DE19505905A1

DE19505905A1 - Verfahren und Vorrichtung zur adaptiven Weiterleitung in einem Kommunikationssystem

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Publication number: DE19505905A1
Application number: DE19505905A
Authority: DE
Inventors: Moe Rahnema
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Cdc Propriete Intellectuelle Fr
Priority date: 1994-04-04
Filing date: 1995-02-21
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2015-02-22
Also published as: CA2142152A1; DE19505905B4; FR2718314B1; GB2288296B; CN1115529A; FR2718314A1; GB2288296A; GB9506247D0; CN1099177C; US5430729A; CA2142152C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kommunikationssysteme und insbesondere Systeme bei denen Datenpakete zwischen Knoten in einem Kommunikationssystem weitergeleitet werden.

Herkömmliche zellulare Kommunikationssysteme verwenden ein Verfahren zum Weiterleiten von Kommunikationsinformation zwischen Knoten des Systems. Kommunikationsnetzwerke, wie die, die zum Überliefern von Telekommunikationen, zum Ver binden von Computern und dergleichen verwendet werden, kön nen eine Anzahl von Knoten enthalten. Die Netzwerke können elektronische Kommunikationen zwischen zwei Punkten übermit teln, indem sie die Kommunikationen von Knoten zu Knoten in nerhalb des Netzwerkes weiterleiten. Wenn die Anzahl der Knoten in dem Netzwerk zunimmt und somit die Anzahl der Kom munikationspfade zunimmt, die für jeden Netzwerkknoten ver fügbar sind, so steigt die Anzahl der verfügbar möglichen Pfade für jede einzelne Kommunikation in gleicher Weise. So mit besteht ein Problem darin, einen geeigneten Pfad durch das Netzwerk auszuwählen. Typischerweise wird versucht, den kürzestmöglichen Pfad zu finden, um Verzögerungen zu mini mieren und um so wenig wie möglich Netzwerkressourcen einzu setzen sowie darüber hinaus die Zuverlässigkeit der Kommuni kation zu erhöhen. Das Netzwerk muß diese Randbedingungen mit den Anforderungen, daß keine Engpässe im Nachrichtenver kehr auftreten, und daß eine Kommunikation ihr Ziel mit der größtmöglichen Wahrscheinlichkeit erreicht, in Übereinstim mung bringen.

Bei einem globalen Kommunikationssystem, bei dem die Knoten weltallgestützt sind und sich zueinander bewegen, werden Me chanismen benötigt, die eine einfache Verarbeitung und eine einfache Entscheidungsfindung ermöglichen. Weiterhin ist auch ein minimaler Austausch von Weiterleitungsinformation in dem Netzwerk erwünscht, um die Knotenkomplexität zu mini mieren und das Weiterleitungs-Management für eine erhöhte Zuverlässigkeit und verringerte Kosten zu vereinfachen. Wenn die Knoten des Kommunikationssystems Satelliten darstellen, und die Möglichkeit von Satellitenknoten- und Verbindungs- Fehlern besteht, ist adaptives Weiterleiten erwünscht, um die Verkehrslast über sich bewegende Satellitenknoten und sich ändernde Verbindungskapazität auszugleichen. Adaptives Weiterleiten ist auch deshalb erwünscht, um sich zeitlich ändernde Verkehrsbelastungen und Gesprächsanfangsmuster aus zugleichen.

Herkömmliche Techniken für adaptives Weiterleiten erfordern den Austausch von Weiterleitungs-update-Information unter den Netzwerkknotenpunkten. Sie benötigen darüber hinaus Ver arbeitung innerhalb des Knotens. Diese Techniken können Syn chronisationsprobleme bei satellitengestützten Netzwerken, aufgrund der längeren Verzögerungszeiten, aufwerfen. Zusätz lich nehmen diese Techniken wertvolle Funkbandbreiteressour cen in Anspruch. Herkömmliche Techniken benötigen auch das Vorliegen und das Verwalten von Weiterleitungstabellen in nerhalb der Knoten, was zu Platzbeanspruchung und zu Erhö hung der Fehlermöglichkeiten führt.

Alternative Einrichtungen zum Implementieren von adaptivem Weiterleiten bestehen in zentralisierten Versionen, bei de nen erneute Wege an zentralisierten Plätzen berechnet werden und die Information dann entweder zu jedem Knoten in Form einer Tabelle übertragen wird, oder in anderer Weise zu je dem gesprächsverarbeitenden Punkt verteilt wird, und zur Auswahl des optimalen Weges zum Zeitpunkt der Einrichtung eines Gesprächs verwendet wird. Diese Art von adaptiver Wei terleitung wird als Quellen-Weiterleitung (source routing) bezeichnet und wurde in einigen existierenden Paket-Netzwer ken, wie etwa dem Tymnet, implementiert. Bei erdgestützten Kommunikationsnetzwerken wie dem Tymnet, werden alle Gesprä che normalerweise durch einen einzigen zentralen Überwacher (supervisor) verarbeitet, welcher die update-Weiterleitungs information für jedes mögliche Quellen-Ziel-Paar des Netz werkes berechnet und speichert. Da diese einzelne Ressource Wege (Pfade) für jedes Gespräch auswählt und sogenannte "virtual-circuit"-Identifizierer jedem Gespräch zuteilt, ist die Einmaligkeit einer derartigen Weg-Identifikation für alle Gespräche in dem Netzwerk beibehalten und es tritt keine Konfusion auf, wenn mehrere Gespräche einen gemeinsam dazwischenliegenden Knoten auf ihrem Weg durch das Netzwerk passieren.

Diese Situation ist völlig anders bei globalen satelliten gestützten Kommunikationsnetzwerken, wo sich bis zu 20 Über leiteinrichtungen (gateway) sich die Gesprächsverarbeitungs last teilen. Jedes Gespräch kann zu einer unterschiedlichen Überleiteinrichtung weitergeleitet werden und von dieser verarbeitet werden. Jede Überleitungseinrichtung muß mit den virtuellen Schaltkreisidentifizierungen, die von anderen Überleiteinrichtungen den Gesprächen zugeteilt wurden, in Echtzeit mithalten, so daß der gleiche virtuelle Schaltkreis nicht von einer anderen Überleiteinrichtung beim Identifi zieren eines Weges für ein neues Gespräch, welches durch diese Überleiteinrichtung verarbeitet wird, wiederverwendet wird. Die Komplexität und Ineffizienz, die mit dem Echtzeit austausch von Wegidentifikationsinformationen unter mehreren entfernt voneinanderliegenden Überleiteinrichtungen in einem globalen Kommunikationsnetzwerk auftritt, ist unerwünscht.

Es besteht somit ein Bedürfnis nach einem Verfahren und ei ner Vorrichtung zum Weiterleiten von Datenpaketen unter Kno ten in einem Kommunikationssystem, bei dem die Knoten sich in bezug zueinander bewegen, und bei dem die Verbindungen zwischen den Knoten sich als Funktion der Position des Kno tens ändern. Außerdem wird ein hochverteiltes Weiterlei tungsverfahren benötigt, das in jedem Knoten autonom imple mentiert ist. Weiter besteht ein Bedürfnis nach einem Wei terleitungsverfahren, welches Einheitlichkeit hinsichtlich der Verwendung von Netzwerkverbindungen ermöglicht, während die Anzahl von Funkfeldern (hop) für jeden Pfad für die Wei terleitung begrenzt ist. Weiter wird ein Weiterleitungsver fahren benötigt, welches Einheitlichkeit bei der Verwendung von Netzwerkverbindungen erreicht, während es Verbindungs blockierungen vermeidet. Auch wird ein Weiterleitungsverfah ren benötigt, welches Blockierungen vermeidet, statt auf sie zu reagieren. Auch besteht ein Bedürfnis nach einem Verfah ren, das gegenüber Verbindungsfehlern sicher ist, und wel ches Datenpakete um Verbindungsfehler herumleitet.

Entsprechend ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß ein Netzwerk angegeben wird, welches Kommunikations signale in verteilter Weise weiterleitet.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Netzwerkressourcen, die für die Weiterleitung von Kommunikationssignalen bestimmt sind, minimiert werden.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Weiterleitung von Datenpaketen auf verschie dene Kommunikationsverbindungen aufgeteilt wird.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Minimierung der Verzögerung beim Weiterleiten von Kommu nikationssignalen zwischen Netzwerkeingangs- und Netzwerk ausgangspunkten.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß Kommunikationsnachrichtenblockierungen ausge glichen werden.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß Knoten- und Verbindungsfehler ausgeglichen wer den.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß Weiterleitungstabellen in Kommunikationsknoten erneuert werden können, um Netzwerkfehler und sich verän dernde Verkehrsanforderungsmuster zu reflektieren.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß Verzögerungen (ditter) für Sprachpakete elimi niert werden und daß eine Maßnahme zum Verhindern von Blockierungen durch Lastaufteilung zur Verfügung gestellt wird.

Die obigen Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch ein Kommunikationssystem erreicht, welches eine Vielzahl von Knoten aufweist, die über Verbindungen miteinander kommuni zieren. Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Weiterleiten von Datenpakten unter der Vielzahl von Knoten dar und sieht folgende Schritte vor: Auffinden eines Weges mit minimaler Funkfeldanzahl (minimum hop routes) zwischen einem Quellen knoten und einem Zielknoten. Jeder der minimalen Funkfeld wege umfaßt eine Sequenz von Verbindungen über die ein Da tenpaket gesendet werden kann. Das Verfahren schließt das Berechnen einer Verbindungsnutzungswahrscheinlichkeit (link usage probability ) (LUP) für jede Verbindung mit ein, die in den minimalen Funkfeldwegen enthalten ist. Das Verfahren weist weiterhin das Auswählen eines Erste-Wahl-Weges mit mi nimalem Funkfeld aus den Wegen mit minimalem Funkfeld basie rend auf den LUPs, die mit jeder Verbindung der Wege mit mi nimalem Funkfeld assoziiert sind und das Weiterleiten des Datenpaketes von den Quellenknoten zu dem Zielknoten über diesen Erste-Wahl-Weg auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren weiterhin das Berechnen einer Netzwerk-Weiterleitungs- Entropy (network routin entropy) (NRE), unter Verwendung der LUPs, auf und weist weiter den Schritt des Auswählens des Erste-Wahl-Weges, basierend auf dem NRE, auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren die Schritte des Bestimmens einer Verbindung mit maximalem Wert in bezug auf die LUPs für jeden Weg mit mini malem Funkfeld auf und das Auswählen des Erste-Wahl-Weges, welcher die Verbindung mit dem geringsten Wert von den maxi malen Werten enthält.

Die Erfindung stellt auch ein Kommunikationssystem zur Ver fügung, das Datenpakte über Wege mit minimalem Funkfeld wei terleitet, was zu einer verteilten Nutzung der Kommunika tionsverbindungen führt. Die Wege mit minimalem Funkfeld enthalten eine Liste von Kommunikationsverbindungen, über die ein Datenpaket zwischen einem Quellenknoten und einem Zielknoten gesendet werden kann. Das System umfaßt eine Vielzahl von Knoten, die sich in bezug aufeinander bewegen, wobei die Knoten mit den Kommunikationsverbindungen gekop pelt sind. Das System enthält auch Vielkanal-Sende/Empfangs einrichtungen, die mit jedem Knoten assoziiert sind und zum Senden von Datenpakten über die Kommunikationsverbindungen, unter Verwendung der Wege mit minimalem Funkfeld, dienen. Das System umfaßt auch einen Prozessor, der mit jedem der Vielkanal-Sende/Empfangseinrichtungen gekoppelt ist. Das System weist auch eine Steuereinrichtung auf, die mit den Knoten gekoppelt ist, um zu bestimmen, welche Kommuni kationsverbindungen während der vorgegebenen Zeitperioden verfügbar sind und zum Auffinden der Wege mit minimalem Funkfeld zwischen den Knoten, zum Berechnen der Verbin dungsverwendungswahrscheinlichkeit (LUP) für jede Kommu nikationsverbindung bei den Wegen mit minimalem Funkfeld, zum Berechnen einer NRE, basierend auf den LUPs, und zum Auswählen eines Erste-Wahl-Weges aus den Wegen mit minimalem Funkfeld für den Quellenknoten und dem Zielknoten, basierend auf der NRE.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgen den unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen die Zeichnungen im einzelnen:

Fig. 1 ein stark vereinfachtes Diagramm eines satelliten gestützten Kommunikationssystems, bei dem die Erfin dung angewendet werden kann;

Fig. 2 ein Datenpaketbeispiel, wie es zum Transportieren von Nachrichten bei einer bevorzugten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Satelliten funkkommunikationsknotens, wie er in einer bevorzug ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein gesetzt werden kann;

Fig. 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Abschnitts einer Systemsteuerungsstation und eines Erdtermi nals, entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ein Beispiel einer Weiterleitungstabellendatenstruk tur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung;

Fig. 6 einen kleinen Abschnitt einer Konstellation von Satellitenknoten, die über Kommunikationsverbindun gen (Kommunikationsleitungen) verbunden sind;

Fig. 7 einen Ausschnitt aus einer Knotenweiterleitungs tabelle, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 8 eine Prozedur zum Bestimmen der Weiterleitung von Datenpaketen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9 eine Parallelhardware-Implementation einer Paketwei terleitungslogik innerhalb eines aussendenden Kno tens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 10 eine parallele Hardware-Impementation einer Paket weiterleitungslogik innerhalb eines nichtaussenden Knotens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Unter "Satellit" wird im folgenden ein von Menschenhand ge fertigtes Objekt oder Vehikel verstanden, welches einen Him melskörper (z. B. die Erde) umkreist. Unter dem Wort Erde soll im folgenden jeder Himmelskörper verstanden werden, um den Kommunikationssatelliten kreisen können. Unter "Konstellation" wird im folgenden ein Ensemble von Satelli ten verstanden, welche sich auf Umlaufbahnen befinden, um einen Teil oder den gesamten Himmelskörper abzugedecken (z. B. mit Funkkommunikation, Photogrammetrie etc.). Eine Konstellation weist typischerweise mehrere Ebenen (oder Um laufbahnen) für Satelliten auf und kann eine gleiche Anzahl von Satelliten in jeder Ebene aufweisen, obwohl dies nicht notwendig ist. Die Ausdrücke "Zelle" und "Antennenmuster" werden im folgenden nicht für einen speziellen Mode für die Erzeugung verstanden und sind insbesondere dahingehend zu verstehen, daß sie entweder durch terrestrische oder satel litengestützte zellulare Kommunikationssysteme und/oder Kom binationen davon erzeugt werden. Der Ausdruck "Satellit" schließt sowohl geostationäre als auch umlaufende Satelliten und/oder Kombinationen davon mit ein, einschließlich erdnahe umlaufende (low earth orbiting) (LEO) Satelliten.

Fig. 1 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung eines satellitengestützten Kommunikationssystems 10, von dem die vorliegende Erfindung einen Teil darstellen kann. Das Kommu nikationssystem 10 ist über einen Himmelskörper (z. B. die Erde) verteilt, indem umlaufende Satelliten 12, welche Um laufbahnen 14 einnehmen, verwendet werden. Die vorliegende Erfindung kann Systeme mit Satelliten betreffen, welche erd nahe (low-Earth) mittelnahe (medium-Earth) und geosynchrone Umlaufbahnen aufweisen. Zusätzlich können die Neigungswinkel (z. B. polar, äquatorial sowie andere) beliebig gewählt wer den.

Das Kommunikationssystem 10 kann beispielsweise sechs polare Umlaufbahnen 14 aufweisen, von denen jede Umlaufbahn 14 elf Satelliten 12 aufweist, so daß insgesamt sechsundsechzig Sa telliten 12 vorhanden sind. Es können jedoch auch mehr oder weniger Satelliten und mehr oder weniger Umlaufbahnen ver wendet werden. Obwohl die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft ist, wenn eine große Anzahl von Satelliten ver wendet wird, ist sie auch dann einsetzbar, wenn nur wenige oder nur ein Satellit eingesetzt wird. Fig. 1 zeigt aus Übersichtlichkeitsgründen nur wenige Satelliten 12.

Jede Umlaufbahn 14 umkreist die Erde in einer Höhe von etwa 780 km, obwohl auch höhere oder niedrigere Umlaufbahnen vor gesehen sein können. Aufgrund der relativ niedrigen Umlauf bahnen der Satelliten 12 können gerichtete elektromagneti sche Übertragungen (z. B. Funkwellen, Licht etc.) von einem Satelliten oder der Empfang von Signalen bei einem Satelli ten ein relativ geringes Gebiet auf der Erde abdecken.

Beispielsweise bewegen sich die Satelliten 12 mit etwa 25000 km/h gegenüber der Erde, so daß es für eine terrestrische Station für maximal etwa 9 Minuten möglich ist, den Satelli ten zu sehen.

Die Satelliten 12 kommunizieren mit terrestrischen Statio nen, welche eine Anzahl von Funkkommunikationsteilnehmerein heiten (subscriber units) (SUs) 26 und Erdanschlüsse (earth terminals) (ETs) 24 aufweisen können, welche mit einem Systemsteuersegment (system controll segment) (SCS) 28 ver bunden sind. Die ETs können auch mit Überleiteinrichtungen (gateways) (GWs) 22 verbunden sein, welche Zugriff auf öf fentliche Telefonnetzwerke (PSTN) gestatten, oder sie können Zugriff auf andere Kommunikationseinrichtungen gestatten. Nur eine der GWs 22, SCS 28 und SUs 26 ist in Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit gezeigt. Die Ets 24 können ne ben oder beabstandet von den SCS 28 oder GWs 22 angeordnet sein. Die ETs 24, die mit den SCSs 28 assoziiert sind, emp fangen Daten, die die Nachführung der Satelliten 12 be schreiben und leiten Pakete mit Kontrollinformation weiter, während die ETs 24, die mit den GWs 22 assoziiert sind, nur Datenpakete weiterleiten (z. B. solche, die sich auf momen tane Gespräche beziehen).

Die SUs 26 können irgendwo auf der Oberfläche der Erde ange ordnet sein oder sie können in der Atmosphäre über der Erde angeordnet sein. Die SUs 26 stellen vorzugsweise Kommunika tionseinrichtungen dar, die in der Lage sind, Daten von dem Satelliten 12 zu empfangen und Daten an die Satelliten 12 zu übertragen. Die SUs 26 können portable zellulare Handtele fone darstellen, die in der Lage sind, mit den Satelliten 12 zu kommunizieren. Die SUs 26 müssen keine Steuerfunktionen für das Kommunikationssystem 10 übernehmen.

Das Netzwerk 10 kann eine beliebige Anzahl, beispielsweise Millionen von Teilnehmereinheiten 26, aufnehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kom munizieren die Teilnehmereinheiten 26 mit nahen Satelliten 12 über Teilnehmerverbindungen 16. Die Verbindungen 16 um fassen einen begrenzten Abschnitt des elektromagnetischen Spektrums, welches in eine Vielzahl von Kanälen aufgeteilt ist. Die Verbindungen 16 stellen vorzugsweise Kombinationen von L-Band-Frequenzkanälen dar und können FDMA- und/oder TDMA-Kommunikationen (infra) oder Kombinationen davon sein. Zumindest ein Satellit 12 überträgt über einen oder mehrere Rundfunkkanäle 18 in kontinuierlicher Weise. Die Teilneh mereinheiten 26 synchronisieren mit den Rundfunkkanälen 18 und verfolgen die Rundfunkkanäle 18 um Datennachrichten zu erkennen, welche an sie gerichtet sind. Die Teilnehmerein heiten 26 können Nachrichten zu den Satelliten 12 über einen oder mehrere Erfassungskanäle (acquisition channels) 19 übertragen. Die Rundfunkkanäle und die Erfassungskanäle 19 sind keiner Teilnehmereinheit 26 zugeordnet, sonder werden von allen Teilnehmereinheiten 26 benützt, die sich momentan im Blickfeld des Satelliten 12 befinden.

Die Verkehrskanäle (traffic channels) 17 sind Zwei-Wege Kanäle, die für spezielle Teilnehmereinheiten 26 von den Satelliten 12 von Zeit zu Zeit zugewiesen werden. In bevor zugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein digitales Format verwendet, um Daten über die Kanäle 17-19 zu übertragen und die Verkehrskanäle 17 unterstützen Echt zeitkommunikationen. Zumindest ein Verkehrskanal 17 ist für jedes Gespräch zugeteilt und jeder Verkehrskanal 17 weist eine ausreichende Bandbreite auf, um zumindest eine bidirek tionale Sprachkonversation zu gewährleisten. Um Echtzeitkom munikationen zu gewährleisten, wird vorzugsweise ein TDMA- Schema verwendet, um die Zeit in Frames mit vorzugsweise ei ner Dauer von 60-90 Millisekunden einzuteilen. Insbesondere die Verkehrskanäle 17 erhalten spezielle Übertragungs- und Empfangszeitschlitze, vorzugsweise mit Dauern im Bereich von 3-10 Millisekunden innerhalb eines jeden Frames. Analoge Audiosignale werden digitalisiert, so daß das gesamte Signal eines Frames in einem einzelnen kurzen Hochgeschwindigkeits- Burst während eines zugewiesenen Zeitschlitzes übertragen und empfangen wird. Vorzugsweise unterstützt jeder Satellit 12 bis zu tausend oder mehr Verkehrskanäle 17, so daß jeder Satellit 12 simultan eine entsprechende Anzahl von Gesprä chen bedienen kann.

Die Satelliten 12 kommunizieren mit anderen nahegelegenen Satelliten 12 über in der Ebene (in-plane) gelegene Querver bindungen 21 und über Querverbindungen zwischen (cross plane) Ebenen 23. Somit kann eine Kommunikation von einer Teilnehmereinheit 26, die an irgendeinem Punkt auf oder nahe der Oberfläche der Erde angeordnet ist, durch die Konstella tion der Satelliten 12 zu praktisch jedem anderen Punkt auf der Oberfläche der Erde weitergeleitet werden. Eine Kommuni kation kann zur Teilnehmereinheit 26 auf oder nahe der Ober fläche der Erde von einem Satelliten 12 unter Verwendung ei ner Teilnehmerverbindung 16 heruntergeleitet werden. Alter nativ kann eine Kommunikation von einer der ETs 24 herunter- oder heraufgeleitet werden, wobei Fig. 1 nur zwei entspre chende Erdverbindungen 15 zeigt. Die ETs 24 sind vorzugs weise über die Oberfläche der Erde gemäß geopolitischen Grenzen verteilt. In bevorzugten Ausführungsformen kann je der Satellit 12 mit bis zu vier Ets 24 und mit über tausend Teilnehmereinheiten 26 gleichzeitig kommunizieren.

Die SCS 28 überwacht den Zustand und die Betriebsbereit schaft des Systemkommunikationsknotens (z. B. der GWs 22, ETs 24 und der Satelliten 12) und verwaltet vorzugsweise den Be trieb des Kommunikationssystems 10. Eine oder mehr ETs 24 können das primäre Kommunikationsinterface zwischen der SCS 28 und dem Satelliten 12 zur Verfügung stellen. Die ETs 24 enthalten Antennen und HF-Sende/Empfangsgeräte und führen vorzugsweise Telemetrie-, Nachführungs- und Steuerfunktionen für die Satellitenkonstellation aus.

Die GWs 22 können Gesprächsverarbeitungsfunktionen in Ver bindungen mit dem Satelliten 12 ausführen oder die GWs 22 können exklusiv die Gesprächsverarbeitung und die Zuweisung von Gesprächsübernahmekapazität innerhalb des Kommunika tionssystems 10 ausführen. Diverse terrestrische Kommunika tionssysteme, wie beispielsweise das PSTN, können auf das Kommunikationssystem 10 über die GWs 22 zugreifen.

Bei der beispielhaften Konstellation von sechsundsechzig Satelliten 12 befindet sich zumindest ein Satellit innerhalb des Blickfeldes von jedem Punkt der Erdoberfläche (d. h. eine volle Abdeckung der Erdoberfläche wird erreicht). Theore tisch kann jeder Satellit 12 zu jeder Zeit in direkter oder indirekter Datenkommunikation mit einer SU 26 oder einer ET 24 stehen, indem Daten über die Konstellation von Satelliten 12 weitergeleitet werden. Entsprechend kann das Kommunika tionssystem 10 einen Kommunikationspfad einrichten, um Daten über die Konstellation der Satelliten 12 zwischen zwei be liebigen SUs 26, zwischen der SCS 28 und einer GW 22, zwi schen zwei beiliebigen GWs 22 oder zwischen einer SU 26 und einer GW 22 weiterzuleiten.

Die vorliegende Erfindung kann auch dort angewendet werden, wo eine Vollabdeckung der Erde nicht erforderlich ist (d. h., wo Freibereiche im Abdeckungsgebiet verbleiben können) und bei Konstellationen, wo mehrere Abdeckungsabschnitte auf der Erde auftreten (d. h., wo mehr als ein Satellit von einem be stimmten Punkt der Erdoberfläche aus zu sehen ist).

Fig. 2 zeigt ein Diagramm eines beispielhaften Datenpaketes 70, das zum Transport einer Kommunikation zu und von einer Teilnehmereinheit 26 verwendet werden kann. Das Paket 70 enthält einen Header 72, welcher Daten trägt, die eine Typ beschreibung identifizieren, die dem Paket 70 zugeordnet werden soll, weiterhin eine Länge, die mit dem Paket 70 assoziiert werden soll und beliebige andere Informationen, die herkömmlicherweise in Datenpaket-Headern enthalten sind. Die Typbeschreibung (typ characterization) kann anzeigen, ob ein Paket 70 exklusiv Systemsteuernachrichten weiterleitet, oder ob es Teilnehmernachrichten weiterleitet. Ein Weiter leitungscode 74 instruiert das Netzwerk 10 (Fig. 1) wohin das Paket 70 transportiert werden soll.

Die Teilnehmer-ID 76 enthält einen Code, der in eindeutiger weise die Teilnehmereinheit 26 identifiziert und der der identifizierten Teilnehmereinheit und jeden Satelliten 12 (Fig. 1) der einen Verkehrskanal 17 (Fig. 1) für die Teil nehmereinheit 26 zur Verfügung stellt, bekannt ist. Die Teilnehmereinheit 26 überwacht die Teilnehmer-IDs 36, die über den Rundfunkkanal 18 (Fig. 1) übertragen werden, um festzustellen, ob Pakete 70 für sie bestimmt sind. Der Satellit 12 verwendet Teilnehmer-IDs 76 von Paketen 70, welche Teilnehmereinheit-Gespräche tragen, um derartige Pakete 70 zu den Verkehrskanälen 17 weiterzuleiten, welche der identifizierten Teilnehmereinheit 26 zugewiesen sind.

Der Header 72, der Weiterleitungscode 74 und die Teilnehmer- ID 76 stellen zusätzliche Daten dar, welche dazu dienen, das Paket 70 an seinen Zielort zu bringen. Am Zielort des Pake tes werden die Nutzdaten 78 abgegeben. Mit anderen Worten besteht der Zweck des Sendens eines Paketes 70 an einem Zielort darin, Nutzdaten 78 und nicht den Header 72, den Weiterleitungscode 74 oder die Teilnehmer-ID 76 abzuliefern. Die Nutzdaten 78 enthalten entweder Systemsteuerdaten 77 oder Systemsteuerdaten zusammen mit Teilnehmernachrichten daten 79 (z. B. Sprache und/oder Daten). Die Systemsteuer daten stellen Befehle oder Nachrichten dar, welche von den Teilnehmereinheiten 26 interpretiert werden, und auf welche reagiert wird. Diese Befehle sind typischerweise sehr kurz. Wenn Systemsteuerdaten über einen Rundfunkkanal 18 (Fig. 1) abgeliefert werden, werden die Teilnehmernachrichten 79 weg gelassen, und das resultierende Paket ist so kurz, daß so viel wie mögliche Daten über den Rundfunkkanal ausgestrahlt werden können. Teilnehmernachrichten 79 stellen Teilneh merdaten dar, die während eines Gesprächs transportiert wer den. Wenn ein Paket 70 über einen Nachrichtenkanal 18 (Fig. 1) übermittelt wird, wird eine beträchtliche Anzahl von Teilnehmernachrichten angehängt. Wie oben diskutiert wurde, kann die digitalisierte Version eines gesamten Gesprächs audioframe durch die Teilnehmernachrichten 79 weitergeleitet werden.

Der Weiterleitungscode 74 enthält vorzugsweise eine Ge sprächssequenzzahl (Call Sequence Number) (CSN), um zwischen verschiedenen Gesprächen innerhalb einer Überleiteinrichtung (gateway) oder bei einer Teilnehmereinheitsverbindung zu dem Sende- oder Zielsatellit, zu unterscheiden. Die CSN bildet ein Paket auf seinen zugewiesenen HF-Kanal in der Verbindung ab. Die CSN kann auch andere Teile des Paketes 70 enthalten.

Der Weiterleitungscode 74 enthält außerdem eine Zielsatelli tenzahl. Die Zielsatellitenzahl wird vorzugsweise durch die Gesprächssteuerüberleiteinrichtung, die das Wissen über die Konstellationsbewegung und die zeitabhängige Überdeckungs zone eines jedes Satelliten 12, wenn dieser sich bewegt, be sitzt, zugewiesen. Die Zielsatellitenzahl wird von den Satelliten 1, 2 (Fig. 1) dazu verwendet, um ein Paket an seinen Zielsatelliten weiterzuleiten. Bei dem Zielsatelliten wird das Paket auf einer abwärtsgerichteten Verbindung (downlink) (d. h., auf einer Teilnehmereinheitsverbindung 16) entweder an eine Teilnehmereinheit 26 oder an eine Über leiteinrichtung 22 übertragen.

Verglichen mit der Größe des Teilnehmerverkehrs 42 ist die Länge der Systemsteuerdaten 40 normalerweise sehr klein. Da her können Systemsteuerdaten 40 zu einer Teilnehmereinheit 26 zusammen mit Teilnehmernachrichten 42 während eines Ge sprächs übermittelt werden. Beispiele von Systemsteuernach richten, welche zusammen mit Teilnehmernachrichten 42 über einen Nachrichtenkanal 17 überliefert werden, können Nach richten sein, die die Teilnehmereinheit 26 darüber infor miert, daß die andere Partei eines Gesprächs einen "hung-up" hat, das ein anderes Gespräch auf die Teilnehmereinheit 26 wartet und eine beliebige Anzahl von Alarmdatennachrichten, welche in einer Sprachnachricht oder in einer anderen Alarm form dem Benutzer der Teilnehmereinheit 26 mitgeteilt werden können.

Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Satel litenfunkkommunikationsknotens, der zur Verwendung in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein gesetzt werden kann. Der Satellitenknoten 26 ist bei einem Satelliten 12 vorgesehen. Vorzugsweise enthalten alle Satel liten 12 innerhalb einer Umgebung 10 (siehe Fig. 1) die durch das Blockschaltbild der Fig. 3 gezeigte Ausrüstung. Der Satellit 12 enthält Querverbindungs-Sende/Empfangs einrichtungen 83 und zugeordnete Antennen. Die Sende/ Empfangseinrichtungen 83 und die Antennen 81 unterstützen Querverbindungen zu anderen benachbarten Satelliten 12. Erdverbindungs-Sende/Empfangseinrichtungen 85 und zuge ordnete Antennen 87 unterstützen Erdverbindungen, um mit Erdterminals 24 (Fig. 1) zu kommunizieren. Weiterhin unter stützen die Teilnehmereinheit-Sende/Empfangseinrichtung 80 und die zugeordneten Antennen 82 die Teilnehmereinheiten 26 (Fig. 1). Vorzugsweise kann jeder Satellit 12 gleichzeitig eine Verbindung für bis zu mehreren tausend oder mehr Teil nehmereinheiten 26 (Fig. 1) unterstützen. Für den Fachmann wird natürlich klar sein, daß die Antennen 81, 87 und 82 entweder als einzelne multidirektionale Antennen oder als Gruppen von diskreten Antennen implementiert sein können. Vorzugsweise stellt die Teilnehmereinheit eine Phasengit terantenne (phased array antenna) dar, die in der Lage ist, auf viele Zellen 34 (Fig. 1) gleichzeitig zuzugreifen.

Eine Steuereinheit 84 ist mit jeder Sende/Empfangsein richtung 83, 76 und 80 sowie mit einem Speicher 86 und einem Timer 88 gekoppelt. Die Steuereinheit 84 kann durch einen oder mehrere Prozessoren implementiert sein. Die Steuer einheit 84 verwendet den Timer 88 um, neben anderen Dingen, das aktuelle Datum und die Zeit zu bestimmen. Der Speicher 86 speichert Daten, die als Befehle für die Steuereinheit 84 dienen und die, wenn sie von der Steuereinheit 84 ausgeführt werden, den Satelliten 12 veranlassen, im folgenden zu besprechende Prozeduren auszuführen. Zusätzlich enthält der Speicher 86 Variablen, Tabellen und Datenbanken, die auf grund des Betriebes des Satelliten 12 manipuliert werden.

Fig. 4 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Teiles einer Steuerstation 65 und eines Erdterminals 68, die geeig net sind, um in einer bevorzugten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung verwendet zu werden. Die Steuerstation 85 und die terrestrische Station 68 bilden vorzugsweise ei nen Teil des SCS 28 (Fig. 1) bzw. einer ET 24 (Fig. 1). Die Steuerstation 65 umfaßt einen Prozessor 60, der über eine Verbindung 61 mit einem assoziierten Speichermedium 62 ge koppelt ist (z. B. einem RAM oder anderen Halbleiter- oder Magnet-Lese-Schreibspeichereinrichtungen, optischen Disks, magnetischen Bändern, Floppydisks, Harddisks). Die terre strische Station 68 enthält eine Antenne 63, die mit dem Übertrager 65 und dem Empfänger 67 über eine Verbindung 69 gekoppelt ist. Der Übertrager 65 und der Empfänger 67 sind mit dem Prozessor 60 über Verbindungen 64 und 66 gekoppelt. Der Prozessor 60 führt vorzugsweise die im folgenden bei spielhaft beschriebenen Prozeduren aus. Beispielsweise kann der Prozessor 60, neben dem Ausführen weiterer Aufgaben, die Ergebnisse derartiger Prozeduren in dem Speichermedium 62 speichern. Der Übertrager 65 und/oder der Empfänger 67 über tragen Nachrichten zu dem Satelliten 12 und/oder empfangen Nachrichten von dem Satelliten 12.

Herkömmliche zellulare Funkeinheiten und Systeme sind bei spielsweise in US-A-4783779, US-A-4144412 und US-A-5097499 beschrieben und Satellitenkommunikationssysteme sind bei spielsweise in US-A-4722083 und US-A-4819227 beschrieben. Die Teilnehmerantennen 82 (Fig. 4), die Teilnehmer-Sende/ Empfangseinrichtungen 80 (Fig. 4), die Steuerstation 28 (Fig. 1) und der Erdterminal 24 (Fig. 1) führen diese Funktionen aus und enthalten zumindest solche Geräte, die üblicherweise in den terrestrischen Fernsprech- oder zellu laren Satelliten-Kommunikationssystemen enthalten sind plus zusätzliche Funktionen und Geräte, die im folgenden be schrieben werden.

Der Prozessor 60 steuert und verwaltet den Benutzerzugriff, den Nachrichtenempfang und die Nachrichtenübertragung, die Kanaleinrichtung (channel set-up), das Funktuning, die Fre quenz- und Zeitschlitzzuweisung und andere zellulare Funk kommunikations- und Steuerfunktionen, die nicht durch die Steuereinheit 84 verwaltet werden oder zur Verfügung ge stellt werden (Fig. 4). Neben anderen Dingen führt der Pro zessor 60 und/oder die Steuereinheit 84 (Fig. 4) vorzugs weise Prozeduren aus, die es dem Benutzer erlauben, auf das Kommunikationssystem 10 zuzugreifen.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Kommunika tionssystem 10 (Fig. 1) 66 LEO-Satelliten, die in sechs Um laufbahnen angeordnet sind, von denen jede elf Satelliten 12 aufweist. In Fig. 1 ist jeder Satellit 12 mit zwei anderen Satelliten 12 innerhalb dieser gleichen Umlaufbahn 14 oder Umlaufebene über entsprechende Querverbindungen 21 verbun den. Die Kapazität von Querverbindungen 21 innerhalb einer Ebene ist konstant. Die Verbindungskapazität enthält Daten übertragungskapazität. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Querverbindungskapazität 100 bis 200 Pakete pro Frame-Zeit betragen und beträgt vorzugsweise 140 Pakete pro 9 Millisekunden Frame-Zeit. Die Kapazitäten der Querebenen- Querverbindungen (cross-plane cross-links) 23 (z. B. Links- und Rechtsquerverbindungen) können von einem Maximalwert, wenn die Satelliten am weitesten auseinander sind, bis zu einem minimalen Wert, wenn die Querverbindungen 23 ausge schaltet sind, reichen. Beispielsweise sind in der Fig. 1 die Satelliten 12 in unterschiedlichen Umlaufbahnen 14 am weitestens voneinander entfernt, wenn sie nahe dem Äquator sind und sind nahe den Polen am nächsten zusammen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Querverbindungen 23, die verschiedene Ebenen miteinander verbinden, im Rahmen ei nes Zellverwaltungsverfahrens abgeschaltet. Die Zellverwal tungsverfahren, die für die vorliegende Erfindung vorzugs weise verwendet werden, sind beispielsweise in US-A-5227802 beschrieben.

In der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind keine Querverbindungen 23 zwischen Ebenen an der Naht vorgesehen, welche zwischen Umlaufbahnen auf gegenüberliegenden Seiten der Erde auftreten, wenn die Satelliten 12 sich gegeneinan der in unterschiedliche Richtungen bewegen. An dieser Naht verursacht die Bewegung der Satelliten-Doppler-Verschiebun gen, die für eine zufriedenstellende HF-Kommunikation zu groß sind. Wenn die Erde sich innerhalb 24 Stunden einmal voll gedreht hat, verschiebt sich die Naht über die Oberflä che der Erde einmal pro 24 Stunden.

Da sich jeder Satellit 12 auf seiner Umlaufbahn bewegt, ver ändern sich die Querverbindungen 23 zwischen Ebenen zwischen zwei Satelliten auf benachbarten Umlaufbahnen hinsichtlich der Kapazität von einem Maximum beim Äquator auf Null, wenn die Verbindung ausgeschaltet wird. Das Ausschalten einer Querverbindung tritt bei einem Winkel von etwa 68 Grad von dem Äquator auf. Die Querebenen-Verbindungen werden vorzugs weise ausgeschaltet, um die TDMA-Synchronisation beizubehal ten. Die Querebenen-Verbindungen 23 bleiben ausgeschaltet bis der assoziierte Satellit einen Pol überquert und sich einer Höhe annähert (d. h., 180-63 Grad) wo die Querverbin dung ihre Arbeit wieder aufnimmt. Dasselbe tritt auf, wenn ein Satellit sich dem anderen Pol nähert. Weiterhin tauschen zwei Satelliten die eine Querverbindung aufweisen, und sich über einen Pol bewegen, die Seiten hinsichtlich der linken und rechten Nachbarknotenverbindungen. Eine Zeitvariation in der relativen Knotenverbindung und Topologie tritt auf, wenn die Konstellation rotiert. Physikalische Weiterleitungsin formation, die sich innerhalb der Knoten (d. h. zum Erreichen anderer Knoten von dem Knoten) gespeichert ist, erfordert ein regelmäßiges und vorhersehbares Zeit-updating. Regel mäßig auftretende Zeitveränderungen der Satellitenknotenver bindung innerhalb der Konstellation wird vorzugsweise in eine Anzahl von definierten unterscheidbaren topologischen Zuständen für die Konstellation quantisiert. Die periodische Bewegung und Position der verschiedenen Satelliten innerhalb der Konstellation ist bekannt und in dem System gespeichert.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Weiterleitungstabellendaten struktur, die für eine bevorzugte Ausführungsform der vor liegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Weiterlei tungsinformation, die von einem Paket, welches in einen Satellitenknoten eintritt, verwendet wird, um die Querver bindung zum Ausgang zu bestimmen, wird als Nachschlage tabelle, unter Verwendung des Paketziels, organisiert. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Nachschlage tabelle in einem RAM unter Verwendung einer sieben Bit- Adresse für die Tabelle des Paketziels gespeichert werden. Die gespeicherte Information an jedem Adreßbereich enthält ein Maximum von drei Verbindungsanzeigern. Die Tabelle 90 zeigt einen Erste-Wahl-Verbindungsanzeiger 96, einen Zweite- Wahl-Verbindungsanzeiger 98 und einen Dritte-Wahl-Verbin dungsanzeiger 99, die für jeden Zielsatelliten oder jede Überleitungseinrichtung aufgelistet sind. Jeder Verbindungs anzeiger spezifiziert entweder eine linke, eine rechte, eine Vorwärts- oder eine Rückwärts-Querverbindung. Wie oben be schrieben, ist jeder Satellitenknoten über diese Verbindun gen mit zumindest vier anderen Nachbarsatelliten gleichzei tig verbunden.

Der Erste-Wahl-Ausgangsverbindungsanzeiger 96 spezifiziert die Verbindung in Richtung des minimalen Funkfeld-Weges zum Ziel. Der Zweite-Wahl-Verbindungsanzeiger 98 spezifiziert die Verbindung in Richtung eines Zweite-Wahl-Weges mit mini malem Funkfeld, falls ein solcher existiert, und spezifi ziert ansonsten die Verbindung in der vernünftigsten Rich tung zum spezifizierten Ziel hin. Der Dritte-Wahl-Verbin dungsanzeiger 99, wie er in der Weiterleitungstabelle 90 spezifiziert ist, listet eine andere Verbindung, in der am nächsten geeigneten Richtung zum spezifizierten Ziel hin, auf. In einer bevorzugten Ausführungsform kann jeder oder beide der Zweite- und Dritte-Wahl-Wege als Null-Verbindung spezifiziert sein, bei der keine anderen Verbindungen auf grund von Querebenen-Querverbindungs-Ausschaltungen oder Verbindungsfehlern verfügbar sind.

Da die Konstellationsverbindung (d. h. die Verbindungen zwi schen Satellitenknoten und Verbindungen zwischen Satelliten knoten und individuellen Überleitungseinrichtungen auf der Erde) mit der Bewegung der Satelliten sich weiterhin ändert, reflektiert die Weiterleitungstabelle 90 in richtiger Weise die notwendigen Änderungen. In einer Ausführungsform spei chert jeder Satellit eine Anzahl von unterschiedlichen Tabellen (eine für jeden Zustand der Konstellationskollekti vität) und verwendet die geeignete Tabelle, wenn der Satel lit sich durch verschiedene Zustände der Konstellationskol lektivität bewegt.

Bei anderen Ausführungsformen wird eine einzelne Weiterlei tungstabelle bei jedem Satelliten verwendet und die Inhalte der Tabelle werden erneuert, wenn sich der Satellit über verschiedene Zustände der Konstellationskollektivität be wegt. Partielle vorausschauende Weiterleitungsinformation wird vorzugsweise über eine "uplink"-Verbindung von der SCS 28 (Fig. 1) übertragen und in einem Satelliten 12 (Fig. 1) in regelmäßigen zeitlichen Abständen während eines gesamten Umlaufes gespeichert.

Unabhängig davon, welche Ausführungsform verwendet wird, um die Weiterleitungsinformation innerhalb der Knoten stets auf dem neuesten Stand hinsichtlich Änderungen in der Konstella tionskonnektivität aufgrund von Bewegung zu halten, muß die Weiterleitungsinformation erneuert werden, um jeglichen Ver bindungs- und Knoten-Fehlern Rechnung zu tragen, welche in der Konstellation auftreten können. Die SCS 28 (Fig. 1) be rechnet vorzugsweise die geeigneten Ausgangsverbindungsmög lichkeiten für jeden Knoten (z. B. zum Erreichen eines belie bigen anderen Knotens) und überträgt diese Information an die verschiedenen Knoten. Erneuerungen der Systemkonfigura tionenantwort aufgrund von Verbindungsfehlern werden vor zugsweise auf Schwellwertbasis vorgenommen (d. h., wenn eine bestimmte Anzahl oder Verteilung von Fehlern in die SCS be richtet werden). Die Erneuerung der Systemkonfiguration kann auch periodisch vorgenommen werden, wobei die Erneuerungs perioden in Beziehung zur mittleren Zeit zwischen Fehlern bei den Knoten oder Verbindungen innerhalb der Konstellation stehen. Da die Einbeziehung der SCS zur Nutzung der Fehler information notwendig ist, stellt die zuletztgenannte Aus führungsform den Vorteil geringerer Speicheranforderungen zum Speichern der in den Satelliten benötigten minimalen Weiterleitungsinformation zur Verfügung. Der Umfang mit dem Weiterleitungsinformation zeitlich im voraus berechnet und in den Satelliten gespeichert wird, hängt von dem Verhältnis zwischen Speicherplatz innerhalb der Satelliten und der er forderlichen Antwortzeit auf Fehler ab.

Die Berechnung von Weiterleitungsinformation schließt die Berechnung von ersten, zweiten und dritten Ausgangsverbin dungsmöglichkeiten für jeden Knoten mit ein, um jeden ande ren Knoten für jeden unterschiedlichen Zustand (z. B. ein definiertes Zeitintervall) der Konstellationskonfiguration zu erreichen. Dieses Verfahren wird vorzugsweise von der SCS in Nichtechtzeit durchgeführt und die Ergebnisse werden an die Satelliten gesendet, um dort in der Weiterleitungs tabelle 90, wie sie obenerwähnt wurde, aufgezeichnet zu wer den.

Es sein angenommen, daß ein Pfad zwischen einem ersten Kno ten und einem zweiten Knoten während eines Zeitintervalls (t1-t2), welcher die Dauer eines unterscheidbaren Konnekti vitätszustandes für die Konstellation reflektiert, aus der Sequenz von Verbindungen oder Funkfeldern zwischen den Satellitenknoten besteht. Mit anderen Worten muß, um ein Datenpaket von dem ersten Knoten zu dem zweiten Knoten zu transferieren, eine erste, zweite, dritte und vierte Verbin dung verwendet werden, um drei Satellitenknoten dazwischen zusetzen (hopping). Wenn die mittleren Zeitkapazitäten diese Verbindungen (gemittelt über das Zeitintervall t1-t2) C1 für die erste Verbindung, C2 für die zweite Verbindung, C3 für die dritte Verbindung und C4 für die vierte Verbindung ist, kann die minimale durchschnittliche Kapazität für den Pfad zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten für dieses Zeitintervall als das Minimum von C1, C2, C3 und C4 defi niert werden.

Ein spezieller Pfad umfaßt eine Sequenz von Verbindungen zwischen einem Paar von Knoten. Ein Pfad ist verfügbar, wenn seine minimale mittlere Kapazität für das betrachtete Zeit intervall sich über einen bestimmten Schwellwert befindet. Dieser Schwellwert wird auf einen vorgegebenen Wert gesetzt.

Die Berechnung einer ersten Ausgangswahl (d. h., die von be vorzugten Verbindungen für die Übertragung eines Datenpake tes von einem Knoten) bestimmt den minimalen Funkfeldweg von diesem Knoten zum Ziel. Alle Querverbindungen, die während des Zeitintervalls nicht verfügbar sind (d. h., den Konstel lationszustand für den die Wege berechnet werden), werden eliminiert. Alle fehlerhaften Verbindungen werden ebenfalls eliminiert. Die Verbindung, die den Weg mit minimalem Funk feld (hop route) angibt, wird bestimmt. Im Falle, daß zwei Pfade mit derselben Funkfeldlänge gefunden werden, wird der jenige mit der höheren minimalen Pfadkapazität als erste Ausgangsverbindungswahl in Tabelle 90 gewählt. Die Verbindung mit einer geringeren minimalen Pfadkapazität wird als zweite Ausgangsverbindungswahl in der Tabelle plaziert. Wenn zwei alternative minimale Funkfeldpfade die gleiche mittlere minimale Pfadkapazität aufweisen, so ist es nicht von Bedeu tung, ob die eine oder andere Verbindung zuerst aufgelistet wird, so lange es darum geht, ein bestimmtes Ziel zu errei chen. Eine alternative äquvalente Auswahl über zumindest je den benachbarten Satz von Knoten sind vorzugsweise in glei cher Weise in der Weiterleitungstabelle zu erreichen in der verschiedenen Zielknoten in der Konstellation dargestellt. Die Weiterleitungstabellen splitten in effektiver Weise die Belastung für die Verbindungen und erreichen eine erhöhte Verteilung (randomization) der Weiterleitungsstrategie.

Fig. 6 zeigt einen kleinen Ausschnitt aus der Konstellation von Satellitenknoten, die mittels Kommunikationsverbindungen verbunden sind. Fig. 6 zeigt drei sequentielle Knoten in je dem von drei benachbarten Umlaufbahnen. Die Satellitenknoten 12a, 12b und 12c befinden sich in der Umlaufebene 14a, die Satellitenknoten 12d, 12e und 12f befinden sich in der Um laufebene 14b und die Satellitenknoten 12g, 12h und 12i be finden sich in der Umlaufebene 14c. Die Satellitenknoten sind mittels Querverbindungen innerhalb der Ebene 21ab, 21bc, 21de, 21ef, 21gh und 21hi verbunden. Die Satelliten knoten sind darüber hinaus mit Querebenen-Querverbindungen 23ad, 23be, 23cf, 23dg, 23eh und 23fi verbunden. In einer be vorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können wesentlich mehr Knoten in ähnlicher Weise verbunden sein.

Fig. 7 zeigt eine Teilansicht einer Knotenweiterleitungs tabelle, wie sie bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Fig. 7 zeigt Erste-Wahl-Ausgangsknoten 44, Zweite-Wahl-Ausgangsknoten 46 und Dritte-Wahl-Ausgangsknoten 48 für den Knoten 12d (Fig. 6) für gegebene Zielknoten 42. Die Erste-Wahl-Ausgangsver bindung zum Weiterleiten von Knoten 12d zu den Knoten 12a und 12i wird bestimmt. Diese Bestimmung wird vorzugsweise für einen Zustand der Konfiguration bei einem speziellen Zeitintervall gemacht, bei dem die Querebenen-Querverbindung 23dg und die Querebenen-Querverbindung 23eh die gleiche minimale durchschnittliche Kapazität aufweisen. In diesem Fall gibt es zwei äquivalente minimale Funkfeldpfade vom Knoten 12d zum Knoten 12i. Ein minimaler Funkfeldpfad würde die Querverbindung 21de innerhalb der Ebene, den Satelliten knoten 12e, die Querebenen-Querverbindung 23eh, den Satelli tenknoten 12h und die Querverbindung innerhalb der Ebene 21hi verwenden.

Der andere minimale Funkfeldpfad zwischen dem Satelliten knoten 12d und 12i wurde die Querebenen-Querverbindung 23dg, den Satellitenknoten 12g, die Querverbindung innerhalb der Ebene (in-plane) 21gh, den Satellitenknoten 12h und die Querverbindung innerhalb der Ebene 21hi verwenden. Beide dieser alternativen minimalen Funkfeldpfade verwendet drei Querverbindungen. In gleicher Weise gibt es zwei äquivalente alternative minimale Funkfeldpfade vom Knoten 12d zum Knoten 12h.

Ein Pfad verwendet die Querverbindungen 21de und 23eh, während der andere die Querverbindungen 23dg und 21gh ver wendet. In der Weiterleitungstabelle für den Knoten 12d und beim betrachteten Systemzustand, würde, falls die Verbindung 23dg als erste Ausgangsverbindungswahl zum Erreichen des Knotens 12h aufgelistet wäre, die Verbindung 23dg als die erste Verbindungswahl zum Erreichen des Knotens 12i aufge führt werden, um die gesamte Last in geeigneter Weise über die vier Verbindungen aufzusplitten: 23dg, 21gh, 21de und 23eh. Diese Erste-Wahl-Ausgangsknoten sind in Tabelle 40 für den speziellen Zielknoten 42 aufgelistet.

Die zweite Wahl zum Austreten aus einem gegebenen Knoten, um einen Zielknoten zu erreichen, ist in der Tabelle 40 als Verbindung zum Weiterleiten über einen zweiten äquivalenten alternativen minimalen Funkfeldpfad aufgelistet, falls ein solcher existiert. Andernfalls wird die vernünftigste Ver bindungswahl in Richtung des Ziels von dem Knoten aufgeli stet. Die Verfügbarkeit anderer Verbindungen auf dem Pfad, der für das Erreichen des Zielknotens vermutet wird, wird betrachtet. Der Pfad, der für diese Verbindung vermutet wird, verwendet vorzugsweise minimale Funkfeldwege (für den Zustand der Konstellationskonfiguration und den Fehlerzu stand der Verbindung) von nachfolgenden Knoten zum Ziel. Eine vernünftige Verbindungswahl stellt eine Verbindung dar, die ein Datenpaket nicht zu weit von der Richtung des Ziels entfernt. Beispielsweise stellt eine Verbindung, die ein Paket in der entgegengesetzten Richtung von seinem Ziel weiterleitet, keine vernünftige Wahl dar, wohingegen eine Verbindung, die das Paket etwas vom Ziel wegleiten würde, eine vernünftige alternative Wahl für diesen Zweck darstel len würde.

In einer Situation, bei der es zwei äquivalente alternative vernünftige Wahlmöglichkeiten für die zweite Wahl für das Weiterleiten von dem Knoten zu dem Ziel gibt, ist die Angabe der einen oder anderen als die zweite Wahl nicht wichtig, soweit es darum geht, ein bestimmtes Ziel zu erreichen. Alternative äquivalente Wahlmöglichkeiten über zumindest jeden benachbarten Knotensatz sind vorzugsweise in der Weiterleitungstabelle zum Erreichen der verschiedenen Ziel knoten der Konstellation dargestellt. Dieses Ausführungs merkmal für die Weiterleitungstabellen bringt einen Aspekt für die effiziente Lastaufsplittung und gerichtete Zufalls verteilung (randomization), die bei der Weiterleitungs strategie erzeugt wird, mit sich.

Wird angenommen, daß die Konstellation sich in einem Zustand befindet, bei dem die Verbindungen 23ad, 23dg, 23be und 23eh etwa die gleiche minimale durchschnittliche Kapazität auf weisen, so verwenden die zwei äquivalenten Zweite-Wahl-Pfade zum Weiterleiten eines Paketes vom Knoten 12d zum Knoten 12e die Verbindungen 23ad, 21ab und 23be und entsprechend die Verbindungen 23dg, 21gh und 23eh. In gleicher Weise verwen den die äquivalenten Zweite-Wahl-Pfade zum Weiterleiten vom Knoten 12d zum Knoten 12f die Verbindungen 23ad, 21ab, 23be und 21ef und entsprechend die Verbindungen 23dg, 21gh, 23eh und 21ef. Wenn die Verbindung 23ad in Tabelle 40 als Aus gangsverbindung für die Weiterleitung zum Knoten 12e aufge listet ist, muß die Verbindung 23dg als die Ausgangsverbin dung zum Weiterleiten zum Knoten 12f aufgelistet sein, um die gesamte Last vom Knoten 12d zum Knoten 12f über die Ver bindungen 23ad, 21ab, 23be, 23dg, 21gh und 23eh aufzusplit ten. Diese sind als die Zweite-Wahl-Ausgangsverbindungen in der Teilweiterleitungstabelle 40 für den Knoten 12d aufgeli stet (Fig. 6).

Die Bestimmung einer dritten Verbindungswahl wird entspre chend fortgeführt, mit der Ausnahme, daß die Verbindung, die zum Pfad mit der geringeren minimalen durchschnittlichen Kapazität vorzugsweise gewählt wird. Wenn ein äquivalenter Weg nicht als zweite Wahl aufgelistet ist, so sollte dieser Weg als dritter Ausgangswahlweg in der Weiterleitungstabelle 40 aufgeführt sein. Wenn es keine Verbindung mehr gibt, die eine vernünftige Richtung hin zum Ziel beschreibt, wird die verbleibende Verbindung als Dritte-Wahl-Ausgangsverbindung 48 der Tabelle 40 aufgeführt. Zu beachten ist, daß ein Datenpaket nicht über die Verbindung zurückgesendet werden sollte, über die es am Knoten empfangen wurde. Dies ist in Tabelle 40 für das Weiterleiten von Knoten 12d zum Knoten 12h und 12i illustriert, wo Dritte-Wahl-Ausgangsverbindungen zum Knoten 12a als dritte Wahl in dem Weiterleitungsent scheidungsfindungsprozeß 12d aufgelistet sind.

Ausgehend von der Teil-Weiterleitungsinformation die in der Weiterleitungstabelle 40 für den Knoten 12d (Fig. 6) präsen tiert wird, wird jede der verwendeten Ausgangsverbindungen (23ad, 23dg, 21de) in der Tabelle mit der gleichen Häufig keit aufgelistet (d. h., jede Ausgangsverbindung wird viermal aufgelistet). Die Lastverteilung wird mit der Unsicherheit hinsichtlich des Verkehrslastmusters über das Netzwerk durch Verteilen der Last erreicht, um gleiche Verwendung einer jeden Verbindung im Netzwerk zu erreichen. Dies wird unter Erreichen der Transportverzögerungsanforderungen erreicht. In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Weiter leitungstabellen alle gelisteten Verbindungsauswahlmöglich keiten mit der gleichen gesamten Häufigkeit und werden vor zugsweise als Hilfe für die systematische Berechnung alter nativer Verbindungsauswahlmöglichkeiten, die in der SCS vor gesehen sind, verwendet, um verschiedene Ziele von einem gegebenen Knoten aus zu erreichen.

Fig. 8 zeigt ein Verfahren 100 zum Bestimmen der Weiter leitung von Datenpakten innerhalb einer Konstellation, die geeignet ist, in einer bevorzugten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung verwendet zu werden. Das Verfahren 100 wird vorzugsweise in regelmäßigen Abständen durchgeführt und in einer bevorzugten Ausführungsform wird es stets dann durchgeführt, wenn eine Verbindung ausfällt oder abgeschal tet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Ver fahren 100 nur einmal ausgeführt. Das Verfahren 100 führt eine Vorberechnung hinsichtlich der Weiterleitungsinforma tion für alle möglichen Kombinationen von Quelle-Zielknoten paaren für jede Konstellationskonfiguration aus. Wie be schrieben, resultieren unterschiedliche Konstellationskonfi gurationen von unterschiedlichen Umlaufpositionen der Satel litenknoten, die wiederum in unterschiedliche Verbindungs kapazitäten und Verbindungsabschaltungen resultieren. Wei terhin können unterschiedliche Konstellationskonfigurationen sich aufgrund von Verbindungs- und Knoten-Fehlfunktionen er geben. Das Verfahren 100 kann die Weiterleitungsinformation auch für alle möglichen Kombinationen von Quellen/Ziel knotenpaaren für bestimmte Zeitintervalle zwischen 15 Sekunden bis mehrere Minuten vorberechnen. Während dieser Zeitintervalle sollte sich die Konstellationskonfiguration möglichst nicht ändern.

Die Task 102 bringt die Netzwerk-Topologie auf den neuesten Stand. Fehlerhafte Verbindungen und Verbindungen, die wäh rend des nächsten vorgegebenen Zeitintervalls abgeschaltet werden, werden bei der Weiterleitung nicht beachtet. Die Verbindungen können durch einen Zellmanagementprozeß ausge schaltet sein, welcher die Satellitenverbindungen und Zellen aufgrund von Antennenmusterüberlappung ausschaltet, die auf treten, wenn sich die Satelliten den Polen nähern.

Die Task 104 findet alle minimalen Funkfeldwege für alle möglichen Quellen/Zielpaare. Jeder Knoten kann eine Quelle für ein Datenpaket darstellen und jeder Knoten kann ein Ziel für ein Datenpaket darstellen. Ein Quellen/Zielpaar umfaßt den Quellen- und den Zielsatellitenknotenpunkt. In einer be vorzugten Ausführungsform mit 66 Satellitenknoten, gibt es 4290 (66 × 65) mögliche Quellen/Zielpaare. Da es jedoch wün schenswert ist, ein Datenpaket über einen unterschiedlichen Pfad in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zwischen einem Quel len- und Zielknoten weiterzuleiten, gibt es 4356 (66 × 66) mögliche Quellen-Zielpaare. Ein minimaler Funkfeldweg wird gefunden, indem der Weg mit der minimalen Anzahl von Verbin dungen zwischen dem Quellen- und Zielknoten bestimmt wird. Es kann mehrere minimiale Funkfeldwege mit der gleichen An zahl von Verbindungen und zu überspringendem (to hop) Satel litenknoten geben, die alle von der Task 104 aufgefunden werden. Im Falle, daß es nur einen minimalen Funkfeldweg gibt, werden alternative Funkfeldwege gefunden, die eine Funkfeldlänge aufweisen, die sich unter einem akzeptierbaren Schwellwert befinden. Beispielsweise kann eine akzeptierba rer Schwellwert auf Grundlage der akzeptierbaren Verzögerung für einen zufriedenstellenden Nachrichtenverkehr für ein spezielles Datenpaket (d. h. Sprache oder Daten) gefunden werden.

Vorzugsweise werden die Wege mit minimalem Funkfeld für jede Konstellations-Konfiguration gefunden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Zeitintervall jeder Konstellations konfiguration in kleinere Zeitintervalle unterteilt, bei de nen die Konstellationskonfiguration quasi stationär ist (d. h., Verbindungen und Verbindungskapazitäten sind im we sentlichen unverändert). Bei dieser Ausführungsform werden alle Quellen/Zielpaar-Kombinationen zufällig numeriert.

Die Task 105 selektiert einen minimalen Funkfeldpfad, der vor der Task 104 für das erste Quellen/Zielpaar gefunden wurde. Der ausgewählte minimale Funkfeldweg kann beliebig gewählt werden, wenn es mehrere minimale Funkfeldwege gibt. Vorzugsweise werden die übrigbleibenden minimalen Funkfeld wege als alternative Auswahlwege gespeichert, wie dies oben diskutiert wurde. Die alternativen auswählbaren minimalen Funkfeldwege werden vorzugsweise benutzt, wenn der erste auszuwählende minimale Funkfeldweg nicht verfügbar ist, bei spielsweise wenn eine Verbindung des minimalen Funkfeldweges der ersten Wahl ausfällt aufgrund der Erneuerung von Weiter leitungsinformation durch dieses Verfahren.

Die Task 106 berechnet eine Verbindungsbenutzungswahrschein lichkeit (link usage probability) (LUP) für das erste Quel len-Zielpaar (S-D) und den minimalen Funkfeldweg, der von der Task 105 gefunden wurde. Jedesmal, wenn ein Weg betrach tet wird, wird der LUP für alle Verbindungen, die bei diesem Weg in Frage kommen, erneuert. In einer bevorzugten Ausfüh rungsform kann die Task 106 eine LUP für jede Verbindung ei nes ausgewählten Weges mit minimalem Funkfeld berechnen oder erneuern. Der LUP kann wie folgt berechnet werden:

LUP = (Fi/Nj)_*Dj

wobei Fi die Anzahl angibt, mit der die Verbindung "i" in Pfaden enthalten ist, die für die Quellen/Zielpaare bis zu diesem Punkt betrachtet wurden. Nj gibt die gesamte Anzahl von Quellen/Zielpaaren "j" an, die bei diesem Punkt im Ver fahren 100 betrachtet werden. Dj gibt den Prozentsatz für den Verkehr an, der für das Quellen/Zielpaar "j" über das Zeitintervall projiziert wird, für das die Netzwerkweiter leitungsinformation berechnet wird. In einer Abwandlung die ser Ausführungsform wird Dj auf "Eins" gesetzt, wenn die Verteilung des Verkehrs (d. h., die Anforderung für Nachrich tenservice) über das Netzwerk, welcher über die Quellen/ Zielpaare übertragen werden soll, nicht betrachtet wird.

Beim Bestimmen der Weiterleitung wird "j" für jeden Quellen/ Zielknoten inkrementiert und die LUP für jede Verbindung, die bei dem ausgewählten Weg betroffen ist, erneuert. Wenn die LUPs für jede Verbindung des ausgewählten Weges berech net wurden, berechnet die Task 108 eine Netzwerkweiterlei tungsentropie (network routing entropy) (NRE). Die NRE kann aufgrund folgender Formel berechnet werden:

NRE = - sum_i[(LUP)_i*log(LUP)_i].

Die NRE ist die negative Summe aus dem Produkt des LUPs und des Logarithmus des LUPs für jede Verbindung der Konstella tion. Die Task 108 erneuert die NRE auch jedesmal, wenn die Task 108 ausgeführt wird (d. h., für jedes betrachtetes Quel len/Zielpaar).

Die Task 110 wählt einen Weg mit minimalem Funkfeld aus den Wegen mit minimalem Funkfeld, die von der Task 104 für das Quellen/Zielpaar aufgefunden wurden, wobei dies unter Be rücksichtigung erfolgt, welcher davon zu der größten NRE für das Netzwerk als erster Auswahlweg führt. Die Wege mit mini malem Funkfeld, die zur nächstgrößeren NRE führen, werden als Alternativen oder zweite Wege in den Weiterleitungs tabellen selektiert.

In einer alternativen Ausführungsform bestimmt die Task 110 die Vebindung für jeden Weg mit minimalem Funkfeld, der den maximalen LUP für diesen minimalen Funkfeldweg aufweist. Die Task 110 wählt dann den minimalen Funkfeldweg aus, welcher die Verbindung mit dem kleinsten der maximalen LUPs ein schließt. Der kleinste maximale LUP bedeutet eine vernünf tige Annäherung an die gesamte Netzwerkentropie, da die lokale Entropie von alternativen minimalen Funkfeldwegen für das betrachtete Quellen/Zielpaar betrachtet wird.

Die Task 112 erneuert den LUP für jede Verbindung des mini malen Funkfeldweges, welcher als Erste-Wahl-Weg von der Task 110 ausgewählt wurde. Der minimale Funkfeldweg(e), der nicht ausgewählt wurde, wird vorzugsweise als alternativer minima ler Funkfeldweg(e) gespeichert, wobei dies in der Reihen folge der entsprechenden LUPs oder der resultierenden NREs geschieht.

Die Task 114 bestimmt, ob alle S-D-Paare der Knotenkonstel lation betrachtet wurden und, falls dies nicht der Fall ist, wird mit der Task 106 fortgefahren, um die nächste S-D-Paar kombination zu betrachten (d. h. j wird um Eins erhöht). Die Tasks 106-112 werden für alle anderen Quellen/Zielpaare wie derholt. Wenn alle S-D-Paare betrachtet wurden, wurden die minimalen Funkfeldwege für jedes S-D-Paar ausgewählt. Die Task 116 bestimmt, ob alle bekannten Konstellations-Konfigu rationen und Zeitintervalle betrachtet wurden. Beispiels weise können während bestimmter Abschnitte eines Umlaufs ei nes Knotens mehrere Querebenen-Querverbindungen ausgeschal tet werden. Dies tritt zu gewissen Zeiten während eines Um laufs auf und es werden daher unterschiedliche alternative minimale Funkfeldwege gewählt.

Wenn alle Konstellations-Konfigurationen und Zeitintervalle betrachtet wurden, speichert die Task 118 die Weiterlei tungsinformation. Die gespeicherte Information enthält eine Liste von ausgewählten minimalen Funkfeldwegen für jedes S- D-Paar, für jede Konstellations-Konfiguration während vorge gebener Zeitperioden. In einer Ausführungsform, die als vir tuelle Pfad-Ausführungsform bezeichnet wird, wird ein kom pletter Satz von Weiterleitungsinformationen (d. h. ausge wählte minimale Funkfeldwege) in Gesprächssteuerzentren ge speichert, beispielsweise in der SCS 28 (Fig. 1). In dieser Ausführungsform enthält jedes Paket vorzugsweise ein Kenn zeichen (tag), welches den Weg angibt, welcher beschritten werden soll, wenn das Paket von Knoten zu Knoten fortschrei tet. Das Kennzeichen identifiziert ein Quellen/Zielpaar für das der Weg durch die Tasks 102-116 bestimmt wurde.

In der genannten Ausführungsform sendet die Task 120 Weiter leitungsinformationen (d. h. Listen von ersten, zweiten und dritten Auswahlmöglichkeiten für Wege mit minimalem Funk feld) zu jedem Knoten für die ausgewählten minimalen Funk feldwege, welcher diesen Knoten als Quellen- oder Übergangs knoten verwendet. Die Weiterleitungsinformation, die zu je dem Knoten gesendet wird, weist vorzugsweise Tabellenform auf. Die Weiterleitungstabelle, die zu jedem Knoten gesendet wird, listet jeden Knoten mit einem Kennzeichen, welches den Weg identifiziert, auf. Auf diese Weise enthält jeder Knoten nur Informationen über den nächsten Knoten des Weges, wel cher mit jedem Kennzeichen assoziiert ist. Daher muß nicht die gesamte Weiterleitungsinformation für alle Quellen/Ziel paar-Kombinationen in jedem Knoten der Konstellation gespei chert werden. Wenn ein Knoten ein Datenpaket enthält, ver wendet der Knoten das Paketweiterleitungs-Kennzeichen, um den nächsten Knoten auf dem ersten Auswahlweg mit minimalem Funkfeld zu finden, zu dem das Paket gesendet werden soll.

Für den Fachmann wird klar sein, daß die Ausführungsform mit virtuellem Pfad auch verhindert, daß Verbindungsblockierun gen auftreten, und daß dadurch eine verbesserte Weiterlei tungsmöglichkeit geschaffen wird.

In einer anderen Ausführungsform, die als Datagram-Ausfüh rungsform bezeichnet wird, identifiziert jedes Datenpaket einen Zielknoten als Teil der Paket-ID, statt ein Quellen/ Zielpaar zu identifizieren, wie bei der Ausführungsform mit virtuellem Pfad. In der Datagram-Ausführungsform werden die Datenpakete zu dem Zielknoten unabhängig davon weitergelei tet, von welchem Knoten das Paket empfangen wurde, und unab hängig vom Quellenknoten des Paketes. In der Datagram-Aus führungsform werden Weiterleitungstabellen für jeden Knoten der Konstellation vorzugsweise von der SCS 28 (Fig. 1) be stimmt. Die Weiterleitungsinformation, die durch die Tasks 102-116 bestimmt wurde, wird verwendet, um die Anzahl der ausgewählten Funkfeldwege zu bestimmen, welche jeden Knoten als Quellknoten oder Übergangsknoten (transit node) zum Sen den eines Datenpaketes zu einem anderen Zielknoten in der Konstellation verwenden. Basierend auf der Anzahl der ausge wählten Funkfeldwege, die einen Knoten verwenden, wird der Prozentsatz der ausgewählten Funkfeldwege, welche jede Ver bindung, die mit diesem Knoten assoziiert ist, verwenden, bestimmt. Dieses Verfahren wird für jeden Knoten der Kon stellation ausgeführt. Die bestimmten Prozentsätze werden als Wahrscheinlichkeit verwendet, mit denen ein Knoten eine seiner angezeigten Verbindungen verwendet, um ein Datenpaket zu einem identifizierten Zielknoten weiterzuleiten.

In der Datagram-Ausführungsform erzeugt die Task 118 eine Tabelle für jeden Knoten der Konstellation basierend auf diesen Prozentsätzen. Die Tabelle kann für jeden Knoten un terschiedlich sein und vorzugsweise schließt sie für jeden Zielknoten die Wahrscheinlichkeit, mit der jede Verbindung genutzt wird, mit ein. In einer Ausführungsform kann ein Knoten vier Ausgangsverbindungen haben. Drei der vier Aus gangsverbindungen können auf ausgewählten Funkstreckenwegen für einen bestimmten Zielknoten liegen. In diesem Fall würde die Tabelle den Knoten dahingehend informieren, jede der drei Verbindungen mit einem Prozentsatz basierend auf der Häufigkeit, mit der jede Verbindung in den ausgewählten Funkstreckenwegen enthalten ist, zu nutzen. Somit kann eine Verbindung für siebzig Prozent der Zeit aufgelistet sein, während die anderen zwei Verbindungen für zwanzig bzw. zehn Prozent der Zeit für einen bestimmten Zielknoten aufgelistet sind. In der Datagram-Ausführungsform sendet die Task 120 jede der individuellen Tabellen an den geeigneten Knoten, welcher für die Weiterleitung der Datenpakete verwendet wird.

Die Datagram-Ausführungsform leitet die Datenpakete zu den Zielknoten, unabhängig davon weiter, von welchem Knoten das Paket empfangen wurde und unabhängig von dem Quellknoten des Paketes. Für den Fachmann wird klar sein, daß, obwohl die Datagram-Ausführungsform, die durch die Tasks 102-116 be stimmte Weiterleitungsinformation nicht vollständig aus nützt, im Gegensatz zur Ausführungsform mit virtualem Pfad, diese Ausführungsform den Vorteil aufweist, daß weniger In formation von jedem Datenpaket befördert werden muß, da je des Datenpaket lediglich den identifizierten Zielknoten trägt. Beispielsweise sind bei einer Ausführungsform mit 66 Satellitenknoten nur sieben Bit-Adressen notwendig, um alle möglichen Zielknoten zu identifizieren, während bei der Aus führungsform mit virtuellem Pfad zumindest dreizehn Bit- Adressen notwendig sind, um eine bestimmte Quellen/Zielpaar- Kombination zu identifizieren.

Es ist eine Weiterleitungslogik für die Entscheidung in den Satellitenknoten notwendig, um die Datenpakete weiterzulei ten. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Ent scheidungen in einem Satellitenknoten durch logische Gatter implementiert, obwohl für den Fachmann klar sein wird, daß auch andere Implementationen möglich sind. In einer Ausfüh rungsform werden logische Weiterleitungsentscheidungen, basierend auf einer Zieladresse, die in jedem Datenpaket angezeigt ist, ausgeführt. Die Weiterleitungsentscheidungen variieren in Abhängigkeit davon, ob der Knoten ein aussen dender, ein dazwischenliegender oder ein Zielknoten ist.

Fig. 9 zeigt eine parallele Hardware-Implementation einer Paket-Weiterleitungslogik innerhalb eines aussendenden Kno tens, wie er für eine bevorzugte Ausführungsform der vorlie genden Erfindung geeignet ist. Der aussendende Knoten ist ein Satellitenknoten, welcher das Paket entweder über eine Teilnehmerverbindung 16 (Fig. 1) von einer Teilnehmereinheit 26 (Fig. 1) oder über Erdverbindungen 15 (Fig. 1) von einer Überleiteinrichtung 22 (Fig. 1) erhält. Wie oben angespro chen, besitzt der aussendende Knoten vorzugsweise eine Ab schätzung über die Entfernung des Ziels des Paketes in Form einer minimalen Funkfeldzahl von dem aussendenden Knoten punkt. Der minimale Funkfeldzahl-Abstand basiert auf dem minimalen Funkfeldweg in einer funktionierenden Konstella tion (d. h. mit kleinen Fehlern). Die abgeschätzte Entfernung wird vorzugsweise nur vor dem aussendenden Knoten als für die Entscheidung verwendete untere Grenze verwendet. Der ge schätzte Entfernungsparameter wird als minimale Funkfeld zahl-Distanz (minimal hop count distance) (MHCD) bezeichnet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird diese Information entweder zu dem aussendenden Knoten über Gesprächsauf baunachrichten von der Gesprächsverarbeitungs-Überleitein richtung überliefert und in diesem gespeichert, oder in Echtzeit (z. B. durch reine verdrahtete Logik) basierend auf dem angezeigten Ziel innerhalb des Paketes berechnet. In ei ner anderen bevorzugten Ausführungsform kann das Paketziel durch ein Unterfeld von 3 Bits angezeigt sein, wodurch eine Umlaufzahl angezeigt wird und darüber hinaus durch ein 3 oder 4 Bit Unterfeld angezeigt werden, welches den bestimm ten Satelliten innerhalb der Ebene kennzeichnet.

Der aussendende Knoten überprüft die angezeigte MHCD gegen über einem setzbaren Schwellwert, der hier MHCT (minimum hop count threshold) genannt wird, welcher in den Satellitenkno ten durch die SCS programmiert wird. Der aussendende Knoten leitet das Paket über die zweite oder die erste Ausgangsver bindungswahl weiter, welche durch die Weiterleitungstabelle angezeigt wird, in Abhängigkeit davon, ob für den MHCD fest gestellt wird, daß er unter oder über dem festgelegten MHCT- Schwellwert liegt. Somit wird das Paket über den indirekten (längeren) Pfad gesendet, wenn die Funkfeldzahlverzögerung dies erlaubt und verwendet die Verbindungen für einen direk ten Pfad (mit minimalen Funkfeldwegen) für Pakete, die ein weiter entferntes Ziel erreichen müssen. Dies verhindert, daß Leitungsblockierungen durch Ladungsaufsplittung auftre ten. Die Ladungsaufsplittung wird auf einer Gesprächs/ Gesprächs-Basis effektiv erreicht, da alle Pakete von dem gleichen Gespräch im allgemeinen entlang der gleichen Quel len/Ziel-Funkfeldzahldistanz gehören. Für den Fachmann wird klar sein, daß die Verzögerungsschwankungen, die bei Sprach daten auftreten, eliminiert werden. Eine Ausführungsform der Weiterleitungslogik bei dem aussendenden Knoten ist in Fig. 9 in Form einer parallelen Implementation in Hardware auf grund von Einfachheit und Geschwindigkeitsüberlegungen dar gestellt.

In Fig. 9 bestimmt die Task 202, ob ein Paket für den momen tanen Knoten adressiert ist. Die Task 204 liefert das Paket über eine "downlink"-Verbindung an einen Erdterminal oder eine Teilnehmereinheit. Wenn das Paket nicht für den momen tanen Knoten adressiert ist, werden die drei Ausgangslei tungswahlmöglichkeiten von der Weiterleitungstabelle in der Task 206 gelesen. Die Task 208 leitet die Pakete über die Zweite-Wahl-Ausgangsverbindung weiter, falls sie nicht feh lerhaft ist. In einer bevorzugten Ausführungsform leitet die Task 208 das Paket über die Zweite-Wahl-Ausgangsverbindung weiter, falls sie nicht fehlerhaft ist und der MHCD kleiner ist als der MHCT.

Die Task 210 leitet das Paket über die Erste-Wahl-Ausgangs verbindung weiter, wenn die Zweite-Wahl-Ausgangsverbindung fehlerhaft ist. In einer bevorzugten Ausführungsform leitet die Task 210 das Paket über die Erste-Wahl-Ausgangsverbin dung weiter, wenn die Zweite-Wahl-Ausgangsverbindung fehler haft ist und der MHCD kleiner ist als der MHCT. Die Task 212 leitet das Paket über die Dritte-Wahl-Ausgangsverbindung weiter, wenn die Erste- und Zweite-Wahl-Ausgangsverbindungen beide fehlerhaft sind. Die Task 214 leitet das Paket über die erste Verbindung weiter, wenn diese nicht fehlerhaft ist. In einer bevorzugten Ausführungsform leitet die Task 214 das Paket über die erste Verbindung weiter, falls diese nicht fehlerhaft ist und der MHCD größer oder gleich der MHCT ist. Die Task 216 leitet das Paket über die zweite Ver bindung weiter, falls diese nicht fehlerhaft ist. In einer bevorzugten Ausführungsform leitet die Task 216 das Paket über die zweite Verbindung weiter, falls diese nicht fehler haft ist und der MHCD größer oder gleich der MHCT ist. Die Task 218 mißachtet das Paket wenn alle Ausgangsverbindungs möglichkeiten, die in der Tabelle aufgelistet sind, fehler haft sind.

Fig. 10 zeigt eine parallele Hardware-Implementation der Paketweiterleitungslogik innerhalb eines nichtaussendenden Knotens, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung. Die Weiterleitungslogik, die verwendet wird, um das Paket an einen beliebigen Knoten außer an dem Knoten, welcher das Paket aussendet, zu schalten, wird durch die Prozedur 300 beschrieben. Ein Satellitenknoten leitet ein Paket über eine erste Ausgangsverbindungsmöglichkeit, die in der Weiterleitungstabelle angezeigt ist (für den Zu stand der Konstellations-Kofiguration), weiter, wenn diese Verbindung nicht fehlerhaft ist. Im anderen Fall wird die zweite Ausgangsverbindung, die angezeigt wird, überprüft, falls diese nicht fehlerhaft ist. Andernfalls wird die dritte Ausgangsverbindung, die angezeigt ist, überprüft und das Paket über diese weitergeleitet, falls sie nicht fehler haft ist. Wenn alle Ausgangsverbindungswahlmöglichkeiten ausfallen, wird das Paket fallengelassen und der Schaltpro zeß innerhalb des Knotens ist abgeschlossen. Eine Ausfüh rungsform einer parallelen schnellen Hardware-Implementation dieser Logik ist in Fig. 10 gezeigt.

In Fig. 10 bestimmt die Task 302 ob das Paket für den momen tanen Knoten adressiert ist und, falls dies der Fall ist, liefert die Tasks 304 das Paket über eine "downlink"-Verbin dung an einen Erdterminal oder eine Teilnehmereinheit. Wenn das Paket nicht für den momentanen Knoten adressiert ist, werden drei Ausgangsverbindungsmöglichkeiten von der Weiter leitungstabelle in der Task 306 gelesen. Die Task 308 leitet das Paket über die Erste-Wahl-Ausgangsverbindung weiter, wenn diese nicht fehlerhaft ist. Die Task 310 leitet das Paket über die Zweite-Wahl-Ausgangsverbindung weiter, wenn die Erste-Wahl-Ausgangsverbindung fehlerhaft ist. Die Task 312 leitet das Paket über die Dritte-Wahl-Ausgangsverbindung weiter, wenn die Erste- und Zweite-Wahl-Ausgangsverbindungen beide fehlerhaft sind. Die Task 314 verwirft das Paket, wenn alle Ausgangsverbindungsmöglichkeiten, die in der Tabelle aufgelistet sind, fehlerhaft sind.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung für das Weiterleiten von Datenpaketen und der Knoten in einem Kommunikations system, bei dem die Knoten sich zueinander bewegen und bei denen sich die Verbindungen zwischen den Knoten als Funktion der Position der Knoten und aufgrund von Verbindungsfehlern verändern, liegen auf der Hand. Diese Vorteile schließen ein hochverteiltes Weiterleitungsverfahren, das autonom bei je dem Knoten implementiert ist, mit ein. Ein anderer Vorteil des Weiterleitungsverfahrens besteht in der einheitlichen Verwendung der Netzwerkverbindungen, während die Anzahl der Funkfelder bei jedem Pfad, der für das Weiterleiten verwen det wird, begrenzt wird. Ein anderer Vorteil der vorliegen den Erfindung besteht darin, daß Einheitlichkeit erzielt wird, welche hilft, Verbindungsblockierungen zu verhindern. Ein anderer Vorteil besteht darin, daß keine Weiterleitungs information in der SCS oder den GWs gehalten oder erneuert werden muß. Andere Vorteile bestehen darin, daß Blockierung verhindert wird, und nicht auf diese reagiert wird. Ein an derer Vorteil besteht in der Verbindungsfehlersicherheit und der Weiterleitung von Datenpaketen, um Verbindungsfehler un ter Verwendung vorberechneter alternativer Verbindungsmög lichkeiten.

Claims

1. Verfahren für ein Kommunikationssystem (10) mit einer Vielzahl von Knoten (12), die miteinander über Verbin dungen (21, 23) kommunizieren, wobei das Verfahren zum Weiterleiten von Datenpaketen (70) über die Vielzahl der Knoten (12) dient und folgende Schritte umfaßt:

(a) Auffinden von Wegen mit minimalem Funkfeld (hop) (104) zwischen einem Quellenknoten und einem Ziel knoten, wobei jede dieser Wege mit minimalem Funk feld durch eine Sequenz von Verbindungen gekenn zeichnet ist, über die ein Datenpaket gesendet wer den kann;
(b) Berechnen (106) einer LUP (link usage probability) für jede Verbindung, die mit den Wegen mit minimalem Funkfeld assoziiert ist;
(c) Auswählen eines Erste-Wahl-Weges mit minimalem Funk feld von den Wegen mit minimalem Funkfeld, basierend auf den LUPs, die mit jeder Verbindung der Wege mit minimalem Funkfeld assoziiert sind; und
(d) Weiterleiten des Datenpaketes von dem Quellknoten zu dem Zielknoten über den Erste-Wahl-Weg mit minimalem Funkfeld.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend folgende Schritte:
Berechnen einer Netzwerkweiterleitungsentropie (network routing entropy, NRE) unter Verwendung der LUPs, wobei der Auswahlschritt weiterhin den Schritt des Auswählens eines Erste-Wahl-Weges mit minimalem Funkfeld, basierend auf dem NRE einschließt; und
Bestimmen für jeden Weg mit minimalem Funkfeld, eine Verbindung, die den Maximalwert der LUPs aufweist und wobei der Auswahlschritt weiterhin den Schritt des Aus wählens des Erste-Wahl-Weges mit minimalem Funkfeld der die Verbindung mit dem geringsten der maximalen Werte aufweist, einschließt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Bestimmungsschritt weiterhin den Schritt des Bestimmens aufweist, welche Verbindungen für den Transfer eines Datenpaketes während vorgegebener Zeitperioden nicht verfügbar ist, wobei die Verbindungen ausgeschaltet werden, wenn die Knoten ihre Umlaufposition ändern.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wege mit minimalem Funkfeld einen Übergangsknoten in einer Sequenz von Ver bindungen einschließen, wobei der Übergangsknoten ein Knoten aus dem Erste-Wahl-Weg mit minimalem Funkfeld ist und wobei jeder Knoten aus der Vielzahl von Knoten eine Vielzahl von Verbindungen, die damit assoziiert sind, aufweist, und wobei das Auswählen weiterhin den Schritt des Auswählens von Erste-Wahl-Wegen mit minimalem Funk feld für jedes Quellen/Zielpaar von Knoten aus der Viel zahl mit einschließt und wobei das Verfahren weiterhin folgende Schritte aufweist:
für jeden Übergangsknoten Berechnen eines Prozentsatzes mit dem jede Verbindung, die mit dem Übergangsknoten assoziiert ist, durch die Erste-Wahl-Wege mit minimalem Funkfeld identifiziert werden, welche den Übergangs knoten zum Weiterleiten an den Zielknoten verwenden und wobei der Weiterleitungsschritt den Schritt des Weiter leitens des Datenpaketes vom Übergangsknoten weg zum Zielknoten über eine aus der Vielzahl von Verbindungen, die mit dem Übergangsknoten assoziiert sind, basierend auf dem Prozentsatz mit einschließt,
und wobei weiterhin folgende Schritte vorgesehen sind:
Erzeugen einer Tabelle für den Zielknoten für den Über gangsknoten, welche einen Prozentsatz für jede Verbin dung aus der Vielzahl von Verbindungen, die mit dem Übergangsknoten assoziiert sind, einschließt; und
Senden der Tabelle zu dem Übergangsknoten.

5. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend den Schritt des Bestimmens von verfügbaren Verbindungen, die während einer vorgegebenen Zeitperiode benutzt werden können und wobei der Auffindeschritt weiterhin den Schritt des Betrachtens von nur verfügbaren Verbindungen zum Finden der Wege mit minimalem Funkfeld einschließt, wobei die vorgegebenen Zeitperioden auf unterschiedli chen Konstellations-Konfigurationen für die Vielzahl von Knoten beruhen, und wobei die Konstellations-Konfigura tionen Umlaufpositionen für jeden Knoten während jeder vorgegebenen Zeitperiode einschließt, einschließlich von Verbindungen, für die geplant ist, sie während jeder der vorgegebenen Zeitperioden auszuschalten.

6. Kommunikationssystem zum Weiterleiten von Datenpaketen über Wege mit minimalem Funkfeld (hop), um eine ver teilte Benutzung von Kommunikationsverbindungen zu erreichen, wobei die Wege mit minimalem Funkfeld durch eine Liste von Kommunikationsverbindungen bezeichnet werden, über die ein Datenpaket zwischen einem Quell knoten und einem Zielknoten gesendet werden kann, und wobei das System aufweist:
eine Vielzahl von Knoten, die sich in bezug zueinander bewegen, wobei die Knoten über Kommunikationsverbindun gen miteinander gekoppelt sind;
Mehrkanal-Sende-Empfangseinrichtungen, die mit jedem Knoten aus der Vielzahl von Knoten assoziiert sind, um Datenpakete über die Kommunikationsverbindungen, unter Verwendung der Wege mit minimalem Funkfeld, zu senden;
einen Prozessor, der mit jedem der Mehrkanal- Sende/Empfangseinrichtung gekoppelt ist; und
einer Steuereinrichtung, die mit den Knoten gekoppelt ist, um zu bestimmen, welche der Kommunikationsverbin dungen während vorgegebener Zeitperioden verfügbar sind und um die Wege mit minimalem Funkfeld zwischen den Kno ten zu bestimmen, um die LUPs (link usage probabilities) für jede Kommunikationsverbindung der Wege mit minimalem Funkfeld zu berechnen, um eine Netzwerkweiterleitungs entropie (NRE), basierend auf den LUPs zu berechnen, und um einen Erste-Wahl-Weg mit minimalem Funkfeld aus den Wegen mit minimalem Funkfeld für den Quellknoten und für den Zielknoten, basierend auf der NRE, auszuwählen.

7. Kommunikationssystem nach Anspruch 6, wobei die Erste- Wahl-Wege mit minimalem Funkfeld einen Übergangsknoten in der Sequenz von Verbindungen aufweisen, wobei der Übergangsknoten ein Knoten aus dem Erste-Wahl-Weg mit minimalem Funkfeld ist und wobei die Steuereinheit auf weist:
eine Einrichtung zum Berechnen eines Prozentsatzes mit der jede Kommunikationsverbindung aus der Vielzahl der Verbindungen, die mit dem Übergangsknoten assoziiert sind, durch den Erste-Wahl-Weg mit minimalem Funkfeld, der den Übergangsknoten verwendet, identifiziert wird; und
eine Einrichtung zum Instruieren der Sende/Empfangseinrichtung, die mit dem Übergangsknoten gekoppelt ist, ein Datenpaket von dem Übergangsknoten, über eine der mit dem Übergangsknoten assoziierte Kommu nikationsverbindung, basierend auf dem Prozentsatz, zu senden.

8. Kommunikationssystem nach Anspruch 6, weiterhin enthal tend ein Speichermedium an jedem Knoten, der mit den Prozessoren gekoppelt ist, wobei das Speichermedium eine Tabelle speichert, die einen Erste-Wahl-Weg mit minima lem Funkfeld einschließt, wobei die Tabelle von der Steuereinrichtung zu jedem Knoten der Vielzahl von Kno ten über eine "uplink"-Verbindung gesendet wird.

9. Kommunikationssystem nach Anspruch 6, wobei die Steuer einrichtung eine Einrichtung zum Auffinden alternativer Funkfeldwege einschließt, wenn nur ein Weg mit minimalem Funkfeld gefunden wurde, wobei die alternativen Funk feldwege Wege mit einschließen, die eine Funkfeldlänge aufweisen, die geringer ist als ein akzeptierbarer Schwellwert für einen Typ von Datenpaket, wobei der akzeptierbare Schwellwert auf einer Verzögerung, die mit dem alternativen Funkfeldweg assoziiert ist, basiert.

10. Verfahren für ein Kommunikationssystem, bestehend aus einer Vielzahl von Knoten, die sich in bezug aufeinander bewegen und die miteinander über Verbindungen kommuni zieren, wobei das Verfahren zum Weiterleiten von Daten paketen unter den Knoten dient und folgende Schritte aufweist:
Bestimmen von verfügbaren Bestimmungen während einer Vielzahl von vorgegebenen Zeitperioden, wobei jede Zeit periode auf unterschiedlichen Konstellations-Konfigura tionen für die Knoten beruht, die Konstellations-Konfi gurationen Umlaufpositionen für jeden der Knoten während jeder der vorgegebenen Zeitperioden einschließt;
Auffinden von minimalen Funkfeldwegen für jede Konstel lations-Konfiguration zwischen Quell- und Ziel-Knoten paaren, wobei jeder Weg mit minimalem Funkfeld durch eine Sequenz von verfügbaren Verbindungen gekennzeichnet ist, über die ein Datenpaket zwischen einem Quellknoten und einem Zielknoten gesendet werden kann;
Berechnen einer LUP (link usage probability) für jede der Verbindungen der Sequenz, wobei der LUP auf einer Anzahl von Zeiten basiert zu denen eine Verbindung in jeder der Sequenzen verwendet wird;
Berechnen einer Netzwerkweiterleitungsentropie, basie rend auf den LUPs;
für jedes Quell/Zielknotenpaar auswählen eines Weges mit minimalem Funkfeld für jede Konstellations-Konfigura tion, wobei dieser ausgewählte Weg mit minimalem Funk feld zur größten Netzwerkweiterleitungsentropie (NRE) führt; und
Weiterleiten während der vorgegebenen Zeitperioden, die mit den Konstellations-Konfigurationen assoziiert sind, das Datenpaket zwischen einem Quellknoten und einem Zielknoten über den Weg mit minimalem Funkfeld.