一部 分，在所述多條空地射頻通信鏈路的第二條上發(fā)送所述呼叫業(yè)務(wù)的第二部 分，其中所述呼叫業(yè)務(wù)中的各個數(shù)據(jù)分組不是時間同步的。
15. 如權(quán)利要求9所述的用于管理射頻通信的方法，其中所述標(biāo)識步驟包括在所述飛機里的每一架飛機中，測量所述多個射頻天線中每一個處的 導(dǎo)頻信號強度；以及響應(yīng)所確定的導(dǎo)頻信號強度，選擇所述多個射頻天線中的主天線，以 及與最強導(dǎo)頻信號強度對應(yīng)的有關(guān)極化。
16. 如權(quán)利要求15所述的用于管理射頻通信的方法，其中所述標(biāo)識步驟還包括響應(yīng)所確定的導(dǎo)頻信號強度，選擇所述多個射頻天線中的次天線，以 及與次強導(dǎo)頻信號強度對應(yīng)的有關(guān)極化。
全文摘要
多鏈路飛機蜂窩系統(tǒng)利用安裝在飛機上并且互相分開的多個天線，并利用額外的可選信號隔離和優(yōu)化技術(shù)，來提高空地蜂窩通信網(wǎng)的呼叫處理容量。這些額外的技術(shù)包括極化域和地面天線方向圖成形(在方位、俯仰方向上或者在兩個平面內(nèi))。此外，如果增加碼域分隔，還能夠進一步顯著地提高容量。因此，通過在一個以上的小區(qū)或扇區(qū)之間分擔(dān)其業(yè)務(wù)負荷，利用在飛機上分開安裝的多個天線，并利用額外的可選信號隔離和優(yōu)化技術(shù)，空地蜂窩通信網(wǎng)能夠提高其每架飛機的容量。
文檔編號H04W16/28GK101536566SQ200780040626
公開日2009年9月16日 申請日期2007年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月31日
發(fā)明者A·K·查理, D·B·麥克納, H·G·塞勒卡, P·J·沃爾什, T·喬伊斯, Y·劉 申請人:Aircell有限公司