專利名稱：通用航空通信系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通用航空通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種通用航空通信系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
通用航空(GA，General Aviation)是除軍事、警務(wù)、海關(guān)緝私飛行和公共航空運(yùn)輸飛行以外的航空活動(dòng)，包括從事工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)和建筑業(yè)的作業(yè)飛行以及醫(yī)療衛(wèi)生、 搶險(xiǎn)救災(zāi)、氣象探測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、教育訓(xùn)練、文化體育等方面的飛行活動(dòng)。通用航空基本在3000m以下的低空空域進(jìn)行。目前，可用于通用航空通信的數(shù)據(jù)鏈包括高頻(HF，High Frequency)電臺(tái)、甚高頻 (VHF, Very High Frequency)電臺(tái)和衛(wèi)星中繼通信鏈路。同時(shí)，民航航線飛行中的服務(wù)如 ATC、ATM和AOC等也應(yīng)用在通用航空中。然而，這些數(shù)據(jù)鏈和服務(wù)并不真正適用于通用航空。首先，VHF屬于視距(LOS，Line Of Sight)傳播，VHF基站覆蓋區(qū)域半徑通常超過(guò) 100km，對(duì)于通用航空活動(dòng)的3000m以下低空空域存在覆蓋盲區(qū)。其次，由于通用航空飛機(jī)僅在低空飛行，不需要像民航飛機(jī)一樣安裝昂貴的先進(jìn)航空電子設(shè)備，對(duì)傳統(tǒng)的VHF和衛(wèi)星鏈路沒(méi)有很高的經(jīng)濟(jì)效益。另外，未來(lái)幾年通用航空飛機(jī)數(shù)量、規(guī)模將迅速擴(kuò)大，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈難以滿足通信需求。同時(shí)，由于通用航空和民航利用同樣的數(shù)據(jù)鏈，將會(huì)造成民航系統(tǒng)通信容量降低，對(duì)航線飛行任務(wù)的通信質(zhì)量和安全造成一定影響。美國(guó)的AirCell公司研發(fā)的“GoGo”系統(tǒng)采用高空ATG(Air To Ground)EV-D0數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的通信方式，通過(guò)分布在北美各地的92個(gè)陸地宏蜂窩為飛機(jī)提供通信服務(wù)，使用成本較傳統(tǒng)的VHF和衛(wèi)星通信等更為低廉。同樣采用該項(xiàng)技術(shù)的還有美國(guó)JetBlue公司研發(fā)的LiveTV系統(tǒng)。但是這兩種通信系統(tǒng)都是針對(duì)民航航線飛行設(shè)計(jì)，對(duì)于通用航空應(yīng)用同樣存在局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一。為此，本發(fā)明需要提供一種基于地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的通用航空通信系統(tǒng)及方法，該通用航空通信系統(tǒng)及方法的優(yōu)點(diǎn)是緩解通用航空規(guī)?；ㄐ判枨笈c無(wú)線電頻譜資源緊張之間的矛盾，兼容多種現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以及提供多種服務(wù)。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種通用航空通信系統(tǒng)，其特征在于，包括地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)包括基站、移動(dòng)交換中心和移動(dòng)通信骨干網(wǎng)，其中所述基站上安裝有水平天線和垂直天線；機(jī)載終端，所述機(jī)載終端設(shè)置在通用航空飛機(jī)上，用于通過(guò)所述基站接入所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；以及通用航空移動(dòng)信息服務(wù)中心，所述通用航空移動(dòng)信息服務(wù)中心與所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相連，且通過(guò)所述基站與所述機(jī)載終端通信，以向所述通用航空飛機(jī)提供服務(wù)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的通用航空通信系統(tǒng)，可以直接利用現(xiàn)有地面移動(dòng)通信頻帶，不需要占用其它頻譜資源，可以兼容多種現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以及提供多種服務(wù)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述水平天線相對(duì)于垂直方向的傾角為α，所述水平天線具有波束角9h，其中α ^O0 ；以及所述垂直天線相對(duì)于垂直方向的傾角為90°且所述垂直天線口面向上，所述垂直天線具有波束角θν，其中0h+ev-2a彡180°。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的通用航空通信系統(tǒng)，所述水平天線和所述垂直天線的設(shè)置使得所述通用航空通信系統(tǒng)無(wú)盲區(qū)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述水平天線和所述垂直天線在波束角波束角 θ ν內(nèi)的增益大于最大增益的_3dB。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的通用航空通信系統(tǒng)，所述天線增益的選取既能滿足通信質(zhì)量的需要，又能實(shí)現(xiàn)較低的功耗。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述機(jī)載終端包括地面移動(dòng)通信無(wú)線接收單元，所述地面移動(dòng)通信無(wú)線接收單元用于從所述基站接收無(wú)線信號(hào)；通用航空專用通信提取單元， 所述通用航空專用通信提取單元用于從所述無(wú)線信號(hào)中提取通用航空專用數(shù)據(jù)；以及通用航空通信業(yè)務(wù)處理單元，所述通用航空通信業(yè)務(wù)處理單元用于對(duì)所述通用航空專用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的通用航空通信系統(tǒng)，所述機(jī)載終端的配置使得所述通用航空飛機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的通信。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述服務(wù)包括空中交通管制業(yè)務(wù)、空中交通管理業(yè)務(wù)、 航空運(yùn)行管理業(yè)務(wù)和航空旅客通信業(yè)務(wù)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的通用航空通信系統(tǒng)，可以向所述通用航空飛機(jī)提供多種服務(wù)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是GSM、IS95、WCDMA、CDMA2000、 TD-SCDMA 和 / 或 LTE 網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述通用航空通信方法使用的協(xié)議棧由低至高包括物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層以及應(yīng)用層，其中所述物理層和所述數(shù)據(jù)鏈路層適配于地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所使用的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，且語(yǔ)音、導(dǎo)航和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在數(shù)據(jù)鏈路層之上進(jìn)行承載。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，語(yǔ)音業(yè)務(wù)的傳輸層使用電路交換，導(dǎo)航業(yè)務(wù)通過(guò)來(lái)波方向估計(jì)以及定位算法為所述通用航空飛機(jī)提供定位功能，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中使用的網(wǎng)絡(luò)層為IP 層、傳輸層為T(mén)CP層，應(yīng)用層支持空中交通管制業(yè)務(wù)、空中交通管理業(yè)務(wù)、航空運(yùn)行管理業(yè)務(wù)及航空旅客通信業(yè)務(wù)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)，所述基站將頻譜資源交叉分配給地面移動(dòng)用戶和所述通用航空飛機(jī)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的所述通用航空通信系統(tǒng)，可以消除多普勒擴(kuò)展的影響。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述通用航空飛機(jī)當(dāng)前所在的小區(qū)被劃分為6個(gè)區(qū)域，所述通用航空通信系統(tǒng)使用快速小區(qū)間切換，其中當(dāng)所述通用航空飛機(jī)進(jìn)入所述6個(gè)區(qū)域中的一個(gè)時(shí)，當(dāng)前小區(qū)所屬的基站請(qǐng)求相鄰6個(gè)小區(qū)中相應(yīng)小區(qū)為所述通用航空飛機(jī)預(yù)留信道；所述相應(yīng)小區(qū)的基站為所述通用航空飛機(jī)分配一條預(yù)留信道，同時(shí)向所述通用航空飛機(jī)發(fā)出準(zhǔn)備越區(qū)的信令；所述通用航空飛機(jī)接收所述信令，在越區(qū)發(fā)生時(shí)立刻切換到所述預(yù)留信道；所述相應(yīng)小區(qū)的基站向所述小區(qū)的基站發(fā)送越區(qū)報(bào)告；以及所述小區(qū)的基站進(jìn)行越區(qū)確認(rèn)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的通用航空通信系統(tǒng)，在所述通用航空飛機(jī)高速飛行時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)快速小區(qū)間切換，從而保證所述通用航空通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種通用航空通信方法，包括通用航空飛機(jī)上的機(jī)載終端向地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送第一信號(hào)；所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的基站使用水平天線和垂直天線將所述第一信號(hào)通過(guò)所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)交換中心和移動(dòng)通信骨干網(wǎng)傳輸?shù)酵ㄓ煤娇找苿?dòng)信息服務(wù)中心；所述航空移動(dòng)信息服務(wù)中心向所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送第二信號(hào)；所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)通信骨干網(wǎng)和移動(dòng)交換中心將所述第二信號(hào)傳輸?shù)剿龌?；以及所述基站使用所述垂直天線和所述水平天線將所述第二信號(hào)傳輸?shù)剿鰴C(jī)載終端以向所述通用航空飛機(jī)提供服務(wù)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的通用航空通信方法，可以直接利用現(xiàn)有地面移動(dòng)通信頻帶， 不需要占用其它頻譜資源，可以兼容多種現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以及提供多種服務(wù)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述水平天線相對(duì)于垂直方向的傾角為α，所述水平天線具有波束角9h，其中α ^O0 ；以及所述垂直天線相對(duì)于垂直方向的傾角為90°且所述垂直天線口面向上，所述垂直天線具有波束角θν，其中0h+ev-2a彡180°。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的通用航空通信方法，所述水平天線和所述垂直天線的設(shè)置使得所述通用航空通信系統(tǒng)無(wú)盲區(qū)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述水平天線和所述垂直天線在波束角θ 波束角 θ ν內(nèi)的增益分別大于最大增益的_3dB。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的通用航空通信系統(tǒng)，所述天線增益的選取既能滿足通信質(zhì)量的需要，又能實(shí)現(xiàn)較低的功耗。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述服務(wù)包括空中交通管制業(yè)務(wù)、空中交通管理業(yè)務(wù)、 航空運(yùn)行管理業(yè)務(wù)和航空旅客通信業(yè)務(wù)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的通用航空通信系統(tǒng)，可以向所述通用航空飛機(jī)提供多種服務(wù)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是GSM、IS95、WCDMA、CDMA2000、 TD-SCDMA 和 / 或 LTE 網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述通用航空通信方法使用的協(xié)議棧由低至高包括物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層以及應(yīng)用層，其中所述物理層和所述數(shù)據(jù)鏈路層適配于地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所使用的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，且語(yǔ)音、導(dǎo)航和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在數(shù)據(jù)鏈路層之上進(jìn)行承載。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，語(yǔ)音業(yè)務(wù)的傳輸層使用電路交換，導(dǎo)航業(yè)務(wù)通過(guò)來(lái)波方向估計(jì)以及定位算法為所述通用航空飛機(jī)提供定位功能，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中使用的網(wǎng)絡(luò)層為IP 層、傳輸層為T(mén)CP層，應(yīng)用層支持空中交通管制業(yè)務(wù)、空中交通管理業(yè)務(wù)、航空運(yùn)行管理業(yè)務(wù)及航空旅客通信業(yè)務(wù)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)，所述基站將頻譜資源交叉分配給地面移動(dòng)用戶和所述通用航空飛機(jī)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的所述通用航空通信系統(tǒng)，可以消除多普勒擴(kuò)展的影響。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述通用航空飛機(jī)當(dāng)前所在的小區(qū)被劃分為6個(gè)區(qū)域，所述通用航空通信系統(tǒng)的小區(qū)間切換包括步驟當(dāng)所述通用航空飛機(jī)進(jìn)入所述6個(gè)區(qū)域中的一個(gè)時(shí)，當(dāng)前小區(qū)所屬的基站請(qǐng)求相鄰6個(gè)小區(qū)中相應(yīng)小區(qū)為所述通用航空飛機(jī)預(yù)留信道；所述相應(yīng)小區(qū)的基站為所述通用航空飛機(jī)分配一條預(yù)留信道，同時(shí)向所述通用航空飛機(jī)發(fā)出準(zhǔn)備越區(qū)的信令；所述通用航空飛機(jī)接收所述信令，在越區(qū)發(fā)生時(shí)立刻切換到所述預(yù)留信道；所述相應(yīng)小區(qū)的基站向所述小區(qū)的基站發(fā)送越區(qū)報(bào)告；以及所述小區(qū)的基站進(jìn)行越區(qū)確認(rèn)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的通用航空通信系統(tǒng)，在所述通用航空飛機(jī)高速飛行時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)快速小區(qū)間切換，從而保證所述通用航空通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的通用航空通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的機(jī)載終端的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的水平天線和垂直天線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的水平天線和垂直天線的覆蓋示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的通用航空通信系統(tǒng)使用的協(xié)議棧的示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的在進(jìn)行越區(qū)切換時(shí)小區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的通用航空通信方法的流程圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的越區(qū)切換流程圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的采用非連續(xù)頻譜分配時(shí)ICI功率與多普勒擴(kuò)展的關(guān)系的仿真示意圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的通用航空通信系統(tǒng)的誤碼率與信噪比的關(guān)系的仿真示意圖；以及圖11是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的頻率復(fù)用與現(xiàn)有頻率復(fù)用的比較示意圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。需要說(shuō)明的是，此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。進(jìn)一步地，在本發(fā)明的描述中，除非另有說(shuō)明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。下面參考附圖描述本發(fā)明的具體實(shí)施例。圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的通用航空通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。如圖1所示，通用航空通信系統(tǒng)10包括地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)11，機(jī)載終端12以及通用航空移動(dòng)信息服務(wù)中心13。具體地，地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)11包括基站111、移動(dòng)交換中心(MSC) 112和移動(dòng)通信骨干網(wǎng)113，其中基站111上安裝有水平天線1111和垂直天線1112。機(jī)載終端12設(shè)置在通用航空飛機(jī)上，用于通過(guò)基站111接入地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)11。通用航空移動(dòng)信息服務(wù)中心13與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)11相連，且通過(guò)基站111與機(jī)載終端12通信，以向通用航空飛機(jī)提供服務(wù)。圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的機(jī)載終端12的結(jié)構(gòu)框圖。如圖2所示，機(jī)載終端 12包括地面移動(dòng)通信無(wú)線接收單元121，通用航空專用通信提取單元122以及通用航空通信業(yè)務(wù)處理單元123。具體地，地面移動(dòng)通信無(wú)線接收單元121用于從基站111接收無(wú)線信號(hào)。通用航空專用通信提取單元122用于從無(wú)線信號(hào)中提取通用航空專用數(shù)據(jù)。通用航空通信業(yè)務(wù)處理單元123用于對(duì)通用航空專用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的水平天線和垂直天線的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示， 水平天線1111相對(duì)于垂直方向的傾角為α，水平天線1111具有波束角9h，其中α ^0°。 垂直天線1112相對(duì)于垂直方向的傾角為90 °且垂直天線1112 口面向上，垂直天線1112具有波束角θν。水平天線1111和垂直天線1112在波束角Q1^n波束角θ 的增益分別大于最大增益的_3dB，即最大增益的一半。水平天線1111與傳統(tǒng)的地面移動(dòng)基站的天線類似，朝向幾乎水平，通常有很小的向下傾角，且3dB波束角范圍較小，主要為地面移動(dòng)用戶提供普通的手機(jī)通信服務(wù)；也可以為通用航空飛機(jī)提供通信的接入服務(wù)，特別是在機(jī)場(chǎng)和機(jī)場(chǎng)附近。垂直天線1112的口面向上，通常有很大的3dB波束角，為通用航空移動(dòng)用戶提供通信服務(wù)。圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的水平天線和垂直天線的覆蓋示意圖。如圖4所示， 基站111形成的蜂窩區(qū)別于傳統(tǒng)地面蜂窩，垂直天線1112覆蓋上方3dB波束角范圍內(nèi)的低空空域，相鄰兩個(gè)蜂窩在空間產(chǎn)生交疊，如圖中A點(diǎn)和B點(diǎn)以上區(qū)域，而A點(diǎn)和B點(diǎn)以下空域?yàn)槠涓采w盲區(qū)。水平天線1111產(chǎn)生傳統(tǒng)地面蜂窩，同時(shí)其3dB波束角上限部分需彌補(bǔ)A 點(diǎn)和B點(diǎn)以下的低空盲區(qū)，因此同樣需要考慮覆蓋高度，從而構(gòu)成三維蜂窩。為使通用航空通信系統(tǒng)10無(wú)盲區(qū)，圖3中示出的三個(gè)角度應(yīng)滿足eh+ev-2a彡180°圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的通用航空通信系統(tǒng)使用的協(xié)議棧的示意圖。如圖 5所示，通用航空通信系統(tǒng)使用的協(xié)議棧由低至高包括物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層以及應(yīng)用層，其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層適配于地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所使用的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，且語(yǔ)音、導(dǎo)航和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在數(shù)據(jù)鏈路層之上進(jìn)行承載。語(yǔ)音業(yè)務(wù)的傳輸層使用電路交換，導(dǎo)航業(yè)務(wù)通過(guò)來(lái)波方向估計(jì)以及定位算法為通用航空飛機(jī)提供定位功能，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中使用的網(wǎng)絡(luò)層為IP層、傳輸層為T(mén)CP層，應(yīng)用層支持空中交通管制業(yè)務(wù)(ATC)、空中交通管理業(yè)務(wù)(ATM)、航空運(yùn)行管理業(yè)務(wù)(AOC)和航空旅客通信業(yè)務(wù)(APC)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于不同的地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，通用航空通信系統(tǒng)10 設(shè)計(jì)不同的物理層和鏈路層協(xié)議。地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)可以是GSM、IS95、WCDMA, CDMA2000、 TD-SCDMA和/或LTE網(wǎng)絡(luò)。典型的2G網(wǎng)絡(luò)GSM頻譜在900/1800MHz上，采用FDMA的方式，每隔200kHz為一個(gè)子載波，每個(gè)子載波又以TDMA的方式分為8個(gè)時(shí)隙，其傳輸速率為270Kb/s。典型的3G網(wǎng)絡(luò)如TODMA、CDMA2000和TD-SCDMA采用擴(kuò)頻通信，傳輸速率在384Kb/s 2Mb/s，中國(guó)的CDMA網(wǎng)絡(luò)頻譜為上行825MHz 835MHz、下行87OMHz-88OMHz。LTE網(wǎng)絡(luò)傳輸速率在100Mb/s以上，頻譜從1. 4MHz到20MHz可擴(kuò)展升級(jí)。通用航空飛機(jī)的飛行速度通常在200km/h 400km/h，多普勒擴(kuò)展與民航航線飛行相比不太嚴(yán)重。而GSM和CDMA網(wǎng)絡(luò)能夠抵抗一定范圍內(nèi)的多普勒擴(kuò)展，如GSM-R最大支持速度500km/h，可以直接利用其載波分配方案。然而，LTE是基于OFDM調(diào)制方式，即使很小的多普勒擴(kuò)展也會(huì)產(chǎn)生載間干擾(ICI，Inter-Carrier-Interference)，因此采用非連續(xù)頻譜分配的方法。具體地，將OFDM系統(tǒng)整個(gè)頻譜資源交叉分配給地面移動(dòng)用戶和通用航空飛機(jī)，從在載波分配上將通用航空移動(dòng)用戶的載波間隔(Si ,Sub-carrier Interval)增大， 降低由多普勒擴(kuò)展引起的ICI。當(dāng)分配一個(gè)子載波給通用航空移動(dòng)用戶時(shí)，相鄰的一個(gè)或幾個(gè)子載波將不再分配給其他通用航空移動(dòng)用戶，SI相應(yīng)增大一倍或幾倍。而對(duì)于地面移動(dòng)用戶，由于沒(méi)有多普勒擴(kuò)展影響，在原有SI下即可正常通信，可以連續(xù)分配。由于通用航空飛機(jī)飛行高度在3km以下，信道可以用典型的Rician和Rayleigh 衰落信道模擬，并統(tǒng)一用Nakagami-m信道模型表示。其概率密度函數(shù)(PDF，Probability Density Function)表示為
權(quán)利要求
1.一種通用航空通信系統(tǒng)，其特征在于，包括地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)包括基站、移動(dòng)交換中心和移動(dòng)通信骨干網(wǎng)，其中所述基站上安裝有水平天線和垂直天線；機(jī)載終端，所述機(jī)載終端設(shè)置在通用航空飛機(jī)上，用于通過(guò)所述基站接入所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；以及通用航空移動(dòng)信息服務(wù)中心，所述通用航空移動(dòng)信息服務(wù)中心與所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相連，且通過(guò)所述基站與所述機(jī)載終端通信，以向所述通用航空飛機(jī)提供服務(wù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用航空通信系統(tǒng)，其特征在于，所述水平天線相對(duì)于垂直方向的傾角為α，所述水平天線具有波束角eh，其中 α ^O0 ；以及所述垂直天線相對(duì)于垂直方向的傾角為90°且所述垂直天線口面向上，所述垂直天線具有波束角θν，其中θ h+ θ ν-2 α ^ 180°。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的通用航空通信系統(tǒng)，其特征在于，所述水平天線和所述垂直天線在波束角波束角θv內(nèi)的增益分別大于最大增益的 _3dB。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用航空通信系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)載終端包括地面移動(dòng)通信無(wú)線接收單元，所述地面移動(dòng)通信無(wú)線接收單元用于從所述基站接收無(wú)線信號(hào)；通用航空專用通信提取單元，所述通用航空專用通信提取單元用于從所述無(wú)線信號(hào)中提取通用航空專用數(shù)據(jù)；以及通用航空通信業(yè)務(wù)處理單元，所述通用航空通信業(yè)務(wù)處理單元用于對(duì)所述通用航空專用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用航空通信系統(tǒng)，其特征在于，所述服務(wù)包括空中交通管制業(yè)務(wù)、空中交通管理業(yè)務(wù)、航空運(yùn)行管理業(yè)務(wù)和航空旅客通信業(yè)務(wù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用航空通信系統(tǒng)，其特征在于，所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是 GSM、IS95、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA 和 / 或 LTE 網(wǎng)絡(luò)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用航空通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通用航空通信系統(tǒng)使用的協(xié)議棧由低至高包括物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層以及應(yīng)用層，其中所述物理層和所述數(shù)據(jù)鏈路層適配于地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所使用的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，且語(yǔ)音、導(dǎo)航和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在數(shù)據(jù)鏈路層之上進(jìn)行承載。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的通用航空通信系統(tǒng)，其特征在于，語(yǔ)音業(yè)務(wù)的傳輸層使用電路交換，導(dǎo)航業(yè)務(wù)通過(guò)來(lái)波方向估計(jì)以及定位算法為所述通用航空飛機(jī)提供定位功能，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中使用的網(wǎng)絡(luò)層為IP層、傳輸層為T(mén)CP層，應(yīng)用層支持空中交通管制業(yè)務(wù)、空中交通管理業(yè)務(wù)、航空運(yùn)行管理業(yè)務(wù)及航空旅客通信業(yè)務(wù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的通用航空通信系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)，所述基站將頻譜資源交叉分配給地面移動(dòng)用戶和所述通用航空飛機(jī)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的通用航空通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通用航空飛機(jī)當(dāng)前所在的小區(qū)被劃分為6個(gè)區(qū)域，所述通用航空通信系統(tǒng)使用快速小區(qū)間切換，其中當(dāng)所述通用航空飛機(jī)進(jìn)入所述6個(gè)區(qū)域中的一個(gè)時(shí)，當(dāng)前小區(qū)所屬的基站請(qǐng)求相鄰6 個(gè)小區(qū)中相應(yīng)小區(qū)為所述通用航空飛機(jī)預(yù)留信道；所述相應(yīng)小區(qū)的基站為所述通用航空飛機(jī)分配一條預(yù)留信道，同時(shí)向所述通用航空飛機(jī)發(fā)出準(zhǔn)備越區(qū)的信令；所述通用航空飛機(jī)接收所述信令，在越區(qū)發(fā)生時(shí)立刻切換到所述預(yù)留信道；所述相應(yīng)小區(qū)的基站向所述小區(qū)的基站發(fā)送越區(qū)報(bào)告；以及所述小區(qū)的基站進(jìn)行越區(qū)確認(rèn)。
11.一種通用航空通信方法，其特征在于，包括通用航空飛機(jī)上的機(jī)載終端向地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送第一信號(hào)；所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的基站使用水平天線和垂直天線將所述第一信號(hào)通過(guò)所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)交換中心和移動(dòng)通信骨干網(wǎng)傳輸?shù)酵ㄓ煤娇找苿?dòng)信息服務(wù)中心；所述航空移動(dòng)信息服務(wù)中心向所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送第二信號(hào)；所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)通信骨干網(wǎng)和移動(dòng)交換中心將所述第二信號(hào)傳輸?shù)剿龌?；以及所述基站使用所述垂直天線和所述水平天線將所述第二信號(hào)傳輸?shù)剿鰴C(jī)載終端以向所述通用航空飛機(jī)提供服務(wù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的通用航空通信方法，其特征在于，所述水平天線相對(duì)于垂直方向的傾角為α，所述水平天線具有波束角eh，其中 α ^O0 ；以及所述垂直天線相對(duì)于垂直方向的傾角為90°且所述垂直天線口面向上，所述垂直天線具有波束角θν，其中θ h+ θ ν-2 α ^ 180°。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的通用航空通信方法，其特征在于，所述水平天線和所述垂直天線在波束角波束角θv內(nèi)的增益分別大于最大增益的 _3dB。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的通用航空通信方法，其特征在于，所述服務(wù)包括空中交通管制業(yè)務(wù)、空中交通管理業(yè)務(wù)、航空運(yùn)行管理業(yè)務(wù)和航空旅客通信業(yè)務(wù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的通用航空通信方法，其特征在于，所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是 GSM、IS95、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA 和 / 或 LTE 網(wǎng)絡(luò)。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的通用航空通信方法，其特征在于，所述通用航空通信系統(tǒng)使用的協(xié)議棧由低至高包括物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層以及應(yīng)用層，其中所述物理層和所述數(shù)據(jù)鏈路層適配于地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所使用的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，且語(yǔ)音、導(dǎo)航和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在數(shù)據(jù)鏈路層之上進(jìn)行承載。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的通用航空通信方法，其特征在于，語(yǔ)音業(yè)務(wù)的傳輸層使用電路交換，導(dǎo)航業(yè)務(wù)通過(guò)來(lái)波方向估計(jì)以及定位算法為所述通用航空飛機(jī)提供定位功能， 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中使用的網(wǎng)絡(luò)層為IP層、傳輸層為T(mén)CP層，應(yīng)用層支持空中交通管制業(yè)務(wù)、空中交通管理業(yè)務(wù)、航空運(yùn)行管理業(yè)務(wù)及航空旅客通信業(yè)務(wù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的通用航空通信方法，其特征在于，當(dāng)所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)，所述基站將頻譜資源交叉分配給地面移動(dòng)用戶和所述通用航空飛機(jī)。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的通用航空通信方法，其特征在于，所述通用航空飛機(jī)當(dāng)前所在的小區(qū)被劃分為6個(gè)區(qū)域，所述通用航空通信系統(tǒng)的小區(qū)間切換包括步驟當(dāng)所述通用航空飛機(jī)進(jìn)入所述6個(gè)區(qū)域中的一個(gè)時(shí)，當(dāng)前小區(qū)所屬的基站請(qǐng)求相鄰6 個(gè)小區(qū)中相應(yīng)小區(qū)為所述通用航空飛機(jī)預(yù)留信道；所述相應(yīng)小區(qū)的基站為所述通用航空飛機(jī)分配一條預(yù)留信道，同時(shí)向所述通用航空飛機(jī)發(fā)出準(zhǔn)備越區(qū)的信令；所述通用航空飛機(jī)接收所述信令，在越區(qū)發(fā)生時(shí)立刻切換到所述預(yù)留信道； 所述相應(yīng)小區(qū)的基站向所述小區(qū)的基站發(fā)送越區(qū)報(bào)告；以及所述小區(qū)的基站進(jìn)行越區(qū)確認(rèn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種通用航空通信系統(tǒng)及方法。通用航空通信系統(tǒng)包括地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)包括基站、移動(dòng)交換中心和移動(dòng)通信骨干網(wǎng)，其中所述基站上安裝有水平天線和垂直天線；機(jī)載終端，所述機(jī)載終端設(shè)置在通用航空飛機(jī)上，用于通過(guò)所述基站接入所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；以及通用航空移動(dòng)信息服務(wù)中心，所述通用航空移動(dòng)信息服務(wù)中心與所述地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相連，且通過(guò)所述基站與所述機(jī)載終端通信，以向所述通用航空飛機(jī)提供服務(wù)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的通用航空通信系統(tǒng)及方法，可以直接利用現(xiàn)有地面移動(dòng)通信頻帶，不需要占用其它頻譜資源，可以兼容多種現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以及提供多種服務(wù)。
文檔編號(hào)H04B7/185GK102412886SQ20111028058
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月20日
發(fā)明者余峻舟, 龐珂珂, 張超 申請(qǐng)人:清華大學(xué)