CN108809399A - 机载通信设备及地空通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种机载通信设备及地空通信方法，其中，机载通信设备包括对地收发控制单元与对地天线阵列；在地空通信的信号强度超过预设阈值时，对地收发控制单元将来自机舱内至少一个终端的第一信息进行切割得到至少两个平行的数据子流，并将各数据子流分别映射到对地天线阵列的各阵元上，由各阵元发送给地面通信设备。本实施例提供的机载通信设备，通过与地面通信设备进行通信，充分利用了地面通信设备建设成本低、带宽大的优势，为机舱内的用户提供了性能优秀且价格实惠的通信服务，提升了用户体验。同时，在地空通信环境较好时，机载通信设备中对地天线阵列的各阵元同时发送或接收不同的数据，提升了信道容量，增加了通信流量。

Description

机载通信设备及地空通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种机载通信设备及地空通信方法。

背景技术

尽管飞机在飞行过程中，随时都能够与地面保持稳定的通信状态，但这种通信服务仅供飞机与地面塔台或地面指挥中心之间使用，普通乘客在飞机上几乎无法享受到对外通信服务。因此，目前航空领域的民用通信服务十分薄弱。但随着科技的迅猛发展，智能终端和移动通信网络日益普及，飞机乘客尤其是长途商务旅客，因为商业事务分秒必争，所以对于空中无线网络的需求正日益提升。能够在飞机航行期间，实现与外界的随时通信，已经成为了这些繁忙商务人士最为迫切的愿望。

在民用航空上实现移动通信，较为可行的解决思路有两种：一种是采用卫星链路与地面通信网络连接，另外一种是利用设置在地面的基站向空中进行无线覆盖。

2012年5月，阿联酋航空宣布空中无线网络服务已全面覆盖其目前运营的21架A380客机，乘客可在阿航A380遍及全球五大洲、18个目的地航线网络的航班中，登录因特网冲浪、处理电子邮件、实现在线阅读等，这一航空服务大大增强了阿联酋航空对中高端商务人士的吸引力。阿联酋航空所利用的就是卫星通信方式，不可否认，基于卫星的民用航空通信具备技术成熟、保密性强、干扰小、容量大、覆盖范围广、运行稳定等诸多优势。但同时，因为涉及到卫星改造，所以具有较高的资金需求，这样就势必导致均摊到每一位乘客的服务费用的提升，这对于普通乘客而言，将是一笔不小的经济负担。另一方面，卫星通信的带宽严重受限，很难为乘客提供畅通的无线服务，用户体验比较差。

所以，现在亟需提供一种基于地面基站的航空通信方案，用以解决现有技术中基于卫星的航空通信方案因为存在的通信成本高、带宽低等缺陷，所以导致用户体验差的问题。

发明内容

本发明实施例提供的机载通信设备及地空通信方法，主要用以解决现有技术中基于卫星的航空通信方案存在的通信成本高、带宽低的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种机载通信设备，包括对地收发控制单元与对地天线阵列；

所述对地收发控制单元用于将需要发送到地面通信设备的第一信息进行切割得到至少两个平行的数据子流，并将各所述数据子流分别映射到所述对地天线阵列的各阵元上；

所述对地天线阵列的各阵元用于将来自所述对地收发控制单元的各所述数据子流传输到所述地面通信设备。

本发明实施例还提供一种地空通信方法，包括对地信号发送过程；所述对地信号发送过程包括：

机载通信设备将需要发送给地面的第一信息进行切割得到至少两个平行的数据子流；

所述机载通信设备将各所述数据子流分别映射到对地天线阵列的各阵元上，并控制各所述阵元将各所述数据子流传输给地面通信设备。

本发明实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行前述的任一项的地空通信方法。

本发明的有益效果是：

根据本发明实施例提供的机载通信设备及地空通信方法，其中，机载通信设备包括对地收发控制单元与对地天线阵列；在地空通信的信号强度超过预设阈值时，对地收发控制单元将来自机舱内至少一个终端的第一信息进行切割得到至少两个平行的数据子流，并将各数据子流分别映射到对地天线阵列的各阵元上，由各阵元发送给地面通信设备。本实施例提供的机载通信设备，通过与地面通信设备进行通信，充分利用了地面通信设备建设成本低、带宽大的优势，为机舱内的用户提供了性能优秀且价格实惠的通信服务，提升了用户体验。同时，在地空通信环境较好时，机载通信设备中对地天线阵列的各阵元同时发送或接收不同的数据，提升了信道容量，增加了通信流量。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的机载通信设备的一种结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的机载通信设备的另一种结构示意图；

图3为图2中无线接入单元的一种结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的地面通信设备的一种结构示意图；

图5为本发明实施例二提供的地空通信***的一种结构示意图；

图6为本发明实施例三提供的地空通信***的一种结构示意图；

图7为本发明实施例三提供的地空通信***的一种示意图；

图8为本发明实施例四提供的机载通信方法中第一信息传输过程的一种流程图；

图9为本发明实施例四提供的机载通信方法中第二信息传输过程的一种流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。

实施例一：

为了解决现有基于卫星的航空通信方案通信成本高、带宽低的问题，本实施例提供一种用于地空通信的机载通信设备，下面请参见图1所提供的机载通信设备的结构示意图：

机载通信设备10是指被部署在飞机上的通信设备，其包括对地收发控制单元11和对地天线阵列12。对地天线阵列12当中包括两个及以上的天线阵元，各天线阵元与对地收发控制单元11连接。机载通信设备10可以向地面通信设备发送第一信息，下面对机载通信设备10发送第一信息的过程进行介绍：对地收发控制单元11获得需要发送给地面通信设备的第一信息后，对该第一信息进行切割得到至少两个平行的数据子流，随后，对地收发控制单元11将这些数据子流分别映射到对地天线阵列12的各阵元上。本实施例的中第一信息可以来自机舱内的至少一个终端，应当理解的是，第一信息可以是指单独的一个信息，也可以指对地收发控制单元11从机舱内终端处接收到的多个信息。

另一方面，机载通信设备10还可以接收地面通信设备发送第二信息，在本实施例中，对地收发控制单元11还用于根据对地天线阵列12各阵元的衰落特性将各阵元所接收到的平行数据子流进行重新组合，还原得到来自地面通信设备的第二信息。若第二信息是地面通信设备发送给机舱内某一个终端的，则对地收发控制单元11恢复得到第二信息之后，可以根据第二信息的目的IP等信息将该第二信息发送给对应的终端。

上述地空通信过程我们可以称之为“空间复用”，空间复用能够在通信质量较好的情况下，大幅度提升信道容量，增加通信流量。在空间复用中，对地天线阵列12的各个阵元发送和接收的都是不同的数据子流。可以理解的是，在任何环境下机载通信设备10均可以按照上述方案进行通信，但是为了保证地空通信过程的通信质量，本实施例的一种示例当中，机载通信设备仅在与地面通信设备之间的通信环境较好，即地空通信的信号强度大于预设阈值时，按照上述方式通信。

在机载通信设备10与地面通信设备之间的通信环境较差，即地空通信的信号强度小于等于预设阈值时，对地收发控制单元11在发送来自机舱内终端的第一信息时，会对第一信息进行复制，并将复制后的多个第一信息分别映射到对地天线阵列12的各阵元上，然后让对地天线阵列12的各阵元向地面通信设备发送相同的第一信息。在接收来自地面通信设备的第二信息时，对地天线阵列12各阵元实际上接收的都是相同的第二信息，但是因为地空通信质量较差，所以，对地收发控制单元11需要将各个阵元的接收结果进行恢复，从而得到质量优于各阵元单独接收结果的第二信息。

在这种通信过程中，对地天线阵列12的各个阵元发送和接收的都是相同的信息，这主要是为了在地空通信质量不佳的情况下，提升接收端接收信号的质量，保证通信过程的可靠性。这种地空通信过程我们可以称之为“空间分集”。

为了同时提升空间复用增益和空间分集增益，本实施例的一种示例当中，对地收发控制单元11通过控制对地天线阵列12与地面通信设备进行MIMO(Multiple-InputMultiple-Out-put，多输入多输出)通信。而且由于MIMO技术支持波束成形，所以，还可以让地空通信更具针对性。打个比方，传统通信就像灯泡，照亮整个房间；而支持波速成形的MIMO通信就像手电筒，光亮可以智能地汇集到目标位置上。

机载通信设备10还可以包括无线接入单元，其用于接收机舱内至少一个终端的接入。并且可以将来自机舱终端的第一信息发送至对地收发控制单元11，将来自对地收发控制单元11的第二信息发送给机舱内对应的终端。

在本实施例的一种示例当中，机舱内部通信所使用的信号格式为第一信号格式，而在机载通信设备10与地面通信设备之间使用的却是第二信号格式，第一信号格式与第二信号格式是两种不同的信号格式，所以，为了让机舱内部的终端能够与外界实现无障碍的通信，本实施例中需要对机舱内外的信息进行格式转换。如图2所示，机载通信设备10包括无线接入单元13、对地收发控制单元11和对地天线阵列12以外，还包括用于格式转换的信号格式转换单元14。信号格式转换单元14分别与无线接入单元13和对地收发控制单元11通信连接。其用于将从无线接入单元13接收到的第一信息由第一信号格式转化成第二信号格式，也将从对地收发控制单元11处接收到的第二信息由第二信号格式转换成第一信号格式。

无线接入单元13可以向机舱内的终端提供统一的局域网接入环境，例如WiFi(Wireless-Fidelity，无线保真)接入、ZigBee(紫蜂)接入、UWB(超宽带)接入等。如图3所示，本实施例中无线接入单元13包括WiFi接入单元131和ZigBee接入单元132。在实际应用过程中，无线接入单元13可以开启其中的任意一个或者两个同时开启来为乘客进行服务。

下面首先对终端通过接入WiFi接入单元131来向地面通信设备发送第一信息，以及地面通信设备向终端发送第二信息的过程进行介绍：

在本示例当中，在机舱中WiFi接入单元131向机舱内部的终端提供统一的WiFi网络环境。当终端需要外发第一信息时，可以将第一信息通过WiFi信号发送到WiFi接入单元131处，WiFi接入单元131再将第一信息传输至信号格式转换单元14，信号格式转换单元14将WiFi信号格式的第一信息转换成第二信号格式的。具体的，信号格式转换单元14可以对WiFi信号格式的第一信息进行解调得到基带信号，再将基带信号调制到第二信号格式所需的射频频段，形成第二信号格式的第一信息。对第一信息的转换完成之后，信号格式转换单元14将转换后的第一信息传输给对地收发控制单元11，由对地收发控制单元11基于空间映射对第一信息进行切割后得到平行的数据子流，并将这些数据子流分别映射到天线阵列12的各个阵元上，控制各阵元向地面通信设备进行发射。

当地面通信设备向终端发送第二信息时，机载通信设备10的对地天线阵列12将会接收到第二信号格式的数据子流，对地收发控制单元11将这些数据子流进行重组，恢复得到第二信息，然后将该第二信息传输给信号格式转换单元14。信号格式转换单元14将第二信号格式的第二信息转换成WiFi信号格式的第二信息，并将转换后的第二信息发送给WiFi接入单元131。具体的，信号格式转换单元14也是对第二信号格式的第二信息进行解调，得到基带信号，再将基带信号调制到WiFi信号对应的频段上，形成WiFi信号格式的第二信息。WiFi接入单元131接收到第二信息之后，可以根据第二信息中携带的接收端的目的IP等信息，将该第二信息传输给对应的终端。

假定机舱中的终端通过接入ZigBee接入单元132来实现与地面通信设备间的通信：

当终端需要外发第一信息时，可以将第一信息通过ZigBee信号发送到ZigBee接入单元132处，ZigBee接入单元132再将第一信息传输至信号格式转换单元14，信号格式转换单元14将ZigBee信号格式的第一信息转换成第二信号格式的。具体的，信号格式转换单元14可以对ZigBee信号格式的第一信息进行解调得到基带信号，再将基带信号调制到第二信号格式所需射频频段，形成第二信号格式的第一信息。对第一信息的转换完成之后，信号格式转换单元14将转换后的第一信息传输给对地收发控制单元11，由对地收发控制单元11基于空间映射对第一信息进行切割后得到平行的数据子流，并将这些数据子流分别映射到天线阵列12的各个阵元上，控制各阵元向地面通信设备进行发射。

当地面通信设备向终端发送第二信息时，机载通信设备10的对地天线阵列12将会接收到第二信号格式的数据子流，对地收发控制单元11将这些数据子流进行重组，恢复得到第二信息，然后将该第二信息传输给信号格式转换单元14。信号格式转换单元14将第二信号格式的第二信息转换成ZigBee信号格式的第二信息，并将转换后的第二信息发送给ZigBee接入单元132。具体的，信号格式转换单元14也是对第二信号格式的第二信息进行解调，得到基带信号，再将基带信号调制到ZigBee信号对应的频段上，形成ZigBee信号格式的第二信息。ZigBee接入单元132接收到第二信息之后，可以根据第二信息中携带的接收端的目的IP等信息，将该第二信息传输给对应的终端。

在本实施例中，在对地天线阵列12与地面通信设备之间基于第N代移动通信技术进行通信，相对于第三代移动通信技术，从LTE(Long term Evolution，长期演进)开始，***移动通信技术及高于***的移动通信技术能够提供更高的传输速率，所以，在本实施例中，N大于等于4。

就目前而言，***移动通信技术正是最成熟的阶段，所以，在本实施例的一种示例当中，所述N等于4，对地收发控制单元11控制对地天线阵列12通过TDD(Time DivisionDuplexing，时分双工)或FDD(Frequency Division Duplexing，频分双工)LTE中的至少一种与地面通信设备进行通信。

在对地天线阵列12与地面通信设备进行通信的时候，可以使用2.4GHz频段进行通信。对地收发控制单元11会将解调得到的基带信号调制到2.4G频段上，并传输给对地天线阵列12。另一方面，对地收发控制单元11从对地天线阵列12处接收到的数据子流也是2.4GHz频段的，对地收发控制单元11在对这些数据子流进行重组时，也会顺便将第二信息的频段调制到机舱内终端通信所在的频段。2.4GHz全球通用频段范围是2.4GHz～2.483GHz，因此，2.4GHz频段可以提供80M的信号带宽，可以满足乘客的高速上网需求。同时，因为2.4GHz频段是全球通用频段，所以，如果对地收发控制单元11控制对地天线阵列12与地面通信设备采用2.4GHz频段通信，则运营商就不必专门购买专门的频段。在这种情况下，能够降低运营商的负担。相应地，用户在飞机上享受无线网络时，需要支付的费用也就能够得到降低，所以，对地天线阵列12与地面通信设备采用2.4GHz频段进行通信还能降低普通乘客的经济负担。

飞机在高空稳定飞行时，航速一般超过1000公里/小时，在这种通信一端高速移动的场景下，对机载通信设备10与地面通信设备之间通信性能影响最大的就是多普勒效应。多普勒效应指出，波在波源移向观察者接近时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。机载通信设备10与地面通信设备在通信的过程中，可分别作为发射电磁波的波源，接收电磁波的一方就相当于“观察者”。虽然机载通信设备10与地面通信设备之间的距离比较远，但由于机载通信设备10是在空中高速移动，所以，二者之间的相对运动还是十分明显。电磁波发射源与接收端发生相对运动，也就必然会导致接收端所接收到的传播频率发生改变。所以，多普勒效应若不被消除，就会使得机载通信设备10与地面通信设备之间的通信性能大打折扣。

为此，本实施例中机载通信设备10中的对地天线阵列12与地面通信设备通信所采用的具体频率，可以根据自适应频率跟踪及补偿算法计算获得。自适应频率跟踪及补偿算法充分考虑了机载通信设备10与地面通信设备之间的相对距离，以及机载通信设备10本身的移动速度。所以使用自适应频率跟踪及补偿算法计算得到的频率进行通信，能够有效克服飞机高速飞行所带来的多普勒频移效应。

虽然对地天线阵列12与地面通信设备之间采用4G、5G等信号进行通信，但是在本实施例中，飞机机舱内的终端与无线接入单元13，以及无线接入单元13与信号格式转换单元14之间均是采用局域网信号进行通信。也就是说，机舱内的终端均处于局域网环境下，这相对于让机舱内的终端均处于蜂窝环境下的方案而言，更方便对终端进行管理。同时，由于在机舱内提供统一的局域网环境，例如WiFi环境。因此，只要终端具备接入无线局域网的功能即可享受高空中的无线网络。这能够使得乘客的笔记本电脑、PAD(Portable AndroidDevice，平板电脑)、PDA(Personal Digital Assistant，个人数字助手)等不能直接接入蜂窝网络的移动终端也能使用无线网络服务。另外，在主流的移动通信技术更新换代的时期，例如，从4G过度到5G的时候，大多数用户并不一定立即随着移动通信技术的改变而更换了终端产品。在这种情况下，即便是5G在网络性能，例如网速等方面具有更明显的优势，但是没有更换电子产品的乘客却无法体验到。而直接在机舱内提供统一局域网环境的方案，却能够通过统一更新机载通信设备中的设备，而使乘客体验到更好的服务，从而提升了用户的服务体验。

在本实施例中，对地天线阵列12可以为增强型机载天线，对地收发控制单元11可以独立部署在具备处理功能的物理实体上，例如部署在服务器上，也可以和其他设备仪器部署在同一物理实体上。当对地收发控制单元11独立部署在一台服务器上时，该服务器的通信装置获取机舱内的终端需要发送地面通信设备的第一信息，然后由处理器对第一信息进行切割处理，得到至少两个平行的数据子流，然后映射到各个机载天线上。对于接收第二信息的过程，多个机载天线将自己接收到的数据子流传输给处理器，处理器根据各机载天线的衰落特性将各这些数据子流进行重新组合，得到第二信息，然后交由通信装置发送出去，以传输给机舱内对应的终端。另外，对地收发控制单元11可以通其他设备部署在一起，例如在LTE CPE(Customer Premise Equipment，客户终端设备)设备上集成对地收发控制单元11的功能，让对地收发控制单元11与LTE CPE设备公用处理器与通信装置。

前述无线接入单元13的功能可以分别通过无线接入设备来实现，例如WiFi AP(Wireless Access Point，无线访问接入点)。而信号格式转换单元14的功能则可以通过LTE CPE设备来实现。

本实施例提供的机载通信设备，能够直接通过对地收发控制单元与对地天线阵列实现与地面通信设备之间的通信，相对于通过卫星提供机载网络覆盖的方案，降低了民用航空通信的成本，也降低了用户的经济负担。同时，基于MIMO技术进行通信能够利用多天线来抑制信道衰落，提高信道的可靠性，提供更好的空间复用增益及空间分集增益，使得并行数据流可以同时传送。另一方面，由于机载通信设备中的信号格式转换单元能够将蜂窝信号转换成WiFi信号或ZigBee信号，所以能够让用户的多种电子产品均享受到无线网络，并不仅限于那些能够接入蜂窝网络的终端产品。这保证了用户可以在各种终端产品间自由切换，提升了用户体验。

更进一步的，本实施例中的机载通信设备使用2.4GHz频段与地面通信设备进行通信，降低了地空通信的成本，相应的也降低了乘客享用无线网络所带来的经济负担。

实施例二：

为了更好地对实施例一中机载通信设备与地面通信设备之间的通信过程进行介绍，本实施例提供一种与实施例一中机载通信设备进行配合的地面通信设备，以及包括实施例一中机载通信设备的地面通信***，请参见图4所示出的地面通信设备的一种结构示意图：

地面通信设备40包括对空收发控制单元41与对空天线阵列42。对空天线阵列42中包括两个及两个以上的天线，也即天线阵元。各阵元用于接收机载通信设备发送的由第一信息切割得到的数据子流，并将接收到的各数据子流传输给对空收发控制单元41；另一方面，对空天线阵列42的各阵元还用于将来自对空收发控制单元的由第二信息切割所得的各数据子流传输给机载通信设备。

对空收发控制单元41用于根据对空天线阵列各阵元的衰落特性将各阵元所接收到的平行数据子流进行重新组合，还原得到来自机载通信设备的第一信息，这个对数据子流进行重组得到元发送信息的过程即为“空时译码”。经过“空时译码”之后，对空收发控制单元41将第一信息发送给核心网。相对于“空时译码”的过程，对空收发控制单元41将来自核心网的第二信息进行切割得到至少两个平行的数据子流，并将各数据子流分别映射到对空天线阵列42的各阵元的过程即为“空时映射”，平行数据子流经过映射之后，会由各所阵元发送给机载通信设备。

请参见图5所示地空通信***5，该地空通信***5包括实施例一提供的机载通信设备10以及地面通信设备40。

对于机载通信设备10的结构，可以参照实施例一的介绍，这里不再赘述，本实施例重点对其中的地面通信设备40进行介绍：

对空收发控制单元41用于控制对空天线阵列42与机载通信设备10通过第二信号格式进行通信。第二信号格式基于***移动通信技术或者高于***移动通信技术，这样能够为用户提供高速的无线网络体验。

为了降低航空无线覆盖的成本，本实施例中，对空收发控制单元41控制对空天线阵列42与机载通信设备10使用二者之间通信使用的2.4GHz频段进行交互，这样就不需要运营商再专门购买管制频段，从而降低运营商提供无线覆盖的经济负担，减小了普通乘客使用无线网络服务的负担。至于具体的通信频率，为了有效的克服多普勒效应对地空通信***5通信性能的影响，本实施例中的对空收发控制单元41在控制对空天线阵列42向机载通信设备10发送信息之前，可以先获取自身与部署于飞机上的机载通信设备10之间的距离、机载通信设备10当前的飞行速度，从而根据获取到距离与飞行速度确定出向机载通信设备发送信号的具体频率。

另一方面，对空收发控制单元41控制对空天线阵列42与机载通信设备10之间通过时分双工或频分双工两种方式中的至少一种进行通信。

在对空天线阵列42中的各天线阵元接收到由第一信息切割形成的平行数据子流之后，对空收发控制单元41会将这些数据子流进行重组，恢复得到机载通信设备发送的第一信息。在这之后，对空收发控制单元41会将接收到的第一信息传输给核心网。可以理解的是，核心网的类型与地空间通信所使用的蜂窝信号的类型是匹配的。例如，地面通信设备40与机载通信设备10之间如果使用的是4G的蜂窝信号进行通信，则核心网就是EPC(EvolvedPacket Core，4G核心网)；如果地面通信设备40与机载通信设备10之间采用5G蜂窝信号进行通信，则核心网就是5G核心网。

当核心网需要将第二信息发送到位于飞机上的某一目的终端时，核心网会将第二信息传输到对空收发控制单元41处，再由对空收发控制单元41将第二信息空时映射到对空天线阵列42的多根天线，即多个天线阵列上发送到终端所在的机载通信设备10中。

本实施例提供的地面通信设备和地空通信***，通过在地面设置包括对空收发控制单元和对空天线阵列，实现了与位于高空的机载通信设备之间的通信连接，使得处于飞机内部的终端能够在地面通信设备的支持下，实现与外界的无线通信。这相对于基于卫星的无线网络覆盖方案而言，能够在很大程度上降低通信成本，减轻用户负担。

实施例三：

本实施例将结合具体示例对前述地空通信***进行介绍：地空通信***包括机载通信设备、地面通信设备以及核心网这样几个部分，在本实施例中结合图6以地面通信设备为基站群51为例进行说明：

地空通信***6包括机载通信设备50、2.4GHz频段的专用的基站群51与4G核心网52，其中基站群51中包括至少两个设置在飞机航线周围的基站。在图7当中，基站群51包括第一基站511、第二基站512以及第三基站513，这三个基站沿着飞机航线分布地面上。基站群51中的每一个基站均与4G核心网52通信连接，实现将从空中接收到的信息传输到4G核心网52，以及将4G核心网52中的信息传输到机载通信设备的功能。

基站群51中每一个基站上均设置有与机载通信设备进行交互的天线，这些天线实现了信息的外发与接收。考虑到飞机航线所经过区域地形地貌总体复杂，当航线穿越海洋和较大湖泊时，很难在这些区域设置地面基站。另外，即使是在陆地上，也有相当多的地方很难找到低成本的布站方案，如山区、高原地带等。所以，为了解决飞机在飞越这些区域时的无线网络覆盖问题，只有尽可能增加那些能够建设的基站或者建设较为容易的基站的覆盖范围，使它们的覆盖面积更宽广一些，以此来增加每个基站的覆盖范围，尽量减少陆地航线覆盖的布网成本。而为了提升每个基站的覆盖范围，在本实施例中，可以通过在基站上使用增强型的天线来提升天线增益。

另一方面，在一个基站上可以同时设置多个发射天线与多个接收天线，例如，在本实施例中，基站群51中的基站均为8T8R(8个发射天线，8个接收天线)的基站。

由于基站群51与机载通信设备可以采用时分双工模式进行通信，也可以采用频分双工模式进行通信。因此本实施例中的基站群51可以是时分双工类型的基站群，也可以是频分双工类型的基站群，甚至还可以是混合型的，也就是说，在基站群51当中既有时分双工型的基站，也有频分双工型的基站。为了避免机载通信设备在与基站群51进行通信时，需要不断在时分双工模式与频分双工模式下切换，图6所给出的示例当中，基站群51中的所有基站均为时分双工类型的。

部署在飞机上的机载通信设备中包括WiFi AP接入设备501、机载LTE CPE设备502以及多个机载天线503。为了在飞机内部达到全机舱WiFi覆盖的效果，可以在机舱内设置多个WiFi AP接入设备501，并将这些WiFi AP接入设备501均匀分布在机舱的走道上方。各个WiFi AP接入设备501通过机舱内部以太网接入机载LTE CPE设备502，机载LTE CPE设备502是一种能将WiFi信号转换成LTE信号，将LTE信号转换成WiFi信号的无线终端设备。另外，在本实施例中，LTE CPE设备502可以将经过格式转换后的信息空时映射到多个机载天线503上，同时也能将多个机载天线503接收到的数据子流进行空时译码，恢复得到来自核心网的原始信号。应当理解的是，也可以设置其他具有处理功能的设备来进行空时译码及空时映射，不一定要将空时译码与空时映射的功能集成到机载LTE CPE设备502上。本实施例中，机载LTE CPE设备502连接与机载天线503连接。机载天线503可以设置在机舱以外，便于向地面的基站群51发送信号以及接收基站群51发送的信号。更进一步的，机载天线503可以使用增强型天线，以提升天线增益。另外，机载天线503的增益和方向性的设计，应当充分考虑航线中可能常遇的大气状况和地貌特征。

下面对位于机舱内的终端向外界发送信息以及接收外界信息的过程进行介绍：

在发送与接收信息之前，终端先接入到WiFi AP接入设备501中。若机舱内的WiFi免费开放，则不需要设置身份验证过程，也就是不用设置密码，终端可以直接接入。但如果机舱内的WiFi并非免费开放，则用户可能先必须购买相应的套餐，在支付成功之后，使用得到的密码通过身份验证，进而接入到WiFi AP接入设备501。

当需要外发第一信息时，终端可以将第一信息通过WiFi信号发送到WiFi AP接入设备501，WiFi AP接入设备501再将第一信息传输给机载LTE CPE设备502。机载LTE CPE设备502将WiFi信号格式的第一信息转换成LTE格式的。具体的，机载LTE CPE设备502可以对WiFi信号格式的第一信息进行解调得到基带信号，再将基带信号调制到LTE信号所在的射频频段，形成LTE格式的第一信息。对第一信息的转换完成之后，机载LTE CPE设备502将转换后的第一信息空时映射到多个机载天线503上。机载天线503经空时映射所得的各平行数据子流发送给地面的基站群51。地面基站群51利用自己的多个天线接收到这些数据子流之后，对这些数据子流进行空时译码得到第一信息，并将第一信息传输到4G核心网52，由4G核心网52根据第一信息中携带的目的IP地址等进行进一步传输。

当有来自4G核心网52的第二信息需要传输给机舱内的一个目的终端时，4G核心网52先将该第二信息传输给基站群51，由基站群51通过空时映射将该第二信息切割成多个平行数据子流，并分配给多个天线，随后由这些天线使用2.4GHz的通信频段，将LTE格式的数据子流发送给机载天线503。机载天线503接收到这些数据子流后，机载LTE CPE设备502将这些数据子流进行重组，通过空时译码得到第二信息，并将LTE信号格式的第二信息转换成WiFi信号格式的第二信息，并将转换后的第二信息发送给WiFi AP接入设备501。具体的，机载LTE CPE设备502也是对LTE格式的第二信息进行解调，得到基带信号，再将基带信号调制到WiFi信号对应的频段上，形成WiFi信号格式的第二信息。WiFi AP接入设备501接收到第二信息之后，可以根据第二信息中携带的接收端的目的IP等信息，将该第二信息传输给对应的目的终端。

在本实施例中，当机载天线503与基站群51中的基站进行信息交互的时候，二者之间的具体通信频率可以根据飞机当前与基站之间的距离以及飞机当前的飞行速度进行计算得到。具体地，基站群51中的基站或者机载天线503可以使用自适应频率跟踪及补偿算法计算通信频率，从而达到消除高速飞行中多普勒频移效应对通信性能的影响。

本实施例提供的地空通信***，机载通信设备通过LTE信号与地面通信设备进行通信，同时又以WiFi的形式面向终端提供无线通信服务。充分利用了地面通信设备建设成本低、带宽大的优势，为机舱内的用户提供了性能优秀且价格实惠的无线通信服务，提升了用户体验。另外，为了降低航空通信服务的成本，本实施例中的机载通信设备与地面通信设备，还使用2.4GHz频段进行通信，避免了运营商专门购置频段资源的花费。

同时，机载通信设备能够向飞机内的终端统一提供WiFi环境，使得用户各种类型的电子终端均能够享受到高空的无线网络，这提升用户享用无线网络服务的自由度，保证了用户体验。

实施例四：

本实施例将对机载通信方法进行介绍，由于地空通信方法包括机载通信设备向地面通信设备发送信号的过程，第一信息的传输过程。下面分别结合图8对该过程进行介绍：

S802、机载通信设备将第一信息进行切割得到至少两个平行的数据子流；

S804、机载通信设备将各数据子流分别映射到对地天线阵列的各阵元上，并控制各阵元将各数据子流传输给地面通信设备；

S806、地面通信设备控制对空天线阵列的各阵元接收机载通信设备发送的由第一信息切割得到的数据子流；

S808、地面通信设备根据对空天线阵列各阵元的衰落特性将各阵元所接收到的平行数据子流进行重新组合得到第一信息；

S810、地面通信设备将第一信息发送到核心网。

第一信息可以来自机舱内的中号一个终端，可以理解的是，机载通信设备与终端之间可以通过有线方式通信，也可以通过无线方式通信，由于机舱内通常会有多个终端有通信需求，所以在本实施例中机载通信设备可以向机舱内的终端提供局域网环境，例如WiFi网络环境或者ZigBee环境，以供机舱内的终端通过局域网环境接入到网络中。当终端需要向广域网发送信息的时候，可以根据自己与机载通信设备的通信环境生成第一信息，生成的第一信息符合终端与机载通信设备间的通信协议。第一信息生成好以后，终端可以将其发送给机载通信设备，以通过机载通信设备将第一信息发送到地面通信设备。

由于机载通信设备与终端间的通信环境与其同地面通信设备之间的通信环境通常不同。所以，本实施例中，在将第一信息发送到地面通信设备之前，机载通信设备需要先对第一信息的格式进行转换。若终端同机载通信设备间的通信环境为WiFi环境，则机载通信设备会将WiFi信号格式的第一信息转换成机载通信设备通地面通信设备间通信所使用的第二信号格式。具体的，机载通信设备可以对WiFi信号格式的第一信息进行解调得到基带信号，再将基带信号调制到第二信号格式所要求的的射频频段。若终端同机载通信设备间的通信环境为ZigBee环境，则机载通信设备会将ZigBee信号格式的第一信息转换成第二信号格式的。具体的，机载通信设备可以对ZigBee信号格式的第一信息进行解调得到基带信号，再对基带信号进行调制。

信号格式转换完成之后，若地空通信的信号强度大于预设阈值，即机载通信设备与地面通信设备之间的通信环境较好时，机载通信设备采用空间复用技术对对待发送的第一信息进行处理后，第一信息通过多重切割之后转换成多个平行的数据子流，机载通信设备将这些平行数据子流映射到对地天线阵列的各个天线阵元上，由这些天线阵元对数据子流进行传输。地面通信设备接收到对地天线阵元发送的数据子流之后，根据对空天线阵列各阵元的衰落特性将各阵元所接收到的平行数据子流进行重新组合，还原得到来自机载通信设备的第一信息。之后，地面通信设备将第一信息发送给核心网。

若地空通信的信号强度小于等于预设阈值，即机载通信设备与地面通信设备之间的通信环境较差时，机载通信设备在发送来自机舱内终端的第一信息时，会对第一信息进行复制，并将复制后的多个第一信息分别映射到对地天线阵列的各阵元上，然后让对地天线阵列的各阵元向地面通信设备发送相同的第一信息。

地空通信方法还可以包括机载通信设备接收地面通信设备发送信号的过程，也即第二信息的传输过程，下面请参见图9：

S902、地面通信设备将来自核心网的第二信息进行切割得到至少两个平行的数据子流；

S904、地面通信设备将各数据子流分别映射到对空天线阵列的各阵元上；

S906、地面通信设备控制对空天线阵列的各阵元将各数据子流传输给机载通信设备；

S908、机载通信设备控制对地天线阵列的各阵元接收地面通信设备发送的由第二信息切割得到的平行数据子流；

S910、机载通信设备根据对地天线阵列各阵元的衰落特性将各阵元所接收到的数据子流进行重新组合得到第二信息。

当核心网需要将第二信息发送到位于飞机上的某一目的终端时，核心网会将第二信息传输到地面通信设备处。地面通信设备会对地空通信环境进行评估，若当前通信环境较好，则地面通信设备将第二信息空时映射到对空天线阵列的多根天线，即天线阵列的多个阵元上。具体的，地面通信设备会对第二信息进行多重切割，转换成多个平行的数据子流，并将这些平行数据子流传输给对空天线阵列的各个天线阵元，这些天线阵元同步传输映射给各自的平行数据子流。

当机载通信设备接收到地面通信设备发送的平行数据子流时，根据对地天线阵列12各阵元的衰落特性将各阵元所接收到的平行数据子流进行重新组合，还原得到来自地面通信设备的第二信息。

若地空通信的信号强度小于等于预设阈值，即机载通信设备与地面通信设备之间的通信环境较差时，为了保证机载通信设备对第二信息的接收可靠性，地面通信设备会利用对空天线阵列中的多个阵元对第二信息进行发送：地面通信设备先对第二信息进行复制，并将复制后的多个第二信息分别映射到对空天线阵列的各阵元上，然后让对空天线阵列的各阵元向机载通信设备发送相同的第二信息。

机载通信设备的对地天线阵列中各阵元接收到相同的第二信息之后，因为通信质量的关系，所以各个阵元接收到的第二信息质量均不好，所以机载通信设备对各个阵元的接收结果进行合并，得到质量相对更好的第二信息，并发送给终端。

在本实施例的一种示例当中，机载通信设备并不会直接将第二信息直接传输给终端，而是会先对第二信息的信号格式进行转换。转换后的格式取决于终端与机载通信设备间的通信环境。例如，若机载通信设备与终端间通过WiFi信号通信，则机载通信设备将第二信号格式的第二信息转换成WiFi信号格式；若终端通过ZigBee接入到机载通信设备，则将第二信息的格式转换成ZigBee。具体的，机载通信设备也是先对第二信号格式的第二信息进行解调，得到基带信号，再将基带信号调制到WiFi信号或者ZigBee信号对应的频段上。

对第二信息的格式转换结束之后，机载通信设备可根据第二信息中携带的目的IP地址等信息将其发送给对应的终端。

机载通信设备与地面通信设备可以使用2.4GHz频段进行通信，2.4GHz～2.483GHz能够提供80M的信号带宽来满足用户的上网需求，而且，由于2.4GHz频段是全球通用频段，所以，如果机载通信设备与地面通信设备采用2.4GHz频段通信，则运营商就不必专门购买专门的频段。在这种情况下，能够降低运营商的负担。相应地，用户在飞机上享受无线网络时，需要支付的费用也就能够得到降低，所以，机载通信设备与地面通信设备采用2.4GHz频段进行通信还能降低普通乘客的经济负担。

机载通信设备与地面通信设备之间的具体通信频率可以基于自适应频率跟踪及补偿算法来确定。在本实施例的一种实施示例当中，在机载通信设备将第一信息发送到地面通信设备之前，或者在接收第二信息之前，可以先使用自适应频率跟踪及补偿算法计算通信频率，然后根据计算得到的频率来收发信息。自适应频率跟踪及补偿算法依据机载通信设备当前的移动速度、以及与地面通信设备之间的距离来确定通信频率，能够有效克服多普勒效应对通信质量的影响。

另一方面，与地面通信设备之间是以蜂窝信号进行传输的。在本实施例中，传输第一信息或第二信息可以是基于第N代移动通信技术的信号，相对于第三代移动通信技术的蜂窝信号，从LTE(Long term Evolution，长期演进)开始，***移动通信技术，及高于***的移动通信技术能够提供更高的传输速率，所以，在本实施例中，N大于等于4。就目前而言，***移动通信技术正是最成熟的阶段，所以，在本实施例的一种示例当中，所述N等于4，机载通信设备通过TDD-LTE或FDD-LTE中的至少一种与地面通信设备进行通信。

本实施例中并不具体限定机载通信设备的形式，其可以是一个整体的设备、也可以由多个在物理上相互分离的部分构成。例如在本实施例的一种具体示例当中，机载通信设备可以包括用于接入终端WiFi AP设备、用于转换信号格式的机载CPE设备以及用于收发信息的增强型机载天线。其中WiFi AP设备可以包括多个，并均匀的分布在飞机机舱内部，而增强型机载天线可以部署在机舱外部。

本实施例提供的地空通信方法，能够实现机载通信设备与地面通信设备之间的直接通信，降低了民用航空通信的成本，也降低了用户的经济负担。另一方面，由于机载通信设备中的信号格式转换单元能够将第二信号格式的信号转换成WiFi信号或ZigBee信号，所以能够让用户的多种电子产品均享受到无线网络，并不仅限于那些能够接入蜂窝网络的终端产品。这保证了用户可以在各种终端产品间自由切换，提升了用户体验。

更进一步的，本实施例中的机载通信设备使用2.4GHz频段与地面通信设备进行通信，降低了地空通信的成本，相应的也降低了乘客享用无线网络所带来的经济负担。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在计算机存储介质(ROM/RAM、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明实施例所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种机载通信设备，其特征在于，包括对地收发控制单元与对地天线阵列；

所述对地收发控制单元用于将需要发送到地面通信设备的第一信息进行切割得到至少两个平行的数据子流，并将各所述数据子流分别映射到所述对地天线阵列的各阵元上；

所述对地天线阵列的各阵元用于将来自所述对地收发控制单元的各所述数据子流传输到所述地面通信设备。

2.如权利要求1所述的机载通信设备，其特征在于，所述对地收发控制单元用于在地空通信的信号强度超过预设阈值时，将来自机舱内至少一个终端的所述第一信息进行切割得到至少两个平行的数据子流，并将各所述数据子流分别映射到所述对地天线阵列的各阵元上；所述对地收发控制单元还用于在地空通信的信号强度超过预设阈值时，根据所述对地天线阵列各阵元的衰落特性将各所述阵元所接收到的平行数据子流进行重新组合，还原得到来自地面通信设备的第二信息，并将所述第二信息发送给机舱内对应的终端；

所述对地天线阵列的各阵元还用于接收所述地面通信设备发送的由第二信息切割得到的数据子流，并将接收到的数据子流传输给所述对地收发控制单元。

3.如权利要求2所述的机载通信设备，其特征在于，还包括无线接入单元；所述无线接入单元用于以无线方式接入机舱内的至少一个终端，将来自所述终端的第一信息发送至所述对地收发控制单元，以及将来自所述对地收发控制单元的第二信息发送给机舱内对应的终端。

4.如权利要求3所述的机载通信设备，其特征在于，还包括信号格式转换单元，所述信号格式转换单元用于将来自所述无线接入单元的所述第一信息的格式由第一信号格式转换成第二信号格式，并将转换后的所述第一信息传输给所述对地收发控制单元；以及将来自所述对地收发控制单元的所述第二信息的格式由第二信号格式转换成第一信号格式，并将转换后的所述第二信息传输给所述无线接入单元；所述第一信号格式为机舱内部所使用的通信格式，所述第二信号格式为所述机载通信设备与地面通信设备之间通信所使用的通信格式，所述第一信号格式与所述第二信号格式不同。

5.如权利要求4所述的机载通信设备，其特征在于，所述无线接入单元为无线保真接入单元，所述信号格式转换单元用于将无线保真格式的第一信息转换成第二信号格式并传输给所述对地收发单元，以及将格式为第二信号格式的第二信息转换成无线保真信号并发送给所述无线保真接入单元，所述第二信号格式为基于第N代移动通信技术的通信格式，所述N大于等于4。

6.如权利要求2-5任一项所述的机载通信设备，其特征在于，所述对地收发控制单元还用于在地空通信的信号强度小于等于预设阈值时，将来所述第一信息进行复制映射到对地天线阵列的各阵元上；以及对所述对地天线阵列各阵元的接收结果进行恢复得到来自地面通信设备的第二信息。

7.一种地空通信方法，包括对地信号发送过程；所述对地信号发送过程包括：

机载通信设备将需要发送给地面的第一信息进行切割得到至少两个平行的数据子流；

所述机载通信设备将各所述数据子流分别映射到对地天线阵列的各阵元上，并控制各所述阵元将各所述数据子流传输给地面通信设备。

8.如权利要求7所述的地空通信方法，其特征在于，所述将需要发送给地面的第一信息进行切割得到至少两个平行的数据子流之前还包括：

所述机载通信设备在地空通信的信号强度超过预设阈值时，接收来自机舱内至少一个终端的第一信息；

所述地空通信方法还包括对地信号接收过程：

所述机载通信设备在地空通信的信号强度超过预设阈值时，控制所述对地天线阵列的各阵元接收所述地面通信设备发送的由第二信息切割得到的平行数据子流；

所述机载通信设备根据所述对地天线阵列各阵元的衰落特性将各所述阵元所接收到的数据子流进行重新组合，还原得到来自地面通信设备的第二信息；

所述机载通信设备将所述第二信息发送给机舱内对应的终端。

9.如权利要求8所述的地空通信方法，其特征在于，所述机载通信设备将所述第一信息进行切割得到至少两个平行的数据子流之前还包括：

所述机载通信设备将来自机舱终端的所述第一信息的格式由第一信号格式转换成第二信号格式；

所述机载通信设备将所述第二信息发送给机舱内对应的终端之前还包括：

所述机载通信设备将还原得到的所述第二信息的格式由第二信号格式转换成第一信号格式；

所述第一信号格式为机舱内部所使用的通信格式，所述第二信号格式为所述机载通信设备与地面通信设备之间通信所使用的通信格式，所述第一信号格式与所述第二信号格式不同。

10.如权利要求8或9所述的地空通信方法，其特征在于，所述对地信号发送过程还包括：

所述机载通信设备在地空通信的信号强度小于等于预设阈值时，对所述第一信息进行复制；

所述机载通信设备将复制得到的各第一信息映射到对地天线阵列的各阵元上，并控制各所述阵元将各所述第一信息传输给地面通信设备；

所述对地信号接收过程还包括：

所述机载通信设备在地空通信的信号强度小于等于预设阈值时，控制所述对地天线阵列的各阵元接收所述地面通信设备发送的第二信息；

所述机载通信设备对所述对地天线阵列各阵元的接收结果进行恢复得到来自地面通信设备的第二信息。