JP2022502894A - 衛星通信システムにおけるランダムアクセス - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの地球外伝送局を含む通信システムにおけるランダムアクセス試行をＵＥデバイスによって実行する方法を提供し、方法は、地球外伝送局によって伝送される基準信号を受信する段階と、受信された基準信号から、ＵＥデバイスと地球外伝送局との間のトリップ時間を決定する段階と、トリップ時間を使用してランダムアクセス試行を制御する段階と、を備える。

Description

本発明は、衛星ベースの通信システムにおけるランダムアクセス試行の実行に関する。

衛星通信または衛星電話システムは、２０年もの間よく知られている。例は、イリジウム電話およびデータ通信システムである。我々は、本システムの公共に利用可能な技術的記載を参照し、本発明に必要であろうもののみを詳細に提供する。

ＩＥＥＥ／ＩＭＡＣＳ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ １９９９，Ａｔｈｅｎｓ，Ｇｒｅｅｃｅの予稿集の、Ｉ．ＫｏｕｔｓｏｐｏｕｌｏｓおよびＬ．Ｔａｓｓｉｕｌａｓによる、「ＭＥＯモバイル衛星ネットワークにおける信頼性のあるハンドオーバー予告およびリソース割り当て」という題名の論文は、以下のステップを有するハンドオーバー予告を論じる。基地局が、（「隣接セル」と同様に）カバレッジおよび接近の可能性があるべきものを含む衛星のリストの測定値を要求するステップ。ＵＥが、それらの衛星の受信されたビームを（定期的に）測定するステップ。測定値のリストを戻して提供するステップ。リストにおけるエントリ（閾値および重複検出によってフィルタリングされた）は、ＵＥとの、ハンドオーバー決定が取得される角度に従って重み付けされる。この論文は、ランダムアクセスプリアンブルのための送信時間を導出するためのいかなる方法も、記載も示唆もしていない。

米国特許出願公開第２００９／０２８４４１１Ａ１号明細書は、可視のＧＰＳ衛星を識別して位置決めして、オープンスカイのマップを生成するように、ＧＰＳ受信機を使用する方法を記載する。そして、このマップは、いずれかの通信衛星が、および、一体どの通信衛星が、その移動についての知識を使用するオープンスカイを介して到達可能であり得るか、および、それらの衛星との通信を始めるのみか通信を延期するかを、識別するように使用される。ランダムアクセスプリアンブルのための送信時間の構成はない。

さらなる衛星ベースの通信システムが、米国特許出願公開２０１７／００８５３２９Ａ１、国際公開２０１７／０７２７４５Ａ１、および国際公開０２ ３９６２２Ａ１において説明される。

イリジウムは、６つの軌道と、軌道ごとに１１の衛星を有する、低地球軌道（ＬＥＯ）衛星を使用する。衛星は、７８１ｋｍの高さおよびおよそ１００分の軌道周期を有し、その結果、地上の同一地点を同一軌道上の２つの隣接する衛星が通過する時間の間隔ΔＴ_Ｓａｔはおよそ９分である。

現在、次世代のモバイル通信規格（５Ｇ）が３ＧＰＰにより定義されている。それは、コアネットワーク（５ＧＣ）および新たな無線アクセスネットワーク（ＮＲ）のネットワークアーキテクチャを規定するであろう。加えて、非３ＧＰＰアクセスネットワークから５ＧＣへのアクセスが提供される。

３ＧＰＰは、ＮＲへの地球外アクセスネットワーク（ＮＴＮサポート）を含む過程内にある。３ＧＰＰ Ｔｄｏｃ ＲＰ‐１７１４５０において、ＮＴＮが、ネットワークまたはネットワークのセグメントとして定義され、伝送のために航空機または衛星搭載車両を使用する新たな研究が提案された。

衛星搭載車両は、（ＬＥＯ衛星、中地球軌道（ＭＥＯ）衛星、静止地球軌道（ＧＥＯ）衛星、並びに高楕円軌道（ＨＥＯ）衛星を含む）衛星を含む。航空機は、空中ＵＡＳより軽く（ＬＴＡ）、空中ＵＡＳより重く（ＨＴＡ）、全てが通常８ｋｍから５０ｋｍの間の高度で準定常で動作する、テザリングされたＵＡＳを含む高高度ＵＡＳプラットフォーム（ＨＡＰ）を包含する無人航空機システム（ＵＡＳ）である。

３ＧＰＰの示される目的は、ＮＴＮのサポートをＮＲに組み込むことである。従って、イリジウムのような既知の衛星通信技術が５ＧＣにアクセスすることを可能にするのは提案されていない。現在開発されているＮＲ規格に、必要な機能拡張を含めて、上記で説明された地球外車両における動作を可能にすることが提案されている。

この目的は、ＵＥとＮＴＮ基地局またはＮＴＮ送受信機との間の効率的な通信を可能にするのに必要な、広範な進歩をもたらす。３ＧＰＰは、２０１８年初期までＮＴＮの稼働の開始を延期することを決めた。

ＮＴＮ ＮＲ基地局または送受信機の配備モデルとして最も可能性の高いものは、準定常ＨＡＰおよびＬＥＯ衛星（ＬＥＯ）である。本発明は、ＬＥＯ、ＭＥＯおよびＨＥＯのＮＲへの組み込みを拡張する。

配備モデルは、３Ｇ以降の３ＧＰＰにより定義されるように、そのＮＴＮアクセスをモバイルネットワークオペレータ（ＭＮＯ）へ、共有無線ネットワークアクセスとして提供する衛星オペレータによりＬＥＯが動作されることであり得る。共有ＮＴＮ ＲＡＮは、ＭＮＯの地上ＲＡＮを補完するであろう。各衛星は、その現在のカバレッジエリアにおける共有ＲＡＮに寄与し、その結果、特定のＭＮＯにより使用される共有ＲＡＮは、複数の衛星が軌道を通してそれらの経路をたどるにつれ、動的に変化する衛星により提供され得る。

一般にＮＴＮ配備に関して、２つのアーキテクチャ的な選択肢が存在する。衛星は、全ての典型的な基地局情報と共に基地局を構成し得る。この配備において、基地局は、衛星リンクを介して地上局に接続され、地上局は、衛星を対応するそれぞれのコアネットワークに接続する。代替で、衛星は、ＵＥと、実際の基地局である地上局との間でデータをルーティングするリピータを実質的に構成する。この配備は、多くの場合、「曲がりパイプ」配備と呼ばれる。

本発明の場合、特に言及されていない限り、基地局を含む衛星を有するモデルを使用する。これは、読みやすくすることのみを目的とし、一般性のあらゆる損失をもたらすべきではない。本発明の概念は、曲がりパイプ配備についても同様に有効である。

ＮＲのための無線インタフェースは、ＵＥと基地局の間の最大距離が１００ｋｍ（通常は２０ｋｍ以下）である条件の下で動作するように設計されるであろう。これと対照的に、ＵＥから衛星への距離はＬＥＯ衛星において７８０ｋｍと２，０５０ｋｍの間であり、他の（より高い）軌道タイプの衛星においてはより一層大きい。これは、地球上通信と比較して、少なくとも、衛星通信における追加の信号トリップ時間に基づいて、いくらかの問題をもたらす。

ＬＴＥおよび新たな無線は、ランダムアクセスに関するスロットＡＬＯＨＡ原則を使用する。原則は、ランダムアクセスプリアンブルが、アクセススロットと呼ばれる時間的境界内で受信機に達することを必要とする。したがって、スロットＡＬＯＨＡ原則は、プリアンブルが異なる信号トリップ時間でＵＥから受信される状況で、実用的である。例えば、ＬＴＥの現在のランダムアクセス手順において受け入れ可能な、同じ基地局に接続された異なるＵＥの最大トリップ時間差は０．３５８ｍｓ（＝（１／２）＊プリアンブルフォーマット３のガード時間、３ＧＰＰ ＴＳ ３６．２１１； Ｅ−ＵＴＲＡ； Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈａｎｎｅｌｓ ａｎｄ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ， Ｔａｂｌｅ ５．７．１−１に説明）であり、これは約１１９ｋｍの最大セルサイズに関する。基地局から１１９ｋｍより近いＵＥによって同時に伝送されるランダムアクセスプリアンブルは、同じアクセススロットの境界内の基地局にいつも達するであろう。したがって、ガード時間はそれらのアクセススロットに含まれ、すなわち、アクセススロットはおよそ、プリアンブル長さにサイクリックプレフィックスを加えたものより長いガード時間である。ランダムアクセスプリアンブルのためのタイミングは、第１アクセススロットＡＳ＃１が始まるときの基地局における時間をＴ_０として、図７に示される。ＵＥと基地局の距離のおかげで、ＵＥにおいて認識される開始時間は、およそ、関連するトリップ時間だけ後になる（ＵＥ２に関してｔ_{ｔｒｉｐ２}として示される）。ＵＥ２は、ランダムアクセスプリアンブルＰ２の伝送のためにＡＳ＃１を選択した。プリアンブルは、Ｔ_０からおよそ２＊ｔ_{ｔｒｉｐ２}後に受信される。この例において、ＵＥ２はｅＮＢへの最大可能距離、すなわち、ｔ_{ｔｒｉｐ２}＝（１／２）ＧＴ（ガード時間）をとる。したがって、Ｐ２の終端はＡＳ＃１の終端において受信され、それはｅＮＢにおける成功した受信をもたらす。ＵＥ１は、ｅＮＢにより近く、プリアンブルＰ１を伝送するためにＡＳ＃２を選択したが、それはｅＮＢによってＡＳ＃２の境界内で受信される。また、この伝送は成功した。

リプライメッセージに関する対処が受信タイミングに基づく、すなわち、ＵＥはこのプリアンブルの伝送の後のある時間、それらの送信プリアンブルへの応答を待っているので、アクセススロット境界内のプリアンブル受信は重要である。さらに、隣接するアクセススロットにおいて送信される同じプリアンブルとの衝突を回避すべく、アクセススロット内でのプリアンブルの受信は重要である。

ＬＴＥの現在の構成が衛星リンクに適用される場合、ＬＴＥ仕様に従ってＵＥによって伝送されるランダムアクセスプリアンブルは、選択されたアクセススロットの境界内で受信されないであろう。したがって、プリアンブル送信のために使用されるアクセススロットと、プリアンブル受信のアクセススロットとの間に信頼できる関係がないので、応答メッセージの対処は失敗する。衛星リンクプロパティへのＮＲランダムアクセス構成パラメータの適応なしに、ランダムアクセスは全く可能ではないであろう。

図８において、衛星接続にわたってＬＴＥランダムアクセス構成が使用される場合における、ランダムアクセスのタイミングが示される。ＵＥ２のトリップ時間は、ガード時間の半分よりはるかに大きい。したがって、ＡＳ＃１を意図したＰ１は、ＡＳ＃１の境界をはるかに超えて受信される。加えて、ＡＳ＃２を意図したＰ２は、衝突をもたらすＰ１と同時に受信される。

明らかな解決手段は、ガードインターバルを、同じ衛星に接続される異なるＵＥの最大トリップ時間差が十分になるように拡張することである。この値は１４．３２ｍｓと計算された（すなわち、衛星リンクの距離の差は、地球上リンクより約２０倍大きい。この倍率はガード期間に適用されるべきである）。そのような長いガード期間は、受け入れがたいほど低いＲＡＣＨ容量という結果につながり、したがって、この構成は、所与のシナリオへの初期のアクセスを提供することができない。より長いプリアンブルを使用することによって、容量は増加し得る。しかしこれは、基地局の必要とされる処理能力を増加させ、ランダムアクセス手順に追加のレイテンシを加えるであろう。

より便利な解決手段が、米国特許出願公開第２０１６／０１７３１８８Ａ１で説明される。そこで説明される概念は、受信機における所与の時間グリッドとほとんど同期して、衛星における受信時間をもたらす方法における、プリアンブル送信時間を選択することである。この同期性は、ＵＥから衛星への距離とは独立している。または、換言すれば、伝送遅延は、以前の伝送遅延とほぼ近い伝送タイミングを使用することによって補償される。提案される解決手段の問題は、現在のトリップ時間を取得することによってＵＥをサポートする、参照ＵＥが必要とされることである。そのような参照ＵＥなしで、解決手段は使用できないであろう。説明されたように、ＵＥは受信された信号からトリップ時間を決定しない。むしろ、トリップ時間を計算するために地理的情報が使用される。

より長いトリップ時間によってもたらされるプリアンブル受信の問題から外れると、ランダムアクセス応答の受信もまた影響される。ＬＴＥに関して、応答ウインドウ間隔はネットワークによって準静的に構成される。値は、関連するセルにおける全てのＵＥに共通である。間隔継続時間は、ＵＥ−基地局トリップ時間に、基地局のためのいくらかの処理時間を加えたものに依存する。これは２から１０ｍｓの間に設定可能である。より長い値は、より長いトリップ時間に適し、基地局が、この時間スパン内で個々に応答時間を選択することを可能にするが、他方で、長い応答ウインドウが、ランダムアクセス手順において、より大きい遅延をもたらす。

この概念が衛星リンクに適用されるとき、最短の間隔が、最大の期待されるラウンドトリップ時間に対応しなければならない。これは、ＬＥＯ衛星の場合において１４ｍｓであろう。衛星に近いＵＥにおいては、はるかに短い間隔で十分であり、ＬＥＯ衛星では例えば６ｍｓであろう。しかし、共通配置のおかげで、これらのＵＥはまた、より長い間隔を使用しなければならない。したがって、ランダムアクセスに関する遅延は最適に構成され得ない。

本発明は、少なくとも１つの地球外伝送局を有する通信システムにおけるランダムアクセス試行を、ＵＥデバイスによって実行する方法を提供し、方法は、地球外伝送局によって伝送される基準信号を受信する段階と、基準信号を受信する段階から、ＵＥデバイスと地球外伝送局との間のトリップ時間を決定する段階と、トリップ時間を使用してランダムアクセス試行を制御する段階と、を備える。

本発明の一態様は、衛星によって伝送される基準信号の測定から信号トリップ時間を取得する方法である。このトリップ時間は、まずランダムアクセスプリアンブルのトリップ時間を補償するように使用され、ほとんど同期した受信タイミングが衛星において取得され、地球上通信において典型的な小さいガードインターバルが、異なるアクセススロットにおいて、衛星からの距離が異なるＵＥによって送信されたプリアンブルの衝突を回避するのに十分である。

第２に、トリップ時間は、衛星において受信に成功したランダムアクセスプリアンブルへの予想される応答の時間間隔を決定するように使用され得る。この間隔はＵＥに固有であり、現在のトリップ時間に関して、ＵＥによって個々に導出される。

第３に、２つのランダムアクセス方法のうちの１つは、タイミングが十分な質での測定に基づいて決定され得るかどうかに基づいて選択され、第４に、応答の時間間隔を導出する方法は、選択されたランダムアクセス方法に基づき得る。

ＵＥは、以下を実行することが可能とされ得る。
ＵＥから衛星への信号トリップ時間が、以下の基準信号測定値によって取得される。
参考信号電力。
一定期間の２以上の連続的な参考信号電力測定値の差。
受信された基準信号のドップラー周波数。
一定期間の２以上の連続的なドップラー周波数測定値の差。
上記の２以上の測定値の任意の組み合わせ。

ダウンリンク基準信号を使用することは、アイドルモードにあるＵＥが、予め利用可能な信号から、すなわち、いかなる新たな信号についてダウンリンク信号を拡張する必要なしで、必要とされるトリップ時間を導出することを可能にするので、有益である。将来のＵＥから衛星への信号トリップ時間は、直近に取得された、または確認された信号トリップ時間、および予め設定された関数を用いた計算によって取得され得る。これは、対応する関数が既知であるならば初期決定を超える測定の必要がないので、有益である。これは時間および電池のリソースを節約する。

取得されたトリップ時間は、受信機のアクセススロット境界より、およそトリップ時間だけ以前の時間にプリアンブルを伝送するように、ＵＥによって使用され得る。換言すれば、ＵＥによって認識されるタイミングに従って選択されたアクセススロットが、ＵＥによって選択されたプリアンブル送信時間よりもトリップ時間の２倍だけ後に始まる。本明細書で認識される意味で、アクセススロット境界は、時間訂正なしでダウンリンク信号からＵＥによって取得され、したがって、ダウンリンクトリップ時間に影響される。

このトリップ時間補償を、ＵＥから衛星へのリンクのような長い範囲のリンクに適用することは、地球上通信に関するランダムアクセス手順が、能力の劣化なしで再使用され得るので、有益である。

決定されるトリップ時間は、さらに、衛星からの応答が予想される最中の応答時間間隔を導出するように使用され得る。ＵＥの受信機は、導出される時間間隔における対応する応答を受信するように構成され得、そのような応答が受信されない場合、直近のプリアンブル送信は成功しなかったとみなされ、すなわち、新たなランダムアクセス試行が開始されるか、または、ランダムアクセスがある時間間隔だけ遅延するかのいずれかである。導出は、推定されるトリップ時間に、衛星におけるランダムアクセスプリアンブルを処理するための予め定められた時間を加えたものに基づき得る。この変動し得る間隔は、例えばＬＴＥにおける使用のとき、準持続的に構成される間隔と比較されるレイテンシを減少させるので、有利である。

測定値の質の推定は、実行された測定値に基づいて決定され得、ランダムアクセス方法が、決定された測定値の質に基づいて選択される。

応答時間間隔は、選択されたランダムアクセス方法に基づいて決定され得る。

さらに、リンクを提供された衛星の基地局は、以下を実行することを可能とされる。
ランダムアクセスリソースの２つの独立した複数のセットを構成することであって、第１のセットはスロットＡＬＯＨＡベースのランダムアクセスに関し、第２セットは非同期ランダムアクセスに関する。
ＵＥによって選択されたランダムアクセスリソースに基づいて、使用されるランダムアクセスモードを検出する。
時間遅延Ｔ_{ｄｅｌａｙ}を選択することであり、時間遅延は、ランダムアクセス応答時間間隔の始まりを示し、ＵＥにこのパラメータを伝送するように、非同期ランダムアクセスモードにおいて使用される。

よりさらに、通信ネットワークのエンティティは、以下を実行することを可能にし得る。
衛星のフライトオーバー期間の異なる位相時間に関する、ＲＳＳよびドップラー周波数の予想された値が、ＵＥに伝送される。
トリップ時間を導出する方法を信頼性のないものとみなすようにＵＥによって使用される閾値が、ＵＥに伝送される。

ここで、本発明の好ましい実施形態が、添付の図面を参照して、単に例として説明される。
衛星ベースの通信システムにおける、異なったＵＥから衛星への距離を示す。 例示的な複数軌道の衛星システムを示す。 時間および軌道面との距離に関する、受信された信号強度の変動を示す。 時間および衛星の軌道面との距離に関する、ドップラーシフトの変動を示す。 衛星の軌道面上における衛星からＵＥの投射点への距離の、時間による例示的な変動を示す。 発明を実行するための相対的な距離を示す。 地球上通信システムにおける、２つのＵＥによるランダムアクセスプリアンブルの伝送を示す。 従来の方式における、衛星ベースの通信システムにおける２つのＵＥによるランダムアクセスプリアンブルの伝送を示す。 トリップ時間補償が本発明の態様に従って適用される場合の、ランダムアクセス試行のタイミングを例として示す。

図９は、トリップ時間補償が本発明の態様に従って適用される場合の、ランダムアクセス試行のタイミングを例として示す。ＵＥ２のプリアンブル送信時間Ｔ_ＴＸ，２の始まりは、選択されたアクセススロットがトリップ時間の２倍だけ後に（Ｔ_０，２に）始まるように選択される。すなわち、ＵＥ２が送信時間を以下のように選択する。
Ｔ_ＴＸ，２＝Ｔ_０，２−２×ｔ_{ｔｒｉｐ２}（１）
ここで、
ｔ_{ｔｒｉｐ２}は、ＵＥ２から衛星に伝送された信号のトリップ時間である。

したがって、ランダムアクセス試行の衛星における受信は、所与のアクセススロット境界内で発生する。小さいガード時間のみが、測定エラーの補償のために必要とされる。

図１は、ＬＥＯ衛星に基づく例示的な無線アクセスネットワーク１０を示す。図は、２つの衛星（ＳＡＴ_ｎ，ｍおよびＳＡＴ_{ｎ，ｍ＋１}）を示し、ここで添え字ｍは、同一軌道（Ｏｒｂｉｔ ｎ）上の衛星、および２つのＵＥ（ＵＥ１およびＵＥ２）を反復する。例示的に、ＬＥＯ衛星の２つの典型的な距離は、図１で参照される：地上の衛星の高さ（７８１ｋｍ）、および、水平線から通常およそ１０度の地上ベースの点により可視になる衛星の典型的な距離（２０５０ｋｍ）。この例において、ＵＥ１はＳＡＴ_ｎ，ｍから２０５０ｋｍの距離に配置され、ＵＥ２の距離は７８１ｋｍである。

例において、衛星が水平線に現れてから反対側で同じ衛星が消えるまでの時間は、９分である。地上ベースのＵＥと衛星との間の距離は、実質的に予測可能な方式で、この９分内に大幅に変化することが、したがって経路損失とレイテンシもまた大幅に変化することが、図１から明らかである。

図２は、２つの軌道（Ｏｒｂｉｔ ｎおよびＯｒｂｉｔ ｎ＋１）を有する同様の例示的な設定を示し、ここで、添え字ｎは、衛星無線アクセスネットワークが含み得る全て（通常は６つ）の軌道を反復する。各軌道上で、２つの衛星のみが示され（それぞれ添え字ｍおよびｍ＋１）、ここで、通常１１の衛星が全体３６０度に示される。隣接軌道上の最も近い衛星は、１つの軌道上の衛星距離の半分だけオフセットされ得、その結果、軌道面間の点において地上に存在するＵＥが、交互軌道の衛星によりサービスを提供され得る。

図１および図２の設定は、現在配備されているＬＥＯ衛星ベースシステムと同様の例である。本発明は、異なる数の衛星、異なる数の軌道、異なる軌道の傾斜、異なる高さおよび衛星速度などを有する他の設定に対しても有効である。

図３は、軌道面から異なる距離に示される衛星の単一の飛行の間（９分）の、秒の時間に対するｄＢｍ単位の、予想される受信信号強度（ＲＳＳ）の例を示す図を示す。示された時間は位相時間ｔ_Ｐであり、衛星が地上ベースのＵＥによって可視となるとき、それは"０"であり、それは、衛星が水平線からおよそ１０°上に現れるときと仮定される。衛星が消えたとき、すなわち、水平線から１０°上よりも下にあるとき、位相時間は５４０秒である。図は、図１およびＲＳＳ（Ｐ_ＲＳＳ）に関する以下の式に従ってジオメトリを仮定する。
Ｐ_ＲＳＳ＝Ｐ_０−１０＊ｎ＊ｌｏｇ_１０（ｒ／Ｒ） （２）
ここで、
ｒは、図１におけるジオメトリに従う、現在のＵＥから衛星への距離である。
Ｒ＝２０５０ｋｍは、維持される通信リンクを有する最大のＵＥ−衛星距離である。
ｎ＝３は経路損失指数（ｎ＝２は視野の真空ライン）、ｎ＝４は典型的な都市環境である。 Ｐ_０は典型的なＵＥによって検出可能な最小のＲＳＳであり、本明細書では−１１３ｄＢｍに設定される。

本発明を通じて使用されるＬＥＯ衛星の例において、図４は、正確に衛星の軌道面上の地上ベースのＵＥの上空飛行の期間に関する（実線）、および、衛星の軌道面から１０００ｋｍ離れたＵＥに関する（破線）、ｋＨｚ単位のドップラー周波数ｆ_{Ｄｏｐｐｌｅｒ}を示す。ドップラー周波数は、３ＧＨｚの搬送波周波数で示されるが、他の搬送波周波数が、図４に関する線形変動を示すであろう。明らかに、この例におけるドップラー周波数は、上空飛行の期間の開始と終了においてそれぞれ正反対の符号を有する、およそ１３０ｋＨｚの最大値を有する。ＵＥと衛星の間の急な角度の位相において（すなわち、衛星はＵＥの天頂にある）、ドップラー周波数は素早く＋６０ｋＨｚから−６０ｋＨｚに低下する。

基準信号の測定値からトリップ時間の推定値を取得することが可能であり、それは、予想値と比較することができる。初期トリップ時間を取得する原則は、衛星によって伝送された基準信号の１または複数の測定を実行することと、それらの測定値を、以前にＵＥに格納された既知の予想値と比較することである。比較は、最適に合致する曲線を送出し、したがって、軌道面までのＵＥの距離の推定値、すなわち軌道面（図６参照）、Ｄ_Ｕ−ＰＰおよび現在の位相時間Ｔ_ＰにおけるＵＥの投射点までの距離の推定値を送出する。これらの値から、トリップ時間が導出される。これがどのように行われるかについての詳細は、以下に説明される。

本発明の第１の態様において、推定は複数の衛星からのＲＳＳ測定値、および、測定された衛星の相対的な位置のいくらかの知識に基づく。衛星は、例えば、それらのシステム情報における識別情報をブロードキャストし得、システム情報は、軌道上の衛星の順序の表示（図２における添え字ｍ）を提供し、および／または、それぞれの衛星が所属する軌道（図２における添え字ｎ）を提供する。上空飛行の期間の１．５倍（または、我々のＬＥＯ衛星の例においては４．５分）、または任意の他の比でシフトした異なる軌道にあることが知られている異なる衛星の、明らかに異なるダウンリンク信号に関して、ＵＥによって実行される２つの測定値の比較は、そして、いずれかの衛星の位置の良好な推定値をもたらす。もちろん、現実の測定値は、上で説明された推定のものよりも正確な時間値、例えば秒またはその割合をもたらし得る。

上記の第１の態様は、ある時間的距離の２以上の連続する測定値のＲＳＳ差を測定することによって拡張され得る。ＲＳＳが増加する衛星は、その飛行の前半において予想されることができ、減少するＲＳＳは、後半に指摘され得る。より正確には、正確な差は絶対値と共に、位相時間と軌道面距離との正確な推定値に寄与する。

本発明の第２の態様において、推定はドップラー周波数の測定値に基づく。すなわち、受信信号と伝送信号との間の周波数変動の測定値は、衛星とＵＥとの相対的速度によってもたらされる。

ドップラー周波数の使用は、高速のフェージングおよびスカッタリングのような環境の影響に対する耐性があるので、有益である。ドップラー周波数測定値の使用は、位相時間の良好な表示であり、したがって、ＵＥと衛星の相対的な位置の良好な表示である。ドップラー周波数差を導出するように、複数のドップラー周波数測定値を使用することは、位置推定の精度さえも向上させるであろう。

ＲＳＳおよびドップラー周波数を使用する、上記の第１および第２の態様の、２つの説明された方法を組み合わせることは、さらに精度を向上させ得る。組み合わせの１つの方式は、まず、ドップラー周波数ｆ_{ｄｏｐｐｌｅｒ}の２以上の連続する測定値を作成し、その傾きΔｆ_{ｄｏｐｐｌｅｒ}の割合を計算し、同時に、ＲＳＳの２以上の連続する測定値を作成する。そして、ｆ_{ｄｏｐｐｌｅｒ}およびΔｆ_{ｄｏｐｐｌｅｒ}の値は、異なる軌道面距離に関する予想されたドップラー周波数の曲線と比較される。測定された傾きに対して最小の変動を有する曲線が選択され、現在の位相時間Ｔ_Ｐが、選択された曲線と、測定された値ｆ_{ｄｏｐｐｌｅｒ}との交点から取得される。

例として、測定された値ｆ_{ｄｏｐｐｌｅｒ}＝１００ｋＨｚおよび、関連するΔｆ_{ｄｏｐｐｌｅｒ}（円を通る直線の実線として示される）が図４に示される（円として示される）。８００ｋｍ軌道面距離に関する曲線は、測定されたΔｆ_{ｄｏｐｐｌｅｒ}に良好に合致することが、わかるであろう。関連する位相時間はＴ_Ｐ１＝１１０ｓである。

次の段階において、平均値ＲＳＳ_ａｖｇが、複数の測定されたＲＳＳ値から導出される。そして、ＲＳＳ_ａｖｇは、導出された位相時間Ｔ_Ｐ１＝１１０ｓにおける異なる軌道面距離に関して予想されるＲＳＳの曲線と比較される。これは、この例においてＲＳＳ_ａｖｇ＝−１１１ｄＢｍが仮定されるとして、図３に示される。値は、８００ｋｍと１２００ｋｍの軌道面距離の曲線の間にある。したがって、現在の軌道面距離Ｄ_Ｕ−ＰＰは、１０００ｋｍとしての線形内挿によって導出される。

ひとたび位相時間および軌道面への距離が導出されると、ＵＥから衛星への距離Ｄ_Ｕ−Ｓ、および、したがってトリップ時間が計算され得る。

ＵＥから衛星への距離は、以下のように計算され得る。

ここで、
Ｄ_Ｕ−Ｓ： ＵＥから衛星への距離
Ｄ_Ｓ−ＰＰ： 衛星から軌道面上のＵＥの投射点への距離
Ｄ_Ｕ−ＰＰ： ＵＥから軌道面上のＵＥの投射点への距離
Ｄ_Ｕ−ＰＰに関する値は上に説明されるようにＵＥによって導出され、値Ｄ_Ｓ−ＰＰは位相時間および衛星の配置を使用した計算から導出される。ＬＥＯ衛星に関するＤ_Ｓ−ＰＰのコースは、図５に示される。ＵＥが、計算式および必要とされるパラメータ（軌道周期、軌道高度、軌道あたりの衛星の数など）によって予め設定されるか、複数の位相時間に関するＤ_Ｓ−ＰＰの相対的な値が予め設定されるかのいずれかである。

トリップ時間は以下のように計算される。

ここで、
ｔ_ｔｒｉｐ： ＵＥから衛星へ伝送される信号のトリップ時間
Ｄ_Ｕ−Ｓ： ＵＥから衛星への距離
Ｃ_ｌ： 光の真空中での速さであり２９９，７９２，４５８ｍ／ｓに等しい

信頼できるトリップ時間がＵＥによって導出され得ない状況が、あり得る。この場合、ＵＥは、以下に説明されるように、そのような状況を検出し、異なるランダムアクセス手順を実行するであろう。

ＵＥは、初期トリップ時間を導出した後、将来における任意の時間インスタンスのトリップ時間を容易に導出することができる。したがって、ＵＥは直近導出されたトリップ時間ｔ_{ｔｒｉｐ，ｌａｔｅｓｔ}、タイムスタンプＴ_{ｌａｔｅｓｔ}、軌道面への直近の距離Ｄ_Ｕ−ＰＰ、および現在の軌道の値ｎを格納し、ここでトリップ時間は有効である。値ｎは、例えば衛星自身から導出される。

将来のトリップ時間の計算に関して、関連する将来の位相時間が必要とされる。したがって、ＵＥはまず、直近の時間インスタンスから将来の時間インスタンスに向けての時間差を計算し、直近の位相時間Ｔ_{Ｐ，ｌａｔｅｓｔ}を追加する。そして、ユークリッド除法（また、モジュラー演算として知られる）の余りは、ｍｏｄΔＴ_Ｓａｔ、すなわち、イリジウム衛星の場合において５４０秒である同一軌道からの２つの連続する衛星の時間距離によって計算される。
Ｔ_{Ｐ，ｎｅｗ}＝（Ｔ_{ｆｕｔｕｒｅ}−Ｔ_{ｌａｔｅｓｔ}＋Ｔ_{Ｐ．ｌａｔｅｓｔ}＋Ｔ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}）ｍｏｄΔＴ_Ｓａｔ （５）

値Ｔ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}は、異なる軌道からの衛星の異なるタイミングを考慮するように使用される。現在の衛星が、直近のトリップ時間導出のために使用される衛星と同一軌道にある場合、Ｔ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}＝０である。新たな衛星が、隣接する軌道（ｎ＋１またはｎ−１）上にあり、隣接する軌道が上空飛行の期間の半分シフトしている場合、それは（１／２）ΔＴ_Ｓａｔであり、一般に以下のようになる。
Ｔ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}＝Ｔ_{ｓｈｉｆｔ}×（ｎ_{ｌａｔｅｓｔ}−ｎ_ｎｅｗ）ΔＴ_Ｓａｔ （６）
ここで
Ｔ_{ｓｈｉｆｔ}：ＵＥによって認識される隣接する軌道からのｍ衛星の時間的なオフセット
ｎ_{ｌａｔｅｓｔ}：直近のトリップ時間がＵＥにおいて格納された衛星の軌道番号
ｎ_ｎｅｗ：新たなトリップ時間が導出されるべき衛星の軌道番号

新たな位相時間および格納された直近の軌道面距離によって、上に説明されるように、ＵＥは新たなトリップ遅延を導出する。この計算は、直近のトリップ時間推定以来のＵＥの移動が小さい限りにおいて、有用な結果をもたらす。または、より正確には、直近のトリップ時間と、ＵＥの移動の結果で新たに導出されたトリップ時間との差は、プリアンブルガード時間より小さい。これは、たいていの場合に有効である。例えば、０．６８４ｍｓのガードインターバルが構成される場合、計算されるトリップ時間は、少なくとも４００ｋｍまでの水平移動に使用可能である。

誤った伝送タイミングでのプリアンブル送信は、プリアンブル衝突をもたらすことがある。無効なトリップ時間による伝送を回避するように、ＵＥは、将来のトリップ時間の計算が信頼できるかどうかを検出する手段を使用し得る。これは、例えば、直近のトリップ導出の最大年代、例えば１８分を定義することによって行われる。この最大年代の経過は、現在のトリップ時間を導出するために、上で説明された新たな測定値を必要とするであろう。

上で説明された方法は、ランダムアクセスのためにスロットＡＬＯＨＡ原則の使用を前提とする。なぜなら、３ＧＰＰネットワークへの衛星通信のためにもまた、最も使用されるであろうからである。アクセススロット境界内での正しい受信タイミングが所与のＵＥによって保証され得ない場合、成功するランダムアクセス試行の数は関連するセルにおける全てのＵＥで減少するか、ランダムアクセスが全く可能ではなくなるであろう。

したがって、トリップ時間が信頼的に導出できない状況を検出することが本発明の一態様である。例えば、ＲＳＳが、衛星に接続するためには十分であるが、ランダムアクセスプリアンブルの伝送の前にトリップ時間を導出するためには過度に低いという、とても低い値である場合に、このようなことがありえる。ＵＥは、例えば、現在測定されるＲＳＳを設定可能閾値と比較することによって、この状況を検出し得る。ＲＳＳがこの閾値よりも下の場合、トリップ時間はＵＥによって導出されないであろう。ＵＥの代わりに、異なるタイプのランダムアクセス手順が使用され、それはスロットＡＬＯＨＡ原則に基づかず、プリアンブルがアクセススロット境界内で受信されることを必要としない。すなわち、トリップ時間についてのタイミング訂正が必要とされない。純ＡＬＯＨＡは、使用可能な原則である。スロットＡＬＯＨＡと比較すると、純ＡＬＯＨＡのスループットはより低いが、プリアンブルがアクセススロット境界と任意でオーバーラップするスロットＡＬＯＨＡを使用するよりはなお良好である。したがって、アクセススロット境界内でのプリアンブル受信が保証されるであろう場合は、スロットＡＬＯＨＡを使用することが有益であり、同期受信の信頼性が過度に低い場合は、純ＡＬＯＨＡの使用が有益である。

異なるタイプのランダムアクセスを同時に適用するとき、ランダムアクセスプリアンブルの受信機（すなわち、衛星または地上の基地局）が、どのタイプのランダムアクセスがＵＥによって適用されるかを知っていることが重要である。したがって、第１の提案は、２つの異なるセットのランダムアクセスプリアンブルを使用することである。第１のセットはスロットＡＬＯＨＡモードのために使用され、第２のセットは非同期モード（例えば、純ＡＬＯＨＡ）のために使用される。第２のセットは、予め指定されたプリアンブルを２つのグループに分けることによって、または、第２のグループに関する新たなプリアンブルを定義することによってのいずれかで導出される。ＵＥは、関連するプリアンブル設定からプリアンブルを選択することによって、使用されるランダムアクセスタイプを容易に示し得る。代替の第２の提案は、２つの異なるランダムアクセス手法、例えば、スロットＡＬＯＨＡと非スロットＡＬＯＨＡの異なるサブキャリアのために、時間周波数領域における分離したリソースを割り当てることである。

上で説明したように、ランダムアクセス応答間隔のための共通配置の使用は、ランダムアクセス手順の不要な長い遅延をもたらすであろう。したがって、本発明は、現在のトリップ時間から各ＵＥに個々に、応答間隔を導出することを提案する。加えて、基地局からのセル特有の構成が考慮される。スロットＡＬＯＨＡモードＴ_{ＲＡＲ，ｓｔａｒｔ，ｓｌｏｔｔｅｄ}における応答間隔の開始は、関連するプリアンブルの伝送が終わった後のトリップ時間の２倍と計算される。
Ｔ_{ＲＡＲ，ｓｔａｒｔ，ｓｌｏｔｔｅｄ}＝Ｔ_ＴＸ＋２×ｔ_ｔｒｉｐ＋Ｔ_{Ｐｒｅａｍｂｌｅ} （７）
ここで
Ｔ_ＴＸは、関連するプリアンブルの伝送が始まった時間である。
Ｔ_{Ｐｒｅａｍｂｌｅ}は、関連するプリアンブルの継続時間である。

応答間隔の継続時間は、そして、基地局によって以前に伝送された構成パラメータから取得される。

信頼できるトリップ時間が利用可能でなく、したがってＵＥが非同期ランダムアクセスモードを選択した場合、応答間隔Ｔ_{ＲＡＲ，ｓｔａｒｔ，ｕｎｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｅｄ}の開始が、基地局によって伝送されたパラメータＴ_{ＲＡＲ，ｄｅｌａｙ}から計算される。
Ｔ_{ＲＡＲ，ｓｔａｒｔ，ｕｎｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｅｄ}＝Ｔ_ＴＸ＋Ｔ_{ｄｅｌａｙ}＋Ｔ_{Ｐｒｅａｍｂｌｅ} （８）
ここで
Ｔ_{ｄｅｌａｙ}：ランダムアクセスプリアンブルの伝送と、ランダムアクセス応答ウインドウの開始との間の時間オフセットである。この値は、ＵＥへの基地局によって伝送される。それは、ＵＥから衛星への最大トリップ時間、例えばＬＥＯ衛星の場合には１４ｍｓの、少なくとも２倍であるように、基地局によって選択される。

またこの場合、応答間隔の継続時間は、基地局によって以前に伝送された構成パラメータから取得される。

以下の例において、ＬＴＥ規格に従う無線インタフェースが前提とされる。この前提は、本発明を限定するものと理解されるべきではない。発明はまた、３ＧＰＰで指定された５Ｇのような将来のモバイル通信規格にも適用可能である。

本発明の主要態様に従って、ＵＥ１が、通信に現在使用される衛星に向けて現在の信号トリップ時間を導出するように構成される。ＵＥ１は、衛星Ｓａｔ_ｎ，ｍ（図１参照）のカバレッジエリア内に配置される。それはアクティブ接続を有さない。すなわち、それはアイドルモードにある。ＵＥは、衛星に向かう接続のためにランダムアクセス手順を実行するように構成される。それは、いくつかの位相時間およびいくつかの軌道面距離に関して、予想されるＲＳＳおよびドップラー周波数に関する値を格納した。さらに、それは、信頼性のない測定値の検出および格納されたトリップ時間の無効性の検出のための閾値で構成される。

段階１
ＵＥ１はスイッチをオンにされ、セル探索過程を実行する。それは、ネットワークへの接続のためにＳＡＴ_ｎ，ｍを選択する。衛星によって伝送される、受信された信号から、ＵＥは、リンクが衛星によって提供される旨の情報を取得する。さらにＵＥは、ブロードキャストされたシステム情報からランダムアクセス構成を導出した。ＬＴＥに予め指定されたパラメータに加えて、衛星は、非同期ランダムアクセスのために使用されるランダムアクセスプリアンブルの第２のセットを規定するパラメータを伝送する。

段階２
ＵＥ１は、Ｓａｔ_ｎ，ｍへのランダムアクセスを実行したい。リンクが衛星を介して提供されるので、ＵＥはプリアンブル送信の前にトリップ時間を導出するであろう。この例において、格納されたトリップ時間の、利用可能な値はない。したがって、ＵＥはトリップ時間を取得するように、上で説明された測定を始める。

段階３
ＵＥは、スロットＡＬＯＨＡモードのそれぞれのセットから、ランダムアクセスプリアンブルおよびアクセススロットを選択する。ＵＥは式１を使用して送信時間を計算する。

段階４
ＵＥは、ランダムアクセスプリアンブルを伝送して応答をリッスンする。ＵＥがスロットＡＬＯＨＡモードを選択したとき、ＵＥは上で説明されたようにランダムアクセス応答間隔Ｔ_{ＲＡＲ，ｓｔａｒｔ，ｓｌｏｔｔｅｄ}の始まりを計算し、すなわち、現在のトリップ時間を考慮する。間隔の継続時間は、基地局によって以前に伝送された構成パラメータから導出される。

段階５
衛星はプリアンブルを受信する。衛星はアクセススロット境界から受信時間の時間オフセットを計算し、タイミングアドバンス（ＴＡ）値を計算する。この挙動は、地球上の基地局と同様である。衛星は、ＴＡ値を含むランダムアクセス応答メッセージをＵＥに戻すように送信する。

段階６
ＵＥは計算された時間ウインドウ内で応答を受信し、ＴＡ値を次の伝送に適用する。さらに、ＵＥは、直近のトリップ時間値を、受信されたＴＡ値で訂正し、タイムスタンプを含む訂正された値を格納する。

段階７
ここで、ＵＥは通常はＬＴＥに関するランダムアクセスを完了させる。

以下の段階は、将来のトリップ時間計算のために使用され得る。

段階１'
ＵＥ１はアイドルモードにあり、ＳＡＴ_{ｎ，ｍ＋１}がランダムアクセスのために使用されるであろう。ＵＥは、例えばＴｒａｃｋｉｎｇ Ａｒｅａ Ｕｐｄａｔｅ（ＴＡＵ）を伝送すべく、ここでランダムアクセスを実行したい。

段階２'
これが衛星接続であるので、ＵＥはプリアンブル送信の前にトリップ時間を導出するであろう。ＵＥは直近に格納された値を使用し、上で説明されたように現在のトリップ時間を導出する。

段階３'
ＵＥはランダムアクセスを実行し、上のメッセージフローにおいて説明された段階４を処理し、段階５−７が続く。

以下の段階は非同期ランダムアクセスのために使用され得る。

段階１''
ＵＥ１はアイドルモードにあり、ＳＡＴ_{ｎ，ｍ＋１}がランダムアクセスのために使用されるであろう。ＵＥは、ここでランダムアクセスを実行したい。

段階２''
これが衛星接続であるので、ＵＥはプリアンブル送信の前にトリップ時間を導出するであろう。この例において、格納されたトリップ時間の、利用可能な値はない。したがって、ＵＥはトリップ時間を取得するように、上で説明された測定を始める。ＵＥは、例えば、測定されたＲＳＳが構成された閾値よりも下であるので、トリップ時間の測定が信頼性のある計算に適していないことを検出する。

段階３''
ＵＥは、非同期ランダムアクセスモードを選択し、このモードに関して構成されたプリアンブルおよびアクセススロットを選択する。

段階４''
ＵＥは、ランダムアクセスプリアンブルを伝送して応答をリッスンする。ＵＥが非同期ランダムアクセスモードを選択したとき、ＵＥは上で説明されたようにランダムアクセス応答間隔Ｔ_{ＲＡＲ，ｓｔａｒｔ，ｕｎｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｅｄ}の始まりを計算し、すなわち、以前に基地局によって構成されたパラメータＴ_{ｄｅｌａｙ}を考慮する。間隔の継続時間は、基地局によって以前に伝送された別のパラメータから導出される。

段階５''
衛星はプリアンブルを受信する。衛星は直近のアクセススロット境界から受信時間の時間オフセットを計算し、タイミングアドバンス（ＴＡ）値を計算する。衛星は、ＴＡ値およびアクセススロットの数を含むランダムアクセス応答メッセージをＵＥに戻すように送信する。プリアンブルの受信の後の、この伝送のタイミングは、ＵＥにおいて予め設定され、非同期ランダムアクセス方法に関して排他的に使用されるための固定値Ｔ_{ｄｅｌａｙ}である。

段階６''
ＵＥは計算された時間フレーム内で応答を受信し、ＴＡ値およびアクセススロット数に従って、次の伝送のタイミングを調整する。さらに、ＵＥは、受信時間からのトリップ時間および伝送時間を導出する。それは、値Ｔ_{ｄｅｌａｙ}について以下の式のように訂正されなければならない。
ｔ_ｔｒｉｐ＝（１／２）（Ｔ_ＲＸ−Ｔ_ＴＸ−Ｔ_{ｄｅｌａｙ}） （９）

信頼できるトリップ時間の有効性からの１つの結果として、少なくとも指定された時間の間、将来のランダムアクセス試行として、ＵＥはスロットランダムアクセス方法を使用し得る。

以下の段階は、無効となる、格納されたトリップ時間値を取り除くように使用され得る。

段階１＊
ＵＥはアイドルモードにあり、Ｓａｔ_{ｎ，ｍ＋１}がランダムアクセスのために使用されるであろう。ＵＥは、ここでランダムアクセスを実行したい。

段階２＊
これが衛星接続であるので、ＵＥはプリアンブル送信の前にトリップ時間を導出するであろう。ＵＥは、直近に格納された値を読み取り、この値の有効期限が徒過したこと、すなわち、タイムスタンプのおかげで値が現在の構成によって可能とされるものより古いことを検出する。

段階３＊ＵＥは格納された値を使用しないであろう。代わりに、ＵＥはそれらを削除し、上の段階１から７に説明された新たな測定値から、新たなトリップ時間値を導出するであろう。

Claims (9)

1. ユーザ機器（ＵＥ）デバイスによって、少なくとも１つの地球外伝送局を含む通信システムにおけるランダムアクセス試行を実行する方法であって、
   前記地球外伝送局によって伝送される基準信号を受信する段階と、
   前記ＵＥデバイスと前記地球外伝送局との間のトリップ時間を決定する段階と、
   前記トリップ時間を使用して前記ランダムアクセス試行を制御する段階と、を備え、
   前記トリップ時間は、前記受信された基準信号から決定される、
   方法。
2. 決定された前記トリップ時間は、前記ＵＥデバイスによるアクセス試行の伝送が、予め定められた時間フレーム内に地球外伝送局で受信されるように、前記アクセス試行の伝送のためのタイミングオフセットを決定するように使用される、請求項１に記載の方法。
3. 前記トリップ時間は、
   ｉ）受信された参考信号電力の測定値、
   ｉｉ）２以上の連続的な参考信号電力測定値の間の決定された差、
   ｉｉｉ）受信された基準信号のドップラー周波数シフトの決定、
   ｉｖ）２以上の連続的な基準信号ドップラーシフトの決定の間の決定された差、
   のうちの少なくとも１つによって決定される、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記ＵＥデバイスと、前記地球外伝送局と同一の、または異なる地球外伝送局との間の第２のトリップ時間が、前記通信システムにおける１または複数の地球外伝送局の相対的な移動に関連する、予め決定されたトリップ時間および情報を使用して推定される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記トリップ時間の決定の信頼性のある推定に依存して、１より多いランダムアクセス方法のうちのいずれが前記ランダムアクセス試行の伝送を使用すべきか、前記ＵＥデバイスが判断を行う、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記トリップ時間が、前記地球外伝送局からの応答を受信するための応答時間を決定するように使用される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記地球外伝送局が、低地球軌道における衛星である、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 基地局は２つのセットのランダムアクセスリソースを構成するように適合され、第１のセットのランダムアクセスリソースは、ユーザ機器デバイスによるスロットＡＬＯＨＡランダムアクセス試行を可能にし、第２のセットのランダムアクセスリソースは、ユーザ機器デバイスによる非同期ランダムアクセスを可能にする、衛星利用可能な通信システムの基地局。
9. 前記第１のセットのランダムアクセスリソースは、地球外伝送局への信頼できるトリップ時間を導出することが可能なユーザ機器デバイスによる使用のために提供され、前記第２のセットのランダムアクセスリソースは、前記地球外伝送局への信頼できるトリップ時間を導出することが可能でないユーザ機器デバイスによる使用のために提供される、請求項８に記載の通信システムの基地局。

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