专利名称：在具有变化的拓扑的网络中支持连接取向业务的系统和方法
技术领域：
本发明涉及基于空间的移动电信系统，特别是涉及在具有变化的拓扑的网络中支持连接取向业务的系统和方法。
在标准的异步传递方式(ATM)网络中，确定从始发节点到目的地节点的通信路径是根据一个基本的假定，即网络拓扑(包括ATM节点和互连它们的高速链路)在整个连接期间(呼叫保持时间)保持固定。连接承诺控制是一个常规过程，用以使用在ATM网络中定义的路径来承诺或拒绝对通信业务的请求。
在一些基于空间的电信系统中，网络拓扑是连续地变化的。在该网络在低地球或中地球高度绕地球运行的卫星星座的情况时更是这样。ATM信元中继网络是连接取向的，而且在进行传输之前在发送方和接收方之间必须有一条指定的路径。为此，现在极需要将固定的连接取向网络(例如ATM网络)与具有变化网络拓扑的基于空间的移动电信系统进行耦连。
图1示出根据本发明优选实施例的基于空间的移动电信系统的总图；图2示出根据本发明优选实施例确定路由选择信息方法的流程图；图3示出路径有关的时间间隔有序序列的一个例子；图4示出一个网络和从源地球站到目地地球站的路径的一个例子；图5示出具有路由选择和有关信息的压缩分组的一个例子；图6示出根据由选择信息通过一个网络发送一个分组的例子。
本发明通过一个基于空间的移动电信网络诸如低地球轨道(LEO)卫星星座发送分组，该网络与固定的、基于地面的、标准的ATM网络接口。在标准的ATM网络中的一个基本假设是ATM网络拓扑保持固定。但是，在一些基于空间的通信系统中，卫星网络拓扑和链路容量随时间的函数变化。在地面ATM网络互连到基于空间的通信网络时，该卫星网络实际上可作为源地球站和目的地地球站之间的虚ATM链路出现。
假定在基于空间的电信网络中该网络的特征在于一组卫星。这些卫星以高带宽速率转换并且由高速通信链路与相邻的卫星互相联络。本发明具有通过卫星星座转发分组包括ATM信元的效用，其方式是从端对端虚连接观点看是接近透明的。本发明支持但不限于以下两类业务(1)请求恒定比特率连接业务；(2)请求未规定的比特率连接业务。
在本说明书中，使用的术语“卫星”是指预定绕地球运行的人造物体或飞行器。“卫星”的特征在于低地球和中地球轨道运行的卫星和/或其组合。术语“星座”是指安排在轨道中用于提供地球的一部分、几个部分或全部的规定的覆盖(如无线电通信、遥测等等)的多个卫星。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相同数量的卫星，尽管这不是必须的。术语“信元”、“波束”和“天线图型”不限于任何特定的产生方式而且包括由地面或基于空间的电信系统和/或它们的组合产生的。
图1表示根据本发明优选实施例的基于空间的电信系统10的总图。虽然图1示出基于空间的移动电信系统10的高度简化图，但系统10的特征在于一个卫星的星座20、任何数量的用户单元30、至少一个地面控制站40和至少一个地球站50。电信系统10通常可看作是一个节点网络，而卫星21-29、地面控制站40和地球站50被认为是网络10中的节点。
通信系统10的所有节点是或可以是通过通信链路与通信系统10的其它节点进行数据通信。通信链路可包括数据和/或控制信息。另外，通信系统10的所有节点是或可以是通过公共业务电话网和/或通过常规的地面基站连接到PSTN的常规地面通信设备与其它的电话设备进行数据通信，所述电话设备包括分布在世界各地的用户单元30。
本发明可应用于基于空间的移动电信系统10，它指定地球上的特定区域给地球上的特定网孔，而且最好指定给在地球表面移动网孔的系统。虽然本发明可应用于具有在低地球或中地球轨道中的卫星星座20的基于空间的移动电信系统，但是星座20最好在围绕地球的低地球轨道中。
卫星星座20的特征在于至少一个卫星。如图1所示，星座20的一个例子是以卫星21-29表征的。虽然示出九个卫星21-29，但卫星的数量可大于或少于九。卫星的数量对于本发明是不重要的。本发明也可应用于具有卫星21-29的基于空间的电信系统10，这些卫星以任何倾斜角绕地球运行，包括极地的、赤道的、倾斜的和其它轨道图型。本发明还可应用于达不到地球完全覆盖(即在由该星座提供的通信覆盖中有“洞”)的系统10和地球的各部分出现多个覆盖(即在地球表面的一个特定点看到一个以上的卫星)的系统10。
卫星21～29中的每个卫星通过交叉链路与卫星21-29中相邻近的其它卫星通信。这些交叉链路形成基于空间的移动通信系统10的骨干链路。为此，从位于或接近地球表面任意点的一个用户单元30来的呼叫或通信实际上可通过多个卫星发送到在地球表面任何其它点的范围内。通信可从卫星21-29中的另一个卫星向下发送到位于或接近地球表面的用户单元30(它正在接收呼叫)。卫星21-29与用户单元30、地面控制站40、41以及地球站50、51实际上如何通信(如扩频技术)对于本领域的普通技术人员是熟知的。
用户单元30可位于地球表面的任何地方或在地球上空的大气层中。移动通信系统10可容纳任何数量的用户单元30。用户单元30最好是能够从卫星21-29和地面控制站40接收话音和/或数据的通信设备。举例来说，用户单元30可以是适用于发送到和从卫星21-29及地面控制站控制40接收传输信号的手持移动卫星蜂窝电话机。
用户单元30实际上如何发送话音或数据到和从卫星21-29接收话音或数据是本技术领域普通技术人员公知的。在本发明的优选实施例中，用户单元30使用被划分为许多信道的电磁频谱的有限部分与卫星21-29通信。这些信道最好是L波段、K波段和/或S波段频率信道的组合，但是可以包括频分多址(FDMA)和/或时分多址(TDMA)和/或码分多址(CDMA)通信或其任意组合。也可使用本领域普通技术人员公知的其它的方法。
地面控制站40与卫星21-29通信并且控制它们。如图1所示，可能有多个地面控制站40、41，它们位于地球上的不同区域。例如，可能有一个地面控制站位于檀香山，另一个位于洛杉机而再一个位于华盛顿特区。另一个种方式是使分离的地面控制站位于地球上的每个国家中。
地面控制站40执行连接承诺控制，确定通过卫星星座20设定连接的路由并将所选择路由传送到地球站50、51。地面控制站40可附加地提供到卫星21-29的卫星控制命令，使得卫星21-29保持它们在其轨道中的合适位置并执行其它的必要内务处理任务。地面控制站40也可负责从卫星21-29接收话音或数据。地面控制站40实际上如何与卫星21-29以及用户单元30通信(例如扩频)是本领域普通技术人员公知的技术。
地球站50经过PSTN将地球上进行的话音或数据呼叫连接到卫星星座20。如图1所示是，在地球表面上可能有多个地球站50、51。地球站50可位于地球上的任何地方，但是最好位于最接近一个地面控制站范围内。虽然图中表示了地球站50和地面控制站40是分离的但是它们包含在具有多个天线的单一结构中。地面控制站和地球站是分离的还是在一个设施内组合在一起并不重要。地球站50实际上如何与卫星21-29以及用户单元30通信(如扩频)是本领域普通技术人员公知的。
当地球站负责从地球向卫星星座20发送呼叫时，它被识别为一个源地球站(SES)。当呼叫由卫星星座20发送到地球时，地球站被识别为目的地地球站(DES)。从SES到DES的通信路径具有三个组成子路径，数据分组或ATM信元必须经过这些子路径传送一个上行链路(如从SES或用户单元到源卫星)，一个卫星星座20(从卫星星座中的该源卫星到目的地卫星)和一条下行链路(如从目的地卫星向下到DES或用户单元)。ATM信元的特征是数据、话音或视频信息加上有关ATM组网的控制标题。
图2表示根据本发明的优选实施例确定路由信息的方法100的流程图。方法100可用于建立地球站50与51之间的通信，用户单元30和一个地球站50或51之间的通信或者用户单元30和31之间的通信。
源地球站(或一个用户单元)向正在为它服务的卫星发送一个连接请求时，方法100在步骤102开始。这个卫星被识别为“目前的服务卫星”(或简称源卫星)。如图1的示例中所示，卫星21是在该连接请求的时间为源地球站50目前服务的卫星。连接请求中包括目的地地球站或用户单元的识别符、在源和目的地地球站或用户单元之间提供的带宽量和任选地所需连接的时间长度。
目的地卫星是目前为目的地地球站服务的卫星。例如，卫星23是目的地卫星并且是目前为目的地地球站42服务的卫星。应该注意，在源卫星移动出源地球站的范围(或目的地卫星移动出目的地地球站的范围)时，星座20中卫星21-29的运动使得源卫星(和/或目的地卫星)随时间变化。
在步骤104，目前服务的卫星把该连接请求传递给服务的地面控制站。服务地面控制站代表目前服务卫星处理呼叫建立和承诺的控制功能。如图1所示，地面控制站40是代表目前服务的卫星21的服务的地面控制站。请注意，当卫星在其轨道中运动时，该服务地面控制站可改变(假定在一个系统中使用多个地面控制站)。最重要的是，目前服务卫星不必具有到其服务地面控制站的直接通信链路。从目前服务卫星到其服务地面控制站的控制信息可沿着控制路径通过一个或多个卫星，直到它到达直接与服务地面控制站通信的卫星。例如，假定图1的卫星22是地球站50的目前服务卫星和地面控制站40是目前服务卫星22的服务地面控制站。目前服务卫星22把连接请求发送到卫星21，然后经过其直接通信链路传送该连接请求到服务地面控制站40。
在步骤104，服务地面控制站收到该连接请求之后，在步骤106，服务地面控制站确定是否有足够的资源可在起始时间间隔用于建立连接。如果连接请求规定呼叫将占用一个规定的时间长度，在步骤106服务地面控制站也可确定在随后的时间间隔是否有足够的资源可用。如连接请求指示的，如果该连接是未知的持续时间，则服务地面控制站识别持续时间T1的起始时间间隔1，计算时间间隔1的路径并利用目前服务卫星传送该路径到源地球站。通常，服务地面控制站计算在时间间隔(I+1)使用的路径(I+1)并按预期的需要经过目前服务卫星路将路径(I+1)发送到源地球站。如果从源地球站到目的地地球站的呼叫确定在时间间隔I之前过期，则不使用路径(I+1)。否则，源地球站将在时间间隔(I+1)使用路径(I+1)。在时间间隔(I+1)期间，服务地面控制站计算和发送在时间间隔(I+2)由源地球站使用的路径。
每个服务地面控制站存储有关网络状态的信息，包括但不是必须限制于在每条链路上可用的和已用的带宽数量以及使用规定链路的呼叫的持续时间。这些表由每个服务地面控制站连续的更新(见下面的步骤112)。网络状态信息用于确定是否有足够的资源可用于建立连接和确定可用于准备连接的必要路径。
在步骤106，服务地面控制站识别编序的路径序列或系列和有关的时间间隔。路径的特征在于预定的时间间隔或周期期间一个分组将遵照哪个路由通过该网络。例如，一个路径可包括有关通过网络的那些节点发送分组的信息。时间间隔的数量和长度取决于该呼叫或连接将用多长时间。如果该呼叫是不确定的持续时间，则服务地面控制站计算在下一个时间间隔开始之前通过这些节点的路径。此外，起始时间间隔在连接开始时开始且长度可比随后的时间间隔短。这可能是由于目前服务卫星正转换到另一个卫星。时间间隔的长度直接与源卫星在源地球站的视线中和目的地卫星在目的地地球站的视线中有多长时间有关。换句话说，时间间隔与卫星拓扑如何改变直接相关。时间间隔的长度可以相同或不同。
图3表示编序的路径序列的有关的时间间隔的例子。如图3所示，有四个路径，每个路径与单个时间间隔相关。在时间间隔1期间，路径1通过网络被占用。类似地，通过该网络在时间间隔2期间沿路径2、在时间间隔3期间沿路径3和最后在时间间隔4期间沿路径4发送分组。
在步骤106，一旦路径和有关的时间间隔被识别，路由选择信息(如路径I和相应的时间间隔I)就从服务地面控制站发送到源地球站(或用户单元)。路由选择信息可以经过许多方式从服务地面控制站发送到源地球站(或用户单元)，例如包括微波、直接陆上线路、地面蜂窝通信或卫星通信。
在步骤108，源地球站从服务地面控制站收到路由选择信息之后，源地球站将该路由选择信息封装(encapsulate)或加在即将被发送到目前服务卫星的分组中。封装包括把该网络中被占用的各链路放入被加到该分组上的路由标题中。根据该路由选择信息，源地球站把与该路由信息封装在一起的分组发送到目前服务卫星，然后根据由服务地面控制站选择的路径它们自定路由通过该网络(如卫星)。每条路径与指定的时间间隔相关；因此在规定的时间间隔期间，通过网络占用一条确定的路径。
图4示出服务的地面控制站选择的路径如何由基于空间的移动通信系统中的源地球站和卫星使用来转换和从源地球站(“SES”)发送分组到目的地地球站(“DES”)的例子。如图4所示，“S”是指卫星，而单个数字号码是指两个卫星之间的链路。S1是为SES目前服务的卫星，而S9是为DES目前服务的卫星。选择用于从SES发送分组到DES的路径以黑粗体实线表示。沿着路径SES→S1→S2→S5→S6→S9→DES交换和发送业务。与链路相关的标记说明如下卫星S5连接四个卫星经过链路1到S2，经过链路2到S4，经过链路3到S6，经过链路4到S8。这些标记具有本地含义，意味着链路的识别号对于S2与对于S1或S3可以不同。例如，从S1到S2的链路可具有不同于从S2到S1的链路的识别号。
在SES始发且预定到DES的分组将在SES与必要的分组路由和相关信息一起封装。封装的分组具有对于业务发送是必须的至少两个字段一个路由选择标题和一个分组序列号。一个附加的分组标题和分组尾部字段可用于对本发明不重要的其它开销功能。路由选择标题字段具有N个字段，每个L比特长。L的值是这样选择的L＝Ceiling(log2(max_node_degree))。Max_node_degree是连接一个节点到另一个节点的链路的最大数量。例如，如果max_node_degree最大是16，则L＝4比特是需要的。分组序列号用于使序列号与正被传送的分组有关。例如分组序列号字段的优选长度可以是24比特。这将允许分组序列号在重复使用该分组序列号值之前具有1.6千万个分组。分组序列号字段长度的精确选择可根据应用而变化。分组序列号由目的地地球站用于将分组编序为适当的序列。分组可由DES或用户单元不按顺序接收，因为路径在动态拓扑网络中变化。
图5示出具有路由和有关信息的封装分组的一个例子。图5中所示的分组60的特征是沿着从目前服务的源卫星到目的地卫星的路径流动的概况。图5参照图4中有关的网络来解释。为了简化，在分组60中的SES和DES站的识别符未示出。如图5所示，分组60的特征是多种字段61-68。分组标题61之后是存储在字段62-65中的路由选择标题，然后是ATM信元66，最后是分组序列号67和分组尾部68。路由选择标题的特征是自定路由使该分组通过该网络所需要的信息。在图5所示的分组60中，子字段62-65构成路由选择标题。分组标题61、ATM信元信息66和分组尾部对于本发明是不重要的。
当一个分组首先到达目前服务的卫星时，该目前服务的卫星使用路由选择标题字段内的最右边的第一个子字段确定应该发送分组的出站链路。图6表示根据路由选择信息通过网络发送分组的例子。图6参照图4关通过节点发送分组的情况来解释。当分组由S1接收时，该分组的特征是路由选择信息70据路由选择信息70，S1确定沿哪条链路发送该分组。在这种情况下，该分组将沿着链路2发送，链路2是路由选择信息70中的第一子字段(即最右边的子字段)。但是，在发送分组之前，路由选择标题70中的所有子字段向右移位(如移位L＝比特)，得到路由选择标题71。因此，“1”被移位到右边代替“2”，“3”代替“1”和“2”代替“3”。S1经过链路2发送包含路由选择标题71的分组。S2经过链路2接收从S1来的分组。
一旦S2收到该分组和路由选择标题71，S2就确定它将沿链路1发送的分组。路由选择标题被移位到右边变为路由选择标题72，然后沿链路1发送分组。由于S2沿链路1连接到S5，故S5接收该分组，如图4所示。
在S5收到分组和路由选择标题72之后，S5确定它将沿链路3发送分组。路由选择标题移位到右边变为路由选择标题73，然后沿链路3发送分组。因为S5经过链路3连接到S6，故S6接收该分组，如图4所示。
一旦S6收到分组和路由选择标题73，S6确定它将沿链路2发送分组。路由标题移位到右边变为路由选择标题74，然后沿链路2发送分组。因S6和S9经过链路2连接在一起，故S9接收该分组。S9是星座中的最后的卫星或节点。然后分组被发送或向下传送到DES或指定的用户单元。
回到图2所示的流程图，一旦源地球站使用由服务地面控制站确定的选择路由封装分组，就在步骤110根据用于特定时间间隔的路由将分组被发送到目前服务卫星并且通过该网络。接着，在步骤112，服务地面控制站将其资源分配决定传送到系统中的其它服务地面控制站。这可经过图1中未示出的分立的控制信道传送。这个过程使其它的服务地面控制站能够更新它们的数据库以具有相同的网络和拓扑图，即基于空间的通信系统中资源的目前可用性是时间的函数。
一旦资源分配信息发送到其它的服务地面控制站，源地球站在步骤114就确定是否存在任何需要编序的路径和资源序列的后继的时间间隔，如果没有更多的时间间隔，则方法100结束。如果“有”，则在步骤116源地球站确定是否已经选择了下一个时间间隔的下一条路径。如果源地球站没有从服务地面控制站接收后继时间间隔的路由选择信息，则源地球站返回到步骤102，向目前服务卫星发送连接请求。接着到步骤104、106、108、110、112、114以及116，而且它们被重复直到呼叫终止。如果源地球站接收到随后时间间隔的路由选择信息，则重复步骤110、112、114和116直到呼叫终止。假定最后的时间间相应于呼叫终止的时间，则当呼叫终止时方法100结束。
本领域的普通技术人员理解本发明支持具有变化拓扑网络中的连接取向业务。此外，本发明通过基于空间的移动通信网络发送分组，该网络如低地球轨道道(LEO)卫星，它可连接的固定的、基于地面的、标准的ATM网络。
为此，所附的权利要求书拟覆盖本发明的所有变型，这些变型都落入本发明的真实精神和发明范畴之内。例如，用户单元可直接向卫星的发送连接请求。代之以地球站向目前服务卫星发送连接请求，用户单元可以发送连接请求，它旁通地球站。此外，用户单元可以是在连接的接收端，它不使用目的地地球站。另外，其它的编码路由选择信息的形式也是可能的。例如，路由选择标题中的子字段可以以图6中所示的相反顺序规定。然后，代之以使用路由选择标题中的最右边的子字段识别下一条链路，由S1使用最左边的子字段。另一种变型是直接地把连接请求发送到源地球站，有效地旁通目前服务的卫星。
权利要求
1.一种通过节点网络发送分组的方法，其特征在于，包括以下步骤a)接收一个连接请求；b)确定通过该节点网络发送该分组的路由选择信息；c)以该路由选择信息封装该分组；和d)根据该路由选择信息通过节点该网络发送该分组。
2.一种通过呼叫的节点网络发送分组的方法，其特征在于，包括以下步骤a)接收一个连接请求；b)在一个时间间隔期间确定通过该节点网络发送该分组的路由选择信息；c)将该路由选择信息与该分组封装在一起；d)在该时间间隔期间根据该路由选择信息通过该网络节点发送该分组；和e)对随后的任何时间间隔重复步骤(b)-(d)，直到呼叫完成为止。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，还包括向服务该节点网的地面控制站发送资源分配信息的步骤。
4.一种通过网络发送分组的方法，其特征在于，包括以下步骤一个源地球站发送一个连接请求；一个目前服务的卫星转发该连接请求给服务的地面控制站；该服务地面控制站确定通过网络发送分组的路由选择信息；该服务地面控制站发送该路由选择信息给源地球站；该源地球站将该路由选择信息与该分组封装在一起；和根据该路由选择信息通过该网络发送分组。
5.一种通过网络发送分组的方法，该网络包括节点，其特征在于，包括以下步骤一个用户单元发送一个连接请求；一个目前服务的卫星转发该连接请求到服务地面控制站；该服务地面控制站确定通过网络发送分组的路由选择信息；该服务地面控制站发送该路由选择信息给用户单元；该用户单元将该路由选择信息与该分组封装在一起；和该用户单元及节点根据该路由选择信息通过该网络发送该分组。
6.一种通过网络发送分组的方法，该网络包括卫星，其特征在于包括以下步骤一个源地球站发送一个连接请求；一个目前服务卫星转发该连接请求给服务地面控制站；该服务的地面控制站确定通过卫星发送分组的路由选择信息；该服务的地面控制站把路由信息发送给源地球站；该源地球站将该路由信息与该分组封装在一起；和该源地球站及该卫星根据该路由选择信息通过该网络发送分组。
7.一种通过节点网络发送分组的系统，其特征在于，包括一个用户单元，它能够发送一个连接请求；一个目前服务的卫星，连接到该用户单元，并且能够接收该连接请求和转发该连接请求；一个服务地面控制站，连接到该目前服务卫星，能够确定通过网络发送分组的路由选择信息并发送该路由选择信息到用户单元；该用户单元还能将该路由选择信息与该分组封装在一起并且发送该分组到在路由选择信息识别的节点；和该节点还能根据路由选择信息通过该网络发送分组。
8.一种通过多个节点的网络发送分组的系统，其特征在于，包括一个源地球站，能够发送连接请求；一个目前服务卫星，连接到源地球站，能够接收该连接请求和转发该连接请求；一个服务地面控制站，连接到目前服务卫星，能够确定通过该网络发送分组的路由选择信息和发送该路由选择信息到源地球站；该源地球站还能够以该路由信息与该分组封装在一起并且发送分组到路由选择信息识别的节点之一；和该节点还能够根据该路由选择信息通过网络发送分组；
9.一种通过网络发送分组的系统，其特征在于，包括多个节点；一个源地球站，连接到一个节点，和能够发送连接请求；以及一个服务地面控制站，连接到源地球站，它能够接收连接请求、确定通过网络发送分组的路由选择信息和发送路由选择信息到源地球站；该源地球站还能将该路由信息与该分组封装在一起并且发送分组到路由选择信息中识别的节点之一；这些节点还能够根据路由选择信息通过网络发送分组。
10.一种通过网络发送分组的系统，其特征在于，包括多个卫星；一个源地球站，连接一卫星，能够发送连接请求；和一个服务地面控制站，连接到源地球站，它能够接收连接请求，确定通过网络发送分组的路由选择信息和发送路由选择信息到源地球站；该源地球还能够以该路由将信息与该分组封装在一起并且发送分组到路由选择信息识别的卫星之一；和这些卫星还能够根据路由选择信息通过网络发送分组。
全文摘要
方法(100)通过卫星星座以从端对端虚连接的观点接近透明的方式转发包括ATM信元的分组。根据该方法(100)，源地球站发送连接请求到目前服务卫星。目前服务卫星转发连接请求到服务地面控制站，然后确定相应于预定的时间间隔分组沿哪条路径发送的。服务地面控制站发送路由选择信息到源地球站(50)，而分组(60)利用该路由选择信息通过卫星被发送。资源分配信息被发送到其它地面控制站(51)，使得所有站(50，51)具有整个网络状态的最新形式。
文档编号H04L12/56GK1148300SQ9611153
公开日1997年4月23日 申请日期1996年8月22日 优先权日1995年8月31日
发明者卡达瑟尔·S·纳塔拉詹 申请人:摩托罗拉公司