СПУТНИКОВАЯ СОТОВАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ МЕЖДУ ЗЕМНЫМИ СТАНЦИЯМИ Российский патент 1997 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к глобальной связи между подвижными объектами, а более конкретно к спутниковому сотовому телефону и системе передачи данных.

Настоящие геостационарные спутниковые системы связи позволяют связь между двумя пунктами. То есть спутник функционирует как ретрансляционная станция и "согнутый волновод". Спутник просто принимает информацию из одной точки на земле и передает ее в другую фиксированную точку на земле.

Известная спутниковая система связи между двумя пунктами [1] Эта система показывает связь между двумя пунктами через спутник для целей сетевого программирования и сигнализации.

Некоторые основные уплотняющие функции могут быть выполнены в спутниковой системе связи. Одна такая система показана в патенте [2] Этот патент дает идею спутниковой системы связи, в которой спутник является ретрансляционной станцией для уплотненных данных с параллельным доступом в системах с временным разделением каналов.

Вышеупомянутые системы и другие системы дают идею использования единственного спутника для связи из одной точки в другую. Эти спутниковые системы не показывают избирательности или переключения данных среди множества пользователей.

Соответственно цель настоящего изобретения обеспечить глобальную связь со многими спутниками, имеющими близкие к земле орбиты, сотовую систему связи, которая сопрягает непосредственно между номером сотового телефона и оснащенными передачей данных пользователями, а также сопрягает этих пользователей с коммутатором АТС общего пользования.

В завершение цели настоящего изобретения показывается новый спутниковый сотовый телефон и система передачи данных.

Более конкретно, настоящая система обеспечивает спутниковую сотовую систему связи для установления связи среди множества пользователей, включающую в себя спутниковое переключающее средство для соединения указанных пользователей с указанным спутниковым переключающим средством, при этом канал связи устанавливается между выбранным одним из указанных пользователей через указанное спутниковое переключающее средство.

В предпочтительном варианте осуществления беспроводные каналы связи присоединяют пользователей к спутниковым переключателям. Спутниковые переключатели затем устанавливают канал связи между избранным одним из пользователей. Определяется настоящее положение каждого пользователя, и система периодически корректируется. Затем спутники ретранслируют эти положения в соответствующую основную на земле базу данных для накопления. Когда подвижный пользователь делает вызов, спутник, который находится в его пространственной близости, обрабатывает вызов. Когда подвижный пользователь вызывается, спутниковые переключатели направляют вызов через соответствующие спутники в текущее положение вызываемого пользователя. Как описано ниже, другие собственные данные пользователя могут также храниться в этих местонахождениях, хранящих ту же базу данных.

На фиг. 1 дана генеральная диаграмма, изображающая конфигурацию спутниковой переключающей системы настоящего изобретения.

Фиг.2 это блок-схема, изображающая взаимосвязь спутниковых переключающих блоков с его объединенными подвижными пользователями и взаимосвязь с коммутатором АТС общего пользования.

Фиг. 3 это проекция областей, обслуживаемых при прохождении сотовых спутниковых переключателей над землей.

Фиг. 4 это блок-схема расположения базы данных для спутниковой сотовой системы связи.

Система содержит низкоорбитальные спутники 1, земные станции 2, низкоорбитальный спутник 1 снабжен антенной 3 для связи с землей и антеннами 4 для связи с соседними спутниками, спутник 1 содержит переключающие элементы 5 и элементы управления 6.

Эта спутниковая сотовая структура некоторым образом аналогична существующей на сегодняшний день сотовой подвижной телефонной системе. В этой системе сотовое местонахождение фиксируется, а пользователи являются подвижными. Так как пользователь путешествует из одного местоположения ячейки в другое, его телефонный вызов вручается одним сотовым переключающим блоком другому.

В настоящем изобретении пользователи являются относительно неподвижными в любое данное время, в то время как спутники, которые являются ячейками, находятся в беспрерывном движении. С переносным или подвижно установленным сотовым телефоном присоединение к одному из спутниковых переключающих элементов 5, показанных на фиг.1, выполняется непосредственно из переносного подвижно установленного и съемно зафиксированного телефона к одному из ближайших спутниковых переключателей. Каждый спутник движется вокруг земли. Так как спутник, который первоначально действовал как переключающий элемент 5 для конкретного пользователя, оставляет ячейку этого переключателя, то вызов пользователя "вручается" соответствующей смежной ячейке. Смежные ячейки могут быть ячейками внутри одного спутника или ячейками других спутников, помещенных как в отдельной орбитальной плоскости, так и в примыкающей орбитальной плоскости. Пользователи могут "странствовать", но это расстояние странствия относительно мало, по сравнению с расстоянием путешествия спутниковых переключателей.

Подобно сотовой подвижной телефонной системе спутниковая сотовая система связи обеспечивает спектральную эффективность. Это означает, что та же самая частота может быть одновременно использована различными спутниковыми переключателями. Спектральная эффективность обеспечивается пространственным разнесением между спутниковыми переключателями и пользователями.

Пользователи могут быть помещены где-нибудь на материке, на воде или в воздухе на высоте меньшей, чем высота спутников с орбитами, близкими к земле. Например, человек на одном материке может вызвать человека на другом материке, человека в лодке или человека в самолете.

Маломощные переносные, подвижно установленные или неподвижные радиотелефоны могут быть использованы в этой системе. Потребность в мощности меньше, чем 10 Вт при существующей технологии.

В этой системе каждый показанный спутник 1 это переключающий элемент 5. Современные спутниковые связи действуют первоначально как ретрансляционная станция или "согнутый волновод". То есть они обеспечивают связи между двумя неподвижными точками. В настоящем изобретении переключающая функция обеспечивается внутри каждого из орбитальных спутников.

Каждая из орбитальных плоскостей спутников сильно наклонена в предпочитаемом варианте осуществления изобретения. Орбитальные плоскости спутников с малым наклоном также работоспособны. Однако малые наклоны требуют больше спутниковых переключающих элементов 5 и/или больших орбитальных высот, чтобы достичь более полного охвата земли, чем при сильно наклоненной конфигурации орбиты спутника.

В предпочтительном варианте осуществления сильно наклоненная орбитальная конфигурация, было обнаружено, что удовлетворительный охват земли может быть выполнен сорока восемью спутниками с близкими к земле орбитами. Эти спутники могут быть помещены в шести наклоненных орбитальных плоскостях, восемь спутников в плоскости. Могут быть использованы другие конфигурации. Другие слабо наклоненные орбитальные распределения могли бы потребовать существенно больше спутников для того, чтобы достичь такого же охвата земли, как сильно наклоненная конфигурация.

Каждый спутник содержит спутниковый переключающий элемент 5, антенны 3 (спиральные антенны для восходящих/нисходящих каналов и линзы для перекрестных каналов), и развертывающуюся решетку солнечных ячеек вместе с накопительными батареями /не показаны/, присоединенными к солнечным ячейкам, чтобы обеспечить мощность для переключающего блока. Спутниковые шины или летательные аппараты сами являются спутниками с близкими к земле орбитами такими, как коммерчески доступные спутники. Спутники выводятся на орбиту ракетой носителем. На орбите решетка солнечных ячеек раскрывается, и переключающий блок таким образом вводится в действие. Спутники затем индивидуально выстраиваются в линию через стандартные телеметрические, регулирующие и управляющие /ТТиС/ тракты, чтобы образовать сеть.

Как показано, пользователь А с переносным телефоном идет вне зоны приема. Это требование для канала принимается конкретным спутником 1. Частотный канал предназначается пользователю, и затем желаемый номер вызова направляется по системе. Каждый спутник 1 является распределенным местным процессором и распределяет как переключение вызова должно происходить. Спутник 1 переключает вызов в соответствующую ячейку, содержащуюся или в его собственном комплекте ячеек, или в соответствующем спутниковом комплекте ячеек. Путь определяется каждым спутниковым переключающим блоком до тех пор, пока вызов не примется другим спутником 1. Спутник 1 затем направляет этот вызов конкретному пользователю В с переключающим элементом 5.

Хотя показаны два пользователя, пользователи могут быть на воде, в движущемся средстве передвижения, в воздухе или частью, где канал организуется через международный узел. Каждый спутник является местным процессором. Система определяет к какому соответствующему спутнику 1 или ячейке должен быть подключен вызов. Каждый спутник определяет оптимальный путь от него самого до следующего соответствующего спутника. Эти определения могут быть выполнены на основе части кода станции телефонного номера вызываемого пользователя.

Каждый спутник 1 типично может проецировать четыре или более лепестков на землю и содержит четыре и более соответствующих ячеек для переключения. Эти лепестки охвата достигаются антеннами 3, 4 /типично спиральными/ с фиксированными ширинами луча, соответствующими числу лепестков. Перекрывающие ячейки будут дифференцированы, используя современную ячеистую технологию. Эти области или лепестки показаны на фиг. 3 для одной конкретной плоскости спутников 1 над землей. Эта фигура изображает переключающий элемент 5 спутника 1 с сильно наклоненной орбитой. Каждый спутник 1 определяет оптимальный путь от него к следующему спутнику, через который направляется конкретный вызов или передача данных. Эти спутниковые переключающие элементы 5 действуют на пакеты данных и, следовательно, могут передавать цифровой голос или данные. Данные нисходящего канала и восходящего канала /цифровой голос принимается на основе частотного уплотнения FDM, демодулируется и затем составляется в пакеты для связи между спутниками.

Фиг.2 изображает взаимосвязь части одной плоскости спутников 1. В дополнение показано соединение спутника с подвижным пользователем соответствующего спутника и с коммутатором 7 АТС общего пользования. Показано три спутника. Спутник 1-1, спутник 1-2, спутник 1-3. Спутник 1-1 присоединяется к спутнику 1-2 каналом i. Спутник 1-2 присоединяется к спутнику 1-3 каналом i+1. Спутник 1-3 присоединяется к соседнему последующему спутнику 1-N в плоскости /не показан/ через канал i+2. Спутник 1-1 присоединяется к соседнему предшествующему спутнику /не показан/ через канал i-1. Каждая плоскость спутников 1 образует кольцо соединенных спутников вокруг земли.

На фиг. 2 показана одна плоскость спутников. Вдобавок каждый спутник 1 соединяется с одним или более спутниками в других орбитальных плоскостях. То есть каждый спутник соединяется с предыдущим и следующим спутником в его орбитальной плоскости и с одним или более спутниками в других орбитальных плоскостях.

Междуспутниковые каналы, каналы i-1 канал i и т.д. могут быть осуществлены через передачу данных по СВЧ- или через лазерный луч. Существующие технологии в настоящем обеспечивают такую передачу данных.

Соединение между спутниками 1 и его подвижными пользователями достигается лучами j-1, j и j+1 для примера. Эти лучи соответствуют лепесткам, показанным на фиг. 3, и переключающим ячейкам, упомянутым выше. Эти лучи образуются с помощью спутниковых антенн 5 восходящих и нисходящих каналов, которые обеспечивают связь с пользователями через все направленные антенны 3 пользователей. Предел по числу пользователей, с которым конкретный спутник 1 может справиться в один момент, зависит от зарезервированной ширины полосы пропускания плюс мощность, достижимая на спутнике. Типично это число может быть 50000 пользователей на спутник 1.

Спутник 1-1 показан соединенным с местоположением соединительной линии или международного узла через луч j-1. Любой спутник, такой как спутник 1-1, способен передавать и принимать данные из международного узла, такого как международный узел 8. Этот канал международного узла 8 может быть выполнен, используя пакетизированные данные, подобно каналам от спутника 1 к спутнику 1.

Международный узел 8 включает в себя блоки, которые взаимосвязаны с коммутатором 7 АТС общего пользования. Все пользователи коммутатора 7 АТС присоединяются к коммутатору АТС общего пользования. В результате присоединения спутника 1-1 через международный узел 8 подвижный пользователь спутниковой сотовой системы, которая присоединяется непосредственно через луч к спутнику 1, может передавать голос или данные через спутниковую структуру /от спутника к спутнику через соответствующие каналы/ посредством международного узла 8 через коммутатор 7 АТС общего пользования к выбранным пользователям и наоборот.

Каждый спутник 1 обеспечивает несколько лучей передачи данных. Эти лучи передачи данных проецируют лепестки охвата, показанные на фиг. 3, которые изображают четыре луча. Каждый спутник 1 проецирует четыре таких лепестка. Как показано на фиг. 2, спутник может использовать один или более своих лучей, чтобы обеспечить сопряжение с международным узлом 8. По крайней мере один луч необходим для установления канала между международным узлом 8 и спутником 1. Типично спутник 1 связывается только с одним международным узлом 8. Один международный узел 8 обеспечивает достаточную соединительную линию с взаимосвязанным числом подвижных пользователей с коммутатором 7 АТС общего пользования.

Каждый спутник 1 выполняет внутреннее переключение среди его четырех лучей и ячеек. Это аналогично внутристанционному переключению для стандартных систем связи.

Восходящее/нисходящее связующее распределение между спутниками 1 и его подвижными пользователями на Земной станции 2 или международными узлами 8 через лучи может передавать и принимать данные в диапазоне приблизительно от 2,1 до 3,9 кГц, например, современная технология и полоса частот доступно создает этот предпочтительный диапазон передачи данных. Однако объем настоящего изобретения не ограничивается исключительно передачей данных внутри этого диапазона.

Как упомянуто выше, данные /цифровой голос или данные/ передаются в пакетированной форме. Как результат высокоскоростная передача данных, так же, как и передача голосовых данных, может быть осуществлена через спутниковую систему. Пропускная способность передачи данных, заданная в настоящем доступными полосами пропускания, равна по крайней мере 1200 бод. Однако с расширенной полосой пропускания существенно большая пропускная способность передачи данных может быть достигнута при этой системе.

Фиг. 4 изображает один спутниковый переключающий элемент 5, непосредственно связанный с подвижными пользователями. Спутник 1 соединяется с компьютером базы данных через луч 9. Спутник 1 также соединяется с компьютером базы данных через луч 10. Это соединение может быть прямым через луч 11, как показано на фиг. 4, или непрямым через другие спутники с компьютером базы данных.

Подвижный пользователь может "странствовать" или путешествовать в жилом районе. Жилым районом может быть город, такой как Нью-Йорк, Лос-Анжелес и т. д. Компьютер базы данных содержит всю информацию относительно каждого из его подвижных пользователей. Поскольку конкретный подвижный пользователь действует внутри его жилого района, то вся доступная информация, касающаяся этого пользователя, доступна в местном компьютере базы данных жилого района.

Если, для примера, пользователь жилого района в Лос-Анжелесе путешествует в Нью-Йорк Сити и пытается использовать свой спутниковый сотовый телефон для связи, то компьютер базы данных в новом районе пользователя, в Нью-Йорк Сити, не осведомлен о существовании этого пользователя. Если компьютер базы данных является жилым районом подвижного пользователя, Лос-Анжелес, то компьютер базы данных имеет всю информацию для этого конкретного подвижного пользователя. Как результат, подвижный пользователь не был допущен поместить вызовы, так как он не был опознан его компьютером базы данных жилого района.

С целью преодолеть эту проблему каждый подвижный пользователь периодически опрашивается системой в отношении его положения, так что когда он находится вне своей зоны действия, то его вызов для обслуживания может быть опознан и направлен. Однако, так как база данных конкретного пользователя хранится в компьютере базы данных его жилого района через спутниковую систему, то спутниковая система сперва опрашивает жилой район, чтобы определить, что он здесь больше не находится, и чтобы получить переключающую информацию пользователя. Когда это определение сделано, компьютер базы данных нового жилого района может быть откорректирован, чтобы включить этого "странствующего" пользователя. Как результат этот пользователь затем допускается к исходящим и принимаемым вызовам в его новом районе. Так как спутниковая система опрашивает компьютер базы данных дома пользователя, то пользователь может быть найден через всю спутниковую систему. Таким образом, система обеспечивает способность для нахождения "странствующих" пользователей и установления связей с ними.

Чтобы облегчить сопровождение каждого подвижного пользователя, каждый подвижный телефон обеспечивает управляющий сигнал, который периодически контролируется так, что когда абонент делает вызов, ближайший спутник может сопровождать его и через спутниковую сеть корректировать компьютер базы данных его дома, чтобы определить его уместную информацию клиента. Подвижный телефон может автоматически указывать спутниковой сети новое положение для корректироваки компьютера базы данных. Этот управляющий сигнал позволяет входящим вызовам "странствующих" пользователей быть признанными действительными через связь от спутника к спутнику к компьютеру базы данных жилого района.

Каждый спутник в спутниковой сотовой системе связи является самоуправляемым. То есть он использует Глобальную размещающую спутники систему /GPS/ или временные и кратковременные данные, из которых вычисляется информация его положения. В дополнение, из фиксированного положения Глобальной размещающей спутники системе /GPS/ или другого средства передвижения каждый спутник может определить свое положение и изменить свой курс соответственно, чтобы стать на свою собственную орбиту во время отправления переключающей службы.

Каждый спутник может переключить вызов внутри спутника (внутри конкретного переключающего блока или ячейки) или может соединять вызов через микроволновые или лазерные каналы (канал i, i+1 и т.д.) к другому спутнику на его плоскости или вне его плоскости /смежный/. Каждый спутник может различать конкретный телефонный номер и определять находится ли этот номер внутри его собственной вызывающей области или в области другого спутника. Если он находится в области другого спутника, то вызов перекрестно связывается со следующим подходящим спутником или ячейкой, которая выполняет такое же определение до тех пор, пока не достигнется спутник, обслуживающий этот телефонный номер. Эта спутниковая нисходящая связь с конкретным подвижным пользователем должна быть вызвана. Благодаря этой структуре спутниковая сеть обеспечивает распределенную узловую переключающую способность. Каждый спутник является местным переключателем для конкретной области, но область является постоянно изменяющейся. Следовательно, вызовы вручаются как движение спутников из зоны конкретного пользователя телефона.

Различные уплотняющие технологии /т.е. параллельный доступ в системах с частотным разделением каналов, временное уплотнение, параллельный доступ в системах с кодовым уплотнением каналов и т.д./ могут быть использованы, чтобы расширить способность передачи между различными спутниками по каналам, как показано в фиг.2.

Так как переключающие блоки этой системы облетают по орбите землю и относительно защищены от искажений, то эта система обеспечивает способность поддерживать надежную передачу голоса и данных при технологии шифровки и расшифровки данных, в общем известной в данной области техники. Так как переключающие блоки обладают скрытностью, будучи в тысячах милей над землей, то система также годится для применения в военной связи.

Несмотря на то, что был проиллюстрирован рассматриваемый предпочтительный вариант осуществления изобретения и что эта форма описана подробно, будет совершенно очевидно специалисту в данной области, что здесь могут быть выполнены различные модификации, не отступая от духа изобретения или от объема приложенной формулы изобретения.

Использование: для обеспечения глобальной сотовой магистральной подвижной связи. Эта система позволяет связь с носимыми в руках и подвижно установленными сотовыми телефонами. Система позволяет двустороннюю связь где-либо на или над землей, вплоть до определенной высоты над землей в несколько сотен морских миль. Система эксплуатирует некоторое число низкоорбитальных спутников 1, движущихся над землей по орбите. Каналы связи обеспечиваются со спутников непосредственно к земным станциям 2 через коммутатор АТС общего пользования с другими пользователями. Спутники являются взаимосвязанными через каналы связи в кольцевую структуру, окружающую землю. Переключение выполняется каждым из спутников. В дополнение каждый из спутников пересылает вызов, как только спутник выходит из зоны конкретного пользователя. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Спутниковая сотовая система связи между земными станциями, содержащая низкоорбитальные спутники, размещенные на околоземных орбитах, причем каждый низкоорбитальный спутник снабжен антенной для связи с Землей и антеннами для связи с соседними спутниками, при этом антенна для связи с Землей выполнена с возможностью связи со множеством ячеек, отличающаяся тем, что на спутниках введены переключающие элементы, обеспечивающие коммутацию каналов связи между ячейками, расположенными на Земле, и элементы управления, обеспечивающие передачу канала связи как между ячейками от одного спутника к другому, так и между ячейками отдельно взятого спутника. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что антенны для связи с соседними спутниками выполнены многонаправленными. 3. Система по п.2, отличающаяся тем, что антенны для связи с соседними спутниками содержат антенну СВЧ-связи. 4. Система по п.2, отличающаяся тем, что антенны для связи с соседним спутниками содержат оптическую антенну связи. 5. Система по любому из пп.2 4, отличающаяся тем, что она содержит солнечные элементы, соединенные с аккумуляторной батареей. 6. Система по любому из пп.1 5, отличающаяся тем, что земные станции снабжены телефонами сотовой связи. 7. Система по любому из пп.1 6, отличающаяся тем, что дополнительно содержит базовую станцию для хранения и передачи данных управления и переключения элементам спутников, причем базовая станция соединена со спутниками через антенну для связи с Землей. 8. Система по п.7, отличающаяся тем, что базовая станция снабжена компьютером базы данных. 9. Система по п.8, отличающаяся тем, что компьютеры базы данных базовой станции расположены в географических областях по поверхности Земли. 10. Система по п.7, отличающаяся тем, что телефоны сотовой связи наземных станций снабжены блоками для подключения земных станций к спутникам через антенны для связи с Землей и блоками для управления переключающими элементами спутников с возможностью передачи на спутники отслеживающего сигнала управления, позволяющего спутникам определять текущее положение сотовых телефонов связи. 11. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит телефонную систему общего пользования, включенную между наземными станциями и спутниками через антенну для связи с Землей, причем телефонная система общего пользования выполнена с возможностью выборочного соединения наземных станций со спутниками непрямым образом. 12. Система по п.11, отличающаяся тем, что спутники соединены с телефонной системой общего пользования через канал связи, снабженный блоком сопряжения.