[发明专利]用于高空平台(HAP)通信系统的移动性和功率管理

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年2月17日提交的美国临时专利申请序号61/940805、2014年2月28日提交的美国临时专利申请序号61/946575以及2015年2月17日提交的美国非临时专利申请序号14/624320的优先权。

背景技术

随着这些年因特网业务增加，需要新技术以较低成本向家庭和企业以及向尚未覆盖的地方交付宽带接入。当前宽带接入系统具有多个缺点。一个问题是边远、人口稀少和不发达区域中的服务的缺乏。地球同步卫星在发达世界（例如美国内）的边远区域中提供服务。但是，例如非洲的世界较贫穷区域缺乏充分卫星容量。

在世界的贫穷地区尚未充分提供卫星容量的一个显著原因是卫星系统的较高成本。由于卫星轨道中的不利大气效应，卫星硬件必须合乎太空质量并且是高成本的。使卫星进入轨道的运载火箭也是高成本的。此外，由于卫星的发射风险和高成本，存在确保卫星和发射的大量成本。因此，宽带卫星系统和服务是较高成本的，并且在世界的贫穷地区难以证明是合理的。在人口稀少地区部署诸如光纤或微波链路之类的陆地系统也是高成本的。订户的小密度没有证明部署成本是合理的。

因此，存在对于使用航空平台向贫穷、人口稀少和不发达地区提供宽带服务的高效方式的需要。

发明内容

诸如飞机、气球和遥控飞机或无人航空器(UAV)的许多高空平台(high altitude platform，HAP)已经或者将要部署在世界的各个地区。这类平台可按照比典型卫星网络更为成本有效的方式来部署。

一些实施例提供将地面终端(GT)从HAP波束（beam）切换（handoff）到另一个HAP波束(HAP内切换)的方式。地面终端从相邻HAP波束的波束到与GT进行通信的HAP波束来测量接收信号上的接收信号强度(RSS)，并且选择其RSS处于服务波束的RSS的阈值之内或者超过服务波束的RSS的阈值的相邻波束作为候选HAP波束。GT在发现候选HAP波束时可向候选HAP波束无线电单元发送切换请求消息。候选HAP波束无线电单元可向HAP服务波束无线电单元发送请求关于GT IP会话的信息的信息请求消息。HAP服务波束无线电单元可在信息响应消息中向候选HAP波束无线电单元发送所请求信息。候选HAP波束无线电单元可向HAP子系统发送地址映射消息，以通过将地面终端的IP地址映射到候选HAP波束无线电单元媒体接入控制(MAC)地址来改变其路由选择表。接着，候选HAP波束无线电单元可向GT和HAP子系统发送切换完成消息，并且成为新的HAP服务波束。以前的HAP服务波束无线电单元可向GT发送任何未决分组，以及向新的HAP服务波束无线电单元发送去往地面终端的新分组。

一些实施例描述将GT从一个HAP切换到另一个HAP(HAP间切换)的系统和方法。GT可在来自和与地面终端进行通信的HAP相邻的HAP的接收信号上测量接收信号强度(RSS)，并且选择其RSS处于服务HAP的RSS的阈值之内的相邻HAP作为候选HAP。GT在发现候选HAP时可向候选HAP发送切换请求消息。候选HAP可向服务HAP发送请求关于GT IP会话的信息的信息请求消息。服务HAP可在信息响应消息中向候选HAP发送所请求信息。候选HAP可向HAP子系统发送地址映射消息，以便通过将GT的IP地址映射到候选HAP MAC地址来改变其路由选择表。接着，候选HAP可向GT和HAP网络子系统发送切换完成消息，并且成为新的服务HAP。以前的服务HAP可向地面终端发送任何未决分组，以及向新的服务HAP发送去往地面终端的新分组。

一些实施例为GT提供至少两个天线孔径/波束，称作搜索天线的一个天线孔径/波束可用来搜索HAP间切换中的候选HAP，以及称作通信天线的第二天线孔径/波束可用来与服务HAP进行通信。在HAP间切换期间，搜索天线可首先建立与新的服务HAP的通信链路。接着，通信天线可操纵（steer）其波束朝向新的服务HAP，并且从搜索天线接管与新的服务HAP的链路。搜索天线开始搜索新的候选HAP。这个方案导致HAP网络与GT之间的不间断通信。搜索天线的大小可比通信天线要小，以减少GT大小和成本。

一些实施例提供使HAP通信有效载荷的功率消耗为最小的方式。HAP网络子系统可实现睡眠模式，其中子系统在没有接收或传送数据时进入睡眠模式。HAP通信有效载荷可支持“通-断”占空比，其中在通周期期间，子系统是活动的并且接收/传送数据，而在断周期期间，子系统处于睡眠模式以节省功率。“通-断”占空比模式允许系统调整对业务的功率消耗。