CN110582992B - 用于处理在轨道环境中运行的航天器和地面电信装置之间的通信的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种多址收发器处理与环境中的移动站的通信，所述移动站超过移动站设计假设但不必修改所述移动站。一个此类环境在地球轨道中。所述多址收发器用于在移动站超过移动站设计假设时关闭与移动站的通信，所述超过移动站设计假设例如是距离更远、相对运动更大和/或通常在地面收发器的功能性将由轨道收发器执行的情况下发现的其它条件。所述轨道收发器可包含：解析帧数据结构的数据解析器；基于轨道到地面的传播延迟来调整定时的信号定时模块；移频器；以及可编程无线电装置，其能够从地球轨道进行通信，并使用多址协议使得所述通信与地面蜂窝基站和所述地面移动站之间的通信相容，或对所述地面移动站呈现地面蜂窝基站和所述地面移动站之间的通信。

Description

用于处理在轨道环境中运行的航天器和地面电信装置之间的通信的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于处理航天器和地面电信装置之间的通信的方法和设备，更具体地说，涉及使用地面电信装置中通常用于地面电信的特征和设施进行的通信。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年3月2日提交的标题为“用于近实时、连续和全局连接性的卫星星座网络内的低成本和低复杂性卫星间链路通信的方法(Method for Low-Cost and Low-Complexity Inter-Satellite Link Communications within a SatelliteConstellation Network for Near Real-Time，Continuous，and Global Connectivity)”的第62/465,945号美国临时专利申请的优先权且是该美国临时专利申请的非临时专利申请。

本申请要求2017年4月26日提交的标题为“用于在轨道环境中运行的基站和陆基电信装置之间的通信的方法(Method for Communications Between Base StationsOperating in an Orbital Environment and Ground-Based TelecommunicationsDevices)”的第62/490,298号美国临时专利申请的优先权且是该美国临时专利申请的非临时专利申请。

上述申请的整个公开内容出于所有目的以引用的方式并入本文中，就如全文阐述于本文档中一样。

背景技术

移动通信涉及信号在移动站(MS)和收发器之间发送，所述收发器可提供供MS与其它网络资源之间进行通信以便载送语音和数据通信以及可能的位置查找特征的接口，所述其它网络资源例如是电信网络、因特网等等。收发器可能是处理来自多个收发器的业务的基地收发器站(BTS)的组件。BTS还可包含天线和加密/解密元件。天线可能是选择性天线，其中在不同位置处的不同MS可以通过BTS的不同天线与它们相应的收发器通信。BTS可具有有线、无线和/或光学信道来与那些其它网络资源通信。BTS可支持一个或多个收发器，且支持移动通信的给定基站可具有控制所述基站的一个或多个BTS的基站控制器(BSC)。

移动站的实例包含移动电话、蜂窝电话、智能电话和装备成与特定BTS通信的其它装置。虽然本文中移动站由该名称指代，但应理解，移动站的操作、功能或特性也可能是实际上或功能上为移动站但当前并非移动的站点的操作、功能或特性。在一些实例中，移动站可能实际上被视为便携式台站，其可从一个地方移动到另一地方但在运行中为静止的，例如具有若干已连接外围设备且具有蜂窝连接的笔记本电脑；或移动站可能是静止的，例如内嵌于安装的家庭安全系统中的蜂窝装置。唯一需要的就是移动站能够或配置成使用移动通信基础设施来通信。

BTS可通过基站控制功能(BCF)受父级BSC控制。这些元件中的每一个可使用硬件和/或软件来实施，且包含网络管理和维护功能性，但是基站可以被描述为具有根据协定的协议与移动站通信的一个或多个收发器。这可以通过使BTS配置、调适或编程成根据针对BTS协定的协议操作并且使MS配置、调适或编程成根据针对MS协定的协议操作来实现。所述协议可包含如何在收发器和MS之间发送数据、如何处理错误、如何处理加密以及如何在BTS和MS之间发送控制指令和状态数据的细节。例如，所述协议的部分可包含交互，其中MS与BTS联系且BTS向MS指示MS将使用的定时、载波频率和其它协议选择方案。此交互可包含载送语音数据、载送文本数据、载送其它数据、实现小区内切换及其它任务。

为解释的简明起见，在本文中的许多实例中，通信被描述为是BTS和MS之间的以与一个MS交互，但是应理解，交互可以是从BTS到收发器、到无线电电路、到天线、到MS天线、MS无线电电路、到MS中的软件/硬件以及在从MS到BTS的另一方向上的对应路径。因此，在其中BTS与MS通信的一些实例中，它是通过一个收发器进行的，且实例忽略了对BTS可能控制的其它收发器的提及。

BTS可使用的协议的实例包含使用高斯最小移位键控(GMSK)的全球移动通信系统(GSM；由GSM联盟注册商标)2G+协议以及使用GMSK和8-PSK键控的EDGE协议。BTS可处理使用协议所允许的无线频谱的谱带内的多组载波频率的多个收发器。因此，当谱带在逻辑上划分成载波频谱时，收发器可使用用那些载波频率中的一个(或多个)的信道来与MS通信。协议可指定对于给定信道，存在载波频率可能彼此分离的上行链路子信道和下行链路子信道。在一些情况下，上行链路子信道具有邻近下行链路子信道的载波频率的载波频率。在一些情况下，所有上行链路子信道都在一个谱带中，且所有下行链路子信道都在另一谱带中。为了易于解释，信道有时被描述为具有上行链路部分和下行链路部分，如同它是一个信道，即使这些部分的载波频率分离很远。

一些BTS可实现跳频，其中收发器和移动站一起从一载波频率快速跳到另一载波频率以改进总体BTS性能。协议可指定要使用的跳频序列。

在GSM协议中，收发器-MS通信涉及帧，且每个帧具有最多八个时隙。在具有八个时隙的情况下，收发器发出在最多八个MS处引导的帧，其中每一MS被收发器的BTS分配帧中的唯一时隙。MS可在它们被分配的时隙中发送它们的传输，并且因为与所述收发器通信的每一MS都知道它们要使用哪一时隙，所以以类似方式定位的MS可以在它们被分配的时隙中传送回到收发器。收发器可能不会使用所有八个时隙。

例如GSM协议的共同控制信道(CCCH)的信令信道可用于将它们在时隙和载波频率方面的分配传达给MS。例如，一些公共控制信道用于进行接入请求(例如，进行从MS到BTS的RACH请求)、用于寻呼(例如，进行从BTS到MS的PCH请求)、用于接入准予(例如，从BTS到MS的AGCH)以及小区广播(例如，从BTS到MS的CBCH)。接入准予信道(AGCH)用于准予时隙分配/载波分配。另一信道，即广播控制信道(BCCH)，可以用于也可以不用于向MS发送信息，例如位置区标识(LAI)、应该受MS监测的邻区列表、用于小区的频率列表、小区标识、功率控制指示符、是否准许DTX及接入控制(即，紧急呼叫、呼叫限制等)。

BTS的实例包含蜂窝电话塔、宏小区收发器、超微型小区收发器、微微小区(其可能仅有一个收发器)等等。BTS将以无线方式与MS通信。一些BTS具有有线回程(BTS和其它网络资源之间的接口)，例如具有蜂窝电话塔，而一些BTS可具有无线回程，例如微波点到点双向通信信道。因此，BTS可能是若干种不同类型的电力驱动装置中的任一种，所述电力驱动装置从MS接收数据流并处理那些数据流和/或将它们转发到其它网络资源，以及通过BTS-MS链路从其它网络资源接收数据流并处理那些数据流和/或将它们转发到MS。在此意义上，BTS充当MS的接入点，用于允许MS接入网络资源，例如电信网络、因特网、私用网络等。接入可用于路由语音呼叫、其它呼叫、发短信、数据传递、视频等。

BTS后面的电信网络可包含网络和切换子系统，所述子系统确定如何将数据路由到适当的BTS以及如何路由从BTS接收的数据。电信网络还可具有用于处理电路连接和基于包的因特网连接的基础设施，以及网络维护支持。在任何情况下，BTS都可能配置成使用与MS的一些协议以及与回程的其它协议。

用于MS和BTS之间的通信的协议可使得它们被标准化，使得任何标准MS可与任何BTS通信，只要满足范围要求且满足成员资格要求即可(例如，MS已经向BTS证明自己身份，其方式使得BTS或BTS使用的服务确定MS是被授权群组的成员或以其它方式被授权使用由BTS提供的服务。一些实例协议包含GSM协议，GSM协议有时被称为2G(即，第二代)网络协议。其它实例包含通用包无线电服务(GPRS)、GSM演进增强数据速率(EDGE，或EGPRS)、由3GPP主体建立的第三代(3G)3G UMTS标准或第四代(4G)LTE高级协议。

在这些协议中，存在针对谱带使用、定时、编码和冲突解决的规则。因为BTS可能必须同时与许多MS通信，所以可用无线通信路径将根据所述协议划分。给定协议可使可用无线通信路径根据频率、时间、代码或这些项中的超过一个项划分。这使得多个用户能够共享同一无线通信路径。

例如，在时分多址(TDMA)的情况下，BTS和多个MS关于时间周期到时隙(或“突发脉冲序列周期”)的划分达成一致，并且在第一MS可能干扰第二MS的情况下，第一MS被指派第一时隙，且第二MS被指派可用时隙中的不同时隙。因为不同MS使用不同时隙(并且它们在定时上达成一致)，所以它们可以共享公共载波频率，且它们的传输并不互相干扰。实例是每个帧存在八个各自为576.92微秒(μs)的时隙，并且因此被指派第一时隙的MS将可能在第一时隙期间传输数个位，在它的时隙结束之时或之前停止传输，保持安静，接着在下一周期的第一时隙期间继续传输(如果需要的话)。存在类似分配，供MS确定它从BTS监听某事的时间(并且供BTS确定它即将开始传输所述数据的时间)。

因此，使用单载波频率，BTS的每一收发器可与最多八个MS通信，且与那些MS的通信被分组到TDMA帧中并在使用所述载波频率信道的下行链路信道上传输。定时使得那些MS中的每一个可在它们相应的时隙中在使用所述载波频率信道的上行链路信道上与BTS通信。这被称为“TDMA帧”，并且使用所述载波频率的所有八个MS的数据速率是270.833千位/秒(kbit/s)，在任一方向上的TDMA帧持续时间是4.615毫秒(ms)。

频分多址(FDMA)是另一种划分并分配可用无线通信路径的方式。利用FDMA，无线通信路径可用的或被分配的频谱带宽根据载波频率划分成不同信道。第一MS可被指派一个载波频率，且第二MS可被指派另一载波频率，使得这两个MS可以同时向一个BTS发送或从一个BTS接收。

在上述实例中，多个移动站可能同时与BTS通信，其中BTS和特定MS之间的通信包括在来自特定MS或来自BTS的信号中发送信息，使得通过使BTS和特定MS关于要使用多个时隙中的哪一时隙达成一致(TDMA)和/或关于要使用多个载波频率中的哪一载波频率达成一致(FDMA)来避免无线信号的碰撞。这些是多址通信的实例。

在被称作“正交频分多址(OFDMA)”的另一类型的多址通信中，移动装置被指派子载波子集，其中正交窄频子信道被指派给移动装置，以便相比于FDMA，更高效地使用所分配频谱。

在一些频率分配中，分配是针对每一信道块的，其中信道块是一组或一群双向信道，其中每一双向信道使用用于上行链路子信道的上行链路载波频率和用于下行链路子信道的下行链路载波频率。基于某一分类逻辑，信道可一起被分组到多组两个或更多个信道中，使得每一组共享公共标识符或属性。

在一些协议中，频谱划分成载波频率子频谱，且周期划分成时隙。通常，BTS包含用于确定哪些信道分配到哪些MS的逻辑。在指派信道供MS使用时，BTS可指派特定收发器使用特定载波频率，并且向MS指示它将使用所述特定载波频率，以及指示要使用用所述载波频率传输/接收的帧中的哪一时隙。信道可包括上行链路子信道和下行链路子信道。给定收发器-MS通信可以使用超过一个信道，例如，超过一个载波频率和/或超过一个时隙，但是在本文中的许多实例中，协议是相对于使用仅包括一个载波频率和一个时隙的信道的MS来说明的。

在被称作“码分多址(CDMA)”的多址通信的又另一个实例中，移动装置可使用相同时隙和载波频率，但是每个移动装置被被指派唯一伪随机代码来对去往和来自BTS的信号进行编码，使得即使在MS使用相同载波频率同时或在几乎相同时间和/或相同时隙传输时，如果使用的是那些，那么应用唯一CMDA代码使得多个传输器能够占用相同时间和频率，因为通过使用所述伪随机代码进行解码从而足够好地解码每一特定信号以供解调，接收器可以将不同接收分离。

实际上，CDMA不严格地根据时间或严格地根据频率来分离信道。CDMA的使用引起扩频信号的传输，通过使用比信号位速率快的码片率在比不进行编码的情况下大的带宽上扩展。因此，利用伪随机代码对信号进行编码可以代替通常在TDMA/FDMA协议中所见的定时和频率要素，因为每一代码表示连接在时域和频域两者中的某一要素。在CDMA通信中，了解MS和BTS之间的信号传播延迟和定时，并且因此伪随机代码横跨某一数目的位/码片而应用到接收信号，当然，这些位/码片占用了时域的某一离散范围和频域的某一离散范围。

在一些多址协议中，使用超过一种方法。

在GSM协议数字移动无线电话系统中，MS和BTS利用频分多址和时分多址(FDMA/TDMA)信道上的通信，使得MS可以通过相对于每一载波频率指派不同时隙共享相同的传输和接收载波，并且每一载波频率可由不同收发器或收发器模块或逻辑块处理。

在GSM中，BTS负责在移动站(MS)请求接入时向它指派时隙。在GSM帧结构中，每一TDMA帧内存在八个时隙。所使用的载波频率的数目可以发生变化。在一些区域中，一些载波针对大量载波频率被授权，并且那些区域中的MS配置成接受使用(BTS同样支持的)多达一千个载波频率中的一个的指令。举例来说，在欧洲，GSM 900MHz谱带包括25MHz的频谱。如果这在逻辑上分配到200kHz载波频率(例如，中心在每一200kHz子频谱带内的载波频率)中并且收发器在那些载波频率上发送信号，那么这提供了125个载波频率。频域中保护频带(未使用的载波频率)的使用可能会使这个数字减小，但是可以使信号处理更可靠或更容易。当TDMA帧允许八个时隙时，具有足够数目个可用逻辑或实际收发器的BTS可同时支持8*125＝1000个MS信道。通过时分和频分，可分别存在保护时隙和保护频率，使得一个分区与邻近分区具有某一间隔。通过一些协议，超过一个时隙和/或超过一个载波频率可以指派给一个MS，以提供更大带宽。

在一些情况下，在所支持的MS的范围内存在多个BTS，并且因此对MS的支持可以在BTS当中扩展，它们可能协作，使得邻近BTS在可能时避免使用相同载波频率。BTS可编程成通过它们的塔利用特定再使用方案扩展这些频率。BTS还可能在它可以支持的MS的数目方面受到去往其它网络资源的管线的大小限制。在一个实例中，BTS使用1到15个载波频率(即，它的收发器在发送/接收帧时使用1到15个载波频率进行传输，因此它可以8到120个之间的任何数目个同时用户。

每一MS通常包含处理器、存储器、无线电电路系统、电源、显示器、输入元件等等，用于执行它的功能。处理器可从程序存储器读取以执行所要功能。例如，程序存储器可具有如何形成数据流、如何将数据流传递到无线电电路系统、如何读取内部时钟以确定系统时钟的值从而适当地对监听和发送进行定时以及如何设置用于传输和接收的适当频率的指令。

每一BTS通常包含处理器、存储器、无线电电路系统、电源、通向电信网络的接口、诊断接口等等，用于执行它的功能。BTS处理器可从程序存储器读取以执行所要功能。例如，程序存储器可具有如何形成数据流、如何将数据流传递到无线电电路系统、如何与电信网络通信、如何读取内部时钟以确定系统时钟的值从而适当地对监听和发送进行定时、如何设置用于传输和接收适当频率、如何跟踪各种MS和它们的状态、位置、分配等并可能地将它们存储到本地可用存储器中的指令。

以上文所描述的方式，MS将与BTS联系，从而在一些载波频率中被分配帧中的一些时隙，并且BTS将通知MS关于MS的分配。当BTS和MS具有相同系统时钟(或大致相同的系统时钟)时，它们将在它们的所分配时隙和载波频率内通信。指派以及到MS的指派的通信可使用供MS用来请求分配的随机接入信道来进行。在GSM协议中，这被称为RACH过程。

在GSM的实例中，通过无线通信路径的通信被解析为持续时间为4.61538ms的TDMA帧，其中每个TDMA帧具有八个时隙。每一时隙长到足以保存156.25个数据位。在一个应用中，MS或BTS将在时隙中在546.46μs内传输148个数据位，其中时隙之间具有8.25个位(30.46μs)的保护时间。在GSM 900带中，无线通信路径在上行链路和下行链路方向上分别具有25MHz的带宽，针对上行链路子信道使用890到915MHz的谱带，且针对下行链路子信道使用935到960MHz的谱带，从而实现125个载波频率(在每一方向上具有125个载波频率，相隔200kHz)。通过在每一谱带的每一侧上具有200kHz的保护间隔，使得具有24.6MHz的频谱或123个载波频率用于移动数据。这样，此类无线通信路径(在两个方向上)的总容量将为每时隙156.25个位乘以每帧八个时隙乘以216.667帧/秒*123个载波＝33.312兆位/秒。

在MS可以移动的条件下，它们可能与BTS相隔某一距离，且所述距离可能改变，例如在MS用于通过电信网络进行语音通话同时BTS固定到手机塔上但是MS在10km远的位置且以100KPH移动的情况下。如果BTS和MS彼此相距几米且MS不在移动中，那么信号的传播时间和由移动造成的多普勒频移可以被忽略。如果MS相对于BTS以100KPH移动，那么它们有可能被忽略，但是如果MS在某一距离外，那么需要考虑传播时间，或者一个时隙中的传输在所述时隙内不会被完全接收，而是可能延后在另一时隙的某一时间到达，从而可能造成通信损耗。

考虑到传播延迟，传输器将提前或延迟传输，并发送射频(RF)信号的突发脉冲来解决传播延迟，并且接收器将预期在一经调整时间进行的所分配传输。如果存在许多MS和一个BTS，那么通常有用的是，MS是调整其传输时间的MS，使得时隙全部对准的位置在BTS处。同样地，BTS可在指定时隙中发送它的传输，但是考虑到传播延迟，MS将延迟或提前它们监听或预期接收传输的时间。除了BTS向MS分配一个或多个时隙和一个或多个载波频率之外，BTS还可能向MS指示BTS与MS之间的传播延迟或距离。

对于使用GSM协议操作的BTS，BTS将知晓由信号在随机接入控制信道(RACH)上到达的方式造成的MS信号的传播延迟。RACH信道是在MS需要接入信道以发送数据时使用的仅上行链路时隙。MS将通过在RACH上发送长度为87个位的信号突发脉冲来请求信道接入。RACH突发脉冲被设计成使得在它和下一时隙之间存在69.25个位的保护周期。因此，突发脉冲可在RACH时隙内滑动高达69.25个位，而不会有不良影响。当RACH突发脉冲到达BTS时，BTS可以测量信号突发脉冲向右滑动(即，在时间上进一步移出)了这些保护位中的多少个保护位，并且因此它可以确定信号的传播延迟。当BTS利用关于MS的信道指派的信息对MS做出响应时，BTS将包含所谓的“定时提前(TA)”，它可以表达为MS应该使其信号提前以便在正确时隙内到达BTS并且不渗移到邻近时隙中的位的数目。在GSM协议中，定时提前值可以是0到63个位之间的任何数目个位，其中0位对应于无往返传播延迟，63个位对应于无线信号以光速行进时距BTS 35km远的MS所经历的传播延迟。

如果没有进行仔细的定时，来自在不同距离处运行的MS的传输可在相同时隙内到达BTS，并造成碰撞或重叠。这些碰撞从BTS的角度来看形成干扰，破坏了通信质量和可靠性。保护时间(以位为单位进行测量，且被称为“保护位”)可用于防止突发脉冲定时误差形成信号碰撞，但是这只能解决内部时钟中的较小时间对准误差，无法解决长传播距离和可变传播距离的差。

例如，时隙之间可能存在30.461μs的保护时间(8.25个保护位)，使得即使第一MS与BTS相隔4.569km(往返距离为9.138km)且被指派第一时隙，且第二MS就在BTS附近且被指派下一时隙，信号的相对传播延迟也不会引起干扰。这是因为尽管来自第一MS的信号会延迟30.461μs，但是BTS将在保护时间期间接收传输的后续部分，且所述传输将在第二MS的时隙开始之前结束。通常，保护时间太短而不能容纳所有可能处于的距离处的MS。例如，如果MS是10km(往返为20km)远，那么从MS到BTS的传输的传播延迟将延迟33.333μs，这大于保护时间，因此BTS将在来自已被指派下一时隙的另一MS的传输同时接收所述传输。

容纳共享相同BTS的远距MS的一个解决方案是使用定时提前机制。GSM协议提供这一定时提前机制的实例。在MS和BTS之间的初次握手时，例如GSM协议对随机接入信道(RACH)通信的使用，BTS确定MS和BTS之间的距离。因为针对每一MS计算MS和BTS之间的距离是基于上行链路传播延迟，所以BTS可在RACH握手期间传输和接收时间戳。

所确定的距离可能不是MS和BTS之间的实际距离，但是出于许多目的，伪距离就足够了。如本文所使用，“伪距离”是一个可能是也可能不是距离的实际值的值，但是它用作代理或用作视同距离，即，MS中的模块、BTS或其它地方将所述值假设为距离，并且各种组件被设计成使得当所述值足够接近实际值时使用所述值可以发挥足够的作用。举一个极端的例子，假设MS和BTS相隔2米，但是它们之间存在某物妨碍直接信号，并且最近路径是涉及许多反射的3km路径。在此情况下，伪距离将为3km，并且MS和BTS将在它们分隔3km的假设下运行。因为它们的传输所沿循的信号路径是3km，所以将其用作它们之间的距离的值。

大体来说，在两个物体之间测量的伪距离或伪距离范围可不同于可以通过确定射频信号从一个物体传播到另一物体所花费的时间来测量的实际距离或距离范围。由于信号反射和多路径，信号的起点和其接收方之间的视线距离(或距离范围)可略微不同于所述信号的传播距离，在此情况下，伪距离(或伪距离范围)在实际距离(或距离范围)的某一范围内变化。但如果使用一致，许多操作可以只使用伪距离的值。在其它使用中，“伪”可以类似地用于指示估计值、假设值、大致值等。

一旦BTS确定MS的伪距离，BTS就在BTS使用所述BTS的收发器保存有源MS中的每一个的参数和变量的表中存储伪距离。BTS在控制消息中将所述值传送到MS，如本文中其它地方所描述。接着，MS被编程成实施“定时提前”，其中MS考虑其系统时钟的副本，减去对应于伪距离的传播延迟并在其经调度时隙开始之前将它的传输发送到BTS。RACH过程可包含如下文进一步详细描述的各种步骤以确定这些值。

如本文中所使用，使用c＝3*10⁸m/s作为换算因数或近似值，传播延迟可以根据传播距离计算出，传播距离也可以根据传播延迟计算出。当存在标准化位速率用于传输时，例如用于GSM的270.833千位/秒，传播延迟或距离可表示为数个位。例如，12km间隔将产生80μs的往返传播延迟，并且在每个位在3.692μs内传输的情况下，所述12km间隔和80μs的传播延迟可等效地表示为22个位(更精确地说，21.66个位)的间隔或传播。因此，传播的一个“位”将等同于大约555米的往返传播距离和3.692μs。

在与BTS相隔不同距离处运行的MS将被指派不同定时提前，以适应它们相应的通信距离。为方便起见，这可表达为整数数目个位。考虑到MS移动，传送到MS且供MS中的模块用于确定何时传输或接收的此定时提前值可以以足以适应相对于BTS可具有时变通信距离的移动中目标的频率周期性地更新。例如，当用户在以200KPH行驶的高速火车上使用MS使，距离的更新可能需要比用户在街道上步行的情况更频繁。

在GSM协议的特定实例中，定时提前表示为6位值，其中最小值表示0位定时提前，且最大值表示63位定时提前。因为假设GSM协议中的每个位对应于3.692μs(以及往返传播延迟中的约555米)，所以使用63位的定时提前，其中伪距离为大约555米/位*63个位＝34965米，或约35km。因此，这定时提前方法适用于与BTS相隔0到35km的MS。在GSM协议中，BTS被编程成或至少预期在BTS确定MS位于距BTS 35km更远处时不对来自MS的请求作出响应。当存在其它更接近的BTS或其中所有点都在一个或多个BTS的35km范围内的BTS分布时，这就不是个问题。

如果具有定时提前，那么MS在它的时隙开始(根据MS的时钟定时)之前发送传输，并且当传输在传播延迟之后在BTS处接收到时，如果定时提前对应于传播延迟，那么BTS完全在它的时隙内接收传输。MS可以正确地执行这一操作，因为它已经知道要使用的定时提前的值。应注意，实际距离可不同于伪距离，并且因此实际传播延迟可不同于伪距离，但是这一般不是一个问题，因为MS-BTS通信有一些处理内部时钟差异、传输器差异等的余地。

当任何MS的35km范围内始终存在一个或多个BTS时，定时机制工作良好，但是这可能未必总是如此。在一些地理区域中，使BTS与区域中的任一点相隔不超过35km可能是不切实际的、不可行的或昂贵的。例如，在农村、偏远或岛屿地理区域，具有此类间隔的BTS基础设施可能使得BTS无法使用，或者无法安装或获得电力，因为地形可能无法接近，且具有MS的用户可能分布得比较稀疏和分散。在此等情形下，可使用“扩展范围(extended range)”机制。GSM协议实现了此类机制。

利用扩展范围机制，每一MS被指派两个相连时隙，而不是一个，因此MS可与BTS通信而不需要任何定时提前，因为传输可以在BTS处延迟多达一个时隙的持续时间。在它增加所允许的MS-BTS距离(例如，从35km增加到120km)的同时，它还使处理量减少一半，因为每一TDMA帧中仅有四个可指派时隙可用，而不是八个。这在农村、偏远或岛屿区域中可能并不是个问题，如果数据速率较低的话。通过使用定时提前机制和扩展范围机制的组合，最大所允许MS-BTS可为35km+85km＝120km。

利用扩展范围机制，每一MS被分配整个时隙作为额外保护周期，这使得处理量减少一半。这一机制的变化形式是“经排序扩展范围机制(sorted extended rangemechanism)”，类似于例如美国专利5,642,355中所示的那种。利用这种经排序扩展范围机制，时隙被“消耗(consume)”用作保护位，但是时隙根据距离被指派给MS，其中最近MS获得第一时隙，最远MS获得分配给MS的最后一个时隙，即，在未指派给任何MS的任何“消耗”时隙之前的最后一个时隙。消耗的时隙用于所需要的保护位，因为MS的扩展范围将是传输扩展。实际上，这在突发脉冲之间“划分”了未使用时隙。

如果空缺大于85km，或者出于其它原因，可使用“环形扩展范围”机制。利用环形扩展范围机制，假设固定最小距离，BTS处的定时根据所述固定最小距离来调整，并且不支持比最小通信距离更近的MS，因为BTS假设所有MS都至少比所述距离远。这类似于美国专利6，101，177中所示的方法。使用定时提前机制获得的35km范围可用于支持范围是最小距离到最小距离加上35km的MS-BTS距离，而不需要任何MS修改。在一个实例中，最小距离是85km，但是可以使用不同的最小通信距离。接着，在所述实例中，BTS可支持与BTS相隔85km到120km的MS。

环形扩展范围机制可以用于所分配的所有8个时隙，并且可以处理与BTS相隔85km到120km的MS。然而，这形成了距BTS某一半径的物理覆盖空缺，因为从所述区域发送的任何信号突发脉冲相对于BTS查看其时隙都将过早到达BTS。实际上，BTS提供环形区域的覆盖范围。环形扩展范围机制可用于在BTS和它被设计成服务的MS之间具有物理空缺(例如，湖泊或沟谷)的地理区域，因此在环内部具有不支持任何MS的区域并不是个问题。

应注意，GSM系统采用上行链路和下行链路子信道之间的TDMA帧偏移。在典型GSM帧结构中，为了确保MS不需要同时进行传输和接收，上行链路TDMA帧(或MS Tx和BTS Rx)相对于下行链路TDMA帧(或BTS Tx和MS Rx)偏移三个时隙。TDMA通信领域的技术人员将清楚，上行链路和下行链路子信道之间的这一偏移独立于延长距离内的通信，并且仅在环形扩展范围机制中与上行链路TDMA帧上所使用的时隙同步偏移不同。

如果环形扩展范围机制与扩展范围机制组合，那么这可单独或组合使用以具有半径可超过120km的BTS覆盖范围。这些技术通常对于地面通信来说是足够的，因而通信通常受地球曲率限制。例如为了在相隔距离D的陆基MS和BTS收发器之间提供视线通信，BTS收发器应该安装在高度至少为h＝[SQRT(6370^2+D^2)-6370]km处。其中D＝120km，h＝1130m。因为1130米高于目前建造的任何结构，所以相比于距离，塔架高度更是地面通信的一个限制因素，并且因此除了可能适用于其中存在上面要安装收发器的大型地质结构的选定位置以外，用于将距离延长得比(例如)120km更远的技术不适用于蜂窝语音、数据、文本和类似能力的地面通信。

对于其中使基站塔分布成使得存在广泛覆盖范围并不可行的区域，例如将基站定位在一些位置附近的任何位置处并不可行的区域，例如在距某一位置35km或85km的范围内或在可以安装高塔的120km范围内，可以使用卫星通信。卫星通信通常极其昂贵，因此仅用于支持成本的应用，例如资源勘探、探险、搜索和救援等等。

本文中，“卫星”是指从地球发射旨在在轨道中运行和/或不管是全部或部分地在地面上装配还是全部或部分地在轨道中装配都是在轨道中运行的人造卫星。卫星可在一个轨道中装配和/或运行并移动到另一轨道。卫星可以在自身没有推进构件的情况下推进或运行，并且可能依赖也可能不依赖轨道中的其它物体来提供推进。如本文中所使用，卫星当在轨道中运行且不处于推进中时是在大体上稳定的轨道中。此类轨道由于大气阻力离地球表面的距离最小。在允许按轨道运行的足够真空和导致卫星脱离轨道的过多大气之间没有严格的分界线，距离地球约400到500km的近地轨道(LEO)已被证明是可行的，但对于特别密集的航天器(如纳米卫星)来说，甚至可能低于这些高度。

实际轨道的最小距离如此之大传统上意味着卫星通信采用了完全不同的技术。在一些情况下，地面站是不移动的，在其它情况下，它们是移动的，但是需要功率密集的重型大型专用设备。除了距离之外，还要解决卫星在轨道中的移动问题。

卫星和地球上使用用于通信的TDMA协议的陆基便携式手持机之间的通信存在许多解决方案。一些卫星提供商包含Iridium^TM、Globalstar^TM、Thuraya^TM和Inmarsat^TM卫星系统，它们基于唯一建立的卫星电话或用户终端(即，通过物理或RF连接附接或连接到现有移动电话的唯一硬件装置)。利用特定用户终端，系统、卫星和终端的设计可以简化，因为它们中的每一个可以被特定地设计成对它们中的其它者起作用。缺点在于它需要特定终端设备，这对于每个终端用户或一小群终端用户都是必需的，成本昂贵且不易操作。尽管自定义终端方法简化了系统设计，但是由于操作者可以自由设置通信方法、功率电平、频率等等的详细信息，这使得用户与特定提供商之间相联系。因此，终端用户可能需要购买卫星电话(或插入到现有移动电话中的用户终端)，这一卫星电话售价为数百到数千美元、体积大、具有繁琐的天线、所用功率大并且每月需要订购大量服务来运行，而终端用户可能需要针对不止一个卫星提供商来进行购买。这限制了传统卫星电话市场的吸引力。

举例来说，美国专利8,538,327描述了用户设备基于指示卫星位置的数据和指示用户设备位置的数据计算延迟量度的变型。当一直传输到卫星时，来自用户设备的上行链路通信的定时以所述延迟进行调整。用户设备还基于指示卫星的位置和速度的数据计算频率偏移，并相应地调整其上行链路信号频率，以解决通信系统中的动态多普勒频移。当然，这需要地面上的特定用户设备被设计用于卫星通信。

再举一例，美国专利公开案2006/0246913描述了一种用于使用子覆盖范围环管理RF信号的传播延迟的方法，特征在于减少往返传播延迟差之间的差。这使用地球同步轨道(GEO)卫星充当连接远程移动站与其网络中的基站的中继器。为了处理GEO卫星引入的大得多的延迟，单独的处理装置通过针对具有允许传播延迟的单独的子覆盖范围环/区域的范围配置自身来服务所述环或区域。移动站和GEO卫星之间的链路没有用于功率、信号方向性和频率操控的额外用户终端硬件的辅助无法关闭。

需要的是一种用于与便携式或移动装置进行基于卫星的通信的改进型系统。

发明内容

一种用于与环境中的移动站进行通信的多址收发器处理超过移动站设计假设的条件，而不必修改移动站，如地球轨道中可能出现的那样。多址收发器用于在移动站超过移动站设计假设时关闭与移动站的通信，所述超过移动站设计假设例如是距离更远、相对运动更大和/或通常在地面收发器的功能性将由轨道收发器执行的情况下发现的其它条件。轨道收发器可包含：解析帧数据结构的数据解析器；基于轨道到地面传播延迟来调整定时的信号定时模块；移频器；以及可编程无线电装置，其能够从地球轨道进行通信，并使用多址协议使得所述通信与地面蜂窝基站和地面移动站之间的通信相容，或对所述地面移动站呈现为地面蜂窝基站和地面移动站之间的通信。

多址收发器可支持地面移动站，所述地面移动站是蜂窝电话手持机、智能手机和/或已连接装置。信号定时模块可用于基于轨道到地面的多普勒频移来调整传输信号的频率。信号分配逻辑可将多址收发器的容量分配到多个地面移动站，包含所述地面移动站，所述容量分布在多个时隙、多个载波频率、多个正交子载波和/或多个代码序列上。多址收发器可包含：范围计算器，其针对每一地面移动站确定从多址收发器到地面移动站的距离；以及信号定时模块，其确定传输信号相对于帧结构的定时，其中帧结构包括各自具有零或非零时隙同步偏移的多个时隙，所述偏移提供由从多址收发器到地面移动站的距离所致的可变传输延迟；以及输入信号分配器，其分配帧结构中的监听时隙以监听来自地面移动站的通信，其中监听时隙基于从多址收发器到地面移动站的距离进行定时，并且监听时隙是考虑到多址收发器处理来自与多址收发器相隔多个距离的多个地面移动站的通信而在帧结构中可变延迟的多个时隙中的一个。

考虑到多址收发器处理来自与多址收发器相隔多个距离的多个地面移动站的通信，多址收发器可通过向多个信道块中的每一个指派多个不同距离范围中的每一个来使多个时隙在帧结构中可变地延迟。不同距离范围可共同覆盖顶点距离至最小高度距离的倾斜范围，其中顶点距离是载有多址收发器的卫星的顶点位置相对于地面移动站之间的距离，并且其中最小高度距离是当地面移动站进入卫星的设计覆盖区时与卫星的位置之间的距离。不同距离范围可分别跨越大致34到35千米，其中顶点距离和低高度距离之间的差在210和250千米之间。卫星的设计覆盖区可能是圆形、椭圆形、矩形和/或独立于天线和/或天线波束形状或随天线和/或天线波束形状而变，但是在许多实例中，它近似为圆形。

一种多址收发器可用于在地球轨道中运行且配置成与地面移动站通信，包括：数据解析器，其根据帧结构解析由多址收发器接收的数据，其中帧结构限定哪些时隙被分配给哪些地面移动站；范围计算器，其针对每一地面移动站确定从多址收发器到地面移动站的距离；信道指派模块，其向多个信道块指派多个地面移动站，其中信道块具有地面频率和轨道频率偏移；信号定时模块，其确定传输信号相对于帧结构的定时；以及信号调制器，其在地面频率下以轨道频率偏移调制去往地面移动站的信号，其中轨道频率偏移至少与传输到地面移动站的信号的预期多普勒频移大致对应，使得地面移动站在地面频率下接收信号，所述多普勒频移是由于多址收发器和地面移动站的相对移动而产生的。多个信道块可基于载有多址收发器的卫星和地面移动站的相对位置来分配，其中轨道频率偏移以较小增量发生变化，例如以5千赫兹的增量发生变化。

在特定实施例中，一种具有一个或多个收发器的多址基站处理与多个地面移动站的通信，其中地面移动站配置成预期基站与在与地面移动站相隔的限制距离内和/或相对于地面移动站以小于限制速度的速度移动的地面蜂窝基站的通信。多址基站包括：数据解析器，其根据帧结构解析由多址基站接收的数据，其中帧结构限定哪些时隙被分配给多个地面移动站中的哪些地面移动站，其中帧结构包括各自具有零或非零时隙同步偏移的多个时隙，所述偏移提供由从多址基站到多个地面移动站的距离所致的可变传输延迟；信号定时模块，其基于多址基站和地面移动站之间的基地-移动距离针对传输到地面移动站的信号相对于帧结构确定信号定时调整，其中基地-移动距离超过限制距离；以及可编程无线电装置，其能够使用多址协议且考虑到信号定时调整来将通信从多址基站传送到地面移动站，使得所述通信与地面蜂窝基站和地面移动站之间的通信相容，或对所述地面移动站呈现为地面蜂窝基站和地面移动站之间的通信，即使基地-移动距离超过限制距离也如此。

多址基站可用于与多个地面移动站通信，其中所述多个地面移动站包括蜂窝电话手持机、智能手机和/或已连接装置。限制距离可为大约100千米、120千米或某一其它距离，其中基地-移动距离超过所述限制距离。多址协议可为以下中的一个：基于CDMA的协议、LTE协议、GSM协议、基于OFDMA的协议、基于FDMA的协议、基于TDMA的协议、EGPRS协议或EDGE协议。多址基站可为将在地球轨道中运行的轨道基站，其中限制距离是120千米，且多个地面移动站中的地面移动站的基地-移动距离在约500千米和约750千米之间。在另一变化形式中，多址基站是可在地球大气中运行的基站，包含安装在飞机、无人机和/或气球中的一个或多个上或安装在飞机、无人机和/或气球中的一个或多个中，其中限制距离是120千米，且基地-移动距离超过120千米。

多址基站可包含信号分配逻辑，所述信号分配逻辑将多址基站的容量分配到多个地面移动站，包含所述地面移动站，所述容量分布在多个时隙、多个载波频率、多个正交子载波和/或多个代码序列上。可编程无线电装置能够使用多址协议监听来自所述地面移动站的通信，且多址基站还包含：范围计算器，其针对多个地面移动站中的每一地面移动站确定其多址基站到地面移动站的基地-移动距离；接收定时模块，其基于地面移动站的基地-移动距离确定地面移动站的接收信号相对于帧结构的定时；以及输入信号分配器，其分配帧结构中的监听时隙以监听来自地面移动站的通信，其中监听时隙基于地面移动站的基地-移动距离进行定时，并且监听时隙是考虑到多址基站处理来自具有多个基地-移动距离的多个地面移动站的通信而在帧结构中可变延迟的多个时隙中的一个。

考虑到多个地面移动站具有多个基地-移动距离，可通过向多个信道块中的每一个指派多个不同基地-移动距离范围中的每一个在帧结构中使多个时隙可变地延迟。多址基站可以是将在地球轨道中运行的轨道基站，其中多个不同基地-移动距离范围共同地覆盖从顶点距离至最小高度距离的倾斜范围，其中顶点距离是载有多址基站的卫星的顶点位置相对于地面移动站之间的距离，并且其中最小高度距离是当地面移动站进入卫星的设计覆盖区时与卫星的位置之间的距离。

不同基地-移动距离范围可分别跨越大致34到35千米，其中顶点距离和最小高度距离之间的差在210和250千米之间。

卫星的设计覆盖区可为圆形、椭圆形、矩形等，并且可独立于天线和/或天线波束形状或随天线和/或天线波束形状而变。

在一些变化形式中，具有一个或多个收发器的多址基站处理与多个地面移动站的通信，所述多个地面移动站配置成预期基站与在与地面移动站相隔的限制距离内和/或相对于地面移动站以小于限制速度的速度移动的地面蜂窝基站的通信。多址基站包括：数据解析器，其根据帧结构并根据多址协议解析由多址基站接收的数据，其中帧结构限定哪些时隙被分配给多个地面移动站中的哪些地面移动站，在所述多址协议中，地面移动站预期在指定频率下接收信号并在指定频率下传输信号；多普勒频移计算器，其针对多个地面移动站中的每一地面移动站，确定由其相对于多址基站的速度造成的多普勒频移；信道指派模块，其向多个信道块中的信道块指派多个地面移动站中的每一个，其中每一信道块具有地面频率和多普勒频率偏移；信号调制器，其在地面频率下以多普勒频率偏移调制去往地面移动站的信号，其中多普勒频率偏移至少与传输到地面移动站的信号的预期多普勒频移大致对应，使得地面移动站在地面频率下接收信号，所述多普勒频移是由于多址基站和地面移动站的相对移动而产生的；以及可编程无线电装置，其能够使用多址协议且考虑到地面移动站的多普勒频率偏移来从地面移动站接收通信，使得所述通信与地面蜂窝基站和地面移动站之间的通信相容，或对所述地面移动站呈现为地面蜂窝基站和地面移动站之间的通信，即使地面移动站相对于多址基站的速度超过限制速度也如此。

地面移动站相对于多址基站的速度可能是因为多址基站处于地球轨道中，多普勒频率偏移可以5千赫兹增量发生变化。

多址基站可具有信号分配逻辑，所述信号分配逻辑将多址基站的容量分配到多个地面移动站，包含所述地面移动站，所述容量分布在多个时隙、多个载波频率、多个正交子载波和/或多个代码序列上。

针对多个信道块中的每一个，多址基站可向上行链路子信道和下行链路子信道提供用于上行链路子信道的连续频谱和用于下行链路子信道的连续频谱。信道块可被指派成使得邻近信道块被指派给邻近多普勒频率偏移。

在具有一个或多个收发器且处理与多个地面移动站的通信的多址基站的特定实施例中，其中地面移动站配置成预期基站与在与地面移动站相隔的限制距离内和/或相对于地面移动站以小于限制速度的速度移动的地面蜂窝基站的通信，多址基站可包含：数据解析器，其根据帧结构并且另外根据多址协议解析由多址基站接收的数据，其中帧结构限定哪些时隙被分配给多个地面移动站中的哪些地面移动站，其中帧结构包括各自具有零或非零时隙同步偏移的多个时隙，所述偏移提供由从多址基站到多个地面移动站的距离所致的可变传输延迟，在所述多址协议中，地面移动站进行传输，期望在指定频率下接收信号并在地面频率下传输信号，所述地面移动站还利用多普勒频率偏移进行接收，并且其中多址协议指定多个信道块中的信道块，其中每一信道块具有指定地面频率和指定时隙；信号定时模块，其基于多址基站和地面移动站之间的基地-移动距离针对传输到地面移动站的信号相对于帧结构确定信号定时调整，其中基地-移动距离超过限制距离，其中每一信道块被指派指定信号定时调整；多普勒频移计算器，其针对多个地面移动站中的每一地面移动站确定由其相对于多址基站的速度造成的多普勒频移，并且每一信道块被指派指定多普勒频率偏移；动态信道分配器，其基于指定信号定时调整和指定多普勒频率偏移向多个信道块中的指定信道块分配多个地面移动站中的每一个，其中指定信道块中的信道数目对应于具有或预期具有指定信号定时调整和指定多普勒频率偏移的多个地面移动站的数目；信号调制器，其在地面频率下以多普勒频率偏移调制去往地面移动站的信号，其中多普勒频率偏移至少与传输到地面移动站的信号的预期多普勒频移大致对应，使得地面移动站在地面频率下接收信号，所述多普勒频移是由于多址基站和地面移动站的相对移动而产生的；以及可编程无线电装置，其能够使用多址协议且考虑到地面移动站的多普勒频率偏移来从地面移动站接收通信，使得所述通信与地面蜂窝基站和地面移动站之间的通信相容，或对地面移动站呈现地面蜂窝基站和地面移动站之间的通信，即使基地-移动距离超过限制距离且即使地面移动站相对于多址基站的速度超过限制速度也如此。

以下详细描述连同附图一起将提供对本发明的性质和优势的更好理解。

附图说明

将参考各图描述根据本公开的各种实施例，图中：

图1说明其中可以使用本发明的环境。

图2说明图1的环境的额外实例。

图3说明基地收发器站和移动站之间所使用的基于帧的协议的实例。

图4示出在使用时分协议时传播延迟和使用定时提前的效果的实例。

图5示出时分协议的扩展范围特征的使用的实例。

图6示出时分协议的扩展范围特征的使用以及在时分协议的情况下的定时提前的实例。

图7示出与BTS相隔不同距离的各种MS的实例，其中那些距离至少是大致确定的。

图8说明图7中的在不同距离处的各种MS如何基于它们确定的距离被指派时隙以提供经排序扩展范围通信。

图9说明使用同步偏移的环方法的覆盖区域。

图10说明针对环方法如何调整定时。

图11说明卫星覆盖区和所述卫星覆盖区内的所得距离范围的实例。

图12示出不同移动站可如何基于它们的地面位置被指派不同时隙以实施用于TDMA通信的环方法和经排序扩展范围方法的实例。

图13说明不同移动站可如何基于它们的地面位置距离被指派不同载波频率使得可以使用针对不同载波频率具有不同环直径的环方法。

图14示出卫星覆盖区可如何细分成多普勒频移条带。

图15是确定相对于MS的伪距离和多普勒频移的测量过程的流程图。

图16示出卫星覆盖区可如何细分成范围环、细分成多普勒频移条带以及细分成范围环和多普勒频移条带。

图17说明卫星覆盖区的范围环/多普勒频移单元的实例。

图18说明图17的范围环/多普勒频移单元到特定载波频率和多普勒偏移块的实例指派。

图19说明考虑到BTS和MS之间的通信的多普勒频移可以如何将频谱分配给信道的各种多普勒偏移块。

图20说明卫星覆盖区的单元基于MS针对每一单元的预期密度的实例指派。

图21说明可用于图20中所说明的分配和映射的实例信道分配。

图22是说明建立和距离确定的过程的泳道图。

图23说明实例收发器和相关组件。

具体实施方式

在下面的描述中，将描述各种实施例。出于解释的目的，阐述特定配置和细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员还应清楚，可在无所述特定细节的情况下实践实施例。此外，可能省略或简化众所周知的特征以免混淆所描述的实施例。

本文中描述和提出的技术包含基于卫星的基地收发器站(BTS)的设计，所述基于卫星的基地收发器站是卫星或卫星的部分，可以在轨道中运行，并且实施用于陆基装置之间的传输和接收的收发器，例如移动站(MS)，所述移动站是设计成与地面BTS一起使用的移动站。在许多情况下，可以使用MS，而不需要任何物理修改，甚至不需要任何软件修改，在此情况下，MS可与收发器和BTS通信，且可能不知道BTS不是地面BTS，或更通常而言，可能不知道BTS在MS的设计假设之外运行，例如处于大于距离的设计假设的相对距离处，相对速度比MS被设计用于的相对速度大得多，以及其它设计假设。

利用轨道收发器和地面MS，BTS将在假设BTS到MS的最大距离为比如大约35km的MS设计的设计假设之外，并且将在假设相对运动(例如在通信时BTS-MS距离的时间导数)可被忽略或比相对于轨道收发器所经历的7.2到7.8km/s小得多的MS设计的设计假设之外。其它设计假设也可发挥作用。例如，轨道收发器将具有用于通信的限制时间窗，即卫星上升到高于相对于MS的最小高度的时间到它在相对的地平线处位于最小高度下方的时间。

尽管此处的大部分实例和细节涉及进行调适、配置、编程等等以关闭与像那些设计假设仍然成立的那样运行的MS的通信的轨道收发器，但是这些技术可以不仅仅用于轨道实例。例如，它们可用于位置高到足以使得倾斜角度大于120km的BTS。例如，如果BTS能够安装在1130米的高度处，这就足以使到MS的视线(倾斜范围)达到120km或更多。平台(例如飞机、UAV、高空无人机、热气球、高空气球、亚轨道飞行器、航天飞机、山峰或甚至一些极大的塔架)可能是使这些技术中的一些或全部能发挥效用的条件。同样值得注意的是，所述技术甚至可以部署在陆基BTS上，但天线旨在向在产生长通信距离(如超过120km)和/或高多普勒频移环境(例如超过大约200KPH)的平台上运行的MS提供服务。这可包含MS在地面、大气或空间环境中运行的条件，并且BTS在地面上，它可能是移动的(例如，在某种车辆上)，也可能是静止的。

如果MS处于轨道中并且需要像设计假设成立的那样运行，且BTS是地面的并且可以在设计假设不成立的情况下运行并进行调整以适应这些MS，那么这些技术也可发挥效用。例如，MS可用于移动中的飞机，也可能用于未来空间站。地面上的基站塔具有足够大的天线，它可以执行关闭与MS的通信的操作，同时解决类似的设计假设违反问题，如长距离和高多普勒频移。

BSC和MSC(包含归属位置寄存器，或HLR，以及订户处理)功能性也可以在卫星上提供，或者一些特定地在轨道上不需要的功能性可以在地面上实施。BTS、BSC和/或MSC功能可以使用现成的传统软件无线电或商业级(或专有)硬件/软件来实施，只要可以对其进行编程、配置或调适以执行必要的功能即可。

尽管BTS和MS之间的距离延长，导致由距离所致的功率降低和由距离所致的飞行时间延迟，并且尽管BTS和MS之间的更大相对移动超过MS相对于BTS进行的典型的基于地面的相对运动有所影响，BTS仍可以提供其功能。后者那种更大相对移动会导致多普勒频移，而传统MS(例如手机)可能不会设计成处理像卫星可能以LEO中所经历的7.6km/s的速度相对于MS移动所产生的多普勒频移那样大的多普勒频移。那些多普勒频移是可变的，因为它会随着MS在卫星覆盖区内的位置而变化。卫星后面的位置将看到负多普勒频移，而卫星前面的位置将看到正多普勒频移。

应解决功率电平问题。举例来说，GSM规范要求移动电话在需要时将传输功率骤增到1或2W(取决于频率)。移动电话将在RACH上自然地做到这一点，一旦它被指派了信道，BTS就可以命令它安静下来，如果它不需要那么“大声”地传输的话。通过合适的BTS天线能力，使用具有约50cm形状因子的天线，两瓦的传输功率足以在500km高度以合理的仰角关闭链路，其中数据传递速度根据需要进行调整。例如，一个实施方案可能侧重于2G速度和具有短数据突发脉冲的窄带消息传递，而不是试图支持例如4G LTE的数据速率，尽管后者也是可能的。通过这种方式，较低的功率电平和较高的数据速率仍然可以在技术上由具有足够天线技术的基于空间的基站提供支持。然而，地面装置的较低功率电平及较快数据速率会增加对空间部分的功率要求和质量要求。

如本文中所使用，“覆盖区”是指地面上在关闭与卫星上的BTS的通信信道的范围内的区域。在本文中的实例中，使用圆形覆盖区，但是应理解，覆盖区可以不是圆形的，并且可以取决于遮挡因素、地球表面的形状、大气条件等。在一些情况下，覆盖区是不同于实际覆盖区的“设计覆盖区”。例如，卫星实际上可以与移动装置通信，所述移动装置在某一距离外，并且因此在卫星的实际覆盖区内，但是出于选择性、性能或其它原因，使用所述卫星的系统被设计具有不同覆盖区，例如比实际覆盖区小的覆盖区，也就是设计覆盖区。设计覆盖区的边界可为卫星投射到地球上的圆或椭圆，其中心位于卫星正下方的表面点且具有卫星在设计时应覆盖的半径，例如特定的倾斜范围。

如本文中所使用，“地面”用于指代MS的位置，但是应理解，“地面”不限于地球表面。当MS被描述为基于地面或在地面上时，它可能是位于站在地球表面上、水体表面上、略低于地球表面处或略低于水体表面处、在建筑物的上层中、在不是完全处于地平面的结构中、在飞机中或以其它方式处于大气中的高处或类似位置的一个人的手中。然而，为了解释清楚，MS可被描述为在地面上以与处于轨道中的元件区分。这并不是说本文中所描述的系统不可用于轨道中的MS。在适用时，除非另外指出，否则还可支持轨道中的MS，假设这些装置在电气、机械和其它方面都足够坚固，可供轨道使用，即使它们没有经过专门修改以与轨道中的BTS通信也是如此。

如本文中所使用，“处于轨道中”是指处于一位置且相对于惯性坐标系以一速度行进，所述惯性坐标系相对于地球重心静止(大体上)且在所述位置处具有极少的大气阻力，足以使得轨道可以轻易实现维持。在本文中的一些实例中，给出轨道距离，它大致是指与地球表面上的一般或普通点相隔的典型距离，就像常规用于描述轨道的那样。在一些实例中使用“LEO”，应理解，实例可适用于可略微在通常定义的LEO之外但是仍可以视为轨道的轨道。除非另有指示，否则处于轨道中还可描述围绕其它天体的轨道，如火星、月球、其它行星卫星，或甚至关注点，如L1或L2。在本文中的许多实例中，BTS处于围绕地球的轨道中，MS是地面的。有可能将本文中的教示用于其它情形，例如，在发生BTS和MS交换的情况下，或者在BTS在飞机、无人驾驶自动驾驶汽车、气球等中而不是在地球轨道中的情况下，在遇到类似困难的情况下，或更通常而言，在存在困难(例如距离、传播延迟和/或多普勒频移)超过MS通常被设计用于支持或经受的(例如，用于构造和/或编程MS的设计假设)条件的情况下。

在传统的TDMA通信系统中，存在关闭通信链路有定时和信号功率方面，即，形成接收信号功率足够高于噪声/干扰环境使得数据可以以所要数据速率和误码率在信道上流动的条件，并且遵循预期协议使得通信的装置不会在任何一端放弃。如本文所描述，基于卫星的BTS可与被设计与陆基BTS一起使用的陆基MS通信。基于卫星的BTS以一种通过解决可变传播延迟同时对MS透明来实现某一差别距离内的通信的方式修改与MS的TDMA通信。如果处于LEO中，卫星的星座可以提供从地球上方400到500km的轨道到使用传统地面通信技术和协议的MS的连续连接，且经济部署成本是可接受的，使用寿命也是合理的。BTS为TDMA帧结构提供了合适的定时，这些帧结构实现支持所需要的伪距离范围和多普勒频移抑制的轨道范围通信和信道分配或指派方案，并处理信号干扰问题以及与由轨道速度所致的多普勒频移相关联的失配。因此，如本文中所描述的BTS可提供航天器和地面电信装置之间的通信，以及使用通常用于地面电信的地面电信装置的特征和设施的通信。这可以扩展通信系统中的无线电覆盖范围，以实现在轨航天器和移动电话或其它通信/无线装置之间的通信。BTS可用于在频域和/或时域中利用多址技术(即，TDMA、FDMA、OFDMA等)的通信系统，这些技术与传统移动电话一起使用以使用GSM蜂窝通信协议或类似的地面协议与轨道中的航天器通信。

当BTS处理时域和频域中的RF信号滑动时，BTS可以使用在时域和/或频域中使用多址方法(例如，TDMA、FDMA、CDMA、OFDMA等)的通信模态来实施，这需要在给定所涉及的距离以及所涉及的相对速度的情况下进行处理。大体来说，除非另有指示，否则本文中的教示可用于多址方法和系统的这些实例中的一个或多个，其中多个移动站与BTS通信或尝试与BTS通信，并且为了避免干扰，所使用的协议通过具有各自使用不同时隙、载波频率和/或代码序列的MS来实现多址。因此，尽管许多实例是参考TDMA/FDMA协议描述的，但是实例可以扩展到其它协议。

本文中，距离可以用除千米以外的单位表示，在那些情况下，假设某一换算。例如，真空中的光速可为距离以秒为单位表示的换算因数，例如微秒和毫秒。特定情形中的传播延迟可为真空中的光速或者可更长，但是根据上下文，本领域技术人员很清楚给定以秒为单位表示的传播延迟可以如何确定距离。

同样地，距离和/或时间可以以位为单位来表示，在那些情况下，假设某一位速率。例如，对于270.833kbit/s的位速率，表达为“156.25个位”的时间周期是指576.92μs的时间周期，表达为10个位的距离可对应于5.538km的距离，因为传输10个位将占用36.92μs，并且在那些36.92μs中，信号可以真空中的光速行进所述5.538km(往返)。真空中的光速和实际传播速度之间的差可不同，并且所述差可被纳入考虑范围内，但是出于说明的目的，可以省略那些细节以免使解释复杂化。

实例BTS及其操作的描述

本发明将参考本发明的特定但未必优选的实施例加以详细描述。这些特定实施例是举例来说，并且多址通信系统领域和轨道力学领域的技术人员在阅读本公开后将认识到可能存在其它变化，并且本公开与行星体表面上的MS和在围绕所述行星体的各种轨道中运行的航天器BTS之间的多种类型的多址通信系统相关。

在本文中的许多实例中，包含BTS的卫星的轨道表示为具有500km高度的圆形轨道，但是应理解，本文中的教示通过相应调整还适用于其它轨道。在一些实例中，BTS用作GSM BTS或模拟GSM BTS的操作，或执行足够的功能与在地球表面附近(即，不在轨道中)的地面移动站(MS)通信。

在本文中的一些实例中，卫星的覆盖区表示为地球表面或在地球表面附近的一组点，其中从MS看，卫星处于最小仰角或更大仰角。如本文所用，当卫星处于MS正上方时，MS“看到”卫星处于90度仰角(因此，MS处于相对于卫星的天底方向)。在本文中的实例中，倾斜范围是90度到40度，但是可以使用大于或小于所述范围的其它倾斜范围。本领域的普通技术人员在阅读读取本公开之后将理解如何相应地修改本文中的计算。

地球半径为6370km，并假设500km的圆形轨道，当仰角是90度时，覆盖区内的MS将与BTS相隔500km。使用基本几何学，可以确定从地表上的一个点看，500km圆形轨道中的卫星在卫星到所述点的距离是大约741km时将呈现相对于所述点处的地平线大约40度的仰角。MS和卫星BTS之间的信号的传播延迟随距离而变，且到轨道中的卫星的距离随轨道半径和仰角而变，所述仰角是卫星的位置向量和MS的位置向量之间的角度。当仰角是90度时，即，当卫星在头顶上且MS在卫星的天底方向上的表面点处时，距离可视为轨道半径和地球半径之间的差，或大致视为轨道半径和地球半径之间的差。当仰角低于90度时，可以计算出距离。对于预期形成连接的某一最小仰角，一般认为所述角度将对应于此类连接所支持的最长距离。最小仰角为40度时，MS和卫星BTS之间的交互时间可以在BTS和/或MS处计算如下。对于40度仰角和500km圆形轨道，地球中心角度是ACOS(R_earth*COS(min_elev)/(R_earth+h))-min_elev＝4.74度，其中R_earth＝＝6370km(地球半径)，min_elev是最小仰角(在此实例中为40度)，h是卫星高度(在此实例中为500km)。MS从在一个地平线上相对于卫星的40度最小仰角变成在另一地平线上相对于卫星的40度最小仰角所花费的时间可以计算为卫星横穿2*4.74＝9.47度的地球表面所花费的时间。如本文中所解释，500km圆形轨道中的卫星相对于地球表面以7.11km/s移动。因此，以这一速度横穿9.47度的地球表面所花费的时间(以秒为单位)是大致9.47度*pi/180*(R_earth+h)/7.11km/s＝159.86秒。当然，可使用其它最小仰角，并且相应地调整计算。这假设卫星在头顶上经过时MS直接横穿卫星覆盖区的中心。在各种状态中，BTS和/或MS可将这个值159.86秒纳入考虑范围，以便计划和协调通信和调度。

取决于大气作用和其它物理相互作用，实际距离可为不同的。在此实例中，BTS接着配置成支持与在BTS和MS之间大约500km到741km的装置的通信，并且如果那些MS从局部地平线看见BTS处于低于40度的仰角，那么BTS需要支持MS。在一些实施方案中，下端从轨道距离降低，以便与远高于地面的MS通信。例如，如果MS位于在15000米飞行的飞机，但是卫星假设最小距离485km，那么所述MS可受支持。在另一实例中，地球同步轨道(GEO)中的卫星可提供BTS，在此情况下，最小距离是大约35786km。

图1说明其中可使用本发明的环境。如图所示，在地球(就此而言，或其它行星或行星体)的表面102上存在若干个移动站(MS)104，所述移动站104可以是移动的，也可能是便携式或静止的但是充当MS。这些MS 104通过BTS-MS链路108与轨道BTS 106通信。如所说明，每一个BTS 106相对于表面102具有一轨道速度，以及某一间隔距离。

图2说明图1的环境的额外实例，其中个人202具有包含构成移动站的元件的各种装置204，智能手机204(1)、笔记本电脑204(2)和平板电脑装置204(N)，其中的每一个配置和/或调适成与地面BTS通信，并且其中个人202想要通信或接入网络208和/或与因特网连接的资源210，他们可以通过BTS206这样做。装置的其它实例可为无用户接口装置，例如通过网络交互的工业或家庭设备(例如，“物联网”装置)。

图3说明基地收发器站(BTS)306和移动站(MS)304之间使用例如TDMA或也可用于地面通信的其它协议的协议通过地面-轨道链路308使用的基于帧的协议的实例。

如本文将在实例中所解释，BTS使用各种允许它明显支持仅配置成用于地面蜂窝通信的MS的技术。将描述若干个实例，但是首先将描述用于TDMA系统中的范围扩展的一些方法。

图4说明可如何使用定时提前机制。应理解，当示出时序图时，意味着存在遵循时序图的带逻辑的对应模块。图4还示出在使用时分协议时传播延迟和使用定时提前的效果。

在图4中，示出TDMA帧的八个时隙。这些可为更大数据结构的部分，为了解释清楚，省略了所述更大数据结构。如果MS或BTS具有用于MS-BTS通信的所指派时隙，那么每一个装置都编程成使用它们系统时钟的本地副本来确定何时开始传输、何时停止传输、何时开始监听以及何时可以停止监听，这对应于它们被指派的时隙。

在图4中，顶部的线说明来自MS的传输402。本文中，“Tx”是传输(transmission/transmitting)、传输器的缩写，因为上下文可能需要。类似地，“Rx”是接收(reception/receiving)、接收器的缩写，因为上下文可能需要。如本文中所使用，“传输”是作为来自传输器的通信或信号的部分发送的内容，“接收”是所接收的内容。当传输器和接收器具有相同系统时间并且存在可测量的传播延迟时，传输和其对应的接收并不存在于相同系统时间。从MS的角度看，发送传输402的过程完全在时隙1内进行，此处，假设MS被指派时隙1。如果传输402占用所分配时隙的大部分，当它在传播延迟之后在BTS处作为BTS Rx接收时，它将作为接收404接收，所述接收404部分地在时隙2期间接收。这是不合需要的。利用定时提前，MS在时隙1开始之前(根据MS的时钟定时)发送传输412，并且当它在传播延迟之后作为接收414在BTS处接收时，它将完全在时隙1内在BTS处完成。

图5示出时分协议的扩展范围特征的使用的实例。在此实例中，时隙的持续时间是大约0.28毫秒，表示85km的距离，因此MS可与BTS通信，而不需要任何定时提前，作为传输可以在BTS处延迟多达一个时隙的持续时间。额外时隙充当额外保护周期。

如图5中所说明，在MS处，存在八个时隙，但是仅使用第一个(时隙0)、第三个(时隙2)、第五个(时隙4)和第七个(时隙6)。如所说明，MS1在时隙0期间进行传输502(0)，MS2在时隙2期间进行传输502(2)，MS3在时隙4期间进行传输502(4)，且MS4在时隙6期间进行传输502(6)。BTS接收此类传输的接收，使得对接收504(0)的接收开始于在时隙0的开始之后的任何时间并结束于在时隙1的结束(在图中被称为“(0)”)之前的任何时间。类似地，BTS在时隙2的开始之后接收接收504(2)，并结束于在时隙3的结束(“(2)”)之前的任何时间，对于接收504(4)和504(6)来说情况类似。

图6示出时分协议的扩展范围特征的使用和在时分协议情况下的定时提前的实例。如图所示，MS传输602在它们相应的时隙期间，并且BTS接收此类传输，使得在适当的时间接收接收604。利用定时提前机制和扩展范围机制的组合，最大所允许MS-BTS可为35km+85km＝120km，如图6中所说明。不管是单独使用定时提前机制，单独使用扩展范围机制，还是同时使用这两者，BTS可管理所使用的机制。MS甚至可能都不知道是否使用了扩展范围机制，因为BTS只是不指派每隔一个的时隙。例如，如果BTS确定MS在60km外，那么BTS可告知MS使用0位定时提前(即，不使用定时提前)并且不向任何MS指派下一时隙。如果BTS确定MS在95km外，那么BTS可告知MS使用18位定时提前并且不向任何MS指派下一时隙。

图7示出与BTS相隔不同距离的各种MS的实例，其中那些距离至少是大致确定的。在此实例中，存在七个MS，标记为A至G，并且具有相应的伪距离d_A至d_G。这说明MS可以如何根据距离排序。

图8说明图7中的在不同距离处的各种MS如何基于它们确定的距离被指派时隙以提供经排序扩展范围通信。如图8中所示，时隙0被指派给用户G，用户G在图7中最接近BTS，且时隙6被指派给用户E，用户E在图7中离BTS最远。仅指派七个时隙。给定传播延迟范围，来自各个MS的传输802作为接收804接收，使得没有传输802与另一传输802重叠，并且所有接收804都在TDMA帧周期内接收。如图8中所说明，信号突发脉冲在各时隙内越来越延迟，这可以去除碰撞和干扰。

经排序扩展范围方法具有比扩展范围机制更多的处理量，但是仍然可以实现高达120km的MS-BTS距离范围和7/8的全帧容量(只要两个经排序MS之间不大于整个85km距离空缺)。在一些情况下，将分配超过一个时隙并且针对距离空缺对其进行分割，并且因此，在N个时隙如此分配(其中N是1到7)时，处理量将是1-(N/8)的全帧容量。当时隙是156.25个位时，空缺可被指派为分布在时隙当中的数个位。当此逻辑由BTS执行时，经排序扩展范围机制的实施方案不需要对MS逻辑或操作进行任何修改，因为BTS协调了计算出的时隙指派。

图9说明使用环形扩展范围机制的距离范围和使用同步偏移的环方法的覆盖区域。交叉影线区域是BTS支持的区域。不支持比最小通信距离d^*更接近的MS，因为BTS假设所有MS至少d^*远。使用定时提前机制获得的35km范围可用于支持d^*到d^*+35km的MS-BTS范围，而不需要任何MS修改。在一个实例中，d^*＝85km，但是可使用其它最小通信距离。所以在所述实例中，BTS可支持与BTS相隔85km到120km的MS。

图10说明传输和接收的定时以及针对环方法如何调整定时。最小通信距离d^*直接随着被选定供上行链路子信道上的BTS使用的时隙同步偏移而调整。在MS处，传输1002由MS在它视为时隙0的时隙中发送。在BTS处，接收404在一传播延迟之后接收，所述传播延迟至少是光速的d^*倍。因为d^*乘以光速的值是已知的，所以BTS可简单地将它的时隙的定时移位偏移T_offset＝2xd^*/(光速)，其中2是考虑到MS-BTS往返距离，且BTS在BTS处在时隙0内接收接收1004。

图11说明卫星覆盖区、环以及所述卫星覆盖区的环的所得距离范围的实例。卫星1102将具有一覆盖区，在图11中，从侧向看，所述覆盖区被说明为覆盖区1104，从上方看，所述覆盖区被说明为覆盖区1106。覆盖区1106中的不同交叉影线指示表面和BTS之间的不同距离范围，这些距离范围形成环。在此实例中，存在七个环，但是根据需要可存在更多或更少个环。在此实例中，环标记为r₀至r₆，且对应于BTS-MS距离范围(其可为伪距离范围){500-534.4，534.4-568.9，568.9-603.3，603.3-637.7，637.7-672.1，672.1-706.6，706.6-741}(全都以km为单位)。这些范围中的每一个碰巧都小于35km，这是一个有用的设计选择，如下文所解释。其它应用可使用不同设计选择。在初次握手中，例如在RACH过程中，BTS-MS距离确定，并且根据所述BTS-MS距离，MS可以被指派给卫星覆盖区中的一个环。

如下文所解释，指派给特定一个环的MS可全都指派给上面传输TDMA/FDMA帧的一个载波频率或载波频率块，或者可采用其它方法。在一些实施例中，环可重叠，使得MS可以在超过一个环中。例如，前两个环可为490-540和530-580，因此与BTS相隔535km的MS可以在那些环中的任一个中。

取决于所要应用，轨道BTS可根据以下调整它的协议和操作：(1)定时提前方法，(2)扩展范围方法(使用不到所有可用的时隙，并且实际上将未使用的时隙用作保护位)，(3)经排序扩展范围方法(使用不到所有可用的时隙，并且实际上将未使用的时隙用作保护位，在时隙之间分配，其中时隙基于预期可变延迟进行指派)，(4)环形扩展范围方法(将定时移位，使得覆盖范围是具有不受支持的内圆的环)，(5)多环扩展范围方法(类似于方法(4)，但具有多个环同时覆盖不同距离范围以及基于BTS-MS距离指派给环的MS)，以及(6)经排序信道-环分配方法(类似于方法(5)，但是具有与不同载波频率相关联的不同环，并且对于载波频率，使用方法(3)供在所述环的距离范围内的MS分配时隙)，或(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)中的一个或多个的组合。

定时提前、环和经排序扩展范围方法

图12说明使用定时提前方法、环形扩展范围方法和经排序扩展范围方法的BTS的第一实例。在图中，不同移动站可基于它们的地面位置而被指派不同时隙，以实施用于TDMA通信的经排序扩展范围方法，并且使用环方法将范围变为地面的。

在此实例中，卫星1202在高度d^*处按轨道运行，假设卫星1202不需要支持比d^*更接近的MS且不需要支持距离BTS比某一最大距离d_max更远的MS。在此实例中，存在五个MS，根据与BTS的距离标记为MS1至MS5，所述距离在d^*和d_max之间。MS MS1到MS5分别被指派给时隙4至0，其中未分配时隙5、6和7，使得经排序扩展范围方法可以用于具有保护时间的三个时隙。这对应于大约486个位，并且在MS帧1204中说明。由于MS和BTS之间的距离，来自MS1至MS5的信号突发脉冲如所示出的BTS帧1206中所指示的那样接收。

在此实例中，定时提前是22个位(为12km的范围所需要)，且环的同步偏移是875个位，这与大约488km的距离对应，因此d^*是大约488+12＝500km。扩展范围保护时间使用最多三个时隙，但是这实现了大约295km的完整MS-BTS距离范围(即，d_max-d^*)。假设可为0到63个位的定时提前的范围最高为35km，经排序扩展范围方法范围可以在大约35km和大约640km之间，这取决于多少时隙被分配给保护时间，如表1中所示。在表1中，范围假设全范围的0到63个位的定时提前可用。

表1.

此TDMA帧结构实现了对较大地理区域的基于卫星的蜂窝式覆盖。即使利用这种解决方案，仍然存在需要解决操作问题和挑战。首先，每个帧仅有超过二分之一的典型GSM帧的潜在处理量。其次，在此配置中，每个帧都将具有在加减～35kHz(取决于轨道选择、倾斜范围、频率使用等，这对于每一解决方案是不同的)之间的可变多普勒频移。然而，多普勒频移问题可以使用本文中所描述的在轨BTS方法和设备来缓解。可利用下一方法解决定时挑战。

定时提前和经排序信道-环分配方法

图13说明不同移动站可如何基于它们相对于BTS的地面位置被指派不同信道使得可以使用针对不同信道具有不同环直径的环方法。如图所示，使用定时提前(对于～0到35km范围)和经排序信道-环分配方法的方法可以提供另一大约241km的范围，而不会将时隙用完。利用经排序信道-环分配方法，卫星覆盖区划分成如图11中所说明的环，并且每个环与不同载波频率配对。每个环以不同的同步偏移操作。

如本文中所使用，信道可包括协议中的一个或多个特定频率分区，例如一组载波频率。在图13中，所支持的最近和最远潜在目标之间的伪距离范围是241km，被分割成七个伪距离范围环。这产生了每个环大约34km的覆盖范围，并且同步偏移针对指派给信道块或信道组的不同环可以是不同的。通过使不同信道块之间的偏移小于大约35km，有可能通过去除对额外时隙保护周期的需要在每个信道中实现完全处理量，并且定时提前自身就足够。

RACH请求突发脉冲可用于确定与每一MS的信号相隔的传播距离。BTS可使用广播信道(BCCH)在RACH上一直或周期性地通知MS关于BTS将哪一载波频率和时隙指派给所述MS以用于上行链路。BTS将确切地知晓MS将何时传输它的RACH突发脉冲，并且可对所述时间和实际突发脉冲到达时间之间的位的数目进行计数。通过用所述位的数目除以信道位速率(对于GSM，为270.83kbps)，BTS可以计算出往返传播延迟时间。接着，BTS通过用光速除以往返传播延迟时间计算出传播距离或伪距离。取决于计算出的伪距离，每一MS有资格指派到特定信道块中的信道。举例来说，在图13中所示的配置中，信道块b₀中的信道被指派给已计算出在500km和～534km之间的伪距离的MS；信道块b₁中的信道被指派给与在轨BTS相隔的伪距离测量在～534km和～568km之间的MS，对于如图11和图13中所示的其它范围，情况类似。

第一信道块b₀具有从传输上行链路帧偏移相同量的上行链路TDMA帧，如图12中所示。后面的信道块b₁具有从信道块b₀的帧偏移额外～62个位的帧。随后，相比于前一信道块，每一信道块的帧额外偏移～62个位(即，信道块b_i+1的帧从信道块b_i的帧偏移额外～62个位)。此配置利用62个位形成各个覆盖环，每个环为～34km，因为帧偏移的每个位对应于大约555m，且每个环/信道块比前一个向外扩展～34km。通过指派各种同步偏移，每一信道块在空间中(和在地球表面上)展现不同环的覆盖范围。当信道块被给定以62位递增的同步偏移且使用GSM的传统实施例时，可以在每个信道上获得全处理量，并且可以实现极其辽阔的覆盖范围。这可以在不需要修改GSM MS的情况下完成。范围环的俯视图在图11中示出。每一范围环的信道块由独特的“距离范围”限定，所述“距离范围”针对这一特定实施例在图11左侧的图例中规定。

多普勒频移处理

尽管上述方法和它们的变化形式可以为所有信道频谱提供最大处理量，但是由于BTS和MS的相对移动，传输频率在传输和接收上可为不同的。考虑到多个MS可存在于距离在轨BTS的类似伪距离范围内但是所感知载波频率移位具有较大差异的情形，可以使用多普勒解决方案。举例来说，设想在图11中，计算出在相同环/信道块b₆内存在两个MS，其中一个MS定位在卫星覆盖区的顶部前端处，而另一MS定位在卫星覆盖区的底部尖端处。

在图11中，卫星在针对信道块b₀指示的覆盖区域的中心(在箭头的起点处)的正上方并且正在标记为“速度”的箭头方向上移动。在卫星速度向量前面的第一MS将具有接收频率的正多普勒频移，而在卫星速度向量后面的第二MS将具有接收频率的负多普勒频移。如果这些MS被指派相同频率，那么卫星可从相隔数千赫兹(在1800/1900 GSM带的情况下，最多相隔70kHz)的MS接收信号突发脉冲频率。此外，向具有极其不同的多普勒频移环境的MS指派邻近信道可在卫星处造成信号干扰。

图14示出对于缓解这一问题的方法卫星覆盖区可如何细分成多普勒频移条带。如图所说明，假设卫星1402以一速度相对于地球表面1404行进。卫星覆盖区1406是卫星以所述速度看到的视野，如所指示。卫星覆盖区1406的区域1410中的MS的向量将经历来自卫星1402的信号的接收频率的正多普勒频移，而卫星覆盖区1406的区域1412中的MS的向量将经历来自卫星1402的信号的接收频率的负多普勒频移。接收频率的特定多普勒频移可使用简单几何学来确定，并且针对多普勒频移的范围，卫星覆盖区1406可划分成由等值线定界的条带，且等值线针对它们相应的多普勒频移而被指派值1420。

在三维空间中，给定足够信息，卫星覆盖区内的任一点处的多普勒频移可以由BTS或MS计算出。一个这样做的方法可假设所有向量都在地心固定(ECEF)坐标系中表示。它也被称为地球转动坐标系，因为它是一个在空间中随地球绕其自转轴自转的坐标系。在此过程中，每一个向量被视为具有三个分量值的向量量，使得向量中的每一分量值表示沿着由向量表示的坐标系的每一维度的值。此类数值可以存储在存储器中以供处理器操控。

如果r _BTS表示卫星在ECEF坐标中的位置向量，r _MS表示MS在ECEF坐标中的位置向量，那么MS相对于BTS的位置向量将为r _MS/BTS＝r _MS-r _BTS。类似地，如果v _BTS表示卫星在ECEF坐标中的速度向量，v _MS表示MS在ECEF坐标中的速度向量，那么BTS相对于MS的速度向量是v_BTS/_MS＝v_BTS-v_Ms。为了计算多普勒频移，即BTS相对于MS的速度v _BTS/MS在MS相对于BTS的位置r _MS/BTS/||r _MS/BTS||的方向或单位向量上的分量量值，处理器计算此位置，并且接着除以被指派载波频率波的波长。这可以使用所关注的这两个向量v _BTS/MS和r _MS/BTS/||r _MS/BTS||的点积来完成，并且可以写成公式1，且可能用程序代码实施。

在公式1中，D是计算出的多普勒频移，λ是载波频率波的波长，它可以计算为载波频率除以光速。

举例来说，设想航天器在赤道轨道中运行，高度为500km，且在特定时刻正好位于本初子午线正上方(例如，相对于卫星的正天底点是赤道和本初子午线的相交点)。在同一特定时刻，静止的MS 1430大致位于航天器下方的海平面上，但位于东经1度的赤道上(例如，经度纬度位置可描述为[0，1])。

在此情形中，卫星的ECEF位置坐标大致是[6870km；0km；0km]。在500km的圆形轨道中的航天器的速度向量大致垂直于位置向量且平行于赤道(对于赤道轨道)。速度向量相对于地球表面的量值可以被计算为SQRT(mu_earth/(R_e+h))-w_earth*(R_e+h)＝7.11km/s，其中mu_earth是地球引力常数(mu_earth＝398658.366km³/s²)，R_e是地球赤道的半径(R_e～6370km)，w_earth是地球自转的角速度(w_earth＝7.27*10^-5弧度/秒)，且h是卫星的高度(在此实例中，h＝500km)。因此，航天器的ECEF速度向量大致是[0km/s；7.11km/s；0km/s]。静止MS在纬度0度和东经1度的ECEF位置大致是[R_earth*coS(1°)；R_earth*sin(1°)；0]＝[6369km；111km；0]。因此，此静止MS相对于航天器的ECEF位置是[6369km；111km；0]-[6870km；0km；0km]＝[-501km；111km；0]。因此，此MS从航天器接收的1900MHz信号的多普勒频移将如公式2、3和4中所示。

D＝9.734kHz   (公式4)

如上文所解释，在BTS处在RACH上从MS接收的信号可用于计算伪距离。它还可用于估计相对于MS的多普勒频移。就像BTS知晓RACH在哪一时隙上，它也知晓它在哪一载波频率上。因此，当BTS接收RACH突发脉冲时，它可以测量突发脉冲频率的中心并计算它相对于RACH上的预期中心频率的偏移(差)。这可能需要也可能不需要卫星BTS根据系统所具有的多普勒频移的量值在RACH上监听更宽的频率范围。

图15是可使用RACH供BTS确定相对于MS的伪距离和多普勒频移的测量过程的流程图。当MS想要发起会话(例如，发送SMS文本、进行手机呼叫、发送数据)时，可指示RACH。多普勒频移值不需要经常测量/更新。多普勒频移值随着请求接入信道和发送数据有效负载所花费的时间的改变通常并没有大到足以损坏系统发送/接收信号的能力。在这可能出现问题的情况下，BTS可以进行预测性改变，并假设MS移动速度不是很快。此过程可用于卫星BTS管理伪距离和多普勒频移的测量，以协调信道指派/分配。

如图15的流程图中所说明，在过程开始处，卫星BTS在BCCH信道上广播RACH定时信息(步骤1501)，并且接着MS得知RACH在哪一时隙上(步骤1502)。知晓这一点后，MS在BTS指示MS要使用的RACH时隙期间发送突发脉冲(步骤1503)。突发脉冲较晚到达BTS，且存在频率偏移(步骤1504)。接着，BTS流具有两个线程，一个是针对延迟，一个是针对多普勒频移。在第一流中，BTS对突发脉冲延迟的位的数目进行计数(步骤1505)，使计数的位的数目除以信道位速率以计算“往返”延迟(步骤1506)，并且接着使“往返”延迟除以光速的两倍以计算伪距离(步骤1507)。在第二流中，BTS测量突发脉冲的中心频率(步骤1508)，并从RACH的中心频率中减去中心频率以计算多普勒频移(步骤1509)。接着这两个线程组合，并且BTS检查信道配置矩阵，以便向MS指派针对其伪距离和多普勒频移配置的信道(步骤1510)。接着，BTS检查信道是否已配置(步骤1511)。如果是，那么BTS向MS指派已配置信道(步骤1513)，如果否，那么BTS针对MS伪距离和检测到的多普勒频移环境来配置信道(步骤1512)，并且此过程结束。

因为BTS可以了解相对于每一MS的多普勒频移，所以它可以将特定多普勒频移范围指派到特定信道。在这样做时，每一独立信道可具有其自身特定的潜在多普勒频移值范围，并且所述范围局部减小。举例来说，当信道被指派给图14中所示的特定条带中的MS时，一些信道可能只经历0到5kHz的载波频率移位，而其它信道可能只经历25到30kHz的载波频率移位。因为多普勒范围是明确限定的，并且更局限于每个信道，所以它可以用作信道分配和指派的限定符。这种方法使得可以更简单地在卫星覆盖区内处理整个一组可服务MS的较大多普勒频移变化。

返回参考图14，图14说明在整个卫星覆盖区内各个位置处的所感知多普勒频移。直观的是，卫星覆盖区在速度向量方向上的一半将经历正多普勒频移，而另一半将经历负多普勒频移。不太直观的是，地球曲率的几何结构在卫星覆盖区中形成了一个多普勒频移图，由越来越弯曲的等值线描述。

如本文所描述，一种方法是将信道块分配到预先确定的多普勒频移块中，就像如上文所描述的将信道块分配到预先确定的伪距离范围环中一样。如果载波频率被指派给特定的伪距离范围和多普勒频移，那么每个信道上所经历的实际多普勒频移将是该信道频率所特有的。这个方法的实施可以解决这个问题。在一种设计中，多普勒频移等值线图使用所讨论的频谱中心频率，图中假设在1900MHS下，卫星高度为500km，仰角为40度。

在图14中，每条虚线限定了多普勒频移条带的边界，所述多普勒频移条带用于定位每个信道的潜在多普勒频移，从而最小化干扰。图上的等值线的曲率是因为通信链路的几何结构和通信频率而产生的。

图16示出卫星覆盖区可如何细分成范围环、细分成多普勒频移条带以及细分成范围环和多普勒频移条带。如图所说明，伪距离的范围形成环，多普勒频移等值线形成条带。将这些叠加到网格中(不一定是正交或线性网格)，卫星覆盖区1602被划分为以第一距离值、第二距离值、第一多普勒频移值和第二多普勒频移值为界的网格单元。因此，这些网格单元中的每一个都对应于相对于在轨BTS的伪距离范围和多普勒频移范围的组合，并且是将MS指派到特定信道(或一组特定信道中的一个)的限定符。

应注意，虽然此处表示的卫星覆盖区本质上是圆形的，但这并不是必须的。根据卫星上使用的天线及其配置方式，覆盖区的形状可为正方形或椭圆形。一个非圆形的覆盖区可能具有优势，因为它可以增加或减少覆盖区内传播延迟和/或多普勒频移环境的扩展。

此网格表示与伪距离和多普勒频移信道块的资格(qualification)相对应的伪距离范围和多普勒频移范围的组合。假设上文所描述的网格单元围绕卫星速度向量对称。这意味着偏离卫星覆盖区域中心线的每个网格单元在卫星覆盖区的相对侧上具有“孪生”网格单元。之所以使用术语“孪生”网格单元，是因为这两个网格单元共享一个在逻辑上与一个伪距离范围和一个多普勒频移范围相关联的桶(即，MS在逻辑上指派给桶，所依据的是MS的伪距离是否在指派给所述桶的伪距离范围内以及MS的多普勒频移是否在指派给所述桶的多普勒频移范围内)，因为这两个网格单元中的MS以相似的伪距离和多普勒频移运行。

处理特定MS装置的多普勒频移

在解调下行链路信号时，有些协议可能对多普勒频移有更大的弹性，而其它协议则可能不那么具有弹性。在一些装置或一些协议中，2.5kHz的移位可能是多普勒频移阈值。然而，即使是一些低端蜂窝电话，也可能能够解调相对于该信道的中心载波频率具有高达20kHz的偏移的BCCH信号。这可能与BTS和频率校正信道(FCCH)上的MS之间的交互有关，FCCH是MS用来使其本地时钟与BTS同步的另一广播信道。这种同步最终是手机在之后解调BCCH和其它下行链路信道所需要的信息。因此，可以使用大于上述实例中使用的示例性5kHz条带的多普勒频移条带。例如，可以调整和拉伸桶，以适应更大的多普勒频移范围，每个方向上的多普勒频移至少高达20kHz。实际上，当卫星覆盖区足够小使得最高多普勒频移情况小于20kHz时，这可以避免对多普勒频移桶处理的需要。这可能不适用于其它协议，例如NB-IoT，它们使用的信号带宽要小得多。NB-IoT也有其它区别，例如多址协议是LTE NB-IoT协议，限制距离为40km，基地-移动距离将超过40km。

信道指派

如本文中所阐释，BTS可支持各自使用它们自身的载波频率的多个收发器，每个收发器接着可支持高达八个MS。因为收发器可被设置为使用许多可能载波频率中的一个，所以信道可与所述收发器相关联。在上述实例中，存在123个可用载波频率。在那些载波频率中，可以根据需要将它们指派给MS，但是如果它们根据网格单元分配，那么可具有一些优势，使得与BTS相隔类似距离且具有类似多普勒频移的类似定位的MS的桶使用相同载波频率，并且载波频率可以策略性地指派。信道(其可在逻辑上包括上行链路子信道和下行链路子信道，如上文所解释)可以被指派多个时隙中的一个和多个载波频率中的一个。信道可以仅由它被指派的特性标识，例如它的载波频率和它的时隙，但是对于一些情形，每一信道具有信道标签。信道标签可对信道的载波频率、时隙以及可能地定时提前和多普勒频移进行编码，但是标签可能更简单，例如连续数字，且BTS和/或MS可包含所存储的信道号标签到所指派特性的映射(例如，信道1使用载波频率f1和时隙0，信道2使用载波频率f₇和时隙3，等等)。

图17说明卫星覆盖区的范围环/多普勒频移单元的一个实例。伪距离环和多普勒频移条带的相交形成覆盖区网格。网格单元、范围环/多普勒频移单元可以被指派信道。

图18说明图17的范围环/多普勒频移单元到特定载波频率和多普勒偏移块的实例指派。逻辑信道块可与一个或多个载波频率和/或使用那些载波频率的TDMA帧上的时隙相关联。在图17中，信道示出有任意信道标签，在此情况下，为1到70。它们恰好按从下到上的顺序标记，即从最负多普勒频移到最正多普勒频移。信道1到70可对应于指派给使用八个载波频率的帧中的八个时隙中的每一个以及一个或多个载波频率的帧中的六个时隙的信道。

图17的图示出卫星覆盖区的网格单元如何指派给信道号。仅左侧覆盖区示出为带编号，但是应理解，右侧的孪生单元也被指派给那些信道号。图18中的信道分配表说明信道分配方案，其中每一信道号与对应于多普勒频移条带(D₀到D₁₃)和信道块(b₀到b₆)的多普勒偏移块相关联，被分配或被指派所述多普勒偏移块。应注意在其它实施例中，信道的数目可随着对MS的伪距离和多普勒频移的“桶处理”方式的判定而改变。多个信道可被指派给一个网格单元。在图17和18的实例中，为简单起见，每网格单元被指派一个信道号。仅一半的网格单元填有信道指派，因为它是围绕卫星速度向量对称的。在实际实施方案中，未填充的网格单元被指派等值线图中与它相对的侧面上的网格单元中的相同信道号。这是因为尽管对称网格单元位于等值线图上(和现实世界中)的不同物理位置，但是它们表示关于与在轨BTS相隔的伪距离和多普勒频移的相同资格参数。

挤压和磨损

当上行链路子信道位于连续频谱中且下行链路子信道位于连续频谱中时并且当多普勒频移可等于或超过信号带宽时，BTS设计的“挤压和磨损(pinching and fraying)”特征是有用的，但是为了实施以下技术，不一定要这样做。

图18中的表是在轨BTS将用来确定如何将信道指派到MS以及以邻近编号被指派邻近载波频率的方式指派它们的信道指派矩阵。当在RACH上接收信号突发脉冲时，计算出的多普勒频移和计算出的伪距离估计值用于通过查找适当的网格单元并从表中查询MS的信道号来确定哪一信道应该被指派给所述MS。在此实例中，不是每个信道块(图18中的列)都具有相同数目的实际信道在使用中或可用，因为不是每个信道块都对应于可经历全范围的多普勒频移的伪距离。BTS存储这个表的副本，并且可具有这个表的不同版本，以供在基于网格单元指派信道号时使用。

在图19中说明其中按照具有特定多普勒频移的网格单元的次序指派信道的信道指派的益处。因为航天器基于预期多普勒频移主动地指派信道，所以它不再需要考虑接收频率的这种大的移位范围。实际上，在轨BTS可命令现有MS基础设施在某一载波频率上通信，但是将在略微移位的载波频率上监听，这取决于在所述信道上预期有多少多普勒频移。这减少了航天器部分处的邻近载波频率干扰。

在此特定实施例中，多普勒频移等值线每5kHz间隔一次，但是可以使用其它间隔。因此，对于指派给MS的每一信道，卫星BTS将在一载波频率上监听，所述载波频率是所述信道的载波频率的最大多普勒频移和最小多普勒频移的平均值，卫星BTS还将检查指派给所述信道的时隙中的数据突发脉冲。举例来说，假设信道70被指派给MS且在逻辑上与频率F₇₀和时隙TS₇₀相关联。航天器上的BTS将在TS₇₀+27.5kHz的载波频率下监听来自MS的上行链路信号。因此，没有信号与被BTS监听的频率之间的偏移超过2.5kHz。在返回链路中，在轨BTS可以通过以TS₇₀-27.5kHz的频率传输它的突发脉冲来在信道70上传输信号，使得信号在它监听的载波频率的合理限制内在MS处被接收。

图19描绘MS和BTS用来通信的上行链路和下行链路载波频率的图。确切地说，图19示出图17和18中提及的多普勒块，所述多普勒块具有基于它们容纳的信道的数目进行调整的宽度。当依据某一已知多普勒效应并且按照载波频率增序指派信道时，上行链路信号相互“磨损”，并限定BTS选择监听的信道。这缓解了在轨BTS处的干扰。下行链路传输频率被“挤压”而不是“磨损”，以确保信号在它到达MS时具有适当的载波频率。应注意，在上行链路和下行链路频率中均提及多普勒块，这意味着每一信道具有上行链路和下行链路分量。其它变化形式是可能的。

图19示出在轨BTS在相对于由MS传输的频率略微磨损的频率下监听。这是新信道分配方案的结果，并且减少了在与MS通信时的多普勒频移的干扰和复杂性。在下行链路操作中，航天器在更为“挤压”的信道上传输，使得信号在到达目标MS处时是正确频率。信道块表示为图17和18中提及的多普勒块，并且具有根据它们容纳的信道的数目进行调整的宽度。

应注意，信道也可以按信号频率的降序分配给多普勒块。从BTS的角度看，这种方法可以逆转接收和传输信号的影响。合理的是，假设这种技术实际上有助于增强关闭来自MS的上行链路信号的能力。这是因为上行链路信号将被“挤压”而不是“磨损”，如图19所示。由于对“挤压”的量了解得相当清楚，在轨BTS将利用这一事实智能地缩小它为每个上行链路信道“监听”的带宽。这意味着接收到的上行链路信号的间隔小于200kHz(就像在GSM中一样)。在这种情况下，在轨BTS理论上可以在较窄的信道上监听，以减少噪声。

本发明的一些实施例可有利于上行链路和下行链路子信道上的BTS处的“磨损”或“挤压”信道。为此，实施者将指派具有增加的上行链路信号频率和减小的下行链路信号频率的信道。这将导致用于BTS上行链路接收和下行链路传输功能的信道“磨损”。相反的具有减小的上行链路信号频率和增加的下行链路信号频率的信道将导致用于BTS上行链路接收和下行链路传输功能的信道“挤压”。

虽然图19以方框形式说明信道，每个多普勒块一个方框，但应理解，图19中被磨损或挤压的方框可对应于一个或多个载波频率和一个或多个时隙。例如，在多普勒块D₉的实例中，图18示出信道50至56被指派给被多普勒块覆盖的条带中的单元。信道50至56可表示一个载波频率的帧中的七个时隙、七个不同载波频率的帧中的一个时隙，或某一其它配置。

位置查找

除了BTS和MS之间的数据通信之外，BTS还可用于位置查找，即，至少大致地或以足以用于各种用途(举例来说，支持远程搜索和救援操作)的分辨率确定MS的地理位置。当卫星经过MS时，所述卫星的BTS确定(如上文所解释)MS的网格单元(实际上是一对孪生网格单元)。当另一卫星经过相同MS时，所述第二卫星的BTS将确定所述第二卫星的覆盖区中的一对网格单元。如果第二卫星与第一卫星不在同一轨道中，那么它的伪距离范围环和多普勒频移等值线条带的对称线将略微不同于第一卫星的对称线。BTS假设MS未移动或只是轻微移动，在卫星覆盖区的尺度上，如果这两对网格单元使得一个卫星的一个网格单元与另一个卫星的一个网格单元重叠，而另外两个网格单元不重叠，由此BTS可以确定MS的可能位置。

这可以单独地或与其它位置查找系统组合使用。

软件无线电；根据密度的动态分配

BTS执行本文中所描述的各种功能。BTS可以使用商品软件无线电来实施，并使用本文提供的特定功能进行编程或配置。软件无线电可以在轨道中重新编程以围绕BTS信道分配方案中的信道配置移位。当地面上的MS分布不均匀时，这将是有用的。举例来说，如果BTS具有已连接MS的映射或预期MS的映射，如图20所示，或BTS从具有特定多普勒频移范围且在类似的伪距离内运行的MS获得大部分请求，那么BTS可以支持具有更多信道的更密集网格单元。因此，多普勒频移和伪距离数据可用于摊派信道分配。图20的右侧是一个图，示出了对于每个网格单元可以分配给所述网格单元的信道数。假设卫星覆盖区围绕卫星的速度向量对称，只示出了一个半圆。

图21说明可用于图20中所说明的分配和映射的实例信道分配表，其中信道分配与信道分配方案中的经排序信道映射。为了重新配置信道以服务网格单元，信道的收发器重新配置有相对于传输TDMA帧的不同时隙同步偏移，并且收发器更新它的已配置频率偏移以分别在上行链路和下行链路载波上进行接收和传输。当信道经重新配置和重新映射到信道分配方案时，它们可以保持从所示的信道分配表右下角到左上角的顺序(增序或降序)。信道分配表可以存储在可访问的计算机可读存储器中，使得控制软件无线电的处理器可以根据信道分配表设置频率和定时。

除了将信道重新映射到块外，在轨软件无线电还可以重新配置它的块映射。举例来说，如果MS是密集的，那么BTS可以更精细的伪距离间隔和多普勒频移间隔重新配置它的信道分配方案，以改进其特定地理区域的服务，具体地说，提高吞吐量。此外，在轨BTS可以分别基于最小和最大伪距离和多普勒频移测量值设置其信道的最小和最大时隙同步偏移量和多普勒补偿。这使得BTS能够更精确地限定其卫星覆盖区的网格单元，以及更有效地指派信道以服务MS更密集的地带。多普勒块的更精细间隔进一步减小了多普勒频移对每个信道的影响，而伪距离范围环的更精细间隔则增加了在更特定环位置的潜在处理量，以便服务更密集的MS。

机载处理还可以利用已知的卫星速度来预测卫星覆盖区的运动，并且因此可以预测相对于其服务的MS的伪距离和多普勒频移等值线。这使得卫星BTS能够预测哪些伪距离和多普勒频移桶在不久的将来将需要信道分配，哪些不需要；可预测性将使信道分配方案重新配置的执行更加精确。由于有某一与信道重新配置相关的提前期，所以可以充分利用可预测性来确保其信道的停工时间受限制。举例来说，考虑到这种信道重新配置的提前期，在轨BTS可以“杂耍(juggle)”或保留一个或多个信道，使得服务MS的载波频率不需要为了重新配置而突然停止服务。由于信道必须按照频率增序或降序进行配置，因此重新配置有时会产生多米诺效应，需要重新配置许多信道，以在信道分配方案中保持这一关键频率顺序。举例来说，设想在轨道上的GSM BTS可以接入GSM频谱中的80个信道。假设信道标记为1到124，那么可以将每个奇数信道(即，1、3、5、7等)配置为服务于MS，而每个偶数信道(即，2、4、6、8等)可以“杂耍”或保留。当需要重新配置时，在轨BTS可以重新配置“杂耍”信道，并且不需要中断其它62个已配置信道的服务。当已配置信道不再服务MS时，它可以循环到保留或“杂耍”的信道组，并且该过程会重复进行，以保持一致的服务并限制信道停工时间。

在轨BTS可编程为实时测量MS的伪距离、多普勒频移和其它数据(即，GPS)，以进一步提高此类网络的服务质量。实例包含基于随时间推移收集的大数据集和多次卫星通过(基于MS的相对静态位置)进行的信道的重新分配或移位，以及基于已被就在当前宇宙飞船之前经过这一位置的航天器或甚至被当前航天器感知到的MS分布变化进行的更动态实时移位。

上文所描述的动态信道分配还可以允许特定信道在卫星过顶(overpass)的整个过程内专用于特定MS或地理位置的方式完成。换句话说，如果随时间绘制，那么某一信道的多普勒频移和伪距离配置将由某一平滑函数描述，该函数与某一MS或地理位置在卫星过顶的整个过程内经历的多普勒频移和伪距离环境相匹配。当地面上的某一MS需要在较长时间(例如，数分钟而不是数秒)内与卫星保持锁定链路或从中受益时，该实施例可以是策略性的。

设想图20所说明的情况，其中已连接MS成“块”运行——可能是在一个偏远的村庄。作为提醒，地图只显示了卫星覆盖区的一半，因为伪距离和多普勒频移桶围绕卫星速度向量对称。当航天器从这些用户收集到伪距离和多普勒频移数据时，它可以在其信道分配方案中策略性摊派信道分配，并根据这一摊派对它的信道进行重新编程，从而使其服务配置移位。类似于这种的技术也可以利用预测数据分析软件。在轨BTS可以将历史MS数据与GPS导航数据结合起来，预测它将在何处和在何时经过其覆盖区中的客户密集地带。来自实际服务的MS的GPS数据也可用于进一步增强预测分析和信道分配，以及跟踪应用。这可能会提高此类网络的服务质量。

图22说明用于在RACH过程中确定MS的参数的过程。通过测量相对于MS上行链路突发脉冲的传播延迟，BTS可计算每一MS在正确时间传输突发脉冲所需的定时提前。RACH过程可为：(1)MS在它预占BTS时监听BCCH，(2)MS的用户键入文本消息并点中“发送”，(3)MS使用BCCH上所提供的信息通过在RACH上发送突发脉冲来请求接入信道，(4)BTS查找信道指派并对信道指派以及定时提前(以位为单位)做出响应，以及(5)MS使用定时提前以相对于它被指派的时隙提前它的突发脉冲，并使用它被指派的频率载波。

在更一般的情况下，如图22所说明，MS对分配专用信令信道以执行呼叫建立的请求以及在分配信令信道后对MOC呼叫建立(包含TMSI(IMSI)和最后一个LAI)的请求被转发给VLR。VLR针对鉴权三元组(Triples)通过HLR请求AC(如有必要)。然后，VLR发起认证、密码启动、IMEI检查(可选)和TMSI重新分配(可选)。如果所有这些都没有导致需要取消进程的错误，MS将建立信息(所请求的订户号码以及详细的服务描述)发送到MSC，并且MSC请求VLR检查(根据订户数据)请求的服务和号码是否可以被处理(或者如果存在不允许呼叫建立进一步进行的限制)。

如果VLR指示呼叫应该被处理，那么MSC命令BSC将业务信道指派到MS，并且BSC将业务信道TCH指派到MS。接着，MSC建立到所请求号码(被呼叫方)的连接。

根据一个实施例，本文中所描述的技术由编程成依据固件、存储器、其它存储装置或其组合中的程序指令执行技术的一个或多个通用计算系统来实施。可使用专用计算装置，例如桌上型计算机系统、便携式计算机系统、手持型装置、联网装置或并有硬连线和/或程序逻辑以便实施技术的任何其它装置。

例如，图23是说明其上可以实施本发明的实施例的计算机系统2300的框图。计算机系统2300包含总线2302或用于传送信息的其它通信机构，以及与总线2302耦合以处理信息的处理器2304。处理器2304可以是例如通用微处理器。

计算机系统2300还包含主存储器2306，例如随机存取存储器(RAM)或其它动态存储装置，所述主存储器2306耦合到总线2302以存储将通过处理器2304执行的信息和指令。主存储器2306还可用于在执行将通过处理器2304执行的指令期间存储临时变量或其它中间信息。此类指令在存储于处理器2304可存取的非暂时性存储媒体中时将计算机系统2300呈现为经定制以执行在指令中指定的操作的专用机器。

计算机系统2300另外包含只读存储器(ROM)2308或耦合到总线2302以存储用于处理器2304的静态信息和指令的其它静态存储装置。提供存储装置2310，例如磁盘或光盘，且所述存储装置2310耦合到总线2302以存储信息和指令。

计算机系统2300可以通过总线2302耦合到显示器2312，例如计算机监视器，以便向计算机用户显示信息。包含文字数字和其它键的输入装置2314耦合到总线2302以将信息和命令选择传送到处理器2304。另一类型的用户输入装置是光标控制件2316，例如鼠标、轨迹球光标方向键，用于将方向信息和命令选择传送到处理器2304并且用于控制显示器2312上的光标移动。此输入装置通常在第一轴(例如，x)和第二轴(例如，y)两个轴线上具有两个自由度，以便允许装置指定平面中的位置。

计算机系统2300可使用定制的硬连线逻辑、一个或多个ASIC或FPGA、固件和/或程序逻辑实施本文中所描述的技术，所述程序逻辑与计算机系统组合使计算机系统2300变成专用机器或将计算机系统2300编程成专用机器。根据一个实施例，响应于处理器2304执行主存储器2306中所含的一个或多个指令的一个或多个序列，通过计算机系统2300执行本文中的技术。此类指令可从例如存储装置2310的另一存储媒体读取到主存储器2306中。主存储器2306中所含的指令的序列的执行使处理器2304执行本文中所描述的过程步骤。在替代实施例中，硬连线电路可代替软件指令或与软件指令组合使用。

如本文所使用的术语“存储媒体”是指存储数据和/或指令的任何非暂时性媒体，这些数据和/或指令使机器以特定方式运行。此类存储媒体可包括非易失性媒体和/或易失性媒体。例如，非易失性媒体包含光盘或磁盘，例如存储装置2310。易失性媒体包含动态存储器，如主存储器2306。例如，常见的存储媒体形式包含软盘、软磁盘、硬盘、固态驱动器、磁带或任何其它磁性数据存储媒体、CD-ROM、任何其它光学数据存储媒体、具有孔图案的任何物理媒体、RAM、PROM、EPROM、快闪-EPROM、NVRAM、任何其它存储器芯片或盒。

存储媒体不同于传输媒体，但是可以与传输媒体结合使用。传输媒体参与存储媒体之间的信息传递。例如，传输媒体包含同轴电缆、铜线和光纤，包含包括总线2302的线。传输媒体还可采取声波或光波的形式，例如在无线电波和红外数据通信期间产生的那些。

在将一个或多个指令的一个或多个序列携载到处理器2304以供执行时可涉及各种形式的媒体。例如，指令可初始地携载在远程计算机的磁盘或固态驱动器上。远程计算机可将指令载入它的动态存储器并将通过网络连接发送指令。在计算机系统2300本地的调制解调器或网络接口可接收数据。总线2302将数据携载到主存储器2306，处理器2304从主存储器2306获取并执行指令。被主存储器2306接收的指令可以任选地在由处理器2304执行之前或之后存储在存储装置2310上。

计算机系统2300还包含耦合到总线2302的通信接口2318。通信接口2318提供到连接到局域网2322的网络链路2320的双向数据通信耦合。例如，通信接口2318可以是综合业务数字网(ISDN)卡、电缆调制解调器、卫星调制解调器或用于提供到对应类型的电话线的数据通信连接的调制解调器。还可实施无线链路。在任一此类实施方案中，通信接口2318发送和接收携载表示不同类型的信息的数字数据流的电信号、电磁信号或光信号。

网络链路2320通常提供通过一个或多个网络到其它数据装置的数据通信。例如，网络链路2320可提供通过局域网2322到主机2324或到由因特网服务提供方(ISP)2326操作的数据设备的连接。ISP 2326随后通过现在通常被称为“因特网”2328的全球包数据通信网络提供数据通信服务。局域网2322和因特网2328均使用携载数字数据流的电信号、电磁信号或光信号。通过各种网络的信号和在网络链路2320上并通过通信接口2318的信号是传输媒体的实例形式，所述信号向计算机系统2300和从计算机系统2300携载数字数据。

计算机系统2300可通过网络、网络链路2320和通信接口2318发送消息和接收数据，包含程序代码。在因特网实例中，服务器2330可通过因特网2328、ISP 2326、局域网2322和通信接口2318传输一应用程序的请求代码。接收到的代码可以在它被接收到时由处理器2304执行，和/或存储在存储装置2310或其它非易失性存储装置中以供随后执行。

除非本文另有说明或另外明显与上下文相矛盾，否则本文中所描述的过程的操作可以任何合适的次序执行。本文描述的过程(或其变化形式和/或组合)可以在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可以实施为通过硬件或其组合在一个或多个处理器上共同执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用程序)。所述代码可存储在计算机可读存储媒体上，例如呈计算机程序形式，所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。计算机可读存储媒体可以是非暂时性的。

除非另有明确说明或另外明显与上下文矛盾，否则连接语言，例如“A、B、和C中的至少一个”或“A、B和C中的至少一个”形式的短语，通过上下文以另外的方式理解为一般用于表示项目、术语等，可以是A或B或C，或者A和B和C的集合的任何非空子集。例如，在具有三个组成部分的集合的说明性实例中，连接短语“A、B、和C中的至少一个”和“A、B和C中的至少一个”指的是以下任何集合：{A}、{B}、{C}、{A，B}、{A，C}、{B，C}、{A，B，C}。因此，此类连接语言通常并不意图暗示某些实施例要求至少一个A、至少一个B和至少一个C均要存在。

除非另有要求，否则本文中提供的任何和所有实例或示例性语言(例如“如”)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且不对本发明的范围做出限制。本说明书中的任何语言都不应理解为将任何非要求的要素指示为对实践本发明来说是必需的。

在前文说明书中，本发明的实施例已经参考可针对不同实施方案变化的许多特定细节进行描述。因此，应在说明性意义上而非限制性意义上看待说明书和图式。本发明范围的单一和排他性指示符和由申请人预期是本发明范围的内容是以产生包含任何后续校正的此类权利要求的特定形式产生于本申请的权利要求书集合的字面及等效范围。

在阅读本公开之后，所属领域的技术人员可设想其它实施例。在其它实施例中，可有利地进行上文公开的发明的组合或子组合。出于说明的目的而示出组件的实例配置，且应理解，本发明的替代实施例中涵盖组合、添加、重新布置等等。因此，虽然本发明已相对于示例性实施例进行了描述，但所属领域的技术人员应认识到，许多修改是可能的。

例如，本文所描述的方法可使用硬件组件、软件组件和/或其任何组合来实施。因此，应在说明性意义上而非限制性意义上看待说明书和图式。然而，明显的是，可在不脱离如权利要求书中阐述的本发明的广泛精神和范围的情况下对本发明进行各种修改和改变，且本发明旨在涵盖所附权利要求书的范围内的所有修改和等同方案。

本文引用的所有参考文献，包含出版物、专利申请和专利，特此通过引用并入，其程度与每篇参考文献被单独并且具体地指明以通过引用并入并且在本文中整体阐述一样。

Claims (29)

1.一种具有一个或多个收发器的多址基站，其处理与多个地面移动站的通信，其中所述多个地面移动站中的地面移动站配置成预期与符合以下条件的地面蜂窝基站进行基站通信：(1)在与所述地面移动站相隔的限制距离内和/或(2)相对于所述地面移动站以小于限制速度的速度移动，所述多址基站包括：

数据解析器，其根据帧结构解析由所述多址基站接收的数据，其中所述帧结构限定哪些时隙被分配给所述多个地面移动站中的哪些地面移动站，其中所述帧结构包括各自具有零或非零时隙同步偏移的多个时隙，所述偏移提供由从所述多址基站到所述多个地面移动站的距离所致的可变传输延迟；

信号定时模块，其基于基地-移动距离，针对传输到所述地面移动站的信号相对于所述帧结构确定信号定时调整，其中所述基地-移动距离超过所述限制距离，其中所述基地-移动距离是从所述多址基站到所述地面移动站的距离；以及

可编程无线电装置，其能够使用多址协议且考虑到所述信号定时调整来将通信从所述多址基站传送到所述地面移动站，使得所述通信与地面蜂窝基站和所述地面移动站之间的通信相容，或对所述地面移动站呈现为地面蜂窝基站和所述地面移动站之间的通信，即使所述基地-移动距离超过所述限制距离也如此。

2.根据权利要求1所述的多址基站，其中所述多个地面移动站包括蜂窝电话手持机、智能手机、和/或与因特网连接的装置。

3.根据权利要求1所述的多址基站，其中所述限制距离是120千米，且所述基地-移动距离超过120千米。

4.根据权利要求1所述的多址基站，其中所述多址协议是LTE协议，所述限制距离是100千米，且所述基地-移动距离超过100千米。

5.根据权利要求1所述的多址基站，其中所述多址协议是LTE-IoT协议，所述限制距离是40千米，且所述基地-移动距离超过40千米。

6.根据权利要求1所述的多址基站，其中所述多址协议是以下中的一个：基于CDMA的协议、LTE协议、GSM协议、基于OFDMA的协议、基于FDMA的协议、基于TDMA的协议、EGPRS协议或EDGE协议。

7.根据权利要求1所述的多址基站，其中所述多址基站是在地球轨道中运行的轨道基站。

8.根据权利要求7所述的多址基站，其中所述限制距离是120千米，且所述多个地面移动站中的地面移动站的基地-移动距离在约500千米和约750千米之间。

9.根据权利要求1所述的多址基站，其中所述多址基站是能够在地球大气中运行的基站，包含安装在飞机、无人机和/或气球中的一个或多个上或安装在飞机、无人机和/或气球中的一个或多个中。

10.根据权利要求9所述的多址基站，其中所述限制距离是120千米，且所述基地-移动距离超过120千米。

11.根据权利要求1所述的多址基站，其另外包括信号分配逻辑，所述信号分配逻辑将所述多址基站的容量分配到所述多个地面移动站，包含所述地面移动站，所述容量分布在多个时隙、多个载波频率、多个正交子载波和/或多个码序列上。

12.根据权利要求1所述的多址基站，其中所述可编程无线电装置还能够使用多址协议监听来自所述地面移动站的通信，并且所述多址基站另外包括：

范围计算器，其针对所述多个地面移动站中的每一地面移动站确定其基地-移动距离；

接收定时模块，其基于所述地面移动站的所述基地-移动距离确定所述地面移动站的接收信号相对于所述帧结构的定时；以及

输入信号分配器，其分配所述帧结构中的监听时隙以监听来自所述地面移动站的通信，其中所述监听时隙基于所述地面移动站的所述基地-移动距离进行定时，并且所述监听时隙是考虑到所述多址基站处理来自具有多个基地-移动距离的所述多个地面移动站的通信而在所述帧结构中可变延迟的多个时隙中的一个。

13.根据权利要求12所述的多址基站，其中考虑到所述多个地面移动站具有多个基地-移动距离，通过向多个信道块中的每一个指派多个不同基地-移动距离范围中的每一个来使所述多个时隙在所述帧结构中可变地延迟。

14.根据权利要求13所述的多址基站，其中所述多址基站是在地球轨道中运行的轨道基站，并且其中所述多个不同基地-移动距离范围共同地覆盖从顶点距离至最小高度距离的倾斜范围，其中所述顶点距离是载有所述多址基站的卫星的顶点位置相对于地面移动站之间的距离，并且其中所述最小高度距离是当所述地面移动站进入所述卫星的设计覆盖区时与所述卫星的位置之间的距离。

15.根据权利要求14所述的多址基站，其中所述不同基地-移动距离范围分别跨越大致34到35千米，并且所述顶点距离和所述最小高度距离之间的差在210和250千米之间。

16.根据权利要求14所述的多址基站，其中所述卫星的设计覆盖区是圆形、椭圆形、矩形，并且独立于天线和/或天线波束形状或随天线和/或天线波束形状而变。

17.一种具有一个或多个收发器的多址基站，其处理与多个地面移动站的通信，其中地面移动站配置成预期与符合以下条件的地面蜂窝基站进行基站通信：(1)在与所述地面移动站相隔的限制距离内和/或(2)相对于所述地面移动站以小于限制速度的速度移动，所述多址基站包括：

数据解析器，其根据帧结构并根据多址协议解析由所述多址基站接收的数据，其中所述帧结构限定哪些时隙被分配给所述多个地面移动站中的哪些地面移动站，在所述多址协议中，所述地面移动站预期在指定频率下接收信号并在指定频率下传输信号；

多普勒频移计算器，其针对所述多个地面移动站中的每一地面移动站，确定由其相对于所述多址基站的速度造成的多普勒频移；

信道指派模块，其向多个信道块中的信道块指派所述多个地面移动站中的每一个，其中每一信道块具有地面频率和多普勒频率偏移；

信号调制器，其在所述地面频率下以所述多普勒频率偏移调制去往所述地面移动站的信号，其中所述多普勒频率偏移至少与传输到所述地面移动站的信号的预期多普勒频移大致对应，使得所述地面移动站在所述地面频率下接收所述信号，所述多普勒频移是由于所述多址基站和所述地面移动站的相对移动而产生的；以及

可编程无线电装置，其能够使用所述多址协议且考虑到所述地面移动站的所述多普勒频率偏移来从所述地面移动站接收通信，使得所述通信与地面蜂窝基站和所述地面移动站之间的通信相容，或对所述地面移动站呈现为地面蜂窝基站和所述地面移动站之间的通信，即使所述地面移动站相对于所述多址基站的速度超过所述限制速度也如此。

18.根据权利要求17所述的多址基站，其中所述地面移动站相对于所述多址基站的所述速度是因为所述多址基站处于地球轨道中，并且其中所述多普勒频率偏移以5千赫兹增量发生变化。

19.根据权利要求17所述的多址基站，其中所述多个地面移动站包括蜂窝电话手持机、智能手机、和/或与因特网连接的装置。

20.根据权利要求17所述的多址基站，其中所述多址基站是在地球轨道中运行的轨道基站。

21.根据权利要求17所述的多址基站，其中所述多址基站是能够在地球大气中运行的基站，包含安装在飞机、无人机和/或气球中的一个或多个上或安装在飞机、无人机和/或气球中的一个或多个中。

22.根据权利要求17所述的多址基站，其另外包括信号分配逻辑，所述信号分配逻辑将所述多址基站的容量分配到所述多个地面移动站，包含所述地面移动站，所述容量分布在多个时隙、多个载波频率、多个正交子载波和/或多个码序列上。

23.根据权利要求17所述的多址基站，其中所述多个信道块中的每一个具有上行链路子信道和下行链路子信道，所述上行链路子信道和下行链路子信道具有用于上行链路子信道的连续频谱和用于下行链路子信道的连续频谱，并且所述信道块被指派成使得邻近信道块被指派给邻近多普勒频率偏移。

24.一种具有一个或多个收发器的多址基站，其处理与多个地面移动站的通信，其中地面移动站配置成预期与符合以下条件的地面蜂窝基站进行基站通信：(1)在与所述地面移动站相隔的限制距离内和/或(2)相对于所述地面移动站以小于限制速度的速度移动，所述多址基站包括：

数据解析器，其根据帧结构并且另外根据多址协议解析由所述多址基站接收的数据，其中所述帧结构限定哪些时隙被分配给所述多个地面移动站中的哪些地面移动站，其中所述帧结构包括各自具有零或非零时隙同步偏移的多个时隙，所述偏移提供由从所述多址基站到所述多个地面移动站的距离所致的可变传输延迟，在所述多址协议中，所述地面移动站进行传输，期望在指定频率下接收信号并在地面频率下传输信号，所述地面移动站还利用多普勒频率偏移进行接收，并且其中所述多址协议指定多个信道块中的信道块，其中每一信道块具有指定地面频率和指定时隙；

信号定时模块，其基于基地-移动距离针对传输到所述地面移动站的信号相对于所述帧结构确定信号定时调整，其中所述基地-移动距离超过所述限制距离，其中每一信道块被指派指定信号定时调整，所述基地-移动距离是从所述多址基站到所述地面移动站的距离；

多普勒频移计算器，其针对所述多个地面移动站中的每一地面移动站确定由其相对于所述多址基站的速度造成的多普勒频移，并且每一信道块被指派指定多普勒频率偏移；

动态信道分配器，其基于指定信号定时调整和指定多普勒频率偏移向所述多个信道块中的指定信道块分配所述多个地面移动站中的每一个，其中所述指定信道块中的信道数目对应于具有或预期具有指定信号定时调整和指定多普勒频率偏移的所述多个地面移动站的数目；

信号调制器，其在所述地面频率下以所述多普勒频率偏移调制去往所述地面移动站的信号，其中所述多普勒频率偏移至少与传输到所述地面移动站的信号的预期多普勒频移大致对应，使得所述地面移动站在所述地面频率下接收所述信号，所述多普勒频移是由于所述多址基站和所述地面移动站的相对移动而产生的；以及

可编程无线电装置，其能够使用所述多址协议且考虑到所述地面移动站的所述多普勒频率偏移来从所述地面移动站接收通信，使得所述通信与地面蜂窝基站和所述地面移动站之间的通信相容，或对所述地面移动站呈现地面蜂窝基站和所述地面移动站之间的通信，即使所述基地-移动距离超过所述限制距离且即使所述地面移动站相对于所述多址基站的速度超过所述限制速度也如此。

25.根据权利要求24所述的多址基站，其中所述地面移动站相对于所述多址基站的所述速度是因为所述多址基站处于地球轨道中，并且其中所述多普勒频率偏移以5千赫兹增量发生变化。

26.根据权利要求24所述的多址基站，其中所述多个地面移动站包括蜂窝电话手持机、智能手机、和/或与因特网连接的装置。

27.根据权利要求24所述的多址基站，其中所述多址基站是在地球轨道中运行的轨道基站。

28.根据权利要求24所述的多址基站，其中所述多址基站是能够在地球大气中运行的基站，包含安装在飞机、无人机和/或气球中的一个或多个上或安装在飞机、无人机和/或气球中的一个或多个中。

29.根据权利要求24所述的多址基站，其另外包括信号分配逻辑，所述信号分配逻辑将所述多址基站的容量分配到所述多个地面移动站，包含所述地面移动站，所述容量分布在多个时隙、多个载波频率、多个正交子载波和/或多个码序列上。

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