CN1121278A - 与多波束卫星时分多址通信系统同步的方法和设备 - Google Patents

Abstract

在基于卫星的蜂窝通信系统(10)中卫星(12)相对于地球运动和具有覆盖几千英里的天线图型，用户单元(26)须在适当时隙期间以适当频率初始地接入通信系统，补偿传播延迟和频移，确定它所在的卫星(12)的天线波束(110-113)并接收天线波束的中心坐标(105)。计算卫星的位置并估计至卫星的传播距离。根据距卫星的距离和卫星的速度，用户单元以适当时间和频率发送捕获请求以在卫星的定时窗口内接收该请求，调整传输频率补偿频移。

Description

与多波束卫星时分多址通信 系统同步的方法和设备

本发明涉及时分多址(TDMA)通信系统领域。具体涉及具有多波束天线的通信站的数字蜂窝通信系统。

在时分多址(TDMA)通信系统中，用户单元初始时必须以适当的频率和时隙接入通信系统。不这样作将使用户不能接入该系统，而且还干扰邻近时隙正在进行的呼叫。用于捕获通信站的定时窗口是短的，而且频率带宽窄，这是特别真实的情况。在基于卫星的通信系统中，通信站相对于用户单元移动，用户单元必须补偿与到卫星的距离相关的传播延迟和与卫星速度相关的频率偏移。不知道到卫星的距离与相对于用户单元的卫星的速度，这是难以实现的。在卫星发射多波束和波束的尺寸非常大的情况下，因为波束两端传播时延的差别可能超过卫星的捕捉定时窗口，在这种情况下更加困难。在低地球轨道卫星系统中，这是特别真实的情况，因为卫星的位置和轨道相对于地球的表面不是固定的。

为此，现在需要一种接入通信系统的方法和设备，该系统发射天线波束长度是几百或者甚至几千英里。还需要在距用户单元距离未知的情况下，与通信系统的定时窗口同步的方法和设备，又需要这样的一种用户单元，它确定它相对于通信站的位置并发送与系统捕获定时窗口同步的捕获信号。据此，现在还需要不干扰邻近时隙和邻近频率信道内正在进行的呼叫的情况下初始地接入时分多址(TDMA)通信系统的方法和设备。

在所附的权利要求书中指明了本发明的特殊性。但是与附图一起考虑，参见详细说明书和权利要求书可以更完全理解本发明，其中所有附图中相同的标号表示相同的项目。

图1示出基于卫星通信系统的简化示意图；

图2示出适合用于本发明优选实施例中卫星无线通信站的简化方框图；

图3示出适合用于本发明优选实施例中使用的系统控制站部分和地球终端部分的简化方框图；

图4示出适合用于本发明优选实施例中使用的典型用户单元的简化方框图；

图5示出卫星天线波束的地面投影区；

图6示出内和外天线波束的地面投影形状；

图7示出卫星的天线波束的地面投影部分的顶视图；

图8示出与外波束有关的地面投影区的近似距离；

图9示出与具有降低信号电平的远的外部区域的相关的近似距离；和

图10示出将用户单元同步到通信系统的程序的流程图。

这里提出的一个例子以本发明的一种形式说明本发明的优选实施例，而且这个例子不意味以任何方式构成限制。

在这里规定“卫星”是指以一种天体(例如地球)为轨道运行的人造物体或飞行器。这里规定“星座”(Constellalon)是指在轨道内卫星分布的总体情况，用以提供天体的部分或全部的规定的覆盖(例如无线通信、摄影、等)。星座典型地包括卫星的多个环(或平面)，而且可能具有等于每个平面的卫星数，尽管这不是主要的。这里使用的术语“网孔”和“天线图型”不是用来限制产生的任何特定模式而且包括由陆地的或由卫星的蜂窝通信系统和/或由他们的组合体产生的那些模式。术语“卫星”往往既包括对地静止的卫星，也包括轨道卫星和/或他们的组合(包含低的地球轨道(LEO)卫星)。

图1示出基于卫星通信系统10的简化图。通信系统10通过使用占据轨道14的轨道卫星12分散在一个天体(例如地球)上或围绕该天体。本发明可用于以下系统中，该系统包括具有低地球轨道和中地球轨道的卫星和具有相对运动的卫星。本发明还可用于具有任何倾斜角的轨道(例如：极、赤道或其它的轨道图型)。

示例性通信系统10使用六个极性轨道14，每个轨道14保持11个卫星12，总共66个卫星12。但多几个或少几个卫星或多几个或少几个轨道并不重要都可以使用。虽然在使用大量的卫星时利用本发明是有益的，但本发明也可用于少到一个卫星的情况。为了便于理解，图1仅示出几个卫星12。

例如，每个轨道14在地球大约450英里的高度5环绕，然而较高或较低轨道高度通常都是能够利用的。由于示例性的卫星12的相对低轨道、从任何一个卫星的基本上视距的电磁(例如无线电、光等)传输或在任何情况下由任何一个卫星的接收信号包括或覆盖相对小的地球面积。

对于所示的例子，卫星12相对地球每小时约16000英里运行，允许卫星12可被地面站看到为约9分钟的最大周期。

卫星12与地面站通信，地面站可包括一些无线通信用户单元(SU)26和连接到系统控制部分(SCS)28的地球终端(ET)24。ET24也可连接到网间连接器(GW)22，它提供接入公共交换电话网(PSTN)或其它通信设施。为了说明和容易理解，在图1仅表示了GW22，SC28和SU26其中的一个。ET24可以与SCS28或GW22共同安置或分别安置。与SCS28相关的ET24接收描述卫星12轨迹的数据并中继控制信息的数据包，而与GW22相关的ET24仅中继数据包(例如涉及在进行的呼叫)。

SU26可能是安置在地球表面上或在地球上方大气中的任何地方。SU26最好是能发送数据到卫星12和从卫星12接收数据的通信设备。举例来说，SU26可以是手持的，适于与卫星12通信的便携式蜂窝电话机。初始地，对于通信系统10，SU不需要实行任何控制功能。

网络10可容纳任何数目的可能为百万个用户单元26。在本发明的优选实施例中，用户单元26经用户链路16与靠近的卫星12通信。用户链路16一般可能称为业务量信道。链路16包含电磁频谱的有限部分，该频谱被划分为许多信道。链路16最好是L波段的频率信道而且可包括频分多址(FDMA)和/或时分多址(TDMA)通信(以下)或其组合。最少，卫星12在一个或多个广播信道18上连续发送。用户单元26同步广播信道18和监视广播信道18，检测可能是对它们寻址的数据消息。用户单元26可以经一个或多个捕获信道19发送消息至卫星12。广播信道18和捕获信道19不是采用于任何一个用户单元26的，但是它是由卫星12当前观察到的范围之内所有用户单元26共用。在一个实施例中，天线图型被分为多个网孔，广播信道18可能是专用于特定的网孔。

另一方面，业务量信道17是双向信道，经常由卫星12指配给特定用户单元26。在本发明的优选实施例中，数字格式被用于在信道17—19上的传送数据，而业务量信道17支持实时通信。至少一个业务量信道17被指配给每个呼叫，而且每个业务量信道17具有足够的带宽最少支持一个双向话音对话。为了支持实时通信，时分多址(TDMA)方案希望在60—90毫秒范围内最好用于划分时间为帧。特定的业务量信道17被指配特定的发送和接收时隙，最好在每个帧内具有3—10毫秒范围的持续期。模拟的音频信号被数字化，以便在分配的时隙期间以单个短的高速脉冲发送和接收整个帧的信号。最好地，每个卫星12支持多达一千个或更多的业务量信道17，以便每个卫星能同时地服务相同数量的独立呼叫。

卫星12与另一个靠近的卫星12通过两星间的链路23进行通信。因此，与在地球表面上或接近地球表面上任何地点放置的用户单元26的通信通过卫星12的星座基本上可传送到在地球表面上任何其它点的范围内。通信可使用用户链路16从卫星下行传送到在或靠近地球表面上的用户单元26。另一种方案，通过地球链路15，通信可能是下行传送到或来自许多ET24的任何ET24上行传送，图1仅表示2个ET24。ET24最好根据地理一政治边界分布在地球的表面上。在优选实施例中，在任何给定的情况下，每个卫星12可与多达4个ET24或上千个用户单元26通信。

SCS28监视系统通信站(例如，GW22，ET24和卫星12)的正常状况和状态并且希望地管理通信系统的运行。一个或多个ET24在SCS28和卫星12之间提供基本的通信接口。ET24包括天线和RF收发信机并且最好实现对卫星12星座的遥测，跟踪和控制功能。

GW22连同卫星12可实现所有处理功能或GW22可仅仅处理呼叫处理和在通信系统10内呼叫处理能力的分配。基于不同的地面通信系统，例如PSTN，可通过GW22接入通信系统10。

用66个卫星12的星座为例子，至少其中的一个卫星12总是在地球的表面上每个点的视线内(例如获得地球表面的全部覆盖)。理论上，任何卫星12在任何时候通过卫星12的星座发送数据可直接或间接地与任何SV26或ET24进行数据通信。因此，通信系统10通过在任何两个SU26之间、SCS28和GW22之间、任何两个GW22之间或SU26和GW22之间卫星的星座建立中继数据的通信通路。

本发明还可用于不能实现地球全部覆盖的星座(即由星座提供的通信覆盖中有“孔”)和出现地球部分的多个覆盖的星座(即在地球的表面上点看是多于一个卫星)。

图2示出适合用于本发明的优选实施例中使用由卫星12提供的卫星无线通信站的方框图。在系统10(见图1)内的所有卫星12最好包括如图2方框图所示的设备。卫星12包括链路两端的收发信机72和相关的天线74。收发信机72和无线74支持链路两端到另一个靠近的卫星12。地球链路收发信机76和相关天线78支持地球链路与地球终端24(图1)通信。而且，用户单元收发信机80和相关天线82支持用户单元26(图1)。最好地，每个卫星12可同时地支持多达几千或更多的用户单元26(图1)的链路。当然，本领域的技术人员懂得，天线74、78和82可以或者作为单个多向天线或作为分立天线组实现。希望用户链路天线82逐步采用能同时接入许多网孔的天线阵。

控制器84耦合到每个收发信机72、76和80以及连接到存储器86和定时器88。使用一个或多个处理器可实现控制器84。其中控制器84使用定时器88维持当前的日期和时间。存储器86存储命令控制器84的数据，当由控制器84执行时，使卫星12实行下面要讨论的过程。此外，存储器86包括变量、表和由于卫星12运行而被操作的数据库。

用户单元收发信机80在由控制器所控制的特定的，可选择的时隙期间，希望是能在所有不同可选择的频率上能发送和接收的多信道FDMA/TDMA收发信机。用户单元收发信机80包含具有足够信道数量的多信道无线电设备，提供希望数量的发送和接收频率，用于信号的存取和控制以及用于用户的话音和/或数据。控制器84可提供频率分配和时隙指配，用户单元的网孔至网孔的越区切换和其它开销和管理及控制功能。用户单元收发信机80希望提供在任何频率信道组上的传输和接收，以便如果需要的话，每个用户单元收发信机80可以根据处理所有频率和时隙的指配的能力利用所有频率信道组的全部频谱容量。

图3示出本发明的控制站65部分和地面站68部分的简化方框图。控制站65和地面站68分别是SCS28(图1)和ET24(图1)的希望部分。控制站65包括处理器60，经链路61耦合到相关的存储媒体62(例如随机存取存储器或RAM，其它半导体或磁的读写存储器件、光盘、磁带、软盘、硬盘等)。地面站68包括经链路69耦合到发送机63和接收机67的天线70。发送机63和接收机67分别经链路64和66耦合到处理器60。处理器60希望执行下面简化的和在相关文件中描述的程序。例如，除了完成其它适当任务之外，处理器60希望在存储媒体62中存储来自这些程序中的结果。发送机63和/或接收机67发送消息到和/或从卫星12接收消息。

处理器60通常控制和管理用户的存取、消息的接收和传输、信道建立、无线电设备的调谐、频率和时隙的分配和由控制器84(图2)不能管理和提供的其它蜂窝无线通信和控制功能。处理器60和/或控制器84(图2)希望执行允许用户接入通信系统10的程序。这可包括在下面描述的信道建立和其它相关功能的规程程序。

图4示出适合用于本发明优选实施例的典型用户单元的简化方框图。用户单元26(图4)类似于图1的用户单元26，它与通信系统10通信。SU26还可通过通信系统10与其它SU26或其它通信设备进行通信。用户单元26包括收发信机42，使用天线41发送和接收到和来自通信系统10的信号。收发信机42希望是多信道收发信机，能够在由通信系统10要求的规定时隙中在所有频率信道上发送和接收。

收发信机42希望包括捕获信道收发信机部分，广播信道接收机部分和业务量信道收发信机部分。如前所述，当用户希望接入通信系统10时，捕获信道收发信机在由卫星12确定的一些捕获信道的一个信道上发送并且主要地在存取规程期间使用。业务量信道收发信机部分在由卫星12指配的业务量信道上与通信系统10通信。本领域的技术人员懂得，捕获信道收发信机部分，广播信道接收机部分和业务量信道收发信机部分可能被包括在有三种功能的一个单元中。收发信机42耦合到处理器44，该处理器44根据收发信机42操作控制频率和定时参数。此外，处理器44最好控制收发信机42发送信号的功率电平。此外，处理器44希望地耦合到输入/输出(I/O)部件46，定时器48和存储器43。处理器44使用定时器48维持当前的日期和时间。存储器43包括半导体，磁的和其它存储设备，用于存储命令处理器44的数据，而且当由处理器44执行时，使用户单元26执行下面讨论的程序。此外，存储器43包括变数、表和由于用户单元26工作而操作的数据库。

用户单元26的输入/输出部件46用于从用户单元26的用户收集输入并提供输出供用户觉察。输入部件46最好例如包括键盘45，用来收集号码，该号码辨别呼叫所传送到的一方；电源开关47，用于控制用户单元26的激励或再激励；发送键49，指示被叫方号码已被输入和叉簧51。显示器52可能是希望给用户呈现可视信息，和告警器或发音器53希望可用于给用户提供可闻的提醒。手机50希望地交换可闻的信号为电信号和反之亦然。

例如在美国专利No.4783779、4144412和5097499中描述了常规的蜂窝无线单元和系统，而在美国专利No.4722083和4819227中描述了卫星通信系统。这些专利随同引入作为参考。用户单元天线82(图2)，用户单元收发信机80(图2)，控制站28(图1)和地球终端24(图1)执行这些功能并且至少包括传统地与交换的地面或卫星蜂窝通信系统相关的那些设备，加上下面更详细地说明的附加功能和设备。

图5示出卫星的天线波束的地面投影区。图5表示卫星1 2的高度102，在地球101的表面上投射天线波束图形的宽度104。如前所述，在优选实施例中卫星12的高度是在地球表面上方约450英里处。为了使提供完全的全球覆盖所要求的卫星数目最小，卫星覆盖区域的宽度是很宽的。例如，用处在450英里的低地球轨道上的66个卫星提供全球覆盖，每个卫星的地面投影可覆盖达到3000英里的宽度。在优选实施例中，地面投影宽度104约为3000英里，高度102约为450英里和卫星至天线波束的外边缘的距离103将约为1566英里。对在3000英里圆区域边缘的观察者，投射波束的卫星可被看到正好稍微在水平线的上方。因此，假定从卫星的波束投影基本上是圆的，而是圆的仅仅地面投影将是直接在卫星之下的地面投影。点105直接表示为卫星12之下，而且将放置在具有基本上圆的地面投影的无线波束之内。另一方面，从卫星的任何角度投影的波束在地球的表面上基本上形成椭圆的地面投影。

图6示出本发明优选实施例的卫星12的内和外天线波束的地面投影形状。内波束110和外波束112二者基本上具有圆的横截面积107，108。但是，当波束被投射在地球表面时，外波束的地面投影变为更椭圆形。如图6所示，外波束112具有椭圆的地面覆盖区域113，而内波束110具有更圆的地面覆盖区域111。本领域的技术人员认识到，在理想的条件下，仅中心波束地面覆盖区域将是圆形，而更外部波束被投射，将是更椭圆的地面覆盖区域。为了说明这情况表示在图7。

图7示出卫星的天线波束的地面投影部分的顶视图。区域144图示为一个圆，它是由卫星12的中心天线波束产生的。中心天线波束必须垂直向下投射产生一个圆的区域，例如，区域144。区域143和145是由内天线波束产生的，它以对中心波束一个角度投射。区域140，141和142是由外天线波束(例如图6的波束112)产生的，它们是以比内天线波束更大的角度投射。如有关图6所研究的，因为投射的角度，区域140—142是椭圆的而且基本上大于内区域143，145。

图8表示与外波束的地面投影区域相关的大约距离。外天线波束的覆盖区域120类似于图6的覆盖区域113。距离124是从卫星直接地在头上方的点105到外天线波束的地面覆盖区域120的点125之间的距离。在优选实施例中，这个距离范围在600和800英里之间，而且最好是约700英里。距离126是横跨外部天线波束的地面覆盖区域120的宽度或径向距离，在优选实施例中，它表示从点125延伸至点135，这个距离是在700和1000英里之间，而且最好是约800英里。距离121是从卫星到外部天线波束覆盖区域120的外部边缘点135的距离，和距离122是从卫星到外部天线波束覆盖区域120的点125之间的距离。在优选实施例中，距离121是在1500英里1600英里量级。距离122范围从约800至850英里。

为了通过卫星12接入通信系统10(图1)，放置在或靠近地球表面的用户单元26(图1)必须在适当的定时窗口期间并以适当的频率接入卫星。当该用户单元位于外天线波束内，例如区域126内时，从该用户单元到该区一端的卫星发送信号的传播延迟大大地不同于与在该区域另一端上信号相关的传播延迟。当传播延迟之间的差超过该卫星的定时窗口时，该用户单元不知道什么时候发送，以使其信号在卫星的定时窗口之内到达，如下面所说明的。

在地面上的用户单元从卫星接收传输并且需要预校正其信号的定时(即通过早一些发送)，以便与卫星的定时窗口同步到达。该用户单元需要根据从用户单元到卫星的两倍距离校正其发送时间。因为无线电信号以约186000英里/秒的速率传播，在优选实施例中，与信号范围有关的往返时延从区域120的内部部分的8.94毫秒到区域120的外部部分的16.84毫秒。这就给出了当用户是在区域120的一端到区域120的另一端时总的范围约8毫秒。如果在卫星处接收的定时窗口小得多，例如在4和5毫秒宽之间，用户单元需要知道它在波束的什么地方，以便击中卫星的定时窗口。内部波束地面投影〔即区域143，144和145(图9)〕具有往返延迟少于4毫秒的范围。因此，对于大多内部波束来说，它足够知道哪一个波束提供覆盖，以便估计定时提前调整，它将发送一个用户单元的初始捕获信号到卫星处的定时窗口。

初始接入消息必须完全在卫星定时窗口范围内。这是因为在TDMA系统中，在不正确时间期间的传输可能与相邻时隙内的现存呼叫重叠并受该呼叫干扰。在相邻时隙内对用户的干扰电平取决于在该地区内在进行的呼叫数。

根据在优选实施例中所涉及的距离，用户单元必须知道它距卫星的径向位置在正或负约160英里之内，以便足够地确定适应的传输时间，以便其捕获信号与卫星的定时窗口同步到达。这就等于知道用户单元被安置在第3个外部波束。

许多方法可适用于确定用户单元在正或负160英里内的位置。在优选实施例中，该用户单元测量卫星相邻天线波束的信号强度，以便精确地确定其位置。在美国专利申请序列号08/237,705，申请日为1994年5月3日，名称为“使用多波束卫星的位置确定方法和系统”中公开了确定用户单元位置的合适方法，并包括在这里作为参考。

图9示出与具有降低信号电平的远外部区域相关的大约距离。除了图8所示的以外，图9示出降低的信号电平区域130。这个区域可从地域126的外部边缘延伸一个距离127。距离127可能达到400英里。在优选实施例中，从在卫星正下面的点105到区域130外边缘的点145的总距离可能是远至1900至2000英里。邻近卫星的中断可使从相邻卫星的外部波束的覆盖延伸到其要覆盖之外到区域130。如果区域130的用户单元希望与卫星12通信，最大往返延迟将从在区域120内的约8毫秒延伸到21毫秒。这就产生从远端145到远区域130的近端135约12毫秒往返定时差。在优选实施例中，12毫秒定时差是该卫星的允许的4毫秒定时窗口的3倍。

参见图7，考虑用户单元被放置在外波束区域141的情况。用户单元通过寻找最大信号强度波束，首先成功地确定它是在波束区域141的覆盖区域内。其次，用户单元仍需要处理这样的情况，即它需要处理的定时校正在区域141两端从9至21毫秒变化，其变化是12毫秒范围。因为卫星接收窗口仅4毫秒宽，用户单元需要将其本身放置在区域141的三分之一至四分之一径向长度上。在优选实施例中，用户单元在靠近波束和“寻找”(hunting)上使用差分功率测量的组合。

波束区域141内用户单元可使用差别功率测量来确定它是否靠近波束区域141的内波束端。如果该用户单元能看到来自波束区域143和/或145的信号，它可认为它靠近波束区域141的端点，并且适当地设置定时预校正。但是，为了近似地保持波束区域141长度的三分之二，只有相邻的邻近波束是可视的。这可有助于解决从波束一侧到另一侧的用户单元的位置，但是，对于解决从卫星的径向距离没有什么用。因此，如果用户单元确定它不在波束区域141的内部波束端，它必须“寻找”可能的定时提前，以便试图得到定时窗口，如果没有另一个定位装置可用的话。“寻找”是指整个12毫秒范围可用三个(也许四个)预定定时校正所覆盖。对于往返时延从9至21毫秒的范围例子来说，预定定时校正可能是11，15和19毫秒，每一个允许+/-2毫秒的误差范围。

有几个与“寻找”有关的问题，例如，当进行接入尝试时用户单元有3至4个定时校正来试一试。当该单元没有得到来自卫星的响应时，不能保证使用的定时校正是错误的，因为到卫星的消息由于地面干扰而丢失了，或者由于与另一个用户单元碰撞，或者由于衰落。同样，甚至消息到了卫星，由于衰落，响应也可能收不到。因此，寻找过程可能相当慢，特别是因为用户单元需要对每次尝试的响应等待一些时间(例如约半秒钟)。

而且，“寻找”产生对邻近业务信道的干扰，例如，在一个实施例中，在卫星接收数据的时隙是约4.0毫秒宽，而具有约4.4毫秒边际。如果如上所讨论的，往返定时差高达12毫秒，接入尝试可产生对邻近业务量承载时隙的干扰。

与寻找有关的另一个问题是，如果接入卫星上的信道是时隙邻近的，寻找能使上行链路消息出现在邻近接入信道内。当这种情况出现时，卫星将假定，想要出现在那条接入信道的那个用户单元而因此根据相对于那个信道的定时将发送它到业务信道，而不接入用户单元原始打算要击中的信道。结果是用户单元进入目标传递时，将表现出准确地失去一个时隙，这能使得干扰邻近信道，并将失去呼叫，用户再试发呼叫。

图10示出使用户单元与通信系统同步的程序200的流程图。步骤(task)202确定用户单元的位置在预定的范围或从卫星地面中心的径向距离之内，该范围是根据卫星的定时窗口和在优选实施例中在正或负160英里之内。对于由步骤202使用位置确定的许多方法是适合的。在本发明的优选实施例中，可使用在美国的专利申请号08/237705中公开的转让给本申请相同的受让人的位置确定方法。

步骤203确定该用户单元目前在从卫星投射的哪个天线波束中。虽然作为步骤202的一部分，用户单元使用关于它所在波束的信息可确定其位置，步骤202可要求从几秒到一分钟来完成这个步骤。在这个时间期间，用户单元所在波束可能已移动，因为卫星以高速率运行。因此，放置用户单元用于帮助确定用户单元位置用户单元所在的波束可能不再是它当前所在的波束。因此，需要确定用户单元当前所处位置的波束，以便用户不尝试接入前面的波束。任务203最好是通过测量具有最强信号的波束来完成。另一种情况，可使用最靠近当前计算位置的波束或可使用提供当前计算位置的最好计算覆盖的波束。

在步骤204，该卫星提供波束地面投影中心的座标和波束ID。地面投影的中心是不严格需要的。例如，提供的定位信息可简单地是卫星的地面跟踪位置。假定用户单元知道卫星地面跟踪与单个波束投影位置的关系。用户单元可以计算其本地波束的位置。当本地波束座标向下发送时，波束ID用于建立两件事情：(1)波束中心与卫星位置的关系和(2)哪一个波束是本地波束，以便用户单元有机会使用预存储覆盖面积和该波束形状的重现。希望向下发送的另一个消息是北界线/南界线指示。这就告诉用户单元卫星是在朝北(波束星座被调整到单向)或是在朝南(波束星座被倒相约180度)。另一种方案，用户单元可计算两个连续的卫星位置建立运行的方向。

在优选实施例中，当用户单元在监视发送给它的振铃告警时，它能接收这个信息。振铃告警表示有一个用户试图呼叫一个特定的用产单元。

在步骤206，用户单元计算卫星的位置。用户单元知道每个波束的形状和覆盖面积。它还知道每个波束的中心与在地球上卫星的位置之间的关系。这将包括知道关于卫星在地球表面上方大约高度。

在步骤208，用户单元计算与在轨道卫星的定时和频率同步所需的多普列和定时。关于定时，用户单元从卫星接收信号的时间延迟方案。这个时间延迟是由无线电信号以约186000英里/秒的传播延迟产生的。如果用户单元响应于与该用户单元从卫星看到的信号同步的卫星，该信号到达卫星要晚些时间，而且失步，其时间量等效于两倍于那个距离的单向无线信号传播延迟。因此，对于用户单元的信号终止在与卫星的定时同步的卫星，用户单元必须早一些时间发送其信号，早的时间量为估计单向传播延迟时间的两倍，它直接地正比例于用户单元至卫星距离的估计。

从步骤202用户单元知道它当前的位置并能从波束ID和波束中心坐标确定卫星的当前位置。用户单元还知道波束中心至卫星位置的关系。用这个信息，该用户单元能确定距卫星的距离，因此定时校正对于传输是需要的。

通过测量卫星的定时变化能观察到与卫星的运动有关的多普列频移。另一方面，通过使用卫星的距离，方位和速度信息的知识能够计算多普列频移。

步骤210校正多普列和定时，以便用户单元能接入卫星。用户单元可能希望接入卫星的理由是，例如来自用户单元的初始电话呼叫的始发或响应由系统发出的寻呼告诉用户单元有一个来话呼叫它。在步骤212，用户单元始发一个使用校正频率和定时窗口的捕获规程。

上述的特定实施例将完全公开了本发明的一般特点，以致于其它的特点可通过利用现有的知识，对各种应用简单地修改和/或改进，这样的特定实施例不脱离一般的概念，因此这样的改进和修改应当而且都在公开实施例等效的意思和范围之内。

本领域的技术人员懂得，用于接入通信系统的新的和新颖方法和设备已描述了，该系统投射天线波束上或者甚至有几千英里的长度。因此，还描述了用于同步于通信系统的定时窗口的新的和新颖方法和设备，但其距离用户单元是不知道的。还描述了一个用户单元确定它相对于通信站的位置并发送与系统的捕获定时窗口同步的捕获信号。还描述了初始地接入时分多址(TDMA)通信系统的方法和设备，而与在邻近时隙和邻近频道中正在进行的呼叫没有干扰。

应当懂得，在这里使用的术语或词语是为了说明的目的而不是限制。因此，本发明是用来包含所有这样的改变、修改、等效和变化，因为都不脱离所附权利要求的精神和广阔的范围。

Claims (10)

1.一种由用户单元(26)接入通信系统(10)的方法，所述通信系统其特征在于至少一个通信站(12)，该通信站在地球的表面上投射多个天线波束(111—113)，而且该站相对于地球的表面是运动的，所述方法其特征在于包括以下步骤：

(a)由所述用户单元(26)使用所述一个通信站(12)确定所述用户单元(26)的第一位置；

(b)确定所述用户单元(26)所在的所述天线波束(111—113)中的一个波束；

(c)从所述一个通信站(12)接收表示所述一个波束地面投影中心的一个波束中心识别符；

(d)使用所述波束中心识别符确定所述一个通信站的第二位置；

(e)根据所述第一和第二位置之间的差计算至所述一个通信站的传播时间；和

(f)根据所述传播时间发送一个捕获请求到所述一个通信站，其中所述捕获请求在定时窗口内到达所述一个通信站。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，包括以下步骤：(g)计算同步所述用户单元到所述一个通信站的定时提前，所述定时提前是基于所述传播时间而且大约是两倍的所述传播时间。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(g)估计所述通信站相对于所述用户单元的速度；

(h)计算与所述速度有关的频移；和

(i)根据所述频移调整所述请求的传输频率。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于：

步骤(b)包括以下步骤：通过测量每个所述天线波束的功率电平，确定所述天线波束的所述一个波束；和选择具有最大功率电平的所述天线波束的所述一个波束；

步骤(c)包括以下步骤：接收指示所述一个通信站的地面投影中心的所述波束中心识别符；

步骤(a)包括以下步骤：确定在预定范围内的所述第一位置、根据所述定时窗口的所述预定范围，和进一步的特征在于包括步骤：确定在所述预定范围内的所述第一位置，所述预定范围是从所述一个通信站的中心地面投影在160英里径向精度内。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述步骤(c)包括以下步骤：接收在振铃告警信道上的所述波束中心识别符，和其中所述波束中心识别符包括所述一个天线波束的所述中心的座标。

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：确定所述用户单元所在的所述多个天线波束的所述一个波束，所述一个天线波束是所述多个天线波束的外部波束并且具有基本上椭圆的地面投影。

7.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)在所述用户单元接收用所述天线波束的所述一个波束的唯一信息表征的信号，

(a2)根据所述信息处理波束的几何形状以确定所述用户单元所在的区域，所述波束几何形状被存储在所述用户单元中；和

(a3)比较所述区域与最后报告区域的存储数值。

8.一种用户单元(26)，该用户单元(26)同步于通信站(12)的定时窗口，所述通信站在地球的表面上投射多个天线波束(111—113)，而且相对于地球的表面运动，所述用户单元(26)其特征在于：

一个接收机，用于从所述通信站(12)接收波束中心识别；

一个处理器(44)，用于确定在预定范围内所述用户单元的第一位置和确定所述用户单元所在的多个天线波束的一个波束；

一个存储器(43)，用于存储所述通信站的天线图形信息；和

一个发射机(42)，用于发送捕获请求到所述通信站，

所述处理器(44)使用所述波束中心识别确定所述通信站的第二位置，并根据第一和第二位置间的差计算至所述通信站的传播时间，所述发送机(42)根据所述传播时间发送所述捕获请求。

9.根据权利要求8的用户单元，其特征在于，所述处理器包括用于计算定时提前的装置，定时提前约为2倍所述传播时间；

所述发射机包括总是在所述定时提前的前面发送所述捕获请求，所述通信站在预定定时窗口内接收所述捕获请求；

所述波束中心识别表示一个天线波束的中心位置；和

所述处理器包括用于根据所述通信站的所述天线波束的测量功率电平确定所述第一位置的装置。

10.一种操作通信系统(10)中用户单元(26)的方法，该系统其特征在于至少一个低地球轨道卫星(12)，该卫星投射多个运动的天线波束到地球的表面，至少一些所述天线波束从所述卫星的地面上的点延伸一个径向距离，所述方法其特征在于包括以下步骤：

a)确定(202)在预定范围内的所述用户单元的位置，根据所述卫星的捕获定时窗口确定所述预定范围；

(b)使用从所述卫星接收的所述位置和波束中心信息确定(208)从所述用户单元到所述卫星的传播距离；

(c)以提前约两倍于所述传播距离的传播时间的时间发送(212)捕获请求到所述卫星，和

其中所述径向距离是足够地大，使所述用户单元所在的天线波束两端差别的传播时间超过所述卫星的所述捕获定时窗口，和其中步骤(a)的特征在于包括步骤：确定在所述预定范围内的所述位置，所述预定范围具有少于所述定时窗口的所述差别传播时间。

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