本申請要求2014年9月15日提交并且標(biāo)題為“ANTENNA BEAM MANAGEMENT AND GATEWAY DESIGN FOR BROADBAND ACCESS USING UNMANNED AERIAL VEHICLE(UAV)PLATFORMS”的共同未決且共同擁有的美國專利申請序列號(hào)14/486,916的優(yōu)先權(quán)，所述美國專利申請要求2014年7月14日提交且標(biāo)題為“ANTENNA MANAGEMENT AND GATEWAY DESIGN FOR BROADBAND ACCESS USING UNMANNED AERIAL VEHICLE(UAV)PLATFORMS”的美國臨時(shí)專利申請序列號(hào)62/024,421的優(yōu)先權(quán)，所述美國臨時(shí)專利申請全文以引用的方式并入本文。

相關(guān)申請

本申請還涉及以下專利申請：2014年6月3日提交且標(biāo)題為“METHODS AND APPARATUS FOR MITIGATING FADING IN A BROADBAND ACCESS SYSTEM USING DRONE/UAV PLATFORMS”的共同擁有且共同未決的美國專利申請序列號(hào)14/295,160；2014年3月21日提交且標(biāo)題為“BROADBAND ACCESS TO MOBILE PLATFORMS USING DRONE/UAV”的共同擁有且共同未決的美國專利申請序列號(hào)14/222,497；以及2014年3月24日提交且標(biāo)題為“BROADBAND ACCESS SYSTEM VIA DRONE/UAV PLATFORMS”的共同擁有且共同未決的美國專利申請序列號(hào)14/223,705，上述專利申請全文以引用的方式并入本文。

版權(quán)

本專利文件的公開內(nèi)容的一部分包含受版權(quán)保護(hù)的材料。版權(quán)所有者不反對任何人復(fù)制與出現(xiàn)在美國專利與商標(biāo)局的專利文檔或記錄中一致的專利文件或?qū)＠_的復(fù)制，，但是另外保留任何所有版權(quán)權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

除其他外，本公開描述了用于產(chǎn)生從無人機(jī)(UAV)朝地面上的用戶終端和網(wǎng)關(guān)的射束的系統(tǒng)和方法。本公開的另一方面包括用于當(dāng)UAV在其軌道中移動(dòng)時(shí)將UAV射束朝用戶終端和網(wǎng)關(guān)切換的系統(tǒng)和方法。本公開的又一方面描述用于通過多個(gè)網(wǎng)關(guān)將通信量從用戶終端路由到互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

隨著互聯(lián)網(wǎng)通信量增大，需要新技術(shù)來以更低成本遞送通入家庭和企業(yè)的寬帶接入并且將其置于尚未覆蓋到的地方。當(dāng)前寬帶遞送系統(tǒng)實(shí)例包括地面有線網(wǎng)絡(luò)諸如雙絞線上的DSL(數(shù)字用戶線路)、光纖遞送系統(tǒng)諸如FiOS(光纖服務(wù))和對地靜止同步衛(wèi)星系統(tǒng)。當(dāng)前寬帶接入系統(tǒng)具有多個(gè)缺點(diǎn)。一種問題是在偏遠(yuǎn)和/或人煙稀少區(qū)域無法提供服務(wù)。對地靜止同步衛(wèi)星確實(shí)在發(fā)達(dá)國家(諸如美國)偏遠(yuǎn)區(qū)域提供服務(wù)。然而，世界上較貧窮區(qū)域缺少充足衛(wèi)星容量。

世界貧窮區(qū)域尚未提供充足衛(wèi)星容量的一個(gè)明顯原因是衛(wèi)星系統(tǒng)成本相對較高。由于衛(wèi)星軌道中的不利大氣效應(yīng)，衛(wèi)星硬件必須是空間適用的，而又是昂貴的。用來將衛(wèi)星送入軌道的運(yùn)載火箭也很昂貴。此外，由于衛(wèi)星的發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)和較高成本，衛(wèi)星和發(fā)射可能存在大量的保險(xiǎn)費(fèi)。因此，寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)和服務(wù)是相對昂貴的，并且難以證明其尤其在世界上較貧窮區(qū)域的合理性。在人煙稀少的區(qū)域部署地面系統(tǒng)(諸如光纖或微波鏈路)也很昂貴。小密度的用戶無法證明部署成本的合理性。

盡管本領(lǐng)域中存在用于為消費(fèi)者提供寬帶接入的各種各樣方式，但無任何方式實(shí)現(xiàn)所期望水平的靈活性和成本，對于居住在偏遠(yuǎn)或人煙稀少的地理區(qū)域的消費(fèi)者尤其如此。此外，用于向消費(fèi)者提供寬帶接入的基于地面的方法無法為改變?nèi)丝诤兔芏忍峁┍匾撵`活性。因此，需要提供用于向消費(fèi)者提供寬帶接入的必要水平的期望靈活性和成本的方法和設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

除其他外，本公開描述了用于產(chǎn)生從無人機(jī)(UAV)朝地面上的用戶終端和網(wǎng)關(guān)的射束的系統(tǒng)和方法。

第一方面，公開了一種用于使用無人機(jī)(UAV)提供寬帶接入的系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)包括：第一天線系統(tǒng)，其包括多個(gè)第一天線子孔，其中每個(gè)第一天線子孔被配置來形成朝一或多個(gè)用戶終端的至少一個(gè)第一射束；第二天線系統(tǒng)，其包括多個(gè)第二天線子孔，其中每個(gè)第二天線子孔被配置來形成朝配置用于提供到核心網(wǎng)絡(luò)的連接性的一組地面網(wǎng)關(guān)中的一或多個(gè)網(wǎng)關(guān)的至少一個(gè)第二射束；第一組無線電收發(fā)器和調(diào)制解調(diào)器，其配置來向/從一或多個(gè)用戶終端傳輸和接收多個(gè)第一信號(hào)；第二組無線電收發(fā)器和調(diào)制解調(diào)器，其配置來向/從一或多個(gè)網(wǎng)關(guān)傳輸和接收多個(gè)第二信號(hào)；和路由器/處理器子系統(tǒng)，其配置來在一或多個(gè)用戶終端與一或多個(gè)網(wǎng)關(guān)之間路由數(shù)據(jù)包并且管理至少一個(gè)第一射束和至少一個(gè)第二射束。

在一個(gè)變型中，多個(gè)第二天線子孔包括K個(gè)天線元件，其各自與相鄰天線元件間隔大致半個(gè)波長。第二天線子孔中的每個(gè)被配置來通過有一或多個(gè)適當(dāng)相位的K個(gè)天線元件形成M個(gè)射束，并且路由器/處理器子系統(tǒng)基于所確定的信號(hào)質(zhì)量選擇M個(gè)射束中的一個(gè)。

在替代變型中，路由器/處理器子系統(tǒng)被配置來：根據(jù)與初級(jí)網(wǎng)關(guān)相關(guān)聯(lián)的初級(jí)射束和至少另一候選射束上的接收信號(hào)，測量至少兩個(gè)信號(hào)與干擾加噪聲比(SINR)；將與初級(jí)射束和至少另一候選射束相關(guān)聯(lián)的至少兩個(gè)SINR進(jìn)行比較；并且至少部分地基于所述比較確定應(yīng)當(dāng)何時(shí)將初級(jí)射束切換成至少另一候選射束。

在又一變型中，路由器/處理器子系統(tǒng)被配置來：執(zhí)行UAV射束切換請求，所述請求被配置來致使至少一個(gè)用戶終端被切換成不同射束。

在又一變型中，路由器/處理器子系統(tǒng)被配置來：確定實(shí)現(xiàn)給定射束的目標(biāo)信號(hào)質(zhì)量的最小發(fā)射功率；并且調(diào)整與給定射束相關(guān)聯(lián)的功率放大器以便實(shí)現(xiàn)最小發(fā)射功率。

在又一變型中，目標(biāo)信號(hào)質(zhì)量指示雨衰條件并且功率放大器的調(diào)整包括增大發(fā)射功率以便補(bǔ)償雨衰條件。

在又一變型中，路由器/處理器子系統(tǒng)被配置來：根據(jù)初級(jí)射束和至少另一相鄰射束上的接收信號(hào)，測量至少兩個(gè)信號(hào)與干擾加噪聲比(SINR)；將與初級(jí)射束和至少另一相鄰射束相關(guān)聯(lián)的至少兩個(gè)SINR進(jìn)行比較；并且至少部分地基于所述比較確定應(yīng)當(dāng)何時(shí)將初級(jí)射束切換成相鄰射束；并且執(zhí)行從初級(jí)射束到相鄰射束的射束切換。

在又一變型中，路由器/處理器子系統(tǒng)被配置來：根據(jù)與初級(jí)網(wǎng)關(guān)相關(guān)聯(lián)的初級(jí)射束和至少一個(gè)不活動(dòng)射束上的接收信號(hào)，測量至少兩個(gè)信號(hào)與干擾加噪聲比(SINR)；將與初級(jí)射束和至少一個(gè)不活動(dòng)射束相關(guān)聯(lián)的至少兩個(gè)SINR進(jìn)行比較；并且至少部分地基于所述比較確定應(yīng)當(dāng)何時(shí)將初級(jí)射束切換成至少一個(gè)不活動(dòng)射束。

第二方面，公開了一種用于使用UAV提供寬帶接入的天線固定裝置。在一個(gè)實(shí)施方式中，天線固定裝置包括多面天線結(jié)構(gòu)，其具有多個(gè)孔，所述孔中的每個(gè)還包括多個(gè)子孔。每個(gè)子孔負(fù)責(zé)形成至少一個(gè)射束。

在一個(gè)變型中，多面天線結(jié)構(gòu)包括相對于給定孔以一定角度放置的孔；以一定角度放置的孔進(jìn)一步被配置來提供對天線固定裝置的覆蓋區(qū)域的邊緣處的位置的覆蓋。

在又一變型中，多面天線結(jié)構(gòu)進(jìn)一步被配置來形成朝配置用于提供到核心網(wǎng)絡(luò)的連接性的一組地面網(wǎng)關(guān)中的一或多個(gè)網(wǎng)關(guān)的至少一個(gè)射束。

在又一變型中，所形成的至少一個(gè)射束源于相對于給定孔以一定角度放置的孔中的一個(gè)孔。

第三方面，公開了一種用于提供寬帶接入的系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施方式中，這個(gè)系統(tǒng)包括：多個(gè)網(wǎng)關(guān)，所述網(wǎng)關(guān)中的每個(gè)被耦接到核心網(wǎng)絡(luò)；一或多個(gè)用戶終端；以及無人機(jī)(UAV)。UAV包括：第一天線系統(tǒng)，其配置來形成朝一或多個(gè)用戶終端形成的至少一個(gè)第一射束；第二天線系統(tǒng)，其配置來形成朝一或多個(gè)網(wǎng)關(guān)形成的至少一個(gè)第二射束；第一組無線電收發(fā)器和調(diào)制解調(diào)器，其配置來向/從一或多個(gè)用戶終端傳輸和接收第一多個(gè)信號(hào)；第二組無線電收發(fā)器和調(diào)制解調(diào)器，其配置來向/從一或多個(gè)網(wǎng)關(guān)傳輸和接收第二多個(gè)信號(hào)；以及路由器/處理器子系統(tǒng)，其配置來在一或多個(gè)用戶終端與多個(gè)網(wǎng)關(guān)中的至少一個(gè)之間路由數(shù)據(jù)包并且管理至少一個(gè)第一射束和至少一個(gè)第二射束。

在一個(gè)變型中，系統(tǒng)共同包括射束網(wǎng)絡(luò)，所述射束網(wǎng)絡(luò)具有至少三次頻率復(fù)用，以使得給定射束分配有給定頻率，從而使得與給定射束相鄰定位的射束不會(huì)共享給定頻率。

在又一變型中，頻率復(fù)用減少相鄰射束之間干擾，由此增大信號(hào)與干擾加噪聲比(SINR)和所實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率。

在又一變型中，網(wǎng)關(guān)包括設(shè)置在UAV覆蓋區(qū)域的第一位置處的第一網(wǎng)關(guān)和設(shè)置在UAV覆蓋區(qū)域的第二位置處的第二網(wǎng)關(guān)，第一位置和第二位置設(shè)置在UAV覆蓋區(qū)域的相對端處，由此為系統(tǒng)提供網(wǎng)關(guān)分集。

在又一變型中，當(dāng)在UAV操縱期間第一網(wǎng)關(guān)無法為UAV提供到核心網(wǎng)絡(luò)的連接性時(shí)，第二網(wǎng)關(guān)為UAV提供連接性。

在又一變型中，UAV的路由器/處理器子系統(tǒng)被配置來：根據(jù)與初級(jí)網(wǎng)關(guān)相關(guān)聯(lián)的初級(jí)射束和至少另一候選射束上的接收信號(hào)，測量至少兩個(gè)信號(hào)與干擾加噪聲比(SINR)；將與初級(jí)射束和至少另一候選射束相關(guān)聯(lián)的至少兩個(gè)SINR進(jìn)行比較；并且至少部分地基于所述比較確定應(yīng)當(dāng)何時(shí)將初級(jí)射束切換成至少另一候選射束。

在又一變型中，至少另一候選射束包括不活動(dòng)射束。

在又一變型中，UAV還包括功率管理子系統(tǒng)，所述功率管理子系統(tǒng)被配置來至少部分地基于測量到的大氣條件管理UAV的功率消耗。

在第四方面中，公開了用于當(dāng)UAV在其軌道中移動(dòng)時(shí)將UAV射束朝用戶終端和網(wǎng)關(guān)切換的系統(tǒng)和方法。

在第五方面中，公開了用于通過多個(gè)網(wǎng)關(guān)將通信量從用戶終端路由到互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)和方法。

在第六方面中，公開了用于管理功率控制以便最小化UAV功率使用的系統(tǒng)和方法。

在第七方面中，公開了用于轉(zhuǎn)向UAV的終端天線和網(wǎng)關(guān)天線射束的系統(tǒng)和方法。

在第八方面中，公開了用于提供相控陣列方式以實(shí)現(xiàn)UAV射束成形的系統(tǒng)和方法。

在根據(jù)本文所提供的公開內(nèi)容考慮時(shí)，這些和其他方面應(yīng)當(dāng)變得清楚。

附圖說明

在以下附圖中，使用相同元件符號(hào)指示類似部件。附圖中相同部件的多個(gè)實(shí)例通過在元件符號(hào)后插入破折號(hào)或添加第二元件符號(hào)進(jìn)行區(qū)分。

圖1.1是配置來服務(wù)于用戶終端的一個(gè)示例性射束網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的圖形描繪。

圖1.2是配置來連接到網(wǎng)關(guān)的一個(gè)示例性射束網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的圖形描繪。

圖2.1是用于形成指向用戶終端和網(wǎng)關(guān)的射束的一個(gè)示例性無人機(jī)(UAV)天線固定裝置的圖形描繪。

圖2.2是用于形成指向用戶終端和網(wǎng)關(guān)的射束的一個(gè)示例性無人機(jī)(UAV)天線子孔的圖形描繪。

圖3是結(jié)合本文所述各個(gè)方面來使用的一個(gè)示例性無人機(jī)(UAV)的一個(gè)示例性硬件架構(gòu)的高級(jí)表示。

圖4是通過多個(gè)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)通信量路由到核心網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)(UAV)的高級(jí)框圖。

圖5是示例性電子射束成形電路的邏輯表示。

所有附圖均為Copyright 2014Ubiqomm,LLC.保留所有權(quán)利。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在參考繪圖，其中在所有附圖中，相同數(shù)字指代相同部分。

如本文所用，術(shù)語“無人機(jī)”和“UAV”可互換地使用，并且是指意欲在沒有機(jī)載人類飛行員的情況下操作的任何類型的飛行器。這些無人機(jī)或UAV的實(shí)例包括但不限于靶機(jī)、無人駕駛直升機(jī)、氣球、軟式飛艇、飛艇等。這些UAV可以包括推進(jìn)系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、以及機(jī)載導(dǎo)航和控制系統(tǒng)。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，UAV包括與推進(jìn)裝置(例如，螺旋槳、噴射推進(jìn)裝置等)相結(jié)合的固定機(jī)翼機(jī)身。在替代實(shí)施方式中，UAV包括例如由一或多個(gè)轉(zhuǎn)子推進(jìn)的所謂的無人駕駛直升機(jī)。UAV可機(jī)載燃料或可使用未必需要機(jī)載的替代能源(例如像太陽能)工作。

示例性UAV射束網(wǎng)絡(luò)和射束切換機(jī)構(gòu)-

在一個(gè)實(shí)施方式中，無人機(jī)(UAV)向高達(dá)300km半徑的區(qū)域中的用戶終端提供寬帶接入。如接下來將論述的，需要兩種(2)不同的天線系統(tǒng)：(i)用來提供對用戶終端的覆蓋的第一天線系統(tǒng)，其在本文中通常被稱為“UAV用戶終端天線系統(tǒng)”，和(ii)用來提供對網(wǎng)關(guān)的覆蓋的第二天線系統(tǒng)，其在本文中通常被稱為“UAV網(wǎng)關(guān)天線系統(tǒng)”。在至少某些部署場景中，與用戶終端相比，網(wǎng)關(guān)可遠(yuǎn)離UAV覆蓋區(qū)域定位，因?yàn)榻咏黆AV可能無法獲得到網(wǎng)關(guān)的有線連接。

圖1.1示出配置來服務(wù)用戶終端的一個(gè)可能的射束網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。如圖所示，除射束之外，射束網(wǎng)絡(luò)100具有為三(3)的頻率復(fù)用，即，可用光譜被劃分成F1、F2和F3三個(gè)波段，并且每個(gè)射束分配有三個(gè)頻帶中的一個(gè)，其方式為使得沒有兩個(gè)相鄰射束使用同一頻率。虛線圓圈110描繪覆蓋每個(gè)六邊形區(qū)域120的射束。示出六邊形120以便幫助形象化連續(xù)的覆蓋區(qū)域，然而實(shí)際射束覆蓋區(qū)有重疊(如虛線圓圈所示)。三種虛線圓圈類型對應(yīng)于三種頻帶。頻率復(fù)用降低來自相鄰射束的干擾，并且?guī)椭龃蟾咝盘?hào)與干擾加噪聲比(SINR)和所實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率。

雖然所示實(shí)施方式描繪包括根據(jù)為三(3)的頻率復(fù)用布置的三十七個(gè)(37)射束的射束網(wǎng)絡(luò)，但是普通技術(shù)人員將容易了解不同數(shù)目的射束和/或頻率復(fù)用因子可用來適合多種其他的網(wǎng)絡(luò)考慮(例如，成本、覆蓋區(qū)、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性等)。例如，可選擇多個(gè)射束和/或頻率復(fù)用因子中的這種選項(xiàng)以便降低來自相鄰射束的干擾水平、同時(shí)幫助提高SNIR和實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率。

如以下將論述的(參見例如示例性天線系統(tǒng))，UAV中通常使用兩種類型的天線系統(tǒng)。在所謂的“固定射束”系統(tǒng)中，射束并未主動(dòng)地調(diào)整/轉(zhuǎn)向以補(bǔ)償U(kuò)AV滾動(dòng)和其他移動(dòng)。在固定射束系統(tǒng)的一個(gè)示例性實(shí)施方式中，射束網(wǎng)路應(yīng)設(shè)計(jì)成使得射束覆蓋預(yù)期覆蓋區(qū)域的更廣闊的區(qū)域(例如，用戶終端所在區(qū)域)。更廣闊覆蓋區(qū)域的原因在于當(dāng)UAV滾動(dòng)時(shí)，如圖1.1所示聚在地面上的射束將在地面上移動(dòng)。因此，射束必須覆蓋更廣闊區(qū)域以便當(dāng)射束由于UAV滾動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)而移動(dòng)時(shí)，射束仍將覆蓋用戶終端的所期望平均區(qū)域。在所謂的“活動(dòng)射束轉(zhuǎn)向”系統(tǒng)(例如像相控陣)中，UAV對射束進(jìn)行調(diào)整，使得射束不管UAV的移動(dòng)而保持固定在地面上的同一位置(“覆蓋區(qū)”)。

如先前所指的，對于固定射束系統(tǒng)，由于UAV的移動(dòng)(諸如滾動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng))，射束將相對于覆蓋區(qū)域內(nèi)的任何用戶終端移動(dòng)。通常，處置射束移動(dòng)的方式是當(dāng)射束移動(dòng)時(shí)將用戶終端從一個(gè)射束切換到另一射束。

便于UAV通信有效載荷處理此射束切換的硬件架構(gòu)300在圖3中示出。通信有效載荷是一種設(shè)備，其包括：天線子孔302、314，其配置來形成朝網(wǎng)關(guān)和用戶終端的射束；調(diào)制解調(diào)器306，其配置來解調(diào)/調(diào)制來自/去往用戶終端的信號(hào)；調(diào)制解調(diào)器310，其配置來解調(diào)/調(diào)制來自/去往網(wǎng)關(guān)的信號(hào)；一組無線電收發(fā)器和功率放大器312、304，其配置來連接到UAV網(wǎng)關(guān)和用戶終端天線子孔314、302。除其他外，處理器/路由器子系統(tǒng)308被配置來提供用戶終端與網(wǎng)關(guān)之間的必要寬帶接入。

用戶終端無線電子系統(tǒng)被配置來解調(diào)并解碼來自用戶終端已經(jīng)被分配給的射束(即，如本文所用，所謂的“初級(jí)射束”或“初級(jí)集合”)的信號(hào)。與用戶終端的初級(jí)射束相鄰的射束被為用戶終端的“相鄰集合射束”或者“相鄰集合”。用戶終端的無線電子系統(tǒng)將周期性地調(diào)諧相鄰集合射束的頻道并且測量對應(yīng)于UAV通信有效載荷已經(jīng)在這些射束上傳輸?shù)那巴酱a信號(hào)的一或多個(gè)信號(hào)與干擾加噪聲比(SINR)。在一個(gè)實(shí)施方式中，此周期性調(diào)諧將以定期的(即，固定的)間隔發(fā)生。或者，此調(diào)諧可以動(dòng)態(tài)的間隔(周期性地或者非周期性地)發(fā)生。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，相鄰集合SINR的測量周期之間的時(shí)間頻率可根據(jù)信號(hào)質(zhì)量而提高。換句話講，當(dāng)相鄰集合的SINR測量結(jié)果改進(jìn)時(shí)，周期性調(diào)諧在預(yù)期可能從初級(jí)射束集合切換成不同射束中可更頻繁地發(fā)生?；蛘?，周期性調(diào)諧的間隔可根據(jù)UAV運(yùn)動(dòng)(例如，由于UAV的滾動(dòng)和傾斜運(yùn)動(dòng))進(jìn)行調(diào)整。

在又一替代實(shí)施方式中，當(dāng)相鄰集合射束的初級(jí)集合的SINR落到閾值以下時(shí)，所述用戶終端還可搜索所述相鄰集合射束的一或多個(gè)前同步碼。如果用戶終端無線電子系統(tǒng)檢測到相鄰集合中的SINR(或者其他信號(hào)質(zhì)量指標(biāo))在用戶終端的初級(jí)射束的SINR的特定閾值內(nèi)的射束，那么用戶終端可請求UAV通信有效載荷將用戶終端切換成不同射束。在其他情況下，其中用戶終端無線電子系統(tǒng)檢測到相鄰集合中的SINR(或者其他信號(hào)質(zhì)量指標(biāo))是可接受的射束并且其中用戶終端的初級(jí)射束是不可接受的，那么用戶終端可請求UAV通信有效載荷將用戶終端切換成不同射束?？紤]到本公開的內(nèi)容，用于觸發(fā)用戶終端切換的另外其他方案對于普通技術(shù)人員將變得明顯。類似地，為清楚起見，圖3描繪從用戶終端發(fā)出的在用戶終端調(diào)制解調(diào)器處被接收并且由路由器/處理器子系統(tǒng)308處理的全部信號(hào)；然而，應(yīng)了解各種其他配置可由相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員同等成功地進(jìn)行替代，所描繪的實(shí)施方式僅僅是說明性的。

在一些情況下，網(wǎng)關(guān)可與UAV的覆蓋區(qū)域的中心相距遠(yuǎn)至300km。為進(jìn)一步使事物復(fù)雜化，示例性UAV圍繞覆蓋區(qū)的中心可以是靜止的或移動(dòng)的(例如，根據(jù)圓形圖案、三葉草圖案)。此外，UAV可經(jīng)歷滾動(dòng)和傾斜運(yùn)動(dòng)，這可導(dǎo)致妨礙安裝在UAV下方的任何天線的視線。例如，如果網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)離UAV放置以使得從網(wǎng)關(guān)朝向UAV的仰角低于UAV將滾動(dòng)的角度，那么UAV天線在滾動(dòng)過程中相對于指定網(wǎng)關(guān)被阻止。這里，從用戶終端/網(wǎng)關(guān)到UAV的仰角被定義為從用戶終端/網(wǎng)關(guān)的位置與地表相切的直線與將用戶終端/網(wǎng)關(guān)連接到UAV位置的直線之間的角度。解決此阻止?fàn)顩r的一種方式是使用第二網(wǎng)關(guān)140，例如像圖1.2所示的那個(gè)，所述第二網(wǎng)關(guān)140足夠遠(yuǎn)離第一網(wǎng)關(guān)130，從而在UAV滾動(dòng)過程中當(dāng)?shù)谝痪W(wǎng)關(guān)受阻時(shí)將可見。即使UAV喪失對一個(gè)網(wǎng)關(guān)的覆蓋，另一網(wǎng)關(guān)也將在UAV天線的覆蓋區(qū)中并且可提供到UAV的連接性。換句話講，由于距離和UAV移動(dòng)(例如，傾斜)所導(dǎo)致的網(wǎng)關(guān)受阻可使用網(wǎng)關(guān)分集來解決。在一些情況下，網(wǎng)關(guān)分集還可用來緩解雨衰。

圖1.2示出配置用于提供對網(wǎng)關(guān)130、140的覆蓋的射束網(wǎng)絡(luò)100的示例性實(shí)現(xiàn)方式。圖1.2提供從UAV朝網(wǎng)關(guān)位置的多達(dá)N個(gè)射束；然而，如圖所示，只有射束N和N/2正在進(jìn)行傳輸，而其他射束(例如，1、2、N/2+1、N-1等)不傳輸。中部的中心圓150表示對用戶終端的覆蓋(圖1.1中同樣示出)。在示例性實(shí)現(xiàn)方式中，連接到網(wǎng)關(guān)所需的UAV射束的數(shù)目取決于所使用頻帶和所需天線增益。例如，UAV可在存在顯著干擾時(shí)添加更多射束，或者在存在極少的通信量時(shí)減少射束等。

考慮UAV在網(wǎng)關(guān)穿過射束的覆蓋區(qū)域時(shí)將先前不活動(dòng)射束打開的示例性場景。當(dāng)UAV圍繞例如圓圈移動(dòng)時(shí)，先前不活動(dòng)的射束多網(wǎng)關(guān)可具有更好的可見性。當(dāng)每個(gè)UAV射束越過網(wǎng)關(guān)時(shí)，UAV網(wǎng)關(guān)射束管理系統(tǒng)切換UAV網(wǎng)關(guān)射束，從而從一個(gè)射束到另一射束來服務(wù)網(wǎng)關(guān)。在本公開的一個(gè)方面中，UAV通信系統(tǒng)在確定切換成另一射束時(shí)考慮多個(gè)因素中的一或多個(gè)(例如，信號(hào)強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)考慮、地理位置等)。在一個(gè)實(shí)施方式中，即使只有幾個(gè)射束正主動(dòng)地傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)(如圖所示，射束N和N/2正分別傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)A 130和B 140)，連接到不活動(dòng)射束的調(diào)制解調(diào)器接收并監(jiān)測網(wǎng)關(guān)所發(fā)送的信號(hào)。圖3示出UAV射束切換方案的高級(jí)硬件框圖。在操作過程中，UAV通信調(diào)制解調(diào)器310對從全部UAV網(wǎng)關(guān)射束(活動(dòng)和不活動(dòng)射束兩者)上的每個(gè)網(wǎng)關(guān)接收的SINR進(jìn)行比較；當(dāng)不活動(dòng)射束具有滿足一或多個(gè)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)(例如，在活動(dòng)傳輸射束的閾值內(nèi))的所接收SINR時(shí)，那么UAV通信系統(tǒng)可將傳輸射束切換成新的射束。

在一些實(shí)例中，可對一或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)(例如，閾值)靜態(tài)地設(shè)定或動(dòng)態(tài)地修改以便優(yōu)化操作。例如，小的閾值可導(dǎo)致?lián)屜鹊那袚Q(和/或不必要的“劇烈攪動(dòng)”)，而大的閾值可提供更慢的切換，從而可降低性能。

當(dāng)存在多個(gè)網(wǎng)關(guān)時(shí)，多個(gè)UAV網(wǎng)關(guān)射束可同時(shí)進(jìn)行傳輸。例如，如圖1.2所示，兩個(gè)網(wǎng)關(guān)130、140(即，網(wǎng)關(guān)A和B)在UAV覆蓋區(qū)域的相對端上。在此情況下，正朝向兩個(gè)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)腢AV網(wǎng)關(guān)射束并非相鄰射束，并且因此不會(huì)致使彼此相干擾。雖然圖1.2通過網(wǎng)關(guān)的空間位置的智能管理減少網(wǎng)關(guān)射束干擾，但應(yīng)了解可使用其他措施來防止干擾。例如，網(wǎng)關(guān)射束可在不同頻率上，使用不同時(shí)隙和/或擴(kuò)頻碼等。

示例性天線系統(tǒng)-

在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，UAV包括一或多個(gè)UAV用戶終端天線系統(tǒng)和一或多個(gè)UAV網(wǎng)關(guān)天線系統(tǒng)。用戶終端天線系統(tǒng)被配置來與一或多個(gè)用戶終端通信，而網(wǎng)關(guān)天線系統(tǒng)被配置來與一或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信。

現(xiàn)在參考UAV用戶終端天線系統(tǒng)，UAV處的天線固定裝置被配置來覆蓋朝用戶終端的廣范圍的仰角。作為例示，圖2.1示出配置來服務(wù)用戶終端的UAV天線固定裝置200的示例性實(shí)現(xiàn)方式。多面天線結(jié)構(gòu)具有多個(gè)孔202，用來覆蓋廣范圍的角度。另外，此天線具有多個(gè)孔，這些孔被設(shè)計(jì)成是適形的且是空氣動(dòng)力學(xué)的。圖2.1的天線固定裝置200具有七個(gè)(7)孔/面。每個(gè)孔覆蓋對應(yīng)區(qū)域(其可或可不與其他孔重疊)。每個(gè)孔包括示出為矩形的一或多個(gè)更小子孔204。每個(gè)子孔元件204產(chǎn)生一個(gè)射束。天線固定裝置200被設(shè)計(jì)成使得其在中部是平坦的并且朝向UAV的表面以傾斜角向下錐化，使得置于天線固定裝置上的天線子孔提供對不同區(qū)域的覆蓋。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，天線可安裝在UAV下方，然而應(yīng)了解其他實(shí)現(xiàn)方式可將天線置于其他位置處以便適應(yīng)其他用途。

中心處的孔202(如圖所示，編號(hào)為7)覆蓋最接近UAV的位置?？?至6提供對覆蓋區(qū)的邊緣處的位置的覆蓋。天線孔1至6相對于孔7以一定角度放置以便覆蓋更遠(yuǎn)的距離。如先前所描述的，孔1至7各自包括天線子孔并且這些子孔中的每個(gè)在地面上產(chǎn)生不同射束。例如，為了聚合圖1.1的三十七個(gè)(37)射束，圖2.1的天線固定裝置將需要各自產(chǎn)生一個(gè)射束的三十七個(gè)(37)子孔，所述三十七個(gè)子孔分布在七個(gè)(7)不同面內(nèi)，以使得子孔生成所期望覆蓋區(qū)域。

現(xiàn)在參考UAV網(wǎng)關(guān)天線系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)可遠(yuǎn)比用戶終端相距覆蓋區(qū)域的中心更遠(yuǎn)地放置，因此在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，服務(wù)網(wǎng)關(guān)的UAV天線固定裝置將典型地需要使其射束以更低的仰角朝向網(wǎng)關(guān)指向。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，用于網(wǎng)關(guān)的天線固定裝置的形狀與UAV用戶終端天線固定裝置200的形狀(圖2.1所示)相同；然而，為了提供朝向網(wǎng)關(guān)的前述更低仰角，用于網(wǎng)關(guān)的UAV天線固定裝置將需要圍繞固定裝置的圓周相對于翼的翼張向下傾斜放置的N個(gè)子孔，以便覆蓋網(wǎng)關(guān)可能所在的相距UAV更遠(yuǎn)的距離。在這一實(shí)現(xiàn)方式中，N個(gè)子孔提供以大致45°仰角引導(dǎo)的360°方位的覆蓋。

由于網(wǎng)關(guān)可在相對于UAV具有廣泛范圍的不同仰角的廣闊區(qū)域中，可需要UAV網(wǎng)關(guān)天線系統(tǒng)以支持極大的覆蓋區(qū)域?？紤]以下實(shí)現(xiàn)方式：其中網(wǎng)關(guān)可在相對于UAV 5°至50°仰角之間的任一處。子孔射束必須覆蓋45°仰角范圍(即，50°–5°)，但每個(gè)天線子孔的典型的射束寬度僅是12°。在這一系統(tǒng)下，UAV網(wǎng)關(guān)天線系統(tǒng)包括四個(gè)(4)射束，其各自具有射束寬度12°以覆蓋45°徑向角區(qū)。然而，示例性天線固定裝置設(shè)計(jì)(與圖2.1的那個(gè)類似)僅具有一個(gè)子孔天線以覆蓋45°徑向角域。因此，在一個(gè)這種變型中，天線子系統(tǒng)使用射束成形技術(shù)與子孔天線單元一起產(chǎn)生四個(gè)(4)固定射束。換句話講，射束成形可僅在沿著徑向軸的一個(gè)方向上執(zhí)行。四個(gè)(4)射束可以是固定射束并且UAV通信有效載荷將選擇四個(gè)(4)固定射束中的一個(gè)以進(jìn)行通信。

現(xiàn)在參考圖2.2，示出并詳細(xì)描述了UAV網(wǎng)關(guān)天線系統(tǒng)子孔250的替代實(shí)施方式。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，子孔包括天線元件252，所述天線元件252沿著子孔的長度間隔半個(gè)波長，如圖2.2所示，其中示出K個(gè)天線元件。圖2.2所示的子孔250的K個(gè)天線元件252可使用應(yīng)用到K個(gè)元件的四組(4)不同的K個(gè)相位來調(diào)整相位。每組K個(gè)相位將產(chǎn)生指向在一個(gè)示例性實(shí)施方式中以12°間距間隔的四個(gè)(4)可能的不同射束位置中的一個(gè)的不同射束。UAV通信有效載荷的調(diào)制解調(diào)器子系統(tǒng)中的軟件將選擇四個(gè)(4)可能的射束中的一個(gè)并且通過使用來自四個(gè)(4)組內(nèi)的適當(dāng)組的八個(gè)(8)相位指導(dǎo)子孔電路來打開對應(yīng)射束。

雖然先前論述考慮兩個(gè)不同的天線固定裝置(即，一個(gè)用來使射束朝向用戶終端聚合，并且另一用來使射束朝向網(wǎng)關(guān)聚合)，應(yīng)了解考慮到本公開的內(nèi)容，相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易明白各種其他配置。例如，前述部件和/或功能中的各個(gè)部件和/或功能可組合成單個(gè)固定裝置，或者可跨更大數(shù)目的固定裝置分布。

用于功率控制以最小化UAV功率使用的示例性方案-

在示例性配置中，UAV網(wǎng)關(guān)和用戶終端傳輸器的功率放大器(PA)功率被配置來補(bǔ)償雨衰/大氣衰減。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，天氣條件將通過天氣數(shù)據(jù)傳輸從網(wǎng)關(guān)提供給UAV?；蛘撸鞖鈼l件可由UAV自身確定。應(yīng)了解雨衰條件也可由UAV基于直接信號(hào)測量來確定，然而，替代實(shí)現(xiàn)方式可考慮到來自其他源的信息。例如，UAV可包括脈沖Doppler雷達(dá)子系統(tǒng)(未示出)，其向處理器/路由子系統(tǒng)(圖3，308)提供有關(guān)雨衰/大氣衰減的信息以便于UAV網(wǎng)關(guān)和用戶終端發(fā)射機(jī)的PA控制去往經(jīng)傳輸射束中的單獨(dú)一個(gè)的功率。相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解在晴空條件下，PA功率根據(jù)頻帶可降低多達(dá)10dB或更多。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，UAV通信有效載荷系統(tǒng)基于接收到的測量到的SINR、其他質(zhì)量測量結(jié)果和/或其他網(wǎng)絡(luò)考慮結(jié)合有動(dòng)態(tài)功率控制。例如，在晴空條件下，基于校準(zhǔn)和測量結(jié)果預(yù)計(jì)UAV可具有最優(yōu)SINR。當(dāng)SINR由于例如雨衰而降低時(shí)，通信有效載荷系統(tǒng)將降低朝向正經(jīng)歷雨衰的用戶終端或網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)墓β?。典型地，只有UAV的覆蓋區(qū)域的一部分可受雨衰影響。因此，UAV可選擇性地提高在雨衰條件下的具體UAV用戶終端射束上的功率以便優(yōu)化其總功率消耗，而不對覆蓋造成不利影響。通過智能管理功率消耗，UAV通信有效載荷的平均功率使用將顯著小于峰值功率使用(即，UAV將僅當(dāng)全部射束在雨衰情況下時(shí)才需要其峰值消耗)。

示例性UAV調(diào)制解調(diào)器和射束切換設(shè)備-

如本文先前論述的，圖3示出與網(wǎng)關(guān)通信并管理射束成形(例如，朝網(wǎng)關(guān)切換射束等)的無線電系統(tǒng)300的示例性配置的高級(jí)硬件框圖。在例示實(shí)施方式中，存在朝網(wǎng)關(guān)的N個(gè)可能UAV射束。在N個(gè)射束中只有一個(gè)將傳輸?shù)教囟ňW(wǎng)關(guān)(如圖3所示)。其余發(fā)射機(jī)將關(guān)閉。如可在圖3中看出，附接到N個(gè)UAV網(wǎng)關(guān)天線子孔的所有的接收器是打開的，并且監(jiān)測接收到的信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施方式中，UAV網(wǎng)關(guān)調(diào)制解調(diào)器可接收在其相應(yīng)射束上的信號(hào)以便測量信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)諸如SINR。調(diào)制解調(diào)器將測量到的SINR發(fā)送到處理器單元子系統(tǒng)308。處理器子系統(tǒng)308將對來自不同子孔/射束的測量到的SINR進(jìn)行比較并且將基于相對SINR值來確定是否應(yīng)將初級(jí)UAV網(wǎng)關(guān)射束切換成不同UAV網(wǎng)關(guān)射束/天線子孔(或者“候選射束”)。在本上下文中，術(shù)語“UAV初級(jí)網(wǎng)關(guān)射束”是指但不限于提供對網(wǎng)關(guān)的覆蓋的UAV網(wǎng)關(guān)射束/天線子孔。

如果切換是必要的，那么處理器對與兩個(gè)射束(候選射束以及初級(jí)射束兩者)對應(yīng)的調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行配置以便執(zhí)行切換，并且通知網(wǎng)關(guān)關(guān)于射束切換事件、新的射束和射束將切換的時(shí)間。一旦切換朝給定網(wǎng)關(guān)的射束，處理器/路由器子系統(tǒng)308就可恢復(fù)正常操作。如圖3所示，處理器/路由器子系統(tǒng)308可將從調(diào)制解調(diào)器306接收到的服務(wù)用戶終端射束的數(shù)據(jù)包路由到連接到新的UAV初級(jí)網(wǎng)關(guān)射束的調(diào)制解調(diào)器310。

轉(zhuǎn)向UAV的示例性終端天線和網(wǎng)關(guān)天線射束-

在高頻諸如28GHz和47GHz(例如，根據(jù)ITU針對HAPS(高空平臺(tái))所推薦的)下，需要高用戶終端和網(wǎng)關(guān)天線增益以在存在雨衰的情況下實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率。為了提供這樣的高增益，天線射束寬度可低到幾度。遺憾的是，從用戶終端位置與UAV在一定高度處圍繞其巡航的圓對向的角度遠(yuǎn)大于用戶終端天線的此類射束寬度。因此，在本公開的一個(gè)示例性實(shí)施方式中，用戶終端天線使其射束轉(zhuǎn)向以便跟蹤UAV的移動(dòng)。由于UAV可具有各種不同移動(dòng)模式，射束轉(zhuǎn)向應(yīng)當(dāng)提供相對于UAV的仰角以及方位角(即，在至少兩個(gè)軸上)。

普通技術(shù)人員將了解，用戶終端可使用在仰軸和方位軸兩者中形成的電子射束，在一個(gè)軸中為電子射束轉(zhuǎn)向而另一軸中為機(jī)械轉(zhuǎn)向，或者在兩個(gè)軸中均為機(jī)械射束轉(zhuǎn)向。各種射束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與不同成本考慮相關(guān)聯(lián)。例如，由于用戶終端使其射束轉(zhuǎn)向所必須的速率可相當(dāng)?shù)?，因此利用小型電機(jī)也可促成機(jī)械射束轉(zhuǎn)向。要求更快地轉(zhuǎn)向的其他實(shí)現(xiàn)方式可基于電氣射束成形等。

在一些實(shí)施方式中，射束轉(zhuǎn)向可作為多種技術(shù)組合來完成。例如，用戶終端或網(wǎng)關(guān)調(diào)制解調(diào)器使用例如數(shù)據(jù)包之前的前同步碼測量SINR或者進(jìn)行某種其他信號(hào)質(zhì)量測量。天線轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對天線射束位置造成小的擾動(dòng)并根據(jù)這些前同步碼測量SINR。使用在不同射束擾動(dòng)下測量的SINR，射束轉(zhuǎn)向算法從測量到的位置中選擇最佳射束位置。射束擾動(dòng)和調(diào)整過程連續(xù)地對射束位置進(jìn)行調(diào)整。其他信息諸如使用陀螺儀/加速度儀測量的UAV的基于GPS的位置、UAV的航向和/或UAV的滾動(dòng)/傾斜將周期性地發(fā)送到用戶終端和網(wǎng)關(guān)，并且還可協(xié)助使天線射束轉(zhuǎn)向。

用于UAV射束成形的示例性相控陣列方式-

在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，圖2.1的天線固定裝置200需要每射束有一個(gè)子孔204，并且產(chǎn)生其中射束不主動(dòng)轉(zhuǎn)向的固定聚束系統(tǒng)。從硬件和軟件的角度看，固定射束成形方案的主要優(yōu)點(diǎn)是其簡易性。例如，并且現(xiàn)在參考圖5，示出了用于形成朝M個(gè)不同終端的M個(gè)射束的基帶電路500。圖5的基帶電路使用相控陣列方式來動(dòng)態(tài)形成朝M個(gè)不同終端的多個(gè)射束。傳輸?shù)組個(gè)不同終端的信號(hào)各自可來自于不同調(diào)制解調(diào)器。N個(gè)天線元件用來形成朝M個(gè)終端的射束。標(biāo)注為j的朝終端的射束通過使目的地為用戶j的信號(hào)乘以N個(gè)系數(shù)C_j1……C_jN并將結(jié)果發(fā)送給N個(gè)天線元件來形成。系數(shù)C_j1……C_jN確定朝第j個(gè)終端形成的射束的形狀。為了形成所有M個(gè)射束，發(fā)送給對應(yīng)于不同終端的每個(gè)天線元件的系數(shù)相加、上變換、放大，并應(yīng)用到如圖5所示對應(yīng)天線元件。在考慮到本公開的內(nèi)容的情況下，普通技術(shù)人員將容易地理解用于實(shí)現(xiàn)相控陣列方式的其他方法。

利用多個(gè)網(wǎng)關(guān)的示例性網(wǎng)關(guān)間通信量路由-

圖4示出系統(tǒng)400的框圖，所述系統(tǒng)400將通信量從UAV(通過通信有效載荷402)路由到網(wǎng)關(guān)404并且反之亦然。網(wǎng)絡(luò)包括與UAV通信有效載荷(UCP)通信的多個(gè)網(wǎng)關(guān)404。網(wǎng)關(guān)通過有線或微波回程連接到核心網(wǎng)絡(luò)元件(CNE)406。CNE是將UAV網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)408的其余部分相連接的路由器。CNE具有IP地址池(典型地為IP子網(wǎng))，所述IP地址池可為單獨(dú)用戶終端分配IP地址。CNE將所有數(shù)據(jù)通信量向和從UAV網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)路由。

當(dāng)UAV移動(dòng)時(shí)，到網(wǎng)關(guān)的UAV無線電鏈路的信號(hào)質(zhì)量將由于UAV滾動(dòng)和移動(dòng)和/或由于雨衰、大氣效應(yīng)等而改變。通常，網(wǎng)絡(luò)部署被配置來確保至少一個(gè)網(wǎng)關(guān)將與UAV隨時(shí)處于無線電聯(lián)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)維持與CNE的IP隧道，并且還周期性地通知CNE其與UAV的鏈路的質(zhì)量。

從用戶終端到達(dá)UCP 402的數(shù)據(jù)將跨與用戶的覆蓋區(qū)相關(guān)聯(lián)的全部網(wǎng)關(guān)404分布。網(wǎng)關(guān)繼而通過回程和IP隧道將IP數(shù)據(jù)包發(fā)送到CNE 406。對于來自互聯(lián)網(wǎng)的分配給UAV網(wǎng)絡(luò)的IP地址池的數(shù)據(jù)，CNE使用多路徑路由技術(shù)來使IP數(shù)據(jù)包跨不同網(wǎng)關(guān)分布。多路徑IP路由將會(huì)將對應(yīng)于相應(yīng)UAV的每個(gè)網(wǎng)關(guān)的信號(hào)強(qiáng)度考慮在內(nèi)，并且因此對數(shù)據(jù)進(jìn)行分布以便確保遞送。

將認(rèn)識(shí)到，雖然本公開的某些方面根據(jù)方法步驟的具體順序進(jìn)行描述，但是這些描述僅是本公開的更廣泛方法的說明，并且可根據(jù)特定應(yīng)用需要來修改。在某些情況下，某些步驟可視為不必要或任選的。另外，某些步驟或功能可添加到所公開的實(shí)施方式，或者兩個(gè)或更多個(gè)步驟的執(zhí)行次序可置換。所有此類變化被認(rèn)為是涵蓋在本文公開和要求保護(hù)的公開內(nèi)容內(nèi)。

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