(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
衛星通信システム内のスポットビーム・ビーコン周波数を捕捉する方法であって、
ａ）候補周波数の少なくとも１つの集合にアクセスし、
ｂ）マルチフレーム窓内で、前記候補周波数の集合内の各周波数について、スロット内のエネルギ累積値を含むスロット距離の最大値である最大スロット距離を決定し、
ｃ）前記候補周波数の集合を、各周波数に関連づけられた最大スロット距離に基づいて、少なくとも２つの周波数をそれぞれ含む第１のグループと第２のグループとに分割し、
ｄ）前記第１のグループ及び第２のグループの、グループ内における各周波数に関連づけられた最大スロット距離の最大値であるグループ距離の比を計算し、
ｅ）計算された前記比を所定のしきい値と比較し、
ｆ）計算された前記比が前記しきい値より大きい場合、最大のスロット距離に関連づけられた周波数をスポットビーム周波数として選択し、
ｇ）選択された前記スポットビーム・ビーコン周波数内のマルチフレーム境界の位置を決定する
ステップを含む、スポットビーム・ビーコン周波数を捕捉する方法。
【請求項２】
前記選択されたスポットビーム・ビーコン周波数に粗時間捕捉を行って、前記マルチフレーム境界を含むビットのグループを選択し、
前記選択されたスポットビーム・ビーコン周波数に微時間捕捉を行って、前記ビットのグループ内のマルチフレーム境界の位置を検出する
ステップを更に含む、請求項１に記載のスポットビーム・ビーコン周波数を捕捉する方法。
【請求項３】
前記最大スロット距離を決定するステップは、スロットにおける累積された受信信号の電力を決定するステップを含む、請求項１または２に記載のスポットビーム・ビーコン周波数を捕捉する方法。
【請求項４】
前記最大スロット距離を決定するステップは、スロットにおける受信信号電力の対数の累積を決定するステップを含む、請求項１または２に記載のスポットビーム・ビーコン周波数を捕捉する方法。
【請求項５】
前記選択された探索窓は少なくとも１つの高電力同期バーストをカバーする、請求項１に記載のスポットビーム・ビーコン周波数を捕捉する方法。
【請求項６】
前記選択された探索窓の長さは４０フレームである、請求項１に記載のスポットビーム・ビーコン周波数を描捉する方法。
【請求項７】
前記計算するステップは、
前記第１および第２のグループについて、各グループ内の最大スロット距離を含み、前記第１および第２のグループ内の周波数について最大のスロット内累積電力を含むグループ距離を決定し、
小さい方のグループ距離で最大のグループ距離を割って前記２つのグループ距離の比を決定する
ステップを含む、請求項１に記載のスポットビーム・ビーコン周波数を捕捉する方法。
【請求項８】
前記計算された比が前記所定のしきい値を超えない場合は候補周波数の第２の集合にアクセスし、
候補周波数の前記第２の集合についてステップａ）乃至ｃ）を繰り返すステップを更に含む、請求項１または２に記載のスポットビーム・ビーコン周波数を捕捉する方法。
【請求項９】
前記高速粗時間捕捉を行うステップは少なくとも２つの高電力同期バーストを含むフレーム期間において行う、請求項２に記載のスポットビーム・ビーコン周波数を捕捉する方法。
【請求項１０】
前記分割するステップでは、前記第１のグループに含まれるどの周波数に関連づけられた最大スロット距離よりも小さな最大スロット距離に関連づけられた周波数が前記第２のグループに含まれるように、前記周波数の集合を前記第１のグループと前記第２のグループとに分割することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
発明の技術分野
本発明は衛星電話通信システムに関するもので、より詳しくは、衛星通信システム内のスポットビーム・ビーコン周波数を捕捉する方法に関する。
関連技術の説明
無線通信システムにおいて次に大きく発展するのは衛星電話の使用に関する領域であろう。静止衛星を用いて電話通信網を形成するよう設計された東南アジア諸国連合（ＡＳＥＡＮ）セルラ衛星（ＡＣｅＳ）システムなどの衛星セルラ通信システムが提案されており、これが実現すると、ユーザは殆ど全ての場所に配置される衛星セルラ通信システムにより電話通信を行うことができる。衛星を用いるトランシーバから無線電話へのダウンリンク信号と、無線電話から衛星を用いるトランシーバへのアップリンク信号を伝送することにより、無線電話と衛星を用いるトランシーバとの間の電話通信が可能になる。衛星を用いるトランシーバと地上局との間に通信リンクを追加すれば、無線電話のユーザは地上局と衛星を用いるトランシーバにより他の話者と電話で通信することができる。
ディジタル通信技術は効率が優れているので、多くの既設のセルラ通信網はすでにディジタル通信技術に変換されており、またＡＣｅＳシステムなどの多くの新たに提案されているセルラ通信システムはディジタル通信技術を用いるよう設計されている。同様に他の通信システムもディジタル通信技術を用いているし、またはこれに変換する計画になっている。
正しく機能するには、特に通信システムがディジタル通信技術を用いるときは、無線電話はセルラ通信網の網局に同期しなければならない。現在は網局から無線電話に同期信号を送ることにより、無線電話を網局に同期させている。他の通信システムも同じ目的で従来の同期信号を用いている。
時分割多元接続（ＴＤＭＡ）システムなどのＴＤＭ通信システムでは、通信はフレームを用いて行う。ＴＤＭＡでは、所定の周波数帯域を一連の離散フレームに分割する。各フレームはそれぞれ一連の離散タイムスロットを持ち、各タイムスロットを異なる加入者が使用する。多くのシステムではフレーム当たり８タイムスロットを用いているが、ＡＣｅＳでは各タイムスロットを複数のユーザが用いるので実質的に１６スロットまたは３２スロットシステムになる。各タイムスロットの間に、特定のマルチフレーム構成に従うバースト形式で情報を送信する。標準バーストは音声またはデータ情報の転送である。別の種類のバーストは高電力同期バーストである。同期バーストのグループは上に述べた同期信号を形成し、好ましくは１つのマルチフレーム（すなわち、ＡＣｅＳシステムでは連続した１０２フレーム）内の多くのフレームにわたって不均一な間隔で配置される。しかしこのような信号内では、初期高電力同期バーストはマルチフレーム内の第１フレームの先頭に置かれてマルチフレームの境界を示し、残りの同期バースト（通常は３バーストであり、高電力放送バースト構成で良い）はマルチフレーム内の初期同期バーストから既知のオフセットで不均一な間隔で配置される。
しかし理解されるように、電源を入れた直後は無線電話またはセルラ電話は送信器から送られるディジタル・ビット・ストリームに同期しないので、そのビット・ストリーム内のマルチフレームの境界（すなわち初期同期バーストの開始点）を確かめなければならない。最初の同期バーストとマルチフレーム境界が見つかれば、受信器は直ぐ送信と同期をとることができる。しかし送信された多くのマルチフレームは消散する（transpire）ので、干渉信号が存在しない場合でも、同期がとれるまでに非常に多くの処理ステップを行う必要がある。
従来、粗同期と微同期という２種類の同期が行われている。粗同期では、初期高電力同期バーストを含むと期待される連続ビットの特定部分（すなわち、マルチフレーム境界）までビット・ストリームの選択を狭める。次に微同期で、選択された連続ビットの１つのセグメントを或るビット・パターンに相関させまたは一致させ、次にそのセグメントを１ビットずつシフトして相関と同期を得る、という方法でその部分内の初期同期バーストの正確な位置を決定する。
軌道上の衛星と移動局電話の間の制御チャンネルはビーコン・チャンネルにより形成され、移動局に一般情報を提供し、また初期キャリヤの捕捉を可能にする。衛星と移動局が相互作用を行うには、移動局は自分を囲むスポットビームに関連するビーコン周波数の定点を捕捉する必要がある。スポットビームは、限定された地理的区域に衛星から送信される集束アンテナ・パターンを含む。スポットビームにより、移動局の周囲のはっきり規定された領域に衛星から信号を送信することができる。
移動局はスポットビームを捕捉するために接続手続きを開始する。接続は短期または標準スポットビーム選択過程により行う。短期スポットビーム選択過程は予め記憶された情報またはＡＣｅＳシステム内でのユーザ相互作用を用いる。許容される捕捉時間は最大２分である。標準スポットビーム選択過程は予め記憶された情報またはユーザ相互作用を用いない。許容される最大捕捉時間は１２分である。
周波数計画は衛星通信サービス区域全体にわたって調整されていないので、ＡＣｅＳシステムでは最大１４０の異なる周波数がスポットビーム・ビーコン周波数として用いられる（周波数の数は用いるシステムに従って異なる）。各スポットビームは特有のビーコン周波数を有する。したがってスポットビーム・ビーコン周波数選択過程では、移動局はその移動局のビーコン周波数を決定するのに１４０の異なるビーム周波数を探さなければならない。
ＡＣｅＳシステム内で従来の初期粗同期手続きを検討した結果、加法白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）チャンネルにおいて２８ｄＢリンク余裕を与えて、しかも９９％を超える粗同期成功率を達成するには、５マルチフレームの同期時間を必要とすることが分かった。現在の同期方式によると、短期スポットビーム選択過程では１１４秒を、標準スポットビーム選択過程では７２９秒を必要とする。現在の方式で達成される同期時間でも、短期スポットビーム選択過程の要件を満たしまた標準スポットビーム選択過程の要件をほぼ満たすが、衛星移動局の効率を高めるには同期時間を大幅に短縮する必要がある。
発明の概要
本発明は、衛星通信システム内でスポットビーム・ビーコン周波数を捕捉する方法に関する上述のまたはその他の問題を解決するものである。まず、候補周波数のリストを編集する。このリストは、最後に用いた周波数のリストを用いて作るか、または所定の周波数階層から選択する。候補周波数のリストを処理して、特定の期間において候補周波数毎に最大スロット距離（slot metric）を決定する。
候補周波数毎に決定された最大スロット距離に基づいて、候補周波数を２つの周波数グループに分割する。グループ内の各周波数に関連するスロット距離から周波数グループ毎に最大スロット距離（グループ距離）を選択する。このグループ距離の中の大きい方のグループ距離を分子に、小さい方のグループ距離を分母にして、比を計算する。この比と所定のしきい値を比較する。しきい値は、ビーコン周波数が現在選択されている周波数グループ内にあるかどうか判定するのに必要な最小比レベルを与える。比がしきい値を超える場合は、候補周波数のグループ内の最大スロット距離を有する周波数をビーコン周波数として選択する。比がしきい値以下の場合は、候補周波数の次のグループを選択する。所定のしきい値を超える比が見つかるまでこの過程を繰り返す。
スポットビーム・ビーコン周波数が見つかると、この周波数に高速粗時間捕捉過程を行う。最後に、このビーコン周波数に高速微時間および周波数捕捉過程を行う。本発明の高速捕捉過程は現在のシステムのリンク余裕より小さいリンク余裕内の多数のユーザに有効である。
【図面の簡単な説明】
本発明を一層良く理解するため、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照していただきたい。
図１は、本発明を含む衛星通信システムのブロック図である。
図２は、ビーコン周波数捕捉手続きの流れ図である。
図３は、ビーコン周波数捕捉アルゴリズムの流れ図である。
図４は、高速粗時間同期アルゴリズムの性能を示す。
発明の詳細な説明
以下の図面、特に図１は、衛星通信システムの構成要素を一般的に示す。対地同期の、低位または中位の地球軌道衛星１０は多数のスポットビーム１５を放射して多数の選択された地区の通信手段を提供する。各スポットビーム１５は限定された地域に送信される集束アンテナ・パターンを含む。衛星１０はスポットビーム１５を用いて、地理的にはっきり定義された地域に信号を送る。各スポットビーム１５内でビーコン周波数２０ａ、２０ｂ、２０ｃ，．．．を送り、衛星１０は移動局２５と通信リンクを形成して、衛星１０と移動局２５の間に制御チャンネル情報を伝送する。各ビーコン周波数２０はスポットビーム１５毎に異なる。
移動局２５を起動すると、移動局２５と衛星１０の間の通信リンクが始動する。移動局２５はプロセッサ３０を含み、プロセッサ３０はビーコン周波数３５を捕捉する回路と、粗調整４０を行う回路と、微調整４５を行う回路を含み、移動局をビーコン周波数に同調させ同期させて、移動局２５と衛星１０の間の時間同期を達成する。候補ビーコン周波数３５のリストは、優先順にリストされた、可能性のある全てのビーコン周波数を含む優先順位付け周波数リスト５０内に記憶されている。ビーコン周波数の優先順位は所定の優先度に従って最後にアクセスした周波数に基づいて決める。
次に図２は、本発明においてビーコン周波数を捕捉する方法を示す。ステップ７０で移動局２５が起動すると、ステップ７５で移動局は移動局内に記憶されている優先順位付け周波数リスト５０の最初から、Ｌ個の周波数を含む第１の集合を走査する。Ｌ個の周波数は、ビーコン周波数として最後に見つけた周波数を含んで良く、または所定の順序で絶えずアクセスする所定のリストを含んで良い。ステップ８０で、ビーコン周波数捕捉プログラムを起動してスポットビーム・ビーコン周波数２０を探す。問合わせステップ８５で、ビーコン周波数を捕捉したかどうか判定する。捕捉しなかった場合は、ステップ９０で、可能性のある全てのビーコン周波数を優先度周波数リスト５０から探したかどうか判定する。すでに全て探した場合はステップ９５に進み、ビーコン周波数の標準低速探索過程を行う。まだ全て探していない場合はステップ７５に戻り、次のＬ個の周波数を検索して、ビーコン周波数捕捉アルゴリズムにより処理する。
ステップ８５でビーコン周波数を捕捉した場合は、プロセッサ３０はステップ１００の高速粗時間捕捉過程に進み、初期高電力同期バースト（すなわちマルチフレーム境界）を探す。この過程では、このタスクのために６２フレーム窓を走査する。６２フレーム窓を用いて、少なくとも２つの高電力同期バーストを検出する。ＡＣｅＳ構成以外のマルチフレーム構成を用いた場合は、少なくとも２つの高電力同期バーストを検出する限り、任意の数のフレームを走査して良い。６２フレーム窓の中で、スロット毎の距離を計算する。次に、スロット距離と高電力同期バーストの間の既知の間隔とを用いて、既知の方法により制御チャンネル・マルチフレーム境界を見つける。
ｉ番目の高電力同期バーストと前の同期バーストとの間隔をｓiとする。例えばＡＣｅＳシステムでは、最初の４間隔（ｉ＝１，２，３，４）はｓ1＝１６８、ｓ2＝１７６、ｓ3＝３１２、ｓ4＝１６０、である。電話は次の距離を計算する。
0004008506.tif 000002
ただしＰl1は第１のキャリヤのスロット距離、ｌ＝１，２，．．．，Ｍ、ｉ＝１，２，３，４である。出願者の同時継続出願番号第０８／７２７，３７０、（代理人書類番号第２７９５１／１３１号）に述べられている初期・後期試験法（earlylate testing technique）を用いると、高電力同期バーストと高電力ページング警報バーストとを区別することができる。前記文献を引例として挿入する。この区別が必要な理由は、高電力ページング警報バーストなどの同じ電力レベルを有する他の非同期バーストを同じキャリヤで伝送すると同期化が妨げられることがあるからである。問題が起こるのは、受信器が高電力同期バーストと他の種類の高電力バーストとを区別することができないからである。したがって、受信器はマルチフレーム境界を識別して同期化を行うことができない。次にステップ１０５で微時間および周波数捕捉過程を行い、初期高電力同期バーストの正確な位置を決定して同期化過程を完了する。
図４は、高速粗時間同期アルゴリズムの性能を示す。図から分かるように、信号対雑音比（Ｃ／Ｎ）が−５ｄＢより大きいとき同期誤り率は３％以下である。ＡＣｅＳシステムの大部分のユーザがこの状態にある。探索周波数リストが８周波数を含むとき、粗時間同期捕捉に必要な最小時間はわずか１．７５７秒、すなわち約３．７マルチフレームに過ぎない。タイムフレームの長さは０．５７７ｍＳであり、８スロットで２．３ｍＳフレーム、１０２フレームで０．４７秒マルチフレームになる。正しいビーコン周波数を見つけるのに移動局が最悪で１４０キャリヤ周波数を全て探さなければならない場合でも、必要なのはわずか２６秒、すなわち約５５．３マルチフレームである。微時間および周波数同期化を達成するのに移動局が更に２制御マルチフレームを必要とすると仮定すると、本発明による全同期化時間は２．７秒から２７秒の間である。これは−８ｄＢのＣ／Ｎを有する従来のシステムでビーコン周波数同期化に必要な時間である２分乃至１２分と比べると大幅な改善である。
次に図３は、ビーコン周波数捕捉アルゴリズムを示す。ビーコン周波数捕捉アルゴリズムは、４０フレーム窓における各周波数でのスロット内の最大累積電力を見つける。ＡＣｅＳでは、各制御チャンネル・マルチフレームはフレーム０，２２，６１，８１のスロット０にある４つの高電力同期バーストを有する。したがって４０フレーム窓のスロット内の最大累積電力を探すことにより、少なくとも１つの高電力同期バーストからのエネルギー貢献を用いることができる。
まずステップ１１０で、カウンタｉを１にセットする。ステップ１１５で、第１の周波数に切り替える。次に現在の周波数の最大距離をＮ（４０）フレーム窓について計算する。ここで、ｒijを時刻ｉＴにおける周波数ｆjでの受信信号サンプルとする。ただし、Ｔはビットの継続時間である。周波数ｆjでの１番目のスロット内の累積エネルギーは次式のようになる。
0004008506.tif 000003
ただし、Ｎはスロット当たりのビット数、Ｍは探索窓内のスロットの全数である。ＡＣｅＳシステムでは、４０フレーム窓ではＭ＝３２０（すなわち、４０フレーム窓でフレーム当たり８スロットなので全部で３２０スロット）である。周波数ｆjでのスロット内の最大累積電力は次式で与えられる。
0004008506.tif 000004
ｐljをスロット距離、Ａjをキャリヤ距離と呼ぶ。Ａ1＞Ａ2＞．．．＞ＡLと仮定して良い。問合わせステップ１２５で、
カウンタｉ＝候補周波数リスト内の周波数の数
かどうか判定する。そうでなければステップ１３０でｉを増分し、ステップ１１５で次の周波数に切り替える。
候補周波数リスト内の全ての周波数について最大スロット距離が決まるとステップ１３５に進み、Ｌ個の候補周波数の集合を２つの部分集合Ｓ1とＳ2に分割する。すなわち、
0004008506.tif 000005
この２つの式では、最大の距離を持つ周波数（複数）をＳ１内に置き、それより小さい距離を持つ周波数（複数）をＳ２内に置く。ステップ１４０で２つの部分集合Ｓ1とＳ2のそれぞれのグループ距離を決定する。Ｓ1とＳ2に関連するグループ距離Ｇ1とＧ2を次のように定義する。すなわち、
0004008506.tif 000006
または別の実施の形態では、
0004008506.tif 000007
グループ距離Ｇ1とＧ2の比をステップ１４５で計算し、これを用いてｆ1（最大のスロット距離を有する）が現在のスポットビームで用いられているビーコン周波数かどうか判定する。この比は次式により計算する。
0004008506.tif 000008
問合わせステップ１５０で、比γが所定のしきい値より大きいかどうか判定する。大きい場合は、ステップ１６０でｆ1をビーコン周波数として用い、初期捕捉過程は図１のステップ１００に進む。他方、比γが所定のしきい値以下の場合は、ビーコン周波数が現在の候補周波数の集合の中にないことを示すので、図１で述べたように候補周波数の次の集合を調べなければならない。この場合、移動局はＡL+1＝Ａ1と設定して、ビーコン周波数捕捉のための候補周波数の別の集合を得る。
キャリヤ周波数捕捉の決定にグループ距離比γを用いるのは、主としてユーザがいくつかのスポットビームのカバレージエリアの境界にいる場合である。この場合は、複数の周波数がほぼ等しい値の大きなキャリヤ距離を持つ可能性がある。したがって、単に２つのスロット距離Ａ1とＡ2の比を計算すると１に近い値になって、ビーコン周波数の検出に失敗する可能性がある。
本発明の方法と装置の好ましい実施の形態について添付の図面と上記の詳細な説明を用いて説明したが、本発明はここに開示した実施の形態に限定されるものではなく、以下の請求の範囲に示され規定される本発明から逸れることなく多くの変更や修正や代替が可能である。
【図１】
0004008506.tif 000009
【図２】
0004008506.tif 000010
【図３】
0004008506.tif 000011
【図４】
0004008506.tif 000012