JP7217078B2 - 宇宙におけるセルラコアネットワークおよび無線アクセスネットワークのインフラストラクチャおよび管理 - Google Patents
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Description
本開示は、地上モバイルセルラネットワークと共に通信を提供するように動作し得る宇宙通信ネットワークに関する。
［優先権主張出願および関連出願の相互参照］
［優先権主張出願および関連出願の相互参照］
本願は、２０１８年９月６に出願された「Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｈａｖｉｎｇ Ｂｏｔｈ Ｏｒｂｉｔａｌ Ｎｏｄｅｓ ａｎｄ Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ Ｎｏｄｅｓ ｉｎ ａ Ｃｏｍｍｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ」と題する米国仮特許出願第６２／７２８，０１５号および２０１８年９月６日に出願された「Ｏｒｂｉｔａｌ－Ｂａｓｅｄ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国仮特許出願第６２／７２７，９７２号の優先権を主張すると共に、それらの非仮出願である。
以下の特許／出願が本明細書において参照され得る。
１）２０１７年１２月２８日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｈａｎｄｌｉｎｇ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎ ａｎ Ｏｒｂｉｔａｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｔｈａｔ Ｕｓｅ Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」と題する米国特許出願第１５／８５７，０７３号（以下、「Ｓｐｅｉｄｅｌ Ｉ」）。
２）２０１７年３月２日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｌｏｗ－Ｃｏｓｔ ａｎｄ Ｌｏｗ－Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ Ｉｎｔｅｒ－Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｌｉｎｋ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈｉｎ ａ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ Ｎｅａｒ Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ， Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ， ａｎｄ Ｇｌｏｂａｌ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ」と題する米国仮特許出願第６２／４６５，９４５号（以下、「Ｓｐｅｉｄｅｌ ＩＩ」）。
３）２０１７年４月２６日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎｓ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎ ａｎ Ｏｒｂｉｔａｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ｇｒｏｕｎｄ－Ｂａｓｅｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｄｅｖｉｃｅｓ」と題する米国仮特許出願第６２／４９０，２９８号（以下、「Ｓｐｅｉｄｅｌ ＩＩＩ」）。
上記の特許／出願の開示の全体が、あらゆる目的で、本明細書に完全に記載されているかのように、ここに、参照により組み込まれる。
典型的な地上セルラ電気通信ネットワークでは、複数のモバイルデバイスが、複数の電気通信インフラストラクチャ要素と通信する。この電気通信インフラストラクチャは、限定されるわけではないが、タワー、アンテナ、電波、トランシーバ、デジタル信号、プロセッサ、電気キャビネット、サーバ、コンピュータ等を含み得るハードウェアを備え得る。この電気通信インフラストラクチャは、典型的には、機能および接続により共に、サービスを受ける様々なモバイルデバイスの電気通信トラフィック量を管理するための統合システムとして編成される。この統合システムは、１つまたは複数のネットワークを備え得る。これらのネットワーク自体は、典型的には、様々なインタフェースおよびプロトコルを通じて互いに接続するようにも設計される。これらのプロトコルおよびインタフェースのうちのいくつかは、限定されるわけではないが、ＴＣＰ／ＩＰ、ＩＳＤＮ、ＳＳ７等を含み得る。地上セルラネットワークおよびそれらの機能は、典型的なＬＴＥセルラネットワークの文脈において用いられ得る。しかしながら、この種のネットワークよりも劣る構造および機能が、ＧＳＭ（登録商標）、ＣＤＭＡ、ＥＤＧＥ、ＵＭＴＳ等のネットワークなど、他の地上セルラネットワークのために用いられ得る。
図１は、典型的なＬＴＥ地上セルラネットワークの高レベルアーキテクチャを示す。図１における各ノードは、ネットワーク内の動作中の「ノード」を表す。ノードは、いくつかの実施形態において、電子ハードウェアにより実行およびホスティングされるソフトウェアにより実装される。各ノードは、特定の機能または一組の機能にサービスを提供してよく、制御プレーンのシグナリングおよび／またはユーザプレーンのトラフィックルーティングを担ってよく、制御トラフィックまたはユーザトラフィックをルーティングするための、ネットワーク内の他のノードへのインタフェースを有する。訪問ネットワーク１０２が、無線アクセスネットワーク（ＲＡＮ）１０６およびコアネットワーク１０８をホスティングし得る。訪問ネットワークは、ホームネットワーク１０４と相互作用し得る。ホームネットワーク１０４も、訪問ネットワークと同じかまたは同様の種類の無線アクセスネットワークおよびコアネットワークをホスティングする。簡潔さのために、全ての要素が示されていないことがある。ネットワークは、加入者エンドユーザに応じて、ホームネットワークまたは訪問ネットワークであってよい。
無線アクセスネットワークはＥ－ＵＴＲＡＮであってよく、コアネットワークはＥＰＣであってよい。Ｅ－ＵＴＲＡＮは、エアインタフェース（Ｕｕ）を介したＵＥ１１２との通信を可能にする基地局１１０を備え得る。基地局は、ＬＴＥネットワーク用の基地局であってよい。そのような基地局は、「進化型ノードＢ」基地局または「ＵＴＲＡＮノードＢ」基地局であってよい。これらは各々、「ｅＮｏｄｅＢ」または「基地局」と称されることが多い。基地局は、携帯電話ネットワークとモバイルハンドセット（ＵＥ）とを無線接続するためのハードウェアを含む。
基地局は、Ｘ２インタフェースを介して、互いに接続を維持することで制御シグナリングおよびユーザシグナリングを動かし得る。基地局は、制御プレーンおよびユーザプレーン、つまり、Ｓ１－ＣＰおよびＳ１－ＵＰを通じて、ＥＰＣに接続する。制御プレーンはＭＭＥ１１４にインタフェース接続し、ユーザプレーンインタフェースはＳ－ＧＷ１１６にインタフェース接続する。ＭＭＥは、別の制御インタフェースを通じて、つまり、Ｓ１１インタフェースを通じてＳ－ＧＷに接続してよく、Ｓ１０インタフェースを通じて他のＭＭＥに接続してよく、Ｓ６ａインタフェースを通じてＨＳＳデータベース１２２に接続してよい。ＥＰＣもＰ－ＧＷ１１８をホスティングする。Ｐ－ＧＷは、ホームネットワーク内のＳ５インタフェースを通じて、Ｓ－ＧＷへの制御プレーンおよびユーザプレーンでの接続をする。同様の接続が、訪問ネットワークのＳ－ＧＷとホームネットワーク１２０のＰ－ＧＷとの間に存在し得る。この接続は、Ｓ８インタフェースであり、また、制御プレーンおよびユーザプレーンを含む。Ｐ－ＧＷは、ＰＣＲＦ１２４で制御インタフェースを維持する。Ｐ－ＧＷは、ＳＧｉインタフェースを通じたＰＤＮサーバ１２６への接続を維持する。
図２は、ＬＴＥネットワーク内の各インタフェース用の制御プレーンプロトコルスタックを示す。これは、制御トラフィックを渡すための各ノード接続がどのように実装されるかを説明している。制御プレーンインタフェースは、有線式であってもよく、無線式であってもよい。ＵＥスタック２０２は、アプリケーション層、ＩＰ層、ＰＤＣＰ層、ＲＬＣ層、ＭＡＣ層およびＰＨＹ層を動作させて、ＬＴＥ－Ｕｕインタフェース２１２を介して基地局スタック２０４と通信する。基地局スタックは、アプリケーション層パケットおよびＩＰ層プロトコルパケットを中継するが、ＰＤＣＰ、ＲＬＣ、ＭＡＣおよびＰＨＹ層を用いてエアインタフェースの相互作用およびチャネル割り当ての変調スキームを調整することにより、ＨＡＲＱ、ＡＲＱ等の要件を符号化する。基地局スタックは、Ｓ－ＧＷスタック２０６へのＳ１－Ｕインタフェース２１４を介して、ＵＥからのトラフィックをコアネットワークへルーティングする。基地局とＳ－ＧＷとの間でＩＰベースデータパケットを渡すために、トンネリングプロトコル、つまり、ＧＴＰ－Ｕが用いられる。Ｓ５インタフェースおよびＳ８インタフェース２１６は、Ｓ１インタフェースとほぼ同一である。しかしながら、Ｓ－ＧＷスタックは、ＩＰパケットを中継し、Ｐ－ＧＷスタック２０８は、ＩＰデータパケットを受信する。Ｐ－ＧＷは、ＵＥと、エンドＵＥのためにバックエンドＩＰサービスを提供しているパケットデータネットワーク（ＰＤＮ）スタック２１０との間のＳＧｉインタフェース２１８を用いて、ルーティングＩＰトラフィック用のサービングノードとして機能する。ＵＥ上のアプリケーション層と互換性があるアプリケーション層は、アプリケーション層サービス（例えば、スマートフォンアプリケーション）を提供するＰＤＮ上に存在する。基地局スタック２０４は、Ｘ２－Ｕインタフェース２２０を介して互いに通信する。Ｘ２－Ｕインタフェースは、トンネリングプロトコルＧＴＰ－ＵおよびＳＣＴＰ移送層を用いて、基地局等間のハンドオーバの間、エンドＵＥ用のＩＰデータパケットをルーティングする。
図３は、ＬＴＥネットワーク内の各インタフェース用のユーザプレーンプロトコルスタックを示す。これは、ユーザトラフィックを渡すための各ノード接続がどのように実装され得るかを説明している。ユーザプレーンインタフェースは、有線式であってもよく、無線式であってもよい。ＵＥスタック３０２は、ＬＴＥ－Ｕｕインタフェース３１６を介して基地局スタック３０４と通信する。非アクセス層（ＮＡＳ）は、ＭＭＥスタック３０６とＵＥスタックとの間のＬＴＥ無線遠距離通信プロトコルスタック内の機能層である。ＮＡＳ層は、ネットワークを通じて動くので、通信セッションの確立を管理するために、かつ、ユーザ機器との連続的な通信を維持するために用いられる。基地局スタックは、ＭＭＥとＵＥとの間のこの層を中継すると共に、ＰＤＣＰを用いて、無線リソース制御メッセージをＵＥへ移送する。ＭＭＥスタックは、Ｓ１－Ｃインタフェース３１８を介して基地局スタックと通信する。ＭＭＥは、ＳＣＴＰを用いて、ＮＡＳシグナリングに基づくＳ１－ＡＰプロトコルセッションを移送する。ＭＭＥは、Ｓ１１インタフェース３２０を介してＳ－ＧＷスタック３０８と通信する。このインタフェースは、トンネリングプロトコルおよびＵＤＰを用いて、ＩＰパケットを移送する。また、Ｓ－ＧＷスタックは、Ｓ１１インタフェースと同様の構造を用いて、Ｓ５／Ｓ８制御プレーンインタフェース３２２を介してＰ－ＧＷスタック３１０と通信する。ＵＤＰを用いてＸ２－ＡＰメッセージを移送する、ＵＥスタック３０４間のＸ２－Ｃインタフェース３２４など、さらなるインタフェースが存在する。これは、ＵＥハンドオーバ中の基地局間の制御シグナリングのために用いられる。ＭＭＥスタック３０６は、Ｓ１０インタフェース３２６を介して通信する。これは、ＵＤＰを用いて、トンネリングプロトコルメッセージを移送する。また、ＭＭＥスタックは、Ｓ６ａインタフェース３２８を介してＨＳＳデータベース３１２と通信する。このインタフェースは、ＳＣＴＰを用いて、直径メッセージを移送する。Ｐ－ＧＷスタック３１０をＰＣＲＦデータベース３１４に接続するＳ７インタフェース３３０上で、同じスタックが用いられる。
［モバイルハンドセット／デバイス］
［モバイルハンドセット／デバイス］
一般的に、個々のユーザは、ネットワーク上で動作するモバイルデバイスを携帯する。これらのモバイルデバイスは、典型的には、携帯電話またはセルラ式電話であり、より技術的な専門家の間では、ユーザ機器（ＵＥ）またはモバイルステーション（ＭＳ）と称されることが多い。モバイルデバイスは、マシンツーマシン（Ｍ２Ｍ）またはモノのインターネット（ＩｏＴ）のセルラデバイスまたはセルラモジュールも含み得る。この説明において、説明されている、ネットワークの携帯電話またはエンドユーザデバイスは、ＵＥと称され得る。
ＵＥは、ハードウェアおよびＳＩＭカードを備え得る。ハードウェアは、物理電話またはデバイス自体を含み得る。実際のハードウェアは、デバイスの国際携帯機器識別番号、すなわちＩＭＥＩとして知られる一組の数字を含み得る。この数字は、オンであり、かつ、ネットワーク上で物理デバイスが盗まれたとマーキングされているかどうかをチェックするために、また、他の目的で用いられるハードウェアの正確な部品に固有のものである。物理デバイスは、典型的には、エアインタフェースまたはＲＦインタフェースを介してセルラネットワークとインタフェース接続できるように、トランスミッタおよびレシーバを含む。トランスミッタおよびレシーバと共に、スクリーン／キーボードなどのデジタルインタフェース、またはＧＰＩＯピンなどの電気インタフェースが存在し得る。これらのインタフェースは、デバイスがどのようにネットワークにアクセスし、音声、テキストまたはデータペイロード／データパケットを送信および受信するかを制御するために用いられ得る。
また、ＵＥは、典型的には、ファームウェアと、ユーザが特定の機能にアクセスすることを可能にするアプリケーション層ソフトウェアとを用いてロードされる。これらの機能は、音声通話、ＳＭＳメッセージの送信、インターネットのブラウジングまたは他のアプリケーション（例えば、メッセージング、ゲーム、ストリーミング等）の使用であってよい。ＵＥは、モバイルネットワークとのエアインタフェースを介して特定のデータレートを実現するために、特定の信号レベルまたはＱｏＳを必要とし得る。例として、ＳＭＳテクスティングは、比較的弱いリンクレベルで（かつ、故に、高符号化間接費率において低次変調スキームで、かつ、故に、低データレートで）正常に動作でき、一方、ビデオストリーミングは、合理的なダウンロード回数および品質のビデオストリームのために、より高いデータレート（かつ、故に、低符号化間接費率において高次変調スキーム、かつ、故に、より高いデータレート）を必要とし得る。典型的には、ＵＥは、様々な可能な帯域（例えば、周波数）およびプロトコル（例えば、ＧＳＭ、ＬＴＥ、ＵＭＴＳ、ＣＤＭＡ等）でセルラネットワークにアクセスするように設計される。いくつかのスマートフォンは、「世界電話」と称され得る。なぜなら、それらは、エンドユーザが世界を旅行し、かつ、用いられているセルラプロトコルの違いにかかわらず世界中の様々な位置においてローカルセルラネットワークに接続できる状態のままであることを可能にする帯域およびプロトコルに対応するように設計されているからである。この理由は、ＬＴＥ、ＧＳＭ、ＣＤＭＡ等のプロトコルのための典型的なセルラ帯域割り当てが十分に確立されており、地球中の特定の国における特定のＭＮＯに対してライセンスが割り当てられていることである。
加入者識別情報モジュール、すなわちＳＩＭは、ユーザがネットワークを用いるための加入者識別情報を含む。ＳＩＭ上に格納される様々な数および情報のうちの１つが、ネットワークの特定の加入者に対応する一意の数である国際移動電話加入者識別番号（ＩＭＳＩ）である。いくつかの電話は、複数のＳＩＭカードを可能にする。これは、単一のデバイスが複数のＩＭＳＩを有し得ることを意味する。これにより、エンドユーザは、複数のネットワーク上で「ホーム」ユーザになることを望む場合、複数の国または同じ国においてでさえローカルプランを有することが可能になる。また、ＳＩＭカードは、加入者識別情報を変更して異なるネットワークに「ホーム」加入者として接続するために、デバイスの内部および外部でスワップされ得る。この技術は、旅行することが多く、かつ、旅行する度にローミング料金を支払うことを求めないユーザにとって有利であり得る。
［無線アクセスネットワーク］
［無線アクセスネットワーク］
ネットワークにアクセスすべく、ＵＥは、セルラネットワークの無線アクセスネットワーク（ＲＡＮ）とのエアインタフェースを用いる。ＲＡＮは、名前が示唆するように、無線周波数通信を用いたアクセスを可能にするネットワークであり得る。ＲＡＮは、ネットワーク上のモバイルデバイスと電気通信インフラストラクチャ自体のコアネットワークとの間のインタフェースとして機能する。
ＬＴＥアーキテクチャにおいて、ＲＡＮは、進化型ＵＭＴＳ地上無線アクセスネットワーク（Ｅ－ＵＴＲＡＮ）と称されることが多い。Ｅ－ＵＴＲＡＮは、典型的には、ＵＥと共に物理インタフェースまたはＵｕを実装する機能要素である複数の基地局を備える。物理インタフェースは、タイムスロットおよびリソースブロック（ＲＢ）としての時間および周波数内で中断される。ＲＢは、基地局のスケジューラによりＵＥに割り当てられる。これは、位置、配備構成、カバレッジ要件等に応じてトラフィックフローを最適化する様々なアルゴリズムのうちの１つにより駆動され得る。ネットワーク内の基地局は、Ｘ２インタフェースを通じ互いにインタフェース接続する。これにより、ＵＥがネットワークについてモバイル方式で動作するときに基地局から基地局へのハンドオーバを主にサポートするための通話／テキスト／データパケットの転送およびシグナリングが可能になる。また、基地局は、Ｓ１インタフェースを通じて、ＵＥをコアネットワーク、またはＬＴＥネットワーク内の進化型パケットコア（ＥＰＣ）に接続する。
［コアネットワーク］
［コアネットワーク］
コアネットワークは、ＬＴＥアーキテクチャ内の進化型パケットコア（ＥＰＣ）と呼ばれることが多く、ＵＥが通信する必要があり得る、ＵＥと、ネットワーク、インターネットおよび他のネットワーク／デバイス上の他のＵＥとの間のインタフェースとして動作するセルラネットワーク内のほとんどの許可機能を保持する。他のネットワークおよびインターネットにアクセスすることにより、加入者は、ホームネットワーク上にいないユーザと通信したり、特定のアプリケーション／サーバのためにインターネットとの間でデータをアップロード／ダウンロードしたりすることが可能になる。ＵＥが同じホームネットワーク上の他のＵＥとの通信を望む場合でも、ＥＰＣは、認証を処理することでＵＥのアクセスを可能にする。
ＬＴＥプロトコルを用いる場合、コアネットワークは、典型的には、モビリティ管理エンティティ（ＭＭＥ）と、サービングゲートウェイ（Ｓ－ＧＷ）と、パケットデータネットワーク（ＰＤＮ）ゲートウェイ（Ｐ－ＧＷ）と、ホーム加入者サーバ（ＨＳＳ）とを備える。ＬＴＥにおいて、ＭＭＥは、訪問者位置レジスタ（ＶＬＲ）をホスティングし、ＨＳＳは、ホーム位置レジスタ（ＨＬＲ）、機器識別情報レジスタ（ＥＩＲ）および認証センタ（ＡｕＣ）をホスティングする。ＨＬＲ、ＶＬＲ、ＥＩＲおよびＡｕＣは、ＥＰＣにより管理されるデータベースであり、後でより詳細に説明する。
［モビリティ管理エンティティ（ＭＭＥ）］
［モビリティ管理エンティティ（ＭＭＥ）］
ＥＰＣ内には、いくつかの制御プレーンインタフェースおよびユーザプレーンインタフェースが存在する。Ｅ－ＵＴＲＡＮは、Ｓ１－ＣＰインタフェースと呼ばれるＭＭＥを有する制御プレーンを介してＥＰＣとインタフェース接続する。Ｓ１－ＣＰインタフェースは、非アクセス層（ＮＡＳ）を用いて、通信セッションの確立を管理し、かつ、ユーザ機器が動くときにユーザ機器との連続的な通信を維持する。ＬＴＥ Ｓ１－ＣＰインタフェースは、基地局とＭＭＥとの間のシグナリングプロトコルの配信を担う。Ｓ１－ＣＰインタフェースは、ＩＰを介したストリーム制御伝送プロトコル（ＳＣＴＰ）を備え、単一のＳＣＴＰアソシエーションを通じて複数のＵＥをサポートする。それは、保証型データ配信も提供する。アプリケーションシグナリングプロトコルは、Ｓ１－ＡＰ（アプリケーション）プロトコルである。ＬＴＥ Ｓ１－ＣＰは、進化型パケットシステム（ＥＰＳ）ベアラセットアップ／解放手順、ハンドオーバシグナリング手順、ページング手順およびＮＡＳ移送手順を担う。
また、ＭＭＥは、Ｓ１０インタフェースを通じた他のＭＭＥとの制御プレーンインタフェースと、Ｓ１１インタフェースを通じたＳ－ＧＷと、Ｓ６ａインタフェースを通じたＨＳＳとを有する。
ＭＭＥとＳ－ＧＷとの間のＳ１１インタフェースは通常、多対多インタフェースである。これは、独自のＳ１１インタフェースを各々が有する複数のＳ－ＧＷを単一のＭＭＥが処理できることを意味する。これらの接続は、ＥＰＣ内のＳＡＥベアラの確立を調整するために用いられ得る。ＳＡＥベアラセットアップは、ＭＭＥ（デフォルトＳＡＥベアラ）またはＰ－ＧＷにより開始され得る。Ｓ１１インタフェースを用いることで、ＭＭＥノードは、ＩＰセッションの生成または削除、デフォルトベアラの生成または削除、専用ベアラの生成または削除、専用ベアラを生成または修正／更新するためのルールの追加、ＵＥハンドオーバの実行、Ｓ－ＧＷ再配置でのＸ２ベースＵＥハンドオーバの実行、Ｓ－ＧＷ再配置でのＳ１ベースＵＥハンドオーバの実行をできる。
［サービングゲートウェイ（Ｓ－ＧＷ）］
［サービングゲートウェイ（Ｓ－ＧＷ）］
Ｅ－ＵＴＲＡＮは、Ｓ１－ＵＰインタフェースと呼ばれるＳ－ＧＷを有するユーザプレーンを介してＥＰＣとインタフェース接続する。Ｓ１－ＵＰインタフェースは、基地局とＳ－ＧＷとの間のＬＴＥユーザプレーンプロトコルデータユニット（ＰＤＵ）の非保証型データ配信を提供する。移送ネットワーク層は、ＩＰ移送およびＧＴＰ－Ｕ上に構築される。ＵＤＰ／ＩＰは、基地局とＳ－ＧＷとの間のユーザプレーンＰＤＵを保持する。無線ベアラ１個当たりのＧＴＰトンネルは、ユーザトラフィックを保持する。Ｓ１－ＵＰインタフェースは、基地局とＳ－ＧＷとの間のユーザデータの配信を担う。ＩＰ差別化サービスコードポイント（ＤＳＣＰ）マーキングは、無線ベアラ１個当たりのＱｏＳのためにサポートされる。
Ｓ－ＧＷは、Ｓ５インタフェースまたはＳ８インタフェースを介してＰ－ＧＷと接続することにより、ＧＰＲトンネリングプロトコル（ＧＴＰ）を用いて、ＵＥおよびコアネットワークとの間のパケット用のＩＰルーティングサービスを提供する。Ｓ５インタフェースが単一の（ホーム）ネットワークの内部で用いられるが、異なる事業者間でローミングする場合にＳ８インタフェースが用いられることを除き、原則的に、Ｓ５およびＳ８は、同じインタフェースである。非ローミングの場合、Ｓ－ＧＷおよびＰ－ＧＷの機能は、１つの物理ノード内で実行され得る。
Ｓ５／Ｓ８は、多対多インタフェースであり、ユーザプレーントンネリング、およびサービングＧＷとＰＤＮ ＧＷとの間のトンネル管理を提供する。Ｓ８インタフェースは、ＵＥのモビリティに起因するサービングＧＷの再配置のために、また、必要とされるＰＤＮ接続のために非併置ＰＤＮ ＧＷにサービングＧＷが接続する必要がある場合に用いられる。Ｓ５インタフェースは、ＶＰＬＭＮ内のサービングＧＷとＨＰＬＭＮ内のＰＤＮ ＧＷとの間のユーザプレーンおよび制御プレーンを提供するＰＬＭＮ間基準点である。Ｓ８は、Ｓ５のＰＬＭＮ間変形形態である。
［パケットデータネットワークゲートウェイ（Ｐ－ＧＷ）］
［パケットデータネットワークゲートウェイ（Ｐ－ＧＷ）］
Ｐ－ＧＷは、ＳＧｉインタフェースをＰＤＮに向かって終端させるノードである。ＵＥが複数のＰＤＮにアクセスしている場合、そのＵＥ用の１つよりも多くのＰ－ＧＷが存在し得る。Ｐ－ＧＷは、そのＵＥのトラフィックの出口ポイントおよび入口ポイントになることにより、外部パケットデータネットワークへの接続をＵＥに提供する。ＵＥは、複数のＰＤＮにアクセスするために１つよりも多くのＰ－ＧＷとの同時接続を有し得る。Ｐ－ＧＷは、ポリシの実施と、各ユーザのためのパケットのフィルタリングと、充電サポートと、合法的なインターセプトおよびパケットスクリーニングとを実行する。この基準点は、Ｐ－ＧＷとパケットデータネットワークとの間の接続を提供する。ＳＧｉインタフェースは、外部パブリックまたはプライベートＰＤＮおよび／または内部ＩＭＳサービス提供ネットワークを含む様々なネットワーク種類へのアクセスを提供できる。
［セルラネットワークデータベース］
［セルラネットワークデータベース］
ＬＴＥネットワークは、ＵＥのモビリティを管理するための動作中のクエリのためにだけでなく、認証、課金、ポリシ管理等のためにも用いられる一連のデータベースを管理し得る。ＨＳＳは、ネットワークを用いることができる各加入者についての管理レベル情報を含むデータベースであるＨＬＲのホームである。また、ＨＬＲは、ネットワーク内の加入者が最後に確認された位置をトラッキングするフィールドを含む。この情報は、通話、メッセージまたはデータがルーティングされる必要がある場合にデバイスを配置するためのものであり得る。ユーザが携帯電話またはモバイルデバイスを切り替えた場合、もしくは、それらがネットワーク内の別の位置エリアコード（ＬＡＣ）へ移動した場合、または、おそらくいくつかの規則的な周期にわたって、モバイルデバイスは、ＨＬＲが最新の位置を常に把握するように、それらの位置を更新し得る。典型的には、デバイスの位置は、デバイスの実際の緯度位置／経度位置ではなく、ネットワークの文脈（例えば、デバイスがどの基地局にキャンプオンされているか）において保持される。典型的には、任意のネットワーク内にマスタＨＬＲが１個だけ存在する。しかしながら、そのコピーが、動作効率の向上のために、様々なコアネットワークノードにわたって分配され得る。
ＨＳＳは、ＨＬＲとＡｕＣとが連結されたものであり、プリＩＭＳ ２Ｇ／ＧＳＭネットワークおよび３Ｇ／ＵＭＴＳネットワーク内に２つの機能が既に存在している。ＨＳＳのＨＬＲ部分は、ユーザの識別およびアドレス指定（これは、ＩＭＳＩ（国際移動電話加入者識別番号）およびＭＳＩＳＤＮ（モバイル加入者ＩＳＤＮ番号）または携帯電話番号に対応する）と、ユーザプロファイル情報（これは、サービス加入状態およびユーザ加入サービス品質情報（最大許容ビットレートまたは最大許容トラフィッククラスなど）を含む）とを含む（列挙は非包括的である）ユーザ加入情報を含むデータベースの格納および更新を必要な場合に担う。
ＨＳＳのＡｕＣ部分は、ユーザ識別キーからのセキュリティ情報の生成を担う。このセキュリティ情報は、ＨＬＲに提供され、さらに、ネットワーク内の他のエンティティに伝達される。セキュリティ情報は、ネットワークと端末との間で伝送されるデータおよびシグナリングが盗聴も変更もされないことを保証するためのネットワーク－端末の相互認証ならびに無線経路の暗号化および完全性保護のために用いられ得る。
ＶＬＲは、いくつかの態様のＨＬＲのより小さい一時的なバージョンであり、ＨＬＲからの選択情報を含む。任意の「訪問者」、または、ホームネットワークの一部ではないＥＰＣにより制御される基地局上でローミングするＵＥが、訪問ネットワークのＶＬＲ上に配置される。ＵＥは通常、一度に１つのＶＬＲ内にのみ存在し得る。これは、そのＵＥへのトラフィックのネットワークルーティングにとって非常に重要であり得る。ＶＬＲに格納されたデータは、ユーザのホームネットワークＨＬＲから収集されるか、または基地局を通じてＵＥ自体から直接収集される。ＶＬＲは、トラフィックルーティングが別個のネットワーク間で完了され得るように、加入者の更新された位置のホームＨＳＳをＨＬＲに通知するために用いられる。ユーザは、典型的には正確に、設定された期間（各ネットワークについて構成され／設定され得る期間）にわたって加入者が非アクティブになった時、ＵＥが新しいＶＬＲドメイン位置エリアへローミングした時、または、ユーザがホームネットワーク上へ移行した時に、ＶＬＲから除外される。
ＶＬＲは、ホームネットワークの外部のローミング動作中に一時的な加入者識別情報として効果的に機能するＴＭＳＩを含む各ＩＭＳＩのフィールド値の部分を含み得る。
ＥＩＲは、ネットワークに接続され得るか、またはネットワークへの接続を試み得る特定のハンドセットもしくはモバイル機器またはデバイスの情報を保持するデータベースである。このデータベースは、ＩＭＥＩを用いて、ネットワークにアクセスする権限をデバイスが有しているか否かを判断する。典型的には、電話が盗まれたと報告された場合、デバイスのＩＭＥＩは、盗まれたデバイスとしてそれを関連付けるＥＩＲ内のリストに置かれる。そのように、デバイスがネットワークへの登録を試みた場合、ネットワークは、電話の潜在的な窃盗犯による不適切な使用を防ぐために、そのアクセスを拒否できる。
最終的に、ＡｕＣは、ネットワークに対するデバイス認証に関連する情報を含むデータベースである。ＡｕＣは通常、ＨＬＲにインタフェース接続され、ネットワーク上の特定のＩＭＳＩ用の重要なキーを保持する。これらのキーも、ＵＥ ＳＩＭ上に常駐している。これらのキーをマッチングすることにより、エアインタフェースチャネルを介したデバイスの認証および暗号化（または暗号化）の両方が可能になる。ローミングシナリオにおいて、この認証キー／情報は、ホームＨＬＲからクエリされる。
［ネットワークオペレーションセンタ］
［ネットワークオペレーションセンタ］
地上セルラネットワークの上で説明したコンポーネントは自律的に動作するが、典型的には、あるレベルのヒューマンインタラクションも実装される。ネットワークオペレーションセンタ、すなわちＮＯＣ（動作管理センタ、すなわちＯＭＣとしても知られることがある）は、ネットワークインフラストラクチャの動作およびステータスの制御およびモニタリングを可能にするネットワークのコンポーネントである。ネットワーク内のこのノードは、図１に示されていないが、ネットワーク内の各要素への接続を維持するであろう。例えば、このノードは、基地局／Ｅ－ＵＴＲＡＮサブシステムにおけるトラフィック負荷を制御することにさえ用いられ得る。ＮＯＣは、典型的には、ＬＴＥネットワーク内の各々の基地局、ＭＭＥノード、Ｓ－ＧＷノード、Ｐ－ＧＷノードへの接続を有する。
［Ａ． ネットワーク手順の例］
［Ａ． ネットワーク手順の例］
ネットワークは、手順の長いリストを実装し得るが、特定の具体的な手順が、ほとんどの場合に用いられ、かつ、例えば、モビリティ管理、スペクトル使用等のネットワーク機能にとって重要であり得る。
［Ａ．１ 認証手順］
［Ａ．１ 認証手順］
ＬＴＥネットワーク内の認証手順は、ユーザの識別番号の認証（例えば、それらの加入者番号の検証）およびネットワークへのアクセスの許可または禁止の両方のために用いられる。認証では、ＨＳＳに格納される一意のキーを活用し、ネットワークのＵＥ側およびＭＭＥ側に対する処理を実行することで、値を計算し、結果を比較して認証を検証する。非アクセススペクトル（ＮＡＳ）（例えば、ネットワークルート上の信号／パケット）およびアクセススペクトル（ＡＳ）（例えば、ＵＥと基地局との間のＲＦインタフェース上の信号／パケット）の暗号化（ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ）および暗号化（ｃｉｐｈｅｒｉｎｇ）には、同様の手順が用いられる。
図４は、ＬＴＥネットワーク内でのＵＥ認証のための典型的な処理を示す。この処理は、ＵＥ４０２、基地局４０４、ＭＭＥ４０６およびＨＳＳ４０８を伴う。ＵＥは、ネットワーク４１０へのアタッチの要求をＭＭＥへ送信する。この要求で、ＵＥは、ＵＥとのエアインタフェースの認証および管理のためにネットワークが必要とし得るＩＭＳＩとＵＥハンドセット機能についての他の情報とを送信する。ＭＭＥは、ホームネットワークＨＳＳへの認証データ要求４１２を行う。このメッセージは、応答のためにＨＳＳが必要とするいくつかの他の情報と共に認証を必要とするＩＭＳＩのリストを含み得る。ＨＳＳは、認証ベクトルと呼ばれるものと共に、ＭＭＥ４１４への応答を提供する。
各認証ベクトルは、ＥＰＳ ＡＫＡアルゴリズムと呼ばれるアルゴリズムの実行から得られる出力に関連するＡＵＴＮ値、ＸＲＥ値、ＫＳＡＭＥ値およびＲＡＮＤ値を含む。ＭＭＥは、基地局４１６を通じてＲＡＮＤ値およびＡＵＴＮ値をＵＥに渡す。ＵＥは、この情報を用いてＥＰＳ ＡＫＡアルゴリズムを実行し、次に、ＲＥＳ値を含む、ＭＭＥ４１８への応答を提供する。ＲＥＳ値は、ＨＳＳにより計算されてＭＭＥに提供されるＸＲＥ値に等しくなるべきである。ＭＭＥは、４２０においてこれが当てはまることをチェックし、当てはまる場合には、ＵＥは、ネットワークに対して認証される。
次に、ＭＭＥおよびＵＥは、さらなる手順段階４２２を実行して、ＵＥとネットワークとの間のＡＳ（ＲＦインタフェース）セッションおよびＮＡＳ（ネットワーク制御インタフェース）セッションの暗号化（ｃｉｐｈｅｒｉｎｇ）および暗号化（ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ）を達成し得る。これらの手順は、ＵＥノードおよび／または基地局ノードがアルゴリズムを実行して、ノード間のトラフィックを暗号化するために用いられる前にチェックおよび検証される一意のキーを計算し得るという点で、認証と同様の性質のものである。これらの手順が完了した後に、ＭＭＥは、ＵＥ４２４から元のアタッチ要求を受け入れてよく、ネットワークに正式にアタッチされ、トラフィックを動かすことができるようになってよい。
ＵＥが最初にネットワークへのアクセスを要求した場合に認証がトリガされる。
［Ａ．２ 位置更新手順］
［Ａ．２ 位置更新手順］
古典的なモバイルネットワークでは、ネットワークが情報を配信したりされたりする必要があるＵＥにどのように接触するかをネットワークが把握できるように、各デバイスの位置がトラッキングされ得る。ネットワークが用いる様々なトラッキングパラメータについては、本明細書の他の箇所で説明する。ネットワーク上でのＵＥの位置は、ＨＳＳ内のマスタデータベースからトラッキングされる。ＵＥの位置が変化した場合、それはＨＳＳに反映される。ＵＥが、その独自のホームネットワークではないネットワークに接続された場合、ＵＥの位置は、ＨＳＳおよびＶＬＲの両方によりトラッキングされる。ＶＬＲは、加入者認証情報と、そのネットワーク内でのＵＥの位置とを一時的に格納する。ＵＥの位置が変化した場合、ＶＬＲは、ＨＳＳがＵＥのための位置の変化を管理できるように、位置更新の要求をＨＳＳに対して行い得る。
特定のローミング条件下で、加入者が位置するＭＭＥおよびＶＬＲの物理位置は、認証のためにデバイスが必要とする重要な管理情報を保持するＨＳＳから遠く離れていてよい。ＳＳ７、または様々な地上ネットワークをインタフェース接続する別の媒体を通じて、クエリがルーティングされ得る場合、認証が数分間にわたって行われることがあり得る。特にネットワーク手順に対して、トラフィック負荷が高く、かつ、データベースが遠く離れて位置する場合、これらのネットワーク間相互作用が減速し得る。結果として、外部ネットワークへの最初のアクセスが遅れることがあり得る。しかしながら、ひとたびアクセスが提供されると、典型的には、セルラサービスに関連して典型的なスピードが再開する。
ＵＥが位置更新手順を開始し得る場合のトリガの例が表１に列挙される。
図５は、典型的な位置更新またはトラッキングエリア更新の手順を示す。示されている伴われるノードは、ＵＥ５０２、基地局５０４、新しいＭＭＥ（例えば、新しいトラッキングエリア）５０６、古いＭＭＥ（例えば、古いトラッキングエリア）５０８、Ｓ－ＧＷ５１０およびＨＳＳ５１２である。基地局とＵＥとの間でＲＲＣ接続セットアップが行われた後に、ＵＥは、トラッキング更新要求を開始し得る（５１４）。基地局は、要求を新しいＭＭＥへルーティングし得る（５１６）。新しいＭＭＥは、ＵＥとの認証／セキュリティ手順を実行するために用いる古いＭＭＥからのコンテキスト要求を介して情報を要求し得る（５１８）。古いＭＭＥは、それが要求した情報と共に新しいＭＭＥに応答（５２０）し得る。次に、新しいＭＭＥは、ＵＥを認証する（５２２）。認証が成功した後に、新しいＭＭＥは、古いＭＭＥからの要求コンテキストに確認応答し得る（５２４）。次に、新しいＭＭＥは、Ｓ－ＧＷからのベアラ修正を要求し得る（５２６）。新しいＭＭＥからのベアラ修正要求は、応答され（５２８）、新しいＭＭＥは、ＨＳＳからの位置更新を直ちに要求する（５３０）。ＨＳＳは、古いＭＭＥ上で保持されている現在の位置をキャンセルする（５３２）。キャンセルが古いＭＭＥにより確認応答された（５３４）後に、５３６において、ＨＳＳは、新しいＭＭＥからの位置更新要求に確認応答する。次に、新しいＭＭＥは、ＵＥのＴＡＵ要求５３８を受け入れ、ＵＥは、位置更新手順の完了に確認応答する（５４０）。
［Ａ．３ ハンドオーバ手順］
［Ａ．３ ハンドオーバ手順］
ＵＥモビリティ中は、ＵＥがネットワーク内の１つのセルから別のセルへ遷移する必要がある不可避な例がある。各セルが１つのｅＮＢによりサービスを提供されてよく、複数のｅＮＢが１つのＳ－ＧＷおよび／またはＭＭＥによりサービスを提供されてよい。ｅＮＢのハンドオーバのみが行われる必要があるシナリオが存在し、Ｓ－ＧＷがハンドオーバされる必要がある他のシナリオも存在する。いくつかの例では、Ｐ－ＧＷのハンドオーバさえ必要になり得る。
図６は、ハンドオーバが従来どのようにｅＮＢとＳ－ＧＷとの間で行われ得るかを示す。ハンドオーバ手順において、伴われる要素は、ＵＥ６０２、ソースｅＮＢ６０４、ターゲットｅＮＢ６０６、ＭＭＥ６０８、ソースＳ－ＧＷ６１０、ターゲットＳ－ＧＷ６１２およびＰ－ＧＷ６１４である。ハンドオーバは、ソースｅＮＢおよびソースＳ－ＧＷを通じてＵＥとＰ－ＧＷとの間でＩＰセッションが既に確立された後に行われ得る（６１６）。ＵＥからソースｅＮＢへの測定制御メッセージにより、それとターゲットｅＮＢとの間のハンドオーバの準備がトリガされ得る（６１８）。ターゲットｅＮＢおよびソースｅＮＢは、Ｘ２インタフェースを介してハンドオーバを実行できる（６２０）。ソースｅＮＢは、データをＵＥへダウンリンクできるように（６２４）、ターゲットｅＮＢへのデータの転送を始める（６２２）。この時点で、アップリンクデータは、ターゲットｅＮＢを通過し、ソースＳ－ＧＷを通過し、Ｐ－ＧＷへ戻っている（６２６）。ダウンリンクは、ＵＥに到達する前に、同じＳ－ＧＷを通じてであるが、ソースｅＮＢを通じてターゲットｅＮＢに（Ｘ２インタフェースを通じて）提供される。ターゲットｅＮＢは、ターゲットＳ－ＧＷへのＩＰパケットの経路を切り替えるために、ＭＭＥに対して経路切り替え要求を行う（６２８）。
ＭＭＥは、ターゲットＳ－ＧＷに対してセッション生成要求を行う（６３０）。ターゲットＳ－ＧＷは、Ｐ－ＧＷがＵＥ用のベアラを修正することを要求する（６３２）。Ｐ－ＧＷは、修正ベアラ応答を提供し、ターゲットＳ－ＧＷへのベアラを修正する（６３４）。ターゲットＳ－ＧＷは、ターゲットｅＮＢを通じてＵＥからのＩＰトラフィックを搬送する準備ができていることを示すために、セッション生成応答でＭＭＥに応答する（６４６）。ＭＭＥは、ターゲットｅＮＢからの元の経路切り替え要求に確認応答し（６３８）、アップリンクデータおよびダウンリンクデータは、ＵＥからターゲットｅＮＢへ、ターゲットＳ－ＧＷへ、Ｐ－ＧＷへと流れる（６４０）。これはＳ－ＧＷハンドオーバの完了を示すので、ソースｅＮＢから転送されるためにダウンリンクデータが用いられるリンクは解放される（６４２）。ＭＭＥは、元のソースＳ－ＧＷにより提供されるセッションを削除し（６４４）、ソースＳ－ＧＷは、セッションを閉じた後に応答する（６４６）。Ｓ－ＧＷハンドオーバの後に、ＵＥは、トラッキングエリアを更新する必要があることがあり、ＭＭＥと共にそのようにする（６４８）。
［Ａ．４ マスタ情報ブロック（ＭＩＢ）およびシステム情報ブロック（ＳＩＢ）伝送手順］
［Ａ．４ マスタ情報ブロック（ＭＩＢ）およびシステム情報ブロック（ＳＩＢ）伝送手順］
ＭＩＢ、すなわちマスタ情報ブロックは、任意のユーザが存在しているかどうかにかかわらずＬＴＥ基地局によりブロードキャストされるメッセージまたは情報である。ＭＩＢは、やはり基地局によりブロードキャストされる他のシステム情報ブロックまたはＳＩＢの中でも最初のものである。
ＭＩＢは、ＰＢＣＨ、すなわちダウンリンク上の物理ブロードキャストチャネルと呼ばれる物理層チャネルを用いて伝送される。ＭＩＢは、表２に示されるようにエンコードされる２４ビット値である。
ペイロード内の情報とは別に、ＭＩＢ ＣＲＣは、基地局により用いられる伝送アンテナの数も伝える。ＭＩＢ ＣＲＣは、アンテナ固有のマスクを用いてスクランブルまたはＸＯＲされる。
各々がある周期で伝送され、かつ、ネットワークアクセスについての重要な情報を含む複数のシステム情報ブロックが存在し得る。例として、ＳＩＢ１ブロックは、表３に記載される変数のうちの１つまたは複数を含み得る。
［Ｂ． ＬＴＥにおけるＩＰアドレスの割り当て］
ＬＴＥネットワークは、ＩＰパケット内の全てのユーザトラフィックを配信し、「常時オンＩＰ接続」をユーザに提供するという点で、全てがＩＰネットワークであることが多い。ＵＥがＬＴＥネットワークに参加する場合、パケットデータネットワーク（ＰＤＮ）アドレス（すなわち、ＰＤＮ内で用いられ得るもの）が、ＰＤＮへの接続のためにＵＥに割り当てられ、デフォルトベアラが、ＬＴＥネットワーク内に（すなわち、ＵＥとＰ－ＧＷとの間に）確立される。このデフォルトベアラは、ＵＥがＬＴＥネットワークからデタッチされるまで、接続されたままである（すなわち、最初のアタッチの間にＵＥに割り当てられたＩＰアドレスは、有効なままである）。デフォルトベアラは、ユーザが有する各ＡＰＮ（アクセスポイント名）について確立され、故に、一意のＩＰアドレスが各ＡＰＮに割り当てられる。ＩＰアドレスは、ＩＰｖ４タイプ、ＩＰｖ６タイプまたはＩＰｖ４／ＩＰｖ６タイプであってよい。
ＵＥは、最初にＬＴＥネットワークにアタッチする場合、ＰＤＮ接続を要求する。次に、Ｐ－ＧＷが、ＵＥによりＰＤＮについて用いられるＩＰアドレス（すなわち、ＰＤＮアドレス）を割り当てると共に、それら２者を接続中のデフォルトベアラが確立されている間、それをＵＥへ転送する。このＩＰアドレスで、ＵＥは、ＰＤＮを通じて提供されるサービスを利用できる。
ＩＰアドレスは、ＬＴＥアーキテクチャ内で、静的に、または動的に割り当てられ得る。典型的には、ＩＰアドレスは、各Ｐ－ＧＷ内のＩＰプールが限定されていることが原因で、動的に割り当てられる。ＩＰアドレスの可用性が限定されていることは、典型的にはＩＰｖ４システムに関連するが、ＩＰｖ６システムでは問題になることがより少ない。
動的ＩＰ割り当ての場合、ネットワーク（例えば、Ｐ－ＧＷ）は、ＵＥのＩＰアドレスを自動的に選択する。ネットワーク事業者は、Ｐ－ＧＷにおいて前もって供給されるＩＰプールを有する。その後、次に、ＵＥがＬＴＥネットワークへ最初にアタッチする場合、Ｐ－ＧＷは、ＵＥにＩＰアドレスを動的に割り当てる。したがって、新しい動的ＩＰアドレスは、典型的には、あるＵＥがネットワークへ最初にアタッチする度に、その同じＵＥに割り当てられる。
静的ＩＰ割り当ての場合、ネットワーク事業者は各ＵＥがネットワークに加入すると、それらに永久ＩＰアドレスを割り当てる。事業者は、他の加入情報と共に、ネットワーク（ＨＳＳ）内でＵＥのために供給される割り当てられた静的ＩＰアドレスを有する。その後、次に、ＵＥがＬＴＥネットワークへ最初にアタッチする場合、Ｐ－ＧＷは、ＨＳＳから静的ＩＰアドレスを取得してＵＥへ転送する。したがって、ＵＥがそれ以降最初にアタッチする度に、この特定のＩＰアドレスがＵＥに割り当てられる。
［Ｃ． セルラネットワークのナンバリングおよびアドレス指定］
［Ｃ． セルラネットワークのナンバリングおよびアドレス指定］
モバイルネットワークは、典型的にはモバイルデバイスを管理しており、故に、異なるネットワークＥＰＣノードにより管理されるネットワーク内の基地局にＵＥがアタッチしたり当該基地局からデタッチしたりするときに適切に機能すべく、異なる種類の地理的エリアおよびアドレスを実装し得る。
［Ｃ．１ 地理的エリア］
［Ｃ．１ 地理的エリア］
ＭＭＥプールエリアは、特定のＭＭＥまたは一組のＭＭＥにより制御されるかまたはサービスを提供される地理的エリアである。ＭＭＥエリアは、モバイルデバイスにサービスを提供しているＭＭＥが変更され得る前に当該モバイルデバイスが動作できる物理地域である。Ｓ－ＧＷトラッキングエリアは、特定のＳ－ＧＷまたは一組のＳ－ＧＷにより制御されるかまたはサービスを提供される地理的エリアである。この地理的エリア内で、ＵＥは、サービスを提供しているＳ－ＧＷを変更することなく動作できる。
トラッキングエリアは、ネットワークにより用いられる最も小さい地理的エリアを指す。ＭＭＥプールエリアは、Ｓ－ＧＷトラッキングエリアを含む。Ｓ－ＧＷトラッキングエリアは、それら自体がこれらの小さいトラッキングエリアを含む。トラッキングエリアは、特定のセルタワーセルまたはセルタワーセルのグループくらい小さくてよい（おそらく、半径数ｋｍから最大で半径１００ｋｍにわたるある半径の円により厳密に表される地理的範囲）。これらのトラッキングエリアは、ＧＳＭ内で用いられる位置エリアコード（ＬＡＣ）またはＵＭＴＳ内で用いられるトラッキングエリアと同様であり、名前が示唆するように、スタンバイされている（例えば、ネットワークに接続されており、かつ、トラフィックを移動または受信する準備ができている）、ネットワーク上でのモバイル機器の位置をトラッキングするために用いられる。
したがって、ＬＴＥネットワークは、多くのＭＭＥエリア、さらにより多くのＳ－ＧＷトラッキングエリアおよびさらにより多くのトラッキングエリアを含む。
［Ｃ．２ ネットワーク識別］
［Ｃ．２ ネットワーク識別］
また、ネットワークは、ネットワークレベルアドレスとして用いられる数値識別子のホストを管理する。ネットワークＩＤは、ネットワーク自体を定義するために用いられる。ネットワークは、モバイル国コード（ＭＣＣ）およびモバイルネットワークコード（ＭＮＣ）という２つの一意の識別子の組み合わせまたは連結である公衆陸上移動体ネットワーク（ＰＬＭＮ）コードを用いて識別される。ＭＣＣは３桁コードであり、ＭＮＣは２桁または３桁コードなので、それら２つが連結される場合、ＰＬＭＮは、５桁または６桁コードになる。
ネットワーク内の各ＭＭＥには、ＭＭＥコード、すなわちＭＭＥＣとして知られる一意の識別子が提供される。この識別子は、ネットワークＭＭＥプールの各々における特定のＭＭＥを識別する。同じＭＭＥトラッキングエリア内でグループ化されるＭＭＥには、ＭＭＥグループ識別情報、すなわちＭＭＥＧＩと呼ばれるグループレベルコードが与えられる。ネットワーク内の各ＭＭＥについては、ＭＭＥＣおよびＭＭＥＧＩを連結してＭＭＥ識別子、すなわちＭＭＥＩを生成する別の識別子が用いられる。この識別子は、ネットワーク全体における特定のＭＭＥを識別する。最終的に、ＰＬＭＮおよびＭＭＥＩが連結され、グローバル一意ＭＭＥ識別子、すなわちＧＵＭＭＥＩが生成される。この識別子は、全世界のどこでも特定のＭＭＥを識別する。
トラッキングエリアも、同様の方式のコードで識別される。トラッキングエリアコード、すなわちＴＡＣは、特定のネットワーク内の特定のトラッキングエリアを識別するために用いられる。この番号がＰＬＭＮに連結され、グローバル一意トラッキングエリア識別情報、すなわちＴＡＩが生成される。この識別情報は、地球全体にわたって一意のトラッキングエリアを識別する。
また、ＵＥと通信する必要がある特定のタワーが把握およびトラッキングされるように、ネットワーク内の各セルには、セルＩＤが提供される。このセルＩＤは、Ｅ－ＵＴＲＡＮセル識別子、すなわちＥＣＩと称されることが多い。この値は、特定のネットワーク内のセルを一意に識別する。Ｅ－ＵＴＲＡＮセルグローバル識別子、すなわちＥＣＧＩも存在する。この識別子は、この惑星のどこでも一意のセルを識別する。典型的には０から５０３までの間の数値であり、かつ、近傍の地域内の近接するセルを自らと区別するために用いられるタワーの物理セルＩＤも存在する。
特定のＵＥハードウェアをそれがネットワーク上で動作するときにトラッキングするためのモバイル機器識別子が存在する。前に言及したように、各ＵＥは、１つがハードウェア用で１つがＳＩＭ用である２つの一意の識別子を有する。国際携帯機器識別番号（すなわちＩＭＥＩ）は、一意のハンドセットハードウェアを識別するために用いられる。国際移動電話加入者識別番号（すなわちＩＭＳＩ）は、ネットワーク上の一意の加入者（例えば、ＳＩＭ）を識別するために用いられる。サービングＭＭＥに対して特定のＵＥを識別するために用いられるＭ型一時的移動体加入者識別情報（すなわちＭ－ＴＭＳＩ）も存在する。Ｍ－ＴＭＳＩコードをＭＭＥＣに連結することにより、ネットワークは、サービングＭＭＥプールトラッキングエリアに対して特定のＵＥを識別するために用いられるＳ型一時的移動体加入者識別情報（すなわちＳ－ＴＭＳＩ）を生成する。最終的に、ＰＬＭＮ、ＭＭＥＧＩおよびＳ－ＴＭＳＩを連結することにより、グローバル一意一時的識別情報、すなわちＧＵＴＩが生成される。ＧＵＴＩは、この惑星のどこでも一意のＵＥおよびその一時的アドレスを識別する。
［Ｄ． 無線プロトコルアーキテクチャ］
［Ｄ． 無線プロトコルアーキテクチャ］
無線プロトコルアーキテクチャは、制御プレーンおよびユーザプレーンという２つの別個のプレーンにより定義され得る。ネットワーク内の各ノードインタフェースは、制御プレーン、ユーザプレーン、またはその両方を実装し得る。制御プレーンは、ネットワーク内の様々なノードの間でネットワークシグナリングがパッケージ化および移送される場所である。制御プレーンでは、典型的には無線リソース制御（すなわちＲＲＣ）プロトコルが、ＵＥとセルラネットワークとの間で情報がどのように渡されるかを制御するシグナリングメッセージを生成する。これらのシグナリングメッセージは、適切なシグナリングベアラを用いて移送される。
ユーザプレーンは、実際のデータまたは電気通信ペイロードがＵＥ間かつネットワーク全体にわたって移送される場所である。典型的には、アプリケーションが、ＴＣＰ、ＵＤＰまたはＩＰなどのプロトコルにより処理されるデータパケットを生成する。制御プレーンおよびユーザプレーンの両方について、情報またはシグナリングパケットが、ネットワークに接続されているＵＥへの無線伝送のために最終的に物理層、すなわちＲＦ層に渡される前に、パケットデータ収束プロトコル、すなわちＰＤＣＰ、無線リンク制御プロトコル、すなわちＲＬＣ、および媒体アクセス制御プロトコル、すなわちＭＡＣにより処理される。
図７は、基地局無線プロトコルスタックアーキテクチャを示す。基地局７０６が、必要とされる制御トラフィックおよびユーザトラフィックをそれぞれ移動させるために、ＭＭＥ７０４およびＳ－ＧＷ７０２とのインタフェースを維持する。基地局７０６は、ＭＭＥとの通信を処理する無線リソース制御機能（ＲＲＣ）７０８を有する。無線リソース制御機能は、プロトコルスタック内の下位層へ送信される制御メッセージに関連するさらなる情報を提供するために用いられる、あるサポートスケジューリング機能を含み得る。ＰＤＣＰ７１０、ＲＬＣ７１２、ＭＡＣ７１４およびＰＨＹ７１６は共に、ネットワーク内のＵＥと適切な制御プレーンおよびユーザプレーンとの間でユーザトラフィックおよび制御トラフィックを移送する。ＰＤＣＰは、移送層として機能し、ユーザメッセージおよび制御メッセージを受け取って共通移送チャンネルを生成する。無線リンク制御層は、ユーザ情報および制御情報をパケットへとパケット化する。
ＰＨＹ７１６は、エアインタフェースを介してＭＡＣ移送チャンネルからの情報を保持し、リンク適合ＡＭＣと、電力制御と、最初の同期およびハンドオーバを目的としたセル検索と、ＬＴＥシステム内部およびＲＲＣ層用のシステム間での他の測定とに対処する。
ＭＡＣ７１４層は、論理チャネルと移送チャンネルとの間のマッピングと、１つのまたは異なる論理チャネルから、移送チャンネル上で物理層に配信される移送ブロックＴＢ上への、ＭＡＣ ＳＤＵの多重化と、移送チャンネル上で物理層から配信される移送ブロックＴＢからの１つのまたは異なる論理チャネルからのＭＡＣ ＳＤＵの逆多重化と、情報報告のスケジューリングと、ＨＡＲＱを通じた誤り訂正と、動的スケジューリングによるＵＥ間の優先順位付け処理と、１つのＵＥの論理チャネル間の優先順位付け処理と、論理チャネルの優先順位付けとを担う。
ＲＬＣ７１２は、透明モード（ＴＭ）、未確認応答モード（ＵＭ）および確認応答モード（ＡＭ）という３つの動作モードで動作する。ＲＬＣ層は、上位層ＰＤＵの転送、ＡＲＱを通じた誤り訂正（ＡＭデータ転送についてのみ）、ならびにＲＬＣ ＳＤＵの連結、セグメント化および再アセンブリ（ＵＭデータ転送およびＡＭデータ転送についてのみ）を担う。また、ＲＬＣは、ＲＬＣデータＰＤＵの再セグメント化（ＡＭデータ転送のみ）と、ＲＬＣデータＰＤＵの再注文（ＵＭデータ転送およびＡＭデータ転送についてのみ）と、複製検出（ＵＭデータ転送およびＡＭデータ転送についてのみ）と、ＲＬＣ ＳＤＵの破棄（ＵＭデータ転送およびＡＭデータ転送についてのみ）と、ＲＬＣの再確立と、プロトコル誤差検出（ＡＭデータ転送についてのみ）とを担う。
ＰＤＣＰ７１０層は、ＩＰデータのヘッダの圧縮および圧縮解除と、データの転送（ユーザプレーンまたは制御プレーン）と、ＰＤＣＰシーケンス番号ＳＮの維持と、下位層の再確立時の上位層ＰＤＵのシーケンス内配信と、ＲＬＣ ＡＭでマッピングされる無線ベアラについての下位層の再確立時の下位層ＳＤＵの複製除去と、ユーザプレーンデータおよび制御プレーンデータの暗号化および解読と、制御プレーンデータの完全性の保護および完全性の検証と、タイマベースの破棄、複製破棄とを担う。ＰＤＣＰは、ＤＣＣＨタイプおよびＤＴＣＨタイプの論理チャネル上でマッピングされるＳＲＢおよびＤＲＢのために用いられる。
無線リソース制御機能（ＲＲＣ）７０８のサブ層のサービスおよび機能は、非アクセス層 ＮＡＳに関連するシステム情報のブロードキャストと、アクセス層ＡＳに関連するシステム情報のブロードキャストと、ＵＥとＥ－ＵＴＲＡＮとの間のＲＲＣ接続のページング、確立、維持および解放と、ポイントツーポイント無線ベアラのキーの管理、確立、構成、維持および解放を含むセキュリティ機能とを含む。
ＭＭＥ７０４およびＵＥにより用いられる非アクセス層 ＮＡＳプロトコルは、ユーザ機器ＵＥとＭＭＥとの間の制御プレーンの層を形成する。ＮＡＳプロトコルは、ＵＥとＰ－ＧＷとの間のＩＰ接続を確立および維持するために、ＵＥのモビリティと、セッション管理手順とをサポートする。
［Ｄ．１ ユーザプレーン］
［Ｄ．１ ユーザプレーン］
基地局とＵＥとの間のプロトコルスタックは、ＰＤＣＰ、ＲＬＣ、ＭＡＣおよびＰＨＹ層を含む。ユーザプレーン内では、パケットが、特定のＥＰＣプロトコルにおけるコアネットワーク内でパッケージ化され、Ｓ－ＧＷおよび基地局を通じてＰ－ＧＷとＵＥとの間でトンネリングされる。このプロトコルは、例として、ＩＰプロトコルであってよい。
［Ｄ．２ 制御プレーン］
［Ｄ．２ 制御プレーン］
制御プレーンは、無線リソース制御（すなわちＲＲＣ）層に加えて、ユーザプレーン内の層の各々を含む。ＲＲＣ層は、プロトコルの下位層（ＰＤＣＰ層、ＲＬＣ層およびＭＡＣ層）の構成および制御を担う。ユーザプレーンとは異なり、制御プレーンは、セルラネットワーク内のＵＥとＲＡＮとの間のエアインタフェース固有の機能を処理する。基地局は通常、ＲＲＣと、基地局が制御下の各ＵＥのためにＲＢ、タイムスロット、ＭＣＳ等をどのように割り当てるかとを駆動するスケジューラアルゴリズムを使用する。典型的には、これらのスケジューラアルゴリズムは、ＰＤＣＰ層からＲＲＣへの制御トラフィックフィードバックからだけ知らされる。これらのアルゴリズムは通常、所与の基地局セルにわたるスループットの最適化を試みる。
特定のＵＥの状態に応じて、セルラネットワークは、アイドルモードまたは接続モードという特定のモードでＵＥと相互作用し得る。
アイドルモードは、ＵＥがセルに「キャンプ」オンするように言われる場合のものである。ＵＥは、セルを選択した後にそのセルにキャンプオンできる。ＵＥは、無線リンクの品質と、セルのステータスと、無線アクセス技術とを含む多くの要因に基づいてセルを選択する。アイドルモードでセルにキャンプオンしている間、ＵＥは、ページングチャネルまたは制御チャネルをモニタリングして、着信を検出したり、重要なシステム情報を獲得したりし得る。このモードにおいて、制御プレーンプロトコルは、セルの選択および再選択の手順を含む。
接続モードは、ＵＥがそれ自体とセルラネットワークとの間のトラフィックをアクティブに移動させている場合（例えば、通話中、またはインターネット接続セッション実行中等）のものである。このモードの間、ＵＥは、現在選択されているセルおよび近接セルの情報のために、ダウンリンクチャネルの品質をＲＡＮ（例えば、Ｅ－ＵＴＲＡＮ）に報告し得る。これにより、ＲＡＮは、ＵＥが利用するのに最も適切なセルを選択することが可能になる。この場合、制御プロトコルは、モバイルネットワーク側でのハンドオーバおよびモバイルセル選択性管理を最終的に行うＲＬＣプロトコルを含む。
図８は、モバイルデバイスがネットワーク上およびネットワーク間で動作している場合に用い得る典型的なセル検索手順を示す。
［Ｄ．３ セルの同期および選択手順］
［Ｄ．３ セルの同期および選択手順］
セルの同期は、ＵＥが任意のセル上でのキャンプオンを望む場合のまさしく最初の段階である。このことから、ＵＥは、物理セルＩＤ（ＰＣＩ）、タイムスロットおよびフレーム同期を獲得する。これにより、ＵＥは、特定のネットワークからシステム情報ブロックを読み取ることが可能になり得る。
ＵＥは、自らがどの帯域をサポートしているかに応じて異なる周波数チャネルへと調整することにより、自らの電波を調整し得る。ＵＥは、特定の帯域／チャネルへと現在調整されていると仮定すると、最初に、一次同期信号（ＰＳＳ）を見つける。ＰＳＳは、無線フレームの最初のサブフレーム（サブフレーム０）の最初のタイムスロットの最後のＯＦＤＭシンボル内に位置する。これにより、ＵＥは、あるサブフレームレベルで同期されることが可能になる。ＰＳＳは、サブフレーム５で繰り返される。これは、各サブフレームが１ｍｓなので、ＵＥが５ｍｓベースで同期されることを意味する。ＰＳＳから、ＵＥは、物理層識別情報（０から２）の取得もできる。
次の段階において、ＵＥは、二次同期信号（ＳＳＳ）を見つける。ＳＳＳシンボルは、やはりＰＳＳの同じサブフレーム内ではあるが、ＰＳＳの前のシンボル内に位置する。ＳＳＳから、ＵＥは、物理層セル識別情報グループ番号（０から１６７）を取得できる。
物理層識別情報およびセル識別グループ番号を用いることにより、ＵＥは、自らのセルのＰＣＩを把握する。ＬＴＥ５０４では、物理層セル識別情報（ＰＣＩ）が許容され、一意の１６８個のセル層識別情報グループへ分割される。各グループは、３つの物理層識別情報を含む。先述のように、ＵＥは、ＰＳＳから物理層識別情報を検出し、ＳＳＳから物理層セル識別情報グループを検出する。物理層識別情報＝１であり、セル識別グループ＝２であると仮定すると、所与のセルのＰＣＩは、ＰＣＩ＝３×（物理層セル識別情報グループ）＋物理層識別情報＝３×２＋１＝７である。
ＵＥは、所与のセルのＰＣＩをひとたび把握すると、セル基準信号の位置も把握する。基準信号は、チャネルの推定、セルの選択／再選択およびハンドオーバ手順において用いられる。
ＰＣＩの結果として、ＵＥは、同じスペクトルブロック配備を用いて、他の基地局からターゲット基地局を識別できる。これにより、ほとんどの場合において、１つのネットワーク周波数再使用スキームが可能になる。セル同期手順の後に、ＵＥは、マスタ情報ブロック（ＭＩＢ）およびシステム情報ブロック（ＳＩＢ）の読み取りに進み得る。ＭＩＢおよびＳＩＢは、ダウンリンク制御チャネル上で伝送される情報ブロックである。この情報ブロックは、ＵＥがエアインタフェースを介してネットワークに適切にアクセスするために必要とされる情報を含む。
［Ｅ． セルラネットワーク無線アクセス技術ＰＨＹ］
［Ｅ． セルラネットワーク無線アクセス技術ＰＨＹ］
説明してきたように、セルラネットワークは、ＲＡＮを用いて、ネットワーク上のＵＥをインターネットまたは他のネットワークに接続するためのエアインタフェースまたはＲＦインタフェースを実装する。エアインタフェースリンク要件が満たされており、かつ、メンバーシップ要件が満たされているものと仮定すると、例えば、ネットワーク、またはネットワークが用いるサービスが、ＵＥは、権限を有するグループのメンバである、またはそうでなければ、ネットワークにより提供されるサービスを利用する権限を有している、と判断するような方式でＵＥがそれ自体をネットワークに対して識別済みであると仮定すると、ＵＥとＲＡＮとの間の通信用のプロトコルは、任意の標準的なＵＥが任意のＲＡＮと通信できるようにそれらが標準化されるようなものであってよい。エアインタフェースは通常、特定の無線アクセス技術（ＲＡＴ）と称されることが多い特定のプロトコルを実装する。
いくつかの例示的なＲＡＴプロトコルは、２Ｇまたは「第２世代」ネットワークプロトコルと称されることがあるＧＳＭプロトコルを含む。他の例は、ＧＰＲ（汎用パケット無線サービス）プロトコル、ＥＤＧＥ（ＧＳＭ進化型高速データレートまたはＥＧＰＲＳ）プロトコル、３Ｇ（３ＧＰＰ機関により発展された第３世代３Ｇ ＵＭＴＳ規格）プロトコルまたは第４世代（４Ｇ）ＬＴＥアドバンストプロトコルを含む。
これらのプロトコルには、スペクトル帯域の使用、タイミング、符号化およびコンフリクト解決についてのルールが存在する。基地局が同時に多くのＵＥと通信しなければならい可能性があるので、利用可能な無線通信経路は、プロトコルに従って分割される。所与のプロトコルが、周波数毎、時間毎、コード毎またはそれらのうちの１つよりも多くのもの毎に分割される利用可能な無線通信経路を有し得る。これにより、複数のユーザが同じ無線通信経路を共有することが可能になる。
［Ｆ． ＲＦエアインタフェースリンクバジェット］
［Ｆ． ＲＦエアインタフェースリンクバジェット］
ＵＥとＲＡＮとの間のＲＦエアインタフェースは、ＵＥとモバイルネットワークとの間の接続の品質を駆動し得るものである。ＲＦエアインタフェース接続の信号品質が上がるので、このリンクが十分なビット誤り率で維持され得るデータレートも上がる。ＵＥおよび基地局は、ＬＴＥプロトコルの制御プレーンを用いて、リンク接続の品質についての情報を互いにやり取りし得る。この情報を用いて、基地局は、変調および符号化スキーム（ＭＣＳ）ならびにデバイス伝送電力などのリンク条件を管理することで、ビット誤り率が特定の閾値を超えないことを保証できる。所望されるサービスの種類に応じて、ビット誤り率閾値は、１０＾－２と１０＾－８との間またはそれより良い値のどこにでも変わり得る。ＳＭＳメッセージング、ＳＭＳブロードキャストまたは制御チャネルシグナリングなどのアプリケーションは、最も高いビット誤り閾値で動作してよく、高精細度ビデオストリーミングなどのアプリケーションは、最も低いビット誤り閾値で動作してよい。特定のビット誤り率（ＢＥＲ）を維持するために、基地局は、エアインタフェースを介して当該基地局が通信する各ＵＥにどの変調および符号化スキーム（ＭＣＳ）が用いられるかを管理し得る。
各ＭＣＳは、エアインタフェースを介して特定のデータレートを提供するが、より高いデータレートを可能にするＭＣＳは、エアインタフェースを介して受信されているＲＦ信号の品質についての異なる要件を有する。所与の変調スキームおよび符号化スキームを用いるエアインタフェースを介して明瞭に表現される波形は、対象信号の信号対干渉およびノイズ比、すなわちＳＩＮＲの関数としての異なるビット誤り率を有し得る。ＳＩＮＲは、対象信号のエネルギーと、ノイズおよび干渉の組み合わせのエネルギーとの間の差の、ｄｂで表される測定値である。ＱＰＳＫなどの特定の変調スキームは、低ＳＩＮＲレベルで良好なビット誤り率を提供する。しかしながら、ＱＰＳＫ変調は、変調シンボル１個当たり２ビットのみ、および高次変調スキームよりも低いデータレートを用いる。６４ＱＡＭなどの高次変調スキームは、非常に高いＳＩＮＲレベルでのみ、良好なビット誤り率を提供する。しかしながら、６４ＱＡＭは、変調済みシンボル１個当たり６ビット、および低次変調スキームと比較してより高いデータレートを提供する。
高次変調スキームは、シンボル１個当たりのビットを増やすために、位相変調に加え、振幅変調を活用する。しかしながら、これは、より精密な信号復調についての要件を駆動するものであり、結果として、特定のビット誤り率での十分な復調のために必要とされる信号エネルギーが増す。
表４は、信号エネルギー対ノイズ要件が変調スキームおよび符号化レートと共に変わり得ることを説明する。
［Ｇ． 他の検討事項］
地上モバイルコミュニケーションネットワークにおいて、基地局の配備は、ネットワークのカバレッジ地域を駆動する。ほとんどの場合、基地局無線機器は、収益が生み出され得る高人口密度の地理的エリアをカバーするために、タワー上に配置される。基地局機器をホスティングする典型的なタワーは、設置するのに、また、それがカバーする各平方マイルの関数として動作させるのに、特定の金額がかかり得る。コストは、電力、ユーティリティ、バックホール、メンテナンス、セキュリティ等を含んでよく、サイト、領域等の関数として変わり得る。基地局を配備する意味があるようにするためには、動作させるのに１平方マイルのカバレッジ当たりにかかるよりも、１平方マイル当たり少なくともより多くの収益を生み出す必要があるであろう。
人口密度が減少し、故にモバイルネットワーク事業者の潜在的な収益密度も減少する、世界の地方地域および遠隔地域では、基地局が配備されないことが多い。これらの遠隔地域および地方地域にサービスを有益に提供すべく、十分な人口にわたってスペクトルを拡散させる必要がある。基地局は、上空で動作する高高度プラットフォーム上に配備され得る。しかしながら、これらの解決手段は、技術的な課題があり、プラットフォームの制御が難しくなって動作が非効率的で整合性がないものになってしまう厳しい大気条件の対象となることが多い。追加的に、高高度プラットフォームは、依然として、真にグローバルなカバレッジ解決手段を自ら提供することができない。なぜなら、それらも、その量のカバレッジのためのコストが法外に高過ぎるであろうからである。
モバイルネットワークまたはセルラネットワークとしての地上方式で使用するために配備され得る軌道基地局を有するモバイルネットワークを動作させる方法を説明する。典型的な地上ＲＡＮおよびコアネットワークは、建物およびタワーなどの地上インフラストラクチャの上部または内部に配備されたソフトウェアと、電波と、モデムと、コンピュータと、ラックと、ケーブルと、サーバ等とを備え得る。モバイルネットワークの変形形態では、ＲＡＮおよびコアネットワークの機器／ソフトウェアが、既存の地上ＲＡＮおよびコアネットワーク対応物ならびにインターネットにインタフェース接続するために地上機器によりサポートされる、軌道上の衛星に配備される。特定のネットワーク要素がＬＥＯ軌道、ＭＥＯ軌道またはＧＥＯ軌道上に配置されることで、自宅から宇宙ネットワークまたは他の古典的な地上ネットワークのいずれかへのＵＥ、Ｇ－ＭＳＣ、Ｐ－ＧＷなどの特定の地上インフラストラクチャが動作し得る地球上の戦略的な位置にわたる適切なネットワーキングリンクおよび配置が容易になり得る。
宇宙ネットワークは、一連の拡張を典型的なＬＴＥアーキテクチャに実装し得る。ＥＰＣおよびＥ－ＵＴＲＡＮは両方とも、基地局スタック、ＭＭＥスタック、Ｐ－ＧＷスタックおよびＨＳＳスタックにより使用される機能などで拡張される。ＬＴＥ、ＥＰＣおよびＥ－ＵＴＲＡＮの拡張により、標準的なＵＥハンドセットが地上ネットワークおよび宇宙ネットワークの両方と互換性があるであろうように、標準的なＬＴＥ－Ｕｕインタフェースの連続的な機能が可能になり得る。
また、実施形態は、ＵＥスタックの拡張を実装することで、特に、カバレッジが間欠的であり、かつ、連続的ではない位相において、宇宙ベースセルラネットワークのより最適な使用を容易にし得る。これらのＵＥの拡張は、ＵＥスタック上のユーザプレーンのアプリケーション層またはＵＥスタック丈男制御プレーンの非アクセス層レイヤにおいて定着し得る。
ＥＰＣおよびＥ－ＵＴＲＡＮの拡張に加え、コアネットワーク内の拡張をサポートするためのさらなるデータベースが含まれ得る。これらのデータベースは、地上もしくは軌道上またはその両方で１回または複数回格納されてよく、ネットワークの将来の状態の予測を可能にする、ＭＭＥの（位置、速度、姿勢、ＩＰ接続、カバレッジエリア等に関しての）拡張をサポートし得る。この将来の状態空間予測関数は、軌道周回ネットワークインフラストラクチャの将来の慣性状態ベクトルを決定するための、既知の物理学ならびにネットワークハードウェアの特性およびその動作制約の関数であってよい。慣性状態ベクトルは、位置、速度、加速度、姿勢および姿勢レートであってよい。熱、電力、慣性または質量など、他の状態ベクトルまたは行列／テンソルが含まれ得る。そのようなベクトルの計算は、ネットワーク管理コンピュータシステムにより実行されてよく、結果は、基地局およびＵＥに分配されてよい。
ネットワーク管理コンピュータシステムは、軌道周回インフラストラクチャについての姿勢および軌道の制御法則の仮定を用いて、ネットワークの将来の状態空間予測値を計算し得る。この情報は、データベースに格納されてよく、各周回軌道衛星の機能と、それがオンボードでホスティングするアクチュエータと、その意図される軌道上動作とに応じて、宇宙機固有であってよい。故に、異なるアクチュエータ、能力、設計等を有する同じネットワーク内に異なる宇宙機が存在し得る。重力モデル、大気モデルおよび数値積分スキームを用いて、ネットワーク管理コンピュータシステムは、ＬＥＯにおける衛星軌跡の予測を、かなり正確に、将来の多くの時間、日またはさらには週に行い得る。軌道周回ネットワークインフラストラクチャは、将来のネットワーク接続状態への将来の慣性状態ベクトルについての洞察を取得するためにそのデータを用いてよく、将来の最適なネットワーク動作を予測してよく、地上ネットワーク配備と前もって調整してよい。これは、ハンドオーバのようなもの用の無線リソース制御（ＲＲＣ）機能、非アクセス層（ＮＡＳ）レイヤ機能、ネットワークＩＰルーティングテーブル、モビリティ管理機能、およびシグナリングトリガ／タイマ等を含み得る。
軌道周回ネットワーク全体についての慣性状態ベクトルに基づいて、様々なネットワークノード接続が可能であってよい。各周回軌道衛星は、地上のＵＥ、ネットワーク内の他の衛星または地上の地上局ゲートウェイと通信するために割り当てるための有限数のビームを有し得る。利用可能なビームの数ならびにネットワーク内のノードの相対位置、速度および姿勢に応じて、個別の時点の各々についての一連の接続シナリオが生成され得る。一組の動作ルール、制約および／またはサービス要件が、一連の接続シナリオを評価することで、最も理想的な１つまたは複数を導出し、故に、ネットワーク接続のための動作の理想的な概念を生成するためのフィルタとして課され得る。この動作概念は、軌道操作／維持の行程だけでなく、将来のある時期にある程度の時間にわたって存在するものと予測されるノード接続と、それらの接続の特性（例えば、待ち時間、データレート、周波数、変調スキーム、符号化等）がどのようなものであり得るかとを示すネットワークマップのタイムラインを含み得る。ネットワークプロセッサは、ネットワークマップ予測とネットワークノード接続とに基づいて予測ルーティングテーブルを生成してよく、それらの予測ルーティングテーブルをデータ構造としてネットワーク内のノードのいくつかまたは全てに分配してよい。それらの位置および速度の保存されたデータベースが与えられると、ＭＡＣ層またはＰＨＹ層における動作は、ＵＥの予想されるオーバーパス回数に基づいて予測され得る。
軌道周回モバイルインフラストラクチャからの説明したサービスは、動的（例えば、地表に対して動く）または静的（例えば、動かない）のいずれかである、惑星の周囲のセルに配備され得る。ネットワーク内の様々な対象ポイントの位置を表すポイントのデータベースを管理するために、技術が実装され得る。例として、衛星基地局、地上基地局、衛星地上局またはゲートウェイ、ＵＥの各々の位置、地上のいくつかのメッシュポイントのデータベース、および、地球上の地理空間的ポリゴンの縁、中心またはその両方のいずれかを表すポイントのデータベースが、中央データベースに維持される対象ポイントのリスト中にあってよい。リンクバジェットは、スペクトル、最適カバレッジ統計情報の将来の最適な使用を容易にし、衛星からの伝送を制御し、かつ、軌道周回インフラストラクチャと地上インフラストラクチャとの間で共有するスペクトルを調整するために、同様のまたは同じ周波数を用いている衛星とこれらの対象ポイントとの間のリンクについて経時的にモデル化され得る。
将来のリンクバジェット特性がこれらの様々なポイントにおいて予測され得るので、最適なネットワークルートおよび経路も、これらのポイントにサービスを提供するために、かつ、具体的にどの衛星がどの時点でサービスを行い得るかと、ハンドオーバが、存在する場合、地上の特定の位置へのサービス提供の制御を交換する２つの衛星の間でいつ計画されるであろうかとについて、予測され得る。これにより、コアネットワークシグナリング要件の予期と、トラフィックフローを最適化するためのルーティングとが可能になるであろう。
状態空間予測関数は、例えば、ＭＭＥ、Ｓ－ＧＷ、Ｐ－ＧＷ、ＨＳＳ、ＰＣＲＦ等の典型的な地上セルラインフラストラクチャが値を取る古典的な関数の拡張として、宇宙または地上のハードウェア／ソフトウェアに埋め込まれ得る。状態空間予測関数の結果は、ネットワークの将来の状態についてのインテリジェンスを生成するために用いられ得る。このインテリジェンスは、モバイルネットワーク内で用いられるユーザプレーンおよび制御プレーンの使用を最適化するために用いられ得る無線リソース管理、モビリティ管理、トラッキングエリア管理、Ｓ－ＧＷ間のロードバランシング等についての将来の要件を通知するために、ネットワーク内の各ノードに分配され得る。
宇宙ネットワークは、例えば、Ｓｐｅｉｄｅｌ Ｉにおいて説明されているＧＳＭ、ＬＴＥ、ＥＤＧＥ、ＣＤＭＡ等、モバイルプロトコル用の３ＧＰＰ規格により指定されるものと同様のＲＦインタフェースを実装し得る。Ｓｐｅｉｄｅｌ Ｉは、衛星と地表上のＵＥなどのデバイスとの間の軌道リンクに関連するドップラーシフトおよび伝搬遅延を処理する方法を詳述している。この方法を実装することにより、モバイルコミュニケーションネットワーク用のインフラストラクチャを構築するにはコストがかかり過ぎるか、またはそのようなインフラストラクチャを構築しても有益なインセンティブが単にない様々な種類の宇宙ネットワークが、世界の遠隔エリアおよび地方エリアにおける惑星の周囲での接続上の課題を解決し得る。
添付図面と共に以下の詳細な説明が、本発明の性質および利点についてのより良い理解を提供するであろう。
図を参照して、本開示による様々な実施形態を説明し得る。
本明細書において説明する実施形態では、宇宙通信ネットワークが、地上モバイルセルラネットワークと共に通信を提供するように動作する。地上モバイルセルラネットワークと同様に、宇宙ネットワークは、地上ネットワークに対する相補的な宇宙コンポーネントとしてのＲＡＮおよびコアネットワーク機能を動作させる。地上ネットワークの拡張または補完として、宇宙コンポーネントは、宇宙モバイルＲＡＮおよび地上モバイルＲＡＮとの間でのモバイルデバイスの適切な認証およびハンドオフを可能にするコアネットワーク機能およびＲＡＮ機能を使用する。
以下の説明では、様々な実施形態を説明する。説明の目的で、実施形態についての完全な理解を提供すべく、特定の構成および詳細を記載する。しかしながら、当業者には、実施形態が具体的な詳細なしで実施され得ることも明らかになろう。さらに、説明する実施形態を不明瞭にしないよう、周知の特徴が省略または簡略化され得る。
人口密度が減り、故にモバイルネットワーク事業者の潜在的な収益密度が減る、世界の地方地域および遠隔地域では、基地局が配備されていないことが多い。大きい陸上帯状地帯にわたる標準的なＵＥデバイスへのリンクを閉じることにより専門クライアント機器の必要性を無くすための解決手段に、宇宙ベースモバイルコミュニケーションプラットフォームがなり得る。宇宙ベースＬＴＥネットワーク用の標準的なＵｕインタフェースは、Ｓｐｅｉｄｅｌ Ｉにおいて説明される開示内容と共に用いられ得る。Ｓｐｅｉｄｅｌ Ｉでは、基地局、特にｅＮＢを操作することにより、ＬＴＥ－Ｕｕインタフェース上での基地局とＵＥとの間の軌道リンクのドップラーシフトおよび伝搬遅延に対応するように基地局が拡張され得る方法を説明している。これを行う際、宇宙ベースインフラストラクチャは、地上モバイルネットワークを用いる既存のＵＥをサポートする電気通信ネットワーク用に用いられ得る。
基地局の宇宙ベースモバイルネットワークおよび他の古典的に地上モバイルネットワークインフラストラクチャを動作させることには、いくつかの課題がある。これらの課題は主に、ネットワーク内の基地局無線インタフェースリンクに地球低軌道を用いる必要があることに由来する。課題の１つが、トランスミッタとレシーバとの間のリンクを近付けることである。リンクを閉じることは、伝搬される信号が、レシーバにおいて十分なビット誤り率で正常に復調され得るように、トランスミッタとレシーバとの間の距離を横断し、かつ、ノイズフロアを上回る十分な信号エネルギーレベルを持っていくらか距離的に離れてレシーバに到達するように、トランスミッタからの信号を十分な電力で伝送することを伴う。
軌道周回基地局とＵＥとの間のサービス接続用の所望のデータレートに応じて、特定の信号対ノイズ比要件が存在し得る。アップリンクバジェットは主に、地上のＵＥの伝送電力により駆動され得る。ＬＴＥプロトコルでは、これは２００ｍＷ（２３ｄＢｍ）であってよく、ＧＳＭプロトコルでは、これは２Ｗ（３３ｄＢｍ）であってよい。
地表上の２００ｍＷのデバイスを用いてリンクバジェットを閉鎖するために、かつ、１つの衛星セル／衛星ビームに過度のトラフィックが流入することを回避するために、基地局トランスミッタ／基地局レシーバを有する衛星は、指向性アンテナ技術を用いて地球低軌道で動作し得る。大型アンテナ技術により、軌道基地局の高度が、１０００ｋｍまたは同等程度に達し得る。サブ１ＧＨｚセルラスペクトルの使用は、伝搬特性について有利になり得ると共に、より有利な実施形態において用いられ得る。しかしながら、より小型のアンテナアレイは、ネットワークコストを減らすことで、いくつかの衛星をわずか３００ｋｍに配置し得る（基地局をホスティングする宇宙機に搭載されたスラスタシステムにより軌道が維持され得る場合）。
地球低軌道が必要であることが原因で、軌道基地局を有する惑星のユビキタスカバレッジの実現には、数千個の衛星が伴い得るが、これは依然として、同様のカバレッジに必要とされる地上基地局の数よりも少ない。それにもかかわらず、数千個の衛星を完全に配備するにはしばらくかかることがあり、本明細書において想定されるいくつかの実施形態において、衛星コンスタレーション事業者は、収益を生み出し始めることができ、かつ、惑星全体の連続的なカバレッジを提供し得ないが、惑星にわたる間欠的な基地局オーバーパスを提供し得る、より小さい衛星集団を含む地上の有意義なサービスを提供できる早期段階のネットワーク設計を使用し得る。より単純な設計を用いる第１の衛星集団を、それらが安価に発展され得るように、かつ、より迅速に配備され得るように作ることができるようになることは、有利であり得る。例えば、アンテナの選択は、衛星の差し迫った設計上の検討事項であり得る。検討事項の１つが、限定された範囲を有し、かつ、宇宙機の姿勢に基づいてのみ向けられ得る単一のアンテナであり得る。このオプションは、ビームが宇宙機の姿勢とは無関係に任意の方向に向けられ得るように、ビームフォーミング機能を有するフェーズドアレイアンテナなどの代替的な実施形態よりも設計、発展、構築および試験が単純であり得る。より単純なアンテナ技術が利用される場合、各基地局は、リンクバジェットの仰角に応じて、迅速なオーバーパス／セッションの機会（例えば、３０～６０分毎に２分間の接続）を有し得る。
アンテナの検討事項に加え、質量および電力に関する検討事項も存在し得る。最初の使用事例およびマーケットは、最初の衛星集団に対する電力要件を減らすために、意図的に選択され得る。例として、世界中の選択的な数の国における遠隔ＩｏＴ／Ｍ２Ｍデバイスおよび携帯電話の中でも単純なＳＭＳメッセージング用途のための間欠的なセルラサービスが、宇宙機の技術的要件の緩和を提供し得る。例として、最初の間欠的なサービスがオーストラリア、ニュージーランドおよびフィリピンという国で提供されている場合、これは、衛星が軌道上での時間のうちの５～１０％でビームを伝送することのみを必要とし得る。結果として、宇宙機の動作用の最も高い電力モードは、５～１０％でデューティサイクルされ得る。低データレート用途（例えば、（電気通信サービスについて密な都市エリアと比較して）比較的疎なユーザ用のＳＭＳ）にサービスを提供することにより、軌道周回基地局は、データトラフィック用の単一のＬＴＥリソースブロックにわたって、またはさらに単一の２００ｋＨｚ幅のＧＳＭキャリアにわたって伝送するだけでよい。各キャリアの伝送電力は、２０から３０Ｗでありさえすればよい。ペイロード用の電力増幅器は、宇宙機の電力バジェットを駆動し得る。容易に利用可能なクラスＡまたはＡＢの電力増幅器を用いることにより、Ｐ１ｄＢ（増幅器の線形性が１ｄＢだけ低下する電力出力）で４０～５０％の効率が可能になり得る。結果として、増幅器からの消費電力は、７５Ｗピーク電力以下であってよい。したがって、宇宙機の「ペイロード」は、１００～１２５Ｗ（電力が無線、コンピュータ処理等に含まれた後）のピーク消費電力および１０～１２．５Ｗ以下の軌道平均電力を有し得る。軌道平均電力のこの範囲は、超小型衛星クラスのバス用にうまくサイズが合わされおり、長さ、幅および深さ数十センチメートル（例えば、６Ｕ超小型衛星は、約２０ｃｍ×３０ｃｍ×１０ｃｍであろう）のフォームファクタであってよい。このサイズの衛星は十分に、配備された太陽電池アレイから５０～６０Ｗの軌道平均電力を生成でき、かつ、高電力モードが必要とされている間は放電され得る電池にそのエネルギーを貯蔵できる。
基地局の軌道周回コンスタレーション用のサービスセット／製品ラインにさらなる使用事例およびサービスエリアが追加されるので、より多いスペクトル、より多くのユーザ、より高いデータレートおよびより多くの用途等にサービスを提供するためのより大きいサイズ、電力および機能を有する拡張型宇宙器が、所定の位置に配置され得る。これらの拡張型宇宙器は、商業的に実行可能なままであり得る最初のより限定された宇宙機集団と共存し得る。いくつかの実施形態において、基地局のコンスタレーションは、異なる宇宙機を備え得る。それらが対応できる異なる能力およびサービス（ならびにおそらく、どのような時間量またはどの特定の国）は単に、動作上の制約を考慮に入れて、限定された時間量のためのカバレッジを提供するためにサイズ設定され得る。
地球低軌道上での動作の別の結果は、セルは、地球に対して小さい（かつ故に、多くの衛星を必要とする）が、地上セルラネットワークに対してかなり大きいということである。典型的な地上セルは、２０～３０ｋｍ以下の半径を有し得るが、周回軌道衛星は、３００ｋｍを上回るビーム半径を有し得る。結果として、軌道周回基地局と同時に動作し得る数百個の基地局セルが、地上に存在し得る。スペクトルが宇宙ネットワークだけに割り当てられるシナリオでは、このことは、いかなる課題も示し得ない。なぜなら、宇宙ネットワークと地上ネットワークとの間の周波数帯域が異なることで、干渉が防がれるからである。しかしながら、宇宙ネットワークが既存の地上ネットワークの拡張型として機能し、同様のまたは同じスペクトルを用いるいくつかの実施形態が存在し得る。これは、電気通信サービス用の専用スペクトルを獲得するのに財務およびビジネス上の困難があるいくつかの例において好ましいことがある。既存の地上ネットワーク事業者が所有し動作させるスペクトルのサブライセンスの使用は、より単純であり得る。本実施形態は、潜在的なセル間干渉を排除するために既存のセルラネットワークにより用いられるものに加え、いくつかのスペクトル管理技術を用い得る。
しかしながら、既存の地上ネットワークの動的な修正を含まない宇宙基地局と地上基地局との間のスペクトルを共有する代替的な実施形態と、既存のＭＮＯネットワークインフラストラクチャの拡張型を用いない実施形態とが存在し得る。衛星が地上ネットワークに対して動くので、この管理技術は、スペクトルの配備が経時的に動的に管理される時間的な特徴を伴い得る。
地球低軌道上を動きつつカバレッジをＵＥに提供する衛星の場合、それらは、地上のＵＥよりもかなり速く（～７－７．８ｋｍ／ｓ）動く。結果として、ネットワークインフラストラクチャは、効果的にモバイルであり、地上のＵＥは、（それらがゆっくり動いている場合でも）静的であるとみなされ得る。宇宙ネットワークの観点からすると、所与の分、時間またはさらに日におけるＵＥの動きは、衛星が地上セルからのカバレッジを既に有していない場合、衛星が所与の時間において、いつおよびどのようなカバレッジを提供中であり得るかに関して、比較的取るに足らないものですらある。この特徴は、有利なことに、いくつかのネットワーキング解決手段において用いられ得る。
本開示は、基地局、Ｓ－ＧＷ、ＭＭＥおよび／またはＰ－ＧＷの機能をホスティングする一組の軌道周回インフラストラクチャを管理するための実施形態を説明する。軌道周回コンスタレーションの動的な動きによってモビリティ管理がより複雑になるが、より独自の要件があれば、軌道ダイナミクスの予測可能性を活用して将来の状態空間をネットワークに通知でき、結果として、多くの機能について制御プレーンの動作を通知／予期できる。ネットワークレベルでは、待ち時間、ルーティングおよび理想的なカバレッジパターン／動作を理解することは、はるかに複雑な計算である。なぜなら、これらのものは、典型的には、地上モバイルネットワーク配備において静的または一定だからである。ネットワークＩＰトラフィックルーティングは、動的であってよく、軌道周回インフラストラクチャおよび地上インフラストラクチャが互いに相対的に動くにつれて、間欠的に接続および切断してよい。
モビリティ管理の課題に加え、基地局には、ＲＡＮ配備の課題もある。地上ＲＡＮ配備が直面する典型的な課題を別にすれば、各衛星の動きは本質的に、各衛星が任意の時点で地球上の全てのポイントをカバー中であり得ることを意味する。結果として、基地局は、軌道上の異なるポイントにおける異なる地上ネットワークの拡張型として動作し得る。地球の周囲で異なるように特定の周波数がライセンスされてよく、ＭＣＣ、ＭＮＣ、マスタ情報ブロックおよびシステム情報ブロックが変更され得る。用いられる特定の技術（２Ｇ、４Ｇ等）が変更され得る。結果として、これらの要件の記録、および、基地局がサービスを提供中である特定の位置に対応するように基地局の設定を動的に再構成するためのコントローラも存在し得る。
ユーザにとって任意の所与の衛星または利用可能な無線インタフェースが離れるわずか数分前に利用可能になり、別の異なるエアインタフェースが利用可能になり得ることにより、宇宙ベース電気通信ネットワークについて、ネットワーキングシグナリング待ち時間の他の課題も生じる。
良い例が認証の課題である。ネットワークへの接続を試みる任意のデバイスは、理想的には、衛星オーバーパス時間よりも短い時間枠内にネットワークに対して認証することを望み得る。そうでなければ、当該デバイスは、ネットワークに対して決して認証できない可能性がある。典型的には、ローミングネットワーク上での、またはホームネットワーク認証データベース（宇宙におけるネットワークなど）から遠く離れて動作するネットワーク上での認証には、衛星オーバーパスの時間量を凌ぎ得る時間量がかかり得る。ネットワークは、オーバーパス時間を増やすように設計され得るが、軌道周回電気通信インフラストラクチャのネットワークを考慮する場合には、急速な認証手順を可能にすること、または遅い認証に対処することが重要になる。
別の例は、（ローミングプロバイダとしての）宇宙ネットワークと（ホームネットワークとしての）地上ネットワークとの間の相互作用であり得る。衛星が数分毎に飛行するので、ネットワークは、衛星の各々のトラッキングエリアコードをどのように伝送するかを管理する必要があり得る。なぜなら、ＵＥは、ＴＡＣの変更を経る度に、または異なるＶＬＲ／ＭＭＥによりサービスを提供される度に、自らの位置を自動的に更新し得るからである。これは、ホームネットワークでのＨＳＳ更新を必要とし得ると共に、全てのユーザがそれらの位置を数分毎に更新する必要があり、かつ、グローバルネットワーク上のユーザの数が世界の大部分の地域にわたる典型的な電気通信加入者総数（数億人または場合によっては数十億人の加入者）を表す場合、実質的なネットワークオーバヘッドをもたらし得る。
最終的に、電気通信トラフィックのハンドオーバは、宇宙ベース電気通信ネットワーク内で複雑になり得る。各衛星が数分間から１０分間、所与のエリアにわたってオーバーパスを有し得るのみなので、配備された軌道およびアンテナに応じて、カバレッジの変化に各衛星が対応するために、衛星ネットワーク内で永久的なハンドオーバシグナリングが行われる必要があり得る。ＵＥ間のハンドオーバに加え、衛星の位置の状態の変化および故にネットワーク待ち時間の状態のばらつきならびに軌道周回インフラストラクチャと、地上モバイルネットワーク、インターネット等へのゲートウェイとして機能する地上のインフラストラクチャとからのルートに基づく衛星間リンク内のハンドオーバに伴う課題が存在し得る。これらは、本明細書において説明する方法および装置を用いて対処し得る。
［ネットワーク設計の検討事項／概念］
［ネットワーク設計の検討事項／概念］
可能にするために宇宙機セルラネットワークが求めるサービスのレベルと、どれくらいのユーザを対象とするかとに応じて、宇宙ネットワークＲＡＮのＲＦフロントエンドは、異なる構成で設計され得る。データレート要件が低く、かつ、デバイスが遠隔エリア内で疎に分散され得るＩｏＴデバイスまたはＭ２Ｍデバイスなどのデバイスに関連するサービス用途では、所望の量のサービススペクトルに対するＥＩＲＰ要件の低減が行われ得る。サービススペクトルの量は、衛星ネットワークがどれくらいのユーザにサービスを提供する必要があるかにより駆動され得る。特に、スペクトルは、衛星ネットワークを用いる必要がある単一のスポットビーム内の同時に存在するユーザの数に合うようにサイズ設定される必要がある。
衛星ベースモバイルネットワークは、下方の地上モバイルネットワークと連携して動作するように、したがって、十分なスペクトルのみを配備して、本明細書において説明する地上モバイルネットワークのギャップを埋めるように構成／設計され得る。この構成において、依然としてカバレッジがない低人口密度エリアのカバレッジ用の宇宙ネットワークに小さなスペクトルスライバーが割り当てられ得るが、大部分は、（地上セルがより小さい）地上ネットワークに割り当てられてよく、高人口密度領域内のカバレッジ用のスペクトルをより密に再使用できる。そのような構成は安価に購入され得る遠隔セルラベースＩｏＴデバイス（例えば、ＧＳＭベースまたはＬＴＥベース）向けのサービスのために採用され得る。ＩｏＴの使用事例では、信号レベル要件が低いことにより、ダウンリンクを所望のデータレートで閉じるためのリンクの衛星端でのより低いＥＩＲＰが可能になる。より低いＥＩＲＰにより、衛星Ｔｘの電力要件とアンテナのサイズとの間のトレードオフのある程度の低減が可能になる。アンテナのサイズは、アンテナ指向性およびビーム幅、ならびに故にスポットビームサイズなど、ネットワーク内の他の設計要因を駆動し得る。これにより、スペクトルがどれくらいの頻度で宇宙ネットワークにより再使用され得るかも駆動される。これは、惑星のユビキタスで連続的なカバレッジを実現すべく、より多くの衛星、または軌道からカバレッジを提供する衛星１個当たりより多くのスポットビームをトレードしたことによるものである。複数個のスポットビームが装備された各衛星は、スポットビームにより画定される地球の合計面積に対して、カバレッジエリアまたはカバレッジフットプリントと称されるカバレッジを提供する。
［Ａ.１ 衛星の最適数の決定］
［Ａ.１ 衛星の最適数の決定］
衛星ネットワークは、各々がいくつかのカバレッジフットプリントを有する複数個の衛星と、各衛星用の複数個の潜在的なスポットビームとで設計され得る。衛星の数が限定されている場合にはカバレッジフットプリントが重複せず、地上のサービスは、間欠的になり得る。これは、地上カバレッジが存在しない世界の遠隔エリアにおける特定の使用事例にとって有用であり得る。衛星軌道およびフットプリントサイズ（ならびにフットプリント内のビームがどのように動作させられるか）に応じて、ネットワーク内の所与の衛星からの１分から１５分のカバレッジ時間がどこにでも存在し得る。衛星の数と衛星が存在する軌道の数に応じて、１２時間毎、６時間毎、１時間毎、３０分毎、１０分毎、１分毎等に１回、このレベルの接続が行われ得る。より多くの衛星がネットワークに追加されるので、接続の間欠がより少なくなり得る。
例として、以下の表５は、オーバーパスの数、接続分数およびオーバーパス間の時が衛星の数の関数としてどのように見積もられ得るかを説明し得る。この特定の例では、地球の周囲の５０３ｋｍの円形軌道上にある、赤道に対して５１．６度傾斜した衛星を解析する。衛星は、３つの一意の繰り返す地上トラッキング内で、地球の周囲で等間隔になっているであろう。この解析において、衛星基地局は、衛星フットプリントを表すおおよそ４５度の最小仰角を有するものと想定されている。表５内の各行および各列の値の範囲は、赤道およびそれよりも高い所（または低い緯度）におけるサービスのバリエーションに対応し得る。特に、この場合、より良いサービス数（より多くのオーバーパス、より長い接続時間およびより短い間欠間隔）は、およそ北緯５１．６度または南緯５１．６度における全ての経度に対応する。より悪い２つの数は、赤道に対する全ての経度に対応する。
［Ａ．２ 軌道構成］
宇宙ベースインフラストラクチャは、おそらくＧＥＯ軌道、ＭＥＯ軌道またはＬＥＯ軌道といった様々な異なる軌道に位置し得る。ＧＥＯ軌道は、円形形状であってよく、地表から約３５，７８６ｋｍの高度で動作し得る。ＧＥＯ軌道は、地球の所望のカバレッジダイナミクスまたはそれよりも下の他の軌道周回宇宙機に応じて、赤道上に存在してもよく、傾斜していてもよい。ＭＥＯ軌道も、円形であり得ると共に、ＬＥＯの上縁（約高度２，０００ｋｍ）とＧＥＯの上縁（約高度３５，０００ｋｍ）との間の高度で赤道に対して何度か傾斜していてよい。ＬＥＯ軌道も、カバレッジ要件に応じて傾斜していてよく、約２５０ｋｍから２０００ｋｍの間の高度で動作し得る。高度４５０ｋｍよりも下では、大気抵抗が、宇宙機推進力要件のかなりの促進要因である。
一般的に、傾斜角度は、所望の緯度カバレッジに対応する。極（９０度傾斜）軌道は、南北緯度９０度間の全ての経度（例えば、惑星全体）にカバレッジを提供できる。例として５１．６度の傾斜などの中度傾斜軌道（国際宇宙ステーションの傾斜）は、南北緯度５１．６度（加えて、そのカバレッジフットプリントの角半径または「半地球角度」）間の全ての経度にカバレッジを提供する。赤道上の軌道は、南北緯度の度単位でカバレッジフットプリントの地球角度の１／２の間の全ての経度にカバレッジを提供する。
ネットワーク内の特定の地域またはより低い軌道の反復的であるが拡張されたカバレッジを提供するために、非常に離心した軌道が用いられ得る。非常に離心した軌道は、軌道のより高い高度部分では、ゆっくりした移動速度を提供し（拡張された、またはより長引くカバレッジを提供し）、軌道のより低い高度部分では、より速い移動速度を提供する。離心軌道における地球のより高い高度部分の位置は、地球または所望のカバレッジエリアに対して動き得る。非常に離心した軌道は、近地点の引数の歳差運動により影響を受ける。しかしながら、赤道に対して６３．４度だけ傾斜している場合には、この永年歳差運動がなくなる。そのような軌道は、モルニヤ軌道として知られてよく、地球上の特定の領域にわたる、またはより低い軌道（ＬＥＯなど）における軌道滞留時間を固定するために用いられ得る。
同じＵＥ加入者プールにサービスを行い、かつ、モビリティ管理を提供しつつ地上ネットワークと通信する宇宙ネットワーク用のＩＳＬおよび地上局を通じてＧＥＯ、ＭＥＯおよびＬＥＯまたはそれらのいくつかの組み合わせが様々なネットワーク要素をホスティングするコンスタレーションでは、様々な軌道が用いられ得る。
［Ａ．３ 宇宙ネットワーク配備の位相／スタイル］
［Ａ．３ 宇宙ネットワーク配備の位相／スタイル］
宇宙ベースＲＡＮは、独自のスペクトル資産を有するその独自のネットワークとして配備され得る。これにより、特に、少数の衛星を用いる場合に、そのＲＡＮ周波数ライセンスの配備が比較的単純になる。
代替的に、宇宙ベースＲＡＮは、ＭＮＯとの合意で、既存の地上ＭＮＯスペクトルの使用のためのサブライセンスが存在するグローバル共有ローミングネットワークとして配備され得る。この場合において、宇宙コンポーネントにスペクトルが厳密に割り当てられないときは、スペクトルの配備には、地上ＭＮＯネットワークとの動的調整が必要となり得る。これは、宇宙コンポーネントからのカバレッジがＬＥＯ基地局によってのみ、数分毎、例えば、１５分毎、３０分毎、６０分毎、１２０分毎または３６０分毎に利用可能になり得る間欠的コンスタレーションの場合、望ましいことではないことがある。
宇宙ネットワークが動作中ではない時間の間、地上ネットワークは、スペクトルを利用でき得るが、そうでなければ、軌道よりも上にいる間、動作するであろう。結果として、特定の衛星が、いつ、より下のネットワーク内の既存の地上セルと重複するカバレッジ上にあり、かつ、当該カバレッジを提供できるかを把握しておくのが望ましいことがある。
本明細書において説明する基地局のコンスタレーションの位相調整の進歩の点に加えて、ビームフォーミングアンテナがない衛星基地局とビームフォーミングアンテナがある衛星基地局とを備え得る衛星ネットワークの理想的な動作手順／行程を計算するために、新規な方法が用いられ得る。衛星は、典型的には、地上での規制によって課される要件に準拠するように、また、互いの干渉および他の地上セルとの干渉を回避するように制約を受ける。さらに、コンスタレーション（またはおそらくさらには、衛星の選択「集団」または「生産運転」）内の各衛星は、異なる技術的能力を有し得る。例には、最大消費電力要件、軌道平均電力取り入れ、電池容量、それが配備できるスペクトル帯域幅、ペイロード／基地局デューティサイクル要件、推力、姿勢制御、メモリ、処理能力等が含まれ得る。
共有通信ネットワーク内の宇宙機の間の技術的機能のばらつきは、これらの技術を用いて処理され得る。これは、コンスタレーションが構築フェーズにある場合に有用であり得る。数千個の衛星のコンスタレーションを発射するには数年かかることがあり、その間、衛星の小集団を開発して特定の使用事例用の最初のサービスを提供することが収益を生み出すベンチャー事業になり得る。特定の例は、間欠的かつ整合性がない方式での遠隔エリアにおける接続から恩恵を受け得るＩｏＴ／Ｍ２Ｍの使用事例であってよい。間欠的なサービスには、ハンドセットからのメッセージングの格納および転送ＳＭＳなど、他の使用事例も存在し得る。
早期の使用事例では、より少なく、かつ、より能力が低い衛星が望ましいことがある。なぜなら、それにより資金投資コストが減り得るからである。そのような例は、時間もうまく開発するための金もかかり得るビームフォーミングアレイであり得る。結果として、１２個または２４個の非ビームフォーミング衛星で構成される最初のコンスタレーションが、最初のサービスのためのＬＥＯへ配備され得る。経時的に新しい衛星が開発および発射され得るが、古い設計でも動作し続け得る。最初の新しい衛星のソフトウェア互換性（またはアップグレード性）を、それらのソフトウェアが共に共生的に動作できるように保証するために、設計上の検討事項が取り入れられ得る。
経時的に、新しい衛星が段階的に導入および廃止されるので、それらの能力は、本開示により活用され後で説明されるデータベースに個々に記録され得る。この情報が追加および更新されるので、本明細書において説明するように実行される計算は、動作の変化に対応できる。
［Ａ．４ ネットワークアーキテクチャの例］
［Ａ．４ ネットワークアーキテクチャの例］
宇宙ネットワークは、地上ＬＴＥネットワークと同様の構造を有するが、いくつかの拡張がなされ、ＥＰＣおよびＥ－ＵＴＲＡＮの主に内部のさらなる要素を有するアーキテクチャを使用し得る。拡張により宇宙ベースセルラネットワークの最適な機能が可能になるが、それらは、任意の修正を必ずしも必要とすることなく、地球上の標準的な地上ネットワークと通信する機能を維持する。しかしながら、宇宙ベースネットワークと同様に、より洗練されたスペクトル共有技術との互換性を有するように地上モバイルネットワークも拡張される実施形態が、例として存在し得る。さらに、宇宙ベースセルラネットワークの拡張を念頭に置いてエンドユーザハンドセットが修正される別の実施形態では、拡張型ＵＥが存在し得る。例として、それらは、ＥＰＣ（地上または宇宙のいずれか）を通じて提供され得る。制御プレーンまたはユーザプレーン（例えば、ハンドセットアプリケーション）を用いて、宇宙ネットワークによる予想可能なオーバーパス機会これは、宇宙ネットワークへの接続を容易にするためのネットワークスキャン手順を、それが利用可能になり得ることをＵＥが把握している場合に最適化することに対して有利であり得る。
一実施形態におけるネットワークアーキテクチャの拡張は、ＭＭＥ、基地局、ＨＳＳ、および場合によってはＵＥを伴い得る。本実施形態における宇宙ネットワークアーキテクチャには、宇宙ベースインフラストラクチャ内のネットワークノードの動作に直接影響を与えるか、または当該動作により影響を受けるさらなる要素が追加され得る。これらのさらなる要素は、ネットワークデータベース（ネットＤＢ）と、ネットワークテレメトリ、トラッキング、制御、コマンドおよびデータ処理（ＴＴＣＣ＆ＤＨ）機能と、宇宙機飛行ソフトウェアシステムとを含み得る。宇宙ネットワーク内のさらなる要素は、拡張型ＭＭＥにインタフェース接続され得る。このインタフェース接続は、ソフトウェア内で行われ得る。
宇宙ネットワークは、地球の周囲の衛星および地上局上の一組の分散インフラストラクチャコンポーネントとして動作し得る。各宇宙機は、衛星上の衛星間リンク無線および地上局無線にそれらが利用可能である場合にアクセスできるネットワークスイッチへインタフェース接続し得る飛行コンピュータまたは一組のコンピュータをホスティングし得る。各飛行コンピュータが、特定のネットワークノード機能（例えば、拡張型ＭＭＥ、Ｓ－ＧＷ、Ｐ－ＧＷ等）に対して割り当てられ得るか、または、単一の飛行コンピュータが、それらの機能を「ネットワークインボックス」として１つのパッケージで使用し得る。単一のコンピュータが、基地局（場合によっては複数の基地局）、拡張型ＭＭＥ、拡張型ＨＳＳ、Ｓ－ＧＷ、Ｐ－ＧＷ等の仮想例を動作させることができ得る。別のコンピュータが、ガイド、ナビゲーションおよび制御（ＧＮＣ）等のような機能のためのＴＴＣＣ＆ＤＨソフトウェアおよび飛行ソフトウェアをホスティングし得る。
本明細書において説明するＬＴＥアーキテクチャの拡張は、ネットワークのいくつかのノード上で実行されるソフトウェアとして、および特に、ＡＰＩまたはソフトウェアライブラリとして実装され得る。これは、既存の製造／商用品質のＬＴＥスタックソフトウェアの使用を伴い得る。よく試験された既存の製造コードの直接の修正の代わりに、拡張は、製造ＬＴＥスタック実装への既存のインタフェースの構成、制御または当該インタフェースとの通信により所望の拡張を実装するために用いられ得る別個のソフトウェアアプリケーション、ソフトウェアライブラリまたはコードレポジトリ内で動作し得る。したがって、本開示は、ＬＴＥスタックノードの拡張を説明するが、これは、いくつかの既存のコンポーネントまたは全く新しいコンポーネントを用いて行われ得ることを理解されたい。いくつかの実装は、既存のＬＴＥスタック内の各ソフトウェアノードまたは機能を文字通りに修正することを必要としないことがある。これはまた、任意の３ＧＰＰスタック（例えば、２Ｇ ＧＳＭ／ＧＰＲ、３Ｇ ＣＤＭＡ／ＵＭＴＳ等）に関連する。
ネットワークは、ネットワーク内の各衛星および各地上局上で、各コンピュータの静的ＩＰアドレスを有効にするＩＰｖ６ネットワークとして動作し得る。衛星間リンク（ＩＳＬ）および地上局リンク（ＧＳＬ）は、軌道上の物理インフラストラクチャと地上の物理インフラストラクチャとの間の絶えずリンクされるＩＰトンネルとして動作し得る。地上では、電気通信ネットワークインボックスの例がＩＰｖ４／ＩＰｖ６を介してインターネットおよび他の電気通信ネットワークとインタフェース接続するであろう。
各ＩＳＬおよび各ＧＳＬトンネルは、実際には、複数のベアラを備え得る。そのうちの１つまたはいくつかは、ネットワーク制御プレーントラフィック、ネットワークユーザプレーントラフィック、飛行コンピュータテレメトリ、トラッキング、コマンド等の専用のものであってよい。ベアラは、優先順位に基づいて重み付けされた方式で確立され得ると共に、いかなるデータレートリンクもエアインタフェースのために確立され得る利用可能な帯域幅を与えられ得る。ネットワーク内の地上局および他の衛星に対して動く、地球の周囲の衛星軌道として、トンネルが、再確立されたノードとベアラとの間でハンドオーバされ得る。各宇宙機は、例として、インターネットに対するサービングアクセスポイント名（ＡＰＮ）への完全なトンネル接続におけるギャップで不完全なハンドオーバに対応するためのある程度のメモリバッファを有し得る。
図９は、例示的なネットワークアーキテクチャを示す。拡張型ＬＴＥネットワーク９０２は、標準的な地上ネットワーク９０４および標準的な地上ネットワークＵＥ９２４との互換性を維持できる一組の機能ノードを動作させ得る。拡張型ネットワークは、拡張型基地局９２６を備える拡張型Ｅ－ＵＴＲＡＮ９１４を動作させ得る。拡張型ＥＰＣ９０６は、地上ＥＰＣと同様の要素をホスティングし得るが、拡張型ＭＭＥ９１６、拡張型ＨＳＳ９１０、状態空間データベース（ＳＳＤＢ）９２８、拡張型Ｓ－ＧＷ９３２、拡張型Ｐ－ＧＷ９３４、ＰＣＲＦ９３６、ＴＴＣＣ＆ＤＨシステム９１８および宇宙機飛行ソフトウェア９０８を用い得る。拡張型ＥＰＣは、標準的なＥＰＣがＰＤＮサーバ９３０に対して有する接続とは異なり得る、ＰＤＮサーバ９３８との独自の接続を維持し得る。拡張型ＭＭＥは、ホーム地上ネットワーク内の標準的なＨＳＳ９２０へのＳ６ａ接続を維持し得る。拡張型Ｓ－ＧＷは、ホームネットワークＰＣＲＦデータベース９２２との標準的なインタフェースを管理し得る標準的なＰ－ＧＷ９４０との標準的なＳ８インタフェースを維持するであろう。拡張型ＵＥ９１２も、ネットワーク内で用いられ得る。
図１０は、ハードウェアに関する宇宙ネットワークアーキテクチャを示す。ハードウェアは、宇宙ネットワークアーキテクチャをホスティング中であり得る。ネットワーク内の衛星１０１２および１０１４ならびにネットワーク内の地上局１０１６が存在し得る。衛星は、一実施形態においてＩＰｖ６ベアラトンネルであってよいＩＳＬ１００２を通じて互いに接続され得る。これらのトンネルには、異なる機能向けのベアラにわたって分割される特定の帯域幅が割り当てられ得る。そうでなければ従来技術の地上ネットワーク内で処理され得る、各インタフェース用の各衛星間リンクトンネル内のベアラが存在し得る。特に、（Ｘ２－ＣＰ、Ｓ１１、Ｓ１０、Ｓ６ａ、Ｓ５、さらなる制御インタフェース等を備える）ネットワーク制御プレーン１００６、（Ｘ２－ＵＰ、Ｓ１－ＵＰ、Ｓ５、さらなる制御インタフェース等を備える）ネットワークユーザプレーン１００８および（１つまたは複数のネットワークインタフェースを備える）ＴＴＣＣ＆ＤＨプレーン１０１０のためのベアラが存在し得る。衛星は、ＧＳＬ１００４を通じて地上局に接続され得る。
これらのＧＳＬは、ＩＰｖ６ベアラトンネルであってよく、特定のネットワークプレーン用のベアラにより分割されてもよい。接続を生成してこれらのトンネルを確立するために、各衛星には、無線機器および他の機器が装備される。ＩＳＬ電波１０１８およびＧＳＬ電波１０４４は、他の衛星および地上局とそれぞれ通信するために、かつ、ＩＳＬおよびＧＳＬのためのＰＨＹプロトコルまたはＬ１プロトコルを実装するために用いられる。各衛星は、特定の機能を実装するソフトウェアを動作させるネットワークコンピュータ１０２２または飛行コンピュータ１０３８など、他のコンピュータを含み得る。例えば、ネットワークコンピュータは、状態空間データベース１０２４、拡張型ＨＳＳデータベース１０２６、拡張型Ｓ－ＧＷおよびＰ－ＧＷ１０２８、拡張型ＭＭＥ１０３０ならびに拡張型基地局１０３２を実装し得る。拡張型基地局１０３２は、ＬＴＥ－Ｕｕインタフェースリンク１０３４用のＰＨＹを実装し、かつ、既存の標準体なＵＥ１０３６と互換性がある電波を制御するであろう。飛行コンピュータは、宇宙機上でホスティングされている様々なサブシステムを制御するために、ＴＴＣＣ＆ＤＨ機能１０４０および飛行ソフトウェア１０４２を実装し得る（例えば、姿勢制御、スラスタ制御、アクチュエータ制御、電力システム制御、熱制御等）。宇宙セグメント衛星内の各コンピュータは、一実施形態においてＩＰｖ６スイッチであってよいネットワークスイッチ１０２０とインタフェース接続し得る。地上局は、基地局機能をネイティブで提供せず、かつ、場合によっては宇宙機上でホスティングされる飛行ソフトウェアパッケージ全体をホスティングしないネットワークコンピュータおよび飛行コンピュータを実装し得る。いくつかの実施形態において、地上局は、飛行ソフトウェアを実装し得る。
［Ａ．５ モバイルネットワークインフラストラクチャをホスティングする衛星プラットフォーム］
［Ａ．５ モバイルネットワークインフラストラクチャをホスティングする衛星プラットフォーム］
説明したモバイルネットワーク用のインフラストラクチャを提供する軌道上の宇宙機は、例えばコンピュータ、電波、プロセッサ、メモリ、ワイヤ、ケーブル、アクチュエータ等の電子機器を収容するいくつかの構造を備え得る。宇宙機は、オペレーティングシステム上で動作する、処理およびメモリのためのオンボードコンピュータを用い得る。オペレーティングシステムは、衛星上で様々な機能を動作させるよう意図されるソフトウェアプログラムをホスティングし得る。これらのソフトウェアプログラムのうちの１つは、コンピュータに接続された無線インタフェースを制御する、（ＲＡＮおよび／またはコアネットワークを実装するための）仮想化された電気通信ソフトウェアスタックであってよい。オペレーティングシステムは、センサからの、またはソフトウェア内で計算されたテレメトリおよびデータを収集し、かつ、内部フィードバック制御ループ（または地上で動作させられ得る外部フィードバック制御ループ）に基づいて自律的に実行されるか、または地上制御センタから手動で実行されるコマンドを処理する宇宙機上のコマンドおよびデータ処理システムを同時に制御するソフトウェアもホスティングし得る。宇宙機ソフトウェアは、その姿勢を管理するアクチュエータ（リアクションホイール、磁気トルク等）と、軌道上でのその速度／軌跡を管理するアクチュエータ（例えば、スラスタ）を制御するために用いられ得る。アクチュエータは、宇宙機上の配備可能な構造を拡張するかまたは後退させるためにも用いられ得る。
宇宙機は、太陽光パネルを有し得る。太陽光パネルは、太陽光電力を収集して、電池を充電し、宇宙機が動作に必要とする宇宙機内の様々なコンポーネントに必要なエネルギーを分配する。宇宙機は、ソフトウェアを動作させて、様々なテレメトリ読み取り値をモニタリングおよびトラッキングし、かつ、それらをメモリに格納するプロセッサを有し得る。これらのテレメトリ読み取り値は、位置、速度、加速度、向き、電池容量、アレイからの電力、質量、燃料の質量、慣性行列、コンポーネント健全性／テレメトリ読み取り値等を含む。
宇宙機は、その速度、位置および加速度をトラッキングおよび計算するためのオンボードＧＰＳレシーバをホスティングし得る。ＧＰＳが利用可能ではない場合（例えば、衛星がＧＥＯ上にあるか、または場合によっては、ＭＥＯ上で高過ぎるとき）、宇宙機の位置データおよび速度データをその内部コンピュータに提供するために、特定の位置の既知の地上局での信号測距およびドップラー測定など、他の技術が実装され得る。例えば、地球中心慣性など、特定の座標系における宇宙機の向きを計算するために、スタートラッカ、ＩＭＵ、カメラ、水平センサ、ジャイロスコープ等のオンボードセンサが用いられ得る。追加的に、これらのオンボードセンサは、宇宙器が慣性空間内で回転するときの宇宙機の角速度を計算でき得る。
宇宙機には、例えば、回転、慣性の保持（例えば、慣性空間内での一定の向きの維持）、天底／天頂ポインティングの保持等、ポインティングに関連する特定のタスクを実行するようにプログラミングされ得る制御システムが装備され得る。追加的に、この制御システムは、飛行中の最適な操作を決定するための状態空間予測エンジンの出力におそらく基づいて、軌道の位置および維持の制御を実装し得る。この制御システムは、状態測定を改善するためにカルマンフィルタを実装してよく、ＰＩＤコントローラにより実装されるものなど、制御法に基づいて、特定の操作を特定の期間にわたって行ってよい。
宇宙機には、宇宙機の機体座標系におけるそのポインティングベクトル
が把握されるように、宇宙機上に機械的な方式で配向されたアンテナが装備され得る。宇宙機は、ビームフォーミングができるフェーズドアレイを実装し得る。この場合、それは、フェーズドアレイカバレッジフットプリント内のあるビームｉについて、
をトラッキング、モニタリングおよび変更し得る。これらのアンテナ技術は、ＵＥとのＬＴＥ－Ｕｕリンクのために用いられ得る。ＩＳＬは、異なる宇宙機上でホスティングされ得る重要なネットワークノード（例えば、基地局、ＭＭＥ、Ｓ－ＧＷ、Ｐ－ＧＷ、ＰＤＮ等）間の接続として機能でき、フィーダリンクは、宇宙ネットワークと既存の地上ネットワーク（例えば、地上モバイルネットワーク、インターネット等）との間の接続として機能できる。
宇宙機プラットフォームは、テレメトリまたは健全性データの格納を事業者が所望し得る多数のシステムを有し得る。宇宙機のテレメトリは、例えば、電圧測定値、電流測定値、温度読み取り値、電力指標、電池充電、太陽光電力取り入れ、消費電力、動作モード、ソフトウェアアプリケーションのステータス等、宇宙機の正確な測定値として格納され得る。宇宙機からのテレメトリは、衛星の機能と、故障の結果としてのあらゆる動作制約を決定するために処理され得る。特に、衛星または地上システムは、テレメトリインテリジェンスを用いて、他の衛星、地上ゲートウェイまたはＵＥとの接続を生成するという宇宙機の能力をなくし得るか、または妨げ得る。これは、衛星からのテレメトリダウンリンクに基づいてネットワーク状態予測エンジンにおけるノード接続機会のオンおよびオフを自動的にトグルするロジックを生成するために用いられ得る。
［Ｂ． 拡張型モビリティ管理エンティティ（ＭＭＥ）］
［Ｂ． 拡張型モビリティ管理エンティティ（ＭＭＥ）］
セルラネットワークにおいて、ＵＥがセルラネットワークインフラストラクチャへの接続を期待し得るカバレッジエリアは、セルへ分割されるカバレッジエリアであってよく、いくつかのセルは、他のセルおよびカバレッジエリアと重複し、場合によっては、いかなるセルカバレッジも有しないいくつかのエリアを囲む。典型的には、カバレッジエリア内のセルが静的とみなされ得るのは、セルのカバレッジが固定位置および固定能力を有する固定タワーまたは固定トランシーバの存在に由来する場合などである。そのようなトランシーバは、典型的には、カバレッジが予想される場所、および／または、それらのセル内に多数のＵＥが存在することが予想されると仮定して費用対効果が高い場所に配置される。
軌道ステーションによりサービスが提供される無線ネットワークにおいて、カバレッジエリアは、ＧＥＯよりも地表に近い衛星が地表に対して動いているとき、短い期間にわたって変化するものと予想され得る。地上ベースセルラネットワークノードと軌道ベースセルラネットワークノードとの異なる特性は、異なる周波数帯域、異なる符号化等を用いて干渉の重複を回避することにより２つのネットワークが共存し得るという点で、それらが別個のプロトコルおよび通信規格を用いている場合、懸念とする必要はない。しかしながら、地上ネットワークノードとのリンクを閉じるためにＵＥが用いるものと同じプロトコルおよび通信規格を用いてＵＥが軌道ネットワークノードとのリンクをシームレスに閉じることを可能にするように、地上ネットワークノードおよび軌道ネットワークノードが同じプロトコルおよび通信規格を用いる場合、調整および共存は、軌道ネットワークノードの軌道が動くことに起因して、部分的により複雑になる。本明細書において説明するように、これは、ネットワークノード間の調整で解決され得る。
エアネットワーク用のカバレッジエリアであって、そのカバレッジエリア内に存在するＵＥ用の無線カバレッジを提供する、カバレッジエリアは、複数のポリゴンにより論理的に表され得る。ポリゴンについて参照が行われるが、本明細書において説明する方法および装置は、楕円、円、およびいくつかの曲がった境界といくつかの直線境界とを有する不規則形状など、厳密にはポリゴンではない閉じた形状で等しくよく機能するであろうことを理解されたい。いくつかの例において、カバレッジエリアのいくつかのポリゴンは、地上セルラネットワークセルに対応する。カバレッジエリアまたはカバレッジエリアのうちの少なくとも一部をポリゴンでカバーすることは、予測される使用の関数、特定のポリゴン（例えば、特定の国の一部をカバーするポリゴン、法的管轄権自体を有しない外洋をカバーするポリゴン等）に適用可能な管轄権、および／またはカバレッジの実現可能性であってよい。
いくつかの実施形態において、カバレッジエリアはまず、一組のメッシュポイントにより特徴付けられ、それらのメッシュポイントは、ポリゴンへ集約される。一方で、他の実施形態では、ポリゴンは、必ずしもメッシュポイントを参照することなく画定される。一組のポリゴンを表すデータベースにおいて、ポリゴンベースの記録は、ポリゴンの境界と、ポリゴン内で適用可能な法的管轄権と、そのポリゴン内で無線リンクを確立する場合に用いられるプロトコルおよび規格と、そのポリゴンについての他の情報とに関する詳細を含み得る。メッシュは、地球または一組のポリゴンの有限の要素モデル等を仮想的に表すグリッドまたはある他の方式を備え得る。カバレッジデータベースは、メッシュポイントとポリゴンカバレッジエリア備え得る。ポリゴンカバレッジエリアは、それぞれの基地局についてカバレッジデータベース内で参照され、それぞれの基地局は、少なくともいくつかの静的カバレッジ地上基地局と、ビームフォーミングを用いる少なくともいくつかの静的カバレッジ軌道基地局と、少なくともいくつかの動的カバレッジ軌道基地局であって、少なくともいくつかの動的カバレッジ軌道基地局がそれぞれの軌道上で移動するときにカバレッジエリアにわたって動く動的ビームを用いる、少なくともいくつかの動的カバレッジ軌道基地局とを含む。
カバレッジエリアが地上ネットワークノードおよび軌道ネットワークノードの両方によりサポートされる場合、これらのノードは、調整され得る。例において、地上ネットワークノードは、セルラネットワークブロードキャストタワーの一部であるトランシーバであり、軌道ネットワークノードは、衛星の一部であるトランシーバである。タワーは、複数のノードをサポートしてよく、衛星は、複数のノードをサポートしてよい。調整は、モビリティ管理エンティティにより行われ得る。モビリティ管理エンティティは、ソフトウェアを実行し、かつ、モビリティ管理エンティティがノードから情報を取得して情報をノードへ送信することを可能にする通信チャネルを有するコンピュータシステムの形態であってよい。１つのアプローチにおいて、モビリティ管理エンティティ（ＭＭＥ）は、特定の期間にわたってカバレッジエリア用の一組のポリゴンを計算すると共に、これをその期間の前に行うことができる。これにより、その情報を必要とする前にその情報を用いるであろうノードに伝搬される一組のポリゴンの詳細のための十分な時間が可能になる。
一組のポリゴンは、本明細書の他の箇所において説明する処理に従って計算され得るが、衛星上のノードの予測される状態（例えば、位置、電力、向き、ノード自体が宇宙を通じて動くときに、ノードがカバレッジエリア内の一定のビームを維持できるかどうか等）を考慮し得る。本明細書において説明するように、ノードが動くので、一組のポリゴンは、変化することがあり、特定のポリゴン内のリンクニーズをカバーするために割り当てられるノードも変化することがある。ポリゴン内のリンクニーズをカバーするために第１のノードが割り当てられ、第２のノードがそのように割り当てられないが、第２のノードが第１のノードと同じプロトコル、チャネルおよび規格を用いて伝送できる場合、第２のノードは、それらのリンクニーズをカバーするために第１のノードが割り当てられている期間中はそれらのプロトコル、チャネルおよび規格を延期し、使用しないようにプログラミングされ得る。
ノードは、時分割多重化フレーム内のある期間、ある周波数チャネル、あるタイムスロット等で動作しないように、一組のポリゴンと、ＭＭＥが利用可能な他のデータとを考慮してスケジューリングされ得る。あるノードが軌道ノードである場合（またおそらく、これは地上ノードにも当てはまり得る）、当該ノードは、ノードが利用可能な電力またはその欠如と、ノードにおける発熱と、カバレッジエリアについて利用可能なノードの動作状態を考慮した他の検討事項とに基づいて、特定の時間にわたって非アクティブであるようにスケジューリングされ得る。
いくつかの軌道ノードは、ある期間にわたってビームが地表のあるエリア上に留まることを可能にするビームフォーミングアンテナを有し得る。一方で、他の軌道ノードは、衛星に対して一定であるビームに限定され得る。したがって、ビームは、地表のあるエリア上に留まるのではなく、地表上を動く。軌道ノードのビームが特定のポリゴンのカバレッジをカバーしているか、またはそれに近づいている場合、軌道ノードは、その特定のポリゴン内のＵＥのリンクニーズを処理するために割り当てられ得るが、その特定のポリゴンに到達し得る地上ノードは、軌道ノードにより用いられるエアリソースを延期し、使用しないよう命令される。重複するカバレッジを有する隣接するノードが同時に動作するが、それらが完全に破壊的に干渉しないよう、別個の周波数、コード、タイムスロット等で動作するように、延期の完了に加え、いくつかの調整が、ノード間で行われ得る。
ＭＭＥが状態情報を取得し、割り当てを計算し、それらの割り当てを前もって伝達することにより、セルラネットワークは、ネットワークのノードのうちのいくつかが、いくつかが軌道ノードよりもはるかにＵＥに近いことがある地上ノードに対して迅速に動きながら、かつ地上ノードと重複しながら軌道上にある場合でも、効率的に動作できる。いくつかの場合、例えば、ドローン、バルーン等、いくつかの動いている地上ノードが存在し得るが、それらは、軌道ノードに対して静止しているものとして扱われ得る。
ＭＭＥのより具体的な拡張をここで説明する。
ネットワークの将来の状態に関する実行可能知能を生成すべく、ＭＭＥの拡張は、一連のデータベースを用いて軌道ダイナミクスの仮想シミュレーションを通知する状態空間予測エンジンと、衛星のナビゲーション、ガイドおよび制御と、ペイロード動作と、別個のネットワークノード間のＲＦリンクバジェット等とを含む。この実行可能知能は、シミュレーションから推論され、時間ベースで格納されたコマンドのようなものへパッケージ化され得る。コマンドのようなものは、ＭＭＥ内、基地局内、またはさらにはＵＥ内のネットワークシグナリングイベントを起動またはトリガする。これにより、ネットワークルーティング、ネットワークノードの接続、ネットワークインフラストラクチャの消費電力、スペクトルリソース割り当て、基地局の動作、宇宙機の動作等が最適化され得る。所望の最適化アルゴリズムは、データベースとして格納され得る。このデータベースは、時間で変わり得ると共に、緊急事態／災害などの外部の変化／影響に応じて（例えば、ＮＯＣにより）アクセスおよび再構成され得るように可読かつ書き込み可能であり得る。
ＭＭＥの拡張は、ＭＭＥと同じコンピュータ上で、またはおそらく別個のプロセッサ上で動作する周辺アプリケーションの形態を取り得る。拡張は、４個の、場合によっては別個のデータベースを利用する。データベースは、宇宙ネットワーク内のＮＯＣまたはＴＴＣＣ＆ＤＨシステムにより通知を受け得る。
履歴ネットワーク状態空間（ＨＮＳＳ）データベースは、衛星の位置と、速度と、姿勢と、姿勢レートと、ネットワーク動作／状態と、ネットワークログファイルとを含む履歴データを含み得る。ＨＮＳＳデータベースは、衛星がそれらのテレメトリデータをダウンリンクしたか、または衛星テレメトリデータが収集された場合、ＴＴＣＣ＆ＤＨシステムにより通知を受ける。
ネットワークモデル（ＮＭ）データベースは、シミュレーションされる必要がある環境と、ネットワーク内の衛星の各々の動作能力／動作特性とを特徴付けるデータを含み得る。衛星がネットワークに追加され、衛星が機能不全になるか、または駄目になったとき、ＮＯＣ、またはＴＴＣＣ＆ＤＨシステムからの異常テレメトリにより、各宇宙機の動作特性のステータスが変更され得る。
コンスタレーションロケーションレジスタ（ＣＬＲ）データベースは、ＨＬＲ特徴との宇宙ベースの対応関係であり、ＵＥとネットワーク関連対象ポイントとについての位置情報を格納する。ＵＥの位置情報は、各ＵＥ用の記録されたトラッキングデータにより更新され得る。トラッキングデータは、ＣＬＲおよびＨＳＳの両方へ送信されるために格納される。ＮＯＣは、ネットワーク動作の関連する対象ポイントを更新、削除または追加し得る。
コンスタレーションポリシおよびルール（ＣＰＲ）データベースは、ネットワーク空間ハードウェア用の飛行動作ルールについての情報、ならびにネットワーク用の関連する仮想対象ポイントについてのポリシおよびＱｏＳ要件を格納する。ＣＰＲは、ＮＯＣにより更新され得る。
これら４つのデータベースは、ネットワーク状態空間予測エンジンにより用いられる情報を含む。ネットワーク状態空間予測エンジンは、軌道ダイナミクス処理、宇宙機姿勢ダイナミクス／制御処理およびリンクバジェット／ＲＦシステム処理を用いて、将来の時間内における宇宙ベースネットワークの状態を正確にシミュレーションおよび予測する。ネットワーク状態空間予測エンジンは、データベース内のポリシ、ルール等に基づいてネットワーク動作を最適化するいくつかの最適化処理を活用し得る。
ネットワーク状態空間予測エンジンは、宇宙ネットワーク内の様々な要素のための一連の行程を生成し得る。一実施形態において、３つの別個の行程のセットが存在し得る。１つは、宇宙ネットワーク内の飛行ソフトウェアによる使用向けであり得る宇宙機行程であってよい。別のものは、各衛星内の拡張型ＭＭＥ機能への配信向けであり得るコアネットワーク行程であってよい。最終的に、衛星ネットワーク内の基地局による使用向けであろうＲＡＮ行程が存在し得る。各宇宙機がＥＰＣおよび／または基地局のホストなので、これらの行程は、状態空間（ＳＳ）データベースと呼ばれる共通のデータベースへパッケージ化され得る。このデータベースは、宇宙機の各々による使用のために、ネットワーク全体にわたって分散され得る。
図１１は、拡張型ＭＭＥにより用いられるさらなる特徴として実装され得る手順を説明するフロー図を示す。拡張型ＭＭＥは、ネットワークの将来の状態空間を予測する処理を用いてモビリティを管理し得る。これを行うために、拡張型ＭＭＥは、４つのデータベース、すなわち、履歴ネットワーク状態空間データベース１１０２、ネットワークモデルデータベース１１０４、コンスタレーションロケーションレジスタ１１０６ならびにコンスタレーションポリシおよびルールデータベース１１０８を活用し得る。これらのＭＭＥは、ＴＴＣＣ＆ＤＨシステムまたはＮＯＣのいずれかから情報を受信し、その情報をそれらのデータベースに格納し得る。これらのＭＭＥは、ネットワーク状態空間予測エンジン１１１０へ情報を供給し得る。ネットワーク状態空間予測エンジン１１１０は、軌道メカニクスおよび姿勢ダイナミクスならびにリンクバジェット予測ソフトウェアを用いて、（基地局、ＩＳＬ、ＧＳＬ等についての）可能なネットワーク接続シナリオを解析するであろう。この解析から、ネットワーク状態空間予測エンジンは、行程、すなわち、宇宙機行程１１１２、Ｅ－ＵＴＲＡＮ行程１１１４およびＥＰＣ行程１１１６を生成するであろう。これらの行程は、ＴＴＣＣ＆ＤＨ制御プレーン、ＥＰＣ制御プレーンおよびＥ－ＵＴＲＡＮ制御プレーンにおいてどのように管理し／動作させるかについての関連情報（例えば、時間ベース制御プレーンシグナリングコマンド）を含み得る。これらの行程は、拡張型ＭＭＥをサポートするために構築される１つの共通の状態空間データベース１１１８へと組み合わされ得る。なぜなら、将来のある程度の時間のための宇宙ベースインフラストラクチャ用のネットワーク動作情報を含むからである。
［Ｂ．１ 履歴ネットワーク状態空間（ＨＮＳＳ）データベース］
［Ｂ．１ 履歴ネットワーク状態空間（ＨＮＳＳ）データベース］
図１２は、履歴ネットワーク状態空間データベース１２０２の例示である。データベース１２０２は、ネットワーク衛星の記録された位置１２０４、ネットワーク衛星の記録された速度１２０６、ネットワーク衛星の記録された姿勢／向き１２０８、ネットワーク衛星の記録された姿勢レート１２１０、記録されたネットワーク状態空間データ１２１２および記録されたネットワークログファイル１２１４を含み得る。
［Ｂ２． 基地局、ＵＥおよびＧＳの位置および速度のデータベース］
［Ｂ２． 基地局、ＵＥおよびＧＳの位置および速度のデータベース］
図１３は、トラッキングされてよく、かつ、それらの状態空間が格納されてよいネットワーク内の様々なプラットフォームのシナリオを示す。軌道周回基地局１３０２は、例えばＧＳＭ、ＥＤＧＥ、ＣＤＭＡ、ＬＴＥ等のある３ＧＰＰプロトコルを利用する標準的なＵＥ１３３０への通信リンクを閉じ得る通信システム（例えば、アンテナおよびＲＦフロントエンド）を利用してある軌道高度１３２４で地球の軌道を周回し得る。軌道周回基地局は、インターネットおよび他のＭＮＯプロバイダネットワークへのアクセスのために、地上局ＩＰスイッチ１３２８を介した地上への接続を維持し得る。軌道周回基地局は、位置
１３１０、速度
１３１２、加速度
１３１４および向き
１３１６という一連の状態空間ベクトルにより最も良く説明される位置、速度、加速度および向き（または姿勢）を有し得る。これらの状態空間ベクトルは、任意の座標系において表され得る。衛星の状態ベクトルは、地球中心、地球固定（ＥＣＥＦ）でトラッキングされることが多い。衛星は、地球の本体または地球中心慣性（ＥＣＩ）で回転し、慣性空間座標系において固定されたままとなる。
ネットワークコンピュータまたは軌道周回基地局は、式１に示されるように、３次元座標系における衛星の位置を表すためにおそらくサイズ３×１のベクトルとして表される慣性空間内での軌道周回物体の位置の表示を維持し得る。
ネットワークコンピュータまたは軌道周回基地局は、軌道周回物体の速度の表示を維持してよく、加速度は、式２および式３に示されるものと同様の方式で格納され得る。
様々なコンポーネントが位置、速度、加速度等の表示を格納できる。１つの格納方法は、３次元座標系における剛体の向きを格納することである。１つの表示は、回転基準座標系または固定基準座標系で表される３つの軸を中心とした度単位の回転を表す３×１ベクトルで格納される３つの角度であるオイラー角度を用いる。１つの表示は、回転している物体の機体座標系におけるｚ軸を中心とした軸回転、次に、機体座標系のｙ軸および最終的に機体座標系のｘ軸を表すロール、ピッチおよびヨーを用いる（ｚ－ｙ'－ｘ''回転として示されることが多い）。別の表示は、固定座標系のｚ軸、次にｘ軸、および次に再びｚ軸（ｚ－ｘ－ｚ）を中心とした軸回転を表す章動、歳差運動およびスピンを用いる。さらに別の表示は、回転軸および角度を表す４×１ベクトルである４元数としての向き情報または姿勢情報を格納する。オイラー角度として格納される軌道周回物体の向きベクトルは、式４に示される形態を取り得る。
軌道周回物体は、典型的には、３次元空間内での自らの向きを決定し、次に（宇宙機剛体へのトルクを提供するためのアクチュエータを用いて）制御し得る姿勢決定および制御システム（ＡＤＣＳ）をホスティングし得る。このシステムを用いて、姿勢再配向操作が計画されてよく、基地局の角速度
がトラッキングされ、さらには将来へ向けて予測され得る。
軌道周回基地局は、地上のあるカバレッジフットプリント１３２６の範囲内のＵＥにカバレッジを提供し得る。このカバレッジフットプリントは、十分なＲＦカバレッジを提供するために複数の開口、フェーズドアレイ等の技術を利用する単一または複数のスポットビームを含み得る。
軌道周回基地局より下には、慣性空間内またはおそらく地球固定座標系におけるある位置、速度、加速度および向きをやはり有するドローン１３０８、バルーン１３０６またはタワー１３０４上で動作する他の基地局が存在し得る。軌道周回基地局と同様に、それらも、複数のアンテナまたはアレイにより生成されるカバレッジエリアをおそらく含むカバレッジフットプリントを有するであろう。基地局に加え、座標系における位置、速度、加速度および向きをやはり有するＵＥ１３３０も存在し得る。
各基地局の位置および速度が把握されるので、ネットワーク内の各基地局の互いに対する位置および速度を定義するベクトルについて計算が行われ得る。同様に、各ＵＥの位置および速度が把握されていることで、軌道周回基地局に対するＵＥの相対位置および相対速度を表すベクトルについての計算が可能になる。例えば、軌道周回ｅＮＢとＵＥとの間の関係を表すこれらのベクトルは、相対位置１３１８、相対速度１３２０および相対加速度１３２２であり得る。
現在のセルラアーキテクチャでは、三角測量を介した相対配置により既知の座標系に基づく特定の位置結果が生成され得るように、トランスミッタタワーのＧＰＳ位置が記録および格納されることが多い。ＵＥの位置は、あるネットワークレベルでトラッキングされるが、特定のサービングタワーまたはサービングトランスミッタまたはサービング基地局を識別するネットワーク位置コードおよびネットワーク位置ＩＤよりも正確ではない。トラッキングは、サービングＭＭＥだけに限定されることがあり、その場合には、そのＭＭＥによる制御下にある基地局のいずれかによりカバーされる特定の地域または領域のみが指定され得る。結果として、典型的な地上ネットワークは、ＲＦエアインタフェースおよび制御プレーンを介してＵＥの位置および速度についての知識を有しない。いくつかのアプリケーションは、ＧＰＳ位置をログし、サーバを介したバックエンドトラッキングを可能にし得る。しかしながら、これらのシナリオでは、ユーザは、デバイスに関するＧＰＳ読み取りをトラッキングしている適切なＩＰサーバへの接続を有している場合に限り、トラッキングされ得る。
Ｓｐｅｉｄｅｌ Ｉにおいて説明されているように、提案されている軌道周回モバイルネットワークは、ＲＡＣＨ上のＵＥからのＲＦ信号に基づくエアインタフェース測定（例えば、ハンドセットＧＰＳは必要とされない）を実装することで、格納するために十分正確に位置および速度を測定でき、モビリティ管理に用いられ得る、これらの状態ベクトルのデータベースを維持できる。これについては、本明細書においてより詳細に説明する。
軌道周回基地局を用いた提案されているアーキテクチャは、絶えずかつ非常に迅速に動いているネットワークインフラストラクチャを用いてネットワーク通信およびトラフィックルーティングを管理する必要があるという課題を示している。しかしながら、軌道メカニクス、およびテレメトリ測定と組み合わされた十分なモデル化により、軌道周回基地局集団全体についての将来の状態ベクトルの正確な予測が可能になり得る。
ネットワーク要素の位置および速度のデータベースは、衛星ネットワークにサービスを提供している多くの地上局の位置および住所も含み得る。データベースは、アンテナが向いている方向を衛星がトラッキングされている座標系に関連付ける、ある座標系におけるゲートウェイの向きさえ格納し得る。
［Ｃ． ネットワークモデル（ＮＭ）データベースの説明］
［Ｃ． ネットワークモデル（ＮＭ）データベースの説明］
図１４は、ネットワークモデルデータベース１４０２を示す。データベースは、地球の重力モデル１４０４と、地球の大気密度のモデル１４０６と、地球の磁場のモデル１４０８と、宇宙機バスシステムのモデル１４１０と、例えばスラスタ、姿勢制御等の宇宙機アクチュエータのモデル１４１２と、主にリンクバジェットのアンテナ放射パターンである、各宇宙機上のネットワーク内の各アンテナのモデル１４１４と、太陽、月、惑星等の位置を含む太陽系のモデル１４１６とを含み得る。
［Ｃ．１ 地球の重力モデル］
［Ｃ．１ 地球の重力モデル］
地球の重力場モデルのデータベースは、衛星に対する地球の重力からの力が衛星の存在と将来の位置とに基づき得るように利用され得る。地球の重力モデルは、様々な形態を取り得る。そのうちのいくつかは、計算の精度と適時性との間のトレードオフを提供する。例えば、地球の単純な球状重力モデルが実装されてよく、地球のＷＧＳ－８４楕円重力モデルが実装されてよく、または、地球の帯域調和重力場を説明する係数を用いた項のｎ次の総和が、実装されてよい（例えば、Ｊ４を通じた高調波は、十分に正確であり得る）。様々なオプションが、加速度の計算の様々な忠実度および適時性を提供する。ＥＣＥＦ座標系に対する衛星の位置の関数としての加速度を計算するために関数が呼び出され得るように、多くのモデルが格納され得る。
衛星に対する重力勾配力から生じるトルクは、衛星に作用する重力と、衛星の重力中心に対する衛星の質量中心の位置を表すベクトルとのクロス乗積と同等であってよい。式５でのように、重力は、衛星の重力中心を通じて作用し、衛星は、その質量中心を中心として回転する。
［Ｃ．２ 地球の大気モデル］
ドラッグに起因する軌道摂動および姿勢摂動の計算を支援するために、地球の大気モデルも格納され得る。例えばＮＲＬＭＳＩＳＥ－００、Ｊａｃｃｈｉａ、ＪＢ２００８等、実装される大気モデルは、１つであってもよく、多くてもよい。状態空間予測を支援するためのこれらのモデルの出力は、密度および温度であってよい。これらは、衛星に対する大気抵抗力を駆動する大気特性である。大気密度に加え、衛星の弾道係数も大気抵抗の計算を駆動する。
式６でのように、衛星に対するドラッグ力は、衛星の軌道上での位置、軌道上での速度、日／時（モデルに応じて）、用いられる大気モデルおよび衛星の向きの関数として計算され得る。
衛星に対する大気抵抗力から生じるトルクは、衛星に作用するドラッグ力と、衛星の圧力中心に対する衛星の質量中心の位置を表すベクトルとのクロス乗積と同等であってよい。式７でのように、ドラッグ力は、衛星の圧力中心を通じて作用し、衛星は、その質量中心を中心として回転する。
［Ｃ．３ 地球の磁場モデル］
地球の磁場もモデル化され得る。このモデルは、姿勢の決定および制御のために宇宙機に対して磁気が用いられる場合に有用であり得る。これは、ＬＥＯ軌道上で特に有用である。ＬＥＯ軌道では、地球の磁場は、オンボード磁気トルクを用た測定および押し付けの両方が容易な絶対値である磁場モデルは、地球の重力モデルと同様に、様々な形態を取り得る。このモデルにより、衛星の位置における
場を衛星の位置と所望の測定の日時との関数として計算またはルックアップすることが可能になり得る。式８でのように、磁場モデルの例は、国際標準地球磁場（ＩＧＲＦ）、世界磁気モデル（ＷＭＭ）または拡張磁気モデル（ＥＭＭ２１０５）等である。
式９でのように、衛星に対する磁力から生じるトルクは、宇宙機の磁気ダイポール（磁気アクチュエータにより意図的に引き起こされるが、衛星に搭載される電子機器等によっても意図せずに引き起こされる）にその時点での衛星の周囲の磁場を乗じたクロス乗積と同等であってよい。
［Ｃ．４ 宇宙機バスモデル］
宇宙機バスモデルは、宇宙機のサブシステムの仕様に関するデータを含み得る。宇宙機の技術的な特性および性能について格納され得るデータの量はとてつもないが、以下では、適用可能な実施形態において有用であり得るのいくつかのデータの列挙を説明する。宇宙機バスモデルは、ＴＴＣＣ＆ＤＨシステムにより通知を受けるであろう。なぜなら、テレメトリが、動作中に宇宙機から取得されるからである。しかしながら、耐用期間の開始時点では、このモデルは、例として、地上試験の後の最初の性能に基づいて確立され得る。
データベース内の宇宙機についての構造情報／質量情報が存在し得る。宇宙機バスモデルは、宇宙機の乾燥質量、湿潤質量、現在質量、慣性モーメント行列等を格納し得る。これは、宇宙機上で利用可能な燃料の現在質量も含み得る。このデータは、宇宙機上のテレメトリ読み取り値からのものであり得ると共に、経時的に更新され得る。慣性状態行列は、宇宙機におけるオンボード測定値により改善され得る。なぜなら、慣性状態行列では、バスに印加される既知のトルクからの姿勢レート値を測定するからである。操作が行われるので、衛星の角回転速度のモデル化された変更（外乱トルクを測定するために用いられ得る）および／または慣性状態行列の変更には、誤差が測定され得る。質量値に加え、宇宙機の慣性テンソルも格納され得る。これは、宇宙機の慣性モーメントを表す３×３アレイであってよい。宇宙機の厚さおよび構造サイズならびにその付属項目についての構造情報がさらに存在し得る。拡張型ＭＭＥにおける電力および熱のシミュレーションが、有限要素解析シミュレーションにおいてＰａｒａｓｏｌｉｄを活用するためのものであった場合には、各宇宙機のＰａｒａｓｏｌｉｄモデルさえ格納され得る。
質量情報に関連して、衛星の弾道係数などのドラッグ特性も格納され得る。衛星のドラッグ係数は、衛星の速度ベクトルに対する迎角または向きの関数として変わり得る。ドラッグ係数のデータベースは、行および列が速度からの角度オフセット（仰角および方位角）を示す行列として格納され得る。同様に、衛星の太陽光反射率は、向き（この場合を除き、衛星に対する太陽の位置に対する向き）の関数として変わり得る。式１０でのように、弾道係数は、状態空間予測関数からのモデル化された軌跡上で測定された誤差に基づき、軌道に関して経時的に較正および／または改善され得る。
同様の方式で、データベースは、衛星の圧力中心および重力中心が宇宙機の向き（地球に対するもの、およびその速度ベクトル）の関数としてどのように変わるかも格納し得る。
データベースは、宇宙機についての熱情報も格納し得る。これは、各面の吸収率値および放射率値を保持する宇宙機の各面の全く単純なベクトルであってよい。宇宙機全体にわたる熱導電性経路を表す他のベクトルも存在し得る。
電力システムもモデル化され得る。ここでは、特定のモードで動作している場合に、またはどのコンポーネントが電力分配を受けているかの関数として、宇宙機の消費電力が定量化される。電池もモデル化され得る。ここでは、試験での充電および放電の率および曲線が記録される（また、軌道上での動作後のテレメトリから更新される）。この情報は、消費電力および記憶容量に関する制限外で動作するようネットワーク状態空間予測子が衛星にコマンドしないことを保証するために、電力シミュレーションにおいて用いられ得る。
［Ｃ．５ 宇宙機アクチュエータモデル］
［Ｃ．５ 宇宙機アクチュエータモデル］
アクチュエータモデルを格納するデータベースは、スラスタの性能、アクチュエータの姿勢制御等を定量化できる。アンテナおよび太陽光アレイのような他のシステムの配備のためのアクチュエータについて格納されるデータも存在し得る。
推進システムでは、データベースは、スラスタにより提供されるベクトルの起動についての機械的情報を含み得る。これは、宇宙機の機体座標系におけるベクトルであってよい。また、推進システムは、例えば推力、Ｉｓｐ、質量流量等の性能を、場合によっては動作レジーム（例えば、圧力、温度、電力入力等）の関数として有し得る。燃料量は、飛行中にモニタリングされ、起動時の性能からの推力、電力等の測定された変化に基づいてモデルを通知／更新するであろう。
姿勢制御システムでは、データベースは、姿勢制御システムの機械的レイアウトを示す一連のベクトルであってよい。リアクションホイールでは、これらのベクトルは、宇宙機の機体座標系における車輪に対する正常なベクトルであってよい。トルクコイルでは、これは、コイルの面であってよい。動作レジーム（例えば、アクチュエータに印加される電流等）の関数として印加され得るトルクなど、システムについての他の情報が格納され得る。
［Ｃ．６ ネットワークアンテナの向きのデータベース］
［Ｃ．６ ネットワークアンテナの向きのデータベース］
宇宙ネットワーク用に用いられる宇宙機は、地上の基地局とＵＥとの間の通信、ＩＳＬ（ＩＳＬ）を介した軌道上の基地局と他の基地局（またはおそらく、軌道上のＭＭＥ）との間の通信、および／または、軌道基地局／ＭＭＥとさらなるＭＭＥ、Ｐ－ＧＷまたはＳ－ＧＷとして機能する地上ゲートウェイアンテナとの間の通信のための一連のアンテナをホスティングし得る。宇宙機が設計される場合、これらのアンテナの位置の選択は通常、既知であり、文書化されており、個々の宇宙機設計特性が保存されるであろうデータベースへ保存され得る。
宇宙機上のアンテナは、様々な種類または１つの種類のものであってよい。アナログアンテナ技術により、アンテナを特定の方向へ物理的に向けることで、指向性またはゲインを表すＲＦの放射パターンを、アンテナのボアサイトに対する向き／角度（典型的には、その方向／向き）の関数として生成することが可能になる。このように挙動するアンテナは、放物型アンテナ、ホーンアンテナ、らせんアンテナ、４線巻アンテナまたはパッチアンテナであってよい。デジタル方式でステアリングされるアンテナアレイも用いられ得る。デジタル方式でステアリングされるアンテナ、すなわちフェーズドアレイは、アレイ状に配置された、らせん、パッチ、ダイポール等のような複数のアナログ要素を備え得る。これにより、特定の使用帯域幅に対する特定のゲイン要件に対応するためのスペーシングが可能になる。フェーズドアレイは、ボアサイトを画定する機械的に固定された向きを有し得るが、ビームは、フェーズドアレイ内の各要素を通じて伝送される信号の位相をオフセットすることにより、そのボアサイトベクトルからデジタル方式でステアリングオフされ得る。故に、フェーズドアレイは、１つの
を有してよく、複数のビーム
を有してよい。したがって、
により説明されるベクトルは、明瞭に表現された位相差の関数であってよく、その実装は、２つの角度として、またはフェーズドアレイ内の各機械的要素における位相オフセットを表す位相オフセットのベクトルとして保存され得る。
宇宙機に搭載されるアンテナの性能特性は、飛行前に地上で測定および較正され得る。アンテナのゲイン、指向性、ＶＳＷＲ等を
および／または
に対する周波数および向きの両方の関数として表すデータセットは、各宇宙機基地局およびその伝送開口／要素について保存および格納され得る。
特定の実施形態において、ペイロードアンテナは、サブの１ＧＨｚの範囲のセルラ帯域でＵＥと通信し得る。単一のアンテナと、ＲＦフロントエンドフィルタ／ＬＮＡバンクとは、６００ＭＨｚと９６０ＭＨｚとの間の多くのセルラ帯域に対応するように設計され得る。衛星間リンクアンテナおよび地上局リンクアンテナは、Ｓ帯域、Ｘ帯域、Ｋｕ帯域、Ｋａ帯域、Ｖ帯域またはＷ帯域など、より高い周波数を利用し得る。Ｓ帯域、Ｘ帯域、Ｋｕ帯域、Ｋａ帯域との互換性を有するハードウェア、ＲＦコンポーネントおよび地上局が有り余るほど普及していることが、これらの伝送リンクについての設計上の判断を駆動し得る。
図１５は、使用対象の様々なアンテナビームを宇宙機１５０２がどのようにホスティングして、ＩＳＬ接続、ＧＳＬ接続またはＵＥへの接続を生成し得るかを示す。宇宙機の機体基準座標系１５０６は、地球中心座標系、地球固定（ＥＣＥＦ）座標系など、ある他の基準座標系１５０４に対して配向され得る。様々な通信経路をサポートするアンテナは、宇宙機の本体上の物理的な向きを有し得る。これらのアンテナは、特定の向きにある場合、例として、
１５０８、
１５１６および
１５１２といったポインティングベクトルを有する。多くのベクトルは、ＥＣＥＦ座標系におけるある向きを有し得る。各アンテナは、それらをあるベクトル
１５１０、
１５１８および
１５１４に向けること、また、それらの多くをＥＣＥＦ座標系におけるある向きに向けることを可能にするある位相シフトネットワークに基づいて明瞭に表現され得る複数個のビームに対応でき得る。
アンテナポインティングベクトルに対するビームベクトルの関係は、宇宙機の機体座標系に対するある軸および角度に対応するある回転行列として定義され得る。それは、アンテナの後方のＲＦネットワークのある位相シフトにも対応するであろう。これにより、ビームフォーミングが可能になる。アンテナ開口ベクトルからの位相シフトとビームオフセットとの間の関係は、あるデータベースに保存され得る。
各ビームおよび各アンテナは、一意の指向性、ゲイン、ＶＳＷＲ等を、リンクバジェットジオメトリに対する向きの関数（例えば、
および／または
からの角度オフセットを用いてこれらの変数を表す３次元メッシュ）として有し得る。
この情報は、宇宙機上を飛行するアンテナのゲイン放射パターンとして、データベースに数値的に保存され得る。これは、行と列とで表されるｄＢの行列であってよい。ここで、行は、ＥフィールドおよびＨフィールドにおける角度オフセットを示す。データベースは、宇宙機の機体座標系におけるアンテナの位置および向きについての情報も含み得る。これにより、アンテナの向きは、任意の姿勢を仮定して、慣性空間内で計算され得る。
フェーズドアレイアンテナの場合、放射パターンは、行、列およびレーンで表される、ｄＢ値の３次元行列として保存され得る。ここで、行および列は、アレイにより形成されているビームの方向に対する、ＥフィールドおよびＨフィールドにおける角度オフセットを示し、レーンは、ボアサイトからの特定の角度でのビームフォーミングのための所与の位相オフセットでの放射パターンを示す。
式１１でのように、特定の方向への、例えば、ＵＥに向かうビームにより提供されるゲインは、衛星の向きと、アンテナの向きと、ビームの向きと、アンテナに対するＵＥの位置を表すベクトルとを用いて関数が呼ばれ得るように、前に説明した３次元行列によりモデル化され得る。
［Ｃ．７ 惑星、月および太陽の位置のデータベース］
必ずしも衛星の軌道ダイナミクスを駆動しないが、状態空間予測の精度のためにモデル化されるべき測定可能な軌跡偏差を生成できる軌道摂動の計算を支援するために、さらなるデータベースが格納され得る。この種のデータベースの例は、太陽系（太陽および地球の月を含む）における惑星の位置のマップであってよい。式１２でのように、太陽の周囲のそれらの軌道上の惑星の位置は、所望の日時に基づいて将来の惑星の位置を計算できる単純な多項式を用いてモデル化され得る。
［Ｄ． コンスタレーションロケーションレジスタ（ＣＬＲ）］
コンスタレーションロケーションレジスタは、状態空間予測エンジンがネットワーク基地局のトランスミッタのカバレッジダイナミクスを解析するために必要とされる多くの情報を保持するデータベースである。このデータベースは、ネットワークの対象である地表に対する位置のリストとして実装され得る。
図１６は、コンスタレーションロケーションレジスタ１６０２を示す。このデータベースは、地球の周囲のメッシュポイント１６０４と、宇宙ベース基地局の位置１６０６と、地上基地局のカバレッジポリゴンの位置１６０８と、宇宙ネットワーク基地局用の「静的」カバレッジポリゴンの位置１６１０と、宇宙ネットワークからの動的カバレッジポリゴンの位置１６１２と、ＵＥの位置（例えば、ＧＰＳ座標）１６１４とを含み得る。
［Ｄ．１ メッシュポイントのデータベース］
［Ｄ．１ メッシュポイントのデータベース］
宇宙ベースネットワークのコンポーネントは、地球のモデルを開発する。これは、ポイントのメッシュとして行われてよい。これらのコンポーネントは、これをデータベースに格納し得る。このポイントのメッシュは、ランダムに、おそらく１回または繰り返しそのように生成され得る。代替的に、このメッシュは、地球の周囲の構造化グリッドを表し得る。例えば、地球の周囲に等間隔に存在する１００万個のポイントのメッシュは、約５００平方ｋｍグリッド（約２２ｋｍ×２２ｋｍの平方）の地理空間的忠実度を提供し得る。
特定の実施形態において、メッシュは、セルがより小さく、かつ、よりきつく詰め込まれる人口密度に基づいて重み付けされ得る。また、メッシュは、特定の地理的位置におけるネットワーク性能の解析の特定の改善のために作成されてよく、故に、メッシュは、特定の地域では高密度化される。
別の実施形態では、多くのメッシュが、種類（例えば、海路のみ、特定の国のみ、特定の州のみ等）に基づいて作成およびフィルタリングされ得る。
任意の所与の時点におけるデータベース内の各メッシュポイントについて、メッシュ内のそのポイントについてのルールまたはポリシのリストが存在し得る。メッシュ内の特定のポイントの各々は、ルールを有しなくてもよく、どの周波数がそこで用いられ得るか、または、どれくらいの信号エネルギーが所与の周波数で特定の帯域幅にわたってメッシュ内のそのポイントに対して放射され得るかなど、多くのルールを有してもよい。これらのルールの各々は、ポリゴンにより定義されてよく、メッシュ内の各ポイントは、複数のポリゴンにカバーされている結果として、複数のルールを有してよい。このデータは、他のポリシ／動作要件または制約と共に、コンスタレーションポリシおよびルール（ＣＰＲ）データベースと呼ばれる別個のデータベースに格納され得る。
［Ｄ．２ 基地局ポリゴンのデータベース］
［Ｄ．２ 基地局ポリゴンのデータベース］
一実施形態において、地上基地局セル縁を表す中心ポイントにより説明される地上セルを表すポリゴンのデータベースが存在し得る。例えば、セルＩＤ、ＭＣＣ、ＭＮＣ、Ｓ－ＧＷ、Ｐ－ＧＷ、およびおそらく、カバレッジのプロトコル（例えば、ＧＳＭ、ＬＴＥ）、周波数、アンテナゲイン、ポリゴンの内側／上部の各ポイントにおけるセルおよび近接セルからのＲＳＳＩなどのカバレッジ情報等、ポリゴンについてのさらなる情報も格納され得る。
宇宙ネットワーク用のターゲットカバレッジセルを表すさらなるポリゴンがこのデータベースに格納され得る（例えば、ネットワークプロバイダが同意済みの特定の地理的領域が、そのエリア内に配備され得る。なぜなら、そこでは、他のタワーがスペクトルを配備していないからである）。これらのカバレッジセルは、地表上で静的であってよく、かつ、軌道周回基地局上の一組のアンテナがその周波数でカバーできるサイズ（例えば、軌道の高さ、ゲイン、およびビーム幅）に直径が対応していてよい。これらのポリゴンは、特定の緯度座標、経度座標、高度座標を有する中心ポイントおよび縁ポイントならびに一連のさらなるデータポイントと共に格納され得る。これらのデータポイントの各々について、どの周波数がその位置での宇宙ネットワークによる使用に対してライセンスされ得るか、その位置についての帯域幅要件（例えば、ＭＣＳ、帯域幅、データレート等）、おおよその加入者密度、宇宙ネットワークからの最小ＲＳＳＩ、宇宙ネットワークからの最大ＲＳＳＩ、近接セル、近接セルのＲＳＳＩ、ＭＣＣ、ＭＮＣ、ＬＡＣ等が存在し得る。共通のカバレッジ要件（例えば、周波数等）地理的エリアであってよいカバレッジエリアを示すための特定のポリゴンがデータベース内に生成され得る。各ポリゴンは、自らがメッシュ内のどのポイントをカバーするかまたは含むかを定義するために、中心ポイントおよび縁ポイントにより説明され得る。中心ポイントについての格納されたデータは、ポリゴンの縁におけるポイントについて格納されたデータとは異なり得る（例えば、中心におけるＲＳＳＩは、縁におけるＲＳＳＩとは異なり得る）。
図１７は、ポイントのメッシュデータベースがどのように実装され得るかを示す。示されているのは、メッシュ内のポイントであってよい一連のポイントである。各ポイントは、ＥＣＥＦ座標系における位置ベクトルを示す３つの値を有するベクトルとして格納され得る。ビームステアリング機能を有する、軌道上のいくつかの衛星１７２２が存在し得る。また、ビームステアリング機能がない他の衛星１７２４が存在し得る。ビームステアリングアレイは、ポリゴンの１７１２の内側に含まれ、かつ、縁１７０８上にある、メッシュの一連のポイントとして説明され得る、地上の静的ポリゴン基地局セル１７１０に向いていてよい。ビームステアリングがないアレイは、動く地球に対してスポットビームを使用し得る。これらは、データベースにおいて、動的ポリゴン基地局セルとして説明され得る。同様に、静的セルには、動的セル１７１４の内側に含まれ、かつ、いくつかがセル１７１６の縁上に含まれる、メッシュのポイントが存在し得る。地上基地局ポリゴンは、保存されてよく１７０６、それらも、それら１７０４の内側と、縁１７０２とにメッシュポイントを有してよい。いくつかの実施形態において、ＵＥ１７２０の位置もメッシュ内に含まれ得る。メッシュは、惑星の表面全体をカバーしてよく、いくつかのメッシュポイント１７１８が既存のポリゴン（地上またはその他）の外側で含まれることが可能である。
［Ｄ．３ ポリゴンの位置および速度のデータベース］
［Ｄ．３ ポリゴンの位置および速度のデータベース］
軌道周回モバイルネットワークは、いくらか重要である地表上の特定のポリゴンまたはサービスエリアについての情報を含むデータベースを利用し得る。例として、地表上の静的ポリゴンは、周回軌道衛星ネットワークにより用いられる特定の周波数に対するライセンス領域を表し得る。代替的に、軌道周回トランスミッタからその地域に対して有意義にサービスを提供すべく、特定のレベルのサービス（例えば、データレート、１平方ｋｍ当たりデータレート等）を必要とする特定のサービスエリアを画定するポリゴンが存在し得る。データベース内のいくつかのポリゴンは、動いていてよく、したがって、位置および速度は、時間と共に変化している。これは、例として、別の衛星カバレッジフットプリントであってよい。
［Ｄ．４ 静的セルカバレッジゾーン］
［Ｄ．４ 静的セルカバレッジゾーン］
衛星用のカバレッジエリアは、地表上の特定の緯度経度ポリゴンとして予め定義され得る。これらのポリゴンは、衛星からの利用可能なスペクトルと、所望のカバレッジエリアの人口密度とに基づくいくつかの要件に基づいて、大きくてもよく、小さくてもよい。地上で画定されるポリゴンに対してビームがうまく合い得るように、ポリゴンは、軌道上にいる間の様々な姿勢での開口のいくつかの既知の放射パターンに基づく形状であることが理想的であろう。ポリゴンは、重複していてもよく、重複していなくてもよい。隣接セルの干渉緩和制御が十分であれば、地表に対する信号エネルギー放射の１ｄＢまたは２ｄＢ程度のわずかな誤差は、ネットワークの問題を示さないはずである。代替的に、開口は、スポットビームがアンテナの正常なベクトルに対してある角度だけボアサイトからずれて明瞭に表現されることを可能にするであろうフェーズドアレイを利用し得る。これらのポリゴンは、規制要件、無線伝送ライセンス境界、サービスエリア要件および／または衛星コンスタレーション設計によっても駆動され得る。ポリゴンは、ある特性（例えば、あるピーク信号、次にセル縁へと低下する）を有する個々のスポットビームくらい、または、ある国の国境くらい、もしくは、宇宙ネットワークからの信号の要件が一定（広拡散）かつ最小（低信号エネルギー）である、惑星全体の大きい領域／帯状地帯くらい、小さくてよい。
静的セルカバレッジゾーンは各々、例えば、位置中心、位置形状（例えば、ある半径の円、ある長さまたは幅の矩形等）、および／または測地緯度、経度および高度などのある座標系でポリゴンの境界を表すベクトルといったある程度の情報を有するデータベース内でポリゴンとして定義され得る。ポリゴン情報も、そのセル内でのサービスの仕様と共に格納され得る。これは、セルのターゲットカバレッジ統計情報を通知するためのピーク電力、最小電力またはある他の信号エネルギーもしくはサービス品質特性、および、衛星がオーバーパスの間に（姿勢の観点またはＴｘ電力の観点およびビームフォーミングの観点のいずれかから）どのように挙動し得るかを含み得る。静的セルがネットワークについて予め定義されるので、それらは、衛星ネットワーク内または地上ネットワーク内のいずれかのデータベースに格納されてよく、衛星ネットワークによりアクセスされ得る。個々の静的セルカバレッジゾーンには、カバレッジのためのネットワーク内の特定の衛星が割り当てられ得る。静的カバレッジゾーンをカバーする衛星は、静的セルにカバレッジを提供し得る場合に特定の衛星番号が所与のタイムスタンプについて格納されるタイムラインに格納され得る。所与の静的セルは、一度に２つの衛星によりカバレッジを提供されることができ得る。ソフトウェアは、オーバーパス中にどの衛星（ソフトウェアがそれを用いてカバレッジを提供して可能な競合を解決できるもの）が静的セルラゾーンを伝送およびカバーすべきかを地上ネットワーク上または宇宙ネットワーク内で計算するために実行され得る。このソフトウェアは、各衛星のための惑星上の各ポリゴンの各中心における予測されるリンクバジェット条件を用い得る。どの衛星がその時点でセルとの最善のリンクバジェットを有していても、そのセル用のカバレッジを維持し得る。このソフトウェアは、どの衛星が電力使用量に基づいてカバレッジを提供しているかについてのデータも提供し得る。おそらく、特定の電池容量が各衛星に対して所望され、より多くの電池容量を有するものが先行する。
特定の中心点を有する特定の形状としてカバレッジゾーンがデータベース内で定義されるので、これは、カバレッジをどのように最適化すべきかを通知するために、リンクの衛星端上で用いられ得る。各カバレッジゾーンは、定義されたレベルのサービス（例えば、衛星によるサービスのために、そのセルにおいて、少なくともどの信号レベルが所望されるか）を受け得る。定義されたサービスレベルと、ポリゴンにより定義されるカバレッジエリアが原因で、ネットワーク内の各衛星は、カバレッジをポリゴンに提供するような装備を有しないことがあり、ポリゴンを無視して、カバレッジを提供するよう意図されている（かつ、カバレッジを提供するよう設計されている）他のエリアにカバレッジを提供するであろう。ポリゴンにカバレッジを提供できる衛星が、データベース内で文書化されてよく、おそらくさらには、所望される最小カバレッジ要件を提供するためにその衛星が必要とする構成（例えば、カバレッジのために必要なビームの数）も同様である。特に、スポットビームが中心に来る必要があるであろう正確な位置が、データベース内で指定され得る（例えば、ポリゴンＹをカバーするために、第１のスポットビームは、特定の座標に向けられてよく、第２のスポットビームは、他の座標に向けられてよい）。
地上の特定の位置におけるアンテナを回転させて向きを変えるために姿勢決定システムが用いられた場合、セルカバレッジに対する回転角により、衛星フットプリントまたはカバレッジエリア用のカバレッジの面積が拡大するであろう。地球上で画定されるカバレッジポリゴンに応じて、カバレッジは、この拡大に対応してよく、故に、おそらく地表上で楕円の形態を取り得る。
［Ｄ．５ 動的セルカバレッジゾーン］
［Ｄ．５ 動的セルカバレッジゾーン］
ビームフォーミング能力がない衛星は、地表上の静的ポリゴンにビームを容易に向けることができないことがある。代わりに、当該衛星は、宇宙機の機体座標系に対して常に同じ方向を向いたビームを開口から伝送し得る。アンテナを天底に向けるように衛星が制御されるシナリオでは、これは、通過するような動きで地表を横断するスポットビームをもたらすであろう。したがって、経時的に、衛星トランスミッタによりカバーされているポリゴンの位置は、地球を表すメッシュに対して動的であり、ポリゴンの縁および中心は、異なる時点において、データベース内の異なるメッシュ位置であり得る。
動的セルが地球に対して動くので、動的ポリゴンは、可変的なポリシ要件等で地表上のメッシュポイントの上方を移動中であろう。例として、大西洋の中央と太平洋の中央との間の総面積を画定する大きいメッシュ帯状地帯が存在してよく、それらのポリゴン内のメッシュポイントは、動的セルが地球の大きい帯状地帯を通過するときに用い得る１つのスペクトルスライバーについて同じポリシ要件を有し得る。言い換えると、ネットワークスペクトル割り当ては、地球を通過中の動的セルに対応するために、かつ、静的ポリゴンにより多いスペクトルをより厳密に割り当てるために、広い帯状地帯にわたってより緩やかなルールで分配され得る。静的ポリゴンがサービスを受けることができない場合、それを含むメッシュは依然として、特定の時点においてそれを偶然通過している動的セルを用いてサービスを受けることができる。
軌道周回基地局は、衛星カバレッジエリアにより定義されるリンクバジェット条件のために選択されたアンテナが十分に対応できるある範囲内の任意のＬＴＥ帯域で伝送できるように、ソフトウェア定義型無線機能を有する宇宙機として構成され得る。このようにして、軌道周回基地局は、地上基地局と機能が同等であるものとしてＵＥに扱われ得る。
カバレッジセルが地球を通過中であり得る場合、伝搬データを含むデータベースは、衛星からのセルラカバレッジが所与の位置においていつ利用可能になり得るかを予測するために用いられ得る。そのように、宇宙ネットワークと協働してスペクトルの利用を調整する必要がある、ネットワークに近接する地上のセルの位置が、静的セルカバレッジゾーンと同様にデータベースに格納され得る。
タワーの位置を用いて、そのタワーのセルに退位する入射信号エネルギーが計算され得る。タワーがＵＥとの通信のために同じスペクトルチャネルを共有している場合に地上セルと衛星との間のタワー信号がいつコンフリクトして干渉を生じ得るかを判断するために、特定の時間が計算され得る。この時点で、ネットワークは、その時に偶然にも領空侵犯になる宇宙ネットワークオーバヘッド中に衛星により用いられている特定の周波数帯域、チャネル等の制御を自動的に解放するようにプログラミングされていることがある。そのようにする際、スペクトルは、時間的に共有されてよく、最適化されたカバレッジ条件状態を仮定すると、より効果的に用いられ得る。故に、所与のチャネルを介した制御または優先順位は、軌道基地局がどこに存在するかに基づいて、経時的に変化し得る。
どれに優先順位があるかなどのサービス指標が含まれるデータベースにいくつかのポリゴンが追加されてよく、通信がほとんどそれらの地理的エリアによって必要とされる緊急事態の場合、これらは、動的に追加されてよい。優先順位は、時間の関数としてさえ設定され得る。したがって、ネットワークは、近づきつつある緊急事態に対して前もって準備し得る。優先順位が将来に存在する場合、ネットワークは、必要としているポリゴン／ネットワーク使用量の増加をもたらす可能性がある気象または他の緊急事態による影響を受けているポリゴンにより多くのスペクトル利用を割り当てるための電力を保持でき得る。いくつかの実施形態において、ポリゴンは、厳密にはポリゴンではなく、いくつかの曲がった境界を有し得るが、一般的には、ある有限の面積を有する閉鎖形状として扱われ得る。
図１８は、動的および静的ポリゴンスキームがどのように見え得るかを示す。衛星は、ある地上トラッキング１８２０を有する軌道１８０２上で動作する。ある最初の時点ｔ０ １８０４と、ある後の時点ｔ１ １８０６とにおける、ビームフォーミングアンテナＳ１がない衛星が、図１８に示される。Ｓ１は、最初の時点ｔ０で、動的ポリゴン１８２２に対してカバレッジを提供し得る。軌道上で移動した後、Ｓ１は、地球に対してカバレッジの提供を続けてよく、時点ｔ１で動的ポリゴン１８１２に対してカバレッジを提供している。
ある最初の時点ｔ０ １８０８と、後の時点ｔ１ １８１０とにおける、ビームフォーミングアンテナＳ２を有する別の衛星が、この図に示される。Ｓ２は、最初の時点ｔ０で、静的ポリゴン１８１６に対してカバレッジを提供してよく、軌道上で移動した後、Ｓ２は、地球に対するカバレッジの提供を続けてよく、時点ｔ１で、同じ静的ポリゴン１８１６に対してカバレッジを提供してよい。示されるように、ビームフォーミング衛星は、複数の静的ポリゴンにカバレッジを提供し得る。
他の静的ポリゴン１８１８が、データベース内に存在することがあり、時々、カバレッジを取得しないことがある。これは、拡張型ＭＭＥ内の状態空間予測エンジンのタイミングおよび結果に依存し得る。視認性を維持するためにこの図には示されていないのが、地表にわたって示され得る微細なメッシュである。各ポリゴンは、いくつかのメッシュポイントをカバーしてよく、いくつかの特定のメッシュポイントは、描写されているポリゴンの中心および縁である。やはり静的であるが、既存の地上基地局からのカバレッジポリゴンである他のポリゴン１８１４が存在し得る。
［Ｅ． コンスタレーションポリシおよびルール（ＣＰＲ）データベース］
［Ｅ． コンスタレーションポリシおよびルール（ＣＰＲ）データベース］
上で言及したように、ＣＰＲは、宇宙ベースセルラネットワークトランスミッタを位置にわたって動作させるか、またはこれらのルールがマッピングされているポリゴンを動作させるためのルール、規制、ポリシ等を記載した一組のデータを含み得る。ネットワークに対する対象位置を表すメッシュについてのこれらのルールは、規制関連のもの（例えば、周波数、電力レベル等）およびサービス品質関連のもの（例えば、データレート、技術要件等）であってよい。
追加的に、ＣＰＲは、そこでの軌道、姿勢、熱および電力に関するどの制約が軌道上の個々の宇宙機の各々を動作させるためものであるかについての情報のデータベースを保持し得る。
図１９は、コンスタレーションポリシデータベース１９０２およびそのコンテンツを示す。データベースは、宇宙機の姿勢および軌道制御システムについての動作飛行ルールのデータベース１９０４と、宇宙機の熱の要件／制約についての動作飛行ルールのデータベース１９０６と、宇宙機の電力／電池要件／制約についての動作飛行ルールのデータベース１９０８と、ネットワーク内の位置／ポリゴン／メッシュポイントについての規則のデータベース１９１０と、ネットワーク内の位置／ポリゴン／メッシュポイントについてのサービス品質ルールのデータベース１９１２と、軌道から取得されるスペクトル解析／干渉データのデータベース１９１４とを含み得る。
［Ｅ．１ 姿勢および軌道制御飛行ルールのデータベース］
［Ｅ．１ 姿勢および軌道制御飛行ルールのデータベース］
姿勢および軌道制御飛行ルールは、様々な形態でデータベースに格納されてよく、ここで説明される。
力モデルと宇宙機特性を用いる予測エンジンをサポートするために、計画された将来のスラスタ操作を推力の行程またはデルタ－Ｖの行程のいずれかとして格納するデータベースが存在し得る。これらの計画された操作は、ベクトルとして格納され得る。各ベクトル要素は、スラスト状態を時間内に表す。ベクトルは、スラスタの可能なアクチュエータについてどの制御レベルが用いられるかを示す、電圧値または電流値についてのものでさえあり得る。将来の推力およびデルタＶの計算は、衛星の軌跡と、特定の軌道上での、または軌道上の制御ボックス内での衛星の動作を保持するために必要とされる補正とに基づいて予測され得る。例として、この制御ボックスは、動的であってよく、ネットワーク制御ＮＯＣによるコマンドに基づいて変化する。これは、ＮＯＣコマンド１個当たりの正しい軌道位置を実現するためのデルタＶ操作の再計算をもたらし得る。その時点で、飛行操作用のデータベースは、更新されるであろう。
デルタＶ操作と同様に、宇宙機姿勢制御システムを利用するためのＣＯＮＯＰ要件が存在し得る。宇宙機は、実行される必要があるトルクベクトルを表すベクトル、または衛星の軌跡にわたる慣性空間内で将来に位置合わせするためのポインティングベクトルをデータベースに格納し得る。例は、衛星が、その本体の特定の面を地球に向け、別の面をその前方の衛星に向け、かつ、別の面をそれら２つのベクトルに垂直な方向に向けることを求めるということであり得る。デルタＶ要件が将来に予測され得ると同様に、姿勢制御法も予測され得る。これは、剛体ダイナミクスシミュレーションを用いて行われてよく、これらは、テレメトリが宇宙機姿勢および制御システムに関して報告されるときに、結果を補正するために反復的に行われてよい。
姿勢ダイナミクスシミュレーションは、典型的には、長い時間スケールにわたってシミュレーションするのが軌道機構よりもはるかに難しく、結果として、状態空間予測子のボトルネックになり得る。適格な「姿勢モード」に基づく姿勢（例えば、天底を向いている、天頂を向いている等）を単に仮定するために、技術が実装され得る。このように、将来の姿勢は、計算（または数値積分法）を必要とすることなく推論されてよく、軌道メカニクスシミュレーションからの宇宙機の状態空間位置（例えば、位置、速度、軌道角モメンタムベクトル等）が、宇宙機本体についてのポインティングベクトルを推論するために用いられ得る。
［Ｅ．２ 熱要件のデータベース］
［Ｅ．２ 熱要件のデータベース］
熱要件のデータベースが、単に各宇宙機内の各コンポーネントについての熱動作閾値のリストとして維持され得る。（宇宙機バスデータベース内の）各宇宙機の機械的／導電特性を表す一組のデータと、軌道メカニクスシミュレーションと、姿勢シミュレーションと、動作レジーム（例えば、軌道上の各ポイントにおいてどのコンポーネントの電源がオンになっているか）とに基づいて、宇宙ベースネットワークのコンポーネントは、宇宙機の熱特性を経時的にシミュレーションでき、軌道上に何らの過熱もない（または寒過ぎない）ことを保証できる。
このデータベースに格納され、その状態空間予測エンジンに通知するために用いられ得るさらなる熱管理要件が存在し得る。
［Ｅ．３ 電力管理要件のデータベース］
［Ｅ．３ 電力管理要件のデータベース］
熱要件と同様に、電力管理要件は、特定の電池容量閾値についての閾値のリストとして現れ得る。おそらく、軌道上で電力システムを健全に保持するために、これらの閾値は、その電池が特定の容量で動作している場合にどの動作モードが宇宙機にとって許容可能であるかを示す特定のモード（おそらく各々、複数のモード）に割り当てられ得る。
このデータベースに格納され、その状態空間予測エンジンに通知するために用いられ得るさらなる電力管理要件が存在し得る。
［Ｅ．４ メッシュ／ポリゴンについての規則のデータベース］
［Ｅ．４ メッシュ／ポリゴンについての規則のデータベース］
前に説明したように、対象エリアまたは対象位置についてのカバレッジ統計情報を決定するために地表上の仮想位置および地域を定義するメッシュまたはポリゴンのデータベースが存在し得る。
これらのポリゴンおよび位置は当然、地球の周囲に存在してよく、異なる規制要件を有してよい。例として、特定のポリゴンのみが、特定の帯域を用いてサービスを受けることができ得る。これは、リソースブロックのリスト、ＡＲＦＣＮ等として格納されてよく、宇宙ネットワークに割り当てられ得る（かつおそらく、地上ネットワークのみにどのスペクトルも割り当てられるかも格納される）。周波数要件に加え、伝送電力要件が存在し得る。メッシュ内の各ポイントは、宇宙ネットワークがそのサービスを提供するために使用を許容されているリソースブロック、および、宇宙ネットワークがサービスの提供を許容されていないリソースブロックの両方についての伝送電力要件（例えば、ＲＳＳＩ、電力束密度、電力スペクトル密度等）を有し得る。このように、宇宙機が１つのポリゴンに割り当てられたリソースブロック上の位置に対して伝送する場合、隣接するポリゴン（および対応するメッシュ位置）は、他のポリゴンへの伝送が隣接するポリゴン／メッシュについての規制要件に違反しないことを保証するように評価され得る。
伝送電力および周波数の要件に加え、特定のポリゴンについのて他の優先順位要件も存在し得る。例として、データベースに格納されるいくつかのポリゴンは、既存の地上基地局ポリゴンであってよい。災害の場合または災害が予測される場合（例えば、ハリケーンの場合）、倒れたか、または倒れると予想されるタワーに関連するポリゴンには、必要とされる時間中にこれらのポリゴンのカバレッジをサポートする必要があることを宇宙ネットワークが前もって、またはリアルタイムで把握することを可能にする指標が提供され得る。これらのカバレッジエリアが衛星ビームに対して小さい可能性があるので、それらは、大きいポリゴンへ集約され得る。これにより、それらの全てが倒れた場合、衛星は、それらの合計カバレッジエリアの全てを画定するポリゴンをカバーする。規制データベースは、そのような時に優先順位を提供されるべき特定の第１のレスポンダＩＭＳＩ、および、衛星がそのセルのカバレッジの間にどれくらいのスペクトルを用いる必要があり得るかを含み得る。
災害など、必要とされる時間中、電力および熱の制限／制約要件が更新されるか、または緩められることにより、衛星の動作を、それらが必要なエリアへのカバレッジを提供する必要がある短時間にわたって引き延ばすことが可能になり得る。
このデータベースに格納され、その状態空間予測エンジンに通知するために用いられ得るさらなる規則／要件が存在し得る。
［Ｅ．５ メッシュ／ポリゴンについてのＱｏＳルールのデータベース］
［Ｅ．５ メッシュ／ポリゴンについてのＱｏＳルールのデータベース］
各メッシュ／ポリゴンについての規制要件と同様に、ＱｏＳ要件も存在し得る。これらの要件は、特定の地域におけるマーケットの要求、特定のポリゴン内の人口密度により駆動されてよく、日の時刻等によって変わり得る。結果として、各メッシュ／ポリゴンは、地球の特定の領域内の人口または加入者、密度を示すデータのような「センサス」を含み得る。国、およびおそらく、その国の価格データに基づいて、各ポリゴンの収益密度も計算され得る。
サービス品質要件は、配備に必要とされる帯域幅の量と、（おそらくアップリンクおよびダウンリンク上で）必要とされる正味スループットと、セル内の必要とされる最小ＭＣＳと、地上ＰＤＮまたはＡＰＮへの必要とされる待ち時間と、セルにサービスを提供するためにどの種類の無線アクセス技術（例えば、ＧＳＭ、ＬＴＥ等）が用いられ得るかと、複数である場合には、どちらが好ましいかとを含み得る。
商業的な観点から、各ポリゴンは、優先順位等級も有し得る。これは、ビームステアリング衛星が、例えば、１つよりも多くのポリゴンに対してカバレッジを十分に提供できるが、１つに対してのみカバレッジを提供でき、かつ、どの１つのポリゴンかを選択し得る場合、コンフリクトを調整するために、状態空間予測エンジン内で用いられ得る。これは、衛星コンスタレーションが部分的に充填されており、間欠的なカバレッジを提供している場合に行われ得る。優先順位等級のための連結の場合、連結は、そのオーバーパスに関するサービスを受けるポリゴンを選択するために（例えば、どのポリゴンも最善のサービスを受ける）、ネットワーク内の内部連結遮断器により遮断され得る。このデータベースは、最後の２４時間、４８時間、７２時間等にポリゴンが受信したカバレッジの量を示す値を含み得る。このデータベースは、ネットワークカバレッジを決定する際に連結遮断器を評価するための有用な情報であり得る、最後のオーバーパス以降の時間を示す値も有し得る。収益密度などの商業的な促進要因が、カバレッジを決定するためのアルゴリズムにおいて用いられ得る。
このデータベースに格納され、かつ、その状態空間予測エンジンに通知するために用いられ得るさらなるＱｏＳ要件が存在し得る。
［Ｅ．６ スペクトル解析／干渉データのデータベース］
［Ｅ．６ スペクトル解析／干渉データのデータベース］
基地局スタックの拡張は、本明細書における他の箇所で実装をより詳細に説明し得るスペクトル解析機能を使用し得る。このスペクトル解析機能の出力は、拡張型基地局スタックから収集される生データの信号解析処理結果の行列またはベクトルであってよい。スペクトル解析器は、軌道上にいる間、特定のＲＦ帯域をリッスンし、レシーバから生のＩデータおよびＱデータを記録し得る。フーリエ変換（ＦＦＴ）およびおそらく他のデジタル信号処理技術を用いて、ネットワークは、どのリソースブロック、ＡＲＦＣＮ等が軌道上の位置の関数としてより干渉傾向があり得るかを判断できる。この情報は、将来の基地局について予測されるリンクバジェットにおける干渉マージン要件を予測する際に有用であり得る。
干渉データベースは、本開示の実施形態毎に複雑性が異なり得る。いくつかの場合、静的であり、時々更新される干渉レベルが、サービスを提供している衛星の軌道上での位置に基づき、各メッシュまたは各ポリゴンについて格納され得る。より複雑な実施形態において、干渉情報は、空間、周波数および時間の関数として格納され得る（例えば、これにより、リンクバジェット性能のばらつきと干渉とが日にわたって、場合によっては週にわたって予測され得る）。干渉環境は、予想されるノイズフロアを上回るｄｂの値として格納され得る。
このデータベースに格納され、その状態空間予測エンジンに通知するために用いられ得るさらなるＲＦ信号インテリジェンス、処理等のデータが存在し得る。
［Ｆ． ネットワーク状態空間予測エンジン］
［Ｆ． ネットワーク状態空間予測エンジン］
ネットワーク状態空間予測エンジンは、モビリティ管理エンティティ（ＭＭＥ）の拡張の一部である。ネットワーク状態空間予測エンジンは、将来の衛星の軌道ダイナミクスシミュレーションを計算するための一連の段階を実行する。これらのシミュレーションは、信頼できる部分である。なぜなら、それらは、飛行全体にわたって比較的整合性がある、宇宙機の位置、速度および質量（例えば、弾道係数）について、かなり頻繁にプレディケートされるからである。軌道ダイナミクスが解決された後に、これは、姿勢ダイナミクスおよび制御シミュレーションを用いて補完され得る。各衛星の姿勢維持のためのいくつかの予め定義される一組の制約に基づいて、経時的な向きが計算され得る。
位置と、速度と、向きと、トランシーバ／アンテナの動作についてのいくつかの仮定とに基づいて、ネットワーク内の仮定リンク間のリンクバジェットは、リンクバジェット予測を介して計算され得る。リンクバジェット予測結果に基づいて、ネットワーク状態空間予測エンジンは、最適なネットワーク状態空間を予測し得る。これは、動作温度または電力限界を超える衛星を用いるという選択が行われた場合、フィードバックが提供され、解析が再び実行され得るように、各衛星についてのＣＰＲデータベース内の電力および熱の要件または制約に関するチェックを伴い得る。ネットワーク状態空間予測エンジンの出力は、衛星と、地上局と、ＵＥとの間で実装され得る選択された無線インタフェースの行列により表され得るネットワーク状態空間予測テーブルである（例えば、どの基地局がアクティブであるか、どのＩＳＬがアクティブであるか、およびどのＧＳＬがアクティブであるか）。
図２０は、一実施形態におけるネットワーク状態空間予測エンジン２００２のコンポーネントを示す。最初に、ネットワーク状態空間予測エンジンは、上で説明したデータベースからの情報をネットワーク内の衛星の動き（および相対的な動き）を正確に予測するために用い得る軌道伝搬関数２００４を実装し得る。次に、上で説明したサポート用データベースからの情報をコンスタレーション内の各衛星の姿勢および姿勢レートを経時的に計算するためにやはり用い得る姿勢伝搬関数２００６が実行され得る。この関数は、計算上多用されてよく、いくつかの実施形態において、「想定される」姿勢ＣＯＮＯＰ（例としての軌道伝搬関数からの結果に基づく）を用いて簡略化されてよい。これにより、計算強度の低減およびモデル精度の維持が可能になるであろう。
宇宙ネットワークの軌道および姿勢を伝搬した後に、ネットワークリンクバジェット予測関数２００８が実装され得る。この関数は、軌道および姿勢シミュレーションの結果を取得して、ネットワークが全ての時点で利用可能であり得る可能なＩＳＬ伝送リンク、ＧＳＬ伝送リンクおよび基地局伝送リンクの解析結果を生成し得る。リンクバジェット予測の結果は、ネットワーク状態空間予測関数２０１０に渡され得る。ネットワーク状態空間予測関数２０１０は、（基地局、ＩＳＬおよびＧＳＬのために）どのリンクがネットワーク内に生成されるべきかを選択するアルゴリズムまたはアルゴリズムを活用し得る。これらのアルゴリズムは、ルール、ポリシ、制約等についての、また、メッシュ、ポリゴン、衛星等についての、上で説明したデータベースに格納されたデータを活用し得る。これらの処理の結果により、どのリンクが作成されてどのリンクが作成されないかについての決定を編成するために用いられ得るネットワーク状態空間予測行列２０１２が提供され得る。この状態空間予測行列は、ネットワーク動作を通知するために用いられる行程の状態空間予測データベースを生成するために用いられ得る。
［Ｆ．１ 軌道伝搬関数：位置および速度の伝搬］
［Ｆ．１ 軌道伝搬関数：位置および速度の伝搬］
各宇宙機は、その独自の位置および速度を把握するように装備されているので、この情報を内部コンピュータ上で用い、および／または、トラッキング、履歴ログまたは地上のコンピュータでの使用のために、これを地上ネットワークに報告することもできる。
所与の時点での宇宙機の位置、速度および向きが与えられると、これは、将来の宇宙機の位置を正確に予測するために用いられ得る。軌道メカニクスにより、軌道上の宇宙機の動きが制御され、最初の条件である位置および速度が与えられると、加速度を計算でき、数値積分法により、ある時間スパンにわたって将来の位置および速度を伝搬することが可能になり得る。ネットワークのより正確な状態空間予測を生成すすべく、前に説明したデータベースが用いられ得る。
宇宙の軌道周回物体の加速度は、当該物体に作用する力の和を当該物体の質量で除算したものとして定義され得る。式１３は、特定の時点における特定の位置および速度での軌道周回物体の加速度を正確に説明し得る。
重力モデル、大気モデル、惑星モデルおよび宇宙機ドラッグ特性についての情報をデータベースが格納しているので、式１３は、経時的に計算された宇宙機の位置および速度を得るためのルンゲークッタ法またはシンプレクティック積分器などの技術を用いて、数値的に積分され得る。状態空間予測子のこの要素は、利用されるモデルの忠実度に応じて、宇宙機の位置および速度を時間、日または週にわたってかなりのレベルの精度で正確に予測し得る。
宇宙機が推力を提供する場合、その推力の結果として与えられたトルクも存在し得る。このトルクは、姿勢伝搬関数におけるモデルにとって貴重であり得る。所与の推力の場合、宇宙機に対して与えられるトルクは、推力と、推力ベクトルが宇宙機に押しかかる点に対する宇宙機の質量中心の位置（例えば、推力ノズル自体の位置）を表すベクトルとのクロス乗積であってよい。これは、式１４において説明される。
燃料がスラスタから用いられるので、これは、項
および項
を変化させ得ることに留意されたい。
［Ｆ．２ 姿勢伝搬関数：経時的な宇宙機姿勢の伝搬］
［Ｆ．２ 姿勢伝搬関数：経時的な宇宙機姿勢の伝搬］
向きまたは角度位置および角速度は、宇宙機により測定され、将来の宇宙機の向きの状態ベクトルを計算するために用いられ得る。宇宙機の慣性状態ベクトルおよびそれが燃料の使用等と共に経時的にどのように変化し得るかならびに制御法則に基づく計画されたトルク操作または所望のポインティングベクトルについての知識を用いて、宇宙機の将来の向きが予測され得る。
剛体ダイナミクスを制御する法則は、式１５に示されるようにモデル化され得る。
式１５におけるトルク法則の項についての所望のベクトルを計算することがより適切であり得る。宇宙機の回転角速度
および回転角速度率
についての所望の状態が存在し得る。既知の全ての他の項と所望の
とを用いて、この式は、
を求めるために並べ替えられ得る。
一実施形態において、姿勢ダイナミクスにより宇宙機の機体座標系がその軌道および地球に対して特定の方向に向けられるものと想定される場合、姿勢ダイナミクスは、より急速にモデル化され得る。例えば、衛星は、下方の天底に向いた１つの本体軸、またはある既知の角度オフセット天底、おそらく（例えば、潜在的な近接する衛星と同一平面内の）その速度方向を向いた別の本体軸で飛行するものと想定され得る。３番目の軸は、直交本体軸座標系を生成するために、慣性空間内の最初の２つに垂直であろう。
［Ｆ．３ リンクバジェット予測：宇宙機の位置と地上局の位置との間のリンクバジェット］
［Ｆ．３ リンクバジェット予測：宇宙機の位置と地上局の位置との間のリンクバジェット］
慣性空間内での軌道周回基地局の位置、速度および向きに基づいて、基地局と慣性空間内（例えば、地上または軌道上）の任意の位置との間のリンクバジェット（アップリンクおよびダウンリンク）が計算され得る。さらに、リンクバジェットは、衛星間の潜在的なリンクおよび地上局と衛星との間のリンクについても計算され得る。
一実施形態において、リンクバジェット予測は、同じフォーマットを用いて、全てのリンクについてのリンクバジェット計算を実装し得る。例として、式１６および式１７が、基地局とＵＥとの間の接続を表すリンクバジェットを説明する。
式１６および式１７において、ＥＩＲＰは、信号のアンテナゲインおよび伝送電力のデシベル表示を指す。基地局の場合、これは、リンク内で用いられている周波数と、その特定の基地局宇宙プラットフォームの伝送電力との関数であってよい。ＵＥについてはこれが同様に当てはまり得るが、一実施形態では、これはやはり、特定のプロトコル（例えば、ＧＳＭは、ＭＳアップリンク電力を２００ｋＨｚ帯域幅当たり２Ｗに制限しており、ＬＴＥは、ＵＥアップリンク電力を１８０ｋＨｚ帯域幅当たり２００ｍＷに制限している）について、特定のデバイスの想定される定数として十分正確にモデル化され得る。式１６および式１７において、Ｇは、リンクの端部における受信アンテナのゲインである。これは、同様に、周波数または定数の関数であってよい。
残りの項は、リンク内の損失、ノイズおよび干渉である。ポインティング損失
は、周波数およびレシーバとトランスミッタとの間の距離の関数である。
大気損失
およびシンチレーション損失
は、周波数およびリンクバジェットジオメトリ（例えば、大気を通じた伝搬の長さ、また、どの角度なのか）に非常に依存している。したがって、それらは、
および
を用いて計算でき、特定の、多くの場合、より高い周波数の信号に対してはるかに大きい影響を与え得る。ＩＳＬについては、高度は、大気作用で減衰した媒体を通じて信号が伝搬することがなくなるかまたは非常に少なくなり、大気損失およびシンチレーション損失をほとんどまたは全く生じない程度に十分高くてよい。
式１６および式１７における残りの項は、熱ノイズフロア、レシーバのノイズフィギュア、およびリンク内の干渉である。熱ノイズフロアは、リンクの帯域幅と、受信アンテナが「見ている」ものの温度とに基づいて推定され得る。一実施形態において、この値は、２９０～３００Ｋの間のどこかで一定であるものと想定され得る。レシーバのノイズフィギュアは、周波数毎に異なり得るか、または定数として表され得る。ＵＥデバイスの典型的な仕様は、最悪でも７ｄＢのノイズフィギュアを必要とする。サブ１ＧＨｚ帯域における適切に設計された衛星レシーバは、２ｄＢのノイズフィギュアを有し得る。リンク内の干渉は、リンク周波数ならびにレシーバの位置および向きの関数であってよい。この値は、アップリンクの計算においてより重要であってよく、拡張型基地局により提供されるスペクトル解析データにより知らされ得る。ダウンリンク上では、干渉は、その場における測定値により知らされても知らされなくてもよく、既知の地上ｅＮＢからの信号についてデータベースに格納された値であってもそうでなくてもよい（衛星と地上カバレッジセルとが重複する場合）。いずれの場合も、干渉は、一定としてモデル化されてもよく、全くモデル化されなくてもよい。この式における干渉は、リンクに干渉が加わる熱ノイズフロアを上回るデシベルの数を表す複数個のデシベルであろう。
式１６および式１７は、所与のリンクのＳＩＮＲを計算するために用いられ得る。さらなるリンクバジェットパラメータも計算され得る。ＬＴＥプロトコルおよびＧＳＭプロトコルのビットレートがプロトコル変調および符号化スキームテーブルに基づいて指定されるので、これに対応して、ＥｂＮ０、およびビットの予測ビット誤り率も計算され得る。ＰＨＹ層制御を通知するために、ドップラーシフトおよび伝搬遅延などのさらなる物理層品質が予測および活用され得る。
将来の宇宙インフラストラクチャの位置、速度および向きを予測する能力を用いて、軌道上および地上の特定のノード間の可能な将来のリンクバジェットが計算され得る。これは、一組の動作制約（例えば、リンクの最大距離）、ルール（例えば、最大ドップラーシフト）等に基づいてネットワーク全体の動作を正確に予測および最適化するための機会を提示する。
図２１は、可能な基地局リンク２１２２、ＧＳＬ２１１６およびＩＳＬ２１０４のリンクバジェットジオメトリを示す。基地局リンク２１２２は、基地局衛星２１１４およびＵＥ２１３８に基づいて評価される。衛星基地局アンテナボアサイト２１２０は、ボアサイトからずれたある角度２１２４だけアンテナビーム方向２１１８とは異なり得る。リンクジオメトリにより、対応するポイントまたは対象ＵＥのアンテナゲインおよびＥＩＲＰを計算するために用いられ得るポインティングオフセット２１１２が生成され得る。ＵＥも、その向きに基づくビーム方向２１２８を有し得る。基地局リンクは、地上のメッシュにわたって評価されることで、計算可能になるスポットビーム２１３０の輪郭、およびそのビーム２１３４の外側の他のメッシュポイントをもたらし得る。いくつかの地上タワー２１３２は、ビームエネルギー内であってよく、干渉は、地上基地局ポリゴンを表すメッシュ２１３６において評価されてよい。
衛星間リンク２１０４は、２つの基地局衛星２１１４および２１０８の間で評価され得る。ＩＳＬアンテナ２１０６および２１０２のビーム方向（基地局アレイのようにやはりボアサイトからずれて向き得るが、簡潔さのために、ここでは示されていない）を用いて、そのリンク上での通信のためのそれらのアンテナビームの向きを表すベクトル２１２６および２１１０を有する基地局衛星２１０８と地上局２１４０との間で、ＧＳＬ２１１６が評価され得る。
図２１には示されていないが、リンク内での損失は、本開示において前に説明したジオメトリに基づく周波数、経路損失、ポインティングオフセット、偏光オフセット、線損失、本体損失等に基づいて計算され得る。
［Ｆ．４ リンクバジェット予測子およびネットワーク状態空間予測子の手順］
［Ｆ．４ リンクバジェット予測子およびネットワーク状態空間予測子の手順］
リンクバジェットエンジンは、ＲＡＮ（例えば、基地局）カバレッジ配備およびコアネットワークトンネリング接続の両方を予測するために用いられる。これを行うために、リンクバジェットエンジンは、各対象ポリゴン内の様々なポイントおよび地球全体のメッシュ内の各ポイントでの様々な可能な衛星ビーム用の可能な（理にかなった）リンクバジェットを計算し得る。一実施形態において、メッシュ全体または複数のメッシュは、対象ポリゴンであってよい（例えば、リンクバジェットが、格納されるポイントにわたって計算される）。さらに、ＩＳＬ用のビームとＧＳリンクビームとが、同様の手順を経てよい。この解析の結果により、ある種のモンテカルロシミュレーションとみなされ得る一組のリンクバジェットシナリオが生成される。モンテカルロシミュレーションにより、相互に排他的（例えば、各ビームが一度に１つのポリゴンのみにサービスを提供できる）であってよく、かつ、ソフトウェアにより評価されてよい一組のシナリオが生成される。
［Ｆ．５ ビームフォーミング衛星および静的ポリゴンについてのネットワーク状態空間予測］
［Ｆ．５ ビームフォーミング衛星および静的ポリゴンについてのネットワーク状態空間予測］
リンクバジェット予測子および状態空間予測子は、いくつかの実施形態においてネットワークコンポーネントにより実行される反復段階において連続して実装され得る。説明した実施形態において、この手順は、ビームフォーミング衛星による静的カバレッジエリアの基地局カバレッジについてのシナリオを評価する最初の反復ステージを有し得る。リンクバジェットは、ビームトランスミッタの距離内の各ポリゴンについて、軌道／姿勢シミュレーションにおける各時間ステップで、各ビームについて計算され得る。各ビームの想定されるビーム方向が、評価中の静的ポリゴンに最適化されたカバレッジを提供するように作られ得る。この手順は、それが急速に計算され得るようにベクトル化され得る。基地局リンクバジェットが、ビームフォーミング衛星について、様々な時間ステップで、範囲内の静的ポリゴンについてひとたび計算されると、衛星セット内の各ビームがカバレッジを提供し得る特定のポリゴンが、各時点で選択される。
図２２は、開示される実施形態における説明した最初の反復ステージにより実装され得る手順を示す。手順は、ソフトウェアとして実装されてよく、手順フローは、その文脈において説明される。手順は、ｆｏｒループと計算の反復とを含む。しかしながら、ソフトウェアは、例えば、ベクトル化された方式で命令を実行してハードウェアデプロイ上で計算を急速に行うプログラムへコンパイルされ得る。
段階１ ２２０２は、基地局とビームフォーミングアンテナ技術とを有するネットワーク内の衛星に対するｆｏｒループの開始であってよい。
段階２ ２２０４は、ループスルーされている衛星上の利用可能なビームに対するｆｏｒループの開始であってよい。
段階３ ２２０６は、ＣＬＲ内の静的ポリゴンに対するｆｏｒループの開始であってよい。
段階４ ２２０８は、衛星の軌道ダイナミクスおよび姿勢ダイナミクスのシミュレーションをステップスルーするためのｆｏｒループの開始であってよい。
段階５ ２２１０は、選択された時点での選択されたビームと選択された静的ポリゴンとが合理的なリンクバジェットを可能にする互いからの距離内にあることを保証するためのソフトウェア内でのチェックであってよい。この距離閾値は、動的に設定されてよく、過度の計算を回避するために用いられてよい。距離のチェックが満たされない場合、ソフトウェアは、ループを出て、次の時間ステップに向かい得る。
段階６ ２２１２は、その時間ステップにおける静的ポリゴンに対応するためのビームのビーム方向を判断することであってよい。これは、慣性空間内または宇宙機の機体座標系におけるベクトルであって、ビームをどのように方向付け得るかについてのコマンドを通知するためのベクトルであり得る。
段階７ ２２１４は、サービスを提供されている静的ポリゴンが利用可能なリソースブロックをステップスルーするためのｆｏｒループを開始し得る。
段階８ ２２１６は、アップリンク方向およびダウンリンク方向におけるリンクバジェットを計算することで、その時間ステップにおける衛星の距離閾値内にあるＣＬＲデータベース内のメッシュ全体にわたって信号電力を決定し得る（例えば、ビーム方向を仮定した後に、ポリゴンだけでなく、メッシュ全体にわたってリンクバジェットを計算し得る）。リンクバジェットは、ＳＩＮＲ、ＳＮＲ、ＥｂＮ０、ドップラーシフト、待ち時間／遅延等を含む様々な変数を計算し得る。これらの変数の多くは、基地局の性能だけでなく、干渉されないはずであるメッシュのエリア内でのその潜在的な干渉の評価において用いられ得る。リンクバジェットを計算するために、衛星の伝送電力について、いくつかの仮定が行われる必要があり得る。各衛星は、デフォルト伝送電力を有し得る。
段階９ ２２１８は、リンクバジェットの結果を取得し、それらをポリシデータベース内のルールに対してチェックまたは解析し得る。特定のポリシに対する違反があったことを解析結果が示唆している場合、伝送スキームは、ダウンリンクチャネル上のより低いＥＩＲＰでリンクバジェットを再評価することにより、補正され得る。これにより、フットプリントのブリードオーバが減少し、前のリンク伝送スキームからの可能な規制侵害が解決され得る。規則を満たすことができない場合、ループから出てよく、次のリソースブロックが反復される。
段階１０ ２２２０は、規制要件と、ポリゴンについてのサービス品質要件に対するチェックとに合格しているというリンクバジェット結果を取得し得る。
段階１１ ２２２２では、ＱｏＳが満たされている場合、伝送が保存される。それらが満たされておらず、かつ、ＱｏＳ要件が堅固ではない場合（例えば、任意のカバレッジが他のものよりも良くない場合）、それらは、ともかく同様に保存され得る。ＱｏＳ要件が厳密であるシナリオでは、リンクバジェットは、（ＳＮＲ、ＳＩＮＲ、ＥｂＮ０等の関数である）所望のデータレート、ＭＣＳ等を提供できない場合、破棄され得る。
段階１２から段階１６（２２２４、２２２６、２２２８、２２３０および２２３２）は、各衛星、各ビーム、各ポリゴンおよび各時間ステップを通じてループを閉じる。
段階１７ ２２３４は、静的ポリゴンカバレッジオプティマイザを動作させる。静的ポリゴンカバレッジオプティマイザは、静的ポリゴンおよびビームフォーミング基地局のための状態空間予測子であり、段階１から段階１６の結果を用いて、ビームフォーミング衛星からのどのビームが当該静的ポリゴンにカバレッジを提供できるかを判断するソフトウェア機能であってよい。このソフトウェア機能は、各時間ステップを漸進的にステップスルーし、各時間ステップにおける任意の静的ポリゴンが利用可能なビームの数が１よりも大きいかどうかをチェックし得る。そうである場合、このソフトウェア機能は、ある最適な条件を満たすポリゴンをカバーし得る、これらのビームのうちの１つを選択し得る（例えば、各セルは、衛星を用いて最も長いカバレッジを今後提供し、それができなくなるまで、カバレッジを提供する）。所与の時間ステップにわたってポリゴンのためのビームが存在しなかった場合、ポリゴンは、カバレッジを受信しない。特定のポリゴンを他のポリゴンに対して優先するポリシ検討事項が存在し得る。また、ポリシ検討事項は、そのポリゴンについてのトラフィック推定値に基づき時間内に変動することがあり、またはおそらく、そのポリゴンは、宇宙ネットワークによるサービスのために最近追加されている。なぜなら、地上タワーが、地上で倒れてしまっており、元に戻ろうと試みている間、そのサービスをバックアップするための衛星を必要としているからである。ステップスルー時間により、どの衛星がどのポリゴンにカバレッジを提供し得るかが識別され、複数個のバックアップ衛星が示される（現在と将来との間で衛星が故障した場合）。これにより、他の衛星が十分なサービスを提供するというその能力を超えている場合、ハンドオーバ衛星について、静的ポリゴンへのサービス提供を最終的に再開し得る者を理解することも可能になり得る。いくつかの場合、静的ポリゴンおよびビームが、特定の時間ステップ中、互いに割り当てられないことがある。これらの時間ステップは、リンクバジェット予測子と状態空間予測子との間の手順の次の反復について留意され得る。
［Ｆ．６ 残りのビームフォーミング衛星および残りの静的ポリゴンならびに非ビームフォーミング衛星および残りのメッシュ／動的ポリゴンについてのネットワーク状態空間予測］
［Ｆ．６ 残りのビームフォーミング衛星および残りの静的ポリゴンならびに非ビームフォーミング衛星および残りのメッシュ／動的ポリゴンについてのネットワーク状態空間予測］
２番目の反復ステージにおいて、ネットワーク状態空間予測子は、残りの静的カバレッジエリア（前に説明した反復における特定の時点においてサービスが割り当てられていない静的カバレッジエリアに関して）および動的カバレッジエリアの両方の、残りの基地局カバレッジについてのシナリオを評価し得る。ビームフォーミング型であり、かつ、以前に割り当てられていない衛星ビームだけでなく、非ビームフォーミング型である衛星ビームが、この反復において、カバレッジについて評価される。２番目の反復は、衛星ビームを通時的に反復するという点で、最初のものと同様である。しかしながら、この場合、ビームは、既知の静的ポリゴンによってガイドされない（各時間ステップにおいてビームフォーミング衛星によりカバーされ得る静的ポリゴンが、前の反復において考慮される）。結果として、ビームは、あるポインティング方向を有するものと想定される。これは、衛星の姿勢により、または残りのビームフォーミングビームの場合における遠隔エリア内の人口密度などのいくつかの他の促進要因により駆動され得る。
想定されたビーム方向が作られた後に、リンクバジェットが計算されてよく、ポリシ要件およびＱｏＳ要件に関する同様のチェックが、リンク構成（この場合、可能であるときは、おそらく、ビーム方向）に関する反復の前に行われ、次に、リンクバジェットが保存されるか、または保存されない。反復ループの終了時に、伝送し得る残りのビームが、各時間ステップについて決定される。特定の時点においてビームが伝送していると判断された後に、利用されているスペクトルを調和する必要があり得る。同じ周波数帯域内のどの周波数帯域またはリソースブロックが各基地局に割り当てられているかを判断するために、関数が用いられ得る。ひとたびこれが確立されると、各時間ステップにおける各基地局についてのさらなる基地局動作要件、例えば、どのＭＩＢ、ＳＩＢ、ＴＡＣ等をそれらが基地局制御として実装する必要があり得るか等が、決定され得る。
図２３は、開示される実施形態における説明した２番目の反復ステージにより実装され得る手順を示す。手順は、ソフトウェアとして実装されてよく、故に、手順フローは、その文脈において説明される。手順は、ソフトウェアとして実装されてよく、ｆｏｒループと計算の反復とを含む。しかしながら、ソフトウェアは、ベクトル化された方式で命令を実行してハードウェアデプロイ上で計算を急速に行うプログラムへコンパイルされ得る。
段階１ ２３０２は、割り当てられなかったか、またはまだ割り当てられていないビームフォーミングビームを有する基地局を各々が有するネットワーク内の衛星だけでなく、ビームフォーミングビームがない基地局を有するネットワーク内の全ての衛星に対するｆｏｒループの開始であってよい。
段階２ ２３０４は、ループスルーされている衛星上で利用可能なビームに対するｆｏｒループの開始であってよい。
段階３ ２３０６は、各衛星の軌道ダイナミクスおよび姿勢ダイナミクスのシミュレーションにおける時間ステップをステップスルーするためのｆｏｒループの開始であってよい。
段階４ ２３０８は、評価中のビームの方向を判断するソフトウェア機能を実装し得る。これは、ビームステアリングビーム用である場合、静的ポリゴンの最も近い部分、またはおそらく、地上基地局により接続されていない加入者の人口密度が高い遠隔メッシュポイントに基づいて、方向を評価し得る。ビームがステアリングしていない場合、方向は、単に、その時点での宇宙機の姿勢から導出され得る。
段階５ ２３１０は、その時間ステップにおける衛星の視野内にある、メッシュが利用可能なリソースブロックをステップスルーするためのｆｏｒループを開始し得る。
段階６ ２３１２は、アップリンク方向およびダウンリンク方向におけるリンクバジェットを計算することで、その時間ステップにおける衛星の距離閾値内にあるＣＬＲデータベース内のメッシュ全体にわたって信号電力を決定し得る（例えば、ビーム方向を仮定した後に、ポリゴンだけでなく、メッシュ全体にわたってリンクバジェットを計算し得る）。リンクバジェットを計算することは、ＳＩＮＲ、ＳＮＲ、ＥｂＮ０、ドップラーシフト、待ち時間／遅延等を含む様々な変数を計算することを含み得る。これらの変数の多くは、基地局の性能だけでなく、干渉されないはずであるメッシュのエリア内でのその潜在的な干渉の評価において用いられ得る。リンクバジェットを計算するために、衛星の伝送電力について、いくつかの仮定が行われる必要があり得る。各衛星は、デフォルト伝送電力を有し得る。
段階７ ２３１４は、リンクバジェットの結果を取得し、それらをポリシデータベース内のルールに対してチェックまたは解析し得る。特定のポリシに対する違反があったことを解析結果が示唆している場合、伝送スキームは、ダウンリンクチャネル上のより低いＥＩＲＰでリンクバジェットを再評価することにより、補正され得る。これにより、フットプリントのブリードオーバが減少し、前のリンク伝送スキームからの可能な規制侵害が解決され得る。伝送電力を減らしても規則を満たすことができない場合、ソフトウェアは、ビーム方向に関して反復し（可能な場合）、リンクバジェット計算のための処理を繰り返し得る。これが依然として失敗する場合、ループを出て、次のリソースブロックが反復され得る。ビーム方向に関する反復は、計算時間を保存する目的のものに限定され得る。
段階８ ２３１６は、規制要件と、下方の地上のメッシュポイントについてのサービス品質要件に対するチェックとに合格しているというリンクバジェット結果を取得し得る。この段階は、スキップされてもよく、非ビームフォーミングアレイについてのＱｏＳ要件が低減されてもよい。
段階９ ２３１８では、ＱｏＳが満たされている場合、伝送が保存される。それらが満たされておらず、かつ、ＱｏＳ要件が堅固ではない場合（例えば、任意のカバレッジが他のものよりも良くない場合）、それらは、ともかく同様に保存され得る。ＱｏＳ要件が厳密であるシナリオでは、リンクバジェットは、（ＳＮＲ、ＳＩＮＲ、ＥｂＮ０等の関数である）所望のデータレート、ＭＣＳ等を提供できない場合、破棄され得る。リンクバジェットが保存される場合、カバレッジポリゴンの縁（周波数毎に異なり得る）を決定するために、伝送結果が用いられ得る。これは、動的ポリゴンカバレッジエリアの縁を計算するために用いられ得る。一実施形態において、これは、それぞれの技術、つまり、ＧＳＭ（例えば、２００ｋＨｚ当たり－１０５ｄＢｍ）およびＬＴＥ（例えば、１８０ｋＨｚ当たり－１１５ｄＢｍ）のための、地上のセル縁用に用いられる信号レベルであってよい。セル縁またはセル中心にあるメッシュ内のポイントが、各時間ステップにおいて示され得る。
段階１０から段階１３（２３２０、２３２２、２３２４および２３２６）は、各衛星、各ビーム、時間ステップおよび各リソースブロックを通じてループを閉じる。
段階１１ ２３２８は、動的ポリゴンカバレッジオプティマイザを動作させる。動的ポリゴンカバレッジオプティマイザは、残りのビームフォーミング基地局および非ビームフォーミング基地局を通じて実装される動的ポリゴン用の状態空間予測子である。この関数は、段階１から段階１０からの結果を用いて、残りのビームフォーミング衛星および非ビームフォーミング衛星からのどのビームが地球に対して（それらの特定の動的ポリゴンにわたって）カバレッジを提供できるかを判断するソフトウェアであってよい。このソフトウェアは、例として、各時間ステップにおけるカバレッジシナリオの可能な並べ替えの計算を含み、かつ、どの衛星が電力使用量を最小化しつつカバレッジを最大化するために伝送を必要としているかを判断するグローバル最適化アルゴリズムを実装し得る。別の実施形態は、スペクトル割り当てに伴う干渉の課題を回避するために、セルの重複の最小化を保証し得る。異なる変数が最適化のために選択され得る。
段階１２ ２３３０は、ネットワーク内の各衛星基地局およびまた可能な地上基地局にどのリソースブロックが割り当てられたかを判断するために用いられるソフトウェア機能であってよいスペクトル使用予測子を実装し得る。このソフトウェアは、各静的セルにおける非ビームフォーミング衛星用のリンクバジェットを評価し得る（地上でサービスを提供される静的ポリゴン基地局の位置および軌道上でサービスを提供される静的ポリゴン基地局の位置の両方）。このソフトウェアは、ビームフォーミング衛星から、地上基地局だけである静的セル上へのリンクバジェットも決定し得る。宇宙軌道周回無線インフラストラクチャからの信号レベルが、地上タワー、リソースブロックまたは周波数キャリアにより用いられるものに等しいか、またはそれらよりも高い場合、共有が必要であり得る。
衛星からの信号レベルがいつ高過ぎになり得るかが把握され、かつ、厳密にどのＲＢでこれが起こり得るかが把握されるので、宇宙ネットワークは、影響を受け得る地上セルを用いて、これを地上ネットワーク内のＭＭＥに伝達し得る。これに基づいて、地上セルは、それらの伝送電力を一時的に増やすか、または、それらのスペクトル配備のいくつかの使用を一時的になくし得る。各時間ステップについてトランスミッタ（および場合によっては、各時間ステップについて一組のバックアップ）が確立された後に、ネットワークは、どのリソースブロックをどのトランスミッタに割り当てるべきかを決定し得る。割り当てテーブルと、各基地局ビームにおける伝送についてのＲＢルールとに基づいて、適切なＲＢ分割が実装され得る。これは、ＲＢと衛星ネットワーク内の各伝送基地局との適切な比を割り当てるべく、人口密度カバレッジ、既知の遠隔ＵＥカバレッジ、予想されるトラフィックモデル等により最適化され得る。技術的に、衛星ダウンリンクは、ほとんどの地上タワーダウンリンクよりも弱いであろう。各基地局でのリンクバジェットのための計算結果は、リソースブロックを共有するのにリンクバジェットが適切だったかどうかを判断するために計算され得る。技術的に、地上基地局は、そのカバレッジセル内の衛星ダウンリンクに対して０ｄＢ超のＳＩＮＲを有するダウンリンク信号を生成できる必要があるであろう。これにより、０．３３符号化レートでＱＰＳＫを用いて、少なくとも最も低い次数のＬＴＥ ＭＣＳテーブル設定であるＭＣＳ－１が可能になるであろう。
段階１３ ２３３２。手順における最後の段階により、衛星についての基地局制御要件が完結され得る。各トランスミッタ用の周波数ドメインがひとたび把握されると、将来の予測される各基地局にも、領域ベースネットワーク特性について、それらが必要とされる場合には、その情報リソースブロック（例えば、ＭＩＢ、ＳＩＢ等）上で伝送しているはずである、どのようにそれ自体を（例えば、どのＭＣＣ、ＭＮＣ、ＴＡＣ等を）構成するかに関する一組の情報が提供され得る。
図２４は、データ構造２４２８を示す。データ構造２４２８は、各時点において対象として伝送するよう衛星基地局が命令される、リンクバジェット予測子および選択手順を表す行列、行列のセルアレイ、または行列の行列であってよい。メッシュ２４０２は、個々のメッシュポイント２４１４へ分解される。各メッシュポイントは、地球上の３軸座標を表し得る。ポリゴンは、複数のメッシュポイントを備えてよく、ポリゴンは、地上静的基地局２４０８、宇宙静的基地局２４０６または宇宙動的基地局２４０４からの基地局カバレッジを表してよい。リンクバジェットは、メッシュポイントならびに基地局ビームフォーミングビーム２４１０（例として、ｂ１、２４１２）および基地局非ビームフォーミングビーム２４２４（例として、ｂ１０、２４２２）について評価される。リンクバジェットは、基地局衛星の位置、速度および向きが既知である個別の時点２４１６において評価され得る。各時点における各メッシュポイント用のリンクバジェット２４２６は、リソースブロック２４３２にわたって、性能変数２４３０の所望のリストについて評価され得る。これらの計算の結果として、ネットワーク状態空間予測子は、どのビームフォーミング衛星が各時間ステップ２４１８において宇宙静的基地局にカバレッジを提供しているかだけでなく、どの非ビームフォーミング衛星が宇宙動的基地局２４２０にカバレッジを提供しているかを判断し得る。
典型的なＬＴＥ基地局は、１ＭＨｚ、４ＭＨｚ，５ＭＨｚ、１０ＭＨｚまたは２０ＭＨｚのブロックを使用し得る。これらのブロックの各々は、帯域幅の広さが１８０ｋＨｚであり、かつ、帯域幅が１５ｋＨｚである１２個の直交サブキャリアを自ら含む複数個のリソースブロック（ＲＢ）を含み得る。リンクのダウンリンク部分において、基地局は、任意の１つの時点で、多くのＲＢにわたって通信し得る。しかしながら、各モバイルデバイスには、その特定のデバイス用の単一のＲＢのみが割り当てられ得る。結果として、デバイスは、単一の１８０ｋＨｚのアップリンクＲＢのみを基地局へ伝送する。
宇宙ベースＬＴＥ通信システムを動作させる場合、１０ＭＨｚ、５ＭＨｚまたはさらには１．４ＭＨｚのブロック全体を宇宙ネットワークに割り当てることは不便であり得る。ほとんどの電気通信トラフィックは、地上の地上基地局を通過し得る。結果として、宇宙ネットワークに割り当てられるスペクトルの量は、それが移動するものと予想するトラフィックに比例するはずである。
地上ネットワークおよび宇宙ネットワークは、宇宙ネットワークのみがＬＴＥキャリア帯域内の特定のリソースブロックを利用する実装を決定できる。例えば、地上のセルラタワーは、５ＭＨｚのＬＴＥキャリア帯域を使用し得るが、そのキャリア帯域幅内のリソースブロック（ＲＢ）のうちのアップリンクリソースブロックを、例えば１、２または３ではそのモバイルデバイスのいずれにも割り当てるべきではないことを把握している。なぜなら、相補的な宇宙ネットワークがそれらのリソースブロックの利用を求めるからである。これらのＲＢは、周波数、量および時間内で、宇宙ネットワークに動的に割り当てられ得る。世界の特定のエリアにわたって、宇宙ネットワークの処分時には、より多くのリソースブロック（ＲＢ）が存在し得る。また、宇宙ネットワーク用に確保されているこれらのリソースブロックにわたる特定の時間スロットのみが存在し得る。
この実装は、地上ネットワークが電気通信トラフィックモデル（またはおそらく他のもの）に基づいて特定の位置における特定のリソースブロックまたは時間スロットの割り当てを阻止するように定義されるソフトウェアである「スペクトルテーブル」としてのソフトウェア内で行われ得る。自らの軌道軌跡からのエフェメリスを用いる宇宙ネットワークは、世界の任意の特定の部分に対するアクセスを有していることを把握しているＲＢまたはタイムスロットにわたって通信トラフィックを管理するためのソフトウェア定義型の無線および飛行コンピュータを再構成できる。これは、衛星オンボードで、内部マップとしてメモリに格納され得る。このマップは、アップデート可能かつ再構成可能なように設計されるであろう。なぜなら、地上の電気通信トラフィックが、日、月、年または１０年等のいずれかにわたって減衰し、流れるからである。
図２５は、図２４において説明したシナリオがそれ自体をどのように現実の座標系に出現させ得るかと、おそらく特定の基地局への特定のスペクトルスライスをおそらく特定の時点で（または、別の実施形態では永続的に）可能にするためにＬＴＥブロックが「スライス」される方式で、リソースブロックがその時間ステップについて宇宙ネットワークにどのように動的に割り当てられ得るかとを示す。図２５において、各基地局カバレッジポリゴンは、「ｅＮＢ」として示され得るが、以下の説明では、単に「基地局」と称される（例えば、基地局５は、ｅＮＢ５である）。各衛星２５０２には各々、１つのビーム２５１８が装備され得る。宇宙でカバーされる基地局５から基地局８が互いに伝送しているように示されるだけでなく、地上でカバーされる基地局１から基地局４も示されている。各基地局カバレッジポリゴンには、あるビームによるカバレッジが提供される（例えば、ビームｂ１は、静的ポリゴン基地局５にカバレッジを提供するために用いられる）。
各基地局カバレッジポリゴン内には、対応するメッシュポイントが存在し得る（例えば、基地局１のカバレッジポリゴンは、メッシュポイントｍ１およびｍ２を含み、基地局５のカバレッジポリゴンは、メッシュポイントｍ１０～ｍ１３およびｍ２８～ｍ３９を含む）。スペクトルのブロック２５１０は、５ＭＨｚのＬＴＥブロック内の非干渉トラフィックチャネルの経時的な分割割り当てを必要とし得る（例として。だが、ブロックは、ＬＴＥが許容するような幅であってよい）。軌道周回基地局および地上基地局は、中心の６個のリソースブロックを制御チャネル用に共有してよく、ダウンリンク制御チャネルの区別可能な使用のためにＰＣＩコードの動的割り当てを用いてよい。宇宙ネットワークと地上ネットワークとの間のＰＲＡＣＨプリアンブルの数の動的な割り当てが行われ得る。宇宙ネットワークと地上ネットワークとの間で割り当てられるのは、使用済みのリソースブロック２５１２、制御リソースブロック２５１４および未使用のリソースブロック２５１６である。これらのリソースブロックは、様々な態様で割り当てられ得るが、重複するカバレッジゾーン、ビーム等を有する基地局間に重複するリソースブロックがないように行われ得る。周波数リソースは、時間の関数としてさえ割り当てられ得る。ここでは、どこかに特定のリソースブロックおよびタイムスロットが割り当てられる。宇宙ネットワークは、ＧＰＳを用いて実装されてよく、故に、タイムスロットが各基地局時分割多元アクセス実装に対して含まれる場合を理解するように同期され得る。これは、重複する衛星カバレッジゾーンが、衛星間で特定のタイムスロットをそのリソースブロック上で割り当てることにより、同じリソースブロックを同時に共有できることを意味する。
［Ｆ．７ ＩＳＬおよびＧＳＬについてのネットワーク状態空間予測］
［Ｆ．７ ＩＳＬおよびＧＳＬについてのネットワーク状態空間予測］
ネットワーク状態空間予測関数は、ＩＳＬおよびＧＳＬのためのリンクバジェットを評価し得る。ＩＳＬおよびＧＳＬのためのリンクバジェット結果に基づいて、ネットワークは、各時間ステップにおいてどの接続を実行するのが最善であるかを判断できる。いくつかの衛星は、ＩＳＬまたはさらにはＧＳを介して複数のリンクをサポートするように設計され得る。どのネットワークに優先順位があるかに応じて、ネットワーク接続は、様々な基準（例えば、最も長い可能なリンクデータレート、待ち時間等）に基づいて選択され得る。おそらく、各時点においてネットワークに接続されると予測される各ＵＥについてのネットワーク待ち時間の二乗平均平方根を低減すべく、ネットワークリンクが選択される。最も理想的なリンクおよびリンク代替物がひとたび時点について決定されると、ネットワークは、ＩＰシグナリングおよびネットワーク制御シグナリングを動かすためにどのトンネリング／ルーティングリンクが利用可能であるかを判断できる。追加的に、ネットワーク内のＩＰトラフィック接続の切断を回避すべく、ネットワークは、これを用いて、トンネリングルートがいつハンドオーバされる必要があるかを予測できる。
図２６は、ネットワーク状態空間予測エンジンがどのようにＩＳＬおよびＧＳＬを評価し得るかを示す。
段階１ ２６０２は、ネットワーク内の衛星に対するｆｏｒループの開始であってよい。
段階２ ２６０４はネットワーク内の地上局だけでなく、段階１においてループされていないかまたはループスルー済みのネットワーク内の他の衛星に対するｆｏｒループの開始であってよい。
段階３ ２６０６は、衛星の軌道ダイナミクスおよび姿勢ダイナミクスのシミュレーションにおける時間ステップをステップスルーするためのｆｏｒループの開始であってよい。
段階４ ２６０８は、複数の衛星または１つの衛星および地上局がリンクバジェット計算に値する合理的な十分な距離内に存在していることを保証するために、距離のチェックを実装し得る。
段階５ ２６１０。リンク距離が計算に値するものとみなされた場合、１つの衛星または複数の衛星および複数の地上局のビーム方向が決定され得る。地上局は、ディッシュまたはフェーズドアレイビームステアリング技術を用い得る。衛星は、ビームステアリングアレイ、機械的にステアリングされた開口または静的な機械的に取り付けられたアンテナ開口をＩＳＬのために用い得る。
段階６ ２６１２は、ＩＳＬおよびＧＳＬについてのアップリンク方向およびダウンリンク方向におけるリンクバジェットを計算し得る。リンクバジェットジオメトリおよび伝送電力を仮定すると、リンクバジェットは、ネットワーク内の多くの衛星および地上局において両方の方向で評価され得る。リンクは、各リンクに割り当てられた個別の周波数チャネルにわたって評価され得る。これは基地局リンクバジェットがどのようにリソースブロックにわたって評価されるかと同様であってよい。この情報は、どのレベルの干渉が特定のＩＳＬ内に存在し得るかを判断するために用いられ得る。これにより、伝送電力の低減、帯域幅／スペクトル分割の適切な動的割り当てまたは干渉があるリンクの使用の完全な拒絶がトリガされ得る。
段階７ ２６１４は、リンクバジェットの結果を取得してよく、許容できない可能性があり、かつ、リンクの再構成（おそらく、ジオメトリまたは電力の変更を含む）を必要とし得る他の衛星との干渉について、それらをチェックまたは解析し得る。必要な場合、段階は、再構成されたリンクパラメータに基づくリンク計算に戻る。
段階８ ２６１６が、図２４に示されるものと同様に、リンクバジェットをリンク状態空間へ保存する。
段階９からを段階１１（２６１８、２６２０、２６２２）は、各伝送衛星、各受信衛星および／または各地上局および時間ステップを通じてループを閉じる。
段階１２ ２６２４は、リンク状態空間行列結果を用いて、どのリンクが用いられるべきかをネットワークルーティング最適化アルゴリズムに基づいて判断する。ネットワークは、例として、パケットを遠隔ＵＥから地上局へ移動させるために、二乗平均平方根時間／待ち時間を最小化することを所望し得る。選択されているリンクの各々について、同様または近傍の周波数を用いて、他のリンクへの近接度に基づき、所与の周波数帯域幅が決定されるべきである。各衛星の周波数機能と、どの周波数を他の衛星と共に用いるかとを説明するスペクトル戦略がデータベースに実装され得る。または、プレーンを共有している周波数は、衛星コンスタレーション設計において固有であり得る（例えば、全ての他のＩＳＬが周波数の使用を繰り返す）。
段階１３ ２６２６は、ネットワーク内のノード間の制御トラフィック、ユーザトラフィックおよびＴＴＣＣ＆ＤＨトラフィックを移動するＩＰベアラ用の各トンネルについて、どの帯域幅割り当てが存在しているかを判断し得る。これは、予測ロードに基づき、一定または動的であってよい。
図２７は、基地局ならびにＩＳＬおよびＧＳリンクの決定のリンク状態空間行列のグラフィカルな実施形態を示す。この図において、各基地局カバレッジポリゴンは、「ｅＮＢ」として示され得るが、以下の説明では、単に「基地局」と称される（例えば、基地局５は、ｅＮＢ５である）。上述のように、メッシュ２７０４は、静的基地局２７７０および動的基地局２７０６を構成するポイント２７１８を備え得る（簡潔さのために、図２７では、地上ベース基地局または宇宙ベース基地局のいずれかに簡略化されている）。メッシュは、ネットワーク２７１２の加入者である特定のＵＥの地球上での位置を表すポイント２７２０も備え得る。地球上のポイントのメッシュと同様に、地上局の位置２７０８を表す他のポイント２７１６と、衛星の位置２７１０を表すポイント２７１４とを備える一組のネットワークノード２７０２が存在し得る。この状態空間は、ビームフォーミング衛星２７４２および非ビームフォーミング衛星２７５６という２つのグループへ分割され得る衛星２７４４間のリンクバジェットシナリオを表すであろう。この特定の実施形態において、本開示の説明の簡潔さを維持するために、各衛星は、１つのビームのみを有し得る。各ビームフォーミング衛星は、地球上の静的ポリゴンにカバレッジを提供するように選択され（２７４６）得る。ここに示すように、衛星Ｓ４は、静的カバレッジポリゴンであり得る基地局３にカバレッジを提供している。また、非ビームフォーミング衛星は、動的基地局にカバレッジ２７４８を提供するように選択される。ここに示されるように、衛星Ｓ５は、基地局５にサービスを提供するように、時間ステップｔ０ ２７４０において選択される。同様に、各地上局は、衛星と通信してよく、それらのリンク２７５４が選択されてよい。そこに示されるように、Ｓ９は、時間ステップｔ０において、ＧＳ１およびＧＳ３の両方と通信している。同様に、ＩＳＬも、各タイムスロットについて選択され（２７５２）得る。２７５０へのカバレッジを提供されているＵＥも、リンク状態空間行列において計算され得る。図２７において、例えば、ＵＥ１およびＵＥ２は、静的ポリゴンである基地局１内のビームフォーミング衛星であるＳ１によりカバレッジを提供されている。各メッシュ２７５８についての各基地局リンクバジェット予測は、リソースブロックＲＢ１ ２７６０からＲＢｎ ２７６８までの任意の帯域幅に及び得る。同様に、ＩＳＬおよびＧＳリンクバジェット２７６２は、各リンク２７６４から２７６６について、可能な周波数に及び得る。ＩＳＬ、ＧＳＬおよび基地局リンクは、ＳＩＮＲ、ＲＳＳＩ、データレート、待ち時間、ドップラーシフト等について評価され得る。
図２８は、図２７のリンク状態空間行列がどのように地球の座標系における宇宙ネットワークに現れ得るかを示す。この図において、各基地局カバレッジポリゴンは、「ｅＮＢ」として示され得るが、以下の説明では、単に「基地局」と称される（例えば、基地局５は、ｅＮＢ５である）。Ｓ１０ ２８０４は、ＧＥＯ軌道２８０２上に存在してよく、Ｓ９ ２８１４は、ＭＥＯ軌道２８０６上に存在してよい。ＵＥにカバレッジを提供している基地局は、ＬＥＯ軌道２８２２上に存在し得る。Ｓ１ ２８１６は、ビームフォーミング衛星として、ＵＥ１ ２８１８およびＵＥ２にサービスを提供している基地局１を介して、ハワイ島にカバレッジを提供していてよい。Ｓ５ ２８０８は、西カナダにおける基地局５を介してＵＥ３およびＵＥ４にカバレッジを提供している非ビームフォーミング衛星であってよい。ＩＳＬ ２８１０および２８２０ならびにＧＳＬ ２８１２は、ＬＥＯ、ＭＥＯおよびＧＥＯならびにＧＳ ２８２４の間に存在し得る。結果として、トラフィックは、このシナリオでは、ＵＥ１からＳ１へ、そしてＳ２へ、そしてＳ３へ、そしてＳ４へ、そしてＳ５へ、そしてＳ１０へ、そしてＧＳ２へ、そしてインターネットを通じてＧＳ１へ、そしてＳ９へ、そしてＳ８へ、そしてＵＥ５へとルーティングされ得る。
［Ｇ． 状態空間データベース］
［Ｇ． 状態空間データベース］
ネットワーク状態空間予測エンジンは、どのトランスミッタおよびレシーバが将来の各時点における一次ルートで互いに話しているかと、どのトランスミッタおよびレシーバが将来の時点における一次ルートへのバックアップとして互いに話しているであろうかとを効果的に定義する行列／ベクトルの３次元セルアレイまたは論理的同等物を生成する。この結果に基づいて、ＩＰルーティングテーブル生成処理が、各時点についてトラフィックをネットワーク内の１つのノードから別のノードへルーティングするために用いられ得る。基地局リンク、ＩＳＬおよびＧＳＬにわたるトランスミッタとレシーバとの間の接続がハンドオーバされて変化するので、ＩＰルーティングテーブル処理により、更新された最適なルーティングが生成され得る。
ネットワーク状態空間予測エンジンにより生成される所望のネットワーク状態空間を実現するために、シミュレーションの他に最適化されたものを適切に起動すべく個々の衛星の各々が時間内に取得し得るコマンドまたは時間ベースで格納される動作行程を定義する行列／ベクトルの別のセルアレイが生成され得る。この新しい３次元セルアレイは、状態空間データベースとして格納され得る。
状態空間（ＳＳ）データベースは、ネットワーク状態／動作条件についての動作またはインテリジェンスを反映する一組の行程を含む。行程のうちの１番目は、宇宙機行程であってよい。これは、宇宙機ビームの動作（例えば、ビームフォーミング方向等）、スラスタの利用（例えば、軌道維持のためのスラスタ操作）、姿勢制御およびポインティング（例えば、宇宙機の向きの経時的な制御または操作）および／または動作電力モードを表すベクトルまたは行列の３次元セルアレイであってよい。各宇宙機上のコアネットワークおよび基地局についての行程も存在し得る。これらの行程は、ネットワーク動的ＩＰルーティングテーブルと、衛星と地上局との間のトンネルを通じて確立されるＩＰベアラ用のネットワークレベルハンドオーバと、基地局フロントエンド構成（例えば、どの帯域が用いられているか）と、電力制御（例えば、どのＥＩＲＰ限界か）と、動的マスタ情報ブロックおよびシステム情報ブロック情報構成と、基地局ハンドオーバと、スペクトル解析器の制御と、デジタル信号処理解析とを含み得る。
状態空間データベースは、状態空間データベースのネットワーク分散向けの特定のベアラ上の衛星間リンクトンネルおよび地上局リンクトンネルを介してネットワークを通じて分散され得る。このベアラは、ＴＴＣＣ＆ＤＨトンネルベアラの一部であってよい。ＩＰｖ６ネットワークとして、衛星に割り当てられる各静的ＩＰアドレスは、状態空間データベースからの必要な情報を含む一意のパケットを送信するために用いられ得る。これは、その独自の状態空間データベーススライバー、および、将来にそれとリンクすることを意図するか、または予測時点と発生時点との間のネットワーク衛星の異常事態もしくは故障の場合に将来のリンクのためにバックアップされる（おそらくさらには、バックアップのバックアップ）衛星の状態空間データベーススライバーだけであり得る。状態空間予測エンジンのための自動フィードバックを提供するために、宇宙機の健全性および操作性のテレメトリモニタリングがＴＴＣＣ＆ＤＨシステムに実装される。衛星の位置、速度、姿勢についての新しい情報が入って来ると共に、他の不可欠なシステム機能情報（例えば、スラスタ、電池、トランスミッタ、コンピュータ等）が宇宙ネットワークから、多くの計算を行っている地上ノードへ降りて来る。予測子は、将来のネットワーク状態空間を更新し、新しい状態空間ベクトルを送出できる。
リアルタイムで、行程において計画された接続またはハンドオーバの実行を試みて失敗している各衛星は、ネットワーク内の２番目の優先順位のリンクを、１番目のものが機能していない場合にチェックするようにプログラミングされ得る。このように、状態空間データベースの更新には、ネットワークが負の影響を受ける前に、ある遅延が生じ得る。
図２９は、３つの行程セットを含み得るネットワーク状態空間データベースを示す。宇宙機行程２９０２は、宇宙機ビーム動作２９０４と、スラスタ利用／動作２９０６と、姿勢ＣＯＮＯＰおよび制御２９０８と、動作電力モード２９１０とを含み得る。コア行程２９１２も存在し得る。コア行程は、ネットワーク動的ＩＰルーティングテーブル２９１４と、スポットビームと、衛星と、地上ゲートウェイと、ＵＥハンドオーバ２９１６とを含み得る。追加的に、無線アクセスネットワーク行程２９１８が存在し得る。これらは、基地局フロントエンド／電力構成２９２０と、基地局無線リソース制御２９２２と、ダウンリンク制御チャネル構成２９２４と、基地局ハンドオーバ２９２６と、スペクトル解析器制御２９２８とを含み得る。
状態空間予測エンジンにより生成される行程は、シミュレーション環境が正確にモデル化できる任意の実現可能なタイムラインにわたって生成され得る。特に、軌道メカニクスおよび姿勢ダイナミクスのモデル化は、ネットワーク状態空間予測の忠実度を（例えば、位置、速度、姿勢および姿勢レートに関して）駆動でき、これは、より精密な力モデル（例えば、重力、大気、磁気等）がシミュレーションにおいて用いられるときのようにより精密である。地球低軌道軌跡は、リミッタであってよいが、依然として、将来の１時間、１２時間、２４時間、数日、または場合によってはさらに１週間、正確に予測され得る。これは、ネットワーク状態空間も将来にこれだけ長く予測され得ることを意味する。
急速な低コスト起動および宇宙へのアクセスがノルムである世界には、ロケットの起動機会およびその後数週間をネットワーク状態空間予測結果に基づいて解析するコントローラを実装する用法が存在してよく、例として、さらなる宇宙資産を軌道へ発射して、高まる要求を支援することが要求され得る。
［Ｈ． ネットワークハンドオーバ］
［Ｈ． ネットワークハンドオーバ］
ネットワーク状態空間予測エンジンは、ネットワーク内の軌道周回飛行体の各々についてのハンドオーバ行程を生成し得る。これらのハンドオーバ行程は、ＩＳＬトンネルおよびＧＳトンネルの両方ならびに基地局カバレッジポリゴンの所有権の移転をシグナリングするためのタイマによりトリガされ得る。ハンドオーバのタイミングは、拡張型ＭＭＥ内のリンク状態空間予測子により決定され得る。ハンドオーバは、特定の時刻で指定されてよく、ビームの伝送電力をゆっくり構築するための、または伝送電力をゆっくり低下させるための行程が付随してもよい。
ネットワークは、いくつかハンドオーバをある程度従来の方式で実装し得る。これは、個々の衛星が一組の基地局として動作する場合、特定の用途のものであってよく、したがって、同じＵＥにカバレッジを内部的に提供することにより、同じ衛星上で共有されるビーム間の急速かつシームレスなハンドオーバが行われ得る。これらのハンドオーバは、同じコンピュータにおけるソフトウェア内で、または基地局ソフトウェアを動作させている同じ衛星内の２つのコンピュータ間で行われ得る。しかしながら、衛星間では、ハンドオーバはより複雑であり得る。ビームフォーミングアレイがない衛星が重複するビームを有する場合、それらは、ＵＥがハンドオーバされるエリアとして、重複部分を用い得る。これは、基地局に戻される典型的なＵＥ信号測定報告で行われてもよく、既知の経時的なネットワークの動きと、ハンドオーバ時点でのＧＰＳ座標におけるＵＥの既知の位置とに基づき、自動的に行われてもよい。
図３０は、ＣＬＲ内のメッシュで表される静的基地局ポリゴンのカバレッジをネットワークがどのようにハンドオーバし得るかを示す。第１の衛星３００４は、ＵＥ１、ＵＥ２およびＵＥ３（３０１０、３０１２および３０１４）にカバレッジを提供中であり得る。カバレッジは、場合によっては、ビームカバー静的基地局ポリゴン３０１６により提供される。静的基地局ポリゴンに向かって軌道周回中である、第２の後を追うまたは近傍の衛星３００２が存在し得る。ある時間の後に、第１の衛星は、セルを第２の衛星へハンドオーバする必要があり得る。おそらく、ＩＳＬまたはある他のネットワークトンネルルートを通じて（例えば、ＧＳを通じて）、第２の衛星は、第１の衛星によりカバーされている静的セルを介して伝送を始め得る。この第２の衛星は、ビーム３００６を生成し得るが、第１の衛星は、そのビーム３００８の伝送電力を減らし始める。第１の衛星は、そのビームサイズ３０２２を低減するので、静的ポリゴンの中心から最も遠いＵＥ（例えば、図３０におけるＵＥ１）で開始し、そのスポットビーム内の各ＵＥを第２の衛星ビーム３０２０に対して漸進的にハンドオーバできる。これにより、第１の衛星は、よりスムーズな、場合によってはネットワークシグナリングトラフィックの課題を減らす遷移／ハンドオーバをもたらし得る態様でＵＥを第２の衛星へハンドオーバすることが可能になる。静的基地局セルの別のハンドオーバの準備をし得る第２の衛星に続く第３の衛星３０１８が存在し得る。最終的に、第２の衛星は、カバレッジビームをもはや有さなくてよく、静的基地局カバレッジセル３０２４の制御を再開する。第２の衛星は、同様に、ハンドオーバを行う準備をする。
図３０において説明した実施形態は、Ｓ１、Ｓ２およびＳ３の全てが同じ６個の中心ＲＢをダウンリンク制御チャネル用に利用し、かつ、ＵＥがセルＩＤに基づいて衛星基地局を区別する場合、特に有用であり得る。ＵＥは、別の基地局よりも低い信号エネルギーレベルで動いている１つの基地局からの相対信号エネルギーレベルの変化を検出した場合、相手として現在通信している基地局にこれを報告する。これにより、さらにより良い信号を有する次の基地局へハンドオーバを送り出す。また、この処理は、ハンドオーバを行わなければならない最初の衛星により、自動的に開始され得る。静的ポリゴン上の第１の衛星の電力の低減は、衛星におけるトランスミッタでのアクティブな電力制御が原因ではなく、静的ポリゴンからより遠く離れて動いたことの自然な結果であり得る。
図３１は、ビームフォーミング基地局アンテナ技術を有する衛星とビームフォーミング基地局アンテナ技術を有しない衛星との間でハンドオーバがどのように行われ得るかを示す。この技術は、有益であろう。なぜなら、宇宙ネットワークは、非ビームフォーミング衛星を有する衛星からビームフォーミングアレイを有するものへ漸進的にアップグレードされるからである。結果として、両方が存在する。第１のビームフォーミング衛星３１０４は、ビーム３１０８を用いて、ＵＥ１、ＵＥ２およびＵＥ３（３１１０， ３１１２， ３１１４）にカバレッジを提供し得る。第２の非ビームフォーミング衛星３１０２は、第１の衛星の後を追っていてもよく、ビーム３１０６を伝送するその静的基地局カバレッジポリゴンに向かって動いていてもよい。ある時間の後に、第２の衛星ビーム３１１６は、静的基地局カバレッジポリゴン３１２０と重複し始じめることがある。第１の衛星は、これをＩＳＬ接続から、または状態空間予測子から把握でき、自らの伝送電力を低減し、ビーム３１１８を（状態空間データベースが原因で自らが知識を有しているであろう）第２の衛星ビームから離れたフロント縁へシフトさせる。第１の衛星は、静的基地局ポリゴン３１２８の上方にい続けるとき、ゆっくりと、ビーム電力３１２６を低減し、ＵＥを第２の衛星ビーム３１２４へハンドオーバする。この図では、ＵＥ３が最初にハンドオーバされる。ビームが低減するので、それは、漸進的にシフトし続けることで、必要とするＵＥのカバレッジを、ハンドオーバが行われるまで保持し得る。
追加的に、第２の衛星の後方に第３の衛星３１２２（ビームフォーミング型）が存在し得る。最終的に、第１のビームフォーミング衛星のビームは、無くなり、第２の衛星は、動的ビーム３１３４を用いて、静的ポリゴン３１３２のほぼ完全なカバレッジを有する。しかしながら、第３の衛星は、ビーム３１３０の伝送を始め得る。伝送は、第２の衛星ビームのバックエンドで始まり、静的基地局ポリゴンカバレッジゾーンへとゆっくり増大するように、かつ、ＵＥのカバーの制御を引き継ぐように計画される。
図３２は、ネットワークが所与のライセンス地域におけるスペクトルの使用をどのように遷移させ得るかを示す。これらの非ビームフォーミング衛星３２０２は、動的ポリゴンをカバーするビーム３２０４を生成し得る。衛星が特定の周波数を介して伝送できない、接近中の境界線３２０６が存在し得る。最終的に、衛星スポットビームは、境界３２０８に到達する。衛星は、動き続けるので、境界にわたって干渉エネルギーを放射しないことを保証するために、ビーム３２１２の伝送電力を低減する。正常な電力を放射している場合、ビームは、境界３２１０を越えてカバレッジを提供し得る。衛星が境界にさらに接近するので、スポットビーム３２１４は、境界の近接により衛星による伝送が完全に防止されるまで、さらに低減される。
別の実施形態において、衛星は、戻るために、また、境界の正しい側のカバレッジを提供し続けるために、姿勢を回転させ得る。姿勢もしくは伝送電力またはいくつかの他の方法を介して境界縁に対応するためにスポットビームが修正されるあらゆる実施形態が、本発明に関連する。
［Ｉ． 拡張型基地局］
［Ｉ． 拡張型基地局］
拡張型基地局は、宇宙ネットワークの一部としての宇宙におけるより最適な動作を可能にするいくつかの改良を標準的な基地局に対して提供し得る。
図３３は、拡張型基地局３３０６の実施形態を示す。拡張型ＭＭＥ３３０４は、標準的なＳ１－ＣＰインタフェースを通じて基地局とインタフェース接続し得る。しかしながら、基地局は、基地局状態空間コントローラ３３０８と呼ばれるさらなる機能を動作させ得る。状態空間コントローラは、基地局スタックを適切に動作させるべく、拡張型ＭＭＥから命令および行程動作を受信し得る。特に、基地局状態空間コントローラは、特定のＭＡＣおよびＰＨＹ制御信号３３３４をＲＲＣに渡し得る。エアインタフェースがＵＥへの基地局ＬＴＥ－Ｕｕリンクを介してドップラーシフトおよび伝搬遅延を管理できるように、ＲＲＣは、拡張型ＭＡＣ制御３３２２および拡張型ＰＨＹ制御３３２４を可能にするよう拡張され得る。拡張型基地局スタックは、拡張されたコマンドを受信するための拡張型ＰＨＹ３３１８と、拡張型ＭＡＣ３３１６と、無線リンク制御層３３１４と、パケットデータ収束制御層３３１２と、標準的なＳ－ＧＷ３３０２へのユーザプレーンとの接続とを含み得る。基地局状態空間コントローラは、ＲＦフロントエンド／ビームフォーマ３３２０を動的に制御する（３３３０）ようプログラミングされてもよい。これは、基地局が世界のその位置上で動作している所望の周波数帯域で伝送および受信すべく、オーバーパス中にビームをステアリングすること、および／または様々なフィルタバンク、ＬＮＡステージおよび増幅器ステージへ切り換えることを伴い得る。
また、基地局状態空間コントローラは、ＤＳＰ機能を制御し得る（３３２６）。拡張型ＭＭＥ基地局は、スペクトル解析機能を支援するためのレシーバ専用フロントエンド３３３２を含み得る。所望のＲＦをフィルタリングまたはサンプリングするために用いられる層１信号処理ブロック３３２８も存在し得る。サンプリングの結果により、ＲＦサンプルからのＩおよびＱが生成され、ＤＳＰブロック３３１０に渡され得る。ＤＳＰブロックは、基地局状態空間コントローラにより制御されてよく、解析の結果は、ＤＳＰブロックからそれに戻され得る。この情報は、ネットワークモビリティ管理機能（ドップラーシフトと遅延測定値とに基づく、ＵＥのトラッキングなど）のために、拡張型ＭＭＥに戻され得る。基地局状態空間コントローラは、基地局用のスタンドインスケジューラとして機能してもよく、状態空間予測エンジンの出力に基づく、衛星および地上セルのスペクトルスライスおよびスペクトル共有の量に必要な動的制御を効果的に実装する。
［Ｉ．１ 拡張型ＭＡＣおよび拡張型ＰＨＹ］
［Ｉ．１ 拡張型ＭＡＣおよび拡張型ＰＨＹ］
典型的な３ＧＰＰ基地局プロトコルを修正する拡張型ＭＡＣ層および拡張型ＰＨＹ層は、Ｓｐｅｉｄｅｌ Ｉにおいて説明されているとおりであってよい。そこで説明されている拡張は、衛星プラットフォームの動作にとって一般的であり得るが、衛星の視野のどの部分がカバレッジを提供されているかに応じて、構成上の違いを有し得る。周波数（および故に、動作領域に応じて異なるドップラーセル輪郭）およびビームフォーミングアンテナ（および故に、最も近いターゲットと最も遠いターゲットとの間の動的測距ならびにスポットビームにわたる絶対ドップラーシフト）の動的な変更が、ＭＡＣ制御およびＰＨＹ制御の拡張のために実装され得る。
拡張型ＭＭＥから生じる状態空間予測と行程とに基づいて、基地局は、Ｓｐｅｉｄｅｌ Ｉにおいて説明されているものの動的制御を受け入れ得る。この動的構成は、効果的に基地局スケジューラとして機能する基地局状態空間コントローラにより制御され得る。
Ｓｐｅｉｄｅｌ Ｉにおいて定義されているように、ＵＥから軌道周回基地局への信号のドップラーシフトは、ＵＥの機能の特定の実装なしに、ドップラーシフトおよび伝搬遅延についてモニタリングされ得る。ドップラーシフトおよび伝搬遅延は、ＰＨＹにおいて測定され、基地局状態空間コントローラに戻され得る。これにより、衛星は、衛星のフットプリント全体の内側の２つの小さいグリッドのうちの１つの内側にＵＥを配置することが可能になる。これらのグリッドの位置は、衛星の速度ベクトルを定義するベクトルを中心として互いに対称であってよい。ドップラーシフトおよび伝搬遅延の測定がますます正確になっているので、このグリッドのサイズは、２つの単一のポイントに収束し得る。衛星フットプリントが１つよりも多くのスポットビームを含む場合、デバイスとの通信を行うために用いられたスポットビームは、ＵＥがおおよそのＧＰＳ位置に存在している場所の連結を遮断するための情報として用いられ得る。これは計算され得る。なぜなら、軌道上の基地局のＧＰＳ位置は既知であってよく、衛星速度ベクトルに対するユーザの位置を表すベクトルは既知であるからである。この情報を用いて、デバイスのＧＰＳ位置は計算され得る。このＧＰＳ位置は、宇宙ベースネットワーク内のＭＭＥにより用いられるＶＬＲまたはＨＳＳ内のさらなる要素として格納され得る。
衛星フットプリントが１つのスポットビームを含む場合、本明細書において説明するように、わずかに異なるジオメトリ内のＵＥの上方で軌道周回している別の衛星からの第２のドップラー伝搬遅延サンプルに基づいて、正確な位置が計算され得る。
［Ｉ．２ スペクトル解析機能］
［Ｉ．２ スペクトル解析機能］
拡張型基地局上のスペクトル解析機能は、さらなる要素ＤＳＰ３３１０、層１信号処理３３２８およびレシーバフロントエンド３３３２を含む。これらの要素は共に、リンクバジェット計算のための干渉テーブル１９１４を通知するために基地局状態空間コントローラを通じて拡張型ＭＭＥへ戻され得るデータセットを生成するように構成され得る。レシーバフロントエンドは、特定の対象帯域に集中するように構成可能であってよく、基地局ＰＨＹにより用いられるフロントエンドと同様であってよい。フロントエンドは、いくつかの対象リソースブロックにわたる信号のフィルタリングおよび低ノイズ増幅を担い得る。層１信号処理は、信号のＡ／Ｄ変換およびデジタルフィルタリングを実行し得る。これは、基地局状態空間コントローラにより再プログラミングまたは再構成され得るＦＰＧＡを伴い得る。
デジタル方式でフィルタリングされた信号は、層１信号処理から得られるＲＦサンプルからのＩおよびＱであってよく、さらなる処理のためにＤＳＰブロックへ戻され得る。２０ＭＨｚブロックのスペクトルに達するスペクトルからのＩおよびＱを１６ビットの解像度においてデジタル方式でサンプリングするためにスペクトル解析器フロントエンドが用いられる場合、スペクトル解析器フロントエンドは、帯域幅の少なくとも２倍またはより高いレート（例えば、４０ＭＨｚ）でサンプリングする必要があり得る。データが必ずしもあるビットレートで復調される必要がないので、スペクトル解析を行う場合、サンプリングレートは、いくつかの実施形態において低減され得る。このレートで、２０ＭＨｚのＬＴＥアップリンクブロックの１０ｍｓのサンプル（例えば、１ＬＴＥ無線時間枠）は、任意のパケットオーバヘッド手順またはパケット圧縮手順の前に、１．６メガバイト（ＭＢ）を生成することになる。連続的にサンプリングするように放置された場合、スペクトル解析器は、１．２８ギガビットのレートでデータを生成し得る。これは、メモリ、データバッファ等を満たす前に、データをサンプリングおよび記録できるよりも速いレートで生データをダウンリンクする、という宇宙機の能力を超えてもよく、超えなくてもよい。結果として、コンスタレーション配備の特に早期段階において、スペクトル解析データのサイズを管理すべく、デジタル信号処理および圧縮アルゴリズムが所望され得るか、または必要とさえなり得る。これは、ＤＳＰブロックの理由である。
このブロックは、状態空間予測エンジン内の実行可能知能として用いられるあるより小さいサイズの数値データセットを生成する計算または処理を行うことにより収集されるデータのサイズを低減するためのアルゴリズムを実装し得る。例えば、ＤＳＰブロックは、特定のリソースブロックに対してタイムスロットにわたってＦＦＴを実行してよく、１８０ｋＨｚのリソースブロックにおいて予想されるノイズフロアを上回る干渉マージン（ｄＢで表される）を評価してよい。干渉は、時間ウィンドウおよびリソースブロックにわたって評価されてよく、特定の時点における特定の周波数チャネル上の干渉環境を表す数の行列として戻され得るようにタイムタギングされてよい。
スペクトル解析機能は、ネットワーク上でのＵＥの配置のためのサポート機能としても用いられ得る。状態空間予測エンジンの動作中、ビームを方向付け、かつ、別の基地局（ビームフォーミング型または非ビームフォーミング型のいずれか）によりカバーされている静的ポリゴンだけのためのレシーバとして機能することを要求する基地局のために生成される行程が存在し得る。
第１の基地局は、静的ポリゴンにカバレッジを提供するようにスケジューリングされたものであってよい。このカバレッジ中、第１の基地局は、正常な軌道周回基地局能力として、ＬＴＥ－Ｕｕインタフェースを介してＵＥと通信することになる。第２の基地局は、静的ポリゴンに対して受信専用動作を実行するようにスケジューリングされたものであってよい。第１の基地局および第２の受信専用基地局は、異なる軌道上で、またはおそらく同じ軌道プレーンにおいて互いに後方で、動作し得る。これら２つの基地局は、ＩＳＬを通じて、またはＧＳＬを通じて互いに接続を有し得る。これらのリンクは、どこで周波数をスキャンすべきかと、制御チャネルまたはトラフィックチャネル、第１の基地局向けのＵＥからの信号をいつ受信すべきかとを第２の基地局が把握できるように、第１の基地局がフレーミング／タイミング情報を第２の基地局に伝達するために用いられ得る。衛星間リンクまたは地上局リンクが存在しない場合、第２の受信専用基地局は、行程を有し得る。当該行程では、ある時間枠を介してＲＦスペクトルを受信し、タイムスタンプである生のＩおよびＱを、第１の基地局においてＵＥからの（例えば、履歴ネットワーク状態空間データベースに格納されるログファイルからの）アップリンク信号のタイムスタンプが把握されてから後で後処理され得るように記録する。両方の衛星において受信されたＵＥからのＲＦに基づいて、各測定時点での各基地局のドップラーシフト、伝搬遅延（またはそれらの間のばらつき）およびＧＰＳ位置が、ＧＰＳ座標におけるＵＥの位置を計算するために用いられ得る。
［Ｉ．３ 基地局状態空間コントローラ］
［Ｉ．３ 基地局状態空間コントローラ］
基地局状態空間コントローラは、基地局の拡張のための中央オーケストレータである。基地局状態空間コントローラは、拡張型ＭＭＥからＲＡＮ行程についての情報を受信し、この情報を用いて、基地局ｅＮＢ間の動作を調整する。これは、基地局フロントエンド／電力制御および構成と、基地局無線リソース制御と、ダウンリンク制御チャネル構成と、衛星上のｅＮＢと他の衛星上のｅＮＢとの間のハンドオーバと、スペクトル解析器制御とを含み得る。行程データの受信に加え、基地局状態空間コントローラはまた、位置が計算され得るように、ドップラーシフトに関するデータ、ＵＥの伝搬遅延測定値を拡張型ＭＭＥに折り返し報告する。基地局状態空間コントローラは、干渉データベース１９１４に通知するために、ＤＳＰ解析の結果に関しても折り返し報告する。
［Ｉ．３．ａ ＰＳＳ、ＳＳＳおよびセルＩＤ］
［Ｉ．３．ａ ＰＳＳ、ＳＳＳおよびセルＩＤ］
ＵＥによる基地局への最初のアクセスはまず、ダウンリンク制御チャネル上で基地局により伝送される同期信号を用いた、ダウンリンク基地局のスロットおよびフレームタイミングへの同期で開始する。一次無線フレーム同期チャネル（Ｐ－ＳＣＨ）および二次シンボル同期チャネル（Ｓ－ＳＣＨ）は、一次同期信号（ＰＳＳ）および二次同期信号（ＳＳＳ）の伝送専用の周波数帯域（１．０８ＭＨｚ）内の６個の中央リソースブロックを５ｍｓ毎に用いる。ＰＳＳは、ＵＥが把握している一組の３個のｌｅｎｇｔｈ－６２Ｚａｄｏｆｆ－Ｃｈｕシーケンス（１つはＤＣにおけるゼロサブキャリア）のうちの１つである。１つの時点でのみ、ＵＥセル検索器／同期信号相関器は、周期的にシフトされたシーケンスがＰＳＳタイミング基準信号と正しく同期されていることを示す。ＳＳＳは、論理的かつ正常に物理的なセルＩＤを共に形成するセルグループＩＤ［０，...，１６７］およびセクタＩＤ［０，１，２］に従って、既知のｍ個シーケンスオフセットのペアから生成される。結果として、合計で１６８×３＝５０４個の一意のセルＩＤが存在し得る。また、これらの同期信号は、周波数帯域内のこの中心的な６個のＲＢを共有している他のセルの中からあるセルをＵＥが識別するのに役立つ。４Ｇ ＬＴＥの専門用語では、９ビットのセルＩＤは、無線ネットワーク内のセルを識別し、同期信号を形成するコードシーケンス内でエンコードされる。
ＵＥは最終的に、基準信号を用いてダウンリンク制御情報およびＣＲＣチェックを決定することで、物理ブロードキャスト制御チャネル（ＰＢＣＣＨ）などの他のダウンリンク制御チャネル上でＵＥに提供される情報を復号する。この復号された情報は、マスタ情報ブロック（ＭＩＢ）、ＳＩＢ１およびＳＩＢ２である。ＳＩＢ１は、ＳＩＢ２の復号について同一である。これにより、ＵＥは、最初のアップリンク伝送位置がどこであるか（例えば、周波数ブロックおよびタイミング）を通知される。
１つまたは複数のＵＥは、ダウンリンクチャネルと同期した後に、物理ランダムアクセスチャネル（ＰＲＡＣＨ）上でプリアンブルを送信する。ＰＲＡＣＨ手順は、同じタイムスロット内でのＵＥによる同一のプリアンブルの伝送間で衝突がある場合の競合解決手順を含む。
地上ネットワークとスペクトルを共有するが、地上のｅＮＢタワーセルと同じ中心的な６個のＲＢまたは１．０８ＭＨｚの周波数を用いること。宇宙基地局は、どのリソースブロックが制御ブロックとして扱われ、どの他のリソースブロックが制御ブロックとして用いられ得ないかについての既存の知識を有し得る。さらに、ネットワーク内に５０４個のセルＩＤオプションが存在するので、宇宙ネットワークには、理想的には４よりも大きいある有限数だけそれらが割り当てられ得る。これにより、周波数再使用パターンが非ビームフォーミング衛星カバレッジエリア間で用いられ得る。重複があまり一般的ではない、より少ない衛星が存在する場合、より少ないセルＩＤが宇宙ネットワークい割り当てられ得る。これらのセルＩＤは、場合によっては、軌道上で経時的に動的であってよく、行程は、基地局内の状態空間コントローラにより実装されるであろう。
追加的に、ネットワークは、衛星ネットワークと地上ネットワークとの間のスペクトルスライスにより、特定のリソースブロックのみを割り当てるであろう。このように、衛星基地局には、特定のリソースブロック、タイムスロット、またはリソースブロックおよびタイムスロットの帯状地帯が割り当てられ、地上の地上タワーは、それらのリソースブロックまたはリソースブロックの帯状地帯の使用が妨げられるか、または、地上ｅＮＢとの干渉を生じる距離内で宇宙基地局がそれらを動作させている場合にそれらを共有するようプログラミング／制御される。
本開示で説明する宇宙ベース通信システムは、既存のモバイル地上ネットワークの拡張型として最も良く実装され得る。それらのコア要素およびＲＡＮ要素の例が、それらの地上カバレッジを拡張するために宇宙ベースインフラストラクチャ上でホスティングされるが、同じデバイスについてそれらの地上カバレッジと同じスペクトルを用いてそのようにすることにより、それが既存の地上のスペクトル／波形配備と共に適切に挙動することを可能にする場合。このシナリオでは、これらｎリソースブロックおよびＰＳＳ／ＳＳＳ信号またはセルＩＤは、地上のＭＮＯと共に調整される必要があり得る。それらは、動的に調整され得る。ＭＮＯは、メッシュの一部であり得るポリゴンについてのポリシ、ＱｏＳ等の要件の変更について、宇宙ネットワークＮＯＣにデジタル方式で通知できる。結果として、これは、将来の状態空間予測および行程の世代用に拡張型ＭＭＥに実装されるであろう。また、それに応じて、基地局は、基地局内の状態空間コントローラを用いて、エアインタフェースを介して通信を行うであろう。
［Ｉ．３．ｂ トラッキングエリアコード］
［Ｉ．３．ｂ トラッキングエリアコード］
ＲＡＮ行程の最も重要な要素のうちの１つがダウンリンク制御チャネル構成である。なぜなら、これは、ネットワークが特定の態様での制御を望み得る、ＵＥにおける特定の挙動をトリガするために用いられ得るからである。重要なダウンリンク制御チャネル構成の特定の例がトラッキングエリアコードである。
宇宙のネットワークにおいて、基地局は、ＬＥＯ上で動作してよく、衛星とＵＥとの間の迅速なオーバーパスウィンドウを経てよい。典型的には、セルラネットワークでは、ＵＥの位置は、ＨＳＳにログされたトラッキングエリアに基づいて追跡される。一般的に、ＨＳＳにログされた位置は、特定のトラッキングエリアのアドレスであり、特定の基地局または一組の基地局によるカバレッジが提供される。したがって、セルラネットワークは、ネットワーク内で動作している場合、ユーザが存在する特定のセルのみをトラッキングし、正確な位置を有しない（ユーザは、大きい３５ｋｍのセルまたは３５ｋｍのセルのグループ内のどこにでも存在し得る）。セルラネットワークは、州、郡よりも良い忠実度内にユーザを配置できないことがある。
衛星ネットワークは、それらの軌道上での衛星の相対位置に応じて数分（おそらく、１分、５分、１０分、３０分または６０分）毎にＵＥをオーバーパスする衛星を有し得る。ネットワーク内の全ての衛星が、ネットワークインボックスとして動作させられ、かつ、独自のＭＭＥおよびＳ－ＧＷによりホスティングされる場合、ＵＥは新しい衛星がオーバーパスを提供する度に、ネットワークトラッキングエリアの変化を感知するであろう。結果として、ＵＥは、単一のオーバーパス毎に（例えば、数分毎に）、ＨＳＳに対して自らの位置を更新するであろう。これにより、ネットワークにとって多くの比較的無用な制御シグナリングオーバヘッドが生成されるであろう。なぜなら、ネットワークの観点からだと、デバイスは本当に、ほとんど、またはさらには全く動いていないからである。
結果として、衛星は、地上に対するネットワーク整合性のある様相を維持する必要があり得る。地上のユーザが動いていないので、宇宙ネットワークは、余分である場合には更新要求が行われないように、自らの位置を変更していないことをユーザに伝えるであろう。
基地局がダウンリンク制御チャネル上で伝送する場合、基地局は、ＵＥが受信し、かつ、そのトラッキングエリアが変更されているか否かと、トラッキングエリア更新を行う必要があるか否かとを把握するために用いるＳＩＢ１でトラッキングエリアコードを伝送する。ネットワーク上でのトラッキングエリア更新手順をトリガする、前に上述した他のトリガが存在する。これは、新しい衛星がＵＥにサービスを提供するために低空飛行する度に、新しいＭＭＥと通信していたとしてもネットワーク上のトラッキングエリアを変更していないとＵＥが思うようにスプーフィングするために用いられ得る。
上で説明したように、拡張型ＭＭＥの内部には、ネットワーク状態を予測し、予測された状態に基づいてネットワーク動作の行程を開発したソフトウェアが存在し得る。このネットワークは、ＩＰｖ６ネットワークとして、ネットワーク内の各飛行コンピュータおよび各衛星をその独自の（おそらくさらには静的な）ＩＰアドレスとして動作させ得る。結果として、それは、ＭＭＥ内での違い、および、どのＭＭＥ（または衛星）が各時点において各ＵＥにカバレッジを提供しているかを区別できる。衛星の位置（および場合によっては、任意の時点でどの静的ポリゴンにカバレッジを提供しているか）に応じて、ＭＩＢ情報およびＳＩＢ情報は、異なり得る。これは、地球の周囲のトラッキングエリア設計実装と整合するＳＩＢ情報およびＭＩＢ情報と共にメッシュが通知されるＣＬＲに格納され得る。
一実施形態において、全ての単一の衛星が、衛星コンスタレーションネットワーク内の基地局と共に、ＳＩＢ－１ブロックに関する同じ１６ビットのトラッキングエリアコードをダウンリンク制御チャネル上で伝送し得る。各衛星基地局は、異なるセルＩＤおよび他のダウンリンク制御情報を有し得るが、このようにして、ＵＥは、衛星オーバーパス毎に位置の変化を感知しないであろうし、ネットワークにアクセスしてＨＳＳと共にトラッキングエリア更新を行うためにアップリンク上で（地上もしくは当該衛星またはある衛星のいずれかで）スペクトルを用いないであろう。地上のＨＳＳの観点からだと、場合によってはＵＥホームネットワークからの観点だと、デバイスの位置を「宇宙ネットワーク上」として感知できるので、ＵＥにアクセスする必要がある場合、どの衛星がトラフィックを送信すべきかを管理する必要がない。代わりに、「宇宙ネットワーク」として感知するＭＭＥ上にＵＥがあることを把握するだけであり、トラフィックは、中央／ホーム地上局に対応する宇宙ネットワーク内のＭＭＥにルーティングされるであろう。このノードには、拡張型ＨＳＳおよび拡張型ＭＭＥが存在するであろう。これらは共に、ネットワーク内のＵＥの実際の位置（例えば、どの衛星がそれにカバレッジを提供する予定であるか）を現在および将来の両方において予測、管理および格納し得る。結果として、宇宙ネットワークは、どの衛星基地局がトラフィックを配信する適切な衛星になり得るかと、厳密にどのルートがトラフィックをそこへ到達させるのに最適な経路であるか（例えば、ネットワークの周囲で最も速いルート、最もバランスが取れたトラフィック負荷等）とをインテリジェントに判断し得る。
［Ｉ．３．ｃ モバイル国コードおよびモバイルネットワークコード］
［Ｉ．３．ｃ モバイル国コードおよびモバイルネットワークコード］
宇宙ネットワークは、パートナになっている事業者のモバイル国コードまたはモバイルネットワークコードをブロードキャストするために実装され得る。代替的に、宇宙ネットワークには、地球全体にわたって用いる独自の一意のモバイル国コードおよびモバイルネットワークコードが割り当てられ得る。
［Ｊ． 拡張型ＨＳＳ］
［Ｊ． 拡張型ＨＳＳ］
宇宙ネットワーク内のデータベース管理の手順および機能は、ネットワークが軌道上で動作するように構成される場合に特に重要になり得る。例えば、ＨＳＳは、ユーザの配置、ユーザの認証、ユーザへの請求、ユーザへのサービス等の提供のために用いられ、古典的には、地上ネットワーク内のＢＴＳ機能およびＢＳＣ機能から離れた所に位置する。多くの場合、ＨＬＲの存在は、ネットワーク内の少数の位置のみに限定される。なぜなら、その「状態」の妥当性は、適切なネットワーク機能のために非常に重要だからである。サービス提供および課金は、軌道上で完了され得るが、これらの機能は、必ずしも必要ではなく、古典的な実装では、地上に残されたままである可能性があり得る。しかしながら、宇宙ネットワークがＬＥＯ衛星を備え得るので、モバイルデバイスと、宇宙ネットワーク内でそれが通信している特定の基地局との間の相互作用時間は、非常に短時間のウィンドウに限定され得る（おそらく、衛星の軌道構成、リンクバジェットおよびカバレッジフットプリント設計に応じて数分または１分未満のことがあり、ＵＥはスポットビーム等に含まれる。）。
Ｓｐｅｉｄｅｌ Ｉにおいて定義されたように、かつ、本明細書において簡潔に説明したように、ＵＥから軌道周回基地局への信号は、ＵＥのＧＰＳ位置を決定するために、ドップラーシフトおよび伝搬遅延についてモニタリングされ得る。結果として、状態空間予測エンジンは、厳密にどの衛星の厳密にどのビームが将来ＵＥにカバレッジを提供するように計画されているのかを容易に判断できる。この情報は、状態空間データベースの拡張としてＨＳＳに保存され得る。標準的なＨＳＳは、自らへのクエリが当然に行われ得るように保存され得る。しかしながら、クロックおよび最新の状態空間データベースをネットワークのためにチェックして、その提供下で各ＩＭＳＩのＨＳＳ内のフィールドを更新する別個の機能が存在し得る。このＨＳＳデータベースは、宇宙ネットワークの内部にあってよく、ネットワークがそのＵＥに特にアクセスする必要がある場合、マスタとしてではなく、単に例についての「チェック」として扱われてよい。ＵＥ用のマスタＨＳＳが、地上で保持されてよく、そのＵＥの各クエリが最初に向けられるマスタＨＳＳとして扱われてよい。「宇宙ネットワーク」がＵＥにサービスを提供中であるか、または最後にサービスを提供されたと判断されると、トラフィックは、「宇宙ネットワーク」内の地上ノードにルーティングされ得る。次に、それは、トラッキングエリアコードのこの内部専用ネットワークマッピングに経時的に基づくネットワークトラフィックをどの衛星がルーティングするかを決定し得る。
［Ｊ．１ 認証戦略］
［Ｊ．１ 認証戦略］
認証手順およびネットワークアクセス許可手順がＩＳＬを通じて行われ、次に、地上ホームネットワーク上のＨＳＳに対するクエリをバウンスするために地上へ戻され得る場合、処理は、いかなる単一のオーバーパス時間よりも長く拡張し得る。コンスタレーションがユビキタスカバレッジ用に設計される場合、応答手順は、それをオーバーパスする次の衛星を通じて、地上のユーザへ戻り得る。オーバーパス周期よりも長い時間が認証にかかる場合、ネットワークは、ネットワーク内のどの衛星が次に利用可能な衛星であり得るかを計算して、認証手順を完了できる。これにより、デバイスを用いて認証手順を管理するための認証中のハンドオーバが、当該手順が完了する前にそれが異なる衛星との接続セッションから接続セッションへと移動する間、可能になり得る。
［Ｊ．１．ａ 急速な認証をサポートするための集中型ＩＳＬ用の軌道上中継器］
［Ｊ．１．ａ 急速な認証をサポートするための集中型ＩＳＬ用の軌道上中継器］
完全にユビキタスなシステムの場合に、また、分散セルラノードの小集団の場合に、以下の技術が用いられ得る。
［Ｊ．１．ａ（ｉ） Ｐ－ＧＷ拡張型としてのＧＥＯ中継器、ＭＥＯ中継器およびＬＥＯ中継器］
［Ｊ．１．ａ（ｉ） Ｐ－ＧＷ拡張型としてのＧＥＯ中継器、ＭＥＯ中継器およびＬＥＯ中継器］
ＬＥＯ上の衛星から（または地上のＵＥへのエアインタフェースを提供して）地上ネットワーク内のＰ－ＧＷへの「常時単方向」衛星間リンクとして、軌道中継器が用いられ得る。各衛星「ネットワークインボックス」と通信する軌道中継器Ｐ－ＧＷ（または単に、地上のＰ－ＧＷへの曲げられたパイプまたは中継器であってよい）。この場合、Ｐ－ＧＷは、より高い軌道、おそらくＬＥＯ、ＭＥＯもしくはＧＥＯまたはそれより遠くで動作し得る。さらなる衛星中継器を用いると、より多くの地上の視認が可能になり、中継器のグローバルカバレッジのために必要とされ得る地上局がより少なくなる。この技術を用いると、ＬＥＯネットワーク内の全ての衛星が、最長で２５０ｍｓの待ち時間通信リンクを介して、地上局ゲートウェイへの、そしてそこから地上セルラネットワークへのアクセスを有するであろう（２５０ｍｓは、ＬＥＯ衛星からＧＥＯ衛星への、そして地上局への下りの軽度の待ち時間のスピードである）。
単方向２００～３００ｍｓという音声待ち時間要件がこの中継リンクに損なわれ得る。なぜなら、この計算は、地上局に当たった後、および、地上の地上コアネットワークへ送信される前の地上ネットワークを通じた処理時間または待ち時間を含んでいないからである。しかしながら、これらの待ち時間要件は、メッセージングサービスおよびデータサービスについて満足できる以上のものである。
ＧＥＯを用いた地上への連続的な接続では、軌道中継器は、４個のＰ－ＧＷノード、すなわちＰ－ＧＷ中継器をＧＥＯ軌道上で用い得る。
［Ｊ．１．ａ（ｉｉ） ネットワーク用のＭＭＥ／Ｓ－ＧＷとしての中継器］
［Ｊ．１．ａ（ｉｉ） ネットワーク用のＭＭＥ／Ｓ－ＧＷとしての中継器］
代替的に、軌道中継器は、コアネットワーク全体を収容してよく、ＬＥＯシステム全体用の（ＶＬＲおよびＨＳＳを保持する）ＭＭＥ／Ｓ－ＧＷノードとして機能してよく、その場合、基地局衛星を備えるであろう。これにより、ＬＥＯ内の多くの衛星の複雑性が低減され得ると共に、より重いコアネットワーク機能が、より高い軌道上の、より少なく、能力がより高く、耐用期間がより長い衛星へとシフトされ得る。
軌道中継器を用いる両方の場合において、地上局の位置は、様々なローミングパートナネットワークのＨＳＳデータベースと非常に近い近接度で、または当該ＨＳＳデータベースと同じ位置で選択され得る。具体的に言うと、様々なローミングパートナのＨＳＳデータベースは、任意の衛星から容易に格納およびアクセスできるように、高軌道衛星に格納され得る。これは、宇宙ベースネットワークから、それらの地上ネットワークが到達しないそれらの遠隔エリア内の加入者へのより多くの最適なサービスをＭＮＯが有するようにするためにさえ、サービスとして提供され得る。中継リンクについてダウンリンク位置が地上に近いことで、認証クエリがより迅速に完了され、例えばＳＳ７等のより低速な接続を通じたリンクが回避され得る。
［Ｊ．１．ｂ ＨＳＳ認証キャッシュ］
［Ｊ．１．ｂ ＨＳＳ認証キャッシュ］
以下は、軌道構成について一般的である。言い換えると、この実装は、唯一のＬＥＯネットワークを介して、またはさらなる中継衛星を有するネットワーク内で用いられ得る。軌道上のＨＳＳおよび／またはＶＬＲを備える宇宙ベースセルラネットワークが関連し得る。
典型的なローミング認証は、ＵＥが認証し得る度に、必要な認証情報を集めることをホームネットワークＨＳＳにクエリする訪問ネットワークを伴う。一般的に、これは、訪問加入者がその独自のものではないネットワーク上にローミングする度に行われる。理論上、訪問ネットワークは、クエリの結果をホームＨＳＳにキャッシュし、データベース内のそのＩＭＳＩのために認証情報を保存し得る。認証情報がキャッシュされるので、ホームネットワークＨＳＳに対する認証手順が最初に成功した後、それから、格納された衛星ＨＳＳを介して、軌道上で認証が起こり得る。このように、ハンドオーバ技術は、地上を通じた最初の認証手順を通じてＩＭＳＩを取得するために最初に用いられ得る。その先の２番目の試みは、急速な認証のための軌道上のデータベースに依存し得る。
衛星ネットワークを使用する権限を有するＩＭＳＩが前もって把握されているか、または経時的に把握された場合、認証の手順は、デバイスからの最初のクエリの前に、ホームネットワークＨＳＳに対してスプーフィングされ得る。このように、クエリの結果（「認証ベクトル」）は、最初の認証手順が行われる前に、軌道上のＨＳＳおよびＡｕＣデータベースにキャッシュおよび保存され得る。このように、全ての認証手順は、必要なＡｕＣ情報の格納されたＨＳＳ－ＡｕＣを介して、軌道上で行われ得る。
［Ｊ．１．ｃ 認証スプーフィング］
［Ｊ．１．ｃ 認証スプーフィング］
地上への接続セッションを全体的に回避する場合、ネットワークは、認証処理もスプーフィングし得る。言い換えると、ネットワークに対する認証を試みる多くのユーザは、基地局と共に認証手順を完遂する。しかしながら、宇宙ネットワークは、計算または格納された「ダミー」認証ベクトル値を（ＨＳＳからクエリされたかのように）用いてよく、それらをＵＥに渡してよい。これらの認証ベクトル値を用いた認証手順の結果により、ネットワークに対するデバイスの認証が可能になり得ると共に、ネットワークは、ＩＭＳＩに基づいてユーザの認証を可能にするために把握するだけである。
［Ｊ．１．ｄ 軌道上認証］
［Ｊ．１．ｄ 軌道上認証］
宇宙ネットワークは、各衛星に搭載されたそのサービスを用いるよう供給されるユーザのための完全なＨＳＳデータベースを使用し得る。この構成において、宇宙ネットワークは、実際には、ホームネットワークであってよく、ＵＥキーを実際に格納してよい。このように、ユーザがネットワークに対する認証を試みる場合、衛星は、衛星間リンクまたは地上へのフィーダリンクを用いなければならないわけではなく、（ＡｕＣからの）必要な認証ベクトルを集めることを軌道上データベース内で単にクエリし、急速な方式（数秒以下）で、かつ、ユーザ用の所与のオーバーパスの時間内に、認証を完了できる。
［Ｋ． 衛星に搭載されるアプリケーションサーバ／ＩＭＳコア］
［Ｋ． 衛星に搭載されるアプリケーションサーバ／ＩＭＳコア］
ＰＤＮサーバ内のアプリケーション層の２つの例の間のＩＰパケットの格納および転送のための急速なＩＰベアラ生成として機能するように衛星に搭載されるアプリケーションサーバの例を動作させることについての説明。
前に説明したコンスタレーション構成のいくつかのフェーズには、間欠的な接続が存在し得る。この接続では、遠隔ＵＥが衛星基地局と通信するためのアクセスを有するが、その衛星基地局は、アプリケーションサーバまたはＩＭＳサーバにアクセスできる場所である地上ネットワークへのアクセスをまだ有していない。結果として、アプリケーションサーバとモバイルデバイスとの間でＩＰトラフィックを移動させることが困難または不可能になることにより、インターネットへのアクセスまたはバックエンドサポートを必要とするアプリケーションの使用の可能性がなくなり得る。衛星が地上へのアクセスを有しないシナリオにおいてでさえ、それは、瞬間的であり得るか、または、ＵＥと対象ＰＤＮサーバとの間のデータの有用な伝送のためには十分ではない、ＵＥと当該ＰＤＮサーバとの間の待ち時間を必要とし得る。
この問題の解決手段は、コンスタレーションネットワーク内の衛星であって、サーバ側のコードのライトバージョンをホスティングすることにより、ＵＥがアプリケーションのロードに一時的に十分な状態で通信が処理され得ると共に、タイムアウトまたはアプリケーションのロードの失敗なしにデータがサーバから要求されることが可能になり得る、衛星であろう。衛星コンスタレーションは、ユーザがインターネット上でアクセスする「普及している」サーバの仮想化コピー、キャッシュまたはミラーを使用するために、コンピュータおよびメモリをホスティングし得る。コンピュータおよびメモリは、この機能専用のものでさえあってよく、ウェブサイトまたはアプリケーションを管理しており、世界中のユーザに対してそれらのサービスまたはウェブサイトの使用またはアクセスの促進を望む企業に販売または賃貸されてよい。例として、１つの国におけるサーバを動作させる、普及しているウェブサイトは、他の国における需要の高まりを見ている。非常にそうなので、ネットワークのボトルネックを緩和し、ホームサーバ上のＤＮＳトラフィックを緩和させるには、サーバのより多くのローカルな例が必要とされる。それらのキャッシュされたコピーを軌道上に配置することにより、世界中でのそれらの物理伝搬によって、元のサーバから遠く離れた遠隔ユーザが必要とするデータへのより容易に利用可能なアクセスが可能になる。元のサーバのこれらのキャッシュされたコピーまたはミラーコピーは、元のサーバが「マスタ」として機能し、かつ、当該サーバの「スレーブ」コピーの更新をプッシュする「スレーブ」コピーとして機能し得る。結果として、軌道上のサーバは、わずかに「遅延」しているか、または古いデータを有し得る。
さらに、アプリケーションサーバまたはウェブサイトサーバのライトバージョンが、デバイスからの（例えば、遠隔ＵＥからのＷｈａｔｓＡｐｐメッセージとしての）ＩＰパケットの受け入れを処理できる軌道上で用いられ得る。ＩＰパケットは、データパケットが受信され、かつ、メッセージが意図された受信者のためにアンパックされる適切な地上アプリケーションサーバに格納および転送され得る。メッセージは、ひとたびサーバに到達すると、正常な地上シナリオに存在し得るのと同様に、適切な受信者ＵＥにルーティングされ得る。サーバのライトバージョンを動作させることにより、それは、比較的単純なプロセッサと少量のメモリとを有するシングルボードコンピュータと同程度に小型かつ低電力（「マスタ」コピーをホスティングする実際のサーバと比較して）のハードウェア上に仮想化できるようになり得る。
同様の技術がＩＭＳコアと共に使用されることにより、拡張されたライト方式で、最先端式に動作するＲＣＳなどのＩＭＳベースサービスが可能になり得る。
［Ｌ． 拡張型ユーザ機器（ＵＥ）］ ［Ｌ．１ 拡張型ネットワークオーバーパス予測］
［Ｌ． 拡張型ユーザ機器（ＵＥ）］ ［Ｌ．１ 拡張型ネットワークオーバーパス予測］
宇宙ベースセルラネットワークで機能をサポートするために、ユーザ機器は、わずかな拡張から恩恵を受け得る。ＵＥは、場合によっては、拡張型ＭＭＥにより計算されるリンク状態空間のメッシュ内のポイントであり得る。結果として、ネットワーク上のハンドセットの行程も生成され得る。
主に、単独のＧＰＳ位置に基づいて、ＵＥは、独自の状態空間予測エンジンを用いて、衛星からの次の一組のオーバーパスを計算するようにプログラミングされ得る。同様に、地上の拡張型ＭＭＥにより開発される宇宙機、無線アクセスおよびコアネットワークの行程は、現在のＵＥのＧＰＳ位置に対するカバレッジの例をＵＥが計算するであろう一組のカバレッジを定義し得る。宇宙ネットワーク用の状態空間データベース（またはデバイスの位置に基づくその部品）は、インターネット／サーバへの接続およびアクセスの外部にある場合に格納および使用され得るようにＵＥへプッシュされ得る。また、ＵＥは、ハンドセット上のネットワーク状態空間伝搬関数をホスティングして、縁でも計算を行い得る。典型的な地上セルのカバレッジの外部にある場合、ＵＥは、そのセル検索基準を修正し得ると共に、オーバーパスしている衛星が自らを通り過ぎ、次の５秒間、１０分間、３０分間等にカバレッジを自らに提供している可能性があることを把握し得るに過ぎない。
衛星オーバーパスの予測は、ユーザインタフェース側（例えば、スマートフォンアプリ）のアプリケーション層において実装され得る。これにより、アプリケーションは、衛星オーバーパスを予測し、メッセージアプリケーションにおける電話間で送信されるデータ／メッセージ／ＳＭＳの格納および転送を容易にすることが可能になり得る。アプリケーションは、そのメッセージを特定の時点で送信するよう試みることを把握しているであろうし、ソフトウェアアプリケーションは、それを行うよう電話にコマンドし得る。追加的に、ソフトウェアアプリケーションは、スマートフォンの機内モードをトグルし得る。これにより、利用可能なネットワークを見つけるために、電話が即座にスキャンモードへ移行する（例えば、デバイスの電源を効果的にオンおよびオフする）であろう。
衛星オーバーパスの予測は、ＵＥとネットワークとの間の制御プレーンに同様に通知する行程により提供され得る。例として、モバイルデバイスＵＥ用の典型的な検索手順は、オーバーパス用の提供された行程に対する時刻をチェックするタイマを含むように修正され得る。タイマに基づいて、ＵＥは、例えば、その時点で他の地上基地局または軌道基地局が利用可能ではない場合、特定のＬＴＥ ＡＲＦＣＮ帯域幅について軌道基地局からのＰＬＭＮコードおよび／またはセルＩＤコードをスキャンするための手順を実装し得る。典型的には地上カバレッジの外部にある場合、これにより、デバイス上の電池の電力を容易に節約し得る。なぜなら、それは、軌道周回基地局からの新しく利用可能なネットワークアクセスのためにスキャンを厳密にいつ始めるべきかを把握しているからである。さらに、軌道周回基地局に接続した後に、ＵＥがその衛星をどのくらいの期間だけ利用可能であるかについての既存の知識が存在し得る。この期間に基づいて、ＵＥは、どの双方向通信が実現可能であるかと、おそらく、所与のオーバーパスに対してどの優先順位を付けるべきかとを判断し得る。さらに、この時点までに、行程は、無線アクセス技術（例えば、ＧＳＭまたはＬＴＥ）、データレート期待値等に関しての所与のオーバーパスのためのサービスレベルについての情報を含み得る。この情報は、どのアプリケーション／データをネットワークとの間で要求し／移動させるべきかについてのデバイスの判断を駆動し得る（例えば、デバイスにとって、ＧＳＭ上では、デバイスが移動を求めるＳＭＳ／低データレートトラフィックが有利であり得るが、ＬＴＥ上では、より高いデータレート要件等を有するアプリケーションが有利であり得る）。
拡張型ＭＭＥにより提供される行程は、ＵＥがネットワークまたはバックエンドサーバ／ＰＤＮサーバとの接続セッションを行う必要がある場合に宇宙基地局ネットワークへのアクセスをＵＥがいつ要求すべきかについての特定のタイムスタンプを含み得る。上で説明したタイミングは、ＵＥの計画されたネットワークアクセス要求信号が互いに離れてタイムデュプレックスされることで、即時ＰＲＡＣＨアクティビティおよぎＵＥ間での競合という潜在的な課題が改善されるように、ＵＥに提供され得る。行程は、どのＰＲＡＣＨチャネルを特定のＵＥまたはさらには一組のＵＥが利用可能であるかを含み得る。さらなる制御チャネルシグナリングが、ＵＥおよびトラッキングエリア更新、認証などについても予測または自動化され得る。
［Ｌ．２ 拡張型伝送電力］
［Ｌ．２ 拡張型伝送電力］
ＵＥは、基地局へのアップリンクのための伝送電力の増大を含むようにも拡張され得る。本開示の利益は、ＵＥが、典型的な地上セル位置では標準的な伝送電力を用い得るが、干渉するタワーがない遠隔エリアでは、ＬＴＥについては２００ｍＷ（かつＧＳＭについては２Ｗ）よりも高い電力で衛星へアップリンクし得ることであり得る。
アップリンクでの伝送電力は、ネットワークのＭＣＣおよびＭＮＣコードのような特定の基準に基づいてより高くなるように（例えば、ネットワークが宇宙ベースネットワークである場合には、アップリンクの閉鎖をサポートするためにより高い伝送電力を可能にするように）トリガされ得る。ＳＩＢブロックおよびＭＩＢブロックは、どの最大伝送電力がそのセルに対して許容されるかをＵＥに示すために用いられることが多い。宇宙ネットワーク基地局は、ＵＥが理解および対応するよう拡張され得る、地上セルよりも高い値の送信を許容され得る。
既存のＵＥは、ＧＳＭプロトコルおよびＬＴＥプロトコルとの互換性があり得る。そのように、ＬＴＥ通信で用いられることがＧＳＭにおいて許容される２Ｗのピーク伝送電力を活用できる既存の構成設定が存在し得る。
これにより、高減衰環境でリンクを閉じることが可能になり得る。デバイスが一時的に電力をサージして上方の衛星へのリンクの閉鎖のサポートを望み得る場合である災害中は、これに対するニーズがプロトコルに存在し得る。
［Ｌ．３ アンテナの拡張］
［Ｌ．３ アンテナの拡張］
衛星でのリンクバジェット条件の向上に加えて、円偏波アンテナが拡張型ＵＥに用いられ得る。円形偏波衛星信号を用いることで、円偏波アンテナは、リンクマージンの３ｄＢの増大（３ｄＢから）０ｄＢへの偏光損失の減少）を可能にし得る。これは、（環状に偏波された）ＧＰＳアンテナを活用することにより行われ得る。モバイルデバイス内の既存のＧＰＳアンテナは、ＧＰＳ Ｌ帯域周波数の外側では、調整されないか、またはうまく一致しないことがあるが、ＧＰＳ Ｌ帯域チャネルおよび近帯域セルラ周波数（例えば、７００ＭＨｚ、８００ＭＨｚ、９００ＭＨｚ、１．８ＧＨｚ、１．９ＧＨｚ等）の両方と互換性がある新しいアンテナは、設置され得る。
円形偏光アンテナ特徴の追加は、もはや受信アンテナと同じ偏光をもたらさない１回の反射が信号バウンスにより生じ得るので、環状に偏波した信号がマルチパス効果により劣化し得ることにもかかわらず、機能し得る。結果として、１回の反射を容易に受信できず、視線が欠如するので、通信がかなりのリンクインヒビタになり得る。地上通信におけるマルチパスは、おそらく複数の線形化角度で線形的に偏波した信号に、これらの信号のうちの１つのオフ角偏光受信をサポートするために依拠していることがある。
地上システムでは古典的に、タワーに対するリンクの水平ジオメトリが原因で、リンクに対して視線が利用可能ではなく、故に、リンクは、（バウンス信号がリンクに対して優位である）レイリーフェージングを用いたリンクとしてモデル化され得る。衛星通信では、視線がリンクに対して優位であることが多くてよく、円偏波アンテナが特に有用になり得る。一実施形態において、ＵＥ内の円偏波アンテナは、衛星との通信のために有効化されてよく、そうでなければ無効化されてよい。しかしながら、このアンテナは、線形信号を受信でき得る。
［Ｌ．４ ＵＥ－基地局エアインタフェースプロトコルの拡張］
［Ｌ．４ ＵＥ－基地局エアインタフェースプロトコルの拡張］
地表上のＵＥと軌道上の衛星基地局との間の通信のカバレッジの増大をサポートするためにより有利なリンクバジェットプロトコルが用いられ得るセルラネットワーク上で用いられるＵＥのさらなる拡張が存在し得る。これは、衛星と、建物内または屋根の下、金属コンテナの中等にあるＵＥとの間の通信をサポートするためにも行われ得る。これは、地上タワーとの通信の距離の増加のためにも用いられ得る。これらのプロトコルの中心は、拡張または修正された波形であろう。当該波形は、ＵＥと衛星基地局との間で用いられ、アップリンク上の信号の電力スペクトル密度を増大させるか、伝送ダイバーシティのいくつかの要素（例えば、周波数ダイバーシティまたはコードダイバーシティ）を活用するか、またはおそらく、ＵＥおよび基地局からの信号をノイズフロアから取得するためにあるさらなる信号処理ゲインを活用する。
軌道周回基地局では、ＵＥと軌道周回基地局との間のＮＢ－ＩｏＴを用いることで、ＬＴＥプロトコル上の単一の１５ｋＨｚのサブキャリアのみにわたって２００ｍＷの信号電力をＵＥが伝送するのを可能にすることにより、リンクバジェットの２０ｄＢの増加を提供し得る。既存のＬＴＥリソースブロック構造を用いることにより、ＵＥからのＮＢ－ＩｏＴをサポートするために、ベースバンド波形を実装する既存のＵＥハードウェアの修正が実装され得る。
ＮＢ－ＩｏＴプロトコルが衛星ネットワーク上でのみ用いられる実施形態が存在し得る。代替的に、ＮＢ－ＩｏＴプロトコルが衛星へのアップリンク上でのみ用いられるが、ダウンリンク上で通信するためにＬＴＥなどの異なるＲＦインタフェースが用いられる（かつ、リンクをその方向にのみ閉じるために、十分により多くの電力がダウンリンク上で用いられる）実施形態が存在し得る。
ある帯域幅を介して低データレート信号を拡散させて、かなり制限された通信リンク下にある（例えば、地下、建物内、かなりのＲＦ干渉があるエリア内にある）ＵＥと通信するためのメカニズムを提供するためにいくつかの符号化または周波数ホップされた信号を用いて通信するために既存のセルラ帯域、ＷｉＦｉ帯域（２．４ＧＨｚ）またはＩＳＭ帯域（９０２～９２８ＭＨｚ）のいずれかを活用するあるプロトコルによりＵＥが拡張されるさらなる実施形態が存在し得る。
［Ｍ． 代替的な拡張の説明］
［Ｍ． 代替的な拡張の説明］
上で説明したネットワークの拡張型についての実施形態が存在し得る。この実施形態では、ＵＥは、５Ｇ ＮＲエアインタフェース用にＫａ帯域またはＫｕ帯域で割り当てられている、より高い周波数で通信するように装備される。これらの周波数では、特に、軌道から地上への衛星通信を用いる場合、アンテナは非常に小型になり得るが、経路損失は大きくなり過ぎることがある。
このようなシナリオでは、伝送電力が限定されており、かつ、デバイス上のアンテナゲインが低減されていると、ＵＥは、アップリンク上のリンクを閉じることができない可能性がある。しかしながら、衛星は、（実質的により多くの伝送電力、および場合によってはビームフォーミング機能をＵＥに備え付けることなく）他の方向ではなく、軌道からＵＥへと下るＫｕ帯域またはＫａ帯域での通信ができ得るのに十分に足るサイズであってよい。
この例では、本開示における通信ネットワークは、周波数が非同期の通信動作を実装し得る。低周波数セルラ帯域により、ＵＥから直接的に軌道周回ｅＮＢへ接近するための低データレートアップリンクが可能になる。アップリンク上で、デバイスは、高データレートダウンリンクサービス（シームレスな映画ストリーミング、またはインターネットからダウンロードする大きいデータセットなど）へのアクセスを要求し得る。衛星ネットワーク内のｅＮＢは、低周波数セルラ帯域でＵＥと双方向で通信でき得るが、高電力を提供する能力、場合によってはＵＥへのダウンリンク信号をビームフォーミングする能力を用いて一組のダウンリンクリソースブロック、キャリア、時間スロット等を直交周波数帯域（Ｋａ帯域またはＫｕ帯域など）内で割り当てて、サービスが要求する高データレート要件を提供するようにやはり拡張され得る。
ダウンリンク衛星は、ＵＥアップリンク信号を受信した衛星基地局とは異なる宇宙機でさえあってよい。ダウンリンク宇宙機は、リンクバジェットと、所望のデータレートでの閉鎖についての要件との特性に応じて、ＬＥＯ、ＭＥＯまたはＧＥＯに配置され得る。
大きいダウンリンクチャネルを可能にするために薄型アップリンクチャネルが必要とされる使用事例のために配備されるセルラ宇宙ネットワークについての実施形態が存在し得る。例として、車のような車両上のＧＥＯからハイスループット衛星ダウンリンクデータ（エンターテイメント用）を受信できるデバイスが存在し得る。しかしながら、車両は、バックアップをＧＥＯ衛星に伝達してダウンリンクを制御するための態様を有していないことがある。薄型アップリンクに車を接続して、ＧＥＯからの特定のハイスループットダウンリンクを実行するためのコマンドを送信すべく、セルラモデムが用いられ得る。
一実施形態によれば、本明細書において説明した技術は、ファームウェア、メモリ、他のストレージまたはそれらの組み合わせにおけるプログラム命令に従って当該技術を実行するようプログラミングされた１つのまたは一般化されたコンピューティングシステムにより実装される。デスクトップコンピュータシステム、ポータブルコンピュータシステム、ハンドヘルドデバイス、ネットワーキングデバイス、またはハードワイヤードロジックおよび／またはプログラムロジックを統合して当該技術を地球ベースプラットフォームまたは軌道プラットフォームに実装する任意の他のデバイスなど、専用コンピューティングデバイスが用いられ得る。実行のためのプロセッサへの１つまたは複数の命令の１つまたは複数のシーケンスの搬送には、様々な形態の媒体が伴われ得る。例えば、命令は最初に、遠隔コンピュータの磁気ディスクまたはソリッドステートドライブで搬送され得る。遠隔コンピュータは、命令をその動的メモリへロードし、ネットワーク接続を介して命令を送信できる。
本明細書に別段の記載がない限り、または文脈上別途明確に矛盾しない限り、本明細書において説明した処理の動作は、任意の適切な順序で実行され得る。本明細書において説明した処理（またはそれらの変形および／または組み合わせ）は、実行可能命令と共に構成された１つまたは複数のコンピュータシステムの制御下で実行されてよく、ハードウェアまたはそれらの組み合わせにより１つまたは複数のプロセッサ上でまとめて実行されるコード（例えば、実行可能命令、１つまたは複数のコンピュータプログラムまたは１つまたは複数のアプリケーション）として実装されてよい。コードは、例えば、１つまたは複数のプロセッサにより実行可能な複数の命令を含むコンピュータプログラムの形態で、コンピュータ可読記憶媒体に格納され得る。コンピュータ可読記憶媒体は、非一時的なものであってよい。
別段の記載がない限り、または文脈上別途明確に矛盾しない限り、「Ａ、ＢおよびＣのうちの少なくとも１つ」または「Ａ、ＢおよびＣのうちの少なくとも１つ」という形式の語句などの接続文言は、そうでなければ、項目、用語等がＡまたはＢまたはＣであってもよく、ＡおよびＢおよびＣのセットの任意の空白ではないサブセットであってもよいことを示すように一般的に用いられる文脈で理解される。例えば、３つのメンバを有するセットの例示において、「Ａ、ＢおよびＣのうちの少なくとも１つ」および「Ａ、ＢおよびＣのうちの少なくとも１つ」という接続語句は、｛Ａ｝、｛Ｂ｝、｛Ｃ｝、｛Ａ、Ｂ｝、｛Ａ、Ｃ｝、｛Ｂ、Ｃ｝、｛Ａ、Ｂ、Ｃ｝というセットのいずれかを指す。故に、そのような接続文言は一般的に、Ａのうちの少なくとも１つ、Ｂのうちの少なくとも１つ、およびＣのうちの少なくとも１つの各々が存在することを必要とする特定の実施形態を黙示するようには意図されていない。
本明細書において提供されるあらゆる例または例示的な文言（例えば、「など」）の使用は、本発明の実施形態をより良く解明するよう意図されているに過ぎず、別段の主張がない限り、本発明の範囲に対する限定を課すものではない。本明細書における文言は、特許請求されていない要素がいずれも本発明の実施に不可欠であることを示すものと解釈されるべきではない。
前述の明細書では、実装毎に異なり得る多数の具体的な詳細を参照して、本発明の実施形態を説明した。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく例示的なものとみなされるべきである。本発明の範囲の唯一かつ排他的な指標と、本発明の範囲になることを出願人が意図するものとは、あらゆる後続の補正を含む、そのような特許請求の範囲が生じる特定の形式の、本願から生じる一組の特許請求の範囲の文字通りかつ同等の範囲である。
当業者には、本開示を読了した後にさらなる実施形態が想定され得る。他の実施形態において、上で開示された発明の組み合わせまたは部分的組み合わせが有利に行われ得る。コンポーネントの例示的な配置は、例示の目的で示されており、組み合わせ、追加および再配列等が本発明の代替的な実施形態において想定されていることを理解されたい。故に、例示的な実施形態に関して本発明を説明したが、当業者であれば、多数の修正が可能であることを認識するであろう。
例えば、本明細書において説明した処理は、ハードウェアコンポーネント、ソフトウェアコンポーネントおよび／またはそれらの任意の組み合わせを用いて実装され得る。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく、例示的なものとみなされるべきである。しかしながら、特許請求の範囲に記載される本発明のより広い趣旨および範囲から逸脱することなく様々な修正および変更がそれらに対して行われてよく、本発明が以下の特許請求の範囲内の全ての修正および均等物を包含するよう意図されていることが明らかになるであろう。
［例示的な項目］
［例示的な項目］
本開示の実施形態は、以下の項目を考慮して説明し得る。
［項目１］
第１のノードレコードの第１のデータベーステーブルであって、第１のノードレコードは、地上基地局を表し、上記第１のノードレコードは、上記地上基地局の動作詳細を含む、第１のデータベーステーブルと、第２のノードレコードの第２のデータベーステーブルであって、第２のノードレコードは、軌道基地局を表し、上記第２のノードレコードは、上記軌道基地局の動作詳細を含む、第２のデータベーステーブルと、上記第１のデータベーステーブル内に表される基地局と上記第２のデータベーステーブル内に表される基地局とへの接続のためのリンクバジェットを計算してネットワーク使用データセットを形成する状態空間予測コンピュータと、少なくともいくつかが上記ネットワーク使用データセットから導出される複数の状態空間レコードを有する状態空間データベースであって、上記複数の状態空間レコードのうちのある状態空間レコードは、カバレッジエリア内の複数のメッシュポイントについて、どのアクティブ基地局が上記カバレッジエリア内でリンクサービスを提供しているか、および、どの延期基地局が共有プロトコルと上記アクティブ基地局により共有される共有周波数帯域とのそれらによる使用を一時停止しているかを示す、状態空間データベースとを備えるセルラネットワーク管理システム。
第１のノードレコードの第１のデータベーステーブルであって、第１のノードレコードは、地上基地局を表し、上記第１のノードレコードは、上記地上基地局の動作詳細を含む、第１のデータベーステーブルと、第２のノードレコードの第２のデータベーステーブルであって、第２のノードレコードは、軌道基地局を表し、上記第２のノードレコードは、上記軌道基地局の動作詳細を含む、第２のデータベーステーブルと、上記第１のデータベーステーブル内に表される基地局と上記第２のデータベーステーブル内に表される基地局とへの接続のためのリンクバジェットを計算してネットワーク使用データセットを形成する状態空間予測コンピュータと、少なくともいくつかが上記ネットワーク使用データセットから導出される複数の状態空間レコードを有する状態空間データベースであって、上記複数の状態空間レコードのうちのある状態空間レコードは、カバレッジエリア内の複数のメッシュポイントについて、どのアクティブ基地局が上記カバレッジエリア内でリンクサービスを提供しているか、および、どの延期基地局が共有プロトコルと上記アクティブ基地局により共有される共有周波数帯域とのそれらによる使用を一時停止しているかを示す、状態空間データベースとを備えるセルラネットワーク管理システム。
［項目２］
上記延期基地局は、ネットワークリソースの割り当てに基づいて、上記共有プロトコルのそれらの使用を一時停止し、上記ネットワークリソースの割り当ては、軌道基地局に割り当てられた、割り当てられたネットワークリソースを除外することにより、上記延期基地局が、一時停止要求を認識させるために上記延期基地局をプログラミングする必要なく、それらによる使用を一時停止するようにする、項目１に記載のセルラネットワーク管理システム。
上記延期基地局は、ネットワークリソースの割り当てに基づいて、上記共有プロトコルのそれらの使用を一時停止し、上記ネットワークリソースの割り当ては、軌道基地局に割り当てられた、割り当てられたネットワークリソースを除外することにより、上記延期基地局が、一時停止要求を認識させるために上記延期基地局をプログラミングする必要なく、それらによる使用を一時停止するようにする、項目１に記載のセルラネットワーク管理システム。
［項目３］
上記アクティブ基地局は、少なくとも１つのアクティブ軌道基地局を含み、上記延期基地局は、少なくとも１つのパッシブ地上基地局を含み、上記少なくとも１つのパッシブ地上基地局は、上記少なくとも１つのアクティブ軌道基地局が上記カバレッジエリア用のカバレッジを提供するものと予測される場合、上記ネットワーク使用データセットに基づくパッシブ状態にある、項目１または２に記載のセルラネットワーク管理システム。
上記アクティブ基地局は、少なくとも１つのアクティブ軌道基地局を含み、上記延期基地局は、少なくとも１つのパッシブ地上基地局を含み、上記少なくとも１つのパッシブ地上基地局は、上記少なくとも１つのアクティブ軌道基地局が上記カバレッジエリア用のカバレッジを提供するものと予測される場合、上記ネットワーク使用データセットに基づくパッシブ状態にある、項目１または２に記載のセルラネットワーク管理システム。
［項目４］
上記空間予測コンピュータは、上記軌道基地局の将来のカバレッジの予測において地球重力モデル、地球大気密度モデル、磁場モデル、宇宙機機能モデルおよび／またはアンテナ放射パターンモデルを考慮するためのロジックを有する、項目１から３のいずれかに記載のセルラネットワーク管理システム。
上記空間予測コンピュータは、上記軌道基地局の将来のカバレッジの予測において地球重力モデル、地球大気密度モデル、磁場モデル、宇宙機機能モデルおよび／またはアンテナ放射パターンモデルを考慮するためのロジックを有する、項目１から３のいずれかに記載のセルラネットワーク管理システム。
［項目５］
メッシュポイントとポリゴンカバレッジエリアとを有するカバレッジデータベースをさらに備え、ポリゴンカバレッジエリアは、それぞれの基地局について上記カバレッジデータベース内で参照され、上記それぞれの基地局は、少なくともいくつかの静的カバレッジ地上基地局と、ビームフォーミングを用いる少なくともいくつかの静的カバレッジ軌道基地局と、少なくともいくつかの動的カバレッジ軌道基地局であって、上記少なくともいくつかの動的カバレッジ軌道基地局がそれぞれの軌道上で移動するときに上記カバレッジエリアにわたって動く動的ビームを用いる、少なくともいくつかの動的カバレッジ軌道基地局とを含む、項目１から４のいずれかに記載のセルラネットワーク管理システム。
メッシュポイントとポリゴンカバレッジエリアとを有するカバレッジデータベースをさらに備え、ポリゴンカバレッジエリアは、それぞれの基地局について上記カバレッジデータベース内で参照され、上記それぞれの基地局は、少なくともいくつかの静的カバレッジ地上基地局と、ビームフォーミングを用いる少なくともいくつかの静的カバレッジ軌道基地局と、少なくともいくつかの動的カバレッジ軌道基地局であって、上記少なくともいくつかの動的カバレッジ軌道基地局がそれぞれの軌道上で移動するときに上記カバレッジエリアにわたって動く動的ビームを用いる、少なくともいくつかの動的カバレッジ軌道基地局とを含む、項目１から４のいずれかに記載のセルラネットワーク管理システム。
［項目６］
上記状態空間データベースは、緊急事態であって、軌道基地局によるカバレッジが上記緊急事態に基づいて変わるであろう、緊急事態を含むカバレッジダイナミクスを考慮する、項目１から５のいずれかに記載のセルラネットワーク管理システム。
上記状態空間データベースは、緊急事態であって、軌道基地局によるカバレッジが上記緊急事態に基づいて変わるであろう、緊急事態を含むカバレッジダイナミクスを考慮する、項目１から５のいずれかに記載のセルラネットワーク管理システム。
［項目７］
上記緊急事態は、予測される自然災害を含み、上記カバレッジダイナミクスは、上記予測される自然災害により影響を受けるエリア内での容量の増加を含む、項目６に記載のセルラネットワーク管理システム。
上記緊急事態は、予測される自然災害を含み、上記カバレッジダイナミクスは、上記予測される自然災害により影響を受けるエリア内での容量の増加を含む、項目６に記載のセルラネットワーク管理システム。
［項目８］
上記緊急事態は、予測される自然災害を含み、上記カバレッジダイナミクスは、第１のレスポンダにより提供される入力データに基づく、エリア内での容量の増加を含む、項目６に記載のセルラネットワーク管理システム。
上記緊急事態は、予測される自然災害を含み、上記カバレッジダイナミクスは、第１のレスポンダにより提供される入力データに基づく、エリア内での容量の増加を含む、項目６に記載のセルラネットワーク管理システム。
［項目９］
地上ネットワークハンドオーバプロトコルと整合する信号を用いて第１の軌道基地局から第２の軌道基地局へのリンクの差し迫ったハンドオーバをユーザ機器にシグナリングするハンドオーバロジックをさらに備える、項目１から８のいずれかに記載のセルラネットワーク管理システム。
地上ネットワークハンドオーバプロトコルと整合する信号を用いて第１の軌道基地局から第２の軌道基地局へのリンクの差し迫ったハンドオーバをユーザ機器にシグナリングするハンドオーバロジックをさらに備える、項目１から８のいずれかに記載のセルラネットワーク管理システム。
［項目１０］
地上ネットワークハンドオーバプロトコルと整合する信号を用いて第１の軌道基地局から第２の軌道基地局へのトンネリングリンクへの接続の差し迫ったハンドオーバをユーザ機器にシグナリングすることにより、上記ユーザ機器と上記セルラネットワーク管理システムにより管理されるセルラネットワークから離れたコンピュータシステムとの間のトンネリングデータリンクを維持するハンドオーバロジックをさらに備える、項目１から９のいずれかに記載のセルラネットワーク管理システム。
地上ネットワークハンドオーバプロトコルと整合する信号を用いて第１の軌道基地局から第２の軌道基地局へのトンネリングリンクへの接続の差し迫ったハンドオーバをユーザ機器にシグナリングすることにより、上記ユーザ機器と上記セルラネットワーク管理システムにより管理されるセルラネットワークから離れたコンピュータシステムとの間のトンネリングデータリンクを維持するハンドオーバロジックをさらに備える、項目１から９のいずれかに記載のセルラネットワーク管理システム。
［項目１１］
地上ネットワークハンドオーバプロトコルと整合する信号を用いて、ユーザ機器（ＵＥ）デバイスをセルラネットワークに対して認証し、かつ、第１の軌道基地局から第２の軌道基地局へのリンクのハンドオーバにわたって上記ＵＥデバイスの認証を維持する認証ロジックをさらに備える、項目１から１０のいずれかに記載のセルラネットワーク管理システム。
地上ネットワークハンドオーバプロトコルと整合する信号を用いて、ユーザ機器（ＵＥ）デバイスをセルラネットワークに対して認証し、かつ、第１の軌道基地局から第２の軌道基地局へのリンクのハンドオーバにわたって上記ＵＥデバイスの認証を維持する認証ロジックをさらに備える、項目１から１０のいずれかに記載のセルラネットワーク管理システム。
［項目１２］
上記認証ロジックは、認証軌道基地局に実装され、認証は、上記第１の軌道基地局および／または上記第２の軌道基地局における使用のためにキャッシュされる、項目１１に記載のセルラネットワーク管理システム。
上記認証ロジックは、認証軌道基地局に実装され、認証は、上記第１の軌道基地局および／または上記第２の軌道基地局における使用のためにキャッシュされる、項目１１に記載のセルラネットワーク管理システム。
［項目１３］
少なくとも１つが地上基地局であり、かつ、少なくとも１つが軌道基地局である複数の基地局を有するセルラネットワークにおいて用いるための行程生成器であって、宇宙機行程を生成するための第１の生成器と、衛星機能行程を生成するための第２の生成器と、上記宇宙機行程および上記衛星機能行程を格納する状態空間データベースと、上記状態空間データベースに基づいて、基地局の静的位置を格納し、かつ、どの軌道基地局がカバレッジエリア内のどの領域に対してカバレッジを提供しているかを示すカバレッジ表示を出力するネットワークプランナコンピュータと、上記状態空間データベースのコピーを複数の宇宙機ネットワークノードの各々に分配するデータベースディストリビュータとを備える、行程生成器。
少なくとも１つが地上基地局であり、かつ、少なくとも１つが軌道基地局である複数の基地局を有するセルラネットワークにおいて用いるための行程生成器であって、宇宙機行程を生成するための第１の生成器と、衛星機能行程を生成するための第２の生成器と、上記宇宙機行程および上記衛星機能行程を格納する状態空間データベースと、上記状態空間データベースに基づいて、基地局の静的位置を格納し、かつ、どの軌道基地局がカバレッジエリア内のどの領域に対してカバレッジを提供しているかを示すカバレッジ表示を出力するネットワークプランナコンピュータと、上記状態空間データベースのコピーを複数の宇宙機ネットワークノードの各々に分配するデータベースディストリビュータとを備える、行程生成器。
［項目１４］
上記ネットワークプランナコンピュータと通信するコマンドおよび制御システムであって、状態の変化に応答して上記状態空間データベースを調節するために使用可能である、軌道基地局の状態を管理するめのロジックを有する、コマンドおよび制御システムをさらに備える、項目１３に記載の行程生成器。
上記ネットワークプランナコンピュータと通信するコマンドおよび制御システムであって、状態の変化に応答して上記状態空間データベースを調節するために使用可能である、軌道基地局の状態を管理するめのロジックを有する、コマンドおよび制御システムをさらに備える、項目１３に記載の行程生成器。
［項目１５］
上記軌道基地局の状態は、温度、電力レベル、燃料レベル、プロセッサ健全性および／または電波健全性のうちの１つまたは複数を含み、行程が上記状態に基づいて調節される、項目１４に記載の行程生成器。
上記軌道基地局の状態は、温度、電力レベル、燃料レベル、プロセッサ健全性および／または電波健全性のうちの１つまたは複数を含み、行程が上記状態に基づいて調節される、項目１４に記載の行程生成器。
［項目１６］
上記状態空間データベースは、以前に生成された衛星機能行程の使用を状態条件が除外している場合に用いるための少なくとも１つのバックアップ行程を有する、項目１３から１５のいずれかに記載の行程生成器。
上記状態空間データベースは、以前に生成された衛星機能行程の使用を状態条件が除外している場合に用いるための少なくとも１つのバックアップ行程を有する、項目１３から１５のいずれかに記載の行程生成器。
［項目１７］
上記状態空間データベースは、一組のルールまたはサービス品質要件のうちの１つまたは複数に基づいて最適化された行程を有する、項目１３から１６のいずれかに記載の行程生成器。
上記状態空間データベースは、一組のルールまたはサービス品質要件のうちの１つまたは複数に基づいて最適化された行程を有する、項目１３から１６のいずれかに記載の行程生成器。
［項目１８］
上記状態空間データベースは、上記ネットワーク内の地上局または軌道要素について計算された行程を有する、項目１３から１７のいずれかに記載の行程生成器。
上記状態空間データベースは、上記ネットワーク内の地上局または軌道要素について計算された行程を有する、項目１３から１７のいずれかに記載の行程生成器。
［項目１９］
セルラネットワーク用のカバレッジを決定する方法であって、複数のメッシュポイントのデータベースを格納する段階であって、各メッシュポイントは、カバレッジエリア内の位置とそのメッシュポイントにおけるサービスについてのメタデータとを有する、格納する段階と、有限エリアを各々が有し、かつ、ポリゴン境界を少なくともいくつかが有する複数のカバレッジ領域のデータベースを格納する段階と、上記複数のメッシュポイントを割り当て時間にわたってカバレッジ領域に割り当てる段階であって、カバレッジ領域は、軌道基地局の軌道に基づいて、経時的に変わる、割り当てる段階と、カバレッジを、割り当てられた割り当て時間にわたって、割り当てられたカバレッジ領域に提供するように基地局を制御する段階とを備える、方法。
セルラネットワーク用のカバレッジを決定する方法であって、複数のメッシュポイントのデータベースを格納する段階であって、各メッシュポイントは、カバレッジエリア内の位置とそのメッシュポイントにおけるサービスについてのメタデータとを有する、格納する段階と、有限エリアを各々が有し、かつ、ポリゴン境界を少なくともいくつかが有する複数のカバレッジ領域のデータベースを格納する段階と、上記複数のメッシュポイントを割り当て時間にわたってカバレッジ領域に割り当てる段階であって、カバレッジ領域は、軌道基地局の軌道に基づいて、経時的に変わる、割り当てる段階と、カバレッジを、割り当てられた割り当て時間にわたって、割り当てられたカバレッジ領域に提供するように基地局を制御する段階とを備える、方法。
［項目２０］
モビリティ管理エンティティを制御する方法であって、軌道メカニクス、姿勢ダイナミクスおよびリンクバジェットについて物理シミュレーションを実行して、上記モビリティ管理エンティティにより管理されるネットワークの一組の将来のリンク状態を導出する段階と、上記一組の将来のリンク状態に基づいて、宇宙機動作と、無線アクセスネットワーク動作と、コアネットワーク動作とのための行程を決定する段階とを備える、方法。
モビリティ管理エンティティを制御する方法であって、軌道メカニクス、姿勢ダイナミクスおよびリンクバジェットについて物理シミュレーションを実行して、上記モビリティ管理エンティティにより管理されるネットワークの一組の将来のリンク状態を導出する段階と、上記一組の将来のリンク状態に基づいて、宇宙機動作と、無線アクセスネットワーク動作と、コアネットワーク動作とのための行程を決定する段階とを備える、方法。
［項目２１］
セルラネットワークのユーザ機器（ＵＥ）デバイスと通信する複数の軌道基地局を管理する方法であって、上記複数の軌道基地局のうちの第１の軌道基地局用の第１のカバレッジエリアを決定する段階と、上記複数の軌道基地局のうちの第２の軌道基地局用の第２のカバレッジエリアを決定する段階と、上記第１のカバレッジエリアと上記第２のカバレッジエリアとが重複する場合のための上記第２の軌道基地局からの信号の修正を決定する段階であって、上記修正は、固定基地局間の信号強度の損失と解釈することにより上記第１の軌道基地局へのハンドオフの要求をトリガするようＵＥデバイスがプログラミングされる上記信号の変更を含む、決定する段階とを備える、方法。
セルラネットワークのユーザ機器（ＵＥ）デバイスと通信する複数の軌道基地局を管理する方法であって、上記複数の軌道基地局のうちの第１の軌道基地局用の第１のカバレッジエリアを決定する段階と、上記複数の軌道基地局のうちの第２の軌道基地局用の第２のカバレッジエリアを決定する段階と、上記第１のカバレッジエリアと上記第２のカバレッジエリアとが重複する場合のための上記第２の軌道基地局からの信号の修正を決定する段階であって、上記修正は、固定基地局間の信号強度の損失と解釈することにより上記第１の軌道基地局へのハンドオフの要求をトリガするようＵＥデバイスがプログラミングされる上記信号の変更を含む、決定する段階とを備える、方法。
［項目２２］
カバレッジエリア全体における位置を各々が表す複数のメッシュポイントを生成する段階と、上記複数のメッシュポイントをカバーする複数のポリゴンを生成する段階と、上記複数のメッシュポイントのうちの所与のメッシュポイントについてリンクバジェットを決定する段階と、上記所与のメッシュポイントについて一組の適用可能な無線通信制約を決定する段階と、上記所与のメッシュポイントのカバレッジを有する特定のポリゴンと一致する複数の基地局ビームの各々について、上記特定のポリゴン内の上記所与のメッシュポイントに対する上記一組の適用可能な無線通信制約に基づいてビームパラメータを決定する段階とをさらに備える、項目２１に記載の方法。
カバレッジエリア全体における位置を各々が表す複数のメッシュポイントを生成する段階と、上記複数のメッシュポイントをカバーする複数のポリゴンを生成する段階と、上記複数のメッシュポイントのうちの所与のメッシュポイントについてリンクバジェットを決定する段階と、上記所与のメッシュポイントについて一組の適用可能な無線通信制約を決定する段階と、上記所与のメッシュポイントのカバレッジを有する特定のポリゴンと一致する複数の基地局ビームの各々について、上記特定のポリゴン内の上記所与のメッシュポイントに対する上記一組の適用可能な無線通信制約に基づいてビームパラメータを決定する段階とをさらに備える、項目２１に記載の方法。
［項目２３］
計算およびモバイル無線通信が可能なユーザ機器（ＵＥ）デバイスであって、オペレーティングシステムと、アプリケーションプログラムコードとノード可用性テーブルとを格納するためのメモリであって、上記ノード可用性テーブルは、軌道プラットフォームに実装されるノード用の軌道ダイナミクスに少なくとも部分的に基づいて決定される将来の予め計算された期間において利用可能であると予測される、無線ネットワークのノードを示す、メモリと、
上記アプリケーションプログラムコードを実行するための、かつ、上記ノード可用性テーブルにより示されるノード可用性と合わせるための上記アプリケーションプログラムコードのタイミング通信処理のためのプロセッサと、上記ノード可用性テーブルの少なくとも表示を受信するために、かつ、上記無線ネットワークと通信するために使用可能な通信回路とを備える、ＵＥデバイス。
計算およびモバイル無線通信が可能なユーザ機器（ＵＥ）デバイスであって、オペレーティングシステムと、アプリケーションプログラムコードとノード可用性テーブルとを格納するためのメモリであって、上記ノード可用性テーブルは、軌道プラットフォームに実装されるノード用の軌道ダイナミクスに少なくとも部分的に基づいて決定される将来の予め計算された期間において利用可能であると予測される、無線ネットワークのノードを示す、メモリと、
上記アプリケーションプログラムコードを実行するための、かつ、上記ノード可用性テーブルにより示されるノード可用性と合わせるための上記アプリケーションプログラムコードのタイミング通信処理のためのプロセッサと、上記ノード可用性テーブルの少なくとも表示を受信するために、かつ、上記無線ネットワークと通信するために使用可能な通信回路とを備える、ＵＥデバイス。
［項目２４］
上記ノード可用性テーブルは、上記軌道プラットフォームに実装されるノード用のリンクバジェット計算によりさらに決定される上記将来の予め計算された期間において利用可能であると予測される、上記無線ネットワークのノードを示す、項目２３に記載のユーザ機器（ＵＥ）デバイス。
上記ノード可用性テーブルは、上記軌道プラットフォームに実装されるノード用のリンクバジェット計算によりさらに決定される上記将来の予め計算された期間において利用可能であると予測される、上記無線ネットワークのノードを示す、項目２３に記載のユーザ機器（ＵＥ）デバイス。
Claims (24)
- 複数の第１のノードレコードの第１のデータベーステーブルであって、前記複数の第１のノードレコードのうちのある第１のノードレコードは、地上基地局を表し、前記第１のノードレコードは、前記地上基地局の動作詳細を含む、第１のデータベーステーブルと、
複数の第２のノードレコードの第２のデータベーステーブルであって、前記複数の第２のノードレコードのうちのある第２のノードレコードは、軌道基地局を表し、前記第２のノードレコードは、前記軌道基地局の動作詳細を含む、第２のデータベーステーブルと、
前記第１のデータベーステーブル内に表される基地局と前記第２のデータベーステーブル内に表される基地局とへの接続のためのリンクバジェットを計算してネットワーク使用データセットを形成する状態空間予測コンピュータと、
少なくともいくつかが前記ネットワーク使用データセットから導出される複数の状態空間レコードを有する状態空間データベースであって、前記複数の状態空間レコードのうちのある状態空間レコードは、カバレッジエリア内の複数のメッシュポイントについて、どのアクティブ基地局が前記カバレッジエリア内でリンクサービスを提供しているか、および、どの延期基地局が共有プロトコルと前記アクティブ基地局により共有される共有周波数帯域とのそれらによる使用を一時停止しているかを示す、状態空間データベースと
を備えるセルラネットワーク管理システム。 - 前記延期基地局は、ネットワークリソースの割り当てに基づいて、前記共有プロトコルのそれらの使用を一時停止し、前記ネットワークリソースの割り当ては、軌道基地局に割り当てられた、割り当てられたネットワークリソースを除外することにより、前記延期基地局が、一時停止要求を認識させるために前記延期基地局をプログラミングする必要なく、それらによる使用を一時停止するようにする、請求項１に記載のセルラネットワーク管理システム。
- 前記アクティブ基地局は、少なくとも１つのアクティブ軌道基地局を含み、前記延期基地局は、少なくとも１つのパッシブ地上基地局を含み、前記少なくとも１つのパッシブ地上基地局は、前記少なくとも１つのアクティブ軌道基地局が前記カバレッジエリア用のカバレッジを提供するものと予測される場合、前記ネットワーク使用データセットに基づくパッシブ状態にある、請求項１または２に記載のセルラネットワーク管理システム。
- 前記状態空間予測コンピュータは、前記軌道基地局の将来のカバレッジの予測において地球重力モデル、地球大気密度モデル、磁場モデル、宇宙機機能モデルおよび／またはアンテナ放射パターンモデルを考慮するためのロジックを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のセルラネットワーク管理システム。
- メッシュポイントとポリゴンカバレッジエリアとを有するカバレッジデータベースをさらに備え、前記ポリゴンカバレッジエリアは、それぞれの基地局について前記カバレッジデータベース内で参照され、前記それぞれの基地局は、少なくともいくつかの静的カバレッジ地上基地局と、ビームフォーミングを用いる少なくともいくつかの静的カバレッジ軌道基地局と、少なくともいくつかの動的カバレッジ軌道基地局であって、前記少なくともいくつかの動的カバレッジ軌道基地局がそれぞれの軌道上で移動するときに前記カバレッジエリアにわたって動く動的ビームを用いる、少なくともいくつかの動的カバレッジ軌道基地局とを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のセルラネットワーク管理システム。
- 前記状態空間データベースは、緊急事態であって、軌道基地局によるカバレッジが前記緊急事態に基づいて変わるであろう、緊急事態を含むカバレッジダイナミクスを考慮する、請求項１から５のいずれか一項に記載のセルラネットワーク管理システム。
- 前記緊急事態は、予測される自然災害を含み、前記カバレッジダイナミクスは、前記予測される自然災害により影響を受けるエリア内での容量の増加を含む、請求項６に記載のセルラネットワーク管理システム。
- 前記緊急事態は、予測される自然災害を含み、前記カバレッジダイナミクスは、第１のレスポンダにより提供される入力データに基づく、エリア内での容量の増加を含む、請求項６に記載のセルラネットワーク管理システム。
- 地上ネットワークハンドオーバプロトコルと整合する信号を用いて第１の軌道基地局から第２の軌道基地局へのリンクの第１の差し迫ったハンドオーバをユーザ機器（ＵＥ）にシグナリングする第１のハンドオーバロジックをさらに備える、請求項１から８のいずれか一項に記載のセルラネットワーク管理システム。
- 地上ネットワークハンドオーバプロトコルと整合する信号を用いて第１の軌道基地局から第２の軌道基地局へのトンネリングリンクへの接続の第２の差し迫ったハンドオーバをＵＥにシグナリングすることにより、前記ＵＥと前記セルラネットワーク管理システムにより管理されるセルラネットワークから離れたコンピュータシステムとの間のトンネリングデータリンクを維持する第２のハンドオーバロジックをさらに備える、請求項１から９のいずれか一項に記載のセルラネットワーク管理システム。
- 地上ネットワークハンドオーバプロトコルと整合する信号を用いて、ＵＥデバイスをセルラネットワークに対して認証し、かつ、第１の軌道基地局から第２の軌道基地局へのリンクのハンドオーバにわたって前記ＵＥデバイスの認証を維持する認証ロジックをさらに備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載のセルラネットワーク管理システム。
- 前記認証ロジックは、認証軌道基地局に実装され、認証は、前記第１の軌道基地局および／または前記第２の軌道基地局における使用のためにキャッシュされる、請求項１１に記載のセルラネットワーク管理システム。
- 前記状態空間データベースは、宇宙機行程および衛星機能行程のためのストレージを含み、前記セルラネットワーク管理システムは、
前記状態空間データベースに格納される前記宇宙機行程を生成するための第１の生成器と、
前記状態空間データベースに格納される前記衛星機能行程を生成するための第２の生成器と、
前記状態空間データベースに基づいて、基地局の静的位置を格納し、かつ、どの軌道基地局がカバレッジエリア内のどの領域に対してカバレッジを提供しているかを示すカバレッジ表示を出力するネットワークプランナコンピュータと、
前記状態空間データベースのコピーを複数の宇宙機ネットワークノードの各々に分配するデータベースディストリビュータと
をさらに備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載のセルラネットワーク管理システム。 - 前記ネットワークプランナコンピュータと通信するコマンドおよび制御システムであって、軌道基地局の状態の変化に応答して前記状態空間データベースを調節するために使用可能である、軌道基地局の状態を管理するためのロジックを有する、コマンドおよび制御システムをさらに備える、請求項１３に記載のセルラネットワーク管理システム。
- 前記軌道基地局の状態は、温度、電力レベル、燃料レベル、プロセッサ健全性および／または電波健全性のうちの１つまたは複数を含み、行程が前記軌道基地局の状態に基づいて調節される、請求項１４に記載のセルラネットワーク管理システム。
- 前記状態空間データベースは、以前に生成された衛星機能行程の使用を状態条件が除外している場合に用いるための少なくとも１つのバックアップ行程を有する、請求項１３から１５のいずれか一項に記載のセルラネットワーク管理システム。
- 前記状態空間データベースは、一組のルールまたはサービス品質要件のうちの１つまたは複数に基づいて最適化された行程を有する、請求項１３から１６のいずれか一項に記載のセルラネットワーク管理システム。
- 前記状態空間データベースは、セルラネットワーク内の地上局または軌道要素について計算された行程を有する、請求項１３から１７のいずれか一項に記載のセルラネットワーク管理システム。
- セルラネットワーク用のカバレッジを決定する方法であって、
複数のメッシュポイントのデータベースを格納する段階であって、各メッシュポイントは、カバレッジエリア内の位置とそのメッシュポイントにおけるサービスについてのメタデータとを有する、格納する段階と、
有限エリアを各々が有し、かつ、ポリゴン境界を少なくともいくつかが有する複数のカバレッジ領域のデータベースを格納する段階と、
前記複数のメッシュポイントを割り当て時間にわたってカバレッジ領域に割り当てる段階であって、前記カバレッジ領域は、軌道基地局の軌道に基づいて、経時的に変わる、割り当てる段階と、
前記カバレッジ領域のデータベースに少なくとも基づいて、どのアクティブ基地局が前記割り当てられたカバレッジ領域内でリンクサービスを提供しているか、および、どの延期基地局が共有プロトコルと前記割り当てられたカバレッジ領域内で前記アクティブ基地局により共有される共有周波数帯域とのそれらの使用を一時停止しているかを少なくとも示すことにより、カバレッジを、割り当てられた割り当て時間にわたって、割り当てられたカバレッジ領域に提供するように基地局を制御する段階と
を備える、方法。 - 前記基地局を制御する段階は、
指定されたカバレッジ領域のリンクニーズをカバーするために第１の基地局を割り当てる段階と、
前記指定されたカバレッジ領域内で、第２の基地局が前記第１の基地局と同じプロトコル、チャネルおよび規格を用いて伝送できる場合、それらのリンクニーズをカバーするために前記第１の基地局が割り当てられている期間中はそれらのプロトコル、チャネルおよび規格を延期し、使用しないことを前記第２の基地局に示す段階と
を有する、請求項１９に記載の方法。 - 軌道メカニクス、姿勢ダイナミクスおよびリンクバジェットについて物理シミュレーションを実行して、モビリティ管理エンティティにより管理されるネットワークの一組の将来のリンク状態を導出する段階と、
前記一組の将来のリンク状態に基づいて、宇宙機動作と、無線アクセスネットワーク動作と、コアネットワーク動作とのための行程を決定する段階と
をさらに備える、請求項１９または２０に記載の方法。 - 複数の軌道基地局のうちの第１の軌道基地局用の第１のカバレッジエリアを決定する段階と、
前記複数の軌道基地局のうちの第２の軌道基地局用の第２のカバレッジエリアを決定する段階と、
前記第１のカバレッジエリアと前記第２のカバレッジエリアとが重複する場合のための前記第２の軌道基地局からの信号の修正を決定する段階であって、前記修正は、固定基地局間の信号強度の損失と解釈することにより前記第１の軌道基地局へのハンドオフの要求をトリガするようユーザ機器デバイスがプログラミングされる前記信号の変更を含む、決定する段階と
をさらに備える、請求項１９から２１のいずれか一項に記載の方法。 - カバレッジエリア全体における位置を各々が表す複数のメッシュポイントを生成する段階と、
前記複数のメッシュポイントをカバーする複数のポリゴンを生成する段階と、
前記複数のメッシュポイントのうちの所与のメッシュポイントについてリンクバジェットを決定する段階と、
前記所与のメッシュポイントについて一組の適用可能な無線通信制約を決定する段階と、
前記所与のメッシュポイントのカバレッジを有する特定のポリゴンと一致する複数の基地局ビームの各々について、前記特定のポリゴン内の前記所与のメッシュポイントに対する前記一組の適用可能な無線通信制約に基づいてビームパラメータを決定する段階と
をさらに備える、請求項２２に記載の方法。 - コンピュータに、請求項１９から２３のいずれか一項に記載の方法を実行させるためのコンピュータプログラム。
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