CN1189027A - 卫星通信系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一个借助于利用一颗网关卫星(1000)以简化全球蜂窝通信的系统,该网关卫星经由信令链路(1001,1002)跟低地球轨道卫星(10,20)进行通信。交换是在诸卫星(10,20)中的每一颗内部进行的,并且诸交换互连以及诸语音路径通信都经由该网关卫星(1000)进行交换。由于是在一颗网关卫星(1000)内部进行交换,使得一个基于地面的交换网络(50)的使用次数被减到最少,在某些情况下,甚至被排除。

Description

卫星通信系统及其方法

本发明涉及全球移动通信，特别是涉及一个卫星蜂窝电话与数字通信系统。

转让人于本发明受让人的美国专利5410728以及5509004描述一个兼具基于空间的网络交换中心以及基于地面的网络交换中心的、在基本的和附加的通信服务方面提供合理的服务质量的通信网络。在上述专利中，示出了用于卫星蜂窝电话通信系统的卫星配置。在那些配置中，利用了若干低地球轨道(“LEO”)卫星。这些卫星处于环绕地球的连续运动之中。卫星的蜂窝结构有点像今天的蜂窝移动通信系统。在蜂窝移动通信系统中，蜂窝位置是固定的而用户们则是移动的。随着用户从一个小区位置走到另一个位置，电话呼叫也从一个蜂窝交换单元切换到另一个。在上述’728和’004两份专利的卫星系统中，在任何给定时间内用户们都是相对固定的，而构成诸小区的诸卫星则处于连续运动之中。手持的或车载的蜂窝电话跟诸卫星中的一个建立连接，是通过从该手持的、车载的或远方固定的电话直接呼叫最近的一个卫星交换台而实现的。一颗卫星本来是作为一个特定用户的交换单元，随着卫星离开该交换小区，该用户的呼叫就被“切换”到适当的相邻小区。相邻的诸小区可以是一颗卫星之内诸小区，也可以是一个特定轨道平面或者一个相邻的轨道平面之中的其他诸卫星的诸小区。用户们可以“漫游”，但其漫游距离跟诸卫星交换台的移动距离相比是相当短的。

跟蜂窝移动电话系统相似，该卫星蜂窝通信系统提供频谱效率。这意味着同样的频率可以同时被不同的卫星交换台使用。

频谱效率是通过在诸卫星交换台与诸用户之间的空间分集而提供的。诸用户可以位于在高度上低于低地球轨道卫星的陆地、水面或空中。例如，一个位于地面上的人可以呼叫一个位于地面上另一个位置的人，一个在船上的人，或者一个在飞机上的人。

上述系统提供一个兼具基于空间的网络交换中心以及基于地面的网络交换中心的、在基本的和附加的通信服务方面提供合理的服务质量的通信网络。为了在这种类型的系统中建立电话呼叫，需要使用基于地面的诸交换网络。在为使用这样的蜂窝系统的服务建立资费表时，可能涉及到不同的常规代理商。还有，通过公共交换电话网络(“PSTN”)建立诸电话呼叫的路由，对每一次呼叫来说，都导致所谓的“尾费”问题。

图1描述根据本发明的一个优选实施例的卫星交换系统的配置；

图2为一份描述根据本发明的一个优选实施例的诸卫星交换单元跟相关的诸移动用户之间的相互连接的方框图；

图3为一份描述根据本发明的一个优选实施例的诸卫星交换单元跟相关的诸用户之间的相互连接、以及跟公共交换电话网络之间的相互连接的方框图；

图4表示根据本发明的一个优选实施例的该通信网络的第一种中间工作状态；

图5表示根据本发明的一个优选实施例的该通信网络的第二种中间工作状态；

图6表示根据本发明的一个优选实施例的该通信网络的第三种中间工作状态；

图7表示根据本发明的一个优选实施例的该通信网络在处理一个呼叫时的最终工作状态；以及

图8为一份根据本发明的一个优选实施例所实行的一种方法的流程图。

参看图1，图中示出了卫星蜂窝电话通信系统的卫星配置。在这个配置中，在低地球轨道(“LEO”)中示出了若干颗卫星，例如诸卫星10、20和30。在每一个轨道平面上都配置了若干颗卫星。位于诸轨道平面3到8上的诸卫星为整个地球提供了交换复盖。每一颗卫星都含有一个卫星交换单元(未示出)，合适的诸天线11，一个非折叠的太阳能电池阵列12，此外还有连接于该太阳能电池以便向该交换单元供电的诸蓄电池(未示出)。该卫星或飞行器本身都是低地球轨道卫星，例如那些通过商业途径能买到的产品。通过运载火箭把这些卫星送上轨道。进入轨道以后，该太阳能电池阵列被打开从而使该交换单元被激活。然后，诸卫星通过标准的遥测跟踪与控制信道逐个地进入联机状态，形成网络。

根据本发明的优选实施例，至少增加了一颗附加的卫星1000。在一个优选的实施例中，该附加的卫星1000被定位于高地球轨道(HEO)，最好是地球同步轨道。在这个地球同步轨道中，至少在地球表面一个半球视野的范围内，它能跟诸卫星中的每一个进行视距通信。该附加的卫星1000包括一个起网关交换中心作用的远程通信交换网络。网关交换提供多种电话功能与服务，包括但不限于，例如，建立路由、用户位置跟踪以及用户简况管理。它包括天线1111和诸太阳能电池板1112。通过向卫星1000提供作为网关而工作的能力，从一个用户15到一个第二用户16的诸通信信号的路由选择可以不使用基于地面的交换网络而实现(提到的诸用户15和16利用诸入网用户单元(“SUs”)、经过一个或多个相关的低地球轨道卫星直接进行通信)。

特别是，如果图1中的用户15拥有一个入网用户单元并且开始摘机，那么，他的服务请求将被一颗特定的卫星10所接收。这时将会有一个频率信道被分配给用户15，并且该主呼所要打的电话号码将在该系统内建立路由。每一个低地球轨道卫星都是一个分布式的本地处理器。卫星10将该呼叫切换到位于它本身的小区复盖范围之内的适当小区，或者切换到适当的卫星小区复盖范围。卫星10将对是否可以通过卫星网关1000接入该被叫用户一事作出决定。在那种场合，将通过从卫星10到卫星1000的链路建立一条路径，卫星1000起网关交换的作用并且建立一条通往卫星20的链路。然后，卫星20跟该被叫用户建立连接。因此，根据本发明的系统包括许多颗低地球轨道卫星或者第一卫星以及至少一颗属于第二种类型的卫星，后者是一颗网关卫星，用以在该低地球轨道星座诸第一卫星之间建立诸通信信道。

图中所示的两个用户具有手机入网用户单元。诸用户可以位于水面上的船只里，行进中的车辆或飞机里，或者是已建立通往网关的链路的公共交换电话网络(“PSTN”)的一部分。每一颗低地球轨道卫星都是一个本地处理器。该系统将决定把该呼叫交换到哪一颗适当的卫星或哪一个小区。每一颗低地球轨道卫星将确定从它本身到下一颗适当的卫星的最佳路径。在作出这些决定的时候，所根据是该被叫用户的电话号码中的局代码部分。

如图1所示，还应当指出，在一个全球网络中可以提供不止一颗的网关卫星。在图1中还示出了一颗第二网关卫星2000。要在两个相距甚远的用户之间建立连接时，可能在这两个网关卫星之间建立连接。因此，在那种类型的安排中，如果用户15希望跟用户17通话，那么，可以建立一条从用户15经过低地球轨道卫星10到达网关卫星1000的路径，后者跟网关卫星2000之间可以实现视距通信并与之建立连接。然后，网关卫星2000可经由低地球轨道卫星30建立一条通往用户17的路径。

可以有许多颗网关卫星，它们互相间进行通信，或者跟地面上的诸网关进行通信，以确定一个被叫用户的位置，但该呼叫路径只能经由该低地球轨道卫星，由诸网关卫星向该呼叫提供呼叫处理控制(即：呼叫建立、拆线、附加服务的提供、通知等)。

仅用位于一条高地球轨道上为数甚少的诸网关卫星，通过在太空中发生的全部交换，就能提供复盖全球的交换网络。只要有3或4颗网关交换卫星就能充分地复盖整个世界，但这取决于诸网关卫星所处的位置。

图2描述用以提供图1所说明的电话连接的诸卫星间的相互连接。卫星10和20都是低地球轨道卫星，而在说明性的实施例中，卫星1000是一颗高地球轨道(“HEO”)卫星，在优选实施例中，后者可以位于地球同步轨道之中。然而，应当知道，卫星1000可以是由高地球轨道诸卫星组成的星座的一部分，而高地球轨道诸卫星可以是位于地球同步轨道上，或者不是。

移动用户15建立通往卫星10的链路连接。然后，卫星10利用从用户15那里接收到的被叫号码，以确定是否利用卫星网关1000。在卫星10跟卫星1000之间建立一条链路1001。然后，卫星1000确定是否经由卫星20向该被叫用户，即，用户16，提供服务。卫星1000建立通往卫星20的链路连接1002，然后，卫星20建立一条通往用户16的链路102。诸卫星间的链路，链路1001和链路1002，可以经由例如基于微波波束或基于激光波束的数据传输来实现。

有时卫星网关1000被用于呼叫建立；这意味着不经过卫星网关1000，直接在卫星10与20之间建立一条语音通信链路。然而，若该呼叫路径涉及例如多用户呼叫那样的附加服务，由于卫星10和20都不具备包含于卫星网关1000之内的用于多用户呼叫的基本中心局功能，所以，语音通信只能经由卫星网关来发送。

诸卫星跟诸移动用户之间的连接是通过例如，波束101和102来获得的。这些波束可以经由该卫星的诸上行-下行链路天线来获得，后者经由该用户的全方向性天线向诸用户提供通信服务。

任何一颗低地球轨道卫星，例如卫星20，都能够发送和从网关接收数据。该网关可以位于卫星之内，例如卫星1000，或者它也可以是一个基于地面的网关。利用类似于卫星与卫星之间的链路的分组数据链路，就能够实现该网关通往基于地面的诸网关的链路。

现在转到图3，图中示出了介于两个用户之间的第二种说明性的相互连接。用户15依旧是一个具有手持机入网用户单元的电话用户，并且希望跟用户16建立电话连接，在本例中，用户16没有已入网的手持电话，但拥有一部连接于公共交换电话网络50的普通电话。在本例中，用户15再次摘机请求服务。这个信道请求再次经由链路101被卫星10接收。这时将会有一个频率信道被分配给用户15，并且将通过该系统为该被叫用户号码建立路由。在本例中，卫星10决定应当再次利用网关卫星1000，并且建立通往卫星1000的链路连接1001。卫星1000执行必要的网关或交换功能，包括：例如，注册和/或鉴权。然后，卫星1000建立通往卫星20的链路1002。接着，卫星20建立通往基于地面的网关40的链路连接1003。网关40包括互连于公共交换电话网络50的诸单元。作为卫星20经过网关40连接于公共交换电话网络50的结果，通过波束101直接连接于卫星10的卫星蜂窝通信系统的用户15可以经由该卫星结构(卫星与卫星之间，经过相应的链路进行通信)，通过网关40以及公共交换电话网络50向公共交换电话网络中的被选用户17发送语音或数据。网关卫星继续保留在呼叫控制路径之中，以在必要时提供呼叫建立、拆线或附加服务，但该用户数据(例如，语音路径)是在低地球轨道卫星10与20之间进行传送的。

卫星1000和网关40是远程通信网络的交换中心。每一个交换中心都从众多的信号源那里接收诸入网信号，并把它们交换到众多的目的地。在本优选实施例中，这些信号可以是传送信令或通信数据的诸数字包。信令数据表示对该网络提供的交换服务的工作进行控制的诸消息。通信数据表示净负荷信息，而沟通这些信息，正好是该网络的目的所在。

每一个基于地面的网关40都包括一个地球站终端控制器(“ETC”)，它直接跟该卫星进行通信，还包括一个移动交换中心(“MSC”)，它连接于一个地球站终端控制器，并经过一个接口连接于公共交换电话网络。卫星1000包括一个移动交换中心，其类型跟基于地面的全球移动通信系统所使用的相同。诸移动交换中心使用为在诸半呼之间建立连接所需的消息，这里所说的半呼表示一个终端用户或团体到一个已连接的呼叫。这样的连接以常规的方式定义。此外，包含于卫星1000的网关中的诸移动交换中心再次以常规的方式提供基本的和附加的交换服务。

图4至图7说明在动态的内部交换处理过程中通信网络在各不同点上的工作状态。图4至图7描述如图2所示的在电话用户15和16之间建立连接的过程，该连接经由低地球轨道卫星10，20以及含有一个移动交换中心的网关卫星1000而实现。虽然该过程是就两个各由一颗不同的卫星提供服务的手持电话用户单元来显示和说明的，但该过程可应用于整个远程通信网络以支持诸单元的全部组合，这些单元包括，但不限于，两个分别由不同的低地球轨道卫星10、20并由相同的卫星网关1000提供服务的手持机入网单元用户15和16。在系统各用户之间建立交换连接的过程包括由不同的诸用户单元所执行的若干步骤，上述诸用户单元包括手持卫星电话、普通电话、低地球轨道诸卫星、基于卫星的诸网关以及基于地面的诸网关，所有这些在前面都结合其他附图进行了讨论。诸手持用户单元、低地球轨道诸卫星以及诸网关卫星各由一台计算机来控制，并需要包括一个或多个处理器、微处理器、控制器以及类似部件，以执行存储在其存储器中的诸程序指令。本技术专业人员将懂得，这里所使用的动态的内部交换处理过程可以通过这样的诸程序指令，以一种计算机控制设备专业技术人员所熟知的方式来实施。本技术专业人员还将懂得，诸用户单元、近地球轨道诸卫星以及诸网关卫星中的每一个还要执行跟动态内部交换无关的其它诸步骤。这些其它步骤包括：对各种激励进行评估或者反过来决定是否改变这里所叙述的程序流程的查询任务以及其他编程机制。

图8显示一份根据本发明的一个优选实施例所实行的方法的流程图。我们将结合图4至图7来讨论图8。在图8中，在主叫用户15和被叫用户16之间建立连接的过程包括步骤810，在其中，用户15从低地球轨道卫星10那里获得一条信令信道101。在步骤820中，呼叫建立的诸初始阶段以一种常规的方式出现，并且涉及在该用户单元15与卫星10之间，通过信道101发送各种信令消息。卫星10从该信令信道收集各种信息，根据这些信息决定是否需要接入到网关卫星1000。如图5所示，在步骤830中，卫星10请求经由链路1001接入到网关卫星1000。如图5所示，在步骤840中，网关卫星1000确定该被叫用户的位置，从而确定一颗适当的待接入低地球轨道卫星20。

在步骤850，网关卫星1000对该用户进行鉴权和/或注册。若该用户原先已经注册，则网关卫星1000对注册情况进行鉴权。然而，若该用户原先并未注册，则该注册信息将被记录下来。

如图5所示，在步骤860，网关卫星1000经由链路1002向卫星20提供呼叫建立信息，进而在步骤870向该被叫用户提供到卫星20的接入。然后，如图5所示，在步骤880，该网关卫星1000经由卫星20以及链路102，建立通往该被叫用户16的连接。如图8所示，下一个系统步骤890就是去建立一条通信路径。该通信路径的建立示于图6与图7。

现在转到图6，一旦介于用户15和16之间的信令路径已经建立，那么，介于用户15与卫星10之间、经由链路111的通信路径也已建立。从低地球轨道卫星10经由链路1011通往网关卫星的通信路径也已建立。

现在转到图7，该网关卫星1000建立了一条经由链路1022通往低地球轨道卫星20的通信路径，同时，介于卫星20与用户16之间的、经由链路122的通信路径也已建立。因此，介于用户15与16之间的、经由低地球轨道卫星10、20和网关卫星1000的完整的通信路径已经建立起来。由于诸卫星10、20、网关卫星1000以及卫星之间诸链路所实行的内部交换，使得该通信路径在太空中保留下来。卫星网络所提供的大多数通信服务典型地是基本服务。因此，对全部的通信服务来说，诸卫星10、20和1000的内部交换大大地改进了服务质量。而且，常规的地球站终端控制器70以及移动交换中心72还可以经由公共交换电话网络50向那些没有加入移动通信网的用户们提供连接。由一个基于卫星的系统来提供交换功能，其显著的优点在于，经过公共交换电话网络进行连接时所支付的所谓“尾费”可以降低，这是因为，根基该被叫用户所在位置，通过适当地选择低地球轨道卫星，可以限制经由该公共交换电话网络进行连接的次数。尾费是指经过公共交换电话网络连通一次呼叫的操作所收取的资费。在按照图2以及图4至图7所说明的诸实例中，由于在入网用户15以及入网用户16之间存在一种连接，因此该项尾费可以完全取消。在那些实例中，不需要利用公共交换电话网络。

本发明提供了一种改进的通信网络以及运行该通信网络的方法。该通信网络包含一个基于空间的网关交换中心，它跟低地球轨道卫星相配合，在基本的和附加的通信服务两个方面都提供合理的服务质量。

上面已经结合优选的实施例对本发明进行了说明。然而，本技术专业人员将认识到，可以在不离开本发明的精神实质或范围的前提下对这些优选实施例作出变更与修改。例如，虽然已经说明卫星10和20位于低地球轨道，但是卫星10和20也可以位于中地球轨道。

Claims (10)

1.一个在第一用户与第二用户之间提供通信路径的卫星通信系统，该系统的特征在于：

诸卫星位于诸轨道平面上，每一颗卫星包括一个交换网络；

至少设置一颗网关卫星，经由诸通信链路跟诸卫星进行通信，以便进行呼叫建立；

一条将该第一用户连接于诸卫星中的一颗第一卫星的第一链路；

一条将该第二用户连接于诸卫星中的一颗第二卫星的第二链路；

一条将该第一卫星连接于该网关卫星的第三链路；

一条将该第二卫星连接于该网关卫星的第四链路；以及

该网关卫星经由该第一、第二、第三和第四链路，在该第一和第二用户之间建立一条通信路径。

2.根据权利要求1所述的卫星通信交换系统，其中该第一和该第二卫星都被定位于相应于低地球轨道的高度上。

3.根据权利要求2所述的卫星通信系统，其中该网关卫星被定位于地球同步轨道。

4.根据权利要求2所述的卫星通信系统，其中该网关卫星被定位于高地球轨道。

5.根据权利要求1所述的卫星通信交换系统，其中该网关卫星被定位于地球同步轨道。

6.根据权利要求1所述的卫星通信交换系统，其中该网关卫星被定位于高地球轨道。

7.根据权利要求1所述的卫星通信系统，其中该网关卫星包括用户鉴权与注册装置。

8.一种为了在一个第一用户和一个第二用户之间建立一条通信路径而运行一个基于空间的通信网络的方法，其特征在于下列诸步骤：

a)在该第一用户以及一颗第一卫星之间建立一条第一信令路径，该第一卫星的特征在于具有一个交换系统；

b)经由介于该第一卫星以及该网关卫星之间的一条卫星间通信链路接入到一颗网关卫星；

c)在该网关卫星以及一颗第二卫星之间建立一条第二卫星间通信链路，该第二卫星的特征在于具有一个交换系统；

d)在该第二卫星以及该第二用户之间建立一条第二信令路径，使得该第一用户能够跟该第二用户进行通信；以及

e)利用该第一和第二信令路径以建立一条介于该第一和第二用户之间的通信路径。

9.根据权利要求8所述的方法，其中步骤a)的特征在于下列诸步骤：

a1)收集由该第一用户产生的关于该第二用户的目标信息；以及

a2)收集跟该第一用户有关的标识信息。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于在该网关卫星中使用该标识信息对该第一用户进行鉴权和注册的步骤。

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