基于飛行器的空對地通信系統與現有對地靜止衛星服務之間的頻譜共享的制作方法
【專利摘要】本頻譜共享系統實現了基于飛行器的空對地（ATG）通信系統與對地靜止衛星服務系統之間的頻譜重新使用。這是通過管理在飛行器操作的空間的量中的射頻傳輸來完成的，其中通過在公共頻譜中實現顛倒的上行鏈路和下行鏈路射頻路徑來減少頻譜共享系統與對地靜止衛星服務系統之間的干擾。頻譜共享系統還避免了干擾對地靜止衛星服務的地球站，所述地球站通過依靠地球站的高指向性天線方向圖和頻譜共享系統地面站天線方向圖的組合來指向衛星的軌道弧，以及通過確保頻譜共享系統地面站在所述方向上輻射的功率電平低于將產生干擾的電平，來避免干擾在它們的軌道弧中的衛星。
【專利說明】基于飛行器的空對地通信系統與現有對地靜止衛星服務之間的頻譜共享
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2011年6月29日遞交的美國專利申請N0.13/172，539的優先權。于2011年6月29日遞交的美國專利申請N0.13/172，539是于2008年6月12日遞交的美國專利申請N0.12/137,995的部分接續申請；其是于2003年12月7日遞交的美國專利申請N0.10，730，329、現在于2006年9月26日發布的美國專利N0.7，113，780的部分接續申請；也是于2006年7月24日遞交的美國專利申請N0.11/492，545、現在于2010年7月6日發布的美國專利N0.7，751，815的部分接續申請；其是于2003年12月7日遞交的美國專利申請N0.10，730，329、現在于2006年9月26日發布的美國專利N0.7，113，780的接續申請。于2011年6月29日遞交的美國專利申請N0.13/172，539還是于2009年4月14日遞交的美國專利申請N0.12/423, 555的部分接續申請，其是于2003年12月7日遞交的美國專利申請N0.10，730，329、現在于2006年9月26日發布的美國專利N0.7，113，780的接續申請，。前述申請據此以引用方式合并到相同的程度，如同在本文中充分公開。
【技術領域】
[0003]概括地說，本發明涉及空對地(ATG)通信，具體地說，本發明涉及提供通信設備的通信系統，所述通信設備由位于飛行器上的通信網絡來服務，通過重新使用目前由飛行器在其中進行操作的空間的量中尚存的、對地靜止衛星服務的射頻頻譜而具有高速空對地通信服務。
【背景技術】
[0004]在空對地(ATG)通信(諸如在飛行器和ATG地面站之間)的領域中，提供足夠的帶寬以攜帶通信設備(其由位于飛機上的通信網絡(有線的或無線的)來服務)和ATG地面站(其被連接到陸地通信網絡)之間的通信是個難題。用于這個目的的ATG地面站的集合實現傳統的蜂窩網絡，其中每個ATG地面站包括“小區站點”。存在可用于這個目的的有限的頻譜選擇，這些選擇也受限于用于在飛行器上實現相應的射頻天線的能力。
[0005]典型的ATG蜂窩通信網絡包括多個陸地(地面)ATG基站，它們中的每一個在預定的空間的量內提供射頻覆蓋區域，輻射狀地在小區站點周圍安排發射和接收天線。這種陸地基站使用天線方向圖，所述天線方向圖對接收源自地面或地面反射的信號較不敏感，以及其天線方向圖主要地聚焦于地平線與天頂之間的區域。陸地基站是地理上分布的，通常跟隨著典型的蜂窩通信網絡布局。陸地基站也可以在機場附近共處在一地，以當飛行器在地面時啟用網絡覆蓋；這種情況下，天線方向圖是針對位于陸地的飛行器來優化的。每個陸地基站的覆蓋區域的邊界基本上與鄰居站點的邊界是鄰接的，以使ATG蜂窩通信網絡中所有陸地基站的復合覆蓋通常提供在目標區域上的覆蓋。陸地基站可以使用與單個發射和接收天線系統相關聯的收發機來提供單個全小區的覆蓋，或者在站點的覆蓋區域內的多個扇區，每個扇區具有相關聯的收發機和相關聯的發射和接收天線。每個陸地基站具有多個扇區的后一種安排的優勢是允許在所述陸地基站的覆蓋區域中提供增強的呼叫和數據流量的處理容量。
[0006]可用于這個目的的當前的射頻頻譜限制了在任何單個小區中的總的可用流量處理容量。因此，在飛行器與ATG蜂窩通信網絡的陸地基站之間的射頻通信鏈路已經限制了容量，以及，隨著乘客使用飛行器網絡來進行因特網瀏覽和寬帶文件下載，信道容量會在需求整體被滿足之前耗盡。更多有優勢的頻譜選擇目前是不可用的，因為它們專門用于早已存在的用途，諸如衛星通信。
【發明內容】
[0007]通過基于飛機的空對地通信系統與現有的對地靜止衛星服務之間目前的頻譜共享(在本文中被稱為“頻譜共享系統”)解決了上述問題以及獲得了在本領域中的技術改進，其實現了基于飛機的空對地(ATG)通信系統與對地靜止衛星服務系統之間的頻譜重新使用。這是通過管理在飛行器在其中操作的空間的量中的射頻傳輸來完成的，其中通過在公共頻譜中實現顛倒的上行鏈路和下行鏈路射頻路徑減少了頻譜共享系統與對地靜止衛星服務系統之間的干擾。頻譜共享系統還避免干擾對地靜止衛星服務的地球站，所述地球站通過依靠地球站的高指向性天線方向圖和頻譜共享系統地面站天線方向圖的組合來指向衛星的軌道弧，以及通過確保頻譜共享系統地面站在所述方向上輻射的功率電平低于將生成干擾的電平，來避免干擾在它們的軌道弧中的衛星。
[0008]當前的頻譜共享系統由此提供了增加的帶寬來將高速空對地通信服務提供給通信設備，所述通信設備由位于飛機上的通信網絡來服務，因為所選擇的頻率提供了比目前在ATG通信中使用的帶寬更大的帶寬，或者可以用來補充當前使用的ATG頻率。通過在公共頻譜中實現顛倒的上行鏈路和下行鏈路射頻路徑，減少了頻譜共享系統與對地靜止衛星服務系統之間的干擾。此外，用于減少兩個系統之間的干擾的條件之一是頻譜共享系統地面站的傳輸在對地靜止衛星服務地球站天線的主波束之外。這意味著，在北半球，頻譜共享系統地面站需要在向南的方向上發送進對地靜止衛星服務系統的地球站天線的后瓣中，其在向南的方向上朝著對地靜止衛星發送；以及在南半球，頻譜共享系統地面站需要向北的方向上發送進對地靜止衛星服務系統的地球站天線的后瓣中，其在向北的方向上朝著對地靜止衛星發送。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1示出了由目前的頻譜共享系統實現的在空對地系統與基于衛星的系統之間的射頻頻譜共享方案的圖形表示；
[0010]圖2以圖形形式示出了針對目前的頻譜共享系統分配的頻譜，以dBm每IMHz (兆赫)為單位[以參考一毫瓦(mW)測量功率的分貝為單位的功率比]的飛行器發生功率譜密度的極限，其中功率被繪制為飛行器的數量和針對對地靜止衛星接收機的期望的保護電平的函數；
[0011]圖3以圖形形式示出了從地球站的位置可見的對地靜止弧的部分；
[0012]圖4以圖形形式示出了針對在地球站天線的主瓣之外的空對地傳輸所需的條件；
[0013]圖5示出了共享頻譜系統地面站和與對地靜止衛星服務地球站相關的飛行器的方位；以及
[0014]圖6示出了來自對地靜止衛星服務系統的天線瞄準角是處于向南的方向，范圍從針對覆蓋區域的北延伸中的對地靜止衛星服務地球站的低方位角到針對覆蓋區域的向南延伸中的對地靜止衛星服務地球站的高方位角。
【具體實施方式】
[0015]如圖5所示，對地靜止軌道中的衛星501對于基于地球的觀測者而言出現在固定的位置。對地靜止衛星501在赤道上方以恒定速度每天繞地球旋轉一次，因此匹配地球旋轉的速度，以及相對于地球表面上的任意點看上去是靜止的。對地靜止軌道對于通信應用是有用的，因為在不需要昂貴裝備來追蹤衛星的運動的情況下，地球站天線511、512 (其必須指向衛星501)可以有效地運行。因為對地靜止衛星被約束在赤道上方運行，所以I)當地球站靠近衛星的最東或最西的覆蓋界限時；或2)當地球站位于高緯度時，對地靜止衛星看上去低于到地球站天線的地平線。針對大部分在美國大陸內運行的地球站，對地靜止衛星在地平線上20°到50° ;以及天線波束寬度足夠狹窄(大約2°或更小)以避免地面反射和衛星之間的干擾。
[0016]射頻頻譜共享方案
[0017]圖1示出了射頻頻譜共享方案的說明性實施例的圖示，在目前的頻譜共享系統11與對地靜止衛星服務系統13之間，用于向位于飛行器12上的通信設備(未示出)提供通信服務。在目前的頻譜共享系統11中，從頻譜共享系統地面站IlG到飛行器12的上行鏈路傳輸使用現有的衛星下行鏈路頻帶Fl (和可選地現有的衛星上行鏈路頻帶F2，和可選地現有的ATG頻帶)，而從飛行器12到頻譜共享系統地面站IlG的下行鏈路傳輸使用現有的衛星上行鏈路頻帶F2 (和可選地現有的ATG頻帶)。這兩個系統(頻譜共享系統11和對地靜止衛星服務系統13)是共譜的，以及可能在上行鏈路和下行鏈路方向兩者中存在相互干擾的可能性。針對干擾存在四種可能:
[0018]1.從頻譜共享系統飛行器發射機(未示出，但位于飛行器12中)到對地靜止衛星服務系統衛星接收機；
[0019]2.從頻譜共享系統地面站發射機到對地靜止衛星服務系統地球站接收機；
[0020]3.從對地靜止衛星服務系統地球站發射機到頻譜共享系統地面站接收機；以及
[0021]4.從對地靜止衛星服務系統衛星發射機到頻譜共享系統飛行器接收機(未示出，但位于飛行器12中)。
[0022]由于信號功率的差異以及對地靜止衛星服務系統13中使用的高指向性天線方向圖，從頻譜共享系統11到對地靜止衛星服務系統13的干擾比反方向上的干擾更加顯著。如圖1所示，頻譜共享系統11與對地靜止衛星服務系統13之間的這種干擾有兩種主要情況。圖1所示的情況I是在頻率F2上從頻譜共享系統飛行器發射機到對地靜止衛星服務系統13的衛星接收機13的干擾，圖1所示的情況2是在頻率Fl上從頻譜共享系統地面站IlG發射機到對地靜止衛星服務地球站13G接收機的干擾。
[0023]頻譜共享系統與對地靜止衛星服務之間的干擾
[0024]情況I中的干擾相對較低，其中在頻率F2上的飛行器射頻傳輸對衛星接收的射頻信號產生干擾。地面上，在頻率Fl上的對地靜止衛星服務信號非常弱，除非由準確指向的高增益天線來接收，諸如由對地靜止衛星服務系統13的地球站13G所使用的天線。對地靜止衛星服務地球站天線通常是高增益天線，所述高增益天線僅通過非常狹窄的波束向上朝向與對地靜止衛星服務地球站13G通信的衛星14。在頻譜共享系統地面站IlG的位置上，利用最小的預防措施可以易于避免這種干擾。
[0025]圖5示出了多個共享頻譜系統地面站531-533(除了它們中的少數，其有必要提供對服務區域的完整覆蓋，所述服務區域包括地球表面與在其處飛行器可操作的最高緯度之間的空間區域500)和與對地靜止衛星服務對地同步衛星500有關的飛行器551-553，以及地球站511-512的方位(但未按比例畫出)。如從該圖中看到的，針對對地靜止衛星服務地球站天線511-512的天線波束521-522范圍狹窄且向上指向位于赤道上方的選擇的對地靜止衛星500的軌道弧。如圖6所示，來自對地靜止衛星服務系統13的天線瞄準角處于朝南的方向，范圍從處于覆蓋區域的北部的地球站512的低方位角到處于覆蓋區域的南部的地球站511的高方位角。相比之下，共享頻譜系統天線波束541-543在范圍上較廣，同時也向上地瞄準以及通常指向地平線的正上方。主要的干擾模式構成了由對地靜止衛星服務地球站511-512天線所接收的共享頻譜系統天線波束541-543。因此，射頻傳輸管理要求:
[0026]?針對信號的頻譜共享系統地面站天線的“向南”指向處于低仰角，其中任何面向南的信號處于地平線以上的角度。按照這種方式，頻譜共享系統地面站傳輸在固定的衛星服務地球站接收機天線的主波束之外。如圖5所示，在任意特定緯度的頻譜共享系統天線的覆蓋的邊界由方位角到軌道弧的范圍來控制，具有針對地球站接收天線的最大波束寬度的小的額外的余量。
[0027].為了在頻譜共享系統地面站傳輸上維持低功率譜密度，信號可能需要散布到大部分的頻譜中。幸運的是，若干衛星頻帶提供了數百MHz的頻譜，這足夠用來減小頻譜密度以充分地降低電平，同時維持從地面到飛行器的高數據率。
·[0028]從減少干擾的角度來看，在頻譜共享系統頻譜兩端使用具有高度識別能力的方向圖的天線將是有幫助的。可以用于減少干擾的額外的技術是:
[0029]1.頻譜共享系統地面站的放置；
[0030]2.頻譜共享系統地面站的天線方向圖，包括波束成形和波束控制；
[0031]3.信號傳播；
[0032]4.功率控制；以及
[0033]5.在波形控制情況下的主動的干擾消除。
[0034]到地球站接收機的地面站傳輸的估計
[0035]舉例來說，當從美國大陸觀看，對地靜止衛星的軌道處于向南的方向。因此，所有對地靜止衛星服務地球站天線都指向南方。根據地球站的緯度，衛星的對地靜止弧中只有一部分是可見的。在圖3中示出了這種情況。針對任何給定的地球站的地理位置，有兩個經度限制了地球同步弧的可見部分，它們被標記為、和lw。因此，地球站的天線總是指向這個地球同步弧的可見部分的某個位置。隨著地球站的緯度向北增加，可見弧的部分變小。針對向北~80°以上的地球站，對地靜止軌道是不可見的。
[0036]考慮在由一對坐標(Les，Ies)給定的緯度/經度位置處的地球站。坐標Les是地球站緯度，而Ies是地球站經度。使用簡單的幾何學，技術人員可以易于證明下列關系:
【權利要求】
1.一種用于向通信設備提供無線通信服務的系統，所述通信設備位于在所選擇的覆蓋區域中操作的飛行器中，所述系統包括: 至少一個地面站，所述地面站用于生成射頻覆蓋區域，所述射頻覆蓋區域向在所述射頻覆蓋區域中操作的飛行器提供射頻鏈路； 其中，至少一個對地靜止衛星通信系統是在所述覆蓋區域中操作的，以及使用由多個地球站產生的射頻鏈路，所述射頻鏈路以第一射頻來操作以從所述對地靜止衛星通信系統的地球站向衛星發送射頻信號，以及以第二射頻來從所述衛星向所述對地靜止衛星通信系統的所述地球站發送射頻信號；以及 其中，所述至少一個地面站使用射頻鏈路，所述射頻鏈路以所述第二射頻來操作以從所述地面站向所述飛行器發送射頻信號。
2.根據權利要求1所述的用于提供無線通信服務的系統，其中，所述飛行器使用所述第一射頻來向所述地面站發送射頻信號。
3.根據權利要求1所述的用于提供無線通信服務的系統，其中，所述至少一個地面站使用射頻鏈路，所述射頻鏈路以所述第一射頻來操作以從所述地面站向所述飛行器發送射頻信號。
4.根據權利要求3所述的用于提供無線通信服務的系統，其中，所述至少一個地面站包括: 接收機，所述接收機以所述第一射頻來操作以接收從飛行器向所述地面站發送的射頻信號。
5.根據權利要求1所述的用于提供無線通信服務的系統，其中，所述對地靜止衛星通信系統的各所述地球站具有接收機天線`方向圖，所述接收機天線方向圖具有前瓣和后瓣，其中，所述地面站發射機產生寬射頻波束，所述寬射頻波束指向天空，以及所述寬射頻波束基本上無法輻射到所述對地靜止衛星通信系統的所述地球站的任何所述前瓣中。
6.根據權利要求1所述的用于提供無線通信服務的系統，其中，所述對地靜止衛星通信系統的各所述地球站具有發射機天線方向圖，所述發射機天線圖具有窄形波束前瓣，所述窄形波束前瓣指向天空朝向所述衛星，以及其中，各所述地面站位于所述窄形波束前瓣的路徑之外的地點。
7.根據權利要求1所述的用于提供無線通信服務的系統，其中，所述對地靜止衛星通信系統的各所述地球站具有發射機天線方向圖，所述發射機天線方向圖具有窄形波束，所述窄形波束在向南的方向上指向天空朝向所述衛星，以及其中，所述至少一個地面站產生寬射頻波束，所述寬射頻波束在向南的方向上指向天空。
8.一種用于向無線通信設備提供無線通信服務的方法，所述無線通信設備位于在所選擇的覆蓋區域中操作的飛行器中，所述方法包括: 在至少一個地面站處操作，所述地面站用于生成射頻覆蓋區域，所述射頻覆蓋區域向在所述射頻覆蓋區域中操作的飛行器提供射頻鏈路； 其中，至少一個對地靜止衛星通信系統是在所述覆蓋區域中操作的，以及使用由多個地球站產生的射頻鏈路，所述射頻鏈路以第一射頻來操作以從所述對地靜止衛星通信系統的地球站向衛星發送射頻信號，以及以第二射頻來從所述衛星向所述對地靜止衛星通信系統的所述地球站發送射頻信號；以及以所述第二射頻來操作所述至少一個地面站，以從所述地面站向所述飛行器發送射頻信號。
9.根據權利要求8所述的用于提供無線通信服務的方法，其中，所述飛行器使用所述第一射頻來向所述地面站發送射頻信號。
10.根據權利要求8所述的用于提供無線通信服務的方法，其中，所述至少一個地面站使用射頻鏈路，所述射頻鏈路以所述第一射頻來操作以從所述地面站向所述飛行器發送射頻信號。
11.根據權利要求8所述的用于提供無線通信服務的方法，其中，操作所述至少一個地面站包括: 以所述第一射頻來操作接收機，以接收從飛行器向所述地面站發送的射頻信號。
12.根據權利要求8所述的用于提供無線通信服務的方法，其中，所述對地靜止衛星通信系統的各所述地球站具有接收機天線方向圖，所述接收機天線方向圖具有前瓣和后瓣，以及操作所述地面站發射機來產生寬射頻波束，所述寬射頻波束指向天空，以及所述寬射頻波束基本上無法輻射到所述對地靜止衛星通信系統的所述地球站的任何所述前瓣中。
13.根據權利要求8所述的用于提供無線通信服務的方法，其中，所述對地靜止衛星通信系統的各所述地球站操作發射機天線方向圖，所述發射機天線圖具有窄形波束前瓣，所述窄形波束前瓣指向天空朝向所述衛星，以及其中，各所述地面站位于所述窄形波束前瓣的路徑之外的地點。
14.根據權利要求8所述的用于提供無線通信服務的方法，其中，所述對地靜止衛星通信系統的各所述地球站具有發射機天線方向圖，所述發射機天線方向圖具有窄形波束，所述窄形波束在向南的方向上指向天空朝向所述衛星，以及其中，所述至少一個地面站產生寬射頻波束，所述寬射頻波束在向南的方向上指向天空。
【文檔編號】H04B7/185GK103636143SQ201280032486
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年6月26日 優先權日:2011年6月29日
【發明者】J·M·克魯茲, P·J·沃爾什, J·A·托賓, T·喬伊斯, Y·劉, A·K·查里, I·科斯塔尼奇, H·G·塞勒卡 申請人:Gogo有限責任公司