用於飛行器和船舶網際網路服務的混合衛星和網狀網絡系統的製作方法

2023-04-28 01:10:01

專利名稱：用於飛行器和船舶網際網路服務的混合衛星和網狀網絡系統的製作方法
用於飛行器和船舶網際網路服務的混合衛星和網狀網絡系統優先權要求本專利申請要求2010年5月18日提交的題為「Hybrid Satellite andMeshNetwork System for Aircraft and Ship Internet Service System (用於飛行器和船舶網際網路服務系統的混合衛星和網狀網絡系統)」的美國臨時申請No. 61/345，884的權益，該臨時申請已轉讓給本申請受讓人並且由此通過援引整體納入於此。背景領域本公開的諸方面一般涉及無線通信系統，尤其涉及移動網狀網絡節點、地面站節點和衛星節點的混合網絡。 背景在海洋或遠程陸地上行進的飛行器可能不具有經由電纜(例如，基於銅的電纜或光纖)接入用於網際網路連通性的直接無線電鏈路。基於衛星的網際網路服務已在一些飛行器和船舶上可用並且主要用於為工作人員提供對於任務而言關鍵的連通性。在衛星已被用於提供乘客網際網路服務的情況下，尚不能以可行的成本向乘客提供寬帶服務。向飛行器上的乘客提供基於衛星的寬帶服務的現有嘗試的高成本已經導致遠程飛行器的覆蓋是不可行的。概述本公開的諸方面提供行動網路節點、地面站節點和衛星節點的混合網絡，該混合網絡改善了飛行器和船舶對諸如網際網路之類的基於地面的網絡的接入。本公開的諸實施例提供至可能例如由於缺少視線通信路徑而不能連接至基於陸地的基站的飛行器和船舶的低成本、高帶寬網際網路連通性。根據本公開的諸方面所描述的設計通過在飛行器、船舶、專用浮標和基於陸地的基站之中建立網狀網絡來減少使用昂貴的衛星帶寬。在解說性實施例中，系統默認使用網狀網絡中的鏈路來抵達至公共網際網路的連通性的點並且僅將衛星鏈路用於經由網狀網絡來橋接連通性的喪失。在根據本公開的一個方面的用於無線通信的方法中，由混合衛星-網狀網絡的第一移動段節點執行第一嘗試以直接地或經由混合衛星-網狀網絡的第二移動段節點來建立至混合衛星-網狀網絡的任何地面段節點的通信路徑。隨後確定由第一移動段節點進行的第一嘗試的失敗或成功。響應於確定第一嘗試的失敗，由第一移動段節點執行第二嘗試以經由混合衛星-網狀網絡的衛星段來建立至混合衛星-網狀網絡的任何地面段節點的通信路徑。本公開的另一方面提供一種通信網絡，其中地面段包括與網際網路處於通信的至少一個地面段節點。該網絡的空間段包括與地面段節點處於通信的至少一個空間段節點。該網絡的移動段包括配置成自適應地彼此通信和與地面段節點通信以接入網際網路的數個移動段節點。這些移動段節點還可被配置成僅在與地面段節點的通信鏈路不直接可用或者經由其他移動段節點的與地面段節點的通信鏈路不可用時才與空間段節點通信。
附圖簡要說明圖I是根據本公開的解說性實施例的混合網狀網絡衛星通信系統的系統框圖。圖2是根據本公開的解說性實施例的網狀無線電收發機系統的系統框圖。圖3a_3b是根據本公開的解說性實施例的具有網狀網絡天線和衛星天線的飛行器的系統框圖。圖4是根據本公開的解說性實施例的在用於飛行器和船舶網際網路服務的混合衛星和網狀網絡系統上進行無線通信的方法的過程流程圖。圖5是根據本公開的解說性實施例的用於使新的AP節點發現網狀網絡中的其他節點的方法的過程流程圖。圖6是根據本公開的解說性實施例的用於由新的AT節點檢測現有AP節點的方法的過程流程圖。 圖7是根據本公開的解說性實施例的用於調度從一個AP節點至多個AT節點的通信的載波偵聽多址(CSMA)方法的過程流程圖。圖8是根據本公開的解說性實施例的用於由AP進行中央調度的方法的過程流程圖。圖9是根據本公開的解說性實施例的用於鏈路級數據率自適應的方法的過程流程圖。

圖10是根據本公開的解說性實施例的用於網狀網絡中的鏈路級功率控制的方法的過程流程圖。圖11是根據本公開的解說性實施例的用於自適應地調整波束以使鏈路數據率最大化的方法的過程流程圖。圖12是根據本公開的解說性實施例的用於FDD雙工方案中的波束成形的方法的過程流程圖。圖13是根據本公開的解說性實施例的用於調整地面段節點與移動段節點之間的波束的方法的過程流程圖。圖14是根據本公開的解說性實施例的用於劃分移動節點至地面節點話務的方法的過程流程圖。圖15是根據本公開的解說性實施例的用於減小網狀網絡與地面微波鏈路之間的幹擾的方法的過程流程圖。具體描述參照圖I來描述根據本公開的解說性實施例的網絡架構。網絡架構100包括分成三段的一組節點102、108、110 :地面段、移動段和空間段。每一段可具有多個節點。地面段節點包括可經由電纜、光纖或衛星回程106連接至網際網路104的站102。這些站102可以是基於陸地的地面站或者可以是連接至在海底運行的光纖的基於海洋的浮標。在解說性實施例中，地面段中的節點具有允許它們與移動段中的節點通信的高帶寬無線電。注意，這些基於陸地的基站中的一些基站可在電纜或光纖不可用的情況下經由衛星回程連接至網際網路。對於來自陸地基站的衛星回程，可以使用非常大的天線來與衛星通信。由於非常大的地面站天線，衛星回程成本將比從飛行器至衛星的直接連接的成本低得多。然而，可以期望在任何可能的地方將電纜或光纖用於至地面站的回程。
移動段節點包括非系留的並且可在空中或海上的移動飛行器108。具體地，這種系統設計實現了不具有至地面上的電纜網際網路接入點的直接視線連通性的移動飛行器108的連通性。移動段中的節點具有允許它們與移動段的其他節點或與電纜段的節點通信的網狀無線電。移動段中的節點還具有允許它們與以下所描述的空間段中的節點通信的無線電(以下稱為衛星無線電)。在網狀無線電鏈路提供至地面段的路徑的任何地方，移動段中的節點使用網狀無線電來路由網際網路數據。如果沒有經由地面站102至網際網路的路由，則移動段中的節點使用衛星無線電以經由空間段中的節點來路由網際網路數據。如果網狀無線電鏈路不能抵達地面段並且沒有衛星是可見的，則移動段中的節點將經由網狀無線電將網際網路數據路由至具有至衛星的可見性的另一移動節點。空間段節點包括可經由衛星地面網關將數據中繼至網際網路的衛星110。地面段、移動段和空間段一起可達成移動節點的高等級連通性，而同時經由網狀網絡將絕大多數話務路由至地面段並且隨後路由到網際網路上。衛星組件可預期具有相對較 高的資本支出成本，而網狀節點可具有低得多的資本支出成本。因此，本公開的諸方面通過尋求使通過網狀網絡發送的話務量增大或最大化來減小總成本。網狀網絡組件因此有助於使網絡成本減小或最小化並且使網際網路至飛行器服務是負擔得起的。衛星組件有助於提供普遍存在性並且填補網狀網絡可能具有的任何漏洞。換言之，在網狀節點不具有通過地面站102至網際網路的路由的情況下，衛星組件提供服務的穩健性。結果是高度穩健且成本高效的系統。在解說性實施例中，網絡可包括較小數目的(例如，20-40個)構成地面段的地面站102。移動段可由商業航空公司的多種不同的組合構成。空間段可以是諸如舉例而言在L頻帶或Ku頻帶衛星系統中運行的Inmarsat之類的對地靜止衛星系統。儘管本公開中所描述的解說性實施例主要被描述為將飛行器用作移動節點，但是應當理解，相同的實施例還可包括諸如舉例而言船舶和汽車之類的其他移動節點。根據本公開的諸方面，網絡中的每個飛行器被配置成與多個其他飛行器並且在一些情形中與地面站通信。在解說性實施例中，每個飛行器具有至少兩個收發機/天線系統以幫助提供網狀網絡中朝至少兩個一般方向的鏈路，其中一條鏈路去往飛行器前面的節點並且另一條鏈路去往飛行器後面的節點。在每個飛行器上使用多個網狀無線電收發機/天線系統，因為每個飛行器的單個網狀無線電收發機/天線可能不提供至其他飛行器(節點)的充分可見性以促成至地面站的連續網狀無線電路由的創建。給定飛行器上的網狀網絡收發機系統中的每個系統可被認為是節點本身。行動網路中的術語「節點」可指代可在相同飛行器上安裝的兩個或更多個網狀網絡收發機系統中的任何一個。每個節點一旦接收到來自另一節點的數據就可根據為改進或優化某個準則所設計的路由算法來將該數據路由至網狀網絡中的節點。每個飛行器可接收來自多個節點的數據並且將接收自該多個節點的數據復用成在該飛行器至網絡中的地面站的路由上向另一節點發送的流。參照圖2，每個網狀網絡收發機系統200可包括多個數據機模塊(MM)。根據本公開的諸方面，每個MM支持至少兩個模式接入終端(AT)模式和接入點(AP)模式。在AT模式中，麗搜索網絡中與其相關聯的另一 AP節點。在AP模式中，麗懇請其他節點，這些其他節點可能正在搜索與其相關聯的節點。每個收發機可支持多個MM。因此，每個節點可通過例如在硬體和/或軟體中實例化多個MM來建立多個AP或AT鏈路。參照圖3a，根據本公開的諸方面，還在移動段中的飛行器上安裝衛星無線電收發機系統300。衛星無線電收發機系統300耦合至飛行器中的網狀網絡收發機系統200中的一個或多個網狀網絡收發機系統。在某些實施例中，衛星無線電收發機安裝在網狀網絡中的每個飛行器上。其他實施例可包括不具有自己的衛星無線電收發機系統300的飛行器。這些飛行器可以例如依賴至裝備有衛星無線電收發機系統300的其他飛行器的網狀無線電鏈路以經由空間段來建立通信。網狀網絡收發機系統200各自包括至少一個天線，從而每個飛行器將具有至少兩個網狀網絡天線。這兩個天線可允許給定飛行器建立與在該飛行器前面飛行的飛行器以及在該飛行器後面飛行的飛行器的連通性。在一種天線配置中，第一網狀網絡天線302位於飛行器的頂部並且第二網狀網絡天線304位於飛行器的底部。在一個飛行器正以較高的海 拔在另一飛行器前面飛行的情況下，這種配置允許在後面飛行的飛行器的頂部上的天線能夠看到在前面飛行的飛行器的腹部上的天線。圖3b中所示的另一種天線放置配置將第一網狀網絡天線306定位在飛行器的尾部並且將第二網狀網絡天線308定位在飛行器的前部。在這種配置中，兩個飛行器可以經由一個飛行器的尾部中的一個天線306或者另一飛行器的前面的天線308來連接。例如，使用這種天線配置，在另一飛行器前方和下方的飛行器使用其尾部天線與拖尾的飛行器的前部天線通信。根據本公開的解說性實施例中，地面站節點還包括一個或多個網狀無線電接收機系統200並且可以作為網狀網絡的一部分連同移動站節點起作用。地面站節點還可例如經由電纜連接直接連接至諸如網際網路之類的廣域網。本公開的諸方面包括一種用於在混合衛星和網狀網絡系統上進行無線通信以供飛行器和船舶網際網路服務的方法。參照圖4，在框402中，移動段節點嘗試直接經由地面段節點或者經由網狀網絡中的其他移動段節點來建立至網際網路的通信路徑。在框404中，如果通信路徑被建立，則在該路徑上在移動段節點與地面段節點之間路由分組。例如，在框406中，當移動段節點不能通過網狀網絡節點建立至網際網路的路由時，該移動段節點嘗試通過至空間段節點的鏈路來建立與網際網路的通信並且開始經由衛星將分組路由至地面站。同時，在框408中，移動段節點繼續搜索至地面段節點的可能路由。在框410中，至地面段節點的路由一旦被移動段節點發現，移動段節點就改變其從衛星節點至網狀網絡的路由。每個移動段節點可能不總是能夠建立與空間段節點的通信。例如，當飛行器具有至衛星非常小的仰角時，諸如在北極點時，飛行器不能直接連接至衛星。在框412中，當移動段節點不能經由網狀網絡建立至地面段節點的通信並且不能建立與空間段節點的通信時，該節點可經由網狀網絡中具有至空間段節點的連接的其他節點來建立至空間段節點的鏈路。根據本公開的一方面，通過地面基站或者通過衛星鏈路的至網際網路的所有可能路由可被提供給路由算法。該路由算法確定用於來自特定移動節點的話務的較好或最佳路由。換言之，每個飛行器或網狀網絡節點可建立與其他飛行器或其他網狀網絡節點以及與空間段中的一個或多個衛星的鏈路。這些鏈路以一定的約束輸入到路由算法。在一個示例中，這些約束可包括特定鏈路的成本和該鏈路的數據率及其延遲。該路由算法確定改進或優化諸如易受某些成本約束影響的最小延遲之類的某個準則的路由。在解說性實施例中，一旦飛行器與其他網狀網絡節點和衛星之間的潛在鏈路被建立，就將該路由算法降低到現有的網際協議和路由算法。本公開的諸方面提供一種用於發現網狀網絡中的節點和用於向路由算法提供候選鏈路的方法。該路由算法可以基本上與廣泛用於路由網際網路話務的路由算法相同。本公開的諸方面包括用於將移動段節點彼此連接並且將其連接至地面段節點的多個接入協議。可使用頻分多址(FDMA)、OFDMA (正交頻分多址)、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)、或這些方案的組合。根據本公開的諸方面，數種可能的辦法可被用於使可用頻譜的帶寬效率增大或最大化。
網絡中的幹擾可通過在網狀網絡中施加頻率重用模式來減少。減少的幹擾可允許移動段節點之間增加的數據率。根據該技術，可用帶寬被分成具有中心頻率fi，i=l，. . .，N的數個子帶。每個節點可在數個頻率fi上操作。兩個節點可按時分雙工(TDD)的方式在相同頻率上彼此傳送和接收或者可按頻分雙工(FDD)的方式在不同頻率上接收和傳送。頻率重用模式對系統施加FDMA方案。本公開的諸實施例包括一種用於一節點最初發現網狀網絡中的其他節點的方法。該方法可例如在飛行器已抵達海拔高度並且已打開其收發機的情況下使用。飛行器搜索網狀網絡中的其他節點並且建立與一組節點的鏈路以建立至網際網路的高效率路由。參照圖5來描述根據本公開的解說性實施例的用於新的AP節點發現網狀網絡中的其他節點的方法。在框502中，網絡中的每個AP節點在預定的時隙中並且以周期性的方式傳送探測消息。該探測消息包含關於AP節點的參數的信息。根據本公開的諸方面，每個AP節點將因節點而異的導頻信號模式用作其探測消息傳輸的一部分。在框504中，該導頻信號模式由網絡中的AT節點用於搜索該節點的探測消息。AT可在指定的時隙中向這些AT從其接收到探測消息的AP發送這些AT的響應消息。更一般地，在框506中，可以在由AP支持的復用接入信道上發送響應消息。如果已檢測到探測消息的任何AT節點希望建立與檢測到的AP節點的鏈路，則該AT節點在響應時隙/消息中向檢測到的AP節點發送該AT節點的鏈路關聯請求。此系統中的發射機和接收機使用被調整以使鏈路兩端之間的數據率增大或最大化的定向天線。因此，探測和相關聯的導頻信號應當在寬波束上發送，以使得它們可被網絡中的大量飛行器/節點接收。在替換實施例中，導頻信號模式和探測信號可順序地在不同的窄波束上發送，以允許發送移動段節點附近的所有節點接收到該探測消息。根據本公開的諸方面，可發送兩種類型的導頻信號。一種類型的導頻信號是如以上所描述的用於節點發現目的的廣播導頻信號，並且另一種類型的導頻信號是在數據傳輸期間在特定鏈路的兩端之間專用的導頻信號。這允許接收機為解調目的而作出信道估計並且為速率控制和功率控制而作出因鏈路而異的信號幹擾加噪聲比(SINR)測量。參照圖6來描述根據本公開的解說性實施例的用於由新的AT節點來檢測現有AP節點的方法。在框602處，新的AT節點搜索所有頻率和所有導頻模式以檢測網絡中所有的現有AP節點。在框604中，新的AT節點隨後根據某個度量來對所有檢測到的AP節點進行排序。例如，用於排序的一個度量可包括收到導頻C/(No+I)強度，其中C是收到載波功率，No是熱噪聲功率，並且I是總收到幹擾功率。在框606中，新的AT節點的網狀無線電收發機的每個麗(數據機模塊)實例根據某個準則來建立與一個AP節點的鏈路。例如，用於建立與特定AP節點的鏈路的一個準則可以是C/(No+I)最高強度。至AP的鏈路可以使用如以上所描述的響應消息機制來建立。在框608中，新的AT節點從與其建立了鏈路的節點接收關於現有網絡配置的路由表信息。在框610中，新的AT隨後根據網絡路由優化準則和算法來維護與提供最高效率路由和網絡吞吐量的鏈路的通信。新的AT節點由此通過探測/響應消息序列連接至網狀網絡。在框612中，新的節點還可在給定頻率上在AP模式中傳送它自己的探測信號以懇請正在搜索與其相關聯的AP的節點。參照圖7，本公開的諸方面提供了用於調度從一個AP節點至可在相同頻率上和使用相同的導頻序列進行通信的多個AT節點的通信的載波偵聽多址(CSMA)方法。在框702中，所有節點監聽載波頻率並且抑制傳送直至該頻率變得空閒。在框704中，當該頻率變得 空閒時，其他節點可根據隨機接入辦法或者根據避免競爭節點之間的衝突的預定機制來佔用信道。例如，一旦該頻率變得空閒，其他節點可根據數種可能的算法每次一個地順序接入該頻率。在解說性實施例中，用於避免競爭節點之間的衝突的算法根據節點的媒體接入控制(MAC)地址的降序來選擇下一傳送節點。在此實施例中，一旦發現頻率空閒，具有最高MAC地址的節點將在其有數據要發送的情況下佔用該頻率。如果該頻率繼續空閒，則剩餘節點集合中具有最高MAC地址的節點可嘗試進行傳送。根據本公開的實施例，各種其他機制可提供節點之間的公平裁決。在另一解說性實施例中，例如，每個節點可被允許傳送最大數目的分組，在此之後該節點釋放該頻率以供由其他節點使用。根據本公開的諸方面的CSMA的替換方案是由AP進行中央調度。由多個節點共享一個載波頻率上的可用帶寬導致施加在先前提及的FDMA方案之上的TDMA (時分多址)方案。注意，取代使多個AT在給定的所指派的帶寬上以TDMA的方式與AP通信，不同的AT可使用共享指派給AP的帶寬的CDMA或OFDMA方案來與AP通信。參照圖8來描述根據本公開的諸方面的由AP進行中央調度的方法。在框802中，每個AT被給予保留請求帶寬。該保留請求帶寬在TDMA辦法中可以是時隙的形式、或者在OFDMA辦法中可以是數個頻調的形式、或者在CDMA辦法中可以是碼片的形式。在框804中，AT可在需要時使用該保留請求帶寬來請求附加帶寬。根據本公開的諸方面，可對毗鄰AP使用的頻率施加頻率重用以減少幹擾並且改善數據率。在框804中，在AP發送寬波束的情況下，每個AP可周期性地測量在探測消息序列期間由其他AP傳送的所有導頻和所有頻率上的SINR。網絡中的幹擾是可變的並且例如取決於網絡中的話務負載以及例如作為天線誤指向的其他路徑損耗變化。因此，在框806中，每個AP對數個測量上的測得SINR取平均以使幹擾變化達到平均數。在框808中，給定的AP可通過所有頻率的SINR來對所有頻率進行排序。在框810中，AP選擇具有最高SINR的頻率用於其AP模式。在框812中，AP通知其相關聯的AT節點將頻率改變至新選定的頻率。改變頻率信道的請求可例如在由AP在前向鏈路上在廣播控制信道上發送的消息中向AT發送。這將導致網絡中自適應的頻率重用。在替換實施例中，中央處理器可確定用於網絡中的所有節點的頻率重用模式並且向所有節點發送頻率重用計劃。本公開的諸方面提供了用於根據每對AT/AP移動段節點之間的鏈路上的信道和幹擾狀況來調整該鏈路的數據率的方法。參照圖9來描述根據本公開的解說性實施例的用於鏈路級數據率自適應的方法。在框902中，接收機測量收到C/(No+I)。在框904中，接收機向收到信號的發射機發送表示收到C/(No+I)的數據率控制(DRC)索引。在框906中，發射機基於收到DRC來選擇用於其至特定節點的傳輸的數據率。根據本公開的解說性實施例，為了增加系統的帶寬效率，諸如舉例而言由3G/4G系統使用的遞增冗餘(IR)技術之類的糾錯技術可被納入到鏈路自適應機制中。IR技術編碼給定分組並將冗餘位分成多個幀。在一幀中發送經編碼分組的第一段。如果接收機成功地解碼該幀並且恢復出預期的分組，則該接收機向發射機發送確認。否則，發射機發送相同 分組的附加冗餘幀直至該分組被成功解碼。為了使網狀網絡中的幹擾減小或最小化，網狀網絡中的兩個移動段節點之間的每條鏈路可受功率控制以滿足該鏈路上的數據率要求而同時傳送減小的或最小的功率。移動段節點之間的路徑損耗是多種可變因素的函數，諸如飛行器的方位、因氧氣而導致的大氣損失、水蒸氣、雨水等。參照圖10來描述根據本公開的解說性實施例的用於網狀網絡中的鏈路級功率控制的方法。在框1002中，確定兩條鏈路之間滿足網絡的總吞吐量要求的期望數據率。在框1004中，確定鏈路將支持的平均數據率。在框1006中，速率控制機制使發射功率減小或最小化，如參照圖9所描述的。在框1008中，鏈路上的發射機以開環方式最初估計發射功率以達成鏈路上的期望數據率。在框1010中，接收機從其對由發射機傳送的導頻信號作出的測量來估計收到SINR。在框1012中，由接收機在多址或專用控制信道上將此SINR測量發送回發射機。在框1014中，發射機作出在數據傳輸模式期間發送多少功率的開環估計，從而可在該鏈路上達成期望數據率。該開環估計基於接收機處的SINR估計以及關於在導頻信號上傳送多少功率的知識。在框1016中，在數據傳輸模式期間使用閉環功率控制以微調開環估計並且跟蹤由於天線的失準和大氣改變而導致的任何路徑損耗變化。該閉環功率控制基於數據率控制(DRC)索引，該DRC索引是對接收機向發射機發送的SINR的間接測量。在框1018中，如果由接收機報告的DRC索引不同於期望的DRC索引，則發射機調整其鏈路發射功率以將DRC索引調整至期望水平。根據本公開的另一方面，移動段節點天線可被配置成是定向的並且可被配置成將發射波束的瞄準線對準接收飛行器的天線。當AP傳送探測或其他控制消息時，該AP使用其最寬的波束，以使得網絡中的所有節點都可以接收到廣播消息。天線波束可例如通過使多個天線元件正確地定相(即，使用基於相控陣波束成形係數的相控陣波束成形)來形成。參照圖11來描述根據解說性實施例的用於自適應地調整波束以使鏈路數據率最大化的方法。在框1104中，在寬波束上接收導頻信號。在框1104中，導頻信號由接收機用於確定相控陣接收波束成形係數。
根據本公開的一個方面，使用TDD技術，其中鏈路的兩端在相同的頻率上傳送和接收並且傳播信道在這兩個方向上是互易的。因此，在框1106中，當使用TDD雙工時，發射機也可使用所確定的相控陣接收波束成形係數來形成發射方向上的波束。在框1108中，發射機和接收機將使用在其中在廣播波束上發送導頻的廣播時隙期間確定的係數來形成數據通信模式期間的波束。在另一實施例中，可使用FDD雙工方案，其中發射和接收頻率是不同的並且傳播信道可以在這兩個方向上是不同的。在這種情形中，可在發射機與接收機之間使用反饋機制以確定最佳的發射和接收波束。參照圖12來描述根據本公開的解說性實施例的用於FDD雙工方案中的波束成形的反饋方法。該用於確定較好或最佳發射波束的方法使用諸如參照圖10所描述的閉環方法之類的DRC反饋機制。在框1202中，發射機順序地改變其發射波束。在框1024中，發射機基於從另一節點接收到的DRC索引來確定最優發射波束。在框1206中，在接收機處調整接收波束以使收到SINR增大或最大化。除了 DRC機制之外，根據本公開的替換實施例，也可使用發射機與接收機之間的其他反饋機制來調整發射波束以達成最高SINR。由於DRC機制也被用於功率控制目的(如 參照圖10所描述的)，因而發射機不同時調整功率及其發射波束以確保對收到DRC索引的
正確調整。根據本公開的諸方面，諸如基站處的地面段節點的天線具有比移動段節點上的天線高得多的增益。這允許諸如飛行器之類的移動段節點與諸如地面基站之類的地面段節點之間的鏈路上的數據率增大。由於飛行器與地面站之間的鏈路攜帶比飛行器之間的鏈路更多的話務，因而對飛行器至地面鏈路的數據率要求可能相當高。在地面段節點上使用較高增益的天線可能導致基站天線的非常窄的波束寬度。本公開的諸方面提供了用於調整從基站至期望飛行器的波束或者反過來的方法。本公開的諸方面還提供了用於檢測基站附近的新節點的方法。參照圖13來描述根據本公開的解說性實施例的用於調整地面段節點與移動段節點之間的波束的方法。在框1302中，地面段節點或移動段節點可在寬波束上發送探測消息和/或廣播導頻信號。這允許視野中的其他節點檢測到這些導頻信號並且發現該節點。儘管寬波束天線增益較低，但是這對於發現階段而言是足夠的，因為在此階段數據率非常低。在框1304中，從另一節點接收到探測/廣播導頻的節點還將在寬波束上發送自己的響應消息。響應消息的寬波束傳輸是恰當的，因為此消息中的數據率要求較低。在框1306中，在探測和響應階段期間，地面段節點確定反向鏈路上用於接收特定移動段節點的較好或最佳窄波束。在階段1308中，地面段節點使用所確定的波束來向特定的移動段節點進行傳送。在框1310中，移動段節點使用來自探測/響應階段的SINR測量來估計最佳接收和發射波束。在階段1312中，在數據傳輸模式期間，基於如參照圖10所描述的那些DRC機制之類的DRC機制以閉環方式進一步調整發射波束。這允許相同頻帶被重用多次並且可例如增加從網狀網絡至網際網路的吞吐量。根據本公開的諸方面，除了在地面段節點中使用高度定向的天線之外，分集方案可劃分從移動段節點至多個地面段節點的話務。因為地面站節點可能間隔數十千米，因而移動段節點可形成至特定基站的窄波束並且由此避免對其他基站造成過多幹擾。參照圖14來描述根據本公開的一方面的用於劃分移動節點至地面節點話務的方法。在框1402中，每個移動段節點發現較小地理區域中的多個地面站節點。在階段1404中，移動站節點向路由算法提供所發現的鏈路以及可在那些鏈路上達成的相關聯的數據率。在框1406中，該路由算法分發從移動站節點至地面段節點的話務以調整每條鏈路上的負載。根據本公開的諸方面在較小地理區域中使用多個地面段節點還提供了針對諸如因雨水導致的損耗之類的大氣損耗的分集。根據本文中所描述的各個實施例，每條鏈路上的功率和每條鏈路上的數據率可單獨控制以補償諸如舉例而言因大氣狀況而導致的損耗之類的各種損耗。用於移動段節點之間和從移動段節點至地面段節點的網狀網絡的特定頻譜也可由地面微波鏈路使用。參照圖15來描述根據本公開的諸方面的用於減少網狀網絡與地面微波鏈路之間的幹擾的方法。該方法可將幹擾減小到熱噪聲電平以下，以使得網狀網絡對微波鏈路的性能的影響可忽略不計。在框1502中，選擇地面段天線的位置，以使得地面段節點不幹擾地面微波鏈路。為了使來自移動段節點的幹擾減小或最小化，網狀網絡地面段節點的天線增益被配置成等於或大於地面微波鏈路的增益。網狀網絡地面站節點天線的大增益降低了對移動段節點發射機的發射功率要求。
在本公開的解說下實施例中，移動段節點還可在較大的帶寬上擴展其信號，以減小在地面微波站點處接收到的信號的功率譜密度。本文中所描述的鏈路級功率控制方法也可被採用以確保信號在地面上以某個電平接收以減少幹擾。例如，可為從飛行器至地面基站的鏈路選擇目標數據率。大於數據率的頻譜量被用於擴展信號。開環和閉環功率控制的組合確保在基站處接收到的信號電平將達成指定的數據率。根據本公開的另一方面，地面微波天線可被定向，以使得它們的瞄準線偏離某些飛行器走廊達某個較小的角位移，諸如舉例而言偏離幾度。這將導致微波鏈路天線與飛行器天線之間一定的天線辨別以進一步減少從飛行器網站網絡發射機進入微波鏈路的幹擾。本領域技術人員應理解，信息和信號可使用各種不同技術和技藝中的任何一種來表示。例如，貫穿上面描述始終可能被述及的數據、指令、命令、信息、信號、位(比特)、碼元、和碼片可由電壓、電流、電磁波、磁場或磁粒子、光場或光粒子、或其任何組合來表示。本文中所描述的功能框和模塊可包括處理器、電子器件、硬體設備、電子組件、邏輯電路、存儲器、軟體代碼、固件代碼等，或其任何組合。本領域技術人員將進一步領會，結合本文公開所描述的各種解說性邏輯框、模塊、電路、和算法步驟可被實現為電子硬體、計算機軟體、或兩者的組合。為清楚地解說硬體與軟體的這一可互換性，以上已經以其功能性的形式一般化地描述了各種解說性組件、框、模塊、電路、和步驟。此類功能性是被實現為硬體還是軟體取決於具體應用和加諸於整體系統的設計約束。技術人員可針對每種特定應用以不同方式來實現所描述的功能性，但此類實現決策不應被解讀為致使脫離本公開的範圍。結合本文公開描述的各種解說性邏輯框、模塊、以及電路可用被設計成用於執行本文中描述的功能的通用處理器、數位訊號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)或其他可編程邏輯器件、分立的門或電晶體邏輯、分立的硬體組件、或其任何組合來實現或執行。通用處理器可以是微處理器，但在替換方案中，處理器可以是任何常規的處理器、控制器、微控制器、或狀態機。處理器還可以被實現為計算設備的組合，例如，DSP與微處理器、多個微處理器、與DSP核心協作的一個或更多個微處理器的組合、或任何其它此類配置。結合本文公開描述的方法或算法的步驟可直接在硬體中、在由處理器執行的軟體模塊中、或在這兩者的組合中實施。軟體模塊可駐留在RAM存儲器、快閃記憶體、ROM存儲器、EPROM存儲器、EEPROM存儲器、寄存器、硬碟、可移動盤、⑶-ROM、或本領域中所知的任何其他形式的存儲介質中。示例性存儲介質耦合到處理器以使得該處理器能從/向該存儲介質讀寫信息。在替換方案中，存儲介質可以被整合到處理器。處理器和存儲介質可駐留在ASIC中。ASIC可駐留在用戶終端中。在替換方案中，處理器和存儲介質可作為分立組件駐留在用戶終端中。在一個或更多個示例性設計中，所描述的功能可以在硬體、軟體、固件、或其任何組合中實現。如果在軟體中實現，則諸功能可以作為一條或更多條指令或代碼存儲在計算機可讀介質上或藉其進行傳送。計算機可讀介質包括計算機存儲介質和通信介質兩者，其包括促成電腦程式從一地向另一地轉移的任何介質。存儲介質可以是能被通用或專用計 算機訪問的任何可用介質。作為示例而非限定，這樣的計算機可讀介質可以包括RAM、R0M、EEPROM、CD-ROM或其他光碟存儲、磁碟存儲或其他磁存儲設備、或能被用來攜帶或存儲指令或數據結構形式的期望程序代碼手段且能被通用或專用計算機、或者通用或專用處理器訪問的任何其他介質。另外，任何連接也被正當地稱為計算機可讀介質。例如，如果軟體是使用同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數字訂戶線(DSL)、或諸如紅外、無線電、以及微波之類的無線技術從web站點、伺服器、或其他遠程源傳送的，那麼該同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、DSL、或諸如紅外、無線電、以及微波之類的無線技術就被包括在介質的定義之中。如本文中所使用的，盤(disk)包括壓縮碟(⑶)、雷射碟、光碟、數字多用碟(DVD)、軟盤和藍光碟，其中盤(disk)往往以磁的方式再現數據，而碟(disc)用雷射以光學方式再現數據。上述的組合也應被包括在計算機可讀介質的範圍內。提供對本公開的先前描述是為使得本領域任何技術人員皆能夠製作或使用本公開。對本公開的各種修改對本領域技術人員來說都將是顯而易見的，且本文中所定義的普適原理可被應用到其他變體而不會脫離本公開的精神或範圍。由此，本公開並非旨在被限定於本文中所描述的示例和設計，而是應被授予與本文中所公開的原理和新穎性特徵相一致的最廣範圍。
權利要求
1.一種方法，包括 由混合衛星-網狀網絡中的第一移動段節點執行第一嘗試以直接地或經由所述混合衛星-網狀網絡中的第二移動段節點來建立至所述混合衛星-網狀網絡中的任何地面段節點的通信路徑； 確定由所述第一移動段節點進行的所述第一嘗試的失敗或成功；以及 響應於確定所述第一嘗試的失敗，由所述第一移動段節點執行第二嘗試以經由所述混合衛星-網狀網絡中的衛星段來建立至所述混合衛星-網狀網絡中的任何地面段節點的通Ih路徑。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，進一步包括 響應於確定所述第一嘗試的成功，由所述第一移動段節點在所建立的通信路徑上向和從網際網路發送和接收分組。
3.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，進一步包括 響應於確定所述第二嘗試的成功，由所述第一移動段節點在所建立的通信路徑上經由所述衛星段向和從網際網路發送和接收分組；以及 在經由所述衛星段發送和接收分組時，由所述第一移動段節點連續重複所述第一嘗試。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，進一步包括 響應於確定所重複的第一嘗試中的任何一個第一嘗試的成功，中止由所述第一移動段節點經由所述衛星段進行的通信。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，進一步包括 由所述第一移動段節點在所建立的通信路徑上向和從網際網路發送和接收分組。
6.一種通信網絡，包括 地面段，其包括與網際網路處於通信且與包括至少一個空間段節點的衛星段處於通信的至少一個地面段節點；以及 移動段，其包括多個移動段節點，所述多個移動段節點被配置成自適應地彼此通信和與所述至少一個地面段節點通信以接入所述網際網路並且被配置成僅在直接與地面段節點的通信鏈路或者經由與所述多個移動段節點中的其他移動段節點與地面段節點的通信鏈路為不可用時才與所述至少一個空間段節點通信。
7.如權利要求6所述的網絡，其特徵在於，所述移動段節點包括配置成支持接入終端(AT)模式和接入點(AP)模式的至少一個數據機模塊。
8.如權利要求6所述的網絡，其特徵在於，所述移動段節點被配置成 傳送探測信號以供由其他移動段節點發現； 接收來自所述其他移動段節點的響應消息；以及 響應於接收到所述響應消息而建立與所述其他移動段節點的通信鏈路。
9.如權利要求6所述的網絡，其特徵在於，所述移動段節點被配置成基於通信鏈路的測得的信號幹擾加噪聲比(SINR)來自適應地重用頻率。
10.如權利要求6所述的網絡，其特徵在於，所述移動段節點被配置成響應於與所述移動段節點中的另一移動段節點對應的鏈路上的信號幹擾加噪聲比(SINR)測量而自適應地改變鏈路級數據率。
11.如權利要求10所述的網絡，其特徵在於，所述移動段節點被配置成根據所述鏈路級數據率來自適應地改變鏈路級功率電平。
12.如權利要求6所述的網絡，其特徵在於，所述移動段節點配置有自適應波束成形天線以將波束指向所述移動段節點中的其他移動段節點。
13.如權利要求12所述的網絡，其特徵在於，所述移動段節點被配置成在寬波束上發送探測消息並且在定向波束上接收響應。
14.一種用於無線通信的系統，包括 用於由混合衛星-網狀網絡中的第一移動段節點執行第一嘗試以直接地或經由所述混合衛星-網狀網絡中的第二移動段節點來建立至所述混合衛星-網狀網絡中的任何地面段節點的通信路徑的裝置； 用於確定由所述第一移動段節點進行的所述第一嘗試的失敗或成功的裝置；以及用於響應於確定所述第一嘗試的失敗而由所述第一移動段節點執行第二嘗試以經由所述混合衛星-網狀網絡中的衛星段來建立至所述混合衛星-網狀網絡中的任何地面段節點的通信路徑的裝置。
15.一種用於無線通信的裝置，包括 至少一個處理器；以及 耦合至所述至少一個處理器的存儲器，所述至少一個處理器被配置成 由混合衛星-網狀網絡中的第一移動段節點執行第一嘗試以直接地或經由所述混合衛星-網狀網絡中的第二移動段節點來建立至所述混合衛星-網狀網絡中的任何地面段節點的通信路徑； 確定由所述第一移動段節點進行的所述第一嘗試的失敗或成功；以及響應於確定所述第一嘗試的失敗而由所述第一移動段節點執行第二嘗試以經由所述混合衛星-網狀網絡中的衛星段來建立至所述混合衛星-網狀網絡中的任何地面段節點的通信路徑。
16.如權利要求15所述的裝置，其特徵在於，所述處理器被配置成 響應於確定所述第一嘗試的成功而由所述第一移動段節點在所建立的通信路徑上向和從網際網路發送和接收分組。
17.如權利要求15所述的裝置，其特徵在於，所述處理器被配置成 響應於確定所述第二嘗試的成功而由所述第一移動段節點在所建立的通信路徑上經由所述衛星段向和從網際網路發送和接收分組；以及 在經由所述衛星段發送和接收分組時，由所述第一移動段節點連續重複所述第一嘗試。
18.如權利要求17所述的裝置，其特徵在於，所述處理器被配置成 響應於確定所重複的第一嘗試中的任何一個第一嘗試的成功，中止由所述第一移動段節點經由所述衛星段進行的通信。
19.如權利要求18所述的裝置，其特徵在於，所述處理器被配置成 由所述第一移動段節點在所建立的通信路徑上向和從網際網路發送和接收分組。
20.一種用於在無線網絡中進行無線通信的電腦程式產品，包括 其上記錄有程序代碼的計算機可讀介質，所述程序代碼包括用於由混合衛星-網狀網絡中的第一移動段節點執行第一嘗試以直接地或經由所述混合衛星-網狀網絡中的第二移動段節點來建立至所述混合衛星-網狀網絡中的任何地面段節點的通信路徑的 程序代碼； 用於確定由所述第一移動段節點進行的所述第一嘗試的失敗或成功的程序代碼；以及用於響應於確定所述第一嘗試的失敗而由所述第一移動段節點執行第二嘗試以經由所述混合衛星-網狀網絡中的衛星段來建立至所述混合衛星-網狀網絡中的任何地面段節點的通信路徑的程序代碼。
全文摘要
包括地面段、移動段和衛星段的混合衛星-網狀網絡提供移動平臺與網際網路之間的高帶寬通信。僅當移動段節點與地面段節點之間的網狀網絡通信鏈路不可用時才使用衛星段。移動段節點可在接入終端模式或接入點模式中起作用以在網絡的網狀部分中根據路由算法與其他移動段節點通信。移動段節點採用自適應頻率重用、鏈路級數據率自適應、鏈路級功率控制以及自適應波束成形天線。
文檔編號H04B7/185GK102893538SQ201180024432
公開日2013年1月23日 申請日期2011年5月18日 優先權日2010年5月18日
發明者A·加拉裡, R·克裡希南, B·田 申請人:高通股份有限公司