УМЕНЬШЕНИЕ ПОМЕХ, СОЗДАВАЕМЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ
REDUCTION IN INTERFERENCE CREATED BY AIRCRAFTS

Область техники
Настоящее изобретение относится к способам снижения помех в системе мобильной связи, создаваемых летательными аппаратами, в частности беспилотными летательными аппаратами, обычно называемыми «дронами».
Уровень техники
На пленарном заседании 3GPP RAN №75 в марте 2017 года был рассмотрен и утвержден новый предмет исследования для рабочих групп RAN - «Расширенная поддержка для летательных аппаратов». Целесообразность включения этого предмета исследования в сферу деятельности 3GPP связана с ростом количества дронов (или беспилотных летательных аппаратов, БПЛА), которые оснащены (или могут быть оснащены) устройствами мобильной связи (устройствами пользователя, (UE, user equipment)). Эта тенденция вызвана существованием двух типов дронов, а именно: дронов, позволяющих устанавливать на них обычные сотовые телефоны, и доступных на рынке дронов, оснащенных встроенными сотовыми модемами.
Ожидается особенно быстрый рост использования дронов для доставки посылок, поисково-спасательных операций, контроля критически важных объектов инфраструктуры, сохранения дикой природы, видеонаблюдения и в качестве летающих камер. Скорее всего, подобные варианты использования продолжат появляться в ближайшие годы. Во многих из упомянутых выше вариантов использования возможна определенная польза от подключения дронов к системам сотовой связи (например, к сетям LTE) в качестве устройств UE. В результате этого в будущем к имеющемуся парку устройств UE, работающих на земной поверхности (или вблизи нее), может добавиться большой парк дронов с сотовыми модемами. Поэтому некоторые операторы мобильной связи (MNO, Mobile Network Operators) ощущают необходимость лучшей подготовки своих существующих сетей сотовой связи к предстоящему росту трафика данных, вызванному распространением дронов, оснащенных сотовыми модемами.
Например, на малых высотах дрон, оснащенный устройством UE, обычно ведет себя как традиционное устройство UE, но на больших высотах характеристики распространения радиоволн меняются и сигнал восходящего канала дрона может вызывать проблемы, поскольку он может приниматься большим количеством сот вследствие распространения радиоволн в условиях прямой видимости.
Сигнал восходящего канала, передаваемый таким летающим дроном, значительно увеличивает помехи для сигналов восходящего канала, принимаемых в соседних сотах, как показано на фиг. 1. Таким образом, сигнал восходящего канала дрона оказывает отрицательное воздействие на другие устройства UE, находящиеся или установленные на поверхности земли (например, смартфон, устройство интернета вещей и т.д.).
Основное различие между сигналами восходящего канала, передаваемыми летающими дронами, и сигналами, передаваемыми традиционными устройствами UE на нулевой высоте, состоит в значительном отличии диаграммы направленности их излучения и по этой причине диаграммы направленности излучения, использованные на этапе планирования сети, оказываются неприменимыми. Это главным образом связано с тем, что при расположении устройства UE (дрона) на большей высоте между ним и соседними сотами находится меньше препятствий, ослабляющих сигнал. Вполне может оказаться так, что летающий дрон, обслуживаемый одной сотой, создает в соте второго или третьего уровня дальности такие помехи, создание которых для устройств UE на нулевой высоте считается невозможным. Иными словами, предсказание помех в соте от устройств UE, обслуживаемых другими сотами, совершенно отличается для летающих устройств UE по сравнению с устройствами UE на нулевой высоте. В результате планирование соты становится неоптимальным и соединения восходящего канала оказываются весьма уязвимыми к воздействию помех от устройств UE, работающих на большой высоте. Эти факты были изучены и послужили основанием для разработки упомянутых документов 3GPP, поэтому описанное здесь воздействие должно серьезно восприниматься операторами сети.
Кроме того, хорошо заметный сигнал восходящего канала дрона может создавать проблемы для связи при прямом соединении устройств (SL, sidelink), например, при связи D2D (device-to-device) или V2V (vehicle-to-vehicle), поскольку весь трафик интерфейса РС5 (интерфейса UE-to-UE) приходится на ресурсы восходящего канала, то есть на те же несущие частоты восходящего канала, что предназначены для передачи в восходящем канале систем LTE-FDD, и на те же субкадры восходящего канала, что предназначены для передачи в восходящем канале систем LTE-TDD. На фиг. 2 показаны помехи, создаваемые сигналами восходящего канала дрона в канале SL, установленном между двумя устройствами UE, задействованными при связи D2D (или V2V) в соседней соте.
В настоящее время у базовых станций LTE (станций eNB) есть два средства ограничения или исключения помех в восходящем канале, создаваемых устройствами UE, обслуживаемыми соседней сотой - индикатор перегрузки (OI, Overload Indicator) и индикатор сильной помехи (HII, High Interference Indication).
Станция eNB, обнаружившая высокий уровень помех в любом ресурсе восходящего канала, может передавать «индикатор перегрузки» (OI) в соседние соты. Сообщение включает в себя указание радиоресурсов, подвергающихся воздействию помех. Затем соседние соты должны попытаться предоставить другие ресурсы устройству UE, которое в данное время использует такой ресурс.
Станция eNB, собирающаяся выделить восходящему каналу ресурсы, с помощью которых будут передаваться сигналы высокой мощности, может передавать индикатор сильной помехи (HII) соседним сотам с идентификатором радиоресурсов, подвергающихся воздействию помех. Принявшие его соседние соты должны попытаться исключить выделение этих ресурсов.
Еще одним современным средством предотвращения влияния помех является применение методов формирования соответствующей диаграммы направленности, т.е. ориентирования диаграммы направленности при передаче сигналов устройства UE, установленного на дроне, в направлении к станции eNB обслуживающей соты. Это более сложный метод, требующий частой перенастройки адаптивных антенн, поскольку направление оси диаграммы направленности должно постоянно корректироваться при движении дрона. Кроме того, требуется периодический обмен управляющей информацией между устройством UE и станцией eNB. При формировании диаграммы направленности используются следующие определения:
- eNB-Tx-beam: конфигурация с повышенным коэффициентом усиления антенны для направленной передачи по нисходящему каналу (DL, downlink) в станции eNB, используемая для передачи сигналов от вышки к мобильному телефону;
- eNB-Rx-beam: конфигурация с повышенным коэффициентом усиления антенны для направленного приема по восходящему каналу (UL, uplink) в станции eNB, используемая для приема сигналов, передаваемых от мобильного телефона к вышке;
- UE-Tx-beam: конфигурация с повышенным коэффициентом усиления антенны для направленной передачи по восходящему каналу в устройстве UE, используемая для передачи сигналов от мобильного телефона к вышке;
- UE-Rx-beam: конфигурация с повышенным коэффициентом усиления антенны для направленной передачи по нисходящему каналу в устройстве UE, используемая для приема сигналов, передаваемых от вышки к мобильному телефону;
- направленный нисходящий канал: соединение по нисходящему каналу с конфигурациями TRP-Tx-beam и UE-Rx-beam;
- направленный восходящий канал: соединение по восходящему каналу с конфигурациями UE-Tx-beam и TRP-Rx-beam.
Из патентной литературы известны способы управления углом наклона оси антенны (US 20120015684 A1) и шириной диаграммы направленности антенны (JP 2004229220 A) базовой станции в зависимости от высоты либо самой антенны базовой станции, либо терминала (устройства UE). Адаптация антенны выполняется для ориентирования оси диаграммы направленности антенны на устройство UE и для уменьшения помех, создаваемых другим устройствам или сотам. В патентной литературе нет сведений об адаптации ширины диаграммы направленности автономно в устройстве UE, т.е. без специально предусмотренной для этого передачи сигналов базовой станцией. Кроме того, при расчете ширины диаграммы направленности не учитывается предполагаемый размер соты. Также неизвестен порядок поэтапной настройки.
Из патентного документа ЕР 2994958 А1 известен способ, в котором ширина диаграммы направленности, ось которой направлена в сторону земли, динамически регулируется в зависимости от высоты летательного аппарата (воздушного шара), на котором установлено устройство связи. В этом патенте при расчете ширины диаграммы направленности также не учитывается предполагаемый размер обслуживающей соты.
В документе US 20070161347 A1 описана устанавливаемая на самолете система мобильной связи, действующая как ретранслятор для устройств UE на борту самолета. Антенна установлена на нижней части фюзеляжа самолета и ориентирована вертикально вниз при горизонтальном полете, но ее ориентация не контролируется относительно ориентации самолета. Управление направленностью радиопередачи не выполняется.
В патентном документе US 5699069 описана устанавливаемая на самолете система связи. Эта система включает в себя несколько антенн, ориентированных в разных направлениях, и предусматривает формирование диаграмм направленности электромагнитного излучения с различной ориентацией для обеспечения широкой зоны покрытия. Сведений о возможности управления отдельными диаграммами направленности не приводится.
В патентном документе WO 2016028767A1 описана воздушная система связи, содержащая несколько бортовых узлов, обеспечивающих покрытие для пользователей на земной поверхности. Указано, что эти бортовые узлы осуществляют передачу вертикально вниз, но нет указаний на то, что это достигается за счет управления диаграммой направленности, а не за счет соответствующей ориентации передающей антенны.
В патентном документе US 20170013476 A1 описан дрон, на борту которого находится радиостанция, выполняющая функции узла мобильной сотовой связи. Дрон имеет направленную антенну, которая может быть ориентирована в сторону земли, но нет указаний на то, что диаграмма направленности излучения является управляемой.
Раскрытие изобретения
Один аспект данного изобретения относится к компенсации воздействий, вызванных изменением углов наклона дрона во время полета и влияющих на направление оси диаграммы направленности направленных антенн. Поперечным положением и/или скоростью дрона можно управлять, поддерживая и/или изменяя мощность одной или нескольких двигательных установок дрона. Скорость вращения одного или нескольких винтов дрона может влиять на поперечное перемещение дрона. Например, чтобы дрон перемещался в определенном направлении, его можно наклонить в этом направлении, при этом скорость вращения винтов дрона может влиять на скорость поперечного перемещения и/или на траекторию движения. Когда дрон наклоняется, чтобы изменить поперечное положение и/или скорость, антенная система устройства UE, прикрепленного к дрону или встроенного в него, также в большинстве случаев наклоняется таким образом, что ориентация оси диаграммы направленности прямо на землю (т.е. перпендикулярно к поверхности земли) нарушается. Поэтому другим аспектом настоящего изобретения является функция автономного управления устройством UE с целью корректировки ориентации диаграммы направленности его восходящего канала (т.е. UE-Tx-beam) и/или ориентации диаграммы направленности его нисходящего канала (т.е. UE-Rx-beam).
Доступные в настоящее время средства подавления помех (OI и HII) не способны решить эту проблему в отношении помех, создаваемых устройствами UE, работающими на большой высоте, поскольку вероятно, что находящиеся в непосредственной близи соседние соты не обслуживают устройства UE, создающие помехи. А обслуживать это устройство UE может соседняя сота второго или третьего (и т.д.) порядка дальности, и поэтому ни сигналы OI, ни сигналы HII не принимаются обслуживающей сотой. Очевидное решение проблемы путем передачи OI и HII сотам следующего порядка дальности чрезмерно усложняет существующие методы подавления помех.
Другой причиной неработоспособности технологий OI и HII является отличие уровня мощности UE-дронов от уровня мощности устройств UE на нулевой высоте, способных создавать помехи. В некоторых случаях мощность передачи в восходящем канале UE-дрона оказывается ниже порогового значения, при превышении которого передается сигнал HII. Поэтому сигнал HII не передается при том, что этот UE-дрон создает помехи. Тогда станция eNB, подвергающаяся воздействию помех, может использовать сигнал OI, но помехи уже возникли и данные с высокой вероятностью уже могут быть потеряны.
В силу особенностей дронов соты, подвергающиеся воздействию помех по восходящему каналу, и устройства UE, подвергающиеся воздействию помех по каналу прямого соединения, динамически сменяются другими. Поэтому для передачи сигналов HII и OI требуется большой объем сигнализации.
Помимо этих проблем при подавлении помех в восходящем канале, сигналы HII и OI не подходят для подавления помех в канале прямого соединения.
Использование методов, связанных с формированием диаграммы направленности, уменьшает помехи, но это обходится дорого: регулировка направления оси диаграммы направленности требует периодической передачи сигналов управления между UE-дроном и обслуживающей его станцией eNB. При этом скорость такой адаптации необходимо увеличивать с ростом скорости дрона. Поэтому такой вариант не подходит в случаях, когда дрон движется быстро, но даже если дрон вовсе не движется, для поддержания правильного направления оси диаграммы направленности требуется большой объем вычислений и сигнализации.
Известные решения, в которых используется направленный вниз луч UE-Tx-beam (например, в документе ЕР 2994958 А1), не адаптируют ширину диаграммы направленности в соответствии с радиусом обслуживающей соты. Поэтому после хэндовера в новую обслуживающую соту выбранная ширина диаграммы направленности оказывается неоптимальной. Это приводит либо к увеличению мощности помех, если диаграмма направленности слишком широка, либо к ухудшению качества связи, если диаграмма направленности слишком узка.
В настоящем изобретении реализован способ уменьшения помех, создаваемых летательным аппаратом в системе мобильной связи. Способ включает в себя организацию управления радиопередачей в летательном аппарате, находящемся в воздухе, при котором направление передачи регулируется таким образом, чтобы она осуществлялась вертикально вниз.
Целесообразно применять для управления ориентированием диаграммы направленности автономное устройство, не требующее передачи сигналов от базовой станции.
Прикрепленное к дрону устройство UE оснащено адаптивными антеннами, позволяющими автономно адаптировать ширину и направление луча UE-Tx-beam (и/или луча UE-Rx-beam) без передачи управляющих сигналов на базовую станцию, при этом направление оси диаграммы направленности регулируется так, чтобы она была обращена к земной поверхности перпендикулярно ей, независимо от наклона дрона, с помощью функции отвеса, а ширина диаграммы направленности рассчитывается на основе предполагаемого радиуса обслуживающей соты, чтобы обеспечить на земной поверхности зону покрытия, равную радиусу обслуживающей соты.
Преимущество адаптивного формирования диаграммы направленности состоит в том, что при этом подавляются помехи, вызванные работой устройства UE на большой высоте, поскольку уменьшается уровень принимаемого сигнала в соседних сотах. Следовательно, пользователь и сеть получают положительный эффект от повышения надежности соединения и увеличения пропускной способности системы. Кроме того, объем сигнализации и состав соответствующих действий по формированию сообщений для сетевых способов подавления помех с использованием сигналов OI и HII значительно сокращаются и, следовательно, экономятся вычислительные и коммуникационные ресурсы. В большинстве случаев для UE-дронов уже не требуются сигналы OI и HII.
Предлагается активно стабилизировать ось диаграммы направленности в вертикальном направлении в сторону земли. Этот способ очень прост в реализации и не оказывает воздействия на сеть мобильной связи и станции eNB. Передача сигнализации не требуется. Следовательно, этот способ экономит ресурсы аккумуляторной батареи и радиоресурсы.
Шириной диаграммы направленности можно управлять на основе измерения высоты над поверхностью земли и на основе радиуса зоны покрытия (FPR, footprint range) обслуживающей соты. Антенной системой UE-дрона можно управлять таким образом, чтобы ширина диаграммы направленности при передаче (а при необходимости также и при приеме) постепенно уменьшалась по мере увеличения высоты полета дрона. Здесь цель состоит в ограничении зоны покрытия на земной поверхности, обеспечиваемой диаграммой направленности восходящего канала дрона. Аналогичным образом, когда высота дрона над уровнем земли уменьшается, диаграмма направленности восходящего канала дрона (и, при необходимости, также и нисходящего канала) может постепенно расширяться.
Высота может определяться дроном разными способами, например:
- на основе анализа изображений, полученных установленной на дроне камерой, которая в большинстве случаев все равно ведет съемку с дрона, и поэтому для определения высоты по этим изображениям требуется лишь небольшой объем дополнительных вычислений;
- на основе данных одного или нескольких эхолокационных датчиков, обычно используемых дронами;
- на основе сигналов или информации от наземных систем связи, например путем измерения угла приема сигналов от передатчиков (в том числе базовых станций сотовой связи, например, станций eNB) с известным местоположением;
- на основе измерения перепада давления воздуха. Для этого к дрону крепится датчик давления воздуха, который измеряет давление на уровне земли (например, перед запуском или при запуске винтов) и периодически во время полета. Высоту можно вычислять по «барометрической формуле», полагая, что давление падает приблизительно на 11,3 Па на метр на высотах до 1000 метров над уровнем моря;
- на основе данных спутниковых навигационных систем, например, GPS, ГЛОНАСС, Galileo или Beidou.
Краткое содержание чертежей
Далее, лишь в качестве примера, описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения со ссылкой на приложенные чертежи.
На фиг. 1 показана ситуация, когда дрон может создавать помехи в соседней соте.
На фиг. 2 показана ситуация, когда дрон может создавать помехи по каналу прямого соединения для устройств UE, работающих в соседней соте.
На фиг. 3 показано изменение ширины диаграммы направленности в зависимости от высоты.
На фиг. 4 показано управление зоной покрытия дрона в зависимости от радиуса соты.
На фиг. 5 показано управление зоной покрытия дрона в зависимости от максимальной дальности передачи.
На фиг. 6 показано изменение ширины диаграммы направленности в зависимости от параметра мощности принимаемого сигнала.
На фиг. 7 показаны шаги, выполняемые для реализации способа согласно данному изобретению.
На фиг. 8 показано изменение направления оси диаграммы направленности в зависимости от углового положения дрона.
Осуществление изобретения
Ref
В первом варианте осуществления изобретения радиус зоны покрытия (FPR) рассчитывается с использованием указания дальности передачи обслуживающей соты (равной радиусу соты), как показано на фиг. 4. Затем ширина диаграммы направленности регулируется в зависимости от высоты дрона, чтобы обеспечить радиус зоны покрытия, почти равный радиусу соты. Например, в системе LTE радиус соты можно оценить по «мощности опорного сигнала» (P). Этот параметр представляет собой мощность передачи опорных сигналов в нисходящем канале конкретной соты. Он транслируется каждой сотой в блоке системной информации (SIB, System Information Block) типа 2, а диапазон значений мощности составляет от 60 дБм до +50 дБм. Уравнение (1) можно использовать для расчета значения FPR. Оно учитывает потери при распространении сигналов, рассчитываемые, на основе модели потерь при распространении, например, описанной по адресу www.wirelesscommunication.nl/reference/chaptr03/pel/loss.htm:
где
FPR - радиус зоны покрытия, определяемой передающей диаграммой направленности UE-дрона;
0
2
D - постоянный коэффициент, равный 748 1/м*МГц;
ref
P - мощность опорного сигнала, широковещательно транслируемого станцией eNB;
c
f - несущая частота нисходящего канала в МГц, указанная станцией eNB;
DL
DL
B - энергетический баланс передачи данных в нисходящем канале при мощности передачи 24 дБм, рассчитанный по методике, описанной в онлайн-энциклопедии LTE по адресу https://sites.google.com/site/lteencyclopedia/lte-radio-link-budgeting-and-rf-planning. Как правило, устройству UE известны не все параметры, необходимые для расчета энергетического баланса канала. В этом случае отсутствующие параметры принимаются равными использованным в примере, приведенном в энциклопедии LTE. Если ни один параметр не известен или для простоты считается достаточной грубая оценка, для B можно использовать значение 165,5 дБм (см. таблицу 1);
DL
C - постоянный коэффициент в диапазоне от 0,1 до 10, используемый для адаптации значения FPR к радиусу соты. Значение «1» означает, что значение FPR равно радиусу соты. Это значение либо заранее установлено в устройстве UE, либо передается в устройство UE мобильной сетью.
МАХ
Во втором варианте осуществления изобретения радиус зоны покрытия (FPR) дрона рассчитывается как меньший или равный максимальной дальности передачи устройства UE на нулевой высоте, как показано на фиг. 5. Максимальную дальность передачи устройства UE на нулевой высоте для заданной обслуживающей соты можно оценить, например, в системе LTE, исходя из параметра Р. Это максимальная мощность передачи устройства UE для конкретной соты. Она транслируется каждой сотой в блоке SIB1. Для расчета значения FPR можно использовать уравнение (2). Оно учитывает потери при распространении сигналов, рассчитываемые на основе модели потерь при распространении, например, описанной по адресу www.wirelesscommunication.nl/reference/chaptr03/pel/loss.htm:
где
FPR - радиус зоны покрытия, определяемой передающей диаграммой направленности UE-дрона;
0
2
D - постоянный коэффициент, равный 748 1/м*МГц;
МАХ
Р - максимальная мощность передачи устройства UE, широковещательно транслируемая станцией eNB;
c
f - несущая частота восходящего канала в МГц, указанная станцией eNB;
UL
UL
B - энергетический баланс передачи данных в восходящем канале при мощности передачи 24 дБм, рассчитанный по методике, описанной в вышеупомянутой энциклопедии LTE. Как правило, устройству UE известны не все параметры, необходимые для расчета энергетического баланса канала. В этом случае отсутствующие параметры принимаются равными использованным в примере, приведенном в энциклопедии LTE. Если ни один параметр не известен или для простоты считается достаточной грубая оценка, для B можно использовать значение 149,5 дБм (см. таблицу 2, где для создания условий, аналогичных принятым для нисходящего канала, вместо скорости передачи данных 64 кбит/с используется 1 Мбит/с);
UL
C - постоянный коэффициент в диапазоне от 0,1 до 10, используемый для адаптации значения FPR к максимальной дальности передачи устройств UE на нулевой высоте. Значение «1» означает, что FPR равен дальности передачи устройств UE на нулевой высоте. Это значение либо заранее задано в устройстве UE, либо передается в устройство UE по мобильной сети.
В первом и втором вариантах осуществления изобретения значение FPR рассчитывается индивидуально для каждой соты. В третьем варианте осуществления изобретения радиус FPR имеет полустатическое значение, которое заранее известно UE-дрону и которое может дополнительно настраиваться по сети. Ширину диаграммы направленности (BW, beam width) можно рассчитать в соответствии с уравнением (3). Этот принцип проиллюстрирован на фиг. 3.
Для первых трех вариантов осуществления изобретения характерна достаточно низкая скорость изменения ширины диаграммы направленности адаптивной антенной системы. Например, если высота полета дрона остается постоянной, то после хэндовера другой соте, если в ней используется другой радиус соты, может потребоваться лишь один цикл адаптации ширины диаграммы направленности. В альтернативном варианте адаптация не требуется, пока дрон не покинет определенный коридор высоты. Это относится к случаю, когда не используется адаптация ширины диаграммы направленности для конкретной соты, или когда радиус соты остается тем же в новой соте. Поэтому данный способ лучше всего подходит для дронов, которые обычно летают на постоянной высоте, например, дронов для доставки грузов, но также годится и для всех других типов дронов. Издержки (например, потребляемая мощность аккумуляторной батареи и ресурсы процессора) для реализации этого способа очень малы.
В четвертом варианте осуществления изобретения ширина луча UE-Tx-beam регулируется в соответствии с мощностью сигнала, принимаемого от обслуживающей соты или от соседних сот. Поэтому UE-дрон выполняет измерение мощности сигнала, принимаемого от выбранной базовой станции. В случае базовой станции LTE (станции eNB) может использоваться значение принимаемой мощности опорного сигнала (RSRP, Reference Signal Received Power) (см. документ 3GPP TS 36.214). В случае использования соседней соты он выбирает лучшую соседнюю соту (например, соту с максимальной величиной RSRP). Для этого измерения UE-дрон сначала использует широкую диаграмму направленности UE-Rx-beam, что гарантирует попадание соты, в которой проводятся измерения, в эту диаграмму направленности. Затем UE-дрон повторяет измерение в выбранной соте с уменьшением ширины диаграммы направленности. Он выполняет дальнейшие измерения с соответствующим уменьшением ширины диаграммы направленности до тех пор, пока отличие измеренного значения RSRP от результата первоначального измерения (в котором применялась широкая диаграмма направленности) не станет меньше некоторой заданной величины (например, 3 дБ). Ширина луча UE-Rx-beam при последнем измерении используется и для луча UE-Tx-beam UE-дрона при условии, что при этом не пострадает прием в обслуживающей базовой станции (это можно обеспечить, выполняя эти измерения очень быстро, например, в течение нескольких секунд). Измерение значения RSRP выполняется периодически и позволяет соответствующим образом адаптировать ширину диаграммы направленности. Если необходимо проводить измерения в соседних сотах, они должны выполняться с использованием широкой диаграммы направленности. Кроме того, фиксированное или настраиваемое соотношение R (например, в диапазоне от 0,6 до 1,0) между шириной лучей UE-Tx-beam и UE-Rx-beam может быть определено, например, в соответствии с формулой (4):
В пятом варианте осуществления изобретения управление и изменение ширины диаграммы направленности выполняется аналогично предшествующим вариантам осуществления изобретения. При этом ось диаграммы направленности не ориентирована вертикально в сторону земли, а направлена на базовую станцию. Это обеспечивает использование максимального коэффициента усиления антенны для связи с базовой станцией, что позволяет снизить необходимую мощность передачи и, таким образом, уменьшить помехи, создаваемые в других сотах. Угол отклонения можно оценить путем измерения угла приема или по оценкам географического местоположения устройства UE относительно базовой станции.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения дрон оснащен средствами для автономного сохранения ориентации диаграммы направленности в вертикальном направлении в сторону земли во время различных маневров в ходе полета, компенсируя наклонные движения, которые дрон может совершать в моменты ускорения или замедления, или, в общем случае, поперечного перемещения. Эта функция, называемая функцией «отвесной линии», используемая для стабилизации направления оси диаграммы направленности, может быть реализована с помощью инерциальных датчиков, гироскопов, магнитометров или других типов датчиков, при этом дроны могут сохранять как можно меньший угол α между направлением ориентации антенной системы и направленной вниз виртуальной отвесной линией, как показано на фиг. 8.
Следует отметить, что рассмотренная выше ширина диаграммы направленности относится к антеннам, используемым для передачи, т.е. для формирования луча UE-Tx-beam. В большинстве случаев такая же характеристика антенны может использоваться и для приема, т.е. вычисленные параметры могут быть использованы для настройки антенн в приемнике устройства UE (для формирования луча UE-Rx-beam). Если в разных местах для восходящего и нисходящего каналов используются разные базовые станции, и в некоторых случаях, если разнос частот несущих нисходящего и восходящего каналов очень велик, этот подход может оказаться бесполезным. Кроме того, выполнение измерений в нисходящем канале с использованием направленной характеристики антенны может приводить к неожиданным результатам. Поэтому для измерительных целей рекомендуется использовать ненаправленную характеристику.
В приведенном ниже примере предполагается, что UE-дрон обслуживается мобильной сетью на основе системы LTE. Тем не менее, принципиальные положения настоящего изобретения применимы и для другого типа системы мобильной связи, например, GSM, UMTS или любого нового типа, например, 5G.
Дрон оснащен устройством UE, а его антенны предназначены для направленной передачи сигналов вниз на землю. Настраиваемая диаграмма направленности может иметь ширину от 10° до 180° или может быть ненаправленной.
Процедура настройки ширины диаграммы направленности описана ниже. Траектория полета дрона для этого примера показан на фиг. 7. Приведенные на рисунках цифры в кружках соответствуют нумерации указанных ниже шагов.
Ref
1. Дрон (в том числе UE-дрон) включается. UE-дрон подключается к сети мобильной связи через станцию eNB А. Он получает опорный сигнал мощностью P от станции eNB А и использует антенну с ненаправленной характеристикой при передаче и приеме.
min
min, cell_А
min
2. Дрон взлетает. Он начинает отслеживать высоту (например, с помощью акустического датчика). Он заранее настроен на пороговое значение высоты Alt (заранее записанное в память устройства UE или настроенное по сети). В данном примере станция eNB А передает UE-дрону значение Alt=20 м. Это означает, что в данном примере каждая сота может выбрать настройку UE-дрона с другим значением параметра Alt. Пока этот порог не превышен, UE-дрон будет работать с ненаправленной антенной.
cell А
3. Дрон набирает высоту. Обнаружив, что высота превысила Altmin, он включает функцию управления шириной диаграммы направленности, т.е. вычисляет значение FPR в соответствии с формулой (1), которое действительно в пределах текущей обслуживающей соты, т.е. до следующего хэндовера никакие дополнительные вычисления не требуются. Далее он вычисляет ширину диаграммы направленности BW с учетом текущей высоты и значение FPR в соответствии с уравнением (3). Это выполняется либо периодически (например, раз в секунду), либо по событию, когда разность между текущей высотой и высотой, использованной для предыдущего расчета, превышает некоторую величину. Последнее наиболее эффективно, если дрон находится на постоянной высоте.
4. Во время полета UE-дрон выполняет измерения в соседних сотах обычным для устройства UE образом. Такие измерения выполняются с помощью антенны с ненаправленной характеристикой.
Re
min, cell_B
5. В какой-то момент времени эти измерения указывают на необходимость хэндовера в соту В. Тогда UE-дрон выполняет хэндовер в соту В как обычно. Кроме того, UE-дрон получает значения Pf и Alt от станции eNB В.
Ref
cell B
Ref
Ref
6. UE-дрон применяет вновь полученный параметр P для вычисления значения FPR и ширины диаграммы направленности BW. В примере на фиг. 7 величина P соты В, а значит и радиус этой соты намного больше значения P соты А. Поэтому после хэндовера значение FPR будет намного больше.
7. Дрон приближается к зоне приземления и начинает снижаться.
min, cell_B
8. UE-дрон обнаруживает, что текущая высота становится меньше значения Alt. Поэтому он выключает функцию управления шириной диаграммы направленности. Теперь он использует ненаправленную характеристику антенны.
9. Дрон приземляется и выключается.
Энергетический баланс нисходящего канала (или «Максимальные потери при распространении») со скоростью 1 Мбит/с в случае приемника терминала с двумя антеннами (из «Энциклопедии LTE»).
Энергетический баланс восходящего канала (или «Максимальные потери при распространении») со скоростью 64 кбит/с в случае приемника базовой станции с двумя антеннами (из «Энциклопедии LTE»).