CN102938670B - 用于飞机的地空宽带无线通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于飞机的地空宽带无线通信系统与方法。包括：沿着预先定义的空中航线安装的多个LTE地面基站，相互邻接的LTE地面基站之间具有重叠通信覆盖区域，并且按LTE无线空口协议进行无线发射和接收；飞机上的LTE通信终端，按LTE无线空口协议进行无线发射和接收，以便与所述地面基站建立高速数双向据通信链路；另外，飞机外表面上装有多个飞机射频天线，所述多个飞机射频天线经由互连线缆连接所述LTE通信终端；其中，每个地面基站装有相同极化的射频天线，所述相同极化的射频天线是具有一定波束宽带的定向天线，LTE通信终端使用所述多个飞机射频天线接收地面基站发射的射频信号，以及向地面基站发射射频信号。

Description

用于飞机的地空宽带无线通信系统及方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域。更具体地说，本发明是用于飞机的地空宽带无线通信系统及方法。

背景技术

对社会而言，高速数据通信正在变得越来重要，并且已经成为人们社会生活中的不可或缺的要素。目前大部分的高速数据连接基于有物理连接的线路，如双绞线，光纤等。有线的连接在需要移动性的情况下很难得以被运用，因此基于无线技术的数据通信对于航线上的乘客而言是非常有吸引力的。然而高速无线数据连接对于实际中的飞行使用而言是难以达到覆盖距离要求的。一种替代手段是通过卫星给飞机提供高速链接。这种方案有着诸多方面的缺陷：其一，其传输速率非常有限，导致每比特数据传输的成本很高；其次，基于卫星的方案需专门的天线以及相应的机载设备，这些设备价格很高，不具备相应的成本优势；最后基于卫星的数据通信方案需要的飞机改装时间太长，通常需要1周左右。而根据适航法规的要求，没有完成改装的飞机是不能用于航班运输的。这对于繁忙的航空公司而言将会造成少小的损失。因此为飞机提供一种成本合理的高速数据通信连接，在当下变得越来越迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种为飞机提供高速数据通信的系统，该系统利用了一系列提供LTE空中接口协议的地面LTE地面基站信号发射机。这些LTE地面基站信号位于沿着已建立多架飞机的公共航线(航空航线)上。地面发射机的位置能为飞机从一个发射机转到另一个发射机时提供重叠覆盖区域。这样机上的乘客在空中就能享受到不间断的高速数据通信服务。

本发明的另一目的在于提供一种为飞机提供高速数据通信的方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种为飞机提供高速地空宽带数据通信的系统，包括：

沿着预先定义的空中航线安装的多个LTE地面基站，相互邻接的LTE地面基站之间具有重叠通信覆盖区域，并且按LTE无线空口协议进行无线发射和接收；

飞机上的LTE通信终端，按LTE无线空口协议进行无线发射和接收，以便与所述地面基站建立高速数双向据通信链路；

其中，所述飞机外表面上装有多个飞机射频天线，所述多个飞机射频天线经由互连线缆连接所述LTE通信终端；

其中，每个地面基站装有相同极化的射频天线，所述LTE通信终端使用所述多个飞机射频天线接收地面基站发射的射频信号，以及向地面基站发射射频信号。

其中，所述每个地面基站装有的相同极化的射频天线是全向天线或具有一定波束宽度的定向天线。

其中，所述每个地面基站的射频天线通过一定角度的上倾角提供对空中飞行中的飞机射频信号的覆盖。

其中，所述LTE通信终端提供由飞机乘客直接操作的地空通信服务。

其中，所述LTE通信终端提供由飞机工作人员操作的地空双向中继数据链路服务。

其中，所述LTE通信终端是与地面基站建立中继双向数据链路的LTE机载终端，用于通过安装在飞机上的机上网络为飞机乘客提供高速数双向数据业务。

其中，所述机载终端包括：

射频模块，用来把利用所述多个飞机射频天线接收的来自地面基站的射频信号变换成基带信号，以及将本机的基带信号转换成射频信号后经由所述飞机射频天线发送给地面基站；

协议处理模块，用来处理来自所述射频模块的基带信号并生成业务数据，以及将本机业务数据处理成基带信号发送给所述射频模块；

电源管理模块，用来将飞机上的标准电源转换成协议处模块与射频模块所需的电源，并对整个机载终端的电源进行管理。

其中，所述机载终端还包括地面基站多小区干扰抑制单元，包括：

基带数据解调器，用来对来自所述射频模块的基带采样点信号进行解调，得到并输出多个地面基站的导频符号以及数据符号；

信道估计器，用来根据所述基带数据解调器的输出，对多个地面基站的物理信道进行估计，得到各地面基站的信道系数；

滤波系数生成器，用来利用通过估计得到的各地面基站的信道系数，计算对地面基站多小区干扰信号进行干扰抑制的滤波系数；

接收滤波器，用来利用所述滤波系数，从飞机接收到的多个地面基站信号中滤出与飞机当前链接地面基站的有用信号，抑制作为干扰信号的其他地面基站信号。

本发明的系统还包括：安装在所述飞机上的飞机位置和姿态检测装置，用于通过检测飞机的位置和姿态，得到用于飞机越区切换的飞机位置信息和飞机姿态变化信息，以便所述地面基站根据所述飞机位置信息、飞机姿态变化信息、当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量，进行所述飞机越区切换。

其中，所述机载终端上报所述飞机位置信息和飞机姿态变化信息，测量和上报当前地面基站信号质量，并根据当前地面基站的信号质量或者当前地面基站发送的切换测量请求，启动对邻居地面基站发射信号的测量，并上报邻居地面基站信号质量；

所述地面基站接收所述机载终端上报的飞机位置信息和飞机姿态变化信息以及当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量，根据飞机位置信息向机载终端发送所述切换测量请求，并根据飞机姿态变化信息、飞机位置信息、当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量，进行从所述当前地面基站到邻居地面基站的越区切换。

其中，上述机载终端包括：

当前地面基站信号测量和比较模块，用于测量当前地面基站的信号质量，并将当前地面基站的信号质量与预定门限值进行比较；

邻居地面基站信号测量模块，用于在当前地面基站信号质量低于或等于预定门限值时，自行启动对邻居地面基站信号的测量，或者根据所述切换测量请求，启动对邻居地面基站信号的测量，并上报基于自行启动测量或基于请求启动测量的邻居地面基站信号质量。

其中，所述地面基站包括：

切换测量请求发送模块，根据所述飞机位置信息确定飞机从当前地面基站近点区域进入当前地面基站远点区域的切换准备时刻，并在该切换准备时刻之前未收到基于自行启动测量的邻居地面基站信号质量的情况下，向机载终端发送切换测量请求。

其中，所述地面基站设备还包括：

测量启动属性判断模块，用于判断机载终端上报的邻居地面基站信号质量的测量启动属性；

切换模块，当判断邻居地面基站信号质量的测量属于自行启动，则进一步判断飞行姿态信息变化值是否超过门限值，并在飞行姿态信息变化值超过门限值时暂停切换，反之，则通知机载终端进行切换；以及当判断邻居地面基站信号质量的测量属于依请求启动，则比较邻居地面基站信号质量和当前地面基站信号质量，并且当邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量时，通知机载终端进行切换。

其中，每个地面基站利用所述定向天线的主瓣实现对目标小区的覆盖，以使沿航线布设的多个地面基站形成了对航线覆盖的“线状”多小区网络。

其中，所述多个飞机射频天线按以下方式之一安装在所述飞机外表面上：

a)安装在飞机发动往机尾方向一侧的机腹或机顶上；

b)安装在飞机发动往机头方向一侧的机腹或机顶上；

c)分别安装在飞机发动机往机头方向一侧以及飞机发动机往机尾方向一侧的机腹或机顶上。

其中，所述的每个飞机射频天线是相同极化的天线，并且其极化方向与地面基站射频天线的极化方向相同。

其中，机载终端根据地面基站发送的随机接入信道PRACH扩展指令，生成扩展PRACH，并通过向地面基站发送所述扩展PRACH，进行随机接入；

地面基站对机载终端发送的扩展PRACH进行PRACH检测，以确定上行接入机载终端的信道以及对应的发射时延值，并根据所述发射时延值生成并发送上行发射时间调整指令；

机载终端根据地面基站发送的所述上行发射时间调整指令，调整发射的时间位置，从而实现上行定时同步。

其中，所述地面基站还包括：

指令发送装置，在对各机载终端上行资源分配时，向小区内的所有机载终端发送在PRACH的保护间隔GT之后的一段时间不使用OFDM符号的PRACH扩展指令，和发送上行发射时间调整指令；

PRACH检测装置，用于按扩展的PRACH进行PRACH检测。

其中，所述PRACH检测装置包括：

定时器，用于确定进行扩展PRACH处理的数据位置值；

PRACH滤波单元，用于把收到的上行宽带样点数据变成更窄带的经过滤波后的PRACH；

多个峰值检测单元，用于对PRACH信道滤波单元输出的数据进行峰值检测，以获得对应的PRACH信道号以及上行发射延时值TA；

滑窗位置存储器，用于记录多个并行PRACH处理单元的滑窗间隔；

峰值处理单元，用于对多个峰值检测单元输出的峰值进行合并与处理，以最终输出有效的峰值位置与强度。

其中，所述的机载终端还包括：

指令接收装置，用于接收所述PRACH扩展指令和所述上行发射时间调整指令；

上行接入装置，根据所述PRACH扩展指令在所述PRACH保护间隔GT后形成与所述一段时间相对应的空区，得到所述GT+空区的扩展保护间隔GT’，从而生成并发送扩展PRACH；并且按所述TA值调整上行发送时间，实现上行发射同步。

根据本发明第二方面，提供了一种为飞机提供高速地空宽带数据通信的方法，包括：

沿着预先定义的空中航线安装多个LTE地面基站，使相互邻接的LTE地面基站之间具有重叠通信覆盖区域，并且按LTE无线空口协议进行无线发射和接收；

在飞机上安装LTE通信终端，所述LTE通信终端按LTE无线空口协议进行无线发射和接收，以便与所述地面基站建立高速数双向据通信链路；

其中，所述飞机外表面上装有上多个飞机射频天线，所述多个飞机射频天线经由互连线缆连接所述机载终端；

其中，每个地面基站装有相同极化的射频天线，所述相同极化的射频天线是具有一定波束宽带的定向天线，LTE通信终端使用所述多个飞机射频天线接收地面基站发射的射频信号，以及向地面基站发射射频信号。

其中，所述LTE通信终端是与地面基站建立中继双向数据链路的LTE机载终端，用于通过机上网络为飞机乘客提供高速数双向数据业务。

其中，每个地面基站利用所述定向天线的主瓣实现对目标小区的覆盖，以使沿航线布设的多个地面基站形成了对航线覆盖的“线状”多小区网络。

其中，所述多个飞机射频天线按以下方式之一安装在所述飞机外表面上：

a)安装在飞机发动往机尾方向一侧的机腹或机顶上；

b)安装在飞机发动往机头方向一侧的机腹或机顶上；

c)分别安装在飞机发动机往机头方向一侧以及飞机发动机往机尾方向一侧的机腹或机顶上。

其中，所述的每个飞机射频天线是相同极化的天线，并且其极化方向与地面基站射频天线的极化方向相同。

其中，所述机载终端与所述地面基站按照如下步骤执行越区切换：

A、当前地面基站从所述机载终端获得飞机位置信息和飞机姿态变化信息；

B、机载终端测量和上报当前地面基站信号质量；

C、机载终端根据当前地面基站的信号质量或者当前地面基站发送的切换测量请求，启动对邻居地面基站发射信号的测量，并上报邻居地面基站信号质量；

D、当前地面基站根据飞机姿态变化信息、飞机位置信息、当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量，进行从所述当前地面基站到邻居地面基站的越区切换。

其中，所述步骤A包括：

A1、机载终端通过全球导航卫星系统GNSS获得飞机位置信息和飞机速度信息；

A2、机载终端把所述飞机位置信息和速度信息上报给当前地面基站，当前地面基站通过速度信息计算得到飞机姿态变化信息；或者机载终端把所述飞机位置信息和通过速度信息计算得到的飞机姿态变化信息上报给所述当前地面基站。

其中，所述步骤A包括：

A1’、机载终端利用定位系统获得飞机位置信息，利用姿态传感器获得飞机姿态变化信息；

A2’、机载终端把所述飞机位置信息和姿态变化信息上报给当前地面基站。

其中，所述步骤C包括：

C1、机载终端将当前地面基站信号质量与预定门限值进行比较；

C2、当比较结果为所述当前地面基站信号质量低于或等于预定门限值时，自行启动对邻居地面基站信号的测量，并上报基于自行启动测量的邻居地面基站测量报告。

其中，所述步骤C还包括：

C3、若在当前地面基站根据所述飞机位置信息确定飞机从当前地面基站近点区域进入当前地面基站远点区域的时刻，未收到基于自行启动测量的邻居地面基站信号质量，则向机载终端发送切换测量请求；

C4、所述机载终端响应所述切换测量请求，启动对邻居地面基站信号的测量，并上报基于请求启动测量的邻居地面基站信号质量。

其中，所述步骤D包括：

D1、当前地面基站收到所述邻居地面基站信号质量后，判断飞机姿态变化信息的变化值是否大于门限值；

D2、若变化值大于门限值，则暂停切换；

D3、若变化值小于门限值，则进一步判断邻居地面基站信号质量是否高于当前地面基站信号质量，若邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量且两者差值大于一定值，则通知机载终端进行切换，反之则暂停切换。

其中，所述邻居地面基站信号质量和当前地面基站信号质量均包括信号强度或信号干扰噪声比；

所述邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量包括：邻居地面基站的信号强度大于当前地面基站的信号强度，或者邻居地面基站的信号干扰噪声比大于当前地面基站的信号干扰噪声比。

其中，所述机载终端与所述地面基站按照如下步骤执行范围非同步地空通信：

E、各机载终端根据地面基站发送的随机接入信道PRACH扩展指令，生成扩展PRACH；

F、各机载终端通过向地面基站发送所述扩展PRACH，进行随机接入；

G、地面基站对各机载终端发送的扩展PRACH进行PRACH检测，以确定各上行接入机载终端的信道以及对应的发射时延值，并根据所述发射时延值生成并发送上行发射时间调整指令；

H、各机载终端根据地面基站发送的所述上行发射时间调整指令，调整发射的时间位置，从而实现上行定时同步。

其中，所述步骤E包括：

E1、地面基站在进行各机载终端上行资源分配时，向小区内的所有机载终端发送在PRACH的保护间隔GT之后的一段时间不使用OFDM符号的PRACH扩展指令；

E2、各机载终端根据所述PRACH扩展指令，在所述PRACH保护间隔GT后形成与所述一段时间相对应的空区，得到所述GT+空区的扩展保护间隔GT’，从而生成扩展PRACH；

其中，所述PRACH扩展指令是基站通过下行PDCCH信道进行上行用户资源分配时，将PRACH信道后面相邻的OFDM符号上PRACH信道所在频域上的资源预留出来的方式实现。

其中，所述不使用的OFDM符号的数量与地面基站需要扩展的覆盖半径成正比。

其中，所述各机载终端通过以下方式之一向地面基站发送所述扩展PRACH：

时分多址方式；

频分多址方式；

码分多址方式。

其中，所述步骤G包括：

G1、从上行基带样点数据中滤出扩展PRACH对应的基带数据；

G2、从扩展PRACH的CP后面开始的数据位置取出序列长度加上扩展后GP’长度的数据；

G3、以不大于CP的长度为步长用多个并行的峰值检测单元做滑窗，对整个数据进行并行峰值检测；

G4、根据滑窗的大小以及峰值的位置计算、检测出峰值位置与峰值大小；

G5、根据输出的峰值大小与位置确认上行接入机载终端的扩展PRACH信道以及对应的发射时延值，并根据所述发射时延值生成并发送含有时延调整值TA的上行发射时间调整指令。

其中，所述步骤H包括：

H1、各机载终端从所述上行发射时间调整指令中提取所述TA；

H2、各机载终端按所述TA值调整发送时间，实现上行发射同步。

此外，本发明的高速数据通信链路包括：互联网接入；流媒体视频接入；IP语音接入；基于飞机上的地面移动通信系统家用地面基站提供的语音接入，以及，文件传输接入。

另外，本发明的LTE空中接口标准工作的频率范围在3.6GHz以下。

其中，所述LTE空中接口标准工作的频率范围在3GHz到6GHz之间。

相对于现有技术，本发明的可以利用TLE规范的空中接口技术实现超过100公里的大范围地空通信；并且能够利用定向单极性天线的地空通信方式降低邻区同频干扰；还能够解决因飞机飞行姿态造成的断链问题。

下面结合附图对本发明的原理、结构进行详细说明。

附图说明

图1是本明发为飞机提供宽带通信系统的一种实施例；

图2a是本发明示出的一种通过飞机上的LTE用户站实现地空通信的机舱连接示意图；

图2b为本发明示出的一种机舱网络示意图；

图3a是单频点同频组网的LTE系统网络示意图；

图3b是三频点异频组网的LTE系统网络示意图；

图4是基于LTE核心网的全网络结网络结构示意图；

图5是基于LTE空口标准协议接口以及私有网络的结构示意图；

图6是本发明的机载终端和地面基站实现越区切换的示意图；

图7a是本发明的越区切换的功能模块的示意图；

图7b是图7a中的机载终端的涉及越区切换的功能模块的示意图；

图8是本发明的姿态信息计算的处理流程图；

图9是本发明的地面基站切换模块的处理流程图；

图10是本发明的飞机飞行近点与远点区域示意图；

图11是本发明的飞机在飞行过程中的切换示意图；

图12a至图12h是显示本发明的各种天线安装位置的示意图；

图13是本发明的地空宽带通信机载设备主要模块及连接的示意图；

图14是本发明的地面基站对航线进行覆盖的示意图；

图15a是本发明的地面基站使用较窄波束定向天线进行航线组网的示意图；

图15b是本发明的地面基站使用较宽波束定向天线进行航线组网的示意图；

图16是机载干扰抑制接收滤波装置的示意图；

图17是本发明干扰抑制流程图；

图18是本发明地面基站与不同距离的机载终端的通信示意图；

图19a是LTE PRACH结构示意图；

图19b是LTE PRACH参数示意图；

图20a是现有LTE的上行接入的示意图；

图20b是显示本发明的“打掉”LTE PRACH后面的部分OFDM符号上的频域数据，实现扩展PRACH的示意图；

图20c是显示本发明的利用扩展PRACH进行多PRACH滑窗并行检测的示意图；

图21是本发明的非同步上行接入流程图；

图22是本发明的地面基站发射机、地面基站接收机、机载终端收发机的通信框图；

图23是本发明的地面基站接收机上行PRACH检测流程图；

图24是本发明的地面基站接收机上行PRACH检测装置框图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的实施方式。

LTE空中接口标准

在众多具有移动通信能力的宽带无线通信系统中，第三代合作伙伴计划(3GPP)开发制订的长期演进(LTE)技术是一种面向4G的无线通信技术，该系统以其独有的特性，特别地适合用于实现对飞机实现宽带无线通信。LTE采用了基于OFDM技术的空中接口设计，目标是构建出高速率、低时延、分组优化的无线接入系统，提供更高的数据速率和频谱利用率。LTE系统支持FDD和TDD两种双工方式，并对传统UMTS网络架构进行了优化，其中LTE仅包含eNodeB，不再有RNC；EPC也做了较大的简化。这使得整个系统呈现扁平化特性。LTE空中接口标准是一种采用由NodeB构成的单层结构的固定宽带无线接入系统。这种结构有利于简化网络和减小延迟，实现了低时延，低复杂度和低成本的要求。它采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的关键技术。在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。

作为3GPP的长期演进系统，LTE一方面可以继承3GPP标准(GSM、EDGE、WCDMA、HSPA、HSPA+)中已经在使用的频率，同时国际电联(ITU)以及各国政府也分别为IMT(国际移动电信)技术分配了频谱，总共可用的频谱范围是450MHz-3600MHz，即3.6GHz以下的频谱。这些频谱也可以分配给LTE使用。另外，部分国家和地区也在考虑在3GHz-6GHz的频率范围内扩展为LTE在专用领域下使用。扩展的频率只需要对LTE地面基站与接收站的频率做相应修改，而空中接口标准不做任何修改即可使用。

LTE空中接口标准是指第三代合作伙伴计划(3GPP)制订的长期演进计划(LTE)版本8、9、10(Release 8、9、10)及其后续演进版本。也有人将3GPP LTE版本8，9称为LTE，将版本10以后的版本称为LTE-A(高级的长期演进技术)。本发明所指的LTE是3GPP LTE空中接口技术的版本8、9、10及其后续演进的版本。

特别地，LTE从系统设计上支持14公里、29公里、77公里以及100公里的小区覆盖。特别是100公里的小区覆盖，远大于目前所见到的地面移动通信系统，特别适合于飞行中的飞机使用的大范围高速移动通信系统。

为飞机提供宽带地空无线通信

为飞机提供宽带无线通信的系统，是将LTE空中接口协议的地面基站沿着预先定义航线的方向架设，并使地面基站的信号在空中有重叠的覆盖区域。图1显示了依照本发明设计的用于飞行中飞机上的宽带通信系统的一个实例。图中10为沿航线的方向且离航线有一定水平距离建设的多个LTE空中接口协议地面基站(以下简称LTE地面基站)，11为地面基站所能够覆盖的航线高度上的水平空域范围，12与13为飞机在航线上航行的方向。在同一航线上，飞机按一定规则可以在同一水平面或不同高度上同方向或对方向飞行。LTE地面基站在空域中的覆盖范围有一定的重叠，以保证为飞机或飞机内的用户提供连续不间断的通信。当一个航班的飞机沿着它的飞行路径12、13经过时，它会沿着由地面基站10提供的不同覆盖区域11飞行，中间不会有通信中断。应当认为单个地面基站10可以覆盖每个空中覆盖区域11范围内的所有飞机。并且，当沿着飞行路径12、13飞行时，一架飞机可能同时在多个地面基站10的重叠覆盖区域范围内。

LTE地面基站实现对空中覆盖射频信号。直接用于地面通信的LTE地面基站及其天线不能为空中飞机提供无线通信，其主要原因除了与空中航空使用的通信、导航、监视系统的电磁兼容问题之外，另一个主要原因是地面通信系统的LTE地面基站都是有一定的下倾角的，以确保提供足够的地面用户的通信覆盖。而带有下倾角的一般的地面通信系统的信号很难覆盖到空中，实验表明，通常在离地500-800米的空间，地面通信系统的信号会急剧地减小。为飞机提供空中通信覆盖的LTE地面基站天线，其地面基站的射频信号提供对空中飞机的射频信号的覆盖。这种覆盖方式与LTE地面基站相对于航线的位置有关。通常而言，无论是飞机上接收射频信号的机载天线还是地面LTE地面基站发射射频信号的LTE地面基站天线，都存在一定的顶部“盲区”，因此为了保证好的通信效果往往会将LTE地面基站建设在离航线两侧与航线有一定角度的位置上。LTE地面站建设的位置不同，LTE地面站上倾角的大小也有差异，通常的工程经验提供的一种比较好的设置上倾角的数值是在5-30度之间。而上倾角的提供方法可以是地面LTE地面站天线安装时向上有一定的倾角，或者是通过定制的天线为航线方向提供一定数值的电上倾角。在实际操作中，根据LTE在面站相对于所需覆盖航线在水平与垂直方向的距离来决定使用多大的上倾角，而上倾角的设置，即可以按天线电场方向或工程安装方式其中的一种或两者的组合来实现。

LTE空中接口协议的双工方式。LTE空口接口协议支持100公里的大范围覆盖。要实现这么大范围的覆盖，上、下行通信收发切换时需要长的隔离保护。因此相对于TDD而言，FDD更适合于用于飞机宽带无线通信系统。对TDD的双工方式，则在LTE空中接口协议的规定内进行一些参数和信令的配置以预留出上、下行之间的保护即可直接用于飞机宽带无线通信系统。

机上通信系统与服务

机上LTE通信装置，包括可以直接使用带有LTE空口接口标准协议接收能力的终端，如手机、PDA、笔记本电脑或者飞机座舱中为乘客提供的专用电话等，或者直接安装在飞机上的机载设备。当机上LTE通信装置是乘客使用的设备时，LTE用户终端直接由机舱中的乘客来操作。当机上LTE通信装置是机载终端时，为飞机上的设备提供双向中继数据链路服务。当LTE地面基站直接与飞机上的机载终端通信时，飞机在与地面基站通过LTE空中接口标准来进行通信后，再通过飞机上的网络来给机舱乘客提供高速数据通信链路。实现这种机舱通信的网络是机舱通信网络。这种机舱通信网络可以是基于有线或无线的机舱局域网、家用小基站，也可以是飞机上的专有数据分发系统。

图2a和图2b显示了飞机上的LTE机载终端实现地空通信的机舱连接关系。20为飞机，21为LTE机载终端使用的对地通信的天线，22为机上的LTE机载终端，根据LTE空口接口协议，实现地空双向通信功能。LTE机载终端可以进一步地连接飞机上专有的网络系统23，连接机舱通信与娱乐的有线局域网24以及无线局域网设备25，甚至可以连接机上的家用小基站设备26。设备25和26可以通过飞机上的机舱天线进一步提供机舱内的无线覆盖，以供机上，WiFi用户以及移动通信系统(如GPRS、WCDMA、TD-SCDMA以及LTE等)的用户终端的接入。

系统为在空中航线飞行的飞机提供高速宽带通信服务。用户送一个地面基站切换到另一个地面基站的技术和行业内普遍用到的类似。无论是直接通过乘客来操作的接收站，还是直接通过飞机及飞机上的LAN来进行操作，或者是通过地面移动通信系统的家用基站无线网络进行的操作以及飞机专用网络系统的接入，通信链路可以为用户提供例如互联网接入、流媒体视频接入、IP语音接入、电话、文件传输接入以及包括对飞机上的信息的接入。此外，系统可以给地面相关机构如空中交通管理人员提供航空数据信息。航空数据包括空中交通管制信息，飞机状态和性能信息，飞机内部视频安全监控等等。飞机上的单个乘客可以直接接入系统，更进一步说就是飞机能够接入系统然后通过机上网络例如LAN提供个人访问。

组网问题

LTE系统的空口标准协议具有同频组网能力。即在地空多用户的条件下，多个地面基站使用一个频点对空中实现覆盖，如图3a所示。在图3a所示的7个地空通信系统的小区中，所有的地面基站使用相同的频率f1，地面基站用LTE标准接口协议的同频组网技术实现不同地面基站使用单个频率工作的同频组网。这些技术包括MIMO，软频率复用等。同时，在频率允许的条件下，LTE系统同样可以使用多个频率实现异频组网，如图3b所示。在图3b中，7个不同的地空通信小区使用3频点组网的方案，其频率分配的方式与地面系统类似，即不相邻的地空通信小区分配不同的频率，间隔一个小区使用相同的频率。这种频率分配的方法被称为“三色”异频组网方法，类似的还有“七色”或更多色的异频组网方法。

在使用LTE空口接口技术实现地空通信之外，还可以使用LTE演进的包交换网络(EPC)来实现地空网络之间以及地空网络与互联网以及其它地面移动通信网的互通互联。如图4所示，两个地面LTE地面基站A和B之间可以通过光纤进行连接，地面基站与LTE核心网提供的标准核心网络30连接到互联网37。LTE的核心网络30如图4所示，包括以下标准网元：31、32移动管理单元(MME)，33服务网关网元，36归属位置服务网元，33服务网关网元，34包数据网关网元，以及35IP媒体子系统。地面基站B即可以与地面基站A使用同一个MME接入网络31，还可以通过另一个MME接入网络32。以上网元为LTE系统标准定义的标准设备，本发明不做更详细地介绍。

同样的，在使用LTE空中接口标准协议构成地空通信连接的网络时，地面核心网络还可以使用私有协议的网络结构。这主要得益于LTE地面基站是基于IP分组数据包的结构，因此空中飞机与地面基站的通信交互的IP数据包，可以基于非LTE标准的网络标准设备来组网，如图5所示。与图4的差异在于是使用用户自定义的核心网络结构来实现地面系统的网络间的联接，而不是使用图4的LTE标准的核心网络设备30。这种私有网络可以通过部分LTE核心网的设备来进行重新配置或者是通过自定义的服务器网关实现不同地面基站间，以及地面基站与互联网间的互通互联。

尽管LTE基站和接收机适合于远距离通信，但是由于飞机在飞行中存在不同于地面的飞行速度、飞行范围、飞行姿态等问题，因此本发明在LTE技术的基础上，提出了更适合地空通信的越区切换子系统、天线子系统及大范围非同步地空通信子系统，下面结合图6至图24进行详细说明。

高速移动下地空宽带通信的越区切换子系统

现有的LTE技术没有考虑航空通信的特殊性，比如在特定工作频段下，降雨等天气因素会带来较严重的信号衰落，飞机飞行姿态变化引起的飞机机体对天线信号的遮挡会导致信号质量20-30dB的严重衰落问题。当遇到出现持续的覆盖不足的问题时，地面移动通信系统通常通过增加地面基站或直放站的布设来解决。而在地空通信场景下，要增加地面基站数目，则会增加地面基站数量、以及增加布站的站址，这些方式因为地空通信站址选择困难、成本高等原因无法实施。在这种情况下，如果仅仅通过判断信号质量作为切换判决的条件，容易引起误切换和甚至产生频繁往返切换的“乒乓效应”。

另一方面，在LTE技术中，通常在信号质量下降时开始对邻居地面基站进行测量，测量时间过长会导致切换时间点过晚，业务质量下降严重；测量时间过短则很难排除瞬间干扰因素，引起误切换和乒乓效应。因此，需要改进技术，从而准确判断切换时机，保证在当前链路质量下降之前及时切换到信号较好的相邻小区，以保证业务质量的平稳性。

此外，当前地面通信系统采用的终端在与当前地面基站通信过程中需不断测量相邻小区信号质量，以便生成一个候选的邻区切换地面基站列表，使得终端可以及时切换到表中相应的目标小区，但是这种方法需要终端不断测量邻居地面基站信道。这种方法测量持续时间长，测量带来的计算开销大，不太适合具有确定终端(飞机)位置信息与姿态信息的地空通信系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高速移动下地空宽带通信的越区切换方法及装置，以便实现高速地空宽带通信下的机载设备的宽带无线通信和网络的快速平稳切换。

图6是本发明的地空宽带通信系统示意图，所示发明的系统中，GNSS系统29和机载终端22安装于飞机20上，地面基站A和地面基站B以及分别对应于地面基站A和B的位置服务器11位于地面，地面基站A或地面基站B分别通过无线通信链路与飞机上机载终端22进行通信，地面基站A和地面基站B之间通过地面核心网30进行信息交互，地面基站和位置服务器通过通信链路进行信息交互。

飞机上的机载终端22通常仅与一个地面基站进行通信，比如与地面基站A进行通信，本发明将当前与机载终端22进行通信的地面基站A称之为当前地面基站，而将未进行通信的地面基站B称之为邻居地面基站。

下面结合图6说明本发明的一种高速移动下地空宽带通信的切换方法。

当前地面基站A从所述机载终端22获得飞机位置信息和飞机姿态变化信息；

机载终端22实时测量和上报含有当前地面基站信号质量的测量报告，该信号质量是机载终端22通过对当前地面基站A发送的无线信号测量得到的，并且通过测量报告发送给当前地面基站A；

机载终端根据所测量当前地面基站的信号质量或者当前地面基站A发送的切换测量请求，启动对邻居地面基站发射信号的测量，并通过测量报告上报的邻居地面基站信号质量，启动对邻居地面基站信号测量就意味着进入越区切换阶段，本发明根据两种情况启动对邻居地面基站信号测量：其一是，当前地面基站信号突然变差，其二是，飞机从当前地面基站近点区域进入当前地面基站远点区域，以便确保机载终端通过切换，始终与信号质量最好的地面基站进行通信；

当前地面基站A根据飞机姿态变化信息、当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量，进行从所述当前地面基站A到邻居地面基站B的越区切换。

本发明机载终端可以通过全球导航卫星系统(GNSS)获得飞机位置信息，通过飞机姿态传感器得到飞机姿态信息(如利用陀螺仪得到三轴姿态信息)，然后通过与当前飞机姿态信息进行比较，得到飞机姿态变化信息，然后机载终端22将飞机位置信息和姿态变化信息上报给当前地面基站A，使当前地面基站A得到飞机位置信息和姿态变化信息。

另一方面，本发明也可以利用飞机上的GNSS获得飞机位置信息和姿态变化信息，具体操作步骤如下：

机载终端22通过机载卫星导航系统GNSS获得飞机三个方向上的位置信息和速度信息；

机载终端22把所述飞机位置信息和速度信息上报给当前地面基站A，当前地面基站A通过速度信息计算得到飞机姿态变化信息，使当前地面基站A得到飞机位置信息和飞机姿态变化信息。

当然，机载终端22也可以先用速度信息计算出飞机姿态变化信息，然后再把飞机位置信息和飞机姿态变化信息上报给所述当前地面基站A。

图8显示了利用飞机速度信息计算姿态变化信息的流程。如图8所示，处理开始于步骤S31；在步骤S32，位置服务器11从当前地面基站A得到机载终端22上报的飞机的速度信息，这里的速度是指东向、北向和上向速度观测值之后，在步骤S33，用卡尔曼滤波对东向、北向和上向数据进行独立滤波得到东向、北向、向上速度和加速度最优估值的 在步骤S34，进行伪姿态计算，伪姿态根据每次卡尔曼滤波得到的最优速度、加速度估值计算出伪偏航角、伪俯仰角、伪滚动/滚转角Ψs、θs、Φs，其中： ${\mathrm{\Ψ}}_S=\arctan \left(\frac{v_N}{v_E}\right),$ ${\mathrm{\θ}}_S=\arctan \left(\frac{v_U}{\sqrt{v_E^2+v_N^2}}\right),$ ${\mathrm{\φ}}_S=\arcsin \left(\frac{L\·P}{\left|L\right|\left|P\right|}\right)=\arcsin \left(\frac{(L_{E}i+L_{N}j+L_{U}k)\·(P_{E}i+P_{N}j)}{\sqrt{L_E^2+L_N^2+L_U^2}\sqrt{P_E^2+P_N^2}}\right)\arcsin \left(\frac{L_E{P}_E+L_N{P}_N}{\sqrt{L_E^2+L_N^2+L_U^2}\sqrt{P_E^2+P_N^2}}\right)$ ，P代表水平参考矢量，由重力加速度矢量和速度矢量叉乘得到，L代表提升加速度矢量。在步骤S35，把t-T时刻姿态信息保存为Ψ_{s_old}，θ_{s_old}，Φ_{s_old}，然后在步骤S36进行差值计算得到姿态变化值ΔΨs，Δθs，ΔΦs。具体计算方法参见《刘瑞华张鹏张磊基于单天线GPS的伪姿态测量算法研究【期刊论文】中国民航大学学报2009》、《蔡青春王惠南单天线GPS接收机载体姿态测定分析【期刊论文】南京理工大学学报2002》。

如上所述，若当前地面基站信号突然变差，本发明将自行启动对邻居地面基站B的信号质量测量，具体操作步骤如下：

机载终端22实时将当前地面基站信号质量与预定门限值进行比较；

当比较结果为当前地面基站信号质量低于或等于预定门限值时，自行启动对邻居地面基站信号的测量，并上报基于自行测量启动的邻居地面基站测量报告。

该自行测量启动通常与飞机的位置无关，无论飞机位于当前地面基站近点区域还是位于当前地面基站远点区域，只要机载终端接收的当前地面基站信号变差，机载终端都会自行启动对邻居地面基站信号的测量。

此外，当前地面基站也将会根据地面基站终端设备上报的位置信息确定飞机是否已经从当前地面基站近点区域进入当前地面基站远点区域。如果在当前地面基站确定飞机从当前地面基站近点区域进入当前地面基站远点区域的时刻，未收到基于自行启动测量的邻居地面基站信号质量，则当前地面基站向机载终端22发送切换测量请求。机载终端22响应该切换测量请求，启动对邻居地面基站信号的测量，并上报基于请求启动测量的邻居地面基站信号质量，本发明将这种对邻居地面基站信号质量的测量称之为依请求测量。

本发明根据飞机姿态变化信息、位置信息、当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量进行从当前地面基站到邻居地面基站的切换，其操作步骤为：当前地面基站收到所述邻居地面基站信号质量后，判断飞机姿态变化信息的变化值是否大于门限值；若变化值大于门限值，则暂停切换；若变化值小于门限值，则进一步判断邻居地面基站信号质量是否高于当前地面基站信号质量，若邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量且两者差值大于一定值，则通知机载终端进行切换，反之则暂停切换。

在一个具体实施例中，可以通过以下步骤实现从当前地面基站到邻居地面基站的切换：

当前地面基站收到机载终端上报的邻居地面基站信号质量后，判断机载终端上报的邻居地面基站信号质量的测量启动属性，即判断邻居地面基站信号质量属于机载终端自行启动测量还是属于地面基站发送的切换测量请求；

若判断邻居地面基站信号质量的测量属于自行启动，则判断飞行姿态变化信息的变化值是否超过门限值，并在所述变化值超过门限值时，暂停切换，反之，则通过邻居地面基站信号质量与当前地面基站信号质量的比较进行切换；

若判断邻居地面基站信号质量的测量属于依切换测量请求启动，则通过邻居地面基站信号质量与当前地面基站信号质量的比较进行切换。

在邻居地面基站信号质量的测量属于自行启动的情况下，上述的通过邻居地面基站信号质量与当前地面基站信号质量的比较进行切换的步骤包括：若邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量且差值大于第一预定值，则通知机载终端进行切换；反之，则暂停切换。

在邻居地面基站信号质量的测量属于依切换测量请求启动的情况下，上述的通过邻居地面基站信号质量与当前地面基站信号质量的比较进行切换的步骤包括：若邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量且差值大于第二预定值，则通知机载终端进行切换；反之，则暂停切换；其中所述第一预定值大于所述第二预定值。

判断机载终端上报的邻居地面基站信号质量的测量启动属性可以通过以下两种方式实现：

方式一，在收到机载终端上报的邻居地面基站信号质量后，当前地面基站从日志中查找切换测量请求记录，若查找到记录，则判断该邻居地面基站信号质量的测量属于依切换测量请求启动；若未查找到，则判断该邻居地面基站信号质量的测量属于自行启动；

方式二，在收到机载终端上报的邻居地面基站信号质量后，检测其属性标识，由于机载终端赋予这两种邻居地面基站信号质量不同的属性标识，因此可以根据检测的属性标识确定邻居地面基站信号质量的测量属于依切换测量请求启动还是属于自行启动。

如上所述，邻居地面基站信号质量和当前地面基站信号质量均通过相应的测量报告传输到当前地面基站，测量报告可以包括：测量启动标识，地面基站标识(比如，当前地面基站标识，邻居地面基站标识)，地面基站信号质量。

地面基站信号质量包括信号强度或信号干扰噪声比，因此，上述的邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量通常存在两种情况，第一、邻居地面基站的信号强度大于当前地面基站的信号强度；第二、邻居地面基站的信号干扰噪声比大于当前地面基站的信号干扰噪声比。

图7a显示了本发明的高速移动下地空宽带通信的切换系统的结构。如图7a所示，本发明的高速移动下地空宽带通信的切换系统包括：

飞机位置和姿态检测装置29，用于通过飞机上的GNSS系统来检测飞机的位置和姿态，得到飞机位置信息和飞机姿态变化信息；

位于飞机上的机载终端22，用于上报所述飞机位置信息和飞机姿态变化信息，测量和上报当前地面基站信号质量，并根据当前地面基站的信号质量或者当前地面基站发送的切换测量请求，启动对邻居地面基站发射信号的测量，并上报邻居地面基站信号质量；

地面基站10，用于接收所述机载终端上报的飞机位置信息和飞机姿态变化信息以及当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量，根据飞机位置信息向机载终端发送所述切换测量请求，并根据飞机姿态变化信息、当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量，进行从所述当前地面基站到邻居地面基站的越区切换。

图7b显示了机载终端22中涉及切换的切换装置的结构，该切换装置可以安装在图13所示的协议处理模块221中。如图7b所示，切换装置包括：

当前地面基站信号测量模块2210，用于测量和上报当前地面基站的信号质量；

邻居地面基站信号测量模块2211，用于在当前地面基站信号质量低于或等于预定门限值时，自行启动对邻居地面基站信号的测量，或者根据所述切换测量请求，启动对邻居地面基站信号的测量，并上报基于自行启动测量或基于请求启动测量的邻居地面基站信号质量；以及

机载终端射频模块220，用于上报来自当前地面基站信号测量模块2210和邻居地面基站信号测量模块2211的当前地面基站和邻居地面基站的信号质量，将当前地面基站A发送的切换测量请求转发给邻居地面基站信号测量模块2210。

如图7a所示，地面基站10包括：

地面基站收发模块101，用于接收机载终端22上报的飞机位置信息和飞机姿态变化信息以及当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量，发送切换测量请求；

切换测量请求发送模块102，根据所述飞机位置信息确定飞机从当前地面基站近点区域进入当前地面基站远点区域的切换准备时刻，并在该切换准备时刻之前未收到邻居地面基站信号质量的情况下，向机载终端发送切换测量请求，也就是说，只有在地面基站收发模块101未收到邻居地面基站信号质量的情况下，该模块102才能够生成并发送切换测量请求。

地面基站10还包括：测量启动属性判断模块103、地面基站切换模块104。测量启动属性判断模块103用于判断所述邻居地面基站信号质量的测量启动属性。地面基站切换模块104用于：当判断邻居地面基站信号质量的测量属于自行启动，进一步判断飞行姿态信息变化值是否超过门限值，并在飞行姿态信息变化值超过门限值时暂停切换，反之，则通知机载终端进行切换；当判断邻居地面基站信号质量的测量属于依请求启动，则比较邻居地面基站信号质量和当前地面基站信号质量，并且当邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量时，通知机载终端进行切换。

位置服务器11用于保存机载终端22发送的飞机位置和姿态信息，并在地面基站进行越区切换时，向其提供飞机位置和瓷胎信息。

若机载终端22仅发送飞机位置和速度信息，则位置服务器6通过地面基站收发模块101得到机载终端上报的位置和速度信息，并通过速度信息算出飞机姿态变化信息。

图9显示了本发明的地面基站切换模块44的处理流程。地面基站收到终端上报的邻居地面基站测量报告101后，从位置服务器11读取姿态变化值ΔΨs，Δθs，ΔΦs(步骤S42)，分别与门限值Ψ1，θ1，Φ1进行比较(步骤S43)，若其中任一值超过门限值(步骤S50)，则认为飞机姿态当前处于不稳定状态，不对测量值进行平均处理。否则对上报的测量结果值进行平均(步骤S44)。如果此时飞机上报是由地面基站主动发起(S45)，则表明处于近点区域进入远点区域阶段，则将测量结果平均值与门限值Diff2进行比较(步骤S46)，大于门限值则进行切换(步骤S48)，低于门限则不进行切换(步骤S49)；否则表明飞机此时仍处于近点区域，将测量结果平均值与门限值Diff1进行比较(步骤S47)，大于门限值则进行切换(步骤S48)，低于门限值则不进行切换(步骤S49)。

图10是本发明的飞机飞行近点与远点区域示意图。外面的圆形区域51表明了地面基站信号的覆盖范围。里面的灰色区域52为地面基站的近点区域。地面基站覆盖范围内，除了近点区域以外的区域为远点区域53。邻地面基站在空中某个位置的功率值等于本地面基站在此位置处的功率值(Pa＝Pb)，这个地面基站与邻地面基站功率值相等的位置到本地面基站的距离为L。近点区域为din＝λ·L(59)，其中λ为不大于1的常数。飞机的飞行轨迹可以分为四种情况：飞机由远点区域进入近点区域54，飞机由近点区域进入远点区域55，飞机在近点区域内飞行56，飞机在远点区域内飞行57。

图11是本发明的飞机在飞行过程中的切换示意图。带箭头的实线为飞机飞行的轨迹和方向61。当飞机在位置62时，与地面基站a建立连接63。之后飞机先后经历①从a地面基站远点区域进入a地面基站近点区域64，和③在a地面基站近点区域飞行65。当飞机飞到位置67时，地面基站a通过接收的位置信息发现飞机离开地面基站a的近点区域，进入地面基站a的远点区域68，因此地面基站a向终端发送切换测量请求，要求终端对邻地面基站进行测量。终端测量后将测量报告发给地面基站a，当地面基站a判断地面基站b的信号较强且比a高diff2时，通知终端切换到地面基站b，并将终端的信息通过地面核心网发给地面基站b。终端与a断开链接，与地面基站b建立连接69。如果飞机在飞行过程中信号质量下降并且低于门限值，则终端开始对邻地面基站进行测量，并且向当前地面基站发送测量报告，地面基站收到后，访问位置服务器得到飞机的飞行姿态信息，如果飞机姿态变化值超过门限值，则暂时不进行切换；否则，如果计算出地面基站b的信号较强且比a高diff1，则通知终端切换到地面基站b。

综上所述，本发明提出了一种实现高速地空宽带通信的切换系统，包括沿航线分布在地面安装N个地面基站，所述N为大于2的整数常量；地面基站之间通过地面核心网进行通信；相互邻近的所述地面基站的无线信号覆盖区域部分重叠。地面同时安装有位置服务器，和地面基站相连接。机载无线通信终端安装于飞机的机舱内，飞机上同时安装有GNSS定位导航系统。GNSS能实时获得飞机的位置信息，并通过机上的机载无线通信终端发送给地面基站，地面基站将其转发给位置信息服务器，位置服务器上的姿态计算模块根据收到的飞机位置信息计算出飞机的姿态变化信息。

本发明的实现地空宽带通信切换的基本原理是：

飞机上的机载终端22与当前地面基站A以正常状态保持通信连接并周期测量当前地面基站发过来信号的强度，当检测到当前信号质量下降并低于信号质量门限值时，终端开始对邻居地面基站B进行测量，并向当前连接地面基站报告邻居地面基站测量结果，测量结果包含邻居地面基站ID号，信号强度RSSI，信号干扰噪声比CINR等信息。

当前地面基站A以时间周期T访问位置服务器，获得飞机当前的飞行姿态变化及位置信息。根据信号强弱将地面基站的覆盖范围划分为近点区域和远点区域，当地面基站检测到飞机位置信息显示从近点区域进入远点区域，但没有收到飞机的切换测量报告，则主动向终端发送测量请求，要求终端切换到目标小区，终端开始对邻居地面基站信号进行测量，并向地面基站发送切换测量报告。

当前地面基站A收到邻居地面基站测量报告后，对各个相邻地面基站的信号测量结果进行平均。并从位置服务器中读取飞机当前的姿态变化信息，如果姿态信变化息显示飞机正处于在转弯或者倾斜等不稳定状态，则不作出切换判决。否则地面基站从位置服务器中读取飞机当前的位置信息，计算出与终端的相对距离。如果地面基站与终端的相对距离小于D1，则认为终端处于地面基站的近点区域，此时如果测量结果中显示有小区比当前小区的平均信号干扰噪声比CINR高Diff1，则地面基站决定将终端切换到CINR平均值最强小区；否则如果终端与地面基站的相对距离大于D1，则认为终端处于地面基站的远点区域，此时如果当前地面基站收到的测量报告是终端对地面基站主动测量请求的反馈，且测量结果显示存在邻居地面基站比当前地面基站的CINR强Diff2，则当前地面基站要求终端切换到CINR平均值最强的地面基站对应的小区。

其中D1，Diff1，Diff2均为大于零的实数常量。

本发明能让地面基站根据飞机的位置信息和姿态信息做出有效的切换判断命令，避免了飞机由于处于转弯，气流颠簸引起的不稳定状态导致的乒乓效应，并且可以避免因切换决策过晚引起的通信质量下降，保证了及时、有效、快速、平滑的切换，提高了切换的稳定性，从而有效的保证了地空宽带通信的服务质量。

地空宽带通信的天线子系统

目前LTE高速无线宽带数据连接对于实际中的飞行使用而言是难以达到覆盖距离要求的。一种替代手段是通过卫星给飞行中的飞机提供高速链接。这种方案有着诸多方面的缺陷：其一，其传输速率非常有限，导致每比特数据传输的成本很高；其次，基于卫星的方案需专门的天线以及相应的机载设备，这些设备价格很高，不具备相应的成本优势。

现有的一种可行的方案就是通过沿着航线在地面基站上来架设地面基站，实现从陆地到空中的无线信号覆盖。这种方案的成本不到卫星数据通信方案成本的一半，并且机载设备的加装缩短到一个晚上就可以完成，并且可以达到更高的数据传输率。然而这种方案的重大挑战是，用于地通信的频率资源非常有限，难以像地面移动通信系统一样得到多个可以实现异频组网的频点。特别地，在地空通信环境下，更具有通信覆盖范围广(如小区半径达200-400公里)，移动速度高(如大型民用客机的飞行速度可达1000公里/小时)的特点。因此在地空环境下，如何使用一个频点实现地空宽带高频谱效率的覆盖是实现地空宽带通信的关键。

为此，本发明提供一种地空宽带通信的天线系统，以有效解决地空宽带通信带来的高速度、大范围覆盖下的同频组网问题。

本发明的地空宽带通信的天线系统包括：安装在飞机外表面上的多个飞机射频天线，如图12a～图12h所示；安装在飞机上的机载终端200，该机载终端通过互连线缆204连接所述多个飞机射频天线205，如图13所示；沿航线布设的多个地面基站302，每个地面基站装备有相同极化的射频天线，如图14所示；其中，所述相同极化的射频天线是具有一定波束宽带的定向天线或者全向天线，并且所述机载终端使用所述多个飞机射频天线接收所述基站天线发射的射频信号，如图15a和图15b所示。

图14显示了地面基站对航线的覆盖情况，如图14所示，多个地面基站302沿航线布设，其每个地面基站302利用定向天线的主瓣实现对自己的目标小区301覆盖，这样，沿航线布设的多个地面基站就形成了对航线覆盖的“线状”多小区网络。

相对于传统的蜂窝式小区网格，本发明的“线状”多小区网络不仅可以大大减少地面基站的建造成本，而且还可以利用定向天线主瓣增益大，旁瓣增益低的特点，降低邻居地面基站干扰。

本发明的多个飞机射频天线可以分别安装在飞机发动往机尾方向一侧的机腹或机顶上；或者分别安装在飞机发动往机头方向一侧的机腹或机顶上；或者分别安装在飞机发动机往机头方向一侧以及飞机发动机往机尾方向一侧的机腹或机顶上。具体安装方式将在下文中结合图1a～图1h进行详细说明。

图13显示了本发明的机载终端22的主要结构，包括：射频模块220，用来把利用所述多个飞机射频天线接收的来自地面基站的射频信号变换成基带信号，以及将本机的基带信号转换成射频信号后经由所述飞机射频天线发送给地面基站；协议处理模块221，用来处理来自所述射频模块的基带信号并生成业务数据，以及将本机业务数据处理成基带信号发送给所述射频模块；电源管理模块222，用来将飞机上的标准电源转换成协议处模块与射频模块所需的电源，并对整个机载终端的电源进行管理。其中，连接射频模块220的飞机射频天线5可以是相同极化的天线，其极化方向与地面基站射频天线的极化方向相同。

本发明的机载终端还可以包括多小区干扰抑制单元223，该多小区干扰抑制单元设置在图2的协议处理模块221中，当然也可以单独设置。

图16显示了本发明的地面基站多小区干扰抑制单元223的结构，如图16所示，该抑制单元223包括：基带数据解调器2231，用来对来自射频模块的基带采样点信号进行解调，得到并输出多个地面基站的导频符号以及数据符号；信道估计器2232，用来根据所述基带数据解调器的输出，对多个地面基站的物理信道进行估计，得到各地面基站的信道系数；滤波系数生成器2233，用来利用通过估计得到的各地面基站的信道系数，计算对地面基站多小区干扰信号进行干扰抑制的滤波系数；接收滤波器2234，用来利用所述滤波系数，从飞机接收到的多个地面基站信号中滤出与飞机当前链接的地面基站的有用信号，抑制其他地面基站信号，因为其他地面基站信号对于有用信号来说，是干扰信号。

与本发明上述天线系统相适应的多小区地空宽带通信方法包括：在所述飞机外表面上安装多个飞机射频天线；在所述飞机上安装机载终端22，并用互连线缆4将所述多个飞机射频天线5连接到所述机载终端22上；沿航线布设多个地面基站，每个地面基站装备有相同极化方式的射频天线；其中，所述相同极化的射频天线是具有一定波束宽带的定向天线，并且所述机载终端使用所述多个飞机射频天线接收所述定向天线发射的射频信号。

图17显示了本发明的干扰抑制流程，如图17所示，该流程包括：

步骤S501，先使飞机机载终端接入最佳的地面基站，通常机载终端可以收到多个地面基站发送的信号，其质量经平均后稳定性最强的信号所属的地面基站为最佳地面基站；

步骤S502，从接收到的多天线射频信号中解调出需要的基带样点信号；

步骤S503，计算飞机接收到的地面多地面基站的信道系数；

步骤S504，计算干扰抑制滤波系数或矩阵；

步骤S505，利用干扰抑制滤波系数或矩阵对基带中未解基带符号进行干扰抑制接收解调滤波。

下面结合附图对本发明的天线系统的具体结构和操作过程进行详细说明。

图12a～图12f给出了各种天线在波音737-300型飞机上的安装位置，重点给出了2天线的安装。飞机上的天线位置安装主要考虑的因素有：对地面通信时的遮挡情况，连接飞机上的用户站与各天线的走线与施工约束，加装天线时对飞机气动外形等的影响。如果选用具有良好气动外形设计的相应频段上工作的机载天线，可以认为天线对飞机机体的影响可以忽略，因此主要考虑的是另外两个因素。飞机上的天线对地通信时要尽可能地避免造成被飞机表面或飞机机体的某部分(如发动机、机翼等)遮挡的影响。这种受到影响的位置、区域及范围等因不同的机型而有所不同。另外，在飞机内加装射频电缆，也不是件容易的事，这里面有成本以及对飞机自重的影响，因此在设计天线安装位置的时候应尽可能地选在与设备安装的同侧来进行。综合以上因素，下面以2根天线加装在737-300型飞机为例进行更具体的说明。当设备安装在机身中前部时，较佳的安装位置可以是，图12a、图12b、图12c。图12a与图12b是同一安装位置的不同视角图，都是安装在飞机机头与发动机之间下面中轴线两侧的位置，图12c是安装在机头与发动机之间机腹与机顶的中轴线上的位置。当设备安装在机身中后部时，较佳的安装位置可以是飞机中后部腹部中轴线两侧的位置，如图12d；或者是机身中后部上机腹与机顶的轴线的位置，如图12e所示。其它折衷的方案可以进一步是，飞机机头顶部与飞机机尾腹部；或者飞机机头腹部与飞机机尾顶部；或者飞机机头与机尾腹部。另外，当需要安装更多天线，如4根天线时，可以在飞机机尾腹部以及机尾顶部各加装2根天线；或者在飞机机头腹部与机头顶部各加装2根天线；或者是在飞机机头、机尾腹部一前一后各安装2根天线。

图13显示了地空宽带通信机载设备主要模块及连接。在图13中，地空宽带通信机载设备22可以安装在飞机电子舱、旅客行李舱等位置。地空宽带通信机载设备22里面包括三个主要的模块：协议处理模块221，射频模块220，电源管理模块222。协议处理模块221是用来完成地空通信系统的各层协议的实现，包括物理层基带信号处理以及上层软件的协议处理。射频模块220是将直接进出于地空宽带通信机载设备22的射频信号进行转换处理，包括收发信号的隔离以及基带信号到射频信号的转换。电源管理模块222用来实现整个地空宽带通信机载设备22设备的电源管理，其输入为飞机上的标准电源，输出为给协议处理模块221和射频模块220供电。射频电缆4连接机载天线5与射频模块220。图13所给的示例为2根射频电缆线和2根机身外天线。

图13的整个系统工作的过程如下。接收的时候，飞机机身上的天线5接收到地面基站来的信号，通过与天线5连接的射频电缆4，将射频信号传送到射频模块220上。射频模块220对接收到的射频信号进行频率变换、滤波、采样等处理后，将得到的基带采样信号传送到协议处理模块221。在协议处理模块221中，实现对基带样点信号到传输的数据符号以及到最终业务数据的处理。对接收到的多个地面基站信号的处理也在协议处理模块221中进行。电源管理模块222则在整个接收过程中给协议处理模块221与射频模块220提供符合航空标准要求的电源供电及管理功能，包括断电保护、过压保护等，同时能够确保整个系统供电电压与电流的品质。地空宽带通信机载设备22发送数据的过程与上述接收过程完全相反。即协议处理模块221将业务数据信息转换成基带样点数据后传给射频模块220，射频模块220将基带信号转换成射频信号后通过射频电缆4传输到天线5并发射到地面基站。这里面，发送和接收是同时进行的，因此射频模块220还有收发隔离的功能。

图14显示了地面基站对航线的覆盖。地面基站10沿航线进行架设，地面基站覆盖空中航线所在的区域，相邻地面基站以相互重叠的方式对空中航线进行小区覆盖。覆盖重叠部分为飞机沿航线进行飞行切换提供了特定的区域。通过这种覆盖方式，航线上的飞机在飞行过程中可以实现不间断的通信。也正是通过这种方式，地面基站对空中航线的覆盖形成了“线状”的多小区网络结构。在实际的飞机飞行中，整个空域可以看成是在空中分布的多条线状多小区网络结构。因此，在一定程度上，对一条航线的多小区结构的分析与实现代表了对整个飞行空域多小区的分析与实现。在整个航线上，所有地面基站和飞机使用具有相同极化方式的天线，如垂直极化。

地面基站可以使用具有一定方向特性的天线。在实际工程中，可以将天线在水平平面和垂直平面做出一定的方向性，即在特定角度范围内(如80度)天线的增益与天向主方向的增益基本一致，当超过这个范围后哪怕是很小的角度(如5度)偏离，天线的增益将会急剧的下降，其下降的值通常可以达到20dB以上。这种天线被称为定向天线。设计和制造地面基站定向天线的技术目前已经很成熟，尤其地面基站天线通常可以做得较大，实现的成本相对较低。因此根据组网实现的需要，地面基站可以选用具有一定波束宽度的定向天线，使用天线的主瓣实现对目标小区的覆盖，使用其较低增益的旁瓣实现对相邻小区的抑制。

图15a显示了地面基站使用较窄波束定向天线进行航线组网情况。小区A～D对应的三角区域为4个航线上的地面基站主瓣方向覆盖的空间区域。如图4a所示，在小区B和小区C重叠区域飞行的飞机405能够收到小区B和小区C来的强信号。而小区A和小区D由于距离更远，信号到达飞机405时的角度已经远远超过A和D主瓣覆盖的范围，因此可以认为小区A和小区D的信号到达405相对B和C到达405的信号至少要低20dB以上。此时，基本上可以忽略。当飞机405与小区B在进行通信时，小区C来的信号是对405接收信号的干扰信号，此时只有一个强干扰。飞机上安装最多2根天线就可以处理来自地面基站的这个强干扰信号。

类似的，地面基站可以使用较宽波束的定向天线(包括全向天线)，如图4b所示。较宽波束天线的好处是重叠区更大，能够预留更多的切换区域，不足在于飞机415在特定区域被相邻的地面小区地面基站干扰的区域更大。在图15b中，飞机415收到服务小区B来的干扰信号，小区C来的是强干扰，小区A和D是较弱的次干扰。A和D来的干扰之所以更弱，是因为一是因传输距离更远衰落更大，另一方面是信号在离主瓣中心较远的位置，通常情况下，A和D到达飞机415的信号强度比B到达的强度低15dB左右。此时在飞机415上使用二根天线可以很好地抑制掉小区C来的干扰信号，来自A和D的部分干扰信号也能被进一步地抑制；另外当飞机415安装了2根以上的天线时(如4根)可以完全抑制掉C、D和A来的所有干扰信号。

也就是说，不论使用哪种类型的定向天线或全向天线，可以通过在飞机上安装多根与地面同极化的天线，然后在设备22中通过干扰滤波的方法来抑制掉邻小区的干扰信号，从而实现同频组网。可以在协议数据模块221中设置干扰抑制子系统223。

如图16所示，干扰抑制子系统223包括：将来自射频模块220的基带采样信号送到基带数据解调模块2231，按照实际系统的帧结构等参数将样点数据解调到需要做进一步处理的符号数据上来。基带数据解调模块2231中的数据送到信道估计器2232对本服务小区与邻地面基站的干扰小区的信号进行信道估计，然后将估计出来的信道系数送入滤波系数生成器2233中，在滤波系数生成器2233完成滤波系数的计算后，再将计算出来的系数与基带数据解调模块2231传输过来的数据在接收滤波器2234中进行接收干扰抑制滤波处理，最后得到与其链接的当前地面基站的已经解调的调制符号。所得到的调制符号将做进一步的接收处理。

下面进一步以地面1个发射天线，飞机2根接收天线为例来介绍图16中的中模块的处理算法。基带数据解调模块2231输出的信号为r，r中包含有用于信道估计的导频数据以及用于解调的待估计的数据部分。信道估计器2232对r进行信道估计后输出估计出的信道系数h。滤波系数生成器2233计算滤波系数，计算方法如下：

${\mathrm{\ρ}}_{i,j}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{i,m}{h}_{j,m}^{*}$

$R=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ρ}}_1& {\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{1,2}}\\ {\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{2,1}}& {\mathrm{\ρ}}_2\end{array}\right]$

W＝h^HR^-1

这里h_i，m是第m个干扰地面基站到第i个机载天线上等效基带信道值，是第m个干扰地面基站到第j个机载天线上等效基带信道值的复数共轭值，M表示干扰地面基站的总数目，ρ_i，j是第i个接收天线与第j个接收天线间的相关系数，R相关系数矩阵，h^H是估计出来的本地面基站有用信号的信道向量的共轭转置，对于2个接收机载天线的情形，h是行向量，表示为h＝[h₁，h₂]，r是两根天线接收到的本地面基站数据列向量，表示为：r＝[r₁，r₂]′，符号“’”表示转置操作。W是计算出来的干扰抑制滤波器的滤波系数。接收滤波器2234的解调方式为：y＝Wr，y即为经过接收滤波后得到的数据部分的有用信号。

大范围非同步地空通信子系统

LTE系统集成了很多的先进技术，具有很多的优点，目前以LTE为代表的4G技术是各国的主流选择。LTE的一个鲜明特点是能够实现大范围的通信，最远支持长达100km的覆盖。这种大范围的覆盖能力有许多潜在的应用。给飞行中的飞机提供不间断的IFEC服务。目前美国的Aircell公司通过使用EVDO，来地面实现对空的覆盖。实际上，由于LTE的设计特点，也可以直接用于地空通信的覆盖，而且能够实现更高吞吐以及更高频谱效率的传输。

然而，由于LTE系统是为地面系统设计的。直接应用于空中更大覆盖范围、更高移动速度、更少用户的场景，将有很多方面需要优化甚至修改。其中的一个关键问题就是，LTE设计的上行PRACH能够支持的最远覆盖距离为100km，而地空通信则需要至少可以覆盖到200-400公里，这个覆盖范围超过了目前LTE系统的支持能力，需要做相应的修改。当然以最大100km范围的覆盖同样可以支持地空通信，但是其代价是需要把地面基站建站时建得更密，成本将会更高，如按覆盖特定空域的面积计算最远200km时成本增加3倍、最远300km时增加8倍，最远400km的15倍。增加地基地面基站数的另一个现实的挑战是，在地面建站越多，需要的站址越多，而这种地空通信系统通常需要沿航线布设，实际中航线所在的位置通常会跨越偏远山区、大城市、甚至海边，更密的地面基站如果要在这些地方布设将会带来工程、经济、社会、环境等诸多方面的约束和挑战。而各大覆盖范围的地面基站除了减少成本之外，在布站的时候选择也更加灵活。

因此使用LTE系统实现地空通信的覆盖，如何在现有的LTE系统空口协议与现有货架产品的基础上做尽可能少的修改，从而实现超过100公里范围的地空通信覆盖，是本发明需要解决的关键问题。

为此，本发明提供了一种可以实现地空宽带通信的子系统，用来在超过LTE系统协议所定义的最大覆盖范围的地空通信条件下，实现非同步上行接入。

图18显示了本发明地面基站离不同距离的飞机机载终端的通信情况，如图18所示，地面基站2同时与空中3架装有LTE空中接口技术标准的发射接收机的机载终端进行通信。其中机载终端UE1靠近地面基站，UE2距地面基站的距离是现有LTE空中接口技术所规定的能够达到最大的覆盖距离，UE3距地面基站的距离为超过LTE空中接口协议覆盖距离的最大距离。按LTE空中接口协议3GPP 36.211所定义，LTE前导格式3使用的序列与循环前缀CP最长，其CP长度为684.38us，对应的最远覆盖距离为：dmax＝(Tcp-Td)*c/2，其中Tcp为CP的长度Td为最大时延扩展值，c为光速。当使用的CP长度为普通(Normal)CP时(5.2us)，dmax＝101.88公里；当使用的CP长度为扩展普通(Extended)CP时(16.67us)，dmax＝100.16公里。总之，不论认为最大时延扩展是5.2us还是16.67us，按LTE空口接口协议，通信最大的覆盖距离约为100公里。LTE空中接口协议设计的时候主要面向地面陆地移动通信，100公里的覆盖，对一地面移动通信而言是足够的，然而如果直接将LTE空口接口协议应用地空通信应用，就会遇到飞机上LTE机载终端飞行距离超过100公里的情况。

也就是说，如果UE距离地面基站200公里时，直接使用LTE空中接口技术标准协议不能够实现正常的通信。而要实现更远距离的覆盖，需要解决的问题是离地面基站不同距离的机载终端接入地面基站网络的上行PRACH(物理随机接入信道)的问题，尤其是需要解决超过小区半径的机载终端用户接入地面网络基的问题。

为了进一步说清楚现有技术问题与本发明的关键点，下面结合图19a～图19b和图20a～图20c来作进一步说明。

附图19a显示了LTE上行PRACH的结构，LTE的PRACH的子载波间隔在前导格式0到3时为1.25kHz，在格式前导4时为7.5kHz，PRACH总共占用带宽为6个资源块(RBs)共1.08MHz的带宽。LTE总共有4种不同的前导格式，各种前导格式的CP长度(T_CP)，序列长度(T_SEQ)以及保护间隔长度(T_GT)所占用的样点数(Ts)以及对应的时间长度(us)分别列在图2b。其中前导格式4仅用于TDD(时分双工)，剩下的GT长度依TDD的配置而不同，前导格式0-3用于FDD。

图20a显示了现有技术上行同步的过程。其中UE1靠近BS，可以认为BS发出的下行信号UE1到延时近似为0，BS到下行UE2的延时对应约为LTE设计的小区半径100公里，BS到下行UE3的延时为300公里。在地面基站接收机侧，现有技术的处理方式为：取出PRACH信道CP长度后长为T_SEQ的数据，与本地PRACH序列做相关，从而检测PRACH信道的峰值即可。按现有技术，对图20a的三个不同距离的用户做接收处理时，接收到的数据如图20a所示。UE1由于靠近地面基站，因此在地面基站接收机可以完整地取到整个PRACHCP后的完整数据部分；而UE2由于在小区边缘，因此能够取到包括CP以及PRACH的CP后的数据部分，由于CP部分即为PRACH后面循环移位过来的数据，因此在100公里目前设计的小区边缘的用户的PRACH数据也可以被地面基站BS完整地接收到。而离地面基站相距300公里的小区UE3，按现有技术，只能够收到一部分PRACH信道的数据，此时按现有技术无法对超过LTE空中接口标准协议定义的100公里小区外的终端用户做有效地检测。换言之，按现有技术UE3无法通过空中接口接入到现在的LTE地面基站BS。

图20b显示了本发明可以解决上述问题的扩展PRACH的形成过程。首先，将每个用户数据在PRACH信道最后保护间隔GT后面的部分数据OFDM符号上的频域数据“打掉”，“打掉”OFDM数据的数量与地面基站最远覆盖距离成正比，使得地面基站能够完整地接收最远的机载终端的PRACH。打掉OFDM数据后，GT的长度扩展为GT’。同时需要将地面基站接收机侧的接收窗口从原来的T_SEQ长度，扩大到T_SEQ长度+最远用户对应的往返时延长度。这里的GT’的长度为扩展前PRACH信道的保护间隔GT和后面需要打掉的数据部分的长度，如图20b所示。

举例来说，若小区覆盖半径扩展为300公里，则扩展长度为：dT＝2*Dmax/C-GT。这里Dmax为最大小区半径300公里，C为光速，2表示对应在300公里传输上的往返时间，GT为LTE协议中定义的当前配置下的保护间隔。以配置3为例有dT＝2*300e3/3e8-715.63us＝1284.37us，需要打掉1个LTE的子帧(长1000us)和下一个LTE子帧中第1个时隙上的前4个normal CP或Extended CP的OFDM符号。

这里所说的“打掉”数据是指如图20b所标注的“打掉部分”的数据。也就是说，将PRACH后面的保护间隔GT后面相邻的OFDM符号对应PRACH信道频域部分的子载波预留出来，不分给任何上行用户使用(其效果就相当将PRACH信道后面OFDM符号对应PRACH信道的频域部分被“空出来”或被“打掉”)。由于在LTE空中接口协议中，小区内所有上行用户的带宽都是通过地面基站侧在下行发送的指令中进行分配的，因此，只需要地面基站在分配上行各个用户的数据带宽时，将PRACH信道后面的OFDM符号上对应PRACH信道的频域子载波不分配给任何一个上行用户使用，就可以实现上述的。PRACH信道的“扩展”。即所述PRACH扩展指令，是基站通过下行PDCCH信道进行上行用户资源分配时，将PRACH信道后面相邻的OFDM符号上PRACH信道所在频域上的资源预留出来的方式实现的。

虽然PRACH信道通过上述方法“被扩展”了，但是终端机载用户是不知道这种扩展存在的，因此，终端机载仍可以按照LTE协议原定义的多址方式来发送PRACH信道，但这种发送的实际效果是发送的被扩展的PRACH信道。LTE协议原定义的多载方式包括时分多址，频分多址，码分多址。时分多址是指上行PRACH信道出现的位置可以是一个无线帧中的不同的位置，如FDD LTE中使用参数PRACH参数配置3时，PRACH的配置索引可以是47到63；TDD使用参数PRACH参数配置3时，PRACH的配置索引可以是40到47。这些不同的配置索引指标了PRACH信道在一个无线帧中出现的时域位置。频分多址是指，PRACH在域频上可以占用整个带宽上不同位置的信号。如20MHz的系统带宽，PRACH的1.08MHz的信道可以出现在20MHz的不同位置，从而实现频分多址。至于码分多址，LTE的PRACH信道使用的是ZC序列，配置3使用的是长为839的ZC序列，ZC序列可以通过选择不同的根序列号生成不同的序列，通过选择同一个根序列的不同循环移位，以便得到不同的ZC序列。ZC序列的生成方法为：0≤n≤N_ZC-1，Nzc为序列的长将u为序列的根序列号。因此，通过上述的选择，即可实现码分多址的上行PRACH信道。

因为地面基站侧接收机接收窗口长度做了扩展，因此地面基站侧接收机PRACH信道的检测方法也需要做相应修改。按本发明所述的地面基站侧PRACH的接收方法，可以参见图20c所示。从地面基站接收到的数据中取出长为序列长度加上GT’的PRACH窗内数据放入到缓存器中。对这部分数据，按步长为不小于PRACH信道CP长度的方式来做滑窗检测。所述的检测方法如图20c所示，第一段长为PRACH SEQ长度的数据从缓存器开始取，第二段从滑动步长D后面的第1个数据点开始取，同样取出长度为PRACH SEQ的数据。后面各段取的方法类似，不断往后推步长D，取长度PRACH SEQ的数据量。

图21进一步说明了本发明上行接入方法，包括：步骤601，地面基站通过下行发送的对上行用户资源分配的指派方式来实现对PRACH信道的扩展，即“打掉”相应部分的数据；然后，在步骤602中，机载终端实现按选择的PRACH信道进行上行非同步的随机接入发送；在步骤603中，地面基站接收机按上述的方法做上行PRACH信道的检测；在步骤604中，地面基站按估计出来的上行用户接入的定时时延值TA来发送定时时延调整指令；在步骤605中，机载终端按接收到的TA值来调整上行发射的时间窗口，从而实现上行非同步用户接入的定时同步。

也就说是，各机载终端根据地面基站发送的随机接入信道PRACH扩展指令，生成扩展PRACH；各机载终端通过向地面基站发送所述扩展PRACH，进行随机接入；地面基站对各机载终端发送的扩展PRACH进行PRACH检测，以确定各上行接入机载终端的信道以及对应的发射时延值，并根据所述发射时延值生成并发送上行发射时间调整指令；各机载终端根据地面基站发送的所述上行发射时间调整指令，调整发射的时间位置，从而实现上行定时同步。

其中，各机载终端生成扩展PRACH的具体过程为：地面基站在进行各机载终端上行资源分配时，向小区内的所有机载终端发送在PRACH的保护间隔GT之后的一段时间不使用OFDM符号的PRACH扩展指令；各机载终端根据所述PRACH扩展指令，在所述PRACH保护间隔GT后形成与所述一段时间相对应的空区，得到所述GT+空区的扩展保护间隔GT’，从而生成扩展PRACH。

其中，各机载终端实现上行定时同步的具体过程为：各机载终端从所述上行发射时间调整指令中提取所述TA；各机载终端按所述TA值调整发送时间，实现上行发射同步。

图22显示了本发明的地面基站10接收机中的PRACH检测装置70和发射机中的指令发送装置80与机载终端22接收机中的指令接收装置224和发射机中的上行接入装置225。地面基站10在分配上行小区内用户的上行发送资源时，指令发送装置80通过向机载终端10发送改变资源分配的指令，实现对上行PRACH信道的“扩展”，此外，装置80还需要把信道扩展的信息通过地面基站设备内部的接口告诉地面基站接收机的PRACH检测装置70，使装置70按扩展的PRACH信道情况进行PRACH信道的检测。在地面基站10分配上行各飞机机载终端使用的上行资源后，已经接入系统的机载终端22的指令接收装置224收到资源分配指标后，会按指示将PRACH信道后的资源“空出来”，从而达到“扩展PRACH信道的效果”。机载终端22的上行接入装置225会随机选择一个“被扩展”后的PRACH信道进行发射，发射后的PRACH信道将被地面基站的装置70检测到。

图23显示了在地面基站接收机侧进行PRACH信道并行多滑动窗口检测的流程。首先上行基带的宽带样点数据会进入到PRACH检测模块。在步骤S701中，地面基站接收机先滤出包括PRACH信道的更窄带的信号，即从如20MHz的基带信号带宽中滤出1.08MHz的基滤数据信号，滤波出的信号的带宽通常为1.08MHz，2.16MHz等远比20MHz要小的基带信号。然后在步骤S702中，将需要检测的SEQ加上GP’长度上的数据缓存下来。在步骤S703中，进行如上所述的并行峰值检测。然后在步骤S704中将检测出来的峰值进行合并与位置计算。合并是用来处理来自同一个上行接入用户的相同时延信号在多个并行检测单元中出现不同强度的峰值。多个并行单元的这种相同位置不同强度峰值的合并可以增加检测的概率。在步骤S705中，将合并后的位置进行检测后输出，有效的PRACH信道号和发送时延值。这里所说的检测，就是将所有可能的PRACH峰值与噪声功率门限进行比较，当大于噪声功率门限一定范围的峰值视为有效的峰值，从而做输出处理。

由此可见，上述的地面基站进行PRACH检测的过程可以归纳为以下几个步骤：

从上行基带样点数据中滤出扩展PRACH对应的基带数据；

从扩展PRACH的CP后面开始的数据位置取出序列长度加上扩展后GP’长度的数据；

以不大于CP的长度为步长用多个并行的峰值检测单元做滑窗，对整个数据进行并行峰值检测；

根据滑窗的大小以及峰值的位置计算、检测出峰值位置与峰值大小；

根据输出的峰值大小与位置确认上行接入机载终端的扩展PRACH信道以及对应的发射时延值，并根据所述发射时延值生成并发送含有时延调整值TA的上行发射时间调整指令。

图24显示了地面基站接收机中的PRACH检测装置70中进行PRACH并行多窗滑动检测的装置。进入地面基站接收机内的数据为上行宽带基带样点数据。定时器71的作用在于用来确定在上行基带数据中，PRACH信道数据开始的位置。如上所述，因为PRACH信道所在的带宽为1.08MHz，而系统的带宽可能宽达20MHz，为了减少PRACH信道的复杂度，PRACH信道滤波单元72将PRACH信号从整个宽带基带信号中滤出更窄带的信号来。滤波的方法可以是使用更大点的FFT，然后取频域数据。如20MHz系统带宽对应2048点FFT，而1.25kHz的PRACH信道时需要做24576点的FFT，这种滤波方法复杂度太高。另一种处理方法是，将20MHz的采样点信号分别进行下采样和低通滤波，以滤出合适的更窄带的基带信号，从而减少了地面基站接收机的复杂度。总之不论采用何种方法，装置702用来通过滤波的方法得到更窄带的PRACH信号。数据缓存器73用来缓存滤波单元72输出的窄带PRACH信号中经扩展后的PRACH信道的总数据。第一峰值检测单元75-1至第N峰值检测单元75-N用来实现并行的多窗PRACH信道检测。这N个检测单元装置的结构和功能完全相同，只是对不同时延取到的长为SEQ的数据在单元中做检测。检测单元的数量符号表示向下取整，D为滑窗的长度，其值不大于CP的长度。滑窗位置存储器74用来记录每个峰值检测单元的实际滑窗位置值，并将这个值启记录下来，用在峰值处理单元76中实现峰值检测处理。峰值处理单元76的处理包括在不同并行检测单元中出现相同位置不同幅度峰值的合并，以及所有合并后的峰值与噪声功率门限的比较，从而最终确认有效的峰值功率及其位置。峰值处理单元76处理完成后向后面的单元输出处理后的有效的峰值幅度和位置，以便后续的模块做发送和接收的处理。

由于本发明采用了上述的大范围非同步地空通信子系统，因此可以通过LTE空中接口协议实现超过LTE空中接口协议所定义的最大100公里的地空覆盖，并且本发明的方法与装置不需要对LTE终端收、发机基本结构进行修改，对LTE地面基站发射机仅需要通过上层软件协议配置上行用户的资源分配，而LTE地面基站接收机也只需要相应的修改上行PRACH信道的检测过程。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (38)

1.一种为飞机提供高速地空宽带数据通信的系统，包括：

沿着预先定义的空中航线安装的多个按LTE无线空口协议进行无线发射和接收的LTE地面基站，相互邻接的LTE地面基站之间具有重叠通信覆盖区域；

飞机上的LTE通信终端，按LTE无线空口协议进行无线发射和接收，以便与所述地面基站建立高速数双向据通信链路；

其中，所述飞机外表面上装有多个飞机射频天线，所述多个飞机射频天线经由互连线缆连接所述LTE通信终端；

其中，每个地面基站装有相同极化的射频天线，所述LTE通信终端使用所述多个飞机射频天线接收地面基站发射的射频信号，以及向地面基站发射射频信号；

其中，所述LTE通信终端是与地面基站建立中继双向数据链路的LTE机载终端，所述机载终端包括：

射频模块，用来把利用所述多个飞机射频天线接收的来自地面基站的射频信号变换成基带信号，以及将本机的基带信号转换成射频信号后经由所述飞机射频天线发送给地面基站；

协议处理模块，用来处理来自所述射频模块的基带信号并生成业务数据，以及将本机业务数据处理成基带信号发送给所述射频模块。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述每个地面基站装有的相同极化的射频天线是全向天线或具有一定波束宽度的定向天线。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述每个地面基站的射频天线通过一定角度的上倾角提供对空中飞行中的飞机射频信号的覆盖。

4.如权利要求1或3所述的系统，其中，所述LTE通信终端提供由飞机乘客直接操作的地空通信服务。

5.如权利要求1或3所述的系统，其中，所述LTE通信终端提供由飞机工作人员操作的地空双向中继数据链路服务。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述LTE机载终端通过安装在飞机上的机上网络为飞机乘客提供高速数双向数据业务。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述机载终端还包括：

电源管理模块，用来将飞机上的标准电源转换成协议处模块与射频模块所需的电源，并对整个机载终端的电源进行管理。

8.如权利要求7所述的系统，其中所述机载终端还包括多小区干扰抑制单元，包括：

基带数据解调器，用来对来自所述射频模块的基带采样点信号进行解调，得到并输出多个地面基站的导频符号以及数据符号；

信道估计器，用来根据所述基带数据解调器的输出，对多个地面基站的物理信道进行估计，得到各地面基站的信道系数；

滤波系数生成器，用来利用通过估计得到的各地面基站的信道系数，计算对地面基站多小区干扰信号进行干扰抑制的滤波系数；

接收滤波器，用来利用所述滤波系数，从飞机接收到的多个地面基站信号中滤出与飞机当前链接地面基站的有用信号，抑制作为干扰信号的其他地面基站信号。

9.根据权利要求7所述的系统，还包括：安装在所述飞机上的飞机位置和姿态检测装置，用于通过检测飞机的位置和姿态，得到用于飞机越区切换的飞机位置信息和飞机姿态变化信息，以便所述地面基站根据所述飞机位置信息、飞机姿态变化信息、当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量，进行所述飞机越区切换。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述机载终端上报所述飞机位置信息和飞机姿态变化信息，测量和上报当前地面基站信号质量，并根据当前地面基站的信号质量或者当前地面基站发送的切换测量请求，启动对邻居地面基站发射信号的测量，并上报邻居地面基站信号质量；

所述地面基站接收所述机载终端上报的飞机位置信息和飞机姿态变化信息以及当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量，根据飞机位置信息向机载终端发送所述切换测量请求，并根据飞机姿态变化信息、飞机位置信息、当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量，进行从所述当前地面基站到邻居地面基站的越区切换。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述机载终端还包括：

当前地面基站信号测量和比较模块，用于测量当前地面基站的信号质量，并将当前地面基站的信号质量与预定门限值进行比较；

邻居地面基站信号测量模块，用于在当前地面基站信号质量低于或等于预定门限值时，自行启动对邻居地面基站信号的测量，或者根据所述切换测量请求，启动对邻居地面基站信号的测量，并上报基于自行启动测量或基于请求启动测量的邻居地面基站信号质量。

12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述地面基站包括：

切换测量请求发送模块，根据所述飞机位置信息确定飞机从当前地面基站近点区域进入当前地面基站远点区域的切换准备时刻，并在该切换准备时刻之前未收到基于自行启动测量的邻居地面基站信号质量的情况下，向机载终端发送切换测量请求。

13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述地面基站设备还包括：

测量启动属性判断模块，用于判断机载终端上报的邻居地面基站信号质量的测量启动属性；

切换模块，当判断邻居地面基站信号质量的测量属于自行启动，则进一步判断飞行姿态信息变化值是否超过门限值，并在飞行姿态信息变化值超过门限值时暂停切换，反之，则通知机载终端进行切换；以及当判断邻居地面基站信号质量的测量属于依请求启动，则比较邻居地面基站信号质量和当前地面基站信号质量，并且当邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量时，通知机载终端进行切换。

14.如权利要求9所述的系统，其中，每个地面基站利用所述天线实现对目标小区的覆盖，以使沿航线布设的多个地面基站形成了对航线覆盖的“线状”多小区网络。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述多个飞机射频天线按以下方式之一安装在所述飞机外表面上：

a)安装在飞机发动往机尾方向一侧的机腹或机顶上；

b)安装在飞机发动往机头方向一侧的机腹或机顶上；

c)分别安装在飞机发动机往机头方向一侧以及飞机发动机往机尾方向一侧的机腹或机顶上。

16.如权利要求14或15所述的系统，其中所述的每个飞机射频天线是相同极化的天线，并且其极化方向与地面基站射频天线的极化方向相同。

17.如权利要求6所述的系统，其中，机载终端根据地面基站发送的随机接入信道PRACH扩展指令，生成扩展PRACH，并通过向地面基站发送所述扩展PRACH，进行随机接入；

地面基站对机载终端发送的扩展PRACH进行PRACH检测，以确定上行接入机载终端的信道以及对应的发射时延值，并根据所述发射时延值生成并发送上行发射时间调整指令；

机载终端根据地面基站发送的所述上行发射时间调整指令，调整发射的时间位置，从而实现上行定时同步。

18.根据权利要求17所述的系统，所述地面基站包括：

指令发送装置，在对各机载终端上行资源分配时，向小区内的所有机载终端发送在PRACH的保护间隔GT之后的一段时间不使用OFDM符号的PRACH扩展指令，和发送上行发射时间调整指令；

PRACH检测装置，用于按扩展的PRACH进行PRACH检测。

19.根据权利要求18所述的系统，所述PRACH检测装置包括：

定时器，用于确定进行扩展PRACH处理的数据位置值；

PRACH滤波单元，用于把收到的上行宽带样点数据变成更窄带的经过滤波后的PRACH；

多个峰值检测单元，用于对PRACH信道滤波单元输出的数据进行峰值检测，以获得对应的PRACH信道号以及上行发射延时值TA；

滑窗位置存储器，用于记录多个并行PRACH处理单元的滑窗间隔；

峰值处理单元，用于对多个峰值检测单元输出的峰值进行合并与处理，以最终输出有效的峰值位置与强度。

20.根据权利要求19所述的系统，所述的机载终端还包括：

指令接收装置，用于接收所述PRACH扩展指令和所述上行发射时间调整指令；

上行接入装置，根据所述PRACH扩展指令在所述PRACH保护间隔GT后形成与所述一段时间相对应的空区，得到所述GT+空区的扩展保护间隔GT’，从而生成并发送扩展PRACH；并且按所述TA值调整上行发送时间，实现上行发射同步。

21.一种为飞机提供高速地空宽带数据通信的方法，包括：

沿着预先定义的空中航线安装多个按LTE无线空口协议进行无线发射和接收的LTE地面基站，使相互邻接的LTE地面基站之间具有重叠通信覆盖区域；

在飞机上安装LTE通信终端，所述LTE通信终端按LTE无线空口协议进行无线发射和接收，以便与所述地面基站建立高速数双向据通信链路；

其中，所述飞机外表面上装有上多个飞机射频天线，所述多个飞机射频天线经由互连线缆连接所述LTE通信终端；

其中，每个地面基站装有相同极化的射频天线，所述相同极化的射频天线是全向天线或具有一定波束宽带的定向天线，LTE通信终端使用所述多个飞机射频天线接收地面基站发射的射频信号，以及向地面基站发射射频信号；

其中，所述LTE通信终端是与地面基站建立中继双向数据链路的LTE机载终端，所述机载终端包括：

射频模块，用来把利用所述多个飞机射频天线接收的来自地面基站的射频信号变换成基带信号，以及将本机的基带信号转换成射频信号后经由所述飞机射频天线发送给地面基站；

协议处理模块，用来处理来自所述射频模块的基带信号并生成业务数据，以及将本机业务数据处理成基带信号发送给所述射频模块。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述LTE机载终端通过机上网络为飞机乘客提供高速数双向数据业务。

23.如权利要求22所述的方法，其中，每个地面基站利用所述天线的实现对目标小区的覆盖，以使沿航线布设的多个地面基站形成了对航线覆盖的“线状”多小区网络。

24.如权利要求22或23所述的方法，其中所述多个飞机射频天线按以下方式之一安装在所述飞机外表面上：

a)安装在飞机发动往机尾方向一侧的机腹或机顶上；

b)安装在飞机发动往机头方向一侧的机腹或机顶上；

c)分别安装在飞机发动机往机头方向一侧以及飞机发动机往机尾方向一侧的机腹或机顶上。

25.如权利要求22或23所述的方法，其中所述的每个飞机射频天线是相同极化的天线，并且其极化方向与地面基站射频天线的极化方向相同。

26.如权利要求22或23所述的方法，其中，所述机载终端与所述地面基站按照如下步骤执行越区切换：

A、当前地面基站从所述机载终端获得飞机位置信息和飞机姿态变化信息；

B、机载终端测量和上报当前地面基站信号质量；

C、机载终端根据当前地面基站的信号质量或者当前地面基站发送的切换测量请求，启动对邻居地面基站发射信号的测量，并上报邻居地面基站信号质量；

D、当前地面基站根据飞机姿态变化信息、飞机位置信息、当前地面基站信号质量和邻居地面基站信号质量，进行从所述当前地面基站到邻居地面基站的越区切换。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述步骤A包括：

A1、机载终端通过全球导航卫星系统GNSS获得飞机位置信息和飞机速度信息；

A2、机载终端把所述飞机位置信息和速度信息上报给当前地面基站，当前地面基站通过速度信息计算得到飞机姿态变化信息；或者机载终端把所述飞机位置信息和通过速度信息计算得到的飞机姿态变化信息上报给所述当前地面基站。

28.根据权利要求26所述的方法，其中，所述步骤A包括：

A1’、机载终端利用定位系统获得飞机位置信息，利用姿态传感器获得飞机姿态变化信息；

A2’、机载终端把所述飞机位置信息和姿态变化信息上报给当前地面基站。

29.根据权利要求26所述的方法，其中，所述步骤C包括：

C1、机载终端将当前地面基站信号质量与预定门限值进行比较；

C2、当比较结果为所述当前地面基站信号质量低于或等于预定门限值时，自行启动对邻居地面基站信号的测量，并上报基于自行启动测量的邻居地面基站测量报告。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述步骤C还包括：

C3、若在当前地面基站根据所述飞机位置信息确定飞机从当前地面基站近点区域进入当前地面基站远点区域的时刻，未收到基于自行启动测量的邻居地面基站信号质量，则向机载终端发送切换测量请求；

C4、所述机载终端响应所述切换测量请求，启动对邻居地面基站信号的测量，并上报基于请求启动测量的邻居地面基站信号质量。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述步骤D包括：

D1、当前地面基站收到所述邻居地面基站信号质量后，判断飞机姿态变化信息的变化值是否大于门限值；

D2、若变化值大于门限值，则暂停切换；

D3、若变化值小于门限值，则进一步判断邻居地面基站信号质量是否高于当前地面基站信号质量，若邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量且两者差值大于一定值，则通知机载终端进行切换，反之则暂停切换。

32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述邻居地面基站信号质量和当前地面基站信号质量均包括信号强度或信号干扰噪声比；

所述邻居地面基站信号质量高于当前地面基站信号质量包括：邻居地面基站的信号强度大于当前地面基站的信号强度，或者邻居地面基站的信号干扰噪声比大于当前地面基站的信号干扰噪声比。

33.如权利要求22或23所述的方法，其中，所述机载终端与所述地面基站按照如下步骤执行范围非同步地空通信：

E、各机载终端根据地面基站发送的随机接入信道PRACH扩展指令，生成扩展PRACH；

F、各机载终端通过向地面基站发送所述扩展PRACH，进行随机接入；

G、地面基站对各机载终端发送的扩展PRACH进行PRACH检测，以确定各上行接入机载终端的信道以及对应的发射时延值，并根据所述发射时延值生成并发送上行发射时间调整指令；

H、各机载终端根据地面基站发送的所述上行发射时间调整指令，调整发射的时间位置，从而实现上行定时同步。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述步骤E包括：

E1、地面基站在进行各机载终端上行资源分配时，向小区内的所有机载终端发送在PRACH的保护间隔GT之后的一段时间不使用OFDM符号的PRACH扩展指令；

E2、各机载终端根据所述PRACH扩展指令，在所述PRACH保护间隔GT后形成与所述一段时间相对应的空区，得到所述GT+空区的扩展保护间隔GT’，从而生成扩展PRACH；

其中，所述PRACH扩展指令是基站通过下行PDCCH信道进行上行用户资源分配时，将PRACH信道后面相邻的OFDM符号上PRACH信道所在频域上的资源预留出来的方式实现。

35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述不使用的OFDM符号数量与地面基站需要扩展的覆盖半径成正比。

36.根据权利要求34所述的方法，其中，所述各机载终端通过以下方式之一向地面基站发送所述扩展PRACH：

时分多址方式；

频分多址方式；

码分多址方式。

37.根据权利要求34所述的方法，其中，所述步骤G包括：

G1、从上行基带样点数据中滤出扩展PRACH对应的基带数据；

G2、从扩展PRACH的CP后面开始的数据位置取出序列长度加上扩展后GP’长度的数据；

G3、以不大于CP的长度为步长用多个并行的峰值检测单元做滑窗，对整个数据进行并行峰值检测；

G4、根据滑窗的大小以及峰值的位置计算、检测出峰值位置与峰值大小；

G5、根据输出的峰值大小与位置确认上行接入机载终端的扩展PRACH信道以及对应的发射时延值，并根据所述发射时延值生成并发送含有时延调整值TA的上行发射时间调整指令。

38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述步骤H包括：

H1、各机载终端从所述上行发射时间调整指令中提取所述TA；

H2、各机载终端按所述TA值调整发送时间，实现上行发射同步。