Comunicación con un avión mediante torres de estación base celular.

Un sistema de comunicaciones celulares para comunicar con abonados móviles con base terrestre situadosdentro de una célula y con un avión (55) que vuela a través de la célula,

comprendiendo dicho sistema:una estación base (52) con base terrestre que da servicio a la célula, incluyendo dicha estación base con baseterrestre:

una disposición de antena para generar un haz de antena elevado para comunicar con el avión;

una interfaz de control de tráfico aéreo, (ATC), para recibir información ATC desde una red ATC (51);

una interfaz celular para recibir comunicaciones celulares desde una red (53) de telecomunicacionescelulares;

un multiplexor (54) para multiplexar la información ATC con las comunicaciones celulares en un flujo de datosenviado al avión (55) con el haz de antena elevado; y

un transceptor para transmitir el flujo de datos al avión a través del haz de antena elevado;

un transceptor (58) del avión a bordo del avión para recibir el flujo de datos desde la estación base con baseterrestre; y

un desmultiplexor (62) a bordo del avión para desmultiplexar el flujo de datos y encaminar la información ATC a lacabina de pilotaje del avión, encaminando al mismo tiempo las comunicaciones celulares a los dispositivos decomunicación portátiles a bordo del avión

Comunicación con un avión mediante torres de estación base celular

Antecedentes de la invención La presente invención se refiere a las comunicaciones radioeléctricas. Más en particular, y de forma no limitativa, la presente invención está dirigida a un sistema y un método para comunicar con aviones mediante torres de estación base celular.

Para comunicaciones de control del tráfico aéreo, un avión civil en vuelo comunica con estaciones terrestres que utilizan canales de banda estrecha en la zona de 116 a 174 MHz del espectro radioeléctrico. Los aviones son asignados asimismo a un segmento de 2 MHz del espectro en una banda de enlace ascendente y una banda de enlace descendente en la zona de 800 a 900 MHz, para ampliar el acceso a las redes de comunicaciones terrestres para los pasajeros en vuelo. Esto último ha sido utilizado para proporcionar servicios telefónicos mediante teléfonos en los respaldos de la cabina de pasajeros.

En el documento US 6 108 539 se da a conocer un sistema de comunicación celular de este tipo.

En un ámbito relacionado, las redes de comunicación celular en EE. UU. están asignadas a un segmento mucho más amplio del espectro para las comunicaciones con las estaciones móviles. Por ejemplo, las redes de comunicación celular que funcionan en la banda de 1900 MHz están asignadas a un segmento de 60 MHz en los sentidos de enlace ascendente y de enlace descendente. Las redes de comunicación celular modernas se están actualizando a velocidades de transferencia de datos superiores para proporcionar comunicaciones de internet y otras comunicaciones denominadas multimedia para los abonados móviles. La red internet es un medio que se ha vuelto tan ubicuo como el teléfono y favorece la utilización de anchos de banda mucho mayores que la telefonía. Dichos servicios de banda ancha no están disponibles para las comunicaciones con aviones debido a que no pueden proporcionarse satisfactoriamente dentro del segmento de 2 MHz actualmente asignado a las comunicaciones tierra-aire.

La figura 1A es una vista superior de un típico diagrama de radiación de antena que muestra un diagrama de radiación horizontal para una torre de estación base celular existente. En la configuración mostrada, una antena sectorizada ubicada centralmente transmite y recibe señales de RF en el sector-A, el sector-B y el sector-C de una célula que define el área de servicio de la estación base. En el plano horizontal, cada uno de los tres diferentes sistemas de antena cubre un sector asociado de 120° de acimut. La forma horizontal del haz se escoge usualmente para ser de aproximadamente -12 dB con respecto al pico del lóbulo principal en el borde del sector de +/- 60°, puesto que en dicha dirección se requiere solamente la mitad del rango máximo. La anchura del haz de -3 dB es del orden de +/- 30°, que es igual o similar a la que se habría utilizado para cubrir sectores de 60°.

La figura 1B es una vista lateral de un típico diagrama de radiación de antena que muestra un diagrama de radiación vertical para el sector-A de la torre de estación base celular existente de la figura 1A. Aunque no se muestran, los diagramas de radiación vertical en los otros sectores están situados en el plano vertical de manera similar. El diagrama en cada uno de los sectores de antena está formado como un lóbulo orientado horizontalmente. En el plano vertical, la anchura del haz es habitualmente más estrecha puesto que casi nunca existen requisitos para cubrir estaciones que no estén a nivel terrestre. En algunas células, el diagrama de la antena puede estar inclinado hacia abajo en una pequeña cantidad (por ejemplo 5°) en función de la altura de la torre, del tamaño de la célula y del terreno. La ganancia directiva típica de una antena de estación base celular es de 18 dB, lo que puede comprender un factor de directividad 8 (es decir, 8 dB) en el plano horizontal y un factor 10 (es decir, 10 dB) en el plano vertical. La ganancia de 10 dB en el plano vertical puede incluir una ganancia de directividad vertical de 4 dB para cada elemento de antena y una ganancia del sistema de 6 dB debido a la fase común de cuatro de dichos elementos.

Por lo tanto, el diagrama de radiación vertical para torres de estación base celular existentes está optimizado para comunicar con teléfonos móviles en tierra o en edificios. El diagrama de radiación proporciona una ganancia insuficiente en los ángulos de radiación superiores necesarios para comunicar con un avión en vuelo.

Es deseable dar a conocer comunicaciones de banda ancha para aviones en vuelo, para proporcionar una variedad de servicios multimedia. Sería ventajoso tener un sistema de comunicación celular, un método y una estación base para proporcionar servicios de comunicaciones de banda ancha a un avión, sin requerir más cantidad del espectro radioeléctrico y sin interferir con los abonados con base terrestre. La presente invención da a conocer un sistema de comunicación celular, un método y un estación base de este tipo.

Breve compendio de la invención La materia objeto de la presente invención está definida en las reivindicaciones independientes 1, 15 y 20 anexas.

Breve descripción de las diversas vistas de los dibujos En la siguiente sección se describirá la invención haciendo referencia a realizaciones ejemplares mostradas en las figuras, en las cuales:

la figura 1A (técnica anterior) es una vista superior de un típico diagrama de radiación de antena que muestra un diagrama de radiación horizontal para una torre de estación base celular existente;

la figura 1B (técnica anterior) es una vista lateral de un típico diagrama de radiación de antena en un diagrama de radiación vertical para un sector de una torre de estación base celular existente;

la figura 2 es una vista lateral que muestra un sistema colineal vertical a modo de ejemplo, adecuado para conseguir un diagrama de radiación a cero grados en la presente invención;

la figura 3 es una vista lateral que muestra un sistema colineal vertical a modo de ejemplo, adecuado para conseguir un diagrama de radiación a 30º de elevación en la presente invención;

la figura 4 es un dibujo ilustrativo que muestra la geometría para comunicar entre torres de estación base celular y un avión a altitud de crucero;

la figura 5 es una vista lateral que muestra una primera realización a modo de ejemplo, de un sistema colineal vertical adecuado para proporcionar simultáneamente un haz horizontal y un haz a 30° de elevación para diferentes señales en la presente invención;

la figura 6 es una vista lateral que muestra una segunda realización a modo de ejemplo, de un sistema colineal vertical adecuado para proporcionar simultáneamente un haz horizontal y un haz a 30° de elevación para diferentes señales en la presente invención;

la figura 7 es un dibujo ilustrativo que muestra un plan de utilización de frecuencias inteligente cuando se utiliza la presente invención con el estándar GSM del Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones; y

la figura 8 es un diagrama de bloques simplificado de una realización del sistema de la presente invención.

Descripción detallada de la invención La presente invención da a conocer una nueva configuración de antena en una torre de estación base celular, para transmitir o recibir señales en un ángulo ascendente separado del plano horizontal con objeto de comunicar con un avión a altitud de crucero sin interferir con los usuarios terrestres que utilizan las mismas frecuencias. De este modo, las bandas de frecuencia celular pueden ser reutilizadas para comunicar información hacia y desde un avión. La información puede incluir información de control del tráfico aéreo (ATC, air traffic control) , información de abonados celulares en vuelo, u otra información multimedia de banda ancha, tal como señales de video procedente de cámaras web y equipos de seguridad de a bordo. En una realización, una torre de estación base dedicada a dar servicio a aviones genera solamente lóbulos orientados hacia arriba. En otra realización, la torre de estación base genera un lóbulo horizontal para comunicaciones terrestres y un lóbulo ascendente para comunicaciones con aviones. El lóbulo ascendente puede tener un nulo en el plano horizontal para reducir la interferencia con las comunicaciones terrestres efectuadas desde la misma estación base.

La figura 2 es una vista lateral que muestra un sistema colineal vertical 10 a modo de ejemplo, adecuado para conseguir un diagrama de radiación a cero grados en la presente invención. Cuatro dipolos verticales (11a a 11d) están dispuestos frente a un reflector 12. Sin el reflector, el diagrama de radiación... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de comunicaciones celulares para comunicar con abonados móviles con base terrestre situados dentro de una célula y con un avión (55) que vuela a través de la célula, comprendiendo dicho sistema:

una estación base (52) con base terrestre que da servicio a la célula, incluyendo dicha estación base con base terrestre:

una disposición de antena para generar un haz de antena elevado para comunicar con el avión;

una interfaz de control de tráfico aéreo, (ATC) , para recibir información ATC desde una red ATC (51) ;

una interfaz celular para recibir comunicaciones celulares desde una red (53) de telecomunicaciones celulares;

un multiplexor (54) para multiplexar la información ATC con las comunicaciones celulares en un flujo de datos enviado al avión (55) con el haz de antena elevado; y

un transceptor para transmitir el flujo de datos al avión a través del haz de antena elevado;

un transceptor (58) del avión a bordo del avión para recibir el flujo de datos desde la estación base con base terrestre; y

un desmultiplexor (62) a bordo del avión para desmultiplexar el flujo de datos y encaminar la información ATC a la cabina de pilotaje del avión, encaminando al mismo tiempo las comunicaciones celulares a los dispositivos de comunicación portátiles a bordo del avión.

2. El sistema de comunicaciones celulares acorde con la reivindicación 1, que comprende además una estación base microcelular (63) conectada al transceptor del avión, en el que la estación base microcelular transmite las comunicaciones celulares a los dispositivos de comunicación portátiles a bordo del avión.

3. El sistema de comunicaciones celulares acorde con la reivindicación 1, que comprende además un códec (59) para descodificar el flujo de datos recibido desde la estación base con base terrestre, y para recodificar la información celular en un formato utilizado por los dispositivos de comunicación portátiles.

4. El sistema de comunicaciones celulares acorde con la reivindicación 3, en el que el desmultiplexor envía la información ATC a los instrumentos (61) de la cabina de pilotaje y el códec recodifica la información ATC en un formato utilizado por los instrumentos de la cabina de pilotaje.

5. El sistema de comunicaciones celulares acorde con la reivindicación 1, en el que la disposición de antena de la estación base con base terrestre está adaptada asimismo para generar un haz de antena horizontal a través del cual son transmitidas y recibidas señales entre la estación base con base terrestre y los abonados con base terrestre.

6. El sistema de comunicaciones celulares acorde con la reivindicación 5, en el que la disposición de antena de la estación base con base terrestre está adaptada para generar el haz de antena horizontal con un pico del haz de antena horizontal dirigido aproximadamente a una elevación de cero grados, generando al mismo tiempo el haz de antena elevado con un pico del haz de antena elevado dirigido a una elevación de aproximadamente 30 grados, en el que el haz de antena elevado está lo suficientemente separado en elevación respecto del haz de antena horizontal como para eliminar la interferencia mutua entre los dos haces.

7. El sistema de comunicaciones celulares acorde con la reivindicación 6, en el que la estación base con base terrestre está adaptada para utilizar el mismo espectro de frecuencias en el haz de antena horizontal y el haz de antena elevado.

8. El sistema de comunicaciones celulares acorde con la reivindicación 1, en el que la disposición de antena incluye:

un sistema de elementos de antena orientado verticalmente; y

una disposición de línea de alimentación conectada a cada uno de los elementos de antena para alimentar los elementos de antena con señales retardadas en fase progresivamente, generando de ese modo un haz de antena elevado dirigido hacia arriba en dirección al avión.

9. El sistema de comunicaciones celulares acorde con la reivindicación 8, en el que la disposición de línea de alimentación alimenta progresivamente los elementos de antena con señales retardadas en fase 90 grados comenzando con el elemento de antena inferior y prosiguiendo hacia arriba, generando de ese modo un haz de antena elevado dirigido hacia arriba a 30 grados.

10. El sistema de comunicaciones celulares acorde con la reivindicación 1, en el que la disposición de antena está situada sobre una serie de torres (21, 22) de antena y el sistema comprende además un controlador para rastrear el

avión y asignar el avión para un funcionamiento a través de una torre de antena que proporcione la máxima calidad de señal.

11. El sistema de comunicaciones celulares acorde con la reivindicación 10, en el que el controlador está adaptado para transferir el avión desde una primera torre de antena hasta una segunda torre de antena cuando el avión se desplaza desde una primera célula a una segunda célula servidas mediante la primera y la segunda torres de antena, respectivamente.

12. El sistema de comunicaciones celulares acorde con la reivindicación 5, en el que la disposición de antena genera haces de antena horizontales y elevados separados acimutalmente en sectores acimutales de una célula servida, y el espectro de frecuencias utilizado por el sistema está dividido entre los sectores de los haces de antena horizontales separados acimutalmente, y está dividido asimismo entre los sectores acimutales de, por lo menos, uno de los haces de antena elevados.

13. El sistema de comunicaciones celulares acorde con la reivindicación 12, en el que la división del espectro de frecuencias entre los sectores acimutales de los haces de antena horizontales está rotada con respecto a la división entre los sectores acimutales de, por lo menos, un haz de antena elevado, en el que en cualquiera de los sectores, el haz de antena horizontal y el haz de antena elevado utilizan espectros de frecuencia diferentes.

14. El sistema de comunicaciones celulares acorde con la reivindicación 1, que comprende además un mecanismo de control de potencia para controlar los niveles de potencia de transmisión de la estación base con base terrestre y del transceptor a bordo del avión, en el que el mecanismo de control de potencia asegura que la estación base con base terrestre y el transceptor a bordo del avión transmiten a un nivel de potencia suficiente sólo para que las señales transmitidas alcancen mutuamente el avión y la torre de antena más próxima.

15. Un método en un sistema de comunicaciones celulares para comunicar con abonados móviles con base terrestre situados dentro de una célula y con un avión (55) que vuela a través de la célula, comprendiendo dicho método las etapas de:

generar mediante una disposición de antenas en una estación base (52) con base terrestre que da servicio a la célula, un haz de antena elevado para comunicar con el avión;

recibir mediante la estación base (52) con base terrestre, información de control del tráfico aéreo, (ATC) , procedente de una red ATC (51) ;

recibir mediante la estación base (52) con base terrestre, comunicaciones celulares procedentes de una red (53) de telecomunicaciones celulares;

multiplexar mediante una estación base (52) con base terrestre, la información ATC con las comunicaciones celulares en un flujo de datos;

transmitir mediante la estación base (52) con base terrestre el flujo de datos multiplexado al avión (55) ;

recibir mediante un transceptor (58) a bordo del avión, el flujo de datos multiplexado procedente de la estación base (52) con base terrestre;

desmultiplexar el flujo de datos mediante un desmultiplexor (62) a bordo del avión (55) ;

encaminar la información ATC a la cabina (61) de pilotaje del avión; y

encaminar las comunicaciones celulares a los dispositivos (57) de comunicación portátiles a bordo del avión (55) .

16. El método acorde con la reivindicación 15, en el que la etapa de generar un haz de antena elevado incluye las etapas de:

orientar una serie de elementos de antena en un sistema vertical;

conectar una disposición de líneas de alimentación a cada uno de los elementos de antena; y

alimentar los elementos de antena con señales retardadas en fase progresivamente, generando de ese modo un haz de antena elevado dirigido hacia arriba en dirección al avión (55) .

17. El método acorde con la reivindicación 15, en el que la etapa de encaminar las comunicaciones celulares a los dispositivos de comunicación portátiles a bordo del avión incluye las etapas de:

encaminar las comunicaciones celulares a una estación base microcelular (63) conectada al transceptor a bordo del avión (55) ; y

mediante la estación base microcelular (63) , transmitir las comunicaciones celulares a los dispositivos (57) de comunicación portátiles a bordo del avión.

18. El método acorde con la reivindicación 17, que comprende además las etapas de: descodificar el flujo de datos recibidos desde la estación base (52) con base terrestre;

recodificar la información celular en un formato utilizado mediante los dispositivos (57) de comunicación portátiles; y recodificar la información ATC en un formato utilizado mediante los instrumentos (61) de la cabina de pilotaje.

19. El método acorde con la reivindicación 15, que comprende además generar mediante la disposición de antenas en la estación base con base terrestre que da servicio a la célula, un haz de antena horizontal a través del cual son transmitidas y recibidas comunicaciones celulares entre la estación base (52) con base terrestre y los abonados con base terrestre.

20. Una estación base (52) en un sistema de comunicaciones celulares para comunicar con un avión (55) que vuela a través de una célula servida mediante la estación base (52) , comprendiendo dicha estación base: una disposición de antena para generar un haz de antena elevado para comunicar con el avión; 15 una interfaz de control de tráfico aéreo, (ATC) , para recibir información ATC desde una red ATC (51) ;

una interfaz celular para recibir comunicaciones celulares desde una red (55) de telecomunicaciones celulares; un multiplexor para multiplexar la información ATC con las comunicaciones celulares en un flujo de datos enviado al avión (55) con el haz de antena elevado; y

un transceptor para transmitir el flujo de datos al avión (55) a través del haz de antena elevado. 20 21. La estación base acorde con la reivindicación 20, en la que la disposición de antena está adaptada asimismo para generar un haz de antena horizontal a través del cual son transmitidas y recibidas señales entre la estación base y los abonados con base terrestre.