专利名称：在蜂窝系统中请求越区切换志愿者的方法
技术领域：
本发明涉及电信方法，特别涉及在蜂窝系统中请求越区切换到其他的可用信道的志愿者(volunteer)以减少丢掉呼叫量的方法。
常规的陆上蜂窝系统控制用户单元何时和如何从一个网孔越区切换的另一个网孔。这种情况何时出现通常根据很多因素，例如包括一个特定网孔可用的呼叫资源数量、相邻网孔的信号强度和该用户单元的位置。陆上蜂窝系统识别这种用户单元和发送消息通知这些用户单元“越区切换到另一个网孔”(如果它可能的话)。
“负荷卸载”(Load Shedding)是陆上蜂窝系统使用的技术，以便知道哪个用户单元可移动到其它的网孔并通知那些用户单元(它们是能够越区切换到另一个网孔的)越区切换到下一个网孔。由于大多数的陆上蜂窝系统知道其用户单元的越区切换的情况，陆上系统可将在当前网孔边沿的呼叫移动到其它网孔。将呼叫越区切换到其它网孔增加了正在经受大的呼叫需求的当前网孔的呼叫容量。
卫星蜂窝系统显著地不同于陆上蜂窝系统，因为卫星通常不知道其用户单元的越区切换情况。这是因为卫星不具有跟踪用户单元越区切换情况所需的处理功率。用户单元通常确定它们自己何时需要越区切换，因此卫星蜂窝系统不能执行由陆上蜂窝系统使用的任何“负荷卸载”技术。
在卫星蜂窝系统中，指配给不同网孔的呼叫资源数量是经常变化的。在特定网孔上的信道资源变化成为一组新的减少的信道资源的情况规则地出现。因此，一些呼叫可能不得不被丢掉。此外，在不存在更多的硬件能力时，有时必须使新的网孔可使用。在这些时候呼叫能力必须从其它网孔得到，而且呼叫可能不得不丢掉。
据此，现在需要一种用以减少或消除卫星蜂窝系统中丢掉呼叫的方法，在该系统中卫星不知道用户单元越区切换情况并且和呼叫资源的数量是动态变化的。
图1示出根据本发明的优选实施例的卫星蜂窝系统的概括图；图2示出根据本发明的优选实施例由卫星投影到地球表面的蜂窝天线3图形的典型布局图；图3示出根据本发明的优选实施例越区切换志愿者的方法流程图；图4示出根据本发明的优选实施例由用户单元执行的越区切换志愿者的方法流程图；和图5示出根据本发明的优选实施例信道释放的方法流程图。
在本说明书中使用的术语“卫星”意味着预定绕一个天体诸如地球轨道运行的一个人造物体或飞行物。术语“卫星”预定包括对地球保持相对静止的和在轨道上运行的卫星二者和/或包括低地球轨道或中地球轨道卫星的组合。术语“地球”预定包括通信卫星可绕其运行的任何天体。术语“星座”意味着安排在轨道上的卫星的集合，用于提供该天体的规定部分或全部的覆盖(例如，无线电通信、摄影测量等)。术语星座典型地包括多个卫星环(或平面)并且在每个平面可具有同等数量的卫星，尽管这并不是主要的。术语“网孔”和“天线方向图”不限于任何具体的形成方式，并且包括由陆上的或卫星蜂窝通信系统之一和/或它们的组合形成的。
图1示出根据本发明的优选实施例的卫星蜂窝系统的概括图。虽然图1示出一个极其简化的卫星蜂窝系统10，但是系统10使用轨道卫星20而在地球上和绕着地球分布的。本发明可应用于具有在低地球轨道、中地球轨道或地球同步轨道中的卫星20的卫星蜂窝系统，还可应用于具有以任何倾斜角(例如，极、赤道或另一个轨道图形)环绕地球运行的卫星20的卫星蜂窝系统10。
卫星蜂窝系统10包括至少一个卫星20和任意数量的用户单元30。卫星20最好是绕地球的低地球轨道卫星。卫星20可以是单一卫星或绕地球的卫星星座的一部分，如在低地球轨道中具有六十六个卫星的星座的IRIDIUM项目。虽然在使用大量卫星时可有利地使用本发明，但它还可应用于至少一个卫星。
这里叙述的方法也可应用到没有获得地球全覆盖(即在由星座提供的通信覆盖中存在着“洞”)的卫星星座，和应用于出现地球部分的多重覆盖(即，一个以上的卫星能看见在地球表面上的一个特定点)的卫星星座。
卫星20与用户单元30通信使用频分多路复用(FDM)、时分多路复用(TDM)、码分多路复用(CDM)或者它们的组合。上行链路或下行链路信号在特定的时机(时隙)在选择的频率上以脉冲串或分组形式发送时采用组合。但是，正如本领域技术人员所知道的，可以采用其它的方法。卫星20如何发送数据(或呼叫)和从用户单元30接收数据是本领域的技术人员熟悉的。
用户单元30可以在地球表面的任何地方或在地球上大气层中(例如在喷气飞机中)。用户单元30最好是能够发送数据到卫星20和从卫星20接收数据的通信设备。举例来说，用户单元30可以是寻呼机或者适用于与卫星20通信的手持的、便携的蜂窝电话机。通常，用户单元30不需要执行对卫星蜂窝系统20的任何控制功能。如果它们可以发送到卫星20和从卫星20接收，则卫星蜂窝电话机是最好的。用户单元30也可以是双方式的蜂窝电话机，它可发送到卫星20和陆上蜂窝系统或设备和从卫星20陆上蜂窝系统或设备接收。远端单元30由本领域的技术人员熟悉的硬件构成。用户单元30如何发送数据到和从卫星20接收数据本领域的技术人员是熟悉的。
卫星蜂窝系统10可容纳任何数量的用户单元30。在根据本发明的优选实施例中，用户单元30经过用户链路与靠近的卫星20通信。用户链路是被分成很多信道(例如，铃提醒信道、广播信道、捕获信道和业务信道)的电磁频谱的有限部分。用户链路最好是L频段和/或K频段频率信道的组合，并且可以包含频分多址(FDMA)和/或时分地址(TDMA)和/或码分多址(CDMA)或者它们的任何组合。
业务信道是由卫星20不时地指配给一个特定的用户单元30的双向信道。可以使用数字格式在该信道上传送数据以支持实时通信。至少一个业务信道被指配用于每个呼叫，且每条业务信道具有足够的带宽，支持至少双向话音或数据通信。为了支持实时通信，最好使用时分地址(TDMA)方案将约为10-90毫秒范围内的时间分为帧。特定的业务信道被指配在每帧内具有3-10毫秒的持续期的特定的发生和接收时隙。模拟音频信号被数字化，以使整个帧的信号在被指配的时隙期间以单个短的高速脉冲的形式串发送或接收。每个卫星20可支持多达一千个左右业务信道，以使每个卫星20可同时服务大量的单独呼叫。然而，本领域的技术人员承认业务信道可被构成，而无须这样的时隙结构，和可采用不要求数字化该模拟话音信号的方法。用于构成信道和处理话音或数据通信的准确方法对于本发明是不重要的。
卫星20通过交叉链路与其它靠近的或相邻的卫星20通信。为此，来自位于或接近地球表面上的任何点的用户单元30的呼叫或通信可通过卫星20的星座发送到基本上在地球表面的任何其它点的范围内。通信可从卫星20使用用户链路向下发送到用户单元30或接近地球表面。据此，卫星蜂窝系统10可建立通信路径，用于通过卫星20的星座在任何两个用户单元30之间转发数据。
图2示出由卫星20投影地地球表面的蜂窝天线图形的典型布局图。每个卫星20都包括定向天线的一个阵列(未示出)。每个阵列以很多不同的角度投影很多分离天线方向图(discrete antennacell)25或广播信道天线图形到地球的表面。图2示出卫星20在地球表面形成的网孔24的结果图型的图。在图2中以双线划界的“脚印”区26是从由一个卫星20的天线阵列产生的天线方向图25得到的。位于区域26之外的网孔24是从其它卫星20利用天线阵列产生的。
每个天线方向图25具有直径大约500-600英里并且在以30秒内约110英里的速率在地球表面上移动。只是为了便于描述，天线方向图25被表示为六角形的。本领域的技术人员熟悉，天线方向图25也可以是其它的形状的。例如，在天线方向图25从卫星20发送的情况下，根据射入地球表面的角度，一些天线方向图25的形状可以是细长的椭圆形或圆形的。天线方向图的具体形状对本发明是不重要的。虽然在图2中没有表示，天线的方向图25可以重叠。本领域的技术人员懂得，天线方向图25一般代表与一个网孔相关的信号电平大于某个预定电平的区域，而在那个区域之外，该信号电平小于预定电平。
在优选的实施例中，在用户单元30保持相对静止时，天线方向图在地球表面上移动。在优选的实施例中，这个移动是由发送该信道的卫星20的移动引起的。天线方向图25从赤道移动到两极产生相邻卫星20之间的天线方向图的重叠。由于出现重叠，一些信道最好关闭以防止重叠的天线图25之间的干扰。
用户单元30根据在用户单元30接收的广播信道的电平或信号质量初始地确定与那个网孔通信。例如，位于网孔的中心区内的用户单元30最可能选择在与这个网孔相关的信道上通信，因为在该中心区中网孔的广播信道电平一般是最大的。如果用户单元30位于两个天线方向图或网孔24重叠的区域中，则用户单元30可从与其通信的任一个网孔中选择，因为广播信道信号电平一般是相似的。
只要用户单元30仍在该网孔中，业务信道的指配才是有效的。一般地，根据卫星的运动，这个周期大约是30秒。每个周期必须建立新的业务信道指配。由于快速的移动天线方向图，用户单元30希望监视被考虑用于越区切换的相邻网孔的广播信道。
图2还示出了根据频谱划分为七个分离的信道组对网孔24指配的信道组。由卫星20使用的频谱被划分为信道组的精确数量对于本发明是不重要的。图2通过使用字母“A”、“B”、“C”、“D”、“E”、“F”和“G”定位7个分离的信道组。本领域的技术人员懂得，可使用不同数量的信道组，例如12个，如果使用不同信道的数量，达到分配给网孔24的信道组将不同于在图2中表示的指配图。同样地，本领域的技术人员懂得，每个信道组可包括一个信道或任何数量的正交信道。如图2所示的，指配给网孔24的信道组允许在地理空间上分开的网孔24中重复使用该有限频谱。换句话说，非正交的信道组同时进行通信而没有干扰，因为使用非正交信道组的网孔24互相在空间分开而且不重叠。此外，每个“脚印”区26能够以任何分离的信道组工作，在任何特定时间由任何特定的用户单元30使用的特定信道组是由卫星蜂窝系统10控制的。虽然对于本发明具体通信技术是不重要的，但本领域的技术人员懂得，在本发明中可使用上述通信技术(TDMA、FDMA、CDMA等)的任何一种技术或组合。
图3示出根据本发明的优选实施例的越区切换志愿者方法100的流程图。方法100可由在卫星星座中的卫星20或由任何陆上蜂窝系统执行。首先对图3中流程图的概况进行讨论，随后，对图3所示的每个步骤进行详细讨论。假定卫星20或陆上蜂窝系统不知道越区切换情况或用户单元30的要求。方法100在资源或呼叫能力减少情况将出现之前(该情况将导致一些呼叫丢失或移动到另一个网孔)预测一个预定时间确定是否特定网孔服务的任何用户单元30要志愿提供从当前网孔越区切换到另一个网孔。在当前网孔的所有用户单元30将确定是否能越区切换到其它的候选网孔，这些候选网孔用于成功的越区切换几乎没有信号降级并且可服务在进行中的呼叫。可越区切换的另一个网孔的所有用户单元30向卫星20发送一个越区切换请求消息，志愿提供一个志愿者越区切换。然后卫星20接受为了补偿资源或呼叫指配问题所需的那样多的志愿者越区切换请求。然而，卫星20拒绝超过需要的越区切换志愿者最大数量的任何志愿者越区切换请求。
如图3所示的，在步骤120，卫星20检查资源短缺是否继续出现。资源缺乏以各种方式表示。在优选的实施例中，一个“表变化”指示资源短缺是否继续出现。“表变化”是时间标记的事件或在预定的时间出现的事件，例如表示该网孔的呼叫能力是否继续变化(增加或减少)。该检查可在该“表变化”之前的一个预定时间量出现。虽然最好是5秒，但是需要足够的时间请求越区切换志愿者，接收越区切换志愿者和越区切换呼叫到另一个网孔。资源减少也可由可用信道(例如频率和时隙)数量的减少表示。由于各种因素，卫星20的网孔的呼叫能力可变化。还有其它的方式指示资源缺乏是否出现，这对于本领域的技术人员是熟悉的。
在步骤104，如果卫星20确定呼叫或信道资源没有预定的短缺，则在步骤106，卫星20等待，直到在步骤102确定是否有呼叫资源短缺之前的下一个“表变化”之前为止。重复步骤102、104和106，直到卫星20确定有呼叫资源短缺为止。如果确定出现呼叫资源短缺，则在步骤108卫星20计算在资源短缺出现之前越区切换到另一个需要的志愿者的数量。这个计算例如可包含从在某个未来时间的相同网孔的呼叫资源容量减去当前正服务的网孔的呼叫数量。这个数量代表需要转移到另一个网孔或丢掉的呼叫数，因为在未来时间该当前网孔不能处理所有的呼叫。另一个确定资源短缺的方式是可用信道数量是否减少少于需要的信道数。
一旦计算了用于越区切换的志愿者的数量，在步骤110，卫星20对志愿者发送信号给在当前网孔中的所有用户单元30。志愿者是能够越区切换的另一个网孔的那些用户单元30，它是具有强的信号的一个网孔。最可能提供志愿用于越区切换的用户单元30是在网孔边沿的那些用户单元30。卫星20以很多方式发信号通知用户单元30；例如，一种方式是设定在卫星20与用户单元30之间传送的链路控制信息中的比特或字，以指示需要志愿者，如果用户单元30确定它可能要成为志愿者(根据图4表示和叙述的流程图)，则用户单元30通知卫星20，卫星20执行必要的越区切换。越区切换的过程包括通信从当前网孔(和信道)转移到能够处理或服务该呼叫的另一个网孔。呼叫从一个网孔转移到另一个网孔的越区切换过程和步骤是本领域的技术人员熟悉的。
在步骤112，卫星20确定是否接收足够的志愿者。如果足够的用户单元志愿提供越区切换，则卫星20停止通知用户单元30需要志愿者和拒绝任何其它的志愿者。方法100前进到步骤106，在下一个“表变化”之前的预定时间等待并且最终到步骤102。在步骤112，如果没有足够的用户单元30志愿提供越区切换，则在步骤116，卫星20确定是否出现“表变化”。如果“表变化”还没有出现，则在步骤112卫星20再次确定是否足够的用户单元志愿提供越区切换到另一个网孔。重复步骤116和112，直到足够的志愿的用户单元30，或者一个“表变化”出现或正要出现。
如果“表变化”出现或正要出现，则在步骤118卫星20将停止通知用户单元30需要志愿者。接着，在步骤120卫星20将向用户单元30发送释放警告给一组用户单元30它们的呼叫必须丢掉。用户单元30可能仍有时间越区切换它们的呼叫到另一个网孔，正如关于图5所示的流程图所讨论的。如果用户单元30越区切换到另一个“足够强的”网孔(如图5所示的)，则在越区切换执行时在步骤122释放这些信道。在一个预定的时间量之后，最好大约5秒，没有越区切换它们的呼叫到另一个网孔的用户单元30，在步骤124丢掉或释放警告呼叫。方法100前进到步骤106，等待直到在重复该方法请求用于越区切换的志愿者之前的下一个“表变化”之前为止。
图4示出根据本发明的优选实施例由用户单元30执行的志愿者越区切换方法200的流程图。正如图4中所示的，在步骤202，用户单元30检查卫星20(或在陆上蜂窝系统中的陆上站)是否在要求越区切换的志愿者。用户单元30通过检查在链路控制字中的志愿者指示信息可确定卫星20是否在进行这个请求，该控制字是在卫星20和用户单元30发送的。链路控制字是大约每90毫秒从卫星20发送的；但是也可使用其它的时间周期。
在步骤204，用户单元30确定卫星20是否在请求越区切换的志愿者。
虽然卫星20最好用于发送志愿者的请求，但在陆上蜂窝系统中的陆上站也可发送请求越区切换志愿者的请求。在步骤204，如果卫星20没有请求越区切换的志愿者，则在步骤206用户单元等待，直到从卫星20收到下一个帧为止。术语“帧”意味着数据分组，它包括控制链路信息(例如，指示需要越区切换的志愿者的比特或字)而且也可包括话音或数据分组。由用户单元30执行步骤202、204和206，直到它确定卫星在请求越区切换的志愿者。
在步骤204，如果卫星20在请求越区切换的志愿者，则在步骤208用户单元30检查任何强的邻近网孔。强的邻近网孔是提供足够信号强度的网孔，以便在卫星20和用户单元30之间没有信号质量降级。在步骤210，如果没有找到强的网孔，则方法返回到步骤206，用户单元30等待由卫星20发送的下一帧。在步骤210，如果找到强的网孔，则用户单元30请求从当前网孔越区切换到在步骤210找到的该强的邻近网孔。例如，越区切换请求是由用户单元30经过链路控制信息向卫星20进行的。
在步骤214，卫星20可接受或拒绝(deny)在步骤212由用户单元30进行的越区切换请求。如果卫星20接受该越区切换请求，则执行从该当前网孔越区切换到该选择的邻近或相邻网孔。执行越区切换的技术对本领域的技术人员是熟悉的。方法200返回到步骤206，用户单元30等待从卫星20发送到用户单元30的下一帧。
如果该请求在步骤214被卫星20拒绝，则用户单元30停止向卫星20发送越区切换请求一个预定的时间量。由于在越区切换请求发送时用户单元30基本上被控制，这有助于消除在连续地拒绝该请求中由卫星20请求的任何处理。这样卫星20有空处理其他的任务而不是连续地拒绝该越区切换请求。该预定的时间量最好是五秒，虽然其他的时间期间也可使用。在步骤218之后，方法200返回到步骤206，用户单元30等待由卫星20发送的下一帧的传输。
图5示出根据本发明的优选实施例信道释放的流程图。如图5所示的，在步骤302，用户单元30等待接收信道释放警告消息。这个消息由卫星20在图1的步骤120中发送。在步骤304，用户单元30检查“足够强的”任何邻近网孔以支持或提供卫星20和用户单元30之间的通信。“足够强的”意味着该信号质量可能有所降低，但是该信号质量仍然足够支持卫星20和用户单元30之间的呼叫。如果在步骤306用户单元30没有找到“足够强的”网孔，则在步骤308用户单元30检查在该呼叫丢掉之前是否还有时间尝试找到另一个“足够强的”网孔。如果还有时间，步骤310用户单元30等待接收下一个信号强度或信息。如果没有足够的时间，则在步骤312方法300丢掉该呼叫，而且方法300结束。呼叫是如何丢掉的对本领域的技术人员是熟悉的。
如图5所示，如果在步骤306用户单元30找到“足够强的”网孔，则在步骤314用户单元30对卫星20提出请求执行越区切换到“足够强的”网孔。如果在步骤316卫星20接收该越区切换请求，则在步骤318由卫星20执行从当前网孔是“足够强的”网孔的越区切换。然后呼叫在用户单元30和卫星20之间在“足够强的”网孔中继续。如果在步骤316卫星拒绝该请求，则在步骤320用户单元30停止进行进一步的越区切换请求一个预定的时间量。接着，方法300返回到步骤310，直到接收下一个信号强度数据或信息。方法300继续循环直到在步骤312呼叫丢掉或在步骤318执行越区切换。方法300给用户单元30一个最后的机会越区切换到“足够强的”另一个网孔，以便该呼叫不丢掉。
本领域的技术人员懂得，本发明为用户单元提供志愿越区切换的另一个网孔的机会，因此没有呼叫丢失或使丢掉呼叫的数量明显地减少。此外，本发明的另一个的优点是通过使用户单元30志愿用于越区切换和使卫星20拒绝或接受志愿者越区切换请求的决定，蜂窝系统可以调节实际上移动到另一个网孔的用户单元30的数量。本发明的又一个优点是显著地减少对卫星的处理负担和向用户单元30转发何时应出现越区切换的信号。
据此，所附的权利要求书试图覆盖落入本发明的真正精神和范围的本发明的所有修改。虽然该方法是对于卫星蜂窝系统10叙述的。但是例如，这些方法可应用于陆上蜂窝系统。
权利要求
1.一种从多个用户单元(30)请求越区切换志愿者的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(a)确定是否需要用于越区切换的多个志愿者；(b)发信号通知用户单元(30)需要越区切换的志愿者；(c)执行志愿越区切换的用户单元请求的越区切换；(d)对于在足够的用户单元不志愿用于越区切换时必须丢掉的呼叫发送释放警告消息；(e)对于收到释放警告消息的和在预定的时间量内不越区切换的用户单元(30)的呼叫应丢掉。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤(a)包括在资源容量减少之前检查是否需要志愿者一个预定的时间量的步骤。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤(a)包括以下步骤(a1)如果无需要越区切换的志愿者，则等待一个预定的时间量；和(a2)重复步骤(a)和(a1)，直到需要越区切换志愿者时为止。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤(a)包括通过从可用的信道数减去使用中的信道数、确定越区切换志愿者数目的步骤。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤(a)包括通过从可用的呼叫数减去使用中的呼叫数、确定越区切换的志愿者数目的步骤。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤(b)包括以下步骤(b1)设定链路控制信息，以指示需要越区切换志愿者；(b2)向每个用户单元发送该链路控制信息；和确定是否足够的用户单元志愿用于越区切换。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，包括以下步骤(e)如果足够的用户单元志愿用于越区切换，则通知用户单元不需要更多的越区切换志愿者；和(f)如果足够的用户单元志愿用于越区切换，则拒绝越区切换请求。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，包括以下步骤重复步骤(c)和(d)，直到足够的用户单元志愿用于越区切换或出现资源减少时为止；和在志愿用于越区切换的足够的用户单元减少之后或在预定的时间之后出现资源减少时，通知用户单元不需要越切换的志愿者。
9.一种用以确定是否有越区切换志愿者的方法，其特征在于，包括以下步骤(a)等待，直到越区切换的志愿者被请求时为止；(b)检查任何强的相邻网孔(24)；(c)对强的相邻网孔之一发出志愿者越区切换请求；(d)如果收到志愿者越区切换请求，通信转移到强的相邻网孔(24)；(e)等待一个预定的时间量；和(f)重复步骤(a)-(e)，其中步骤(a)包括以下步骤(a1)一个卫星确定是否需要越区切换的志愿者；和(a2)一个卫星向正在请求的用户单元发送信息“请求越区切换的志愿者”，和其中步骤(b)包括步骤确定多个相邻网孔的每个网孔的信号强度；和选择具有最强的信号强度的一个相邻网孔。
10.一种由用户单元(30)执行的方法，其特征在于，包括以下步骤(a)等待信道释放消息；(b)检查任何可用的相邻网孔(24)；(c)向一个可用的相邻网孔(24)发出越区切换请求；(d)如果收到该越区切换请求，通信转移到一个可用的相邻网孔；(e)如果拒绝该越区切换请求，则等待一个预定的时间量；和(f)重复步骤(a)-(e)，其中步骤(b)包括以下步骤确定多个相邻网孔的每个网孔的信号强度；和选择具有最好的信号强度的一个相邻网孔。
全文摘要
在呼叫资源短缺将要出现时，蜂窝通信系统(10)从用户单元(30)请求越区切换志愿者。根据是否有任何邻近的或相邻的网孔(24)提供合适的信号强度用于服务正在进行的呼叫，用户单元(30)可志愿用于越区切换到另一个网孔(24)。如有另一个邻近的或相邻的网孔(24)提供合适的信号强度，则用户单元(30)可志愿用于越区切换到另一个网孔。系统接受越区切换志愿者请求使志愿用于越区切换的用户单元被越区切换到另一网孔。
文档编号H04B7/15GK1140385SQ9610545
公开日1997年1月15日 申请日期1996年4月24日 优先权日1995年5月30日
发明者丹尼尔·理查德·泰罗伊, 小维克托·豪斯·卡特勒, 杰拉尔德·约塞夫·达维奥 申请人:摩托罗拉公司