CN111480305B - 基于卫星的窄带通信 - Google Patents

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Abstract

本公开描述了用于基于卫星的窄带通信的方法和装置。在一些方面，***包括用户设备(102)，该用户设备(102)与一个或多个轨道卫星(104)建立窄带物联网(NB‑IoT)无线连接(106)，以当其他无线连接不可用时发送(108)和接收(110)数据。该数据可以由轨道卫星(104)中继到地球上的基站(202)以及从地球上的基站(202)中继。

Description

基于卫星的窄带通信
优先权声明
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2017年12月15日提交的美国临时专利申请62/599,522的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
无线通信已经成为许多人的主要通信来源，尤其是在家或办公室外旅行时。在这些情况下，人们依靠无线网络的可用性作为与家人、朋友、应急响应人员、医生或路边援助进行通信的唯一手段。无线网络的一个缺点是它们具有有限的通信范围。例如，当在城市外面旅行时，移动设备的用户可能不在无线网络的范围内并且可能无法通信。当用户因汽车故障而被困在偏僻的道路上、徒步旅行时迷路或受伤或被困在海上时，这可能会特别危险。
在另一示例中，由于已经使无线网络的基站(例如，蜂窝塔)失效的灾难，原本可用的无线网络可能无法使用。由于有限的通信范围，用户设备可能无法到达网络的未受影响基站，因此也无法通信。
特别是在紧急情况下(被困或迷路人员、灾难、营救行动等)，缺乏通信会导致更多的受伤、痛苦和失去生命。例如，在自然灾害之后，网络的基站可能被损坏，或者电源可能被切断，从而导致网络可用性丧失。在没有通信手段的情况下，应急响应人员必须经常依靠人工搜索需要帮助的幸存者。
发明内容
本文档描述了用于基于卫星的窄带通信以在用户设备和一个或多个轨道卫星之间进行通信的技术以及实现基于卫星的窄带通信以在用户设备和一个或多个轨道卫星之间进行通信的***。在一些方面，该技术包括用户设备使用窄带物联网(NB-IoT)无线电接入技术(RAT)经由一个或多个轨道卫星建立无线连接。用户设备通过无线连接对数据进行通信，包括以下中的一个或多个：发送数据或接收数据。用户设备可以基于另一、更高带宽连接的质量落在质量阈值以下来确定经由一个或多个轨道卫星建立无线连接。例如，用户设备确定其不在使用第五代(5G)新无线电(NR)RAT的无线连接范围内，因此它检测基于NB-IoT的无线连接作为无线通信的替代连接。
在一些方面，轨道卫星使用无线电接入技术与基站建立无线连接。该无线连接可以处于诸如C波段频率的高频带，其能够提供用于对高数据量进行通信的高带宽。轨道卫星还使用NB-IoT RAT与用户设备建立另一无线连接。轨道卫星通过无线连接从基站接收数据，并通过基于NB-IoT的无线连接将数据的至少一部分发送到用户设备。另外，轨道卫星可以通过基于NB-IoT的无线连接从用户设备接收数据，并通过无线连接将数据的至少一部分发送到基站。
在一些方面，该技术包括使轨道卫星能够实现窄带通信方案，以使用少于资源块的所有资源元素或子载波与用户设备进行通信。窄带通信方案允许将链路预算集中在资源块的窄带上，该链路预算否则被分配给整个资源块。链路预算的这一集中增加了在窄带内发送的信号的功率谱密度，这增加了信号范围。例如，窄带通信可以用跨越15kHz或180kHz带宽的一个或多个资源元素来实现，而不是20MHz至1GHz带宽的典型宽带分配。
在附图和以下描述中阐述一种或多种实施方式的细节。从说明书和附图中以及从权利要求中，其他特征和优点将变得显而易见。提供本发明内容以介绍在具体实施方式和附图中进一步描述的主题。因此，本发明内容不应被视为描述必要特征，也不应被用于限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
下面描述基于卫星的窄带通信的一个或多个方面的细节。在说明书和附图中的不同情况下使用相同的附图标记可以指示相似的元素。
图1图示根据基于卫星的窄带通信的一个或多个方面的用户设备和轨道卫星的示例设备配置。
图2图示根据基于卫星的窄带通信的一个或多个方面的其中用户设备和轨道卫星可以进行通信的示例联网环境。
图3图示根据基于卫星的窄带通信的一个或多个方面的其中用户设备和轨道卫星***可以进行通信的另一示例联网环境。
图4图示可用于与一个或多个用户设备进行通信的示例资源块集合。
图5图示可以被实现为图4的资源块之一的资源块的详细示例。
图6图示用户设备的通过其可以实现基于卫星的窄带通信的一个或多个方面的示例用户界面。
图7图示用于基于卫星的窄带通信的示例方法。
图8图示用于基于卫星的窄带通信的另一示例方法。
具体实施方式
通常，当在家或办公室环境之外旅行时，用户依靠用户设备进行通信。然而，世界上许多地方具有不足以允许用户设备通过无线网络进行通信的蜂窝服务。例如，驾驶员可能因车辆问题而被困在偏僻的道路上，并且无法联系路边援助。在这种情况下，驾驶员将不得不选择步行至电话亭或具有蜂窝服务的位置，或者在路边等待另一位驾驶员，这两种选择都是很危险的。在另一个示例中，远足者可能在没有蜂窝服务的偏远地区迷路并且无法联系应急服务。由于有限的通信选择，远足者可能会遭受脱水、疾病、伤害甚至死亡。
类似地，通常具有无线覆盖的区域可能会失去连接。诸如飓风、地震、***或海啸等灾难可能袭击某个地区并损坏蜂窝塔。除非用户设备能够与不受影响的蜂窝塔进行长距离通信，否则本地居民经常无法彼此通信和/或与应急响应者通信。即使是诸如位置共享的最小限度的通信也可以帮助应急响应者更有效地定位人员，而不会导致采用人工搜索技术。通过这样做，可以减少痛苦，可以缩短救援时间，并且可以使死亡率最小化。
为了在这些情况以及其他情况下启用通信，本文档描述了用于基于卫星的窄带通信的技术和***。这些技术和***可以允许通过用户设备的通信，而无需依赖提供无线连接的本地基站。这些技术包括经由一个或多个轨道卫星在用户设备和无线网络之间建立无线连接。更具体地，无线连接可以使用NB-IoT无线电接入技术(RAT)在用户设备和低地球轨道中的轨道卫星之间发送和接收数据。窄带通信利用更少的分配资源元素，由于经由分配资源元素发送的信号的功率谱密度，这增加了无线连接的范围能力。然而，由于分配了更少的资源元素，无线连接的带宽减小了。
在使本地蜂窝塔无法工作的灾难或动力故障的示例中，可以实施基于卫星的窄带通信，以为本地居民提供应急通信。例如，用户设备可以基于先前可用的无线网络(本地蜂窝网络)不可用的确定来搜索并检测经由一个或多个轨道卫星提供的基于NB-IoT的无线网络。用户设备可以自动地(例如，无需用户输入)或在用户的请求下搜索基于NB-IoT的无线网络。一旦与基于NB-IoT的无线网络建立无线连接，用户就可以发送诸如救援请求的数据或接收数据，诸如，应急广播消息(例如，另一场灾难的警告或接收帮助的说明)。因此，如本文所述，在传统无线通信不可用的紧急情况下，用于基于卫星的窄带通信的技术和***可能特别有益。
以下讨论描述操作环境、可以在其中实现操作环境的设备的示例联网环境以及可以在操作环境或网络环境中采用的技术。在本公开的上下文中，仅通过示例的方式参考操作环境或联网环境。
操作环境
图1图示在其中可以实现用于基于卫星的窄带通信的设备的示例操作环境100。在该示例中，操作环境包括用户设备102和轨道卫星104，它们分别被配置为通过无线网络的无线连接106进行通信。通常，无线连接106包括上行链路108和下行链路110，用户设备102通过上行链路108将数据发送到轨道卫星104，而轨道卫星104通过下行链路110将其他数据发送到用户设备102。可以根据提供足以在用户设备102和轨道卫星104之间对数据进行通信的范围的任何合适协议或标准来实现无线连接106。例如，可以使用窄带无线信号来实现无线连接106，以相对于相同RAT的全频带(或“宽带”)无线信号来提供增加的范围。由于通信的功率谱密度，无线连接106相对于相同RAT的全频带信号具有增加的范围。通过向无线连接106分配更少的资源元素，能够向无线连接106内的每个资源元素提供更多的功率。然而，通过这样做，无线连接106具有比相同RAT的全频带无线信号更小的带宽。尽管参考单独的上行链路108或下行链路110示出或描述，但是用户设备102与轨道卫星104之间的通信也可以被称为无线链路、无线关联、帧交换或通信链路。
无线连接106可以被实现为NB-IoT信号，因为NB-IoT类型的无线连接可以具有比许多其他蜂窝技术的链路预算高20分贝的链路预算(由于窄带信号的频谱密度)。NB-IoT无线连接在低于2GHz的频率工作时可能特别有效，其中与较宽频带无线通信技术相比时，该链路预算对于增加范围特别有用。在一些实施方式中，NB-IoT无线连接可以在700MHz或附近的频率工作。
用户设备102包括处理器112、具有无线连接管理器116和用户接口118的计算机可读存储介质(CRM)114以及通信模块120。用户设备102被图示为智能电话，但是，用户设备102替代地可以实现为具有无线通信功能的任何设备，诸如移动游戏机、平板电脑、笔记本电脑、高级驾驶员辅助***(ADAS)、销售点(POS)终端、健康监测设备、无人机、相机、媒体流加密狗、可穿戴智能设备、IoT设备、个人媒体设备、导航设备、移动互联网设备(MID)、无线热点、毫微微小区或宽带路由器。
用户设备102的处理器112可以执行由CRM114存储的处理器可执行指令或代码，以使用户设备执行操作或实现各种设备功能。在一些情况下，处理器112被实现为应用处理器(例如，多核处理器)或其中集成了用户设备的其他组件的片上***。CRM 114可以包括任何合适类型的存储器介质或存储介质，诸如只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、随机存取存储器(RAM)、静态RAM(SRAM)或闪存。在本讨论的上下文中，用户设备102的CRM 114被实现为基于硬件的存储介质，其不包括瞬态信号或载波。在一些情况下，CRM114将固件、操作***或用户设备102的应用存储为指令、代码或信息。指令、代码或信息可以由处理器112执行以实现用户设备102的各种功能，诸如与网络接入或音频编码特征有关的功能。在该示例中，CRM114还存储用于实现用户设备102的无线连接管理器116和用户接口118的处理器可执行代码或指令。
用户设备102的通信模块120包括基于硬件的收发器，该收发器具有接收器、发射器以及用于经由无线连接106与轨道卫星104通信的相关电路或其他组件。在一些实施方式中，收发器还被配置为通过另一无线连接与本地基站通信。无线连接106和在共频带的频率范围工作的另一无线连接可以促进这一点。例如，取决于另一无线连接的频带，无线连接106可以被配置为在L波段、S波段或C波段中工作。以这种方式，用户设备102可以使用单个收发器通过无线连接106或另一无线连接进行通信。
通信模块120可以经由发射器经由上行链路108向轨道卫星104发送数据。向轨道卫星104发送的数据可以包括任何合适类型的成帧信息或分组信息，诸如一个或多个设备状态信息、无线链路状态信息、无线链路控制信息、数据请求、应用数据或网络接入请求。通信模块120还可经由接收器从轨道卫星104接收通信数据，诸如无线链路配置设置、网络控制信息或通信模式选择。接收器可能会产生小于20分贝的链路预算增益。更具体地，接收器可以产生小于10分贝、小于5分贝或大约0分贝的链路预算增益。
在一些方面，无线连接管理器116可以确定每个相应的可用无线连接的状态。无线连接的状态基于信号质量和用于对数据进行通信的带宽。然后，无线连接管理器116可以基于对可用无线连接的状态的比较使用户设备102连接到优选的无线连接。例如，无线连接管理器116基于对可用带宽的比较，将用户设备102连接到第五代新无线电(5G NR)无线信号，而不是***长期演进(LTE)协议(4G LTE)无线信号，只要5G NR无线连接的信号质量足以用于可靠的通信即可。
在基于卫星的窄带通信的示例实施方式中，无线连接管理器116确定5G NR无线连接和4G LTE无线连接不可用，或者信号质量低于质量阈值。然后，无线连接管理器116从轨道卫星104检测到具有高于质量阈值的信号质量的NB-IoT无线信号，并使用户设备102与轨道卫星104建立基于NB-IoT的无线连接。然后用户设备102可以经由基于NB-IoT的无线连接与轨道卫星104通信，包括发送或接收数据中的一个或多个。
用户接口118可以提供连接到NB-IoT无线连接的通知。附加地或可替代地，用户接口118可以提供菜单，用于接收对进入卫星通信模式或应急通信模式的选择。这些只是无线通信管理器116和用户接口118的一些实施方式，在整个公开中将对其进一步描述或与其他方面一起描述。
在该示例中，轨道卫星104通常被示出为无线网络的轨道卫星。轨道卫星104可以表示具有多个发射器的单个轨道卫星，并且能够与多个用户设备建立多个无线连接。可替代地，轨道卫星104可以表示多个轨道卫星的***，这些轨道卫星共同能够与可能在地球上各个位置处的多个用户设备建立和维持多个无线连接。
当被实现为多个轨道卫星的***时，NB-IoT网络可以扩展以覆盖地球的大部分。当多个轨道卫星处于需要相对于地球表面移动的轨道距离时，这可能是特别有利的。例如，在低地球轨道，卫星一天会绕地球旋转数次。因此，低地球轨道上的单个轨道卫星不能向任何单个位置在多于一天的部分时间内提供恒定信号。换句话说，在任何给定时间，卫星都能够向与卫星一起移动的特定区域提供信号。当实施足够数量的卫星时，可以在大区域——例如，地球表面的大部分——内维持网络。可替代地，多个轨道卫星的***可以被配置为使得特定位置处于没有窄带蜂窝网络不长于预定时间。例如，卫星可以配置为在一天的每个小时的至少半小时内在覆盖区域内提供窄带蜂窝网络(时间会基于位置而变化)。可替代地，可以将多个轨道卫星配置为在每10分钟间隔期间提供窄带蜂窝网络至少5分钟。可替代地，如果轨道卫星在对地静止轨道上，则该卫星可能位于相对于地球表面的固定位置。对地静止轨道卫星可以保持固定的波束，以用于与位于位置基本固定的地理区域的一个或多个用户设备进行通信。
附加地或可替代地，多个轨道卫星的***可以协作以形成相控阵列配置，该相控阵列配置形成一个或多个波束以改善窄带蜂窝网络的信号质量。该协作可以由轨道卫星或由诸如窄带蜂窝网络的移动性管理实体(MME)的基于地面的控制器来控制。相控阵列配置可以充分改善信号，以允许轨道卫星***在距地球中地球轨道或对地静止地球轨道距离内沿轨道运行。重复编码也可以用于改善信号质量。
轨道卫星104可以被配置为基站，使得轨道卫星104根据本文描述的无线标准或协议中的一个或多个来控制或配置上行链路108或下行链路110的参数。在这些配置中的一些中，轨道卫星104经由另一无线连接并且以与提供给用户设备102的无线信号不同的频率使用基于地球的网络对数据进行通信。可替代地，轨道卫星104可以被配置为用于基于地面的无线网络提供商的中继器。在这些配置中，轨道卫星104可以执行转换、放大或重定向来自无线网络提供商的信号中的一项或多项，以发送给用户设备102。另外，轨道卫星104可以通过执行转换、放大或重定向来自用户设备102的信号中的一项或多项来转发来自用户设备102的信号，以发送给无线网络提供商。
轨道卫星104包括处理器122、具有资源管理器126的计算机可读存储介质(CRM)124和通信模块128。处理器122可以执行由CRM124存储的处理器可执行指令或代码以执行操作或实现各种基站功能。在一些情况下，处理器122被实现为被配置为执行轨道卫星104的固件或操作***的多个处理器核或多核处理器。CRM 124可以包括任何合适类型的存储器介质或存储介质，诸如ROM、PROM、RAM、SRAM或闪存。在此讨论的上下文中，CRM 124被实现为基于硬件的存储介质，其不包括瞬态信号或载波。轨道卫星104的CRM 124可以将基站的固件、操作***或应用存储为指令、代码或其他信息。指令或代码可以由处理器122执行以实现轨道卫星104的各种功能，诸如管理与用户设备102的无线连接106的连接性或参数。在该示例中，CRM 124还存储用于实现轨道卫星104的资源管理器126的处理器可执行代码或指令。
轨道卫星104的通信模块128包括基于硬件的收发器，该收发器具有接收器、发射器以及用于经由无线连接106与用户设备102进行通信的相关电路或其他组件。在一些情况下，通信模块128包括或与多个收发器和天线阵列耦合，该多个收发器和天线阵列被配置为建立和管理与多个用户设备的无线链路。轨道卫星104可以通过下行链路110将数据通信到用户设备102(或其他移动台)，诸如一个或多个数据帧的调度、上行链路许可、应用数据、无线链路状态信息或无线链路控制信息。
在一些方面，轨道卫星104的资源管理器126被实现为执行与分配物理接入(例如，资源块)或分配可用于轨道卫星104的通信资源相关联的各种功能。可以将诸如轨道卫星104的空中接口的物理接入分割或划分为带宽、时间、载波、符号等的各种单元(例如，帧)。例如，在IoT协议的框架内，资源管理器126可以在资源块中分配接入的带宽和时间间隔，每个资源块可以全部或部分地分配给与轨道卫星104通信的一个或多个用户设备。
这些资源块可以被划分为子载波或包括子载波，其中每个子载波(i)跨越指定带宽的一部分，并且(ii)包括与指定长度的资源块的子间隔相对应的时间量或符号数量。参考IoT协议，资源块针对二分之一毫秒(ms)的间隔可以跨越180千赫兹(kHz)的带宽。资源块(RB)的频率跨度(例如，载波)可以包括12个子载波——使得子载波跨越15kHz的带宽(12X15kHz＝180kHz)——以及12个子载波的资源块(RB)。
轨道卫星104的资源管理器126可以通过从资源块中向用户设备102分配一定数量的资源元素或子载波来实现与用户设备102的窄带通信。可以通过从轨道卫星到用户设备的距离来确定该一定数量的资源元素或子载波。较高数量的资源元素会增加带宽，但会降低跨这些资源元素发送的信号的功率谱密度，这减小了信号的范围。然后，资源管理器126可以从资源块中选择所确定数量的资源元素，以分配给用户设备102以促进窄带通信。在窄带通信模式中，所选择的资源元素可以包括一部分但不是全部的资源块(例如，宽带资源块)。例如，资源块的一部分可以包括资源块的子载波的一个或多个符号。可替代地或附加地，所选择的资源元素可以包括资源块的另一子载波或另一资源块的一部分或全部。
资源管理器126还可以经由下行链路110将用于窄带通信的所选资源元素的标识通信给用户设备102。该标识可以包括所选资源元素的频率或时间位置。频率或时间位置可以有效地使用户设备102能够经由所选资源元素以窄带模式进行通信。在这种情况下，指示可以作为无线电资源控制(RRC)消息或下行链路控制信息(DCI)消息的一部分从轨道卫星104通信到用户设备102。
使用所描述的技术，资源管理器126可以提供低带宽、大范围的无线网络。低带宽、大范围的无线网络可以特定于用户设备102，或者可以用于与多个用户设备进行通信。例如，资源管理器126可以使轨道卫星104通过产生或转发信号来促进无线连接106，用户设备102可以通过该无线连接106来发送和接收诸如文本消息之类的低数据消息。
在一些实施方式中，资源管理器126或诸如移动性管理实体(MME)的基于地面的控制器管理无线连接106的帧定时。在基于陆地的LTE无线连接中，可以响应于另一通信接收了前面4个子帧(或4ms)来发送通信。例如，发送到用户设备102的上行链路许可为设备102提供了在上行链路许可被发送之后4个子帧处的子帧中进行发送的许可。类似地，用户设备102可以被调度为在将混合自动重传请求(HARQ)发送到用户设备102之后4个子帧处的子帧期间发送应答/不应答反馈。
然而，对于基于卫星的窄带通信，资源管理器126或基于地面的控制器可以基于无线连接106来配置帧定时。例如，帧定时可以包括通信与响应通信之间的延迟，其基于轨道卫星104的轨道高度。延迟可能增加以说明通过无线连接106发送信息和接收信息之间的增加的时间。
无线电信号以光速(300km/ms)传播。由于基于陆地的无线连接通常为35-70km，因此信号的飞行时间为子帧(1ms间隔)的一部分。但是，低地球轨道卫星可能距地球表面上最近的位置2,000km。在该距离处，用户设备102与轨道卫星104之间的通信信号的飞行时间将近7ms或7个子帧。如果轨道卫星104充当地球上生成的信号的中继器，则时间量可能加倍。对地静止轨道卫星在距地球上最近的位置约35,786km处绕轨道运行。在此高度，信号的飞行时间超过119ms，或119个子帧。为了补偿飞行时间，资源管理器126或基于地面的控制器可以配置帧定时和相关联的延迟。可以将基于用户设备102与轨道卫星104之间的距离的配置的帧定时和相关联的延迟作为静态配置或动态配置发送到用户设备102。以这种方式，轨道卫星104可以向用户设备102发送对响应于通过无线连接接收数据的延迟的指示。
图2图示根据基于卫星的窄带通信的一个或多个方面的其中用户设备102和轨道卫星104可以进行通信的示例联网环境200。网络环境包括用户设备102和轨道卫星104的相应实例，其使得能够实现包括上行链路108和下行链路110的无线连接106。联网环境200还包括基站202，轨道卫星104可以通过基站202提供对其他网络或资源的访问，该其他网络或资源诸如是经由回程链路(例如，光纤网络)连接的网络204(例如，互联网)。
基站202和轨道卫星104通过无线连接206进行通信，该无线连接206包括上行链路208和下行链路210。无线连接206利用RAT，该RAT促进基站202与轨道卫星104之间的通信，这可能与连接106类似，但是可以利用不同的频率，或者可以是完全不同的RAT。另外，无线连接206可以是全频带连接，因为基站202不具有与用户设备102相同的功率限制。此外，无线连接206可以在提供比无线连接106更高带宽的频率范围内工作。例如，无线连接206可以在诸如C波段的高频带工作，该高频带是比无线连接106的频带更高的频率，使得可以通过无线连接206在高频信号上对数据进行通信。这样，无线连接206可以支持对通过无线连接106和轨道卫星104与其他用户设备之间的一个或多个其他无线连接传送的数据的中继。例如，无线连接206可以在C波段、X波段、K波段、V波段、W波段或mm波段之一中工作。
可替代地，轨道卫星104可以用作用户设备102与基站202之间的通信的中继器。例如，基站202经由下行链路210向轨道卫星104提供数据。轨道卫星重定向并放大携带经由下行链路110到用户设备102的数据的信号。如果无线连接206和106使用不同的通信协议工作，则轨道卫星104还可将数据从无线连接206的协议转换为无线连接106的协议。
图3图示根据基于卫星的窄带通信的一个或多个方面的其中用户设备和轨道卫星***进行通信的示例联网环境300。网络环境300包括用户设备102和轨道卫星311、312和313的***310的实例，其提供包括上行链路108和下行链路110的无线连接106。轨道卫星311、312和313可以是轨道卫星104的实例。联网环境300还可以包括基站202的实例，移动管理实体(MME)314可以通过基站202发送通信数据316，以管理轨道卫星311、312和313以提供无线连接106。
当一个轨道卫星(311、312或313)移出用户设备102的范围并且另一个轨道卫星(311、312或313)移入用户设备102的范围时，通信数据316可以包括切换指令。附加地或可替代地，通信数据316可包括控制无线连接206或106中的一个或多个的指令。特别地，通信数据可包括将由资源管理器126实施以控制无线连接106的资源分配的资源管理命令。在一些实施方式中，MME 314管理轨道卫星311、312和313中的两个或更多个，以提供相控阵列以改善无线连接106的范围或信号质量。
图4图示可用于轨道卫星104或基站202中的一个或多个以与无线网络的一个或多个用户设备进行通信的示例资源块集合400。资源块集合400包括第一资源块402、第二资源块404、第三资源块406和第四资源块408。如由通信协议或标准定义的无线通信资源块402跨越指定的频率范围410和指定的时间间隔412。例如，每个资源块402、404、406和408可跨越大约180KHz的带宽和大约二分之一毫秒或7个OFDM符号的时隙。
在基于卫星的窄带通信的一些方面，轨道卫星104的资源管理器126可以确定资源块402、404、406或408中的一个或多个的一定数量的资源元素(或子载波)以分配给用户设备102用于基于卫星的窄带通信。资源管理器126可以分配相同数量的资源元素，用于通过多个无线连接与多个用户设备进行窄带通信。例如，基于轨道卫星104与地球之间的距离(轨道高度)，资源管理器126可以确定分配相应资源块的两个子载波以与多个用户设备中的每一个通信。
附加地或可替代地，基于资源管理器126可以实现的优化算法，资源管理器126可以确定资源块402、404、406和408的要分配的一定数量的资源元素或子载波，以用于与用户设备102或其他用户设备进行通信。优化算法可以至少部分地基于无线连接106的信号质量、用户设备102与轨道卫星104之间的距离或轨道卫星104与地球之间的距离中的一项或多项。
分配的资源元素越少，基于经由分配的资源元素发送的信号的功率谱密度的无线连接106的范围能力越长。然而，随着分配的资源元素减少，无线连接106的带宽减小。基于所确定的数量，资源管理器126可以从资源块402、404、406或408中的一个或多个中选择资源元素以与用户设备102进行通信。例如，资源管理器126可以选择一部分而非全部资源块402——诸如资源块402的子载波414——以用于基于卫星的窄带通信。
图5图示如图4所示的资源块402的详细示例500。在该示例中，资源块402包括多个子载波，每个子载波跨越指定频率范围410的一部分。例如，子载波可以跨越指定频率范围410(例如，180kHz)的15kHz部分502。每个子载波被划分成多个资源元素(图示为块)，其对应于指定时间间隔412的符号或子间隔504。例如，跨越指定频率范围410的部分502的子载波的资源元素506可以对应于指定时间间隔412或资源块402的时隙的最后一个子间隔或符号。
根据基于卫星的窄带通信的各个方面，轨道卫星104的资源管理器126可以在粒度级别上选择用户设备102可以通过其以窄带模式进行通信的资源块402的子载波或资源元素。资源管理器126可以选择资源块402的一个或几个但不是全部子载波用于基于卫星的窄带通信。例如，资源管理器126可以选择一个15kHz的子载波用于窄带通信，而不是选择整个资源块(例如，180kHz)或多个资源块(例如，1GHz)的宽带频率分配。
图6图示通过其可以实现基于卫星的窄带通信的一个或多个方面的用户设备的示例用户界面600。在该示例中，通过显示器602的可见部分来呈现用户界面600。显示器602还可以包括触摸屏或触敏覆盖物或与之集成，以接收来自用户的触摸输入。显示器602还可以显示第一无线连接(示出为5G NR)的信号质量指示符604和第二无线连接(示出为NB-IoT)的信号质量指示符606。在该示例中，信号质量指示符604指示第一无线连接不可用，而信号质量指示符606指示第二无线连接可用。
在一些情况下，显示器602提供设置菜单608或使设置菜单608可访问，用户界面600可以通过该设置菜单608接收输入610以选择卫星通信模式，或者接收输入612以选择应急通信模式。输入610和612可以有效地使用户设备102与基于卫星的NB-IoT网络建立无线连接。
用户设备102可以经由用户界面600提供通知614，以指示用户设备102正在进入NB-IoT模式。在该示例中，通知614被图示为显示器602中的弹出式通知，但是，可以实现通知614的其他形式。例如，可替代地或除了弹出式通知，用户设备102可以提供可听通知、经由与显示器602分离的发光二极管(LED)指示器的可见通知、或基于运动的通知，诸如用户设备102的振动。
用户界面600只是用于实现基于卫星的窄带通信的许多可能的用户界面之一。尽管用户设备102被图示为具有触摸屏的智能电话，但是替代的用户界面可以由用户设备102实现。例如，用户设备102可以被实现为具有用户接口的膝上型计算机，该用户接口包括例如鼠标、触控板、键盘、麦克风、监视器、投影仪屏幕或扬声器中的一个或多个。在一些实施方式中，用户界面不需要访问设置菜单608以接收输入608或610，而是用户设备102自动地并且不需要接收用户输入地进入NB-IoT模式。
基于卫星的窄带通信技术
根据基于卫星的窄带通信的一个或多个方面，参考图7和8描述示例方法700和800。描述方法框的顺序不旨在被理解为限制，并且任何数量的描述方法框可以以任何顺序组合或被跳过以实现方法或替代方法。通常，可以使用软件、固件、硬件(例如，固定逻辑电路)、手动处理或其任意组合来实现本文描述的任何组件、模块、方法和操作。可以在存储在计算机处理***本地和/或远程的计算机可读存储存储器上的可执行指令的一般上下文中描述示例方法的一些操作，并且实施方式可以包括软件应用、程序、功能等。可替代地或另外，本文描述的任何功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑组件执行，诸如但不限于，现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上***(SoC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。
图7和8描绘了用于实现基于卫星的窄带通信的方法。这些方法被示为指定执行的操作的框的集合，但这些框的集合不必限于所示的用于由各个框执行操作的顺序或组合。例如，在不脱离本文描述的构思的情况下，可以以任何顺序组合不同方法的操作以实现替代方法。在以下讨论的部分中，可以参考图1至图6描述技术，参考图1-6仅作为示例。所述技术不限于由在一个设备上操作的一个实体或多个实体或在这些图中描述的实体执行。
图7图示用于基于卫星的窄带通信的示例方法700，其包括由诸如无线连接管理器116的无线连接管理器以及诸如用户设备102的通信模块120的通信模块所执行的操作。在一些方面，方法700的操作可以被实现为允许无线通信而不依赖于附近基站所提供的无线网络的可用性。
在可选操作702处，用户设备使用RAT经由基站通过无线连接进行通信。例如，用户设备102经由通信模块120的收发器与基站通信。用户设备102可以使用诸如4G LTE、LTE高级或5G NR的RAT与基站进行通信。促进无线连接的基站是基于地面的基站，诸如全球移动通信***(GSM)基站、节点基站(Node B)收发器站(例如，用于通用移动电信***)、演进型NodeB(eNB，例如，用于LTE)或下一代节点B(gNB，例如，用于5G NR)。
在可选操作704处，用户设备确定第一无线连接的质量低于质量阈值。例如，用户设备102确定其超出无线连接的范围。在可选操作706处，用户设备确定经由一个或多个轨道卫星建立另一无线连接。该确定可以由无线连接管理器116基于检测到基于NB-IoT的无线连接可用而做出。附加地或可替代地，用户设备102可以接收请求无线连接管理器116进入NB-IoT模式的输入。
在操作708处，用户设备经由用户设备的收发器建立经由一个或多个轨道卫星的无线连接。无线连接可以使用NB-IoT RAT。例如，用户设备102与轨道卫星104或轨道卫星311、312和313的***310建立无线连接106。
在可选操作710处，用户设备经由用户设备的收发器的发射器通过将数据发送到轨道卫星，来通过无线连接进行通信。例如，用户设备102经由上行链路108将数据发送到轨道卫星104。然后，轨道卫星104可以将数据发送到提供对网络204的接入的基站202。
在可选操作712处，用户设备经由用户设备的收发器的接收器通过从轨道卫星接收数据，来通过无线连接进行通信。例如，用户设备102经由下行链路110从轨道卫星104接收数据。轨道卫星104可能已经从基站202接收到数据，而基站202又从网络204接收了数据。
图8图示用于基于卫星的窄带通信的示例方法800，其包括由轨道卫星的诸如轨道卫星104的资源管理器126的资源管理器(或诸如MME 314的MME以及诸如轨道卫星104的通信模块128的通信模块执行的操作。在一些方面，方法800的操作可以实现为允许无线通信，而无需依赖用户设备附近的基站所提供的无线网络的可用性。
在可选操作802处，轨道卫星使用第一RAT经由轨道卫星的收发器与基站建立无线连接。例如，轨道卫星104建立与基站202的无线连接206。第一无线连接的RAT可以是允许以基站202与轨道卫星104之间的距离进行数据通信的任何合适的RAT。可以实现无线连接以在提供高带宽的频率工作，该高带宽支持轨道卫星与数个用户设备之间的通信。
在操作804处，轨道卫星使用NB-IoT RAT经由轨道卫星的收发器建立与用户设备的另一无线连接。例如，轨道卫星104使用NB-IoTRAT与用户设备102建立无线连接106。在一些实施方式中，用于与用户设备建立另一无线连接的收发器不同于如操作802中所述的用于与基站建立无线连接的收发器。但是，具有独特接收器和发射器的多个独特硬件集合可以统称为轨道卫星的收发器。
在可选操作806处，轨道卫星通过无线连接接收数据。在可选操作808处，轨道卫星经由轨道卫星的发射器通过另一无线连接将数据发送到用户设备。例如，轨道卫星104通过无线连接206的下行链路210接收数据。然后，轨道卫星104通过无线连接106的下行链路110将数据发送到用户设备102。如所描述的，轨道卫星104可以转换、放大和重定向通过无线连接206携带数据的信号，以通过无线连接106发送数据。
在可选操作810处，轨道卫星通过另一无线连接接收数据。在可选操作812处，轨道卫星经由轨道卫星的发射器通过无线连接将数据发射到基站。例如，轨道卫星104通过无线连接106的上行链路108接收数据。然后，轨道卫星104通过无线连接206的上行链路208将数据发送到基站202。如所描述的，轨道卫星104可以转换、放大和重定向通过无线连接106携带数据的信号，以通过无线连接206发送数据。
尽管已经以专用于特征和方法的语言描述了使用基于卫星的窄带通信的技术和用于基于卫星的窄带通信的装置，但是应当理解，所附权利要求的主题不必限于所描述的特定的特征或方法。而是，特定的特征和方法被公开为可以实现基于卫星的窄带通信的示例方式。

Claims (19)

1.一种由用户设备执行的低带宽高范围通信的方法，所述方法包括：
经由所述用户设备的收发器，经由第一无线连接与基站通信，所述第一无线连接使用第一无线电接入技术(RAT)；
由所述用户设备确定所述第一无线连接的质量低于质量阈值；
响应于所述确定，经由所述用户设备的所述收发器，与至少一个卫星建立第二无线连接，所述第二无线连接包括窄带物联网(NB-IoT)无线电接入技术(RAT)；
由所述用户设备确定用于所述第二无线连接的资源元素的数量，所述资源元素的数量部分地基于所述用户设备与所述至少一个卫星之间的距离或者地球与所述至少一个卫星之间的距离；以及
经由所述用户设备的所述收发器，使用分配的资源元素经由所述第二无线连接在所述至少一个卫星与所述用户设备之间对数据进行通信，所述通信包括：
经由所述收发器的发射器，使用分配的资源元素以及所述NB-IoT RAT通过所述第二无线连接向所述至少一个卫星发送所述数据；或者
经由所述收发器的接收器，使用分配的资源元素以及所述NB-IoT RAT通过所述第二无线连接从所述至少一个卫星接收所述数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过所述第一无线连接进行通信包括使用***长期演进(4G LTE)RAT、4G LTE高级RAT或第五代新无线电(5G NR)RAT中的一个或多个。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述第二无线连接和所述第一无线连接是共频带的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述用户设备与所述至少一个卫星之间对数据进行所述通信进一步包括：
由所述用户设备接收延迟数据，所述延迟数据指示由所述用户设备通过所述第二无线连接进行的传输的延迟量；以及
使用所述延迟量向所述至少一个卫星发送所述数据。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述用户设备与所述至少一个卫星之间对数据进行所述通信进一步包括：由所述用户设备接收上行链路许可或混合自动重传请求。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括经由所述用户设备的所述收发器从所述至少一个卫星接收用于所述第二无线连接的所述资源元素的数量的分配，
其中，确定用于所述第二无线连接的所述资源元素的数量基于从所述至少一个卫星接收的用于所述第二无线连接的所述资源元素的数量的分配。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，分配的资源元素的数量包括资源块的一部分。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述资源块跨越180kHz。
9.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述至少一个卫星包括多个卫星；以及
在所述用户设备与所述至少一个卫星之间对数据进行所述通信进一步包括通过使用所述多个卫星的相控阵列形成的波束接收所述数据。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个卫星充当向所述基站的中继器以及从所述基站的中继器。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数据包括应急广播消息。
12.一种用户设备，包括：
处理器；
收发器；和
其上存储有指令的计算机可读存储介质，所述指令响应于所述处理器的执行而使所述处理器执行操作，所述操作包括：
经由所述用户设备的收发器，经由使用第一无线电接入技术(RAT)的第一无线连接与基站通信；
确定所述第一无线连接的质量低于质量阈值；
响应于所述确定，经由所述收发器使用窄带物联网(NB-IoT)无线电接入技术(RAT)与一个或多个卫星建立第二无线连接；
确定用于所述第二无线连接的资源元素的数量，所述资源元素的数量部分地基于所述用户设备与所述一个或多个卫星之间的距离或者地球与所述一个或多个卫星之间的距离；以及
经由所述收发器使用分配的资源元素通过所述第二无线连接对数据进行通信，所述通信包括：
经由所述收发器的发射器，使用分配的资源元素经由所述NB-IoT RAT将所述数据发送到所述一个或多个卫星；或者
经由所述收发器的接收器，使用分配的资源元素经由所述NB-IoT RAT从所述一个或多个卫星接收所述数据。
13.根据权利要求12所述的用户设备，其中，所述第一无线连接和所述第二无线连接是共频带的。
14.根据权利要求12所述的用户设备，其中，所述一个或多个卫星处于低地球轨道。
15.根据权利要求12所述的用户设备，其中，所述数据是经由由多个卫星形成的波束接收的，所述波束经由相控阵列来形成。
16.根据权利要求12所述的用户设备，其中，所述一个或多个卫星充当向基站的中继器以及从基站的中继器。
17.根据权利要求12所述的用户设备，其中，通过所述第一无线连接进行通信包括使用***长期演进(4G LTE)RAT、4G LTE高级RAT或第五代新无线电(5G NR)RAT中的一个或多个。
18.根据权利要求12所述的用户设备，其中，所述数据包括应急广播消息。
19.根据权利要求12所述的用户设备，其中：
所述操作进一步包括经由所述收发器从所述一个或多个卫星接收用于所述第二无线连接的所述资源元素的数量的分配；以及
确定用于所述第二无线连接的所述资源元素的数量基于从所述一个或多个卫星接收的用于所述第二无线连接的所述资源元素的数量的分配。
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