JP2000501266A - 有効範囲の重なり領域における無線チャネルの利用効率を向上させる方法 - Google Patents

有効範囲の重なり領域における無線チャネルの利用効率を向上させる方法

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Abstract

(57)【要約】 無線通信チャネルを介して信号を伝達する方法が開示されており、その通信チャネルは、少なくとも部分的に有効範囲が重なり合っている一次及び二次通信システムで共用されている。一次システムはデューティサイクルが低く、特徴的な第1の期間を有するランダムバーストを送信する。この方法によれば、前記二次システムでバーストを送信し、そのバーストの期間は少なくとも前記第1の期間の3倍に等しく、フォワード誤り訂正コードを含んで、前記一次システムのバーストと衝突が起こったときにそれに格納されているデータを回復することができる。前記二次システムのバーストは、前記一次システムのバースト強度よりも十分に小さいバースト強度を有して両者間の干渉を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】 有効範囲の重なり領域における無線チャネルの利用効率を向上させる方法 この発明は、有効範囲の重なり領域、例えば衛星のビームの重なりにおいて、 無線チャネルの利用効率を向上させる方法及び装置に関する。 セルラー通信システムにおいて小さなセルが増加し、衛星システムでスポット ビームが使用される動向がある中で、有効範囲に重なりが生じることは避けられ ない。このような領域では、システムが干渉に敏感である場合、周波数を繰り返 し使用することはできない。例えば、サービスエリア全体に多くの利用者が分布 し、単一チャネル上で共通のハブ受信局に情報を送信すると考える。また、多数 の利用者が共通のハブ受信局へ同一の通信チャネルを利用したいと希望している 二次通信システムがあり、その有効範囲は少なくとも部分的に前記一次システム と重なっているものとする。従来このような状況で二次システムが一次システム と干渉しないためには、これら2つのシステムに異なったチャネル周波数を割り 当てるであろう。衛星チャネルの場合であれば、20kHz帯域幅での年間コス トは100万ドルを超えることもあり、チャネルの負荷(loading)が高くない 場合には、非常に効率の悪い解決法であった。 無線通信システムに対する需要が伸びることによって、スペクトル空間は著し く価値の高い商品となった。移動衛星サービス(MSS)については、このよう な需要によって多数の第2世代、第3世代の移動衛星システムが提案されるに至 った。多様な無線サービスをサポートすることができるスペクトルへの需要が増 大したことによって、既存のスペクトルをより効率的に利用しようとする欲求が 生まれた。既存システムに悪影響を与えずにすでに割り当て済みのスペクトルを 再利用することにより、スペクトルの利用及び効率が増大することは明らかであ る。 移動体利用者に対するシステム設計上のトレードオフの結果、低アンテナゲイ ンの端末と、第2、第3世代の衛星システムにあっては、高ゲイン衛星スポット ビームとを特徴とする衛星通信システムが展開されることとなった。端末が移動 性を持っているために、端末と衛星との方向性が大きくしかも短時間の間に変化 する可能性がある。 さらに、端末が低ゲインのアンテナを使用していることから、他の衛星及びシ ステムが周波数を再利用することは厳しく制限される。低アンテナゲインの端末 から送信すると、同一の周波数帯及び同一の有効範囲をカバーする既存衛星シス テムの衛星がそれを受信する場合があるのである。 共通のスペクトルを共用している衛星及び衛星システムは、低ゲインアンテナ を備えた端末にサービスする場合、同一の地理的な有効範囲を共用することがで きない。第1の衛星システムの利用者からの送信は、低アンテナゲインで送信し ても、衛星アンテナが地上をカバーする有効範囲が異なれば、同一の周波数帯で 動作している第2の衛星システムで受信することはできないから、第2の衛星シ ステムの利用者と干渉することはない。既存の衛星通信システムと第2の衛星通 信システムとの間に有効範囲が地理的に一部重なり合う場合にのみ、(チャネル が相当の時間占有されているという意味で)利用率が高い既存衛星システムの衛 星通信チャネルが、(既存システムの利用者の送信がごくたまに第2システムで 受信されることがあるという意味で)負荷の軽い第2の衛星システムに現れる場 合がある。 トランスポンダの帯域幅利用効率を向上させるため、多くの衛星通信システム は、接続要求割り当て方式多元接続環境で運用されている。通信システムは、接 続要求チャネルを利用して、加入者に衛星チャネルの通信容量を割り当てる。ス ロッテッド・アロハ(slotted ALOHA)のようなランダムアクセス要求チャネル については、チャネルの負荷がいっぱいになるほど与えられるメッセージの数が 増えると、メッセージの損失が急速に増大する。このため、スロッテッド・アロ ハ・チャネルの公称負荷は、通常全負荷の約20%に留まっている。 アンスロッテッド・アロハ(unslotted ALOHA)のアクセス要求チャネルも、 スロッテッド・アロハと同様の理由により、与えられる負荷が0.1未満となる ように設計される。 アメリカ再発行特許第32,905号は、スペクトル拡散手段を組み込んで複 数の端末に対応できるようにした衛星通信システムを開示しており、低ゲインア ンテナを特徴として既存システムが使用しているのと同じスペクトルにわたって 、同時にスペクトル拡散CDMA送信波を発生し、しかも既存システム利用者と の間に干渉は生じない。さらに、このシステムは、そのCDMAスペクトル拡散 信号に十分なスペクトル拡散処理ゲインを与え、既存システムの送信によって生 起される干渉をほとんど抑制する。この処理ゲインによって、システムは、同一 のスペクトルを占有する利用者からの干渉が存在する条件下で、複数の端末が同 時に発生するCDMAスペクトル拡散伝送を処理することができ、ビット誤り率 は許容範囲内であるとともに、既存システムの利用者に悪影響を与えることもな い。 この引用した特許に開示されている技術は、十分大なるスペクトル拡散処理ゲイ ンによって、既存システムの伝送がほぼ抑制されるような状況で適用することが できる。 スペクトル拡散処理ゲインが十分でなく、既存システムの利用者の伝送による 干渉を除去することができない場合、前記引用特許に記載されているアプローチ は有効でない。スペクトル拡散信号に利用可能な帯域幅が制限されると、あるい は、情報率に対するスペクトル拡散帯域幅の比率が非常に小さいために、既存シ ステムからの伝送がある場合にビット誤り率が許容範囲に収まらないほど情報デ ータ率が比較的高いと、処理ゲインが既存システム利用者による干渉を除去する のに十分でなくなる。 この発明の一つの目的は、一次利用者に干渉することなく、同時に二次利用者 にも許容できるサービスを提供できるように、上記の問題を緩和させることであ る。 本発明によれば、無線通信チャネルを介して信号を伝達する方法が提供され、 その通信チャネルは、少なくとも部分的に有効範囲が重なり合っている一次及び 二次通信システムで共用されている。一次システムはデューティサイクルが低く 、特徴的な第1の期間を有するランダムバーストを送信する。この方法は、前記 二次システムでパケットをバースト送信し、その二次システムのバーストの期間 は少なくとも前記第1の期間の3倍に等しく、フォワード誤り訂正コードを含ん で、前記一次システムのバーストと衝突が起こったときにそれに格納されている データを回復することができる。前記二次システムのバーストは、前記一次シス テム のバースト強度よりも十分に小さいバースト強度を有して両者間の干渉を防止す る。 インターリーブ及びチャネル状態情報を用いて、性能をさらに向上させること ができる。 インターリーブは、送信されるデータ列中のデータシンボルの配置を所定の方 式でスクランブルし、受信機のFECデコーダの入力においてそれらのシンボル を正しい順序に並べ直す処理である。干渉のために連続した受信シンボルのブロ ックが破壊されれば、デスクランブラ(descrambler)はそれらの誤ったシンボ ルをFECデコーダの入力において時間的に拡散させることになるであろう。時 間的に拡散されたシンボルは、ひとかたまりのエラーよりもFECデコーダにと ってははるかに許容し得るものである。 受信された信号の質(あるいは「チャネル状態」)は、FECデコーダにとっ て非常に効果的に利用できる。チャネル状態情報がなければ、FECは入力誤り 率が1%を超えると急速に劣化する。チャネル状態情報があってデインターリー バ(deinterleaver)によりエラーが拡散されれば、FECデコーダは入力誤り 率30%まで耐えられるようになる。一次側の(干渉する)受信信号が二次側の (所望の)信号よりもはるかに強い場合には、受信機出力における単純なパワー 検出器によってFECにチャネル状態情報を与えることができる。大きな信号は 所望の低い信号品質と等価だからである。 有効範囲の重なりは、衛星ビームが重なり合うことによって形成されるかも知 れないが、本発明は、セルラー無線において有効範囲の重なりが生じるような、 他の状況にも適用することができる。 二次バーストの期間は、一般に一次バースト期間の少なくとも3倍でなければ ならないが、10倍あるいはそれ以上とすることも可能である。二次バーストは 、一次システムのノイズレベルより低いパワーレベルでスペクトル拡散技術を用 いて送信するのが有利である。 一次及び二次システムは、それぞれ固有の有効範囲を持ち、それらの有効範囲 は少なくとも部分的に重なり合っているとする。これらのシステムの利用者は、 それぞれの有効範囲全体に分布している。一次システムは多数の送信機を有して いるが、選択されたチャネルにおける送信全体のデューティサイクル(または負 荷)は低い。一次及び二次の利用者は、いずれも選択されたチャネルでバースト 送信する。 フォワード誤り訂正、そして好ましくはインターリーブ及びチャネル状態情報 の助けにより、二次利用者のバーストの1/3が同時に受信された一次バースト によって破壊されても、二次利用者のバーストを良好にデコードすることができ る。 有効範囲が100%重なり合っている場合にもこのシステムを利用して有利な 結果を得ることができるが、このシステムは有効範囲が部分的に重なっていると きにもっとも良好に機能する。まず、一次利用者が存在するときに、二次システ ムが機能する能力を考える。チャネルの一次バーストのデューティサイクルは低 い。2つのシステムの有効範囲は部分的に重なり合っているだけなので、これら 一次利用者のバーストのほんの一部だけが二次受信者に受信されるであろう。そ れは、二次受信者に「見える(visible)」一次利用者の部分に対応する。二次 受信者が一次バーストを受信したときは常に受信された信号を支配する(したが って破壊する)ものとする。二次受信者は、いかなる二次バーストについても一 次バーストが時間的に1/3重なり合うまでは耐えられる。したがって、二次バ ーストが回復不可能なほど破壊される確率は、二次バーストの期間の1/3より も長い時間重なり合うのに十分な一次バーストが発生する確率となる。 毎秒KのバーストがL秒間存在すると考える。一次システムのチャネルの「オ ン」デューティサイクルは、K*Lとなる。さらに、一次バーストの一部Mが二 次受信者の受信可能範囲内にあるとすると、一次バーストが二次受信者によって 受信される時間成分はK*L*Mと表される。N>3のとき、二次バーストの長 さはN*Lとする。二次バーストが一次バーストと重なり合う部分がN*L/3 よりも大となる確率は、で与えられる。 一例として、一次バーストの長さL=28ミリ秒、K*L*M=0.02、二 次バーストの長さをN*L=0.5秒とする。二次バーストが一次バーストと重 なる長さが167ミリ秒より長くなる確率は3×10-6である。 チャネルの共用についての第2の因子は、二次利用者から一次システム受信者 への干渉である。二次利用者は、どのような干渉も一次システムの雑音レベルよ り十分低くなるように、一次利用者よりも十分に低い有効パワーレベルで動作し ていると考えられる。さらに、有効範囲の重なりは限られているから、二次利用 者のごく一部のみが一次受信者によって受信されるであろう。 例示を続けるために、一次システムがインマルサットBの大西洋ビーム(Atla ntic beam)、二次システムはAMSCの東部ビーム(Eastern beam)を利用し た衛星への応用を考える。共用するのに選ばれたスペクトルはインマルサットの アクセス要求チャネルの一つであり、スロッテッド・アロハ(すなわち、要求バ ーストのチャネルにランダムアクセスし、バーストは特定の時間にスタートする ように同期されている。)で運用されている。スロッテッド・アロハにおける実 用的なチャネル利用の限界は、チャネル容量の約20%である。AMSC東部ビ ームのアップリンク(衛星受信)受信可能範囲はインマルサット大西洋ビームの 約10%と重なり合うことにより、AMSCシステムはインマルサットアップリ ンク送信の約10%からアップリンクの干渉を経験するであろう。したがって、 このチャネルで二次受信者が一次バーストを受信する時間成分は、0.2*0. 1=0.02、あるいは時間的に平均して2%である。インマルサットBの要求 バーストの長さは28ミリ秒であり、二次システムのバーストの長さは0.5秒 である。一次バーストを受信したために二次バーストが回復不可能なほど破壊さ れる確率は、上記により計算すると3×10-6である。 インマルサットBの送信機は、二次システムの送信機よりも34dB高いEI RPで動作する。しかし、二次システムは公称10の同時利用者によってスペク トル拡散多元接続されるので、全体の二次バーストパワーは一次バーストよりも (平均して)24dB低く、一次受信者のノイズレベルよりも十分低くなるだろ う。 またこの発明は、一次システムと帯域幅を共有できる無線通信システムを提供 する。前記システムは、少なくとも部分的に重なり合った有効範囲を有し、前記 一次システムはデューティサイクルが低く特徴的な第1の期間を有するランダム バーストを送信する。前記通信システムはパケットをバースト送信する複数の分 散された端末を有し、前記通信システムのバーストは前記第1の期間の少なくと も3倍に等しい期間を有し、前記パケットはフォワード誤り訂正コードを含んで 、一次システムのバーストと衝突が起こったときにそれに格納されているデータ を回復することができ、前記通信システムのバーストは前記一次システムのバー スト強度よりも十分に小さいバースト強度を有して両者間の干渉を防止する。 以下、この発明を、添付の図面を参照しつつ、実施例によってより詳細に説明 する。 図1は衛星の有効範囲が重なり合う領域を示す図である。 図2はrf伝送パルスを示す図である。 図3は衛星システムの機能ブロック図である。 図4はリモート端末の機能ブロック図である。 図5は地球局の機能ブロック図である。 図6はフォワードリンクのTDM構造を示す図である。 図7aはリターンリンクのスロッテッドCDMA構造を示す図である。 図7bはフォワード及びリターンリンクのタイミング同期を示す図である。 図8はリモート端末の第2実施例を示すブロック図である。 図9は地球局の第2実施例を示すブロック図である。 図10はリモート端末のスリープクロック同期アルゴリズムを示す。 図11はリモート端末のローカル発振器同期アルゴリズムを示す。 図1を参照すると、インマルサット(INMARSAT)システムは、広い範 囲1をカバーし、斜線の領域2でAMSCビーム3と部分的に重なっている。従 来、この重なりのために、AMSC衛星とインマルサット衛星とは、干渉を避け るために異なる周波数で運用されるように要求されるであろう。これは、特にイ ンマルサットのデューティサイクルが低い場合、帯域幅の浪費である。インマル サットシステムは、分離されたランダムアクセス要求チャネルを採用しており、 利用者が呼を設定しようとするときに用いられる。呼それ自体は、デューティサ イクルがより一層高く、一般にここに提案されるチャネルシェアリング構成には 適さない通信チャネルで確立される。 重なり領域から離れて発生した要求はAMSCシステム内で発生したメッセー ジと衝突しないであろうから、インマルサット要求チャネルのAMSCシステム に見える有効なデューティサイクルは、いっそう減少する。衝突は、重なり領域 内又はその近傍で要求が発生した場合にのみ起こり、それによって衝突の確率は インマルサットシステムで発生するすべての要求がAMSCシステムで見える場 合よりもはるかに低いレベルに減少する。 本システムは、以下により詳細に説明するように、サブフレームとして知られ る基本ユニット内のデータを伝送する。サブフレームはCDMAでコード化され ており、長さ0.5秒のrfエネルギーのバーストとして現れる。要求チャネル 上のインマルサットのバーストはそれよりはるかに短く、28ミリ秒程度である 。インマルサットシステムの要求チャネルのデューティサイクルが低いことと、 部分的な重なりとのために、AMSCシステムに見える有効なデューティサイク ルは一層減少し、インマルサットバーストがAMSCバーストと衝突する確率は 、AMSCサブフレームが干渉なしに受信されるほど低くなっている。しかし、 一回の衝突が起きると、パケットの長さが異なるために、サブフレームのわずか な部分が失われるのみで(図2の斜線部を参照。)、公知のフォワード誤り訂正 技術を用いて回復することができる。インマルサットバーストとの衝突によって 、フォワード誤り訂正技術を用いても回復できないほどパケットが失われる可能 性は、極めて低い。 AMSC信号とインマルサット信号との干渉を防ぐために、信号強度は一般に 、インマルサット信号の強度より30dB小さい値より大であるように維持され る。 1つの実施例では、スペクトル拡散技術を用いてこれを達成しているが、他の方 式を利用することも可能である。スペクトル拡散技術自体は、何ら干渉の問題を 克服するものではないことを理解しておかなければならない。インマルサットB 要求チャネルは20kHzの幅しかなく、rfバーストが存在すれば、それでチ ャネルが満たされてしまうからである。したがって、スペクトル拡散技術のみを 用いて十分な処理ゲインを得、インマルサット信号の存在下でデータを伝送する ことはできない。スペクトル拡散によって処理ゲインが達成されるのは、通信チ ャネルの信号に含まれるスパイクの数が限られている場合だけであって、干渉信 号がチャネルの幅全体をカバーしているときではない。しかし、スペクトル拡散 技術を利用することにより、低電力密度の信号を利用することが可能となり、受 信機で逆拡散して回復することができる。このような低信号レベルにより、イン マルサット信号と干渉した場合に、衝突の際にスペクトル拡散信号が実際に失わ れたとしても、インマルサット信号は劣化しないことが保証される。したがって 、本発明が想定しているシナリオでは不可能であるから、スペクトル拡散信号は 処理ゲインを達成するのに利用されず、むしろインマルサット信号への干渉が起 こらないように信号レベルを十分小さくできるようにしているのである。 図3に示す衛星通信システムは、有線接続12、例えば公衆交換網を通じて通 常サービスプロバイダによって運営されているパケット処理センタ13に接続さ れた中央地球局11を備えている。そのパケット処理センタ13は、有線通信回 線を通じて付加価値販売業者(value added retailer)14に接続され、さらに は1以上の末端利用者15に接続される。パケット処理センタ13は、以下に詳 述するように特定端末に割り当てられたサブフレームに関する情報を格納するデ ータベース21を備える。パケット処理センタ(PPC)13はまた、マルチビ ーム衛星を採用した場合にビーム情報を格納する。 地球局11はまた、衛星リンク16,17を経由して、複数のリモート端末2 0との間でリンク19を介して信号を中継するマルチビーム静止衛星18に接続 される。リモート端末20は、通常へリコプター、トラックトレーラー、乗用車 、鉄道車両等の車両に搭載される。衛星18は、例えば北アメリカ全体などの広 範囲の地理的範囲をカバーすることができる。衛星18は、有効範囲全体に放送 することもでき、必要があれば、ビーム指向技術を用いてその有効範囲をさらに 分割することができる。図3に示すリンク19は、ネットワークアクセスプロト コルを示すために、2地点間通信を表している。関連する信号は、地理的に広範 囲をわたって伝搬される。 地球局11で生成され衛星18を介して端末20に中継される衛星通信リンク 17,19は、フォワードリンクと呼称される。端末20で生成され衛星18を 介して地球局11に中継される衛星通信リンク19,16は、リターンリンクと 呼称される。当業者は、本発明の主要な要素が、固定端末だけでなく移動体、非 静止軌道上の衛星、及び地球上の通信システムに関連していることが分かるであ ろう。 本発明のフォワードリンク伝送がリモート端末で受信され処理される方式は、 図4に記載されている。静止衛星によって中継される伝送エネルギーの一部は、 アンテナユニット47のアンテナ40によって捕捉され、所望の周波数帯域外の 信号を除去するバンドパスフィルタ41に入力される。バンドパスフィルタ41 を通過した伝送は、送受信検知モジュール46によってイネーブルとなる増幅器 42に入力される。増幅器42は、同軸ケーブル48を介して主電子ユニット5 0のバンドパスフィルタ52と接続されている。バンドパスフィルタ52の出力 信号は、ミキサ53に供給され、周波数合成器55によって都合のいい中間周波 数(IF)に逓減される。周波数合成器55は、ローカル発振器64に位相同期 されており、その周波数は周波数制御器65によって定められる。 周波数制御器65の機能は、マイクロプロセッサ57によって提供される。ミ キサ53の出力は、IFバンドパスフィルタ54に入力され、問題の周波数帯近 傍におけるノイズと電磁干渉とがさらに低減される。バンドパスフィルタ54の 出力は、直角位相検波器56に入力され、周波数合成器55の他の出力によって ベースバンドに逓減される。 直角位相検波器56の同相(I)58及び直交位相(Q)59出力は、アナロ グデジタル変換器(ADC)60に入力される。ADC60でデジタル化された 信号は、復調器61によって二値にエンコードされた符号に変換され、さらにデ コーダ62によってバイナリデータにデコードされる。ADC60、復調器61 、及びデコーダ62は、マイクロプロセッサ57によって機能する。デコーダ6 2の出力は、出力バッファ77に書き込まれる。さらに出力バッファ77によっ て、コンピュータ、リレー等の外部の受信データ端末装置にデジタル信号を与え てもよい。 マイクロプロセッサ57のタイマロジック79により、端末をスリープモード で動作させ、定期的に立ち上げて送信モード、受信モード、あるいは処理モード に移るかどうかを判定させることができる。マイクロプロセッサ57がスリープ モードの時、DC電力は最小となっている。以下により詳細に述べるが、タイマ ロジックユニット79は、あらかじめ割り当てられたタイムスロットの期間中に 端末を起動させる。 送受信検知モジュール46は、同軸ケーブル48に送受信制御モジュール51 がDC信号を与えるとそれを検知する。送受信検知モジュールは、同軸ケーブル 48で検知されたDCレベルにより判定して、送信増幅器45または受信増幅器 42をオンさせるか、あるいはいずれもオンしないかの動作をする。送受信制御 モジュール51は、マイクロプロセッサ57によって制御され、その現在のネッ トワーク接続構造にしたがって、後出の図に示すように、アクティブまたはイナ クティブとなる。 図4はまた、リモート端末で動作するリターンリンクのスペクトル拡散CDM A伝送を示している。伝送源は、環境センサから与えられるようなアナログ67 であってよく、マイクロプロセッサ57上に用意されたADC68によってデジ タル化される。代替として、伝送源は、コンピュータから与えられるようなデジ タル信号63でもよく、入力バッファ78に書き込まれる。入力バッファ78の 出力は、さらにデータフォーマッタ69に入力され、リターンリンクデータ信号 をパケット化するとともに、パケット形式、パケットのあて先及び発信者等の情 報を付加する。データフォーマッタ69の出力は、チャネルエンコーダ70に伝 送され、強固な(robust)フォワード誤り訂正を付与するとともに、リターンリ ンクパケットの符号をインターリーブする。チャネルエンコーダ70の出力は、 PNエンコーダ71に入力される。PNエンコーダ71は、CDMAスペクトル 拡散エンコーダとも呼称される。PNエンコーダ71の出力は、フレームプロセ ッサ72に送られ、エンコードされたスペクトル拡散パケットをリターンリンク のサブフレーム構造に埋め込む。 フレームプロセッサ72は、二値のPNエンコード信号73を変調器74に供 給し、QPSK波形に変換する。周波数合成器55は、変調器74のベースバン ド出力をミキサ75で逓倍するのに用いられる。ミキサ75の出力は、バンドパ スフィルタ76によって濾波され、同軸ケーブル48を介してアンテナユニット 47に接続される。そして、高出力増幅器45、次いでバンドパスフィルタ44 に入力され、最終的にアンテナ43に供給されて送信される。高出力増幅器45 は、送受信制御ユニット51に制御される送受信検知モジュール46によってイ ネーブルとなる。 図5を参照すると、1以上のリモート端末に送られるデータは、有線接続11 6を用いて地球局に送られ、ルータ115を介してパケット処理センタ13に供 給される。パケット処理センタ13は、データパケットをデータフォーマッタ1 02に転送する。地球局に送達された各データパケットは、目標の移動体端末、 あるいは一群の移動体端末のアドレスを含んでいる。移動体端末は個別のアドレ ス及び1以上のグループアドレスを持っていてもよいので、本発明のフォワード リンクは複数の移動体端末との同時通信をサポートする。 データフォーマッタ102は、図6に詳細に図示されているように、データパ ケットをフレーム構造内のサブフレームに配置する。データフォーマッタ102 の出力は、チャネルエンコーダ103に渡されてフォワード誤り訂正が行われ、 衛星通信チャネルで引き起こされる可能性のあるビット誤りを補償するのに役立 つ。チャネルエンコーダ103の出力は、フレームプロセッサ104に渡され、 エンコードされたパケットをTDMフォワードリンク構造に付加する。フォワー ドリンクサブフレームの全部または一部に送信すべきデータがない場合、フレー ムプロセッサ104はフォワードリンクデータパケットを抑止する。データフォ ーマッタ102、チャネルデコーダ103、及びプロセッサ104の機能は、デ ジタル信号プロセッサ101内に実装される。 フレームプロセッサ104の出力は変調器105に接続され、二値エンコード データをBPSK変調波形に変換し、次いで周波数合成器109から供給される 搬送波周波数信号によってミキサ106で逓倍する。デジタル信号プロセッサ1 01及び周波数合成器109は、タイミング及び制御モジュール108によって 同一サブフレームと時間同期される。タイミング制御信号はタイミング及び制御 ユニット108によって供給され、周波数合成器109を適時に遷移させる。タ イミング及び制御ユニット108はまた、デジタル信号プロセッサ101にタイ ミング信号を供給し、フレームプロセッサ104からのエンコードされたデータ 信号が、周波数合成器109が発生する搬送周波数と時間的に整列するように保 証している。 ミキサ106の出力は、バンドパスフィルタ110に入力されて、必要な衛星 通信スペクトル以外の無線周波数(RF)の放射を最小化する。バンドパスフィ ルタ110の出力は増幅器111に転送され、ダイプレクサ112、さらにアン テナ80にRF信号を供給する。そのRF信号は、リモート端末に中継した静止 衛星に送信される。 リターンリンクについて見ると、アンテナ80がリターンリンク信号の一部を 捉えてダイプレクサ112、さらに必要なリターンリンク周波数帯以外のスペク トルエネルギーを抑圧するバンドパスフィルタ81に渡す。バンドパスフィルタ 81の出力は低雑音増幅器(LNA)82によって増幅され、ミキサ84に入力 されて周波数合成器85により都合のいい中間周波数に逓減される。ミキサ84 の出力は狭帯域フィルタ86に渡され、リターンリンクスペクトル拡散信号周辺 のスペクトルエネルギーがさらに制限される。バンドパスフィルタ86の出力は 、直角位相検波器87に供給され、ローカル発振器90によってベースバンドに 変換される。同相88及び直交位相89ベースバンド信号は、直角位相検波器8 7から供給され、ADC91によってデジタル変換される。 ADC91のデジタル化された出力は、バッファ93及びスペクトル拡散プロ セッサ94に入力される。タイミング及び制御ユニット92は、ADC91に変 換のトリガを、周波数合成器85に周波数制御ワードを、スペクトル拡散プロセ ッサ94にタイミング信号をそれぞれ与える。バッファ93は、デジタル信号プ ロセッサ95へのスペクトル拡散信号のサンプルの内、1つのサブフレームを超 える範囲にわたって格納する。拡散デジタル信号プロセッサ(spread digital s ignal processor)95は、本発明のリモート端末からのCDMA送信があれば 、デジタル化された信号を処理する。スペクトル拡散プロセッサ94は複数のデ ジタル信号プロセッサからなり、すべてのタイミングオフセットの仮定及びCD MAコードの可能性について、デジタル化された信号を並行処理する。 スペクトル拡散プロセッサ94は、リモート端末のCDMA送信があるかどう かを検出し、CDMA送信、関連するCDMAコード、及び概略の送信開始を検 出するとデジタル信号プロセッサ95にそれを報知する。 干渉検出器130は、既存の衛星チャネルからの干渉があればデジタル化され た信号を処理するように設けられる。例として、公称占有率が推定20%のスロ ッテッド・アロハ・チャネルであるインマルサットBのリターン要求チャネルを 、AMSCシステムの東部ビーム(Eastern beam)を通じて運用されているシス テムのリターンリンクと共用することを考える。これら2つのシステムの受信可 能なサービスエリアは限られた範囲で重なり合っているので、AMSC衛星の受 信者が受信できるのは、インマルサットの要求パケットの内10%未満であろう 。 したがって、リターンリンクがチャネル共用による干渉に対処する必要があるの は時間にして2%であろう。たたみ込み符号化(convolutional coding)、イン ターリーブ、チャネル状態情報によって、1パケットにつき30%の欠陥(bloc kage)に対処できる。rf信号はインマルサットの搬送波より34dB低いから 、本発明によればインマルサット搬送波の上に重畳されてもインマルサットシス テムは劣化することがないであろう。 精密同期ユニット96は、検出されたCDMA送信について、正確な時間と周 波数の概算値とを与える。精密同期ユニット96の出力は、逆拡散QPSK信号 を含み、復調器97に入力されて二値のコード化データ信号に変換された後、デ コーダ98に入力されてデインターリーブ及びフォワード誤り訂正デコードが行 われる。チャネル状態情報はバッファ93のサンプル振幅から各サンプル毎に得 られ、デコーダ98に渡される。デコーダ98の出力はデータフォーマッタ99 に供給され、パケット処理センタ13に適したフォーマットに変換される。パケ ット処理センタ13は、リターンリンクパケットをルータに送り、ルータは有線 手段116を用いてそのパケットを末端利用者に転送する。 本発明におけるフォワードリンクのTDM構造を、図6に時間の関数として示 す。フォワードリンク通信は、約1日の長さを有するスーパーフレーム120ま でバッファしてもよい。各スーパーフレーム120は、I個の等しい長さを有す るマルチフレーム121からなり、その長さは約1時間である。各マルチフレー ム121はJ個の等しい長さのフレーム122からなり、その長さは約1分であ る。フレーム122はK個の等しい長さのサブフレーム123からなり、その繰 返し頻度は0.5秒である。各サブフレームは、その持続時間がすべて等しいL 個の時分割多重パケット124,125を有するタイムスライスにさらに分割さ れている。 最初と最後のq個のパケット124は、同期/ネットワークパケット(synchr onization/network packet、あるいは単純にsync/network packet)と呼称され る。この同期/ネットワークパケット124は、リモート端末に同期及びネット ワーク状態補助を与える。(L−q)までのデータパケット125は、サブフレ ームの残りの期間に送信すればよい。サブフレームまたはその中の一部に通信が 行われない期間があれば、フォワードリンク信号は抑圧される。多数のデータパ ケット125がネットワーク掲示板を準備するためにフレームベースで確保され 、それにはサブフレームと衛星チャネルとのマッピングなどの情報が含まれる。 各パケット125は、アドレスフィールド、アクセス制御フィールド、オーバ ーフローフラグなどの多数の分離したフィールドを備えてもよく、後続のサブフ レームにさらにデータが続いていることを示すのに利用される。1つのサブフレ ームで送れるデータ量はN個のデータパケットに限られる。あて先となる端末の 数と送られるデータ量とによって、必要なデータすべてを1つのサブフレームで 送れないこともあり得る。その場合、目的の端末はその後スリープモードに入る のが通常であろう。通常それらの端末には割り当てられない後続のフレームに続 きのデータがあるために、オーバーフローフラグをセットして、端末を起動状態 にしておくことができる。言うまでもなく、オーバーフローフラグがセットされ れば、後続のパケットは通常異なる端末に割り当てられる次のサブフレーム内の タイムスライスを占有するから、システム容量とアクセスし易さとの間にはトレ ードオフが起こる。 共用のアクティブな受信サブフレームを、潜在的に無制限の数の端末で共用し てもよい。1つの共用アクティブサブフレームを実用的に共用できる端末の数は 、伝送される情報量といずれかの特定の端末にデータを送信したい周波数とに依 存する。 (L−q)のデータパケット125は、これら1以上の端末をあて先としてよ く、送信するフォワードリンクパケットがない場合には抑圧してよい。それぞれ 独自のアドレスを有する各端末は、特定のサブフレームの期間中アクティブとな ってすべてのデータパケット125を処理し、各パケットのあて先とされている 1または複数の端末を判定する。端末が(L−q)のデータパケット125のい ずれにもそのアドレスを検出しなければ、端末はスリープモードに入り、次のア クティブな受信サブフレームまでイナクティブとなる。外部割り込みによってイ ネーブルとなるのであれば、ローカルソースの割り込みが起こるまでイナクティ ブである。端末がデータパケット125の中に自分のアドレスを検出すれば、さ らにそれぞれのパケットを処理してそれにしたがって応答する。 図7(a)に示すリターンリンクフレーム構造は、図6に関して示されている フォワードリンクの構造と類似している。リターンリンクデータは、1日の周期 で繰り返すスーパーフレーム130全体をバッファしてもよい。各スーパーフレ ーム130は、1時間の周期で反復するI個のマルチフレーム131からなり、 各マルチフレーム131は長さが1分のJ個のフレーム132からなり、フレー ム132は長さ0.5秒のK個のサブフレーム133を備える。 フォワードリンクとは異なり、リターンリンクのサブフレーム132はそれ以 上分割されていない。各サブフレームは、CDMA多重化技術を用いて多重化さ れ、サブフレーム全体に分散されたデータパケットを有している。 図7(b)に示すように、リモート端末におけるリターンリンクサブフレーム 133はフォワードリンクサブフレーム123に時間同期され、不連続な数のサ ブフレームAによってオフセットされている。フォワードリンクサブフレーム1 23は、1以上のリモート端末から送信を要求するのに使用される場合がある( L−q)までのデータパケットを含む。例えば、リモート端末の送信要求は、特 定のフォワードリンクサブフレームに設定してもよい。フォワードリンクパケッ トは端末で処理されて、後続のリターンリンク期間における端末送信となる。 端末送信は、その要求を搬送するフォワードリンクサブフレームからAのサブフ レーム分時間的にオフセットされる。 図8はリモート端末の第2実施例を示している。受信アンテナ300からの信 号は、低雑音増幅器301を介してミキサ303と、現在位置の座標をマイクロ コントローラ310に与える従来のGPS受信機302に送られる。合成された ローカル発振器320はマイクロコントローラ310が周波数を調整する基準発 振器319によってデジタルアナログ変換器318を介して以下に記載するよう な方式で制御され、ミキサ303にIF信号を発生する。このIF信号は第1の IF増幅器304で増幅され、ミキサ305で混合されて第2のIF周波数を発 生し、それは次いで第2のIF増幅器306で増幅され、そこからミキサ307 ,316及びサンプルアンドホールド回路308,317を通じてマイクロコン トローラ310に入力される。 基準発振器319の出力は、90°位相器309を介して接続され、その出力 はミキサ307,316の第2の入力ヘ接続されて信号の同相成分I及び直交成 分Qを生成する。 マイクロコントローラ310(例えばフィリップス社 P80CL580)は 外部のI/Oポート311、メモリ312、及び起動クロック314に接続され 、定期的に端末を起動させて入ってくる信号を受信する。 マイクロコントローラは、電源制御回路315に接続される。 送信側では、信号のI成分とQ成分とがマイクロコントローラ310からQP SK変調器321に別々に入力される。QPSK変調器321は、合成されたロ ーカル発振器320によって駆動される。 QPSK変調器の出力は、ドライバ322及び電力増幅器323を介して送信 アンテナ324に入力される。 地球局の第2の実施例を図9に示す。PPC/NOC13からのデータはモデ ム400を介して受信され、データ変換器401に渡される。データ変換器40 1はそのデータを衛星送信に適したフォーマットに変換する。データはそこから バッファ402を介して転送され、FECユニット403でフォワード誤り訂正 が行われ、さらにウインドウユニット404、デジタルアナログ変換器405、 そしてBPSK変調器406へ送られる。そこからデータは地球局RF装置40 7を通じて衛星へ送られる。 リターンパスでは、入ってくるCDMA信号はRF装置407からミキサ41 0、IF増幅器411を介してミキサ412及び414に入力され、同相成分と 直交成分とが分離される。これらはユニット415及び416でデジタル化され 、 CDMA/QPSK復調器417、シンボルデインターリーバ418、及びビタ ビ(Viterbi)デコーダ419へ与えられる。チャネル状態情報は、デジタイザ 415,416のサンプル振幅からサンプル毎に得ることができ、デコーダ41 9へ送られる。CRC検証420の後、信号はデータ変換器401及びモデム4 00を通じてPPC/NOC13へ戻される。 クロック422が、破線で囲まれたボックス内に含まれる機能を実行するプロ セッサ421に接続される。プロセッサ内の周波数制御ユニット409はシンセ サイザ408を制御する。シンセサイザ408は、IFミキサ410を、90° ハイブリッド413を介して同相及び直角位相ミキサ412,414を、そして BPSK変調器406を駆動する。 上記したように、タイマロジックあるいはクロック79,314は、定期的に リモート端末を起動させ、入ってくるデータを傍受させる。端末のコストを最小 限とするため、ドリフトが発生する可能性はあるが、低コストの発振器を使用す ることが望ましい。これを補正するために、割り当てられたサブフレームが発生 するよりも頻繁に短時間端末を起動させ、クロックの再同期をするようにしても よい。例えば、特定の端末に階層フレーム構造の1つのサブフレームのみが割り 当てられれば、これは24時間毎に反復されるだけであるが、クロックはこれよ りも頻繁にリセットする必要があるかも知れない。1つの有利な実施例では、例 えば端末を同期のためだけに1時間毎に起動させ、それによって次の傍受期間が 到来したらクロックが地球局と適切に同期するようにしてもよい。図10はこれ を行わせるためのアルゴリズムを示している。 例えば、1時間経過後、ステップ200で端末のスリープ期間が終了し、タイ マ79,314(通常はカウントダウンタイマ)がスリープモードで最小の電流 を引き込んでフォワードリンクにサブフレームが入って来始める予定の直前に端 末を起動させる。受信信号はステップ201の受信ウインドウで0.625秒に わたってデジタル化され、ウインドウが0.5秒のサブフレームを完全にカバー するようにしている。受信されたウインドウはステップ202でサブフレームに よって搬送される固有の同期ワードを識別するように処理される。ステップ20 5で、前記固有のワードが到達した実際の時刻と予測時刻との差がチェックされ る。判定ステップ206はこの差が所定のクロックサイクル数(一般には30) より大であるかを判定し、そうであればカウントダウンタイマの内部レジスタに 新しい数を読込んでクロック同期を補正する。 ステップ208でこのアルゴリズムを抜け、端末は次の起動時間までスリープ 状態に戻る。受信ウインドウを処理してから、ローカル発振器周波数の同期など の他の動作をステップ203で実行してもよい。この処理につき、図11を参照 して説明する。 一般に、起動クロック79,314は32kHzで動作し、8Hzまで分周さ れて125ミリ秒毎にパルスを発生する。1つの実施例では、アクティブ状態は 2つの副次的状態に分けられる。受信回路がオンされている完全アクティブ状態 と、マイクロコントローラのみがオンしている部分アクティブ状態である。クロ ックは、125ミリ秒毎にマイクロコントローラ310のみを起動させ、端末を 部分アクティブ状態にすることができる。マイクロコントローラは、入ってくる サブフレームを傍受する時間であるかどうかをチェックする。そうでなければ、 マイクロコントローラはスリープ状態に戻る。傍受時間であれば、受信回路をオ ンして入ってくるサブフレームを捕捉し、その後受信回路をオフする。(受信回 路は、送信回路に次いで電力消費が大きい。)それから、端末はサブフレームを デジタル化し、クロック同期をチェックし、自身にアドレスされているデータパ ケットを探す。 図11を参照すると、まずステップ210でFFTフィルタによりおおまかな 周波数が概算され、ステップ212でデジタルサンプルの大まかな誤り訂正が行 われる。ステップ213では、デジタル位相固定ループを用いて精密な周波数の 評価を行う。ステップ211で概算された誤りの合計が得られ、ステップ218 でこの合計の誤りについてデジタルサンプルの訂正を行う。ステップ219は固 有の同期ワードが検出されたかどうかを判定し、検出されなければサブフレーム は削除される。固有のワードが検出されれば、概算された誤りの合計は2次元参 照テーブル215に移され、電圧制御型基準発振器64,319の電圧調整21 6を行う。 前記参照テーブルには温度センサ214が接続されており、水晶発振器64, 319が温度変化に対して較正されるようにしている。 ここに記載されたシステムは、共通の周波数を利用しても、他のシステムとの 間に干渉を起こすことなく一次システムと共存することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S Z,UG),UA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD ,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CZ, DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,HU,I L,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LK ,LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK, MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,R U,SD,SE,SG,SI,SK,TJ,TM,TR ,TT,UA,UG,US,UZ,VN (72)発明者 シード,ウィリアム,ロバート カナダ・オンタリオ ケー2エム 1アー ル9・カナタ・シェットランド ウェイ 18

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 無線通信チャネルを介してデータを送る方法であって、 その通信チャネルは、少なくとも部分的に有効範囲が重なり合っている一次及 び二次システムで共用されており、 前記一次システムはデューティサイクルが低く特徴的な第1の期間を有するラ ンダムバーストでパケットを送信し、 前記方法は前記二次システムでパケットをバースト送信し、 前記二次システムのバーストは前記第1の期間の少なくとも3倍に等しい期間 を有し、前記パケットはフォワード誤り訂正コードを含んで、一次システムのバ ーストと衝突が起こったときにそれに格納されているデータを回復することがで き、 前記二次システムのバーストは前記一次システムのバースト強度よりも十分に 小さいバースト強度を有して両者間の干渉を防止する 方法。 2. 前記パケットはシンボルインターリーブを用いて誤り訂正性能を向上させ ている請求の範囲第1項に記載の方法。 3. 前記二次システムのバースト期間は前記一次システムのバースト期間の3 倍以上である請求の範囲第1項または第2項に記載の方法。 4. 前記二次システムで送信されるバーストはスペクトル拡散多重化技術を用 いて一次受信機でのパワーレベルを一次システムのノイズレベルよりも低くして いる請求の範囲第1項ないし第3項のいずれかに記載の方法。 5. 前記二次バーストは符号分割多元接続多重化を採用している請求の範囲第 4項に記載の方法。 6. 前記一次及び二次システムは重なり合うビームを持った衛星方式のシステ ムである請求の範囲第1項ないし第5項のいずれかに記載の方法。 7. 前記パケットを受信するとチャネル状態情報を考慮してデインターリーブ 及び誤り訂正を行う請求の範囲第2項に記載の方法。 8. 一次システムと帯域幅を共有できる無線通信システムであって、 前記システムは、少なくとも部分的に重なり合った有効範囲を有し、 前記一次システムはデューティサイクルが低く特徴的な第1の期間を有するラ ンダムバーストでパケットを送信し、 前記通信システムはパケットをバースト送信する複数の分散された端末を有し 、 前記通信システムのバーストは前記第1の期間の少なくとも3倍に等しい期間 を有し、 前記パケットはフォワード誤り訂正コードを含んで、一次システムのバースト と衝突が起こったときにそれに格納されているデータを回復することができ、 前記通信システムのバーストは前記一次システムのバースト強度よりも十分に 小さいバースト強度を有して両者間の干渉を防止する 無線通信システム。 9. 前記パケットのシンボルをインターリーブする手段をさらに備えて誤り訂 正を向上させる請求の範囲第8項に記載の無線通信システム。 10. チャネル状態をモニタする手段と到着するパケットのデインターリーブ 及び誤り訂正を行うプロセッサとを備え、前記プロセッサは誤り訂正を実行して いる間のチャネル状態情報を考慮するようにプログラムされている請求の範囲第 9項に記載の無線通信システム。 11. 前記通信システムのバースト期間は前記一次システムのバースト期間の 少なくとも3倍である請求の範囲第8項ないし第10項のいずれかに記載の無線 通信システム。 12. スペクトル拡散技術を用いて前記通信システムのバーストを送信する手 段を備え、受信機におけるパワーレベルが前記一次システムのノイズレベルより も小さくなるようにしている請求の範囲第8項ないし第10項のいずれかに記載 の無線通信システム。 13. 前記通信システムのバーストは符号分割多元接続多重化を採用している 請求の範囲第12項に記載の無線通信システム。 14. 前記システムは重なり合うビームを持った衛星方式である請求の範囲第 12項に記載の無線通信システム。 15. 一次システムと帯域幅を共有できる無線通信システムに用いられる端末 であって、 前記システムは、少なくとも部分的に重なり合った有効範囲を有し、 前記一次システムはデューティサイクルが低く特徴的な第1の期間を有するパ ケットをランダムバースト送信し、 前記端末は、少なくとも前記第1の期間の3倍に等しい期間を有する通信シス テムでパケットをバースト送信する手段を有し、 前記パケットはフォワード誤り訂正コードを含んで、一次システムのバースト と衝突が起こったときにそれに格納されているデータを回復することができ、 前記通信システムのバーストは前記一次システムのバースト強度よりも十分に 小さいバースト強度を有して両者間の干渉を防止している 端末。 16. 前記パケットはインターリーブされたシンボルを含んで誤り訂正を向上 させている請求の範囲第15項に記載の端末。 17. 前記端末は前記第1の期間の少なくとも3倍の期間を有するバーストを 送信する請求の範囲第15項に記載の端末。 18. 衛星通信に適用される請求の範囲第15項ないし第17項のいずれかに 記載の端末。
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