ES2343835T3 - Tecnica de posicionamiento de un usuario para sistema de comunicaciones con multiples plataformas. - Google Patents
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Abstract
Un método para determinar (30) una posición de usuario, caracterizado por: proveer una pluralidad de nodos de transpondedores individuales (16; 102; 104); establecer dos o más enlaces (20, 24; 40, 42) desde un concentrador central de tratamiento (12; 110) con al menos un usuario lejano (18; 116) a través de uno o más de dicha pluralidad de nodos de transpondedores individuales (16; 102, 104); tratar en el concentrador central (12;110) las señales (28; 50) de usuario transmitidas desde el concentrador central (12; 110) y recibidas en el concentrador central (12; 110), incluyendo determinar un retardo entre el al menos un usuario lejano y el concentrador central (12; 110) para las señales (28; 50) de usuario transmitidas o recibidas a través de cada nodo transpondedor (16; 102, 104) e insertar retardos apropiados para nivelar un retardo total a través de cada nodo de transpondedor (16; 102, 104), de tal manera que la temporización, la fase, y la frecuencia de las señales (24; 42) en ambos enlaces de bajada (24) y de retorno (42) con respecto a dicho al menos un usuario lejano (18; 116) estén sincronizadas para todos los nodos de transpondedor intermedios (16; 102, 104); y determinar (30) la posición del usuario lejano (18; 116) basándose en la información recuperada de la sincronización de las respectivas señales (28; 50) de usuario local y guardada en memoria en dicho concentrador central (12; 110) como información de temporización, fase y/o frecuencia referente a dichas otras señales locales (28; 50) de usua-rio.
Description
Técnica de posicionamiento de un usuario para
sistema de comunicaciones con múltiples plataformas.
El presente invento se refiere en general a un
sistema de comunicaciones inalámbricas. Más específicamente, el
presente invento se refiere a una técnica de posicionamiento de
usuario para un sistema de comunicaciones inalámbricas con
múltiples plataformas.
Los sistemas móviles actuales de comunicaciones
por satélite, tales como Iridium, Globalstar, e ICO, utilizan
terminales de usuario de bajo coste como una de sus características
fundamentales de sistema. Para mantener el enlace de las
comunicaciones con estos sistemas móviles actuales, los satélites
del sistema proveen servicios de múltiple haz y alta ganancia a los
abonados. Los terminales manuales de bajo coste y baja ganancia
utilizados por los usuarios de estos sistemas, transmiten y reciben
señales a y de satélites de altas prestaciones que pueblan casi
toda la semiesfera. Algunos de estos sistemas actuales requieren
acceso a como mínimo dos satélites para asegurar un proceso suave
de entrega a medida que los satélites progresan de horizonte a
horizonte. Como resultado, el sistema de satélites llega a ser más
fiable y a estar más disponible porque entran más satélites en un
campo de visión (en adelante FOV) de usuario. De ese modo, las
constelaciones de satélites provistas por estos sistemas actuales
se dimensionan para garantizar un número mínimo de satélites dentro
de un FOV de usuario sobre grandes áreas de cobertura en cualquier
momento.
Sin embargo, todos estos sistemas móviles
actuales de comunicaciones por satélites adolecen de ciertos
inconvenientes. En primer lugar, todos ellos tienen frecuencia
limitada (el término "frecuencia" se utiliza en la presente
memoria con carácter general para referirse a recursos de
frecuencia, de ranuras de tiempo o de código de acceso múltiple con
división de código (en adelante CDMA)). Cualquier frecuencia
determinada sobre una posición terrestre dada solamente puede ser
utilizada por un usuario una vez. Así, si un usuario accede a un
satélite usando una ranura de frecuencia particular para comunicar
a su homólogo en la red, otros satélites y/o usuarios situados en
la misma región no pueden reutilizar el mismo recurso de frecuencia
en la misma área local. En particular, si un usuario secundario
próximo tiene un aparato que requiere los mismos recursos de
frecuencia que está utilizando el primer usuario, el segundo
usuario no puede acceder al sistema, incluso a través de satélites
diferentes. Esto es cierto independientemente de la sofisticación
del sistema, incluidos los sistemas que utilizan diseños de
satélites de haz múltiple. Aún cuando estén disponibles múltiples
satélites en una ubicación geográfica determinada, más de un
usuario no puede utilizar el mismo espectro de frecuencia en un
área local. La disponibilidad de múltiples satélites sirve meramente
para aumentar la disponibilidad del sistema para el usuario. Sin
embargo, la capacidad total de estos sistemas móviles de
comunicaciones por satélite está todavía limitada por su
utilización ineficiente de los recursos de frecuencia disponibles.
Por tanto, el crecimiento potencial de estos sistemas actuales de
comunicaciones por satélites está inherentemente limitado.
Adicionalmente, los sistemas de
telecomunicaciones actuales en general permiten solamente
comunicaciones de móvil a concentrador (o centro de distribución) y
de concentrador a móvil, en la mayoría de los casos constelaciones
de satélites móviles de órbita terrestre baja y de órbita terrestre
media. Los enlaces de móvil a móvil requieren múltiples saltos
entre concentradores. Esto significa que se deben empeñar dos o más
recursos de frecuencia por el sistema para cerrar los enlaces.
El documento US 5 223 626 B1 muestra, además, un
sistema de comunicación de espectro disperso con diversidad de
repetidores, y el documento EP 0 845 874 A2 muestra un método y
aparato de geoubicación adicional para sistemas de
telecomunicaciones basados en satélites.
Evidentemente, es conveniente proveer un sistema
de comunicaciones móviles por satélites que relaje las restricciones
anteriormente indicadas, y utilice más eficientemente los recursos
de los sistemas actuales de comunicaciones móviles por satélite,
proporcionando al mismo tiempo una oportunidad mucho mayor para el
desarrollo de sistemas.
Un objeto del presente invento es proveer un
sistema de comunicaciones inalámbricas con limitaciones reducidas
en la reutilización de frecuencias para las comunicaciones entre una
estación fija y una estación móvil (o comunicaciones punto a
punto).
Es otro objeto del presente invento proveer un
sistema de comunicaciones inalámbricas que utiliza transpondedores
individuales y terminales móviles que son relativamente simples y de
poca complejidad.
Un objeto adicional del presente invento es
proveer un sistema de comunicaciones inalámbricas con gran
fiabilidad del sistema a través de una degradación elegante.
Es todavía otro objeto del presente invento
proveer un sistema de comunicaciones inalámbricas con múltiples
transpondedores que permite una combinación flexible de tipos de
usuario.
Un objeto que tiene relación con el presente
invento es proveer un sistema de comunicaciones inalámbricas con
múltiples transpondedores con una utilización mejor de los recursos
totales del sistema.
Es aún un objeto adicional del presente invento
proveer una técnica de posicionamiento del usuario para un sistema
de múltiples plataformas que aumenta los ingresos monetarios
totales.
De acuerdo con los anteriores y otros objetos
del presente invento, se han provisto un método según la
reivindicación 1 y un sistema de comunicaciones inalámbricas
móviles según la reivindicación 8.
Las anteriores y otras características del
presente invento resultarán evidentes a partir de la siguiente
descripción del invento, vistas de acuerdo con los dibujos adjuntos
y las reivindicaciones incluidas como apéndice.
\vskip1.000000\baselineskip
La Figura 1 es una ilustración esquemática de la
geometría de enlace de bajada de un sistema de comunicaciones
móviles por satélite de acuerdo con el presente invento;
La Figura 2 es un diagrama esquemático de
bloques que ilustra la función de transmisión de señal de un
concentrador de telecomunicaciones terrestres para un sistema de
comunicaciones inalámbricas de acuerdo con una realización
preferida del presente invento;
La Figura 3 es una ilustración esquemática de la
geometría de enlace de retorno de un sistema de comunicaciones
inalámbricas según una realización preferida del presente
invento;
La Figura 4 es un diagrama esquemático de
bloques que ilustra la función de recepción de señal de un
concentrador de telecomunicaciones terrestres para un sistema de
comunicaciones inalámbricas de acuerdo con una realización
preferida del presente invento;
La Figura 5 es un diagrama esquemático de
bloques que ilustra la arquitectura global para un sistema de
comunicaciones inalámbricas de acuerdo con una realización
preferida del presente invento;
La Figura 6 es una ilustración esquemática de un
sistema de comunicaciones inalámbricas con múltiples transpondedores
ilustrando las señales que son recibidas coherentemente por su
usuario lejano previsto;
La Figura 7 es una ilustración esquemática del
sistema de comunicaciones inalámbricas con múltiples transpondedores
de la Figura 6, ilustrando las mismas señales siendo recibidas de
forma incoherente por un usuario lejano no previsto;
La Figura 8 es una ilustración esquemática de
una solución convencional a un sistema de CDMA asincrónico que se
podría utilizar de acuerdo con el presente invento; y
La Figura 9 ilustra una realización preferida
del presente invento aplicada al sistema de CDMA asincrónico de la
Figura 8.
\vskip1.000000\baselineskip
Refiriéndose ahora a las figuras, el sistema
descrito de comunicaciones móviles se puede utilizar para evadirse
de la limitación de espectro de frecuencias anteriormente descrita y
proveer medios mucho más eficientes para reutilizar múltiples veces
el espectro inalámbrico y los satélites móviles asignados Mediante
la eliminación de esta limitación de espectro de frecuencias en la
operación de múltiples satélites, se puede expandir fácilmente la
capacidad máxima de los actuales sistemas de comunicaciones
inalámbricas y satélites móviles.
Con referencia ahora a la Figura 1, se ha
ilustrado un sistema 10 de comunicaciones por satélites móviles de
acuerdo con una realización preferida del presente invento. En la
Figura 1, el sistema 10 de comunicaciones por satélites móviles se
ha ilustrado en un modo de enlace de bajada. El sistema 10 de
comunicaciones móviles por satélite incluye un concentrador 12 de
telecomunicaciones terrestres, una constelación 14 de satélites que
incluye una pluralidad de satélites individuales 16, y una
pluralidad de terminales portátiles 18 de usuario tales como
teléfonos móviles. Según se describe con más detalla más adelante,
los terminales 18 de usuario pueden recibir señales 20
simultáneamente de múltiples satélites 16 por medio de sus antenas
22 de haz ancho. El concentrador 12 de telecomunicaciones
terrestres está en comunicación con todos los satélites 16 de la
constelación 14 de satélites individual y simultáneamente. El
concentrador 12 también pre-trata señales de
usuario para compensar por potenciales diferencias de camino antes
de enviar las señales radiadas 24 a los satélites 16, como se
describe más adelante con más detalle.
De acuerdo con la realización preferida, el
diseño de los satélites individuales 16 se puede simplificar
significativamente sobre los utilizados en los sistemas móviles de
la técnica anterior porque la constelación 14 de satélites funciona
como una red de radiación dispersa. Es sabido que, cuantos más
satélites 16 estén incluidos en una constelación 14 de satélites,
mejores serán las prestaciones que logre el sistema móvil 10 de
comunicaciones por satélite. Son preferibles satélites que sean
sencillos, pequeños, y proporcionen unas elevadas prestaciones.
Ello se debe a que las prestaciones del sistema 10 dependen en mayor
grado de la constelación 14 de satélites que de los satélites
individuales 16.
En un modo de transmisión, mostrado en la Figura
1, los satélites individuales 16 radian energía de RF modulada a un
campo de visión (en adelante FOV) elegido. El sistema 10 puede
todavía funcionar con capacidad reducida, y sin reconfiguración,
aún si se ha perdido por alguna razón un satélite individual 16.
Como resultado, el sistema 10 presenta unas características de
degradación sutiles, y provee una fiabilidad y una disponibilidad
muy elevadas. La mayor parte de la complejidad del sistema 10 está
ubicada en los concentradores terrestres 12, que localizan y
rastrean a los posibles usuarios y realizan las funciones
principales de formación del haz y filtración, según se describe
más adelante.
Como se ha mostrado en la Figura 2, se ha
ilustrado en forma de diagrama el tratamiento realizado en el
concentrador terrestre 12 de telecomunicaciones El concentrador 12
rastrea, actualiza, y predice hacia delante la información
diferencial de variante de tiempos entre diversos caminos entre el
concentrador 12 y los terminales 18 de usuario previsto. La
precisión de esta información debe estar dentro de una décima de una
longitud de onda de RF. Para los sistemas de satélites de UHF, la
precisión requerida del diferencial de caminos es preferiblemente
alrededor de 10 (10) centímetros. Para constelaciones móviles de
satélites de bandas L y S, la precisión debe ser del orden de un
(1) centímetro. Desafortunadamente, las técnicas convencionales o de
GPS no pueden proveer la precisión requerida.
De acuerdo con el presente invento, la precisión
requerida de los diferenciales de camino equivalentes, incluyendo
toda la distorsión de propagación, se pueden proveer usando técnicas
de calibración activa bidireccionales y R2N (navegación que abarca
dos direcciones). Una técnica R2N es simplemente una técnica para
obtener información de posicionamiento mediante la cual se localice
con precisión el posicionamiento de los satélites y usuarios
utilizando múltiples puntos de calibración según se describe en la
solicitud, en tramitación con la presente, de patente de EE.UU. con
Nº de serie 09/209.062 titulada "Método y sistema para determinar
una posición de una concentrador de
Transmisor-Receptor que incorpore navegación que
abarque dos direcciones como una referencia de calibración para
GPS", y presentada el 10 de diciembre de 1998. Se podrían
utilizar también otras técnicas conocidas.
El concentrador terrestre 12 de
telecomunicaciones tiene un concentrador de tratamiento 26 que trata
cada señal y se ha mostrado en un modo de transmisión en la Figura
2. El concentrador 12 tiene la capacidad de asignar direcciones a
la pluralidad de satélites 16 individualmente por medio del uso de
una discriminación espacial de antena para proveer señales
separadas a diferentes satélites. Alternativamente, se puede usar
también identificación de código para asignar direcciones a
diferentes satélites individualmente.
Como se muestra en la Figura 2, suponiendo que
hay "H" usuarios, las señales desde el usuario 1 hasta el
usuario H, identificadas generalmente por el número de referencia
28, se introducen como entrada al concentrador de tratamiento 26.
Las posiciones de los diversos usuarios (1 hasta H), se determinan
generalmente por los circuitos de las diversas señales de usuario
28, designadas en general por el número de referencia 30. Las
señales 28 de los diversos usuarios para el usuario 1 hasta el
usuario H se combinan luego para su transmisión a los diferentes
satélites 16, según se ha indicado con carácter general por el
número de referencia 32. En este caso, la señal se ha enviado a N
satélites. Las señales combinadas luego se amplifican, se filtran,
se convierten en sentido ascendente y luego se amplifican
adicionalmente, como se ha indicado en general por el número de
referencia 36. Estas señales se descargan luego a una antena de haz
múltiple 38 donde se realiza el tratamiento de formación de haz de
tal manera que las señales se puedan transmitir a los N satélites
por medio de las señales de radiación 24. El proceso de formación
de haz se puede hacer en banda base o en una banda de IF de baja
frecuencia por cualquiera de los dos medios digital o analógico.
Para un ancho de banda bajo (señales de menos de unos pocos Mhz),
la implementación digital puede proporcionar ventajas de costes. La
señal tratada 24, radiada desde el concentrador terrestre 12 a cada
satélite, se amplifica, se filtra, y luego se vuelve a radiar por
cada uno de los múltiples satélites 16 para llegar a una ubicación
de usuario designada simultáneamente. Por consiguiente, las señales
radiadas desde los múltiples satélites se recibirán coherentemente
por una antena de haz ancho 22 de un simple terminal portátil.
De un modo equivalente, el efecto del
tratamiento espacial realizado por el concentrador de tratamiento 26
es concentrar la intensidad de la señal en el usuario desde
múltiples satélites 16, que actúan como partes separadas de forma
dispersa de un gran reflector activo. Por tanto, el tratamiento
sobre el terreno insertará diferentes retardos en las señales 24
que se radian a través de diversos caminos. Los retardos se
insertarán en las señales 24 como si los satélites estuviesen
ubicados sobre una superficie elipsoidal, de la que los dos focos
están situados exactamente en las posiciones del concentrador 12 y
del usuario previsto 18, respectivamente. En las constelaciones de
órbitas terrestres baja y media, los usuarios 18 y el concentrador
12 estarán siempre en el campo próximo de la red dispersa.
En un modo de recepción, mostrado en la Figura
3, los satélites individuales 16 recogen las señales de RF
procedentes del mismo FOV. La Figura 3 ilustra la geometría de
enlace de retorno para las señales de recepción enviadas desde los
terminales 18 de usuario al concentrador terrestre 12 de
telecomunicaciones. Como se muestra en la Figura 3, hay dos grupos
de enlaces (señales) involucrados: los enlaces entre usuarios 18 y
los satélites 16, indicados en general por el número de referencia
40, y los enlaces entre los satélites 16 y el concentrador 12,
según se ha indicado generalmente por el número de referencia 42.
Para conseguir unas prestaciones óptimas, las antenas 22 de usuario
preferiblemente son capaces de iluminar a todos los satélites 16
involucrados. Esto conducirá a una restricción sobre la variación
de la ganancia de la antena 22 de usuario sobre el grupo.
Lo mismo que con la geometría de enlaces de
bajada, los satélites 16 amplificarán las señales 40 recibidas de
los usuarios 18 y re-radiarán las señales 42 hacia
el concentrador 12. El concentrador 12 puede recibir señales 42 con
independencia, pero simultáneamente de los satélites 16, y sumará
las señales 42 de diferentes satélites de forma coherente en el
dispositivo de post-tratamiento 44 según se ha
ilustrado en la Figura 4.
Los flujos de señal en el diagrama de bloques
mostrado en la Figura 4 ilustran la función de recepción del
dispositivo de post-tratamiento 44 y del
concentrador 12. Los flujos de señal son inversos con respecto a
los correspondientes de la Figura 2. Por tanto, no se repetirá con
detalle el proceso de recepción. Sin embargo, los enlaces 42 desde
los satélites 16 al concentrador 12 se reciben en el formador de haz
38 y luego se transfieren al receptor y a los convertidores de
enlace descendente 46 antes de que se separen las señales. Las
señales se separan dependiendo del usuario del que se reciben, como
se ha indicado en general por el número de referencia 48, y luego
se envían al usuario específico 1 hasta H, como se ha indicado en
general por el número de referencia 50. Debe entenderse que tanto
la función de recepción como la de transmisión son una parte
necesaria de la calibración de enlaces de camino y posicionamiento
de usuario.
Se ha demostrado que la técnica del presente
invento reduce significativamente los niveles medios de lóbulo
lateral. Se ha determinado que esto se debe a tres factores. En
primer lugar, la arquitectura propuesta no es una red periódica,
sino más bien una red dispersa espaciada aleatoriamente, que no
tiene lóbulos de retículo. Aunque el nivel medio de lóbulo lateral
en una sola frecuencia es relativamente alto, el nivel disminuye al
aumentar el ancho de banda. En segundo lugar, la red amplia rellena
de forma dispersa formada mediante el desplazamiento de satélites
es un tamaño de abertura amplio y extendido. De ese modo, todos los
usuarios sobre el terreno están en el campo de usuario de la
abertura extendida, y los frentes de onda recibidos por todos los
usuarios son esféricos en lugar de planos. Por consiguiente, los
efectos de la dispersión llegan a ser mucho más pronunciados de lo
que serían en el campo lejano. La dispersión crece muy deprisa
cuando una sonda se escanea lejos del haz principal y la dispersión
perturba la distribución de potencia de un modo muy efectivo sobre
un ancho de banda finito de señal. En tercer lugar, el sistema de
comunicación se ha diseñado preferiblemente con un amplio espectro
de ancho de banda de frecuencias. Por tanto, la señal de información
se dispersará sobre este ancho de banda a través del CDMA o por
medio de formas de onda de corta duración para esquemas de módulo
de transporte y desmultiplexación (en adelante TDMA).
La Figura 5 ilustra esquemáticamente el
funcionamiento del invento, que permite aumentar la reutilización
del preciado espectro de frecuencias por múltiples satélites. Las
ventajas aportadas por este sistema incluyen la carencia de
limitación en la reutilización de frecuencias por satélites
adicionales para comunicaciones entre una estación fija y una
estación móvil (punto a punto). Más bien, la capacidad de este
sistema viene limitada solamente por la potencia total de RF de los
satélites. Además, la realización preferida permite el uso de
diseños de satélites sencillos y económicos, porque cuanto más
satélites se incluyan en la constelación, mejores serán las
prestaciones del sistema en su totalidad. El sistema provee también
una alta fiabilidad de sistema por medio de una degradación grácil,
así como concentrar el tratamiento complejo en los
concentradores.
La realización preferida crea una demanda para
un gran número de satélites de bajo coste y también usa técnicas de
R2N para realizar posicionamientos de satélites y usuarios. Cuantos
más usuarios utilicen este sistema, con más precisión se podrán
determinar las posiciones de satélites y usuarios. Sin embargo, aún
más importantes que las posiciones reales de los usuarios y
satélites son las longitudes de los caminos recorridos por las
señales. Por tanto, las técnicas de calibración periódica aplicadas
directamente a estas longitudes de caminos podrían ser mucho más
sencillas y más rentables. Además, el sistema también se beneficia
de anchos de banda de gran porcentaje disponibles con los sistemas
de CDMA y TDMA.
Como se ha mostrado en la Figura 5, el presente
invento se ha dividido en tres sectores: un sector 52 de
concentrador que contiene el concentrador terrestre 12 de
telecomunicaciones, un sector espacial 54 que contiene una
pluralidad de satélites individuales 16, y un sector 56 de usuario,
que tiene una pluralidad de terminales 18 de usuario. El sector de
concentrador tiene también un concentrador de tratamiento 26 y un
dispositivo de post-tratamiento 44 para tratar las
señales recibidas y transmitidas.
Los terminales 18 de usuario reciben y
transmiten señales simultáneamente de/a múltiples satélites 16 a
través de sus antenas de haz ancho. Los terminales 18 de usuario no
requieren ninguna capacidad para asignar direcciones por separado a
los satélites individuales 16 del segmento espacial 54. El
concentrador 12 mantiene enlaces con cada uno de los satélites 16
del sector espacial 54 individual y simultáneamente. El concentrador
12 trata previamente las señales destinadas para cada usuario
lejano en transmisión, y trata previamente las señales
suministradas a cada usuario local en recepción para compensar. por
diferencias de camino. Estas correcciones se calculan por separado
y se aplican a las señales transmitidas a -o recibidas de- cada
satélite 16 del sector espacial 54 para cada usuario.
La Figura 6 ilustra un sistema de comunicaciones
de múltiples plataformas 100 con rendimiento perfeccionado de
reutilización de frecuencia de acuerdo con una realización preferida
del presente invento. En particular, el sistema ilustrado en la
Figura 6 usa codificación de CDMA para subdividir el recurso de
frecuencia entre los diversos usuarios. El sistema 100 habilita a
una pluralidad de transpondedores 102, 104 para recibir señales
106, 108 del concentrador terrestre 110 y para transmitir las
señales 112, 114 en la misma frecuencia con interferencia reducida
al usuario previsto 116 de las señales destinadas para otros
usuarios. Esto se logra mediante la sincronización de las señales
transmitidas en el concentrador de tal manera que el usuario
previsto 116 reciba todas las señales 112, 114 de forma sincrónica
y completamente en fase.
Basándose en las distancias desde el
concentrador 110, a los diversos transpondedores 102, 104 y en la
distancia entre los transpondedores 102, 104 y el usuario previsto
116, se calculan los retardos apropiados de compensación y se
inyectan en cada mensaje de enlace de bajada en el concentrador de
tal manera que el usuario previsto reciba coherentemente una señal
combinada de todos los transpondedores según se ha indicado en
general en 118. El enlace de bajada al usuario previsto 116 sigue
la secuencia del concentrador 110 al primer transpondedor 102 al
usuario 116 (concentrador \rightarrow transpondedor 1
\rightarrow usuario 1) y también desde el concentrador 110 al
segundo transpondedor 104 al usuario 116 (concentrador \rightarrow
transpondedor 2 \rightarrow usuario 1). Usando el retardo
correcto en cada enlace de bajada, todas las señales previstas 112,
114, llegarán al usuario previsto 116 en fase. Recíprocamente, las
mismas señales previstas para el usuario previsto 116 llegarán
desfasadas a un usuario no previsto 120 y a todos los otros usuarios
no previstos del área. Esto se muestra en la Figura 7, que se
describe más adelante.
La Figura 7 ilustra el funcionamiento del
sistema de la Figura 6 con respecto al usuario no previsto 120. La
distancia entre el concentrador 116 y el primer transpondedor 102 y
la distancia entre el primer transpondedor 102 y el usuario no
previsto 120 (concentrador \rightarrow transpondedor 1
\rightarrow usuario 2) y la distancia entre el concentrador 116 y
el segundo transpondedor 104 y la distancia entre el segundo
transpondedor 104 y el usuario no previsto 120 (concentrador
\rightarrow transpondedor 2 \rightarrow usuario 2) son
diferentes en este caso, incluso después de la compensación por el
concentrador. Debido a las diferencias de distancias, las señales
122, 124 llegarán al usuario no previsto 120 desfasadas y en
instantes diferentes. La señal combinada 126 parecerá así como
ruido y puede rechazarse como tal por el terminal del usuario no
previsto 120.
Debe entenderse que los transpondedores 102, 104
pueden ser parte de cualquier tipo de sistema de comunicaciones
inalámbricas o incluso pueden seleccionarse de entre varios de tales
sistemas. Por ejemplo, aunque se ha ilustrado un sistema basado en
espacio que usa satélites, se podrían utilizar también redes
celulares basadas en torre nacionales y regionales. Adicionalmente,
se podría utilizar también cualquier sistema de plataforma de gran
altitud, tal como aeronaves tripuladas o no tripuladas, globos, o
aviones. Además, aunque solamente se han ilustrado dos
transpondedores, se podría utilizar un número ilimitado de
transpondedores. Más aún, aunque se han mostrado los múltiples
transpondedores como siendo parte de un sistema unitario, se puede
usar cualquier combinación de transpondedores para transmitir
señales de acuerdo con el presente invento. Por ejemplo, se podría
transmitir una señal a un usuario a través de un sistema basado en
espacio y un sistema de plataforma de gran altitud. Finalmente, se
podrían usar diferentes conjuntos de transpondedores para comunicar
con diferentes usuarios. Estos diferentes conjuntos se podrían
solapar en su totalidad, en parte o no solaparse en absoluto.
Como se sabe, en los sistemas convencionales de
CDMA con un solo transpondedor, se asignan a cada usuario códigos
exclusivos de CDMA para evitar interferencia. Similarmente, en los
sistemas de múltiples transpondedores, cuando dos o más
transpondedores están sirviendo a la misma ubicación geográfica, se
deben usar códigos exclusivos de CDMA para distinguir las diversas
señales y evitar interferencia. Por ejemplo, como se ha mostrado en
la Figura 8, que ilustra un sistema convencional de CDMA con
múltiples transpondedores, un usuario 116 debe usar códigos
diferentes para las señales 112, 114 recibidas de los dos
transpondedores diferentes 102, 104. De ese modo, se asignan dos
códigos distintos, "código 1" y "código 3" al mimo usuario
116 en este ejemplo, con el "código 1" asignándose a la señal
112 y el "código 3" asignándose a la señal 114. Si ambos
transpondedores 102, 104 tuviesen que transmitir en "código
1", las dos señales recibidas 112, 114 se interferirían entre sí
y el terminal del usuario 116 no sería capaz de descodificar las
señales correctamente. Se deberían asignar dos códigos adicionales
a cada usuario adicional, tal como el usuario 128, a quien se le
asignan los códigos 2 y 4.
Los diversos códigos de CDMA para usuarios
co-ubicados pueden ser sincrónicos o asincrónicos.
Un código ortogonal sincrónico da una ventaja de aproximadamente 15
dB o más sobre los códigos de CDMA asincrónicos. Para múltiples
plataformas, es difícil sincronizar códigos de CDMA entre usuarios.
Por tanto, para el sistema descrito de múltiples plataformas, se
asume comunicación asincrónica de CDMA. Aunque los nodos de
múltiples transpondedores aumentan la disponibilidad del sistema y
los recursos totales de potencia, infrautilizan el potencial total
del sistema, porque hay solamente un número finito de códigos
disponibles debido al ancho de banda finito disponible para un
sistema. De ese modo, el ancho de banda total limita el número de
usuarios que puede servir el sistema, y éste es incapaz de utilizar
plenamente la potencia y capacidad para cuya gestión fue
diseñado.
En la realización preferida, el sistema 100 es
un sistema asincrónico de CDMA que utiliza retardos incrustados
según se ha descrito en la solicitud de patente en tramitación con
la presente con Nº de serie 09/550.505, presentada el 17 de abril
de 2000, y titulada "Sincronización coherente de señales de acceso
múltiple con división de código", que se ha incorporado en la
presente memoria como referencia. De acuerdo con el sistema
preferido, las señales 112, 114 de cada transpondedor 102, 104
llegarán completamente en fase, porque se han predeterminado y
aplicado retardos apropiados a las señales 112, 114 en el
concentrador central 110, como se muestra en la Figura 9. Se
entenderá que se pueden utilizar también otros métodos de
retardo.
Como se ha mostrado, el primer usuario 116
recibe señales 112, 114 de cada uno de los transpondedores 102, 104
usando el mismo código ("código 1"). Similarmente, el segundo
usuario 128 recibe las señales 114 de cada uno de los
transpondedores 102, 104 usando el mismo código ("código 2").
El concentrador central 110 determina el retardo entre los usuarios
y el concentrador para las señales transmitidas o recibidas a través
de cada transpondedor e inserta los retardos apropiados para
nivelar el retardo total a través de cada transpondedor. Así, las
señales previstas procedentes de transpondedores diferentes llegarán
todas en fase al usuario previsto mientras que las señales no
previstas llegarán desfasadas.
El sistema 100 de múltiples plataformas
sincroniza todas las plataformas o nodos de transpondedor 102, 104
en referencia a cada usuario 116 del sistema. Este proceso de
sincronización implica técnicas y procedimientos para sincronizar
como mínimo tres parámetros, incluyendo temporización, fase, y
frecuencia de señales tanto en el enlace de bajada como en el
enlace de retorno. El grueso del tratamiento requerido para llevar a
cabo esta sincronización se realiza en el concentrador central
110.
De acuerdo con una realización preferida, los
resultados del proceso de sincronización se pueden usar para ayudar
a una determinación de posición de usuario. Por medio de esta
técnica, se pueden usar ciertos datos que se hayan obtenido durante
la operación normal de sincronización para proporcionar información
sobre posicionamiento de usuario que permita al sistema operar de
una manera que sea más aprovechable y genere beneficios adicionales.
Esta técnica se puede realizar sin requerir la dedicación de
recursos adicionales del sector espacial 54 o del sector 56 de
usuario.
Tres parámetros fundamentales que se sincronizan
mediante el concentrador central 110 incluyen temporización, fase,
y frecuencia. Además, de acuerdo con la técnica preferida, se
utilizan los siguientes parámetros:
r_{pi} Intervalo de usuario con respecto a la
plataforma 1.
n_{p} Número de plataformas en el sistema
Con el fin de describir el funcionamiento del
método preferido de posicionamiento de usuario, se supone que el
vector d posición de usuario que se va a determinar es:
Se supone que las posiciones de las plataformas
102, 104 son conocidas. Por tanto, los intervalos desconocidos del
usuario se determinan del modo siguiente:
Según se ha expuesto anteriormente, el proceso
de sincronización requiere el uso de un retardo de la señal a lo
largo de ambos enlaces de bajada y retorno, El parámetro de retardo
es proporcional al intervalo, así, el conjunto de ecuaciones
anterior resulta en n_{p} ecuaciones con tres incógnitas: x. y, y
z. Cuando n_{p} es mayor de tres (3), entonces hay un número
mayor de medidas que las que se necesitan para determinar la
posición desconocida de usuario. Si n_{p} es menor de tres, esta
información es todavía útil para determinar posiciones de usuario
cuando se combina con la información de dirección de haz en el caso
de un sistema con una sola plataforma.
La información del parámetro de frecuencia de la
sincronización se puede usar también para establecer más
información de posicionamiento de usuario. La medida de la
frecuencia es proporcional a la velocidad de variación del
intervalo y por tanto está relacionada con la posición desconocida
de usuario de acuerdo con la siguiente ecuación:
Esto proporciona un conjunto adicional de
ecuaciones cuando se supone que la velocidad de variación de la
posición se puede determinar a partir de un cambio de posición con
respecto al tiempo.
El parámetro final de la sincronización es la
fase, que también contribuye a la información para posicionamiento
de usuario, pero en un modo modular, y en gran parte no lineal. La
fase determinada se relaciona con el intervalo de la manera
siguiente:
Fase \approx
r_{i} \ mod \
\lambda
Por tanto, los parámetros obtenidos en el
proceso de sincronización de la operación del sistema 100 de
plataformas múltiples, se usan para determinar la posición de
usuario sin necesidad de recoger datos adicionales. El método
preferido de ese modo rastrea la posición de usuario en el sistema
100 y monitoriza los retardos para las señales transmitidas a -y
recibidas de- cualquier usuario. De ese modo, el sistema 100 puede
ajustar los retardos dependiendo de la coherencia de las señales.
Para cualquier usuario determinado, podría existir cualquier número
de retardos diferentes. Así, basándose en la información de
posicionamiento de usuario, se pueden modificar las estimaciones de
los retardos. Ello permite de este modo la utilización adicional de
la información que ya esté disponible para aumentar la rentabilidad
del sistema.
Claims (15)
1. Un método para determinar (30) una posición
de usuario, caracterizado por:
proveer una pluralidad de nodos de
transpondedores individuales (16; 102; 104);
establecer dos o más enlaces (20, 24; 40, 42)
desde un concentrador central de tratamiento (12; 110) con al menos
un usuario lejano (18; 116) a través de uno o más de dicha
pluralidad de nodos de transpondedores individuales (16; 102,
104);
tratar en el concentrador central (12;110) las
señales (28; 50) de usuario transmitidas desde el concentrador
central (12; 110) y recibidas en el concentrador central (12; 110),
incluyendo determinar un retardo entre el al menos un usuario
lejano y el concentrador central (12; 110) para las señales (28; 50)
de usuario transmitidas o recibidas a través de cada nodo
transpondedor (16; 102, 104) e insertar retardos apropiados para
nivelar un retardo total a través de cada nodo de transpondedor
(16; 102, 104), de tal manera que la temporización, la fase, y la
frecuencia de las señales (24; 42) en ambos enlaces de bajada (24) y
de retorno (42) con respecto a dicho al menos un usuario lejano
(18; 116) estén sincronizadas para todos los nodos de transpondedor
intermedios (16; 102, 104); y
determinar (30) la posición del usuario lejano
(18; 116) basándose en la información recuperada de la
sincronización de las respectivas señales (28; 50) de usuario local
y guardada en memoria en dicho concentrador central (12; 110) como
información de temporización, fase y/o frecuencia referente a dichas
otras señales locales (28; 50) de usua-
rio.
rio.
2. El método de la reivindicación 1,
caracterizado por:
proveer información adicional sobre la posición
de dicho al menos un usuario lejano (18; 116) basándose en la
información de frecuencia guardada en memoria en dicho concentrador
central (12; 110).
3. El método de la reivindicación 2,
caracterizado por:
ayudar a determinar (30) la posición de dicho al
menos un usuario lejano (18; 116) basándose en la información de
fase guardada en memoria en dicho concentrador central (12;
110).
4. El método de la reivindicación 1,
caracterizado porque el intervalo está relacionado con la
posición de usuario por la siguiente ecuación:
5. El método de la reivindicación
2,caracterizado porque la posición de usuario está
condicionada además por la siguiente ecuación:
6. El método de la reivindicación 3,
caracterizado porque se provee información adicional de
posición de usuario basándose en la ecuación siguiente:
Fase \approx
r_{i} \ mod \
\lambda
7. El método de la reivindicación 1,
caracterizado porque cada uno de dicha pluralidad de nodos de
transpondedor individuales (16; 102, 104) se selecciona
independientemente de entre uno de los siguientes tipos de sistema:
un sistema basado en espacio, un sistema de plataforma de gran
altitud, o una red celular basada en torre.
8. Un sistema móvil de comunicaciones
inalámbricas (10; 100) con capacidades de posicionamiento preciso de
usuario, caracterizado por:
una pluralidad de nodos de transpondedores
individuales (16; 102, 104);
una pluralidad de terminales móviles (18; 116)
cada uno en relación de asociación con un respectivo usuario
lejano;
\newpage
un concentrador central (12; 110) para
establecer dos o más enlaces (20, 24; 40, 42) con uno o más de dicha
pluralidad de terminales móviles (18; 116), cada uno a través de
uno o más de dicha pluralidad de nodos de transpondedores (16; 102,
104);
dicho concentrador central (12; 110) trata una o
más señales (28) de usuario local de uno o más de dichos usuarios
lejanos (18; 116) transmitidas desde el concentrador terrestre (12;
110) y recibidas en el concentrador terrestre (12; 110) mediante la
determinación de un retardo entre el al menos un usuario lejano y el
concentrador terrestre (12; 110) para las señales (28; 50) de
usuario transmitidas o recibidas a través de cada nodo de
transpondedor (16; 102, 104) y la inserción de retardos apropiados
para nivelar un retardo total por medio de cada nodo de
transpondedor (16; 102, 104) de tal manera que la temporización, la
fase y la frecuencia de las señales (24; 42) en ambos enlaces (42)
de bajada y de retorno con respecto a dicho al menos un usuario
lejano (18; 116) están sincronizadas para todos los nodos de
transpondedor intermedios (16; 102, 104); y
por lo que dicho concentrador central (12; 110)
puede determinar (30) la posición de cada uno de dichos usuarios
lejanos (18; 116) basándose en la información recuperada de la
sincronización de las respectivas señales (28; 50) de usuario local
y guardada en memoria en dicho concentrador central (12; 110) como
información de temporización, fase y/o frecuencia relacionada con
dichas señales (28; 50) de usuario local.
9. El sistema de la reivindicación 8,
caracterizado porque dicho concentrador central (12; 110) usa
información acerca de la temporización de señales (28) de usuario
para ayudar a la determinación de la posición de dicho usuario.
10. El sistema de la reivindicación 9,
caracterizado porque dicha información de posición de usuario
se determina de acuerdo con la ecuación siguiente:
11. El sistema de la reivindicación 8,
caracterizado porque dicho concentrador central (12; 110) usa
información sobre la frecuencia de señales (28) de usuario para
ayudar a la determinación (30) de la posición de dicho usuario.
12. El sistema de la reivindicación 11,
caracterizado porque dicha información de posición de usuario
se determina de acuerdo con la ecuación siguiente:
13. El sistema de la reivindicación 8,
caracterizado porque dicho concentrador central (12; 110) usa
información sobre la fase de señales (28) de usuario para ayudar a
la determinación (30) de la posición de dicho usuario.
14. El sistema de la reivindicación 13,
caracterizado porque dicha información de posición de usuario
se determina de acuerdo con la ecuación siguiente:
Fase \approx
r_{i} \ mod \
\lambda
15. El sistema de la reivindicación 8,
caracterizado porque dicho concentrador central (12; 110) usa
información sobre la temporización, fase y frecuencia de señales
(28) de usuario para ayudar a la determinación (30) de la posición
de dicho usuario.
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