專利名稱：具有擁有交替射頻極化的多維扇區(qū)的空地蜂窩通信網(wǎng)陸地基站的制作方法
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(jī)和多個(gè)陸地小區(qū) 站點(diǎn)之間同時(shí)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(gè)問(wèn)題是當(dāng)飛機(jī)沿著它們的路線飛行以及接近或離 開(kāi)機(jī)場(chǎng)時(shí)，如何有效并且連續(xù)不斷地滿足多架飛機(jī)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(gè)陸地(地面)基站組 成，每個(gè)基站在預(yù)定的空域內(nèi)提供一個(gè)射頻覆蓋區(qū)。這些射頻覆蓋區(qū)在小 區(qū)站點(diǎn)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(duì)地面發(fā)出 的或者地面反射的信號(hào)不敏感，并且這種天線只朝天空方向發(fā)射信號(hào)。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(jī)場(chǎng)與機(jī)場(chǎng)在一起。當(dāng)飛機(jī)在地面上的時(shí)候，這 些飛機(jī)也能夠得到網(wǎng)絡(luò)覆蓋。在這種情況下，針對(duì)地面上的飛機(jī)來(lái)優(yōu)化天 線。每個(gè)陸地基站覆蓋區(qū)的邊界都與相鄰站點(diǎn)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(gè)目標(biāo)區(qū)域提供通信 覆蓋。陸地基站可以利用與單個(gè)發(fā)射和接收天線系統(tǒng)有關(guān)的收發(fā)信機(jī)來(lái)提 供單個(gè)全向覆蓋小區(qū)，或者可以利用有關(guān)的收發(fā)信機(jī)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(gè)扇區(qū)。后一種布局中每個(gè)陸地基站多個(gè)扇 區(qū)的優(yōu)點(diǎn)在于在這個(gè)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(wú)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?。?dāng)無(wú)線通信裝置從一個(gè)小區(qū)或扇區(qū)的覆蓋區(qū)移動(dòng)到相 鄰小區(qū)或扇區(qū)的覆蓋區(qū)時(shí)，要將這個(gè)無(wú)線通信裝置的通信從第一個(gè)小區(qū)或 扇區(qū)切換到第二個(gè)小區(qū)或扇區(qū)。這樣做要求第二個(gè)小區(qū)有足夠的呼叫處理容量可供使用，以便支持這個(gè)無(wú)線通信裝置帶來(lái)的新的負(fù)荷。單個(gè)個(gè)人無(wú) 線通信裝置的呼叫切換不會(huì)給小區(qū)帶來(lái)很大的瞬間負(fù)荷。但是，在空地蜂 窩通te網(wǎng)中，飛機(jī)內(nèi)正在進(jìn)行的大量呼叫會(huì)占用陸地小區(qū)站點(diǎn)的大部分呼 叫處理容量，因?yàn)槊考茱w機(jī)都有幾百個(gè)乘客，每一個(gè)乘客都在爭(zhēng)相占用網(wǎng) 絡(luò)容量。由于小區(qū)站點(diǎn)能夠支持的飛機(jī)數(shù)量有限，而飛機(jī)在小區(qū)內(nèi)的平均 滯留時(shí)間卻很長(zhǎng)， 一架飛機(jī)還沒(méi)有離開(kāi)并釋放小區(qū)處理容量時(shí)，就可能有 另一架飛機(jī)到達(dá)，因此必須有很大的空閑容量用來(lái)為飛機(jī)提供服務(wù)。另外， 在飛機(jī)和提供服務(wù)的陸地小區(qū)站點(diǎn)之間采用單條射頻鏈路意味著一個(gè)故障 就會(huì)導(dǎo)致大量呼叫中斷。
所以，空地蜂窩通信網(wǎng)中飛機(jī)和陸地基站之向的射頻通信鏈路容量有 限，容錯(cuò)能力差，導(dǎo)致提供服務(wù)的陸地小區(qū)站點(diǎn)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(wèn)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(wèn)題是利用本發(fā)明中用于與多個(gè)陸地小區(qū)站點(diǎn)同時(shí)通信的多鏈路 飛機(jī)蜂窩系統(tǒng)來(lái)解決的。在這里將這一系統(tǒng)稱為"多鏈路飛機(jī)蜂窩系統(tǒng)"。
在這一技術(shù)說(shuō)明書(shū)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(wú)線通信鏈路。因此，在這一說(shuō)明書(shū)中，空地也包 括地空方向。
通過(guò)在一個(gè)以上的小區(qū)或扇區(qū)之間分擔(dān)飛機(jī)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(duì)每架飛機(jī)的處理容量。這一方法通過(guò) 到多個(gè)陸地小區(qū)或扇區(qū)(或者給定小區(qū)的多個(gè)扇區(qū))的一條以上的空地射 頻通信鏈路來(lái)同時(shí)承載飛機(jī)的呼叫通信流量。對(duì)于給定的無(wú)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(kuò)散到多個(gè)陸地小區(qū)或扇區(qū)， 只要沒(méi)有任何其它飛機(jī)爭(zhēng)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(zhǎng)。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(cuò)能力差的問(wèn)題，從而使這一組合起來(lái)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(guò)將總的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷"分?jǐn)? 到多個(gè)陸地小區(qū)，即使在某個(gè)空域內(nèi)有多架飛機(jī)，空地蜂窩通信網(wǎng)非常繁
6忙，這一方法也會(huì)因?yàn)檫@個(gè)服務(wù)區(qū)內(nèi)的飛機(jī)在獨(dú)立、共同地改變它們對(duì)網(wǎng) 絡(luò)容量的需求，而提高給定飛機(jī)的總通信流吞吐量。
為了提高帶寬受限無(wú)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(lái)分解飛機(jī)在其中工作的可用空間和時(shí)間多維區(qū)域。這些方法包括 使用兩個(gè)基本正交的極化來(lái)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(jìn)一步提高空地蜂窩通信網(wǎng)的呼叫處理
本發(fā)明中的多鏈路飛機(jī)蜂窩系統(tǒng)利用安裝在飛機(jī)上并且互相分開(kāi)的多 個(gè)天線，以及額外的可選信號(hào)隔離和優(yōu)化技術(shù)來(lái)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(gè)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(jìn)一步分隔成多個(gè)扇區(qū)， 從而通過(guò)空間頻率重用來(lái)進(jìn)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(duì)給定基站和有 關(guān)飛機(jī)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(shí)，在多個(gè)節(jié)點(diǎn) 之間對(duì)負(fù)荷尖峰進(jìn)行平滑或平衡，能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的尖峰負(fù)荷管理能力。
因此，通過(guò)在一個(gè)以上的陸地小區(qū)或扇區(qū)之間分擔(dān)通信流量負(fù)荷，利 用飛機(jī)上安裝的多個(gè)分隔開(kāi)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(hào)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(duì)每一架飛機(jī)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(jī)的側(cè)視圖、正視圖和頂視圖； 圖2A說(shuō)明波音737-500飛機(jī)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(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙(enginepods)
對(duì)射頻信號(hào)的遮擋；
圖3A說(shuō)明兩個(gè)飛機(jī)刀片天線的射頻發(fā)射方向圖， 一個(gè)刀片天線安裝在
波音737-500飛機(jī)的前部(forward), —個(gè)刀片天線安裝在后部(aft),如
圖3B所示；
圖4A說(shuō)明在飛機(jī)腹部安裝的具有縫隙天線輻射器的刀片天線，天線的電場(chǎng)矢量垂直于縫隙的長(zhǎng)度方向；
圖4B說(shuō)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(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，在導(dǎo)電表面平面內(nèi)有方向圖零 點(diǎn)；
圖4C說(shuō)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(chǎng)矢 量平行于單極單元的長(zhǎng)軸；
圖4D說(shuō)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(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖5A說(shuō)明安裝在腹部的刀片天線，以及垂直電場(chǎng)和水平電場(chǎng)；
圖5B說(shuō)明安裝在腹部的圓極化天線，以及導(dǎo)電表面上的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向 圖(在水平方向上這個(gè)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(gè)理論上的理想零點(diǎn))；
圖6說(shuō)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(hào)輸出；
圖7說(shuō)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(hào)輸出；
圖8A說(shuō)明安裝在飛機(jī)機(jī)身側(cè)面上(或者在腹部和機(jī)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(gè)輻射器，也可以是微帶輻射器陣列)；
圖8B說(shuō)明安裝在飛機(jī)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(gè)飛機(jī)天線與基站處指向天頂(天空)的天線配對(duì));
圖9A說(shuō)明多個(gè)空地陸地基站形成的空地蜂窩通信網(wǎng)中小區(qū)站點(diǎn)的典 型模式(利用六角形的小區(qū)形狀能夠更加容易地說(shuō)明)；
圖9B說(shuō)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(yuǎn)場(chǎng)方向圖劃分成六個(gè)扇區(qū)(在極化域進(jìn)一步劃分扇區(qū)，在 這個(gè)實(shí)例中，相鄰扇區(qū)之間垂直極化和水平極化交替)；
圖9C說(shuō)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(yuǎn)場(chǎng)方向圖劃分成六個(gè)扇區(qū)(在極化域進(jìn)一步劃分扇區(qū)， 在這個(gè)實(shí)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(shuō)明在圖9B所示的系統(tǒng)中有三架飛機(jī)，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(yuǎn)場(chǎng)方向圖劃分成 六個(gè)扇區(qū)，如果空間幾何形狀允許，其中的飛機(jī)能夠同時(shí)與一個(gè)以上的扇 區(qū)通信；
圖10A說(shuō)明飛機(jī)遠(yuǎn)離基站天線，傳播視角很小的情況下，射頻信號(hào)的 直接路徑和反射路徑；
圖10B說(shuō)明在俯仰方向上劃分成多個(gè)扇區(qū)的小區(qū)站點(diǎn)，其中俯仰方向 上的扇區(qū)交替采用兩個(gè)基本正交的極化；
圖10C說(shuō)明在方位上劃分成圖示兩個(gè)扇區(qū)的小區(qū)站點(diǎn)在俯仰方向上被 進(jìn)一步劃分成多個(gè)扇區(qū)，這兩個(gè)扇區(qū)劃分維度被交替采用兩個(gè)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(shí)在兩個(gè)維上， 空域中的兩個(gè)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(shuō)明這樣一個(gè)實(shí)例，其中在飛機(jī)腹部安裝的兩個(gè)天線， 一個(gè)是 共形微帶貼片天線，另一個(gè)是刀片天線，用于支持與不同的兩個(gè)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(jī)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(jī)都通過(guò)至少一條空地射頻通信鏈路進(jìn)行連接；
圖12A以框圖的形式說(shuō)明飛機(jī)數(shù)據(jù)和話音業(yè)務(wù)通過(guò)數(shù)據(jù)流量控制到具 有一個(gè)發(fā)射端口和兩個(gè)接收端口的當(dāng)前技術(shù)收發(fā)模塊(收發(fā)信機(jī))的互聯(lián);
圖12B以框圖的形式說(shuō)明具有四個(gè)天線連接端口，每個(gè)都能夠發(fā)射和 接收的增強(qiáng)型收發(fā)信機(jī)模塊；
圖12C以框圖的形式說(shuō)明根據(jù)收自基站扇區(qū)的導(dǎo)頻信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)管理 飛機(jī)上發(fā)射天線的選擇的系統(tǒng)(圖12C中的過(guò)程與圖12D和12E中的過(guò)程 相結(jié)合)；
圖12D和12E與圖12C的過(guò)程相結(jié)合，用于說(shuō)明如何選擇飛機(jī)上發(fā)射 輻射器的極化以及如何選擇射頻信號(hào)的發(fā)射天線；
圖12F以框圖的形式說(shuō)明根據(jù)收自基站扇區(qū)的導(dǎo)頻信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)管理 飛機(jī)上接收天線的選擇的系統(tǒng)；
圖12G與圖12F的過(guò)程相結(jié)合，進(jìn)一步說(shuō)明最有可能的飛機(jī)系統(tǒng)級(jí)狀 態(tài)，例如是有一條空地鏈路還是有兩條空地鏈路；
9圖12H說(shuō)明飛機(jī)天線、極化和頻域之間可能的陣列組合。圖12H還以 實(shí)例的形式說(shuō)明同時(shí)使用兩條空地鏈路而不會(huì)導(dǎo)致自相干擾的三個(gè)域的 主、次配對(duì)；
圖B以框圖的形式說(shuō)明飛機(jī)上利用兩個(gè)收發(fā)信機(jī)卡(多半是未經(jīng)修改 的)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙天線、雙極化和多鏈路能力的關(guān)鍵組件；
圖14A1說(shuō)明多鏈路能力如何在飛機(jī)和陸地基站之間的正向和反向路 徑上進(jìn)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(jī)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 14A1的改進(jìn)，說(shuō)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(jī)收發(fā)信機(jī)的飛機(jī)天線連接使得能夠通過(guò)連接矩陣MXN進(jìn)行分 集接收；圖14A1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(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間，并且降低開(kāi) 發(fā)成本)；
圖14B說(shuō)明飛機(jī)無(wú)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(shuō)明如何通過(guò)兩條無(wú)線多鏈路在空地 方向上傳送單個(gè)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(jī))；以及
圖HC從概念上說(shuō)明逆復(fù)用的簡(jiǎn)化工作過(guò)程。
具體實(shí)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(gè)非常復(fù)雜的過(guò) 程，因?yàn)榭盏胤涓C通信網(wǎng)的許多組件互相作用，影響復(fù)合的整個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)屬 性，但同時(shí)會(huì)影響另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)屬性。從系統(tǒng)的角度來(lái)看，設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該 在具有高業(yè)務(wù)容量的同時(shí)，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(shí)間不斷升級(jí)，從而不斷提高業(yè)務(wù) 容量。
提高呼叫處理容量的問(wèn)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(gè)很大的問(wèn)題。由于蜂窩通信網(wǎng)要為多維空間的空 中飛機(jī)提供服務(wù)，這個(gè)多維空間內(nèi)具有不斷變化的飛機(jī)空間密度，因此提 高容量的問(wèn)題更加復(fù)雜，尤其是在機(jī)場(chǎng)和機(jī)場(chǎng)附近，飛機(jī)的空間密度非常 高。這些飛機(jī)高速飛行，導(dǎo)致多普勒頻移，還存在因?yàn)樾^(qū)半徑很大而帶
來(lái)的時(shí)間延遲。飛機(jī)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(lái)看，每架飛機(jī)都是單獨(dú)一個(gè)"節(jié)點(diǎn)"。作為單獨(dú)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)于陸 地基站而言，可能有數(shù)百乘客的每架飛機(jī)都具有非常大的容量，都是非常 大的單點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。每個(gè)獨(dú)特的乘客都可能有一個(gè)無(wú)線裝置，這個(gè)無(wú)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(wú)線 裝置的數(shù)量，會(huì)使得每架飛機(jī)的業(yè)務(wù)負(fù)荷極大。在給定的任意區(qū)域內(nèi)，可 能有數(shù)十架飛機(jī)，每架飛機(jī)都有很大的業(yè)務(wù)負(fù)荷，所有飛機(jī)一起爭(zhēng)用空地 蜂窩通信網(wǎng)通過(guò)有限頻帶的空地射頻通信鏈路的網(wǎng)絡(luò)資源。
飛機(jī)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(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是空中輻射極化會(huì)維持它們的輻射后狀態(tài)，不 會(huì)(象與陸地移動(dòng)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?yàn)榭盏鼐W(wǎng)絡(luò)中的傳播路徑是視距 (LOS)傳播路徑，在飛機(jī)和地面之間沒(méi)有人和自然的或人造的物體來(lái)衍射、 折射、反射或用其它方式影響飛機(jī)和地面之間(或者類似地在地面和飛機(jī) 之間)的射頻信號(hào)傳播(輻射出去的和到達(dá)的信號(hào)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(shí)現(xiàn)良好的極化隔離。正 交極化的實(shí)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(jí)別的高頻電磁計(jì)算機(jī)模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(fèi)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(jī)都工作于同一極化方式，或者全部是垂直極化
ii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(jī)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(lái)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(méi)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(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)隔離從而進(jìn)一步劃分扇區(qū)而沒(méi)有自身干擾的其它 方法包括利用碼域方案，在這種方案中，在每個(gè)扇區(qū)使用基本正交的碼。
對(duì)于空地通信，時(shí)域隔離方法要復(fù)雜得多。其中存在的問(wèn)題包括大 距離(超過(guò)一百英里)引起的較長(zhǎng)傳播延遲；沒(méi)有任何辦法來(lái)阻止分組在 空中繼續(xù)傳播從而千擾數(shù)百英里以外的另一個(gè)分組。另外，不可能在時(shí)域 上讓各個(gè)小區(qū)/扇區(qū)到達(dá)飛機(jī)的分組同步，從而將分組互相隔離(通過(guò)對(duì)分 組開(kāi)-關(guān)循環(huán)進(jìn)行時(shí)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(jī)提供服務(wù)存在獨(dú)特的問(wèn) 題，這些當(dāng)今的陸地蜂窩通信網(wǎng)都沒(méi)有考慮過(guò)這些問(wèn)題。例如，安裝在飛 機(jī)上的天線系統(tǒng)不僅會(huì)經(jīng)歷飛行中的極端情況(每小時(shí)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(dòng)和其它惡劣環(huán)境條件。從無(wú)線通信的角度來(lái)看，這些飛機(jī)天線必須輻 射具有相關(guān)電磁極化的特殊射頻(RF)信號(hào)，這些輻射全部來(lái)自非常小的 天線(天線安裝在飛機(jī)外表面上，而很大的物體會(huì)帶來(lái)阻力，從而顯著地 影響飛機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性)。飛機(jī)本身會(huì)對(duì)射頻信號(hào)造成遮擋，飛機(jī)自己的電 磁特性對(duì)某些射頻信號(hào)的極化具有非線性效應(yīng)，這些都會(huì)影響來(lái)自飛機(jī)天 線的射頻信號(hào)的傳播。
有多種類型的天線非常適合于安裝在飛機(jī)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(jī)腹部。對(duì)于刀片天線，具體的安裝位置進(jìn)一步受限于相鄰的其它飛機(jī) 天線或者飛機(jī)的機(jī)械構(gòu)造，例如飛機(jī)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(jī)腹部。將刀片天線安裝在 大型商用噴氣機(jī)腹部上的時(shí)候，飛機(jī)本身開(kāi)始影響視距無(wú)線電信號(hào)的傳播 路徑。例如，根據(jù)現(xiàn)代噴氣機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，大涵道噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(high bypass jet engines)(這種發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的燃油經(jīng)濟(jì)性)的巨大發(fā)動(dòng)機(jī)艙
(engine nacdle)實(shí)際上是掛在水平飛行的飛機(jī)的腹部以下。發(fā)動(dòng)機(jī)艙是(導(dǎo) 電)金屬的，對(duì)于射頻能量而言是不透明的。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)艙會(huì)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(duì)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(guò)程中，這些機(jī)械結(jié)構(gòu) 也是對(duì)射頻傳播的視距遮擋物。
另外，由于大多數(shù)飛機(jī)都是用導(dǎo)電外皮構(gòu)建的，因此相對(duì)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(jī)導(dǎo)電材料的電 面積很大。因此，飛機(jī)天線輻射信號(hào)或接收信號(hào)的極化(符合電磁互易性 原理)受到電尺寸很大的這個(gè)多維導(dǎo)電飛機(jī)表面的影響。具體地說(shuō)，麥克 斯韋方程要求沿著電尺寸很大的這個(gè)導(dǎo)體表面，與導(dǎo)體表面平行的電場(chǎng)矢 量的電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)該等于零。因此，在存在基本水平的導(dǎo)電飛機(jī)表面的地方， 在水平面中極化(也就是說(shuō)當(dāng)飛機(jī)水平飛行時(shí)，電場(chǎng)的極化平面平行于飛 機(jī)腹部和地平面)的飛機(jī)天線必然在任意方向都具有方向圖凹陷(rdl-off)。 更進(jìn)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(jī)腹部的長(zhǎng)度方向上朝前、后看去，在腹部安裝的水平極化飛機(jī)天線在 水平方向上存在非常明顯的方向圖凹陷。機(jī)翼也有某種影響，雖然因?yàn)闄C(jī) 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(jī)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(hào)傳播路徑的臨時(shí)損耗(temporary loss),這些因素，包括 遮擋和極化方向圖效應(yīng)，會(huì)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(jī)之間的聚合呼叫處理容量
(aggregate call handling capacity)。對(duì)于對(duì)時(shí)間或等待時(shí)間敏感的通信，例
如話音呼叫，這些因素會(huì)導(dǎo)致話音電話呼叫簡(jiǎn)直無(wú)法進(jìn)行。對(duì)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(hào)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(kāi))、"軟切換"(同時(shí)與 兩個(gè)或多個(gè)小區(qū)連接)或"更軟切換"(在給定小區(qū)的兩個(gè)或多個(gè)扇區(qū)之間 進(jìn)行連接)。但是，對(duì)于空地蜂窩通信網(wǎng)，小區(qū)站點(diǎn)位于數(shù)百英里以外，這 意味著安裝在飛機(jī)腹部的單個(gè)飛機(jī)天線涉及的射頻蜂窩通信鏈路正在經(jīng)受 任何可能時(shí)間長(zhǎng)度的性能下降，對(duì)于這樣的天線而言，可能沒(méi)有可行的切 換，不論是硬切換、軟切換還是更軟切換。事實(shí)上，如果飛機(jī)正在高處平 直飛行，這種性能下降的持續(xù)時(shí)間可能長(zhǎng)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(shuō)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(lái)提高系統(tǒng)總?cè)萘?。盡管空地蜂窩通信網(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(jì)繼承而來(lái))，但是實(shí)際上， 空地環(huán)境非常獨(dú)特，具有獨(dú)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(jī)一般是在平直飛行，即便 是在轉(zhuǎn)彎或爬升/下降，商用飛機(jī)的飛行角都不大。因此，測(cè)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(duì)于飛行過(guò)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(shí)直接傳播到多個(gè)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(dòng)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(gè)平面內(nèi)成形，包括 仰角面和方位面。因?yàn)闆](méi)有任何東西干擾這些方向圖，象建筑物或隧道對(duì) 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(lái)將三維空間 進(jìn)一步分解成更小的區(qū)域，從而將固定的頻譜分配擴(kuò)展數(shù)倍。
有三個(gè)重要的傳播問(wèn)題會(huì)影響空地射頻通信鏈路的性能因?yàn)轱w機(jī)發(fā) 動(dòng)機(jī)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(diǎn)(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(gè)問(wèn)題是視距遮蔽。圖1A 1C分別是雙引擎波音737 飛機(jī)的側(cè)視圖、正視圖和頂視圖。在一些類型的飛機(jī)(例如波音737、 757) 中，發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙101、 102延伸到安裝空地蜂窩通信網(wǎng)天線150、 151的機(jī) 身底部以下。這種發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)從天線150、 151到提供服務(wù)的陸地 小區(qū)(沒(méi)有畫(huà)出)的射頻信號(hào)造成視距遮擋。
對(duì)于安裝在飛機(jī)上的天線，最大的射頻覆蓋范圍由無(wú)線電地平線(radio horizon)確定，在沒(méi)有任何發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙遮擋的情況下，要用4/3地球曲率來(lái) 計(jì)算這里的無(wú)線電地平線。在存在發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙遮擋的水平方向上，由地面
到飛機(jī)的仰角e來(lái)決定視距覆蓋，這個(gè)仰角肯定大于清除發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙以后的
(clearing the engine pod)飛機(jī)天線的垂直角(vertical angle)。對(duì)于波音 737-500飛機(jī)，這個(gè)垂直角是15.5度。因此，垂直角和飛機(jī)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(duì)于 波音737-500飛機(jī)，在l萬(wàn)英尺高度上，遮蔽區(qū)中的覆蓋范圍是7英里，而 在4萬(wàn)英尺的高度上，覆蓋范圍是28英里。
圖2A說(shuō)明波音737-500飛機(jī)前部安裝的腹部刀片天線150的射頻信號(hào) 發(fā)射方向圖；圖2B說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙101、 102對(duì)射頻信號(hào)的遮擋。圖2A 中的線條220說(shuō)明當(dāng)飛機(jī)在4萬(wàn)英尺的高度飛行時(shí)，從天線150發(fā)出的射 頻信號(hào)的有效范圍，圖2A中的線條230則說(shuō)明當(dāng)飛機(jī)在1萬(wàn)英尺的高度飛 行時(shí)，從天線150發(fā)出的射頻信號(hào)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(dòng) 機(jī)吊艙101、 102遮擋。
在飛機(jī)腹部中線后部，飛機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾之間的中點(diǎn)上，另外安裝的第 二個(gè)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(hào)發(fā)射方向圖中的零點(diǎn)。圖3A說(shuō)明兩個(gè)飛機(jī)刀片天線150、 151的射頻信 號(hào)發(fā)射的組合方向圖， 一個(gè)刀片天線安裝在波音737-500飛機(jī)中線的前部， 一個(gè)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(hào)發(fā)射方 向圖可以看出，安裝在腹部的這第二個(gè)刀片天線151具有的射頻信號(hào)發(fā)射方向圖能夠補(bǔ)充在腹部安裝的第一個(gè)刀片天線150的方向圖，從而通過(guò)減 少飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙101、 102引起的信號(hào)遮擋，來(lái)提供更加均勻的覆蓋。
天線組合
使用飛機(jī)上的兩個(gè)天線能夠部分地解決發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙遮擋的問(wèn)題。但是， 利用雙極化天線，從兩個(gè)天線會(huì)有四個(gè)天線饋入(feed)。利用單個(gè)EV-DO 調(diào)制解調(diào)器，在輸入EV-DO調(diào)制解調(diào)器的兩個(gè)Rx輸入端之前，來(lái)自兩個(gè) 天線的兩個(gè)垂直極化饋入必須組合，來(lái)自兩個(gè)天線的兩個(gè)水平饋入也必須 組合起來(lái)。另一個(gè)選項(xiàng)是使用兩個(gè)EV-DO調(diào)制解調(diào)器。利用兩個(gè)調(diào)制解調(diào) 器，組合這四個(gè)天線饋入有兩種可能。在一種選擇中， 一個(gè)調(diào)制解調(diào)器連 接兩個(gè)垂直饋入，而第二個(gè)調(diào)制解調(diào)器則連接兩個(gè)水平饋入。在第二個(gè)選 擇中，每個(gè)調(diào)制解調(diào)器都連接到兩個(gè)天線之一的垂直和水平饋入。
選擇h —個(gè)調(diào)制解調(diào)器連接垂直饋入， 一個(gè)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(gè)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(gè)事實(shí)。這樣就使 得單架飛機(jī)因?yàn)閺?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(gè)小區(qū)的性能拖拽下來(lái)。 一種可
能性是僅僅在兩個(gè)小區(qū)中較弱的那一個(gè)能夠支持最低的數(shù)據(jù)速率(或等同 質(zhì)量度量)時(shí)，才復(fù)用多個(gè)小區(qū)。如果較弱的這個(gè)小區(qū)不滿足最低質(zhì)量度 量要求，就只使用由較強(qiáng)小區(qū)提供服務(wù)的調(diào)制解調(diào)器。
選擇2:每個(gè)調(diào)制解調(diào)器連接兩個(gè)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(méi)有復(fù)用增 益。這是因?yàn)閮蓚€(gè)調(diào)制解調(diào)器總是由同一個(gè)小區(qū)提供服務(wù)(只有當(dāng)一個(gè)天 線被遮擋這種情況除外)，并且會(huì)互相爭(zhēng)用前向鏈路時(shí)隙。
也可以換成采用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)"智能"設(shè)計(jì)來(lái)選擇哪一種結(jié)構(gòu)最好，是 選擇1還是選擇2。在這里沒(méi)有任何因素將飛機(jī)上天線的數(shù)量限制為僅僅兩 個(gè)。優(yōu)選具有多于兩個(gè)飛機(jī)天線，如圖8A所示(這將在本說(shuō)明書(shū)的后面加 以討論)。
典型刀片天線結(jié)構(gòu)
圖4A說(shuō)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(diǎn)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(lái)的縫隙的相對(duì)側(cè)腐蝕出 來(lái)的微帶線)穿過(guò)開(kāi)放的空氣縫隙，連接到縫隙的對(duì)面邊緣上(電氣連接)。 常常利用玻璃纖維或樹(shù)脂材料來(lái)制作外殼453，這些材料適合飛行并且對(duì)于 射頻信號(hào)而言是透明的。這個(gè)天線400在水平方向440產(chǎn)生電磁場(chǎng)440。
圖4B說(shuō)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(chǎng)440和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖430。將這個(gè)天線的 遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖表示為430。遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖繞指向天底的矢量435呈放射狀對(duì)稱。 這個(gè)縫隙遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖在天底方向435具有零點(diǎn)。對(duì)于水平飛行的飛機(jī)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(chǎng)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(gè)方向圖零點(diǎn)。這個(gè)方向圖零點(diǎn)繞指向天底方向的矢量435呈輻射狀對(duì)稱。 420處的零點(diǎn)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(duì) 于在腹部安裝的天線，沿著飛機(jī)前后的機(jī)身長(zhǎng)度方向，飛機(jī)本身就具有很 大的電尺寸。對(duì)于圖4B所示的水平極化天線而言，這一導(dǎo)電表面會(huì)在沿著 飛機(jī)前后軸線方向上導(dǎo)致很深的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖零點(diǎn)。因此，圖2和3所示的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖并不代表在腹部安裝的水平極化天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖(但是可以 代表在腹部安裝的垂直極化天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖)。
從幾何角度來(lái)看，對(duì)于很多工作空域，空地網(wǎng)絡(luò)從飛機(jī)到地面(以及
從地面到飛機(jī))的視角非常小。因此，在420處的方向圖零點(diǎn)是非常重要 的鏈路預(yù)算問(wèn)題(link budget issue)。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(jì)中必須考慮的問(wèn)題。為了使這一多鏈路是優(yōu)化鏈路，從飛機(jī) 輻射出來(lái)正交的兩種極化應(yīng)當(dāng)盡可能地"方向圖平衡"，意思是說(shuō)，它們的 遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖應(yīng)當(dāng)非常相似。換句話說(shuō)，兩個(gè)極化的方向圖中沒(méi)有任何一個(gè) 極化方向圖應(yīng)當(dāng)在很大的空域具有方向圖零點(diǎn)(象420—樣)。
圖4C說(shuō)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(gè)安裝法蘭安裝在 飛機(jī)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(duì)于射頻信號(hào)而言透明的材料制作。這一天線的電 場(chǎng)是垂直的，如圖中483所示。在平直飛行過(guò)程中，483垂直于飛機(jī)腹部， 也垂直于地球。這個(gè)天線405產(chǎn)生電磁遠(yuǎn)場(chǎng)490，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(diǎn)493。跟安裝在飛機(jī)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(méi)有方向圖零點(diǎn)。遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖繞指向天 底的矢量493呈輻射狀對(duì)稱?？傊?，圖4D說(shuō)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(chǎng)483和 遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖490。
對(duì)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(gè)示例性天線中的任何一個(gè)，如果將這些天線安裝在復(fù)合材料或非導(dǎo) 電的機(jī)架(airframe)上，遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖將會(huì)發(fā)生明顯的改變。對(duì)于非導(dǎo)電機(jī) 架，其它形式的天線可能更加合適，或者可以在飛機(jī)機(jī)身腹部安裝天線的 地方嵌入導(dǎo)電材料。例如，實(shí)際上水平極化的縫隙天線在非導(dǎo)電機(jī)架上性 能更好，因?yàn)樗椒较虻碾妶?chǎng)不必為零。無(wú)論如何，這是在這里指出的另 外一個(gè)高頻電磁設(shè)計(jì)問(wèn)題，逆復(fù)用概念仍然可以用于非金屬飛機(jī)或復(fù)合材 料機(jī)架飛機(jī)上。
圖5A說(shuō)明安裝在腹部的刀片天線500，它同時(shí)具有垂直電場(chǎng)和水平電 場(chǎng)。這個(gè)天線500產(chǎn)生兩個(gè)電磁場(chǎng)具有垂直極化電場(chǎng)590的第一遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖591，以及具有水平極化電場(chǎng)540的第二遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖541。這一天線安 裝在導(dǎo)電410飛機(jī)機(jī)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(diǎn)，兩種極化的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖都繞矢量510成輻射狀 對(duì)稱。在電尺寸很大的導(dǎo)電表面上輻射時(shí)，水平方向圖541仍然有其地平 線上的凹陷。
圖5B說(shuō)明安裝在腹部的圓極化天線520，以及導(dǎo)電表面(飛機(jī)腹部) 410上與之有關(guān)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。這個(gè)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(nomial mode)" 螺旋線，它在與其指向天底方向的長(zhǎng)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(diǎn)。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(gè)雙線極化具有 90度相位差(如圖5B所示)。此時(shí)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(gè)天線的垂 直極化和水平極化之間相位相差+90度，另一個(gè)天線的垂直極化和水平極化 之間相位相差-90度。具有卯度相位差的原來(lái)的兩個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)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?yàn)樵瓉?lái)的垂直極化和水平極化遠(yuǎn)場(chǎng) 方向圖在這個(gè)區(qū)域具有相近的幅度。但是，在550區(qū)域，軸比很差，因?yàn)?水平極化信號(hào)的幅度在這個(gè)區(qū)域趨于零(也就是具有方向圖零點(diǎn))。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(duì)稱。
采用圓極化最重要的地方在于，在區(qū)域550中，盡管因?yàn)榇怪睒O化在 這個(gè)區(qū)域的貢獻(xiàn)沒(méi)有方向圖零點(diǎn)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(yán)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(jī)天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。在地平 線方向上這一點(diǎn)尤其正確，在這個(gè)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(yuǎn)的區(qū)域。因此，采用圓極化這一類的方法來(lái)改 善空域中這個(gè)關(guān)鍵地平線區(qū)域里飛機(jī)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的開(kāi)/關(guān)，對(duì)于用于 逆復(fù)用的聚合系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言是非常重要的要素。
圖6說(shuō)明典型雙線極化微帶貼片天線600的射頻信號(hào)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(chǎng)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(chǎng)矢量630。與此類似，圖7說(shuō)明典型雙 圓極化微帶貼片天線710的射頻信號(hào)輸出，其中對(duì)于一個(gè)極化， 一個(gè)輸出 在O度處極化，另一個(gè)輸出在-90度處極化；對(duì)于另一個(gè)極化，它們分別是 在0度和+90度處極化(圖7中沒(méi)有畫(huà)出)。將這兩個(gè)信號(hào)同時(shí)施加到90 度混合器720，這個(gè)混合器720產(chǎn)生右旋圓極化電場(chǎng)矢量730和左旋圓極化 電場(chǎng)矢量740。要注意，導(dǎo)電表面700會(huì)影響遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖在導(dǎo)體平面中的形 狀，因?yàn)槠叫须妶?chǎng)必須為零。
使用微帶貼片天線的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是很容易將它們布成陣，從而在飛 機(jī)上/下(on/off)進(jìn)行波束和方向圖成形。這一特性使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠開(kāi) 發(fā)飛機(jī)內(nèi)天線方向圖隔離，從而提供另一種設(shè)計(jì)自由度。更重要的是，這 樣做能夠獲得增益高得多的飛機(jī)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(shí)際 上，在0dBi左右(相對(duì)于各向同性輻射器)，但是因?yàn)闄C(jī)架影響，更多的 情況是只有-2dBi到-4dBi。與此形成對(duì)照，單個(gè)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(lái)，不僅 能夠改善去往/來(lái)自飛機(jī)的鏈路預(yù)算等式(link budget叫uations)，還能夠提 供飛機(jī)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。可以將微帶貼片陣列制作成共形的，它們與安裝天線的飛機(jī)機(jī)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(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。
微帶飛機(jī)天線
圖8A說(shuō)明安裝在飛機(jī)800機(jī)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(jī)身側(cè)面，也可以是腹部和側(cè)面之間 的過(guò)渡區(qū)域。
圖8B說(shuō)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(jī)850的腹部，這個(gè)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(gè) 空地射頻通信鏈路890包括獨(dú)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(diǎn)以上的"圓環(huán)
洞(donuthole)"區(qū)域內(nèi)以及(飛機(jī)以下)具有指向天底的零點(diǎn)的典型飛機(jī) 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(jī)天線和陸地天線都是圓極化的， 因此飛機(jī)能夠在小區(qū)站點(diǎn)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(diǎn)
在飛機(jī)上使用多個(gè)天線能夠?qū)⒁暰鄦?wèn)題考慮進(jìn)來(lái)，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)。另外還有基于飛 機(jī)的天線解決方案用來(lái)糾正或補(bǔ)償水平極化方向圖零點(diǎn)，特別是沿著機(jī)身 長(zhǎng)軸方向。將天線放置在適當(dāng)?shù)奈恢貌⑦x擇射頻信號(hào)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(gè)陸地(地面)基站組成，每個(gè)陸地基站 在預(yù)定的空域內(nèi)提供一個(gè)射頻覆蓋區(qū)，這個(gè)射頻覆蓋區(qū)圍繞小區(qū)站點(diǎn)發(fā)射 天線呈輻射狀排列。圖9A說(shuō)明多個(gè)陸地基站形成的空地蜂窩通信網(wǎng)中小區(qū) 站點(diǎn)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(shí)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(gè)陸地基站都是 用一種天線方向圖，這種方向圖對(duì)于來(lái)自地面的或者地面反射的信號(hào)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(lái)天空方向的信 號(hào)。陸地基站也可以靠近機(jī)場(chǎng)，以便當(dāng)飛機(jī)在地面上時(shí)，提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋。 在這種情況下，為位于地面上的飛機(jī)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(gè)空地 陸地基站的覆蓋區(qū)的邊界都與相鄰站點(diǎn)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(duì)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(jī)上同時(shí)使用一 個(gè)或多個(gè)雙極化天線。更加具體地說(shuō)，在CDMA系統(tǒng)中，每個(gè)單個(gè)陸地小 區(qū)扇區(qū)中的發(fā)射和接收都會(huì)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(huì)是相似地極化的。但是，與(垂直極化的)前一 個(gè)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(shuō)明 小區(qū)站點(diǎn)911-914的一個(gè)實(shí)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(yuǎn)場(chǎng)方向圖劃分成六個(gè)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?yàn)樯漕l信號(hào)的極 化不會(huì)象在陸地系統(tǒng)中那樣因?yàn)槎鄰絺鞑ザ鴨适АＷ鳛橐粋€(gè)實(shí)例，將小區(qū) 站點(diǎn)914劃分成六個(gè)扇區(qū)4A 4F (914A 914F)，這六個(gè)扇區(qū)的極化在兩個(gè) 基本正交的極化之間交替變化。于是，作為一個(gè)實(shí)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(shuō)明在小區(qū)站點(diǎn)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(yuǎn)場(chǎng)方向圖劃分成六個(gè)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?yàn)樯漕l信號(hào)的極 化不會(huì)象在陸地系統(tǒng)中那樣因?yàn)槎鄰絺鞑ザ鴨适АＷ鳛橐粋€(gè)實(shí)例，將小區(qū) 站點(diǎn)924劃分成六個(gè)扇區(qū)4A 4F (924A 924F)，這六個(gè)扇區(qū)的極化在兩個(gè) 基本正交的極化之間交替變化。于是，作為一個(gè)實(shí)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(shí)例中，圖9B和9C每個(gè)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(gè)俯仰空域(也就是90度的覆蓋)，也可以是同樣給這個(gè)俯 仰方向(每個(gè)方位方向上的扇區(qū))的空域劃分扇區(qū)。
圖9D說(shuō)明在圖9B所示的系統(tǒng)中有三架飛機(jī)，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(yuǎn)場(chǎng)方向圖劃分成 六個(gè)扇區(qū)。飛機(jī)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(jī)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(hào)的水平極化、垂直極化。最后，飛機(jī)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(hào)的垂直極化。在這種情況下，CDMAEVDO接收機(jī)使用空間分集接收， 因?yàn)閮蓚€(gè)飛機(jī)天線都是垂直極化的，飛機(jī)上存在對(duì)應(yīng)的"分集接收增益"。
反射路徑干擾
圖10A說(shuō)明飛機(jī)1000遠(yuǎn)離基站天線1002，傳播視角很小的情況下， 射頻信號(hào)的直接路徑1007和反射路徑1006。具體地說(shuō)，這個(gè)實(shí)例說(shuō)明典型 情況下射頻信號(hào)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(jī)1000在7英里的高度飛行。在圖 中，基站天線1002和飛機(jī)IOOO之間的距離為100英里。在這個(gè)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(diǎn)1003處接觸地球表面。在這條路徑離開(kāi)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(duì)于這個(gè)實(shí)例，計(jì)算這些角度時(shí)一般 都假設(shè)平坦的地球?qū)Ρ?/3無(wú)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(shí)際上相等。因此，信號(hào)1008和1009具有相等的傳播延遲和相等的 到達(dá)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(duì)于直接路徑具有180度的相位變化(來(lái)自反射點(diǎn) 1003)。于是，當(dāng)飛機(jī)1000在地平線上時(shí)，在飛機(jī)1000處，射頻信號(hào)具有 很深的方向圖零點(diǎn)，因?yàn)橹苯由渚€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(guò)將基站天線方向圖(在地 平線方向上)凹陷大約-5分貝，對(duì)地平線上的基站天線方向圖進(jìn)行成形， 一般都能夠糾正地平線上的這個(gè)傳播問(wèn)題。從飛機(jī)到基站的反向傳播路徑 并不總是互易的，因?yàn)槁由浣且话爿^大(高于幾度的掠射角，方向圖零點(diǎn) 問(wèn)題不是那么突出)。
圖10B說(shuō)明在俯仰方向上劃分成多個(gè)扇區(qū)1013~1016的小區(qū)站點(diǎn)，其
中俯仰方向上的扇區(qū)交替采用兩個(gè)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(duì)稱的，或 者這些方向圖可以僅僅是針對(duì)給定方位扇區(qū)的(例如如圖9系列所示，其 中每個(gè)小區(qū)有6個(gè)方位扇區(qū))。圖中的極化是作為實(shí)例，沒(méi)有任何因素對(duì)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(gè)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(lái)平衡鏈 路預(yù)算對(duì)比距離對(duì)比覆蓋的空域大小(也就是說(shuō)這個(gè)空域大小需要多大的 容量)?？傊?，預(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(jī)在小區(qū)1012上飛行的方向無(wú)關(guān)?？臻g1011的區(qū)域說(shuō) 明在地平線上的方向圖凹陷，以使圖IOA所描述的零點(diǎn)的影響最小。
圖10C說(shuō)明被劃分成在俯仰方向上的多個(gè)扇區(qū)1013 1016 (如圖10B 所示)，在俯仰方向上的多個(gè)扇區(qū)1020~1024的小區(qū)站點(diǎn)1050 (小區(qū)4)， 它們交替采用兩個(gè)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(jī) 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(shí)仍然在每個(gè)子天線 波束之間實(shí)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。空間1011的區(qū)域說(shuō)明在地平線上的方向圖凹陷，以便使圖10A 所描述的零點(diǎn)的影響最小。
于是，以上劃分扇區(qū)的實(shí)例說(shuō)明了讓非陸地空間區(qū)域具有多個(gè)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(jī)上 的多個(gè)無(wú)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(gè)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(gè)空間中工作的飛機(jī)的通信需求。通過(guò)給射頻信號(hào)增加極化來(lái)減小相鄰扇 區(qū)之間的干擾，這里的多鏈路飛機(jī)蜂窩系統(tǒng)形成射頻"隧道"的一個(gè)多維 陣列，每個(gè)隧道支持與一架或多架飛機(jī)的有關(guān)的空地蜂窩通信鏈路。多個(gè)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(hào)帶寬， 通過(guò)根據(jù)需要將這些隧道分配給某架飛機(jī)，讓每架飛機(jī)能夠獲得這些帶寬。 隧道可以具有時(shí)間、空間、碼、極化、天線-飛機(jī)、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(duì)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(wèn)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(shuō)明這樣一個(gè)實(shí)例，其中在飛機(jī)1110腹部安裝有共形微帶貼片 天線(或陣列)1120，這個(gè)指向天底(地面)方向的天線1120是圓極化的。 這個(gè)空地峰窩通信網(wǎng)包括空地陸地基站1105，這個(gè)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(dú)立于飛行偏航角；在這個(gè)實(shí)例中，這--
極化是右旋圓極化。另外，飛機(jī)iiio配備了在腹部安裝的垂直極化刀片天
線1130，在圖中說(shuō)明它正在通過(guò)空地射頻通信鏈路1140與空地陸地基站 1107通信。這個(gè)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(gè)空地小區(qū)站點(diǎn)1105、 1107分別由有關(guān)的基地收發(fā)信機(jī)站(BTS) 1135、 1145提供服務(wù)，這些BTS通過(guò)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和因牛寺網(wǎng)(1152 )。從PSTN-PSDN-IP (1152 )到飛機(jī)(1110) 的全部通信路徑都是雙向的。
飛機(jī)接口路徑1140和飛機(jī)接口路徑1130作為獨(dú)立的路徑，各自承載來(lái) 往于飛機(jī)的業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)和話音)。換句話說(shuō)，路徑1130不包含與路徑1140 互相混合的任何信息。 一個(gè)實(shí)例是路徑1130僅僅用于商務(wù)和頭等艙顧客， 路徑1140則僅僅用于經(jīng)濟(jì)艙或二等艙乘客。在這種情況下，鏈路1130和 1140之間沒(méi)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(lái)自飛機(jī)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(gè)數(shù)據(jù)分組不再在時(shí)間上同步，也就是說(shuō)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(shí)駐留于飛機(jī)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(jī)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(jī)都通過(guò)至少一條空地射頻通信鏈路進(jìn)行連接。每架飛機(jī)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(jī)與提供服務(wù)的至少一個(gè)空地陸地基地收發(fā)信機(jī)站(BTS) 1135、 1145、 1190禾卩1191連接起來(lái)。數(shù)據(jù)通信鏈路1180~1183通過(guò)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(jī)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(gè)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(jī)，并且每架飛機(jī)利用了多條空地射頻通信鏈路 來(lái)下發(fā)整個(gè)空地蜂窩通信網(wǎng)中每架飛機(jī)上的無(wú)線終端裝置產(chǎn)生的業(yè)務(wù)。
逆復(fù)用能力駐留在飛機(jī)1110和1170 1173上，也駐留在地面上，在網(wǎng) 絡(luò)1150中，在BSC1184 1185中，或者在為這一目的(逆復(fù)用)創(chuàng)造的另 一個(gè)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(lái)傳遞數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 在圖11B中，飛機(jī)1110同時(shí)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(gè)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(duì)于圖11A和11B， BTS是1135和1145。對(duì)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(shuō)明發(fā)射和接收信號(hào)到飛機(jī)上的雙天線的互聯(lián)。 飛機(jī)有多個(gè)顧客終端裝置，每個(gè)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(wú)線局域網(wǎng)實(shí)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(guò)程1202通過(guò)收發(fā)信機(jī)卡1203來(lái)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(jī)卡1203支持一個(gè)發(fā)射端口 1204 和兩個(gè)接收機(jī)端口 1205、 1206。發(fā)射路徑是基于最佳接收路徑導(dǎo)頻測(cè)量結(jié)果來(lái)選擇的。目前，發(fā)射分集是不可能的。接收機(jī)具有通過(guò)兩個(gè)信號(hào)的時(shí) 間相關(guān)的分集接收能力，這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)歷了多徑延遲，但是來(lái)自同一源或 扇區(qū)。
也可以換成是，如圖12B所示，增強(qiáng)的收發(fā)信機(jī)卡1203支持四個(gè)端口
(現(xiàn)在還沒(méi)有這樣的事情)天線l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(shuō)明管理飛機(jī)上發(fā)射天線的選擇的系統(tǒng)過(guò) 程。管理飛機(jī)發(fā)射天線的選擇有三個(gè)邏輯示意圖，每個(gè)示意圖從步驟1299 開(kāi)始(圖12C、 12D和圖12E)。這三個(gè)過(guò)程一般都是并行進(jìn)行的。在圖12C 中的步驟1299中，這一過(guò)程開(kāi)始，其中，飛機(jī)上的處理器開(kāi)始選擇天線和 極化，用作發(fā)射天線和發(fā)射極化，來(lái)實(shí)現(xiàn)到選中的空地陸地基地收發(fā)信機(jī) 站(BTS)的空地射頻通信鏈路。有多個(gè)可選的導(dǎo)頻信號(hào)測(cè)量過(guò)程，每個(gè)天 線和射頻信號(hào)極化組合一個(gè)。在這個(gè)實(shí)例中，有兩個(gè)天線(天線1，天線2) 和兩個(gè)射頻信號(hào)極化(水平極化，垂直極化)。這樣就得到四個(gè)過(guò)程，利用 這四個(gè)過(guò)程來(lái)在1292、 1293、 1294和1295處測(cè)量導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度，它們分 別來(lái)自天線/極化1210、 1211、 1212和1213。這些過(guò)程可以并行進(jìn)行，交 織進(jìn)行，或者串行進(jìn)行。無(wú)論如何，每個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)測(cè)量過(guò)程都將結(jié)果返回 給1214處的導(dǎo)頻信號(hào)比較過(guò)程，這個(gè)比較過(guò)程為飛機(jī)天線和射頻信號(hào)極化 的每個(gè)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(hào)。
在步驟1215 —直到步驟1230，確定哪個(gè)天線和射頻信號(hào)極化導(dǎo)致最強(qiáng) 導(dǎo)頻信號(hào)和次強(qiáng)導(dǎo)頻信號(hào)。具有最強(qiáng)導(dǎo)頻信號(hào)的飛機(jī)天線和射頻信號(hào)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(qiáng)導(dǎo)頻信號(hào)的飛機(jī)天線 和射頻信號(hào)極化的組合成為次發(fā)射機(jī)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(guò)程是系統(tǒng)尋求從飛機(jī)的 最優(yōu)傳輸路徑的繼續(xù)，不是僅僅作為單個(gè)節(jié)點(diǎn)，而是考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù) 荷(也就是有多少架飛機(jī)正由給定小區(qū)-扇區(qū)提供服務(wù))，對(duì)于局部、區(qū)域和 全國(guó)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(shuō)，這一復(fù)合 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法確保爭(zhēng)用網(wǎng)絡(luò)通信資源的所有飛機(jī)之間的公平和服務(wù)質(zhì)量 (QoS)。圖12D和12E說(shuō)明選擇飛機(jī)發(fā)射天線和有關(guān)極化的額外邏輯規(guī)則。具 體地說(shuō)，這兩組邏輯選擇規(guī)則涉及安裝的這兩個(gè)天線是否具有空間隔離。 但是，這一概念不限于兩個(gè)天線?？臻g隔離的一個(gè)實(shí)例是飛機(jī)內(nèi)天線方向 圖自隔離，飛機(jī)后部-機(jī)尾機(jī)身側(cè)邊上安裝的天線會(huì)與前部-右舷(starboard) 機(jī)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?yàn)檫@兩個(gè)飛機(jī)天線可 以同時(shí)用相同極化進(jìn)行發(fā)射，而不會(huì)自己互相干擾。
圖12D是在兩個(gè)飛機(jī)天線沒(méi)有足夠的方向圖間隔離的情況下所采取的 邏輯過(guò)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(gè)系統(tǒng)判斷必 需的次正交極化是跟主極化一樣在同一個(gè)天線上，還是次極化連接到了另 一個(gè)第二天線。
圖12E是在在步驟1238中兩個(gè)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(guò)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(gè)天線也可以是不同的天 線。
圖12F以框圖的形式說(shuō)明管理飛機(jī)上接收天線和有關(guān)極化的選擇的系 統(tǒng)。管理飛機(jī)接收天線的選擇的有兩個(gè)邏輯示意圖，每個(gè)示意圖都從步驟 1298開(kāi)始(圖12F和12G)。這兩個(gè)過(guò)程一般都是并行進(jìn)行的。在圖12F 的步驟1298中，這一過(guò)程初始化，飛機(jī)上的處理器開(kāi)始選擇天線和極化， 用作接收天線和極化，來(lái)實(shí)現(xiàn)到選中的空地陸地基地收發(fā)信機(jī)站(BTS)的 空地射頻通信鏈路。有多個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)測(cè)量過(guò)程是可選的，每個(gè)天線和射頻 信號(hào)極化組合一個(gè)。在這個(gè)實(shí)例中，有兩個(gè)天線(天線1和天線2)和兩個(gè) 射頻信號(hào)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(cè)量導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度的四個(gè)過(guò)程，這些過(guò)程分別來(lái)自天線/極 化1210、 1211、 1212和1213。這些過(guò)程可以并行進(jìn)行，交織起來(lái)，或者串 行進(jìn)行。在任何情況下，每個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)測(cè)量過(guò)程都將結(jié)果返回給步驟1245中的導(dǎo)頻信號(hào)比較過(guò)程，這個(gè)過(guò)程為飛機(jī)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(hào)極化的每個(gè)組合比較導(dǎo)頻信號(hào)。
在步驟1246-1261中，確定哪個(gè)天線和射頻信號(hào)極化得到最強(qiáng)導(dǎo)頻信 號(hào)和次強(qiáng)導(dǎo)頻信號(hào)。具有最強(qiáng)導(dǎo)頻信號(hào)的飛機(jī)天線和射頻信號(hào)極化組合作 為主接收天線和有關(guān)的極化選擇。具有次強(qiáng)導(dǎo)頻信號(hào)的飛機(jī)天線和射頻信 號(hào)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(guò)程是連續(xù)的，系統(tǒng)在其 中尋找到飛機(jī)的最佳傳輸路徑，不是只考慮飛機(jī)這單獨(dú)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而是考 慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)荷(也就是給定小區(qū)-扇區(qū)正在為多少飛機(jī)提供服務(wù))，并 且這個(gè)復(fù)合網(wǎng)絡(luò)是局部、區(qū)域和全國(guó)范圍的這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的整體優(yōu)化算法。特 別是，這個(gè)復(fù)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法能夠確保爭(zhēng)用網(wǎng)絡(luò)通信資源的所有飛機(jī)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(guò)程常常會(huì)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(shuō)， 其它系統(tǒng)級(jí)別的過(guò)程可以決定給定飛機(jī)的業(yè)務(wù)剖面(profile)在前向(基站 到飛機(jī))和反向(飛機(jī)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(gè)接收天線和有關(guān)的極化，但是只有一個(gè)發(fā)射天線和有關(guān)極化。 在這個(gè)實(shí)例中，前向路徑比反向路徑具有更高業(yè)務(wù)負(fù)荷。
圖12G說(shuō)明接收天線和有關(guān)極化的選擇從步驟1298開(kāi)始。這一過(guò)程包 括步驟1262、 1263、 1264—直到1267。從概念上講，如果為兩個(gè)不同天線 選中的接收極化相同，那么很有可能飛機(jī)天線正在從同一個(gè)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(jī)使用這兩個(gè)接收輸入作為空間分集接收，從而通過(guò)區(qū)分到達(dá)時(shí)間分集來(lái) 提高復(fù)合接收信號(hào)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(jī)很可能連接到兩個(gè)不同扇區(qū)進(jìn)行接收，并
且有兩條不同的鏈路正在工作。
圖12H說(shuō)明天線(1和/或2)、極化(垂直極化或水平極化)、頻帶(一
個(gè)或兩個(gè))以及工作狀態(tài)(主或次)的可能組合。盡管這個(gè)示意圖說(shuō)明飛 機(jī)上有兩個(gè)天線，但是沒(méi)有任何因素從技術(shù)上限制將這一示意圖擴(kuò)展到兩 個(gè)以上的飛機(jī)天線。認(rèn)識(shí)到這些示意圖中的每個(gè)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(jī)天線系統(tǒng)單元配對(duì)1290所示的主配對(duì)和1291所示的次配對(duì)。這兩個(gè)配對(duì)具有足夠的自身隔離，并且總的來(lái)說(shuō)，或者是主配對(duì)工作，或者是次配對(duì)工作，不會(huì)二者同時(shí)工作。這些配對(duì)一般都是排它性地工作(也就是說(shuō)一般都是互相排斥的，除非飛機(jī)天線方向圖具有前面討論的空間隔離；于是主、次配對(duì)有可能同時(shí)工作)。在圖中將主配對(duì)1290畫(huà)成覆蓋必要矩陣行、列"格子"的兩個(gè)實(shí)線橢圓，它具有如下屬性對(duì)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(duì)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。可以為兩個(gè)虛線橢圓中包含的次配對(duì)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(shuō)明飛機(jī)電子系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。飛機(jī)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(jī)上，這一功能將來(lái)自兩條不同接收多鏈路路徑的數(shù)據(jù)重新組合起來(lái)。它還基于飛機(jī)電子中駐留的業(yè)務(wù)負(fù)荷管理和鏈路質(zhì)量度量算法，結(jié)合來(lái)自陸地網(wǎng)絡(luò)的信令信息，在兩個(gè)收發(fā)信機(jī)1303和1304之間分配飛機(jī)發(fā)射數(shù)據(jù)(在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在多架飛機(jī)和多個(gè)扇區(qū)之間平衡業(yè)務(wù)負(fù)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(jī)一 1303和收發(fā)信機(jī)二 1304。處理器1305到收發(fā)信機(jī)1303和1304之間也是雙向的。這個(gè)處理器1305進(jìn)行導(dǎo)頻強(qiáng)度測(cè)量比較或者其它鏈路質(zhì)量度量測(cè)量，關(guān)于主、次發(fā)射和接收端口選擇進(jìn)行智能決策，并且發(fā)送選擇命令給收發(fā)信機(jī)1303和1304以及1306， MXN射頻發(fā)射-接收矩陣。裝置1306實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)雙工器(分離收發(fā)路徑)、同向雙工器(將多個(gè)射頻信號(hào)連接到同一發(fā)射天線)、環(huán)行器、開(kāi)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(jī)端口 1310 1312和收發(fā)信機(jī)端口 1315~1317，它們?nèi)坑裳b置1305控制。裝置1306遵循來(lái)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(shuō)明空地(地空)網(wǎng)絡(luò)中的逆復(fù)用功能。飛機(jī)電子系統(tǒng)1300連接到飛機(jī)天線兩和1402，這些天線通過(guò)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分別連接到BTS 1431和1430。
要注意，在這個(gè)圖14A1中，陸地天線1420 "小區(qū)天線五、扇區(qū)ot"是雙正交線極化的；這對(duì)于陸地天線1421也是正確的。對(duì)于特定的無(wú)線技術(shù)或體系結(jié)構(gòu)，這可能是優(yōu)選方法。但是，圖MA2說(shuō)明另一個(gè)實(shí)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(duì)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(jìn)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(duì)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(gè)BSC,這些BSC將不得不互相連接，通過(guò)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，BSC1436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(guò)多條無(wú)線路徑從飛機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)流1441。這里描述的因素中沒(méi)有任何因素會(huì)將飛機(jī)到地面(以及地面到飛機(jī))的路徑的數(shù)量限制成只有兩條無(wú)線鏈路。從概念上講，對(duì)無(wú)線鏈路數(shù)量的唯一制約是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在每條獨(dú)一無(wú)二無(wú)線路徑之間實(shí)現(xiàn)自身隔離的自由度(碼、空間、時(shí)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(dá)網(wǎng)絡(luò)1435時(shí)，在這個(gè)特定實(shí)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(jī)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(shuō)明更加針對(duì)EVDO CDMA實(shí)現(xiàn)。說(shuō)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(tái)而讓修改盡可能少，以縮短投入市場(chǎng)的時(shí)間，以及開(kāi)發(fā)成本和部署全國(guó)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(guò)圍繞現(xiàn)有的EVDO標(biāo)準(zhǔn)增加技術(shù)元素來(lái)實(shí)現(xiàn)多鏈路逆復(fù)用功能，圖14A2所示的關(guān)鍵區(qū)別對(duì)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(jī)上開(kāi)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(gè)射頻收發(fā)信機(jī)1451和1452，在這里將它們分別描述成飛機(jī)無(wú)線電調(diào)制解調(diào)器一和飛機(jī)無(wú)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(gè)飛機(jī)天線1453和1454。在1465中，每個(gè)飛機(jī)天線可以接收來(lái)自基站或小區(qū)天線1455和1456的兩個(gè)極化。除非飛機(jī)天線具有輻射的發(fā)射方向圖隔離，否則每個(gè)飛機(jī)天線都將用基本正交的極化進(jìn)行發(fā)射，也就是說(shuō)， 一個(gè)調(diào)制解調(diào)器將發(fā)射垂直極化，另一個(gè)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(dòng)態(tài)的，如同前面描述的一樣，隨著飛機(jī)從一個(gè)空域飛往另一個(gè)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(gè)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(duì)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(gè)方向上。但是1455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(gè)陸地天線扇區(qū)1455和1456的空間邊界上，在飛機(jī)天線1453和1454處實(shí)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(guò)網(wǎng)絡(luò)1459雙向連接到BSC — 1460的。繼續(xù)下來(lái)，1460通過(guò)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(jī)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(jī)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(jī)機(jī)艙內(nèi)傳遞這個(gè)數(shù)據(jù)流1464 (或者傳遞到飛機(jī)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(xì)地說(shuō)明服務(wù)質(zhì)量(QoS)空地1471路徑，其中數(shù)據(jù)流1470從飛機(jī)處開(kāi)始，通過(guò)多鏈路無(wú)線傳輸，通過(guò)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(guò)程)重新裝配成1472。在飛機(jī)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(gè)數(shù)據(jù)流，IP"Y"和IP"Z"， 1476和1475。在IP"Z"路徑以后，飛機(jī)上的EVDO無(wú)線電調(diào)制解調(diào)器1477以無(wú)線方式連接到BTS 1478, BTS 1478進(jìn)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(wú)線方式從EVDO調(diào)制解調(diào)器1482流向BTS 1483、BSC 1484和PDSN1485、 HA 1486，作為原始數(shù)據(jù)流IP"Y" 1476重新出現(xiàn)。這兩個(gè)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(wú)損的。也就是說(shuō)，從飛機(jī)發(fā)射的任何東西最終到達(dá)地面時(shí)沒(méi)有分組差錯(cuò)也沒(méi)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(jiǎn)單IP"和"移動(dòng)IP"IP移動(dòng)性模型。移動(dòng)IP是IETF (RFC2002~2006)的傳統(tǒng)IP移動(dòng)性模型。HA是MT (移動(dòng)終端)使用的IP地址的錨定點(diǎn)。由于移動(dòng)終端正在將它的附著點(diǎn)移動(dòng)到因特網(wǎng)，因此路由網(wǎng)不能直接路由到移動(dòng)終端。取而代之，HA為每個(gè)IP地址提供路由點(diǎn)。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(dòng)IP時(shí)，PDSN實(shí)現(xiàn)FA功能。如果移動(dòng)終端移動(dòng)到新的FA (PDSN),移動(dòng)IP協(xié)議更新它的HA來(lái)指向新的FA。
另一選項(xiàng)是使用簡(jiǎn)單IP。利用簡(jiǎn)單IP， PDSN為IP地址提供錨定點(diǎn)。當(dāng)移動(dòng)終端建立分組數(shù)據(jù)會(huì)話時(shí)，通過(guò)DHCP或某種類似的能力，PDSN將IP地址分配給移動(dòng)終端。對(duì)于因特網(wǎng)路由基礎(chǔ)設(shè)施，PDSN看起來(lái)像是那些IP地址的端點(diǎn)(或最后路由器)。如果移動(dòng)臺(tái)跨越小區(qū)邊界，會(huì)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(dòng)IP，有另一層移動(dòng)性，PDSN邊界不引起IP地址發(fā)生改變。
<formula>formula see original document page 33</formula><formula>formula see original document page 34</formula>如上所述，如果移動(dòng)終端從BTS2移動(dòng)到BTS3，它將由同一個(gè)PDSN
提供服務(wù)。因此，利用簡(jiǎn)單IP和移動(dòng)IP，都不需要給移動(dòng)終端分配新的IP地址。但是，如果移動(dòng)臺(tái)從BTS3移動(dòng)到BTS4，它就會(huì)改變PDSN。利用簡(jiǎn)單IP，需要PDSN2分配新的IP地址。利用移動(dòng)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(dòng)，因?yàn)槁酚杀砣恐赶驓w屬代理。
相對(duì)于逆復(fù)用的位置，歸屬代理是移動(dòng)終端和歸屬代理之間移動(dòng)IP隧道的端點(diǎn)。這就是為什么讓逆復(fù)用在這個(gè)隧道以外最為簡(jiǎn)單。與此同時(shí)，歸屬代理是實(shí)現(xiàn)逆復(fù)用功能的很自然的地方，因?yàn)樗呀?jīng)是大I因特網(wǎng)之前的最后端點(diǎn)。
在圖14B中，示出了單個(gè)服務(wù)質(zhì)量流。但是，可能有多個(gè)服務(wù)質(zhì)量流。在所有情況下，每個(gè)服務(wù)質(zhì)量流都是在移動(dòng)終端和PDSN之間建立的。另外，還支持報(bào)頭壓縮和/或報(bào)頭去除。移動(dòng)終端和PDSN是壓縮器/解壓縮器的端點(diǎn)。因?yàn)檫@些原因，需要改變標(biāo)準(zhǔn)賴在移動(dòng)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(gè)功能是處理多個(gè)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(gè)歸屬代理是同樣的物理實(shí)體，因此歸屬代理將是實(shí)現(xiàn)逆復(fù)用功能的良好候選對(duì)象。
雖然在圖14B中將兩個(gè)PDSN畫(huà)成單獨(dú)的邏輯實(shí)體，但是在許多情況下，它們將是單個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)單元。歸屬代理也同樣。
圖14C說(shuō)明簡(jiǎn)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(méi)有按順序，而且可能丟失了某些分組。在1492中，協(xié)議進(jìn)行檢査，來(lái)看分組是不是第N+1個(gè)分組，或者順序中的下一個(gè)分組。如果是，就將分組發(fā)送到發(fā)射機(jī)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，最后一次檢查是否有丟失的分組。如果有分組丟失，就在1495發(fā)送請(qǐng)求，請(qǐng)求重新發(fā)送丟失的分組。
逆復(fù)用
利用多個(gè)EV-DO調(diào)制解調(diào)器，有必要提供逆復(fù)用功能來(lái)組合兩個(gè)EV-DO流。逆復(fù)用功能從單個(gè)信道獲取數(shù)據(jù)，將它通過(guò)多個(gè)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(gè)穩(wěn)定的信道(例如邏輯ISDN信道)，但是因?yàn)殒溌返膭?dòng)態(tài)本性，對(duì)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(shí)狀態(tài)。這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)得到了很好的研究，并且已經(jīng)給出了幾個(gè)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(dá)順序、分組等待延遲等等。另外，聚合網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(cè)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(jī)的總體需求相比的時(shí)候。
摘要
本發(fā)明的多鏈路飛機(jī)蜂窩系統(tǒng)利用安裝在飛機(jī)上的多個(gè)分開(kāi)的天線，并通過(guò)逆復(fù)用，利用額外的可選信號(hào)隔離和優(yōu)化技術(shù)來(lái)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(jī)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(gè)平面內(nèi))。
權(quán)利要求
1. 一種用于管理位于飛機(jī)中的多個(gè)無(wú)線用戶裝置和空地蜂窩通信網(wǎng)之間的非陸地空域中的射頻通信的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括所述空地蜂窩通信網(wǎng)的多個(gè)空地陸地基站，用于在所述非陸地空域中分布多個(gè)多維射頻扇區(qū)，以便在所述多個(gè)無(wú)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)；極化模塊，用于使所述多個(gè)扇區(qū)中的相鄰扇區(qū)具有至少兩個(gè)基本正交的極化中的極化。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于管理射頻通信的系統(tǒng)，其中所述空地陸地 基站中的至少一個(gè)包括-劃分方位扇區(qū)的模塊，用于在方位平面內(nèi)將所述空地陸地基站的天線 遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖劃分成多個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)包括所述遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的一部分。
3. 如權(quán)利要求2所述的用于管理射頻通信的系統(tǒng)，其中所述極化模塊 包括交替模塊，用于使所述多個(gè)扇區(qū)中每一個(gè)的相鄰扇區(qū)的極化在所述至 少兩個(gè)基本正交的極化之間交替。
4. 如權(quán)利要求1所述的用于管理射頻通信的系統(tǒng)，其中所述空地陸地 基站中的至少一個(gè)包括劃分俯仰扇區(qū)的模塊，用于在俯仰平面內(nèi)將所述空地陸地基站的天線 遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖劃分成多個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)包括所述遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的一部分。
5. 如權(quán)利要求4所述的用于管理射頻通信的系統(tǒng)，其中所述極化模塊包括交替模塊，用于使所述多個(gè)扇區(qū)中每一個(gè)的相鄰扇區(qū)的極化在所述至 少兩個(gè)基本正交的極化之間交替。
6. 如權(quán)利要求1所述的用于管理射頻通信的系統(tǒng)，還包括 其中所述空地陸地基站中的至少一個(gè)包括劃分方位扇區(qū)的模塊，用于在方位平面內(nèi)將所述空地陸地基站的天線 遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖劃分成多個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)包括所述遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的一部分；劃分俯仰扇區(qū)的模塊，用于在俯仰平面內(nèi)將所述空地陸地基站的天線 遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖劃分成多個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)包括所述遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的一部分；以 及其中所述極化模塊用于使所述多個(gè)扇區(qū)中每一個(gè)的相鄰扇區(qū)的極化在 所述至少兩個(gè)基本正交的極化之間交替。
7. 如權(quán)利要求1所述的用于管理射頻通信的系統(tǒng)，還包括-鏈路選擇模塊，用于標(biāo)識(shí)所述射頻扇區(qū)中的多個(gè)，所述射頻扇區(qū)存在于所述多個(gè)空地陸地基站的至少一個(gè)上，以便在飛機(jī)中的多個(gè)無(wú)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)。
8. —種用于管理位于飛機(jī)中的多個(gè)無(wú)線用戶裝置和空地蜂窩通信網(wǎng)之間的非陸地空域中的射頻通信的方法，該方法包括利用所述空地蜂窩通信網(wǎng)的多個(gè)空地陸地基站，在所述非陸地空域中 分布多個(gè)多維射頻扇區(qū)，以便在所述多個(gè)無(wú)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)；使所述多個(gè)扇區(qū)中的相鄰扇區(qū)具有至少兩個(gè)基本正交的極化中的極化。
9. 如權(quán)利要求8所述的用于管理射頻通信的方法，其中所述分布步驟 包括在方位平面內(nèi)將所述空地陸地基站的天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖劃分成多個(gè)扇 區(qū)，每個(gè)扇區(qū)包括所述遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的一部分。
10. 如權(quán)利要求9所述的用于管理射頻通信的方法，其中所述極化步驟包括使所述多個(gè)扇區(qū)中每一個(gè)的相鄰扇區(qū)的極化在所述至少兩個(gè)基本正交 的極化之間交替。
11. 如權(quán)利要求8所述的用于管理射頻通信的方法，其中所述分布步驟包括在俯仰平面內(nèi)將所述空地陸地基站的天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖劃分成多個(gè)扇 區(qū)，每個(gè)扇區(qū)包括所述遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的一部分。
12. 如權(quán)利要求ll所述的用于管理射頻通信的方法，其中所述極化步 驟包括使所述多個(gè)扇區(qū)中每一個(gè)的相鄰扇區(qū)的極化在所述至少兩個(gè)基本正交 的極化之間交替。
13. 如權(quán)利要求8所述的用于管理射頻通信的方法，還包括 其中所述分布步驟包括在方位平面內(nèi)將所述空地陸地基站的天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖劃分成多個(gè)扇 區(qū)，每個(gè)扇區(qū)包括所述遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的一部分；在俯仰平面內(nèi)將所述空地陸地基站的天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖劃分成多個(gè)扇 區(qū)，每個(gè)扇區(qū)包括所述遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的一部分；以及其中所述極化步驟使所述多個(gè)扇區(qū)中每一個(gè)的相鄰扇區(qū)的極化在所述 至少兩個(gè)基本正交的極化之間交替。
14. 如權(quán)利要求8所述的用于管理射頻通信的方法，還包括 標(biāo)識(shí)所述射頻扇區(qū)中的多個(gè)，所述射頻扇區(qū)存在于所述多個(gè)空地陸地基站的至少一個(gè)上，以便在飛機(jī)中的多個(gè)無(wú)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)。
全文摘要
多鏈路飛機(jī)蜂窩系統(tǒng)利用安裝在飛機(jī)上并且互相分開(kāi)的多個(gè)天線，并利用額外的可選信號(hào)隔離和優(yōu)化技術(shù)，來(lái)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(gè)平面內(nèi))。此外，如果增加碼域分隔，還能夠進(jìn)一步顯著地提高容量。因此，通過(guò)在一個(gè)以上的小區(qū)或扇區(qū)之間分擔(dān)其業(yè)務(wù)負(fù)荷，利用在飛機(jī)上分開(kāi)安裝的多個(gè)天線，并利用額外的可選信號(hào)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(jī)的容量。
文檔編號(hào)H04W36/12GK101536360SQ200780040683
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)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(qǐng)人:Aircell有限公司