专利名称：机载蜂窝系统的候选者越区切换列表的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及包括机载中继器的无线通信系统，尤其涉及机载蜂窝系统的地面小区站越区切换(handoff)列表的动态维护。
背景技术：
对在边远和地理上不同的位置的无线网络和通信能力的日益增加的需要已经对无线系统产生更大的要求。许多提供这种系统的基础结构的新的通信公司已经将它们的资源集中到建造尽可能多的地面小区站。结果，通信公司扩展它们各自的覆盖区，并且因此创造更多的收益。
但是，地面基站的增建速度非常地缓慢而且昂贵，尤其在几乎没有公路和极少外附基础设施的山区和人口稀少地区。另外，在一些上述人口稀少地区，通信公司的投资收益不能提供通信公司建造必须的小区站所需的激励，从而听任这些地区仅有有限服务或根本没有无线服务。此外，许多具有足够数量的无线通信基站以处理非高峰和高峰时间的呼叫的地区不能充分地处理吸引大量民众仅仅几天的运动事件或者其他特殊事件期间暂时大量的呼叫。
应上面的要求，机载无线系统已经被提出，其中无线中继器安装在飞机上，飞机在需要无线覆盖的地理区域上飞行预先确定的飞行图案(pattern)，无线中继器将来自被覆盖地理区域内的无线电话的呼叫链接到地面基站和其他基础设施组成部分。因为飞机能够穿越地理局限并代替小区站，这种系统克服上述问题。
尽管机载蜂窝系统具有许多优点，但其具有常规地面蜂窝系统的设计和实现中没有的设计和实现要素。一个主要要素涉及小区站呼叫越区切换候选者列表的维护。常规的蜂窝标准和协议例如TIA/EIA 136、GSM和CDMA IS-95规定这种越区切换候选者。在地面蜂窝系统中，越区切换候选者在系统开关中控制并传递给用于功率监测的手机。然后，开关基于来自手机的功率测量报告做越区切换决定。协议所支持的越区切换候选者的数量是有限的并且典型地不随时间而变化。例如，在蜂窝TIA/EIA 136协议中，候选者的数量限制为24。
在机载蜂窝系统中，因为飞机在其飞行图案中环绕，从飞机天线发射的通信波束(beam)相对地面移动，从而当波束旋转入和旋转出预先确定的系统覆盖区时导致系统执行呼叫越区切换。当机载蜂窝系统覆盖典型地广阔地理区域时，每个系统波束可能对很多地面小区站有影响。因此很可能任一特定波束对其有影响的地面小区站的总数将超过约定蜂窝协议所支持的越区切换候选者的数量。
另外，机载蜂窝系统以大呼叫载量为代价提供地理覆盖。因此，如果机载蜂窝系统在具有高密度小块地区的主要低密度地区中展开，服务提供商希望在高密度小块地区建造地面系统小区站并用机载蜂窝系统向其余的低密度区域提供服务。但是，来自机载蜂窝系统的通信波束可能与地面系统小区站的波束交叠。因为与机载蜂窝系统的通信波束相比，地面系统小区站典型地具有更高功率，系统用户倾向于移向交叠区中的地面系统小区站。
在不被地面小区站覆盖的区域中的用户最初通过机载蜂窝系统来通信并且可能切换到地面系统，因为可能希望将来自机载蜂窝系统的用户呼叫越区切换给地面系统小区站来减少机载蜂窝系统上的载量。因为，经常有几万个地面系统小区站，机载蜂窝系统必须产生相应的越区切换候选者列表，其包括数百个小区站越区切换候选者。遗憾地是，这种越区切换候选者列表当前超越标准蜂窝协议的能力并且无疑地有解决前述问题的需要。
本发明的优点从下面与附随附图一起考虑的其优选实施方案的详细描述将容易明白，其中图1是根据本发明的机载蜂窝通信的系统图；
图2是更详细地说明图1中所示的机载蜂窝通信系统的组成部分的框图；图3是来自机载中继器的波束图案的平面图，机载中继器向下方的预先确定的地理区域以及作为越区切换候选者的地面小区站提供蜂窝覆盖；图4是单波束例如图3波束图案中的一束的平面图，其显示波束图案内作为越区切换候选者的地面小区站；以及图5是根据本发明优选实施方案的越区切换候选者列表方法的流程图。
具体实施例方式
现在参看附图，其中相似的数字涉及相似的部分。图1显示机载蜂窝通信系统10。系统10一般地包括三个主块蜂窝基础结构块12，无线电基础结构块14和飞机块16。这三个块协同地能够通过使通常由手机18表示的系统用户可以经由包括中继器的飞机有效载荷22链接到公用交换电话网络(PSTN)20来向大的地理区域提供蜂窝通信覆盖。
蜂窝基础结构块12包括移动交换局(MSO)24，移动交换局24包括设备例如电话接线器、语音邮件和信息服务中心，以及蜂窝服务所需的其他常规组成部分。MSO 24连接到PSTN 20以本领域众所周知的方式发送和接收电话呼叫。另外，MSO 24连接到操作和维护中心(OMC)26，蜂窝系统操作员从OMC 26来管理蜂窝基础结构块12。MSO 24也连接到一个或多个基地收发器站(BTS)例如30a、30b所示的BTS。BTS 30a、30b通过无线电基础结构块14发送和接收来自系统用户18的RF信号。
更具体地说，BTS 30通过地面转换器设备32来发送和接收RF信号。地面转换器设备32将地面蜂窝格式信号转换成C波段格式信号并通过馈电链路33和遥测链路34与机载有效载荷22通信，馈电链路33和遥测链路34的每个将随后详细讨论。有效载荷22建立用于在广阔地理覆盖区上连接呼叫的无线电链路36，当飞机在地面上30,000英尺或附近保持飞行图案时能够超过350km，无线电链路36能够超过350公里。
除了飞机35之外，飞机块(segment)16也包括飞机操作中心37，其至少部分基于来自信源例如天气中心38的信息来控制飞行任务后勤并管理所有系统飞机，因为系统优选地包括三架飞机以保证连续覆盖。飞机也接收来自信源例如空中交通控制中心40的另外的常规指示。
图2更详细地显示系统10的某些组成部分。具体地，地面转换器设备32包括C波段天线42，用于接收来自有效载荷22的信号和发送信号到有效载荷22(为了冗余目的也提供第二天线)；C波段转换器44，用于适当地转换从有效载荷22接收的或待发送到有效载荷22的信号。根据优选实施方案，C波段天线42和转换器44使800MHz的机载蜂窝天线70能够经由已建立的下行链路或馈电链路33与BTS 30a、30b通信，并且转换器44将来自BTS 30a、30b的标称信号在信号传送到飞机35之前向上转换成C波段信号。并且，每个BTS 30a、30b被分配在C带谱中的不同波段，使得来自不同BTS 30a、30b的信号可以分开并发送到正确天线例如有效载荷22处的天线56，另外，地面控制设备32包括遥测组成部分例如遥测天线46、遥测调制解调器48和遥测处理器50，以接收并处理在遥测链路34上的从飞机遥测天线52发送的飞机数据，而控制终端54控制已处理遥测数据发送到OMC 26和飞机操作中心37。
在飞机块16中，上述的飞机遥测天线52发送由一般在58处表示的飞机航空电子设备产生的飞机航空电子数据，包括飞机位置、方向和飞行图案数据以及其他数据例如俯仰、侧滚和偏航数据。来自飞机航空电子设备58的数据输入到有效载荷处理器60并在通过遥测调制解调器62输出到遥测天线52之前由有效载荷处理器60处理。有效载荷处理器60也负责处理通过建立在C波段天线42、56之间的馈电链路33发送到地面转换器设备32和从地面转换器设备32接收的信号，并负责处理通过建立在用户18和有效载荷下行链路天线例如800MHz天线70之间的下行链路或用户链路69发送到系统用户18和从系统用户18接收的信号，其中有效载荷接收的和从有效载荷发送的信号由800MHz转换器72适当地向上转换或向下转换。有效载荷22除了包括上述设备还包括GPS设备74，其也可以输入到处理器60和发送到地面转换器设备32或发送到飞机操作中心37用于飞行控制和/或监控目的。飞机中和有效负载中所示的组成部分共同形成飞机中继器，其使蜂窝覆盖可以提供给大的地理区域，否则由于不够数量的小区站等而不能支持地面蜂窝覆盖。
从图1和2中所示的系统配置应当认识到对于PSTN 20和系统用户18机载蜂窝系统10和常规地面蜂窝系统显得相同。换句话说，在通过蜂窝基础结构块、无线电基础结构块和飞机块12-16链接到PSTN 20的呼叫与通过常规地面系统基础结构处理的呼叫之间，没有可辨别的服务相关差别，部分地由于下面的事实蜂窝基础结构块12包括在MSO24中的标准电话接线器和BTS 30a、30b，它们与包含在常规地面系统基础结构中的那些相同或几乎相同。
再参看图1和2，现在将描述在完成一个系统用户18所发出的呼叫的过程中机载蜂窝系统10的组成部分的操作。飞机35当空中待命时优选地以圆形或接近圆形的飞行图案飞行(虽然飞行图案可能根据具体天气和覆盖条件而变换)，以在飞行任务过程中向预先确定的地理区域提供覆盖。当飞机空中待命时，其保持与地面转换器设备32联系，以提供通过无线电基础结构设备块14到蜂窝基础结构块12的馈电链路33和用户链路36。飞机35也在覆盖区上发送预先确定数量的通信波束例如13束，并且每束被分配BTS 30a、30b的一个扇区并具有它自己的一组控制和通信通道，以在系统用户18和蜂窝基础结构块12之间传送信号和语音数据。当飞机35在其飞行图案中移动时，从飞机发射的波束旋转。因此，系统用户18大约每45秒将“看到”不同波束，并且蜂窝基础结构块12执行呼叫的扇区到扇区的越区切换，以防止呼叫转弱。
当开始呼叫时，系统用户例如用户18的一个，使用波束中的控制通道来通知MSO 24请求呼叫建立。请求从用户18的手机发送到飞机有效载荷22，并且然后转发到地面转换器设备32。地面转换器设备32将请求转发到相应的BTS例如BTS 30a。然后，BTS 30a将请求发送到MSO 24，其建立PSTN 20的呼叫。因此，有效载荷22只不过将BTS30的物理层延伸到用户18，以与典型地由常规地面系统提供的覆盖区相比，允许广阔得多地覆盖区，并具有更少的相关基础结构增建成本。机载系统10优选地也为特殊事件区域提供暂时蜂窝覆盖，其中覆盖仅需要几天，从而消除与架设小区站然后在特殊事件结束之后拆卸小区站相关的需要和成本。
一旦呼叫建立完成，通过波束中的通信信道与PSTN 20的语音通信开始，然后语音信息以与信令信息相同的方式转发。当呼叫结束时，一个信号发送到MSO 24以扯断呼叫，用户18的手机释放用于语音通信的通信信道，并且该信道回到空闲状态。
图3显示由机载蜂窝系统10的飞机块16产生的示范性的覆盖区80。覆盖区由从天线70发射的波束82-94形成，天线70优选地是在2000年6月26日提交的名称为“机载蜂窝系统的灵敏天线”的PCT专利申请PCT/US00/17555号中所公开类型的相控阵列灵敏天线，在此引入其内容作为参考。除中心波束以外，当飞机35执行其飞行图案时每个波束旋转。因此，地面小区站例如小区站A1-A4和B1-B2相应地旋转入和旋转出各个波束的波束轨迹的覆盖区。在图3中，飞机的飞行图案显示为以反时针方向旋转，如由飞行图案方向箭头FP所示。当飞机执行其飞行图案时，波束82-94以相对于地理覆盖区相同的方向相应地旋转，但是相对于飞机35保持不动。
因此，每个波束例如波束93扫描大的区域并且可能与许多地面站交叠。静态越区切换候选者列表要求不仅具有当前在波束下的那些地面站例如站A1和A3和将很快在波束下的那些站例如站A2和A4，而且具有站B1和B2。因此，典型地是24个候选者的系统越区切换候选者限定可能被远远超过。
为了减少候选者的数量，根据本发明的波束越区切换候选者维护技术最初产生作为波束位置的函数的越区切换列表。因此，波束93将仅包括站A1-A4作为越区切换候选者而不会包括站B1-B2，而波束87将包括B1和B2作为候选者而不包括A1-A4。当飞机执行其飞行图案时，每个波束的候选者列表将改变，使得当波束93覆盖地面站B1-B2时，候选者B1-B2将代替候选者A1-A4。
本发明的波束越区切换候选者维护技术基于保存在OMC 26中的动态更新的越区切换列表数据库周期性地确定每个波束的越区切换候选者列表。数据包含存储的地面小区站位置，地面小区站位置连同通过飞机遥测链路34输入到OMC 26的飞机位置和飞机航向数据一起用来计算小区站候选者越区切换列表。OMC 26可以产生仅包括预先确定数量的最高概率/优先权候选者的越区切换候选者列表并且可以更新/修改作为时间的函数的列表。例如，在使用TIA/EIA 136协议的机载蜂窝系统中，基于越区切换优选权仅最高的24个越区切换候选者将包含在各个波束的越区切换列表中。
例如，再参看图3，由波束93服务的用户将最少具有波束92、94作为时间敏感越区切换候选者。当飞机35执行其飞行图案时，有效载荷22将连续地监控作为越区切换候选者的波束92、94。有效载荷也将具有地面站A1-A4作为时间不敏感候选者。这些时间不敏感候选者被周期性地计算来使飞机35和地面系统之间的越区切换便利以缓和系统10上的容量限制。这些越区切换候选者是时间不敏感的，因为飞机35和地面系统之间的越区切换中的延迟将仅影响波束93的潜在容量而不会影响呼叫性能。结果，在任何给定时间的越区切换候选者列表将包含连续占据越区切换候选者列表内的时隙(slot)的几个时间敏感越区切换候选者和仅周期性地占据越区切换候选者列表内的时隙的时间不敏感越区切换候选者。
现在参看图4，现在将讨论根据本发明优先化越区切换候选者以确定候选者多频繁地包含在与通信波束相关的周期性产生的越区切换候选者列表中。由于可能的大量的时间不敏感越区切换候选者和少量的越区切换候选者列表时隙，这种优先化是必须的，并且基于作为用户最好的越区切换小区的给定地面小区的概率。在优选实施方案中，优先化基于与小区相关的用户密度。高密度小区将很可能接收大多数越区切换，因此与低密度小区相比排列为更高优选权候选者。因此与低优先权候选者相比，高优先权候选者将更频繁地循环进入时间不敏感越区切换候选者列表时隙。
如图4中所示，用户例如在由波束95形成的小区96中的位置C1将具有由波束98形成的小区97作为连续占据越区切换候选者列表时隙的时间敏感越区切换候选者。位于市区覆盖的郊区并具有高用户密度的地面小区C2-C5也将是高优先权候选者。因此，C1-C5将在越区切换列表内频繁地循环。提供小乡镇的覆盖并具有低用户密度的小区C6和位于所定义的城市覆盖区中间的小区C7将被定义为低优选权候选者，因此将不经常在越区切换候选者列表上循环。更具体地说，小区C7将被认为是低优选权候选者，因为如果用户接近小区C7时，用户呼叫将直接通过小区C7链接到相应的地面系统而不是通过系统10。
因此，优选地保存在OMC 26中的越区切换候选者列表数据库通过根据本发明的上述优选实施方案，基于飞机位置、时间敏感和时间不敏感越区切换候选者之间的差别以及根据用户密度的时间不敏感越区切换候选者的优先化来动态更新。可选实施方案可以基于根据系统特定参数的与用户密度不同的因素来优先化时间不敏感候选者。而且，所有越区切换候选者的相对顺序可以基于与每个越区切换候选者小区相关的相对密度和基于系统10中待从一个波束越区切换到另一个波束的用户相对需要来建立，以进一步优先化高和低优先权越区切换候选者。
如果在高优先权列表产生之后有过多数量的候选者，本发明的技术可以通过在波束覆盖区内非时间敏感的那些越区切换小区候选者内周期性地循环来进一步减少候选者的数量。换句话说，非时间敏感的以地面为基地的小区站可以在波束内分成多组，以提供根据本发明的具有更高级解决的技术。然后，越区切换列表维护技术可以仅在非时间敏感小区的这些组内更规则地循环，以提供越区切换列表的更精确更新，而不会影响时间敏感小区例如图3中的小区C1的越区切换。虽然，例如大约15秒的相关越区切换延迟将伴随在非时间敏感小区的多个组内的循环，但是这种延迟是可接收的。
图5是一般地在100说明本发明的候选者越区切换列表维护技术的方法学的流程图。开始该方法在102经由从飞机35通过遥测链路34提供的GPS数据确定飞机位置和航向，以及在104确定每个通信波束的波束位置。在106越区切换候选者概率计算如上所讨论并部分基于存储在108处的蜂窝系统越区切换协调数据库中的地面小区站位置数据来执行。在执行上面的计算之后，在110越区切换候选者被排序并且高优先权候选者被确定。在112确定在某个波束内是否有过多数量的候选者。如果确实有过多数量的候选者，上述非时间敏感候选者的确定可以在114执行，并且时间不敏感候选者随后在116周期性地循环。然后，在118越区切换候选者列表在时间不敏感的越区切换候选者循环之后被更新，以在120产生越区切换候选者列表。
如果在112确定没有过多数量的候选者，越区切换候选者列表在119更新，以在120产生越区切换候选者列表，而不用在114和116处确定和循环时间不敏感的候选者。并且，如在122由虚线所表示的，在110的排序操作和在112的过多候选者确定可以跳过，并且该技术可以直接从在106执行越区切换候选者概率计算继续到在116执行在时间不敏感候选者内的周期性循环。
除了使从机载蜂窝系统到地面系统小区站的越区切换便利之外，也考虑本发明的候选者越区切换列表维护技术可以被设计以上述相反的方式来促进越区切换，或者换句话说，允许从地面系统到邻近机载通信系统的越区切换。在这种情况下，与机载系统覆盖区邻近或交叠的地面小区也要求随时间变化的越区切换候选者列表。该列表将以类似于上述列表的方式工作，除了通信波束而不是地面小区将是越区切换候选者。但是，因为在地面小区上在同一时间通常仅有一或两个波束，循环方法将不是必须的。
从上述讨论现在应当认识到本发明的候选者波束越区切换列表维护技术，通过允许在覆盖应用的广阔区域覆盖机载蜂窝系统和地面系统之间执行可靠的越区切换来促进地面系统与机载蜂窝系统的互用性。本发明也促进相邻机载蜂窝系统之间的可靠的越区切换，并且能够基于因素例如地面小区用户密度来区分时间敏感和非时间敏感的越区切换候选者。
虽然上述描述关于本发明的优选实施方案，应当认识到可以不背离下面权利要求的范围和合理含义来更改、改变和变更本发明。
权利要求
1.一种维护机载蜂窝系统的地面小区站越区切换列表的方法，包括相对于蜂窝系统用户维护从飞机发送的通信波束的波束图案；确定飞机的位置和航向；基于飞机飞行图案数据确定从飞机发送的各个波束的位置；确定在从飞机发送的各个波束的覆盖区附近的各个小区站的位置；以及基于波束图案的维护、飞机位置和航向的确定、根据飞机飞行图案数据的从飞机发送的各个波束的位置确定以及各个小区站位置的确定，来计算可行越区切换地面小区站候选者的列表。
2.权利要求1的方法，其中飞机位置和航向的确定包括经由遥测链路来确定飞机的飞行图案位置。
3.权利要求1的方法，其中可行越区切换地面小区站候选者列表的计算包括将从维护波束图案、确定飞机的位置和航向、基于飞机飞行图案数据确定从飞机发送的各个波束的位置以及确定各个小区站的位置产生的数据映射到小区站位置数据库，以确定可行越区切换地面小区站候选者。
4.权利要求1的方法，还包括基于计算可行越区切换地面小区站候选者列表的过程中建立的相关概率数据来排序每个可行越区切换地面小区站候选者。
5.权利要求4的方法，其中计算可行越区切换地面小区站候选者列表过程中建立的可行越区切换地面小区站候选者的数量是协议相关的。
6.权利要求1的方法，其中可行越区切换地面小区站候选者列表的计算对于从飞机发送的各个波束的每个来执行。
7.权利要求6的方法，还包括根据从飞机发送的各个波束的每个波束内的候选者地理位置来将可行越区切换地面小区站候选者列表分成多个候选者组；以及在多个候选者组内循环以基于该多个候选者组进一步简化可行越区切换地面候选者列表。
8.权利要求7的方法，其中在多个候选者组内的循环引入相关的越区切换延迟。
9.权利要求1的方法，还包括当飞机飞行图案数据改变时，更新作为时间的函数的可行越区切换地面小区站候选者列表。
10.权利要求1的方法，其中可行越区切换地面小区站候选者列表的计算被执行，以补偿由不利天气条件引起的飞机飞行图案改变。
11.权利要求1的方法，还包括计算用于接受来自地面小区站的越区切换的可行飞机波束；以及基于可行飞机波束的计算来创建飞机波束越区切换列表。
12.权利要求1的方法，还包括将可行越区切换地面小区站候选者列表分成时间敏感候选者和非时间敏感越区切换候选者。
13.在具有机载中继器的蜂窝通信系统中，用于计算地面小区站越区切换候选者列表的装置，包括接收器，用于接收飞机飞行图案信息、关于从飞机发送的通信波束的地理覆盖的飞机波束图案信息以及地面小区站位置信息；数据库，用于存储越区切换协调信息；以及处理器，用于基于来自接收器和数据库的信息计算越区切换候选者列表，以使呼叫可以以优化呼叫通信路由的方式来从飞机所发送的通信波束越区切换到地面小区站。
14.权利要求13的装置，其中飞行图案信息包括飞机位置、航向和波束覆盖区信息。
15.权利要求13的装置，其中接收器、数据库和处理器在以地面为基地的无线电通信基站中实现。
16.权利要求13的装置，其中接收器、数据库和处理器在飞机中实现，并且经由遥测链路与以地面为基地的控制站通信。
17.权利要求13的装置，其中越区切换候选者列表包括单个通信波束内的小区站。
18.权利要求13的装置，其中处理器用于将每个通信波束分成在每个通信波束内的多组小区站，并且在多组小区站内循环以进一步简化越区切换候选者列表。
19.权利要求13的装置，其中处理器还用于计算地面小区站到候选者通信波束的越区切换列表。
全文摘要
对于机载蜂窝系统(10)来动态维护地面小区站越区切换列表。波束图案相对于机载蜂窝系统中继器来维护，但是相对于地理覆盖区旋转。飞机(35)的位置和航向、基于飞机飞行图案数据的从飞机发送的各个波束的位置，以及在从飞机发送的各个波束的覆盖区附近的各个小区站的位置被确定。然后，可行越区切换地面小区站候选者列表基于波束图案、飞机的位置和航向、根据飞机飞行图案数据的从飞机发送的各个波束的位置以及各个小区站的位置来计算。
文档编号H04Q7/22GK1522506SQ01823422
公开日2004年8月18日 申请日期2001年6月29日 优先权日2001年6月29日
发明者乔纳森·H·格罗斯, 小托马斯·P·伊蒙斯, 迈克尔·A·泰斯勒尔, A 泰斯勒尔, 乔纳森 H 格罗斯, 斯 P 伊蒙斯 申请人:摩托罗拉公司