用于在移动收发器平台正在穿过的覆盖区之间的越区切换的返回链路的预协调

摘要

一种用于执行与诸如飞机的移动平台的、基于卫星的通信链路的越区切换的系统和方法，所述移动平台正在离开第一覆盖区域并进入第二覆盖区域。为了相互间以及与网络操作中心(NOC)的通信，陆基通信链路连接每个覆盖区域中的地面站。当飞机进入两个覆盖区域之间的重叠区时，在地面站之间，以及也在每个地面站和飞机之间起动一连串的通信，以确保在飞机放弃它与第一地面站的通信链路并开始与第二地面站的通信之前由飞机接收新前向链路和返回链路分配。在多个地面站中的一个地面站检测到飞机已经进入预先限定的两个覆盖区域间的重叠区后的小于大约30秒的时间内，完成通信中的越区切换。

说明书

技术领域

本发明涉及经由卫星通信链路的地对空通信(ground-to-aircommunication)，尤其涉及用于协调诸如飞机的移动平台离开第一覆盖区和进入第二覆盖区间的返回通信链路(return communication link)的越区切换的系统。

背景技术

迄今，我们的社会和经济增长依赖的宽带数据和视频业务通常对于在诸如飞机、船、火车和汽车等移动平台来说还是不易获得。虽然有技术将这样的业务提供给所有形式的移动平台，但是以往的解决方案通常是十分昂贵、低数据速率和/或仅仅用于政府/军队用户的非常有限的市场以及一些高端海事市场(如巡航船)。

目前，经由卫星链路，各种广播电视(TV)业务可供陆地上的用户使用。这样的业务包括在专用的固定卫星业务(FSS)或广播卫星业务(BBS)卫星上的商业直播卫星(DBS)业务(例如，DirecTV和EchoStar)和诸如转播视频的定制视频。可以经由卫星链路提供的数据业务包括所有传统的因特网业务(例如，电子邮件、网络浏览和网络会议等等)，以及用于公司和政府客户的虚拟个人网络(VPNs)。

当移动平台离开一个覆盖区和进入第二个覆盖区时，在维护移动平台和基于地面的站之间的通信链路中，先前开发的试图在移动平台和一个或多个地面站之间提供因特网业务的系统已经遇到很大的困难。在这种情况下，在要求移动平台从与位于第一覆盖区内的第一基于地面的RF收发器的通信转换到与位于第二覆盖区内的第二基于地面的RF收发器的通信时，协调从第一地面站到第二地面站的通信链路的越区切换存在问题。当移动平台将离开其覆盖区时，需要通知第一地面站，以及随着足够提前的通知，与两个地面站相关的第一和第二收发器能够协调转换与移动平台的通信链路。更具体地讲，两个地面站需要互相通信以及与移动站通信，以便仅在移动平台建立与第二地面站的通信链路后，该移动平台才能被指示放弃它与第一地面站的通信链路。

当完成切换时，通知两个基于地面的收发器是很重要的。当涉及的移动平台是以高速度移动的飞机时，能够加剧该问题。根据两个覆盖区之间重叠的距离和面积，当飞机离开第一覆盖区并进入第二覆盖区时，仅仅非常有限的时间可能被用于建立新通信链路。

根据上述内容，本发明的主要目的是提供一种系统和方法，其用于协调在移动平台和位于第一覆盖区内的第一基于地面的收发器之间的当前返回通信链路的中断，以及在移动平台和位于第二覆盖区内的第二基于地面的收发器之间建立新通信链路，其中移动通信平台正经由在第一覆盖区和第二覆盖区上方沿轨道运行的卫星转发器与基于地面的收发器进行通信。

本发明的另一目的是当移动平台进入两个覆盖区间的重叠区时，在相对短的时间周期内，例如1分钟完成在移动平台和一对基于地面的收发器之间的通信链路的越区切换。

本发明的再一目的是利用每一基于地面的收发器之间的通信能够完成从第一基于地面的收发器到第二基于地面的收发器的通信链路的越区切换。所述每个基于地面收发器间的通信是确定地向第一基于地面的收发器通知已经建立与第二基于地面的收发器的新通信链路。

发明内容

用于协调在一对覆盖区之间行进的移动平台的返回通信链路越区切换的系统和方法提供上述的和其它目的。本发明的系统和方法试图使用至少一个放置在第一覆盖区上的地球同步或非地球同步轨道中的基于卫星的转发器，并且其中第一基于地面的收发器置于第一覆盖区中。至少一个第二基于卫星的转发器被放置在地球同步或非地球同步轨道中并限定了第二覆盖区，第二基于地面的收发器被置于第二覆盖区中。两个基于地面的收发器还经由基于地面的通信链路连接来相互通信。

起初，在第一覆盖区内的基于地面的收发器周期接收来自行进在第一覆盖区内的移动平台的位置信息。当移动平台进入在两个覆盖区间的预定重叠区时，第一基于地面的收发器经由陆基通信链路(land-based communicationlink)向第二基于地面的收发器发送信号，请求将通信链路越区切换至第二基于地面的收发器。然后，如果在第二覆盖区内一个以上的基于卫星的转发器可用，第二基于地面的收发器为移动平台选择分配，并将分配发送回第一基于地面的收发器。这种信息随后经由第一基于卫星的转发器向移动平台发送。所述移动平台包括用于经由每个覆盖区中的基于卫星的转发器与基于地面的收发器进行通信的RF收发器系统。然后，移动平台使用其收发器来向第一基于地面的收发器确认接收到新分配。

然后，第二基于地面的收发器轮询移动平台的存在。移动平台向第二基于地面的收发器确认新分配。一旦收到该确认，第二基于地面的收发器经由陆基通信链路通知第一基于地面的收发器，越区切换已完成。可选择地，但最好是，第一基于地面的收发器然后向第二基于地面的收发器发送一个确认，第二基于地面的收发器其后将具有与移动平台的通信链路。

重要的是，上述的越区切换需要在移动平台完全离开第一覆盖区之前完成。本发明在少于1分钟的时间之内完成上述的越区切换，并且在许多情况下是大约30秒或更少的时间。当移动平台是以高速度飞行的飞机时，需要迅速的通信链路越区切换。在这种情况下，仅仅非常有限的时间可用于协调与飞机的通信链路从一个地面站到另一个地面站的越区切换。上述系统和方法以有序的方式完成与移动平台的通信链路的所要求越区切换，并且在放弃与一个基于地面的收发器的通信链路并建立与另一个基于地面的收发器的通信链路时，在两个基于地面的收发器之间不存在含糊的可能性。

附图说明

从详细说明和附图中本发明将变得更加容易理解。

图1是本发明的系统和方法的主要部件和几个可选部件的简化视图，并且进一步图解说明了一对具有移动平台(例如，飞机)穿过的重叠区的覆盖区，此外图解说明了连接两个基于地面的收发器的陆基通信链路；

图2是图解说明在重叠区内移动平台和第一基于地面的收发器之间的一系列通信；

图3是图解说明在移动平台和第二基于地面的收发器之间的一系列通信；

图4是表示为获得用于飞机的新分配的图2中执行的步骤和两个基于地面的收发器之间的通信的步骤的流程图；

图5是图解说明用于建立在飞机和第二基于地面的收发器之间的新通信链路的图3中执行的步骤的流程图，此外图解说明在协调通信链路的越区切换中的两个基于地面的收发器之间的通信的步骤的流程图；以及

图6是说明在执行从第一基于地面的收发器到第二基于地面的收发器的越区切换中的一系列事件的时线(time line)。

具体实施方式

下列优选实施例的说明实际上仅仅是示例性的，而决不是要限制本发明、及其应用或使用。

参考图1，将给出对本发明的方法10以及装置的部件和子系统的说明，以便提供用于本发明的通信链路越区切换方案的框架。应当理解的是，结合图1中说明的某些子部件仅仅是可选的，然而进行描述和说明以让读者理解系统10在容纳各种现有的空对地通信系统方面的灵活性。

本发明的系统和方法10试图在移动平台从一个不同的覆盖区14a行进到另一覆盖区14b时管理多个移动平台12a-12f的通信链路。形成地基射频(RF)收发器的地面部分16被安置在覆盖区14a内。至少一个卫星18a，但是有可能是多个卫星18a-18c被安排在地球同步轨道(GSO)中，并且限定第一覆盖区14a的边界。至少一个卫星18d，并且最好是多个卫星18d-18f，限定第二覆盖区14b的边界。卫星18d-18f也处于地球同步轨道中。然而，可以理解非地球同步轨道(NGSO)卫星也能用在地球同步轨道卫星的地方。

每个卫星18包括至少一个无线射频(RF)转发器，并且可能是多个RF转发器。例如，卫星18a被图解为具有四个转发器18a₁-18a₄。可以理解的是，图解的每一其它卫星18如所需的那样能够具有一个以上的RF转发器以容纳在其覆盖区中运行的期望数量的移动平台12。转发器18提供移动平台12和地面部分16之间的弯管通信(bent-pipe communication)，其后移动平台12将称作飞机。每一飞机12携带具有发送和接收天线以及合适的天线控制系统的移动系统(即RF收发器)20，所述天线控制系统用于使天线跟踪在飞机正飞越的覆盖区内的卫星。在一个优选的形式中，多个天线均可以由电子可操纵相控阵天线(electronically steerable phased array antenna)组成。每个移动系统20还可以包括多个分离的RF接收机。

用于这些通信链路的频带可以包括从大约10MHz到100GHz的任何射频频带。所述转发器最好由Ku-波段转发器组成，该Ku-波段转发器在由美国通信委员会(FCC)和国际电信同盟(ITU)为固定卫星业务(FSS)或广播卫星业务(BSS)卫星指定的频带中操作。同样，可以采用不同类型的转发器(即每个卫星不需要包括多个相同类型的转发器)，并且每一转发器可以以不同的频率操作。转发器18a₁-18a₄中的每一个还包括广域地理覆盖、高效无向性辐射功率(EIRP)和高增益噪声温度(G/T)。

还参考图1，地面部分16包括与内容中心24和网络操作中心(NOC)26双向通信的基于地面的RF收发器(即“地面站”)22a。地面站22a包括基于地面的RF收发器。作用为第二地面站22b的一部分的第二RF收发器位于第二覆盖区14b中，该第二覆盖区14b被用来与在第二覆盖区14b内进行的飞机12进行通信。第二地面站22b同样包括基于地面的RF收发器。地面站22a和22b中的每一个处于与另一个地面站以及也与网络操作中心(NOC)26的双向通信中。在两个地面站22a和22b之间的通信经由基于地面的通信线路25实现。地面站22a和22b中的每一个均可以位于它们各自的覆盖区14a和14b内的任何位置。

内容中心24处于与各种外部数据内容提供者的通信中，并且内容中心24控制由它接收的视频和数据信息向地面站22a的传送。内容中心24也可以处于与网络服务提供者(ISP)30、视频内容源32和/或公共交换电话网(PSTN)34的联系中。可选地，内容中心24也能够与一个或多个虚拟个人网络(VPNs)36进行通信。视频内容源32能够提供实况电视节目，例如，美国有线新闻网(CNN^)和ESPN^。NOC 26执行各种功能，其中之一是协调在飞机12从两个覆盖区14a或14b之一运行到其它覆盖区之间的通信链路的越区切换。与在第二覆盖区14b中的地面站22b相关的内容中心24a也最好是处在与ISP 38、和/或视频内容提供者40、PSTN 42和VPN 44的通信中。也可以包括可选的空中电话系统28。

本发明的系统和方法10的主要优点是NOC 26能够以任何有序的方式和在很短的时间内协调在飞机12离开一个覆盖区14a或14b并进入其它覆盖区之间的通信链路的越区切换。通常，越区切换需要在大约1分钟内完成，当然取决于两个覆盖区14a或14b的重叠区的大小。在许多情况下，期望这种越区切换需要在大约30秒或甚至更少的时间内完成。

参考图2，将说明本发明的通信链路越区切换过程。为了简化，已经忽略了图1中的几个可选部件。同样。仅两个卫星18被图解说明为被用在每个覆盖区14a和14b中。应当注意到，重叠区14c存在于覆盖区14a和14b之间。该重叠区可以显著地变化。然而，在商用或军用飞机以高速，通常超过500mph飞行时，需要以有序的和非常迅速的方式完成越区切换，以便飞机12基本保持与一个或其他地面站22a或22b的稳定通信。仅仅作为示例的目的，每个卫星18a、18b、18c和18d将被描述成分别携带单个转发器18a₁、18b₁、18c₁和18d₁。然而，应当理解的是，根据在覆盖区14a和14b内所期望的通信量，任何一个或多个卫星18可以容易携带一个以上的转发器。

参考图2和4，飞机12通过经由其移动系统20向由卫星18b携带的所分配的“返回链路(return link)”转发器18b₁发送信号来周期报告其在覆盖区14a中的位置。术语“返回链路”用来表示从飞机12经由卫星18中的一个回到地面站22a的通信。术语“前向链路”用来表示从地面站22a或22b之一到飞机12的任何通信。当在给定覆盖区14a或14b内运行时，飞机12还协调操作分配的前向链路和返回链路信道。最好，也向飞机12的移动系统20提供“公共密匙”以便可以采用与在地面站22a、22b和飞机12之间发送的数据内容有关的合适的加密方案。

进一步参考图2和4，起动从区14a到14b的飞机12的通信链路的越区切换的第一步骤包括使地面站22a请求来自NOC 26的越区切换，如图4中的步骤50所示的那样。该步骤也包括如果收发器22b发送的数据内容使用加密，则使地面站22a请求所需要的公共密匙来对由地面站22b发送的信息解密。当地面站22a检测到飞机12已经进入两个覆盖区14a和14b的重叠区14c时，地面站22a起动越区切换的请求。

接着，如图4的步骤52所示，当NOC 26开始与卫星18c和18d相应的转发器18c₁和18d₁进行通信时，它选择飞机12将要使用的前向链路和返回链路分配，该步骤也包括如果使用加密，则使地面站22b经由NOC 26向地面站22a发送包在平台公共密匙中的“业务密匙”。(插入附加的“业务密匙”的解释)。

一旦地面站22a从地面站22b收到前向链路和返回链路转发器分配，则地面站22a经由卫星18a向飞机12发送该信息，如箭头54a和54b所示，以及也如图4的步骤56所示。然后，飞机12通过从其移动收发器20经由卫星18b的返回链路转发器18b₁发送的信号来确认新的分配，如图4中步骤58，以及箭头55a和55b所示。

现在参考图3和5，将说明建立在飞机12和区域14b的地面站22b之间的新通信链路的步骤。最初，NOC 26开始轮询新用户(即飞机12)的出现，如图5的步骤60所示。该轮询通过向指定的前向链路转发器发送的信号来完成，在本示例中的前向链路转发器是由卫星18c携带的转发器18c₁。箭头62a和62b表示该前向通信链路信号。

一旦飞机12从地面站22b接收到轮询信号，则它发送确认信号回到地面站22b，该确认信号确认新返回链路和前向链路分配，如图5的步骤64所示。经由所分配的返回链路转发器发送该确认信号，在本示例中的返回链路转发器包括卫星18d携带的转发器18d₁。该返回链路也在图3中由箭头66a和66b指定。

一旦地面站22b接收到来自飞机12的确认，则地面站22b经由陆基通信线路25向NOC 26发送表示已经完成越区切换的信号，如图5的步骤68所示。然后NOC 26向地面站22a转发该信息。随后，地面站22a经由陆基通信线路25和NOC 26向地面站22b发送确认，确认地面站22b现在已经与飞机12进行通信，如步骤70所示。一旦发生该情况，NOC 26将飞机12加到与地面站22b进行通信的有效移动平台的列表中，如步骤72所示。最后，NOC 26从与地面站22a进行通信的有效移动平台的列表删除飞机12。

现在参考图6，图解说明用于根据图2-5所描述的越区切换序列的时线(time line)。该时线说明了完成上述越区切换序列的每个步骤的大约的时间。从区域14b的地面站22b请求前向链路和返回链路分配大约用2秒或更少的时间，如时间间隔76所示。使地面站22b经由陆基通信线路25向地面站22a发送前向链路(FL)和返回链路(RL)分配的步骤，以及使地面站22a向飞机12发送这些分配的步骤包括大约5秒或更少的时间，如时间间隔78所示。在大约10秒或更少的时间内，飞机12锁定在前向链路和返回链路分配上，如时间间隔80所示。然后，地面站22b经由所分配的返回链路从飞机12接收到确认，以及当NOC 26从其有效移动平台的列表中删除飞机时，地面站22a放弃与飞机12的通信链路。这发生在大约5秒或更少的时间内，如时间间隔82所示。其后，飞机12开始将其位置数据发送到地面站22b。因此，从飞机12进入覆盖区14a和14b之间的重叠区14c的时间起的30秒时间内良好地完成整个越区切换序列。

因此，本发明的装置和方法12提供当移动平台离开第一覆盖区并进入第二覆盖区时，用于保证从位于第一覆盖区内的第一地面站到位于第二覆盖区内的第二地面站的通信的有序传递。尽管根据飞机说明了前述示例，但应该理解的是，所述越区切换序列能够正好容易地用在要求行进在两个或多个相邻的覆盖区的船或任何其它的移动平台上。重要的是，本发明提供的越区切换方案使飞机的通信能够在非常短的时间范围内完成。由地面站22a和22b的每一个发送的确认信号还保证在飞机与其正在进入的新覆盖区的地面站之间形成RF连接之前，将不放弃和飞机12的现有通信链路。

本领域的技术人员现在能够从前述中理解本发明的主要技术可以以各种形式实现。也可以理解在此的特定实施例中的优选实施例的变化能够容易地在其它实施例中实现。所以，虽然本发明已经结合其特定示例进行了说明，本发明的实际范围应当不限制于此，这是因为对于技术人员来说根据附图、说明书和权利要求的研究，其它修改将是明显的。