DE69432584T2

DE69432584T2 - Zellulare Niedrigorbittelekommunikationsanordnung mit Zugang zu einer beschränkten Benutzerklasse entsprechend der Verkehrslast

Info

Publication number: DE69432584T2
Application number: DE69432584T
Authority: DE
Inventors: Michael William Krutz; James Powers Redden; David Nmi Terris
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Cdc Propriete Intellectuelle Sa Paris Fr
Priority date: 1993-12-06
Filing date: 1994-12-01
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2014-12-02
Also published as: US5490087A; JP3880080B2; DE69432584D1; RU94042923A; ATE239331T1; JPH07203549A; RU2146418C1; CA2135855A1; EP0658014A1; UA32559C2; EP0658014B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kommunikationssysteme. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Systeme, die ein Gebiet, in welchem Kommunikation stattfinden soll, in Zellen unterteilen, und die begrenzten spektralen Ressourcen unter verschiedenen Benutzern in den Zellen zuteilen.

Hintergrund der Erfindung

Herkömmliche zellulare Kommunikationssysteme wenden ein Verfahren an, mit dem Teilnehmer Zugriff auf das Kommunikationssystem bekommen. Allgemein gesprochen werden Systemantennen an voneinander beabstandeten Positionen aufgestellt. Jede Systemantenne definiert gemeinsam mit der Senderleistung, Empfängerempfindlichkeit und geographischen Eigenschaften eine Zellposition und -größe. Eine Zelle ist ein geographisches Gebiet auf der Erdoberfläche, in dem über eine Teilnehmereinheit, die eine vorbestimmte Betriebscharakteristik hat, sowie über die Antenne der Zelle Kommunikation stattfinden kann. In einem zellularen System, welches das ihr zugeordnete Spektrum effizient nutzt, sind die Systemantennen so positioniert, dass der Überlapp zwischen ihren entsprechenden Zellen minimiert und Lücken zwischen den Zellen reduziert werden.
Das einem herkömmlichen zellularen System zugeordnete Spektrum ist in einige diskrete Bereiche, typischerweise Frequenzbänder (auch "Kanäle" genannt), eingeteilt. Jeder Zelle sind ein oder mehrere dieser diskreten Spektralbereiche zugeordnet und jede Zelle ist vorzugsweise von Zellen umgeben, die andere diskrete Spektralbereiche verwenden. Kommunikation innerhalb einer Zelle verwendet nur den der Zelle zugeordneten Spektralbereich, und Interferenzen zwischen in anderen, nahe gelegenen Zellen stattfindenden Kommunikationen wird minimiert, da Kommunikationen in solchen nahe gelegenen Zellen andere Spektralbereiche verwenden. Gleichkanalzellen sind Zellen, die denselben diskreten Spektralbereich wiederverwenden. Um Interferenzen zu minimieren, beabstandet der Frequenzverwendungsplan Gleichkanalzellen um einen vorbestimmten Abstand voneinander.
In herkömmlichen zellularen Kommunikationssystemen verschafft sich eine Teilnehmereinheit einen Funkkanal, indem Sie zufällig einen von mehreren Akquisitionskanälen auswählt, die von dem System in einem bestimmten Abdeckungsgebiet, beispielsweise einer Zelle, zur Verfügung gestellt werden. Um Zugang zu dem Kommunikationssystem zu erhalten, initiiert die Teilnehmereinheit mit dem System ein Protokoll auf einem Akquisitionskanal. Beispiele für derartige Protokolle schließen ALOHA-artige Protokolle ein, die im Stand der Technik wohlbekannt sind. Die Teilnehmereinheit erhält als Teil des Protokolls eine Zuordnung zu einem bestimmten, Verkehrskanal genannten Kanal, um darauf zu kommunizieren.
ALOHA-Schemata umfassen typischerweise vier Modi:
1. Sendemodus, wobei Teilnehmer eine Zugangsanfragenachricht an das System senden,
2. Listening-Modus ("Listening Mode"), wobei der Benutzer nach Übertragung der Zugangsanforderungsnachricht auf eine Anforderungsbestätigung (ACK) oder eine Negativbestätigung (NAK) von dem Kommunikationssystem wartet,
3. Neusendemodus, wobei die Zugangsanforderungsnachricht erneut an das System gesendet wird, wenn eine NAK empfangen wurde, und
4. Timeout-Modus, wobei der Benutzer die Zugangsanforderungsnachricht erneut sendet, wenn er innerhalb einer festgelegten Zeitspanne weder einen ACK noch einen NAK empfängt.
Probleme mit ALOHA-Protokollschemata tauchen auf, wenn Übertragungen von unterschiedlichen Benutzern zeitlich überlappen (d. h.: kollidieren), was Empfangsfehler verursacht. Dieses Phänomen ist als "Thrashing" ("thrashing" = Systemüberlastung) bekannt.
Eines der Hauptprobleme mit ALOHA-Schemata ist die Kollision von Übertragungen von Benutzern, die gleichzeitig versuchen, Zugang zu einem Kommunikationssystem zu erhalten. Beispiele für ALOHA-Protokolle, die Empfangsfehler reduzieren, schließen Slotted-ALOHA (S-ALOHA) und Reservierungs-ALOHA (R-ALOHA) ein. Bei einem S-ALOHA-Protokoll wird eine Folge von Synchronisationspulsen an alle Stationen rundgesendet, und die Paketlängen sind, wie bei den meisten ALOHA-Schemata, konstant. Benutzer müssen Nachrichten in dem Zeit-Slot zwischen den Synchronisationspulsen übertragen und können damit nur zu Beginn eines Zeit-Slots starten. S-ALOHA reduziert die Anzahl von Kollisionen zwischen Zugang anfordernden Benutzern, da lediglich Nachrichten, die in denselben Zeit-Slot übertragen werden, miteinander interferieren können.
R-ALOHA-Protokollschemata verwenden zwei grundlegende Modi:
Einen unreservierten Modus und einen reservierten Modus. In dem unreservierten Modus wird ein Zeit-Frame aufgebaut und in eine Anzahl kleiner Reservierungs-Unterslots eingeteilt. Benutzer verwenden diese kleinen Unterslots, um Nachrichten-Slots zu reservieren. Nachdem er eine Reservierung beantragt hat, wartet der Benutzer auf Bestätigung und Slot-Zuweisung. In dem reservierten Modus wird ein Zeit- Frame immer, wenn eine Reservierung durchgeführt wird, in M+1-Slots eingeteilt. Die ersten M Slots werden für die Nachrichtenübertragung verwendet, während der letzte Slot in Unterslots eingeteilt wird, die für Reservierungsanforderungen verwendet werden sollen. Benutzer senden Nachrichtenpakete nur in ihren zugewiesenen Bereichen mit den M Slots.
Ein System, bei dem viele Benutzer beliebigen Zugang haben, verwendet typischerweise eine Steuereinheit, um eine Reihenfolge aufzustellen. Die Steuereinheit fragt periodisch die Benutzeranzahl ab, um deren Serviceanforderungen festzustellen. Wenn die Benutzeranzahl groß ist (d. h.: in die Tausende geht) und sich der Verkehr in Bursts vollzieht, kann die Zeit für die Abfrage übermäßig groß werden.
Abfragetechniken schließen die "binäre Baumsuche" ("binary tree search") und die "geradlinige Abfrage" ("straight polling") ein, die im Stande der Technik wohlbekannt sind.
Sowohl mit S-ALOHA als auch mit R-ALOHA können in einem System mit vielen Benutzern und in Fällen starker Belastung erhebliche Interferenzen zwischen Teilnehmereinheiten auf dem Akquisitionskanal auftreten. Im Ergebnis können nur relativ wenige Teilnehmereinheiten das Protokoll vollenden und Zugang zu einem Akquisitionskanal erhalten. Weiter ist es möglich, dass, obwohl eine Teilnehmereinheit ein Akquisitionsprotokoll erfolgreich abschließt, kein Verkehrskanal für eine Zuweisung zur Verfügung steht. Dies stellt eine Vergeudung von Ressourcen durch die Teilnehmereinheit und das Kommunikationssystem dar. Bei einem satellitenbasierten Kommunikationssystem ist dieses Problem aufgrund der Notwendigkeit, die limitierten Weltraumfahrzeugressourcen zu sparen, wie beispielsweise die Satellitenbatterieenergie, noch ernster.
Was gebraucht wird ist ein Mittel und ein Verfahren, welche Kollisionen zwischen Benutzern, die auf einem Akquisitionskanal senden, reduzieren. Was weiter gebraucht wird, ist ein Mittel und ein Verfahren, welche die Zuweisung eines Akquisitionskanals an eine Teilnehmereinheit verhindern, wenn keine Verkehrskanäle verfügbar sind. Was auch gebraucht wird, ist ein Mittel und ein Verfahren, um einer Teilnehmereinheit zu gestatten, zu bestimmen, wann der Service nicht ohne übermäßige Übertragungen zugänglich ist, und um den Zugang zu dem Kommunikationssystem auf beschränkte Klassen oder Sätze von Klassen einzuschränken, wenn die Servicekapazität beschränkt ist.
Es besteht daher nach wie vor ein Bedarf nach einem verbesserten Kommunikationssystem zur Unterstützung vieler Benutzer und zur Minimierung der Anzahl von erfolglosen Zugangsversuchen.
Die WO88/08238 beschreibt ein Verfahren zur Registrierung einer Teilnehmereinheit, bei dem eine Teilnehmereinheit überall in einem Netzabdeckungsgebiet in einem Paging- Gebiet selektiv gerufen wird, in dem die Teilnehmereinheit zuletzt registriert war. Registrierungsparameter werden durch ein Steuerterminal aktualisiert, und an jede Einheit wird ein Nachrichtenzug gesendet, dessen Empfang einen automatischen Registrierungsprozess initiiert, wenn sich die Einheit zwischen Paging-Gebieten bewegt.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Kommunikationssystems, umfassend eine Mehrzahl von Knoten mit einer Mehrzahl von diesen zugeordneten Antennenstrahlen, wobei jeder Antennenstrahl der Mehrzahl von Antennenstrahlen einen ihm zugeordneten Bedarf an Kommunikationsservice hat und wobei die Antennenstrahlen ihnen zugeordnete Rundsendekanäle, Verkehrskanäle und Akquisitionskanäle aufweisen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
a) Identifizieren eines geographischen Gebietes, für das während eines Planungsintervalls die Wahrscheinlichkeit einer Überlastung besteht;
b) Berechnen eines Anteils von Benutzern in dem geographischen Gebiet, für die eine Sperrung des Zugangs zu dem Kommunikationssystem erwünscht ist;
c) Bilden eines Satzes von gesperrten Benutzerklassen, die in dem geographischen Gebiet auf Grundlage besagten Anteils gesperrt werden sollen;
d) Erzeugen eines Parametersatzes, der den Satz von gesperrten Benutzerklassen einschließt;
e) Identifizieren wenigstens eines Knotens der Mehrzahl von Knoten und eines zugeordneten Antennenstrahls, von denen erwartet wird, dass sie während des Planungsintervalls das geographische Gebiet bedienen;
f) Versenden des Parametersatzes an den wenigstens einen Knoten; und
g) Rundsenden des Parametersatzes durch den wenigstens einen Knoten auf einem Rundsendekanal in dem zugeordneten Antennenstrahl, wobei die Teilnehmereinheiten des Satzes von gesperrten Benutzerklassen vom Zugang zu dem Kommunikationssystem abgehalten werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt umfasst die Erfindung ein Kommunikationssystem mit einer Mehrzahl von Knoten, wobei das System umfasst: eine Antenne, die mit einem Knoten der Mehrzahl von Knoten verbunden ist, wobei die Antenne einen Antennenstrahl erzeugt; ein mehrkanaliges Sende/Empfangsgerät, das mit der Antenne verbunden ist, wobei das mehrkanalige Sende/Empfangsgerät in der Lage ist, in dem Antennenstrahl orthogonale Kanalsätze zu senden und zu empfangen; einen Prozessor, der mit dem mehrkanaligen Sende/Empfangsgerät verbunden ist; und ein Speichermedium, das mit dem Prozessor verbunden ist, wobei die Kombination aus Prozessor und Speichermedium
a) ein geographisches Gebiet identifiziert, für das die Wahrscheinlichkeit einer Überlastung während eines Planungsintervalls besteht;
b) einen Anteil von Benutzern in dem geographischen Gebiet berechnet, für die der Zugang zu dem Kommunikationssystem gesperrt werden soll;
c) einen Satz von gesperrten Benutzerklassen bildet, die in dem geographischen Gebiet auf Grundlage besagten Anteils gesperrt werden sollen;
d) einen Parametersatz erzeugt, der den Satz von gesperrten Benutzerklassen einschließt;
e) einen Knoten aus der Mehrzahl von Knoten und einen zugeordneten Antennenstrahl identifiziert, von denen erwartet wird, dass sie während des Planungsintervalls das geographische Gebiet bedienen; und
f) den Parametersatz an den Knoten versendet und
wobei das mehrkanalige Sende/Empfangsgerät den Parametersatz auf einem Rundsendekanal des zugeordneten Antennenstrahls rundsendet, wobei Teilnehmereinheiten des Satzes von gesperrten Benutzerklassen vom Zugang zu dem Kommunikationssystem abgehalten werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte des Bestimmens, ob ein zweiter Antennenstrahl der Mehrzahl von Antennenstrahlen verfügbar ist, wenn die der Teilnehmereinheit zugeordnete Benutzerklasse eine der gesperrten Benutzerklassen ist, wobei die Bestimmung auf Grundlage einer Signalstärke der übrigen Antennenstrahlen erfolgt, und der Auswahl des zweiten Antennenstrahls durch die Teilnehmereinheit, falls der zweite Antennenstrahl verfügbar ist. Das Verfahren umfasst weiter das Empfängen, auf dem dem zweiten Antennenstrahl zugeordneten Rundsendekanal, durch die Teilnehmereinheit, eines zweiten Parametersatzes, der eine zweite Liste von gesperrten Benutzerklassen enthält, und das Bestimmen durch die Teilnehmereinheit, ob die der Teilnehmereinheit zugeordnete Benutzerklasse eine der gesperrten Benutzerklassen ist, die in dem zweiten Parametersatz empfangen wurden.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte des Initiierens eines Zugriffsprotokolls auf dem dem stärksten Antennenstrahl zugeordneten Akquisitionskanal, wenn die der Teilnehmereinheit zugeordnete Benutzerklasse keine der gesperrten Benutzerklassen ist, die in dem Parametersatz empfangen wurden, und das Empfangen einer Verkehrskanalzuordnung auf dem Akquisitionskanal nach erfolgreichem Abschluss des Zugriffsprotokolls, wobei der Verkehrskanal dem stärksten Antennenstrahl zugeordnet ist.
Die Kombination von Prozessor und Speichermedium identifiziert ein geographisches Gebiet, für das während eines Planungsintervalls die Wahrscheinlichkeit einer Überlastung besteht, und berechnet einen Anteil von Benutzern in dem geographischen Gebiet, die vom Zugriff auf das Kommunikationssystem ausgeschlossen werden sollen. Die Kombination von Prozessor und Speichermedium bildet weiter einen Satz von gesperrten Benutzerklassen, die in dem geographischen Gebiet auf Grundlage des besagten Anteils gesperrt werden sollen, erzeugt einen Parametersatz, der den Satz von gesperrten Benutzerklassen einschließt, und identifiziert einen Knoten aus der Mehrzahl von Knoten und einen zugeordneten Antennenstrahl, von denen erwartet wird, dass sie während des Planungsintervalls das geographische Gebiet bedienen. Die Kombination von Prozessor und Speichermedium versendet auch den Parametersatz an den Knoten, und das mehrkanalige Sende/Empfangsgerät versendet den Parametersatz auf einem Rundsendekanal des zugeordneten Antennenstrahls. Im Ergebnis werden Teilnehmereinheiten (26) des Satzes von gesperrten Benutzerklassen davon abgehalten, den Zugriff auf das Kommunikationssystem zu initiieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 illustriert ein stark vereinfachtes Diagramm eines satellitenbasierten Kommunikationssystems;
Fig. 2 illustriert ein Beispiel eines beispielhaften Datenpaketes, das bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Transport von Kommunikation verwendet wird;
Fig. 3 illustriert ein vereinfachtes Layout- Diagramm eines Teils eines zellularen Musters, das für das Kommunikationssystem von Fig. 1 von Satelliten auf der Erdoberfläche gebildet wird;
Fig. 4 illustriert ein vereinfachtes Block-Diagramm einer Satellitenfunkkommunikationsstation, die zur Verwendung bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Fig. 5 illustriert ein vereinfachtes Block-Diagramm einer Systemsteuerstation und eines Erdterminals, die für eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet sind;
Fig. 6 illustriert ein vereinfachtes Block-Diagramm einer Teilnehmereinheit, die für eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Fig. 7 illustriert ein Flussdiagramm der Prozeduren, die von einer für eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeigneten Teilnehmereinheit durchgeführt werden;
Fig. 8 zeigt ein Flussdiagramm von Prozeduren, die von einer für eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeigneten Steuerstation durchgeführt werden; und
Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm von Prozeduren, die von einem für eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeigneten Kommunikationsknoten durchgeführt werden.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Ein "Satellit" wird hier definiert als ein vom Menschen hergestelltes Objekt oder Fahrzeug, das gedacht ist, einen Himmelskörper (beispielsweise die Erde) zu umkreisen. Mit dem Wort "Erde" soll jedweder Himmelskörper erfasst sein, um den herum ein Kommunikationssatellit kreisen kann. Als "Konstellation " wird hier ein Ensemble von Satelliten definiert, die, um eine bestimmte Abdeckung (beispielsweise Funkkommunikation, Photogrammetrie etc.) eines Teils oder von Teilen oder des gesamten Himmelskörpers zu liefern, in Umlaufbahnen angeordnet sind. Eine Konstellation enthält typischerweise eine Mehrzahl von Ringen (oder Ebenen) von Satelliten und kann eine gleiche Anzahl von Satelliten in jeder Ebene aufweisen, obwohl dies nicht essentiell ist. Die Begriffe "Zelle" und "Antennenmuster", wie sie hier verwendet werden, sollen nicht auf eine bestimmte Erzeugungsweise beschränkt sein und umfassen all jene, die durch terrestrische oder satellitengestützte zellulare Kommunikationssysteme und/oder Kombinationen davon erzeugt sind. Der Ausdruck "Satellit" soll sowohl geostationäre als auch auf Umlaufbahnen reisende Satelliten und/oder Kombinationen davon umfassen, einschließlich Satelliten auf erdnahen Umlaufbahnen (LEO: Low Earth Orbiting).
Fig. 1 illustriert ein stark vereinfachtes Diagramm eines satellitenbasierten Kommunikationssystems 10, das durch Verwendung von auf Umlaufbahnen kreisenden Satelliten 12, welche Umlaufbahnen 14 besetzen, über einen Himmelskörper (beispielsweise die Erde) und diesen umgebend verteilt sind. Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf Systeme, die Satelliten umfassen, welche erdnah, mittelweit von der Erde entfernte ("medium-Earth") und geo-synchrone Umlaufbahnen aufweisen. Außerdem ist es anwendbar auf Umlaufbahnen mit beliebigem Inklinationswinkel (beispielsweise polar, äquatorial oder mit sonstigem Umlaufmuster).
Das beispielhafte Kommunikationssystem 10 verwendet sechs polare Umlaufbahnen 14, wobei jede Umlaufbahn 14 elf Satelliten 12, also insgesamt 66 Satelliten 12 trägt. Dies ist jedoch nicht essentiell, und mehr oder weniger Satelliten oder mehr oder weniger Umlaufbahnen können verwendet werden. Während die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise eingesetzt wird, wenn eine grosse Anzahl von Satelliten verwendet wird, ist sie ebenfalls mit wenigen oder einem einzigen Satelliten anwendbar. Der Klarheit halber illustriert Fig. 1 lediglich einige der Satelliten 12.
Beispielsweise umrundet jede Umlaufbahn 14 die Erde in einer Höhe von etwa 780 km, obwohl größere oder kleinere Höhen der Umlaufbahnen nutzbringend eingesetzt werden können. Aufgrund der relativ niedrigen Umlaufbahn der beispielhaften Satelliten 12, wird von einer im Wesentlichen, elektromagnetischen (beispielsweise Funk, Licht etc.) Sichtlinien-Übertragung von irgendeinem der Satelliten oder einem derartigen Empfang eines Signals durch irgendeinen der Satelliten zu jedem Zeitpunkt ein relativ kleines Gebiet der Erde erfasst oder abgedeckt.
In dem gezeigten Beispiel bewegen sich die Satelliten 12 im Vergleich zur Erde mit etwa 25000 km/h, was es den Satelliten 12 erlaubt, für eine terrestrische Station maximal während einer Zeitspanne von circa 9 min sichtbar zu sein.
Die Satelliten 12 kommunizieren mit terrestrischen Stationen, die eine Anzahl von Funkkommunikations- Teilnehmereinheiten (SUs: Subscriber Units) 26 und erdgebundenen Terminals (ETs: Earth Terminals) 24, welche mit dem Systemsteuersegment (SCS: System Control Segment) 28 verbunden sind, umfassen können. Die ETs 24 können auch mit Netzübergängen (GWs: Gateways) 22 verbunden sein, welche Zugang zu dem öffentlichen Telefonnetz (PSTN: Public Switched Telefon Network) oder anderen Kommunikationseinrichtungen ermöglichen. In Fig. 1 sind der Klarheit und der Einfachheit des Verständnisses halber lediglich jeweils eine/eines der GWs 22, SCS 28 und SUs 26 dargestellt. Die ETs 24 können am gleichen Ort oder entfernt von SCS 28 oder GW 22 positioniert sein. Die den SCS 28 zugeordneten ETs 24 empfangen Daten, die das Verfolgen der Satelliten 12 beschreiben und Pakete von Steuerinformationen übermitteln, während die GWs 22 zugeordneten ETs 24 lediglich Datenpakete übermitteln (beispielsweise solche, die zu bestehenden Verbindungen gehören).
Die SUs 26 können irgendwo auf der Erdoberfläche oder in der Atmosphäre über der Erde positioniert sein. Die SUs 26 sind vorzugsweise Kommunikationsgeräte, die zur Übertragung von Daten und zum Empfang von Daten von Satelliten 12 in der Lage sind. Beispielsweise können SUs 26 in der Hand tragbare Zellular- bzw. Mobiltelefone sein, die für die Kommunikation mit Satelliten 12 angepasst sind. Üblicherweise brauchen die SUs 26 keinerlei Steuerfunktionen für das Kommunikationssystem 10 durchzuführen.
Das Netz 10 kann eine beliebige, potentiell in die Millionen gehende Anzahl von Teilnehmereinheiten 26 beherbergen. Bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kommunizieren die Teilnehmereinheiten 26 über Teilnehmerverbindungen 16 mit nahen Satelliten 12. Die Verbindungen 16 umfassen einen begrenzten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der in eine Vielzahl von Kanälen eingeteilt ist. Die Verbindungen 16 sind vorzugsweise Kombinationen von L-Band-Frequenzkanälen und können Kommunikationen (infra) mit Vielfach-Zugriff nach dem Frequenzmultiplex-(FDMA: Frequency Division Multiplex Access) und/oder Zeitmultiplex-(TDMA: Time Division Multiple Access) Verfahren oder einer Kombination davon umfassen. Ein Satellit 12 sendet mindestens kontinuierlich auf einem oder mehreren Rundsendekanälen 18. Die Teilnehmereinheiten 26 synchronisieren sich mit den Rundsendekanälen 18 und überwachen die Rundsendekanäle 18, um Datennachrichten zu detektieren, die an sie adressiert sein könnten. Die Teilnehmereinheiten 26 können über einen oder mehrere Akquisitionskanäle 19 Nachrichten an die Satelliten 12 versenden. Die Rundsendekanäle 18 und die Akquisitionskanäle 19 sind nicht einer speziellen Teilnehmereinheit 26 zugewiesen sondern werden von allen Teilnehmereinheiten 26, die sich momentan im Gesichtsfeld des Satelliten 12 befinden, gemeinsam genutzt.
Andererseits sind die Verkehrskanäle 17 2-Wege-Kanäle, welche bestimmten Teilnehmereinheiten 26 von Zeit zu Zeit durch die Satelliten 12 zugeordnet werden. Bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein digitales Format genutzt, um Daten über die Kanäle 17- 19 zu kommunizieren, und die Verkehrskanäle 17 unterstützen Echtzeitkommunikation. Jeder Anrufverbindung wird wenigstens ein Verkehrskanal 17 zugeordnet, und jeder Verkehrskanal 17 hat eine ausreichend große Bandbreite, um wenigstens eine 2-Wege-Sprachkonversation zu unterstützen. Zur Unterstützung von Echtzeitkommunikation wird wünschenswerterweise ein TDMA-Schema (Time Division Multiple Access: Vielfach-Zugriff im Zeitmultiplex) verwendet, um die Zeit in Frames, vorzugsweise im Bereich von 60-90 msec, einzuteilen. Innerhalb jedes Frames werden bestimmte Verkehrskanäle 17 bestimmten Sende- und Empfangs-Zeit-Slots zugeordnet, die vorzugsweise eine Dauer von 3-10 msec haben. Analoge Audiosignale werden so digitalisiert, dass das Signal eines gesamten Frames in einem einzigen kurzen Hochgeschwindigkeitsburst während eines zugeordneten Zeit-Slots gesendet oder empfangen wird. Vorzugsweise unterstützt jeder Satellit 12 bis zu Tausend oder mehr Verkehrskanäle 17, so dass jeder Satellit 12 gleichzeitig eine entsprechende Anzahl von unabhängigen Anrufverbindungen bedienen kann.
Die Satelliten 12 kommunizieren mit anderen, nahen Satelliten 12 über Cross-Links 23, daher kann eine Kommunikation von einer Teilnehmereinheit 26, die an irgendeinem Punkt auf oder nahe der Erdoberfläche positioniert ist, über die Konstellation von Satelliten 12 in dem Bereich von im Wesentlichen jedem anderen Punkt auf der Erdoberfläche weitergeleitet werden. Unter Verwendung einer Teilnehmerverbindung 16 kanh eine Kommunikation von einem Satelliten 12 hinab zu einer Teilnehmereinheit 26 auf oder nahe der Erdoberfläche weitergeleitet werden. Alternativ kann eine Kommunikation über erdgebundene Verbindungen 15 von jeder von vielen ETs 24, von denen Fig. 1 lediglich zwei darstellt, hinabgeleitet werden. Die ETs 24 sind vorzugsweise gemäß geo-politischen Grenzen über die Erdoberfläche verteilt. Bei den bevorzugten Ausführungsformen kann jeder Satellit 12 zu jedem gegebenen Zeitpunkt mit bis zu vier ETs 24 und über Tausend Teilnehmereinheiten kommunizieren.
Das SCS 28 überwacht die Intaktheit und den Status der Systemkommunikationsknoten (beispielsweise GWs 22, ETs 24 und Satelliten 12) und handhabt wünschenswerterweise den Betrieb des Kommunikationssystems 10. Eine oder mehrere ETs 24 bieten die primäre Kommunikationsschnittstelle zwischen SCS 28 und Satelliten 12. Die ETs 24 umfassen Antennen und RS-Sende/Empfangsgeräte und führen vorzugsweise für die Konstellation von Satelliten 12 Telemetrie, Nachführung und Steuerfunktionen durch.
Funktionen zur Verarbeitung von Anrufverbindungen können entweder von den GWs 22 in Verbindung mit den Satelliten 12 durchgeführt werden, oder die GWs 22 können die Verarbeitung von Anrufverbindungen und die Zuordnung von Kapazitäten zur Anrufverbindungsbehandlung innerhalb des Kommunikationssystems 10 exklusiv handhaben. Verschiedene, terrestrischbasierte Kommunikationssysteme, wie etwa das PSTN, können über GWs 22 auf das Kommunikationssystem 10 zugreifen.
Bei der beispielhaften Konstellation von 66 Satelliten 12 ist zu allen Zeiten im Gesichtsfeld jedes Punktes auf der Erdoberfläche wenigstens einer der Satelliten 12 (d. h.: eine vollständige Abdeckung der Erdoberfläche wird erreicht). Theoretisch kann jeder beliebige Satellit 12 zu jeder beliebigen Zeit durch Datenweiterleitung über die Konstellation von Satelliten 12 mit jeder beliebigen SU 26 oder ET 24 in direkter oder indirekter Datenkommunikation stehen. Folglich kann das Kommunikationssystem 10 über die Konstellation von Satelliten 12 einen Kommunikationspfad zwischen 2 beliebigen SUs 26, zwischen SCS 28 und GW 22, zwischen 2 beliebigen GWs 22 oder zwischen SU 26 und GW 22 aufbauen.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf Konstellationen anwendbar, bei denen eine vollständige Erdabdeckung nicht erreicht wird (d. h.: bei denen "Löcher" in der von der Konstellation bereitgestellten Kommunikationsabdeckung vorhanden sind) sowie auf Konstellationen, bei denen eine Mehrfachabdeckung von Bereichen der Erde auftritt (d. h.: mehr als ein Satellit ist im Gesichtsfeld eines Punktes auf der Erdoberfläche).
Wie oben diskutiert, werden bei den bevorzugten Ausführungsformen Kommunikationen in einem digitalen Format konfiguriert. Fig. 2 zeigt ein Block-Diagramm eines beispielhaften Datenpaketes 30, das verwendet werden kann, um eine Kommunikation zu einer Teilnehmereinheit 26 zu transportieren. Das Paket 30 umfasst einen Header 32, der Daten trägt, welche eine dem Paket 30 zugeordnete Typencharakterisierung, eine dem Paket 30 zugeordnete Länge und beliebige weitere Informationen identifiziert, die üblicherweise in Headern von Datenpaketen enthalten sind. Die Typencharakterisierung kann anzeigen, ob das Paket 30 ausschließlich Nachrichten zur Systemsteuerung transportiert oder ob es Teilnehmerverkehr transportiert. Es ist ein Routingcode 34 enthalten, der Netz 10 (Fig. 1) anweist, wohin das Paket 30 zu leiten ist.
Die Teilnehmer-ID 36 repräsentiert einen Code, der eine Teilnehmereinheit 26 eindeutig identifiziert und der der identifizierten Teilnehmereinheit sowie jedem Satelliten 12 (Fig. 1), der der Teilnehmereinheit 26 einen Verkehrskanal 17 (Fig. 1) zur Verfügung stellt, bekannt ist. Die Teilnehmereinheit 26 überwacht die über den Rundsendekanal 18 (Fig. 1) übermittelten Teilnehmer-IDs 36, um festzustellen, ob Pakete 30 an sie gerichtet sind. Der Satellit 12 verwendet die Teilnehmer-IDs 36 der Pakete 30, welche Verkehrsdaten der Teilnehmereinheit tragen, um diese Pakete 30 zu den Verkehrskanälen 17 zu leiten, welche der identifizierten Teilnehmereinheit 26 zugeordnet sind.
Header 32, Routingcode 34 und Teilnehmer-ID 36 repräsentieren Überhangdaten, die dazu dienen, das Paket 30 zu seinem Bestimmungsort zu bringen. Am Bestimmungsort des Paketes werden die Nutzdaten 38 konsumiert. In anderen Worten: der Zweck der Versendung eines Paketes 30 an einen Bestimmungsort ist typischerweise, die Nutzdaten 38 auszuliefern - nicht etwa Header 23 Routingcode 34 oder Teilnehmer- ID 36. Die Nutzdaten 38 umfassen entweder Systemsteuerdaten 40 oder Systemsteuerdaten 40 zusammen mit Teilnehmerverkehrsdaten 42 (z. B.: Sprache und/oder Daten). Systemsteuerdaten sind Befehle oder Nachrichten, die von der Teilnehmereinheit 26 interpretiert und ausgeführt werden. Diese Befehle sind typischerweise sehr kurz. Wenn Systemsteuerdaten über den Rundsendekanal 18 ausgeliefert werden, wird der Teilnehmerverkehr 42 ausgelassen, und das sich ergebene Paket ist sehr kurz, so dass so viele Nachrichten wie möglich über den Rundsendekanal 18 versendet werden können.
Der Teilnehmerverkehr 42 repräsentiert alle Teilnehmerdaten, die im Laufe einer Anrufverbindung transportiert werden. Wenn das Paket 30 über Verkehrskanal 17 ausgeliefert wird, wird eine erhebliche Menge an Teilnehmerverkehr angehängt. Wie oben diskutiert, kann durch den Teilnehmerverkehr 42 eine digitalisierte Version eines gesamten Frames einer Audiokonversation transportiert werden.
Verglichen mit der Größe des Teilnehmerverkehrs 42 ist die Länge der Systemsteuerdaten 40 unerheblich. Die Systemsteuerdaten 40 können daher gemeinsam mit dem Teilnehmerverkehr 42 während einer bestehenden Anrufverbindung an die Teilnehmereinheit 26 geliefert werden. Beispiele von Systemsteuernachrichten, die zusammen mit dem Teilnehmerverkehr 42 über einen Verkehrskanal 17 ausgeliefert werden können, umfassen Nachrichten, welche die Teilnehmereinheit 26 darüber informieren, dass die Gegenseite des Anruf s "aufgelegt" hat, dass ein weiterer Anruf auf die Teilnehmereinheit 26 wartet und eine beliebige Anzahl von Ankündigungsdatennachrichten führen zu einer Sprachnachricht oder einer anderen Formvon Ankündigung, die dem Benutzer der Teilnehmereinheit 26 präsentiert wird. Eine Ankündigung, die dem Benutzer präsentiert werden kann während eine Anrufverbindung besteht, kann den Benutzer beispielsweise warnen, wenn die Kommunikationsdienste bald nicht mehr erhältlich sind oder wenn sich eine Servicebedingung verschlechtert. Diese Ankündigung kann den Benutzer wünschenswerterweise auch dann warnen, wenn die bestimmte Klasse des Benutzers gesperrt wird, was später diskutiert werden soll.
Fig. 3 zeigt ein typisches Layout-Diagramm eines zellularen Antennenmusters, das von Satelliten 12 auf den Himmelskörper projiziert wird. Jeder Satellit 12 umfasst ein (nicht dargestelltes) Array von Richtantennen. Jedes Array projiziert ausgehend von seinem Satelliten 12 unter einer Anzahl verschiedener Winkel eine Anzahl diskreter Antennenstrahlen 35 auf die Erdoberfläche. Fig. 3 zeigt ein Diagramm des sich ergebenen Musters von Zellen 34, welche die Satelliten 12 auf der Erdoberfläche bilden. Das in Fig. 3 von einer Doppellinie umrandete Abdruckgebiet 36 resultiert aus den Antennenstrahlen 35, die von dem Antennenarray eines einzelnen Satelliten 12 produziert werden. Die Zellen 34, die außerhalb des Gebietes 36 liegen, werden von den Antennenarrays anderer Satelliten 12 produziert.
Die genaue Anzahl von Kanalsätzen, in die das von den Satelliten 12 verwendete Spektrum eingeteilt wird, ist für die vorliegende Erfindung nicht erheblich. Fig. 3 illustriert eine beispielhafte Zuordnung von Kanalsätzen zu Zellen 34 gemäß der vorliegenden Erfindung und entsprechend einer Einteilung des Spektrums in sieben diskrete Kanalsätze. Fig. 3 bezieht sich auf die sieben diskreten Kanalsätze durch Verwendung der Buchstaben "A", "B", "C", "D", "E", "F" und "G". Der Fachmann wird erkennen, dass eine andere Anzahl von Kanalsätzen, beispielsweise zwölf, benutzt werden kann und dass sich, falls eine andere Anzahl genutzt wird, die sich ergebende Zuordnung der Kanalsätze zu den Zellen 34 von den in Fig. 3 dargestellten Zuordnungsmustern unterscheiden wird. Der Fachmann wird ebenfalls erkennen, dass jeder Kanalsatz in sich einen Kanal oder eine beliebige Anzahl orthogonaler Kanäle beinhalten kann. Wie in Fig. 3 dargestellt, erlaubt es die Zuordnung von Kanalsätzen zu den Zellen 34, das beschränkte Spektrum in geographisch voneinander beabstandeten Zellen 34 wieder zu verwenden. Mit anderen Worten tragen nicht orthogonale Kanalsätze Kommunikationen gleichzeitig und ohne Interferenzen, weil die Zellen 34, in denen nicht orthogonale Kanalsätze verwendet werden, voneinander beabstandet sind und einander nicht überlappen. Außerdem ist jede Teilnehmereinheit 26 in der Lage, mit jedem der diskreten Kanalsätze zu arbeiten und der zu einer bestimmten Zeit von einer bestimmten Teilnehmereinheit 26 verwendete Kanalsatz wird von dem Kommunikationssystem 10 gesteuert.
Typischerweise verwenden zellulare Kommunikationssysteme verschiedene Verfahren zur Zuordnung des für jede Zelle verfügbaren, limitierten elektromagnetischen Spektrums. In FDM-(Frequency Division Multiplexing: Frequenzmultiplex) oder FDMA-(Frequency Division Multiple Access: Vielfach- Zugriff im Frequenzmultiplex) Systemen werden spezifizierte Frequenz-Unterbänder der Kommunikationsressource (d. h.: des zur Verwendung der ausgewählten, beschränkten elektromagnetischen Spektrums) ausgewählt. In einem zellularen FDM/FDMA -Kommunikationssystem wird jede Zelle einer dieser Gruppen von Frequenzen zugeordnet, so dass sie nicht mit benachbarten oder nahe gelegenen Zellen interferieren. Beispielsweise werden bei einem Schema mit sieben mehrfach verwendbaren Frequenzen, wie es etwa in Fig. 3 gezeigt ist, die Frequenzzuordnungen zu den sieben diskreten Kanalsätzen festgelegt, die, wie zuvor beschrieben, mit den Buchstaben "A", "B" "c" "D" "E" "F" und "G" bezeichnet sind. Die Anordnung von Zellen mit sieben mehrfach verwendbaren Frequenzen hilft dabei, Interferenzen zwischen Zellen mit identischen Frequenzzuordnungen (d. h.: Gleichkanalzellen) zu verhindern, indem diese Zellen um wenigstens zwei Zellen mit anderen Frequenzzuordnungen voneinander getrennt sind, obwohl es wünschenswerter ist, lediglich eine Zelle zu haben, die Gleichkanalzellen trennt.
Zellulare Kommunikationssysteme verwenden auch Zeitmultiplex (TDM: Time Division Multiplexing) oder Vielfach- Zugriff im Zeitmultiplex (TDMA: Time Division Multiple Access) bei denen es periodisch wiederkehrende Zeit-Slots gibt, während derer Nachrichteninformation eines bestimmten Benutzers übertragen/empfangen wird. Die Benutzer werden bestimmten Zeit-Slots zugewiesen, die von einer Master- Steuereinheit gesteuert werden, welche von einem Master- Zeitgeber synchronisiert wird. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 kann jeder diskrete Kanalsatz, der mit den Buchstaben "A", "B", "C", "D", "E", "F" und "G" bezeichnet ist, einem Zeitkanal zugeordnet werden. Jede Zelle kann denselben Frequenzkanal oder Kanalsatz ohne Interferenzen verwenden, weil die Benutzer in jeder Zelle lediglich während des ihnen zugewiesenen Zeit-Slots Information empfangen oder senden. Jeder Zeit-Slot kann ein Nachrichtenpaket (d. h.: Einfach-Nachrichten-Zeit-Slots) oder mehrere Nachrichtenpakete (d. h.: mehrere Sub-Zeit-Slots, von denen jeder eine einzelne Nachricht enthält) enthalten.
Bei manchen Anwendungen ist es wünschenswert, eine Kombination von FDMA und TDMA zu verwenden. Beispielsweise ist es möglich, anstelle der Verwendung derselben Frequenzkanäle oder Kanalsätze für ein Netz und der Zuordnung unterschiedlicher Zeit-Slots zu unterschiedlichen Zellen die Frequenzen unter den Zellen zu rotieren und denselben oder einen anderen Zeit-Slot pro Zelle zuzuweisen. Bei FDMA und TDMA werden üblicherweise einige Frequenzen oder Zeit-Slots für die Zugriffsignalisierung und/oder -Steuerung reserviert und sind nicht in üblicherweise für herkömmliche Konversations- und/oder Benutzerdatentransfer verwendbar (d. h.: für Zugriffsprotokoll). Auch einige der Kanäle und/oder Zeit-Slots des kombinierten FDMA/TDMA -Systems der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind wünschenswerterweise für denselben Zweck reserviert. FDMA- und TDMA-Kommunikationstechniken und Kombinationen davon sind dem Fachmann wohlbekannt.
Die Kommunikationsressource (d. h.: das begrenzte elektromagnetische Spektrum) kann auch durch die Verwendung einer hybriden Kombination von FDMA und TDMA eingeteilt werden, die im Stand der Technik als Codemultiplex (CDM: Code Division Multiplexing) oder Vielfach-Zugriff im Codemultiplex (CDMA: Code Division Multiple Access) bekannt ist. CDMA ist eine Streuspektrumtechnik, bei der bestimmte Mitglieder eines Satzes von orthogonalen oder beinahe orthogonalen Streuspektrumcodes zugeordnet werden, von denen jeder die volle Kanalbandbreite verwendet. Zwei übliche Streuspektrumtechniken sind das Direktsequenz- und das Frequenzsprungverfahren. Diese Kommunikationstechniken sind im Stand der Technik wohlbekannt.
Andere Techniken des Standes der Technik zur Zuweisung der Kommunikationsressource umfassen Raum-Diversity (SD: Space Diversity) und Polarisations-Diversity (PD). In einem SD-System können Punktstrahlantennen verwendet werden, um Funksignale zu separieren, indem sie in verschiedene Richtungen weisen. Auch dies erlaubt die erneute Verwendung desselben Frequenzbandes. Bei einem PD-Kommunikationssystem werden orthogonale Polarisationen zur Separation von Signalen verwendet, was ebenfalls die erneute Verwendung desselben Frequenzbandes gestattet. Diese Kommunikationstechniken sind im Stand der Technik ebenfalls wohlbekannt.
Während die spezielle Kommunikationstechnik (d. h.: das Verfahren zur Zuordnung der Kommunikationsressource) für die vorliegende Erfindung nicht erheblich ist, wird der Fachmann verstehen, dass jede Einzelne oder Kombinationen der oben beschriebenen Kommunikationstechniken bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Fig. 4 zeigt ein Block-Diagramm einer Funkkommunikationsstation, die von einem Satelliten 12 zur Verfügung gestellt wird. Vorzugsweise enthalten alle Satelliten 12 innerhalb der Umgebung 10 (siehe Fig. 1) Ausrüstung, wie in dem Block-Diagramm von Fig. 4 illustriert. Der Satellit 12 umfasst Crosslink-Sende/Empfangsgeräte 72 und zugeordnete Antennen 74. Die Sende/Empfangsgeräte 72 und die Antennen 74 unterstützen Crosslinks zu anderen, nahen Satelliten 12. Erdverbindungs-Sende/Empfangsgeräte 76 und zugeordnete Antennen 78 unterstützen Erdverbindungen zur Kommunikation mit erdgestützten Terminals 24 (Fig. 1). Außerdem unterstützen Teilnehmereinheits-Sende/Empfangsgeräte 80 und zugeordnete Antennen 82 Teilnehmereinheiten 26 (Fig. 1). Vorzugsweise kann jeder Satellit 12 gleichzeitig eine Verbindung für mehrere Tausend oder mehr Teilnehmereinheiten 26 (Fig. 1) unterstützen. Der Fachmann wird natürlich erkennen, dass die Antennen 74, 78 und 82 entweder als einzelne multidirektionale Antennen oder als Batterien von diskreten Antennen verwirklicht sein können. Es ist wünschenswert, dass eine Teilnehmereinheitsantenne eine Phasenarrayantenne ist, die gleichzeitig auf viele Zellen 34 (Fig. 1) zugreifen kann.
Eine Steuereinheit 84 ist mit jedem der Sende/Empfangsgeräte 72, 76 und 80 sowie mit einem Speicher 86 und einem Timer 88 verbunden. Die Steuereinheit 84 kann unter Verwendung eines oder mehrerer Prozessoren verwirklicht sein. Die Steuereinheit 84 verwendet den Timer 88 unter anderem zur Beibehaltung des aktuellen Datums und der Zeit. Der Speicher 86 speichert Daten, die als Anweisungen an die Steuereinheit 84 dienen und die, wenn sie von der Steuereinheit 84 ausgeführt werden, den Satelliten 12 veranlassen, Prozeduren durchzuführen die weiter unten beschrieben werden sollen. Außerdem enthält der Speicher 86 Variablen, Tabellen und Datenbanken, die aufgrund des Betriebs des Satelliten 12 verändert werden.
Die Teilnehmereinheit-Sende/Empfangsgeräte 80 sind vorzugsweise mehrkanalige FDMA/TDMA-Sende/Empfangsgeräte, die in der Lage sind, gemäß Anweisungen der Steuereinheit 84 während bestimmter, wählbarer Zeit-Slots auf allen unterschiedlichen, wählbaren Frequenzen zu senden und zu empfangen. Die Teilnehmereinheit-Sende/Empfangsgeräte 80 umfassen mehrkanalige Funkgeräte mit einer hinreichenden Anzahl von Kanälen, um die erwünschte Anzahl von Sende- und Empfangsfrequenzen für den Signalzugriff und die Steuerung sowie für die Benutzersprache und/oder -Daten zur Verfügung zu stellen. Die Steuereinheit 84 kann für die Zuordnung der Frequenz sowie die Zeit-Slot-Zuweisung, den Handoff von Zelle zu Zelle und andere Überhang-, Managment- und Steuerfunktionen sorgen. Die Teilnehmereinheit- Sende/Empfangsgeräte 80 sorgen vorzugsweise für die Sendung und den Empfang auf jedem Frequenzkanalsatz, so dass jedes Teilnehmereinheits-Sende/Empfangsgerät 80, wenn nötig, die gesamte Spektralkapazität aller Frequenzkanalsätze verwenden kann, indem es die Fähigkeit hat, alle Frequenz- und Zeitkanalzuordnungen zu handhaben.
Fig. 5 ist ein vereinfachtes, schematisches Diagramm eines Bereichs der Steuerstation 65 und eines Bereichs der terrestrischen Station 68 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Steuerstation 65 und die terrestrische Station 68 sind vorzugsweise Teil von SCS 28 (Fig. 1) beziehungsweise ET 24 (Fig. 1). Die Steuerstation 65 umfasst einen Prozessor 60, der über eine Verbindung 61 mit einem zugeordneten Speichermedium 62 verbunden ist (beispielsweise einem Direktzugriffsspeicher oder RAM (Random Access Memory) oder einer anderen Halbleiter- oder magnetischen Schreib/Lesespeichervorrichtung, einer optischen Platte, einem Magnetband, einer Diskette, einer Festplatte etc.). Die terrestrische Station 68 umfasst eine Antenne 70, die über die Verbindung 69 mit einem Sender 65 und einem Empfänger 67 verbunden ist. Der Sender 65 und der Empfänger 67 sind über die Verbindungen 64 beziehungsweise 66 mit dem Prozessor 60 verbunden. Der Prozessor 60 führt wünschenswerterweise die weiter unten exemplarischen dargestellten und im zugeordneten Text beschriebenen Prozeduren aus. Zusätzlich zur Ausführung anderer Aufgaben je nach Bedarf speichert der Prozessor 60 in wünschenswerterweise zum Beispiel Ergebnisse von derartigen Prozeduren im Speichermedium 62. Der Sender 65 und/oder Empfänger 67 senden und/oder empfangen Nachrichten zu/von Satelliten 12.
Herkömmliche zellulare Funkeinheiten und -systeme sind beispielsweise in den US-Patenten 4,783,779, 4,144,412 und 5,097,499 beschrieben, und Satellitenkommunikationssysteme sind beispielsweise in den US-Patenten 4,722,083 und 4,819,227 beschrieben.
Teilnehmereinheitsantennen 82 (Fig. 4), Teilnehmereinheits-Sende/Empfangsgeräte 80 (Fig. 4), Steuerstationen 28 (Fig. 1) und erdgebundene Terminals 24 (Fig. 1) führen jene Funktionen durch und enthalten zumindest diejenige Ausrüstung, die herkömmlicherweise terrestrischen oder satellitengestützten, zellularen Kommunikationssystemen zugeordnet sind, plus weitere Funktionen und Ausrüstungen, wie sie detaillierter weiter unten beschrieben werden.
Der Prozessor 60 steuert und verwaltet allgemein Benutzerzugang, Nachrichtenempfang und -Versendung, Kanaleinrichtung, Funkabstimmung, Frequenz- und Zeit-Slot-Zuordnung sowie andere Mobilfunkkommunikations- und Steuerfunktionen, die nicht von der Steuereinheit 84 (Fig. 4) gehandhabt oder zur Verfügung gestellt werden. Unter anderem führen der Prozessor 60 und/oder die Steuereinheit 84 (Fig. 4) wünschenswerterweise Prozeduren aus, die dem Benutzer Zugriff auf das Kommunikationssystem 10 gestatten. Dies kann Prozeduren für Protokolle zur Kanaleinrichtung und andere zugehörige Funktionen, wie weiter unten diskutiert, umfassen.
Fig. 6 zeigt ein Block-Diagramm einer typischen Teilnehmereinheit (SU) 26 (analog zu der Teilnehmereinheit 26 von Fig. 1), die mit den Kommunikationssystem 10 kommuniziert. Die SU 26 kann auch über das Kommunikationssystem 10 mit anderen SUs 26 oder einer anderen Telekommunikationseinrichtung kommunizieren. Die Teilnehmereinheit 26 enthält ein Sende/Empfangsgerät 42, das unter Verwendung einer Antenne 41 Signale zu und von dem Kommunikationssystem 10 sendet und empfängt. Das Sende/Empfangsgerät 42 ist wünschenswerterweise ein mehrkanaliges Sende/Empfangsgerät, das zur Sendung und zum Empfang auf allen Frequenzkanälen in dem spezifizierten Zeit-Slot in der Lage ist, wie dies von dem Kommunikationssystem 10 gefordert wird.
Das Sende/Empfangsgerät 42 umfasst wünschenswerterweise einen Akquisitionskanal-Transceiverteil, einen Rundsendekanalempfängerteil und einen Verkehrskanal- Transceiverteil. Der Akquisitionskanal-Transceiverteil kommuniziert auf einem von mehreren Akquisitionskanälen, wie sie von dem Satelliten 12 bestimmt werden und wird in erster Linie während des Zugriffsprotokolls benutzt, wenn der Teilnehmer, wie zuvor diskutiert, Zugriff auf das Kommunikationssystem 10 wünscht. Der Verkehrskanal-Transceiverteil kommuniziert mit dem Kommunikationssystem 10 auf einem von dem Satelliten 12 zugewiesenen Verkehrskanal. Der Fachmann wird verstehen, dass der Akquisitionskanal-Transceiverteil, der Rundsendekanalempfängerteil und der Verkehrskanal- Transceiverteil in einer Einheit enthalten sein können, die zur Ausführung beider Funktionen in der Lage ist. Das Sende/Empfangsgerät 42 ist mit einem Prozessor 44 verbunden, der die Frequenz- und Timingparameter, mit denen das Sende/Empfangsgerät 42 arbeitet, steuert. Zusätzlich steuert der Prozessor 44 vorzugsweise die Leistungsstufe mit der das Sende/Empfangsgerät 42 Signale überträgt. Zusätzlich ist der Prozessor 44 wünschenswerterweise mit einem Eingabe/Ausgabe- (I/O-) Abschnitt 46, einen Timer 48 und einem Speicher 43 verbunden. Der Prozessor 44 benutzt den Timer 48 um das aktuelle Datum und die aktuelle Zeit beizubehalten. Der Speicher 43 enthält Halbleiter-, magnetische und andere Speichervorrichtungen zum Speichern von Daten, die als Anweisungen an den Prozessor 44 dienen und die, wenn sie von dem Prozessor 44 ausgeführt werden, die Teilnehmereinheit 26 veranlassen, Prozeduren durchzuführen, welche weiter unten diskutiert werden. Zusätzlich enthält der Speicher 43 Variablen, Tabellen und Datenbanken, die in Abhängigkeit vom Betrieb der Teilnehmereinheit 26 verändert werden.
Der Eingabe/Ausgabe- (I/O-) Abschnitt 46 der Teilnehmereinheit 26 wird verwendet, um Eingaben vom Benutzer der Teilnehmereinheit 26 zu sammeln und um Ausgaben zur Wahrnehmung durch den Benutzer bereitzustellen. Der I/O- Abschnitt 46 enthält wünschenswerterweise zum Beispiel eine Tastatur 45 zur Aufnahme von Nummern, die eine Partei identifizieren, an die ein Anruf gerichtet werden soll, einen Hauptschalter 47 zur Steuerung der Energieversorgung und Energieabschaltung der Teilnehmereinheit 26, eine "Senden"- Taste 49 zur Anzeige, wann die Nummer einer angerufenen Partei eingegeben ist, und einen Gabelumschalter 51. Ein Display 52 kann wünschenswerterweise verwendet werden, um dem Benutzer visuelle Informationen zu präsentieren und ein Alarm oder Pieper 53 kann wünschenswerterweise verwendet werden, um dem Benutzer einen hörbaren Alarm zu liefern. Ein Hand- oder Multitongerät 50 transformiert wünschenswerterweise hörbare Signale in elektrische Signale und umgekehrt.
Um Zugriff auf das Kommunikationssystem 10 zu erlangen, muss die Teilnehmereinheit 26 einem Verkehrskanal 17 zugeordnet werden. Der Verkehrskanal 17 kann eine Kombination von Frequenzkanälen und/oder Zeit-Slots sein, wie oben diskutiert. Zur Durchführung wählt die Teilnehmereinheit 26 einen von dem Satelliten 12 zur Verfügung gestellten Akquisitionskanal. Der Satellit 12 stellt wünschenswerterweise mehrere Akquisitionskanäle zur Verfügung und bei der bevorzugten Ausführungsform stellt er wenigstens sechs oder mehr Akquisitionskanäle 19 zur Verfügung. Die Auswahl eines speziellen Akquisitionskanals 19 durch die Teilnehmereinheit 26 kann zufällig oder auf irgendeine vorbestimmte Weise erfolgen. Sobald der Akquisitionskanal 19 ausgewählt ist, initiiert die Teilnehmereinheit 26 auf dem Akquisitionskanal ein Protokoll mit dem Satelliten 12. Wünschenswerterweise kann die Teilnehmereinheit 26 ein ALOHA-Protokoll und Vorzugsweise ein im Stand der Technik wohlbekanntes Slotted- ALOHA-Protokoll initiieren. Als Teil des Protokolls empfängt die Teilnehmereinheit 26, wie oben diskutiert, eine Zuordnung eines Verkehrskanals 17.
In Fällen starker Belastung kann die Teilnehmereinheit 26 mit anderen interferieren, wenn sie auf dem Verkehrskanal 19 sendet, was dazu führt, das relativ wenige Teilnehmereinheiten 26 tatsächlich ein Protokoll abschließen und die Zuordnung eines Verkehrskanals 17 empfangen. Dieses Phänomen ist als "Thrashing" bekannt.
Zur Reduzierung oder Vermeidung des "Thrashing" zwischen konkurrierenden Teilnehmereinheiten 26 während des Zugriffsprotokolls, wird den Teilnehmereinheiten 26 ein Klassenidentifikator zugeordnet. Tabelle I. zeigt Beispiele von verschiedenen Klassenidentifikatoren, die verschiedenen Benutzerklassen zugeordnet werden können. Die Klassenidentifikatoren können besondere oder privilegierte Benutzer anzeigen, wie etwa im Fall von Systemwartungsbenutzern, Notdiensten oder eines Geschäftsführers. Die Klassenidentifikatoren können auch zufällig zugeordnet werden, wie dies etwa der Fall für reguläre Teilnehmerklassen ist. Die genaue Anzahl von Klassen ist für die vorliegende Erfindung unwesentlich, solange die Anzahl von Mitgliedern einer einzelnen Klasse innerhalb eines Satellitenstrahls 35 (Fig. 3) die Wahrscheinlichkeit verringert, dass eine Überlastungsbedingung erzeugt wird. Tabelle 1:
Um einer Teilnehmereinheit einen Klassenidentifikator zuzuordnen, wird der Klassenidentifikator in jede Teilnehmereinheit eingebettet. Wünschenswerterweise wird der Klassenidentifikator im Speicher 43 (Fig. 6) der Teilnehmereinheit 26 platziert und zwar zum Zeitpunkt der anfänglichen Aktivierung der Teilnehmereinheit. Vorzugsweise wird der Klassenidentifikator nicht durch den individuellen Benutzer verändert und bleibt feststehend, während die Teilnehmereinheit 26 einem speziellen Benutzer oder einer Benutzergruppe zugeordnet wird.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 1. Wie zuvor diskutiert liefert SCS 28 dem Satelliten 12 Parameter zur Steuerung des Betriebs der Kommunikationsausrüstung (z. B. Fig. 4), welche von dem Satellit 12 zur Verfügung gestellt wird. Diese Parameter können wünschenswerterweise einen Satz von gesperrten Benutzerklassen (d. h. beispielsweise die Benutzerklassen 7, 9, 11 von Tabelle I.) umfassen. Während Perioden, während derer es wünschenswert ist, den Zugriff auf einen Satelliten auf irgendeine beschränkte Klasse oder einen Satz von Benutzern zu begrenzen, sendet der Satellit 12 den Satz von gesperrten Klassenidentifikatoren auf dem Rundsendekanal 18. Die Teilnehmereinheiten 26, welche eine der gesperrten Benutzerklassen haben, werden daran gehindert, ein Zugriffsprotokoll auf dem Akquisitionskanal 19 zu initiieren, wodurch sie von einem Zugriff auf den Satelliten 12 gehindert werden. Der Vorteil dabei ist, dass eine Teilnehmereinheit den Akquisitionskanal 19 nicht belegt, um lediglich herauszufinden, dass keine Verkehrskanäle 17 verfügbar sind. Die Teilnehmereinheit 26 wird daher keinem Verkehrskanal 17 zugeordnet und wird nicht in der Lage sein, mit dem System 10 zu kommunizieren.
Der Satz von gesperrten Benutzerklassen kann wünschenswerterweise mit der Zeit variiert werden, um allen Benutzern Zugriff auf den Satelliten 12 zu gestatten. Während Notsituationen, beispielsweise Naturkatastrophen, kann weiter allen Klassen der Zugriff verweigert werden mit Ausnahme derjenigen Benutzer, die mit einem Klassenidentifikator für Notdienste (z. B. 2) und für Systemtest und - Instandhaltung (z. B. 1) ausgestattet sind.
In anderen Situationen in denen viele Teilnehmereinheiten in einer Projektionsregion 36 (Fig. 3) oder einer einzelnen Zelle 34 (Fig. 3) Zugang zu den Satelliten 12 wünschen, kann der Klassenidentifikator als Prioritätsabstufung dienen, bei der Teilnehmereinheiten mit einer niedrigeren Zahl als Klassenidentifikator bei Zugangsprotokollen Priorität erhalten gegenüber Teilnehmereinheiten mit einer höheren Zahl als Klassenidentifikator. Beispielsweise könnten Teilnehmereinheiten 26, denen der Klassenidentifikator "2" zugeordnet ist, Priorität erhalten gegenüber jenen mit dem Klassenidentifikator "4" und gleichermaßen könnten Teilnehmereinheiten, denen der Klassenidentifikator "14" zugeordnet ist, Priorität erhalten gegenüber jenen mit dem Klassenidentifikator "15". Die Zuordnungspriorität kann unter den Klassen für reguläre Teilnehmer auch rotiert werden, so dass beispielsweise Benutzerklassen mit höherer Zahl nicht immer eine niedrigere Priorität gegeben wird als Benutzerklassen mit höherer Zahl. Beispielsweise können Benutzer mit dem Klassenidentifikator "15" manchmal Priorität gegenüber Benutzern mit den Klassenidentifikator "13" haben.
Bei satellitenbasierten Kommunikationssystemen 10 (Fig. 1), bei denen sich Satelliten im Verhältnis zueinander bewegen, ändern sich die relativen Positionen der Antennenstrahlen 35, die von verschiedenen Satelliten 12 erzeugt werden. Wenn die Satelliten beispielsweise in polaren Umlaufbahnen 14 sind, beginnen sich Strahlen an den Rändern von benachbarten Satelliten zu überlappen, wenn sich die Satelliten 12 vom Erdäquator hin zu einem Pol bewegen, und schließlich werden die überlappenden Strahlen abgeschaltet. Es ist wünschenswert, dass Teilnehmereinheiten 26 daran gehindert werden, Zugriffsversuche auf einen Satellitenstrahl zu unternehmen, der kurz vor der Abschaltung steht. In dieser Situation, in der der Satellit 12 Strahlen abschalten wird, versendet der Satellit 12 Parameter, die eine erhöhte Anzahl an gesperrten Klassen enthalten können. Beispielsweise können innerhalb der 15 sec vor der beabsichtigen Abschaltung eines Satellitenstrahls ausgerechnet, alle Klassen gesperrt werden.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 4. Bei einer bevorzugten Ausführungsform misst die Steuereinheit 84 wünschenswerterweise den Bedarf jeder Zelle 34 (Fig. 3) durch Messung der Anzahl von aktuellen und in einer Warteschlange stehenden Dienstanforderungen durch SUs 26 sowie die Belastung durch Messung der Anzahl von SUs 26, die aktuell bedient werden. Die Steuereinheit 84 berechnet wünschenswerterweise den Bedarfstrend jeder Zelle 34 in vorbestimmten Intervallen, so genannten Planungsintervallen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform benutzt die Steuereinheit 84 die Bedarfs- und Belastungsinformation, die über das gesamte Planungsintervall gemessen wurde. Die Länge des Planungsintervalls würde unter anderem von der Satellitenbelastung und -umlaufbahn abhängen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Länge des Intervalls im Bereich zwischen 15 sec und 1 min liegen. Die Steuereinheit 84 vergleicht die aktuelle Belastungs- und Bedarfsinformation mit Zellkapazitätsinformationen im Speicher 86 und bestimmt, wie viel Kapazität ungenutzt bleibt.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform vergleicht der Prozessor 60 (Fig. 5) wünschenswerterweise die aktuelle Zellbelastung, den Bedarf und den Bedarfstrend mit einem historischen Zellbedarf. Der Prozessor 60 sagt wünschenswerterweise auch für jede Zelle voraus, ob die Zellkapazität für den unmittelbar vorhersehbaren Bedarf angemessen ist. Die Vorhersage basiert vorzugsweise auf dem Bedarfstrend, historischen Daten und/oder Kombinationen davon. Historische Daten werden in dem Speichermedium 62 der SCS 65 gespeichert.
Nähert sich der Servicebedarf einer vorbestimmten Stufe oder wird vorhergesagt, dass er sich einer vorbestimmten Stufe nähert (z. B. 90% der Zellkapazität), weist der Prozessor 60 den Satelliten 12 an, eine gesperrte Klasse oder gesperrte Klassen von Benutzern rundzusenden. SCS 28 bestimmt wünschenswerterweise, welche Klasse oder Klassen von Benutzern gesperrt werden.
Die in dem Speichermedium 62 der SCS 65 enthaltenen historischen Informationen basieren allgemein auf aktuelle Erfahrung von Benutzeranfragen nach Systemzugriff und darauf, wie sich die Systembelastung nach Tageszeit, Wochentag, Monatstag, Kalenderdatum, Feiertage bzw. Ferien oder Daten über andere besondere Vorkommnisse usw. verändert hat. Die historischen Informationen können allgemein von dem Prozessor 60 oder der Steuereinheit 84 erzeugt werden und können auch im Speicher 86 des Satelliten 12 enthalten sein. Historische Informationen im Speichermedium 62 können auch vom Systembetreiber bereitgestellt werden. Die historischen Informationen nehmen wünschenswerterweise Bezug auf spezielle geographische Positionen und nehmen vorzugsweise Bezug auf spezielle Tages-, Wochen-, Monatszeiten etc., zu denen die Dienstnachfrage variiert. Wenn der Satellit 12 beispielsweise ein Gebiet mit hoher Nachfrage zur Stosszeit überfliegt, wird die Dienstnachfrage wesentlich höher sein als in einem Gebiet mit niedriger Bevölkerungsdichte zur späten Nachtzeit. Die Tabellen im Speichermedium 62 enthalten wünschenswerterweise den auf solchen vorhersagenbasierten Dienstbedarf.
Falls vom Systembetreiber gewünscht, kann die Steuereinheit 84 und/oder der Prozessor 60 die historischen Daten im Speichermedium 62 aktualisieren, wenn neue Erfahrungen gesammelt wurden. Da erwartet wird, dass die höchste Überlastung und höchsten Bedarfsbedingungen wiederholt erfolgen, d. h. dass es wahrscheinlich ist, dass sie während derselben Zeiten an ähnlichen Tagen der Woche und/oder des Monats erfolgen, ist die Verwendung historischer Daten zur Vorhersage von Dienstanforderung eine große Hilfe beim Management, wann Benutzerklassen zu sperren sind und wie viele Sperrungen erforderlich sind.
Obwohl die Steuereinheit 84 und Speicher 86 als in dem Satelliten 12 enthalten dargestellt sind, ist dies nicht wesentlich. Die Funktionen der Steuereinheit können auch auf dem Erdboden von SCS 28 durchgeführt werden. Weiter gilt, dass, obwohl es bevorzugt wird, dass der Prozessor 60 und das Speichermedium 62 in SCS 28 enthalten sind, dies nicht wesentlich ist. Die zentralen Prozessorfunktionen und Speicherfunktionen können anderweitig im System verteilt oder konzentriert werden. Beispielsweise kann eine Hauptsteuerstation verwendet werden, und einige oder alle der oben beschriebenen Überwachungs- und Managementfunktionen können darin konzentriert werden. Alternativ können diese Überwachungs- und/oder Managementfunktionen über verschiedene Stufen des Systems in einem hierarischen Netzwerk verteilt werden, wobei jede Stufe verantwortlich ist für die Zuordnung von Überwachungs- und Managementkapazitäten an/von die/der Stufe darunter (d. h. ihre Untergebenen), für das Suchen von Koordinationsdaten von Stufen darüber (d. h. ihren Vorgesetzten) und von Benutzerzugriffsvorhersagedaten von/an gleichgestellten.
Mit der Verfügbarkeit von historischen Bedarfsinformationen, die als Uhr und Kalender verschlüsselt sind, können der Satellit 12 und/oder die SCS 28 die Klassen von gesperrten Benutzern ändern, um sie den historischen stündlichen, täglichen, wöchentlichen und/oder monatlichen Fluktuationen des Bedarfs anzupassen, wenn der aktuelle Bedarf und der Bedarfstrend nicht überwacht werden. Die Prozedur zur Anpassung historischer Daten an den Bedarfstrend alleine ist ausreichend, um selbst ohne eine konstante Überwachung der Zellbelastung einen verbesserten Service zur Verfügung zu stellen. Eine Echtzeitüberwachung der Zellbelastung ist jedoch vorzuziehen, da sie als Überprüfung der Genauigkeit der Vorhersage, basierend auf den historischen Trends, agiert und es gestattet, die historischen Trends kontinuierlich zu aktualisieren.
Weiter kann das Speichermedium 62 Tabellen oder Zuordnungen enthalten, um bestimmten Zellen, in denen normalerweise eine hohe Nachfrage an Benutzerdiensten bestünde, wie etwa in Gebieten hoher Bevölkerungsdichte, eine vorbestimmte Liste von gesperrten Benutzerklassen zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise können in Australien, wo es Gebiete hoher Bevölkerungsdichte entlang der Küsteregionen und relativ nah gelegene Gebiete mit niedriger Bevölkerungsdichte in zentralen Wüsten- oder Outbackregionen gibt, gesperrte Benutzerklassen vorbestimmt werden. Ein weiteres Beispiel wäre entlang der Ostküste der Vereinigten Staaten, einer Region mit hoher Bevölkerungsdichte. Die Satellitenkommunikation 10 kann anfänglich die von Zellen/Antennenprojektionen, die über die Landfläche projiziert sind, ausgeschlossenen Benutzerklassen bestimmen.
Fig. 7 illustriert eine Zugriffsprozedur 100, die von einer Teilnehmereinheit 26 jedes Mal durchgeführt wird, wenn Zugriff auf das System 10 gewünscht wird. Wünscht ein Benutzer, eine Kommunikation zu initiieren, kann der Benutzer eine Dienstanforderung 102 initiieren. Dies kann entweder durch Schalten der Teilnahmereinheit oder durch Wählen einer gewünschten Telefonnummer erfolgen. Task 104 weist die Teilnehmereinheit 26 an, einen Antennenstrahl 35 (Fig. 3) des Satelliten 12 mit dem stärksten RF -Signal auszuwählen. Abhängig von dem angeforderten Diensttyp kann die Teilnehmereinheit 26 zeitweise ihren Klassenidentifikator gemäß Task 106 ändern. Wenn beispielsweise ein Teilnehmer mit dem Klassenidentifikator "15" (siehe Tabelle I.), beispielsweise durch Wählen der 911, einen Notdienst 107 anfordert, kann der Klassenidentifikator der Teilnehmereinheit zeitweise von "15" auf "3" geändert werden. Dieser temporäre Wechsel der Benutzerklasse gibt der Teilnehmereinheit Priorität gegenüber allen anderen Teilnehmereinheiten mit höheren Benutzerklassenidentifikatoren. Sobald ein Antennenstrahl 35 ausgewählt ist, überwacht Task 108 den Rundsendekanal 18 und empfängt unter anderem von dem Satelliten 12 die Liste der aktuell gesperrten Benutzerklassen im ausgewählten Antennenstrahl 35. Die Teilnehmereinheit 26 empfängt von dem Satelliten 12 auch Informationen, die beschreiben, welche Kanäle als Akquisitionskanäle zugeordnet wurden. Gibt es in Task 110 keine als gesperrt bestimmte Klassenidentifikatoren, wählt Task 112 den derzeitigen Antennenstrahi aus. Gibt es dagegen gesperrte Klassen, vergleicht Task 114 die Liste gesperrter Klassen mit der Benutzerklasse, die der Teilnehmereinheit zugeordnet ist und bestimmt, ob der Teilnehmer zu den gesperrten Klassen gehört. Ist die Teilnehmereinheit keine der gesperrten Klassen, wählt Task 112 den derzeitigen Antennenstrahl aus.
Ist die Klasse der Teilnehmereinheit eine aus dem gesperrten Satz von Klassen, bestimmt Task 116, ob andere Antennenstrahlen des Satelliten 12 verfügbar sind. Task 116 kann die Entscheidung auf der Entsprechung der Signalstärke anderer Antennenstrahlen basieren. Sind keine anderen Antennenstrahlen verfügbar, zeigt Task 120 dem Benutzer eine Nachricht an, dass er die Kommunikation zu einem späteren Zeitpunkt initiieren soll. Beispiele solcher Nachrichten können auch "System belegt"-Nachrichten und "später erneut versuchen"-Nachrichten enthalten. Sind andere Antennenstrahlen verfügbar und können sie von der Teilnehmereinheit 26 empfangen werden, wählt Task 118 einen anderen verfügbaren Antennenstrahl des Satelliten 12 aus. Die Tasks 108 bis 120 werden für jeden verfügbarem Antennenstrahl wiederholt.
Sobald von Task 112 schließlich ein Antennenstrahl ausgewählt ist, wählt Task 122 einen Akquisitionskanal 19 aus und initiiert ein Zugriffsprotokoll auf dem ausgewählten Akquisitionskanal. Der Satellit 12 stellt wünschenswerterweise als Teil der auf dem Rundsendekanal, welcher dem speziellen Antennenstrahl zugeordnet ist, rundgesendeten Informationen, Informationen darüber zur Verfügung, auf welchen Frequenzen und/oder Frequenzkanälen die Akquisitionskanäle für den speziellen Antennenstrahl positioniert sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform initiiert die Teilnehmereinheit ein Slotted-ALOHA-Protokoll auf dem ausgewählten Akquisitionskanal. Bei erfolgreicher Vollendung des Zugriffsprotokolls weist der Satellit 12 in Task 126 der Teilnehmereinheit 26 einen Verkehrskanal 17 zu (falls ein Verkehrskanal verfügbar ist), auf dem die Teilnehmereinheit 26 dann mit dem System 10 kommunizieren kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Prozedur 100 kann die Teilnehmereinheit 26 die Tasks 106-120 kontinuierlich durchführen, indem der Rundsendekanal 18 des Antennenstrahls 35 kontinuierlich überwacht wird und der Benutzer informiert wird, wenn die Teilnehmereinheit 26 gesperrt ist oder nicht am Zugriff auf das System 10 gehindert wird.
Fig. 8 illustriert eine Prozedur 200, die von der Steuerstation 60 (Fig. 5) durchgeführt wird und die geeignet ist zur Verwendung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wünschenswerterweise wird die Prozedur 200 von der Steuerstation 65 auf einer regelmäßigen Basis durchgeführt und vorzugsweise während jedes Planungsintervalls wiederholt. Planungsintervalle können in Größenordnungen liegen die so kurz sind wie einige Sekunden oder so lang wie mehrere Stunden und liegen wünschenswerterweise zwischen 15 sec und 5 min. sind vorzugsweise jedoch etwa 30 sec lang. Task 202 benutzt die historische Belastungsinformation 204, um die geographischen Bereiche zu bestimmen, für die eine Überlastung wahrscheinlich ist. Task 202 nimmt diese Bestimmung vorzugsweise während des aktuellen Planungsintervalls vor. Historische Belastungsinformationen können in dem Speichermedium 62 (Fig. 5) gespeichert werden. Task 206 fügt geographische Bereiche hinzu, von denen aufgrund von Eingaben durch den Systembetreiber 208 eine Überlastung erwartet wird. Derartige Eingaben können menschliche Kenntnis von ungewöhnlichen Ereignissen wie etwa Naturkatastrophen, wesentlichen Ereignissen (z. B. Olympische Spiele) etc. umfassen. Task 210 bestimmt dann einen Teil von Teilnehmereinheiten in dem geographischen Gebiet, für das eine Überlastung erwartet wird, die von Zugriffversuchen auf das System 10 ausgesperrt werden sollen. Diese Bestimmung wird wünschenswerterweise die Teilnehmerdatenbankinformation 214 für die spezielle geographische Position verwenden.
Task 216 wird den speziellen Satz von Klassenidentifikatoren (siehe Tabelle I.) bestimmen, welche während des aktuellen Planungsintervalls gesperrt wird. Die Auswahl der zu sperrenden Klassenidentifikatoren wird wünschenswerterweise über mehrere Planungsintervalle zwischen allen Teilnehmerklassen fair aufgeteilt. Wenn es beispielsweise erforderlich ist, nur eine Benutzerklasse von regulären Teilnehmern zu sperren, würden Teilnehmer, denen der Klassenidentifikator "13" zugewiesen ist während eines Planungsintervalls gesperrt, dann würden im nächsten Planungsintervall Teilnehmer, denen der Klassenidentifikator "14" zugewiesen ist, gesperrt bis alle regulären Teilnehmereinheitsklassen gesperrt wurden, bevor die Klasse "13" erneut gesperrt wird.
Task 218 bestimmt den speziellen Satelliten 12 (Fig. 2) und die zugeordneten Antennenstrahlen 35 (Fig. 3), von denen erwartet wird, dass sie während des Planungsintervalls die überlasteten Gebiete bedienen. Task 220 erzeugt eine Liste von gesperrten Klassen, die in die Parameterliste für den zugeordneten Antennenstrahl aufgenommen werden sollen. Task 222 sendet die Liste von gesperrten Benutzerklassen an den speziellen Satelliten 12 zur Rundsendung in dem zugeordneten Antennenstrahl 35 während des Planungsintervalls. Task 224 wartet wünschenswerterweise bis das nächste Planungsintervall die Prozedur 200 wiederholt.
Fig. 9 illustriert eine Prozedur 300, die von einem Kommunikationsknoten (z. B. Satellit 12 von Fig. 1) bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird wünschenswerterweise wird die Prozedur 300 einmal für jedes weiter oben diskutierte Planungsintervall durchgeführt. In Task 301 empfängt der Kommunikationsknoten einen Parametersatz von dem Kommunikationssystem. Der Parametersatz umfasst wünschenswerterweise eine Liste von gesperrten Benutzerklassen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Parametersatz wenigstens teilweise durch die Prozedur 200 (Fig. 8) erzeugt. Task 302 bestimmt, ob sich der Satellit 12 in einem Wartungsmodus (indem er z. B. keine Anrufverbindungen von Teilnehmereinheiten annimmt) befindet und, falls dies der Fall ist, modifiziert Task 304 den Parametersatz so, dass alle Benutzerklassen mit Ausnahme derjenigen eingeschlossen werden, die der Benutzerklasse für Systemtest und -Instandhaltung zugeordnet sind (siehe Tabelle I.). Ein Wartungsmodus kann initiiert werden, indem von SCS 28 ein spezifischer Parametersatz an den Satelliten 12 gesendet wird. In einem Wartungsmodus werden wünschenswerterweise alle Benutzer am Zugriff auf den Satelliten 12 gehindert. Falls sich Satellit 12 nicht in einem Wartungsmodus befindet, bestimmt Task 306, ob der Antennenstrahl 35 (Fig. 3) zur Abschaltung vorgesehen ist. Ist dies der Fall, modifiziert Task 308 den Parametersatz so, dass alle Benutzerklassen eingeschlossen sind. Vorzugsweise bestimmt Task 306, ob der Antennenstrahl zur Abschaltung innerhalb von 15 sec vorgesehen ist. Ist der Antennenstrahl zur Abschaltung nicht vorgesehen, bestimmt Task 310, ob die Anzahl der verfügbaren Verkehrskanäle unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes (z. B. 10%) liegt. Liegt sie unterhalb des Schwellenwertes, modifiziert Task 312 den Parametersatz so, dass alle Teilnehmerklassen enthalten sind. Task 314 sendet den Parametersatz auf wenigstens einem der Rundsendekanäle, die dem Antennenstrahl zugeordnet sind. Der Parametersatz wird der Originalparametersatz sein, den er in Task 301 empfangen wurde, falls er nicht nachfolgend in den Tasks 304, 308 oder 312 modifiziert wurde. In dem Parametersatz aufgeführte Benutzerklassen werden an der Initiierung eines Zugriffsprotokolls auf dem Akquisitionskanal gehindert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Prozedur 300 für jeden Strahl 35 des Satelliten 12 wiederholt.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf spezielle Beispiele und einer speziellen, bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass der Fachmann auf Grundlage der hiesigen Beschreibung viele Alternativen und Variationen erkennen wird, und es ist beabsichtigt, derartige Variationen und Alternativen in die Ansprüche einzubeziehen.
Wie hier beschrieben, sind die Vorteile der vorliegenden Erfindung für den Fachmann erkennbar und stellen verbesserte Verfahren zum Betrieb verschiedener Teile eines Kommunikationssystems zur Verfügung. Diese Vorteile umfassen die globale Erkenntnis der voraussichtlichen Belastung eines speziellen Satelliten, die zusätzlich zu der lokalen Kenntnis der Satellitenbelastung genutzt wird, um Benutzerzugang zu verhindern und Kollisionen während des Zugriffsprotokolls zu reduzieren. Ein weiterer Vorteil umfasst die Tatsache, dass lokale Belastungsinformationen, die der Satellit erhält, zur Aktualisierung der Globalinformationen verwendet werden können. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass zur Feststellung, dass kein Dienst verfügbar ist, keine Übertragung durch eine Teilnehmereinheit erforderlich ist. Dies reduziert den Energieverbrauch der Teilnehmereinheit, die ein tragbares Handgerät sein kann, und reduziert überschüssigen Verkehr auf dem Akquisitionskanal der bislang die Kapazität begrenzt hat. Die Erfindung stellt ein Verfahren und ein Gerät für Belastungsmanagement und Benutzerpriorität zur Verfügung. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass eine Teilnehmereinheit zeitweise ihre Priorität auf Grundlage des angeforderten Diensttyps, beispielsweise in Notsituationen, anpassen kann.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Kommunikationssystems, umfassend eine Mehrzahl von Knoten (12) mit einer Mehrzahl von diesen zugeordneten Antennenstrahlen (35), wobei jeder Antennenstrahl (35) der Mehrzahl von Antennenstrahlen einen ihm zugeordneten Bedarf an Kommunikationsservice hat und wobei die Antennenstrahlen (35) ihnen zugeordnete Rundsendekanäle (18), Verkehrskanäle (17) und Bewerbungskanäle (19) aufweisen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

a) Identifizieren (202) eines geographischen Gebietes, für das während eines Planungsintervalls die Wahrscheinlichkeit einer Überlastung besteht;

b) Berechnen (210) eines Anteils von Benutzern in dem geographischen Gebiet, für die eine Sperrung des Zugangs zu dem Kommunikationssystem erwünscht ist;

c) Bilden (216) eines Satzes von gesperrten Benutzerklassen, die in dem geographischen Gebiet auf Grundlage des Anteils gesperrt werden sollen;

d) Erzeugen eines Parametersatzes, der den Satz von gesperrten Benutzerklassen einschließt;

e) Identifizieren (218) wenigstens eines Knotens (12) der Mehrzahl von Knoten und eines zugeordneten Antennenstrahls (35), von denen erwartet wird, dass sie während des Planungsintervalls das geographische Gebiet bedienen;

f) Versenden (222) des Parametersatzes an den wenigstens einen Knoten; und

g) Rundsenden (318) des Parametersatzes durch den wenigstens einen Knoten (12) auf einem Rundsendekanal (18) in dem zugeordneten Antennenstrahl, wobei die Teilnehmereinheiten (26) des Satzes von gesperrten Benutzerklassen vom Zugang zu dem Kommunikationssystem abgehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei über Teilnehmereinheiten (26), die eine ihnen zugeordnete Benutzerklasse haben, auf das Kommunikationssystem zugegriffen werden kann, weiter umfassend die Schritte:

a) Auswählen (104) eines stärksten Antennenstrahls (35) aus einer Mehrzahl von Antennenstrahlen (35) durch eine Teilnehmereinheit (26), wobei die Mehrzahl von Antennenstrahlen wenigstens einem Knoten (12) des Kommunikationssystems zugeordnet ist und wobei die Antennenstrahlen ihnen zugeordnete Rundsendekanäle (18), Verkehrskanäle (17) und Bewerbungskanäle (19) aufweisen;

b) Empfangen (108) des Parametersatzes, der gesperrte Benutzerklassen enthält, an der Teilnehmereinheit (26) auf dem dem stärksten Antennenstrahl zugeordneten Rundsendekanal (18)

c) Feststellen (110) durch die Teilnehmereinheit (26), ob die der Teilnehmereinheit (26) zugeordnete Benutzerklasse eine der gesperrten Benutzerklassen ist, die in dem Parametersatz empfangen wurden; und

d) Informieren (120) eines Benutzers der Teilnehmereinheit (26), dass der Service aktuell nicht verfügbar ist, wenn die der Teilnehmereinheit (26) zugeordnete Benutzerklasse eine der gesperrten Benutzerklassen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Identifizierungsschritt den Schritt umfasst: Identifizieren von Gebieten, für welche die Wahrscheinlichkeit einer Überlastung besteht, durch Verwendung vorhergesagter und historischer Belastungsinformationen, die in dem Kommunikationssystem gespeichert sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Bildungsschritt weiter den Schritt umfasst: Bilden eines Satzes von gesperrten Benutzerklassen unter Verwendung einer Teilnehmerdatenbank, wobei die Teilnehmerdatenbank eine Liste von Teilnehmereinheiten, die den Gebieten zugeordnet sind, sowie zugewiesene Benutzerklassen enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich das Planungsintervall auf kontinuierlicher Basis wiederholt und eine feste Zeitspanne umfasst, die sich im Bereich zwischen fünfzehn Sekunden und fünf Minuten bewegt, wobei das Verfahren weiter den Schritt umfasst: Wiederholen der Schritte a) bis g) auf einer im Wesentlichen kontinuierlichen Basis für aufeinander folgende Planungsintervalle.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Berechnungsschritt den Schritt umfasst: Berechnen des Anteils an Teilnehmereinheiten auf Grundlage der Anzahl verfügbarer Verkehrskanäle.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei:

für eine Vielzahl von Knoten der Mehrzahl von Knoten erwartet wird, dass sie nacheinander das geographische Gebiet bedienen;

der Versendeschritt den Schritt umfasst: Versenden des Parametersatzes an die Vielzahl von Knoten; und

der Rundsendeschritt erfolgt, wenn jeder der Knoten der Vielzahl von Knoten das geographische Gebiet bedient.

8. Kommunikationssystem mit einer Mehrzahl von Knoten (12), wobei das System umfasst:

eine Antenne (82), die mit einem Knoten (12) der Mehrzahl von Knoten verbunden ist, wobei die Antenne (82) einen Antennenstrahl (35) erzeugt;

ein mehrkanaliges Sende/Empfangsgerät (80), das mit der Antenne (82) verbunden ist, wobei das mehrkanalige Sende/Empfangsgerät (80) in der Lage ist, in dem Antennenstrahl (35) orthogonale Kanalsätze zu senden und zu empfangen;

einen Prozessor (84), der mit dem mehrkanaligen Sende/Empfangsgerät (80) verbunden ist; und

ein Speichermedium (86), das mit dem Prozessor (84) verbunden ist, wobei die Kombination aus Prozessor (84) und Speichermedium (86)

a) ein geographisches Gebiet identifiziert (202), für das die Wahrscheinlichkeit einer Überlastung während eines Planungsintervalls besteht;

b) einen Anteil von Benutzern in dem geographischen Gebiet berechnet (210), für die der Zugang zu dem Kommunikationssystem gesperrt werden soll;

c) einen Satz von gesperrten Benutzerklassen bildet (216), die in dem geographischen Gebiet auf Grundlage des Anteils gesperrt werden sollen;

d) einen Parametersatz erzeugt, der den Satz von gesperrten Benutzerklassen einschließt;

e) einen Knoten (12) aus der Mehrzahl von Knoten und einen zugeordneten Antennenstrahl identifiziert (218), von denen erwartet wird, dass sie während des Planungsintervalls das geographische Gebiet bedienen; und

f) den Parametersatz an den Knoten versendet (22), und

wobei das mehrkanalige Sende/Empfangsgerät (80) den Parametersatz auf einem Rundsendekanal (18) des zugeordneten Antennenstrahls versendet (314), wobei Teilnehmereinheiten (26) des Satzes von gesperrten Benutzerklassen davon abgehalten werden, einen Zugriff auf das Kommunikationssystem zu initiieren.