(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
様々な帯域幅要求を有するネットワークのネットワーク・ノードと加入者装置との間の通信リンクが多重化されたネットワークであって、
前記ネットワーク・ノードを備え、該ネットワーク・ノードは、
それぞれ個別に操作できるアンテナ・ビームを有するアンテナ・システムと、
前記アンテナ・システムに結合されるトランシーバと、
前記トランシーバに結合され、加入者装置の帯域幅要求を、前記ネットワーク・ノードへのアップリンク・ビームを介して伝送される前記加入者装置からの発呼要求情報を利用して集め、前記アンテナ・ビームのそれぞれにホッピング・ビーム・スケジュールを決定し、そして前記ホッピング・ビーム・スケジュールに従って前記アンテナ・ビームを操作する制御器と
を含み、
前記制御器は、前記加入者装置の発呼要求情報中の帯域幅要求に基づいて、各マイクロセル内の前記加入者装置に対するタイムスロット割り当てを計算して、前記ホッピング・ビーム・スケジュールを決定し、前記タイムスロット割り当ては、前記ホッピング・ビーム・スケジュールにおいて、前記加入者装置の各々に対するタイムスロット割り当て期間を定義し、
前記制御器は、前記加入者装置の各々に対するタイムスロット割り当て期間を用いて前記マイクロセルに対するホッピング・ビーム照射時間を演算し、
前記制御器は、前記アンテナ・ビームを操作して、前記アンテナ・ビームが、前記ホッピング・ビーム照射時間の間、前記マイクロセルに対する前記ホッピング・ビーム照射時間に従って降順で前記マイクロセルに対して照射されるようにする、前記ネットワーク。
【請求項２】
前記ネットワーク・ノードは地球の周回軌道上にある衛星であり、かつ前記加入者装置は地球局であることを特徴とする請求項１記載のネットワーク。
【請求項３】
前記アンテナ・ビームは、電子的に操作可能であること特徴とする請求項１記載のネットワーク。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、コミュニケーション・ネットワークに関して、特に、コミュニケーション・ネットワーク内のアクセスリンクを十分に操作することに関するものである。
発明の背景
テレコミュニケーション・ネットワークにおいて、加入者装置間の音声通信に加え、さまざまなタイプのデータの送信が望まれている。さまざまなタイプのデータは、リアルタイム制約を要求される場合も要求されない場合もあるが、それらは単一のデータレートが要求される。さまざまなタイプのデータの送受信は、膨大な量と種類のトラフィック需要を満たすために、ネットワーク資源の十分なシェアリングがさらに必要とされる。一時的なデータ送信においてバンド幅の増加と増大の要求や、データ送信の種類の増加により、ユーザの要求を十分に応じるには既存の方法では適切でない。
いくつかの通信ネットワークでは、さまざまなタイプのデータ通信をハンドリングするために１またはそれ以上のチャネルを独占的に永久にささげることによってトラフィック要求の応じようとしてきた。この技術はチャネルのアクセスするために要求されるイニシャル時間を減少させる一方、専用のチャネルを永久に使用することは、これらのチャネルを使用可能な「プール」やその他の利用できるチャネルから除外することとなる。専用のチャネルの使用は、スペクトラム資源の無駄でもある。さらに、専用のチャネルを必要とするこれらのシステムは、専用のチャネル間の通信負荷の再配分や分配するの力に欠ける。特定のバンド幅要求への応答の欠如は、多くのアプリケーションを最悪の場合のコンディションに合わせる必要があるため、過剰なネットワーク資源を配することとなりやすい。このようなアロケーションは、ネットワークの実際の使用において非軟性と非能率を示すこととなる。
現存する衛星ネットワークにおいて操作可能なアンテナは、幅広く分散したユーザ・トラフィックに適用させようといくつかのネットワークにおいて使用されてきた。このようなシステムにおける操作可能なアンテナの使用は、比較的所定の（言い換えると、固定の）パターンに制限されてきた。しかしながら、このようなシステムは、増加するバンド幅および／または増加するさまざまなデータ・コールのユーザの要求の応じることはできない。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の好適な実施例による制御ステーションと衛星に操作可能なビーム操作を適用した無線周波数テレコミュニケーション・ネットワーク内の環境のレイアウト図でを示す。
図２は、制御ステーションや加入者装置と通信する衛星のブロックダイヤグラムを示す。
図３は、フレーム・タイム・インターバルのタイミング図を示す。
図４は、制御ステーションによって実行されるタスクのフロー図を示す。
図５は、衛星によって実行されるタスクのフロー図を示す。
図６は、模範的な操作可能なビーム・スケージュールのサンプルリストを示す。
発明の詳細な説明
図１は、無線周波数テレコミュニケーション・ネットワーク１０が操作する環境のレイアウト図を示す。ネットワーク１０は好適には、地球を比較的低軌道で周回するまたは静止するいくつかの衛星２０を含む。説明の簡略化のため、図１は衛星２０の１つのみを示す。各衛星２０は、少なくとも１つの地球制御局２２と、多数の加入者装置地球局２４と、および他の隣接する衛星２０と通信するネットワークノードである。各衛星２０のために、加入者装置２４との多数のコミュニケーション・リンクが複合的に１つの衛星２０に集合する。本発明の好適実施例では、衛星２０は多数の操作可能なアンテナ２６を有し、そのアンテナはその対応する数の独立して操作可能なビーム２８で多数のセル上を照射する。操作可能なビームを理解する当業者は、操作可能なビームをときどき「ホッピイング」ビームと称する場合があり、この２つの語は相互に取り替えて使用する。
ネットワーク１０は、マイクロセル３０と呼ばれる比較的小さな地理的領域で一緒にグループ化されたいくつかの加入者装置２４を有する。多数のマイクロセル３０のグルーピングはマクロセル３２を形成する。マクロセル３２は、動的実在物（dynamic entities）の論理的建造物であり、それらの形状や境界は時間と共に絶えず変化する。図１は、マイクロセル３０の隣接するグルーピングであるマクロセル３２を示すが、これは必ずしも要求されるものではない。本発明の好適実施例では、ある１つに操作可能なビームはある１つのマクロセル３２をサービスする。多数のマクロセル３２のグルーピングはフットプリント３３を形成する。フットプリント３３は、１つの衛星２０の全無線カバー領域を表わす。
説明の都合上、図１はマクロセル３０をマクロセル３２内で重複したち隙間の生じることがない小さな正方形または長方形として表わす。しかしながら、当業者は実際には、衛星アンテナから照射される同じ強さの線は正方形や長方形とは異なった形状となることや、アンテンサイド・ローブはパターンを歪めることや、いくつかのマイクロセル３０は他のマイキロセル３０より広いエリアをカバーすることや、隣接するマイクロセル３０間のある程度の重複は当然のことであることを理解するであろう。
ネットワーク１０は、多数の、潜在的には数百万の加入者装置２４を含む。加入者装置２４は、従来の携帯型無線通信装置として形成される。言い換えると、加入者装置２４はバッテリ供給された、比較的低消費電力の、比較的小さなアンテナ３６を含む。加入者装置２４は、音声、データ、映像および／またはその他のタイプの通信を送信したり受信したりするためにも形成される。加入者装置２４はさらに地上ターミナルを固定する。加入者装置２４は、当業者に周知の配置とは異なる多数の配置を有する。
衛星２０は、ネットワーク１０を介して比較的制限された量の電磁スペクトラムを用いて加入者装置２４と通信する。このスペクトラムの正確なパラメータは、本発明において重要ではなく、システム毎に変化するものである。本発明はこのスペクトラムを別個の部分とチャネルセットに分割する。例えば、スペクトラムは別個の周波数バンド、別個の時間スロット、別個のコーディング技術、逆の極性、またはこれらに組み合わせに分割することができる。このスペクトラムの分割の正確な方法も本発明において重要ではない。できれば、これらの別個のチャネルセットのそれぞれは、他の全てのチャネルセットに対して「直角（orthogonal）」である。換言すると、同時通信は、十分な干渉をすることなくすべてのチャネルセット上の通常のロケーションにおいて生じる。本発明の好適実施例はマクロセル３２間の干渉を防止する、周波数、空間、コーディング、および／または極性相違法を用いてチャネルセットをマクロセル３２に割り当てる。マクロセル３２内において、マイクロセル３０と加入者装置２４は、衛星２０に独立した通信リンクを有し、時分割または拡散スペクトラム・コーディングによって互いに干渉することを防止する。
図１は、地球の表面上またはその付近に位置する１またはそれ以上の制御局２２をさらに含む。制御局２２は、衛星２０や公衆電話網（PSTN）３４と通信する。衛星２０を介して、制御局２２は加入者装置２４と通信する。ネットワーク１０内で加入者装置２４へ向けられるコールはＰＳＴＮ３４から受信され、またはその逆に、加入者装置２４は、ＰＳＴＮ３４を介してコールも送信する。制御局２２は加入者装置２４からのコール要求情報を収集、処理のため衛星２０に所定のコール要求情報の送信、およびネットワーク１０を通してコール接続のセットアップおよびモニタリングの一般的機能を遂行する。
図２は、制御局２２および２つの加入者装置２４と通信する衛星２０のブロック図を示す。各加入者装置２４はトランシーバ４０の入力と出力に双方向に結合されたデジタルコントローラ３８を含む。コントローラ３８は、関連する周辺装置、メモリおよび入力／出力装置を有する１またはそれ以上の従来のマイクロプロセッサ回路として好適には構成される。従って、コントローラ３８は、コンピュータ・ソフトウエアによって規定される１またはそれ以上のコンピュータプログラムに応じてオペレートされる。コントローラ３８は、加入者装置２４のために周波数、タイミング、拡散スペクトラム・コーディング、極性等受信および送信パラメータを制御する。トランシーバ４０の第２入力および第２出力は、衛星２０と双方向通信のためアンテナ３６に結合される。
衛星20は、トランシーバ44に双方向的に結合される第1入力および第1出力を有するディジタル・コントローラ42を備える。コントローラ42は、関連する周辺機器、メモリおよび入出力装置を有する既存の1以上のマイクロプロセッサより成ることが好ましい。したがって、コントローラ42はコンピュータ・ソフトウエアにより定められる1以上のコンピュータ・プログラムにしたがって動作する。トランシーバ44はアンテナ・システム46に双方向的に結合される第2入力および第2出力を有する。本発明の好適実施例にあっては、アンテナ・システム46は、当該技術分野で周知の手法により構成された電気的に操作可能な位相アレイ・アンテナを有するアンテナ・ビーム整形ネットワークを備えることが好ましい。アンテナ26は、比較的狭いペンシル・ビーム28を生成および独立に操作することが可能な高利得アンテナであることが好ましい。
制御局22は専用のアップリンクおよびダウンリンクを介して衛星20と通信することが好ましい。双方向無線信号は、アンテナ48および専用ビーム29を介して衛星20および制御局22の間で交換される。アンテナ48はトランシーバ50の第1入力および第1出力に双方向的に結合される。トランシーバ50の第2入力および第2出力はコントローラ52の第1入力および第1出力に結合される。コントローラ52は、関連する周辺機器、メモリおよび入出力装置を有する1以上の既存のマイクロプロセッサより成ることが好ましい。したがって、コントローラ52はコンピュータ・ソフトウエアにより定められる1以上のコンピュータ・プログラムに従って動作する。コントローラ52の第2入力および第2出力はインターフェース54の第1入力および出力に結合される。インターフェース54の第2入力および第2出力はPSTN 34に結合される。
図3はフレーム時間間隔56のタイミング図を示す。フレーム56は、単一の操作可能な（steerable）ビーム28が単一のマクロセル32（図1参照）にサービスを提供する間の時間間隔である。一般に、加入者装置24またはPSTN 34からの接続のための発呼要求は、ネットワーク10内の制御局22においてリアル・タイムで集められる。図3は、発呼要求に対する接続要求58が9個の等しいセグメントに分割されている様子を示す。9個のセグメントへの分割は任意的なものであり、他の数のセグメントに分割することも可能である。各接続要求58セグメントの間、発呼要求情報は、フレーム56の間にビーム28によりサービス提供されるマクロセル32の内の1つのマイクロセル30から集められる。
また、図3では、接続要求58セグメント中の番号6のマイクロセル30が展開され、各マイクロセル30内に複数の加入者装置24（上限NMAXまで）が存在することを示す。ネットワーク10に対する接続のための各種の発呼要求は、広範な各種の帯域幅要求を伝達する。たとえば、映像端末としての加入者装置24が要求するものは、このような接続における通常の音声部分に加えて、接続における映像部分を伝送するため、比較的高い帯域幅のリアル・タイム・リンクを必要とし要求する。映像端末の帯域幅要求に比較して、一般の音声接続の帯域幅要求は比較的低く、そのような接続のための要求は比較的低い帯域幅のリアル・タイム・リンクを要求するに過ぎないであろう。接続要求58の間、加入者装置24から収集された接続要求は、制御局22に対して衛星20によりリピートさせることが可能である。他の種類の接続にあっては、可変帯域幅のリアル・タイムでないリンクまたはデータ伝送能力を要求することも可能である。ダウンリンクの帯域幅に等しく相当するアップリンクのための帯域幅は要求されない。
マクロセル32内の各マイクロセル30について、発呼要求情報が制御局22に収集されると、その情報は修正され、次のフレーム56で作動する衛星20に伝送される。衛星20はこの情報を利用して帯域幅要求に基づいて複数のタイム・スロットを各加入者装置24に割り当てる。衛星20はこの修正されたデータを利用して、各マクロセル32における各マイクロセル30について操作可能なアンテナ26の照射期間（dwell time）を計算する。
フレーム56において各操作可能なアンテナ26は、そのビーム28を多数のマイクロセル30に対して照射する。接続要求58の後であってアップリンクデータ伝送期間62が始まる前に、比較的短いギャップ期間60が存在する。このギャップ期間60の間、衛星20は修正データに基づき計算を実行し、各マクロセル32に対する各マイクロセル30における各加入者装置24に対してタイム・スロットを決定する。
フレーム56のアップリンクデータ伝送期間62において、発呼のデータ・トラフィックの部分は割り当てられたタイム・スロットを利用して実行される。データ伝送期間62および配置されている操作可能なビームは主にアップリンクの動作に対して説明が行われている。しかしながら、当業者であればそのような動作をダウンリンクに対しても応用することが可能であり、他の手法を利用して加入者装置24に対してダウンリンク情報を通信することも可能である。
操作可能なビーム28はある期間の間各マイクロセル30を照射し（すなわち、ある期間の間照準される）、この期間は各マイクロセル30内の全加入者装置24の全体の帯域幅要求に従って変わりうるものである。特定のマイクロセル30に対する帯域幅要求が高いほど、そのマイクロセル30に対するビーム照射期間は長くなる。マイクロセル30に対する照射期間は、衛星20がマイクロセル30上の軌道を移動するにつれて、操作可能なビーム28が所与のマイクロセル30を照射する全時間である。図3にあっては、T8で例示されるマイクロセル30の照射期間が展開され、マイクロセル30の全照射期間T8は、マイクロセル30内のSU（1）ないしSU（NMAX）で示される各加入者装置に対する個々の照射期間の総和に等しいことが示されている。帯域幅に対するユーザの要求に関し操作可能なビーム28のスケジュールおよびタイムスロットの割当を調整する機能により、ネットワーク10がネットワーク資源を効率的に管理することが可能になる。
図4は、本発明の一実施例によりネットワーク資源を管理するため衛星20とともに実行され、制御局コントローラ52により実行されるタスクのフローチャートを示す。図2ないし4を参照すると、ステップ64で示されるように、接続のための新規要求が加入者装置24および／またはPSTN 34から制御局22に入ってくる。ある特定のアップリンク帯域幅に対する要求は、ある接続のための各々の要求を伴なう。加えて、帯域幅要求の変化が、確立された発呼の間に受信されることを妨害するものはない。ステップ66に示すように、制御局22は、その発呼の他方端に対するコントローラとのハンドシェーク（handshaking）のような発呼設定処理および関連する機能を実行する。ステップ68に示すように、新規接続のための要求がネットワーク10に到来すると、各マイクロセル30における各加入者装置24についての帯域幅要求はリアルタイムで制御局22によりコンパイル（compile）される。ステップ68は例えば帯域幅要求を、フットプリント33（図1）内の各加入者装置24に対してフレーム56の伝送期間62内に割り当てられるべき時間間隔に翻訳し、マイクロセル30内の加入者装置の時間間隔に関連するテーブル（図示せず）を作成する。
次に、ステップ70において、専用アップリンク・ビーム29を利用して帯域幅に対する要求を含む発呼要求情報は、衛星20に伝送される。ステップ70が完了すると、制御局22はステップ64に戻り、ステップ64,66,68,70をリアルタイムで繰り返す。制御局22がこれらの処理を実行するにつれて、更新を行い帯域幅要求およびネットワーク・ステータスにおける変化を追跡し、現在の接続が終了し又は他の衛星20にハンドオフしおよび新規要求が収集されるまで行われる。
図5は、ネットワーク10の管理において制御局22を支援し、衛星コントローラ42が実行する処理のフローチャートを示す。図2,3および5を参照すると、ステップ72において、コントローラ42は、制御局22から衛星20までの専用アップリンクを介して伝送される情報を利用して、各マイクロセル30内の各加入者装置24により作成される帯域幅要求を抽出する。ステップ72は上述したステップ70（図4）に関連して動作する。コントローラ42は、マクロセル32内の総てのマイクロセル30が一覧表に作成されるまで（tabulate）、各マイクロセル30に対する帯域幅要求を抽出し続ける。フレーム期間56の伝送期間62に先立って、発呼を要する帯域幅要求を抽出するこの処理が行われる。たとえば、フレーム・ギャップ期間60の間、コントローラ42はステップ74を実行する。ステップ74は、各発呼の帯域幅要求に応答して、総ての加入者装置24に対する総ての進行中の発呼についてタイムスロット割当を計算する。帯域幅が高くなるほど、その発呼者の要するタイムスロットも大きくなる。衛星20に対する要請の処理を最小限にする観点からは、ステップ74で実行する計算はできるだけ少ないものであることが好ましく、ステップ68（図4）の間に制御局52ができるだけ多くのタイムスロット割当の計算を実行することが好ましい。
第６図は、代表的なビーム・スケジュール７６のサンプルを例示する。スケジュール７６は、開始時間７８および期間８０をもって各加入者装置２４と連携する。各加入者装置２４は、マイクロセル３０および対応するマイクロセル開始時間８２とマイクロセル期間８４とで連携される。各マイクロセル３０は、ビームあるいはマクロセル３２および対応する送信／受信（Ｔ／Ｒ）パラメータ８６と連携する。第２図、第４図、第５図および第５図に関して、段階７４で実行されるタイム・スロットの割り当ては、スケジュール７６において各加入者装置２４に対する期間８６を定義する。段階７４の後、段階８８は、各マイクロセル３０に対する照射時間（dwell time）（例えば、期間）を各加入者装置２４に対するタイム・スロット割り当て期間８０を用いて演算する。各マイクロセル３０に対する照射時間は、マイクロセル３０に与えられた範囲内で、全ての加入者装置２４に配分された全タイムスロット期間より短くない期間である。例えば、段階８０は、各マイクロセル３０内の全加入者装置２４のタイムスロット期間８０を単に足し合わせる。段階８８で実行された演算は、スケジュール７６のマイクロセル期間欄８４に現れる値を提供する。
マイクロセル３０の割り当てをマクロセル３２に単純化するために、次に段階９０は、欄８４に示された照射時間に従って降順してマイクロセル３０を位置付ける。高い帯域幅を必要とするこれらのマイクロセル３０は、各操作可能ビーム２８によって転送間隔６２の間でまずサービスされることになる。
段階９０の後、段階９２は、利用者の帯域幅要求に応じてマイクロセル３０をマクロセル３２に割り当てる。帯域幅要求のないマイクロセル３０は、操作可能ビーム２８によって完全にスキップされる。段階９２は、スケジュール７６でマイクロセル３０と対応するマクロセル３２との間の連携を形成する。段階９０で実行されるマイクロセル３０の順序は、より大きな残余帯域幅が各マクロセル３２に残存している場合、段階９２中で、まずより大きな帯域幅のマイクロセル３０が割り当てられることになる。転送期間６２における各マクロセル３２に対する全時間がマイクロセル３０の帯域幅需要に合致して割り当てられ、かつゼロでない帯域幅需要を有する全てのマイクロセル３０がマクロセル３２に割り当てられると、段階９２は完了する。
次に、段階９４は、各マイクロセル期間８４に対するマイクロセル開始時間を定義することによってマイクロセル３０のための照射時間の計算を完了する。段階９４は、各マクロセル３２内のマイクロセル３０を好ましくは干渉およびアンテナに課された制約に合致するように指示する。段階９４に続いて、段階９６は、スケジュール７６に従って各加入者装置２４に対する開始時間を割り当てる。各マクロセル３２内の各マイクロセル３０に対し、段階９６は、マイクロセル開始時間８２に続くマイクロセル期間８４内に発生する開始時間７８を割り当てる。段階９６の完了時点で、ホッピング・ビーム・スケジュール７６が決められる。
次に、段階９８は、ホッピング・ビームを照射し、スケジュール７６に含まれるタイム・スロット割り当て情報を個人加入者装置２４に送る。段階９８は、特定の時間窓でリクエストしている各加入者装置２４に知らせ、要求された呼のデータ転送部分を完了する。段階９８がスケジュール７６を送信した後、段階１００は、衛星２０によってスケジュール７６を実行する。換言すれば、段階１００は、スケジュール７６で設定されたタイミング、操作、および送信／受信パラメータに従って、アンテナ・システム４６を制御する。各加入者装置２４に対して、呼の経過が監視され、呼の帯域幅需要が呼の経過につれ制御局２２によって更新され、終了される。
本発明は、柔軟で動的なネットワーク資源の共有を提供する。これは、要求によって起動するアクセス技術の組み合わせを通じて達成される。空間、時間、符号、周波数および極性に関する次元を含んで、多様な変形による利点がホッピング・ビームおよびスケジューリング技術の巧妙な組み合わせを通じて成し遂げられる。従来の方法は、一般に柔軟性に欠け、かつトラフィックおよび周波数要求の変化をリアルタイムで適合することができなかった。
要約すると、本発明の実施例が詳細に示されかつ開示されたが、様々な修正が発明の精神あるいは提示された請求の範囲から逸脱されることなく成されることは当業者であれば明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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