结合地面蜂窝网络原则的非同步卫星移动通信系统

摘要

一个非同步卫星通信系统包括蜂窝系统控制器、卫星系统控制器、以及管理控制器。蜂窝系统控制器将蜂窝系统中每个移动站分配到一个特定区域并生成这种分配的一个记录,其特征在于每个移动站周期性地更新它在系统中的位置。卫星系统控制器跟踪卫星的位置及移动,分配并记录每个卫星的地面区域分配,即无线资源,周期性地将一个区域的覆盖从一个卫星向另一个切换。管理控制器以区域的卫星分配记录映射移动站的区域分配记录,以便执行由于卫星和移动站的移动而带来的移动功能、切换、以及位置管理。

说明书

发明领域

本发明涉及非同步卫星移动通信系统，更具体地涉及非同步卫星移动通信系统中的切换和位置管理。

发明背景

蜂窝通信在很快为人们所接受并成为日常生活的重要方面。首先，基于陆地的蜂窝通信系统用于提供对蜂窝系统的覆盖。典型的地面或基于陆地的蜂窝通信系统在图1中说明。图1说明了典型基于陆地蜂窝移动无线通信系统中的十个小区或区域C1-C10。一般蜂窝移动无线系统会用多于十个小区来实现。但是，为了简单起见，本发明用图1所示的简单表示来解释。对于每个小区C1-C10，具有与相应小区相同参考号的基站B1-B10。图1说明基站位于小区中心附近并带有全向天线。图1也说明了在小区内以及从一个小区到另一个可移动的九个移动站M1-M9。在典型蜂窝无线通信系统中，一般有超过九个的蜂窝移动站。实际上，移动站数目一般是基站的很多倍。但是，为了解释本发明的目的，减少数目的移动站就足够了。

在图1中也说明了移动交换中心MSC。图1所示的移动交换中心MSC通过电缆连接到所有十个基站B1-B10。移动交换中心MSC也通过电缆连接到固定交换电话网或类似的固定网络。从移动交换中心MSC到基站B1-B10的所有电缆以及到固定网络的电缆没有表示出来。

除了所示的移动交换中心MSC，也可有除了图1中所示的更多的移动交换中心通过电缆连接到基站。除了电缆，其它装置，例如固定无线链路，也可用于将基站连接到移动交换中心。移动交换中心MSC、基站和移动站都是受计算机控制的。在基于陆地的蜂窝通信系统中，网络处理用户移动的移动功能、切换和位置管理在移动交换设备，即原籍位置寄存器、移动交换中心、基站控制器中开发并实现。

但是，需要对地面覆盖不能实现的地区提供覆盖。卫星系统也用于使用不同的地面标准保证那些区域上的接入。结果，通过卫星的移动通信作为地面移动电话的补充而发展起来。这些卫星通信系统中的卫星或是在同步轨道中，即地球某个区域上方的固定轨道，或在非同步轨道中。同步卫星移动通信系统示于图2。在这些同步系统中，卫星10一般位于地球上方30,000英里处，相对于地球上一点处于固定位置。通过经由馈送链路从卫星接收并向卫星发射信号，地面基站11和多个移动站可以彼此通信并与世界上的其它用户通信。由于卫星的相对位置固定，同步通信系统不必考虑由于卫星移动而引起的切换问题。但是，同步卫星通信系统有很多缺点。由于卫星离地球很远，上行和下行馈送链路上的时延会对双向通话产生问题。此外，手持移动电话有限的输出功率和天线增益/分集也限制了同步卫星通信系统的效率。此外，也需要巨大的天线产生地球上的点波束。

为了保证足够的链路余量并用有限的输出功率和天线增益/分集支持手持移动电话，正在考虑使用非同步卫星的卫星系统。在这样的非同步系统中，卫星相对于地球上一点移动。因此，需要卫星通信网络中的切换和位置管理功能，以便处理网络中卫星的移动。

与非同步卫星有关的，如何通过卫星波束在地面上分配无线资源的各种技术是已知的。几种已知的技术是面向区域频率分配(ROFA)以及面向卫星频率分配(SOFA)。在ROFA中，无线资源分配给区域，意味着同样的地理区域总是使用相同的无线资源，即频率、时隙、或扩频码。因此，在ROFA中，移动站会看到固定的无线资源模式，即频率复用模式，而不管卫星如何移动。在SOFA，来自每个卫星的波束使用同样的频率，而不管卫星的位置。因此，在SOFA中，无线资源与卫星相联系。因此，移动站将看到随卫星移动的无线资源模式，即频率复用模式。

由于非同步系统中卫星的移动，需要开发处理卫星移动的诸如切换和位置管理这样的移动功能。

发明概述

本发明的一个目的是，通过为卫星网络的移动功能提供来自地面移动蜂窝系统的设备、协议和其它技术方案，以便处理移动站的移动以及通信系统中的卫星移动，提供克服上述缺陷的非同步卫星通信系统。

根据本发明的一个实施例，揭示了无线资源相对地面区域固定的、结合来自地面蜂窝系统控制部件的非同步ROFA类型卫星系统。由于ROFA类型配置，地面区域关联于所分配的一组无线资源，例如频率、时隙及/或扩频码。因此，ROFA类型卫星系统设计了无线资源的固定地面模式，即蜂窝模式。

非同步卫星通信系统包括蜂窝系统控制装置、卫星系统控制装置、以及管理控制装置。蜂窝系统控制装置将所述蜂窝系统中每个移动站分配到一个特定区域并生成这种分配的一个记录，其中每个移动站周期性地更新它在系统中的位置。卫星系统控制装置跟踪卫星的位置及移动，并且为每个卫星分配并记录地面区域的分配，即无线资源，并周期性地将一个区域的覆盖从一个卫星向另一个切换。管理控制装置用所述区域的所述卫星分配记录映射所述移动站的区域分配记录，以便执行由于卫星和移动站的移动而带来的移动功能、切换、以及位置管理。

附图的简要描述

从下面结合附图所用的文字描述中，该发明的这些以及其它特性和优点将会对本领域的一般技术人员很显然，其中：

图1说明了典型的基于陆地蜂窝通信系统；

图2说明了一个卫星通信系统；

图3说明了根据本发明一个实施例的面向区域频率分配的非同步卫星通信系统；

图4说明了根据本发明一个实施例的总系统控制图；以及

图5说明了蜂窝天线辐射模式的设计图。

详细描述

现在将参考卫星通信系统描述本发明。本领域的一般技术人员将会理解本发明也可用于类似系统，在这样的系统中系统的移动性不是由于卫星而是由于诸如飞机这样的交通工具的移动。

使用根据本发明一个实施例的面向区域频率分配(ROFA)的非同步卫星通信系统在图3中说明。在图3中，多个卫星32在非静止轨道上环绕地球30运转。而且，处于地球30表面的陆地地球站(LES)34通过数据馈送链路与至少一个绕轨道运行的卫星32进行数据通信。陆地地球站34连接到公用交换电信网，将从该网络接收用户被呼的呼叫并向该网络发送用户主呼的呼叫。该系统也包括多个移动站36。移动站可以按常规便携电信设备配置。本发明可以适应移动站36在地球30范围内任何地方的移动，无论处于或接近地面，还是在地球上方的大气中。尽管如此，移动站36移动并不是必要的。如果所有移动站的位置保持不动，本发明会满意地操作。移动站被配置为通过通信信道从卫星32接收通信。

由于本发明基于ROFA类型系统，地球上的蜂窝无线资源，例如频率、时隙、及/或扩频码对区域都是固定的。从地球上的移动站来看，该无线网络与基于陆地的蜂窝系统是同样类型的无线网络。因此，本发明使利用地面蜂窝设备、协议、以及其它技术方案通过非同步卫星系统实现蜂窝通信成为可能，正如下面所述。

在图4中，非同步卫星通信系统的控制系统可以分成三个主要部分：蜂窝系统控制部分44；管理控制部分42；以及跟踪、业务及控制部分40(TT&C)。如下所述，每个控制部分具有一个特定的执行功能，以便为非同步卫星通信系统产生整个控制系统。

由于低地球轨道，卫星32相对于地球30不断地移动。例如，如果卫星32处于地球上方大约765km的轨道上，那么空中的卫星32将相对于地球30表面上一点以大约25,000km/hr的速度运行。这就使得卫星32处于地球30表面上一点的视线内最多大约9分钟的时间。当然可以理解的是当卫星离地球表面更远时，卫星32将在更长的时间段内处于地球30表面上一点的视线内。根据本发明的一个实施例，卫星处于中高度轨道上，例如地球表面上方15,000英里，这样卫星就可以较长时间覆盖地球上一个区域。由于卫星相对低的轨道，来自任何一个卫星的视线电磁传播在任何时间点上覆盖地球较小的区域。

图5说明卫星32实现的蜂窝天线辐射模式的设计图。如图5所示，每个卫星32包括一个方向天线阵52。每个阵列52从卫星32以多种不同的角度在地球表面投射多个离散的天线辐射图。图5表示卫星32共同在地球30表面形成的小区、区域、或覆盖区54的模式图。在图5中用双线包围的区域56，是由单个卫星的天线阵52所造成的天线辐射图所产生的。处于区域56外面的小区54由其它卫星的天线阵所产生。根据本发明，为图5中所说明的每个小区分配一组诸如频率这样的无线资源，以此实现无线通信。本领域的一般技术人员将会认识到无线资源可以在蜂窝模式中复用，例如可以使用频率复用模式，这样可以在多个小区中使用相同的频率，只要它们彼此之间分开恰当的距离。

由于卫星绕地球运转，当每个卫星通过地平线时，图5中所说明的单个小区从一个卫星切换到另一个。当小区从一个卫星切换到另一个时，每个小区保持它最初被分配的无线资源，即频率。因此，如果小区C1在卫星通信系统中分配了频率f1，那么不管哪个卫星当前对该小区提供覆盖，小区C1都使用频率f1。因此，当小区C1从一个卫星切换到另一个时，工作在小区C1的移动站不必从一个频率切换到另一个。

如图4所示，跟踪、业务和控制部分40跟踪系统内卫星的位置和运动。每个卫星系统必须有一个跟踪卫星位置和运动、并记录哪个LES为每个卫星提供通信业务的馈送链路的TT&C系统。TT&C系统在现有技术中是熟知的，不再更详细地描述。此外，TT&C系统部分40也维护指示哪个卫星在处理每个区域的记录。因此通过其功能，ROFA类型卫星系统的TT&C系统必须根据卫星的位置和运动做记录，表示哪个卫星被分配到给定固定一组无线资源的每个地面小区，并通过哪个LES(记录分配(小区、卫星、LES))该卫星与之通信。因此，当目前提供覆盖的卫星不再提供覆盖时，TT&C部分40知道一个区域/小区应该何时而且向哪个卫星切换。此外，TT&C部分40也记录哪个陆地地面站正在处理该卫星或多个卫星。因此，TT&C部分40也知道哪个陆地地面站处理地球上的哪个区域或多个区域。此外，当一个小区/区域从一个卫星向另一个卫星切换时，记录要更新。因此，TT&C部分40对将每个区域分配到各自的陆地地球站具有动态记录。

根据本发明，蜂窝系统控制部分44记录哪个移动站被分配到特定的无线区域或小区。蜂窝系统配备位置寄存器、原籍位置寄存器(HLR)以及访问位置寄存器(VLR)。以及其它的功能，使得在记录中可以保持每个用户的精确小区位置。因此，蜂窝系统控制器件支持将用户/终端分配到小区(记录分配(用户/终端、蜂窝))的移动性。根据本发明的一个实施例，移动站周期性地更新它们在系统内的位置并在蜂窝系统控制部分44中记录这些位置的更新。位置更新可以根据现有技术中熟知的不同方法进行。位置更新的一个例子是在终端上电时进行，此时终端识别一条控制信道并，当建立到基站或卫星的通信时，位置更新信息被送到有关寄存器(HLR/VLR)。网络也可请求周期性的登记，即基站命令移动站向HLR或VLR发送位置更新信息。位置更新也可由于不同基站间的切换而进行，即在切换之后移动站向HLR或VLR发送位置更新信息。蜂窝系统控制部分44也具有切换功能，以便将移动站从一个小区切换到另一个。

为了处理由于ROFA类型系统中卫星移动而带来的移动功能，需要TT&C部分40和蜂窝系统控制部分44之间的管理功能部分42。管理控制部分42将TT&C系统(记录分配(蜂窝、卫星、LES))和蜂窝系统控制部分(记录分配(用户/终端、蜂窝))中记录的信息合并成一个合成记录(合成记录分配(用户/终端、蜂窝、卫星、LES))。这种合成的记录分配使利用蜂窝系统控制器件实现ROFA类型卫星移动通信系统成为可能，即使用为地面蜂窝系统开发的设备、协议以及其它技术方案处理移动性、对呼叫选择路由并激活与移动电话有关的业务(电话、远程服务、承载业务、辅助业务等)。

依靠已知的技术，蜂窝系统控制部分具有处理移动性和提供给移动用户的业务的功能。通过询问及/或其它信息交换方式，蜂窝系统控制部分利用管理控制部分所维护的合成记录分配，处理呼叫的路由选择、LES无线资源的分配、由于卫星移动带来的切换、等。通过这样的信息交换，蜂窝系统控制部分能够通过获得合成记录分配信息，总是找到所需的当前信息，以便将呼叫路由选择到恰当的LES、分配LES无线资源并执行由于卫星移动造成的切换。管理控制部分42将来自蜂窝系统控制部分44的移动站记录的分配记录与来自TT&C控制部分40的陆地地球站和卫星分配记录连接。因此，管理功能具有将移动站映射到一个区域、陆地地球站、以及卫星的动态记录。因此，当卫星移过地平线时，它们的责任区域切换到其它卫星。根据本发明，管理功能具有网络设备所需的所有信息，该网络设备使用蜂窝类型功能执行由于移动站象卫星一样移动而带来的移动功能、切换、位置更新。管理控制部分维护合成记录分配并因此必须与TT&C系统和蜂窝系统控制通信。管理控制功能能结合蜂窝系统控制，例如HLR。在这样的实现中，HLR通过与TT&C系统通信维护合成记录分配。或者，管理控制功能与TT&C系统合成或在卫星通信系统中做成独立的节点。

现在将描述在使用本发明的ROFA类型系统中如何处理由于卫星移动造成的移动性的实现例子。在这个例子中，带有无线资源f1的小区/区域x从卫星s1切换到卫星s2。在整个切换时间内卫星s1从LES L1馈入，卫星s2从LES L2馈入。当小区/区域x将切换时，TT&C系统通知管理控制部分。管理控制部分通知LES L2，通过从地面蜂窝系统得到的信道分配消息将某个无线资源设置为f1。管理控制部分也使用地面蜂窝系统所规定的MSC切换将出呼叫的交换从LES L1切换到LES L2。对于这个实施例，每个LES配备了蜂窝系统控制功能，即MSC功能，用于呼叫控制以及移动管理和BSC在无线资源管理方面的功能。此外，每个LES包括物理传输资源，即收发机，提供去/自卫星的馈送链路、到其它系统(PLMN、ISDN、PSTN、等)的网关以及网络的其它组件(HLR、TT&C、管理控制功能、其它LES等)的网络连接。在这个实施例中，当管理控制功能通过信道分配消息通知LES L2将无线资源设置为f1时，使用管理控制部分无线资源管理协议，即BSC功能。使用移动管理协议，即MSC功能，将出呼叫从LES L1切换到LES L2。

在切换完成之后，位置更新消息可以发送到HLR，给出到LES L2的新路由选择信息。或者，只在移动站改变小区时执行位置更新。因此，HLR将在呼叫建立时询问管理控制部分该呼叫当前分配的LES并因此得到有关的路由选择信息。

本领域的一般技术人员将会理解，本发明可以在不背离其精神或实质特性的情况下以其它特定的形式实施。因此现在揭示的实施例在所有方面都应认为是说明性的而不是限制性的。本发明的范围通过所附的权利要求而不是前面的描述来表示，而且在与其等效含义和范围内进行所有改变都认为是包括在其中的。