混合通信的制作方法

1.本发明涉及一种用于在陆基用户设备(ue)和核心网络之间提供无线通信的方法和装置。特别地，但非排他地，本发明涉及一种通信网络，其包括卫星和例如高空平台(hap)之类的航空载具，由此通过hap和卫星的组合在陆基用户设备和核心网络之间提供通信链路。


背景技术：

2.多年来航空载具一直被建议用来提供高带宽无线通信。航空载具的一个例子是hap。有各种类型的hap，例如系留气球或有人驾驶飞机或无人驾驶飞机。hap可以被部署在平流层，高度范围为15
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22公里。然而，尽管hap覆盖的视距(los)范围比地面通信链路覆盖的要广阔的多，它们目前还没有覆盖足够的区域来支持全球通信。
3.多年来，使用卫星的全球通信已经从使用地球同步(geo)卫星(海拔35000公里)发展到近地轨道(leo)卫星(海拔160
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2000公里)，以减少延迟以及大气和自由空间损失。然而，陆基ue和蜂窝网络基础设施(核心网络)之间通过卫星的通信链路仍然受到容量和传播延迟的限制，导致要更大的卫星和/或更多数量的卫星来支持高功率通信，以试图克服信号损失。例如，由于云造成的大气中光信号的衰减和闪烁的影响，陆基通信设备和卫星之间的光链路不可靠。通过卫星通信支持蜂窝设备需要高带宽以覆盖大面积区域。这需要更多具有更高功耗的卫星来生成rf通信链路。
4.在传统的leo卫星通信系统中，面内(in
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plane)光学星间链路是连续的，而交叉平面(cross plane)链路会暂时断开并在极端纬度处重新连接。交叉平面链路的这种断开导致不完整的网状网络，其高纬度的边缘不会环绕来形成一个环绕网络。这些非包裹边缘会降低网络路由效率，从而增加延迟并降低容量。
5.随着世界范围内对高数据速率的需求增加，卫星通信链路和hap通信链路的组合已经被提出，但是这种组合需要增加卫星和航空载具的有效载荷，以支持能够为地面上的蜂窝(cell)提供足够带宽的通信设备。此外，将rf和毫米波频率用于卫星
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hap链路需要使用多个卫星来支持带宽需求。此外，迄今为止，上述通信系统的组合都不能为城市上空的大容量服务提供全球的点对点通信链路。此外，在没有中间陆基站或终端的情况下，上述系统都不能提供与用户设备相连的直接通信。对额外地面设备的需求为通信网络增加了显着的“最后一英里”基础设施成本。另一个问题是，由于从轨道到平流层的rf信号的自由空间损耗，从卫星星座到hap的rf链路的功率效率不高。这增加了给定网络容量所需的卫星数量，进而增加了网络基础设施成本。


技术实现要素：

6.本发明的目的是至少部分地缓解一个或多个上述问题。
7.本发明的某些实施例的目的是提供至少一颗近地轨道卫星和至少一个航空载具之间的光通信链路。
8.本发明的某些实施例的目的是提供近地轨道卫星之间的光通信链路。
9.本发明的某些实施例的目的是提供至少一个hap和至少一个ue之间的无线通信链路。
10.本发明的某些实施例的目的是提供在至少一个航空载具和至少一个陆基站之间的无线通信链路。
11.本发明的某些实施例的目的是提供在航空载具之间的相应的光通信链路。
12.本发明的某些实施例的目的是提供用于至少一个光通信链路的广角光束转向的万向架支撑件。
13.本发明的某些实施例的目的是提供至少一个航空载具，作为用于在至少一个近地轨道卫星和至少一个另一个航空载具之间进行通信的集线器(hub)。
14.本发明的某些实施例的目的是提供至少一个安装到航空载具上的光学相控阵。
15.本发明的某些实施例的目的是提供至少一个使用安装在航空载具上的光学相控阵的激光通信链路。
16.本发明的某些实施例的目的是提供至少一个光学相控阵，其可选地提供激光通信链路，用于光束形成和/或光束转向。
17.本发明的某些实施例的目的是为光通信链路提供波分复用(wdm)。
18.本发明的某些实施例的目的是在单独的光学相控阵内提供wdm。
19.本发明的某些实施例的目的是在用于光通信链路的分隔的光相控阵之间提供wdm。
20.本发明的某些实施例的目的是提供被布置在近地轨道星座中的卫星。
21.本发明的某些实施例的目的是在至少一个航空载具上提供进化的节点b(evolved node b)设备。
22.本发明的某些实施例的目的是为陆基ue提供双向高数据速率通信链路。
23.本发明的某些实施例的目的是提供一种装置和方法以及通信网络，由此通过由卫星和航空载具结合提供的通信链路的组合提供陆基用户设备和核心网络之间的通信链路。
24.本发明的某些实施例的目的是提供hap网络和卫星网络以适应移动陆基ue在例如全球网络的广域网上的通信。
25.本发明的某些实施例的目的是提供至少一个hap近卫星轨道交叉点。
26.根据本发明的第一方面，提供了用于在陆基用户设备(ue)和至少一个核心网络之间提供通信的装置，包括：
27.多个近地轨道卫星，每个近地轨道卫星包括至少一个星基光发射器元件和至少一个星基光接收器元件，用于提供至少一个光通信链路；以及
28.至少一个航空载具，包括用于提供至少一个光通信链路的至少一个基于航空载具的光发射器元件和至少一个基于航空载具的光接收器元件，以及用于提供陆基站和/或移动ue之间的无线通信链路的至少一根定向天线。
29.优选地，所述多个近地轨道卫星中的每一个包括至少一个星基光学收发器元件，所述星基光学收发器元件包括至少一个星基光发射器元件和至少一个星基光接收器元件。
30.优选地，所述至少一种航空载具包括至少一个基于航空载具的光学收发器元件，所述基于航空载具的光学收发器元件包括所述至少一个基于航空载具的光发射器元件和
所述至少一个基于航空载具的光接收器元件。
31.优选地，每个航空载具包括至少一个光学相控阵。
32.优选地，每个航空载具包括至少一个基于航空载具的光终端，每个光终端包括至少一个基于航空载具的光发射器元件和至少一个基于航空载具的光接收器元件。
33.优选地，每个航空载具包括至少一个基于航空载具的光终端，每个光终端包括至少一个基于航空载具的光学收发器。
34.优选地，所述至少一个基于航空载具的光终端包括至少一个基于航空载具的光学相控阵。
35.优选地，每个近地轨道卫星包括至少一个星基光终端，每个光终端包括至少一个星基光发射器元件和至少一个星基光接收器元件或至少一个星基光学收发器元件。.
36.优选地，所述至少一个基星光终端包括至少一个光相控阵。
37.优选地，至少一个航空载具包括基于航空载具的万向架转向构件(gimble steering member)，其将至少一个基于航空载具的光发射器和至少一个基于航空载具的光接收器与航空载具相连。
38.优选地，至少一个近地轨道卫星包括将至少一个星基光发射器和至少一个星基光接收器与近地轨道卫星相连的星基万向架转向构件。
39.优选地，所述至少一个无线通信链路是rf通信链路。
40.优选地，所述每个光通信链路包括波分复用(wdm)点对点双向自由空间光链路。
41.优选地，所述多个近地轨道卫星包括卫星的动态环形网格。
42.优选地，所述卫星的环形网格包括至少四个星间链路。
43.优选地，所述至少一个航空载具包括多个高空平台(hap)的伪静态可重构蜂窝网状网络。优选地，多个hap包括至少一个集线器hap和多个非集线器hap；以及每个集线器hap被布置来从多个非集线器hap收集数据。
44.优选地，每个集线器hap包括多个光学收发器和/或多根定向天线。
45.优选地，每个航空载具被布置来通过简单的星形拓扑与多个用户设备和/或至少一个核心网络通信。
46.优选地，至少一个航空载具位于相邻卫星轨道平面的轨道平面交叉位置附近。
47.优选地，每个航空载具被安排来中继平面间(inter
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plane)星间链路(isl)。
48.优选地，每个航空载具被安排来在高纬度中继平面间星间链路(isl)。
49.根据本发明的第二方面，提供了一种用于在陆基用户设备(ue)和至少一个核心网络之间提供无线通信的方法，包括以下步骤：
50.提供至少一个陆基ue和多个航空载具中的第一航空载具之间的无线通信链路；
51.提供第一航空载具和多个卫星中的第一卫星之间的光通信链路；
52.提供所述第一卫星和所述多个卫星中的另一个卫星之间的至少一个第一星间光通信链路；
53.提供所述另一个卫星和多个所述航空载具中的另一个航空载具之间的又一个光通信链路；以及
54.提供从包括所述另一个航空载具或所述多个航空载具中的又一个航空载具的终极(final)航空载具到至少一个ue或到与核心网络通信的陆基站的终极无线通信链路。
55.优选地，所述方法进一步包括提供从所述包括另一个航空载具或所述多个航空载具中的又一个航空载具的最终航空载具到至少一个光学地面站的终极光通信链路。
56.优选地，所述方法进一步包括通过所述无线通信链路、所述另一个无线通信链路、所述第一星间无线通信链路、所述又一个无线通信链路和终极无线通信链路在ue和核心网络之间进行通信。
57.优选地，所述方法还包括同时提供多个ue与核心网络之间的通信。
58.本发明的某些实施例提供hap和卫星之间的双向光通信链路。
59.本发明的某些实施例提供hap之间的双向光通信链路。
60.本发明的某些实施例提供了至少一个空中基站，减少了地面上所需的通信设备。
61.本发明的某些实施例提供用于在一个或多个陆基ue与一个或多个核心网络之间提供无线(例如rf)通信的装置，由此多个卫星和多个航空载具(例如hap或类似)可以一起组合运行以提供连接无法通过单个hap或单个卫星互连的地理区域的无线通信链路。
62.本发明的某些实施例提供包括卫星和航空载具的通信网络，这些卫星和航空载具能够可选地与光通信链路等相互通信，由此提供了提供重要地理范围的高度网格化网络。
63.本发明的某些实施例提供了可选地安装在航空载具或卫星上并且包括粗光束转向机构和细光束转向机构的定向光学收发器。这使得高度通用的转向系统能够被提供以在卫星之间或hap之间或卫星与hap之间提供(例如光学自由空间)通信链路。每个光学收发器可以包括至少一个光学相控阵。收发器/相控阵可以是光终端或光终端的功能部件。
64.本发明的某些实施例提供一种使用至少一个hap在卫星轨道交叉点处维持星间通信链路的方法。
65.本发明的某些实施例提供一种使用至少一个hap创建和反向旋转轨道中的卫星或非相邻平面中的卫星的链路的方法。
附图说明
66.现在将仅以示例的方式参考附图来描述实施例，其中：
67.图1示出了在一个或多个可以分布于全球的核心网络和陆基用户设备之间提供广域通信的卫星和hap网络；
68.图2示出了包括安装在通用万向架支撑机构上的光学相控阵发射孔和聚焦接收孔的可转向光通信终端的示例。
69.图3示出了通过hap和卫星连接陆基用户设备和核心网络的通信网络，以及确定了在每一层网络可用于网络的组件；
70.图4a示出了近地轨道卫星和与hap的蜂窝网状网络相连的集线器hap之间的通信链路；
71.图4b示出了hap的蜂窝网状网络；
72.图4c示出了围绕中心核心集线器hap的ue、网关或其他蜂窝网络设备的星形排列；
73.图4d示出了由以星形拓扑与陆基设备相连的单个hap有效载荷覆盖的rf蜂窝；
74.图5示出了被组织成环形网状网络的卫星的2d投影，其中卫星在轨道平面内和轨道平面之间相连；以及
75.图6示出了从极点上方观察到的围绕地球的卫星的轨道，其中轨道交叉点的通信
链路损失由hap支持。
具体实施方式
76.在附图中，相同的参考数字指代相同的部件。
77.图1示出了通信网络100，其包括卫星105(图1中示出了四个)和hap110，用于在至少一个核心网络115和用户设备(ue)120的陆基用户之间建立广域通信链路。该广域通信链路可以是世界范围的通信链路，或者是分布在横跨单个大陆或横跨单个国家或州的节点之间的链路。在示例实施例中，在核心网络115和至少一个陆基ue120之间存在通信路径。与至少一个核心网络115相连的陆基站125提供毫米波通信链路130或其他这种无线链路到至少一个hap110。该至少一个hap110可以包括用于通过至少一个光通信链路135与至少一个卫星105通信的光通信设备。优选地，该至少一个光通信链路135可以是点对点的自由空间光通信链路。
78.每个卫星105(图1中示出四个)可通过至少一个光通信链路140与至少一个另一个卫星105通信。该至少一个另一个卫星可以通过至少一个光通信链路155与至少一个集线器hap150通信。该至少一个集线器hap150可以通过至少一个hap间光通信链路160与至少一个另一个hap110通信。
79.该至少一个hap110可以向覆盖区域170内的至少一个陆基ue120提供至少一个无线通信链路165。该至少一个无线通信链路165可以是蜂窝通信链路或毫米波通信链路。
80.图2示出了安装了光终端200的万向架的示例实施例，该光终端200包括至少一个光学相控阵。该安装了光学相控阵的万向架可被安装到航空载具和/或卫星上。可选地，多个光终端可以安装到每个hap和/或卫星上。可选地，该光终端可安装到没有万向架210的航空载具或卫星上。该光终端200可包括至少一个光学收发器。可选地，至少一个光学收发器可被安装到每个hap和/或卫星上。
81.在关于图2描述的示例实施例中，该包括光学相控阵200的终端200包括单个中央接收孔230和多个(图2中示出了18个)具有单个和/或多个波长发射孔的光学相控阵220。当然可以使用接收孔和/或发射孔的其他数量和位置。可选地，光终端200可包括一种或多种类型的孔的阵列，其中孔的类型可以包括接收孔230和/或单和/或多波长发射孔220。
82.在替代实施例中，至少一个光学相控阵可被安装到至少一个卫星和/或至少一个hap上。可选地，该至少一个相控阵可以被安装在万向架构件上以及安装到至少一个卫星和/或至少一个hap上。可选地，该至少一个光学相控阵可以被安装到至少一个卫星和/或至少一个具有至少一个单独的接收器的hap上。可选地，该至少一个光学相控阵可以被安装到至少一个卫星和/或至少一个具有单独的光学收发器的hap上。
83.示例光学相控阵可以实现光电光束转向。可选地，可以使用由接收孔230馈送的2d焦平面阵列检测器和质心技术来控制光学相控阵的转向，以获得两个终端/收发器之间的相对角对准的亚像素测量。hap的运动相对于卫星的运动可能是静态的。质心技术可以包括测量目标光终端的角坐标和确定可以包括适当的点前角以正确地转向光束的指向向量，从而实现光终端共对准的闭环控制。光电光束转向精度可以在微弧度(μrad)量级。该光终端200的转向，以及因此该至少一个光学相控阵，可以包括使用万向架支撑件210的广角转向。可选地，光学相控阵的转向可以使用光学接收器230和质心技术来控制。
84.图3中所示的框图示出了包括hap和卫星的通信网络300的示例实施例。该网络包括三个有效层：图3底部所示的接地层301；hap层302；以及空间层(space layer)303。
85.地面层301定义了网络的地面原件并且包括陆基ue120；与至少一个陆基站相连的核心网络115(未示出)，进一步包括至少一个陆基基站310和/或至少一个宽带宽网关315；和/或至少一个光学地面站(gsn)318。该光学gsn318可以通过陆基光纤链路与至少一个核心网络连接。可选地，该至少一个陆基基站310可包括至少一个enodeb和/或至少一个核心网络网关115。可选地，网络的地面元件可以已经存在，因此本发明的某些实施例可以被“改造”到现有网络。
86.hap层302定义了网络的空中(例如平流层的)域元素并且包括与相应hap110相关联的至少一个hap节点320，该hap110可以与至少一个另一个hap相连。可选地，该hap节点320可以与hap110的蜂窝网状网络325相连。可选地，其他类型的网络拓扑可以用于hap的网络。hap间连接160可以包括光学自由空间或rf通信链路。
87.该hap节点320包括有效载荷330，该有效载荷330包括rf(或其他此类无线)通信设备，用于向至少一个陆基ue120提供至少一个通信链路165和/或向至少一个毫米波网关315提供至少一个通信链路345。hap和ue之间的该无线通信链路165可以包括rf和/或毫米波通信链路。有效载荷330可以进一步包括至少一根定向天线。
88.该hap节点320可进一步包括至少一个与有效载荷330的无线通信设备相连的基站327。可选地，该hap节点320可以进一步包括路由器350，用于管理来自各种类型的通信链路的传入和传出通信信号。该hap节点320可以包括光终端355，其可包括激光基带设备和至少一个光学相控阵。如果天气允许，至少一个hap节点320也可以与至少一个光学地面站(gsn)318形成直接的自由空间光通信链路。可选地，该光终端355可以进一步包括光接收器。或者，该光接收器可以被单独提供给该光终端355。该示例光终端可以实现波分复用(wdm)。光学相控阵可使用多个共对准的单波长发射孔来实现wdm。光学相控阵(opa)可以通过单个光学相控阵发射多个波长的光来实现wdm。wdm可以使用多个opa孔和/或来自单个孔的多个波长的组合来实现。hap节点320的组件可以通过光纤和/或有线和/或无线链路互连。
89.空间层303可以包括由相应卫星105提供的至少一个卫星节点365，该卫星节点365可以包括至少一个用于提供双向卫星
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hap光通信链路135的卫星
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hap光终端370和一个用于提供双向星间光通信链路140的光终端372和路由器375。可选地，可以为卫星
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hap和星间双向光通信链路提供一个光终端。可选地，卫星节点365可以与至少一个另一个卫星建立星间通信链路140，其中星间通信链路可以包括光通信链路。可选地，另外的卫星之间的卫星间通信可以形成卫星105的网络380。示例卫星网络结构可包括环形网状网络。可选地，卫星网络380的其他hap节点可以与蜂窝网状网络或其他网络拓扑325中的其他hap节点建立光通信链路。
90.卫星节点365的光终端370、372中的至少一个可包括激光基带设备和至少一个光学相控阵。该卫星
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卫星光终端372可以建立多条双向星间通信链路140。该卫星
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hap光终端370可以建立至少一个以及可选的多个具有至少一个hap节点320的双向光通信链路135。该卫星节点的路由器375可用于通过网络的最佳路由来交换数据。可选地，路由连接的方法可以包括使用应用于整个地面、空中和空间网络的dijkstra最短路径算法或类似的。
91.图4a示出了与hap节点320相连的卫星105(图4a中示出了三个)。至少一个卫星105
可以通过至少一个星间通信链路(isl)140与另一个卫星105通信，和/或通过至少一个光通信链路135与至少一个hap节点320通信。可选地，hap节点320可以充当集线器hap400。该至少一个集线器hap节点400可以与形成网络325的一部分的hap的网络通信。该集线器hap400可以同时与多个卫星节点105通信。hap网络的hap间连接可以包括至少一个光通信链路。可选地，该hap网络可以是可重新配置的。
92.从上方观察的示例hap蜂窝网状网络325的图示在图4b中示出。可选地，hap网络可以形成替代结构。该hap蜂窝网状网络325包括至少一个通过至少一个通信链路160与至少一个另一个hap110互连的hap110。可选地，该至少一个通信链路160可以包括至少一个光通信链路。可选地，蜂窝网状网络325的至少一个hap110是集线器hap400。
93.图4c示出了由单个hap410和各种陆基ue和核心网络通过来自安装在hap410上的至少一根定向天线的rf无线链路形成的互连的星形拓扑。图4c中示出的至少一个hap可以向整个服务区420提供无线通信，如图4d所示。与服务区相关联的覆盖区420可以被划分为蜂窝450(图4d中示出了四十八个)。可选地，覆盖的蜂窝的大小和数量可以根据用户需求而变化。
94.图5示出了布置到轨道平面中的卫星105的示例阵列500的2d投影。该2d投影示出了至少一个被布置进代表轨道平面510的垂直环和代表交叉轨道平面链路的水平环520(示出了四个)里的卫星505。可选地，卫星平面和/或卫星可以根据需要被添加到阵列和/或从阵列中被移除。该阵列可以形成星座。示例卫星星座可以包括环形(toroidal)星座或巴拉德玫瑰花结(ballard rosette)星座或沃克(walker)星座或类似的。
95.卫星轨道600和hap110的示例投影在图6中示出。图6中示出的透视图来自地球两极之一的上方。至少一颗卫星可以被组织到至少一个轨道平面605中。在该示例实施例中，至少一个轨道平面交叉点610，面内星间通信链路被保持，然而交叉平面星间通信链路会断开并重新连接。为了克服与中断交叉平面星间通信链路相关联的不利问题，可以在至少一个轨道交叉点610附近提供至少一个hap110
c
，以在至少一个轨道交叉期间中继至少一个星间通信链路。可选地，至少一个hap110
c
可以进一步在至少轨道交叉周期之前和/或之后的一段时间内中继至少一个星间通信链路。由于轨道交叉点的位置随着地球自转而变化，因为地球的自转，中继至少一个星间通信链路的责任可以从第一hap110
c
转移到至少一个另一个hap110
f
，以及因此hap的运动要远大于卫星的轨道进动。例如，当轨道交叉点610改变位置并落在hap支持/接入区域615的范围之外，进入至少一个另一个hap支持/接入区域620时，与交叉点相关联的至少一个星间通信链路可以由另一支持区域620中的至少一个另一个hap110
f
中继。相邻的hap支持/接入区域必须具有重叠部分以维持网络链路。该方法保留了卫星网络的全连接拓扑。
96.在这个详细说明的整个说明书和权利要求中，词语“包括”和“包含”及其变体的意思是“包括但不限于”，并且它们不打算(也不)排除其他部分、添加剂、组分、整体或步骤。在这个详细说明的整个说明书和权利要求中，除非上下文另有要求，否则单数包含复数。特别的是，在使用不定冠词的情况下，除非上下文另有要求，否则详细说明应理解为考虑复数和单数。
97.结合本发明的特定方面、实施例或示例描述的特性、整体、特征或组应理解为适用于本文描述的任何其他方面、实施例或示例，除非与其不相容。本详细说明(包括任何所附
权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合方式组合，除非组合中的特征和/或步骤中至少一些是相互排斥的。本发明不限于任何前述实施例的任何细节。本发明扩展到详细说明(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的一个或新颖的组合，或扩展到如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的一个或任何新颖的组合。
98.读者的注意力集中在与本技术相关的与本详细说明同时提交或在此之前提交的所有论文和文件，这些论文和文件对本详细说明公开供公众查阅，以及所有这些论文和文件的内容通过引用并入本文。