(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの通信ノード（１２）を含む通信システム（１０）内で通信するように設計された加入者ユニット（２６）において、前記通信システムにアクセスする方法であって：
前記加入者ユニット内に格納された、前記加入者ユニットがある時間期間内で移動できる最大距離に依存する所定の時間の経過以前には有効であるが前記所定の時間後に期限切れとなる位置データの有効性をチェックする段階；
前記位置データが有効な場合に、前記位置データを含むアクセス要求を前記加入者ユニットから前記通信システムに送信し、前記位置データが有効でない場合に、前記位置データを含まないアクセス要求を前記加入者ユニットから前記通信システムに送信する段階；および
前記位置データが前記通信システムによって検証された後に、前記１つの通信ノード（１２）と協調して、前記加入者ユニットと前記１つの通信ノードとの間で通信リンクを確立する段階を備える前記方法。
【請求項２】
ゲートウェイと通信する少なくとも１つの通信ノード（１２）を含む通信システム（１０）で用いられるように設計されたゲートウェイ（２２）において、前記ゲートウェイ（２２）を運用する方法であって：
加入者ユニット（２６）からアクセス要求を受信する段階であって、前記アクセス要求には、前記加入者ユニットがある時間期間内で移動できる最大距離に依存する所定の時間の経過以前には位置データが含まれ、前記所定の時間の経過後には位置データが含まれない、前記受信する段階；
前記アクセス要求が前記位置データを含む場合に、前記位置データを検証する段階；
前記位置データが有効な場合には、前記加入者ユニットの有効な位置データを獲得するための位置判定手順を行うことなく前記加入者ユニットが前記通信システムにアクセスすることを許す段階；および
前記位置データが有効でない場合に、位置判定手順を実行して、前記加入者ユニットの有効な位置データを獲得する段階を備える前記方法。
【請求項３】
少なくとも１つの通信ノード（１２）を有する通信システム（１０）において動作するように設計された加入者ユニット（２６）であって：
位置データを格納するメモリ（４３）；
前記位置データの有効性をチェックするプロセッサ（４４）であって、前記加入者ユニットがある時間期間内で移動できる最大距離に依存する所定の時間の経過以前には有効であるが前記所定の時間後に期限切れと判定する前記プロセッサ；および
前記位置データが有効な場合に、前記位置データを含むアクセス要求を前記通信システムに送信し、前記位置データが有効でない場合に、前記位置データを含まないアクセス要求を前記通信システムに送信するトランシーバ（４２）であって、さらに、前記位置データが前記通信システムによって検証された後に、前記１つの通信ノードと協調して、前記加入者ユニットと前記１つの通信ノードとの間で通信リンクを確立するように動作する前記トランシーバを備える前記加入者ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に、衛星通信システムの分野に関し、さらに詳しくは、加入者ユニットの地理的位置に基づく衛星通信システムのアクセス方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
位置データは、通信ネットワークにとって極めて重要である。移動ユニットの位置を把握することにより、ネットワークはネットワークのノードを介して通信を最も有利に中継できる。さらに、これによってネットワークは、このネットワークが動作する管轄内のさまざまな政治機関によって課せられる多様な規則および手順に準拠できる。例えば、ある管轄では、ネットワーク動作は第１セットの周波数内でのみ許され、隣接の管轄では、ネットワーク動作は第２セットの周波数内でのみ許される。さらに、異なる管轄内で動作する移動ユニットによって利用される通信サービスに対して異なる関税または税金を適用できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
位置データは正確であればあるほど、よい。より正確なデータにより、ネットワークはいつ移動ユニットがある管轄から別の管轄に移動するかをより良好に把握できる。しかし、位置データの精度に比例してコストも一般に増加し、コストをできるだけ低く抑え、かつ収入をできるだけ高くする逼迫した必要がある。特に問題となる１つのコストに、呼が発呼されるたびに加入者ユニットの位置を判定するために必要な時間がある。別の問題は、現在の位置データを維持する際に消費される通信資源のコストである。現在の位置データを維持する際に多くの資源が消費されると、通信サービス加入者によって利用され、収入を生み出すための資源が少なくなる。さらに、加入者ユニットはバッテリ駆動の場合が多く、大量の通信は有効バッテリ電力の過剰な消費につながる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
従って、呼設定および確立のために必要な時間を低減する方法および装置が必要とされる。また、通信を確立する際の通信資源の量を低減する方法および装置が必要とされる。また、携帯通信装置においてバッテリ電力を節約する方法および装置が必要とされる。
【０００５】
【実施例】
本発明は、特許請求の範囲で具体的に指摘する。ただし、本発明のさらに完全な理解は、図面とともに以下の詳細な説明および特許請求の範囲を参照することによって得ることができよう。尚、同様な参照番号は、図面全体を通じて同様な項目を表すものとする。
【０００６】
本明細書で説明する例は、本発明の好適な実施例を一形態で示し、かかる例示はいかなる上でも制限するものではない。
【０００７】
本発明は、とりわけ、衛星通信システムにおいて呼設定(call set-up) に必要な時間を低減する方法および装置を提供する。また、本発明は、通信の確立中に必要な通信資源の量を低減し、さらに本発明は、呼確立手順中に用いられるバッテリ電力の量を低減する。本発明により、加入者ユニットは、システムへのアクセスを要求する際に、既知の位置データを利用できる。１つの利点として、ある時間期間において、加入者ユニットが発呼したい場合に、システムまたは加入者ユニットはいずれも位置データをリアルタイムに算出する必要がないことである。そのため、処理能力および通信帯域幅は節約される。位置データは、好ましくは、加入者ユニットに格納され、所定の時間だけ有効である。この時間は、加入者ユニットの最大速度、あるいは加入者ユニットがある時間期間で移動できる距離に依存する。
【０００８】
「衛星(satellite) 」とは、本明細書では、地球を周回するための人工物またはビークルを意味すると定義され、静止衛星および周回衛星の両方および／またはＬＥＯ(low earth orbiting)衛星を含め、それらの組み合わせを含む。「衛星群(constellation) 」とは、本明細書では、地球の部分に特定の有効範囲(coverage)を提供するため軌道上に配置された衛星の集合を意味すると定義される。本明細書で用いられる「セル」，「アンテナ・ビーム」および「アンテナ・パターン」という用語は、特定の発生モードに制限されるものではなく、地上または衛星通信システムのいずれかおよび／またはその組み合わせによって生成されるものを含む。
【０００９】
図１は、本発明を実施できる衛星方式の通信システムの極めて簡略化された図面を示す。通信システム１０は、６つの極軌道１４を利用し、各軌道１４は１１基の衛星１２を有し、全部で６６基の衛星１２がある。ただし、これは不可欠ではなく、それ以上またはそれ以下の衛星、あるいはそれ以上またはそれ以下の軌道も利用できる。本発明は、多数の衛星が用いられる場合に有利に利用できるが、１つの衛星でも適用可能である。わかりやすいように、図１はわずかの衛星１２しか示していない。また、本発明は地上通信システムにも適用可能である。
図示の例では、衛星１２は約２５，０００ｋｍ／時で地球に対して移動し、そのため衛星１２は最大約９分間だけ地上局から見える。衛星１２は地上局と通信し、この地上局は、ある数の無線通信加入者ユニット（ＳＵ：subscriber unit ２６と、システム制御セグメント（ＳＣＳ：system control segment）２８に接続された地上端末（ＥＴ：earth terminal）２４とを含むことができる。ＥＴ２４は、ゲートウェイ（ＧＷ：gateway ）２２にも接続でき、このゲートウェイは、公衆電話交換網（ＰＳＴＮ）または他の通信設備にアクセスする。はっきりさせ、わかりやすいように、図１では１つのＧＷ２２，ＳＣＳ２８およびＳＵ２６しか示していない。ＥＴ２４は、ＳＣＳ２８またはＧＷ２２と同一位置でもあるいは分離してもよい。ＳＣＳ２８と関連するＥＴ２４は、衛星１２の追跡を記述するデータを受信し、制御情報のパケットを中継し、一方ＧＷ２２と関連するＥＴ２４は、データ・パケット（例えば、進行中の呼に関する）を中継する。
【００１０】
ＳＵ２６は、地球の表面上や、地上の大気中のどこにでも配置できる。ＳＵ２６は、好ましくは、衛星１２にデータを送信できかつ衛星１２からデータを受信できる通信装置である。一例として、ＳＵ２６は、衛星１２と通信するように適応されたハンドヘルド型携帯セルラ電話でもよい。一般に、ＳＵ２６は、通信システム１０のために制御機能を実行する必要はない。
【００１１】
システム１０は、任意の数、潜在的には数百万もの加入者ユニット２６を収容できる。本発明の好適な実施例では、加入者ユニット２６は、加入者リンク１６を介して近傍の衛星１２と通信する。リンク１６は、多数のチャネルに分割される電磁スペクトルの限定された部分を包含する。リンク１６は、好ましくは、Ｌバンド周波数チャネルの組み合わせであり、周波数分割多重接続（ＦＤＭＡ：Frequency Division Multiple Access）および／または時分割多重接続（ＴＤＭＡ：Time Division Multiple Access ）通信またはその組み合わせを包含できる。また、リンク１６は、符号分割多重接続も包含できる。最小限でも、衛星１２は１つまたはそれ以上の放送チャネル(broadcast channel) １８上で連続的に送信する。加入者ユニット２６は、放送チャネル１８に同期し、放送チャネル１８を監視して、自局に宛てられたデータ・メッセージを検出する。加入者ユニット２６は、１つまたはそれ以上の捕捉チャネル(acquisition channel) １９上で衛星１２にメッセージを送信できる。放送チャネル１８および捕捉チャネル１９は、任意の１つの加入者ユニット２６に専用ではなく、現在衛星１２の視界内のすべての加入者ユニット２６によって共用される。トラヒック・チャネル１７は、随時衛星１２によって特定の加入者ユニット２６に割り当てられる双方向チャネルである。トラヒック・チャネル１７は、リアルタイム通信をサポートする。
【００１２】
衛星１２は、クロス・リンク２３を介して他の近傍の衛星１２と通信する。地球の表面またはその付近の任意の点に位置する加入者ユニット２６からの通信は、地球の表面上の実質的に他の点の範囲内に、衛星１２群を介して中継できる。加入者リンク１６を利用して、衛星１２から加入者ユニット２６または地球の表面付近に通信を中継できる。
【００１３】
ＳＣＳ２８は、システム通信ノード（例えば、ＧＷ２２，ＥＴ２４および衛星１２）の健全性および状態を監視し、望ましくは、通信システム１０の動作を管理する。１つまたはそれ以上のＥＴ２４は、ＳＣＳ２８と衛星１２との間で主通信インタフェースを提供する。ＥＴ２４は、アンテナおよびＲＦトランシーバを含み、好ましくは、衛星１２群について遠隔測定，追跡および制御(telemetry, tracking and control) 機能を行う。
【００１４】
ＧＷ２２は、衛星１２とともに呼処理機能を行い、あるいは通信システム１０内の呼処理および呼処理容量の割当を単独で行うことができる。ＰＳＴＮなど、多様な地上方式の通信システムは、ＧＷ２２を介して通信システム１０にアクセスできる。
【００１５】
図２は、本発明の好適な実施例で用いるのに適した衛星無線通信局の簡略ブロック図を示す。好ましくは、システム１０（図１参照）内のすべての衛星１２は、図２のブロック図に示されるような装置を含む。衛星１２は、クロス・リンク・トランシーバ５２およびその関連アンテナ５４を含む。トランシーバ５２およびアンテナ５４は、他の近傍の衛星に対するクロス・リンクをサポートする。地上リンク・トランシーバ５６およびその関連アンテナ５８は、地上端末２４（図１）と通信するため地上リンクをサポートする。加入者リンク・トランシーバ５３およびその関連アンテナ５５は、加入者リンク１６（図１）をサポートする。好ましくは、各衛星１２は、数千またはそれ以上の加入者ユニット２６（図１）のリンクを同時にサポートできる。
【００１６】
コントローラ５１は、各トランシーバ５２，５６，５３をメモリ５７およびタイマ５９に結合する。コントローラ５１は、１つまたはそれ以上のプロセッサを利用して構築できる。コントローラ５１は、タイマ５９を利用して、とりわけ、現在日付および時間を維持する。メモリ５７は、コントローラ５１に対して命令として機能するデータであって、コントローラ５１によって実行されると、衛星に以下で説明する手順を行わせるデータを格納する。さらに、メモリ５７は、衛星１２の動作中に処理される変数，テーブルおよびデータベースも格納する。
【００１７】
図３は、本発明の好適な実施例で用いるのに適した地上端末２４およびゲートウェイ２２の簡略ブロック図を示す。ゲートウェイ２２は、関連記憶媒体３２に結合されたプロセッサ３０を含む。地上端末２４は、リンクを介して送信機３５および受信機３７に結合されたアンテナ３９を含む。送信機３５および受信機３７は、リンク３４，３６をそれぞれ介してプロセッサ３０に結合される。プロセッサ３０は、望ましくは、以下で例示し、関連する文章で説明する手順を実行する。例えば、プロセッサ３０は、適宜他のタスクを実行する他に、望ましくはかかる手順からの結果を記憶媒体３２に格納する。送信機３５および／または受信機３７は、衛星１２にメッセージを送信し、および／または衛星１２からメッセージを受信する。
【００１８】
プロセッサ３０は、ユーザ・アクセス，メッセージの受信および送信，チャネル設定，無線同調，周波数およびタイムスロット割当ならびに他のセルラ無線通信および制御機能を一般に制御・管理する。とりわけ、プロセッサ３０は、望ましくは、ユーザが通信システム１０にアクセスすることを許す手順を実行する。これには、以下で説明するように、チャネル設定および他の関連機能のプロトコルについての手順が含まれる。位置プロセッサ３１は、加入者アクセスおよび課金用に用いられる加入者ユニットの地理的位置を算出する。タイマ３８は、加入者位置データを推定位置データと相関するために用いられる。さらに、タイマ３８は、位置プロセッサ３１によって生成される加入者ユニット位置データにタイムスタンプを押すためにも利用できる。これについては、以下でさらに詳しく説明する。
【００１９】
交換センタ３３は、好ましくは、移動側で生成された呼および移動側で終了された呼について電話交換局(telephone switching office)と類似した機能を持つ。交換センタ３３は、ＰＳＴＮに対してインタフェースを提供する。記憶媒体３２は、ホーム位置レジスタ（ＨＬＲ：home location register）データベースを含み、このデータベースは、加入者ユニット・データを管理し、また加入者ユニットが地球全体で移動する際に、加入者ユニットの位置を記録する。ＨＬＲは、加入者ユニット・パラメータの基準データベースである。さまざまな識別番号およびアドレスは、認証パラメータ，加入サービスおよび特殊中継情報とともにＨＬＲ内に格納される。
【００２０】
また、記憶媒体３２は、ビジタ位置レジスタ（ＶＬＲ：visitor location register)も含み、ここで加入者ユニットの一時的なローミング番号(roaming number)を含め、現在の加入者ユニットの状態も好ましくは維持される。このデータは、交換センタおよびＶＬＲから遠隔アクセス可能である。ＨＬＲおよびＶＬＲは、望ましくは、不正システム利用から保護する責任を有する認証センタを含む。ＶＬＲは、加入者ユニットの現在位置データを含んでもよい。この位置データは、それに関連するタイムスタンプを含んでもよい。
【００２１】
地上端末２４は、上述のように、ＲＦインタフェースを通信衛星１２（図１）に提供する。ゲートウェイ２２のプロセッサ３０は、交換センタ３３を衛星１２（図１）にインタフェースする地上端末コントローラ（ＥＴＣ：earth terminal controller ）（図示せず）を含む。ＥＴＣは、加入者ユニットと交換センタ３３との間の論理インタフェースを提供するなど、交換センタ３３によってサポートされない機能を提供する。ＥＴＣは、シグナリング・データを処理して、加入者ユニットと交換センタとの間で交信されるトラヒック・データを中継する。
【００２２】
図４は、本発明の好適な実施例で用いるのに適した加入者ユニットの簡略ブロック図を示す。加入者ユニット２６（図１の加入者ユニット２６と同様）は、通信システム１０と通信し、また通信システム１０を介して他のＳＵ２６または別の通信装置とも通信できる。加入者ユニット２６は、アンテナ４１を利用して通信システム１０との信号の送受信を行うトランシーバ４２を含む。トランシーバ４２は、望ましくは、通信システム１０によって必要とされるように、指定された時間スロットにおいてすべての周波数チャネル上で送受信できる多重チャネル・トランシーバである。
【００２３】
トランシーバ４２は、望ましくは、捕捉チャネル・トランシーバ部と、放送チャネル受信部と、トラヒック・チャネル・トランシーバ部とによって構成される。捕捉チャネル・トランシーバ部は、衛星１２によって決定されるいくつかの捕捉チャネルのうち１つで通信し、加入者が前述のように通信システム１０にアクセスしたいときに、アクセス・プロトコル中に主に用いられる。トラヒック・チャネル・トランシーバ部は、衛星１２によって割り当てられたトラヒック・チャネル上で通信システム１０と通信する。当業者であれば、捕捉チャネル・トランシーバ部，放送チャネル受信部およびトラヒック・チャネル・トランシーバ部は、すべて３つの機能が可能な１つのトランシーバ・ユニット内に内蔵できることが理解される。
【００２４】
トランシーバ４２は、トランシーバ４２が動作する周波数およびタイミング・パラメータを制御するプロセッサ４４に結合する。また、プロセッサ４４は、好ましくは、トランシーバ４２が信号を送信する電力レベルを制御する。さらに、プロセッサ４４は、望ましくは、入出力（Ｉ／Ｏ）部４６，タイマ４８およびメモリ４３に結合する。プロセッサ４４は、タイマ４８を利用して、現在日付および時間を維持する。メモリ４３は、プロセッサに対する命令として機能するデータであって、プロセッサ４４によって実行されると、加入者ユニット２６に以下で説明する手順を行わせるデータを格納する記憶デバイスを含む。さらに、メモリ４３は、加入者ユニット２６の動作中に処理される変数，テーブルおよびデータベースを含む。
【００２５】
本発明の一実施例では、加入者ユニット２６は、加入者ユニットの地理的な位置を判定する位置プロセッサ４５を含む。位置プロセッサ４５は、ＧＰＳ(global positioning system satellite) からの信号を利用して位置データを得るか、あるいはシステム１０（図１）に示される衛星から位置データを得ることができる。また、位置プロセッサは、当技術分野で周知のいくつかの地理的位置方法の組み合わせを介して加入者ユニットの位置を得ることができる。位置プロセッサは、個別の位置受信機およびアンテナ（図示せず）を利用してもよい。加入者ユニット位置データは、好ましくは、タイマ４８によってタイムスタンプが押され、メモリ４３に格納される。これについては、以下で詳細に説明する。
【００２６】
一般に、各加入者ユニットは、位置データと、この位置データに関連するタイムスタンプとを持つように設計される。位置データは、加入者ユニットがある時間期間内で移動できる最大距離に依存する所定の時間期間だけ有効である。この再登録距離(re-registration distance)は、衛星の有効範囲直径(footprint diameter)または個別セルの直径に依存してもよい。例えば、本発明の好適な実施例では、衛星１２（図１）は、約５００ｋｍの有効範囲直径を有する。この実施例では、加入者ユニットが移動できる最大距離は、有効範囲直径の約半分（例えば、２５０ｋｍ）に設定される。有効範囲領域またはセル・サイズが大きければ大きいほど、位置データの有効時間は長くなる。例えば、極めて小さいセルを有するパーソナル通信システム（ＰＣＳ：Personal Communication Systems）などのマイクロセル・システムでは、位置データ有効時間は極めて短いが、静止衛星システムでは、位置データ有効時間は極めて長い。
【００２７】
好ましくは、各加入者ユニットは、自局に関連するカテゴリを有し、このカテゴリは、好ましくは、加入者ユニットがある時間期間内で移動できる最大距離と関連する。好適な実施例では、加入者ユニットは５つのカテゴリのうち１つに入る。例えば、ある加入者ユニットは静止している（カテゴリ１−ゼロ速度）。これらのカテゴリ１の加入者ユニットには、地上局，地上端末または固定地理的位置と少なくとも半永久的に関連する他の加入者ユニットが含まれる。他の加入者ユニットは、低速加入者ユニット（カテゴリ２）である。これらのカテゴリ２の加入者ユニットには、ハンドヘルド型ユニット，自動車，トラック，船舶および列車に搭載される加入者ユニットが含まれる。
【００２８】
ある加入者ユニットは、中速加入者ユニット（カテゴリ３）であり、それには例えば高速列車または小型飛行機に搭載される加入者ユニットが含まれる。他の加入者ユニットは高速加入者ユニット（カテゴリ４）であり、それには例えばジェット機に搭載されるものが含まれる。カテゴリ１〜カテゴリ４に入らない加入者ユニットは、カテゴリ５に入る。カテゴリ５は、カテゴリが未定義または未知の加入者ユニットまたは速度が他のすべてのカテゴリを越える加入者ユニットのデフォルト・カテゴリである。
【００２９】
好ましくは、加入者ユニットの各カテゴリは、加入者ユニットが所定の時間期間で移動できる最大速度によって定義され、これは加入者ユニットが移動できる最大距離（すなわち、再登録距離）に関連する。一実施例では、加入者ユニットは設定可能なオプションを有し、ここでユーザは割り当てられたカテゴリを選択できる。別の実施例では、加入者ユニットのカテゴリはサービス・プロバイダによってあらかじめ設定され、あるいは工場設定済みである。
【００３０】
５つの加入者ユニット・カテゴリの各例は、加入者ユニットの最大速度と関連する。よって、位置データは、この速度と、再登録距離とに依存する時間だけ有効である。好ましくは、通信システムは、再登録距離として定義される最大許容距離を有する。好適な実施例では、カテゴリ１（半静止加入者ユニット）は、ゼロ速度と関連し、よってその位置データは、例えば、数日または数カ月など長期間有効である。固定位置を有する加入者ユニットは、無限に有効な位置データを有してもよい。好適な実施例では、カテゴリ２（低速度）加入者ユニットは、最大２５０キロメートル／時（ｋｐｈ）の速度範囲と関連し、位置データは４５分間有効である。好適な実施例では、カテゴリ３（中速度）加入者ユニットは、最大５００ｋｐｈの加入者ユニット速度と関連し、位置データは最大２３分間有効である。好適な実施例では、カテゴリ４（高速度）加入者ユニットは、最大１０００ｋｐｈの速度関連する加入者ユニットであり、位置データは最大１３分間有効である。好適な実施例では、カテゴリ５加入者ユニットの位置データは無効と想定され、その結果、カテゴリ５加入者ユニットは、システム・アクセスが要求されるたびに常に新たな位置情報を必要とする。
【００３１】
本明細書では加入者ユニットの５つのカテゴリしか説明しないが、本発明は、任意の数の加入者ユニット・カテゴリを含むことができる。各カテゴリは、加入者ユニットが動作するシステムの条件に適応される。例えば、セル・サイズ，衛星速度，チャネル再利用，地勢学的境界および他の条件が加入者ユニット・カテゴリに影響することがある。
【００３２】
一般に、加入者ユニットが自局の再登録距離を超えたかもしれない時間がすぎると、新たな位置データが必要とされる。加入者ユニットは、最初にオンされたとき、あるいはユーザなどの外部入力によって要求されたときに、これを自動的に行うことができる。好適な実施例では、加入者ユニットが前回登録した位置から２５０ｋｍ以上移動したときに、加入者ユニットは再登録する。
【００３３】
本発明の好適な実施例では、加入者ユニットは、捕捉プロセスと、それに続くアクセス・プロセスを実行することによって、システムへのアクセスを試みる。捕捉プロセスは、衛星と加入者ユニットとの間で通信リンクを確立する。このプロセスは、例えば、トラヒック・チャネルを必要とするサービスを要求するため加入者ユニットのユーザがある措置を講ずることによって開始される。また、加入者ユニットは、システムに再登録しなければならないことを認識できる。また、加入者ユニットは、加入者ユニットに着呼を通知する呼出報知またはページに応答できる。これらすべての場合において、加入者ユニットはシステムを捕捉する。
【００３４】
図５は、本発明の好適な実施例により加入者ユニットによって実行される捕捉およびアクセス手順１００の一部のフローチャートを示す。手順１００は、起動時またはオン時に、好ましくは加入者ユニットによって実行される。一般に、タスク１０２において加入者ユニットが初期化されると、位置データと関連するタイムスタンプが満了した(expired) と設定され、以下で説明するように加入者の新たな位置が判定される。タスク１０４において、加入者ユニットは、衛星の放送チャネル１８（図１）を受信することによってシステムを捕捉する。加入者ユニットは、ドップラ周波数オフセットを推定し、ビーム識別子(beam identifier) に基づいてタイミング不確実性を予測する。加入者ユニットは、自局のタイミング周波数をあらかじめ補正し、捕捉チャネル１９（図１）上でレンジング・バースト(ranging burst) （捕捉バースト）を衛星に送信し、これはゲートウェイに中継される。ゲートウェイは、受信捕捉バーストの時間および周波数誤差を計算し、時間および周波数補正とともにトラヒック・チャネル割当１０５を加入者ユニットに送出する。加入者ユニットは、トラヒック・チャネル割当を受信すると、トラヒック・チャネル１７（図１）に遷移し、このチャネル変更を肯定応答(acknowledge) する。
【００３５】
タスク１０６において、加入者ユニットは、メモリに格納された位置データの有効性をチェックする。これは、好ましくは、位置データと関連するタイムスタンプを現在時間と比較することによって行われる。好適な実施例では、加入者ユニットのタイムスタンプは、加入者ユニットのカテゴリに応じて所定の時間期間だけ有効である。カテゴリ１加入者ユニットの場合、タイムスタンプは長時間の間（例えば、数年または数カ月）有効であるが、カテゴリ４加入者ユニットの場合、タイムスタンプは上記のように数分しか有効でない。一実施例では、加入者ユニットはこの有効性チェックのためにカウントアップまたはカウントダウン・タイマを利用する。
【００３６】
タスク１０７では、位置データが有効なときを判定する。位置データが有効なとき、タスク１０８が実行され、既知の位置データでサービスを要求する。好ましくは、満了状態について現在時間に対してタイムスタンプがチェックされる。位置データが無効（すなわち、満了）の場合、タスク１０９間他はタスク１１０のいずれかが実行され、新たな位置データが取得される。
【００３７】
タスク１０７により位置データが有効であると判断されると、タスク１０８は既知の位置データでアクセス（サービス）を要求する。好ましくは、加入者ユニットは、この加入者ユニットの位置データが有効であることを示す表示を含むアクセス要求メッセージを生成する。このアクセス要求は位置データを含んでもよく、あるいは位置データが有効であるという表示を単純に含んでもよい。後者の場合、加入者ユニットの位置データは、最後の登録プロセスからゲートウェイにて格納済みでなければならない。それ以外の場合には、加入者ユニットは、アクセス要求の一部として位置データをゲートウェイに送出してもよい。好適な実施例では、位置情報は、地球の中心を原点とするデカルト座標の形式であるが、緯度および経度など他の位置表現も利用できる。
【００３８】
本発明の一実施例では、タスク１０９は、位置データが無効なときに実行してもよい。タスク１０９において、加入者ユニットは、位置プロセッサ４５（図４）によって自局の位置データを生成する。この実施例では、加入者ユニットが自局の位置データを生成した後、この位置データはタイムスタンプが押され、加入者ユニットのメモリに格納される。次に、タスク１０６，１０７が反復され、望ましくは位置データは有効と判断され、タスク１０８においてシステム・アクセス要求は既知の位置データで行うことができる。
【００３９】
位置データが有効でないとタスク１０７が判断した場合、タスク１１０が実行される。タスク１１０において、加入者ユニットは、未知の（または無効な）位置データでアクセス（サービス）を要求する。ゲートウェイは完全位置判定プロセスを実行する。好適な実施例では、加入者ユニットはアクセス要求メッセージをゲートウェイに送信し、加入者ユニットの位置情報が提供されてない、あるいは利用できないことを示す。ただし、位置データのないアクセス要求や、有効位置データがあるという表示のないアクセス要求により、加入者ユニットに関する位置データを獲得するようにゲートウェイに指示できる。タスク１１０において、ゲートウェイは、加入者ユニットの位置を判定するように指示される。この手順については、以下でさらに詳しく説明する。
【００４０】
タスク１０８および１１０の両方において、加入者は、タスク１０４において割り当てられたトラヒック・チャネル上でアクセス要求を通信システムに送出する。上述のように、加入者ユニットは自局の位置データをアクセス要求とともに送出する。別の実施例では、アクセス要求は、位置データが有効なときに設定され、位置データが無効なときに設定されないビットを含む。
【００４１】
タスク１１０において、加入者ユニットがアクセス要求をゲートウェイに送出すると、アクセス要求はゲートウェイによって受信され、ゲートウェイは加入者ユニットの位置データを生成する（手順２００（図６）を参照）。
【００４２】
加入者ユニットの位置は、さまざまな方法でゲートウェイによって判定できる。好ましくは、加入者ユニットおよび衛星は、衛星時間および周波数基準に対して時間および周波数オフセットを測定するために用いられるバーストをトラヒック・チャネル上で交信する。衛星は、差動着信時間（ＤＴＯＡ：Differential Time of Arrival）および差動着信周波数（ＤＦＯＡ：Differential Frequency of Arrival ）測定値を導出し、この情報を加入者ユニットのホーム・ゲートウェイに送出する。ホーム・ゲートウェイは、この情報を利用して、レンジおよびレンジ・レート曲線を算出する。位置プロセスは、レンジ・レート曲線およびレンジ球(range sphere)を地球の表面に投影する。レンジおよびレンジ・レート曲線の交点が加入者ユニットの位置である。ゲートウェイは、この位置データを加入者ユニットに送出する（手順２００（図６）を参照）。
【００４３】
タスク１１２において、加入者ユニットはゲートウェイから位置データを受信する。一実施例において、加入者ユニットは位置データと関連するタイムスタンプを受信する。タスク１１３において、加入者ユニットは、ゲートウェイから位置情報を受信すると、この情報を格納し、この情報を受信した時間でタイムスタンプを押す。本発明の別の実施例では、位置データにタイムスタンプを押す代わりに、位置データの受信または生成時に、タイマまたはカウンタが開始される。カウントアップ値または初期カウントダウン値は、加入者ユニットのカテゴリによって好ましくは決定される。
【００４４】
タスク１０８が既知の位置データでシステムへのアクセスを要求した後、あるいはタスク１１０が位置データなしにシステムへのアクセスを要求した後、タスク１１４が実行される。タスク１１４において、加入者ユニットはゲートウェイと協調して、呼確立手順を実行する。この手順中に、加入者ユニットおよび被呼側または発呼側は通信状態となる。
【００４５】
有効位置データでシステムへのアクセスを要求する（タスク１０８）ことの一つの主要な利点は、システム・アクセスが要求されるときに、位置判定プロセスを実行する必要がないことである。これは、特にユーザがいくつかの呼を連続して発呼する際に、ユーザにとってかなりの時間を節約する。さらに、システムが位置判定プロセスを実行する必要がないので、システム処理能力およびデータ伝送能力が節約される。さらに、位置データを加入者ユニットとやり取りする必要がない。
【００４６】
図６は、本発明の好適な実施例によりゲートウェイによって実行されるアクセス手順２００のフローチャートを示す。タスク２０４において、ゲートウェイは加入者ユニットからアクセス要求を受信する。このアクセス要求は、手順１００（図５）のタスク１０８または１１０のいずれかの一部として加入者ユニットによって送出される。ゲートウェイは、加入者ユニットからのアクセス要求メッセージを連続的に待つ。かかるメッセージがゲートウェイに着信すると、このアクセス要求に対して手順２００が実行され、しかも同時に、ゲートウェイは他の加入者ユニットから他のアクセス要求メッセージを待ち続ける。
【００４７】
タスク２０８は、アクセスを要求する加入者ユニットが位置データを有することをアクセス要求が示すかどうかを判断する。例えば、これは、位置データが有効なときに設定され、位置データが無効なときあるいは加入者ユニットが位置データを有さないときに設定されないビットによって表示できる。上述のように、本発明の一実施例では、アクセス要求は位置データを含む。好ましくは、加入者ユニットは位置データありまたは位置データなしでアクセス要求を送出するオプションを有する（図５の手順１００を参照）。メッセージ構造により、ゲートウェイはこのような位置データがメッセージに含まれるかどうかを判断できる。好適な実施例では、これは、任意の情報要素と関連する種類および値フィールドを利用して達成され、そのうち位置データが一例である。ゲートウェイが既知の位置データ種類フィールドを検出すると、それ以降のフィールドは既知の位置データを含む。好適な実施例では、この既知の位置データは、測定精度情報とともに、ＸＹＺ格子コード(grid code) （デカルト座標）の形式である。
【００４８】
アクセス要求メッセージが位置データを含む、あるいは加入者ユニットが自局の位置データが有効なことを示すとタスク２０８が判断した場合、タスク２１４が実行される。タスク２１４において、省略位置計算(abbreviated location calculation)が実行される。アクセス要求メッセージが位置データを含んでいない、あるいは加入者ユニットが自局の位置データが有効でないことを示すとタスク２０８が判断した場合、タスク２１０が実行される。タスク２１０において、完全位置計算(full location calculation) が実行される。
【００４９】
省略位置計算を実行する１つの目的は、アクセス要求メッセージに含まれる位置データの「健全性(sanity)」（例えば、誤検出）を粗精度でチェックすることである。これは、それ以外の場合に実行される完全位置計算に比べて、はるかに短い時間ですむ。
【００５０】
好適な実施例において、タスク２１４の省略位置計算がゲートウェイによって実行される。好ましくは、ゲートウェイは、加入者ユニットによって与えられた既知の位置データを受信し、あるいは加入者ユニットについてホーム・ゲートウェイに格納された位置データを取り出す。ゲートウェイは、システムアクセス要求が発生された衛星によって与えられる衛星識別子および関連ビーム識別子を受信する。ゲートウェイは、加入者ユニットの位置データを、地球の該領域に対して有効範囲を現在提供している衛星識別子およびビーム識別子と比較する。加入者ユニットの位置データは、加入者ユニットの該地理的位置について有効範囲を現在提供している衛星およびアンテナ・ビーム内にある位置を識別する。
【００５１】
タスク２１６は、加入者ユニットの位置データが有効かどうかを判定する。衛星および関連アンテナ・ビームが加入者位置データとほぼ相関すると、タスク２１６は加入者ユニットの位置データが有効であると判断する。よって、完全位置計算プロセスを費やす時間が避けられ、時間および処理能力が節約される。位置データが有効な場合、タスク２１８が実行される。
【００５２】
一方、位置データが有効でない場合、完全位置計算がタスク２１０によって実行される。衛星および関連アンテナビームが加入者ユニット位置データとほぼ相関しない場合、タスク２１６は加入者ユニットの位置データが有効でないと判断し、タスク２１０が実行される。タスク２１０は、加入者ユニットの完全位置計算を行う。これは、かなりの時間および処理能力を必要とする。加入者ユニットの位置は、アクセス要求についてアクセス判定を行う前に決定しなければならない。好適な実施例では、タスク２１０は、加入者ユニットと、少なくとも１つの衛星と、ゲートとによって提供される情報を利用して、加入者ユニットの位置を判定する。
【００５３】
好適な位置判定プロセスは次のようにして行われる。加入者ユニットは、伝搬時間遅延およびドップラ周波数オフセットの測定を行う対象となるバーストを要求する。加入者ユニットは、次のダウンリンク・バースト上で測定を可能にするモードに入る。衛星は、ダウンリンク・バーストで応答する。ダウンリンク・バーストが着信すると、加入者ユニットは、被測定パラメータについて推定し、このバーストについて送信機タイミングおよび周波数を確立するために用いられた伝搬時間およびドップラ周波数オフセットを含むバーストを衛星に送信する。
【００５４】
衛星が加入者ユニットからバーストを受信すると、衛星時間および周波数基準に対してバーストの時間および周波数オフセットを測定する。次に、これらの差動着信時間（ＤＴＯＡ）および差動着信周波数（ＤＦＯＡ）測定を、加入者ユニットによって送信された伝搬時間およびドップラ周波数推定値と、バーストが受信された時間とともに、ゲートウェイに送信されるメッセージ内に挿入する。ゲートウェイは、次式を利用して、加入者ユニット推定値と衛星測定値とを粗伝搬時間およびドップラ測定値に合成する。
Ｆ（ｄｃｏａｒｓｅ）＝Ｆ（ｄ）＋Ｆ（ｏｆｆｓｖ）／２．
Ｔ（ｐｃｏａｒｓｅ）＝Ｔ（ｐ）＋Ｔ（ｏｆｆｓｖ）／２．
Ｆ（ｄ）は、加入者ユニットのドップラ周波数推定値；Ｆ（ｏｆｆｓｖ）は、衛星における被測定ＤＦＯＡ；Ｔ（ｐ）は、加入者ユニットの伝搬時間推定値；およびＴ（ｏｆｆｓｖ）は、衛星における被測定ＤＴＯＡである。
【００５５】
ゲートウェイ位置プロセスは、伝搬時間およびドップラ周波数をレンジおよびレンジ・レートに変換する。レンジは、ＴＰ＝Ｒ／Ｃによって伝搬遅延から推定できる。Ｒは、送信側加入者ユニットおよび宇宙船からのレンジ（距離）であり、Ｃは光の速さである。ある値の伝搬遅延について、この式は宇宙船を中心とした一定レンジの球を表す。この球が地球の表面と交差する点は、一定の伝搬遅延（レンジ）値の円として見える。ドップラ周波数は、式Ｒｄｏｔ＝ＦＤ（Ｃ／ＦＲＦ）を利用してレンジ・レートに変換される。ＦＤはドップラ周波数で、ＦＲＦはアップリンクに用いられるチャネルのＲＦ周波数である。一定レンジ・レート（ドップラ周波数）の曲線は、衛星を中心とした双曲線(hyperboloid) である。位置手順は、レンジ・レート曲線およびレンジ球の組み合わせを地球の表面に投影する。レンジおよびレンジ・レート曲線の交点が加入者ユニットの位置である。一定レンジは（地球の表面上で）円であるので、レンジ・レート曲線は円と２カ所で交差する。２つの交点は、ドップラ対称線から等間隔である。この線は、衛星地上軌跡(satellite ground track)に近いが、地球の回転によってわずかにずれる。ほとんどの場合、担当するアンテナ・ビームＩＤは、どの曖昧な位置解が正しいのかを識別するために用いられる。２つの位置が衛星地上軌跡に近い場合、ビームＩＤは不十分で、ゲートウェイは別の位置測定を要求する。この情報は、曖昧さを解く際にゲートウェイによって用いられる。
【００５６】
位置測定を行った衛星の暦表(ephemeris) は、地球の相対的な座標に対して衛星からの加入者ユニット位置を変換するために用いられる。まず、レンジおよびレンジ・レートに基づいて、初期位置を推定する。次に、地球測地モデル(Earth geodetic model)を参照して、加入者ユニットの領域の標高について値を補正する。
【００５７】
位置プロセスの次の段階では、加入者ユニットの位置推定値で精度および信頼係数(confidence factor) を推定する。このプロセスは、加入者ユニットにおけるランダム誤差，衛星測定値および衛星暦表誤差の事前統計(a priori statistics) で開始する。これらの統計は、現在の解によって示される衛星／加入者ユニット位置における誤差の相対的重要性によって「加重」される。位置プロセスは、すべてのプロセス誤差の集合を表す総合的な３次元確率密度関数（ＰＤＦ：probability density function）を生成する。このＰＤＦは、積分することによって２次元位置誤差楕円に整理され、推定加入者ユニット位置と関連する必要な信頼係数を達成する。
【００５８】
位置精度が適切な場合、アクセス機能のうち位置判定部分は完了する。加入者ユニット位置が収束しない、あるいは位置精度が閾値以上の場合、ゲートウェイは更なる測定を要求する。このプロセスは、全部で４回の測定まで繰り返す。望ましくは、三角測量の理由のため、衛星時間が移動することを許すように少なくとも４．３秒の間隔をおいて測定される。好適な実施例では、タスク２１０における情報の交信は、手順１００（図５）のタスク１０４において加入者ユニットに割り当てられたトラヒック・チャネル上で行われる。タスク２１０が完了すると、ゲートウェイは加入者ユニットの位置データを得る。
【００５９】
タスク２１１において、位置データは加入者ユニットに与えられる。加入者ユニットは、次のアクセス要求においてこの情報を利用でき、おそらくそのときゲートウェイが完全位置計算を実行する必要を省くことができる。加入者ユニットは、手順１００（図５）のタスク１１２においてゲートウェイからこの位置データを受信する。一実施例では、タスク２１１において、ゲートウェイは位置データにタイムスタンプを押し、位置データと関連するタイムスタンプを位置データとともに加入者ユニットに送信する。この実施例では、手順１００のタスク１１３は、加入者ユニットによって実行しなくてもよい。
【００６０】
タスク２１１が完了した後、あるいは省略位置データが加入者ユニットの位置データが許容できることを示したとタスク２１６が判断した後、タスク２１８が実行される。タスク２１８において、呼確立手順が継続される。位置データは、加入者ユニットに一般に最も近い適切な来訪側ゲートウェイに呼を割り当てるためにゲートウェイによって用いられることがある。また、位置データは、課金目的または故障弁別のために利用できる。
【００６１】
上記の特定の実施例の説明は、本発明の一般的な性質を十分に示すため、第三者はこの知識を適用することにより、一般的な概念から逸脱せずにかかる特定の実施例を容易に修正および／またはさまざまな用途に適用でき、よってこのような適用および修正は開示実施例の同等の意味および範囲内で解釈すべきである。本明細書で用いられた言い回しまたは用語は、説明のためであり、制限するものではないことを理解されたい。従って、本発明は、特許請求の範囲の精神および広い範囲内のかかる一切の代替例，修正，同等および変形例を網羅するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施できる衛星方式の通信システムの極めて簡略化された図面である。
【図２】本発明の好適な実施例で用いるのに適した衛星無線通信局の簡略ブロック図である。
【図３】本発明の好適な実施例で用いるのに適したゲートウェイおよび地上端末の簡略ブロック図である。
【図４】本発明の好適な実施例で用いるのに適した加入者ユニットの簡略ブロック図である。
【図５】本発明の好適な実施例により加入者ユニットによって実行される捕捉およびアクセス手順の一部のフローチャートである。
【図６】本発明の好適な実施例によりゲートウェイによって実行されるアクセス手順のフローチャートである。
【符号の説明】
１０  通信システム
１２  衛星
１４  軌道
１６  加入者リンク
１７  トラヒック・チャネル
１８  放送チャネル
１９  捕捉チャネル
２２  ゲートウェイ（ＧＷ）
２３  クロス・リンク
２４  地上端末（ＥＴ）
２６  無線通信加入者ユニット（ＳＵ）
２８  システム制御セグメント（ＳＣＳ）
３０  プロセッサ
３１  位置プロセッサ
３２  保存媒体
３３  交換センタ
３４，３６  リンク
３５  送信機
３７  受信機
３８  タイマ
４１  アンテナ
４２  トランシーバ
４３  メモリ
４４  プロセッサ
４５  位置プロセッサ
４６  入出力（Ｉ／Ｏ）部
４８  タイマ
５１  コントローラ
５２  クロス・リンク・トランシーバ
５３  加入者リンク・トランシーバ
５４  アンテナ
５５  アンテナ
５６  地上リンク・トランシーバ
５７  メモリ
５８  アンテナ
５９  タイマ
【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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