专利名称：通信卫星的负载均衡系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及通信卫星。更具体地说本发明涉及一种为多个卫星和用户提供最大的区域系统负载量的通信卫星负载均衡系统和方法。
过去，通信卫星一般位于具体的同步轨道上以供固定地区通信用。近来，中等距地轨道通信卫星系统和近地轨道通信卫星系统拟用于全球通信。由于这类较低高度卫星基本上不固定于地球的一定地区上空，因此这类卫星的配置可在不同时间供不同地区通信用。通信卫星系统可提供的通信发射的地区称为覆盖区。
此外，一个较低高度通信卫星配置可以有两个或更多个通信卫星支持同一个覆盖区。通信卫星的度决定于其当前相对于覆盖区的位置。由于卫星的运动，总的较低高度通信卫星区域系统负载量随时间而变化，同时也随区域用户分布而变化。
因此，较低高度通信卫星配置无法用传统的通信卫星负载量定义恰当地进行描述。更具体地说，传统的通信卫星负载量定义的重点不在于整个卫星系统能向一定覆盖区提供的服务级别。
因此，本发明的一个目的是确定相对于不同覆盖区域部分的一组通信卫星分配以达到该区域的最佳通信卫星系统负载量。
在卫星蜂窝式通信系统中用于控制系统负载量的方法涉及众多位于地球公共覆盖区域上空的轨道上的通信卫星及众多能在至少一段时间内与至少众多所述轨道通信卫星通信的蜂窝式移动站。该方法包括每隔一定周期为每个通信卫星确定功率利用系数的步骤，此系数被选择性地用于避免任何通信卫星的通信饱和情况。该方法还包括根据包括功率利用系数在内的准则为蜂窝式移动站与轨道卫星中的一个之间分配通信信道的步骤。
根据本发明的一个特征，蜂窝式移动站可响应于环境条件而取代分配，以便由该蜂窝式移动站决定该蜂窝式移动站与所述轨道卫星中的一个之间的不同通信信道。
根据另一特征此分配可由地面站上装至通信卫星。
在本发明另一特征中，上装的分配信息由每个通信卫星广播至公共覆盖区域。
在本发明又一特征中，当通信卫星的通信信道负载超过预定量时使用功率利用系数。
另外一个特征使用功率利用系数以使所述通信卫星根据所需地区分布提供预定数量通信信道所需最大单卫星功率极小化。
本发明另外一个特征使用功率利用系数使通信卫星间的通信信道负载均衡分布。
本发明能应用于蜂窝式移动通信的较低高度通信卫星系统。在这类较低高度通信卫星系统中，蜂窝式移动站可与控制站通信，并可通过由控制站分配给该蜂窝式移动站的一个通信卫星与其终极目的地通信。
在参照下图研究下面的说明书之后，熟悉技术的人将会更好的理解本发明的各种优点，附图有
图1是根据本发明可用的卫星蜂窝式通信系统的示意描述；图2是用于提供地球的单全球大陆覆盖的通信卫星群的示意描述；图3是用于提供地球的双全球大陆覆盖的通信卫星群的示意描述；图4是用于提供地球的单半球覆盖的通信卫星群的示意描述；图5是用于提供地球的双半球覆盖的通信卫星群的示意描述；图6是用于提供地球部分覆盖的初始的通信卫星群的示意描述；图7是用于提供地球的进一步覆盖的后续的通信卫星群的示意描述；图8是用于提供地球的完全大陆覆盖的全基线通信卫星群的示意描述；图9是使用图6的初始群的卫星可见度的地图描述；
图10是使用图6的初始群的卫星覆盖的图形描述；图11是使用图6的初始群的卫星覆盖的另一个图形描述；图12A-12E是提供了使用图6的初始群的卫星覆盖的地图描述；图13A-13G提供了使用波束控制法的可变天线辐射图的地图描述；图14是使用交替群的卫星可见度的地图描述，其中每个卫星驻留在它自己单独的轨道平面内；图15是使用参照图14中的初始群的卫星覆盖的图形描述；图16是使用参照图14中的初始群的卫星覆盖的另一个图形描述；图17是用于描述协调瞄准控制法的流程图；图18是包括根据本发明可能使用的移动手机跟踪和寻呼系统的卫星移动通信系统的原理框图；图19a、19b、19c和19d描述包括众多对地球固定的网格和众多由一个或多个亚同步卫星产生的单独聚焦波束的网格图；图20是移动手机的原理框图；图21是由移动手机跟踪和寻呼系统完成的对准操作的流程图；图22提供了覆盖区的交叠卫星覆盖和网格划分的示例性地图描述；图23是描述用于完成本发明操作的控制站、通信卫星和蜂窝式移动站之间的功能交互作用的流程图；图24A和24B提供了用于描述为了达到最大区域系统负载量而使用的通信卫星负载均衡法的流程图；图25是用于显示在蜂窝式移动站选择通信卫星期间覆盖区的卫星系统负载量的图；图26是用于显示在控制站分配通信卫星期间覆盖区的卫星系统负载量的图；以及在图22中，通信卫星301、通信卫星302和通信卫星303有能力为包括众多蜂窝式移动站在内的覆盖区310提供双向通信服务。这些通信卫星为覆盖区310内的蜂窝式移动站处理通信。在此例中，美国被选为覆盖区310。然而应该理解，其它通信卫星将同时向世界上其它地区，例如欧洲、亚洲和南美提供通信服务。另一方案是，在设计系统时可使世界代表一个单个地区及使所有系统卫星之间功率均衡。
覆盖区310划分为位于312处的网格。这些网格的尺寸最好足够小以使同一通信卫星对于位于同一网格内的蜂窝式移动站具有几乎相同的仰角。在一个示例性实施例中，网格是方形的并具有2度乘2度的尺寸。应该理解很多其它网格尺寸和网格形状属于本发明范围之内。在通常由参考数字312标示的方网格内的蜂窝式移动站的数量是不同的。
通信卫星301为覆盖区310的一部分提供第一覆盖区域321。通信卫星302为覆盖区310的一部分提供第二覆盖区域322，及通信卫星303为覆盖区310的一部分提供第三覆盖区域323。此例中三个覆盖区域部分地互相交叠。由三个通信卫星所公共地覆盖的交叠覆盖区域标为由曲线331、曲线332和曲线333所包围的区域。另外网格340、网格342、网格344和网格346包含于交叠覆盖区域内。
根据本发明，对每个通信卫星而言，为向每个覆盖的网格提供固定带宽发射的下行链路，必须为每个通信卫星确定一个功率利用系数。在一个根据本发明的实施例中，为每个公共覆盖的网格确定单卫星发射所需射频(RF)功率。因此例如确定由通信卫星301下行链路发射至网格340所需RF功率。接着确定另两个通信卫星发射至网格340所需RF功率。
在将每个通信卫星发射至全部所覆盖的网格所需RF功率确定之后，将根据所确定的功率利用系数值将通信卫星301-303中的一个分配给一个公共覆盖的网格。更具体地说，最好如此分配以使通信卫星系统的任何一个卫星向每个区域的网格提供单次发射所需最大RF功率极小化。
本发明包括至少一个控制站350以便有助于将来自三个通信卫星的通信分配给公共覆盖的网格。应该理解可使用更多控制站并将它们布置于图22中控制站350位置以外的地点。
图23显示本发明的控制站、通信卫星与蜂窝式移动站之间的功能交互作用。起始标志400标明首先在块402处对控制站功能进行处理。块402标明控制站将通信卫星分配给蜂窝式移动站。随后块404阐述控制站将分配信息上装至通信卫星。
在上装之后，在块406继续进行处理，通信卫星将分配信息向位于它们所分配的网格内的蜂窝式移动站进行广播。在判断块408中蜂窝式移动站可以请求分配由控制站所选择的卫星以外的卫星。例如，当蜂窝式移动站无法与由控制站分配的具体的通信卫星建立足够可靠的通信链路时，该蜂窝式移动站可以请求使用不同的通信卫星。当蜂窝式移动站与所分配的通信卫星之间至少部分地被楼房阻挡时会出现这种情况。
如蜂窝式移动站并不请求不同的分配，则本发明的这一方面的流程进至退出标志420。换言之，当用户希望打一个电话或按另一种方式与另一个通信站开始恰当的通信对话(例如声音、数据、视频等等)时，该蜂窝式移动站将通过预先分配的卫星启动通信。处于等待模式中的蜂窝式移动站也收听预先分配的卫星以等待打进来的呼叫。然而，如蜂窝式移动站的确请求一个不同的分配，则本发明的这一方面的流程于块410处继续下去。
在块410中，蜂窝式移动站将所请求的卫星分配上装至预先分配的通信卫星。在块412中预分配的通信卫星将所请求的分配下装至控制站。在块414中控制站对所请求的分配进行处理并将所请求的卫星分配给该蜂窝式移动站。此后本发明的这一方面的流程进至退出标志420。
从上述应该理解本发明涉及功率限制应用方法。当对一个或多个卫星加上其它限制如频带限制时，可能需要修改根据本发明的分配方法以考虑其它因素。类似地，由于非同步卫星所提供的覆盖的特点是随时间变化，除频带限制外可能会有时间限制。例如，在一定情况下最合适的分配准则可能以卫星覆盖一个区域的剩余时间为基准来考虑。因此，应该理解分配准则可能决定于几个竞争因素以及功率利用系数可根据本发明用于使区域负载量达到最大，因此这里提及的功率利用系数是一个重要因素。
应该进一步理解本发明可应用于既使用低距地高度轨道卫星又使用中等距地高度轨道卫星的卫星蜂窝式通信系统。虽然本发明对于如上所描述的中等距地高度轨道系统特别有效，但本发明同样可用于具有非同步轨道卫星的任何卫星蜂窝式通信系统，该系统中两个或更多个卫星能够同时覆盖同一蜂窝式区域。例如曾建议使用一批低距地高度轨道蜂窝式通信系统(也即其轨道安排低于Van Allen带的卫星系统)。这些系统也提供多重卫星覆盖度。
对于本发明中控制站例如控制站350的使用而言，最好当卫星经过上空时在预定时间周期内由控制站将分配信息上装给卫星。例如，在卫星303那样的卫星每天飞过控制站350一次的情况下，控制站可以在至少一天的周期内将卫星303所需全部分配信息上装。然而这并非意味上装分配信息不能采用更长的合适的时间周期，因为每隔更长周期例如一周上装这类信息可能更为合适。除需要周期地向卫星上装分配指令之外，应该理解本发明并不依赖于所使用的轨道数量或其它类似的群的构成规格。的确，即使控制站本身也不必一定是本质上固定的地面站，而空载或舰载控制站也同样可以使用。
这些控制站最好使用过去功率利用需求的历史数据，以便为下一个服务周期的卫星确定最合适的分配。
图24a更详细地阐述最佳通信卫星发射负载均衡方法和装置。起始标志450标明首先处理块452中的初始步骤。块452标明自数据库中检索覆盖区所需网格划分标识数据。
块456是一个迭代结构，它标明对于每一个具有所需覆盖区的视野的卫星都执行流程图中下面几块的操作。在块456的迭代结构内的有块458。块458是另一个迭代结构，它标明对于每一个网格都执行下面几个块的操作。
在块456和块458两者的迭代结构内，判断块460被执行以便查询块458所具体执行迭代的网格是否位于块456所具体执行迭代的当前通信卫星的视野之内。如该网格并不处于当前通信卫星视野之内，则继续在块464中进行处理。然而，如该网格处于视野之内，则在块462中计算块456的当前迭代所选网格的单信道所需卫星RF功率。
块464查询是否为块456的当前迭代的通信卫星估价了全部网格。如需估价更多网格，则处理操作从块458重新进行，以便为块456的当前迭代的通信卫星估价下一个网格。然而，如块456的当前迭代的通信卫星并无更多网格需进行估价，则在块468中继续进行处理。
块468查询是否已处理完所有具有所需覆盖区视野的通信卫星。如尚需估价更多通信卫星，则处理操作在块456中重新开始，以便估价下一个所选的通信卫星。然而如无更多卫星需要估价，则流程转向流程图“A”继续标志470。
图24b在块472中继续处理来自流程图“A”继续标志470 。块472提出对剩余流程图有效的基本前提“S”个卫星覆盖着“N”个网格的区域。
块474是一个迭代结构，它标明对“N”个网格对于“S”个卫星的每个可能的分配执行下面几块。在块474的迭代结构中的是块476。块476为每个卫星计算用于为所分配的网格支持单个载波波束所需RF功率。接着块478识别具有最大RF功率需求的卫星。
判断块480查询最大RF功率是否小于以前网格分配中的最大RF功率的最小值。如它并不小，则在判断块484中继续处理操作。然而如最大RF功率小于以前网格分配中的最大RF功率的最小值，则块482用新的极小化最大RF功率代替旧的极小化最大RF功率。然后在判断块484中继续处理操作。
判断块484查询是否已完成网格分配循环。如尚未完成循环，则回至块474为网格分配循环的下一个迭代进行处理。如已完成循环，则在停止标志486处终止处理。
图24B的方法学要求控制站考虑到“N”个网格对于“S”个卫星的每一种分配方案。然而并不需要全部执行这大量的比较。根据图24B的过程，应考虑SN个可能的分配集，对于“S”和“N”的有些值，SN集可能过分庞大。因此希望用一替代方法替代图24B的方法，该替代方法检验可能的分配集SN的总数的一个子集。当替代方法提供最佳分配集或一个其系统负载量几乎与最佳分配集的负载量同样大小的分配集时，该替代方法可能变化。
此分配方法产生一个如下的系统负载量定义系统负载量(信道内)＝(Ps/Pm)×N其中Ps是每个通信卫星能提供的RF功率；Pm是通信卫星的极小化最大功率；以及N是所选网格的数量。
在另一可替代的实施例中，每个网格包括一个与网格中用户密度成正比的项目数。例如，项目数可在1至10的范围内。再者，此例中有“G”个网格及“第i个”网格中的项目数为“ni”。为每个覆盖网格“i”的通信卫星计算向网格“i”提供“ni”个信道所需的通信卫星RF功率。在所有的i值中，具有向网格“i”集体地提供“ni”个信道所需最大单个通信卫星RF功率的最小值的通信卫星被选择为对网格的通信卫星分配集。对此具体实施例，系统负载量为系统负载量(信道内)＝(Ps/Pm’)×N其中Ps是每个卫星能提供的RF功率；Pm’是极小化最大卫星功率；以及N由下式决定N=Σi=1Gni]]>此外，如环境中的一类是主要的(例如农村环境)，则本发明可使用该环境类型以便相应地改变每个信通所需通信卫星功率。另外，本发明还可用一对通信卫星分担地支持一个网格。随着优化过程中所牵涉的网格数的不同，这些改进有可能显著地减小极小化最大通信卫星功率并相应地显著地增加一个覆盖区的计算的通信卫星负载量。
图25和图26阐述本发明的分配方法和系统的功效。此例中所选覆盖区是北美，周期性地由位于5600海里高度轨道内的12个通信卫星的不同组合所覆盖。
所产生的组成此覆盖区的蜂窝式移动站的数据中由十八个遍布北美的居民中心代表蜂窝式移动电话用户居民。每个居民点的加权系数是相等的。
图25的曲线显示北美大陆24小时周期内的示例性通信卫星系统负载量。纵座标表示由蜂窝式移动站独立地选择卫星的情况下以北美覆盖区用信道数量表示的通信卫星系统负载量。
图26的曲线类似于图25的曲线。其区别在于图26的曲线显示由控制站分配通信卫星时的通信卫星系统负载量。将两个通信卫星系统负载量分布图进行比较后可发现由控制站进行分配的结果是显著提高通信卫星系统发射负载量。
对于图25或图26中所阐述的随时间变化的系统负载量而言，测量通信卫星发射负载量的合理方法是忙时提供的业务量的级别，其中在大于Y％的时间内阻塞概率不超过X％。在合理地选择“X”和“Y”的值的情况下，图25中的系统负载量最多为2000个信道。然而以同样方法计算的图26的系统负载量却能超过3000个信道。因此遵照本发明分配通信卫星时，可将覆盖区的通信卫星系统发射负载量增加50％以上。
控制站分配方案能显著地较高系统负载量的一个原因是如果每个蜂窝式移动站可以通过它自己选择的通信卫星进行通信，则它进行选择的基础是它接收到信号的强度。这种蜂窝式移动站分配方案可能会导致一个通信卫星饱和而另一个或更多通信卫星不必要的利用率低。
本发明用示例性的最佳实施例进行描述，但它决不局限于这些实施例。熟悉技术的人员知道可在不背离本发明的主要实质和范围的情况下做出附加的改动和改进。本发明的范围应只受所附权利要求书所限。
权利要求
1.一种用于控制具有众多位于地球公共覆盖区域上空的轨道内的通信卫星和具有能在至少一段时间间隔内与至少众多的所述轨道通信卫星通信的众多蜂窝式移动站的卫星蜂窝方式通信系统的系统负载量的方法，包括以下步骤为每个所述通信卫星与每个蜂窝式移动站的组合确定一个相对于每个蜂窝式移动站的功率利用系数，所述功率利用系数选择性地用于避免任何所述通信卫星的通信饱和情况；以及根据包括所述功率利用系数在内的准则，在所述蜂窝式移动站与所述轨道卫星中的一个之间分配一个通信信道。
2.根据权利要求1的方法，进一步包括以下步骤允许所述蜂窝式移动站响应于环境条件取代所述分配，以便由所述蜂窝式移动站确定所述蜂窝式移动站与所述轨道卫星中的一个之间的一个不同通信信道。
3.根据权利要求1的方法，其中所述分配自一个地面控制站上装至所述通信卫星。
4.根据权利要求3的方法，其中所述上装的分配自所述通信卫星广播至公共覆盖区域。
5.根据权利要求1的方法，其中当所述通信卫星中的一个之上的通信信道负载超过预定量时使用功率利用系数。
6.根据权利要求1的方法，其中所述功率利用系数用于使所述通信卫星向每个所述蜂窝式移动站提供单个通信信道所需的最大单卫星功率极小化。
7.根据权利要求1的方法，其中使用所述功率利用系数的意图是在所述通信卫星之间均衡通信信道负载。
8.根据权利要求1的方法，其中所述准则也包括一个选择性地用于将通信信道分配给到达卫星的时间系数。
9.根据权利要求1的方法，其中所述通信卫星安排位于至少一个与地球非同步的轨道上。
10.根据权利要求9的方法，其中所述通信卫星安排位于至少一个其中等距地高度在5,000至10,000海里之间的轨道上。
11.根据权利要求10的方法，其中所述通信卫星安排位于至少两个所述中等距地高度的轨道上。
12.根据权利要求11的方法，其中所述蜂窝式移动站是一种具有数量级为半瓦的射频发射能量的手持式蜂窝式电话。
13.一种用于控制具有众多位于地球公共覆盖区域上空的轨道上的通信卫星和具有能在至少一段时间间隔内对至少众多所述轨道通信卫星进行发射的众多蜂窝式移动站的卫星蜂窝式通信系统的系统负载量的方法，所述公共覆盖区域具有众多网格，每个所述网格具有众多蜂窝式移动站，所述方法包括以下步骤为每个应向众多所述网格中的每一个提供所述发射中的一个的所述通信卫星确定功率利用系数；以及为所述通信卫星中至少一个分配所述众多网格中的一个，其中所述分配使所述通信卫星系统向所述众多网格中的每一个所提供的发射所需最大单卫星功率极小化。
14.根据权利要求13的方法，其中所述功率利用系数是射频发射功率的一种量度。
15.根据权利要求13的方法，其中所述通信卫星安排位于至少一个与地球非同步的轨道上。
16.根据权利要求15的方法，其中所述通信卫星安排位于至少一个其中等距地高度在5,000至10,000海里之间的轨道上。
17.根据权利要求16的方法，其中所述通信卫星安排位于至少两个所述中等距地高度轨道上。
18.根据权利要求13的方法，其中每个所述网格的尺寸如此选定以使位于网格内的蜂窝式移动站具有相对于每一个具有对网格的视距的所述通信卫星而言基本上相同的仰角。
19.根据权利要求13的方法，进一步包括以下步骤为每个所述网格计点与出现于网格内的蜂窝式移动站的数量成正比的蜂窝式移动站密度值。
20.根据权利要求19的方法，进一步包括以下步骤根据每个所述网格的所述蜂窝式移动站密度值确定所述功率利用系数。
21.根据权利要求19的方法，其中所述网格分配至少部分地从蜂窝式移动站密度的历史数据为依据，所述历史数据是于差不多当前所述时间间隔之外的时间内产生的。
22.根据权利要求21的方法，进一步包括以下步骤在一段时间内在每个卫星上存储所述网格分配。
23.根据权利要求13的方法，进一步包括以下步骤在一段时间内在每个卫星上存储所述网格分配。
24.一种用于控制系统负载量的卫星蜂窝式通信系统，包括众多位于地球公共覆盖区域上空的轨道内的通信卫星；众多能在至少一段时间间隔内与至少众多的所述轨道通信卫星通信的蜂窝式移动站；为每个所述通信卫星与每个蜂窝式移动站的组合确定一个功率利用系数的装置，所述功率利用系数选择性地用于避免任何所述通信卫星的通信饱和情况；以及根据包括所述功率利用系数在内的准则，在所述蜂窝式移动站与所述轨道卫星中的一个之间分配一个通信信道的装置。
25.根据权利要求24的系统，其中所述蜂窝式移动站具有响应于环境条件取代所述分配的装置，以便由所述蜂窝式移动站确定所述蜂窝式移动站与所述轨道卫星中的一个之间的一个不同通信信道。
26.根据权利要求24的系统，其中所述分配自一个地面控制站上装至所述通信卫星。
27.根据权利要求24的系统，其中所述上装的分配自所述通信卫星广播至公共覆盖区域。
28.根据权利要求24的系统，其中当所述通信卫星中的一个之上的通信信道负载超过预定量时使用功率利用系数。
29.根据权利要求24的系统，其中所述功率利用系数用于使所述通信卫星向每个所述蜂窝式移动站提供单个通信信道所需的最大单卫星功率极小化。
30.根据权利要求24的系统，其中使用所述功率利用系数的意图是在所述通信卫星之间均衡通信信道负载。
31.根据权利要求24的系统，其中所述准则也包括一个选择性地用于将通信信道分配给到达卫星的时间系数。
32.根据权利要求24的系统，其中所述通信卫星安装位于至少一个与地球非同步的轨道上。
33.根据权利要求32的系统，其中所述通信卫星安装位于至少一个其中等距地高度在5,000至10,000海里之间的轨道上。
34.根据权利要求33的系统，其中所述通信卫星安装位于至少两个所述中等距地高度的轨道上。
35.根据权利要求34的系统，其中所述蜂窝式移动站是一种具有数量级为半瓦的射频发射能量的手持式蜂窝式电话。
全文摘要
其中两个或更多通信卫星提供覆盖区的覆盖的卫星蜂窝式通信系统中一种用于控制通信卫星系统负载量的方法。所设计的将通信卫星分配给蜂窝式移动站的方式是使通信卫星向覆盖区集体地提供规定发射数量所需的最大单卫星功率极小化。覆盖区可划分为网格，其中每个网格由与活动的蜂窝式移动站的平均数量成正比的数值所表征。此信息与和每一个卫星/网格对相关的功率利用系数一起用于确定通信卫星对蜂窝式移动站的分配。
文档编号H04B7/26GK1157509SQ9611976
公开日1997年8月20日 申请日期1996年12月10日 优先权日1995年12月19日
发明者迈克尔·霍斯顿 申请人:Trw公司