带有反射机载平台的电信系统 【技术领域】
本发明一般涉及电信技术，尤其涉及一个无线电信系统。
背景技术
图1描述的是一个如10概括显示的典型无线电信系统的一部分的示意图。所述系统10为位于一个地理区域内部的多个无线终端22和24提供服务。并且所述系统10包含了与多个基站14i以及本地和长途电话网络16相连的无线交换中心12。所述无线交换中心12对往返于无线终端的呼叫进行路由或“切换”，作为选择，所述无线交换中心还对无线终端与经由本地和/或长途电话网络16连至无线系统10的有线线路终端之间的呼叫进行路由或“切换”。
无线系统10所服务的地理区域划分为在空间上不同的区域，这些区域称为小区。如图1所示，每个小区20i由一个六边形示意表示。然而在实践中，每个小区20i通常具有不规则形状，其中举例来说，所述形状依赖于系统10所服务的地域的地形。通常，每个小区20i都包含一个相应的基站14i。所述基站14i则包含了与无线终端22和24进行通信的天线和无线电设备。此外，每个基站14i还包含与无线交换中心12进行通信的传输设备。
在设计系统10的过程中，工程师使用众所周知地技术将数量有限的频率信道分配给每个基站14i。基站14i经由这些频率信道与无线终端进行通信。因此，基站数目限制了系统10处理那些往返于无线终端的呼叫的潜在能力。
随着无线电信的逐渐普及，设计人员研发了用于提高这些无线电信系统的容量的技术。有一种常规技术是通过将现有小区“分裂”成多个小区来减少每个小区的大小。一些设计人员甚至建议通过缩小小区的大小来提供那些服务于很小的地理区域的所谓的“微小区”。
然而出于若干原因，公众反对使用微小区。首先，许多人担心源自基站的电磁辐射可能会导致健康问题。此外，居住区的房地产通常成本很高并且占去了大约一半的基站成本。因此，通过分裂小区来增加无线电信系统容量是一个非常困难并且成本很高的建议。
【发明内容】
在本发明的一个示范性实施例中，电信系统使用了一个机载平台(airborne platform)，该平台适配成在一个集中式基站与用户之间反射通信信号。相对于提供了无线电信服务的地球地理区域上方的地面而言，所述机载平台保持在适当的位置上。
【附图说明】
以下结合附图来对本发明的示范性实施例进行描述，其中：
图1是现有技术的无线电信系统的示意图；
图2和3描述的是依照本发明的无线电信系统的示范性实施例；
图4描述的是处于机载平台底部的通信路径覆盖区的示范性实施例；
图5和6描述的是机载平台的示范性实施例；以及
图7描述的是集中式基站的一个示范性实施例。
【具体实施方式】
图2和3描述的是依照本发明的无线电信系统的示范性实施例。应该理解的是，这些无线电信系统旨在包含任何一种使用无线通信终端的无线通信系统，例如蜂窝、个人通信系统(PCS)等等。
如图2所示，无线电信系统200包括一个集中式基站210和一个机载平台220。
在一种实施方式中使用无线电信系统200来向多个地理区域提供一个通信系统。此外，在另一种实施方式中，无线电信系统200在丧失电信能力的地理区域内部提供临时通信。而在另一种实施方式中，无线电信系统200被用于在具有有限电信能力的地理区域内部提供紧急情况下的远程通信。为了适应这种情况，可以对一个集中式基站210和一个平台220进行定位，使之接管一个给定地理区域的通信。
此外，由于一个集中式基站210可以服务于多个小区，因此电信系统200是非常有利的。所述集中式基站210与至少一个小区相关联，每个小区则对应于一个地理区域。在基站布局因为地形、有限空间、当地居民阻力或部署成本而出现问题的地方，上述系统是非常有益的。通过使用一个集中式基站210，可以克服其中许多问题。举例来说，在诸如市区这种人口高度稠密的区域中，可以将集中式基站210放置在郊区，同时机载平台220可以处于整个市区上方，由此将移动信号反射给城市环境中的移动用户。所述集中式基站210也可位于它所关联的小区外部。本发明还为接近水域的地点提供了显著的益处，其中机载平台220处于水域上方，以便服务于边缘地点。此外，由于信号可以来自移动用户上方，因此本发明在某种程度上有助于减少因为高层建筑所造成的信号阻碍。
此外，倘若快速安装非常重要，则集中式基站210和机载平台220能以最低成本快速部署，以便为一个区域提供服务。部署一个集中式基站210和覆盖多个小区的机载平台220要比为相同数量的小区安装多个基站14i-n更容易。
如图2进一步显示，集中式基站210经由机载平台220反射的通信路径240i-n而与每个小区250i-n中的用户终端进行通信。
较为有利地是，机载平台220可以处于一个通常没有为军队或商业空中交通所占用的高度。如这里使用的那样，术语“机载”意味着通过飞机或是借助飞机来携带并且包括了大气层内部的飞行，也就是在对流层与热电离层边缘之间进行的飞行。这与“空运(spaceborne)”形成了对比，所述“空运”包含了超出地球大气层的飞行。理论上，机载平台220在平流层内部的平流层底(stratonull)浮动并且位于海拔15到20英里。所述平流层底是较为有利的，因为它通常很稳定并且处于产生出影响到环境的天气现象的对流层之上。
集中式基站210和机载平台220与地平面上的多个小区250i-n以及多个通信路径240i-n相关联。这些装置顾及了从集中式基站210上至反射机载平台220并下至相应小区250i中的用户终端的通信路径240i。相似但反向的路径也可用于小区250i内部的用户终端。而所述用户终端可以是移动或静止的无线电话设备。
图3显示了本发明的一个实施例，其中机载平台220不在集中式基站210的正上方，而是改为偏离所述集中式基站210。由于机载平台220的位置改变，集中式基站210也可以位于房地产成本和公众阻力很小的郊区。
图4显示了机载平台220底部的覆盖区230i-n的一个实施例，其中反射了37条通信路径240i-n。每个覆盖区230i-n的大小是依照每个小区250i的预期大小和机载平台220的底面区域而变化的。机载平台220的底面区域包括一个能够反射无线通信信号和无线用户信号之类的通信信号的反射表面。
举例来说，无线电通信工程师可能希望使用19个等大的通信小区来覆盖一个近似15平方英里的区域。而工程师用以实现这个目的的一种实施方式是使用一个为各个小区发射的大小为1°的窄波束，其中机载平台220的位置大约是在海拔15英里并且在集中式基站210的正上方。对每一个投射到机载平台220的1°波束而言，机载平台220上的每个覆盖区近似等于15sin1°，对每一个覆盖区230i-n来说，这大约是一个0.26英里的直径。在与图4相似的结构中，这19个小区中的每一个小区都在机载平台220上具有一个相关覆盖区230i，而在给出了上述条件的情况下，机载平台底径可以达到5个覆盖区230i或大约1.3英里那么宽。
机载平台220底部的通信路径覆盖区230i-n的重叠、机载平台220底部曲率增加或是通信路径240i-n的波束宽度下降，这些因素中的任何一个或是相互组合有助于减小机载平台220的反射底部区域，其中所述机载平台可用于支持具有小区覆盖区250i-n的特定地理区域。此外，机载平台曲率的提高有可能扩大小区覆盖区250i-n覆盖的地理区域。
当在一个通信系统中使用机载平台220的时候，可以使用若干个机载平台220来对源自一个集中式基站210的负载进行分发。分布式机载平台220可以联系在一起，也可以通过结网进行聚合或者自由地浮动。此外，在进行分发的同时，所述机载平台可以都对源自一个集中式基站210的通信信号进行反射。
图5和6显示的是依照本发明另一个实施例的机载平台220。如所示，所述机载平台220具有一个流线形体，以便在将风对平台220的影响减至最小的同时便于水平方向的移动。
机载平台220的顶端包括向机载平台220提供能量的太阳能电池板510。所述平台220还包括一个机动系统，在这个系统中包含了一个用于推进系统640、压载系统或是同时用于这两个系统的进风口520。虽然这个实施例包含了一个集中在平台220顶端的进风口520，但是也有可能存在处于机载平台220的不同位置的一个以上的进风口520。在进风口或出风口处于一个反射表面的情况下，可以在进风口520或出风口上安插一个网状物，以便在提供反射特性的同时允许空气经过。
举例来说，如J.J.Vorchek提交并在1973年7月17日授予的美国专利3,746,282以及J.L.Rand等人提交并在1992年4月14日授予的美国专利5,104,059中所公开的那样，机载平台220也可以是一个气球，其中上述这两个专利在此全面引入作为参考。这些高空气球能在大于几个月的时段保持在大于海拔120,000英尺的高度，同时支持一个有效载荷。
虽然在无线电信系统200中支持集中式基站210的平台220也许能够支持长距离操作，但是几个平台也可以轮换服务一个地理区域。通过调度另一个接近第一平台220的平台以及将集中式基站210的天线重新定向到减载平台220，所述系统200能够进行平台220的切换。其中所述切换是由集中式基站210进行协调的。随后，与无线终端进行的所有通信会话将会由一个减载的机载平台220来进行处理。
图6显示了机载平台220的剖视图的一个实施例。图6的机载平台220包括图5的元件并且还包括一个气体室610、气窗620、推进系统640、位置控制系统650以及地面通信系统660。
气体室610i-n分布在机载平台220的不同位置并且可以包括氦或另一种比空气更轻的气体或是有助于提升和增强机载平台机动性的气体。如果机载平台220被击穿或者存在泄漏，那些这种气体的区域化有助于减少系统出现故障的风险。其中某些气体室610i-n还可以是压载舱。而用作压载舱的气体室610i-n吸入并呼出平台220之外的空气，以便引入和消除压载物。针对压载物的控制则有助于控制机载平台的稳定性。
推进系统640被用于参与平台220的调度。推进系统640可以采用由电动机驱动的螺旋桨的形式。诸如太阳电池阵列510这样的电源则位于平台顶部，以便在白天提供驱动推进系统640的能量并对平台220内部的电池进行充电。所述电池则用于在夜间飞行的时候向推进系统640供电。尽管这里是将平台220公开成了具有包含电动机驱动的螺旋桨的推进系统640，但是也可以使用一个将平台220保持在地面上方的相当静止的位置的恰当推进系统，例如喷气式发动机、火箭引擎、离子发动机等等。
气窗620被用于引导那些来自推进系统640并处于不同方向的气流，以便帮助进行调度。调度系统包括推进系统640和气窗620，以便帮助调度机载平台220，并且相对于高度至少为海拔15英里的机载平台220所服务的地理区域上的地面来对机载平台220进行定位。良好性能会在海拔15到20英里的地方出现。
位置控制系统650使用全球定位系统(GPS)或是其它位置确定系统来帮助机载平台220检测它是否处于一个不方便的位置，其中举例来说，所述其他位置确定系统可以是惯性制导系统或是使用了地外物体的位置来确定位置的导航系统。机载平台220向集中式基站210发送位置信息并且等待位置控制信息。作为选择，位置控制系统650可以不包括位置检测设备。取而代之的是，机载平台220接收集中式基站210上产生的位置控制信息。作为选择，位置控制系统650可以产生位置控制信息并且将其直接发送到机载平台220的调度系统。机载平台220的调度系统则根据位置控制信息来处理和调度机载平台220。
通信系统660帮助机载平台与集中式基站210传递控制信息。机载平台220与集中式基站210之间的这个控制通信可以采用红外线、微波、光学或其它电磁通信系统的形式。
图7描述的是根据本发明一个实施例的集中式基站210的一个实施例。集中式基站210被配置成向机载平台220发送信号并且接收机载平台220向下反射的无线用户信号。如所示，集中式基站210包括一个连接到天线系统710的控制器750，一个机载平台定位器720，一个可选通信系统730以及一个干线接口770。所述控制器750将会执行若干个功能，例如处理无线通信、校准定向天线以及操作机载平台220。下文将对其中每一个功能进行详细描述。
在处理无线通信的过程中，控制器750执行与一个或多个对与移动台的通信进行处理的基站相同的操作(未显示)。并且在一个示范性实施例中，控制器750执行移动交换中心(MSC)的操作。在用作MSC的时候，集中式基站210还用于监视呼叫、收集计费信息等等。在与MSC(未显示)、另一个基地或集中式基站或是PSTN进行通信的时候，所述控制器750经由干线接口770进行通信。所述干线接口770则提供了允许电信系统200的部件与外部电信系统进行通信的转换服务。在与移动台进行通信的过程中，控制器750经由天线系统710来发送和接收信号。
根据支持的小区数目，天线系统710包含了一个或多个定向天线。这些定向天线被配置成发送无线通信信号以及接收无线用户信号。所示天线系统710可以使用窄波束定向天线来加以实现，其中所述天线在例如824到894MHz(蜂窝)或1900到2000MHz(PCS)这样的分配范围中发射一个窄波束。举例来说，所述天线可以是一个在Navstar全球定位卫星中使用的窄波束螺旋天线。在John D.Kraus编著的Antennas第二版第270和271页中进一步论述了相似的螺旋天线。由于窄波束传输所反射的覆盖区相对而言是可以预测的，因此这种窄波束传输是非常有利的。举例来说，所述窄波束传输被用于为给定地理区域创建一个蜂窝覆盖区。此外，窄波束传输有利于低电平RF功率的更均匀分布，由此减少了居住区的辐射电平。
天线系统710经由机载平台220的反射来向移动设备发送通信信号，并且经由机载平台220的反射来接收那些源自移动设备的无线用户信号。所述移动设备(例如移动电话、PDA等等)包括从上方接收无线通信信号并且向上发射无线用户信号的专用天线。移动设备的传输可以是定向的，并且可以具有很宽或很窄的带宽。宽的传输波束宽度(例如180°)允许在许多方向上对移动设备进行调度，其中所述设备的天线通常将信号引导到机载平台220。
控制器750还对天线系统710加以控制，以便增强其与机载平台220的校准。具体地说，控制器750经由机载平台定位器720来接收机载平台220的位置信息。然后，控制器750确定机载平台220的位置，基于机载平台220的位置产生天线控制信息，并且基于天线控制信息来调整天线系统710中的天线。机载平台定位器720包括一个雷达系统，也可以包括其他使用从机载平台220接收的反射信号强度的系统，以便帮助确定机载平台220的位置。
控制器750还可以监视和/或控制机载平台220的操作。在一个示范性实施例中，当控制器750基于来自机载平台定位器720的位置信息确定机载平台220移到了不合要求的位置的时候，控制器750产生位置控制信息并且将其发送到机载平台220。作为选择，控制器750可以从机载平台220接收关于机载平台220的位置信息，并且基于接收到的位置信息来产生位置控制信息。在控制器750与机载平台220之间也可以交换其它信息，例如系统状态信息和内部系统控制信息。
在一个示范性实施例中，这个信息是经由天线系统710发送到机载平台并且经由天线系统710而从所述机载平台接收的。在另一个示范性实施例中，集中式基站210被配置成使用基地/平台通信系统730来与机载平台220交换信息。所述信息交换是经由基地/平台通信系统730与机载平台220的通信系统660之间的通信链路进行的。基地/平台通信系统730和赠送(complimentary)的通信系统660可以是微波系统、其它RF系统，光学系统或窄波束系统。
除了上述结构之外，集中式基站210与另一个集中式基站之间的通信可以经由一条由机载平台220或其它机载平台反射的通信链路来加以实现。在一个具有有限的长途电话网络的地理区域中，例如某些第三世界国家，经由机载平台220所进行的集中式基站210之间的通信可用于提供长途无线电通信。
此外还有可能有必要使用另一个机载平台来替换机载平台220。这时，控制器750可以承担对从一个机载平台220切换到另一个机载平台所进行的协调的附加任务。这个处理可以通过这两个控制机载平台220的移动来实现，和/或通过控制天线系统710中的定向天线方向来实现。
依照本发明的通信系统考虑到了在郊区这种孤立区域中放置一个集中式基站；相对某些有时伴随分布式天线部署出现的环境损害而言更小的环境损害，给定区域中的电信系统的快速部署，相对廉价的电信系统，基站与移动设备之间通信中有所减少的电磁辐射以及移动设备的降低功率的需求。
应该理解的是，以上描述只给出了示范性实施例。在不脱离本发明范围的情况下，本领域技术人员可以设计多种其他方案。