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Dokumentenidentifikation DE69737051T2 06.06.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000805567
Titel Verfahren zur Lastverteilung zwischen Satelliten in einer Telekommunikationsanordnung
Anmelder Northrop Grumman Corp., Los Angeles, Calif., US
Erfinder Courtney, William F., Long Beach, CA 90815, US
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69737051
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 25.03.1997
EP-Aktenzeichen 971050430
EP-Offenlegungsdatum 05.11.1997
EP date of grant 06.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.06.2007
IPC-Hauptklasse H04B 7/185(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der satellitenbasierten Telekommunikationen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausbalancieren bzw. Ausgleichen von Ausgabeleistungsanforderungen innerhalb einer Satellitenkonstellation.

Hintergrund der Erfindung

Heutzutage existieren Satellitensysteme zum Unterstützen von Telekommunikation mit festen und mobilen Nutzerendgeräten. Satelliten-basierte Telekommunikationssysteme, wie beispielsweise Odyssey (wie von der Rechtsnachfolgerin der vorliegenden Anmeldung vorgeschlagen), verwenden eine Satellitenkonstellation, um Kommunikationssignale zwischen Nutzerendgeräten und Boden- oder Basisstationen weiterzuleiten. Die Nutzerendgeräte sind Bodenstationen zugeordnet. Die Bodenstationen leiten Anrufe zu und von den zugeordneten Nutzerendgeräten. Die Nutzerendgeräte und die zugeordneten Bodenstationen kommunizieren entlang vorzugeordneter Kommunikationskanäle mit einer vorzugeordneten Bandbreite (Unterband), die um eine Trägerfrequenz herum zentriert ist. Die Satelliten unterstützen einen separaten Kommunikationskanal für jedes Nutzerendgerät. Um einen Kanal aufrechtzuerhalten, muss der Satellit Funkfrequenzsignale zur Bodenstation und zum Nutzerendgerät bei einer ausreichenden Leistung übertragen, um eine gewünschte Dienstleistungsqualität ("quality of service"; QoS) aufrechtzuerhalten. Jeder Satellit muss seine Leistungsausgabe oder seinen "Bedarf" anpassen, um sicherzustellen, dass ein ausgehendes Kommunikationssignal mit ausreichender Leistung ausgesandt wird, um von der Nutzerstation empfangen zu werden, während durch Übertragen eines unnötig hohen Pegels keine Leistung verschwendet wird. Daher hängt der Leistungsbedarf bzw. die Leistungsanforderung an einen Satelliten von der Zahl der Nutzerendgeräte (z. B. der Kanäle) ab, die dieser unterstützt.

Satelliten in einem Telekommunikationssystem können konfiguriert sein, um eine im Wesentlichen kontinuierliche einfache oder doppelte Abdeckung der gewünschten Hemisphärenbereiche oder der gesamten Welt bereitzustellen. Ein Beispiel für ein solches System ist in US 5,433,726 offenbart, das auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übergegangen ist. Um eine solche Abdeckung zu erreichen, leisten sich die Satelliten überlappende Empfangsgebiete, wodurch ein Nutzer in dem überlappenden Empfangsgebiet einem von zwei oder mehr Satelliten zugeordnet sein kann. Lediglich beispielhaft kann, wenn ein Nutzerendgerät sich im Sichtfeld von zwei Satelliten befindet, das Nutzerendgerät demjenigen Satelliten zugeordnet werden, der in der Lage ist, die längste oder stärkste Kommunikationslänge bzw. -dauer vor dem Weiterreichen des Nutzerendgeräts an einen neuen Satelliten aufrechtzuerhalten.

Jedoch kann ein solches Zuordnungsschema zu einer nicht optimalen Satellitenleistungszuweisung von Nutzern führen, wodurch der Gesamtleistungsbedarf an einen Satelliten signifikant geringer ist als der Bedarf an einen anderen Satelliten. Daher verbleibt innerhalb des Satellitentelekommunikationsgebiets ein Bedarf nach einer verbesserten Satellitenauslastungstechnik, um Leistungsanforderungen bzw. -bedürfnisse effizient und gleichmäßig auf die Satelliten in einer Konstellation zu verteilen.

WO 95/19078 offenbart Funkkommunikationssysteme und -verfahren zum Minimieren einer Co-Kanalinterferenz, die auf bodengestützte mobile Kommunikationen, Satellitenkommunikationssysteme und Hybride davon angewandt werden kann. Ein Signalverarbeiten unter Verwendung von Matrixmodellen empfangener und ausgesandter Signale stellt eine minimierte Interferenz bereit. Ein Steuerprozessor an einer Verteilerknotenstation untersucht periodisch, ob eine gesamte Satellitenleistung durch Entfernen einer "worst case"-Mobilstation aus einer Gruppe minimiert werden kann, welcher das mobile Gerät zugeordnet ist, und durch Zuordnen dieses mobilen Geräts einer unterschiedlichen Gruppe. Die Satellitenleistungseinsparung, die durch Unterstützen nur des Rests auf die effektivste Art eingespart werden würde, wird bestimmt.

Aufgaben der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes und schnelles Verfahren zum Zuordnen von Nutzerendgeräten zu Satelliten bereitzustellen, um eine optimale Leistungsbedarfsverteilung über die Satellitenkonstellation zu erreichen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nutzerendgeräte-Verteilung zu initialisieren, um die Gesamtsystemleistungsanforderungen zu minimieren, und zwar durch Zuordnen eines Nutzerendgeräts oder eines Clusters von Endgeräten, welche gemeinsam von mehr als einem Satelliten abgedeckt werden, zu dem Satelliten, welcher die niedrigste Leistungsmenge benötigt, um mit diesem Nutzerendgerät oder Cluster zu kommunizieren.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgewählte Nutzerendgeräte oder Cluster in überlappenden Bereichen von einem Satelliten mit einem höheren Leistungsbedarf zu einem Satelliten mit einem Niedrigleistungsbedarf neu zuzuordnen.

Es ist eine Nebenaufgabe der vorliegenden Erfindung, Nutzerendgeräte oder Cluster so neu zuzuordnen, dass sie eine Erhöhung im Leistungsbedarf an einen Satelliten minimieren, während sie die Verringerung im Leistungsbedarf bzw. der Leistungsanforderung an einen zweiten Satelliten maximieren.

Es ist noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Anstieg in dem Gesamtleistungsbedarf an die Satellitenkonstellation während einer erneuten Zuordnung zu minimieren.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die maximale Leistung zu minimieren, die von jedem Satelliten benötigt wird, als auch die Gesamtmenge des Überleistungsbedarfs an die Satellitenkonstellation.

Diese und andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden genaueren Beschreibung klar, die zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen aufzunehmen ist, welche beispielhaft die Prinzipien der Erfindung darstellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt eine Draufsicht auf eine Momentaufnahme einer Satellitenabdeckung der Erde.

2 zeigt ein Satellitenpunktdiagramm, das von der bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, um die Momentaufnahme der Satellitenabdeckung von 1 zu modellieren.

3 zeigt ein Flussdiagramm der Ablauffolge, der von der bevorzugten Ausführungsform gefolgt wird.

4 zeigt eine beispielhafte Datentabelle, die von der bevorzugten Ausführungsform erzeugt wird, während sie den Schritten von 3 folgt.

5A und 5B zeigen ein Flussdiagramm des Ablaufflusses der bevorzugten Ausführungsform zum optimalen Neuzuordnen von Nutzerendgeräten oder Endgeräte-Clustern in einer Satellitenkonstellation gemäß der vorliegenden Erfindung.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

1 zeigt eine beispielhafte Satellitenkonstellation 100, die 12 Satelliten aufweist. jeder Satellit umfasst eine zugehörige "Ausleuchtzone" oder Empfangsgebiet, welche die Erde überstreicht, wenn der Satellit um diese kreist. Der Satellit 1 weist eine Ausleuchtzone 13 auf, welche fast die gesamten Vereinigten Staaten abdeckt. Daher kommuniziert Satellit 1 mit den Nutzerendgeräten in den Vereinigten Staaten, welche sich innerhalb ihrer Ausleuchtzone befinden. Auf gleiche Weise weist der Satellit 12 eine Ausleuchtzone 24 auf, die Teile von Nord- und Südamerika abdeckt. Zu diesem Zeitpunkt, der durch 1 gezeigt wird, weisen die Ausleuchtzonen 13 und 24 oder Empfangsgebiete von Satelliten 1 und 12 ein signifikante überlappendes Empfangsgebiet 40 auf. Dementsprechend können die Nutzerendgeräte, die sich in dem überlappenden Empfangsgebiet 40 befinden, so zugeordnet sein, dass sie mit dem Satelliten 1 oder dem Satelliten 12 kommunizieren.

Satelliten 9 und 11 befinden sich über Afrika bzw. Südamerika. Die Satelliten 9 und 11 weisen Ausleuchtzonen 21 bzw. 23 auf. Die Ausleuchtzonen 21 und 23 weisen ein überlappenden Empfangsgebiet 140 auf. Dementsprechend können Nutzerendgeräte, die sich in dem überlappenden Empfangsgebiet 140 befinden, dem Satelliten 9 oder den Satelliten 11 zugeordnet sein.

Zu Erklärungszwecken wird die folgende Beschreibung hauptsächlich in Bezug auf Cluster von Nutzerendgeräten bereitgestellt. Ein "Cluster" stellt alle Nutzerendgeräte innerhalb eines vordefinierten geographischen Bereichs oder einer festen Zelle dar, um einen vorzugeordneten Bereich auf der Erde abzudecken. Nutzerendgeräte können innerhalb einer Zelle fest sein oder mobil sein. Es sollte klar sein, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen für eine individuelle Nutzerendgerätestation nützlich ist.

1 zeigt Nutzercluster 50, 55 und 60 in dem überlappenden Empfangsgebiet 40 und Cluster 65, 75 und 85 in dem überlappenden Empfangsgebiet 140. Während die gezeigte geographische Größe der Nutzercluster vergleichsweise groß ist, gibt es praktisch keine Grenze, wie klein oder groß ein Nutzercluster sein mag. Wie weiter unten erklärt, weist die vorliegende Erfindung die Cluster 50, 55 und 60 den Satelliten 1 oder 12 zu, und Cluster 65, 75 und 85 den Satelliten 9 oder 11 zu, um so die Leistungslast der Satelliten 1, 9, 11 und 12 optimal auszugleichen.

Optional kann die Verarbeitungsabfolge der bevorzugten Ausführungsform durch ein Systemoperationszentrum mit einem Mainframe-Computer ausgeführt werden, welcher mit jeder Bodenstation durch Landleitungen kommuniziert. Die Bodenstationen können eine Leistungsbedarfsinformation von jedem Satelliten auf eine Art empfangen, die in einer Anmeldung, betitelt "Power Control Method and Apparatus for Satellite Based Telecommunications Systems", Aktenzeichen 08/640,198, auch veröffentlicht als EP 0 805 568 A1, beschrieben und dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen worden ist. Die Bodenstationen können auf die in einer Anmeldung, betitelt "Satellite-Based Cellular Telecommunications System Utilizing An Earth Station Subsystem", Aktenzeichen 08/653,606, auch veröffentlicht als EP 0 808 035 A2, und dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen, beschriebene Art kommunizieren.

2 zeigt ein Satellitenkonstellationsmodell, das durch das Systemoperationszentrum ("system operations center"; SOC) erzeugt worden ist, und zwar auf der Grundlage der Satellitenabdeckungsmomentaufnahme von 1. Jeder Punkt oder Knoten in 2 entspricht einem der Satelliten aus der Satellitenkonstellation 100. Die Linien, welche die Satellitenpunkte verbinden, stellen die überlappenden Empfangsgebiete zwischen den verbundenen Satelliten dar. Wie weiter unten beschrieben, identifiziert das Systemoperationszentrum für jede Verbindungslinie Cluster (in dem zugehörigen überlappenden Empfangsgebiet), welche jedem der Satelliten zugeordnet werden können, die durch die Linie verbunden sind. Beispielsweise ist Satellit 8 mit den Satelliten 7, 1 und 10 durch die Linien 110, 120 bzw. 130 verbunden. Daher stellt Linie 110 das überlappende Empfangsgebiet 150 (siehe 1) dar, welches sich von den Ausleuchtzonen der Satelliten 8 und 7 geteilt wird, in welchen die Nutzercluster in überlappenden Empfangsgebieten 150 jedem der Satelliten zugeordnet sein können. Auf gleiche Weise stellt Linie 120 das überlappende Empfangsgebiet 160 dar, das durch die Ausleuchtzone der Satelliten 8 und 9 geteilt wird. Linie 130 stellt das überlappende Empfangsgebiet 170 dar, die durch die Ausleuchtzonen der Satelliten 8 und 10 geteilt wird. Als Letztes stellt Linie 125 das überlappende Empfangsgebiet 140 (1) dar, in welchem sich die Cluster 50, 55 und 60 befinden.

Der Ablauf der bevorzugten Ausführungsform kann die folgenden Schritte umfassen: (1) Ermittle eine Satellitenabdeckungsmomentaufnahme am Satellitenoperationszentrum (z. B. 1); (2) identifiziere die Satelliten mit überlappenden Empfangsgebieten (z. B. 2); (3) identifiziere die Nutzercluster, die sich in den überlappenden Empfangsgebieten befinden; (4) ordne anfänglich die Nutzercluster, die sich in den überlappenden Empfangsgebieten befinden, einem der abdeckenden Satelliten zu (z. B. dem Satelliten, der das geringste Maß an Leistung benötigt, um mit den Nutzerclustern zu kommunizieren, oder zufällig); (5) Neuzuordnen von Clustern (oder Teilen davon) zu anderen Satelliten, um die Leistungslast am Satellitenkonstellationssystem effizient auszugleichen; und (6) Wiederholen des Ablaufs zu regelmäßigen Zeitdauern, um einen effizienten Leistungsausgleich aufrecht zu erhalten. Das Verfahren wird genauer weiter unten beschrieben.

Bezugnehmend auf 3 gruppiert das Systemoperationszentrum (SOC) alle Nutzerendgeräte in Nutzercluster, auf der Grundlage des geographischen Orts des Nutzerendgeräts in Bezug auf das vordefinierte geographische Cluster oder Zellengrenzen. Sobald der SOC-Prozessor die Nutzercluster definiert (oder vor Schritt 200), erlangt der Prozessor eine Satellitenabdeckungsmomentaufnahme (wie in 1) für einen Zeitpunkt in der Zeit. Jedes Nutzerendgerät verbleibt in seinem aktuellen geographischen Nutzercluster für alle folgenden Lastausgleichsberechnungen, bis eine neue Momentaufnahme erlangt wird.

Als Nächstes bestimmt in Schritt 205 der Prozessor den Satellitenleistungsbedarf, der notwendig ist, um mit einem zugeordneten Nutzercluster innerhalb ihrer Ausleuchtzone (oder des Empfangsgebiets) zu kommunizieren. In Schritt 210 erzeugt der Prozessor ein Feld bzw. ein Array von Leistungsbedürfnissen für jedes Nutzercluster, das durch mehr als einen Satelliten abgedeckt wird (im Folgenden als ein "gemeinsames Cluster" bezeichnet). Lediglich zu Darstellungszwecken werden, falls mehr als zwei Satelliten ein Nutzercluster abdecken, die Leistungsbedürfnisse für die Cluster in Bezug auf zwei der Satelliten zugeordnet, wie beispielsweise die zwei Satelliten mit dem höchsten Erhebungs- bzw.. Höhenwinkel in Bezug auf die Nutzerendgeräte im Nutzercluster.

Nachdem die Liste von Leistungsbedürfnissen für gemeinsame Cluster zugeordnet worden ist, berechnet der Prozessor (Schritt 215) ein Leistungsbedarfsverhältnis für jedes gemeinsamen Clusters auf der Grundlage der Liste. Das "Leistungsbedarfsverhältnis" oder "PDR" ist gleich:

Die "Nummer" bzw. "Zahl" jedes Satelliten stellt eine vorbestimmte eindeutige Nummer bzw. Zahl dar, die jedem Satelliten in der Satellitenkonstellation zugeordnet ist (z. B. die Zahlen 1-12 in 1). Das PDR für jedes gemeinsame Cluster wird dann in einer Clusterverteilungstabelle gespeichert.

Optional kann die Clusterverteilungstabelle ("Cluster Distribution Table"; CDT) ein Feld von gemeinsamen Clusterelementen umfassen. Jedes gemeinsame Clusterelement kann durch die Satellitenkennungen (Nummern) des Paars überlappender Satelliten (im Folgenden als ein "gemeinsames Satellitenpaar" bezeichnet) indiziert werden. Die gemeinsamen Satellitenpaare decken gemeinsam ein oder mehrere Nutzercluster ab. Jedes Element der Clusterverteilungstabelle kann ein gemeinsames Satellitenpaar identifizieren, die gemeinsamen Cluster, welche durch das gemeinsame Satellitenpaar abgedeckt werden und den PDR-Wert für ein zugehöriges gemeinsames Cluster, das von einem gemeinsamen Satellitenpaar abgedeckt wird. Die gemeinsamen Cluster können nach abfallenden oder ansteigenden PDR-Werten aufgelistet werden. Ordnen der gemeinsamen Cluster anhand ihres PDR-Werts vereinfacht eine effiziente Suche nach dem "besten Cluster" zur Neuzuordnung (genauer weiter unten beschrieben). Zusätzlich kann die Clusterverteilungstabelle eine Satelliten/gemeinsame Cluster-Zuordnungsspalte aufweisen, welche die Satelliten angibt, welchen das gemeinsame Cluster anfänglich zugeordnet worden ist. Beispielsweise kann der Prozessor anfänglich ein gemeinsames Cluster demjenigen Satelliten in dem gemeinsamen Satellitenpaar zuordnen, welcher die geringste Leistung verwendet, um mit dem gemeinsamen Cluster zu kommunizieren (siehe Schritt 230). Durch anfängliches Zuordnen des gemeinsamen Clusters zu den Satelliten, welche die geringste Leistung verwenden, minimiert der Prozessor den anfänglichen Gesamtleistungsbedarf bezüglich der gesamten Satellitenkonstellation.

Im Folgenden wird ein Beispiel im Zusammenhang mit dem gemeinsamen Satellitenpaar gegeben, und zwar mit Satelliten 1 und 12 mit gemeinsamen Clustern 50, 55 und 60. Beispielsweise wird angenommen, dass die folgenden Leistungsbedarfsanforderungen an die Satelliten 1 und 12, um mit allen Nutzerendgeräten in jedem der gemeinsamen Cluster 50, 55 und 60 zu kommunizieren, die folgenden sind:

Bei Schritt 205 erlangt man die oben aufgeführten Leistungsbedürfnisse auf der Grundlage der Leistungsinformation, die von den Bodenstationen geliefert wird, welche durch die Satelliten abgedeckt werden. Die Cluster 50, 55 und 60 werden nur von zwei Satelliten abgedeckt, und daher wird Schritt 210 nicht benötigt. Daher geht die Steuerung auf den nächsten Schritt über, bei welchem der Prozessor die folgenden PDR-Werte für jedes gemeinsame Cluster erhält: gemeinsames Cluster 50 PDR = 5/4 = 1,25 gemeinsames Cluster 55 PDR = 3/4 = 0,75 gemeinsames Cluster 60 PDR = 4/2 = 2,00

Die PDR-Werte werden in der Clusterverteilungstabelle (4) bei Schritten 215 und 220 gespeichert. Die Tabelle wird in Schritt 225 nach PDR-Werten in aufsteigender Ordnung sortiert. Bei Schritt 230 werden die Cluster anfänglich zugeordnet, und diese Satellitenzuordnungen werden in der Clustersatellitenzuordnungs-Spalte der Tabelle abgespeichert. Cluster 55 wird anfänglich Satellit 1 zugeordnet, weil es weniger Leistung vom Satelliten 1 (3W) anfordert als vom Satelliten 12 (4W). Die Cluster 50 und 60 werden anfänglich dem Satelliten 12 zugeordnet, weil sie weniger Leistung vom Satelliten 12 verlangen als vom Satelliten 1, um Kommunikationsverbindungen mit einem gewünschten QoS aufrecht zu erhalten. Falls die Leistungsbedürfnisse eines Clusters bezüglich jedes Satelliten in dem abdeckenden gemeinsamen Satellitenpaar gleich sind, kann das Cluster dann einem der Satelliten in dem gemeinsamen Satellitenpaar zufällig zugeordnet werden. Als eine Option kann das Cluster dem Satelliten mit der niedrigeren Zahl in dem gemeinsamen Satellitenpaar zugeordnet werden.

Während das oben beschriebene Beispiel in Bezug auf ein einzelnes Satellitenpaar beschrieben ist, sollte es so verstanden werden, dass jedes gemeinsame Satellitenpaar und ihre zugehörigen gemeinsamen Cluster so analysiert und organisiert werden müssen.

Wie oben angemerkt, wird durch anfängliches Zuordnen der gemeinsamen Cluster zu den Satelliten, von welchen die Cluster die geringste Leistung anfordern werden, den anfängliche Gesamtleistungsbedarf an die Satellitenkonstellation minimiert. Während jedoch der Gesamtleistungsbedarf an die Konstellation sich bei einem Minimum befinden kann, mag der Leistungsausgleich über die Satelliten nicht optimal sein. Beispielsweise kann der Satellit 12 des gemeinsamen Satellitenpaars 1 und 12 der Mehrheit der gemeinsamen Cluster zugeordnet sein, die von dem gemeinsamen Satellitenpaar geteilt werden, weil der Satellit 12 sich zentraler über den Clustern mit hohem Bedarf befindet (der Ostküste der Vereinigten Staaten) und daher weniger Leistung bei der Kommunikation mit irgendeinem individuellen Cluster verbraucht. Jedoch ist als ein Ergebnis der Gesamtleistungsbedarf an den Satelliten 12 weit höher als der Gesamtleistungsbedarf an den Satelliten 1. Daher kann es wünschenswert sein, einige der gemeinsamen Cluster (oder Teile davon), welche dem Satelliten 12 zugeordnet sind, zum Satelliten 1 zu verschieben.

Die 5A und 5B zeigen ein Verfahren zum optimalen Neuzuordnen gemeinsamer Cluster von Satelliten höherer Leistung (Satellit 12 im Beispiel) zu Satelliten niedrigerer Leistung (Satellit 1 im Beispiel) in den gemeinsamen Satellitenpaaren einer Satellitenkonstellation. Als Erstes wird in Schritt 300 das erste gemeinsame Satellitenpaar der Satellitenkonstellation 100 als das aktuelle gemeinsame Satellitenpaar festgelegt. Obwohl nicht notwendig, ist es das bevorzugte Verfahren, mit Satellit 1 zu beginnen und zu bestimmen, mit welchen anderen Satelliten er überlappende Empfangsgebiete aufweist, und zwar beginnend mit dem Satelliten mit der niedrigsten Nummer bzw. Zahl. Daher analysiert, auf der Grundlage des Modells von 2, der Prozessor das gemeinsame Satellitenpaar 1 und 2, um zu bestimmen, ob irgendwelche Cluster neu zugeordnet werden sollten. Als Nächstes analysiert der Prozessor das gemeinsame Satellitenpaar 1 und 3 und dann die Satelliten 1 und 11, gefolgt von den Satelliten 1 und 12. Die übrigbleibenden gemeinsamen Satellitenpaare werden auf die gleiche Art analysiert.

Nach Festsetzen des aktuellen gemeinsamen Satellitenpaars in Schritt 300 identifiziert der Prozessor in Schritt 305 alle gemeinsamen Cluster, die vom aktuellen gemeinsamen Satellitenpaar geteilt werden. In anderen Worten identifiziert der Prozessor die Nutzercluster, die sich im überlappenden Empfangsgebiet des aktuellen gemeinsamen Satellitenpaars befinden. Bei Schritt 310 identifiziert der Prozessor, welcher Satellit des aktuellen gemeinsamen Satellitenpaars den höheren Leistungsbedarf aufweist. Wie oben angemerkt, wird diese Messung nach der anfänglichen Zuordnung der gemeinsamen Cluster in Schritt 230 von 3 durchgeführt. Zu Diskussionszwecken mag der Satellit mit höherer Leistung des aktuellen gemeinsamen Satellitenpaars als Satellit SH identifiziert werden, während der Satellit mit niedrigerer Leistung des aktuellen gemeinsamen Satellitenpaars als Satellit SL identifiziert wird.

Um etwas der Leistungslast, die vom Satelliten SH verlangt wird, auf den Satelliten SL zu übertragen, brauchen nur die zur Zeit dem Satelliten SH zugeordneten gemeinsamen Cluster für eine Neuzuordnung betrachtet werden. Daher identifiziert der Prozessor bei Schritt 315 die Teilmenge gemeinsamer Cluster des aktuellen gemeinsamen Satellitenpaars, die dem Satelliten SH zugeordnet sind (im Folgenden die "Cluster-Teilmenge"). Dann erlangt bei Schritt 320 der Prozessor die PDR-Werte für jedes gemeinsames Cluster in der Cluster-Teilmenge (welche vorher bei Schritt 220 von 3 berechnet worden sind).

Typischerweise umfasst das aktuelle gemeinsame Satellitenpaar mehr als ein gemeinsames Cluster in der Cluster-Teilmenge. Daher muss der Prozessor bestimmen, welches gemeinsame Cluster in der Cluster-Teilmenge das "beste Cluster" ist, um vom Satelliten SH zum Satelliten SL neu zugeordnet zu werden. Das "beste Cluster" ist das Cluster, das vom Satelliten SH zum Satelliten SL dergestalt neu zugeordnet wird, dass die zusätzliche Leistung, die vom Satelliten SL benötigt wird, pro Leistungseinheit, die vom Satelliten SH subtrahiert wird, so klein wie möglich ist. In anderen Worten wird beim Neuzuordnen des gemeinsamen Clusters die Erhöhung im Gesamtleistungsbedarf auf die Satellitenkonstellation 100 miniert. Das beste Cluster wird in Schritt 325 identifiziert.

Während der Prozessor das "beste Cluster" auf verschiedene Arten auffinden kann, beinhaltet ein einfaches Verfahren die Verwendung von Datentabellen, wie in 4 gezeigt. Die Tabelle in 4 listet alle gemeinsamen Cluster für ein gemeinsames Satellitenpaar nach ansteigenden PDR-Werten. Optional werden die gemeinsamen Cluster mit einem PDR-Wert von weniger als 1 anfänglich dem Satelliten mit der niedrigeren Nummer bzw. Zahl zugeordnet. Die gemeinsamen Cluster mit einem PDR größer als 1 können anfänglich dem Satelliten mit der höheren Nummer zugeordnet werden. Falls daher der Satellit SH der Satellit mit der niedrigeren Nummer des aktuellen gemeinsamen Satellitenpaars ist, kann der Prozessor das beste Cluster dadurch auffinden, dass er unten an der Liste beginnt und nach oben sucht, bis das erste Cluster gefunden wird, das dem Satelliten mit der niedrigeren Zahl zugeordnet ist (SH). Falls auf gleiche Weise der Satellit SH der Satellit mit der höheren Zahl des aktuellen gemeinsamen Satellitenpaars ist, kann der Prozessor den besten Cluster dadurch auffinden, dass er oben an der Liste beginnt und nach unten sucht, bis er das erste gemeinsame Cluster findet, das dem Satelliten mit der höheren Zahl (SH) zugeordnet ist. Dieses lineare Verfahren zum Auffinden des besten Clusters ist effizient, wenn die Liste gemeinsamer Cluster klein ist. Andere Verfahren zum Auffinder des besten Clusters können ebenfalls verwendet werden, wie beispielsweise ein Binärverfahren, insbesondere falls die Liste gemeinsamer Cluster groß ist.

Nach Auffinden des besten Clusters der Cluster-Teilmenge in Schritt 325 berechnet der Prozessor bei Schritt 330 den neuen Leistungsbedarf auf den Satelliten SH und den Satelliten SL des aktuellen gemeinsamen Satellitenpaars, falls das beste Cluster vom Satelliten SH zum Satelliten SL neu zugeordnet worden ist. Bei Schritt 335 bestimmt der Prozessor, ob der neue Leistungsbedarf dazu führen würde, dass der Leistungsbedarf von Satellit SL den Leistungsbedarf von Satellit SH übertrifft. Falls dies so ist, bestimmt der Prozessor dann, dass das gesamte beste Cluster nicht neu dem Satelliten SL zugeordnet werden sollte, da diese Neuzuordnung nicht den Leistungsbedarf an jedem Satelliten im aktuellen gemeinsamen Satellitenpaar gleichförmig ausgleichen würde. Daher ordnet der Prozessor nur einen Teil des besten Clusters dem Satelliten SL (siehe Schritt 340) zu, um so die Leistungslast an SH und SL auszugleichen. Der Prozessor mag verschiedene Techniken zum Bestimmen der genauen Prozentzahl von Nutzerendgeräten aus dem besten Cluster verwenden, die neu zuzuordnen sind, einschließlich der Verwendung eines Interpolationsprozesses. Nach Ausgleichen des Satelliten SH und des Satelliten SL geht der Prozessor zum nächsten gemeinsamen Satellitenpaar über, d.h., falls irgendein gemeinsames Satellitenpaar noch nicht bearbeitet worden ist (geht über auf Schritt 355).

Zurückkehrend zu Schritt 335 ordnet der Prozessor dann, falls die Neuordnung des besten Clusters vom Satelliten SH zum Satelliten SL den Satelliten SL nicht zum Satelliten mit höherer Leistung machen wird, das gesamte beste Cluster dem Satelliten SL zu (Schritt 345). Als Nächstes bestimmt der Prozessor bei Schritt 350, ob irgendein weiteres gemeinsames Cluster in der Cluster-Teilmenge verbleibt. Falls ja, bestimmt der Prozessor ein neues bestes Cluster aus den übrigbleibenden Cluster-Teilmengen und wiederholt die Schritte 325 bis 350. Falls keine gemeinsamen Cluster in der Cluster-Teilmenge übrig sind, kann dann kein weiteres Ausgleichen zwischen dem Satelliten SH und dem Satelliten SL erreicht werden, und der Fluss macht mit dem nächsten gemeinsamen Satellitenpaar weiter (siehe Schritt 355). Der obige Ablauf wird dann wiederholt, falls das aktuelle gemeinsame Satellitenpaar nicht das letzte Paar ist.

Nachdem der Ablauf für jedes gemeinsame Satellitenpaar in der Satellitenkonstellation 100 abgeschlossen worden ist, führt der Prozessor einen Test durch, um zu bestimmen, ob die Leistungslast an der gesamten Satellitenkonstellation effizient ausgeglichen bzw. ausbalanciert worden ist. Der Leistungsbedarf auf jeden Satelliten in der Satellitenkonstellation 100 mag nach einem Iterationsschritt nicht genau gleich sein. Daher können vielfache Iterationsschritte durchgeführt werden. Jedes Mal dann, wenn das Neuzuordnungsverfahren der 5A und 5B wiederholt wird, mögen die Satelliten in der Konstellation 100 in zwei Kategorien eingeteilt werden: solche Satelliten, deren Cluster-Zuordnungen sich geändert haben, und in solche, deren Cluster-Zuordnungen unverändert geblieben sind. Das Neuzuordnungsverfahren wird den Leistungsbedarf auf den Satelliten mit der höchsten verlangten Leistung in der ersten Kategorie absenken, während es den Leistungsbedarf auf die Satelliten in der zweiten Kategorie unverändert lässt. Letztendlich erreicht das Verfahren einen Punkt, bei dem die marginale Verringerung im Leistungsbedarf des Satelliten mit der höchsten Leistung vergleichsweise klein in Bezug auf die zusätzliche Zeit ist, die benötigt wird, um mehr Cluster neu zuzuordnen. Daher wird ein Schwellwertpegel durch den Prozessor festgesetzt. Wenn der Schwellwert erreicht ist, endet der Ausgleichsablauf. Der Prozessor führt den Schwellwerttest in den Schritten 365 und 370 durch Analysieren der Änderung der Prozentzahl im Leistungsbedarf für jeden Satelliten in der Satellitenkonstellation 100 nach Abschluss des Neuzuordnungsverfahrens der 5A und 5B durch. In Schritt 365 berechnet der Prozessor die Änderung der Prozentzahl des Leistungsbedarfs für jeden Satelliten. Wie in Schritt 370 gezeigt, sollte dann, falls die Änderung der Prozentzahl für irgendeinen Satelliten in der Satellitenkonstellation 100 einen gewissen Schwellwertprozentsatz "T" überschreitet, das Verfahren nach den 5A und 5B für die gesamte Satellitenkonstellation wiederholt werden. Falls jedoch keine Änderung in der Prozentzahl im Leistungsbedarf T überschreitet, ist dann der effektive Ausgleich abgeschlossen, und die Liste der zugeordneten Cluster ist endgültig (Schritt 375). Ein Beispielswert von T mag 1 % sein, aber der Wert des Schwellwertprozentsatzes T wird abhängig von der Satellitenkonstellation variieren.

Da die Satelliten sich dauernd bewegen und ihre zugehörigen Empfangsgebiete sich dauernd ändern, wird der durch den oben beschriebenen Ablauf erreichte Leistungsausgleich nur temporär sein. Daher kann das Ausgleichsverfahren bei regelmäßigen Zeitabständen wiederholt werden. Zu jedem Zeitabstand muss eine neue Satellitenabdeckungsmomentaufnahme aufgenommen und das obige Verfahren wiederholt werden. Die Länge der Zeitdauer ändert sich mit der Satellitenkonstellation.

Alternativ kann die bevorzugte Ausführungsform modifiziert werden, um die Gesamtmenge des Überleistungsbedarfs auf die Satellitenkonstellation 100 zu minimieren. Zu Zeiten kann der Leistungsbedarf auf bestimmte Satelliten die Leistungsfähigkeit der Satelliten überschreiten. Um die Menge des Überleistungsbedarfs auf das System zu minimieren, ordnet der Ablauf die gemeinsamen Cluster von einem überbeanspruchten Satelliten zu einem unterbeanspruchten Satelliten in einem gemeinsamen Satellitenpaar um. Diese alternative Ausführungsform arbeitet genau wie die bevorzugte Ausführungsform und fügt einen zusätzlichen Schritt danach hinzu. Der zusätzliche Schritt umfasst eine Untersuchung aller gemeinsamen Satellitenpaare, in welchen beide Satelliten leistungsüberbeansprucht sind. Nutzercluster werden dem Satelliten neu zugeordnet, von dem man weniger Leistung verlangt, außer wenn eine solche Neuzuordnung dazu führen würde, dass einer der Satelliten leistungsunterbeansprucht würde. Dieser letzte Schritt verringert den Gesamtleistungsüberbedarf auf die Konstellation 100.

Es sollte verstanden werden, dass einige Nutzercluster von mehr als zwei Satelliten abgedeckt sein können. Beispielsweise weisen die Ausleuchtzonen 13, 23 und 24 der Satelliten 9, 11 bzw. 12 ein überlappendes Empfangsgebiet 70 auf, welches das Nutzercluster 80 enthält. Daher kann das Nutzercluster 80 im überlappenden Empfangsgebiet 70 dem Satelliten 1, 11 oder 12 zugeordnet werden. Während die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Nutzercluster einem von zwei Satelliten zuordnet, kann die bevorzugte Ausführungsform dahingehend modifiziert werden, dass Cluster zwischen irgendeiner Zahl überlappender Satelliten neu zugeordnet werden, welche einen "überlappenden Satellitensatz" darstellen. Wenn der überlappende Satellitensatz mehr als zwei Satelliten umfasst, kann das Leistungsbedartsverhältnis entsprechend modifiziert werden, um ein Verhältnis von Leistungsbedürfnissen auf mehrere Satelliten anzuzeigen. In dieser modifizierten Form kann das Leistungsbedarfsverhältnis ein einfaches Verhältnis darstellen, welches eine Funktion der Leistungsbedürfnisse auf alle Satelliten im überlappenden Satellitensatz darstellt. Alternativ kann das Leistungsbedarfsverhältnis mehrfache Verhältnisse darstellen, von denen jedes einem Satellitenpaar im überlappenden Satellitensatz entspricht.

Während die bevorzugte Ausführungsform Cluster anfänglich auf der Grundlage des Leistungsbedarfs zuordnet, können die Cluster anfänglich auf der Grundlage der Abdeckungsdauer zugeordnet werden. Daher kann jedes Cluster anfänglich demjenigen Satelliten zugeordnet werden, welcher die längste Verbindung mit dem Cluster aufrechterhalten wird (z. B. den ankommenden Satelliten). Als eine weitere Alternative kann das Cluster anfänglich auf der Grundlage eines Erhebungs- bzw. Höhenwinkels zugeordnet werden (z. B. dem Satelliten mit dem höchsten Höhenwinkel). Auch können die Cluster anfänglich auf der Grundlage einer Historie zugeordnet sein, welche in den Cluster-Zuordnungsdaten gespeichert ist (weise beispielsweise das Cluster dem gleichen Satelliten zu, dem es gestern zur gleichen Zeit zugeordnet worden ist). Als noch eine weitere Alternative kann jedes Cluster, wenn man die Abdeckungsmomentaufnahme ermittelt, demjenigen Satelliten zugeordnet bleiben, dem es vor der Momentaufnahme zugeordnet war.

Während die bevorzugte Ausführungsform zusammen mit Clustern von Nutzern beschrieben worden ist, kann sie in Bezug auf einzelne Nutzerendgeräte implementiert werden.

Es sollte verständlich, dass 1 lediglich eine Abdeckungs-"Momentaufnahme" ist, welche die Ausleuchtzonen der Satelliten zu einem einzigen Zeitpunkt zeigt. Weil sich die Satelliten dauernd bewegen, ändern sich ihre Ausleuchtzonen (und die abgedeckten Nutzercluster) dauernd. Ungeachtet einer solchen Bewegung verarbeitet die bevorzugte Ausführungsform während jedes Iterationsschritts die Daten von einer einzelnen Momentaufnahme, um die Satellitenkonstellation 100 effizient auszulasten. Eine neue Momentaufnahme und das Verfahren der bevorzugten Ausführungsform werden in regelmäßigen Zeitdauern wiederholt, um einen effizienten Leistungsausgleich aufrecht zu erhalten.

Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, wird es klar sein, dass andere Anpassungen und Modifikationen an dem offenbarten Verfahren durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist die Erfindung außer durch die folgenden Ansprüche nicht beschränkt.


Anspruch[de]
Verfahren zum Ausgleichen von Leistungsbedürfnissen zwischen einer Konstellation von Satelliten in einem satellitengestützten Telekommunikationssystem, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Auffinden von Leistungsbedürfnissen von Nutzerclustern gegenüber Satelliten, welche zugeordnete Nutzercluster abdecken, wobei jeder Leistungsbedarf eine Leistung darstellt, die von einem Satelliten benötigt wird, um mindestens eine Kommunikationsverbindung mit einem Nutzercluster in einem zugeordneten Satellitenempfangsgebiet aufrechtzuerhalten;

Identifizieren von überlappenden Satellitengruppen von Satelliten mit Empfangsgebieten, welche Nutzercluster überlappen, wobei jede überlappende Satellitengruppe mindestens einen ersten und einen zweiten Satelliten umfasst;

Berechnen mindestens eines Leistungsverhältnisses für jeden Nutzercluster, der einer überlappenden Satellitengruppe zugeordnet ist, wobei jedes Leistungsverhältnis ein Verhältnis zwischen Leistungsbedürfnissen auf mindestens zwei Satelliten in der überlappenden Satellitengruppe von einen einzelnen gemeinsamen Cluster in einem zugeordneten überlappenden Satellitenempfangsgebiet darstellt; und

für jede überlappende Satellitengruppe Bestimmen, ob die Satelliten nichtausgeglichene Leistungsbedürfnisse in Bezug auf andere Satelliten in der überlappenden Satellitengruppe aufweisen; und

Ausgleichen von Leistungsbedürfnissen gegenüber Satelliten in jeder überlappenden Satellitengruppe durch Zuordnen von Nutzerclustern in dem überlappenden Satellitenempfangsgebiet zu Satelliten auf der Grundlage der Leistungsverhältnisse.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bestimmungs- und Ausgleichsschritte für jede überlappende Satellitengruppe wiederholt werden. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Ausgleichsschritt ein Neuzuordnen von Nutzerclustern von einem Satelliten mit hohem Leistungsbedarf zu einem Satelliten mit niedrigem Leistungsbedarf umfasst. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Ausgleichsschritt ein Neuzuordnen von Nutzerendgeräten innerhalb eines Nutzerclusters von einem Satelliten mit hohem Leistungsbedarf zu einem Satelliten mit niedrigem Leistungsbedarf umfasst. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Identifizierungsschritt eine Clusterverteilungstabelle einschließlich einer Vielzahl von Elementen erzeugt, wobei jedes Element eine eindeutige Zuordnung zwischen einer überlappenden Satellitengruppe, einem zugehörigen Nutzercluster und einem zugeordneten Leistungsbedarfsverhältnis führt, und bei dem die Bestimmungs- und Ausgleichsschritte für jedes Element in der Clusterverteilungstabelle durchgeführt werden. Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend den Schritt des Wiederholens der Bestimmungs- und Ausgleichsschritte in Bezug auf Untergruppen jedes der Nutzercluster. Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend die folgenden Schritte:

Laden aller Nutzercluster in eine Nutzerverteilungstabelle, die jeden Nutzercluster und die zugehörige überlappende Satellitengruppe eindeutig auf einen zugehörigen Leistungsbedarfsverhältniswert abbildet; und

Vergleichen einer Untergruppe der Leistungsbedarfsverhältniswerte in der Clusterverteilungstabelle, um einen besten Kandidaten aufzufinden, um einem Satelliten mit niedrigem Leistungsbedarf zugeordnet zu werden.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend die folgenden Schritte:

nach dem Ausgleichsschritt Neuberechnen eines Leistungsbedarfsverhältnisses für die Nutzercluster; und

Wiederholen der Bestimmungs- und Ausgleichsschritte, wenn eine Änderung in einem Leistungsbedarf mindestens einer überlappenden Satellitengruppe einen vorbestimmten Leistungsänderungsschwellwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend die folgenden Schritte:

Zuordnen jedes Nutzerclusters anfänglich dem ersten Satelliten in einer zugehörigen überlappenden Satellitengruppe.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner aufweisend die folgenden Schritte:

Bestimmen, ob ein Nutzercluster weniger Leistung von dem ersten Satelliten verlangt als von dem zweiten Satelliten; und

wenn der Nutzercluster mehr Leistung von dem ersten Satelliten verlangt als von dem zweiten Satelliten, Neuzuordnen des Nutzerclusters zum zweiten Satelliten.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend die folgenden Schritte:

Zuordnen jedes Nutzerclusters anfänglich einem Satelliten in einer zugehörigen überlappenden Satellitengruppe, von dem der Nutzercluster die wenigste Leistung verlangt.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner aufweisend die folgenden Schritte:

Bestimmen des Satelliten in jeder überlappenden Satellitengruppe, welcher den höchsten und den niedrigsten Gesamtleistungsbedarf aufweist;

Identifizieren einer Untergruppe von Nutzerclustern in dem überlappenden Satellitenempfangsgebiet, der dem Satelliten mit dem höchsten Gesamtleistungsbedarf zugeordnet ist; und

Zuordnen mindestens eines Nutzerclusters aus der Untergruppe von Nutzerclustern dem Satelliten mit dem niedrigsten Gesamtleistungsbedarf.






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