KR102112345B1 - 궤도 환경에서 동작하는 우주선과 지상 기지국 통신을 사용하는 지상 원격 통신 디바이스 사이의 통신을 핸들링하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents
궤도 환경에서 동작하는 우주선과 지상 기지국 통신을 사용하는 지상 원격 통신 디바이스 사이의 통신을 핸들링하기 위한 방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
다중-액세스 송수신기는, 이동국에 대한 수정을 반드시 요구하지 않으면서도, 이동국 설계 가정을 초과하는 환경에서 이동국과의 통신을 핸들링한다. 하나의 그러한 환경은 지구 궤도에 있다. 다중-액세스 송수신기는, 더 큰 거리, 더 큰 상대적 운동 및/또는 지상 송수신기의 기능성이 궤도 송수신기에 의해 수행될 곳에서 일반적으로 발견되는 다른 조건과 같은 이동국 설계 가정을 초과하는 동안 이동국과의 통신을 접속하도록 적응된다. 궤도 송수신기는, 프레임 데이터 구조를 파싱하는 데이터 파서, 지상 전파 지연에 대한 궤도에 기초한 타이밍을 조정하는 신호 타이밍 모듈, 주파수 시프터 및 통신이, 지상 셀룰러 기지국과 지상 이동국 사이의 통신과 호환되도록, 또는 지상 이동국에게 지상 셀룰러 기지국과 지상 이동국 사이의 통신인 것으로 여겨지도록 다중-액세스 프로토콜을 사용하는 지구 궤도로부터 통신할 수 있는 프로그램 가능한 무선부를 포함할 수도 있을 것이다.
Description
발명의 분야
본 발명은 우주선과 지상 원격 통신 디바이스(terrestrial telecommunications device) 사이의 통신을 핸들링하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 지상 원격 통신(terrestrial telecommunication)을 위해 통상적으로 사용되는 지상 원격 통신 디바이스의 피처(feature) 및 설비를 사용하는 통신에 관한 것이다.
우선권 및 관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 2017년 3월 2일자로 출원된 발명의 명칭이 "Method for Low-Cost and Low-Complexity Inter-Satellite Link Communications within a Satellite Constellation Network for Near Real-Time, Continuous, and Global Connectivity"인 미국 특허 가출원 제62/465,945호로부터의 우선권을 주장하며, 이의 정규 출원이다.
본 출원은, 2017년 4월 26일자로 출원된 발명의 명칭이 "Method for Communications Between Base Stations Operating in an Orbital Environment and Ground-Based Telecommunications Devices"인 미국 특허 가출원 제62/490,298호로부터의 우선권을 주장하며, 이의 정규 출원이다.
상기에서 열거되는 출원의 전체 개시는, 모든 목적을 위해, 마치 본 문헌에서 전체적으로 기술되는 것처럼, 참고로 본 명세서에 원용된다.
이동 통신은 이동국(mobile station: MS)과 송수신기 사이에서 신호가 전송되는 것을 수반하는데, 송수신기는, 음성 및 데이터 통신을 전달하기 위해, 어쩌면 또한 위치 찾기 피처(feature)를 전달하기 위해, 원격 통신 네트워크(telecommunication network), 인터넷 등과 같은 다른 네트워크 리소스로 그리고 다른 네트워크 리소스로부터 통신하기 위한 인터페이스를 MS에 제공할 수 있다. 송수신기는, 다수의 송수신기로부터의 트래픽을 핸들링하는 기지국 송수신기(base transceiver station: BTS) 내의 컴포넌트일 수도 있을 것이다. BTS는 또한 안테나 및 암호화/복호화(encryption/decryption) 요소를 포함할 수도 있을 것이다. 안테나는 선택적 안테나일 수도 있을 것인데, 여기서, 상이한 위치에 있는 상이한 MS는 BTS의 상이한 안테나를 통해 그들 각각의 송수신기에 통신할 수도 있을 것이다. BTS는, 그들 다른 네트워크 리소스와 통신하기 위하여, 유선, 무선 및/또는 광학 채널을 구비할 수도 있다. BTS는 하나 이상의 송수신기를 지원할 수도 있을 것이고, 이동 통신을 지원하기 위한 주어진 기지국은, 그 기지국의 하나 이상의 BTS를 제어하는 기지국 컨트롤러(base station controller: BSC)를 구비할 수도 있을 것이다.
이동국의 예는, 이동 전화, 셀룰러 폰, 스마트폰, 및 특정한 BTS와 통신하도록 구비되는 다른 디바이스를 포함한다. 본 명세서에서 이동국은 그 이름에 의해 참조되지만, 이동국의 동작, 기능 또는 특성은 또한, 유효하게 또는 기능적으로 이동국인, 그러나 현재는 이동국이 아닌 스테이션의 동작, 기능 또는 특성일 수도 있을 것이라는 것이 이해되어야 한다. 몇몇 예에서, 이동국은, 대신, 여러 가지 연결된 주변장치를 가지며 셀룰러 연결을 갖는 랩탑 컴퓨터와 같은, 이리저리 이동될 수 있는 그러나 동작에서 고정식인(stationary) 휴대형 스테이션으로 간주될 수도 있을 것이거나, 또는 이동국은, 장착된 가정 보안 시스템에 임베딩되는 셀룰러 디바이스와 같이, 고정식일 수도 있을 것이다. 필요로 되는 모든 것은, 이동국이, 이동 통신 인프라(mobile communication infrastructure)를 사용하여 통신할 수 있어야 하거나, 또는 이동 통신 인프라를 사용하여 통신하도록 구성되어야 한다는 것이다.
BTS는, 기지국 제어 기능(base station control function: BCF)을 통해 부모 BSC에 의해 제어될 수도 있을 것이다. 이들 요소의 각각은, 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 사용하여 구현될 수 있을 것이고 네트워크 관리 및 유지 보수 기능성을 포함할 수 있을 것이지만, 그러나 기지국은, 합의된 프로토콜에 따라 이동국과 통신하는 하나 이상의 송수신기를 구비하는 것으로 설명될 수 있다. 이것은, BTS가 BTS에 대한 합의된 프로토콜에 따라 동작하도록 구성, 적응 또는 프로그래밍되는 것 및 MS가 MS에 대한 합의된 프로토콜에 따라 동작하도록 구성, 적응 또는 프로그래밍되는 것에 의할 수 있다. 프로토콜은, 송수신기와 MS 사이에서 데이터를 전송하는 방법, 에러를 핸들링하는 방법, 암호화를 핸들링하는 방법, 및 BTS와 MS 사이의 제어 명령어 및 상태 데이터를 전송하는 방법의 세부 사항(detail)을 포함할 수도 있을 것이다. 예를 들면, 프로토콜의 일부는, MS가 BTS와 접촉하고 MS가 어떤 타이밍, 캐리어 주파수, 및 다른 프로토콜 옵션을 사용할지를, BTS가 MS에 나타내는 상호 작용을 포함할 수도 있을 것이다. 이 상호 작용은 음성 데이터를 전달하는 것, 텍스트 데이터를 전달하는 것, 다른 데이터를 전달하는 것, 셀내 핸드오버(intracell handover) 및 다른 작업을 제공하는 것을 포함할 수도 있을 것이다.
설명의 간략화를 위해, 본 명세서의 많은 예에서, 통신은 하나의 MS와의 상호 작용을 위해 BTS와 MS 사이에 있는 것으로 설명되지만, 그러나, 상호 작용은 BTS로부터, 송수신기로의, 무선 회로로의, 안테나로의, MS 안테나로의, MS 무선 회로로의, MS 내의 소프트웨어/하드웨어, 및 MS로부터 BTS로의 다른 방향의 대응하는 경로(path)로의 것일 수도 있을 것이라는 것이 이해되어야 한다. 따라서, BTS가 MS와 통신하는 몇몇 예에서, 그것은 송수신기를 경유하며, 예는, BTS가 제어하고 있을 수도 있는 다른 송수신기의 언급을 무시한다.
BTS가 사용할 수도 있는 프로토콜의 예는, 가우시안 최소 시프트 키잉(Gaussian Minimum-Shift Keying: GMSK)을 갖는 GSM(Global System for Mobile Communications(이동 통신용 글로벌 시스템); GSM Association에 의한 등록 상표) 2G+ 프로토콜, GMSK를 갖는 EDGE 프로토콜 및 8-PSK 키잉을 포함한다. BTS는, 프로토콜이 허용하는 무선 스펙트럼의 스펙트럼 대역 내에서 캐리어 주파수의 다수의 세트를 사용하는 다수의 송수신기를 핸들링할 수도 있을 것이다. 따라서, 스펙트럼 대역이 캐리어 주파수 스펙트럼으로 논리적으로 분할되는 경우, 송수신기는, MS와 통신하기 위해 하나의(또는 더 많은) 캐리어 주파수를 사용하는 채널을 사용할 수도 있을 것이다. 프로토콜은, 주어진 채널에 대해, 어쩌면, 캐리어 주파수 내에서 서로로부터 분리되는 업링크 서브채널 및 다운링크 서브채널이 존재한다는 것을 명시할 수도 있다. 몇몇 경우에, 업링크 서브채널은, 다운링크 서브채널의 캐리어 주파수에 인접한 캐리어 주파수를 갖는다. 몇몇 경우에, 모든 업링크 서브채널은 하나의 스펙트럼 대역 내에 있고 모든 다운링크 서브채널은 다른 스펙트럼 대역 내에 있다. 설명의 용이성을 위해, 때로는, 채널은, 업링크 부분 및 다운링크 부분이 캐리어 주파수에서 멀리 분리되더라도, 마치 그것이 하나의 채널인 것처럼 업링크 부분 및 다운링크 부분을 갖는 것으로 설명된다.
몇몇 BTS는 주파수 호핑을 제공할 수도 있을 것인데, 여기서 송수신기 및 이동국은 전체적인 BTS 성능을 향상시키기 위해 캐리어 주파수로부터 캐리어 주파수로 빠르게 점프한다. 프로토콜은 사용할 호핑 시퀀스를 명시할 수도 있을 것이다.
GSM 프로토콜에서, 송수신기-MS 통신은 프레임을 수반하며 각각의 프레임은 최대 여덟 개의 타임슬롯을 갖는다. 여덟 개의 타임슬롯을 사용하여, 송수신기는 최대 여덟 개의 MS로 지향되는 프레임을 전송하는데, 각각의 MS는 송수신기의 BTS에 의해 프레임에서 고유한 타임슬롯을 할당받는다. MS는 그들의 할당된 타임슬롯에서 그들의 송신을 전송할 수 있으며, 그 송수신기와 통신하는 각각의 MS가 그들이 어떤 타임슬롯을 사용해야 하는지를 알고 있기 때문에, 유사하게 위치된 MS는 그들의 할당된 타임슬롯에서 송수신기에 다시 통신할 수 있다. 송수신기는 여덟 개의 타임슬롯 모두를 사용하지 않을 수도 있을 것이다.
타임슬롯 및 캐리어 주파수에 대한 그들의 할당이 무엇인지를 MS에 전달하기 위해, GSM 프로토콜의 공통 제어 채널(Common Control Channel: CCCH)과 같은 시그널링 채널이 사용될 수도 있을 것이다. 예를 들면, 몇몇 공통 제어 채널은, 액세스 요청을 행하기 위해(예를 들면, MS로부터 BTS로의 RACH 요청을 행함), 페이징(예를 들면, BTS로부터 MS로의 PCH 요청을 행함)을 위해, 액세스 허여(예를 들면, MS로부터 BTS로의 AGCH)를 위해, 그리고 셀 브로드캐스트(예를 들면, BTS로부터 MS로의 CBCH)를 행하기 위해 사용된다. AGCH(Access Grant Channel: 액세스 허여 채널)는 타임슬롯 할당/캐리어 할당을 허여하기 위해 사용된다. 다른 채널인 브로드캐스트 제어 채널(Broadcast Control Channel: BCCH)은, 위치 영역 아이덴티티(Location Area Identity: LAI), MS에 의해 모니터링되어야만 하는 이웃 셀의 리스트, 셀 내에서 사용되는 주파수의 리스트, 셀 아이덴티티, 전력 제어 인디케이터, DTX가 허용되는지의 여부, 및 액세스 제어(즉, 긴급 통화, 호 제한(call barring) 등)와 같은 정보를 MS로 전송하기 위해 사용될 수도 있을 것이거나, 또는 사용되지 않을 수도 있을 것이다.
BTS의 예는, 셀룰러 전화 타워(cellular telephone tower), 매크로 셀 송수신기, 펨토 셀 송수신기, 피코셀(이것은 단지 하나의 송수신기만을 구비할 수도 있을 것임) 등을 포함한다. BTS는 MS와 무선으로 통신할 것이다. 몇몇 BTS는, 예컨대 셀룰러 전화 타워와 유선으로 연결되는 백홀(BTS와 다른 네트워크 리소스 사이의 인터페이스)을 구비하고, 한편 몇몇은, 마이크로파 포인트 투 포인트 양방향 통신 채널과 같은 무선 백홀을 구비할 수도 있을 것이다. 따라서, BTS는, MS로부터 데이터 스트림을 수신하며 그들을 프로세싱하고 그리고/또는 그들을 다른 네트워크 리소스로 포워딩할 뿐만 아니라, 다른 네트워크 리소스로부터 데이터 스트림을 수신하고 그들을 프로세싱하고 그리고/또는 그들을 BTS-MS 링크(들)를 통해 MS로 포워딩하는 여러 가지 상이한 타입의 전기적 구동 디바이스(electrically powered device) 중 임의의 것일 수도 있을 것이다. 이러한 의미에서, BTS는, MS가 원격 통신 네트워크, 인터넷, 개인 네트워크 등과 같은 네트워크 리소스에 액세스하는 것을 허용하기 위한, MS에 대한 액세스 포인트로서 작용한다. 액세스는, 음성 통화, 다른 통화, 문자 메시지 전송(texting), 데이터 전송, 비디오 등을 라우팅하기 위해 사용될 수도 있을 것이다.
BTS 배후의 원격 통신 네트워크는, 데이터를 적절한 BTS로 라우팅하는 방법 및 BTS로부터 수신되는 데이터를 라우팅하는 방법을 결정하는 네트워크 및 스위칭 서브시스템을 포함할 수도 있을 것이다. 원격 통신 네트워크는 또한, 회로 연결 및 패킷 기반의 인터넷 접속뿐만 아니라, 네트워크 유지 보수 지원을 핸들링하기 위한 인프라를 구비할 수도 있을 것이다. 어쨌든, BTS는 MS와 함께 몇몇 프로토콜을 사용하도록 그리고 백홀과 함께 다른 프로토콜을 사용하도록 구성될 수도 있을 것이다.
MS와 BTS 사이의 통신을 위한 프로토콜은, 범위 요건이 충족되고 멤버십 요건이 충족된다는 것을 가정하여(예를 들면, MS가 인가된 그룹의 구성원이라는 것을 또는 다르게는 BTS에 의해 제공되는 서비스를 사용하도록 인가된다는 것을 BTS, 또는 BTS를 사용하는 서비스가 결정하는 그러한 방식으로, MS가 자신을 BTS에게 식별시켰다는 것을 가정하여), 임의의 표준 MS가 임의의 BTS와 통신할 수 있도록 그들이 표준화되도록 하는 그러한 것일 수도 있을 것이다. 몇몇 예시적인 프로토콜은, 때때로 2G(즉, 2 세대) 네트워크 프로토콜로 지칭되는 GSM 프로토콜을 포함한다. 다른 예는, GPRS(General Packet Radio Services: 일반 패킷 무선 서비스), EDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution(GSM 에볼루션을 위한 향상된 데이터 레이트), 또는 EGPRS), 3GPP 단체(body)에 의해 개발되는 3 세대(3G) UMTS 표준, 또는 4 세대(4G) LTE Advanced 프로토콜을 포함한다.
이들 프로토콜에는, 스펙트럼 대역 사용, 타이밍, 인코딩 및 충돌 해결을 위한 규칙이 있다. BTS가 동시에 많은 MS와 통신해야 할 가능성이 있기 때문에, 이용 가능한 무선 통신 통로(pathway)는 프로토콜에 따라 나누어진다. 주어진 프로토콜은, 주파수, 시간, 코드 또는 그들 중 하나 이상에 의해 나누어지는 이용 가능한 무선 통신 통로를 구비할 수도 있을 것이다. 이것은, 다수의 사용자가 동일한 무선 통신 통로를 공유하는 것을 허용한다.
예를 들면, 시분할 다중 액세스(Time Division Multiple Access: TDMA)에서, BTS 및 다수의 MS는 시간 기간을 타임슬롯(또는 "버스트 기간(burst period)")으로 분할하는 것에 동의하고, 제1 MS가 제2 MS를 방해할 수도 있는 경우, 제1 MS는 제1 타임슬롯을 할당받고 제2 MS는 이용 가능한 타임슬롯 중 상이한 타임슬롯을 할당받는다. 상이한 MS가 상이한 타임슬롯을 사용하기 때문에(그리고 그들 모두가 타이밍에 충분히 잘 동의하기 때문에), 그들은 공통 캐리어 주파수를 공유할 수 있으며 그들 각각의 송신은 간섭하지 않는다. 한 예는, 각각의 프레임에 대해 각각 576.92㎲(마이크로초)의 여덟 개의 타임슬롯이 존재하고 따라서 제1 타임슬롯을 할당받는 MS가 어쩌면 제1 타임슬롯 동안 다수의 비트를 송신하고, 자신의 타임슬롯의 끝에서 또는 그 이전에 송신을 중지하고, 침묵을 유지하고, 그 다음, 다음 기간의 제1 타임슬롯 동안, 필요한 경우, 송신을 계속할 경우일 것이다. MS가 자신이 BTS로부터 무언가를 청취해야 할 때를 결정하기 위해(그리고 BTS가 자신이 언제 그 데이터의 송신을 시작해야 하는지를 결정하기 위해), 유사한 할당이 발생한다.
따라서, 단일의 캐리어 주파수를 사용하여, BTS의 각각의 송수신기는 최대 여덟 개의 MS와 통신할 수 있고, 그들 MS로의 통신은 TDMA 프레임으로 그룹화되고 그 캐리어 주파수 채널을 사용하는 다운링크 채널 상에서 송신된다. 타이밍은, 그들 MS의 각각이, 그 캐리어 주파수 채널을 사용하는 업링크 채널 상에서 그들 각각의 타임슬롯에서 BTS에 통신할 수 있도록 하는 그러한 것이다. 이것은 "TDMA 프레임"으로 칭해지며 그 캐리어 주파수를 사용하는 여덟 개의 모든 MS를 통한 데이터 레이트는 270.833 킬로비트/초(kbit/s)이며, TDMA 프레임 지속 기간은, 어느 방향에서든, 4.615 밀리초(ms)이다.
주파수 분할 다중 액세스(Frequency Division Multiple Access: FDMA)는, 이용 가능한 무선 통신 통로를 분할하고 할당하는 또 다른 방식이다. FDMA를 사용하여, 무선 통신 통로를 위해 이용 가능한 또는 할당되는 스펙트럼 대역폭은, 캐리어 주파수에 의해 상이한 채널로 분할된다. 제1 MS는 하나의 캐리어 주파수를 할당받을 수도 있을 것이고, 제2 MS는 다른 캐리어 주파수를 할당받을 수도 있을 것이며, 그 결과, 둘 모두는 동시에 하나의 BTS로 전송할 수 있거나 또는 하나의 BTS로부터 수신할 수 있다.
상기의 예에서, 복수의 이동국은 BTS와 어쩌면 동시에 통신하는데, 여기서 BTS와 특정한 MS 사이의 통신은, BTS 및 특정한 MS가 복수의 타임슬롯 중 어떤 타임슬롯이 사용될지에 동의하게 하는 것(TDMA), 및/또는 복수의 캐리어 주파수 중 어떤 캐리어 주파수가 사용될지에 동의하게 하는 것(FDMA)에 의해, 무선 신호의 충돌이 회피되도록 특정한 MS로부터의 또는 BTS로부터의 신호에서 정보를 전송하는 것을 포함한다. 이들은 다중-액세스 통신의 예이다.
"직교 주파수 분할 다중 액세스(Orthogonal Frequency Division Multiple Access: OFDMA)"로 칭해지는 다른 타입의 다중-액세스 통신에서, 모바일 디바이스는 서브캐리어의 서브세트를 할당받는데, 여기서, FDMA와 비교하여 할당된 스펙트럼의 더욱 효율적인 사용을 위해, 직교하는 좁은 주파수 서브채널이 모바일 디바이스에 할당된다.
몇몇 주파수 할당에서, 할당은 채널 블록당인데, 여기서 채널 블록은 양방향 채널의 세트 또는 그룹이며, 각각의 양방향 채널은 업링크 서브채널에 대해 업링크 캐리어 주파수를 그리고 다운링크 서브채널에 대해 다운링크 캐리어 주파수를 사용한다. 채널은, 각각의 세트가 공통 식별자 또는 속성을 공유하도록, 분류를 위한 몇몇 로직(logic)에 기초하여 두 개 이상의 채널 세트로 그룹화될 수도 있을 것이다.
몇몇 프로토콜에서, 스펙트럼은 캐리어 주파수에 대한 서브스펙트럼으로 분할되고, 또한, 주기는 타임슬롯으로 분할된다. 통상적으로, BTS는 어떤 채널을 어떤 MS에 할당할지를 결정하는 로직을 포함한다. MS에 의한 사용을 위해 채널을 할당함에 있어서, BTS는 특정한 캐리어 주파수를 사용하기 위해 특정한 송수신기를 할당할 수도 있을 것이고, 그 특정한 캐리어 주파수를 사용할 것이라는 것을 MS에 나타낼 수도 있을 것이고, 또한 그 캐리어 주파수를 사용하여 송신되는/수신되는 프레임으로부터 어떤 타임슬롯을 사용할지를 나타낼 수도 있을 것이다. 채널은 업링크 서브채널 및 다운링크 서브채널을 포함할 수도 있을 것이다. 아마도, 주어진 송수신기-MS 통신은 하나보다 더 많은 채널, 예를 들면, 하나보다 더 많은 캐리어 주파수 및/또는 하나보다 더 많은 타임슬롯을 사용할지도 모르지만, 그러나 본 명세서의 많은 예에서, 프로토콜은, 단지 하나의 캐리어 주파수 및 단지 하나의 타임슬롯을 포함하는 채널을 사용하는 MS에 관련되는 것으로 예시된다.
"코드 분할 다중-액세스"(Code Division Multiple Access: CDMA)로 칭해지는 다중-액세스 통신의 또 다른 예에서, 모바일 디바이스는 동일한 타임슬롯 및 캐리어 주파수를 사용할 수도 있을 것이지만, 그러나, 복조를 위해 각각의 특정한 신호를 아주 충분히 디코딩하기 위해 의사랜덤 코드를 사용하여 디코딩하는 것에 의해 수신기가 상이한 수신을 분리할 수 있기 때문에, MS가 동일한 캐리어 주파수, 또는 거의 동일한 시간, 및/또는 동일한 타임슬롯을 사용하여 동시에 송신하는 경우라도, 만약 그들이 사용되면, 고유의 CDMA 코드를 적용하는 것이 다수의 송신기가 동일한 시간 및 주파수를 차지하는 것을 허용하도록, 각각의 모바일 디바이스는 BTS로의 그리고 BTS로부터의 신호를 인코딩하기 위한 고유한 의사랜덤 코드를 할당받는다.
사실상, CDMA는 채널을 시간별로 엄격하게 또는 주파수별로 엄격하게 분리하지는 않는다. CDMA의 사용은, 신호 비트 레이트보다 빠른 칩핑 레이트(chipping rate)를 사용하는 것에 의해, 인코딩이 없는 것보다 더 큰 대역폭에 걸쳐 확산되는 확산 스펙트럼 신호의 송신으로 나타난다. 따라서, 의사랜덤 코드를 사용하여 신호를 인코딩하는 것은, 각각의 코드가 시간 및 주파수 도메인 둘 모두에서 아티큘레이션(articulation)의 몇몇 요소를 나타내기 때문에, TDMA/FDMA 프로토콜에서 통상적으로 발견되는 타이밍 및 주파수 요소를 대체할 수 있다. CDMA 통신에서, MS와 BTS 사이의 신호 전파 지연 및 타이밍이 이해되고, 따라서 의사랜덤 코드는, 물론, 시간 도메인의 몇몇 이산화된 스팬(discretized span) 및 주파수 도메인의 몇몇 별개로 구분된 스팬 둘 모두를 차지하는 어떤 수의 비트/칩에 걸쳐 수신된 신호에 적용된다.
몇몇 다중-액세스 프로토콜에서, 하나보다 더 많은 접근법이 사용된다.
GSM 프로토콜 디지털 모바일 무선 전화 시스템에서, MS 및 BTS는, MS가 각각의 캐리어 주파수에 걸친 별개의 타임슬롯의 할당을 통해 동일한 송신 및 수신 캐리어를 공유할 수 있고 각각의 캐리어 주파수가 별개의 송수신기 또는 송수신기 모듈 또는 로직 블록에 의해 핸들링될 수도 있도록, 주파수 및 시분할 다중 액세스(FDMA/TDMA) 채널 둘 모두에 걸친 통신을 활용한다.
GSM에서, BTS는, 이동국(MS)이 액세스를 요청할 때, 타임슬롯을 이동국(MS)에 할당하는 것을 담당한다. GSM 프레임 구조에서, 각각의 TDMA 프레임 내에 여덟 개의 타임슬롯이 존재한다. 사용되는 캐리어 주파수의 수는 변할 수 있다. 몇몇 지역에서는, 몇몇 캐리어가 많은 수의 캐리어 주파수에 대해 라이센스를 부여받고, 그들 지역 내의 MS는 (BTS가 또한 지원할) 천 개만큼 많은 캐리어 주파수 중 하나를 사용하는 명령어를 수락하도록 구성된다. 예를 들면, 유럽에서 GSM 900 MHz 스펙트럼 대역은 25 MHz의 스펙트럼을 포함한다. 이것이 200㎑ 캐리어 주파수(예를 들면, 각각의 200㎑ 서브스펙트럼 대역 내에 중심을 두는 캐리어 주파수)에 논리적으로 할당되고, 송수신기가 그들 캐리어 주파수 상에서 신호를 전송하는 경우, 이것은 125 개의 캐리어 주파수를 제공한다. 주파수 도메인에서의 가드 대역(guard band)(미사용 캐리어 주파수)의 사용은 이 수를 감소시킬 수도 있을 것이지만, 그러나 신호 프로세싱의 추가된 신뢰성 또는 용이성을 제공할 수도 있을 것이다. TDMA 프레임이 여덟 개의 타임슬롯을 허용하는 경우, 이용 가능한 충분한 수의 논리적 또는 실제 송수신기를 갖는 BTS는 8 * 125 = 1000 개의 MS 채널을 동시에 지원할 수 있을 것이다. 시분할 및 주파수 분할에서는, 가드 슬롯 및 가드 주파수가 각각 존재할 수 있으며, 그 결과, 하나의 분할은 인접한 분할과는 약간의 분리(separation)를 갖는다. 몇몇 프로토콜에서, 더 큰 대역폭을 제공하기 위해, 하나보다 더 많은 타임슬롯 및/또는 하나보다 더 많은 캐리어 주파수가 하나의 MS에 할당될 수 있다.
몇몇 경우에, 지원되는 MS의 범위 내에 다수의 BTS가 존재하며, 따라서 MS의 지원은 BTS 사이에 확산될 수 있고 어쩌면 그들은, 가능한 경우 인접한 BTS가 동일한 캐리어 주파수를 사용하는 것을 방지하도록 조정된다. BTS는 특정한 재사용 스킴(scheme)을 사용하여 이들 주파수를 그들의 타워에 확산시키도록 프로그래밍될 수도 있을 것이다. 또한, BTS는, 다른 네트워크 리소스에 대한 파이프 사이즈에 의해 자신이 지원할 수 있는 MS의 수에서 제한될지도 모른다. 하나의 예에서, BTS는 1 개에서부터 15 개까지의 캐리어 주파수를 사용하고(즉, 송수신기는 전송/수신 프레임에서 1 개 내지 15 개의 캐리어 주파수를 사용하여 송신하고), 따라서 그것은 8 명에서부터 120 명까지의 동시 사용자를 임의의 곳에서 지원할 수 있을 것이다.
각각의 MS는 통상적으로 자신의 기능을 수행하기 위한 프로세서, 메모리, 무선 회로부(radio circuitry), 전원, 디스플레이, 입력 요소 등을 포함한다. 프로세서는 목적하는 기능을 수행하기 위해 프로그램 메모리로부터 판독할 수도 있을 것이다. 예를 들면, 프로그램 메모리는, 데이터 스트림을 형성하는 방법, 그것을 무선 회로부에 전달하는 방법, 청취 및 전송의 타이밍을 적절히 조절하기 위해, 내부 클록을 판독하여 시스템 클록의 값을 결정하는 방법, 및 송신 및 수신을 위한 적절한 주파수를 설정하는 방법에 대한 명령어를 구비할 수도 있을 것이다.
각각의 BTS는 자신의 기능을 수행하기 위해 통상적으로 프로세서, 메모리, 무선 회로부, 전원(들), 원격 통신 네트워크에 대한 인터페이스, 진단 인터페이스 등을 포함한다. BTS 프로세서는 목적하는 기능을 수행하기 위해 프로그램 메모리로부터 판독할 수도 있을 것이다. 예를 들면, 프로그램 메모리는, 데이터 스트림을 형성하는 방법, 그것을 무선 회로부에 전달하는 방법, 원격 통신 네트워크와 통신하는 방법, 전송의 타이밍을 적절히 조절하기 위해, 내부 클록을 판독하여 시스템 클록의 값을 결정하는 방법, 송신 및 수신을 위한 적절한 주파수를 설정하는 방법, 다양한 MS 및 그들의 상태, 위치, 할당 등을 추적하고, 어쩌면 그것을 로컬로 이용 가능한 메모리에 저장하는 방법에 대한 명령어를 구비할 수도 있을 것이다.
위에서 설명된 방식에서, MS는 BTS와 접촉하여 몇몇 캐리어 주파수 내의 프레임에서 할당된 몇몇 타임슬롯을 획득할 것이고, BTS는 MS에 MS의 할당을 통지할 것이다. BTS 및 MS 둘 모두가 동일한 시스템 클록(또는 대략적으로 동일한 시스템 클록)을 가지기 때문에, 그들은 그들의 할당된 타임슬롯 및 캐리어 주파수 내에서 통신할 것이다. 할당 및 할당의 MS로의 통신은, 할당을 요청하기 위해 MS에 의해 사용되는 랜덤 액세스 채널을 사용하여 발생할 수도 있을 것이다. GSM 프로토콜에서, 이것은 RACH 프로세스로 칭해진다.
GSM의 예에서, 무선 통신 통로를 통한 통신은, TDMA 프레임당 여덟 개의 타임슬롯을 가지면서, 4.61538 ms의 지속 기간의 TDMA 프레임으로 파싱된다. 각각의 타임슬롯은 156.25 비트의 데이터를 보유할 만큼 충분히 길다. 하나의 애플리케이션에서, MS 또는 BTS는, 타임슬롯 사이에 8.25 비트(30.46㎲)의 가드 시간을 가지면서, 546.46㎲에 걸쳐 하나의 타임슬롯에서 148 비트의 데이터를 송신할 것이다. GSM900 대역에서, 무선 통신 통로는 업링크 및 다운링크 방향에서 25 MHz의 대역폭을 갖는데, 업링크 및 다운링크 방향 각각은, 업링크 서브채널의 경우 890-915 MHz의 스펙트럼 대역을 그리고 다운링크 서브채널의 경우 935-960 MHz의 스펙트럼 대역을 사용하여, 125 개의 캐리어 주파수(200㎑ 간격으로 이격되는, 각각의 방향에서의 125 개의 캐리어 주파수)를 제공한다. 각각의 스펙트럼 대역의 양쪽에서의 200㎑의 가드 분리(guard separation)에서, 그것은 데이터 이동을 위한 24.6 MHz의 스펙트럼, 또는 123 개의 캐리어 주파수가 남긴다. 그러면, (양방향에서의) 그러한 무선 통신 통로의 총 용량은, 타임슬롯당 156.25 비트 곱하기 프레임당 여덟 개의 타임슬롯 곱하기 216.667 프레임/초 * 123 캐리어 = 33.312 Mbits/초일 것이다.
MS가 모바일일 수 있다는 점을 고려하면, 그들은 BTS로부터 약간 멀리 있을 수도 있을 것이고 그 거리는, 예컨대 MS가 원격 통신 네트워크를 통해 음성 대화를 전달하기 위해 사용되고 있고 한편 BTS가 셀폰 타원에 고정되지만 그러나 MS가 10㎞ 떨어져 있고 100 KPH로 이동하고 있는 경우, 변할 수도 있을 것이다. BTS 및 MS가 서로 몇 미터 이내에 있고 MS가 이동하지 않는 경우, 움직임에 기인하는 신호의 전파 시간 및 도플러 시프트(Doppler shift)는 무시될 수 있다. MS가 BTS에 대해 100 KPH로 이동하는 경우, 어쩌면 그것은 무시될 수 있지만, 그러나 MS가 약간 멀리 떨어져 있는 경우, 전파 시간이 고려될 필요가 있거나 또는 그렇지 않으면 하나의 타임슬롯에서의 송신은 그 타임슬롯 내에서 완전히 수신되지 않을 것이고 오히려, 다른 타임슬롯의 시간에서, 늦게 도달할 수도 있을 것인데, 이것은 통신 소실을 야기할 수 있을 것이다.
전파 지연을 고려하기 위해, 송신기는 전파를 진행 또는 지연시킬 것이고 전파 지연을 고려하기 위해 무선 주파수(radio frequency: RF) 신호의 버스트를 전송할 것이고 수신기는 조정된 시간에 할당된 송신을 예상할 것이다. 많은 MS 및 하나의 BTS가 있는 경우, 타임슬롯이 모두 정렬되는 장소가 BTS에 있도록, MS가 그들의 송신 시간을 조정하는 것이 되는 것이 종종 유용하다. 마찬가지로, BTS는 자신의 송신을 지정된 타임슬롯에서 전송할 수 있지만, 그러나 MS는, 전파 지연을 고려하기 위해, 그들이 청취하는 또는 송신을 수신할 것을 예상하는 시간을 지연 또는 진행시킬 것이다. BTS가 타임슬롯 또는 슬롯 및 캐리어 주파수 또는 캐리어 주파수들을 MS에 할당하는 것 외에, BTS는 BTS-MS 사이에서 전파 지연 또는 거리가 얼마인지를 MS에 나타낼 지도 모른다.
GSM 프로토콜을 사용하는 BTS 동작의 경우, BTS는, 신호가 RACH(Random Access Control Channel: 랜덤 액세스 제어 채널)에 도달하는 방식 때문에, MS 신호의 전파 지연을 알게 될 것이다. RACH 채널은, MS가 데이터를 전송하기 위해 채널에 액세스하는 것을 필요로 할 때 사용되는 업링크 전용 타임슬롯이다. MS는 RACH상에서 87 비트 길이의 신호 버스트를 전송하는 것에 의해 채널 액세스를 요청할 것이다. RACH 버스트는, 자신과 다음 타임슬롯 사이에 69.25 비트의 가드 기간이 있도록 설계된다. 결과적으로, 버스트는 악영향이 없이 RACH 슬롯 내에서 최대 69.25 비트만큼 슬라이드할 수 있다. RACH 버스트가 BTS에 도달하는 경우, BTS는 신호 버스트가 이들 가드 비트 중 얼마나 많이 우측으로 미끄러졌는지(즉, 시간적으로 더 이동하였는지)를 측정할 수 있고 따라서 그것은 신호의 전파 지연을 결정할 수 있다. BTS가 자신의 채널 할당에 대한 정보를 가지고 MS에 응답하는 경우, BTS는 "타이밍 어드밴스"(timing advance: TA)로 칭해지는 것을 포함할 것인데, 이것은, 정확한 타임슬롯 내에서 BTS에 도달하고 인접한 타임슬롯 안으로 흘러 들어가지 않기 위해, MS가 자신의 신호를 진행시켜야 하는 비트의 수로서 표현될 수도 있을 것이다. GSM 프로토콜에서, 타이밍 어드밴스 값은 0 내지 63 비트 사이의 임의의 곳에 있을 수 있는데, 여기서 0 비트는 왕복 전파 지연이 없는 것에 대응하고 63 비트는, 무선 신호가 빛의 속도로 이동하는 상태에서 BTS로부터 35㎞ 떨어져 있는 MS에서 경험될 전파 지연에 대응한다.
신중한 타이밍이 없으면, 상이한 거리에서 동작하는 MS로부터의 송신이 동일한 타임슬롯 내에서 BTS에 도달할 수 있고 충돌 또는 중첩을 야기할 수 있다. 이들 충돌은 BTS의 관점에서 간섭을 생성하는데, 이것은 통신의 품질 및 신뢰성을 파괴한다. 버스트 타이밍 에러가 신호 충돌을 생성하는 것을 방지하기 위해, 가드 시간(비트 단위로 측정되며 "가드 비트"로 지칭됨)이 활용될 수 있지만, 그러나, 이것은 내부 클록에서의 작은 시간 정렬 에러만을 고려할 수 있고 확장되고 가변적인 전파 거리에서의 차이를 고려할 수 없다.
예를 들면, 타임슬롯 사이에 30.461㎲의 가드 시간(8.25 가드 비트)이 있을 수도 있을 것이고, 그 결과, 제1 MS가 BTS로부터 4.569㎞(왕복 거리 9.138㎞) 떨어져 있고 제1 타임슬롯을 할당받고 제2 MS가 BTS 바로 부근에 있고 다음 타임슬롯을 할당받더라도, 신호의 상대적인 전파 지연은 간섭으로 나타나지 않을 것이다. 이것은, 제1 MS로부터의 신호가 30.461㎲만큼 지연될 것이지만, BTS는 가드 시간 동안 송신의 후반 부분을 수신할 것이며, 제2 MS의 타임슬롯이 시작되기 이전에 송신이 종료될 것이기 때문이다. 종종, 가드 시간은, MS가 발견될 수도 있는 모든 거리에서 있는 MS를 수용하기에는 너무 짧다. 예를 들면, MS가 10㎞(왕복 20㎞) 떨어져 있으면, 그 MS로부터 BTS로의 송신의 전파 지연은 33.333㎲만큼 지연될 것인데, 이것은 가드 시간보다 더 길고, 따라서 BTS는, 다음 타임슬롯을 할당받은 다른 MS로부터의 송신과 동시에 그 송신을 수신할 것이다.
동일한 BTS를 공유하는 멀리 떨어진 MS를 수용하는 한 가지 솔루션은, 타이밍 어드밴스 메커니즘을 사용하는 것이다. GSM 프로토콜은 이것의 예를 제공한다. 랜덤 액세스 채널(RACH) 통신의 GSM 프로토콜의 사용과 같은, MS와 BTS 사이의 초기 핸드셰이크에서, BTS는 MS와 BTS 사이의 거리를 결정한다. BTS는, MS와 각각의 MS에 대한 BTS 사이의 거리를 업링크 전파 지연에 기초하여 계산함에 있어서 RACH 핸드셰이크 동안 타임스탬프를 송신 및 수신할 수도 있을 것이다.
결정된 거리는 MS와 BTS 사이의 실제 거리가 아닐 수도 있을 것이지만, 그러나 많은 목적에 대해, 의사 거리(pseudo distance)가 충분하다. 본 명세서에서 사용될 때 "의사 거리"는, 거리에 대한 실제 값일 수도 있거나 또는 아닐 수도 있는 값이지만, 그러나, 그것은 프록시(proxy)로서 또는 간주된 거리(deemed distance)로서 사용된다, 즉, MS, BTS, 또는 그 밖의 곳의 모듈은, 그 값을 거리인 것으로 가정할 것이고 다양한 컴포넌트는, 그 값이 실제 값에 충분히 가까울 때 그 값을 사용하는 것이 충분히 잘 작동하도록 설계된다. 극단적인 예로서, MS와 BTS가 2 미터 떨어져 있지만, 그들 사이에, 직접적인 신호를 방지하는 어떤 것이 존재하며 가장 가까운 경로가 다수의 반사를 수반하는 3㎞ 경로라는 것을 가정한다. 그러한 경우, 의사 거리는 3㎞일 것이며, MS 및 BT는, 그들이 3㎞만큼 분리되어 있다고 가정하여 동작할 것이다. 그들의 송신이 따르는 신호 경로가 3㎞이기 때문에, 그것을 그들 사이의 거리에 대한 값으로서 사용하는 것이 작용한다.
일반적으로, 두 물체 사이에서 측정되는 의사 거리, 또는 거리의 의사 범위(pseudo range)는, 그들의 실제 거리와는 상이할 수도 있을 것이거나 또는 거리의 범위는, 무선 주파수 신호가 하나의 물체로부터 다른 물체로 전파되는데 걸리는 시간을 결정하는 것에 의해 측정될 수도 있을 것이다. 신호 반사 및 다중 경로에 기인하여, 신호의 원점과 그것의 수신측 사이의 시선 거리(또는 거리의 범위)는, 그 신호의 전파 거리와는 약간 상이할 수 있는데, 이 경우 의사 거리(또는 의사 거리의 범위)는 실제 거리(또는 거리의 범위)와는 다르다. 그러나, 일관된 사용을 통해, 많은 동작은 의사 거리의 바로 그 값으로 작동할 수 있다. 다른 용도에서, "의사"는 추정 값, 가정된 값, 근사 값 등의 값을 나타내기 위해 마찬가지로 사용될 수도 있을 것이다.
일단 BTS가 MS에 대한 의사 거리를 결정하면, BTS는, 그 BTS의 송수신기를 사용하는 활성 MS의 각각에 대한 파라미터 및 변수에 대해 BTS가 유지하는 표(table)에 의사 거리를 저장한다. BTS는, 본 명세서의 다른 곳에서 설명되는 바와 같이, 제어 메시지에서 그 값을 MS에 전달할 것이다. 그 다음, MS는 "타이밍 어드밴스"를 구현하도록 프로그래밍되는데, 여기서 MS는 시스템 클록의 자신의 사본을 고려하고, 의사 거리에 대응하는 전파 지연을 감산하고, 자신의 스케줄링된 타임슬롯의 시작보다 더 빨리 자신의 송신을 BTS로 전송한다. RACH 프로세스는, 이들 값을 결정하기 위해, 하기에서 더 상세히 설명되는 바와 같은 다양한 단계를 포함할 수도 있을 것이다.
본 명세서에서 사용될 때, 전파 지연은, 변환 인자로서 c = 3 * 108 m/s를 사용하여 또는 그에 대한 근사값을 사용하여, 전파 거리로부터 계산될 수 있고 그 반대의 경우도 가능하다. GSM의 경우 270.833 kbits/s와 같은, 송신을 위한 표준화된 비트 레이트가 있는 경우, 전파 지연 또는 거리는 비트의 수로서 표현될 수 있다. 예를 들면, 12㎞ 분리는, 80㎲의 왕복 전파 지연으로 나타날 것이고, 각각의 비트가 3.692㎲에 걸쳐 송신되면, 12㎞ 분리 및 80㎲의 전파 지연은, 22 비트(더 정확하게는 21.66)의 분리 또는 전파인 것으로 등가적으로 표현될 수 있다. 따라서, 전파의 하나의 "비트"는, 대략 555 미터의 왕복 전파 거리 및 3.692㎲에 상당할 것이다.
BTS와는 상이한 거리에서 동작하는 MS는, 그들 각각의 통신 거리를 수용하기 위해 상이한 타이밍 어드밴스를 할당받을 것이다. 편의상, 이것은 정수 개수의 비트로서 표현될 수도 있을 것이다. MS 이동을 고려하기 위해, MS에 전달되며 MS 내의 모듈에 의해 사용되어 송신 또는 수신할 때를 결정하는 이 타이밍 어드밴스 값은, BTS와 관련하여 시간적으로 변하는 통신 거리를 가질 수도 있는 이동하는 타깃을 수용할 만큼 충분히 빈번하게 그리고 주기적으로 업데이트될 수도 있을 것이다. 예를 들면, 사용자가 200 KPH로 이동하는 고속 열차에서 MS를 사용하고 있는 경우, 거리는, 사용자가 거리 상에서 걷고 있는 경우보다 더욱 빈번하게 업데이트되는 것을 필요로 할 수도 있을 것이다.
GSM 프로토콜의 특정한 예에서, 타이밍 어드밴스는 6 비트 값으로 표현되는데, 여기서 최소값은 0 비트 타이밍 어드밴스를 나타내고 최대 값은 63 비트 타이밍 어드밴스를 나타낸다. GSM 프로토콜에서의 각각의 비트가 3.692㎲(및 왕복 전파 지연에서 대략 555 미터)에 대응하는 것으로 가정되기 때문에, 63 비트의 타이밍 어드밴스가 사용될 것인데, 이 경우 의사 거리는 대략 555 m/비트 * 63 비트 = 34,965 m, 또는 대략 35㎞이다. 따라서, 이 타이밍 어드밴스 접근법은 BTS로부터 0과 35㎞ 사이에 있는 MS에 대해 잘 작동할 것이다. GSM 프로토콜에서, MS가 BTS로부터 35㎞보다 더 멀리 있다는 것을 BTS가 결정하는 경우, BTS는 MS로부터의 요청에 응답하지 않도록 프로그래밍되거나, 또는 적어도, 응답하지 않기로 되어 있다. 이것은, 모든 지점이 하나 이상의 BTS의 35㎞ 이내에 있는 BTS의 분포 또는 다른 더 가까운 BTS가 있는 경우에 문제가 되지 않는다.
타이밍 어드밴스를 사용하여, MS는 (MS의 클록 타이밍으로부터) 자신의 타임슬롯이 시작하기 이전에 송신을 전송하고, 전파 지연 이후 그것이 BTS에서 수신될 때, 타이밍 어드밴스가 전파 지연에 대응하는 경우, BTS는 자신의 타임슬롯 내에서 그것을 완전히 수신한다. MS는, 얼마나 많은 타이밍 어드밴스를 사용할지에 대한 값을 제공받았기 때문에, 이것을 정확하게 수행할 수 있다. 실제 거리, 따라서 실제 전파 지연은 의사 거리와는 다를 수도 있을 것이지만, 그러나, 그것은, 내부 클록 차이, 송신기 변동 등을 핸들링하기 위한 약간의 여지를 MS-BTS 통신이 가지기 때문에, 그것은 종종 문제가 되지 않는다는 것을 유의한다.
그 타이밍 메커니즘은, 임의의 MS의 35㎞ 이내에 하나 이상의 BTS가 항상 있는 경우 잘 작동하지만, 그러나 이것은 항상 그런 것은 아닐 수도 있을 것이다. 몇몇 지리적 지역에서, 그 지역 내의 임의의 지점으로부터 35㎞ 이하에서 BTS를 갖는 것은 실용적이지 않을 수도 있을 것이거나, 실현 가능하지 않을 수도 있을 것이거나, 또는 경제적이지 않을 수 있을 것이다. 예를 들면, 시골의, 멀리 떨어진, 또는 섬의 지리적 지역에서는, 지형이 액세스 가능하지 않을 수도 있을 것이고 MS를 갖는 사용자가 드물고 널리 퍼져 있을 수도 있기 때문에, 그러한 간격을 갖는 BTS 인프라는, BTS를 사용되지 않은 상태로 또는 설치될 수 없는 또는 전력을 획득할 수 없는 상태로 남겨 둘 수도 있을 것이다. 그러한 상황에서, "확장 범위(extended range)" 메커니즘이 사용될 수도 있을 것이다. GSM 프로토콜은 그러한 메커니즘을 허용한다.
확장 범위 메커니즘에서, 각각의 MS는, 하나 대신, 두 개의 연속하는 타임슬롯을 할당받고, 따라서, 송신이 하나의 타임슬롯의 지속 기간만큼 BTS에서 지연될 수 있기 때문에, MS는, 어떠한 타이밍 어드밴스도 필요로 하지 않으면서, BTS와 통신할 수 있다. 이것이 허용되는 MS-BTS 거리를 증가시키지만(예를 들면, 35㎞로부터 120㎞), 여덟 개 대신 각각의 TDMA 프레임에서 이용 가능한 단지 네 개의 할당 가능한 타임슬롯만이 존재할 것이기 때문에, 그것은 스루풋을 절반만큼 감소시킨다. 이것은, 데이터 레이트가 낮은 경우, 시골의, 멀리 떨어진, 또는 섬 영역에서는 문제가 되지 않을 수도 있을 것이다. 타이밍 어드밴스 메커니즘 및 확장 범위 메커니즘의 조합을 사용하는 것에 의해, 최대 허용되는 MS-BTS는 35㎞ + 85㎞ = 120㎞일 수 있을 것이다.
확장 범위 메커니즘에서, 각각의 MS는, 추가적인 가드 기간으로서 전체 타임슬롯을 할당받는데, 이것은 스루풋을 절반만큼 감소시킨다. 이것의 변형예는, 예를 들면, 미국 특허 제5,642,355호에 나타낸 것과 유사한 "정렬된 확장 범위 메커니즘(sorted extended range mechanism)"이다. 정렬된 확장 범위 메커니즘에서, 타임슬롯은 가드 비트로서 사용되도록 "소비"(consume)"되지만, 그러나 타임슬롯은 거리별로 MS에 할당되는데, 가장 가까운 MS는 제1 타임슬롯을 획득하고 가장 먼 MS는 MS에 할당되는 마지막 타임슬롯, 즉, 어떠한 MS에도 할당되지 않은 임의의 "소비된" 타임슬롯 이전의 마지막 타임슬롯을 획득한다. 소비된 타임슬롯은, MS의 확장 범위가 송신을 확산시킬 것이기 때문에, 필요로 되는 가드 비트에 대해 사용된다. 사실상, 이것은 버스트 사이에서 사용되지 않은 타임슬롯을 "분할"한다.
85㎞보다 큰 갭이 있는 경우, 또는 다른 이유 때문에, "링 확장 범위(ring extended range)" 메커니즘이 사용될 수도 있을 것이다. 링 확장 범위 메커니즘에서, 고정된 최소 거리가 가정되고, BTS에서의 타이밍은 그 고정 최소 거리에 의해 조정되며, 모든 MS가 적어도 그 거리만큼 떨어지는 것을 BTS가 가정하기 때문에, 최소 통신 거리보다 더 가까운 MS는 지원되지 않는다. 이것은 미국 특허 제6,101,177호에 나타낸 접근법과 유사하다. 타이밍 어드밴스 메커니즘을 사용하여 획득되는 35㎞ 범위는, 어떠한 MS 수정도 필요로 하지 않으면서, 최소 거리로부터 35㎞를 더한 최소 거리까지의 범위에 이르는 MS-BTS 거리를 지원하기 위해 사용될 수 있다. 하나의 예에서, 최소 거리는 85㎞이지만, 그러나 상이한 최소 통신 거리가 사용될 수도 있을 것이다. 그러면, 그 예에서, BTS는 BTS로부터 85㎞와 120㎞ 사이에 있는 MS를 지원할 수 있을 것이다.
링 확장 범위 메커니즘은, 8 개 중 8 개의 타임슬롯이 할당된 상태로 사용될 수 있으며 BTS로부터 85㎞에서부터 120㎞까지의 범위에 이르는 거리를 가진 MS를 핸들링할 수 있다. 그러나, 그 영역으로부터 전송되는 임의의 신호 버스트는 BTS가 자신의 타임슬롯을 보는 방식에 비해 너무 일찍 BTS에 도달할 것이기 때문에, 이것은 BTS로부터 반경이 약간 떨어진 물리적 커버리지 갭을 생성한다. 대신, BTS는 링 영역에 커버리지를 제공한다. 링 확장 범위 메커니즘은, 서비스를 제공하도록 설계되는 MS와 BTS 사이의, 호수 또는 계곡과 같은 물리적 갭을 갖는 지리적 영역에서 사용될 수도 있을 것이고, 따라서, 링 내부에 어떠한 MS도 지원되지 않는 지역을 갖는 것은 문제가 되지 않을 것이다.
GSM 시스템은 업링크 서브채널과 다운링크 서브채널 사이에서 TDMA 프레임 오프셋을 활용한다는 것을 유의해야 한다. 통상적인 GSM 프레임 구조에서, 업링크 TDMA 프레임(또는 MS Tx 및 BTS Rx)은, MS가 동시에 송신 및 수신할 필요가 없는 것을 보장하는 목적을 위해 다운링크 TDMA 프레임(또는 BTS Tx 및 MS Rx)으로부터 세 개의 타임슬롯만큼 오프셋된다. 업링크 서브채널과 다운링크 서브채널 사이의 이 오프셋은 확장된 거리에 걸친 통신에 독립적이며 링 확장 범위 메커니즘에서 업링크 TDMA 프레임 상에서만 사용되는 타임슬롯 동기화 오프셋과 동일하지 않다는 것이 TDMA 통신의 기술 분야의 숙련된 자에게 명백할 것이다.
링 확장 범위 메커니즘이 확장 범위 메커니즘과 결합되면, 이것은, 120㎞의 반경에 걸칠 수도 있는 BTS 커버리지를 갖기 위해, 단독으로 또는 조합하여, 사용될 수 있다. 이들 기술은, 지상 통신에 대해 종종 충분하며, 그러한 만큼, 통신은 통상적으로 지구 곡률에 의해 제한된다. 예를 들면, D의 거리 떨어진 지상 기반의 MS와 BTS 송수신기 사이에 가시거리 내 통신(line of sight communication)을 제공하기 위해, BTS 송수신기는 적어도 h = [SQRT(6370^2 + D^2) - 6370]㎞의 높이에 장착되어야 한다. D = 120㎞인 경우, h = 1130 m이다. 1,130 미터가 오늘날 건축되는 어떠한 구조체보다 더 높기 때문에, 타워 높이는, 지상 원격 통신의 경우, 거리보다 훨씬 더 큰 제한 요인이고, 따라서, 이를 테면, 120㎞보다 더 멀리 거리를 확장시키기 위한 기술은, 어쩌면, 송수신기를 장착할 큰 지리적 구조체가 존재하는 선택된 위치에서의 셀룰러 음성, 데이터, 텍스트, 및 유사한 성능을 제외하면, 셀룰러 음성, 데이터, 텍스트, 및 유사한 성능을 위한 지상 통신에 대해서는 유용하지 않다.
넓은 커버리지가 존재하도록 기지국 타워를 분포시키는 것이 실용적이지 않은 지역의 경우, 예컨대, 어떤 위치 근처의, 예컨대 어떤 위치로부터 35㎞ 또는 85㎞ 이내의 또는 높은 타워(elevated tower)가 장착될 수 있는 경우 120㎞ 이내의 임의의 곳에 기지국을 배치하는 것이 실행 불가능한 경우, 위성 통신이 사용될 수도 있을 것이다. 통상적으로, 위성 통신은 매우 고가이며 따라서 리소스 탐사, 탐험이, 탐색, 수색 및 구조 등과 같은 비용을 지원하는 애플리케이션에서만 사용된다.
본 명세서에서, "위성"은, 궤도에서 동작하는 것을 목표로 지구에서 발사되는 및/또는 지상에서 완전히 또는 부분적으로 조립되든지 및/또는 궤도에서 완전히 또는 부분적으로 조립되든지 간에, 궤도에서 동작하는 인공 위성을 가리킨다. 위성은 하나의 궤도에서 조립될 수도 있을 것이고/것이거나 동작할 수도 있을 것이고 다른 궤도로 이동할 수도 있을 것이다. 위성은 자기 자신의 추진 수단 없이 추진될 수도 있을 것이거나 또는 동작할 수도 있을 것이며 추진력을 제공하기 위해 궤도에 있는 다른 물체에 의존할 수도 있을 것이거나 또는 의존하지 않을 수도 있을 것이다. 본 명세서에서 사용될 때, 궤도에서 동작하고 있고 추진 상태에 있지 않은 경우의 위성은 다소 안정적인 궤도 내에 있다. 그러한 궤도는 대기 항력에 기인하는 지구의 표면 위로의 최소 거리를 갖는다. 궤도 운동을 허용하기 위한 충분한 진공과 위성의 궤도 이탈을 야기할 과도한 대기 사이에는 엄격한 분할 라인이 존재하지 않으며, 지구 상공 대략 400 내지 500㎞의 저 지구 궤도(Low Earth Orbit: LEO)가 실용적인 것으로 나타났지만, 그러나 나노위성(nanosatellite)과 같은 특별히 조밀한 우주선의 경우 그들 고도보다 더욱 더 낮을 수 있을 것이다.
실용적인 궤도의 최소 거리가 너무 크다는 것은, 전통적으로는, 완전히 상이한 기술이 위성 통신에서 활용되었다는 것을 의미하였다. 몇몇 경우에, 지상국(ground station)은 이동성이 없었고, 다른 경우에, 그들은 이동식이었지만 그러나 전력 집약적이며, 무겁고, 대형이며 특수한 장비를 필요로 하였다. 거리 외에도, 궤도에서 위성의 움직임이 해결되어야 했다.
통신을 위해 그 TDMA 프로토콜을 사용하는 지구 상의 지상 기반의 휴대용 핸드셋과 위성 사이의 통신을 위한 많은 솔루션이 존재한다. 몇몇 위성 공급자는, 이리듐(Iridium)™, 글로벌스타(Globalstar)™, 투라야(Thuraya)™ 및 인말세트(Inmarsat)™ 위성 시스템을 포함하는데, 이들은 고유하게 개발된 위성 전화 또는 사용자 단말(즉, 물리적 또는 RF 연결에 의해 현존하는 이동 전화에 접속 또는 연결되는 고유의 하드웨어 디바이스)에 기초한다. 특정한 사용자 단말에서, 시스템, 위성 및 단말의 설계는, 각각이 다른 것과 함께 작동하도록 특별히 설계될 수 있기 때문에, 단순화될 수 있다. 단점은 그것이, 모든 엔드 사용자 또는 엔드 사용자의 소규모 그룹에 대해 필요할 특정한 단말 기기를 필요로 한다는 것인데, 이것은 비용이 많이 들 수 있고 다루기 힘들 수 있다. 오퍼레이터가 통신 방법, 전력 레벨, 주파수 등에 대한 세부 정보를 자유롭게 설정하기 때문에, 커스텀 단말 접근법이 시스템 설계를 단순화하지만, 이것은 사용자를 특정한 공급자에게 구속시킨다. 결과적으로, 엔드 사용자는 수백 내지 수천 달러의 비용이 들고, 대형이며, 성가신 안테나를 구비하고, 상당한 전력을 사용하며, 동작을 위한 터무니 없는 월별 서비스 구독을 갖는 위성 전화(또는 현존하는 이동 전화에 연결되는 사용자 단말)를 구매하는 것을 필요로 할 수도 있을 것이고, 하나보다 더 많은 위성 공급자에 대해 이것을 행해야 할 수도 있다. 이것은 고전적인 위성 전화 시장의 매력을 제한하였다.
예로서, 미국 특허 제8,538,327호는, 위성의 위치를 나타내는 데이터 및 사용자 기기의 위치를 나타내는 데이터에 기초하여 지연 측정을 계산하는 사용자 기기에 대한 수정을 설명한다. 사용자 기기로부터의 업링크 통신의 타이밍은, 송신 시 위성까지의 그 지연에 대해 조정된다. 사용자 기기는 또한 위성의 위치 및 속도를 나타내는 데이터에 기초하여 주파수 오프셋을 계산하고, 통신 시스템에서의 동적 도플러 시프트를 고려하기 위해 자신의 업링크 신호 주파수를 상응하게 조정한다. 이것은, 물론, 위성 통신을 위해 설계되는 지상의 특정한 사용자 기기를 필요로 한다.
다른 예로서, 미국 특허 공개 제2006/0246913호는, 왕복 전파 지연 차이에서의 감소된 차이에 의해 특성 묘사되는 서브 커버리지 링(sub-coverage ring)을 사용하여 RF 신호의 전파 지연을 관리하기 위한 방법을 설명한다. 이것은 원격 이동국을 그 네트워크 내의 기지국과 연결하는 중계기로서 역할을 하기 위해 정지 궤도(geosynchronous Earth orbit: GEO) 위성을 사용한다. GEO 위성이 도입하는 훨씬 더 큰 지연을 다루기 위해, 별개의 프로세싱 디바이스는, 별개의 서브 커버리지 링, 또는 구역의 허용 가능한 전파 지연의 범위에 대해 그 자신을 구성하는 것에 의해, 그 별개의 서브 커버리지 링, 또는 구역을 서비스한다. 전력, 신호 지향성, 및 주파수 조작을 위한 추가적인 사용자 단말 하드웨어의 도움 없이는, 이동국과 GEO 위성 사이의 링크는 접속될(closed) 수 없다.
필요로 되는 것은, 휴대용 또는 모바일 디바이스와의 위성 기반의 통신을 위한 개선된 시스템이다.
환경에서 이동국과의 통신을 위한 다중-액세스 송수신기는, 지구 궤도에서 발견될 수도 있는 바와 같은 이동국에 대한 수정을 반드시 필요로 하지 않고도 이동국 설계 가정(mobile station design assumption)을 초과하는 조건을 핸들링한다. 다중-액세스 송수신기는, 더 큰 거리, 더 큰 상대적 운동 및/또는 지상 송수신기의 기능성(functionality)이 궤도 송수신기에 의해 수행될 곳에서 일반적으로 발견되는 다른 조건과 같은 이동국 설계 가정을 초과하는 동안 이동국과의 통신을 접속하도록 적응된다. 궤도 송수신기는, 프레임 데이터 구조를 파싱하는 데이터 파서(data parser), 지상 전파 지연에 대한 궤도에 기초한 타이밍을 조정하는 신호 타이밍 모듈, 주파수 시프터 및 통신이, 지상 셀룰러 기지국(terrestrial cellular base station)과 지상 이동국 사이의 통신과 호환되도록, 또는 지상 이동국(terrestrial mobile station)에게 지상 셀룰러 기지국과 지상 이동국 사이의 통신인 것으로 여겨지도록 다중-액세스 프로토콜을 사용하는 지구 궤도로부터 통신할 수 있는 프로그램 가능한 무선부(programmable radio)를 포함할 수도 있을 것이다.
다중-액세스 송수신기는, 셀룰러 전화 핸드셋, 스마트폰 및/또는 연결된 디바이스인 지상 이동국을 지원할 수도 있을 것이다. 신호 타이밍 모듈은, 궤도 대 지상 도플러 시프트에 기초하여 송신되는 신호의 주파수를 조정하도록 적응될 수도 있을 것이다. 신호 할당 로직은 다중-액세스 송수신기의 용량을, 복수의 타임슬롯, 복수의 캐리어 주파수, 복수의 직교 서브캐리어 및/또는 복수의 코드 시퀀스에 걸쳐 분산되는, 지상 이동국을 비롯한 복수의 지상 이동국에 할당할 수도 있을 것이다. 다중-액세스 송수신기는, 각각의 지상 이동국에 대한, 다중-액세스 송수신기로부터 지상 이동국까지의 거리를 결정하는 범위 계산기; 및 프레임 구조에 대한 송신된 신호의 타이밍을 결정하는 신호 타이밍 모듈을 포함할 수도 있을 것인데, 프레임 구조는, 다중-액세스 송수신기로부터 지상 이동국까지의 거리에 기인하는 가변 송신 지연을 제공하는 제로 또는 넌제로(nonzero) 타임슬롯 동기화 오프셋을 각각 갖는 복수의 슬롯, 및 지상 이동국으로부터의 통신을 청취하기 위한 청취 타임슬롯을 프레임 구조에서 할당하는 입력 신호 할당기를 포함하고, 청취 타임슬롯은 다중-액세스 송수신기로부터 지상 이동국까지의 거리에 기초하여 타이밍이 조절되고, 청취 타임슬롯은, 다중-액세스 송수신기로부터 복수의 거리를 갖는 복수의 지상 이동국으로부터의 통신을 핸들링하는 다중-액세스 송수신기를 고려하기 위해 프레임 구조에서 가변적으로 지연되는 복수의 타임슬롯 중 하나이다.
다중-액세스 송수신기는, 복수의 채널 블록의 각각에 복수의 상이한 거리 범위의 각각을 할당함으로써 다중-액세스 송수신기로부터 복수의 거리를 갖는 복수의 지상 이동국으로부터의 통신을 핸들링하는 다중-액세스 송수신기를 고려하기 위해 프레임 구조에서 가변적으로 지연되는 복수의 타임슬롯을 구비할 수도 있을 것이다. 상이한 거리 범위는, 천정 거리(zenith distance)로부터 최소 고도 거리(minimum elevation distance)를 통한 본 명세서(slant range)를 총괄하여 커버할 수도 있을 것인데, 천정 거리는, 지상 이동국에 대한 다중-액세스 송수신기를 운반하는 위성의 천정 위치 사이의 거리이고, 최소 고도 거리는, 지상 이동국이 위성의 설계 풋프린트(design footprint)에 진입할 때의 위성의 위치 사이의 거리이다. 상이한 거리 범위는 각각 대략 34 내지 35 킬로미터에 걸쳐 있을 수도 있을 것인데, 천정 거리와 낮은 고도 거리 사이의 차이는, 210 내지 250 킬로미터를 갖는다. 위성의 설계 풋프린트는, 원형, 타원형, 직사각형일 수도 있을 것이고/것이거나 안테나 및/또는 안테나 빔 형상에 독립적일 수도 있을 것이거나, 또는 안테나 및/또는 안테나 빔 형상의 함수일 수도 있을 것이지만, 그러나 많은 예에서, 그것은 원으로서 근사된다.
다중-액세스 송수신기는 지구 궤도에서의 동작을 위해 적응될 수도 있을 것이고 지상 이동국과의 통신을 위해 구성될 수도 있을 것인데, 지상 이동국은, 프레임 구조에 따라서 다중-액세스 송수신기에 의해 수신된 데이터를 파싱하는 데이터 파서로서, 프레임 구조는, 어떤 타임슬롯이 어떤 지상 이동국에 할당되는지를 규정하는, 상기 데이터 파서; 각각의 지상 이동국에 대한, 다중-액세스 송수신기로부터 지상 이동국까지의 거리를 결정하는 범위 계산기; 복수의 지상 이동국을 복수의 채널 블록에 할당하는 채널 할당 모듈로서, 채널 블록은 지상 주파수 및 궤도 주파수 오프셋을 갖는, 상기 채널 할당 모듈; 프레임 구조에 대한 송신된 신호의 타이밍을 결정하는 신호 타이밍 모듈; 및 궤도 주파수 오프셋을 사용하여 지상 주파수에서 지상 이동국으로 신호를 변조하는 신호 변조기로서, 궤도 주파수 오프셋은, 지상 이동국이 지상 주파수에서 신호를 수신하도록 다중-액세스 송수신기와 지상 이동국의 상대적 이동에 기인하여 지상 이동국으로 송신되는 신호에서의 예상되는 도플러 시프트와 적어도 대략적으로 대응하는, 상기 신호 변조기를 포함한다. 복수의 채널 블록은, 다중-액세스 송수신기 및 지상 이동국을 운반하는 위성의 상대적 위치에 기초하여 할당될 수도 있을 것인데, 여기서, 궤도 주파수 오프셋은, 5 킬로헤르츠 증분과 같은 작은 증분 단위로 변한다.
특정한 실시형태에서, 하나 이상의 송수신기를 갖는 다중-액세스 기지국은 복수의 지상 이동국과의 통신을 핸들링하는데, 지상 이동국은, 지상 이동국으로부터 제한된 거리 이내에 있는 그리고/또는 지상 이동국에 대해 제한된 속도 미만으로 이동하고 있는 지상 셀룰러 기지국과의 기지국 통신을 예상하도록 구성된다. 다중-액세스 기지국은, 프레임 구조에 따라서 다중-액세스 기지국에 의해 수신된 데이터를 파싱하는 데이터 파서로서, 프레임 구조는, 어떤 타임슬롯이 상기 복수의 지상 이동국 중 어떤 것에 할당되는지를 규정하고, 프레임 구조는, 상기 다중-액세스 기지국으로부터 복수의 지상 이동국까지의 거리에 기인하는 가변 송신 지연을 제공하는 제로 또는 넌제로 타임슬롯 동기화 오프셋을 각각 갖는 복수의 슬롯을 포함하는, 상기 데이터 파서; 다중-액세스 기지국과 지상 이동국 사이의 상기 제한된 거리를 초과하는 기지국-대-이동국 거리(base-to-mobile distance)에 기초하여 지상 이동국으로 송신되는 신호에 대한 프레임 구조에 대한 신호 타이밍 조정을 결정하는 신호 타이밍 모듈; 및 기지국-대-이동국 거리가 제한된 거리를 초과함에도 불구하고, 다중-액세스 프로토콜을 사용하여 그리고 신호 타이밍 조정을 고려하여 다중-액세스 기지국으로부터 지상 이동국으로의 통신을 전달할 수 있어서, 해당 통신이, 지상 이동국에게 지상 셀룰러 기지국과 지상 이동국 사이의 통신인 것으로 여겨지게 하거나 또는 지상 셀룰러 기지국과 지상 이동국 사이의 통신과 호환되게 하는 프로그램 가능한 무선부를 포함한다.
다중-액세스 기지국은 복수의 지상 이동국과 통신하도록 적응될 수도 있을 것인데, 복수의 지상 이동국은 셀룰러 전화 핸드셋, 스마트폰, 및/또는 연결된 디바이스를 포함한다. 제한된 거리는 대략 100 킬로미터, 120 킬로미터 또는 어떤 다른 거리일 수도 있을 것인데, 기지국-대-이동국 거리는 그 제한된 거리를 초과한다. 다중-액세스 프로토콜은, CDMA-기반 프로토콜, LTE 프로토콜, GSM 프로토콜, OFDMA-기반 프로토콜, FDMA-기반 프로토콜, TDMA-기반 프로토콜, EGPRS 프로토콜 또는 EDGE 프로토콜 중 하나일 수도 있을 것이다. 다중-액세스 기지국은 지구 궤도에서 동작될 궤도 기지국일 수도 있을 것인데, 여기서 제한된 거리는 120 킬로미터이고 복수의 지상 이동국 중의 지상 이동국의 기지국-대-이동국 거리는 약 500 킬로미터에서부터 약 750 킬로미터까지이다. 다른 변형예에서, 다중-액세스 기지국은, 비행기, 드론 및/또는 벌룬(balloon) 중 하나 이상 상에 또는 내에 장착되는 것을 포함하여, 지구 대기 내에서 동작 가능한 기지국인데, 여기서 제한된 거리는 120 킬로미터이고 기지국-대-이동국 거리는 120 킬로미터를 초과한다.
다중-액세스 기지국은, 복수의 타임슬롯, 복수의 캐리어 주파수, 복수의 직교 서브캐리어 및/또는 복수의 코드 시퀀스에 걸쳐 분산되는, 지상 이동국을 비롯한 복수의 지상 이동국에 다중-액세스 기지국의 용량을 할당하기 위한 신호 할당 로직을 포함할 수도 있다. 프로그램 가능한 무선부는, 다중-액세스 프로토콜을 사용하여 지상 이동국으로부터의 통신을 청취할 수 있을 수도 있을 것이고, 복수의 지상 이동국의 각각의 지상 이동국에 대해서, 다중-액세스 기지국으로부터 지상 이동국까지의 각각의 지상 이동국의 기지국-대-이동국 거리를 결정하는 범위 계산기; 지상 이동국의 기지국-대-이동국 거리에 기초하여 프레임 구조에 대한 지상 이동국의 수신된 신호의 타이밍을 결정하는 수신 타이밍 모듈; 및 지상 이동국으로부터의 통신을 청취하기 위한 청취 타임슬롯을 프레임 구조에서 할당하는 입력 신호 할당기로서, 청취 타임슬롯은 지상 이동국의 기지국-대-이동국 거리에 기초하여 타이밍이 조절되고, 청취 타임슬롯은, 복수의 기지국-대-이동국 거리를 갖는 복수의 지상 이동국으로부터의 통신을 핸들링하는 다중-액세스 기지국을 고려하기 위해 프레임 구조에서 가변적으로 지연되는 복수의 타임슬롯 중 하나인, 상기 입력 신호 할당기를 포함한다.
복수의 타임슬롯은, 복수의 채널 블록의 각각에 복수의 상이한 기지국-대-이동국 거리 범위의 각각을 할당함으로써 복수의 기지국-대-이동국 거리를 갖는 복수의 지상 이동국을 고려하기 위해 프레임 구조에서 가변적으로 지연될 수도 있을 것이다. 다중-액세스 기지국은 지구 궤도에서 동작될 궤도 기지국일 수 있는데, 여기서 복수의 상이한 기지국-대-이동국 거리 범위는 천정 거리로부터 최소 고도 거리까지의 경사 범위(slant range)를 총괄하여 커버하고, 천정 거리는 지상 이동국에 대한 다중-액세스 기지국을 운반하는 위성의 천정 위치 사이의 거리이며, 최소 고도 거리는 지상 이동국이 위성의 설계 풋프린트에 진입할 때의 위성의 위치 사이의 거리이다.
상이한 기지국-대-이동국 거리 범위 각각은, 천정 거리와 최소 고도 거리 사이의 차이가 210 내지 250 킬로미터인 상태에서, 대략적으로 34 내지 35 킬로미터에 걸쳐 있을 수도 있을 것이다.
위성의 설계 풋프린트는, 원형, 타원형, 직사각형 등일 수도 있을 것이고, 안테나 및/또는 안테나 빔 형상에 독립적일 수도 있을 것이거나, 또는 안테나 및/또는 안테나 빔 형상의 함수일 수도 있을 것이다.
몇몇 변형예에서, 하나 이상의 송수신기를 갖는 다중-액세스 기지국은, 지상 이동국으로부터 제한된 거리 이내에 있는 그리고/또는 지상 이동국에 대해 제한된 속도 미만으로 이동하고 있는 지상 셀룰러 기지국과의 기지국 통신을 예상하도록 구성되는 복수의 지상 이동국과의 통신을 핸들링한다. 다중-액세스 기지국은, 프레임 구조에 따라서, 그리고 지상 이동국이 명시된 주파수에서 신호를 수신할 것을 그리고 명시된 주파수에서 신호를 송신할 것을 예상하는 다중-액세스 프로토콜에 따라서, 다중-액세스 기지국에 의해 수신된 데이터를 파싱하는 데이터 파서로서, 프레임 구조는 어떤 타임슬롯이 복수의 지상 이동국 중 어느 지상 이동국에 할당되는지를 규정하는, 상기 데이터 파서; 복수의 지상 이동국의 각각의 지상 이동국에 대해서, 다중-액세스 기지국에 대한 각각의 지상 이동국의 속도에 기인하는 각각의 지상 이동국의 도플러 시프트를 결정하는 도플러 시프트 계산기; 복수의 지상 이동국의 각각을 복수의 채널 블록 내의 채널 블록에 할당하는 채널 할당 모듈로서, 각각의 채널 블록은 지상 주파수 및 도플러 주파수 오프셋을 갖는, 상기 채널 할당 모듈; 도플러 주파수 오프셋을 사용하여 지상 주파수에서 지상 이동국으로 신호를 변조하는 신호 변조기로서, 도플러 주파수 오프셋은, 지상 이동국이 지상 주파수에서 신호를 수신하도록 다중-액세스 기지국과 지상 이동국의 상대적 이동에 기인하여 지상 이동국으로 송신되는 신호에서의 예상되는 도플러 시프트와 적어도 대략적으로 대응하는, 상기 신호 변조기; 및 다중-액세스 기지국에 대한 지상 이동국의 속도가 제한된 속도를 초과함에도 불구하고, 다중-액세스 프로토콜을 사용하여 그리고 지상 이동국의 도플러 주파수 오프셋을 고려하여 지상 이동국으로부터의 통신을 수신할 수 있어서, 해당 통신이 지상 이동국에게 지상 셀룰러 기지국과 지상 이동국 사이의 통신인 것으로 여겨지게 하거나 또는 지상 셀룰러 기지국과 지상 이동국 사이의 통신과 호환되게 하는 프로그램 가능한 무선부를 포함한다.
다중-액세스 기지국에 대한 지상 이동국의 속도는, 다중-액세스 기지국이 지구 궤도에 있는 것의 결과일 수도 있을 것이고, 도플러 주파수 오프셋은 5 킬로헤르츠 증분 단위로 변할 수도 있을 것이다.
다중-액세스 기지국은 복수의 타임슬롯, 복수의 캐리어 주파수, 복수의 직교 서브캐리어 및/또는 복수의 코드 시퀀스에 걸쳐 분산되는, 지상 이동국을 비롯한 복수의 지상 이동국에 다중-액세스 기지국의 용량을 할당하기 위한 신호 할당 로직을 포함할 수도 있을 것이다.
다중-액세스 기지국은, 복수의 채널 블록의 각각에 대해서, 업링크 서브채널 및 다운링크 서브채널에, 업링크 서브채널에 대한 연속 스펙트럼 및 다운링크 서브채널에 대한 연속 스펙트럼을 제공할 수도 있을 것이다. 채널 블록은, 인접한 채널 블록이 인접한 도플러 주파수 오프셋에 할당되도록 할당될 수도 있을 것이다.
복수의 지상 이동국과의 통신을 핸들링하는 하나 이상의 송수신기를 구비하는 다중-액세스 기지국의 특정한 실시형태에서, 지상 이동국은, 지상 이동국으로부터 제한된 거리 이내에 있는 그리고/또는 지상 이동국에 대해 제한된 속도 미만으로 이동하고 있는 지상 셀룰러 기지국과의 기지국 통신을 예상하도록 구성되는데, 다중-액세스 기지국은, 프레임 구조에 따라서, 그리고 또한, 지상 이동국이 명시된 주파수에서 신호를 수신할 것을 그리고 지상 주파수에서 신호를 송신할 것을 예상하며 도플러 주파수 오프셋과 함께 수신되는 다중-액세스 프로토콜에 따라서 다중-액세스 기지국에 의해 수신된 데이터를 파싱하는 데이터 파서로서, 프레임 구조는 어떤 타임슬롯이 복수의 지상 이동국 중 어느 지상 이동국에 할당되는지를 규정하고, 프레임 구조는 다중-액세스 기지국으로부터 복수의 지상 이동국까지의 거리에 기인하는 가변 송신 지연을 제공하는 제로 또는 넌제로 타임슬롯 동기화 오프셋을 각각 갖는 복수의 슬롯을 포함하며, 다중-액세스 프로토콜은 복수의 채널 블록 내의 채널 블록을 명시하되, 각각의 채널 블록은 지정된 지상 주파수 및 지정된 타임슬롯을 갖는, 상기 데이터 파서; 다중-액세스 기지국과 지상 이동국 사이의 상기 제한된 거리를 초과하는 기지국-대-이동국 거리에 기초하여 지상 이동국으로 송신되는 신호에 대한 프레임 구조에 대한 신호 타이밍 조정을 결정하는 신호 타이밍 모듈로서, 각각의 채널 블록은 지정된 신호 타이밍 조정을 할당받는, 상기 신호 타이밍 모듈; 복수의 지상 이동국의 각각의 지상 이동국에 대해서, 다중-액세스 기지국에 대한 각각의 지상 이동국의 속도에 기인하는 각각의 지상 이동국의 도플러 시프트를 결정하는 도플러 시프트 계산기로서, 각각의 채널 블록은 지정된 도플러 주파수 오프셋을 할당받는, 상기 도플러 시프트 계산기; 복수의 지상 이동국의 각각을 복수의 채널 블록 내의 지정된 채널 블록에, 그의 지정된 신호 타이밍 조정 및 그의 지정된 도플러 주파수 오프셋에 기초하여 할당하는 동적 채널 할당기로서, 지정된 채널 블록 내의 채널의 수는, 지정된 신호 타이밍 조정 및 지정된 도플러 주파수 오프셋을 갖는, 또는 가질 것으로 예상되는 복수의 지상 이동국의 수에 대응하는, 상기 동적 채널 할당기; 도플러 주파수 오프셋을 사용하여 지상 주파수에서 지상 이동국으로 신호를 변조하는 신호 변조기로서, 도플러 주파수 오프셋은, 지상 이동국이 지상 주파수에서 신호를 수신하도록 다중-액세스 기지국과 지상 이동국의 상대적 이동에 기인하여 지상 이동국으로 송신되는 신호에서의 예상되는 도플러 시프트와 적어도 대략적으로 대응하는, 상기 신호 변조기; 및 기지국-대-이동국 거리가 제한된 거리를 초과함에도 불구하고 그리고 다중-액세스 기지국에 대한 지상 이동국의 속도가 제한된 속도를 초과함에도 불구하고, 다중-액세스 프로토콜을 사용하여 그리고 지상 이동국의 도플러 주파수 오프셋을 고려하여 지상 이동국으로부터의 통신을 수신할 수 있어서, 해당 통신이 지상 이동국에게 지상 셀룰러 기지국과 지상 이동국 사이의 통신인 것으로 여겨지게 하거나 또는 지상 셀룰러 기지국과 지상 이동국 사이의 통신과 호환되게 하는 프로그램 가능한 무선부를 포함할 수도 있을 것이다.
첨부의 도면과 함께 다음의 상세한 설명은, 본 발명의 본질 및 이점의 더 나은 이해를 제공할 것이다.
본 개시내용에 따른 다양한 실시형태가 도면을 참조하여 설명될 것인데, 도면에서:
도 1은 본 발명이 사용될 수도 있는 환경을 예시한다.
도 2는 도 1의 환경에 대한 추가적인 예를 예시한다.
도 3은 기지국 송수신기와 이동국 사이에서 사용되는 프레임 기반 프로토콜의 예를 예시한다.
도 4는 시분할 프로토콜을 사용할 때의 전파 지연의 영향 및 타이밍 어드밴스 사용의 예를 도시한다.
도 5는 시분할 프로토콜의 확장 범위 피처의 사용의 예를 도시한다.
도 6은 시분할 프로토콜의 확장 범위 피처 및 시분할 프로토콜을 갖는 타이밍 어드밴스의 사용의 예를 도시한다.
도 7은 BTS로부터 상이한 거리에 있는 다양한 MS의 예를 도시하는데, 여기서 그들 거리는 적어도 대략적으로 결정된다.
도 8은 도 7의 상이한 거리에 있는 다양한 MS가 정렬된 확장 범위 통신을 제공하기 위해 그들의 결정된 거리에 기초하여 타임슬롯을 할당하는 방법을 예시한다.
도 9는 동기화 오프셋을 사용하는 링 방법에 대한 커버리지 영역을 예시한다.
도 10은 링 방법에 대해 타이밍이 조정되는 방법을 예시한다.
도 11은, 위성 풋프린트의 예 및 그 위성 풋프린트 이내의 결과적으로 나타나는 거리 범위를 예시한다.
도 12는, TDMA 통신을 위한 링 방법 및 정렬된 확장 범위 방법(sorted extended range method)을 구현하기 위해 상이한 이동국이 그들의 지상 위치에 기초하여 상이한 타임슬롯을 할당받을 수도 있는 방법의 예를 도시한다.
도 13은, 링 방법이 상이한 캐리어 주파수에 대해 변화하는 링 직경을 가지고 사용될 수 있도록, 상이한 이동국이 그들의 지상 위치 거리에 기초하여 상이한 캐리어 주파수를 할당받을 수도 있는 방법을 예시한다.
도 14는, 위성 풋프린트가 도플러 시프트 스트립(Doppler shift strip)으로 세분될(subdivided) 수도 있는 방법을 도시한다.
도 15는, MS로부터 의사 거리 및 도플러 시프트를 결정하기 위한 측정 프로세스의 순서도가다.
도 16은, 위성 풋프린트가 범위 링(range ring)으로, 도플러 시프트 스트립으로, 그리고 범위 링 및 도플러 시프트 스트립 둘 모두로 세분될 수도 있는 방법을 도시한다.
도 17은 위성 풋프린트의 범위 링/도플러 시프트 셀의 예를 예시한다.
도 18은, 도 17의 범위 링/도플러 시프트 셀을 특정한 캐리어 주파수 및 도플러 오프셋 블록으로 할당하는 예를 예시한다.
도 19는, BTS와 MS 사이의 통신에서 도플러 시프트를 고려하여 채널에 대한 다양한 도플러 오프셋 블록으로 주파수 스펙트럼이 할당될 수도 있는 방법을 예시한다.
도 20은, 셀에 의한 MS의 예상 밀도에 기초한 위성 풋프린트의 셀의 예시적인 할당을 예시한다.
도 21은, 도 20에서 예시되는 할당 및 매핑을 위해 사용될 수도 있는 예시적인 채널 할당을 예시한다.
도 22는, 셋업 및 거리 결정을 위한 프로세스를 예시하는 스윔 다이어그램(swim diagram)이다.
도 23은, 예시적인 송수신기 및 관련 컴포넌트를 예시한다.
도 1은 본 발명이 사용될 수도 있는 환경을 예시한다.
도 2는 도 1의 환경에 대한 추가적인 예를 예시한다.
도 3은 기지국 송수신기와 이동국 사이에서 사용되는 프레임 기반 프로토콜의 예를 예시한다.
도 4는 시분할 프로토콜을 사용할 때의 전파 지연의 영향 및 타이밍 어드밴스 사용의 예를 도시한다.
도 5는 시분할 프로토콜의 확장 범위 피처의 사용의 예를 도시한다.
도 6은 시분할 프로토콜의 확장 범위 피처 및 시분할 프로토콜을 갖는 타이밍 어드밴스의 사용의 예를 도시한다.
도 7은 BTS로부터 상이한 거리에 있는 다양한 MS의 예를 도시하는데, 여기서 그들 거리는 적어도 대략적으로 결정된다.
도 8은 도 7의 상이한 거리에 있는 다양한 MS가 정렬된 확장 범위 통신을 제공하기 위해 그들의 결정된 거리에 기초하여 타임슬롯을 할당하는 방법을 예시한다.
도 9는 동기화 오프셋을 사용하는 링 방법에 대한 커버리지 영역을 예시한다.
도 10은 링 방법에 대해 타이밍이 조정되는 방법을 예시한다.
도 11은, 위성 풋프린트의 예 및 그 위성 풋프린트 이내의 결과적으로 나타나는 거리 범위를 예시한다.
도 12는, TDMA 통신을 위한 링 방법 및 정렬된 확장 범위 방법(sorted extended range method)을 구현하기 위해 상이한 이동국이 그들의 지상 위치에 기초하여 상이한 타임슬롯을 할당받을 수도 있는 방법의 예를 도시한다.
도 13은, 링 방법이 상이한 캐리어 주파수에 대해 변화하는 링 직경을 가지고 사용될 수 있도록, 상이한 이동국이 그들의 지상 위치 거리에 기초하여 상이한 캐리어 주파수를 할당받을 수도 있는 방법을 예시한다.
도 14는, 위성 풋프린트가 도플러 시프트 스트립(Doppler shift strip)으로 세분될(subdivided) 수도 있는 방법을 도시한다.
도 15는, MS로부터 의사 거리 및 도플러 시프트를 결정하기 위한 측정 프로세스의 순서도가다.
도 16은, 위성 풋프린트가 범위 링(range ring)으로, 도플러 시프트 스트립으로, 그리고 범위 링 및 도플러 시프트 스트립 둘 모두로 세분될 수도 있는 방법을 도시한다.
도 17은 위성 풋프린트의 범위 링/도플러 시프트 셀의 예를 예시한다.
도 18은, 도 17의 범위 링/도플러 시프트 셀을 특정한 캐리어 주파수 및 도플러 오프셋 블록으로 할당하는 예를 예시한다.
도 19는, BTS와 MS 사이의 통신에서 도플러 시프트를 고려하여 채널에 대한 다양한 도플러 오프셋 블록으로 주파수 스펙트럼이 할당될 수도 있는 방법을 예시한다.
도 20은, 셀에 의한 MS의 예상 밀도에 기초한 위성 풋프린트의 셀의 예시적인 할당을 예시한다.
도 21은, 도 20에서 예시되는 할당 및 매핑을 위해 사용될 수도 있는 예시적인 채널 할당을 예시한다.
도 22는, 셋업 및 거리 결정을 위한 프로세스를 예시하는 스윔 다이어그램(swim diagram)이다.
도 23은, 예시적인 송수신기 및 관련 컴포넌트를 예시한다.
이하의 설명에서, 다양한 실시형태가 설명될 것이다. 설명의 목적 때문에, 실시형태의 완전한 이해를 제공하기 위해, 특정한 구성 및 세부 사항이 기술된다. 그러나, 실시형태는 특정한 세부 사항 없이 실시될 수도 있다는 것이 당업자에게는 또한 명백할 것이다. 더구나, 설명되고 있는 실시형태를 모호하게 하지 않기 위해, 널리 알려진 피처는 생략될 수도 있거나 또는 단순화될 수도 있다.
본 명세서에서 설명되고 제안되는 기술은, 궤도에서 동작할 수 있는 위성, 또는 위성의 일부인 그리고 지상 BTS와 함께 사용되도록 설계되는 이동국인 지상 기반의 디바이스, 예컨대 이동국(MS) 사이의 송신 및 수신을 위한 송수신기를 구현하는 위성 기반의 기지국 송수신기(BTS)에 대한 설계를 포함한다. 많은 경우에, MS는 어떠한 물리적 수정도 필요로 하지 않으면서 또는 심지어 어떠한 소프트웨어 수정도 필요로 하지 않으면서 사용될 수 있는데, 이 경우, MS는 송수신기 및 BTS와 통신할 수 있고, BTS가 지상 BTS가 아니라는 것을 인식할 수 없거나, 또는 더 일반적으로는, BTS가, 거리에 대한 설계 가정보다 더 큰 상대적 거리에 있는 것, 상대적 속도가 MS가 설계될 상대적 속도보다 훨씬 더 크다는 것, 및 다른 설계 가정과 같은, MS에 대한 설계 가정 밖에서 동작하고 있다는 것을 인식할 수 없다.
궤도 송수신기 및 지상파 MS에서, BTS는, 이를 테면 대략 35㎞의 BTS로부터 MS까지의 최대 거리를 가정하는 MS 설계의 설계 가정 밖에 있을 것이고, 통신할 때의 BTS-MS 거리의 시간 미분과 같은 상대적 운동은 무시될 수 있거나 또는 궤도 송수신기와 관련하여 경험될 수도 있는 7.2-7.8㎞/s보다 훨씬 더 작다는 것을 가정하는 MS 설계의 설계 가정 밖에 있을 것이다. 다른 설계 가정도 또한 작용할 수도 있을 것이다. 예를 들면, 궤도 송수신기는, 위성이 반대 수평선에서 최소 고도 아래로 질 때까지 위성이 MS에 대한 최소 고도 위로 상승하기 때문에, 통신할 제한된 시간 윈도우를 가질 것이다.
여기서의 대부분의 예 및 세부 사항은, 마치 그들 설계 가정이 여전히 유효한 것처럼 동작하는 MS와의 통신을 접속하도록 적응되는, 구성되는, 프로그래밍되는 등으로 되는 궤도 송수신기에 관련되지만, 이들 기술은 단지 궤도 예를 넘어서 사용될 수 있다. 예를 들면, 그들은 경사 각도가 120㎞보다 더 클 만큼 충분히 높게 위치되는 BTS에 대해 사용될 수도 있을 것이다. 예를 들면, BTS가 1,130 미터의 고도에 장착할 수 있다면, 그것은 120㎞ 이상의 MS까지의 시선(경사 범위)을 허용하기에 충분하다. 비행기, UAV, 높은 고도의 드론, 열기구(hot air balloon), 높은 고도의 벌룬, 궤도에 오르지 않은 차량(suborbital vehicle), 우주 비행기, 산, 또는 심지어 매우 높은 타워와 같은 플랫폼은, 이들 기술 중 일부 또는 전부가 유용성을 발견할 조건일 수도 있을 것이다. 설명되는 기술은, 심지어, 지상 기반의 BTS 상에서, 그러나 긴 통신 거리(예컨대 120㎞를 초과함) 및/또는 높은 도플러 시프트 환경(예컨대 대략 200 KPH보다 더 큼)을 생성하는 플랫폼 상에서 동작하는 MS에 서비스를 제공하도록 가리키는 안테나를 가지고 전개될 수 있다는 것을 또한 주목할 가치가 있다. 이것은, MS가 지상에서, 대기 내에서, 또는 우주 환경에서 동작하고 있고 BTS가 지상에 있고 및 이동식이거나(예를 들면, 어떤 차량 상에 있음) 또는 어쩌면 고정식인 조건을 포함할 수도 있을 것이다.
이들 기술은 또한, MS가 궤도 내에 있고 마치 설계 가정이 참인 것처럼 동작하는 것을 필요로 하고 BTS가 지상에 있고 설계 가정이 참이라는 것이 없어도 동작할 수 있고 그들 MS를 수용하도록 조정되는 경우에 유용성을 발견할 수도 있을 것이다. 예를 들면, MS는 움직이는 비행기, 또는 어쩌면 미래의 우주 정거장에서 사용될 수도 있을 것이다. 충분히 큰 안테나를 갖는 지상의 기지국 타워는, 장거리 및 높은 도플러 시프트와 같은 유사한 설계 가정 위반을 해결하면서, MS와의 통신을 접속하는 동작을 수행할 수 있을 것이다.
BSC 및 MSC(홈 위치 등록기(home location register), 또는 HLR 및 가입자 핸들링을 포함함) 기능성도 또한, 위성에서 제공될 수도 있을 것이거나, 또는 특히 궤도에서 필요로 되지 않는 기능성 중 일부는 지상에서 구현된다. BTS, BSC, 및/또는 MSC 기능성은, 그것이 필요한 기능을 수행하도록 프로그래밍, 구성 또는 적응될 수 있는 한, 종래의 기성(off-the-shelf) 소프트웨어 정의 무선부(radio), 또는 상업적 등급의(또는 독점적(proprietary)) 하드웨어/소프트웨어를 사용하여 구현될 수도 있을 것이다.
BTS는, 거리에 기인하는 전력 감소 및 거리에 기인하는 비행 시간(time of flight) 지연을 야기하는, BTS와 MS 사이의 확장된 거리에도 불구하고, 그리고 또한, MS가 BTS에 대해 만들 수도 있는 통상적인 지상 기반의 상대적 이동을 초과하는 BTS와 MS 사이의 더 큰 상대적 이동의 영향에도 불구하고, 자신의 기능성을 제공할 수 있다. 후자는 도플러 시프트를 야기하며 셀폰과 같은 종래의 MS는, 어쩌면 LEO에서 경험되는 7.6㎞/s의 속도에서 MS에 대해 이동하고 있는 위성에 의해 야기되는 것만큼 큰 도플러 시프트를 핸들링하도록 설계되지 않을 수도 있을 것이다. 그들 도플러 시프트는, 그것이 위성의 풋프린트 내에서 MS의 위치에 따라 변하기 때문에, 가변적일 것이다. 위성 뒤의 위치는 음의 도플러 시프트를 보게 될 것이고, 한편 위성 앞의 위치는 양의 도플러 시프트를 보게 될 것이다.
전력 레벨이 다루어져야 한다. 예로서, GSM 명세는, 이동 전화가 필요로 할 때 (주파수에 따라) 이동 전화가 송신 전력을 1 또는 2 W로 급상승시키는 것을 요구한다. 이동 전화는 이것을 RACH 상에서 자연스럽게 행할 것이고, 일단 이동 전화가 채널을 할당받으면, BTS는 이동 전화가 그렇게 "큰 소리로" 송신하는 것을 필요로 하지 않는 경우, 이동 전화에게 조용히 할 것을 명령할 수 있다. 적절한 BTS 안테나 성능에서, 필요 시 데이터 전송의 속도가 조정되는 50㎝ 폼팩터(form factor)와 같은 어떤 것에서 안테나를 사용하여 500㎞ 고도의 적절한 앙각(elevation angle)의 링크를 접속하기에는 2와트는 충분한 송신 전력일 수 있다. 예를 들면, 구현예는, 비록 4G LTE도 가능할 수도 있을 것이지만, 4G LTE와 같은 데이터 레이트를 지원하려고 시도하기보다는, 짧은 데이터 버스트를 갖는 2G 속도 및 협대역 메시징에 초점을 맞출 수도 있을 것이다. 그러한 방식에서, 더 낮은 전력 레벨 및 더 높은 데이터 레이트는, 충분한 안테나 기술을 갖는 우주 기반의 기지국에 의해 여전히 기술적으로 지원될 수 있다. 그러나, 지상 디바이스의 전력 레벨이 더 낮고 데이터 레이트가 더 빠를수록, 우주 세그먼트에 대한 전력 요건 및 질량 요건을 증가시키는 경향이 있다.
본 명세서에서 사용될 때, "풋프린트(footprint)"는, 위성 상의 BTS와의 통신 채널을 접속하는 범위 내에 있는 지상의 영역을 가리킨다. 본 명세서의 예에서, 원형의 풋프린트가 사용되지만, 그러나 풋프린트는 원형이 아닐 수도 있을 것이고, 모호한 인자, 지구 표면의 형상, 대기 조건 등에 의존할 수도 있을 것이라는 것이 이해되어야 한다. 몇몇 경우에, 풋프린트는, 실제 풋프린트와는 상이한 "설계 풋프린트"이다. 예를 들면, 위성은, 약간 멀리 떨어져 있고 따라서 위성의 실제 풋프린트 내에 있는 모바일 디바이스와 실제로 통신할 수 있을 수도 있을 것이지만, 선택성, 성능, 또는 다른 이유 때문에, 위성을 사용하는 시스템은, 실제 풋프린트보다 더 작은 풋프린트와 같은 상이한 풋프린트, 즉 설계 풋프린트에 대해 설계된다. 설계 풋프린트의 경계는, 위성 바로 아래의 표면 지점 상에 중심을 두며, 소정의 경사 범위와 같은 설계에 의해 위성이 커버할 것으로 예상되는 반경을 갖는 위성에 의해 지구 상으로 투영되는 원 또는 타원일 수도 있으며, 특정한 경사 범위와 같이 위성이 설계에 의해 커버되는 반경을 가질 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, "지상(ground)"은 MS의 위치를 가리키기 위해 사용되지만, 그러나 "지상"은 지구의 표면으로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. MS가 지상 기반인 것으로, 또는 지상에 있는 것으로 설명되는 경우, 그것은 지구의 표면 상에, 수역(a body of water)의 표면 상에, 지구 표면 약간 아래에 또는 수역의 표면 약간 아래에, 건물의 상층부에, 지상 레벨에 정확히 있지 않은 구조체 내에, 비행기 안에 또는 다르게는 높은 곳이지만 그러나 대기 내에 있는, 또는 유사한 위치에 서있는 사람의 손에 있을 수 있다. 그러나, 설명의 명확성을 위해, MS는 궤도에 있는 요소와 구별하도록 지상에 있는 것으로 설명될 수도 있을 것이다. 이것은, 본 명세서에서 설명되는 시스템이 궤도에 있는 MS에 대해 사용 가능하지 않을 것이라는 것을 말하는 것은 아니다. 적용 가능한 경우, 달리 언급되지 않는 한, 디바이스가 궤도에 있는 BTS와 통신하도록 특별히 수정되지 않더라도, 디바이스가 전기적으로, 기계적으로 견고하고, 그리고 다르게는 궤도에서의 사용에 충분히 견고하다는 것을 가정하여, 궤도에 있는 MS가 또한 지원될 수도 있을 것이다.
본 명세서에서 사용될 때, "궤도에 있는(being in orbit)"은, 지구의 중력의 중심에 대해 (거의) 정지되어 있는 관성 프레임에 대해 어떤 위치에 있고 어떤 속도로 이동하고 있는 것을 가리키며, 궤도가 쉽게 유지될 수 있도록 그 위치에서 대기 항력(atmospheric drag)을 충분히 작게 경험한다. 본 명세서의 몇몇 예에서, 궤도 거리가 주어지고, 그것은, 궤도를 설명하기 위한 전통적인 것과 같이, 지구 표면 상의 평균 또는 보통 지점으로부터의 통상적인 거리를 대략적으로 가리킨다. "LEO"가 몇몇 예에서 사용되며, 그 예는, 종래에 LEO로서 정의된 것 약간 밖에 있을 수도 있지만 그러나 여전히 궤도인 것으로 간주되는 궤도에 적용될 수도 있을 것임이 이해되어야 한다. 달리 지시되지 않는 한, 궤도 내에 있는 것은 또한, 화성, 달, 다른 행성의 달, 또는 심지어 L1 또는 L2와 같은 관심 지점과 같은 다른 천체(celestial bodies) 주위의 궤도를 설명할 수 있다. 본 명세서의 예 중 많은 것에서, BTS는 지구 주위의 궤도 내에 있고 MS는 지상에 있다. BTS 및 MS가 장소를 교환하는 경우, 또는, BTS가, 지구 궤도 내에 있는 대신, 유사한 어려움이 조우되거나 또는 더 일반적으로는 거리, 전파 지연, 및/또는 도플러 시프트와 같은 어려움이, MS가 지원하도록 또는 경험하도록 통상적으로 설계되는 것, 예를 들면, MS를 구성하고/하거나 프로그래밍하는데 들어가는 설계 가정을 초과하는 상황이 존재하는, 비행기, 조종되지 않는 자율 주행 차량, 벌룬 등 내에 있는 경우와 같은 다른 상황에 대해 본 명세서의 교시를 사용하는 것이 가능하다.
고전적인 TDMA 통신 시스템에서는, 통신 링크를 접속하는 것에 대한, 즉, 수신된 신호 전력이, 소망되는 데이터 레이트 및 비트 에러율에서 데이터가 채널을 통해 흐를 수 있도록 노이즈/간섭 환경 이상으로 충분히 높고 통신하고 있는 디바이스가 어느 쪽에서도 포기하지 않도록 예상된 프로토콜을 따르는 상황을 생성하는 것에 대한 타이밍 및 신호 전력 양태가 존재한다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 위성 기반의 BTS는, 지상 기반의 BTS와 함께 사용하도록 설계되는 지상 기반의 MS와 통신할 수 있다. 위성 기반의 BTS는, MS에 투명하지만 가변적인 전파 지연을 고려하는 것에 의해 일부 차동 거리를 통한 통신을 허용하는 방식으로 MS와의 TDMA 통신을 수정한다. LEO에 있기 때문에, 한 무리의 위성은, 허용 가능한 경제적인 배치 비용 및 합리적인 서비스 수명을 가지면서, 지구 위 400-500㎞의 궤도로부터, 종래의 지상 통신 기술 및 프로토콜을 사용하는 MS로 연속적인 연결을 제공할 수 있다. BTS는, 궤도 범위 통신 및 의사 거리의 필요로 되는 범위 및 도플러 시프트 완화를 지원하는 채널 할당 또는 할당 스킴을 허용하며, 궤도 속도에 기인하는 도플러 시프트와 관련되는 미스매치 및 신호 간섭 문제를 다루는, TDMA 프레임 구조에 적절한 타이밍을 제공한다. 결과적으로, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 BTS는, 우주선과 지상 원격 통신 디바이스 사이의 통신, 및 지상 원격 통신을 위해 통상적으로 사용되는 지상 원격 통신 디바이스의 피처 및 설비를 사용하는 통신을 제공할 수 있다. 이것은, 통신 시스템에서 무선 커버리지의 범위를 확장시켜, 궤도 상(on-orbit) 우주선과 이동 전화 또는 다른 통신/무선 디바이스 사이의 통신을 가능하게 할 수 있다. BTS는, GSM 셀룰러 통신 프로토콜 또는 유사한 지상 프로토콜을 사용하여 궤도 내의 우주선과 통신하기 위해 종래의 이동 전화와 함께 사용되는 주파수 및/또는 시간 도메인에서의 다중-액세스 기술(즉, TDMA, FDMA, OFDMA 등)을 활용하는 통신 시스템에서 사용될 수 있다.
BTS가, 수반되는 거리 및 수반되는 상대적 속도가 주어지면 다루어질 필요가 있는 RF 신호 슬라이딩을 시간 및 주파수 도메인 둘 모두에서 핸들링하기 때문에, BTS는 TDMA, FDMA, CDMA, OFDMA 등과 같은 시간 및/또는 주파수 도메인에서 다중-액세스 방법을 사용하는 통신 양식을 사용하여 구현될 수 있다. 일반적으로, 달리 지시되지 않는 한, 본 명세서의 교시는 다중-액세스 방법 및 시스템의 이들 예 중 하나 이상에 적용될 수 있는데, 다중-액세스 방법 및 시스템의 이들 예에서는, 다수의 이동국이 BTS와 통신하고 있거나, 또는 BTS와 통신하려고 시도하고 있으며 간섭을 방지하기 위해, MS 각각이 상이한 타임슬롯, 캐리어 주파수, 및/또는 코드 시퀀스를 사용하게 하는 것에 의해, 사용되는 프로토콜이 다중-액세스를 제공한다. 따라서, 많은 예가 TDMA/FDMA 프로토콜을 참조하여 설명되지만, 그 예는 다른 프로토콜로 확장될 수 있을 것이다.
본 명세서에서, 거리는 킬로미터 이외의 단위로 표현될 수도 있을 것이고 그들 경우에, 소정의 변환이 가정된다. 예를 들면, 진공에서의 빛의 속도는, 거리가, 마이크로초 및 밀리초와 같은, 초 단위로 표현되는 변환 인자일 수도 있을 것이다. 특정한 상황에서의 전파 지연은 진공에서의 빛의 속도일 수도 있을 것이거나 또는 더 길 수도 있을 것이지만, 그러나, 맥락으로부터, 초의 단위로 표현되는 전파 지연이 주어지면, 거리를 결정하는 방법은 당업자에게 명백할 것이다.
마찬가지로, 거리 및/또는 시간은 비트의 단위로 표현될 수도 있을 것이며, 그들 경우에, 소정의 비트 레이트가 가정된다. 예를 들면, 270.833 kbit/s의 비트 레이트의 경우, "156.25 비트"로 표현되는 시간 기간은, 576.92㎲의 시간 기간을 가리킬 것이고 10 비트로 표현되는 거리는 5.538㎞의 거리에 대응할 수도 있을 것인데, 10 비트를 송신하는 것이 36.92㎲를 차지할 것이고, 그들 36.92㎲에서, 신호는 진공에서의 빛의 속도에서 5.538㎞(왕복)를 이동할 것이기 때문이다. 진공에서의 빛의 속도와 실제 전파 속도 사이의 차이는 상이할 수도 있을 것이고 그것이 고려될 수도 있을 것이지만, 그러나, 예시의 목적을 위해, 그들 세부 사항은 설명을 복잡하게 하지 않기 위해 생략될 수도 있을 것이다.
예시적인 BTS와 그 동작의 설명
본 발명은, 본 발명의 특정한, 그러나 반드시 바람직한 것은 아닌 실시형태를 참조하여 상세히 설명될 것이다. 이들 특정한 실시형태는 예이며, 다중-액세스 통신 시스템의 기술 분야 및 궤도 역학의 당업자라면, 본 개시내용을 읽으면, 다른 변형예가 가능하고 본 개시내용이, 행성체(planetary body)의 표면 상의 MS와 그 행성체 주위의 다양한 궤도에서 동작하고 있는 우주선 BTS 사이의 많은 타입의 다중-액세스 통신 시스템에 관련된다는 것을 인식할 것이다.
본 명세서의 많은 예에서, BTS를 포함하는 위성에 대한 궤도는, 500㎞의 고도를 갖는 원형 궤도로서 제공되지만, 그러나, 본 명세서의 교시는 다른 궤도에 적용되며, 상응하게 조정된다는 것이 이해되어야 한다. 몇몇 예에서, BTS는 GSM BTS로서 동작하거나, 또는 그 동작을 시뮬레이팅하거나, 또는, 지구 표면 근처에 있는, 즉 궤도 내에 있지 않은 지상 이동국(MS)과 통신하기 위한 충분한 기능을 수행한다.
본 명세서의 예 중 몇몇에서, 위성의 풋프린트는, MS로부터 봤을 때 위성이 최소 앙각 이상에 있는 지구 표면의 근처의, 또는 지구 표면 상의 지점의 세트로서 주어진다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 위성이 MS 머리 바로 위에 있을 때, MS는 90도의 앙각에서 위성을 "본다"(따라서 MS는 위성에 대해 천저(nadir)의 방향에 있다). 본 명세서의 예에서, 경사 범위는 90도에서부터 40도까지이지만, 그러나, 그것보다 더 크거나 또는 더 작은 다른 경사 범위가 사용될 수도 있을 것이다. 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자는, 본 개시내용을 읽은 이후, 본 명세서의 계산을 상응하게 수정하는 방법을 이해할 것이다.
지구에 대해 6370㎞의 반경을 사용하고, 500㎞의 원형 궤도를 가정하면, 풋프린트 내의 MS는, 앙각이 90도일 때, BTS로부터 500㎞에 있을 것이다. 기본적인 지오메트리를 사용하면, 지구 표면의 한 지점으로부터, 500㎞ 원형 궤도에 있는 위성이, 위성으로부터 그 지점까지의 거리가 약 741㎞인 경우에 그 지점에서의 수평선에 대해 대략 40도의 고도를 가지고 나타날 것이라는 것이 결정될 수 있다. MS와 위성 BTS 사이의 신호의 전파 지연은 거리의 함수이고, 궤도 내의 위성까지의 거리는 궤도 반경 및 앙각의 함수인데, 앙각은 위성의 위치 벡터와 MS의 위치 벡터 사이의 각도이다. 앙각이 90도인 경우 즉, 위성이 머리 위에 있고 MS가 위성의 천저의 방향에 있는 표면 지점에 있는 경우, 거리는 궤도 반경과 지구 반경 사이의 차이로서, 또는 대략 그렇게 간주될 수 있다. 앙각이 90도보다 더 낮으면, 거리는 계산될 수 있다. 연결이 생성될 것으로 예상되는 몇몇 최소 앙각의 경우, 각도가 그러한 연결을 위한 가장 긴 지원되는 거리에 대응할 것임이 일반적으로 간주된다. 40도의 최소 앙각에서, MS와 위성 BTS 사이의 상호 작용 시간은 다음과 같이 BTS 및/또는 MS에서 계산될 수 있다. 40도의 앙각 및 500㎞ 원형 궤도의 경우, 지구 중심 각도는 ACOS(R_earth * COS(min_elev)/(R_earth + h)) - min_elev = 4.74도인데, 여기서 R_earth = 6370㎞(지구의 반경)이고, min_elev는 최소 앙각(이 예에서는, 40도)이고, h는 위성 고도(이 예에서는, 500㎞)이다. MS가 하나의 수평선 상의 위성에 대한 40도 최소 앙각으로부터 다른 수평선 상의 위성에 대한 40도 최소 앙각까지 가는 데 걸리는 시간은, 위성이 지구 표면의 2 * 4.74 = 9.47도를 가로지르는 데 걸리는 시간으로서 계산될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 500㎞의 원형 궤도에 있는 위성은 지구 표면에 대해 7.11㎞/s로 이동하고 있다. 따라서, 이 속도로 지구 표면의 9.47도를 가로지르는 데 걸리는, 초 단위의 시간은, 대략 9.47도 * pi/180 * (R_earth + h)/7.11㎞/s = 159.86 초이다. 물론, 다른 최소 앙각이 사용될 수 있을 것이고 계산은 상응하게 조정될 수 있을 것이다. 이것은, 위성이 머리 위를 통과함에 따라 MS가 위성 풋프린트의 중심을 바로 통과한다는 것을 가정한다. 다양한 상태에서, BTS 및/또는 MS는 통신 및 스케줄링의 계획 및 조정을 위해 159.86초의 이 값을 고려할 수 있다.
실제 거리는, 대기의 영향 및 다른 물리적 상호 작용에 따라 상이할 수도 있을 것이다. 이 예에서, BTS는, 그 다음, BTS와 MS 사이의 약 500㎞와 741㎞ 사이에 있는 디바이스와의 통신을 지원하도록 구성되며, MS가 BTS를 로컬의 수평선으로부터 40 도보다 더 낮은 고도에서 보는 경우, MS를 지원할 필요가 있다. 몇몇 구현예에서, 지상보다 훨씬 높은 MS와의 통신을 허용하기 위해, 하단(lower end)은 궤도 거리로부터 더 낮추어진다. 예를 들면, MS가 15,000 미터에서 비행하고 있는 비행기 내에 위치되지만 그러나 위성이 485㎞의 최소 거리를 가정하면, MS는 지원될 수 있을 것이다. 다른 예에서, 정지 궤도(GEO) 내의 위성이 BTS를 제공할 수 있는데, 이 경우 최소 거리는 대략 35,786㎞이다.
도 1은 본 발명이 사용될 수도 있는 환경을 예시한다. 해당 도면에서 도시된 바와 같이, 지구(또는 그 문제에 대한 다른 행성체 또는 천체)의 표면(102) 상에는, 이동할 수 있는 또는 어쩌면 휴대용일 수 있는 또는 고정될 수 있지만 MS로서 기능하고 있을 수 있는 몇 개의 이동국(MS)(104)이 있다. 이들 MS(104)는 BTS-MS 링크(108)를 통해 궤도의 BTS(106)와 통신한다. 예시된 바와 같이, BTS(106)의 각각은 표면(102)에 대한 궤도 속도뿐만 아니라, 약간의 분리 거리를 갖는다.
도 2는 도 1의 환경에 대한 추가적인 예를 예시하는데, 사람(202)은 스마트폰(204(1)), 랩탑 컴퓨터(204(2)), 및 태블릿 디바이스(204(N))와 같은 이동국을 구성하는 요소를 포함하는 다양한 디바이스(204)를 가지며, 그들 각각은 지상 BTS와 통신하도록 구성 및/또는 적응되고, 사람(202)이 인터넷(208) 및/또는 인터넷-접속 리소스(210)와 통신하기를 또는 그에 액세스하기를 원하는 경우, 그들은 BTS(206)를 통해 그렇게 할 수 있다. 디바이스의 다른 예는, 네트워크를 통해 상호 작용하는 산업용 또는 가정용 기기와 같은 사용자 인터페이스가 없는 디바이스(예를 들면, "사물 인터넷(Internet of Things)" 디바이스)일 수도 있을 것이다.
도 3은, TDMA와 같은 프로토콜 또는 지상 통신을 위해 또한 사용될 수도 있는 다른 프로토콜을 사용하여 지상 대 궤도 링크(308)를 통해 기지국 송수신기(BTS)(306)와 이동국(MS)(304) 사이에서 사용되는 프레임 기반 프로토콜의 예를 예시한다.
본 명세서의 예에서 설명되는 바와 같이, BTS는, 단지 지상 셀룰러 통신을 위해 구성되는 MS를 투명하게 지원하는 것을 허용하는 다양한 기술을 사용한다. 몇 가지 예가 설명될 것이지만, 그러나 먼저, TDMA 시스템에서의 범위 확장을 위한 몇몇 방법이 설명될 것이다.
도 4는 타이밍 어드밴스 메커니즘이 사용될 수도 있는 방법을 예시한다. 이해되어야 하는 바와 같이, 타이밍 다이어그램이 도시될 때, 타이밍 다이어그램을 따르는, 로직을 갖는 대응하는 모듈이 있다는 것이 암시된다. 도 4는 또한, 시분할 프로토콜을 사용할 때 전파 지연의 영향 및 타이밍 어드밴스의 사용을 도시한다.
도 4에서는, TDMA 프레임의 여덟 개의 타임슬롯이 도시되어 있다. 이들은, 설명의 명확성을 위해 생략되는 더 큰 데이터 구조체의 일부일 수도 있을 것이다. MS 또는 BTS가 MS-BTS 통신을 위한 할당된 타임슬롯을 갖는 경우, 디바이스의 각각은 시스템 클록의 그들의 로컬 사본을 사용하여, 그들의 할당된 타임슬롯에 대응하는, 송신 시작 시간, 송신 중지 시간, 청취 시작 시간 및 청취를 중지할 수 있는 시간을 결정하도록 프로그래밍된다.
도 4에서, 최상위 라인은 MS로부터의 송신(402)을 예시한다. 본 명세서에서, "Tx"는 문맥상 필요로 할 수도 있는 바와 같은 송신, 송신기, 송신하는에 대한 약어이다. 마찬가지로, "Rx"는, 문맥상 필요로 할 수도 있는 바와 같은 수신, 수신기, 수신하는에 대한 약어이다. 본 명세서에서 사용될 때, "송신"은, 송신기로부터의 신호 또는 통신의 일부로서 전송되는 것이고 "수신"은 수신되는 것이다. 송신기 및 수신기가 동일한 시스템 시간을 가지며 측정 가능한 전파 지연이 있는 경우 송신 및 그것의 대응하는 수신은 동일한 시스템 시간에서 발생하지 않는다. MS의 관점에서, 송신(402)을 전송하는 프로세스는 전적으로 타임슬롯 1 내에서 발생하며 여기서는 MS가 타임슬롯 1을 할당받는다는 것이 가정된다. 혹시라도 송신(402)이 할당된 타임슬롯의 대부분을 차지하면, 그것이 전파 지연 이후 BTS에서 BTS Rx로서 수신되는 경우, 그것은 타임슬롯 2 동안 부분적으로 수신되는 수신(404)으로서 수신될 것이다. 이것은 바람직하지 않다. 타이밍 어드밴스를 사용하여, MS는 (MS의 클록 타이밍으로부터) 타임슬롯 1이 시작하기 이전에 송신(412)을 전송하고, 그것이 수신(414)으로서 전파 지연 이후 BTS에서 수신되는 경우, 그것은 BTS에서 타임슬롯 1 이내에서 완전히 완료될 것이다.
도 5는 시분할 프로토콜의 확장 범위 피처의 사용의 예를 도시한다. 이 예에서의 타임슬롯의 지속 기간은 대략 0.28 밀리초인데, 85㎞의 거리를 나타내며, 따라서, MS는, 송신이 BTS에서 하나의 타임슬롯의 지속 기간만큼 많이 지연될 수 있기 때문에, 어떠한 타이밍 어드밴스도 필요로 하지 않으면서, BTS와 통신할 수 있다. 여분의 타임슬롯은 추가적인 가드 기간으로 역할을 한다.
도 5에서 예시된 바와 같이, MS에는, 여덟 개의 타임슬롯이 있지만, 그러나 제1(슬롯 0), 제3(슬롯 2), 제5(슬롯 4), 및 제7(슬롯 6)만이 사용된다. 예시된 바와 같이, MS1은 타임슬롯 0 동안 송신(502(0))을 행하고, MS2는 타임슬롯 2 동안 송신(502(2))을 행하고, MS3은 타임슬롯 4 동안 송신(502(4))을 행하고, MS4는 타임슬롯 6 동안 송신(502(6))을 행한다. BTS는 그러한 송신의 수신을 수신하는데, 타임슬롯 0의 시작 이후의 임의의 시간에 시작하며 타임슬롯 1(도면에서 "(0)"으로 지칭됨)의 종료 이전의 임의의 시간에 종료되는 수신(504(0))을 수신한다. 마찬가지로, BTS는, 타임슬롯 2의 시작 이후 그리고 타임슬롯 3("(2)")의 종료 이전의 임의의 시간에 수신(504(2))을 수신하고, 수신(504(4) 및 504(6))에 대해서도 마찬가지이다.
도 6은 시분할 프로토콜의 확장 범위 피처 및 시분할 프로토콜을 갖는 타이밍 어드밴스의 사용의 예를 도시한다. 해당 도면에서 도시된 바와 같이, MS 송신(602)은 그들 각각의 타임슬롯 동안이며 BTS는, 그러한 송신을 수신하여, 적절한 시간에 수신(604)을 수신한다. 타이밍 어드밴스 메커니즘 및 확장 범위 메커니즘의 조합을 사용하여, 도 6에서 예시된 바와 같이, 최대 허용된 MS-BTS는 35㎞ + 85㎞ = 120㎞일 수 있을 것이다. BTS는 타이밍 어드밴스 메커니즘이 단독으로 사용되든, 확장 범위 메커니즘이 단독으로 사용되든, 또는 둘 모두가 사용되든 간에, BTS는 어떤 것이 사용되는지를 관리할 수 있다. BTS가 단순히 모든 다른 타임슬롯을 할당하지 않을 것이기 때문에, MS는 심지어 확장 범위 메커니즘이 사용되고 있는지의 여부도 인식할 수 없을 수도 있을 것이다. 예를 들면, MS가 60㎞ 떨어져 있다는 것을 BTS가 결정하는 경우, BTS는 0 비트 타이밍 어드밴스를 사용하고(즉, 타이밍 어드밴스를 사용하지 않음) 다음 타임슬롯을 어떠한 MS에도 할당하지 않을 것을 MS에 말할 수도 있을 것이다. MS가 95㎞ 떨어져 있다는 것을 BTS가 결정하는 경우, BTS는 18 비트 타이밍 어드밴스를 사용하고 다음 타임슬롯을 어떠한 MS에도 할당하지 않을 것을 MS에 말할 수도 있을 것이다.
도 7은 BTS로부터 상이한 거리에 있는 다양한 MS의 예를 도시하는데, 여기서 그들 거리는 적어도 대략적으로 결정된다. 이 예에서는, dA 내지 dG 사이의 각각의 의사 거리를 갖는 A 내지 G로 표기되는 일곱 개의 MS가 존재한다. 이것은 거리별로 MS가 정렬될 수도 있는 방법을 예시한다.
도 8은 도 7의 상이한 거리에 있는 다양한 MS가 정렬된 확장 범위 통신을 제공하기 위해 그들의 결정된 거리에 기초하여 타임슬롯을 할당하는 방법을 예시한다. 도 8에서 도시된 바와 같이, 타임슬롯 0은, 도 7에서 BTS에 가장 가까운 사용자 G에게 할당되고, 타임슬롯 6은, 도 7에서 BTS로부터 가장 먼 사용자 E에게 할당된다. 단지 일곱 개의 타임슬롯만이 할당된다. 전파 지연의 범위가 주어지면, 다양한 MS로부터의 송신(802)은, 어떠한 송신(802)도 다른 송신(802)과 중첩하지 않고 모든 수신(804)이 TDMA 프레임 기간 내에 수신되도록, 수신(804)으로서 수신된다. 도 8에서 예시된 바와 같이, 충돌 및 간섭을 제거할 수 있는 신호 버스트는 타임슬롯에 걸쳐 점차적으로 지연된다.
정렬된 확장 범위 방법은 확장 범위 메커니즘보다 더 높은 스루풋을 가지지만, 그러나 (두 개의 정렬된 MS 사이에 총 85㎞ 거리 갭보다 더 많이 존재하지 않는 한) 여전히 최대 120㎞ 범위의 MS-BTS 거리 및 전체 프레임 용량의 7/8을 허용할 수 있다. 몇몇 경우에, 거리 갭에 대해 하나보다 더 많은 타임슬롯이 할당되어 분할될 것이고, 따라서 N(N은 1에서부터 7까지임) 개의 타임슬롯이 그렇게 할당되는 경우, 스루풋은 전체 프레임 용량의 1-(N/8)일 것이다. 타임슬롯이 156.25 비트인 경우, 갭은 타임슬롯 사이에서 분산되는 비트의 수로서 할당될 수도 있을 것이다. 이 로직이 BTS에 의해 수행될 때, 정렬된 확장 범위 메커니즘의 구현예는, BTS가 계산된 타임슬롯 할당을 조정하고 있기 때문에, MS 로직 또는 동작에 대해 어떠한 수정도 필요하지 않는다.
도 9는, 링 확장 범위 메커니즘을 사용하는 BTS의 거리 범위 및 동기화 오프셋을 사용하는 링 방법에 대한 커버리지 영역을 예시한다. 크로스 해치 영역(cross-hatched area)은, BTS가 지원되는 영역이다. 최소 통신 거리 d*보다 더 가까운 MS는, 모든 MS가 적어도 d*만큼 떨어져 있다는 것을 BTS가 가정하기 때문에, 지원되지 않는다. 타이밍 어드밴스 메커니즘을 사용하여 획득되는 35㎞ 범위는, 어떠한 MS 수정도 요구하지 않으면서, d*로부터 d* + 35㎞까지의 MS-BTS 범위를 지원하도록 사용될 수 있다. 하나의 예에서, d* = 85㎞이지만, 그러나 다른 최소 통신 거리가 사용될 수도 있을 것이다. 그러면, 그 예에서, BTS는 BTS로부터 85㎞와 120㎞ 사이에 있는 MS를 지원할 수 있을 것이다.
도 10은 송신 및 수신의 타이밍 및 링 방법에 대한 타이밍 조정 방법을 예시한다. 최소 통신 거리 d*는, 업링크 서브채널 상에서 BTS에 의한 사용을 위해 선택되는 타임슬롯 동기화 오프셋을 사용하여 직접적으로 스케일링된다. MS에서, 송신(1002)은, MS가 타임슬롯 0으로 보는 것에서 MS에 의해 전송된다. BTS에서, 수신(404)은 빛의 속도의 적어도 d* 배인 전파 지연 이후에 수신된다. 빛의 속도의 d* 배의 값이 알려져 있기 때문에, BTS는 단순히 자신의 타임슬롯의 타이밍을 오프셋 T_offset = 2×d*/(빛의 속도)만큼 시프트시킬 수 있고(2는 MS-BTS 왕복 거리를 고려하는 것임), BTS는 BTS에서 타임슬롯 0 내에 수신(1004)을 수신한다.
도 11은, 위성 풋프린트인 링의 예 및 그 위성 풋프린트의 링에 대한 결과적으로 나타나는 거리 범위를 예시한다. 위성(1102)은, 도 11에서 가장자리에서 풋프린트(1104)로서 그리고 위에서부터 풋프린트(1106)로서 예시되는 커버리지 풋프린트를 가질 것이다. 풋프린트(1106)에서의 상이한 크로스 해칭은, 링을 형성하는 표면과 BTS 사이의 상이한 거리 범위를 나타낸다. 이 예에서, 일곱 개의 링이 있지만, 그러나, 필요에 따라, 더 많은 또는 더 적은 링이 존재할 수도 있을 것이다. 이 예에서, 링은 r0 내지 r6으로 표기되며 {500-534.4, 534.4-568.9, 568.9-603.3, 603.3-637.7, 637.7-672.1, 672.1-706.6, 706.6-741}(모두 ㎞ 단위)의 BTS-MS 거리 범위(이것은 의사 거리 범위일 수도 있을 것임)에 대응한다. 이들 범위의 각각은, 공교롭게도, 하기에서 설명되는 바와 같은 유용한 설계 선택인 35㎞ 바로 미만이다. 다른 애플리케이션은 상이한 설계 선택을 사용할 수도 있을 것이다. RACH 프로세스와 같은 초기 핸드셰이크에서, BTS-MS 거리가 결정되고, 그로부터, MS는 위성 풋프린트 내의 링 중 하나에 할당될 수 있다.
하기에서 설명되는 바와 같이, 링 중 특정한 하나에 할당되는 MS 모두는, TDMA/FDMA 프레임이 송신되는 캐리어 주파수의 하나의 캐리어 주파수 또는 블록에 할당될 수도 있을 것이거나, 또는 다른 접근법이 취해질 수도 있을 것이다. 몇몇 실시형태에서, MS가 하나보다 더 많은 링 내에 있을 수 있도록 링은 중첩할 수도 있다. 예를 들면, 처음 두 개의 링은 490-540 및 530-580일 수도 있을 것이고, 따라서 BTS로부터 535㎞에 있는 MS는 그들 링 중 어느 하나 내에 있을 수 있다.
목적하는 애플리케이션에 따라, 궤도 BTS는 자신의 프로토콜 및 동작을, (1) 타이밍 어드밴스 방법, (2) 확장 범위 방법(이용 가능한 모든 타임슬롯보다 더 적은 타임슬롯을 사용하며 대신 미사용 타임슬롯을 가드 비트로서 사용함), (3) 정렬된 확장 범위 방법(이용 가능한 모든 타임슬롯보다 더 적은 타임슬롯을 사용하며 대신 타임슬롯 사이에서 할당되는 미사용 타임슬롯을 가드 비트로서 사용함, 여기서 타임슬롯은 예상된 가변 지연에 기초하여 할당됨), (4) 링 확장 범위 방법(지원되지 않는 내부 원을 갖는 링이 커버리지이도록 타이밍을 시프트함), (5) 다중 링 확장 범위 방법(방법 (4)와 비슷하게 상이한 범위의 거리를 동시에 커버하는 다수의 링 및 자신의 BTS-MS 거리에 기초하여 링에 할당되는 MS를 가짐) 및 (6) 정렬된 채널-링 할당 방법(sorted channel-ring allocation method)(방법 (5)와 비슷하며 상이한 캐리어 주파수와 관련되는 상이한 링을 가짐, 캐리어 주파수에 대해, 방법 (3)은 타임슬롯을 할당하기 위해 링의 거리 이내의 MS에 대해 사용됨), 또는 (1), (2), (3), (4), (5) 및 (6) 중 하나 이상의 조합에 따라 조정할 수도 있을 것이다.
타이밍 어드밴스, 링 및 정렬된 확장 범위 방법
도 12는 타이밍 어드밴스 방법, 링 확장 범위 방법 및 정렬된 확장 범위 방법을 사용하는 BTS의 제1 예를 예시한다. 여기서, TDMA 통신을 위한 정렬된 확장 범위 방법을 구현하기 위해 상이한 이동국은 그들의 지상 위치에 기초하여 상이한 타임슬롯을 할당받을 수도 있을 것이고, 링 방법은 지상에 있는 범위를 얻기 위해 사용된다.
이 예에서, 위성(1202)은 d*의 고도에서 궤도 운동을 하고 있으며 위성(1202)은 d*보다 더 가까운 MS를 지원할 필요가 없고 BTS로부터의 어떤 최대 거리인 dmax로부터 더 멀리 있는 MS를 지원할 필요가 없다는 것이 가정된다. 이 예에서, d*와 dmax 사이에 있는 BTS로부터의 거리로 표기되는 다섯 개의 MS인 MS1 내지 MS5가 존재한다. MS(MS1 내지 MS5)는 각각 타임슬롯 4 내지 0에 할당되는데, 타임슬롯 5, 6 및 7은 할당되지 않고, 따라서 정렬된 확장 범위 방법은 세 개의 타임슬롯 가치의 가드 시간과 함께 사용될 수 있다. 이것은 대략 486 비트에 대응하며 MS 프레임(1204)에서 예시된다. MS와 BTS 사이의 거리의 결과로서, MS1부터 MS5까지의 신호 버스트는, 도시되는 BTS 프레임(1206)에 나타낸 바와 같이 수신된다.
이 예에서, 타이밍 어드밴스는 22 비트(12㎞의 범위에 대해 필요로 됨)이고 링에 대한 동기화 오프셋은 875 비트인데, 이것은 대략 488㎞의 거리와 대응하며, 따라서 d*는 대략 488 + 12 = 500㎞이다. 확장 범위 가드 시간은 세 개의 타임슬롯을 다 사용하지만, 그러나 그것은 대략 295㎞의 MS-BTS 거리의 전체 범위(즉, dmax - d*)를 제공한다. 타이밍 어드밴스에 대한 최대 35㎞의 범위(이것은 0에서부터 63 비트까지일 수 있음)를 가정하면, 정렬된 확장 범위 방법 범위는, 표 1에 나타낸 바와 같이, 가드 시간에 얼마나 많은 타임슬롯이 할당되는지에 따라 대략 35㎞에서부터 대략 640㎞까지일 수 있다. 표 1에서, 범위는, 0 내지 63 비트의 타이밍 어드밴스의 전체 범위가 이용 가능하다는 것을 가정한다.
이 TDMA 프레임 구조는, 큰 지리적 영역의 위성 기반의 셀룰러 커버리지를 허용한다. 이 솔루션을 사용해도, 해결을 필요로 하는 운영 상의 문제 및 과제가 여전히 존재한다. 첫째, 각각의 프레임은, 통상적인 GSM 프레임의 스루풋 잠재력의 절반 이상을 갖는다. 둘째, 이 구성에서, 각각의 프레임은 대략 + 또는 - 35kHz 사이의 가변 도플러 시프트(이것은 궤도 선택, 경사 범위, 주파수 사용 등에 따라 솔루션마다 변할 것임)에 노출될 것이다. 그러나, 도플러 시프트 문제는, 본 명세서에서 설명되는 궤도 상 BTS 방법 및 장치를 사용하여 완화될 수 있다. 타이밍 도전 과제는 다음 방법을 사용하여 해결될 수도 있을 것이다.
타이밍 어드밴스 및 정렬된 채널-링 할당 방법
도 13은, 링 방법이 상이한 채널에 대해 변화하는 링 직경을 가지고 사용될 수 있도록, 상이한 이동국이 BTS에 대한 그들의 지상 위치에 기초하여 상이한 채널을 할당받을 수도 있는 방법을 예시한다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, (대략 0 내지 35㎞ 범위에 대한) 타이밍 어드밴스를 사용하는 방법 및 정렬된 채널-링 할당 방법은 타임슬롯을 다 사용하지 않으면서 대략 다른 241㎞의 범위를 제공할 수 있다. 정렬된 채널 링 할당 방법을 사용하여, 위성 풋프린트는 도 11에서 예시된 바와 같이 분할되고, 각각의 링은 별개의 캐리어 주파수와 쌍을 이룬다. 각각의 링은 상이한 동기화 오프셋을 가지고 동작한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 채널은, 캐리어 주파수의 그룹과 같은 하나 이상의 특정한 주파수 분할을 프로토콜에서 포함할 수도 있을 것이다. 도 13에서, 가장 가까운 잠재적 타깃과 가장 먼 잠재적 타깃 사이의 지원되는 의사 거리의 범위는 241㎞인데, 일곱 개의 의사 거리 범위 링으로 분할된다. 이것은 링마다 대략 34㎞의 커버리지 범위로 나타나며 동기화 오프셋은, 채널 블록, 또는 채널의 세트에 할당되는 상이한 링에 대해 상이할 수 있다. 채널 블록마다 오프셋을 대략 35㎞ 미만이 되도록 함으로써, 여분의 슬롯 가드 기간에 대한 필요성을 제거하는 것에 의해 각각의 채널에서 전체 스루풋이 가능하며, 그러면, 타이밍 어드밴스 그 자체로 충분하다.
RACH 요청 버스트는 각각의 MS의 신호로부터 전파 거리를 결정하기 위해 사용될 수 있다. BTS는, RACH 상에서 MS에, 업링크에 대한 사용을 위해 BTS가 그 MS에 어떤 캐리어 주파수 및 타임슬롯을 할당하는지에 관해 지속적으로 또는 주기적으로 통지하기 위해 브로드캐스트 채널(broadcast channel: BCCH)을 사용할 수 있다. BTS는 MS가 언제 RACH 버스트를 송신할지를 정확하게 알 것이고 그 시간과 실제 버스트가 도착한 때 사이의 비트 수를 계수할 수 있다. 비트의 그 수를, 채널 비트 레이트(GSM의 경우 270.83 kbps)로 나누는 것에 의해, BTS는 왕복 전파 지연 시간을 계산할 수 있다. 그 다음, BTS는, 빛의 속도를 왕복 전파 지연 시간으로 나누는 것에 의해, 전파 거리, 또는 의사 거리를 계산한다. 계산된 의사 거리에 따라, 각각의 MS는 특정한 채널 블록 내의 채널에 대한 할당에 적격이다. 예를 들면, 도 13에서 도시되는 구성에서, 채널 블록 b0 내의 채널은, 500㎞와 대략 534㎞ 사이의 계산된 의사 거리를 갖는 MS에 할당된다; 채널 블록 b1 내의 채널은 궤도 상 BTS로부터 대략 534㎞와 대략 568㎞ 사이에서 측정되는 의사 거리를 갖는 MS에 할당되고, 도 11 및 도 13에서 도시된 바와 같이 다른 범위에 대해서 마찬가지이다.
제1 채널 블록인 b0은, 도 12에서 도시되는 것과 동일한 양만큼 송신 업링크 프레임으로부터 오프셋되는 업링크 TDMA 프레임을 갖는다. 이어지는 채널 블록인 b1은, 채널 블록 b0의 프레임으로부터 추가적인 대략 62 비트만큼 오프셋되는 프레임을 갖는다. 그 후, 각각의 채널 블록의 프레임은, 이전 채널 블록과 비교하여 대략 62 비트의 추가 오프셋을 갖는다(즉, 채널 블록 bi+1의 프레임은 채널 블록 bi의 프레임으로부터 여분의 대략 62 비트 오프셋됨). 62 비트를 활용하는 이 구성은, 프레임 오프셋의 각각의 비트가 대략 555 m에 대응하고, 각각의 링/채널 블록이 이전의 것보다 대략 34㎞ 더 확장되기 때문에, 각각 대략 34㎞인 다양한 커버리지 링을 생성한다. 다양한 동기화 오프셋을 할당함으로써, 각각의 채널 블록은 우주에서(그리고 지구 표면 상에서) 상이한 링의 커버리지를 나타낸다. 채널 블록에 62 비트의 증분 단위의 동기화 오프셋을 제공받고 GSM의 고전적인 실시형태가 사용되는 경우, 모든 채널 상에서 전체 스루풋이 달성될 수 있고, 광대한 확장성이 있는 커버리지가 달성될 수 있다. 이것은 GSM MS의 수정을 필요로 하지 않으면서 행해질 수 있다. 범위 링의 탑 다운 뷰(top-down view)가 도 11에서 도시된다. 각각의 범위 링의 채널 블록은, 도 11의 좌측 키에서 이 특정한 실시형태에 대해 규정되는 독특한 "거리의 범위"에 의해 정의된다.
도플러 시프트 핸들링
상기의 방법 및 그들의 변형예가 모든 채널화된 스펙트럼에 대해 최대 스루풋을 제공할 수 있지만, 송신의 주파수는 BTS 및 MS의 상대적 이동에 기인하여 송신 및 수신에 대해 상이할 수도 있을 것이다. 다수의 MS가 궤도 상 BTS로부터 유사한 의사 거리 범위 내에 존재할 수도 있지만, 그러나 인지되는 캐리어 주파수 시프트에서 큰 변동을 경험할 수도 있는 시나리오를 고려하기 위해, 도플러 솔루션이 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 11에서 동일한 링/채널 블록인 b6 내에 존재하도록 계산되는 두 개의 MS를 고려하는데, 여기서 하나의 MS는 위성 커버리지 풋프린트의 상단 앞쪽 끝에 위치되고, 한편 다른 하나는 위성 커버리지 풋프린트의 하단 끝에 있다.
도 11에서, 위성은 (화살표의 원점에 있는) 채널 블록 b0에 대해 나타내는 커버리지 영역의 중심 바로 위에 있으며 "속도"로 표기되는 화살표의 방향으로 이동하고 있다. 위성 속도 벡터 앞의 제1 MS는 수신된 주파수에서 양의 도플러 시프트를 경험할 것이고, 한편, 위성 속도 벡터 뒤의 제2 MS는 수신된 주파수에서 음의 도플러 시프트를 경험할 것이다. 이들 MS가 동일한 주파수를 할당받는 경우, 위성은, 수 킬로헤르츠 분리되는(1800/1900 GSM 대역의 경우, 최대 70㎑ 분리되는) 신호 버스트 주파수를 MS로부터 수신할 수 있을 것이다. 더구나, 아주 상이한 도플러 시프트 환경을 경험하는 MS에 인접한 채널을 할당하는 것은, 위성에서의 신호 간섭으로 나타날 수 있을 것이다.
도 14는, 이 문제를 완화하기 위한 방법을 위해, 위성 풋프린트가 도플러 시프트 스트립으로 세분될 수도 있는 방법을 도시한다. 상기 도면에 예시된 바와 같이, 지구의 표면(1404)에 대해 어떤 속도로 이동하고 있는 위성(1402)을 가정한다. 위성 풋프린트(1406)는, 도시된 바와 같이, 속도를 갖는 위성으로부터의 뷰이다. 위성 풋프린트(1406) 벡터의 영역(1410) 내의 MS는, 위성(1402)으로부터의 신호의 수신된 주파수에서 양의 도플러 시프트를 경험할 것이며, 반면 위성 풋프린트(1406) 벡터의 영역(1412) 내의 MS는, 위성(1402)으로부터의 신호의 수신된 주파수에서 음의 도플러 시프트를 경험할 것이다. 수신된 주파수에서의 특정한 도플러 시프트는, 간단한 지오메트리를 사용하여 결정될 수 있고, 도플러 시프트의 범위에 대해, 위성 풋프린트(1406)는 등고선 라인(contour line)에 의해 범위가 정해지는 스트립으로 분할될 수도 있을 것이고 등고선은 그들 각각의 도플러 시프트에 대한 값(1420)을 할당받을 수도 있을 것이다.
3 차원 공간에서, 위성 풋프린트 내의 임의의 지점에서의 도플러 시프트는, 충분한 정보가 주어지면, BTS 또는 MS에 의해 계산될 수 있다. 그렇게 하는 하나의 방법은, 모든 벡터가 지구 중심의 지구 고정(Earth-Centered, Earth-Fixed: ECEF) 좌표 프레임에서 표현된다는 것을 가정할 수도 있을 것이다. 이것은 또한 지구의 회전 프레임으로 알려져 있는데, 그 이유는, 그것이, 지구의 회전 축을 중심으로 지구와 함께 공간에서 회전하는 좌표 시스템이기 때문이다. 이 프로세스에서, 벡터의 각각은 세 개의 성분 값을 갖는 벡터량으로 취급되며, 그 결과, 벡터에서의 각각의 성분 값은, 벡터에 의해 표현되는 좌표 프레임의 각각의 치수를 따르는 값을 나타낸다. 그러한 숫자는 프로세서가 조작할 메모리에 저장될 수 있다.
r BTS 가 위성의 위치 벡터를 ECEF 좌표로 나타내고 r MS 가 MS의 위치 벡터를 ECEF 좌표로 나타내는 경우, BTS에 대한 MS의 위치 벡터는 r MS/BTS = r MS - r BTS 가 될 것이다. 마찬가지로, v BTS 가 위성의 속도 벡터를 ECEF 좌표로 나타내고 v MS 가 MS의 속도 벡터를 ECEF 좌표로 나타내는 경우, MS에 대한 BTS의 속도 벡터는 v BTS/MS = v BTS - v MS 가 될 것이다. 도플러 시프트, MS에 대한 BTS의 속도의 성분의 크기, BTS에 대한 MS의 위치의, 방향, 또는 단위 벡터에서의, v BTS/MS , r MS/BTS /|| r MS/BTS ||를 계산하기 위해, 프로세서는 이 위치를 계산하고, 그 다음, 할당된 캐리어 주파수 파의 파장으로 제산한다. 이것은, 주목하는 두 개의 벡터 v BTS/MS 및 r MS/BTS /|| r MS/BTS ||의 내적을 사용하여 행해질 수 있으며, 식 1에서와 같이 작성될 수 있고, 어쩌면 프로그램 코드로 구현될 수 있다.
식 1에서, D는 계산된 도플러 시프트이고, λ는 캐리어 주파수 파의 파장인데, 이것은 캐리어 주파수를 빛의 속도로 제산하는 것으로 계산될 수 있다.
예로서, 500㎞의 고도에 있는 적도 궤도에서 동작하며, 공교롭게도 특정한 순간에 주 자오선 바로 위에 있게 되는 우주선을 고려한다(예를 들면, 위성에 대한 직접적인 천저는, 적도와 주 자오선의 교차점이다). 동일한 특정한 순간에, 고정된 MS(1430)가 우주선 아래의 해수면에 대략적으로 위치되지만 그러나 동경 1도의 적도 상에 놓여 있다(예를 들면, 위도 경도 위치는 [0, 1]로서 설명될 수 있다).
이 시나리오에서, 위성의 ECEF 위치 좌표는 대략 [6870㎞; 0㎞; 0㎞]이다. 500㎞의 원형 궤도에서의 우주선의 속도 벡터는, 위치 벡터에 대략 수직이며 (적도 궤도의 경우) 적도와 평행하다. 지구 표면에 대한 속도 벡터의 크기는 SQRT(mu_earth/(R_e + h)) - w_earth * (R_e + h) = 7.11로서 계산될 수 있는데, 여기서 mu_earth는 지구의 중력 상수이고(mu_earth = 398658.366㎞3/s2), R_e는 적도에서의 지구 반경이고(R_e는 대략 6370㎞), w_earth는 지구 회전의 각속도이고(w_earth = 7.27 * 10-5 라디안/초), h는 위성의 고도이다(이 예에서 h = 500㎞). 따라서, 우주선의 ECEF 속도 벡터는 대략적으로 [0㎞/s; 7.11㎞/s; 0㎞/s]이다. 0 도의 위도 및 동경 1도에 있는 고정된 MS의 ECEF 위치는, 대략적으로 [R_earth * cos(1°); R_earth * sin(1°); 0] = [6369㎞; 111㎞; 0]이다. 따라서, 우주선에 대한 이 고정된 MS의 ECEF 위치는, [6369㎞; 111㎞; 0] - [6870㎞; 0㎞; 0㎞] = [-501㎞; 111㎞; 0]이다. 따라서, 우주선으로부터 이 MS에 의해 수신되는 1900 MHz 신호의 도플러 시프트는, 식 2, 3 및 4에 나타낸 바와 같을 것이다:
위에서 설명된 바와 같이, BTS에서 RACH 상에서 MS로부터 수신되는 신호는 의사 거리를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 그것은 또한, MS에서 도플러 시프트를 근사하기 위해 사용될 수 있다. RACH가 어떤 타임슬롯 상에 있는지를 BTS가 알고 있는 것처럼, 그것은 또한 그것이 어떤 캐리어 주파수 상에 있는지를 알고 있다. 따라서, BTS가 RACH 버스트를 수신하는 경우, 그것은 버스트 주파수의 중심을 측정할 수 있고 RACH 상에서의 예상된 중심 주파수로부터의 그것의 오프셋(차이)을 계산할 수 있다. 이것은, 시스템이 어떤 크기의 도플러 시프트를 경험하는지에 따라, 위성 BTS가 RACH 상에서 더 넓은 주파수 범위를 청취할 것을 요구할 수도 있거나 또는 요구하지 않을 수도 있다.
도 15는, BTS가 MS로부터 의사 거리 및 도플러 시프트를 결정하기 위한, RACH를 사용할 수도 있는 측정 프로세스의 순서도가다. MS가 세션을 개시하기를(예를 들면, SMS 문자를 전송하기를, 전화를 걸기를, 데이터를 전송하기를) 원하는 경우, RACH가 표시될 수도 있다. 도플러 시프트값은 자주 측정/업데이트될 필요는 없다. 채널에 대한 액세스를 요청하고 데이터 페이로드를 전송하는데 걸리는 시간에 걸친 도플러 시프트값 변화는, 통상적으로, 신호를 전송/수신하는 시스템의 능력에 손상을 줄 만큼 충분히 크지 않다. 그것이 문제가 될 수도 있는 경우, BTS는 예측 변경을 행할 수 있고 MS가 매우 빠르게 움직이고 있지 않다는 것을 가정할 수 있다. 이 프로세스는, 채널 할당/배치를 조정하도록 의사 거리 및 도플러 시프트의 측정을 관리함에 있어서 위성 BTS에 대해 사용될 수 있다.
도 15의 순서도에서 예시된 바와 같이, 프로세스의 시작에서, 위성 BTS는 BCCH 채널 상에서 RACH 타이밍 정보를 브로드캐스트하고(단계 1501), 그 다음, MS는 RACH가 어떤 타임슬롯 상에 있는지를 알게 된다(단계 1502). 그것을 알게 되면, MS는 MS에 사용하도록 BTS가 지시한 RACH 타임슬롯 동안 버스트를 전송한다(단계 1503). 버스트는 주파수에서 오프셋되는 것 및 지연되는 것 둘 모두의 상태로 BTS에 도달한다(단계 1504). 그 다음, BTS 플로우는, 지연에 대한 스레드와 도플러 시프트에 대한 스레드의 두 개의 스레드를 갖는다. 제1 플로우에서, BTS는 버스트가 지연된 만큼의 비트의 수를 계수하고(단계 1505), 계수되는 비트의 수를, 채널 비트 레이트에 의해 제산하여 왕복 지연을 계산하고(단계 1506), 그 다음 왕복 지연을, 빛의 속도의 두 배로 제산하여 의사 거리를 계산한다(단계 1507). 제2 플로우에서, BTS는 버스트의 중심 주파수를 측정하고(단계 1508), RACH의 중심 주파수로부터 중심 주파수를 감산하여 도플러 시프트를 계산한다(단계 1509). 그 다음, 두 개의 쓰레드는 결합되고 BTS는 채널 구성 매트릭스를 점검하여, MS에, 그것의 의사 거리 및 그것의 도플러 시프트에 대해 구성되는 채널을 할당한다(단계 1510). 그 다음, BTS는 채널이 이미 구성되어 있는지의 여부를 점검한다(단계 1511). 만약 그렇다면, BTS는 MS에 구성된 채널을 할당하고(단계 1513), 만약 그렇지 않다면, BTS는, 검출되는 MS 의사 거리 및 도플러 시프트 환경에 대한 채널을 구성하고(단계 1512), 프로세스는 종료된다.
BTS가 각각의 MS로부터 도플러 시프트의 지식을 획득할 수 있기 때문에, 그것은 특정한 도플러 시프트 범위를 특정한 채널에 할당할 수 있다. 이것을 행함에 있어서, 각각의 개개의 채널은, 잠재적인 도플러 시프트값의 자기 고유의 특정한 그리고 로컬로 감소된 범위를 가질 수 있다. 예를 들면, 몇몇 채널은 캐리어 주파수에서 0 내지 5㎑ 시프트만을 경험할 수도 있고, 한편 다른 채널은, 채널이 도 14에서 도시되는 특정한 스트립 내의 MS에 할당되기 때문에, 캐리어 주파수에서 25 내지 30㎑ 시프트만을 경험할 것이다. 도플러 범위가 명확하게 정의되고 각각의 채널마다 더욱 국소화되기 때문에, 그것은 채널 할당(allocation) 및 할당(assignment)을 위한 한정자(qualifier)로서 사용될 수 있다. 이 방법은, 위성 풋프린트 내의 서비스 가능한 MS의 전체 세트에 걸친 넓은 도플러 시프트 변동을 핸들링하는 것을 훨씬 더 간단하게 만든다.
다시 도 14를 참조하면, 그 도면은 위성 커버리지 풋프린트에 걸친 다양한 위치에서의 인식된 도플러 시프트를 예시한다. 직관적으로, 속도 벡터의 방향에서의 위성 풋프린트의 절반은 양의 도플러 시프트를 경험할 것이고, 한편 나머지 절반은 음의 도플러 시프트를 경험할 것이다. 덜 직관적인 것은, 지구 곡률의 지오메트리가, 점차적으로 커지는 등고선 라인에 의해 설명되는 도플러 시프트 맵을 위성 풋프린트에서 생성한다는 것이다.
채널 블록이, 위에서 설명된 바와 같이, 미리 결정된 의사 거리 범위 링에 할당되는 것처럼, 하나의 접근법은, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 채널 블록을 미리 결정된 도플러 시프트 블록에 할당하는 것이다. 캐리어 주파수가 특정한 의사 거리 범위 및 도플러 시프트에 할당되면, 각각의 채널 상에서 경험되는 실제 도플러 시프트는, 그 채널의 주파수에 고유할 것이다. 이 방법의 구현예는 이것을 고려할 것이다. 하나의 설계에서, 도플러 시프트에 대한 등고선 맵은, 논의에서 스펙트럼의 중심 주파수를 사용하며, 도면에서 500㎞ 고도 위성 및 40도 앙각을 갖는 1900 MHS의 GSM이 가정된다.
도 14에서, 각각의 파선은, 각각의 채널에 대한 잠재적인 도플러 시프트를 국소화하고, 따라서, 간섭을 최소화하기 위해 사용되는 도플러 시프트 스트립의 경계를 정의한다. 맵 상의 등고선 라인의 곡률은, 통신 링크의 지오메트리의 결과뿐만 아니라 통신 빈도이다.
도 16은, 위성 풋프린트가 범위 링으로, 도플러 시프트 스트립으로, 그리고 범위 링 및 도플러 시프트 스트립 둘 모두로 세분될 수도 있는 방법을 도시한다. 예시된 바와 같이, 의사 거리의 범위는 링을 형성하며 도플러 시프트 등고선은 스트립을 형성한다. 이들을 그리드(반드시 직교하는 또는 선형의 그리드는 아님)로 중첩하면, 위성 풋프린트(1602)는, 제1 거리값, 제2 거리값, 제1 도플러 시프트값 및 제2 도플러 시프트값에 의해 경계가 정해지는 그리드 셀로 분할된다. 따라서, 이들 그리드 셀의 각각은, 궤도 상 BTS에 대한 의사 거리의 범위 및 도플러 시프트의 범위의 조합에 대응하고, 특정한 채널(또는 특정한 채널의 세트 내의 채널)을 할당받을 MS에 대한 한정자이다.
여기에 나타낸 위성 풋프린트는 본질적으로 원형이지만, 그것은 필수는 아니라는 것을 유의해야 한다. 풋프린트는, 위성 상에서 어떤 안테나가 사용되는지 그리고 그들이 구성되는 방법에 따라, 형상이 더욱 정사각형이거나 또는 타원형일 수 있을 것이다. 비 원형 풋프린트는, 그것이 풋프린트 내에서의 전파 지연 및/또는 도플러 시프트 환경의 확산을 증가 또는 감소시킬 수 있다는 점에서 이점을 제공할 수도 있을 것이다.
이 그리드는, 의사 거리 및 도플러 시프트 채널 블록에 대한 자격 부여에 대응하는 의사 거리의 범위 및 도플러 시프트의 범위의 조합을 나타낸다. 위에서 설명된 그리드 셀은, 위성 속도 벡터에 대해 대칭인 것으로 가정된다. 이것은 위성 커버리지 영역의 중심선에서 벗어나는 각각의 그리드 셀이, 위성 풋프린트의 반대쪽 상에 "트윈" 그리드 셀을 갖는다는 것을 의미한다. 용어 "트윈" 그리드 셀은, 이들 그리드 셀 둘 모두 내의 MS가 유사한 의사 거리 및 도플러 시프트에서 동작하기 때문에, 이들 두 개의 그리드 셀이, 의사 거리의 범위 및 도플러 시프트의 범위와 논리적으로 관련되는 "버킷(bucket)"을 공유하기 때문에(즉, MS는 버킷을, MS의 의사 거리가 그 버킷에 할당되는 의사 거리의 범위 내에 있고 MS의 도플러 시프트가 그 버킷에 할당되는 도플러 시프트의 범위 내에 있는지의 여부에 기초하여, 논리적으로 할당받기 때문에) 사용된다.
소정의 MS 디바이스의 도플러 시프트의 핸들링
몇몇 프로토콜은, 다운링크 신호를 복조할 때 도플러 시프트에 대해 더욱 탄력적일 수도 있을 것이고, 한편 다른 프로토콜은 덜 그럴 수도 있을 것이다. 몇몇 디바이스, 또는 몇몇 프로토콜에서, 2.5㎑의 시프트는 도플러 시프트 임계치일 수도 있을 것이다. 그러나, 심지어 몇몇 저가형(low-end) 셀룰러 전화도, 통상적으로 그 채널의 중심 캐리어 주파수가 될 것으로부터 최대 20㎑ 오프셋을 가지고 BCCH 신호를 복조할 수 있을 수도 있을 것이다. 이것은, MS가 자신의 로컬 클록을 BTS와 동기화시키기 위해 사용하는 다른 브로드캐스트 채널인 FCCH(Frequency Correction Channel: 주파수 정정 채널) 상에서의 BTS와 MS 사이의 상호 작용에 관련될 수도 있다. 이 동기화는, 궁극적으로는, 나중에 BCCH 및 다른 다운링크 채널을 복조하기 위해 전화기가 필요로 하는 정보이다. 따라서, 상기의 예에서 사용되는 예시적인 5㎑ 스트립보다 더 큰 도플러 시프트 스트립이 사용될 수도 있을 것이다. 예를 들면, 버킷은, 더 큰 범위의 도플러 시프트를 수용하기 위해, 어느 방향으로든 적어도 20㎑까지 조정 및 확장될 수도 있을 것이다. 사실상, 이것은, 가장 높은 도플러 시프트 사례가 20㎑ 미만일 만큼 위성 풋프린트가 충분히 작은 경우, 도플러 시프트 버킷팅에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 이것은, 훨씬 더 작은 신호 대역폭을 사용하는, NB-IoT와 같은 다른 프로토콜의 경우에는 사실이 아닐 수도 있을 것이다. NB-IoT는 또한, 다중-액세스 프로토콜이 LTE NB-IoT 프로토콜이고 제한된 거리는 기지국-대-이동국 거리가 초과되게 될 40㎞인 경우와 같이, 다른 차이를 갖는다.
채널 할당
본 명세서에서 설명되는 바와 같이, BTS는, 각각이 그들 자신의 캐리어 주파수를 사용하는 다수의 송수신기를 지원할 수 있는데, 다수의 송수신기는, 결국에는 각각이 최대 여덟 개의 MS를 지원할 수 있다. 송수신기가 많은 가능한 캐리어 주파수 중 하나를 사용하도록 설정될 수 있기 때문에, 채널은 송수신기와 관련될 수 있다. 상기의 예에서, 123 개의 이용 가능한 캐리어 주파수가 있다. 그들 많은 캐리어 주파수 중에서, 그들은 필요에 따라 MS에 할당될 수 있지만, 그러나, 그들이 그리드 셀에 의해 할당되고, 그 결과, BTS로부터 유사한 거리 및 유사한 도플러 시프트를 갖는 유사하게 위치된 MS의 버킷이 동일한 캐리어 주파수를 사용하고 캐리어 주파수가 전략적으로 할당될 수 있으면, 몇몇 이점이 있을 수도 있을 것이다. 채널(이것은, 위에서 설명된 바와 같이, 업링크 서브채널 및 다운링크 서브채널을 논리적으로 포함할 수도 있음)은, 복수의 타임슬롯 중 하나 및 복수의 캐리어 주파수 중 하나를 할당받을 수 있다. 채널은, 그것의 캐리어 주파수 및 그것의 타임슬롯과 같은 그것의 할당된 특성에 의해서만 식별될 수도 있을 것이지만, 그러나 몇몇 상황에서는, 각각의 채널에 채널 라벨이 주어진다. 채널의 라벨은, 채널의 캐리어 주파수, 그것의 타임슬롯, 및 어쩌면 그것의 타이밍 어드밴스, 및 도플러 시프트를 인코딩할 수도 있을 것이지만, 그러나 라벨은 순차적인 번호와 같이 더 간단하고, BTS 및/또는 MS는 할당된 특성에 대한 채널 번호 라벨의 저장된 매핑을 포함할지도 모른다(예를 들면, 채널 1은 캐리어 주파수 f1 및 타임슬롯 0을 사용하고, 채널 2는 캐리어 주파수 f7 및 타임슬롯 3을 사용하고 등임).
도 17은 위성 풋프린트의 범위 링/도플러 시프트 셀의 하나의 예를 예시한다. 의사 거리 링 및 도플러 시프트 스트립의 교차선은 풋프린트 그리드를 형성한다. 범위 링/도플러 시프트 셀인 그리드 셀은 채널을 할당받을 수 있다.
도 18은, 도 17의 범위 링/도플러 시프트 셀을 특정한 캐리어 주파수 및 도플러 오프셋 블록으로 할당하는 예를 예시한다. 논리적 채널 블록은, 그들 캐리어 주파수를 사용하여 TDMA 프레임 상의 하나 이상의 캐리어 주파수 및/또는 타임슬롯과 관련될 수 있다. 도 17에서, 채널은, 이 경우에서는 1에서부터 70까지인 임의의 채널 라벨을 가지고 도시된다. 그들은, 공교롭게도, 아래에서부터 위로의, 즉, 가장 부정적인 도플러 시프트로부터 가장 긍정적인 도플러 시프트로의 순서로 표기된 상태에 있다. 채널 1 내지 70은, 하나 이상의 캐리어 주파수에 대한 프레임에서 여덟 개의 캐리어 주파수 및 여섯 개의 타임슬롯을 사용하는 프레임 내의 여덟 개의 타임슬롯의 각각에 할당되는 채널에 대응할 수도 있을 것이다.
도 17의 다이어그램은 위성 풋프린트의 그리드 셀이 채널 번호를 할당받는 방법을 도시한다. 풋프린트의 좌측만이 번호가 병기되어 도시되지만, 그러나 우측의 트윈 셀도 또한 그들 채널 번호에 할당된다는 것이 이해되어야 한다. 도 18의 채널 할당 표는, 각각의 채널 번호가, 도플러 시프트 스트립(D0에서부터 D13까지) 및 채널 블록(b0에서부터 b6까지)에 대응하는 도플러 오프셋 블록과 관련되거나, 도플러 오프셋 블록을 할당받거나(allocated) 또는 할당받는(assigned) 채널 할당 스킴을 예시한다. 다른 실시형태에서, 채널의 수는, MS에 대한 의사 거리 및 도플러 시프트를 "버킷(bucket)"하는 방법에 대한 결정에 따라 변할 수도 있을 것이라는 것을 유의한다. 다수의 채널이 그리드 셀에 할당될 수 있다. 도 17 및 도 18의 예에서, 단순화를 위해 그리드 셀당 하나의 채널 번호가 할당된다. 그리드 셀의 절반만이 채널 할당으로 채워지는데, 그 이유는, 그것이 위성 속도 벡터에 대해 대칭이기 때문이다. 채워지지 않은 그리드 셀은, 실제 구현예에서, 등고선 맵 내에서 자신에 대해 반대쪽 상에 있는 그리드 셀 내에 동일한 채널 번호를 할당받는다. 이것은, 비록 대칭 그리드 셀이 등고선 맵 상의(그리고 실세계에서의) 상이한 물리적 위치에 존재하지만, 그들이 궤도 상 BTS로부터의 의사 거리 및 도플러 시프트의 관점에서 동일한 자격 부여 파라미터를 나타내기 때문이다.
핀칭(pinching) 및 프레잉(fraying)
BTS 설계의 "피칭 및 프레잉" 피처는, 업링크 서브채널이 연속 스펙트럼에 존재하고 다운링크 서브채널이 연속 스펙트럼에 존재하는 경우에 그리고 도플러 시프트가 신호 대역폭과 동일할 수 있거나 또는 신호 대역폭을 초과할 수 있는 경우에 유용하지만, 그러나, 이들은, 다음의 기술을 구현하기 위해 그렇게 되어야 하는 것은 아니다.
도 18의 표는, 궤도 상 BTS가 채널을 MS에 할당하는 방법을 결정하기 위해 사용할 채널 할당 매트릭스이며 인접하는 번호가 인접하는 캐리어 주파수를 할당받는 방식으로 그들을 할당할 것이다. 신호 버스트가 RACH 상에서 수신되는 경우, 계산된 도플러 시프트 및 계산된 의사 거리 추정치는, 적절한 그리드 셀을 찾고 표로부터 MS에 대한 채널 번호를 찾는 것에 의해, 그 MS에 어떤 채널이 할당되어야 하는지를 결정하기 위해 사용된다. 이 예에서, 모든 채널 블록(도 18의 열)이 동일한 수의 사용 중에 있는 또는 이용 가능한 실제 채널을 가져야 하는 것은 아닌데, 그 이유는, 모든 채널 블록이, 도플러 시프트의 전체 범위를 경험할 수 있는 의사 거리에 대응하는 것은 아니기 때문이다. BTS는 이 표의 사본을 저장하며, 그리드 셀에 기초하여 채널 번호를 할당할 때 사용하기 위해, 이 표의 상이한 버전을 구비할 수도 있을 것이다.
특정한 도플러 시프트를 갖는 그리드 셀의 순서대로 채널이 할당되는 채널 할당의 이점이 도 19에서 예시되어 있다. 우주선이 예상되는 도플러 시프트에 기초하여 채널을 적극적으로 할당하고 있기 때문에, 그것은 수신된 주파수에서 그러한 넓은 범위의 시프트를 더 이상 고려할 필요가 없다. 대신, 궤도 상 BTS는, 현존하는 MS 인프라에게, 소정의 캐리어 주파수 상에서 통신할 것을 명령할 수 있지만, 그러나, 그 채널 상에서 얼마나 많은 도플러 시프트가 예상되는지에 따라 약간 시프트된 캐리어 주파수를 청취할 것이다. 이것은 우주선 세그먼트에서의 인접 캐리어 주파수 간섭을 감소시킨다.
이 특정한 실시형태에서, 도플러 시프트 등고선은 5㎑마다 이격되지만, 다른 간격이 사용될 수도 있을 것이다. 따라서, MS에 할당된 각각의 채널에 대해, 위성 BTS는, 그 채널의 캐리어 주파수에 대한 최대 및 최소 도플러 시프트의 평균인 캐리어 주파수를 청취할 것이고, 그 채널에 할당되는 타임슬롯에서 데이터 버스트를 점검할 것이다. 예를 들면, 채널 70이 MS에 할당되었고 주파수 F70 및 타임슬롯 TS70과 논리적으로 관련된다는 것을 가정한다. 우주선 상의 BTS는, TS70 + 27.5㎑의 캐리어 주파수에서 MS로부터의 업링크 신호를 청취할 것이다. 이런 식으로, BTS에 의해 청취되고 있는 주파수로부터 어떠한 신호도 2.5㎑보다 더 많이 오프셋되지는 않는다. 리턴 링크에서, MS가 청취하고 있는 캐리어 주파수의 적절한 한계 내에서 MS에서 신호가 수신되도록, 궤도 상 BTS는 TS70 - 27.5㎑에서 자신의 버스트를 송신하는 것에 의해 채널 70 상에서 신호를 송신할 수 있다.
도 19는, MS 및 BTS가 통신하기 위해 사용할 업링크 및 다운링크 캐리어 주파수의 맵을 묘사한다. 구체적으로, 도 19는, 도 17 및 도 18에 언급된 도플러 블록을 도시하는데, 도플러 블록은, 그들이 보유하는 채널의 수에 기초하여 스케일링되는 폭을 갖는다. 채널이 몇몇 공지된 도플러 효과의 함수로서 그리고 증가하는 캐리어 주파수의 순서로 할당되는 경우, 업링크 신호는 서로로부터 "프레잉(fray)"하고, BTS가 청취하기 위해 선택하는 채널을 정의한다. 이것은 궤도 상 BTS에서의 간섭을 완화시킨다. 다운링크 송신 주파수는, 신호가 MS에 도달할 때 그것이 적절한 캐리어 주파수를 갖는 것을 보장하기 하기 위해, "프레잉" 대신 "핀칭된다"(pinched). 도플러 블록은 업링크 및 다운링크 주파수 둘 모두에서 참조되는데, 이것은 각각의 채널이 업링크 및 다운링크 컴포넌트를 갖는다는 것을 의미함에 유의한다. 다른 변형예도 가능하다.
도 19는, 궤도 상의 BTS가 MS에 의해 송신되는 주파수에 비해 약간 프레잉된 주파수에서 청취하는 것을 도시한다. 이것은, 신규의 채널 할당 스킴의 결과이며, MS와 통신할 때 도플러 시프트의 복잡도 및 간섭을 감소시킨다. 다운링크 동작에서, 우주선은, 타깃 MS에 도달하는 신호가 정확한 주파수가 되도록, 더욱 "핀칭된(pinched)" 채널을 송신한다. 채널 블록은, 도 17 및 도 18에 언급된 도플러 블록으로 표현되며, 그들이 보유하고 있는 채널 수에 의해 스케일링되는 폭을 갖는다.
채널은 신호 주파수의 내림차순으로 도플러 블록에 또한 할당될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다 이 방법은, BTS 관점에서, 수신된 및 송신된 신호의 효과를 반대로 할 것이다. MS로부터의 업링크 신호에 접속하는 능력을 개선하는 것을 이 기술이 실제로 도울 수도 있을 것임을 가정하는 것은 합리적이다. 이것은, 업링크 신호가 도 19에서 도시되는 것처럼 "프레잉되는" 대신 "핀치될" 것이기 때문이다. "핀치"의 양은 상당히 잘 이해되어 있기 때문에, 궤도 상 BTS는 이 사실을 활용하여, 각각의 업링크 채널에 대해 "자신이 청취하는" 대역폭을 지능적으로 좁힐 것이다. 이것은, 수신된 업링크 신호가 (그것이 GSM에 있는 것과 같이) 200㎑ 미만에 의해 분리된다는 것을 의미한다. 이 경우, 궤도 상 BTS는, 이론적으로, 더 좁은 채널 상에서 청취하여 노이즈를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시형태는, 업링크 및 다운링크 서브채널 둘 모두 상에서 BTS에서 "프레잉된" 또는 "핀칭된" 채널을 선호할 수도 있을 것이다. 이것을 제공하기 위해, 구현기(implementer)는 증가하는 업링크 신호 주파수 및 감소하는 다운링크 신호 주파수를 갖는 채널을 할당할 것이다. 이것은, BTS 업링크 수신 및 다운링크 송신 기능을 위한 "프레잉된" 채널로 나타날 것이다. 감소하는 업링크 신호 주파수 및 증가하는 다운링크 신호 주파수를 갖는, 반대의 채널은, BTS 업링크 수신 및 다운링크 송신 기능을 위한 "핀칭된" 채널로 나타날 것이다.
도 19가 도플러 블록당 하나씩의 박스로서 채널을 예시하지만, 프레잉되는 또는 핀칭되는 도 19의 박스는 하나 이상의 캐리어 주파수 및 하나 이상의 타임슬롯에 대응할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들면, 도플러 블록 D9의 예에서, 도 18은, 채널 50 내지 56이 도플러 블록에 의해 커버되는 스트립 내의 셀에 할당된다는 것을 도시한다. 채널 50 내지 56은, 하나의 캐리어 주파수의 프레임에서 일곱 개의 타임슬롯을, 일곱 개의 상이한 캐리어 주파수의 프레임에서 한 개의 타임슬롯을, 또는 몇몇 다른 구성을 표현할 수도 있을 것이다.
위치 찾기
BTS와 MS 사이의 데이터 통신 외에, BTS는 위치 찾기를 위해 사용될 수 있다, 즉, MS의 지리적 위치를, 적어도 대략적으로 또는 다양한 용도(예를 들면, 원격 검색 및 구조 작업을 지원함)를 위해 충분한 해상도를 가지고, 결정하기 위해 사용될 수 있다. 위성이 MS 위를 통과할 때, 그 위성의 BTS는, MS에 대한 그리드 셀(실제로는 트윈 그리드 셀의 쌍)을 (위에서 설명된 바와 같이) 결정한다. 다른 위성이 동일한 MS를 통과할 때, 그 제2 위성의 BTS는, 그 제2 위성의 풋프린트에서 그리드 셀의 쌍을 결정할 것이다. 제2 위성이 제1 위성과는 상이한 궤도에 있는 경우, 그것의 의사 거리 범위 링 및 도플러 시프트 등고선 스트립에 대한 대칭 라인은 제1 위성의 것과는 다소 상이할 것이다. BTS는 위성 풋프린트의 스케일에서 MS가 이동하지 않았다는 것, 또는 약간만 이동하였다는 것을 가정하고, 그리드 셀의 두 개의 쌍이, 위성에 대한 하나의 그리드 셀이 다른 위성에 대한 다른 그리드 셀과 중첩하고, 다른 두 개의 그리드 셀은 중첩하지 않도록 하는 그러한 것인 경우, 그것으로부터, BTS는 MS의 있음직한 위치를 결정할 수 있다.
이것은 단독으로 또는 다른 위치 찾기 시스템과 조합하여 사용될 수 있다.
소프트웨어 정의 무선부; 밀도에 의한 동적 할당
BTS는 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 다양한 기능을 수행한다. BTS는, 상용 소프트웨어 정의 무선부로 구현될 수도 있을 것이거나, 본 명세서에 제공되는 특정한 기능성으로 프로그래밍될 수도 있을 것이거나 또는 구성될 수도 있을 것이다. 소프트웨어 정의 무선부는, BTS 채널 할당 스킴에서 채널 구성을 전환하기 위해 궤도에서 재프로그래밍될 수 있을 것이다. 이것은 지상의 MS가 고르게 분포되지 않은 경우에 유용할 것이다. 예를 들면, 도 20에서 예시된 바와 같이, BTS가 BTS에 연결된 MS의 매핑, 또는 예상된 MS의 매핑을 갖는 경우, 또는 BTS가 특정한 도플러 시프트 범위를 나타내고 있으며 유사한 의사 거리 내에서 동작하고 있는 MS로부터 자신의 요청의 대부분을 얻고 있는 경우, BTS는 더 많은 채널을 갖는 더욱 붐비는 그리드 셀을 선호할 수 있다. 따라서, 도플러 시프트 및 의사 범위 데이터는 채널 할당을 비례 배분하기 위해 사용될 수 있다. 도 20의 우측은, 각각의 그리드 셀에 대해, 그 그리드 셀에 얼마나 많은 채널이 할당될 수도 있을 것인지를 도시하는 다이어그램이다. 위성 풋프린트가 위성의 속도 벡터에 대해 대칭이라는 것을 가정하여, 절반의 원만이 도시된다.
도 21은, 도 20에서 예시되는 할당 및 매핑을 위해 사용될 수도 있는 예시적인 채널 할당 표를 예시하는데, 채널 할당은, 채널 할당 스킴에서의 순서화된 채널과 매핑된다. 그리드 셀을 서비스하도록 채널을 재구성하기 위해, 채널에 대한 송수신기는 송신 TDMA 프레임과는 상이한 타임슬롯 동기화 오프셋을 가지고 재구성되며, 송수신기는 업링크 및 다운링크 캐리어 상에서 각각 수신 및 송신하기 위해 자신의 구성된 주파수 오프셋으로 업데이트된다. 채널이 재구성되고 채널 할당 스킴으로 재매핑되는 경우, 그들은, 도시된 바와 같은 채널 할당의 우하 코너(bottom right corner)에서부터 그것의 좌상 코너(top left corner)까지 순서대로(증가 또는 감소) 계속 계수할 수 있다. 채널 할당 표은, 소프트웨어 정의 무선부를 제어하는 프로세서가 채널 할당 표에 따라 주파수 및 타이밍을 설정할 수 있도록 액세스 가능한 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장될 수도 있을 것이다.
채널을 블록에 재매핑하는 것 외에도, 궤도 상 소프트웨어 정의 무선부는 자신의 블록 매핑을 또한 재구성할 수 있을 것이다. 예를 들면, MS가 고밀도로 패킹된 경우, BTS는, 특정한 지리적 영역에 대한 자신의 서비스, 특히 스루풋을 개선하기 위해, 의사 거리 및 도플러 시프트의 더욱 개선된 인터벌에서 자신의 채널 할당 스킴을 재구성할 수 있을 것이다. 더구나, 궤도 상 BTS는, 최소 및 최대 의사 거리 및 도플러 시프트 측정치에 기초하여, 자신의 채널에 대한 최소 및 최대 타임슬롯 동기화 오프셋 및 도플러 보상치를 각각 설정할 수 있을 것이다. 이것은, BTS가, 자신의 위성 풋프린트의 그리드 셀을 더욱 세분화하여 정의하는 것 및 더 높은 밀도의 일단의(pockets of) MS를 서비스할 채널을 더욱 효과적으로 할당하는 것을 허용한다. 도플러 블록에 대한 더욱 개선된 인터벌은 각각의 채널에 대한 도플러 시프트의 영향을 추가로 감소시키고, 한편, 의사 거리 범위 링에 대한 더욱 개선된 인터벌은 더욱 특정한 링 위치에서의 잠재적인 스루풋을 증가시켜 더욱 조밀하게 밀집된 MS에 서비스를 제공한다.
온보드 프로세싱은 또한, 공지된 위성 속도를 활용하여 위성 풋프린트의 운동을, 따라서, 자신이 서비스하는 MS에 대한 의사 거리 및 도플러 시프트 등고선을 예측할 수 있을 것이다. 이것은, 위성 BTS가, 가까운 미래에 어떤 의사 거리 및 도플러 시프트 버킷이 채널 할당을 필요로 할 것인지 그리고 어떤 것이 필요로 하지 않을 것인지를 예측하는 것을 허용할 것이고; 예측 가능성은 채널 할당 스킴 재구성의 더욱 정확한 실행을 가능하게 할 것이다. 채널 재구성과 관련되는 약간의 리드 타임(lead time)이 있을 것이기 때문에, 예측 가능성은 강력하게 활용되어 자신의 채널의 제한된 다운 타임(down time)을 보장할 수 있을 것이다. 예를 들면, 이 채널 재구성 리드 타임을 고려하기 위해, 궤도 상 BTS는, MS를 서비스하고 있는 캐리어 주파수가 재구성되기 위해 서비스를 갑자기 중단할 필요가 없도록, 하나 이상의 채널을 "저글링할(juggle)" 수 있거나, 또는 예약할 수 있을 것이다. 채널이 증가하는 또는 감소하는 주파수의 순서대로 재구성되어야 하기 때문에, 재구성은 때로는 도미노 효과를 생성할 수 있고 채널 할당 스킴에서 이 중요한 주파수 순서화를 유지하기 위해 많은 채널이 재구성되는 것을 필요로 할 수 있다. 예를 들면, GSM 스펙트럼에서 80 개의 채널에 대한 액세스를 갖는 궤도 상의 GSM BTS를 고려한다. 채널이 1 내지 124로 표기되고, 모든 홀수 채널(즉, 1, 3, 5, 7 등)이 MS를 서비스하도록 구성될 수 있고 한편 모든 짝수 채널(즉, 2, 4, 6, 8 등)이 "저글링될" 수 있거나, 또는 예약될 수 있다는 것을 가정한다. 재구성의 필요성이 발생하는 경우, 궤도 상 BTS는 "저글링된" 채널을 재구성할 수 있으며, 자신의 다른 62 개의 이미 구성된 채널 상에서의 서비스를 중단할 필요가 없다. 구성된 채널이 MS를 더 이상 서비스하고 있지 않는 경우, 그것은 예약된, 또는 "저글링된" 채널 세트로 순환될 수 있으며, 프로세스는 일관된 서비스를 유지하고 채널 다운 시간을 제한하면서 그 스스로 반복된다.
궤도 상 BTS는, 그러한 네트워크의 서비스 품질을 더욱 개선하기 위해, 의사 거리, 도플러 시프트, 및 MS의 다른 데이터(즉, GPS)의 실시간 측정치를 사용하여 프로그래밍될 수 있다. 예는, 시간이 지남에 따라 수집되는 대규모 데이터 세트 및 많은 위성 통과(MS의 상대적으로 정적인 위치에 기초함)에 기초한 채널의 재할당 또는 시프팅 및 현재의 우주선 바로 직전에 이 위치를 통과한 우주선에 의해, 또는 심지어 현재의 우주선에 의해 감지된 MS 분포에서의 변화에 기초한 더욱 동적인 실시간 시프팅을 포함한다.
위에서 설명된 동적 채널 할당은 또한, 위성 통과 전체 동안, 특정한 채널이 특정한 MS, 또는 지리적 위치에 전용되는 것을 허용하는 방식으로 행해질 수 있을 것이다. 다시 말하면, 소정의 채널의 도플러 시프트 및 의사 거리 구성은, 시간에 걸쳐 플롯되는 경우, 통과 동안, 소정의 MS, 또는 지리적 위치에 의해 경험되는 도플러 시프트 및 의사 거리 환경을 매칭시키는 어떤 평활한 함수에 의해 설명될 것이다. 이 실시형태는, 지상의 소정의 MS가 시간의 더 긴 기간(예를 들면, 수 초 대신 수 분) 동안 위성과의 잠금된 링크를 유지할 필요가 있는 경우 또는 잠금된 링크로부터 이익을 얻는 경우의 조건 하에서 전략적일 수 있을 것이다.
연결된 MS가 "덤불(clump)" - 어쩌면 외딴 마을에서 동작하고 있는 도 20에서 예시되는 사례를 고려한다. 상기시키자면, 의사 거리 및 도플러 시프트 버킷이 위성 속도 벡터에 대해 대칭이기 때문에, 맵은 위성 풋프린트의 절반만을 도시한다. 우주선이 이들 사용자로부터 의사 거리 및 도플러 시프트 데이터를 수집할 때, 우주선은 자신의 채널 할당 스킴에서 채널 할당을 전략적으로 비례 배분할 수 있을 것이고, 이 비례 배분에 기초하여 자신의 채널의 서비스 구성을 시프트하도록 그들 채널을 재프로그래밍할 수 있을 것이다. 이와 같은 기술은 예측 데이터 분석 소프트웨어를 또한 활용할 수 있을 것이다. 궤도 상 BTS는, 과거의 MS 데이터를 GPS 내비게이션 데이터와 짝을 지어, 자신의 풋프린트에서 조밀한 일단의 고객을 언제 어디서 만날지를 예측할 것이다. 실제로 서비스되는 MS로부터의 GPS 데이터는 또한, 채널의 예측 분석과 할당, 및 추적 애플리케이션을 추가로 개선하기 위해 사용될 수 있을 것이다. 이것은 그러한 네트워크에 대한 서비스 품질에서의 향상을 촉진할 수 있을 것이다.
도 22는, RACH 프로세스에서 MS에 대한 파라미터를 결정하기 위한 프로세스를 예시한다. MS 업링크 버스트로부터의 전파 지연을 측정하는 것에 의해, BTS는, 정확한 시간에 버스트를 송신하기 위한 각각의 MS에 대한 필요한 타이밍 어드밴스를 계산할 수 있다. RACH 프로세스는, (1) MS가 BTS 상에서 캠프 온(camp on) 할 때 MS가 BCCH를 청취하는 것, (2) MS의 사용자가 문자 메시지를 입력하고 "전송"을 누르는 것, (3) MS가, BCCH 상에서 제공되는 정보를 사용하여, RACH 상에서 버스트를 전송하는 것에 의해 채널에 대한 액세스를 요청하는 것, (4) BTS가 채널 할당을 찾고 채널 할당뿐만 아니라 타이밍 어드밴스(비트 단위)를 가지고 응답하는 것, 및 (5) MS가 타이밍 어드밴스를 사용하여 자신의 버스트를, 자신이 할당받았던 타임슬롯에 비해 진전시키고 자신이 할당받았던 주파수 캐리어를 사용하는 것일 수도 있을 것이다.
도 22에서 예시되는 더욱 일반적인 경우에, MS는 호 셋업을 수행하기 위해 전용 시그널링 채널의 할당을 요청하고, 시그널링 채널의 할당 이후, TMSI (IMSI) 및 마지막 LAI에 포함되는, MOC 호 셋업을 위한 요청이 VLR로 포워딩된다. VLR은 (필요하다면) 트리플(Triples)에 대해 HLR을 통해 AC를 요청한다. 그 다음, VLR은 인증(Authentication), 암호 시작(Cipher start), IMEI 점검(옵션 사항) 및 TMSI 재할당(옵션 사항)을 개시한다. 이 모두가 프로세스 취소를 요구하는 에러를 유발하지 않으면, MS는 셋업 정보(요청된 가입자의 번호 및 상세한 서비스 설명)를 MSC에 전송하고 MSC는 VLR에게(가입자 데이터로부터) 요청된 서비스 및 번호가 핸들링될 수 있는지의 여부(또는 호 셋업의 추가적인 진행을 허용하지 않는 제약이 있는지)를 점검할 것을 요청한다.
호가 핸들링되어야 한다는 것을 VLR이 나타내면, MSC는 트래픽 채널을 MS에 할당할 것을 BSC에게 명령하고 BSC는 트래픽 채널(Traffic Channel: TCH)을 MS에 할당한다. 그 다음, MSC는 요청된 번호(피호출 측)에 대한 연결을 셋업한다.
하나의 실시형태에 따르면, 본 명세서에서 설명되는 기술은, 펌웨어, 메모리, 다른 스토리지(storage), 또는 조합 내의 프로그램 명령어에 따라 기술을 수행하도록 프로그래밍되는 하나의 또는 일반화된 컴퓨팅 시스템에 의해 구현된다. 데스크탑 컴퓨터 시스템, 휴대용 컴퓨터 시스템, 핸드헬드 디바이스, 네트워킹 디바이스 또는 기술을 구현하기 위한 하드웨어에 내장된(hard-wired) 및/또는 프로그램 로직을 통합하는 임의의 다른 디바이스와 같은 특수 목적 컴퓨팅 디바이스가 사용될 수도 있다.
예를 들면, 도 23은 본 발명의 실시형태가 구현될 수도 있는 컴퓨터 시스템(2300)을 예시하는 블록도이다. 컴퓨터 시스템(2300)은, 정보를 전달하기 위한 버스(2302) 또는 다른 통신 메커니즘, 및 정보를 프로세싱하기 위해 버스(2302)와 커플링되는 프로세서(2304)를 포함한다. 프로세서(2304)는, 예를 들면, 범용 마이크로프로세서일 수도 있다.
컴퓨터 시스템(2300)은 또한, 프로세서(2304)에 의해 실행될 정보 및 명령어를 저장하기 위한, 버스(2302)에 커플링되는, 랜덤 액세스 메모리(random access memory: RAM) 또는 다른 동적 스토리지 디바이스와 같은 메인 메모리(2306)를 포함한다. 메인 메모리(2306)는 또한, 프로세서(2304)에 의해 실행될 명령어의 실행 동안 임시 변수 또는 다른 중간 정보를 저장하기 위해 사용될 수도 있다. 그러한 명령어는, 프로세서(2304)가 액세스할 수 있는 비일시적 저장 매체에 저장되는 경우, 컴퓨터 시스템(2300)을, 명령어에서 명시되는 동작을 수행하도록 커스터마이징되는 특수 목적 머신으로 만든다.
컴퓨터 시스템(2300)은, 프로세서(2304)에 대한 정적 정보 및 명령어를 저장하기 위한, 버스(2302)에 커플링되는 리드 온리 메모리(Read Only Memory; ROM)(2308) 또는 다른 정적 스토리지 디바이스를 더 포함한다. 정보 및 명령어를 저장하기 위한, 자기 디스크 또는 광학 디스크와 같은 스토리지 디바이스(2310)가 제공되며 버스(2302)에 커플링된다.
컴퓨터 시스템(2300)은, 컴퓨터 사용자에게 정보를 디스플레이하기 위한 컴퓨터 모니터와 같은 디스플레이(2312)에 버스(2302)를 통해 커플링될 수도 있다. 정보 및 명령어 선택을 프로세서(2304)에게 전달하기 위한, 영숫자 및 다른 키를 포함하는 입력 디바이스(2314)가 버스(2302)에 커플링된다. 방향 정보 및 명령어 선택을 프로세서(2304)에 전달하기 위한 그리고 디스플레이(2312) 상에서 커서 이동을 제어하기 위한 다른 타입의 사용자 입력 디바이스는, 마우스, 트랙볼, 또는 커서 방향 키와 같은 커서 제어부(2316)이다. 이 입력 디바이스는 통상적으로, 디바이스가 평면에서 위치를 명시하는 것을 허용하는, 두 개의 축인 제1 축(예를 들면, x)과 제2 축(예를 들면, y)에서 2의 자유도를 갖는다.
컴퓨터 시스템(2300)은, 컴퓨터 시스템과 조합하여, 컴퓨터 시스템(2300)으로 하여금 특수 목적 머신이 되게 하는 또는 컴퓨터 시스템을 특수 목적 머신이 되도록 프로그래밍하는 커스터마이징된 하드웨어 내장식 로직(hard-wired logic), 하나 이상의 ASIC 또는 FPGA, 펌웨어 및/또는 프로그램 로직을 사용하여 본 명세서에서 설명되는 기술을 구현할 수도 있다. 하나의 실시형태에 따르면, 본 명세서의 기술은, 프로세서(2304)가 메인 메모리(2306)에 포함되는 하나 이상의 명령어의 하나 이상의 시퀀스를 실행하는 것에 응답하여 컴퓨터 시스템(2300)에 의해 수행된다. 그러한 명령어는, 저장 디바이스(2310)와 같은 다른 저장 매체로부터 메인 메모리(2306)로 읽어 들일 수도 있다. 메인 메모리(2306)에 포함되는 명령어의 시퀀스의 실행은, 프로세서(2304)로 하여금, 본 명세서에서 설명되는 프로세스 단계를 수행하게 한다. 대안적인 실시형태에서, 하드웨어 내장식 회로부(hard-wired circuitry)는 소프트웨어 명령어 대신에 또는 소프트웨어 명령어와 조합하여 사용될 수도 있다.
용어 "저장 매체"는, 본 명세서에서 사용될 때, 머신으로 하여금 특정한 양식으로 동작하게 하는데이터 및/또는 명령어를 저장하는 임의의 비일시적 매체를 가리킨다. 그러한 저장 매체는 불휘발성 매체 및/또는 휘발성 매체를 포함할 수도 있다. 불휘발성 매체는, 예를 들면, 스토리지 디바이스(2310)와 같은 광학 또는 자기 디스크를 포함한다. 휘발성 매체는, 메인 메모리(2306)와 같은 동적 메모리를 포함한다. 저장 매체의 일반적인 형태는, 예를 들면, 플로피 디스크, 플렉시블 디스크, 하드 디스크, 솔리드 스테이트 드라이브, 자기 테이프, 또는 임의의 다른 자기 데이터 저장 매체, CD-ROM, 임의의 다른 광학 데이터 저장 매체, 구멍의 패턴을 갖는 임의의 물리적 매체, RAM, PROM, EPROM, FLASH-EPROM, NVRAM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지를 포함한다.
저장 매체는 송신 매체와는 구별되지만, 그러나, 송신 매체와 연계하여 사용될 수도 있다. 송신 매체는 저장 매체 사이에서 정보를 전달하는데 참가한다. 예를 들면, 송신 매체는, 버스(2302)를 포함하는 유선을 비롯한, 동축 케이블, 구리선 및 광섬유를 포함한다. 송신 매체는 또한, 전파(radio-wave) 및 적외선 데이터 통신 동안 발생되는 것과 같은 음파 또는 광파의 형태를 취할 수 있다.
하나 이상의 명령어의 하나 이상의 시퀀스를, 실행을 위해 프로세서(2304)에 전달함에 있어서, 다양한 형태의 매체가 수반될 수도 있다. 예를 들면, 명령어는 초기에 원격 컴퓨터의 자기 디스크 또는 솔리드 스테이트 드라이브 상에서 전달될 수도 있다. 원격 컴퓨터는 명령어를 자신의 동적 메모리에 로딩하고 네트워크 연결을 통해 명령어를 전송할 수 있다. 컴퓨터 시스템(2300)에 로컬인 모뎀 또는 네트워크 인터페이스가 데이터를 수신할 수 있다. 버스(2302)는 데이터를 메인 메모리(2306)로 전달하는데, 프로세서(2304)는, 메인 메모리로부터, 명령어를 검색하여 실행한다. 메인 메모리(2306)에 의해 수신되는 명령어는, 옵션 사항으로, 프로세서(2304)에 의한 실행 이전 또는 이후에, 스토리지 디바이스(2310) 상에 저장될 수도 있다.
컴퓨터 시스템(2300)은 또한, 버스(2302)에 커플링되는 통신 인터페이스(2318)를 포함한다. 통신 인터페이스(2318)는, 로컬 네트워크(2322)에 연결되는 네트워크 링크(2320)에 양방향 데이터 통신 커플링을 제공한다. 예를 들면, 통신 인터페이스(2318)는 통합 서비스 디지털 네트워크(Integrated Services Digital Network: ISDN) 카드, 케이블 모뎀, 위성 모뎀, 또는 대응하는 타입의 전화선에 데이터 통신 연결을 제공하기 위한 모뎀일 수도 있다. 무선 링크가 또한 구현될 수도 있다. 임의의 그러한 구현에서, 통신 인터페이스(2318)는, 다양한 타입의 정보를 나타내는 디지털 데이터 스트림을 운반하는 전기적, 전자기적 또는 광학적 신호를 전송 및 수신한다.
네트워크 링크(2320)는 통상적으로 하나 이상의 네트워크를 통해 다른 데이터 디바이스로 데이터 통신을 제공한다. 예를 들면, 네트워크 링크(2320)는 로컬 네트워크(2322)를 통해 호스트 컴퓨터(2324)에 또는 인터넷 서비스 공급자(Internet Service Provider: ISP)(2326)에 의해 운영되는 데이터 기기에 연결을 제공할 수도 있다. ISP(2326)는, 그 다음, 이제 일반적으로 "인터넷(Internet)"(2328)으로 칭해지는 월드 와이드 패킷 데이터 원격 통신 네트워크를 통해 데이터 통신 서비스를 제공한다. 로컬 네트워크(2322) 및 인터넷(2328) 둘 모두는 디지털 데이터 스트림을 운반하는 전기적, 전자기적 또는 광학적 신호를 사용한다. 다양한 네트워크를 통한 신호 및 네트워크 링크(2320) 상의 그리고 컴퓨터 시스템(2300)으로 그리고 해당 컴퓨터 시스템으로부터 디지털 데이터를 전달하는 통신 인터페이스(2318)를 통한 신호는, 예시적인 형태의 송신 매체이다.
컴퓨터 시스템(2300)은, 네트워크(들), 네트워크 링크(2320) 및 통신 인터페이스(2318)를 통해, 메시지를 전송할 수 있고, 프로그램 코드를 비롯한 데이터를 수신할 수 있다. 인터넷 예에서, 서버(2330)는 인터넷(2328), ISP(2326), 로컬 네트워크(2322) 및 통신 인터페이스(2318)를 통해 애플리케이션 프로그램에 대한 요청된 코드를 송신할 수도 있다. 수신된 코드는, 그것이 수신될 때, 프로세서(2304)에 의해 실행될 수도 있고, 및/또는 나중의 실행을 위해 스토리지 디바이스(2310), 또는 다른 불휘발성 스토리지에 저장될 수도 있다.
본 명세서에서 설명되는 프로세스의 동작은, 본 명세서에서 달리 지시되지 않는 한 또는 다르게는 문맥에 의해 명백하게 부정되지 않는 한, 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 프로세스(또는 그 변형예 및/또는 조합예)는, 실행 가능한 명령어로 구성되는 하나 이상의 컴퓨터 시스템의 제어 하에서 수행될 수도 있고, 하나 이상의 프로세서 상에서, 하드웨어에 의해 또는 그 조합으로 총괄하여 실행되는 코드(예를 들면, 실행 가능 명령어, 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 또는 하나 이상의 애플리케이션)로서 구현될 수도 있다. 코드는, 예를 들면, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능한 복수의 명령어를 포함하는 컴퓨터 프로그램 형태로, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장될 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 비일시적일 수도 있다.
접속 언어(conjunctive language), 예컨대 형태 "A, B, 및 C 중 적어도 하나" 또는 "A, B 및 C 중 적어도 하나"의 어구(phrase)는, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 또는 다르게는 문맥에 의해 명백하게 부정되지 않는 한, 다르게는, 항목(item), 항(term) 등이 A 또는 B 또는 C 중 어느 하나, 또는 A 및 B 및 C의 집합의 임의의 공집합이 아닌 부분 집합일 수도 있다는 것을 일반적으로 제시하기 위해 사용되는 바와 같은 맥락을 갖는 것으로 이해된다. 예를 들면, 3개의 구성원을 갖는 집합의 예시적인 예에서, 접속 어구(conjunctive phrase) "A, B, 및 C 중 적어도 하나" 및 "A, B 및 C 중 적어도 하나"는, 다음의 집합 중 임의의 것을 가리킨다: {A}, {B}, {C}, {A, B}, {A, C}, {B, C}, {A, B, C}. 따라서, 그러한 접속 언어는 일반적으로, 소정의 실시형태가 A 중 적어도 하나, B 중 적어도 하나 및 C 중 적어도 하나 각각이 존재할 것 요구한다는 것을 암시하도록 의도되지는 않는다.
본 명세서에서 제공되는 임의의 및 모든 예, 또는 예시적인 언어(예를 들면, "예컨대")의 사용은, 단지 본 발명의 실시형태를 더욱 잘 설명하도록 의도되는 것에 불과하며 달리 청구되지 않는 한 본 발명의 범위에 제한을 부과하지 않는다. 명세서 내의 어떠한 언어도, 임의의 청구되지 않은 요소를 본 발명의 실시에 필수적인 것으로 나타내는 것으로 해석되지 않아야 한다.
전술한 명세서에서, 본 발명의 실시형태는, 구현예마다 다를 수도 있는 수많은 특정한 세부 사항을 참조하여 설명되었다. 따라서, 명세서 및 도면은, 제한적인 의미가 아니라, 예시적인 의미로 간주되어야 한다. 본 발명의 범위의 유일하고 배타적인 지표(indicator), 및 본 출원인에 의해 본 발명의 범위인 것으로 의도되는 것은, 본 출원으로부터 발행되는 청구항의 세트의, 임의의 후속하는 수정을 비롯한, 그러한 청구항이 발행되는 특정한 형태의, 문자적 등가적 범위이다.
통상의 숙련자라면, 본 개시내용을 읽은 후, 또 다른 실시형태를 구상할 수 있다. 다른 실시형태에서, 위에서 개시된 발명의 조합 또는 하위 조합이 유리하게 이루어질 수 있다. 구성요소의 예시적인 배치는 예시의 목적을 위해 도시되며, 조합예, 추가예, 재배치예 등이 본 발명의 대안적인 실시형태에서 고려되는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명이 예시적인 실시형태와 관련하여 설명되었지만, 당업자는 수많은 수정예가 가능하다는 것을 인식할 것이다.
예를 들면, 본 명세서에서 설명되는 프로세스는, 하드웨어 컴포넌트, 소프트웨어 컴포넌트, 및/또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 구현될 수도 있다. 따라서, 명세서 및 도면은, 제한적인 의미가 아니라, 예시적인 의미로 간주되어야 한다. 그러나, 청구범위에서 기술되는 바와 같은 본 발명의 더 넓은 취지 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 수정예 및 변경예가 이루어질 수도 있다는 것 및 본 발명은 이하의 청구범위의 범위 내에 있는 모든 수정예 등가예를 포괄하도록 의도된다는 것이 명백할 것이다.
본 명세서에서 인용되는 간행물, 특허 출원 및 특허를 비롯한, 모든 참고 문헌은, 각각의 참고 문헌이 참고로 통합되도록 개별적으로 그리고 명시적으로 지시되고 그 전체가 본 명세서에서 기술되는 경우와 동일한 정도로 참고로 본 명세서에 통합된다.
Claims (29)
- 복수의 지상 이동국(terrestrial mobile station)과의 통신을 핸들링하는 하나 이상의 송신기를 구비하는 다중-액세스 기지국(multiple-access base station)으로서, 상기 복수의 지상 이동국 중의 지상 이동국은, (1) 상기 지상 이동국으로부터 제한된 거리 이내에 있거나, (2) 상기 지상 이동국에 대해 제한된 속도 미만으로 이동하고 있거나, 또는 상기 지상 이동국으로부터 제한된 거리 이내에 있고 상기 지상 이동국에 대해 제한된 속도 미만으로 이동하고 있는 지상 셀룰러 기지국(terrestrial cellular base station)과의 기지국 통신을 예상하도록 구성되고, 상기 다중-액세스 기지국은,
프레임 구조에 따라서 상기 다중-액세스 기지국에 의해 수신된 데이터를 파싱하는 데이터 파서(data parser)로서, 상기 프레임 구조는, 어떤 타임슬롯이 상기 복수의 지상 이동국 중 어느 지상 이동국에 할당되는지를 규정하고, 상기 프레임 구조는, 상기 다중-액세스 기지국으로부터 상기 복수의 지상 이동국까지의 거리에 기인하는 가변 송신 지연을 제공하는 제로 또는 넌제로(nonzero) 타임슬롯 동기화 오프셋을 각각 갖는 복수의 슬롯을 포함하는, 상기 데이터 파서;
상기 다중-액세스 기지국과 상기 지상 이동국 사이의 상기 제한된 거리를 초과하는 기지국-대-이동국 거리에 기초하여 상기 지상 이동국으로 송신되는 신호에 대한 상기 프레임 구조에 대한 신호 타이밍 조정을 결정하는 신호 타이밍 모듈; 및
상기 기지국-대-이동국 거리가 상기 제한된 거리를 초과함에도 불구하고, 다중-액세스 프로토콜을 사용하여 그리고 상기 신호 타이밍 조정을 고려하여 상기 다중-액세스 기지국으로부터 상기 지상 이동국으로의 통신을 전달할 수 있어서, 상기 통신이 상기 지상 셀룰러 기지국과 상기 지상 이동국 사이의 통신을 위해 상기 지상 이동국에 의해 사용되는 프로토콜과 호환되게 하는 프로그램 가능한 무선부(programmable radio)를 포함하는, 다중-액세스 기지국. - 제1항에 있어서, 상기 복수의 지상 이동국과 통신하도록 더 구성되되, 상기 복수의 지상 이동국은 셀룰러 통신할 수 있는 셀룰러 전화 핸드셋, 스마트폰, 또는 무선 휴대용 디바이스를 포함하는, 다중-액세스 기지국.
- 제1항에 있어서, 상기 제한된 거리는 120 킬로미터이고 상기 기지국-대-이동국 거리는 120 킬로미터를 초과하는, 다중-액세스 기지국.
- 제1항에 있어서, 상기 다중-액세스 프로토콜은 LTE 프로토콜이고, 상기 제한된 거리는 100 킬로미터이며, 상기 기지국-대-이동국 거리는 100 킬로미터를 초과하는, 다중-액세스 기지국.
- 제1항에 있어서, 상기 다중-액세스 프로토콜은 LTE-IoT 프로토콜이고, 상기 제한된 거리는 40 킬로미터이며, 상기 기지국-대-이동국 거리는 40 킬로미터를 초과하는, 다중-액세스 기지국.
- 제1항에 있어서, 상기 다중-액세스 프로토콜은, CDMA-기반 프로토콜, LTE 프로토콜, GSM 프로토콜, OFDMA-기반 프로토콜, FDMA-기반 프로토콜, TDMA-기반 프로토콜, EGPRS 프로토콜 또는 EDGE 프로토콜 중 하나인, 다중-액세스 기지국.
- 제1항에 있어서, 상기 다중-액세스 기지국은 지구 궤도에서 동작될 궤도 기지국인, 다중-액세스 기지국.
- 제7항에 있어서, 상기 제한된 거리는 120 킬로미터이고, 상기 복수의 지상 이동국 중의 지상 이동국의 기지국-대-이동국 거리는 500 킬로미터 내지 750 킬로미터의 범위인, 다중-액세스 기지국.
- 제1항에 있어서, 상기 다중-액세스 기지국은, 비행기, 드론, 또는 벌룬 상에, 또는 비행기, 드론, 또는 벌룬 내에 장착되는, 지구 대기에서 동작 가능한 기지국인, 다중-액세스 기지국.
- 제9항에 있어서, 상기 제한된 거리는 120 킬로미터이고, 상기 기지국-대-이동국 거리는 120 킬로미터를 초과하는, 다중-액세스 기지국.
- 제1항에 있어서, 복수의 타임슬롯, 복수의 캐리어 주파수, 복수의 직교 서브캐리어, 복수의 코드 시퀀스, 또는 이것의 조합에 걸쳐 분산되는 상기 다중-액세스 기지국의 용량을 상기 지상 이동국과 상기 복수의 지상 이동국들 중 다른 지상 이동국들간에 할당하기 위한 신호 할당 로직을 더 포함하는, 다중-액세스 기지국.
- 제1항에 있어서, 상기 프로그램 가능한 무선부는, 또한, 상기 다중-액세스 프로토콜을 사용하여 상기 지상 이동국으로부터의 통신을 청취할 수 있고, 상기 다중-액세스 기지국은,
상기 복수의 지상 이동국의 각각의 지상 이동국에 대해서, 상기 다중-액세스 기지국으로부터 상기 지상 이동국까지의 거리인, 상기 각각의 지상 이동국의 기지국-대-이동국 거리를 결정하는 범위 계산기;
상기 지상 이동국의 상기 기지국-대-이동국 거리에 기초하여 상기 프레임 구조에 대한 상기 지상 이동국의 수신된 신호의 타이밍을 결정하는 수신 타이밍 모듈; 및
상기 지상 이동국으로부터의 통신을 청취하기 위한 청취 타임슬롯을 상기 프레임 구조에서 할당하는 입력 신호 할당기로서, 상기 청취 타임슬롯은 상기 지상 이동국의 상기 기지국-대-이동국 거리에 기초하여 타이밍이 조절되고, 상기 청취 타임슬롯은, 복수의 기지국-대-이동국 거리를 갖는 상기 복수의 지상 이동국으로부터의 통신을 핸들링하는 상기 다중-액세스 기지국을 고려하기 위해 상기 프레임 구조에서 가변적으로 지연되는 복수의 타임슬롯 중 하나인, 상기 입력 신호 할당기를 더 포함하는, 다중-액세스 기지국. - 제12항에 있어서, 상기 복수의 타임슬롯은, 복수의 채널 블록의 각각에 복수의 상이한 기지국-대-이동국 거리 범위의 각각을 할당함으로써 상기 복수의 기지국-대-이동국 거리를 갖는 상기 복수의 지상 이동국을 고려하기 위해 상기 프레임 구조에서 가변적으로 지연되는, 다중-액세스 기지국.
- 제13항에 있어서, 상기 다중-액세스 기지국은 지구 궤도에서 동작될 궤도 기지국이고, 상기 복수의 상이한 기지국-대-이동국 거리 범위는, 천정 거리(zenith distance)로부터 최소 고도 거리(minimum elevation distance)까지의 경사 범위(slant range)를 총괄하여 커버하고, 상기 천정 거리는, 지상 이동국에 대한 상기 다중-액세스 기지국을 운반하는 위성의 천정 위치 사이의 거리이며, 상기 최소 고도 거리는, 상기 지상 이동국이 상기 위성의 설계 풋프린트(design footprint)에 진입할 때의 상기 위성의 위치 사이의 거리인, 다중-액세스 기지국.
- 제14항에 있어서, 상기 상이한 기지국-대-이동국 거리 범위 각각은 34 킬로미터 내지 35 킬로미터에 걸쳐 있으며, 상기 천정 거리와 상기 최소 고도 거리 사이의 차이는 210 킬로미터 내지 250 킬로미터인, 다중-액세스 기지국.
- 제14항에 있어서, 상기 위성의 상기 설계 풋프린트는, 원형, 타원형, 또는 직사각형 중 하나이며, 안테나, 또는 안테나 빔 형상, 또는 안테나와 안테나 빔 형상 둘 모두와 독립적이거나, 또는 안테나, 또는 안테나 빔 형상, 또는 안테나와 안테나 빔 형상 둘 모두의 함수인, 다중-액세스 기지국.
- 복수의 지상 이동국과의 통신을 핸들링하는 하나 이상의 송수신기를 구비하는 다중-액세스 기지국으로서, 지상 이동국은, (1) 상기 지상 이동국으로부터 제한된 거리 이내에 있거나, (2) 상기 지상 이동국에 대해 제한된 속도 미만으로 이동하고 있거나, 또는 상기 지상 이동국으로부터 제한된 거리 이내에 있고 상기 지상 이동국에 대해 제한된 속도 미만으로 이동하고 있는 지상 셀룰러 기지국과의 기지국 통신을 예상하도록 구성되고, 상기 다중-액세스 기지국은,
프레임 구조에 따라서, 그리고 상기 지상 이동국이 제 1의 명시된 주파수에서 신호를 수신할 것을 그리고 제 2의 명시된 주파수에서 신호를 송신할 것을 예상하는 다중-액세스 프로토콜에 따라, 상기 다중-액세스 기지국에 의해 수신된 데이터를 파싱하는 데이터 파서로서, 상기 프레임 구조는 어떤 타임슬롯이 상기 복수의 지상 이동국 중 어느 지상 이동국에 할당되는지를 규정하는, 상기 데이터 파서;
상기 복수의 지상 이동국의 각각의 지상 이동국에 대해서, 상기 다중-액세스 기지국에 대한 상기 각각의 지상 이동국의 속도에 기인하는 상기 각각의 지상 이동국의 도플러 시프트(Doppler shift)를 결정하는 도플러 시프트 계산기(Doppler shift calculator);
상기 복수의 지상 이동국의 각각을 복수의 채널 블록 내의 채널 블록에 할당하는 채널 할당 모듈로서, 각각의 채널 블록은 지상 주파수 할당 및 도플러 주파수 오프셋 할당을 갖는, 상기 채널 할당 모듈;
상기 도플러 주파수 오프셋 할당의 도플러 주파수 오프셋을 사용하여 상기 지상 주파수 할당의 지상 주파수에서 상기 지상 이동국으로 신호를 변조하는 신호 변조기로서, 상기 도플러 주파수 오프셋은, 상기 지상 이동국이 상기 지상 주파수 할당의 상기 지상 주파수에서 상기 신호를 수신하도록 상기 다중-액세스 기지국과 상기 지상 이동국의 상대적 이동에 기인하여 상기 지상 이동국으로 송신되는 신호에서의 예상되는 도플러 시프트와 대응하는, 상기 신호 변조기; 및
상기 다중-액세스 기지국에 대한 상기 지상 이동국의 속도가 상기 제한된 속도를 초과함에도 불구하고, 상기 다중-액세스 프로토콜을 사용하여 그리고 상기 지상 이동국의 상기 도플러 주파수 오프셋을 고려하여 상기 지상 이동국으로부터의 통신을 수신할 수 있어서, 상기 통신이 상기 지상 셀룰러 기지국과 상기 지상 이동국 사이의 통신을 위해 상기 지상 이동국에 의해 사용되는 프로토콜과 호환되게 하는 프로그램 가능한 무선부를 포함하는, 다중-액세스 기지국. - 제17항에 있어서, 상기 다중-액세스 기지국에 대한 상기 지상 이동국의 속도는, 지구 궤도에서 상기 다중-액세스 기지국의 궤도 속도이고, 상기 도플러 주파수 오프셋은 5 킬로헤르츠 증분 단위로 변하는, 다중-액세스 기지국.
- 제17항에 있어서, 상기 복수의 지상 이동국과 통신하도록 더 구성되되, 상기 복수의 지상 이동국은 셀룰러 통신할 수 있는 셀룰러 전화 핸드셋, 스마트폰, 또는 무선 휴대용 디바이스를 포함하는, 다중-액세스 기지국.
- 제17항에 있어서, 상기 다중-액세스 기지국은 지구 궤도에서 동작될 궤도 기지국인, 다중-액세스 기지국.
- 제17항에 있어서, 상기 다중-액세스 기지국은 비행기, 드론, 또는 벌룬 상에, 또는 비행기, 드론, 또는 벌룬 내에 장착되는, 지구 대기에서 동작 가능한 기지국인, 다중-액세스 기지국.
- 제17항에 있어서, 복수의 타임슬롯, 복수의 캐리어 주파수, 복수의 직교 서브캐리어, 복수의 코드 시퀀스, 또는 이것의 조합에 걸쳐 분산되는 상기 다중-액세스 기지국의 용량을 상기 지상 이동국과 상기 복수의 지상 이동국들 중 다른 지상 이동국들간에 할당하기 위한 신호 할당 로직을 더 포함하는, 다중-액세스 기지국.
- 제17항에 있어서, 상기 복수의 채널 블록의 각각은, 업링크 서브채널에 대한 제1 연속 스펙트럼 및 다운링크 서브채널에 대한 제2 연속 스펙트럼을 갖는 업링크 서브채널 및 다운링크 서브채널을 갖고, 상기 채널 블록은, 인접한 채널 블록이 인접한 도플러 주파수 오프셋에 할당되도록 할당되는, 다중-액세스 기지국.
- 복수의 지상 이동국과의 통신을 핸들링하는 하나 이상의 송수신기를 구비하는 다중-액세스 기지국으로서, 지상 이동국은, (1) 상기 지상 이동국으로부터 제한된 거리 이내에 있거나, (2) 상기 지상 이동국에 대해 제한된 속도 미만으로 이동하고 있거나, 또는 상기 지상 이동국으로부터 제한된 거리 이내에 있고 상기 지상 이동국에 대해 제한된 속도 미만으로 이동하고 있는 지상 셀룰러 기지국과의 기지국 통신을 예상하도록 구성되고, 상기 다중-액세스 기지국은,
프레임 구조에 따라서, 그리고 또한, 상기 지상 이동국이 도플러 주파수 오프셋과 함께 명시된 주파수에서 신호를 수신할 것을 예상하고 지상 주파수 할당의 지상 주파수에서 신호를 송신하는 다중-액세스 프로토콜에 따라서 상기 다중-액세스 기지국에 의해 수신된 데이터를 파싱하는 데이터 파서로서, 상기 프레임 구조는 어떤 타임슬롯이 상기 복수의 지상 이동국 중 어느 지상 이동국에 할당되는지를 규정하고, 상기 프레임 구조는 상기 다중-액세스 기지국으로부터 상기 복수의 지상 이동국까지의 거리에 기인하는 가변 송신 지연을 제공하는 제로 또는 넌제로 타임슬롯 동기화 오프셋을 각각 갖는 복수의 슬롯을 포함하며, 상기 다중-액세스 프로토콜은 복수의 채널 블록 내의 채널 블록을 명시하되, 각각의 채널 블록은 지정된 지상 주파수 및 지정된 타임슬롯을 갖는, 상기 데이터 파서;
상기 다중-액세스 기지국과 상기 지상 이동국 사이의 상기 제한된 거리를 초과하는 기지국-대-이동국 거리에 기초하여 상기 지상 이동국으로 송신되는 신호에 대한 프레임 구조에 대한 신호 타이밍 조정을 결정하는 신호 타이밍 모듈로서, 각각의 채널 블록은 지정된 신호 타이밍 조정을 할당받는, 상기 신호 타이밍 모듈;
상기 복수의 지상 이동국의 각각의 지상 이동국에 대해서, 상기 다중-액세스 기지국에 대한 상기 각각의 지상 이동국의 속도에 기인하는 상기 각각의 지상 이동국의 도플러 시프트를 결정하는 도플러 시프트 계산기로서, 각각의 채널 블록은 지정된 도플러 주파수 오프셋을 할당받는, 상기 도플러 시프트 계산기;
상기 복수의 지상 이동국의 각각을, 상기 복수의 채널 블록 내의 지정된 채널 블록에, 지정된 신호 타이밍 조정 및 지정된 도플러 주파수 오프셋에 기초하여 할당하는 동적 채널 할당기로서, 상기 지정된 채널 블록 내의 채널의 수는, 지정된 신호 타이밍 조정 및 지정된 도플러 주파수 오프셋을 갖는, 또는 가질 것으로 예상되는 상기 복수의 지상 이동국의 수에 대응하는, 상기 동적 채널 할당기;
상기 도플러 주파수 오프셋을 사용하여 상기 지상 주파수 할당의 상기 지상 주파수에서 상기 지상 이동국으로 신호를 변조하는 신호 변조기로서, 상기 도플러 주파수 오프셋은, 상기 지상 이동국이 상기 지상 주파수 할당의 상기 지상 주파수에서 상기 신호를 수신하도록 상기 다중-액세스 기지국과 상기 지상 이동국의 상대적 이동에 기인하여 상기 지상 이동국으로 송신되는 신호에서의 예상되는 도플러 시프트와 대응하는, 상기 신호 변조기; 및
상기 기지국-대-이동국 거리가 상기 제한된 거리를 초과함에도 불구하고 그리고 상기 다중-액세스 기지국에 대한 상기 지상 이동국의 속도가 상기 제한된 속도를 초과함에도 불구하고, 상기 다중-액세스 프로토콜을 사용하여 그리고 상기 지상 이동국의 상기 도플러 주파수 오프셋을 고려하여 상기 지상 이동국으로부터의 통신을 수신할 수 있어서, 상기 통신이 상기 지상 셀룰러 기지국과 상기 지상 이동국 사이의 통신을 위해 상기 지상 이동국에 의해 사용되는 프로토콜과 호환되게 하는 프로그램 가능한 무선부를 포함하는, 다중-액세스 기지국. - 제24항에 있어서, 상기 다중-액세스 기지국에 대한 상기 지상 이동국의 속도는, 지구 궤도에서 상기 다중-액세스 기지국의 궤도 속도이고, 상기 도플러 주파수 오프셋은 5 킬로헤르츠 증분 단위로 변하는, 다중-액세스 기지국.
- 제24항에 있어서, 상기 복수의 지상 이동국과 통신하도록 더 구성되되, 상기 복수의 지상 이동국은 셀룰러 통신할 수 있는 셀룰러 전화 핸드셋, 스마트폰, 또는 무선 휴대용 디바이스를 포함하는, 다중-액세스 기지국.
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