JP3845158B2

JP3845158B2 - 衛星セルラ通信システムにおけるビーム・ステップ方法および装置

Info

Publication number: JP3845158B2
Application number: JP31881196A
Authority: JP
Inventors: イー・グアン・ジャン; ケネス・メイナード・ピーターソン
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1995-11-20
Filing date: 1996-11-13
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2016-11-13
Also published as: FR2741492B1; FR2741492A1; ITRM960686A1; GB9622052D0; US5739784A; GB2307377A; GB2307377B; JPH09162795A; IT1286341B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にセルラ通信システムの分野に関し、特に衛星通信、更に特定すればセルラ通信用位相調整アレイ・アンテナ(phased array antenna)に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セルラ通信システムが対処すべき問題の１つに、セル間における通信のハンドオフ(hand-off)処理がある。加入者ユニットとセルとの間の相対的移動によって、加入者ユニットとそれに当てられる通信リンクとが、セル間を移動することになる。進行中の通話において通信の継続を可能にするためには、システムは、最終ユーザがセルの境界線を越えるときに、通信の「ハンドオフ」を行わなければならない。以前のセルを離れる際に通信を新たなセルにハンドオフしないと、通信が行われる信号強度が弱まり、システムの無線機器が加入者ユニットの送信を受信できない、またはその逆の現象が生じる程度にまでなるので、結果的に通信が失われることになる。
【０００３】
非同期軌道衛星(non-geosynchronous orbiting satellite) を用いるセルラ通信システムは、加入者ユニットに関する衛星のアンテナ・ビームの有効範囲(coverage)の移動に対処しなくてはならない。衛星ビームは、地球のサービスを非常に高い速度で掃引するので、所与の加入者は特定の通話の間に多数のビーム間を移動する。多くの場合、加入者ユニットは、１回の通話の間に、２機以上の異なる衛星によるサービスを受ける。
【０００４】
典型的に、従来のセルラ通信システムは、加入者ユニットが新たなアンテナ・ビームにおいてよりよいサービスが入手可能であることを検出すると、ビームからビームへ、即ち、衛星から衛星に加入者ユニットを「ハンドオフ」することによって、衛星の運動に対処している。このようなハンドオフが１回発生したときはいつでも、加入者ユニットは、新たなビームにおける新たな通信チャネルに割り当てられる。これらのハンドオフの各々では、衛星と加入者ユニットとの間での通信データの交換が必要となる。これら通信メッセージが適切な時間に受信されないと、現在のビームがもはやリンクを維持するのに十分な信号強度を与えなくなったときに、通話が跡切れる可能性がる。
【０００５】
ビーム数を増やしてアンテナ利得の増大、リンク性能の向上、またはチャネル再使用距離の短縮化を図ろうとすると、ハンドオフ・レートが高くなる。衛星システムの中には、衛星１機が多くのアンテナ・ビームを有することもある。その結果、加入者ユニットは、１分に１回ビームからビームに、そして５分に１回衛星間でハンドオフされる場合がある。ビーム数を増やすと、即ち、使用する衛星を増やすと、ビーム間ハンドオフ間隔は１５秒以下に短縮する。このハンドオフ・レートの上昇に対応するために必要な追加処理および帯域、ならびに通話完了の信頼性(call completion reliability) の損失によって、特に、使用するアンテナ・ビームが小さいシステムでは、望ましくない状況が生じることになる。
【０００６】
チャネル間ハンドオフに伴う第２の問題は、ハンドオフを受信するのためのチャネルを確保しなければならないことである。要求されたアンテナ・ビームに未使用のチャネルが存在しない場合、ハンドオフを完了することができず、通話が跡切れる場合もある。結果的に、ハンドオフのためにある量のチャネルを確保しておかなければならない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、必要とされるのは、セル間で通信をハンドオフするために必要な処理および帯域量を減少させる方法および装置である。また、ハンドオフ・レートを低下させ、通話が中断される危険性を低減する方法および装置も必要とされている。更に、加入者ユニットが後続のセルにおいて同一通信チャネルを使用できるようにする方法および装置も必要とされている。更にまた、ハンドオフのためにある量のチャネルを保持する必要のないセルラ通信システムも必要とされている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特に、セル間で通信をハンドオフするために必要な処理および帯域量を減少させる方法および装置を提供する。また、本発明は、ハンドオフ・レートを低下させ、通話が中断される危険性を低減する方法および装置も提供する。更に、本発明は、加入者ユニットが後続のセルにおいて同一通信チャネルを使用できるようにする方法および装置も提供する。更にまた、本発明は、ハンドオフのためにある量のチャネルを保持する必要のないセルラ通信システムも提供する。
【０００９】
一好適実施例では、これら本発明の利点は、衛星セルラ通信システムにおいてアンテナ・ビームをステップさせる方法によって達成される。各ビームを逆に歩進させて、衛星の移動に対する補償を行う。この実施例では、衛星はそれらのアンテナ・ビームを順方向に歩進させ、前を行く衛星がある距離だけ移動した後、この衛星のフットプリント(footprint) を覆う。また、好適実施例では、これら本発明の利点は、複数の位相シフト・マトリクスおよびビーム・コントローラを有する位相調整アレイ・アンテナ・サブシステム(phased array antenna subsystem)によっても達成される。ビーム・コントローラは、位相シフト・マトリクスに命令を与え、各アンテナ・ビームを逆に歩進させて、衛星の移動に対する補償を行う。また、ビーム・コントローラは、衛星がある距離移動した後、各アンテナ・ビームを順方向に歩進させる命令も与える。
【００１０】
ここでは、「衛星」とは人が作成した物体、即ち、地球の軌道を回ることを意図した乗物を意味し、低地球軌道（ＬＥＯ:low earth orbiting)衛星を含む。「コンステレーション」とは、ここでは、地球の一部（部分群）または全ての指定された有効範囲（例えば、無線通信、写真測量等）を得るために、軌道上に配列された衛星の集合ないし配置を意味する。典型的に、コンステレーションは、多数の衛星の輪（即ち、面）を含み、各面に同数の衛星を有してもよいが、これは必須ではない。また、ここで用いる「セル」、「アンテナ・ビーム」、「フットプリント」、および「アンテナ・パターン」という用語は、いずれかの発生モードに限定されることは意図していない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
ここに記載する例示は、本発明の好適実施例をその一形態において示すものであり、かかる例示は決して限定として解釈されることを意図するものではない。
図１は、本発明を実施可能な、衛星を基本とする通信システムの超簡略図である。通信システム１０は６本の極軌道１４を使用し、各軌道１４は１１機の衛星１２を保持し、合計で６６機の衛星がある。しかしながら、これは必須ではなく、これよりも多いまたは少ない衛星、あるいはこれよりも多いまたは少ない軌道を用いてもよい。本発明は、多数の衛星を用いるときに採用すると有利であるが、単一の衛星のように少ない衛星にも適用可能である。明確化のために、図１には数機の衛星１２のみを示している。
【００１２】
例えば、各軌道１４は、地上約７８０ｋｍの高度で円を描いているが、軌道の高度はこれよりも高くてもまたは低くても、有効に用いることができる。衛星１２の軌道は比較的低いので、いずれかの衛星からのほぼ見通し線の電磁（例えば、無線、光等）送信(line-of-sight electromagnetic transmission)、即ち、信号受信は、いずれの場合でも地球の比較的狭い範囲を包含する、即ち、比較的狭い範囲が対象となる。図示の例では、衛星１２は約２５，０００ｋｍ／ｈｒで地球に対して移動するので、最長期間で約９分にわたって衛星１２を見ることができる。
【００１３】
衛星１２は地上基地と通信する。地上基地は、ある数の無線通信加入者ユニット（ＳＵ）２６と、システム制御セグメント（ＳＣＳ）２８に接続された地球端末（ＥＴ）２４とを含む。また、ＥＴ２４は、公衆電話交換網（ＰＳＴＮ）または他の通信設備へのアクセスを可能にする、ゲートウエイ（ＧＳ）２２にも接続することができる。明確化および理解の容易性のために、ＧＷ２２、ＳＣＳ２８およびＳＵ２６は、各々１つのみを図１に示す。ＥＴ２４は、ＳＣＳ２８またはＧＷ２２と共に配置しても、または分離してもよい。ＳＣＳ２８と連動するＥＴ２４は、衛星１２の追跡を記述するデータを受信し、制御情報パケットを中継し、一方ＧＷ２２と連動するＥＴ２４はデータ・パケット（例えば、進行中の通話に関する）の中継のみを行う。
【００１４】
ＳＵ２６は、地球表面上であればどこにでも配置可能であり、または地上の大気内に配置してもよい。好ましくは、ＳＵ２６は、衛星１２との間でデータの送受信が可能な通信装置である。一例として、ＳＵ２６は、衛星１２と通信するように構成された、ハンド・ヘルド携帯用セルラ電話機としてもよい。通常、ＳＵ２６は、通信システム１０に対して制御機能を行う必要は全くない。
【００１５】
システム１０は、いかなる台数の加入者ユニット２６でも収容することができる。潜在的には数百万台でも可能である。本発明の好適実施例では、加入者ユニット２６は、加入者リンク１６を通じて、近隣の衛星１２と通信を行う。リンク１６は、電磁スペクトラムの限られた部分を対象として含み、これが多数のチャネルに分割されている。好ましくは、リンク１６はＬ帯周波数チャネルであり、周波数分割多重アクセス（ＦＤＭＡ）および／または時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）通信、あるいはこれらを併用した通信を行うことができる。また、リンク１６は、符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）通信を行うＬ帯チャネルの組み合わせを含むこともできる。好ましくは、各衛星１２が１０００以上のトラフィック・チャネルを支援することにより、各衛星１２は同時に同数の独立した通話を提供可能とする。
【００１６】
衛星１２はクロス・リンク２３を通じて、他の近隣の衛星と通信する。したがって、地球表面上のいずれかの地点またはその近くに位置する加入者ユニット２６からの通信は、衛星１２のコンステレーションを介して、地球表面上の実質的にあらゆる他地点の範囲内に送られる。通信は、加入者リンク１６を用いて、ある衛星１２から地球表面上またはその近くの加入者に送出することも可能である。あるいは、図１には２台しか示していないが、多数のＥＴ２４のいずれかから、地球リンク１５を介して、加入者ユニットまたは衛星にも通信が可能である。ＳＣＳ２８は、通信ノード（例えば、ＧＷ２２、ＥＴ２４および衛星１２）の動作状況(health)およびステータスを監視し、望ましくは、通信システム１０の動作を管理する。１台以上のＥＴ２４が、ＳＣＳ２８と衛星１２との間の主要通信インターフェースを提供する。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のコンステレーションに対して、遠隔測定、追跡、および制御機能を実行する。
【００１７】
ＧＷ２２は、衛星１２と共に通話処理機能を実行してもよく、あるいはＧＷ２２は通信システム１０内の通話処理および通話処理容量の割り当てのみを処理してもよい。ＰＳＴＮのような多種多様の地球基準通信システム(terrestrial-based communications system) が、ＧＷ２２を通じて、通信システム１０にアクセスすることができる。
【００１８】
図２は、本発明の好適実施例による、地球表面上に形成されたセルラ・パターンの一部を示す簡略図である。セルラ・パターンは、図１の通信システム用の衛星によって形成される。各衛星１２は、位相調整アレイ・アンテナを含む。このアレイは、地球表面上で、その衛星１２から遠ざかるように、多数の様々な角度で多数の個別アンテナ・ビーム３５を投影する。衛星１２が地球の表面上に形成したセル３４によって得られたパターンを、図２に示す。フットプリント領域３６は、単一の衛星１２のアンテナ・アレイによって生成されたアンテナ・ビーム３５から得られる。領域３６の外側にあるセルは、他の衛星１２からのアンテナ・アレイによって生成されたものである。
【００１９】
図３は、本発明の好適実施例に用いて好適な、衛星無線通信局の簡略ブロック図を示す。好ましくは、システム１０内の全衛星１２（図１参照）は、このブロック図に示すような機器を含む。衛星１２は、クロス・リンク送受信機４２と対応するアンテナ４４とを含む。送受信機４２とアンテナ４４は、他の近隣衛星１２へのクロス・リンクを支援する。地球リンク送受信機４６および対応するアンテナ４８は、地球端末２４（図１）と通信するための地球リンクを支援する。加入者リンク送受信機４３および対応するアンテナ４１は、加入者ユニット２６（図１）を支援する。勿論、アンテナ４４，４８は単一の多指向性アンテナとして、または個別アンテナのバンクとして実施可能であることを、当業者は認めよう。
【００２０】
加入者リンク・アンテナ４１は、多くのセルに同時にアクセス可能な位相調整アレイ・アンテナであることが好ましい。加入者リンク・アンテナと加入者リンク送受信機との間に結合されているのは、ダイナミック・ビーム形成器５０である。ダイナミック・ビーム形成器５０は、衛星１２の移動に際して、加入者リンク・アンテナ４１と対応する各アンテナ・ビームを動的に制御する。ビーム形成器５０の機能については、以下でより詳細に説明する。
【００２１】
コントローラ４５は、送受信機４２，４６，４４の各々をメモリ４７およびタイマ４９に結合する。コントローラ４５は、１つ以上のプロセッサを用いて実施することができる。コントローラ４５はタイマ４９を用いて、特に現在の日付および時間を保持する。メモリ４７は、コントローラ４５への命令として機能するデータ、および、コントローラ４５によって実行される場合は、以下に論じる手順を衛星１２に実行させるデータを記憶する。加えて、メモリ４７は、衛星１２の動作の間操作される変数、テーブルおよびデータベースを含む。
【００２２】
加入者リンク送受信機４３は、コントローラ４５によって指揮される特定の選択可能なタイム・スロットの間、全ての異なる選択可能な周波数上での送受信を可能とする、マルチチャネルＦＤＭＡ／ＴＤＭＡ送受信機であることが望ましい。また、加入者リンク送受信機４３は、ＣＭＤＡ通信に対応するものでもよい。加入者リンク送受信機４３は、十分な数のチャネルを有するマルチチャネル無線機を含み、信号アクセスおよび制御、ならびにユーザの音声および／またはデータのために、所望数の送受信周波数を与える。各衛星が４８本の別個のアンテナ・ビームを与える好適実施例では、加入者リンク送受信機４３は、４８組の無線周波数（Ｌ−帯）受信および送信チャネル、即ち、各アンテナ・ビーム毎に１組の受信および送信チャネルを与える。
【００２３】
図４は、本発明の好適実施例に用いて好適な、システム制御局および地球端末の簡略ブロック図である。制御局６５および地上局６８は、それぞれ、ＳＣＳ２８（図１）およびＥＴ（図１）の望ましい部分である。制御局６５は、リンク６１を通じて、対応する記憶媒体６２に結合されたプロセッサ０を含む。地上局６８は、送信機６３と受信機６７とに結合されたアンテナ６９を含む。送信機６３と受信機６７は、それぞれ、リンク６４，６６を通じて、プロセッサ６０に結合されている。プロセッサ６０は、以下に例示され対応する本文に記載されている手順を実行することが望ましい。送信機６３および／または受信機６７は、衛星１２の地球リンク・アンテナ４８との間でメッセージの送受信を行う。
【００２４】
プロセッサ６０は、総じて、ユーザのアクセス、メッセージの受信および送信、チャネルの設定、無線機の同調、周波数およびタイム・スロットの割り当て、ならびにコントローラ４５（図３）によって管理されないまたは与えられないその他のセルラ無線通信および制御機能の制御および管理を行う。とりわけ、プロセッサ６０および／またはコントローラ４５（図３）は、ユーザに通信システム１０へのアクセスを可能にする手順を実行することが望ましい。これは、以下で論じるチャネル設定用プロトコルおよびその他の関連機能の手順を含む。本発明の一実施例では、制御局６５は、加入者リンク・アンテナ４１（図３）のアンテナ・ビ−ム形成係数を計算し、これらの係数を衛星に送信する。これについては、以下でより詳細に論じることにする。
【００２５】
図５は、本発明の好適実施例によるダイナミック・ビーム形成器５０の簡略ブロック図を示す。簡略化のために、ダイナミック・ビーム形成器５０は、ここでは、送信モードにあるものとして説明するが、ダイナミック・ビーム形成器５０は受信モードでも本質的に同一に動作する。
【００２６】
ビーム形成器５０は、加入者リンク送受信器からの信号を受信する、信号分割器／結合器５７を含む。分割器／結合器５７は、衛星のフットプリントの各アンテナ・ビーム毎に１本の入力を含むことが好ましい。好適実施例では、分割器／結合器５７には４８本の入力がある。分割器／結合器５７は各信号を分割し、各一次元位相シフト・マトリクス５２に同相信号を供給する。好ましくは、各位相シフト・マトリクスは、４８本の入力と４８本の出力とを有する（４８ｘ４８位相シフト・マトリクスと呼ぶ）。複数の位相シフト・マトリクス５２によって、１つの二次元位相シフト・マトリクス５１が構成される。好適実施例では、少なくとも２０個の一次元位相シフト・マトリクス５１がある。その結果、分割器／結合器５７は、その４８本の入力各々に、２０個の出力信号を供給する。
【００２７】
ビーム形成器５０は、複数の一次元位相シフト・マトリクス５４から成る、第２の二次元位相シフト・マトリクス５３も含む。好適実施例では、各一次元位相シフト・マトリクス５４は、２０本の入力と２０本の出力とを有する（２０ｘ２０位相シフト・マトリクスと呼ぶ）。各一次元位相シフト・マトリクス５４は、図示のように、各一次元位相シフト・マトリクス５２に結合されている。好適実施例では、二次元位相シフト・マトリクス５３を構成する、４８個の一次元位相シフト・マトリクス５４がある。二次元位相シフト・マトリクス５３は、複数の信号を分割器／結合器５５に供給し、分割器／結合器５５は複数の信号をアンテナ・パネル５６に供給する。
【００２８】
アンテナ・パネル５６は、分割器／結合器５５からの信号の同相加算および打ち消しを行い、複数のアンテナ・ビームを生成するように構成されている、複数の個別放射器(radiator)５８から成る。好ましくは、アンテナ・パネル５６は、図２に示したものと同様の単一衛星に、セルラ・パターンを発生する。好ましくは、分割器／結合器５５は、各放射器５８毎に、１つの信号をアンテナ・パネル５６に供給する。好適実施例では、ビーム形成器５０は、アンテナ・パネル５６上の１６２個のパッチ放射器５８によって生成された、４８個のアンテナ・ビーム（またはセル）を発生する。
【００２９】
好適実施例では、「Ｍ」個の位相シフト・マトリクス５２、「Ｎ」個の位相シフト・マトリクス５４および「Ｌ」個のパッチ放射器５８があり、「Ｍ」は１０ないし４０の間、「Ｎ」は２６ないし２７の間、「Ｌ」は１００ないし２００の間である。これらの具体的な数は、フットプリント当たりのアンテナ・ビーム数、ビーム投影の精度、所望のサイドローブ・レベル、アンテナ・放射器間の間隔、動作周波数等によって異なる。
【００３０】
ビーム形成器５０は、ビーム・コントローラ９８、メモリ９６およびタイマ９７も含む。ビーム・コントローラ９８は、各位相シフト・マトリクス５２、各位相シフト・マトリクス５４および分割器／結合器５５に、バス９１を通じて制御信号を供給する。制御信号は、ビーム形成係数を含む。ビーム・コントローラ９８からの制御信号は、位相シフト・マトリクス５２，５４に、各出力の位相を調節するよう命令する。ビーム・コントローラ９８からの制御信号は、分割器／結合器５５に、各出力の振幅を調節するよう命令する。好適実施例では、ビーム・コントローラ９８は、４８個の位相制御信号を、２０個の位相シフト・マトリクス５２の各々に供給する。また、好適実施例では、ビーム・コントローラ９８は、２０個の位相制御信号を、４８個の位相シフト・マトリクス５４の各々に供給する。更に、好適実施例では、ビーム・コントローラ９８は、１６２個の振幅制御信号を、分割器／結合器５５の各出力に１つずつ供給する。したがって、合計２０８２個の制御信号が、ビーム・コントローラ９８によって供給される。これらの制御信号はアンテナ・ビーム形成係数を含み、以下で述べるアンテナ・ビーム歩進のために、アンテナ・ビームの振幅および位相制御を行う。
【００３１】
図６は、本発明の好適実施例による、位相シフト・マトリクス８９の一部を示す簡略図である。位相シフト・マトリクス８９は、位相シフト・マトリクス５２，５４のいずれかにおいて、用いることができる。位相シフト・マトリクス８９は、複数の入力８５、固定位相シフトおよび結合部８６、複数の可調節位相シフタ(adjustable phase-shifter)８７および複数の出力８８を有する。簡略化のため、図６では、位相シフト・マトリクス８９の内８本の入出力、および８個の可調節位相シフタ８７のみを示す。好適実施例では、位相シフト・マトリクスは、位相シフト・マトリクス５２に使用する場合は、４８本の入力および出力ならびに４８個の可調節位相シフタを有し、位相シフト・マトリクス５４に使用する場合は、２０本の入力および出力ならびに２０個の可調節位相シフタを有する。各可調節位相シフタには制御線が対応つけられており、ビーム・コントローラ９８（図５）からの制御信号を受け、位相シフタ８７の各可調節位相シフタにおける位相シフト量を制御する。
【００３２】
図７、図８、図９は、本発明の好適実施例による、ある時間間隔の間の異なる時点における、衛星のアンテナ・ビーム投影を示す。ある時間間隔の間の異なる時点を、Ｔ＝１、Ｔ＝２、Ｔ＝３として示す。図７、図８、図９は、地球表面上の軌道面１４にある衛星７１，７２，７３を示す。衛星７１，７２，７３は、それぞれ、フットプリント領域８１，８２，８３として示すアンテナ・ビームを、地面領域７０上に投影する。図７に示す初期軌道位置では、衛星は移動方向（即ち、順方向）にアンテナ・ビームを投影する。その結果、ビームは衛星の移動方向に長くなる。
【００３３】
衛星７１，７２，７３がそれらの軌道に沿って移動するに連れて、アンテナ・ビームは逆に歩進されて、衛星の移動を補償する。したがって、衛星のフットプリントは、この時間間隔の間、実質的に同一地面領域に留っている。この模様を図８に示す。図８では、衛星は時間間隔のほぼ中央として示されている。この時点では、アンテナ・ビームはほぼ下方向に投影される（移動方向に対して、順方向でも逆方向でもない）。その結果、フットプリント領域は、ほぼ円形として示されている。
【００３４】
衛星がそれらの軌道を辿り続けるに連れて、それらのアンテナ・ビームは、時間間隔の終了まで、逆方向に歩進され続ける。時間間隔の終了付近では、アンテナ・ビームは、移動方向とは逆方向に投影される。その結果、フットプリント領域は、図９に示すように、移動方向とは逆方向に長くなる。
【００３５】
時間間隔の間、衛星のフットプリントの全アンテナ・ビームを、ほぼ同時にまたは個別に、増分的に逆歩進させてもよい。衛星のフットプリントの全アンテナ・ビームの逆方向へのステップは、上述の間隔の副間隔(subinterval) 毎に１回行われる。好適実施例では、アンテナ・ビームは、各副間隔毎に、約０．３３ないし０．６７キロメートルの地上距離にわたって逆方向にステップされる。
【００３６】
時間間隔の終了時には、とりわけビームは長くなり過ぎているので、衛星のフットプリントの各アンテナ・ビームを逆方向にステップさせ続けることは、もはや望ましいことではない。更に、地上の有効範囲は、他の衛星が提供するほうがよい場合もある。時間間隔が経過した後、衛星のアンテナ・ビームを、それらの移動方向に順方向にステップ(step forward)させる。順方向にステップする場合、衛星のフットプリント領域のアンテナ・ビームを順方向にステップさせて、前を行く衛星のフットプリント領域を覆う。間隔の終了時に、フットプリント領域のアンテナ・ビームを順方向にステップさせる際、同時でも別個でもよい。
【００３７】
好適実施例では、地球表面上での衛星のフットプリント領域の直径は、約４００ないし８０００キロメートルの範囲であり、衛星のフットプリントのアンテナ・ビームは、間隔の終了時には約４００ないし８０００キロメートル順方向にステップされている。
【００３８】
図１０は、本発明の好適実施例による、時間間隔の開始時付近における衛星のアンテナ・ビーム投影を示す。衛星７２，７３，７４が順方向に歩進された後に新たな時間間隔が開始され、地上領域７０を有効範囲とする。衛星７４のフットプリント８３は、次の間隔の開始時には、図９に示したフットプリント８２の場所を占める。また、衛星７２のフットプリント８２（図１０）は、この次の間隔の開始時には、図９に示したフットプリント８１の場所を占める。衛星７１のフットプリント（図１０には示されていない）は、この次の間隔の開始時には、他の衛星のフットプリントの場所を占める。ある時間間隔の間アンテナ・ビームを逆方向にステップさせ、各時間間隔の後アンテナ・ビームを順方向に歩進させる過程を以下に説明する。
【００３９】
図１１は、本発明の好適実施例に用いて好適な、ビーム歩進手順の簡略フロー・チャートである。手順１００は、メモリ９６およびタイマ９７と共に、ビーム・コントロ−ラ９８（図５）によって実行されることが好ましい。また、手順１００は各時間間隔毎に１回繰り返されることが好ましい。これは、衛星が、軌道面１４（図１）内の隣接する衛星間の軌道上分離距離だけ移動するのに要する時間の所定部分として定義される。好適実施例では、各時間間隔は、軌道上分離距離の半分ないし１／３の間の範囲である。
【００４０】
タスク１０１が間隔を開始する。タスク１０２〜１１２は副間隔の間に実行され、一方タスク１１４〜１２２は各間隔の終了時に実行される。多くの副間隔によって１つの間隔が構成される。タスク１０２〜１１２は、衛星のアンテナを逆方向にステップさせるタスクを実行し、地球表面に対する衛星の移動を補償する。タスク１０２〜１１２は、図７ないし図９の各々に示したように、アンテナ・ビームを逆方向にステップさせるタスクを実行する。タスク１１４〜１２２は、衛星のアンテナ・ビームを順方向にステップさせるタスクを実行し、軌道上で前を行く衛星のフットプリントに取って代わる。例えば、タスク１１４〜１２２は、図９および図１０の間に示すように、ビームを順方向にステップさせるタスクを実行する。
【００４１】
タスク１０２において、ビーム形成係数がメモリから読み出される。ビーム形成係数を計算して、所定の副間隔時間の間に衛星が移動する軌道距離の増分に対応する、地上距離の増分だけアンテナ・ビームを逆方向にステップさせる。好適実施例では、加入者リンク１６（図１）上での通信はＴＤＭＡフレームを含み、各フレームは約９０ミリ秒であり、各副間隔は約１フレーム即ち約０．１秒に等しい。しかしながら、副間隔の時間は、とりわけ、ビーム・コントローラ９８内に配置されたプロセッサの処理能力、アンテナ当たりのアンテナ・ビーム数、およびビーム形成器５０（図５）内に含まれる位相シフト・マトリクス５１，５３の数によって異なる。
【００４２】
タスク１０４において、ビーム形成係数を調節して、アンテナ・ビームを、地上距離の増分だけ逆歩進する。図５を参照すると、ビーム・コントローラ９８は、位相制御信号を位相シフト・マトリクス５１，５３に送出し、振幅制御信号を分割器／結合器５５に送出する。好適実施例では、全てのアンテナ・ビームに対する制御信号は、同時に、位相シフタ・マトリクス５１，５３および分割器／結合器５５に送出される。したがって、アンテナ・ビームの逆方向へのステップが全て同時に行われる。
【００４３】
タスク１１０は、いつ間隔が過ぎたかを判定する。１間隔は、好ましくは、軌道面内の衛星間分離距離の一部に等しい、衛星の軌道移動に対応付けられる。間隔が過ぎていない場合、タスク１１２は次の副時間間隔を開始する。タスク１１２は、次の副間隔まで待つことも可能である。タスク１１２の後、タスク１０２，１０４が次の副時間間隔のために繰り返される。したがって、アンテナ・ビームは、各副時間間隔毎に逆方向にステップされる。
【００４４】
好適実施例では、加入者リンク１６（図１）上の通信はＴＤＭＡフレームを含み、各フレームは約９０ミリ秒であり、各副間隔は約１フレームに等しい。この実施例では、各間隔は、衛星の軌道期間の所定部分を、面当たりの衛星数で割った値に等しい。
【００４５】
所定数の副間隔が過ぎたことがタスク１１０において判定された場合（即ち、衛星が軌道分離距離だけ移動したとき）、タスク１１４が実行される。タスク１１４において、ビーム形成係数がメモリから読み出され、各アンテナ・ビームを順方向にステップさせる。アンテナ・ビームを順方向にステップさせる距離は、１間隔の間に衛星が移動した距離を補償する。この距離は、軌道面内の衛星間の分離距離の一部、即ち、１／３ないし１／２とすることが好ましい。タスク１１６において、ビーム・コントローラ９８は、位相制御信号を位相シフタ・マトリクス５１，５３に供給し、振幅制御信号を分割器／結合器５５に供給する。したがって、各アンテナ・ビームが順方向にステップされて、進んだ軌道位置にある衛星によって既に提供されている地理的位置を有効範囲とする。
【００４６】
タスク１２２は次の時間間隔を開始し、次の時間間隔のために手順を繰り返す。好適実施例では、手順１００は、ほぼ同時に、システム１０（図１）内の全衛星１２によって実行される。言い換えれば、衛星は、各々がほぼ同時にタスク１１６を実行するように、同期が取られている。このようにして、全衛星は同時にそれらのアンテナ・ビームの順方向へのステップを行う。望ましいのは、タスク１０４は、全ての衛星に対して、ほぼ同時に実行されることである。
【００４７】
同期は、タイマ９７（図５）をタイマ４９（図３）と共に使用することによって、達成可能である。あるいは、タスク１１６および／または１０４を実行するときに、ＳＣＳ２８が各衛星に制御信号を送り、これらに指示してもよい。本発明の他の実施例では、タスク１０２，１１４は、衛星メモリに記憶されているテーブルからビーム形成係数を読み出すのではなく、動的に適切なビーム形成係数を計算する。本発明の更に他の実施例では、タスク１０２，１１４において読み出されたビーム形成係数をリアル・タイムで、またはほぼリアルタイムで、ＳＣＳ２８から供給する。ＳＣＳは、これらの係数をメモリに格納しておいても、動的にこれらの係数を計算してもよい。
【００４８】
上述の説明は、本発明の全体的な性質を余すことなく明らかにしているので、現在の知識を適用することによって、全体的な概念から逸脱することなく、かかる具体的な実施例を種々の用途にあわせて、容易に修正および／または改造が可能となろう。したがって、かかる改造および修正は、開示した実施例の均等の意味および範囲内のもとのして解釈すべきであり、そう意図するものである。
【００４９】
また、ここで用いた文章または用語は説明のためあり、限定のためのものではない。したがって、本発明は、特許請求の範囲の精神および広範な範囲に該当する、かかる代替、修正、均等および改造物を全て含むことを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施可能な衛星を基本とする通信システムを示す超簡略図。
【図２】本発明の好適実施例による、地球表面上に形成されたセルラ・パターンの一部を示す簡略図。
【図３】本発明の好適実施例による衛星無線通信局の簡略ブロック図。
【図４】本発明の好適実施例によるシステム制御局と地球端末を示す簡略ブロック図。
【図５】本発明の好適実施例によるダイナミック・ビーム形成器を示す簡略ブロック図。
【図６】本発明による位相シフト・マトリクスの一部を示す簡略構成図。
【図７】本発明の好適実施例による、ある時間間隔内の異なる時点における衛星のアンテナ・ビーム投影を示す図。
【図８】本発明の好適実施例による、ある時間間隔内の異なる時点における衛星のアンテナ・ビーム投影を示す図。
【図９】本発明の好適実施例による、ある時間間隔内の異なる時点における衛星のアンテナ・ビーム投影を示す図。
【図１０】本発明の好適実施例による、ある時間間隔の開始付近における衛星のアンテナ・ビーム投影を示す図。
【図１１】本発明の好適実施例に用いて好適なビーム歩進手順の簡略フロー・チャート。
【符号の説明】
１０通信システム
１２衛星
１４極軌道
１５地球リンク
１６加入者リンク
２２ゲートウエイ
２３クロス・リンク
２４地球端末
２６無線通信加入者ユニット
２８システム制御セグメント
３４セル
３６フットプリント領域
４１アンテナ
４２クロス・リンク送受信機
４３加入者リンク送受信機
４４アンテナ
４５コントローラ
４６地球リンク送受信機
４７メモリ
４８アンテナ
４９タイマ
５０ダイナミック・ビーム形成器
５２一次元位相シフト・マトリクス
５４一次元位相シフト・マトリクス
５３二次元位相シフト・マトリクス
５５分割器／結合器
５６アンテナ・パネル
５７信号分割器／結合器
５８放射器
６２記憶媒体
６５制御局
６８地上局
６９アンテナ
７０地面領域
７１，７２，７３，７４衛星
８１，８２，８３フットプリント領域
８５入力
８６固定位相シフトおよび結合部
８７可調節位相シフタ
８９位相シフト・マトリクス
９１バス
９６メモリ
９７タイマ
９８ビーム・コントローラ
１０２〜１１２，１１４〜１２２タスク

Claims

地球表面に対して移動している複数の衛星（１２）を含む衛星通信システム（１０）において用いるように構成された位相調整アレイ・アンテナ（４１）のアンテナ・ビーム（３４）をステップさせる方法であって、各衛星は、地球表面上に複数の前記アンテナ・ビームを発生し、各複数のアンテナ・ビームは、各衛星に対応するアンテナ・フットプリント（３６）を形成し、
前記複数のアンテナ・ビームの各アンテナ・ビームは、各々に対応付けられたアンテナ・ビームの振幅および位相制御に供するビーム形成係数を有し、前記衛星はある軌道速度で移動し、ある副時間間隔の間軌道上の増加距離を移動し、前記複数のアンテナ・ビームの各アンテナ・ビームは、前記副時間間隔の間、地球表面上の増加地上距離だけ移動し、前記方法は：
ａ）各副時間間隔の間、各アンテナ・ビームに対応付けられた前記ビーム形成係数の各々を変化させ、前記アンテナ・ビームの各々を、前記増加地上距離だけ、前記衛星の進行方向に関して、逆方向にステップさせる段階であって、当該段階（ａ）を所定数の前記副時間間隔にわたって実行し、前記所定数の副時間間隔は前記衛星がある軌道面において隣接する衛星間の軌道分離距離を進行するのに要する時間間隔を構成する、段階；および
ｂ）前記時間間隔の間、各アンテナ・ビームに対応付けられた前記ビーム形成係数の各々を変化させ、前記アンテナ・ビームの各々を、軌道面内において隣接する衛星間の軌道分離距離の一部に対応する地上距離だけ、前記衛星の進行方向に関して順方向にステップさせる段階；
を具備し、前記各副時間間隔の間前記ビーム形成係数の各々を変化させる段階の前に、前記方法はメモリから第１組のビーム形成係数を読み出す段階を含み、かつ前記各副時間間隔の間前記ビーム形成係数の各々を変化させる段階は前記第１組のビーム形成係数をコントローラに提供して前記アンテナ・ビームの位相および振幅を制御する段階を含み、前記第１組のビーム形成係数は各アンテナ・ビームを前記増加地上距離だけ逆方向にステップさせるために計算され、
前記時間間隔の間前記ビーム形成係数の各々を変化させる段階の前に、前記方法は前記メモリから第２組のビーム形成係数を読み出す段階を含み、かつ前記時間間隔の間前記ビーム形成係数の各々を変化させる段階は前記第２組のビーム形成係数を前記コントローラに提供して前記アンテナ・ビームの前記位相および振幅を制御し、前記第２組のビーム形成係数は前記アンテナ・ビームを前記地上距離だけ順方向にステップさせるために計算され、
前記方法は前記各副時間間隔の間前記ビーム形成係数の各々を変化させる段階を反復して実質的に第１の地理的領域のための通信サービスを提供する段階を含み、かつ
前記時間間隔の間前記ビーム形成係数の各々を変化させる段階に続き、前記方法は実質的に第２の地理的領域に通信サービスを提供する段階を含む、
ことを特徴とする方法。
「Ｎ」個のアンテナ・ビーム（３５）を発生し、衛星セルラ通信システム（１０）内の非静止衛星（１２）上で使用するように構成された位相調整アレイ・アンテナ・サブシステムであって：
「Ｍ」個の第１位相シフト・マトリクス（５２）であって、各々「Ｎ」個の入力と「Ｎ」個の出力とを有し、各出力には各々に対応した位相コントローラが設けられ、各入力は前記「Ｎ」個のアンテナ・ビームの１つに対応付けられている、前記第１位相シフト・マトリクス（５２）；
「Ｎ」個の第２位相シフト・マトリクス（５４）であって、各々「Ｍ」個の入力と「Ｍ」個の出力とを有し、前記「Ｍ」個の各出力には各々に対応した位相コントローラが設けられ、前記「Ｍ」個の各入力は各第１位相シフト・マトリクスの出力に結合されている、前記第２位相シフト・マトリクス（５４）；
前記「Ｎ」個の第２位相シフト・マトリクスの前記「Ｍ」個の出力に結合された「ＭｘＮ」個の入力を有する分割器／結合器（５５）であって、「Ｌ」個の出力を与え、該「Ｌ」個の出力には各々に対応した振幅コントローラが設けられ、前記「Ｌ」個の出力は前記「Ｎ」個のアンテナ・ビームを発生する、前記分割／結合器（５５）；
前記各振幅コントローラおよび前記各位相コントローラに制御信号を供給するように構成されたダイナミック・ビーム・コントローラ（９８）であって、前記制御信号は、前記「Ｎ」個のアンテナ・ビームの各々に前記非静止衛星の移動に対する補償を行わせるために逆方向にステップさせる、前記ダイナミック・ビーム・コントローラ（９８）；および
第１および第２組のビーム形成係数を記憶するよう構成されたメモリであって、前記コントローラは前記第１組のビーム形成係数を読み出しかつ前記第１組のビーム形成係数に従って前記振幅および位相コントローラを制御するための前記制御信号を提供するために命令を実行して前記アンテナ・ビームを逆方向にステップさせて第１地理的領域のための通信サービスを提供する手段を有するもの、
を具備し、前記コントローラはまた前記第２組のビーム形成係数を読み出しかつ前記第２組のビーム形成係数に従って前記振幅および位相コントローラを制御するための前記制御信号を提供するために命令を実行して前記アンテナ・ビームを順方向にステップさせ第２地理的領域のための通信サービスを提供する手段を有し、かつ
前記「Ｍ」は１０と４０との間の値を有し、前記「Ｎ」は３６と７２との間の値を有し、かつ前記「Ｌ」は１００と２００との間の値を有する、
ことを特徴とする位相調整アレイ・アンテナ・サブシステム（５２）。
衛星通信システム（１０）における非静止衛星（１２）に適した位相調整アレイ・アンテナ（５２）用のダイナミック・ビーム形成装置（５０）であって：
複数のアンテナ・ビーム（３５）を発生するように構成された位相シフト・マトリクス（５１，５３）；
前記位相シフト・マトリクスにビーム形成係数を与えるように構成されたビーム・コントローラ（９８）であって、前記ビーム形成係数は前記アンテナ・ビームの各々をシフトして前記非静止衛星の移動に対する補償を行う、前記ビーム・コントローラ（９８）；および
前記コントローラに結合され前記ビーム形成係数を記憶するメモリ；
を具備し、
前記ビーム・コントローラは、各アンテナ・ビームを前記衛星の進行方向に関して逆方向にステップさせて前記衛星の移動に対する補償を行いかつ第１地理的領域に通信サービスを提供する第１組のビーム形成係数を読み出し、かつ第２組の前記ビーム形成係数を読み出して各アンテナ・ビームを前記衛星の進行方向に順方向に、前記アンテナ・ビームを所定期間逆方向にステップさせた後、前記アンテナ・ビームによって地球の表面上に形成された１つのフットプリント領域にわたる距離の一部だけステップさせて、前記第１地理的領域に通信サービスを提供した後に第２地理的カバレージに通信サービスを提供するよう構成されている、
ことを特徴とするダイナミック・ビーム形成装置（５０）。