JP3836135B2

JP3836135B2 - 衛星通信システムにおける地域的セル管理のための方法および装置

Info

Publication number: JP3836135B2
Application number: JP51527896A
Authority: JP
Inventors: アンドリューオールズ・キース; エドワードスパイサー・タッド; デイビッドテリス
Original assignee: モトローラ・インコーポレーテッド
Priority date: 1994-11-08
Filing date: 1995-08-25
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2015-08-25
Also published as: GB9707048D0; EP0806095A1; GB2308957A; DE19581822T1; GB2308957B; JPH10508732A; WO1996014696A1; AU3539495A; DE19581822B4

Description

発明の技術分野
本発明は一般的には複数のアンテナビーム内で放送を行ないかつ個々のビーム内に位置するユーザと通信するセルラ通信システムに関する。より特定的には、本発明は個々のアンテナビーム内のユーザに通信チャネルを割当てる衛星通信システムに関する。
発明の背景
セルラ通信システムにおいては、一般に該システムによって獲得要求（ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｒｅｑｕｅｓｔ）が受信された場合に通信チャネルが加入者ユニットに割当てられる。割当てられる通信チャネルは該加入者が位置する同じセルまたは地域において現在使用中の他の通信チャネルと干渉しないように選択される。割当てられる通信チャネルはまた近隣のセルにおいて現在使用中の他の通信チャネルと干渉しないように選択される。
予測されたトラフィック要求に基づき通信チャネルを割当てる従来技術の通信システムは予測される要求が非常に正確なものではないという問題を有する。これはチャネルの不適切な割当てを生じかつ効率が悪い。実時間チャネル割当てはシステム内の全てのチャネル割当ての完全な知識を最適に持つことを必要とする。伝搬遅延および限られたデータリンク容量のため、チャネル割当てのリアルタイムの知識は世界的通信システムにおいては実際的ではない。
衛星通信ステーションを含む世界的通信システムにおいては、チャネル配分および割当ての最適の手法は割当てられかつ現在使用中の全てのチャネルの包括的な知識を必要とする。包括的な知識の利点は衛星に関するチャネル割当ての間の間接的な相互作用が計画できこれは利用可能なチャネル資源の最大の利用を可能にする。たとえば、インドにわたり割当てられるチャネルは中央アジアおよび中東において割当てできるチャネルを制限することによりヨーロッパにわたり割当てるために利用できるチャネルに影響を与える。リアルタイムの知識は需要があるところに容量を配置することを可能にする。この手法の不都合は通信が大きな距離をカバーする場合にこの情報をリアルタイムで転送するための能力が制約されることである。包括的な知識の手法に対する他の不都合は絶えずチャネル割当て情報を転送するためにデータチャネルを大量に使用することである。
したがって、必要なことはシステムにおける全てのチャネル割当ての完全な知識なしにリアルタイムで通信チャネルを加入者ユニットに動的に割当てるための方法および装置である。また、上に述べた不都合を生じることなくリアルタイムの知識の効果を有する通信チャネルを割当てるための方法および装置も必要である。さらに、衛星を基礎としたあるいは衛星に基礎を置く（ｓａｔｅｌｉｔｅ−ｂａｓｅｄ）通信システムにおいて他の割当てられたチャネルとの干渉を避けることができるチャネル再使用機構を使用して加入者ユニットに通信チャネルを割当てる方法および装置も必要である。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明を実施することができる衛星を基礎とした通信システムの高度に単純化した説明図である。
図２は、本発明の好ましい実施形態において使用するのに適した衛星通信ステーションの単純化したブロック図である。
図３は、本発明の好ましい実施形態において使用するのに適したシステム制御ステーションおよび地上ステーションの単純化したブロック図を示す。
図４は、低高度地球軌道衛星の干渉の筋書きを示す。
図５は、本発明の好ましい実施形態において使用するのに適した衛星通信ステーションによって規定される連結した局部領域の単純化した例を示す。
図６は、本発明の好ましい実施形態において使用するのに適したチャネル割当て手順のフローチャートを示す。
図面の詳細な説明
本発明は、とりわけ、加入者ユニットに対しチャネルを適応的に割当てるための動的な、リアルタイムの方法および装置を提供する。衛星通信システムにおいては、通信チャネルは地域ごとに分けられたチャネル割当ておよび再使用機構を使用して実際の需要に基づきリアルタイムで動的に割当てられる。システム容量およびチャネル干渉または妨害の間のトレードオフは連結する局部的領域（ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｉｎｇｌｏｃａｌｒｅｇｉｏｎｓ）の使用によって最適化される。お互いの無線見通し線内の衛星通信ステーションが各々の局部的領域を形成するのが好ましい。局部的領域を構成する通信ステーションは通信ステーションが軌道位置を通って移動するに応じて変化する。チャネル再使用の規則はシステムの負荷およびサービスの需要に適応するようにされる。各通信ステーションはその局部的領域を確立しかつその局部的領域内の他の通信ステーションにそれがある加入者ユニットに通信チャネルを割当てる場合には通知を行なう。各局部的領域内のチャネル割当ては規定（ｄｅｆｉｎｉｎｇ）通信ステーションによって局部的に維持される。
「衛星（ｓａｔｅｌｌｉｔｅ）」はここでは地球を周回することを意図した人工の物体または車両を意味するものとして定義されかつ低高度軌道周回（ｌｏｗ−ｅａｒｔｈｏｒｂｉｔｉｎｇ：ＬＥＯ）衛星を含む静止および周回衛星の双方および／またはそれらの組合わせを含む。「衛星群（ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ）」はここでは地球の一部（単数または複数）または全ての特定のカバレージ（たとえば、無線通信、写真測量、その他）を提供するために軌道に配置された衛星の集団を意味するものとして定義される。衛星群は典型的には複数のリング（または面）の衛星を含みかつ各面において等しい数の衛星を含むものとすることができるが、これは必須のことではない。ここで使用されている用語「セル」および「アンテナビーム」はいずれか特定の発生モードに限定されることを意図したものではなくかつ地上または衛星セルラ通信システムおよび／またはそれらの組合わせによって生成されるものを含む。本発明は低高度地球軌道を有する衛星を含むシステムに適用可能である。さらに、それは任意の傾斜角度を有する軌道（たとえば、極、赤道または他の軌道パターン）に適用可能である。
図１は、本発明が実施できる衛星を基礎とした通信システム１０の高度に単純化した図を示す。通信システム１０は６つの極軌道１４を使用し、各軌道１４は１１個の衛星通信ステーション１２を保持し、合計６６個の衛星１２を有する。しかしながら、これは必須のことではなくかつより多くのまたはより少ない衛星、あるいはより多くのまたはより少ない軌道、を使用できる。本発明は大きな数の衛星が使用される場合に好適に使用することができるが、それはまたより小さな数の衛星に適用することもできる。明瞭化のため、図１は少しの衛星通信ステーション１２のみを示している。
たとえば、各軌道１４はおよそ７８０ｋｍの高度で地球を取り囲んでいるが、より高いまたはより低い軌道の高度も採用して有用である。例示的な衛星１２の比較的低い軌道のため、実質的に見通し線電磁波（例えば、無線、光、その他）のいずれか１つの衛星からの送信またはいずれか１つの衛星による信号の受信は任意の瞬間に地球の比較小さな領域を包含しまたはカバーする。
示された例に対しては、衛星１２はおよそ２５，０００ｋｍ／ｈｒで地球に対して進行し、衛星１２が地上ステーションにとってほぼ９分の最大期間の間見えることができるようにする。衛星通信ステーション１２は地上ステーションと通信し、地上ステーションはいくつかの数の無線通信加入者ユニット（ＳＵ）２６およびシステム制御セグメント（ＳＣＳ）２８に接続された地球ターミナル（ＥＴ）２４を含むことができる。ＥＴ２４はまたゲートウェイ（ＧＷ）２２に接続することができ、該ＧＷ２２は公衆交換電話ネットワーク（ＰＳＴＮ）または他の通信設備へのアクセスを提供する。図１では明瞭化のためおよび理解を容易にするためにＧＷ２２、ＳＣＳ２８およびＳＵ２６の各々の１つのみが示されている。ＥＴ２４はＳＣＳ２８またはＧＷ２２と一緒に配置しあるいは別個に配置することができる。ＳＣＳ２８に関連するＥＴ２４は衛星１２のトラッキングを記述するデータを受信しかつ制御情報のパケットを中継し、一方ＧＷ２２に関連するＥＴ２４はデータパケット（例えば、進行中の呼に関連する）を中継するのみである。
ＳＵ２６は地球の表面上または地球上の大気中の任意の場所に配置することができる。ＳＵ２６は好ましくは衛星１２にデータを送信しかつ衛星１２からデータを受信できる通信装置である。一例として、ＳＵ２６は衛星１２と通信するよう構成された手持ち型、携帯用セルラ電話とすることができる。通常、ＳＵ２６は通信システム１０のための何らかの制御機能を行なう必要はない。
通信システム１０は任意の数、潜在的には無数の、加入者ユニット２６を収容できる。本発明の好ましい実施形態においては、加入者ユニット２６は加入者リンク１６を介して近隣の衛星１２と通信する。リンク１６は数多くのチャネルに分割される電磁スペクトルの限られた部分を含む。リンク１６は好ましくはＬバンドの周波数チャネルの組合わせでありかつ周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）および／または時分割多元接続（ＴＤＭＡ）通信またはそれらの組合わせを含むことができる。最小限として、衛星１２は１つまたはそれ以上の放送チャネル１８によって絶えず送信を行なう。加入者ユニット２６は放送チャネル１８に同期しかつ放送チャネル１８を監視してそれらに向けられるデータメッセージを検出する。これらのデータメッセージは加入者ユニットに他のパーティが通信を希望していることを通知するリング警報（ｒｉｎｇ−ａｌｅｒｔｓ）ならびに特定のメッセージを伝達するページの双方を含む。加入者ユニット２６はメッセージを１つまたはそれ以上の捕捉または獲得チャネル１９によって衛星１２へと送信することができる。放送チャネル１８および捕捉または獲得チャネル１９はいずれか１つの加入者ユニット２６に専用のものではなく、現在衛星１２の視界内にある全ての加入者ユニット２６によって共有される。
これに対し、トラフィックチャネル１７は衛星１２によってときどき特定の加入者ユニットに割当てられる２方向チャネルである。本発明の好ましい実施形態においては、チャネル１７〜１９によってデータを通信するためにデジタルフォーマットが使用され、かつトラフィックチャネル１７はリアルタイムの通信をサポートする。少なくとも１つのトラフィックチャネル１７が各々の呼に対して割当てられ、各トラフィックチャネル１７は、最低限、２方向音声通話をサポートするのに充分な帯域幅を有する。リアルタイムの通信をサポートするために、ＴＤＭＡ機構が好適に使用されて時間をフレームに、好ましくは６０〜９０ミリセカンドの範囲で分割する。特定のトラフィックチャネル１７は各々のフレーム内で、好ましくは３〜１０ミリセカンドの範囲の期間を有する、特定の送信および受信タイムスロットが割当てられる。アナログオーディオ信号はデジタル化され、それによって全フレームの信号が割当てられたタイムスロットの間に単一の短い高速バーストで送信または受信される。好ましくは、各々の衛星１２は１０００個またはそれ以上までのトラフィックチャネル１７をサポートし、それによって各衛星１２が同時に同じ数の独立の呼をサービスできるようにする。
衛星１２はクロスリンク２３を介して他の近隣の衛星１２と通信する。好ましい実施形態では、クロスリンク２３はＫａバンド周波数チャネルである。したがって、地球の表面上またはその近くの任意の点に位置する加入者ユニット２６からの通信は衛星１２の衛星群を通して地球の表面上の実質的に任意の他のポイントの範囲内へと導くことができる。通信は加入者リンク１６を使用して衛星１２から地球の表面上のまたは地球の表面近くの加入者ユニット２６へと導き下ろす（ｒｏｕｔｅｄｄｏｗｎ）ことができる。あるいは、通信は地球リンク１５を介して、図１ではその内２つのみが示された、数多くのＥＴ２４の内の任意のものから導き下ろしあるいは導き上げることができる。ＥＴ２４は好ましくは地政学的境界にしたがって地球の表面にわたり分布される。好ましい実施形態では、各衛星１２は任意の瞬間に４つまでのＥＴ２４および１０００以上の加入者ユニット２６と通信できる。
ＳＣＳ２８はシステム通信ノード（例えば、ＧＷ２２、ＥＴ２４および衛星１２）の健全さ（ｈｅａｌｔｈ）およびステータスを監視しかつ望ましくは通信システム１０の動作を管理する。１つまたはそれ以上のＥＴ２４がＳＣＳ２８および衛星１２の間の主たる通信を提供する。ＥＴ２４はアンテナおよびＲＦ送受信機を含み好ましくは衛星１２の衛星群のための遠隔測定（ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ）、トラッキングおよび制御機能を行なう。
ＧＷ２２は衛星１２と関連して呼処理機能を行なうことができ、あるいはＧＷ２２は排他的に呼処理および通信システム１０内の呼処理容量の割当てを処理することができる。ＰＳＴＮのような、種々の地上を基礎としたまたは地上に基礎を置く通信システムはＧＷ２２を介して通信システム１０にアクセスすることができる。
６６個の衛星１２の例示的な衛星群により、少なくとも１つの衛星１２は全ての時間に地球の表面上の各ポイントの視界内にある（すなわち、地球の表面の完全なカバレージが得られる）。理論的には、衛星１２の衛星群を通してデータを導くことにより任意の時間に任意の衛星１２は任意のＳＵ２６またはＥＴ２４と直接または間接的にデータ通信を行なうことができる。したがって、通信システム１０は任意の２つのＳＵ２６の間、ＳＣＳ２８およびＧＷ２２の間、任意の２つのＧＷ２２の間、またはＳＵ２６およびＧＷ２２の間で衛星１２の衛星集団を通してデータを中継するための通信経路を確立することができる。
図２は、本発明の好ましい実施形態において使用するのに適した衛星通信ステーション１２の単純化したブロック図を示す。好ましくは、システム１０（図１を参照）内の全ての衛星１２は図２のブロック図によって示される機器を含む。衛星１２はクロスリンク送受信機３３および関連するアンテナ３１を含む。送受信機３３およびアンテナ３１は他の近隣の衛星１２へのクロスリンクをサポートする。地球リンク送受信機３５および関連するアンテナ３７は地球ターミナル２４（図１）と通信するために地球リンクをサポートする。加入者リンク送受信機３０および関連するアンテナ３２は加入者ユニット２６（図１）をサポートする。好ましくは、各々の衛星１２は数千まであるいはそれ以上の加入者ユニット２６（図１）のためのリンクを同時にサポートすることができる。もちろん、当業者はアンテナ３１，３７および３２は単一の多方向性（ｍｕｌｔｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）アンテナまたは個別のアンテナのバンクとして実施できることを理解するであろう。各加入者リンクアンテナ３２は同時に数多くのアンテナビームをアクセスすることができるフェーズドアレイ（ｐｈａｓｅｄａｒｒａｙ）アンテナであることが望ましい。
コントローラ３４は送受信機３３，３５および３０の各々ならびにメモリ３６およびタイマ３８に結合されている。コントローラ３４は１つまたはそれ以上のプロセッサを使用して実施できる。コントローラ３４は、とりわけ、現在のデータおよび時間を維持するためにタイマ３８を使用する。メモリ３６はコントローラ３４への命令として作用しかつ、コントローラ３４によって実行されたとき、衛星１２が以下に説明する手順を実行するようにさせるデータを記憶する。さらに、メモリ３６は衛星１２の動作の間に操作される変数、テーブル、およびデータベースを含む。
加入者リンク送受信機３０はコントローラ３４によって指令される特定の、選択可能な、タイムスロットの間に全ての異なる選択可能な周波数によって送信および受信を行なうことができる他チャネルＦＤＦＭ／ＴＤＭＡ送受信機であることが望ましい。加入者リンク送受信機３０は信号アクセスおよび制御ならびにユーザ音声および／またはデータのための所望の数の送信および受信周波数を提供するために充分な数のチャネルを有する他チャネル無線機を含む。コントローラ３４は周波数およびタイムスロット割当ての配分、アンテナビーム−アンテナビームハンドオフ、および他のオーバヘッドおよび管理および制御機能を提供することができる。加入者リンク送受信機３０は任意の周波数チャネルセットで送信および受信ができ、したがってもし必要であれば各加入者リンク送受信機３０は全ての周波数およびタイムスロット割当てを処理する能力を持つことによって全ての周波数チャネルセットの全スペクトル容量を使用することができることが望ましい。
図３は、本発明の好ましい実施形態において使用するのに適したシステム制御ステーション４５および地上ステーション４８の単純化したブロック図を示す。制御ステーション４５および地上ステーション４８はそれぞれＳＣＳ２８（図１）およびＥＴ２４（図１）の望ましい部分である。制御ステーション４５はリンク４１を介して関連する記憶媒体４２（例えば、ランダムアクセスメモリまたはＲＡＭ、他の半導体または磁気的読出し−書込みメモリ装置、光ディスク、磁気テープ、フロッピディスク、ハードディスク、その他）に結合されたプロセッサ４０を具備する。地上ステーション４８は送信機４３および受信機４７に結合されたアンテナ４９を含む。送信機４３および受信機４７は、それぞれ、リンク４４および４６を介してプロセッサ４０に結合されている。プロセッサ４０は望ましくは以下に例示しかつ関連するテキストにおいて説明する手順を実行する。例えば、適切な他のタスクを行うことに加えて、プロセッサ４０は記憶媒体４２にそのような手順からの結果を記憶する。送信機４３および／または受信機４７は衛星４２にメッセージを送信しおよび／または衛星４２からメッセージを受信する。
プロセッサ４０は一般にユーザアクセス、メッセージ受信および送信、チャネルセットアップ、無線機同調、周波数およびタイムスロット割当て、およびコントローラ３４（図２）によって管理または提供されない他のセルラ無線通信および制御機能を制御しかつ管理する。とりわけ、プロセッサ４０および／またはコントローラ３４（図２）はユーザが通信システム１０にアクセスできるようにするための手順を実行するのが望ましい。これはチャネルセットアップのためのプロトコルおよび以下に説明する他の関連する機能のための手順を含むことができる。
図４は、低高度地球軌道衛星の妨害の筋書きを示す。直接的な妨害およびチャネル割当ての連鎖反応効果（ｃｈａｉｎｒｅａｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ）は最適のチャネル割当て処理においてリアルタイムで包括的な知識の必要性を駆りたてる。直接的な妨害は特定の衛星において使用されているチャネルがお互いの見通し線（ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ）内にある他の衛星によるチャネルと干渉する場合に生じ得る。これは以下により詳細に説明する。
チャネル割当ての連鎖反応効果は衛星がチャネルを加入者ユニットに割り当てる場合に発生する。その見通し線内の近隣の衛星に関して利用可能なチャネルは干渉のないチャネルに制限される。この制限はもとの割当て衛星の見通し線内にない他の衛星によって割当てできるチャネルを制約する。従って、衛星によるチャネルの割当ては衛星群全体におけるすべての他の衛星におけるチャネルの利用可能性に関して因果関係を有する。
図４を参照すると、衛星５２，６２および７２は衛星通信ステーション１２（図１および図２）と同様の低高度地球軌道における通信衛星であることが好ましい。衛星５２，６２および７２はＳＵ２６（図１）と同様の加入者ユニットと通信する。図示のごとく、衛星５２は通信リンク５３によって加入者ユニット５６と通信リンクを確立しており、衛星６２は通信リンク６３によって加入者ユニット６６と通信リンクを確立しており、かつ衛星７２は通信リンク７３によって加入者ユニット７６と通信リンクを確立している。加入者ユニット５６，６６および７６は地球の表現上に位置するよう示されている。衛星６２は衛星５２および７２の無線見通し線内にある。従って、衛星６２は衛星５２および７２のＲＦ通信と干渉する可能性がある。衛星５２および７２はお互いに無線見通し線内になく、かつ従ってお互いのＲＦ通信と干渉する可能性はない。言い換えれば、無線周波信号は衛星６２から直接衛星５２または衛星７２に送ることができるが、無線周波信号は衛星５２と７２との間で送ることができない。
衛星６２は、加入者ユニット６６と通信する場合、それぞれ加入者ユニット７６および５６に対する妨害経路６４および６５を有する。衛星５２は加入者ユニット６６と妨害経路５４を有する。衛星６２との妨害を防止するため、衛星５２および７２は通信リンク６３と干渉しない通信リンク５３および７３に対する通信チャネルを選択しなければならない。非干渉チャネルを選択する結果として、衛星５２に関するチャネルの選択は衛星６２に関するチャネルの選択によって制約され、かつ逆も同様である。衛星５２に関するチャネルの選択もまた衛星７２によって割り当てられたチャネルによって制約され、かつ逆も同様である。従って、１つの衛星によるチャネルの割当ては他の衛星による割当てのために利用できるチャネルを制限する連鎖反応を引き起こす。
最適のチャネル割当てはシステム全体によって使用されているすべてのチャネルのリアルタイムの知識を必要とする（すなわち、包括的知識）。包括的知識は上に述べたチャネル割当ての連鎖反応効果のため望ましいものである。世界的な通信システムにおけるすべてのチャネル割当ての真のリアルタイムの知識は通信信号の有限の伝搬遅延のため不可能である。リアルタイムに近い知識も実際的ではなく、それは過剰なステータス報告が要求されこれは大きな通信資源を必要とする。予期されるまたは予測されるトラフィックに基づく通信チャネル資源の配分は最適に近い解決方法の１つの試みである。しかしながら、予測されるトラフィックの不確かさのため大きな非能率を生じる結果となり得る。前に述べたように、局部領域におけるリアルタイムに近いチャネル割当て情報はチャネル割当てに対する最適に近い解決方法を提供する。
図５は、本発明の好ましい実施形態において使用するのに適した衛星通信ステーションによって規定される連結する（ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｉｎｇ）局部領域の単純化した例を示す。衛星群（図１を参照）の衛星はいくつかの近隣の衛星からなる複数の連結する局部領域へと編成されている。各衛星は、各衛星がシステム全体におけるすべてのチャネル割当ての知識を持つ必要性なしに、リアルタイムに近い正しいチャネル割当てのための必要な知識の大部分を得る。最適に近い解決方法が局部領域のチャネル割当ての知識によって得られる。
図５は衛星１２の衛星群の部分８０を示している。好ましい実施形態では、衛星１２は地球を囲む低高度地球軌道にあり、かつその結果、衛星１２は１枚の紙の上に示されるような平坦な構成で配置されるのではなく、球面上に位置することになる。各衛星１２はそれ自身の局部領域を確立する。局部領域は好ましくはお互いの無線地平線または無線の視界（ｒａｄｉｏｈｏｒｉｚｏｎ）、または無線の見通し線内にあるすべての衛星を含む。例えば、衛星１２ｇは局部領域８１を規定する。局部領域８１は衛星１２ａ〜１２ｈ，１２ｊ〜１２ｍおよび１２ｏを含む。ローカル領域８１におけるこれら１３の衛星は衛星１２ｇの無線見通し線内にある。衛星１２ｉは衛星１２ｇの無線見通し線内になく、かつ従って衛星１２ｇの局部領域に含まれない。衛星１２ｉは衛星１２ｇの無線視界より下にある。例えば局部領域８２は衛星１２ｏによって規定され、かつ衛星１２ｇ，１２ｊ〜１２ｍ，１２ｎ，１２ｏ，１２ｐ，１２ｒ〜１２ｖを含む。例えば局部領域８３は衛星１２ｌによって規定されかつ衛星１２ｄ，１２ｆ〜１２ｉ，１２ｋ〜１２ｑおよび１２ｔを含む。
前に規定したように、局部領域におけるすべての衛星はお互いに無線見通し線内にある。局部領域の外側の衛星は互いの無線見通し線の下にある。図５に示された例では、明瞭化のため３つの局部領域のみが示されているが、好ましい実施形態では、それぞれの衛星がそれ自身の局部領域を規定する。
ある局部領域（ｌｏｃａｌｒｅｇｉｏｎ）における衛星の数は、衛星群における衛星の数、軌道の形式、衛星の軌道位置および高さ、および衛星の相対位置を含む、いくつかの要因に依存する。当業者が理解するように、すべての衛星が例えば極軌道にあるとき、局部領域の衛星の数は衛星が極に接近するに応じて増大する。同様に、すべての衛星が極軌道にある場合に、局部領域の衛星の数は衛星が赤道に接近するに応じて低減する。好ましい実施形態では、衛星１２は極軌道にある。この状況では、衛星１２は地球の極の一方に向かってあるいは地球の極の一方から離れるような方向の飛行経路方向８５で移動している。図１において説明された好ましい実施形態では、低高度地球軌道に６６個の衛星がある。ここで説明する例は極軌道の衛星についてのものであるが、本発明は衛星がお互いに無線見通し線内にある任意の軌道衛星通信システムに適用できる。
本発明の１実施形態では、局部領域は該局部領域を規定する衛星の見通し線内にある居住領域（ｐｏｐｕｌａｔｅｄａｒｅａｓ）上の衛星のみを含むよう規定することもできる。この実施形態が極軌道または極軌道に近い軌道に衛星を含む場合は、前記規定する衛星または規定衛星（ｄｅｆｉｎｉｎｇｓａｔｅｌｌｉｔｅ）が極領域の上にあるときに視界に入る多数の衛星は局部領域から排除される。
本発明の他の実施形態では、各々の局部領域は固定した数の衛星を含む。局部領域を構成する衛星は前記規定する衛星がある最大の北緯および南緯の間、好ましくは５５度の緯度の付近、にある場合に決定される。この実施形態の利点は各々の衛星上で必要とされる処理が単純化されることである。
図５の例によって分かるように、各々の衛星はいくつかの局部領域のメンバーである。１つの衛星はそれが規定する局部領域のメンバーであり、かつ近隣の衛星によって規定される局部領域のメンバーとなるであろう。衛星が所属する局部領域の数にかかわりなく、各衛星はそれ自身の局部領域のメンバーによるチャネル割当ての知識を持つことのみが要求される。例えば、衛星１２ｇ（図５）は局部領域８１，８２および８３のメンバーであるが、局部領域８１の衛星によるチャネル割当ての知識を持つことのみが要求され、それは局部領域８１は衛星１２ｇによって規定されているからである。例えば、衛星１２ｍもまた局部領域８１，８２および８３のメンバーであるが、これらの局部領域のいずれかにおけるすべての衛星の知識を持つことを要求されず、それは衛星１２ｍは局部領域８１，８２または８３のいずれかの規定衛星ではないためである。衛星１２ｍは、図示しない、それ自身の局部領域に対する規定衛星となるであろう。
前記好ましい実施形態では、チャネル割当てはその局部領域内の他の衛星によって行われるチャネル割当てを基礎として加入者ユニットに配分される。好ましくは、ある規定衛星によって割り当てられる通信チャネルはその局部領域内の他の衛星によって割り当てられるチャネルと干渉しないものとされる。
チャネル割当てを行うためには、衛星の局部領域内のすべてのチャネル割当ての知識を持つことが好ましい。あるチャネルが加入者ユニットに割り当てる場合には、割当て衛星はメッセージをその局部領域内のすべての衛星に送る。該メッセージは少なくとも割り当てられる特定の通信チャネルを含む。図１の好ましい実施形態では、衛星の間のチャネル割当てメッセージはリンク２１および２３によって送られる。このチャネル割当て方法は好ましくは現在の局部的な要求、現在のユーザの局部的な分布、およびすでに割り当てられたチャネルの組を使用し受入れ可能な妨害性能を提供する新しい割当てを行う。ＦＤＭＡ／ＴＤＭＡチャネルの組合わせが使用される好ましい実施形態では、非干渉または非妨害（ｎｏｎ−ｉｎｔｅｒｆｅｒｉｎｇ）通信チャネルの例は他の加入者ユニットに割り当てられていない周波数チャネルのタイムスロットを含む。
チャネル割当ての包括的な効果は連結する局部領域の使用によって捕捉される。各々の衛星は全衛星群内のすべてのチャネル割当ての真のまたはリアルタイムの包括的知識を維持しまたは持つことを要求されない。衛星はそれらの局部領域の外側の衛星とチャネル割当て情報を決して交換しない。衛星はチャネルがそれらと干渉する可能性のある衛星からの直接的な情報を受け、かつ連鎖反応効果は領域が連結しているため捕獲される。
連結の効果は次のように説明できる。すなわち、第１の局部領域を規定した第１の衛星があるチャネルを割り当てるとき、それはこのことをその局部領域内のすべての他の衛星に指示する。その局部領域内のすべての衛星に対するチャネル割当ての選択は該局部領域内の衛星が非妨害チャネルのみを割り当てることができるため制限されるようになる。従って、第１の局部領域内の各衛星に対し利用可能なチャネルのプールは制限される結果となる。第１の局部領域における他の衛星の１つ（第２の局部領域を規定している第２の衛星）がこの限られたチャネルのプールからあるチャネルを割り当てた場合、それは第２の局部領域内のすべての衛星にこの割当てを通知する。これは第２の局部領域内のすべての衛星に対し利用可能なチャネルの彼らの選択を制限する。第２の局部領域は第２の局部領域内にない衛星を含むから、第１の衛星による割当てはそれ自身の局部領域の外側で利用可能なチャネルのプールに間接的な影響を有する。この同じ効果がチャネルが衛星群内のすべてのチャネル割当ての真の、リアルタイムの包括的な知識に基づきチャネルが割り当てる場合に見られる。
図６は、本発明の好ましい実施形態において使用するのに適したチャネル割当て手順９０のフローチャートを示す。好ましい実施形態では、手順９０は衛星通信ステーション１２（図１、図２および図５）によって行われる。タスク９２においては、局部領域が規定衛星に対して確立または規定される。該局部領域は好ましくは規定衛星の通信ステーションの無線見通し線内にあるすべての衛星を含む。１つの実施形態では、局部領域規定または定義テーブル９１が使用される。局部領域規定テーブルは好ましくはＳＣＳ２８（図１）によって衛星に対しアップロードされかつ局部領域内のすべての衛星のリストを含む。衛星が軌道において移動しているとき、異なる局部領域が衛星の各々の軌道位置に対し規定される。例えば、衛星が極軌道にあるとき、赤道近くよりも極近くの局部領域内でより多くの衛星があり得る。好ましくは、規定衛星の各々の軌道位置に対し異なるテーブルがある。
他の実施形態では、局部領域は見通し線内の他の衛星によって放送されるチャネル割当てのような、データの受信によって確立される。この実施形態では、衛星はチャネル割当てを送信すべき異なるタイムスロットを与えられるものとすることができる。このようにして、チャネル割当てメッセージは互いに干渉しないことになる。
タスク９４においては、手順９０は割込みを待つ。加入者ユニットに対するチャネル割当ての要求（タスク９５から）または領域のタイムアウト（タスク９７から）は割込みを生じさせる。
タスク９５においては、チャネル割当ての要求が受信される。該要求はある加入者ユニットがそれに割り当てられた通信チャネルを持つことを必要としていることを示す。要求は加入者ユニットから、あるいは通信システムのゲートウェイまたはいずれか他からくることができる。チャネル要求および獲得の特定の方法は本発明にとって重要ではない。
タスク９５においては、チャネル割当て要求はまたハンドオフ要求からくることができる。ハンドオフは現在あるトラフィックチャネルで通信している加入者ユニットが他のアンテナビームに切り替えられるときに生じる（ビーム−ビーム・ハンドオフ）。好ましい実施形態では、より多くのチャネル割当てがハンドオフのためのものであり、それは衛星は地球の表面に対して高速で移動しておりかつ加入者ユニットは次のアンテナビームに転送されなければならないからである。望ましくは、加入者ユニットがアンテナビームの間で、かつ衛星の間で、切り替えられるとき、引き続くアンテナビームにおいて同じチャネルが使用される。当業者はチャネルのハンドオフにとって多くの方法が適切なものでありかつここで説明する必要はないことを理解するであろう。
タスク９７は領域のタイムアウトを発生する。衛星が各々の軌道を通り異なる軌道位置へと移動するに応じて、異なる衛星がその局部領域を構成する。従って、各々の軌道位置は確立された衛星の異なる局部領域を持つべきである。
タスク９６においては、もしチャネル割当ての要求によって割込みが生成されれば（タスク９５）、タスク９８が実行される。もし割込みが領域タイムアウトによって生成されれば、手順９０はタスク９２にループバックして衛星の次の軌道位置に対する新しい局部領域を確立する。
タスク９８においては、その局部領域内の衛星によって割り当てられたチャネルが決定される。衛星はその局部領域のメンバーからメッセージを受信し（タスク９９）、従ってそれはその局部領域内の他の衛星によってどのチャネルが現在使用されているかを知る。好ましい実施形態では、その局部領域によって現在割り当てられたチャネルのリストが規定衛星によって維持されかつそのメモリ内に記憶される。
タスク１００においては、通信システムに配分されたチャネルから非妨害チャネルが加入者ユニットに割り当てられる。非妨害チャネルは、アンテナパターンのアイソレーション、および現在割り当てられているチャネルに関する伝搬遅延およびドップラ周波数シストの影響を含むいくつかの要因に基づき選択される。非妨害チャネルを選択する正確な方法は本発明にとって重要ではない。好ましい実施形態では、非妨害チャネルはアンテナビームの角度分離に基づく最小チャネル再使用距離のルールに基づき割り当てられる。ある局部領域の２つの衛星が同じチャネルを同時に割り当てる確率はそれらの領域内での衛星に対するチャネル割当ての迅速な通信によって低減される。さらに、好ましい実施形態では、数千までの非妨害チャネルを有する大きなチャネルセットが通信システムに割り当てられる。大きなチャネルセットはある局部領域内で２つの衛星が同時に同じチャネルを割り当てる確率を低減する。
本発明の１実施形態では、地理学的に固定された領域に基づきあらかじめ計画された割当てプールが利用可能なチャネルを選択するために使用される。他の実施形態では、チャネルのあらかじめ計画された割当てプールは割当てのために異なる衛星によって選択される。これらの実施形態の双方は２つの衛星がある局部領域内の同じチャネルを同時に割り当てる確率を低減する。
タスク１０２においては、規定衛星の局部領域内の他の衛星がタスク１００において割り当てられたチャネルが加入者ユニットに割り当てられたことを通知される。この通知メッセージは好ましくはクロスリンク２１および２３（図１）によって規定衛星の局部領域内の衛星に直接送信される。局部領域がどのように規定されるかに依存して上に述べたように、１つの実施形態では、通知メッセージの受信は受信衛星によってその局部領域を規定するために使用することができる。
タスク１０４においては、あるトラフィックチャネルが通信のために割り当てられたというメッセージが加入者に送信される。衛星および加入者ユニットにおける送受信機は捕捉または放送チャネルではなく割り当てられたトラフィックチャネルによって加入者ユニットと通信するよう切り替えられる。トラフィックチャネルが加入者ユニットに割り当てられた後、手順９０はループバックしかつタスク９４を反復して他のチャネル割当て要求または領域タイムアウトを待機する。
本発明の好ましい実施形態では、前記衛星群の各衛星通信ステーションは手順９０を頻繁にまたは継続的な（ｃｏｎｔｉｎｕａｌ）ベースで行う。
本発明の利点はチャネル割当ての包括的な影響が連結する局部領域の使用により解決または捕獲されることである。各々の衛星は衛星群全体におけるすべてのチャネル割当ての真のまたはリアルタイムの包括的な知識を維持しまたは持つことを要求されない。衛星はそれらの局部領域内の衛星のチャネル割当て情報を維持する。本発明は包括的な知識の手法よりはるかに優れており、それは衛星は彼らの局部領域の外側の衛星とチャネル割当て情報を決して交換しないからである。さらに、ネットワークまわりにチャネル割当て情報を送信するのに必要な通信帯域幅が大幅に低減される。他の利点はチャネル割当て情報を伝搬するのに必要な時間が大幅に低減されることである。衛星はチャネルがそれらと干渉する可能性がある衛星から直接情報を受信し、かつ領域が連結しているためチャネル割当ての連鎖反応効果が捕獲される。
さらに、本発明はチャネル割当てが実際のリアルタイムの要求に基づいているため予測される需要に基づくチャネル割当て手法よりもはるかに優れている。予測される需要の不確かさおよび制約が避けられる。
本発明が特定の例に関してかつ特定の好ましい実施形態とともに説明されたが、当業者には本明細書の開示に基づき数多くの置換えおよび変形を行うことが可能なことは明らかであり、かつそのような変形および置換えは添付の請求の範囲に含まれるものと考える。
ここに説明されているように、本発明の利点は当業者に明らかでありかつ通信システムの種々の部分を動作させるための改善された方法を提供する。これらの利点は実際の需要に基づくリアルタイムをベースとした通信チャネルの動的な割当てを含む。システム容量とチャネルの干渉との間のトレードオフが連結する局部領域の使用によって最適化される。

Claims

複数の衛星からなる通信システムにおいて１つの衛星を動作させる方法であって、各衛星は地球の表面上にアンテナビームを投影し、前記方法は、
前記衛星に関連する局部領域を確立する段階であって、前記局部領域は前記衛星からの直接放射が前記地球の表面に実質的に接する点の軌跡より上にある前記複数の衛星の内の１組の衛星からなる、段階、
加入者ユニットにチャネルを割り当てる段階であって、該チャネルは前記衛星によりかつ前記局部領域の前記１組の衛星により現在割り当てられているチャネルと干渉せず、前記加入者ユニットは前記衛星に関連する前記アンテナビーム内にある、段階、
前記局部領域の前記１組の衛星の内の各衛星に前記チャネルが前記衛星によって割り当てられたことを通知する段階、そして
前記１組の衛星によって現在割り当てられているチャネルを判定し、かつ前記割当てを行う段階は前記チャネルをチャネルのプールから割当て、前記チャネルのプールは前記１組の衛星の内のいずれの衛星によっても現在割り当てられていないチャネルからなる、段階、
を具備することを特徴とする複数の衛星からなる通信システムにおいて１つの衛星を動作させる方法。
前記判定する段階は前記１組の衛星の内の少なくとも１つの衛星からメッセージを受信する段階を含み、前記メッセージは前記衛星に対し前記少なくとも１つの衛星によって割り当てられたチャネルを通知し、そして
前記方法はさらにチャネル割当てテーブルにおける前記少なくとも１つの衛星によって割り当てられた前記チャネルを記憶する段階を具備し、かつ前記判定する段階は前記チャネル割当てテーブルにおけるチャネルを現在割り当てられていない前記チャネルと比較する段階を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記通知する段階はメッセージを前記局部領域の前記１組の衛星の内の各衛星に送る段階を含み、前記メッセージは前記１組の衛星の内の各衛星に前記割り当てる段階において割り当てられた前記チャネルを通知することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記確立する段階は、前記複数の衛星の内の第１の衛星によって、前記第１の衛星に関連する第１の局部領域を規定する段階を含み、前記第１の局部領域は前記第１の衛星からの直接放射が前記地球の表面に実質的に接する点の第２の軌跡より上の第１の組の衛星を含み、
前記割り当てる段階は、前記第１の衛星によって、第１のチャネルを前記加入者ユニットに割り当てる段階を含み、前記第１のチャネルは前記第１の衛星および前記第１の局部領域の前記第１の組の衛星によって現在割り当てられているチャネルと干渉しないものであり、前記加入者ユニットは前記第１の衛星と関連する前記アンテナビーム内にあり、
前記通知する段階は、前記第１の衛星によって、前記第１の組の各衛星に対し前記第１のチャネルが前記第１の衛星によって割り当てられたことを通知する段階を含み、
前記複数の衛星の内の第２の衛星によって第２の局部領域を確立し、前記第２の局部領域は前記第２の衛星からの直接放射が前記地球の表面に実質的に接する点の第３の軌跡内にある第２の組の衛星を含み、前記第２の組のいくつかの衛星は前記第１の組の衛星のメンバーであり、前記第１の組のメンバーでない前記第２の組のいくつかのメンバー衛星は前記第１の組の前記メンバーの内のいくつかからの直接放射が前記地球の表面に実質的に接する点の第４の軌跡内になく、
第２のチャネルを第２の加入者ユニットに割り当て、前記第２の加入者ユニットは前記第２の衛星に関連する第２のアンテナビーム内に位置し、前記チャネルは前記第２の衛星および前記第２の組の衛星によって現在割り当てられているチャネルと干渉せず、前記チャネルは前記第２の組の部分でない前記第１の組の衛星に割り当てられたチャネルを含まないチャネルの局部的プールからのものであり、そして
前記第２の組の衛星に前記第２のチャネルが前記第２の衛星によって割り当てられたことを通知する、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
さらに、前記複数の衛星の内の各衛星によって、隣接する局部領域と重なる関連する局部領域を確立する段階を具備することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記確立する段階は前記複数の衛星の内の各衛星によって行われ、かつ前記方法はさらに、各衛星によって、その関連する局部領域の他の衛星に対し１つの衛星がチャネルを加入者ユニットに割り当てたときに通知を行う段階を具備することを特徴とする請求項１に記載の方法。
衛星通信ステーションであって、
前記衛星通信ステーションからの直接放射が前記地球の表面に実質的に接する点の軌跡より上にある他の衛星通信ステーションへかつ該他の衛星通信ステーションからデータを送信しおよび受信するための送受信機、
前記送受信機に結合されたプロセッサであって、該プロセッサは、
前記衛星通信ステーションに関連する局部領域を規定するための手段であって、前記局部領域は前記他の衛星通信ステーションを備えるもの、そして
通信チャネルを加入者ユニットに割り当てるための手段であって、前記通信チャネルは前記局部領域の前記他の衛星通信ステーションによって現在割り当てられている通信チャネルと干渉しないもの、
を含む前記プロセッサ、
を具備し、前記送受信機は前記局部領域の各々の衛星通信ステーションに前記通信チャネルが前記衛星通信ステーションによって割り当てられたことを通知するための手段を含み、そして
前記衛星通信ステーションはさらに、
前記加入者ユニットと通信するためのアンテナビームを生成するために前記プロセッサに結合された第２の送受信機であって、前記加入者ユニットは前記アンテナビームの内の１つの中に位置するもの、そして
前記プロセッサに結合されチャネル割当てを記憶するための手段、
を具備し、かつ前記送受信機は前記他の衛星通信ステーションからのメッセージを受信するための手段を含み、前記メッセージは前記衛星通信ステーションに前記他の衛星通信ステーションによって割り当てられた通信チャネルを通知し、
前記記憶するための手段は前記他の衛星通信ステーションによって割り当てられた前記通信チャネルを含むチャネル割当てテーブルを備え、そして
前記プロセッサは前記チャネル割当てテーブルにおける通信チャネルを前記局部領域の前記他の衛星通信ステーションによって現在割り当てられていない通信チャネルと比較するための手段を含む、
ことを特徴とする衛星通信ステーション。