KR20020005631A - 위성 통신 시스템에서의 라운드 트립 지연을 측정하는시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

서로 상대적으로 이동하는, 위성 (104) 와 이동 전화 (108) 와 같은, 제 1 물체와 제 2 물체간에 송신되는 신호의 라운드 트립 지연을 결정하는 시스템 및 방법이 개시된다. 제 1 물체 (104 및 108) 로부터 제 2 물체 (108 및 104) 로 제 1 신호를 송신한다 (404). 제 2 물체에서 전파 지연 D1후에 제 1 신호를 수신하며 (408), 지연 D1은 제 1 물체로부터 제 2 물체로 송신되는 제 1 신호에 의해 걸리는 시간이다. 제 2 물체는 제 1 신호의 주파수를 측정한다 (412). 그 후, 제 2 물체는 측정된 제 1 주파수의 보고를 포함하는 제 2 신호를 제 1 물체로 송신한다 (416). 제 1 물체에서 전파 지연 D2후에 제 2 신호를 수신하며, 지연 D2는 제 2 물체로부터 제 1 물체로 송신되는 제 2 신호에 의해 걸리는 시간이다. 제 1 물체는 제 2 신호의 주파수를 측정한다 (424). 그 후, 측정된 전체 지연, 및 제 1 신호와 제 2 신호의 측정된 주파수로부터 제 1 물체는 제 1 물체와 제 2 물체간의 거리를 결정한다 (428).

Description

위성 통신 시스템에서의 라운드 트립 지연을 측정하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING ROUND TRIP DELAY IN A SATELLITE COMMUNICATION SYSTEM}
무선 통신 환경에서는 이동 전화 위치 정보에 대한 요구가 증가되고 있다. 예를 들어, 위성 전화 통신 설비를 사용함에 따라, 빌딩 및/또는 지정학적 경계를 포함한 다양한 이유로 사용자 터미널의 위치를 결정하는 것이 중요하다. 예를 들어, 적당한 통신 링크를 제공하는 서비스 제공자 또는 지상국 (예컨대, 전화 회사) 를 선택하기 위해, 위치가 요구된다. 통상, 서비스 제공자는 소정의 지리적 영역에 할당되고, 그 영역에 위치한 사용자와의 모든 통신 링크 또는 호출을 처리한다. 정치적 경계 또는 다양한 계약상의 관계에 기초하여 호출을 서비스 제공자에게 할당되어야 할 때, 유사한 고려를 해야 한다.
특히, 위치 정보의 중요성을 확인할 수 있는 한 산업은 상업적 트럭 운송 산업이다. 상업적 트럭 운송 산업 또는 배달 사업에서는, 차량의 위치를 결정하는 효과적이고 정확한 방법을 필요로 한다. 차량 위치 정보에의 즉각적인 액세스로, 트럭 운송 회사는 다수의 이점을 얻는다. 트럭 회사는 고객에게 페이로드 (payload) 의 추정 도착 시간, 위치 및 루트를 계속 통지할 수 있다. 또한, 트럭 운송 회사는 차량 위치 정보 및 루팅의 효율성에 대한 경험적인 데이터를 사용함으로써, 가장 경제적으로 효율적인 루팅 경로 및 과정을 결정한다.
과거에는, 트럭 운전사가 목적지 및 경유지에 도착할 때, 전화를 통해, 트럭 운전사 스스로에 의해 트럭 운송 회사 홈 베이스로 차량 위치 정보를 전달하였다. 이러한 위치 보고는 기껏해야 간헐적이며, 왜냐하면, 트럭 운전사가 목적지 또는 경유지에 도착했을 때만이 트럭 운송 회사 홈 베이스로 전화를 걸 시간이 있기 때문이다. 또한, 이러한 위치 보고는, 사실상 화물 운송 차량의 실질적인 다운 시간을 유발하기 때문에, 트럭 운송 회사에게는 상당한 고비용이 든다. 이러한 다운 시간은, 위치 보고를 하기 위해서, 트럭 운전사는 루트로부터 차량을 벗어나야 하고, 홈 베이스로 전화를 걸기 위해 전화를 찾아야 하고, 위치 보고를 할 시간이 필요하다는 사실에 기인한다. 또한, 이러한 위치 보고 방법은 실질적인 부정확성을 남길 여지가 있다. 예를 들어, 트럭 운전사는 부정확한 정보를 실수로 또는 고의적으로 보고하거나, 또는 도착 및 출발 시간의 부정확한 값을 보고할 수도 있다.
즉, 상업적 트럭 운송 산업은 화물 하울링 (hauling) 트랙터에 사용하기 위한 다양한 이동 통신 터미널을 설치하고 있다. 이러한 터미널은 트럭 운송 회사 홈 베이스와 트럭간의 양방향 통신을 제공할 수 있다. 통상, 통신은 트럭과 네트워크 통신 센터 또는 허브간의 위성을 통해서 이루어진다.
각 이동 터미널에서 배차 결정을 제공하기 위해 무선 통신 설비를 사용하는 것은 상업적 트럭 운송 산업에 커다란 이점을 제공한다. 트럭 운송 회사 홈 베이스가 차량을 자유자재로 배차할 수 있기 때문에, 위치 보고는 더이상 간헐적이어서는 안된다. 트럭이 노선상에 있는 동안 위치 결정에 필요한 통신이 발생할 수 있기 때문에, 화물 하울링 차량의 다운 시간이 없는 것이 요청된다. 또한, 트럭 운송 회사 홈 베이스가 정확한 위치 정보를 거의 즉각적으로 확인할 수 있기 때문에, 위치 보고의 부정확성을 거의 제거할 수 있다.
그러나, 이동 터미널에서 무선 통신 설비를 사용하여 차량 또는 사용자 위치를 제공하는 것은, 위성 및 차량 모두의 위치가 지속적으로 변화하는 경우에는 곤란해진다. 즉, 신호를 송신하는 데 저 또는 중간 지구궤도 (LEO (low Earth orbiting) 또는 MEO (medium Earth orbiting)) 위성을 사용하는 경우, 및 사용자 또는 차량의 위치가 고속으로 또는 빈번히 변화하는 경우이다. 위성의 궤도 및 차량의 이동 때문에, 이들간의 거리가 지속적으로 변화한다. 이는, 위성과 이동국간의 거리, 및 궁극적으로는, 지구 표면상의 전화의 위치를 정확하게 측정하기 어렵게 한다. 이하, 이러한 문제점을, 서로 통신하는 2 개의 물체를 포함하는 예를 통해 더욱 자세히 설명한다.
통상, 서로 통신하는 2 개의 물체간의 거리는 다음과 같은 방법으로 결정할 수 있다. 제 1 물체는 제 1 신호를 송신하고 송신 시간을 보고한다. 제 2물체는 제 1 신호를 수신하고, 즉시 제 2 신호를 송신한다. 제 1 물체는 제 2 신호를 수신하고, 제 1 신호의 송신과 제 2 신호의 수신간에 경과된 전체 시간을 보고한다. 그 후, 제 1 물체는 라운드 트립 지연 (RTD) 을 관계식 RTD=cD/2 로부터 결정하고, 여기서, c 는 광속, D 는 제 1 신호의 송신과 제 2 신호의 수신 사이에 경과된 전체 시간이다. 그 후, 그 RTD 로부터 2 개의 물체간의 거리를 결정할 수 있다.
불행하게도, 간단한 관계식 (RTD=cD/2) 는, (a) 2 개의 물체가 고정 위치를 가지는 경우, 및 (b) 송신 유니트와 수신 유니트 모두의 발진기가 공지되어 있고 안정되어 있는 경우에만, 정확한 R 값을 제공한다. 즉, 물체들중의 하나의 물체가 다른 물체에 대해 상대적 운동하는 경우, 및/또는 송신기중의 한 송신기의 발진기가 본질적으로 불안정한 경우, 상기 간단한 관계식은 정확한 결과를 도출하지 못한다. 따라서, 제 1 물체가 궤도 통신 위성과 같은 이동체인 경우, 및, 제 2 물체가 차량상에 장착한 이동 전화와 같은 다른 이동체인 경우, 이 관계식은 정확한 결과를 제공할 수 없다. 위성의 궤도 및 이동 전화의 이동 때문에, 이들 양자간의 거리는 기간 D 동안에 변화한다. 이러한 시나리오에서는, R1은 위성이 제 1 신호를 송신할 때 위성과 이동 전화간의 거리이고, R2는 위성이 제 2 신호를 수신할 때 거리이다. 말할 필요도 없이, 이동 전화와 위성간의 실제 거리 (R1및 R2) 를 결정하기 어렵다. 이 거리는 게이트웨이와 이동 전화간의 신호의 라운드 트립 지연 (RTD) 의 함수로써 결정할 수 있다. 따라서, RTD 를 정확히 결정하기 위한 메커니즘이 필요하다.
이전에, 2 개의 약간 다른 시간 인스턴스에서 위성으로부터 이동국까지의 거리인 R1또는R2를, 이들의 합을 포함하는 측정으로부터, 정확히 결정할 수 없었기 때문에, 이동 전화의 위치를 효과적으로 결정하기가 어려웠다. R1또는 R2를 효과적으로 결정하는 방법이 제공되면, 이동 전화의 위치를 결정할 수 있을 것이다. 거리 변화율과 동등한 절대적인 도플러 및 R1(또는 R2) 을 사용하여, 이동 전화의 위치를 결정할 수 있다. 거리 변화율을 결정하는데 사용되는 진정한 도플러 를 얻는 것은, 1998년 9월 9일 출원된 관련된 미국 특허출원 번호 제 09/150,500 호, 발명의 명칭 "Accurate Range and Range Rate Determination in a Satellite Communication System" 의 내용이며, 여기에 참고하였다. 여기서는 개시된 내용의 기술을 간단히 설명한다 (하기 식 18 참조). R1및 R2결정의 주요 이점은 이동 전화의 위치를 구할 수 있다는 것이다.
본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히, 지구 궤도 위성과 통신하는 사용자 터미널의 위치를 결정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 게이트웨이와 사용자 터미널간의 액세스 채널상의 라운드 트립 지연을 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명을 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 도면에서는, 동일 도면 부호는 동일한 요소, 기능적으로 유사한 요소, 및/또는 구조적으로 유사한 요소들을 나타낸다. 한 요소가 처음으로 나타나는 도는 도면 부호의 최좌측 수로 나타낸다.
도 1 은 위성 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2 는 본 발명에 따른, 위성과 이동 전화간의 거리를 결정하는 방법을 나타낸 타이밍도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 방법 1 및 3 을 나타낸 흐름도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 방법 2 를 나타낸 흐름도이다.
도 5 는 본 발명에 따른 방법 4 를 나타낸 흐름도이다.
본 발명은, 서로 상대 운동하는 위성 및 이동 전화와 같은 제 1 물체와 제 2 물체간에 송신된 신호의 라운드 트립 지연을 결정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 태양에서는, 제 1 물체로부터 제 2 물체로 제 1 신호를 송신한다. 제 2 물체에서 전파 지연 D1후에 제 1 신호를 수신하며, 여기서, 지연 D1은 제 1 물체로부터 제 2 물체로 송신되는 제 1 신호에 의해 걸리는 시간이다.제 2 물체에서 제 1 신호의 주파수를 측정한다. 그 후, 제 2 물체는 제 1 물체로 측정된 제 1 주파수의 보고를 포함하는 제 2 신호를 송신한다. 제 2 신호는 제 1 물체에서 전파 지연 D2후에 수신되고, D2는 제 2 물체로부터 제 1 물체로 송신되는 제 2 신호에 의해 걸리는 시간이다. 제 1 물체는 제 2 신호의 주파수를 측정한다. 그 후, 제 1 물체는 측정된 지연, 및 제 1 및 제 2 신호의 측정된 주파수로부터 라운드 트립을 결정한다.
다른 태양에서는, 본 발명은 서로 상대적으로 이동하는 제 1 물체와 제 2 물체간에 송신된 신호의 라운드 트립 지연을 결정하는 것에 관한 것으로, 제 1 물체로부터 제 1 신호가 송신된다. 제 2 물체에서 전파 지연 D1후에 제 1 신호를 수신한다. 그 후, 제 2 물체는 제 2 신호를 제 1 물체로 송신하고, 제 1 물체에서 전파 지연 D2후에 제 2 신호를 수신한다. 제 1 물체에서 제 2 신호의 주파수를 측정한다. 그 후, 제 1 물체는 측정된 지연과 제 1 신호 주파수로부터 라운드 트립 지연을 결정하며, 이 라운드 트립 지연은 제 2 신호에 의해 송신된 거리의 함수이다.
또다른 태양에서는, 본 발명은 서로 상대 이동하는 제 1 물체와 제 2 물체간에 송신되는 신호의 라운드 트립 지연을 결정하는 것에 관한 것으로서, 제 1 신호가 제 1 물체로부터 송신되고, 제 2 물체에서 전파 지연 D1후에 수신된다. 제 2 물체는 그 제 1 신호로부터 주파수를 측정하고 그 측정된 제 1 신호 주파수의 보고를 포함하는 제 2 신호를 제 1 물체로 송신한다. 제 1 물체에서 전파 지연D2후에 그 제 2 신호를 수신한다. 그 후, 제 1 물체는 제 1 신호 주파수로부터 라운드 트립 지연을 결정하며, 이 라운드 트립 지연은 제 2 물체로부터 제 1 물체로의 제 2 신호의 전파시 영향을 받는 지연의 함수이다.
이하 본 발명의 다양한 실시예들의 구조 및 동작, 및 본 발명의 다른 특징 및 이점들을 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
1. 본 발명의 개관 및 논의
이동 전화 무선 시스템, 특히, 위성 전화 시스템에서는, 이동전화 유니트 (또는 사용자 터미널) 의 위치를 결정하는 것이 바람직하고 중요하다. 사용자 터미널 위치 정보에 대한 필요성은 몇 개의 고려사항으로부터 비롯된다. 우선, 사용자 터미널의 위치는 사용자가 위치한 지리적 영역을 결정하고, 통신 서비스를 그 영역의 사용자에게 제공하는 서비스 회사를 결정한다. 또한, 사용자 터미널의 위치를 결정하는 것은, 적당한 서비스 제공자가 통신 서비스를 사용자에게 제공하는 대가로 지불 신용을 수신하는 것, 서비스에 대한 계약 또는 특징들이 제공되는 것, 또는 가장 적당한 지상국을 사용하는 것을 보장하기 위한 선결조건이다.
또한, 일부 상황에서는 정치적 경계에 기초한 지정학적 현안도 고려해야 한다. 국가 #1 및 국가 #2 가 적대적인 인접국 관계인 경우, 다음과 같은 시나리오를 고려한다. 사용자 터미널은 국가 #1 에서 동작하며, 여기서, 서비스 제공자는 통신 서비스를 제공한다. 국가 #2 의 서비스 제공자가 서비스에 대한 지불 신용을 부정확하게 수신하면, 부정확하게 입금된 금액을 국가 #2 로부터 국가 #1 로 송금하기 어려워질 수도 있다. 2 개의 국가간을 여행하는 사용자를 위한 서비스에 대해 다양한 계약 관계가 존재하면, 적당한 수준의 서비스를 현재 사용자 위치 등에 제공하기 어려워질 수도 있다.
종래의 한 위치 결정 접근방식은 미국 해군의 TRANSIT 시스템에서 사용된 방식이 있다. 이 시스템에서는, 사용자 터미널은 저 지구궤도 (LEO) 위성에 의해 방송되는 신호의 도플러 측정을 지속적으로 행한다. 이 측정은 수 분동안 지속된다. 이 시스템은, 100 분 이상의 대기를 필요로 하면서, 위성의 2 회 통과를 필요로 한다. 또한, 위치 계산을 사용자 터미널에 의해 행하기 때문에,위성은 그 위치에 관한 정보 (또한 "이페머리스 (ephemeris)" 라고 공지됨) 를 방송하여야 한다. TRANSIT 시스템은 높은 정확성 (1 미터 정도) 을 가지지만, 위치를 확정하는데 요하는 지연은, 상업적 위성 통신 시스템에 사용하기에는 부적합하다.
종래의 다른 접근방식은, ARGOS 및 SARSAT (Search and Rescue Satellite) 시스템에서 사용하는 방식이 있다. 이 접근방식에서는, 사용자 터미널은 간헐적인 비컨 (beacon) 신호를 신호의 주파수 측정을 하는 위성상의 수신기로 송신한다. 통상, 위성이 4 개 이상의 비컨 신호를 사용자 터미널로부터 수신하면, 사용자 터미널의 위치를 해석할 수 있다. 비컨 신호가 간헐적이기 때문에, TRANSIT 시스템에 의해 행해지는 것과 같은 연장된 도플러 측정은 유용하지 않다.
종래의 또다른 접근방식은, 위성위치확인시스템 (GPS;Global Positioning System) 에서 사용하는 방식이 있다. 이 접근방식에서는, 각각의 위성은 위성의 이페머리스 (ephemeris) 를 포함하는 타임 스탬핑된 (stamped) 신호를 방송한다. 사용자 터미널이 GPS 신호를 수신할 때, 사용자 터미널은 자신의 클록에 관계된 송신 지연을 측정하고 송신하는 위성의 위치까지의 의사 거리 (pseudo-range) 를 결정한다. GPS 시스템은 2 차원 위치를 결정하는 데에 3 개의 위성을, 그리고 3 차원 위치를 결정하는 데에는 제 4 위상을 필요로 한다.
GPS 접근방식의 한 단점은 위치 결정하는데 3 개 이상의 위상을 요한다는 것이다. GPS 접근방식의 다른 단점은, 사용자 터미널에 의해 계산이 행해지기 때문에, GPS 위성은 이페머리스 정보를 방송하여야 하고, 사용자 터미널은 필요한 계산을 행하기 위해 계산 자원들을 가지고 있어야 한다.
상술한 모든 접근방식들의 단점은, 이러한 접근방식들을 이용하기 위해, 통신 시스템에 필요한 것에 더하여, 사용자 터미널이 별도의 송신기 또는 수신기를 가지고 있어야 한다.
이러한 이유로, 많은 사람들은 위성 통신 환경에서 고속 위치 결정을 할 수 있는 위치 결정 시스템이 필요하다는 것을 인식하였다. 또한, 위성 및 사용자 터미널에서 최소한의 추가 자원들로 사용자 터미널의 위치를 정확하게 결정하는 저비용의 위치 결정 시스템이 필요하다.
위성 통신 시스템에서는, 이동 사용자 터미널의 위치는, 위성과 이동 사용자 터미널간의 거리 및 그 거리 변화율의 함수로써 결정할 수 있다. 둘 다 게이트웨이 (고정 지상국 트랜시버) 로부터 이동 사용자 터미널로 위성 인터페이스를 통해 송신된 신호 및 게이트웨이로의 반송 신호의 라운드 트립 지연의 함수이다. 지구 둘레의 궤도상의 위성이 이동 및 지구 표면상의 이동 전화의 이동 때문에, 이 둘간의 거리는 지속적으로 변화한다.
사용자 터미널과 위성간의 지리적 관계의 변화에 가장 큰 기여는 위성 이동에 기인한다. LEO 위성은 시간당 16,000 mile 또는 초당 약 4.4 mile 정도의 궤도 속도로 이동한다. 이와는 대조적으로, 사용자 터미널은 시간당 60 mile (약 초당 88 feet) 미만의 지상 속도로 이동한다. 사용자 터미널의 위치의 변화가 위성 위치의 변화에 비해 상대적으로 작으므로, 사용자 터미널 위치 변화를 실제적으로 무시할 수 있다. 그러나, 이러한 상대적인 이동때문에, 이동 전화 (또는 사용자 터미널) 와 위성간의 거리를 정확하게 측정하기 어렵다. 따라서, 이동 전화의 위치를 결정하기 어렵다. 이는, 이동 전화의 위치를 정확하게 결정해야 하는 무선 통신 시스템에서 문제점을 발생시킨다.
본 발명은 이러한 문제점에 대한 해결방법을 제공한다. 본 발명은 게이트웨이와 이동 전화간에 송신된 신호의 라운드 트립 지연을 결정하는 방법을 제공한다. 이러한 정보로부터, 이동 전화와 위성간의 거리를 결정할 수 있다. 또한, 본 발명의 가장 중요한 효과는, 이동 전화의 위치를 나중에 정확하게 결정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시는 위성과 이동전화에 한정하여서는 안된다. 사실, 넓은 의미에서는, 본 발명은, 서로 통신하는 2 개의 물체간의 거리를 결정하는데 사용할 수 있다.
2. 예시적인 환경
본 발명을 상세히 설명하기 전에, 본 발명을 구현할 수 있는 예시적인 환경을 서술하는 것이 유용하다. 넓은 의미에서는, 본 발명은, 다양한 통신 시스템에 구현할 수 있다. 이러한 통신 시스템 (100) 이 도 1 에 도시된다. 특히, 도 1 은 궤도 경로 (0) 상에서 이동하는 위성 (104) 을 나타낸다. 이동국, 전화, 또는 사용자 터미널 (108) 은 지구 (E) 의 표면에 또는 표면 근처에 사실상 위치하고 있다. 이동 전화 (108) 은 셀룰러폰, 또는 데이터 또는 위치 결정 트랜시버 등의 무선 통신 장치를 포함하고, 원하는 대로 휴대형 또는 차량장착형일 수 있다. 그러나, 본 발명의 교시는 위치 결정을 요구되는 고정 유니트에 적용할 수도 있다. 위성은 신호를 사용자 터미널 (UT) 이라고 하는 이동 전화 (108) 로 게이트웨이 (GW) 라 하는 고정 지상국 (112) 을 통해 송신하고, 이동 전화 (108) 로부터 신호를 고정 지상국 (112) 을 통해 수신한다.
도 1 은 동적 환경에서 위성 (104) 과 이동 전화 (108) 사이의 거리를 측정하는 것과 관련된 문제점들을 나타낸다. 이러한 동적 환경은 궤도 (0) 상의 위성 (104) 의 이동 및 지구 표면상의 UT (108) 의 이동에 의해 만들어진다. 이는, 위성 (104) 와 UT (108) 사이의 거리를 정확하게 측정하기 어렵게 하고, 결국에는 UT (108) 의 위치를 정확하게 측정하기 어렵게 한다.
이러한 예시적인 환경에서는, 게이트웨이 (112) 는 위성 (104) 을 통해 UT (108) 과 통신한다. 시간 t-1에서, 게이트웨이 (112) 는 순방향 업링크 페이징 신호 Sfu를 위성 (104) 으로 송신한다. 이 시간을 t-1로 지정하는 이유는 추후 자세히 설명한다. 시간 t0에서, 위성 (104) 의 회로는 신호 Sfu를 순방향 다운링크 신호 Sfd로 변환시키고, 이 Sfd를 UT (108) 로 송신한다. UT (108) 는 시간 t1에서 신호 Sfd를 수신한다. UT (108) 는 시간 t2에서 위성 (104) 에 의해 수신되는 역방향 업링크 신호 Sru를 즉시 송신한다. 위성 (104) 은 신호 Sru를 게이트웨이 (112) 로 송신되는 역방향 다운링크 신호 Srd로 변환시키고, 시간 t3에서 게이트웨이 (112) 는 이 Srd를 수신한다. 신호 (Sfu및 Sfd)는 하나 이상의 페이징 채널상으로 송신한다. 신호 (Sru및 Srd) 는 사용자 터미널에 의해 게이트웨이를 "액세스" 하는데 사용되는 액세스 채널을 통해 송신된다. 사용자 터미널은 시스템을 등록하거나, 발호하거나, 또는 게이트웨이에 의해 송신된 페이징 요구에 회신하기 위해, 액세스 메시지를 포함하는 액세스 채널상으로 데이터를 송신함으로써, 게이트웨이를 액세스한다.
시간 t0와 t2사이의 경과된 기간, 즉, t2-t0동안, 위성 (104) 은 위치를 변화한다. 또한, UT (108) 는 위치를 변화한다. 그러나, 상술한 이유로, UT (108) 의 위치 변화를 무시할 수 있다. 그 결과, UT (108) 과 위성 (104) 간의 거리는 R1으로부터 R2로 변화한다. 상술한 바와 같이, 위치의 변화에 가장 큰 기여는 궤도상에 있는 위성의 이동에 기인한다.
본 발명은 이러한 예시적인 환경을 이용하여 설명한다. 이러한 용어를 사용하여 설명하는 것은 단지 편의상으로 하는 것이다. 본 발명은 이러한 예시적인 환경의 애플리케이션에 한정하려는 것이 아니다. 실제로, 다음의 설명을 읽으면, 당업자는 대체 환경에서 본 발명을 구현할 수 있는 방법을 명백히 알 수 있다.
3. 본 발명
본 발명에서는, 게이트웨이 (112) 는 주기적인 간격으로 페이징 신호 Sfu를 송신한다. 본 발명의 설명을 위해, 신호 Sfu는 시간 t1에서 게이트웨이(112) 에 의해 송신되고 시간 t0에서 위성 (104) 에 의해 수신된다고 가정한다. 게이트웨이 (112) 에 위치한 송신기는, 순방향 링크 신호 Sfu의 주파수를 사전 보정하여, 위성 (104) 과 게이트웨이 (112) 간의 상대적인 이동에 기인한 도플러 시프트를 보상한다. 게이트웨이 (112) 에 대해 위성 (104) 의 상대적인 이동이 인식되어 있기 때문에, 신호가 위성 (104) 에 도달할 때, 신호가 상대적인 이동에 기인한 도플러 시프트에 영향을 받지 않도록 신호를 보상한다. 즉, 송신기는 신호 Sfu를 사전 보정하여, 도플러 쉬프트를 보상한다.
또한, 게이트웨이 (112) 의 송신기는 신호 Sfu의 타이밍을 사전 보정한다. 5 ~ 15 ms 정도의 신호 지연은 게이트웨이 (112) 로부터 송신 시간과 위성 (104) 에 의한 수신 시간 사이에 또한 그 역의 시간 사이에 발생한다. 위성 (104) 과 UT (108) 간에 송신된 신호에서 동일한 지연이 발생한다. 순방향 링크에서는, 신호 Sfu의 타이밍만을 사전 보정한다. 신호가 위성 시간이라 하는 인식된 시간에 또는 인식된 타이밍으로 위성에 도달할 수 있도록, 신호 Sfu의 타이밍을 지속적으로 조절한다. 즉, 게이트웨이 송신기는, 게이트웨이와 위성간의 거리에 관계없이 소정 시간에 위성에 신호가 동기화되도록, 위성 (104) 으로 송신되는 신호 Sfu의 타이밍을 조절한다.
타이밍을 사전 보정한 결과는, 전파 지연의 변화에 기인한 사용자 터미널에서의 타이밍 불확실성이 저감된다는 것이다. 순방향 링크 신호의 업링크 부분의 타이밍이 공지되어 있기 때문에, 전파 지연에 기인한 불확실성만이 순방향 링크의 다운링크 부분에서 발생한다. 즉, 타이밍을 미리 조절함으로써, 순방향 링크의 타이밍 불확실성은 약 1/2 만큼 저감된다.
주파수 및 타이밍에 대한 유사한 사후 보정 조절은 위성 (104) 로부터 게이트웨이 (112) 로 송신되는 신호 Srd에 행한다. 그러나, 위성 (104) 와 UT (108) 와의 거리가 알려져 있지 않기 때문에, 시스템은 신호 (Sfd또는 Sru) 를 사전 보정할 수 없다.
CDMA 시스템에서의 신호의 타이밍을 지속적으로 사전 보정 및 사후 보정하는 것은, PN 확산 코드 시퀀스의 각 코드가 게이트웨이와 위성간의 거리에 관계없이 다른 위성 또는 게이트웨이와 동일한 시간에 소정의 위성 또는 게이트웨이에 도달하게 한다. 즉, 위성에서의 순방향 링크 신호의 업링크 부분, 및 게이트웨이에서의 역방향 링크 신호의 다운링크 부분은 어떠한 코드 도플러도 나타내지 않는다. 따라서, 바람직하게는, 게이트웨이 (112) 로부터 즉시 송신된 것처럼 위성 (104) 에서 수신되는 신호가 위성 (104) 에 의해 효과적으로 확인될 수 있도록, 신호 Sfu를 도플러 및 시간에 대해 사전 보정한다. 즉, 위성 (104) 이 신호 Sfu를 수신하는 시간을 시간 t0라 한다.
신호의 사전 보정 및 사후 보정은 S. Kremm 에 의해 1996년 9월 30일 출원된 미국 특허출원 번호 제 08/723,490 호, 발명의 명칭 "Time and Frequency Correction For Non-Geostationary Satellite Communications System" 에 상세히기재되어 있으며, 이 출원에 개시된 내용을 참고로 전체로서 여기에 인용되었다.
상술한 바와 같이, 게이트웨이 (112) 는 시간 t-1에서 위성 통신 시스템의 페이징 채널상으로 메시지를 캐리어 변조 신호 Sfu로서 송신한다. 이 메시지는 게이트웨이 (112) 에 의해 행해진 사전 보정에 대해 조절된 메시지의 송신의 시간 이상을 포함한다. 위성 (104) 은 시간 t0에서 캐리어 변조된 신호 Sfd를 송신한다. 신호 Sfd는 시간 t1에서 UT (108) 에 의해 수신된다. 신호 Sfd를 수신하면, UT (108) 는 캐리어 변조된 응답 메시지를 신호 Sru로서 송신한다. 이 응답 메시지는 게이트웨이 (112) 에 의해 라운드 트립 지연을 결정하는데 사용되는 정보를 포함한다. 응답 메시지에 포함된 정보의 중요 부분은 UT (108) 에 의해 인식되는 신호 Sfd의 수신 시간이다. 그러나, 이 시간 정보는 게이트웨이 (112) 에 의해 직접 사용될 수 없다. UT (108) 에서의 신호 Sfd의 수신 시간을 UT (108) 의 국부 발진기에 의해 제공되는 신호에 기초한 국부 사용자 터미널 시간에 따라 측정한다. 문제점은, UT (108) 의 국부 발진기가 내재적으로 불안정하거나 또는 가변이라는 것이다. 즉, 비용을 감소시키고 회로를 간단하기 하기 위해서는, UT 발진기는 비교적 저가이고, UT 발진기를 부정확하게 만드는 드리프트 및 다른 변화들에 의해 영향을 받아, 출력 신호, 및 이러한 신호에 기초한 시간 측정치에서 에러를 발생시킨다. UT (108) 의 수정 발진기는 10 ppm 정도의 주파수 에러를 가질 수도 있다. 이는, 상당한 에러를 시간 측정치에 유도한다.
UT (108) 에 의해 송신된 신호 Sru상의 응답 메시지는, 시간 t2에서 위성 (104) 에서 수신하고, 시간 t3에서 신호 Srd로서 게이트웨이 (112) 에서 수신한다. 응답 메시지는 UT (108) 가 게이트웨이 (112) 에 의해 송신된 송신 메시지를 수신한 시간에 대한 정보를 포함하고, 그 시간은 UT (108) 에 의해 인식된다. 게이트웨이 (112) 는, 신호 Srd를 수신하기 시작한 후부터 시간 t4에서 신호 Srd에 포함된 정보를 측정하기 전까지의 기간동안 대기한다. 이 목적은 메시지의 시작으로부터 가능한 한 오래 대기하는 것이다. 이는, 대기가 길어질수록 시간 추적 회로가 더 확실히 로킹하기 때문에, 더 정확하게 측정할 수 있다.
너무 오래 대기하면, 신호 Srd의 메시지의 타이밍의 측정을 시작할 수 없다는 문제점이 있다. UT (108) 는, UT (108) 가 시간을 인식하는 시점에서 송신을 시작한다. 그러나, UT (108) 는 메시지를 만들어야 하고 그 메시지내에 신호 Sfd의 메시지를 수신한 시간 및 신호 Srd의 메시지를 수신한 시간을 기입하여야 한다. 응답 메시지로 기입되는 시간은 UT (108) 가 신호 Sfd상의 메시지를 수신한 시간 TRX이다. 이는, UT (108) 가 신호 Sru상의 메시지를 수신한 시간 TTX와 동일하다.
UT (108) 에 의해 발생된 응답 메시지 신호는 일정 특징을 가진다. 한 특징은 데이터를 일정 레이트로 체크 아웃한다는 것이다. 다른 특징은 정보 신호를 캐리어 주파수로 변조한다는 것이다. 2 가지 특징 모두 동일한 고유의 에러 경향이 있는 UT (108) 의 수정 발진기로부터 비롯된다. 게이트웨이 (112) 가 UT (108) 에 의해 발생되는 신호의 주파수를 측정할 수 있고, 적당한 주파수를 결정할 수 있고, 측정에 의해 게이트웨이 (112) 가 실제 주파수를 인식하면, 게이트웨이 (112) 는 주파수 측정에서의 차이에 기초하여 UT (108) 의 국부 발진기의 특성을 결정할 수 있다. 또한, 신호 Sru및 Srd상으로 송신되는 데이터를 클록킹하는데 사용되는 UT (108) 의 국부 발진기에 대한 정보를 인식하면, 게이트웨이 (112) 는 그 정보를 사용하여 UT (108) 에 의해 송신된 메시지의 실제 길이를 결정할 수 있다. 그 후, 그 정보로부터, 게이트웨이 (112) 는 UT (108) 에 의해 송신된 메시지의 실제 시작의 더 나은 추정치를 결정할 수 있다.
본 발명의 특징은, 게이트웨이 (112) 가 UT (108) 로부터 수신된 신호상에 이루어지는 주파수 측정을 사용할 수 있고, 이 측정된 주파수를 이론상의 캐리어 주파수와 비교하여 UT (108) 가 메시지 송신을 시작하는 실제 시간의 최선의 추정치를 계산할 수 있다는 인식이다. 그러나, 그 자체로는, 이 측정은 UT (108) 의 위치를 정확하게 결정하는데 필요한 정보를 제공하지 못한다. UT (108) 에 의해 송신된 신호의 주파수를 단순히 측정하는 것은 궤도상의 위성 (104) 의 이동에 의해 유발되는 도플러 효과를 고려하지 못한다. 도플러 효과는 수신된 신호의 주파수가 송신되는 신호의 주파수와는 다르게 한다. 또한, 각 신호 (Sfd, Sru및 Srd) 는 도플러에 의해 영향을 받는다. 도플러 자체가 변화한다. 이는, 본 발명의 알고리즘 또는 방법 단계에서 고려되거나, 또는 무시될 수 있는 제 2 오더 효과를 생성시킨다.
본 발명의 방법 및 시스템은 위치 결정에 필요한 한 세트의 측정치를 만든다. 본 발명은 UT (108) 의 내부 클록 타이밍의 에러를 보상하여 일정 순간에 UT (108) 과 위성 (104) 간의 거리를 결정한다. 게이트웨이 (112) 는 시간 t4에서 UT (108) 로부터 수신된 신호를 측정하기 시작한다. 그 후, 게이트웨이 (112) 는 UT (108) 로부터 수신된 메시지의 길이를 측정한다. 그 후, 게이트웨이 (112) 는 측정 시간에서 메시지 길이를 차산하여 수신된 메시지의 시작 시간을 결정한다. 이 측정치는 수신 신호의 정확한 시작/수신 시간 t3을 제공한다. 이 정보로부터, 위성 (104) 와 UT (108) 간의 거리를 계산할 수 있다.
다른 측정치는 게이트웨이 (112) 에서 수신된 신호의 캐리어 주파수이다. 도플러를 보정함으로써, UT (108) 의 송신 주파수를 결정할 수 있다.
요약하면, 다음과 같은 정보를 인식하거나, 계산하거나, 또는 추정할 수 있다.
1. 게이트웨이 (112) 에서 수신된 신호 Srd의 주파수를 측정할 수 있다.
2. 게이트웨이 (112) 와 위성 (104) 간의 거리를 양호한 근사법으로 인식한다.
3. 게이트웨이 (112) 로부터 위성 (104) 로의 신호 Sfu의 주파수를 인식한다.
4. 게이트웨이 (112) 와 위성 (104) 간의 도플러를 인식한다.
5. 위성 (104) 에서의 신호 Sru의 주파수를 상술한 인식 또는 측정된 정보로부터 계산할 수 있다.
6. 위성 (104) 로부터 UT (108) 로의 신호 Sfd의 도플러를 합당하게 추정할 수 있다.
상술한 인식되거나, 측정가능하거나, 또는 합당하게 추정가능한 정보로부터, 재보정하여 UT (108) 의 전송 주파수를 추정할 수 있다.
위성 (104) 은 순방향 업링크 주파수를 순방향 다운링크 주파수로 전환하고, 역방향 업링크 주파수를 역방향 다운링크 주파수로 전환시킨다. 이러한 주파수들을 본 예시적인 시스템에서는 서로 다르다고 가정했지만, 전달 과정을 간단화하기 위해 일부 통신 시스템 설계에서는 동일하게 할 수 있지만, 여전히 도플러에 의해 영향을 받는다. 위성에서는, 변환기는 명목상의 주파수뿐만 아니라 도플러 주파수도 변환시킨다. 즉, 변환되는 실제 주파수는 명목상의 플러스 도플러 (fn+ fd) 이다.
본 발명은, 위성이 주파수 변환기로 "벤트 (bent) 파이프" 로서만 작동하는 환경에서 동작시키려는 것이다. 본 발명에 사용하기 위해 고안된 위성은 도플러를 보정하는 것과 같은 작업을 달성하기 위해 구성된 지능을 가지지 않는다. 또한, 위성이 역방향 업링크 및 순방향 다운링크 주파수상의 도플러에 대해 보정하는 것은 매우 어렵다. 이는, 위성이 사용자 터미널의 위치를 알지 못하기 때문이다. 또한, 위성은 다수 사용자 터미널로부터 신호를 수신하는 것과 다수 사용자 터미널로 신호를 송신하는 것을 동시에 행한다. 사용자 터미널의 위치를 인식한다 하더라도, 위성은 다수 사용자 터미널로 및 다수 사용자 터미널로부터의 각각의 동시적인 송신에 대한 도플러를 보정하지 못한다. 업링크 및 다운링크 신호중의 하나 또는 모두에 도플러를 보정하는 지능을 가진 위성 시스템에서 본 발명의 기술을 이용하는 것을 원한다면, 당업자는 관계된 알고리즘으로부터 적당한 변형을 행할 수 있다는 것이 명백하다.
도 2 는 순방향 다운링크와 역방향 업링크 신호의 타이밍도이다. 도 2 에서는, 점 t4은, 라운드 트립 신호 지연을 결정하기 위해 UT (108) 가 게이트웨이 (112) 에 의해 사용되는 응답 신호의 송신을 시작하는 마커 (marker) 로서, UT (108) 에 의해 선택되는 순방향 다운링크 신호의 타이밍 점을 나타낸다. 게이트웨이 (112) 는 시간 마커 ta를 발생시키고, 게이트웨이는 신호 (Sfu및 Sfd) 내의 임시 위치를 인식한다. 마커 ta는 신호 Sfd의 일부로서 위성 (104) 으로부터 송신되고 지연 D1후에 UT (108) 에서 수신된다. 지연 D1은 위성 (104) 과 UT (108) 간의 거리의 함수이다. UT (108) 가 마커 ta를 수신하면, 즉시, 서로 다른 UT 로부터 신호간의 충돌을 피하기 위해 약 200 ㎲ 이하의 거리로 지연 Dr내에 작게 이루어지면, UT (108) 는 역방향 업링크 채널을 통해 응답 신호를 송신하기 시작한다.
다양한 액세스 신호 포맷을 사용할 수 있지만, UT (108) 에 의해 송신되는 액세스 신호에 대한 바람직한 구조는 3 개의 부분, 즉, 예비 프리앰블 (preamble) (블록 A), 주 프리앰블 (블록 B) 및 데이터 블록 (블록 C) 을 포함한다. 따라서, 각 액세스 메시지는 프리앰블 어드레스부 (도 2 의 블록 (A 및 B)) 및 데이터부 (도 2 의 데이터 블록 C) 로 나뉘어진다. 각 메시지 프리앰블부의 송신은 소정의 기간만큼 데이터부의 송신에 선행하여, 게이트웨이가 추적 회로를 조절하고 데이터부의 도달전에 수신 신호를 동기화시키게 한다. 이러한 형태의 신호를 사용하는 것은 1998년 6월 16일 출원된, 미국 특허출원 번호 제 09/098,631 호, 발명의 명칭 "Rapid Signal Acquisition And Synchronization For Access Transmissions" 에 상세히 기재되어 있으면, 이 출원의 개시된 내용을 참고한다.
신호 Sru는 위성 (104) 에서 시간 tm에서 수신된다. 이는, 프리앰블 (블록들 (A 및 B)) 의 단부가 위성 (104) 에 의해 수신되는 때이다. 지연 기간 D2은 tm에서 위성 경로 지연, 즉, UT (108) 와 위성 (104) 간의 거리에 기인한 송신 시간의 지연과 동일하다. 프리앰블 블록들 (A 및 B) 및 데이터 블록 C 를 포함하는 신호는 게이트웨이 (112) 에 의해 실제 수신된다. 그러나, 게이트웨이 (112) 가 위성 (104) 의 정확한 위치를 어느 때라도 인식하기 때문에, 게이트웨이 회로는 역방향 다운링크 신호 Sru에 대해 사후 보정을 행하여 신호 Sru의 프리앰블 블록들 (A 및 B) 의 단부를 위성에서 수신할 때를 결정한다. 데이터 블록 C 은 시간 마커 ta에 대한 정보를 포함한다. 또한, 게이트웨이 (112) 는 블록들 (A및 B) 의 길이를 인식한다. 게이트웨이 (112) 는 UT (108) 에 의해 송신되는 신호의 주파수 또는 갭들 (D1또는 D2) 의 길이를 인식하지 못한다.
또한, 게이트웨이 (112) 는 도플러 주파수를 고려하여야 한다. 도플러가 UT (108) 로부터 위성 (114) 으로의 송신 과정에서 상당히 변화하지 않는다고 상정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 게이트웨이 (112) 는 페이징 채널상으로 신호를 송신한다. UT (108) 는 전파 지연 D1후에 이 신호를 수신한다. 게이트웨이 (112) 와 UT (108) 간에 이 신호가 전달되는 거리는 순방향 거리라고 한다.
UT 는, 액세스 신호 충돌을 피하기 위해, 소정의 가드 (guard) 기간 후에 소정의 액세스 메시지의 프리앰블부를 송신한다. 게이트웨이 (112) 는 전파 지연 D2후에 이 프리앰블부를 수신한다. UT (108) 과 위성 (104) 간에 프리앰블부가 전달되는 거리는 역방향 거리라고 한다.
UT (108) 가 게이트웨이에 의해 송신된 신호를 수신할 때, UT (108) 는 송신된 게이트 신호로부터 제 1 주파수를 측정하고, 이 측정치를 액세스 메시지의 데이터부내에 게이트웨이 (112) 로 반송한다. 다른 방법으로는, 복잡도를 감소시키고 프로세스를 간략화하기 위해, UT 는 내부 발진기 주파수로부터 수신 신호의 상대적 오프셋을 측정하고, 이 측정된 오프셋을 데이터로서 게이트웨이에 제공한다. 게이트웨이 (112) 는 이 데이터부로부터 제 2 주파수를 측정한다.
한 목표는, 프리앰블부의 단부가 수신되리라고 예측되는 시간 tb와, 프리앰블부의 단부가 위성 (104) 에서 실제로 수신될 때의 시간 tm간의 측정된 지연인 Dmeas를 구하는 것이다.
본 발명은 별개이지만 관련된 4 개의 방법으로 분류할 수 있다. 방법 1 은, UT 및 게이트웨이에서 주파수 측정을 필요로 하는, 높은 정확성의 구현예이며, 게이트웨이에서 액세스 슬롯의 시작에 대응하는 시간 인스턴스에서 위성과 UT 간의 거리를 제공한다. 방법 2 는 방법 1 의 덜 정확한 근사법이다. 방법 2 는 게이트웨이에서만 주파수 측정을 필요로 한다. 방법 3 은 UT 및 게이트웨이 모두에서 주파수 측정을 필요로 하는 높은 정확성의 구현예이며, 프리앰블부의 단부를 게이트웨이에서 수신한 시간 인스턴스 (tm) 에서 위성과 UT 간의 거리를 제공한다. 방법 4 는 방법 3 의 덜 정확한 방법이다. 방법 4 는 UT 에서만의 주파수 측정을 필요로 한다. 이 방법들은 다음과 같은 색인을 참조로 하여 이하 설명한다.
ta= 위성 (104) 에서 (또한, 사전 보정의 결과로서, 게이트웨이 (112) 에서) 의 페이징 채널상으로 액세스 프로브 (probe) 의 시작
tb= ta+ Dba
tm= 위성 (104) 에서 (또한, 사후 보정의 결과로서, 게이트웨이 (112) 에서) 의 측정치
Dba= 신호 Sru의 프리앰블의 소정의 기간 (예컨대, 액세스 프로브의 프리앰블 블록들 (A 및 B) 의 명목상의 길이)
D'ba= UT 클록 에러에 의한 에러와 함께 발생한 신호 Sru의 프리앰블의 소정의 기간
Dr= UT (108) 에서의 신호 Sfd의 수신과 신호 Sru의 송신 (충돌을 피하기 위함) 의 시작간의 랜덤 지연
D'r= 클록 에러에 기인한 UT (108) 에 의해 실제로 발생되는 랜덤 지연
D1= ta에서의 위성-UT 경로 지연
D2= tm에서의 위성-UT 경로 지연 (위성-게이트웨이 지연은 인식되고 사전 보정됨)
fF= 위성으로부터 UT 로 송신된 명목상의 캐리어 주파수 ("순방향 주파수" 라고 알려짐)
fR= UT 로부터 위성으로 송신된 명목상의 캐리어 주파수 ("순방향 주파수" 라고 알려짐)
foffset= 주파수 fF에서의 UT 의 주파수 오프셋
fD= 주파수 fF의 도플러 시프트
fD/fo= 정규화 도플러 주파수
Dmeas= 프리앰블부의 예측된 단부와 프리앰블부의 실제 수신된 단부간의 측정된 지연
R1= Rsat-UT(ta), (ta) 는 게이트웨이 (112) 에서의 잘 정의된 시간 인스턴스임
R2= Rsat-UT(tm), 게이트웨이 (112) 가 프리앰블부의 수신된 단부를 식별하는 때 (tm) 는 게이트웨이 (112) 에서 잘 정의된 시간 인스턴스임
c = 광속
방법 1
도 2 를 참조하면, 위성 (104) 은 신호 Sfd를 페이징 채널상으로 송신한다. UT (108) 는 지연 기간 D1후에 신호 Sfd를 수신한다. 위성-전화간 경로 지연으로서 알려진 D1은, 다음과 같은 관계식,
에 의해 주어지며, 여기서, R1= 신호 Sfd의 송신시에 위성 (104) 과 UT (108) 간의 거리이다.
UT (108) 는 수신 신호 Sfd의 주파수를 측정한다. 이 측정치는 2 개의 요소, 즉, UT 의 내부 클록의 국부 발진기 에러, 및 위성 (104) 과 UT (108) 간의 상대적인 이동에 의한 도플러 효과 때문에 발생한 실제 송신 주파수로부터의 오프셋이다. UT (108) 에 의해 인식되는 신호 Sfd의 주파수의 측정치를 신호 Sru의 데이터부로 인코딩하고 게이트웨이 (112) 로 반송한다. 상술한 바와 같이, 신호 출동을 피하기 위해 단기 지연 Dr에 더하여, 시간 마커 ta를 UT (108) 의 안테나에서 수신한 정확한 시간에 신호 Sru를 송신한다.
액세스 메시지의 프리앰블부 및 데이터부를 포함하는 신호 Sru를 게이트웨이 (112) 에서 시간 tm에 수신한다. 신호 Sru에 포함된 정보로부터, 게이트웨이 (112) 는 프리앰블부의 단부를 게이트웨이 (112) 에 도달하리라고 예측되는 시간 tb을 결정할 수 있고, 이로부터, 게이트웨이 (112) 는 라운드 트립 지연 (RTD) 을 결정할 수 있다.
ta와 tb간의 기간동안, 궤도상의 위성 (104) 의 이동, UT (108) 의 이동 때문에, 위성 (104) 및 UT (108) 는 위치를 변화시킨다. 따라서, 위성 (104) 와 UT (108) 간의 거리는 R1으로부터 R2로 변화한다.
시간 tm에서, 위성 (104) 은 프리앰블부의 단부를 수신한다. UT-위성 경로 지연은 관계식에 의해 주어지는 D2이다. 또한, 시간 tm에서, 위성 (104) 은 신호 Sru로부터 (fD+foffset) 을 측정한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 위성 (104) 과 UT (108) 의 이동에 의해 생성되는 동적 환경의 액세스 채널 신호의 라운드 트립 지연을 결정하는 방법을 제공한다. 위성 (104) 과 UT (108) 의 이동은 신호 Sfd와 신호 Sru의 도플러 주파수 fD를 유도한다. 도플러 주파수 fD는, 관계식,
또는,
에 의해 주어지며, 여기서,이고, fF는 위성 (104) 에서의 발진기 주파수이고, c 는 광속이다.
분석을 간략화하기 위해, R1과 R2의 변화의 레이트가 일정, 즉,이라고 가정한다. 이는, 도플러 주파수 fD도 일정하다는 것을 의미한다. 도 2 로부터, 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
다음, 식 (1) 에서 (tm-ta)=(D'ba+D'r+D1+D2) 로 대체하여, 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
다음, 식 (2) 에서 -cfD/fF로 대체하여, 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
다음, 식 (4) 에서 D'ba=Dba(1-foffset/fF) 및 D'r=Dr(1-foffset/fF) 로 대체하여, 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
또는,
또는,
식 (7) 을 간략화하기 위해, 다음과 같은 근사식을 사용할 수 있다. 국부 발진기 에러 주파수 foffset및 도플러 주파수 fD가 매우 작기 때문에, foffset/f0 2또는 fD/f0 2만큼 승산된 값을 무시할 수 있다. 그 결과, 다음과 같은 식을 얻을수 있다.
다음, 식 (8) 을 재배열하여 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
방법 1 을 나타내는 식 (9) 에서, R1은 fD, foffset, fF, Dmeas, Dr및 Dba로서 주어진다. 게이트웨이 (112) 및 UT (108) 에서 측정되는 fD및 foffset을 제외하고는, 다른 값들은 알려져 있다. 특히, 방법 1 은 (fD+foffset) 및 fD를 필요로 한다. (fD+foffset) 를 게이트웨이 (112) 에서 측정하기 때문에, 게이트웨이 (112) 에서 즉시 사용할 수 있다. 그러나, fD자체는 게이트웨이 (112) 에서 즉시 사용할 수 없다. fD를 얻기 위해, UT (108) 는 (fD-foffset) 를 측정하여야 하고, 이 측정치를 게이트웨이 (112) 에 보고하여야 한다. 그 후, (fD+foffset) 및 (fD-foffset) 로부터, fD를 결정한다.
방법 1 의 주요한 이점은, R1에 대한 정확한 결과를 제공한다는 것이다. 그러나, 방법 1 은 fD및 (fD+foffset) 를 모두 필요로 하며, 게이트웨이 (112) 및 UT (108) 모두에서 측정치를 필요로 한다.
식 (9) 의 견고성은, 2 개의 물체가 고정 위치에 있을 때 정확한 식을 제공하는지를 테스팅함으로써 용이하게 확인할 수 있다. 위성 (104) 및 UT (108) 가 고정 위치를 가질 때, fD및 foffset는 모두 0 이다. 이 시나리오에서, 식 (9) 를 다음과 같은 식으로 간략화할 수 있다.
즉, 식 (10) 은, 2 개의 물체가 고정 위치를 가질 때, 정확한 식을 제공한다. 그러나, 실제로는, 위성 (104) 및 UT (108) 가 고정 위치를 가지지 않기 때문에, 식 (10) 은 식 (9) 에 도달시에 이루어지는 다양한 가정을 확인하는데만 사용할 수 있다.
방법 2
최대 규격화 도플러 시프트 (약 20 ppm) 이 규격화 오프셋 주파수보다 상당히 크기 때문에, 방법 1 의에 의해 fD/fF를 근사화하여 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
식 (11) 에 의해 주어지는 방법 2 는 게이트웨이 (112) 에서 1 개의 측정치만을 필요로 한다. 그 후, 방법 2 는 UT (108) 에서 추가적인 측정치를 제거한다. 그러나, 방법 2 는 방법 1 보다 덜 정확하고, 최악의 경우 방법 2 의 규격화 에러는 foffset/fF이다.
방법 3
상술한 바와 같이, 방법 3 은 R2에 대한 해결방법을 제공한다. 방법 3 은, R2의 함수로 R1을 표현함으로써 방법 1 과는 다르다. 식 (1) 로부터, 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
방법 1 에서 행해진 것과 동일한 분석을 행함으로써, 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
식 (13) 은 (fD-foffset) 및 fD를 모두 필요로 한다. (fD-foffset) 이 UT 에서 측정되므로, UT 에서 즉시 사용할 수 있다. 그러나, fD는, UT 에서의 측정치에 더하여, 게이트웨이가 자신만의 측정을 행할 때만이 사용가능하다. 방법 3 의 주요한 이점은 R2에 대한 정확한 결과를 제공한다는 것이다. 그러나, 방법 3 은 게이트웨이와 UT 모드에서 측정치를 필요로 한다.
또한, 방법 3 의 견고성 (robustness) 은 위성 (104) 과 UT (108) 이 고정 위치를 갖는 것으로 가정하여 확인할 수 있다. 위성 (104) 및 UT (108) 가 고정 위치를 가질 때, 다음과 같은 식을 제공할 수 있다.
방법 4
최대 규격화 도플러 시프트 (약 20 ppm) 이 규격화 오프셋 주파수보다 더욱 크므로, 방법 3 의에서 fD/fF를 근사화하여 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
방법 4 는 UT 에서 한 측정치만을 필요로 한다. 즉, 방법 4 는 게이트웨이에서 추가적인 측정치를 제거한다.
2 개의 측정 주파수는 게이트웨이 (112) 에서 사용가능하며, 다음과 같다.
1) UT 로부터의 보고 측정치:
여기서, fF = 순방향 링크 캐리어 주파수 (2500 MHz) 이다.
2) GW 자체에서 행해진 측정치:
여기서, fR = 역방향 링크 캐리어 주파수 (1600 MHz) 이다.
식 (16) 및 (17) 을 가산하고 차산함으로써, UT 오프셋 및 거리 레이트 모두를 제공한다.
순방향 주파수에서의 도플러 및 오프셋 주파수는 다음과 같다.
GW 의 시간과 UT 측정치간의 차이는 다음과 같이 계산한다.
도 3 은 방법 1 및 3 모두를 나타내는 흐름도이다. 도 3 을 참조하면,단계 404 에서, 게이트웨이 (112) 는 시간 ta에서 신호 Sfd를 송신한다. 다음, 단계 408 에서, UT (108) 는 전파 지연 D1후에 신호 Sfd를 수신한다. 다음, 단계 412 에서, UT (108) 는 신호 Sfd로부터 (fD-foffset) 을 측정하고 이 측정치를 게이트웨이로 보고한다. 단계 416 에서, UT (108) 는 지연 D'r후에 신호 Sru를 송신한다. 단계 420 에서, 게이트웨이 (112) 는 전파 지연 D2후에 신호 Sru를 송신한다. 단계 424 에서, 게이트웨이 (112) 는 신호 Sru로부터 (fD+foffset) 를 측정한다. 최종으로, 단계 428 에서, 게이트웨이 (112) 는 R1및 R2를 측정치로부터 결정한다.
도 4 는 방법 2 에 포함된 단계들을 나타내는 흐름도이며, 도 5 는 방법 4 에 포함된 단계들을 나타내는 흐름도이다. 방법 2 및 4 에 포함된 단계들은 방법 1 및 3 의 단계들과 매우 유사하므로, 여기서는 따로 설명하지 않는다.
본 발명은, UT 의 위치 및 거리 (R1및 R2) 를 UT 에서 결정할 수 있다. 본 발명의 대체 실시예에서는, UT (108) 는 Dba로부터 (fD-foffset) 을 측정한다. 게이트웨이 (112) 는 D'ba로부터 (fD-foffset) 을 측정하고, 이 측정치를 UT (108) 에 보고한다. 이 2 개의 측정치를 사용하여, UT (108) 는 R1및 R2를 결정한다. 최종으로, UT (108) 는 상술한 방법을 이용하여 UT 자신의 위치를 결정한다.
요약하면, 본 발명은 R1또는 R2를 결정하기 위한 4 개의 서로 다른 방법을 제공한다. 방법 1 및 2 는 R1에 대한 해결방법을 제공한다. 방법 1 은 R1 에 대한 매우 정확한 해결방법을 제공하지만, 2 개의 주파수 측정치를 필요로 한다. 방법 2 는 한 주파수 측정치만을 필요로 하지만, 방법 1 보다는 덜 정확하다. 방법 3 및 4 는 R2에 대한 해결방법을 제공한다. 방법 3 은 R2에 대한 매우 정확한 해결방법을 제공하지만, 2 개의 주파수 측정치를 필요로 한다. 방법 4 는 한 주파수 측정치만을 필요로 하지만, 방법 3 보다는 덜 정확하다.
또한, 본 발명은 위성과 UT 간의 거리 변화율을 결정하기 위한 방법 (식 8)을 제공한다. RTD 와 거리 변화율의 정보는 지구 표면상의 UT 의 위치를 결정하는데 충분하다.
본 발명의 다양한 실시예들을 상술하였지만, 이는 예로서 나타낸 것으로, 한정하기 위한 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 범위 및 폭은, 상술한 예시적인 실시예들에 의해 한정되지 않고, 첨부한 청구의 범위 및 균등물에 따라 한정되어야 한다.

Claims (31)

  1. 서로 상대적으로 이동하는 제 1 물체와 제 2 물체간에 송신되는 신호의 라운드 트립 지연을 결정하는 방법으로서,
    상기 제 1 물체로부터 상기 제 2 물체로 제 1 신호를 송신하는 단계;
    상기 제 2 물체에서, 상기 제 1 물체로부터 상기 제 2 물체로 송신되는 상기 제 1 신호에 의해 걸리는 시간인 전파 지연 D1후에, 상기 제 1 신호를 수신하는 단계;
    상기 제 2 물체에서, 상기 제 1 신호로부터 제 1 주파수를 측정하는 단계;
    측정된 상기 제 1 주파수의 보고를 포함하는 제 2 신호를, 상기 제 2 물체로부터 상기 제 1 물체로 송신하는 단계;
    상기 제 1 물체에서, 상기 제 2 물체로부터 상기 제 1 물체로 송신되는 제 1 신호에 의해 소요되는 시간인 전파 지연 D2후에, 상기 제 2 신호를 수신하는 단계;
    상기 제 1 물체에서 상기 제 2 신호로부터 제 2 주파수를 측정하는 단계; 및
    상기 제 1 물체에서 상기 제 1 및 제 2 주파수로부터 상기 라운드 트립 지연을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 물체는 무선 전화 시스템 궤도 위성이고, 상기 제 2 물체는 무선전화 시스템 사용자 터미널 (UT) 인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 물체는 무선 전화 시스템 게이트웨이이고, 상기 제 2 물체는 무선 전화 시스템 사용자 터미널 (UT) 인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 (fD-foffset) 이며, 여기서, fD는 상기 제 1 물체와 상기 제 2 물체간에 송신된 상기 제 1 신호의 도플러 주파수이고, foffset은 상기 제 2 물체의 국부 발진기 에러 주파수인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 주파수는 (fD+foffset) 이며, 여기서, fD는 상기 제 1 물체와 상기 제 2 물체간에 송신된 상기 제 1 신호의 도플러 주파수이고, foffset은 상기 제 2 물체의 국부 발진기 에러 주파수인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 서로 상대적으로 이동하는 제 1 물체와 제 2 물체간에 송신되는 신호의 라운드 트립 지연을 결정하는 방법으로서,
    상기 제 1 물체로부터 제 1 신호를 송신하는 단계;
    상기 제 2 물체에서 전파 지연 D1후에 상기 제 1 신호를 수신하는 단계;
    상기 제 1 신호를 수신하면, 상기 제 2 물체로부터 상기 제 1 물체로 제 2 신호를 송신하는 단계;
    상기 제 1 물체에서 전파 지연 D2후에 상기 제 2 신호를 수신하는 단계;
    상기 제 1 물체에서 상기 제 2 신호로부터 주파수를 측정하는 단계; 및
    상기 제 1 물체에서 상기 주파수로부터 상기 라운드 트립 지연을 결정하는 단계를 포함하고, 상기 라운드 트립 지연은 상기 제 1 물체로부터 상기 제 2 물체로의 전파시 상기 제 1 신호에 의해 영향을 받는 상기 지연의 함수인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 측정된 주파수는 (fD+foffset) 이며, 여기서, fD는 상기 제 1 물체와 상기 제 2 물체간에 송신된 상기 제 1 신호의 도플러 주파수이고, foffset은 상기 제 2 물체의 국부 발진기 에러 주파수인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 물체는 무선 전화 시스템 궤도 위성이고, 상기 제 2 물체는 무선 전화 시스템 사용자 터미널 (UT) 인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 물체는 무선 전화 시스템 게이트웨이이고, 상기 제 2 물체는 무선 전화 시스템 사용자 터미널 (UT) 인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 서로 상대적으로 이동하는 제 1 물체와 제 2 물체간에 송신되는 신호의 라운드 트립 지연을 결정하는 방법으로서,
    상기 제 1 물체로부터 제 1 신호를 송신하는 단계;
    상기 제 2 물체에서 전파 지연 D1후에 상기 제 1 신호를 수신하는 단계;
    상기 제 2 물체에서 상기 제 1 신호로부터 주파수를 측정하는 단계;
    측정된 상기 제 1 주파수의 보고를 포함하는 제 2 신호를 상기 제 2 물체로부터 상기 제 1 물체로 송신하는 단계;
    상기 제 1 물체에서 전파 지연 D2후에 상기 제 2 신호를 수신하는 단계;
    상기 제 1 물체에서 상기 제 1 주파수로부터 상기 라운드 트립 지연을 결정하는 단계를 포함하고, 상기 라운드 트립 지연은 상기 제 2 물체로부터 상기 제 1 물체로의 상기 제 2 신호의 전파시 영향을 받는 상기 지연의 함수인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 (fD-foffset) 이며, 여기서, fD는 상기 제 1 물체와 상기제 2 물체간에 송신된 제 1 신호의 도플러 주파수이고, foffset은 상기 제 2 물체의 국부 발진기 에러 주파수인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 물체는 무선 전화 시스템 궤도 위성이고, 상기 제 2 물체는 무선 전화 시스템 사용자 터미널 (UT) 인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 물체는 무선 전화 시스템 게이트웨이이고, 상기 제 2 물체는 무선 전화 시스템 사용자 터미널 (UT) 인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 서로 상대적으로 이동하는 제 1 물체와 제 2 물체간에 송신되는 신호의 라운드 트립 지연을 결정하는 시스템으로서,
    상기 제 1 물체로부터 상기 제 2 물체로 제 1 신호를 송신하는 수단;
    상기 제 2 물체에서 상기 제 1 물체로부터 상기 제 2 물체로 송신되는 상기 제 1 신호에 의해 소요되는 시간인 전파 지연 D1후에, 상기 제 1 신호를 수신하는 수단;
    상기 제 2 물체에서 상기 제 1 신호로부터 제 1 주파수를 측정하는 수단;
    상기 제 2 물체로부터 상기 제 1 물체로, 측정된 상기 제 1 주파수의 보고를포함하는 제 2 신호를 송신하는 수단;
    상기 제 1 물체에서, 상기 제 2 물체로부터 상기 제 1 물체로 송신되는 제 1 신호에 의해 소요되는 시간인 전파 지연 D2후에, 상기 제 2 신호를 수신하는 수단;
    상기 제 1 물체에서 상기 제 2 신호로부터 제 2 주파수를 측정하는 수단; 및
    상기 제 1 물체에서 상기 제 1 및 제 2 주파수로부터 상기 제 1 물체로부터 상기 제 2 물체로의 상기 제 1 신호의 전파시 영향을 받는 상기 지연의 함수인 상기 라운드 트립 지연을 결정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 (fD-foffset) 이며, 여기서, fD는 상기 제 1 물체와 상기 제 2 물체간에 송신된 제 1 신호의 도플러 주파수이고, foffset은 상기 제 2 물체의 국부 발진기 에러 주파수인 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 주파수는 (fD+foffset) 이며, 여기서, fD는 상기 제 1 물체와 상기 제 2 물체간에 송신된 제 1 신호의 도플러 주파수이고, foffset은 상기 제 2 물체의 국부 발진기 에러 주파수인 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 물체는 무선 전화 시스템 궤도 위성이고, 상기 제 2 물체는 무선 전화 시스템 사용자 터미널 (UT) 인 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 물체는 무선 전화 시스템 게이트웨이이고, 상기 제 2 물체는 무선 전화 시스템 사용자 터미널 (UT) 인 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 서로 상대적으로 이동하는 제 1 물체와 제 2 물체간에 송신되는 신호의 라운드 트립 지연을 결정하는 시스템으로서,
    상기 제 1 물체로부터 제 1 신호를 송신하는 수단;
    상기 제 2 물체에서 전파 지연 D1후에 상기 제 1 신호를 수신하는 수단;
    상기 제 2 물체에서 상기 제 1 신호로부터 제 1 주파수를 측정하는 수단;
    측정된 제 1 주파수의 보고를 포함하는 제 2 신호를 상기 제 2 물체로부터 상기 제 1 물체로 송신하는 수단;
    상기 제 1 물체에서 전파 지연 D2후에 상기 제 2 신호를 수신하는 수단;
    상기 제 1 물체에서 상기 제 2 신호로부터 제 2 주파수를 측정하는 수단; 및
    상기 제 1 물체에서 상기 제 1 및 제 2 주파수로부터 상기 제 2 물체로부터 상기 제 1 물체로의 상기 제 2 신호의 전파시 영향을 받는 상기 지연의 함수인 상기 라운드 트립 지연을 결정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 (fD-foffset) 이며, 여기서, fD는 상기 제 1 물체와 상기 제 2 물체간에 송신된 제 1 신호의 도플러 주파수이고, foffset은 상기 제 2 물체의 국부 발진기 에러 주파수인 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 2 주파수는 (fD+foffset) 이며, 여기서, fD는 상기 제 1 물체와 상기 제 2 물체간에 송신된 제 1 신호의 도플러 주파수이고, foffset은 상기 제 2 물체의 국부 발진기 에러 주파수인 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 물체는 무선 전화 시스템 궤도 위성이고, 상기 제 2 물체는 무선 전화 시스템 사용자 터미널 (UT) 인 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 물체는 무선 전화 시스템 게이트웨이이고, 상기 제 2 물체는 무선 전화 시스템 사용자 터미널 (UT) 인 것을 특징으로 하는 시스템.
  24. 서로 상대적으로 이동하는 제 1 물체와 제 2 물체간에 송신되는 신호의 라운드 트립 지연을 결정하는 시스템으로서,
    상기 제 1 물체로부터 제 1 신호를 송신하는 수단;
    상기 제 2 물체에서 전파 지연 D1후에 상기 제 1 신호를 수신하는 수단;
    상기 제 1 신호를 수신하면, 상기 제 2 물체로부터 상기 제 1 물체로 제 2 신호를 송신하는 수단;
    상기 제 1 물체에서 전파 지연 D2후에 상기 제 2 신호를 수신하는 수단;
    상기 제 1 물체에서 상기 제 2 신호로부터 주파수를 측정하는 수단; 및
    상기 제 1 물체에서 상기 주파수로부터 상기 제 1 물체로부터 상기 제 2 물체로의 상기 제 2 신호의 전파시 영향을 받는 상기 지연의 함수인 상기 라운드 트립 지연을 결정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 주파수는 (fD+foffset) 이며, 여기서, fD는 상기 제 1 물체와 상기 제 2 물체간에 송신된 제 1 신호의 도플러 주파수이고, foffset은 상기 제 2 물체의 국부 발진기 에러 주파수인 것을 특징으로 하는 시스템.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 물체는 무선 전화 시스템 궤도 위성이고, 상기 제 2 물체는 무선 전화 시스템 사용자 터미널 (UT) 인 것을 특징으로 하는 시스템.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 물체는 무선 전화 시스템 게이트웨이이고, 상기 제 2 물체는 무선 전화 시스템 사용자 터미널 (UT) 인 것을 특징으로 하는 시스템.
  28. 서로 상대적으로 이동하는 제 1 물체와 제 2 물체간에 송신되는 신호의 라운드 트립 지연을 결정하는 시스템으로서,
    상기 제 1 물체로부터 제 1 신호를 송신하는 수단;
    상기 제 2 물체에서 전파 지연 D1후에 상기 제 1 신호를 수신하는 수단;
    상기 제 2 물체에서 상기 제 1 신호로부터 주파수를 측정하는 수단;
    측정된 제 1 신호 주파수의 보고를 포함하는 제 2 신호를 상기 제 2 물체로부터 상기 제 1 물체로 송신하는 수단;
    상기 제 1 물체에서 전파 지연 D2후에 상기 제 2 신호를 수신하는 수단;
    상기 제 1 물체에서 상기 측정된 제 1 신호 주파수로부터 상기 제 2 물체로부터 상기 제 1 물체로의 상기 제 2 신호의 전파시 영향을 받는 상기 지연의 함수인 상기 라운드 트립 지연을 결정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 주파수는 (fD-foffset) 이며, 여기서, fD는 상기 제 1 물체와 상기 제 2 물체간에 송신된 제 1 신호의 도플러 주파수이고, foffset은 상기 제 2 물체의 국부 발진기 에러 주파수인 것을 특징으로 하는 시스템.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 제 1 물체는 무선 전화 시스템 궤도 위성이고, 상기 제 2 물체는 무선 전화 시스템 사용자 터미널 (제 2 물체) 인 것을 특징으로 하는 시스템.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 제 1 물체는 무선 전화 시스템 게이트웨이이고, 상기 제 2 물체는 무선 전화 시스템 사용자 터미널 (UT) 인 것을 특징으로 하는 시스템.
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