本发明涉及用于减少由飞行器、特别是通常称为“无人机”的无人飞行器在移动通信系统中引起的干扰的技术。
背景技术：
在2017年3月举行的3gppran第75次全体会议上，ran工作组讨论并批准了关于“加强对飞行器的支持”的新研究项目。将这个研究项目纳入3gpp的动机是基于配备(或可配备)移动通信装置(用户设备，ue)的无人机(或无人飞行器，uav)的数量的增长。这个趋势是由两种类型的无人机、即允许人们将普通手机附接于其上的无人机、以及配备有嵌入式蜂窝调制解调器的商用无人机引起的。
特别是用于包裹递送、搜索和救援、关键基础设施监控、野生动物保护、飞行相机和监控的无人机用例预计将迅速增长。类似的用例可能在未来几年出现。前面提到的许多用例可以受益于将无人机作为ue连接到蜂窝通信系统(例如，lte网络)。这导致未来具有蜂窝调制解调器的大量无人机将补充地面上(或近地)的遗留ue。因此，一些移动网络运营商认为需要更好地准备它们当前的蜂窝通信网络，以应对配备有蜂窝调制解调器的无人机造成的即将来临的数据流量增长。
例如，配备有ue的无人机在低空的行为通常像是常规ue，但是在高空无线电传播特性改变，并且无人机的上行链路(ul)信号由于视线传播条件而变得对多个蜂窝更可见，所以可能会出现问题。
如图1所示，从这样的飞行中的无人机发送的ul信号显著地增加了对从相邻蜂窝接收的ul信号的干扰。因此，无人机的ul信号对驻留/部署在地面上的其他ue(例如，智能手机、lot装置等)具有负面影响。
从飞行中的无人机到常规的零高度ue的ul信号的主要区别在于辐射模式有很大的不同，因此在网络规划阶段假设的辐射模式是不正确的。这主要是因为在较高的位置，在(无人机)ue和相邻蜂窝之间的衰减障碍物较少。由一个蜂窝服务的飞行中的无人机很可能干扰到对于零高度ue被认为不可能干扰到的挨着的第二或第三蜂窝。换言之，对于飞行中的ue和零高度的ue，对哪个蜂窝受到其他蜂窝服务的ue的干扰的预测截然不同，所以蜂窝规划不能是最优的，因此上行链路连接将强烈地受到在高空操作的ue的影响。这些事实已经过研究，并且是参考3gpp文献的原因，因此本文所描述的影响将被网络运营商严肃看待。
此外，无人机的广泛可见的ul信号对于侧链(sl)通信(例如，在d2d或v2v的范围内)也可能有问题，因为所有pc5(ue到ue接口)业务被限定为在ul资源上发生、即在lte-fdd的情况下在为上行链路传输指定的相同的上行链路载波频率上发生，并且在lte-tdd的情况下在为上行链路传输指定的相同的上行链路子帧上发生。图2示出了由无人机的ul信号在相邻蜂窝中的涉及d2d(或v2v)操作的两个ue之间建立的sl信道上引起的干扰。
目前，lte基站(enb)有两种措施来限制或避免由相邻蜂窝服务的ue引起的上行链路干扰：过载指示符oi和高干扰指示hii。
检测任何上行链路资源上的高干扰电平的enb可以向相邻蜂窝发送“过载指示符”oi。该消息包括受干扰的无线电资源的指示。然后相邻的蜂窝将尝试将不同的资源分配给当前使用该资源的ue。
即将分配将以高功率发送的上行链路资源的enb可以向具有受影响的无线电资源的id的相邻蜂窝发送高干扰指示hii。然后接收的相邻蜂窝将尝试避免分配这些资源。
使用目前最先进方法的防止干扰的另一个措施是应用波束形成方法、即将附接到无人机的ue的发射波束转向服务蜂窝的enb的方向。这是一种更复杂的方法，其需要自适应天线的频繁的调整，因为波束方向必须在无人机移动时一直调整。此外，ue和enb之间需要定期交换控制信息。以下定义用于波束形成的上下文中：
enb-tx波束：enb处的定向下行链路传输配置，用于将信号从塔台发送到具有改进的天线增益的手持设备。
enb-rx波束：enb处的定向上行链路接收配置，用于接收从手持设备发送到具有改进的天线增益的塔台的信号。
ue-tx波束：ue处的定向上行链路传输配置，用于将信号从手持设备发送到具有改进的天线增益的塔台。
ue-rx波束：ue处的定向下行链路接收配置，用于接收从塔台发送到具有改进的天线增益的手持设备的信号。
定向下行链路：由trp-tx波束和ue-rx波束组成的下行链路连接。
定向上行链路：由ue-tx波束和trp-rx波束组成的上行链路连接。
从专利文献中，已知基于基站天线本身或终端(ue)的高度在基站中调整天线波束倾斜(us20120015684a1)和波束宽度(jp2004229220a)。天线的调整是为了将天线波束指向ue并减少对其他装置或蜂窝的干扰。该专利文献不提供在ue中自主地、即没有基站的专用信令的波束宽度的调整。此外，波束宽度计算不考虑估计的蜂窝大小。此外，逐步调整的过程是未知的。
此外，从专利文献ep2994958a1已知一种方法，其基于携带通信装置的飞行器(气球)的高度动态地调整面向地面的波束的波束宽度。同样对于这个专利，在计算波束宽度时不考虑服务蜂窝的估计的蜂窝大小。
us2007/0161347a1描述了一种作为飞机内的ue的中继器的飞机上安装的移动通信系统。天线安装在飞机的腹部以在水平飞行中垂直向下伸，但其方向相对于飞机的方向是不可控的。不提供无线电传输的操控。
us5699069也描述了一种飞机上安装的通信系统。该系统包括用于提供不同方向的电磁波束的朝向不同方向的多个天线，以便提供广域覆盖范围。没有迹象表明单个波束是可操控的。
wo2016/028767a1描述了一种具有多个机载节点的用于向地面用户提供覆盖范围的机载通信系统。机载节点被指示为垂直向下发射，但没有迹象表明这是通过波束操控而不是通过发射天线的适当朝向来实现的。
us2017/0013476a1描述了一种作为移动蜂窝站点的无人机携带的无线电。无人机具有可朝向地面的定向天线，但没有迹象表明辐射波束是可操控的。
技术实现要素：
本发明的一个方面涉及对无人机在飞行期间的倾斜度改变所造成的影响的补偿，所述影响将影响定向天线的波束方向。无人机的横向位置和/或速度可以通过保持和/或调整无人机的一个或两个以上的推进单元的输出来控制。无人机的一个或两个以上的旋翼的转速可影响无人机的横向运动。例如，无人机可沿特定方向倾斜以沿该方向移动，并且无人机的旋翼的速度可影响横向移动的速度和/或移动轨迹。当无人机因改变其横向位置和/或速度而倾斜时，附接到无人机或嵌入在无人机内部的ue的天线系统也倾斜(在大多数情况下)，通过这样的方式其波束朝向不再直指(即，垂直于)地球表面。因此，本发明的另一方面是用于调整ue的定向上行链路波束朝向(即，ue-tx波束)和/或定向下行链路波束朝向(即ue-rx波束)的ue自主控制功能。
现有的用于干扰消除的措施oi和hii将无法解决在高空操作的ue所引起的干扰问题，因为直接相邻的蜂窝很可能不服务于引起干扰的ue。相反，第二或第三(诸如此类)的下一蜂窝可能服务于该ue，因此oi或hii都不被服务蜂窝接收。将oi和hii显见的扩展到下一级的相邻蜂窝将使现有的干扰消除技术过于复杂化。
oi和hii将失败的另一个原因是将导致干扰的无人机ue与零高度ue相比的不同的功率水平。在一些情况下，无人机ue使用低于触发hii的发射的阈值的上行链路发射功率。因此，hii不被发出，但是无人机ue会造成干扰。然后oi可由受干扰的enb使用，但干扰可能已经发生并且很可能数据已经丢失。
由于无人机的特性，受ul干扰影响的蜂窝和受sl干扰影响的ue将动态变化。因此，需要大量的信令来传输hii和oi。
除此之外，在消除ul干扰的问题上，hii和oi不适合于消除侧链干扰。
波束形成技术的使用将减少干扰，但代价很高：波束方向的调整需要无人机ue和服务enb之间的周期性控制信令。随着无人机速度的提高，调整率也提高。因此，它不适用于无人机快速移动的情况，并且即使在无人机根本不移动的情况下，仍需要大量的计算和信令来保持正确的波束方向。
使用向下ue-tx波束的已知的解决方案(例如，在ep2994958a1中)没有根据服务蜂窝的范围调整波束宽度。因此，在切换到新的服务蜂窝之后，所选择的波束宽度是次优的。如果波束宽度太大，这将导致更高的干扰功率；如果波束宽度太低，这将导致不良的连接质量。
本发明提供了一种减少由飞行器在移动通信系统中引起的干扰的方法，所述方法包括：将飞行器布置为当飞行器在空中时操控无线电传输，以将传输方向调整为垂直向下。
不需要从基站发信号来控制波束操控的自主布置是有利的。
无人机附接的ue配备有自适应天线，其能够在不向基站发控制信号的情况下自主地调整ue-tx波束(和/或ue-rx波束)的宽度和方向，而通过使用铅垂函数，不管无人机的倾斜度如何，波束方向都被调整为垂直于地面，并且波束宽度基于服务蜂窝的估计的范围来计算，以使得地面上的覆盖区域等于服务蜂窝的范围。
自适应波束形成的优点是，由于接收的信号强度在相邻蜂窝减小而避免了由在高空的ue操作引起的干扰。因此，用户和网络将受益于更可靠的连接和更高的系统吞吐量。此外，产生基于网络的干扰消除方法oi和hii的消息的信令的量和相关工作量显著减少，因此节省了计算和通信资源。在大多数情况下，无人机ue不再需要oi和hii。
建议主动地沿朝向地面的垂直方向操控波束。这种方法实施起来简单，对移动网络或enbs没有影响。不需要信令。因此，这种方法节省了电池资源和无线电资源。
波束宽度可以基于测量的离地高度并基于服务蜂窝专用的覆盖区范围(fpr)来控制。无人机ue的天线系统可以以这样的方式进行调整：使得发射波束的宽度(并且，如果需要，还有ue-rx波束的宽度)随着无人机飞得越高而逐渐减小。这里的目的是限制无人机的ul波束在地面上的覆盖区。同样，当无人机的离地高度减小时，无人机的ul波束(并且，如果需要，还有ue-rx波束)可被再次逐渐加宽。
无人机可以通过不同的措施得出高度，例如：
基于对安装在无人机上的相机拍摄的图像的分析，所述相机在大多数使用情况下无论如何将从无人机拍摄视图，因此仅需要基于无人机通常使用的一个或两个以上的声纳传感器的一些另外的计算来从图像确定高度，
基于来自地面通信系统的信号或信息，例如通过测量来自具有已知位置的发射器(包括诸如enb的蜂窝基站)的信号的到达角，
基于测量的气压差。因此，将气压传感器附接到无人机上，其在地面(例如，旋翼起动之前或起动时)和定期在飞行期间测量气压。高度可通过使用假设在海平面以上的前1000米，气压每米下降约11.3pa的“气压公式”来计算，
基于基于卫星的导航系统、如gps、glonass、galileo或北斗。
附图说明
现在将仅以示例的方式参照附图描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出了无人机可在相邻蜂窝中引起干扰的情况；
图2示出了无人机可以对在相邻蜂窝中操作的ue造成侧链干扰的情况；
图3示出了波束宽度随高度的变化；
图4示出了根据蜂窝范围控制无人机覆盖区；
图5示出了根据最大发射范围控制无人机覆盖区；
图6示出了根据接收的信号功率参数改变波束宽度；
图7示出了根据本发明的方法执行的步骤；
图8示出了使用无人机姿态改变波束方向。
具体实施方式
在第一实施例中，通过使用如图4所示的服务蜂窝的发射范围(＝蜂窝半径)的指示来计算覆盖区范围(fpr)。然后基于无人机的高度调整波束宽度，以传送几乎等于蜂窝半径的覆盖区范围。例如，在lte中，蜂窝半径可以通过“参考信号功率”(pref)来估计。该参数是蜂窝特定下行链路参考信号的发射功率。它由系统信息块(sib)类型2中的每个蜂窝广播，并且值范围为-60dbm到 50dbm。公式(1)可用于计算fpr值。它考虑了来自例如在www.wirelesscommunication.nl/reference/chaptr03/pel/loss.htm中描述的路径损耗模型的路径损耗计算：
其中：
fpr是无人机ue的发射波束覆盖的覆盖区范围
d0是748[1/m2*mhz]的常数因子
pref是由enb广播的参考信号功率
fc是如enb所指示的下行链路载波频率，单位为mhz
bdl是根据https：//sites.google.com/site/lteencyclopedia/lte-radio-link-budgeting-and-rf-planning上的在线lte百科全书中描述的方法计算的24dbm发射功率的下行链路预算。通常，ue并不全部知道链路预算的计算所需的所有参数。在这种情况下，假设缺失的参数与lte百科全书中的示例中使用的参数相同。如果不知道任何参数，或者如果为了简单起见而进行的粗略估计被认为是足够的，那么值165.5dbm可用于bdl(请参看表1)
cdl是用于调整关于蜂窝范围的fpr的[0.1至10]的范围内的常数因子。值“1”意思是fpr等于蜂窝范围。该值可以在ue中预先配置，或可以由移动网络向ue发送信号通知。
在第二实施例中，如图5所示，无人机的覆盖区范围(fpr)被计算为小于或等于零高度ue的最大发射范围。例如，可以在lte中从参数“pmax”估计给定的服务蜂窝的零高度ue的最大发射范围。参数“pmax”是蜂窝特定的最大ue发射功率。它由sib1中的每个蜂窝广播。公式(2)可用于计算fpr值。它考虑了来自例如在www.wirelesscommunication.nl/reference/chaptr03/pel/loss.htm中描述的路径损耗模型的路径损耗计算：
其中：
fpr是无人机ue的发射波束覆盖的覆盖区范围
d0是748[1/m2*mhz]的常数因子
pmax是由enb广播的最大ue发射功率
fc是如enb所指示的上行链路载波频率，单位为mhz
bul是以在上述lte百科全书中描述的方式计算的24dbm的发射功率的上行链路预算。通常，ue并不全部知道链路预算的计算所需的所有参数。在这种情况下，假设缺失的参数与lte百科全书中的示例中使用的参数相同。如果不知道任何参数，或者如果为了简单起见而进行的粗略估计被认为是足够的，那么值149.5dbm可用于bul。(请参看表2。数据速率1mbps而不是64kbps被用于获得如下行链路假设的相似条件)。
cul是用于调整关于零高度ue的最大发射范围的fpr的[0.1到10]的范围内的常数因子。值“1”意思是fpr等于零高度ue的发射范围。该值可以在ue中预先配置，或可以由移动网络向ue发送信号通知。
在第一和第二实施例中，针对每个蜂窝单独计算fpr。在第三实施例中，fpr是由无人机ue预先知道并且可以通过网络可选地配置的半静态值。波束宽度(bw)可根据公式(3)计算。原理如图3所示。
对于实施例一到三，典型的是，仅需要自适应天线系统的波束宽度的缓慢的调整速率，例如，如果无人机保持一定高度，则在切换到另一蜂窝之后如果新蜂窝使用不同的蜂窝半径，可能仅需要一次波束宽度调整。替代地，直到无人机离开特定高度通道才需要调整。这用于未使用蜂窝特定波束宽度调整的情况，或者新蜂窝的蜂窝半径相同的情况。因此，该方法最适合于通常以特定高度飞行的无人机、如运载无人机，但也适用于所有其他类型的无人机。该方法的成本(例如，电池损耗和处理器资源)非常低。
在第四实施例中，ue-tx波束的波束宽度根据从服务蜂窝或从相邻蜂窝接收的信号功率来调整。因此，无人机ue执行来自所选基站的接收的信号功率的测量。
对于lte基站(enb)的情况，可以使用rsrp值(参见3gppts36.214)。在应使用相邻蜂窝的情况下，它选择最佳的相邻蜂窝(例如，具有最高参考信号接收功率(rsrp)的蜂窝)。对于该测量，无人机ue使用宽的ue-rx波束宽度，其确保测量的蜂窝在该波束内。然后，无人机ue以减小的波束宽度在所选蜂窝重复测量。它以进一步减小的波束宽度进行进一步测量，直到测量的rsrp与初始测量(其应用宽波束)相比大约小了特定的偏移量(例如，3db)为止。在服务基站的接收不受影响的条件下(这可以通过非常快地、例如在几秒钟内执行这些测量来确保)，那么最新测量的ue-rx波束宽度用于无人机ue的ue-tx波束。它将定期进行rsrp测量，并将相应地调整波束宽度。在需要相邻蜂窝的测量的情况下，将通过使用宽波束对它们进行测量。此外，例如可以根据公式(4)来定义ue-tx波束和ue-rx波束的宽度之间的固定的或可配置的比率r(例如，在0.6到1.0之间的范围内)。
在第五实施例中，如在前述实施例中所述控制和调整波束宽度。此外，波束不是垂直指向地面，而是指向基站。这确保了最大波束天线增益用于与基站通信，这可以减小必要的发射功率并因此减少对其他蜂窝的干扰。偏转角度可以从测量的到达角或从ue相对于基站的地理位置估计来估计。
在本发明的一个实施例中，无人机配备有在各种飞行操纵期间自主地保持波束朝向为垂直于地面从而补偿无人机在加速或减速时或通常的横向运动中可能经历的倾斜运动的装置。用于得到波束方向的我们称之为“铅垂线”功能的这个功能可以借助于惯性传感器、陀螺仪、磁强计或其他类型的传感器来实现，使得无人机能够保持天线系统的方向和向下的虚拟铅垂线之间的角度α尽可能小，如图8所示。
需要注意的是，上面描述的波束宽度与用于传输的天线有关，即生成ue-tx波束。在大多数情况下，相同的天线特性也可用于接收，即计算的参数可重复用于配置ue(ue-rx波束)的接收器中使用的天线。这可能不能用于以下情况：在不同位置的不同基站被用于上行链路和下行链路的情况，以及下行链路和上行链路之间的频率偏移非常大的一些情况。此外，如果使用定向天线特性，则下行链路测量可能导致非预期结果。因此，出于测量目的，全极特性是优选。
在下面的示例中，假设基于lte的移动网络正在服务于无人机ue。然而，如果使用另一种类型的移动通信系统、例如gsm、umts或诸如5g的任何新类型，则本发明的原理也适用。
无人机配备有ue，而天线被设计为将定向波束向下发送到地面。波束宽度可配置在10到180度之间以及“全向”。
配置波束宽度的过程如下所述。图7示出了这个示例中的无人机的飞行轨迹。图中带圆圈的数字对应于以下步骤的编号。
1.无人机(包括无人机ue)被打开。无人机ue经由enba连接到移动网络。它从enba获得参考信号功率pref，并使用全向天线特性用于发射和接收。
2.无人机起飞了。它开始监测高度(例如，通过使用声纳传感器)。它预先配置有高度阈值altmin(预先存储在ue中或由网络配置)。在这个示例中，由enba向无人机ue发送信号altmin，cell_a＝20m。这意味着，在这个示例中，每个蜂窝可以选择使用altmin参数的不同值来配置无人机ue。无人机ue将使用全向天线特性，直到超过这个阈值为止。
3.无人机进一步获得高度。在检测到超过altmin之后，它开始使用波束宽度控制功能，即它根据公式(1)计算fpr的值，该公式对当前服务蜂窝有效，即在下一次切换之前将无需新的计算。此外，它根据公式(3)利用当前高度和fpr计算波束宽度“bwcella”。如果当前高度与用于先前计算的高度之差超过特定值，则这被定期(例如，每秒一次)或通过事件驱动而完成。如果无人机保持特定高度，则后者效率最高。
4.在飞行期间，无人机ue像通常的ue一样执行邻近蜂窝测量。这种测量将通过使用全向天线特性来执行。
5.在某个时间点，这些测量指示需要切换到蜂窝b。因此，无人机ue如常执行到蜂窝b的切换。此外，无人机ue从enbb得到值pref和altmin，cell_b。
6.无人机ue应用新接收的参数pref来计算fpr和波束宽度“bwcellb”。在图7的示例中，蜂窝b的pref以及因此的蜂窝范围比蜂窝a的pref大得多。因此，fpr在切换之后将大得多。
7.无人机靠近着陆区域并开始降低高度。
8.无人机ue检测到当前高度降到altmin，cell_b以下。因此，它停止使用波束宽度控制功能。现在它将使用全向天线特性。
9.无人机已经着陆并关闭。
表1
具有双天线接收器终端的1mbps的下行链路预算(＝“最大路径损耗”)(来自“lte百科全书”)。
表2
具有双天线接收器基站的64kbps的上行链路预算(＝“最大路径损耗”)(来自“lte百科全书”)。
1.一种减少由飞行器在移动通信系统中引起的干扰的方法，所述方法包括：将飞行器布置为当飞行器在空中时操控无线电传输以补偿飞行器的倾斜，以将传输方向调整为垂直向下，其中，飞行器调整无线电传输的波束宽度，使得波束在地面上的覆盖区关于与飞行器通信的基站的蜂窝大小被控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用飞行器离地高度的测量和蜂窝大小的函数来调整波束宽度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用接收的参考信号功率参数来确定蜂窝大小的值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，飞行器控制无线电传输的波束宽度，使得波束在地面上的覆盖区关于在地面操作的用户设备的估计的传输范围被控制。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，使用接收的最大发射功率参数来确定估计的传输范围的值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，飞行器控制无线电传输的波束宽度，使得波束在地面上的覆盖区关于预定值被控制。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，飞行器控制无线电传输的波束宽度，使得波束在地面上的覆盖区关于从移动通信系统的选择的基站接收的信号功率被控制。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，飞行器使用变化的选择的接收波束宽度来执行来自选择的基站的接收的信号功率的测量，直到接收的信号功率低于预定阈值，并且使用产生低于所述预定阈值的接收的信号功率的接收的波束宽度的值作为来自飞行器的无线电传输的波束宽度。
9.根据权利要求1至8中的任何一项所述的方法，其中，使用飞行器离地高度的测量来控制波束宽度。
10.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，使用飞行器飞行姿态的测量来控制传输方向的操控。
11.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，一旦飞行器离地超过预定高度，无线电传输就被操控。
12.一种飞行器，所述飞行器包括适于执行前述权利要求中的任何一项所述的方法的用户设备模块。
13.一种减少由飞行器在移动通信系统中引起的干扰的方法，所述方法包括：将飞行器布置为当飞行器在空中时操控无线电传输以补偿飞行器的倾斜，以将传输方向调整为垂直向下。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，飞行器控制无线电传输的波束宽度，使得波束在地面上的覆盖区关于在地面操作的用户设备的估计的传输范围被控制。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，飞行器控制无线电传输的波束宽度，使得波束在地面上的覆盖区关于预定值被控制。
技术总结