ES2248343T3 - Arquitectura de microcelda para seguimiento de usuario movil en un sistema de comunicaciones. - Google Patents
Arquitectura de microcelda para seguimiento de usuario movil en un sistema de comunicaciones.Info
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Abstract
Un sistema de rastreo de usuario para un sistema de comunicación inalámbrico que comprende: primeros medios (20-29, 30) para crear una pluralidad de haces dentro de un área de cobertura, siendo dichos primeros medios posteriormente adaptados para dirigir un primer haz a un usuario (40, 50) en una primera microcélula (60, 70) y un número de haces adicionales que iluminan las microcélulas inmediatamente contiguas a dicha primera microcélula; segundos medios (55, 57, 89) para detectar el movimiento de dicho usuario (40, 50) desde dicha primera microcélula a una de dichas microcélulas inmediatamente contiguas; y terceros medios (30-39) para redireccionar, en la detección de dicho movimiento, dicho primer haz desde dicha primera microcélula a una segunda microcélula, siendo dicha segunda microcélula una de dichas microcélulas contiguas.
Description
Arquitectura de microcelda para seguimiento de
usuario móvil en un sistema de comunicaciones.
El presente invento se refiere a sistemas de
comunicación. Más específicamente, el presente invento se refiere a
arquitecturas de servicios datos/voz para usuarios móviles que
utilizan plataformas estratosféricas.
En la patente de EEUU A-6.020.845
se describe un sistema de satélite para aumentar la utilidad de los
sistemas de comunicación por satélite.
Se están considerando plataformas estratosféricas
para aplicaciones de comunicación de datos/voz. Las actuales
propuestas prevén un montaje de transmisores- receptores y antenas
en una nave volando a 20-30 km de altura sobre la
tierra, que proyectarán haces a los lugares de las células situados
en tierra.
La Solicitud de Patente de EEUU en tramitación Nº
09/588.395, presentada el 6 de junio de 2000 por D. Chang y otros,
titulada “Arquitectura de comunicaciones móviles con base en
plataforma estratosférica” atiende la necesidad en la técnica de un
sistema de comunicación con base en una plataforma estratosférica
que ofrece rendimiento máximo con las limitaciones de peso,
potencia y espectro. De acuerdo con la enseñanza de la solicitud de
patente referida, la comunicación entre usuarios y redes externas
se facilita a través de una plataforma estratosférica y un núcleo
situado en tierra. La formación del haz se realiza en el núcleo.
Las señales hacia y desde el usuario se comunican a través de haces
direccionales a través de una antena direccional en fase sobre la
plataforma bajo control direccional del núcleo.
Aunque este sistema ofrece una prometedora
solución a la necesidad en la técnica de un sistema y método de
comunicación con base en plataforma estratosférica para proyectar
haces de estructura celular variable para maximizar la capacidad del
sistema dentro de las limitaciones de peso, potencia y anchura de
banda de él y así optimizar la proyección de haces con margen de
enlace adecuado para transmisiones facturables de voz y datos,
existe una necesidad adicional en la técnica de un sistema y un
método para rastrear la posición o situación de un usuario.
Para ciertas aplicaciones, la capacidad de
rastrear la posición o localización del usuario permitiría unos
requerimientos de estabilidad de la plataforma más relajados y, por
tanto, disminuir los costes generales del sistema. Una tal
aplicación es la del sistema de comunicaciones "móvil de tercera
generación". Como una aplicación de plataforma estratosférica
(SPA), este sistema proporcionaría comunicaciones de datos de gran
velocidad a un usuario permitiendo simultáneamente comunicación de
voz, datos y entretenimiento. Para una carga útil de plataforma
ligera, se pueden limitar tanto la potencia de transmisión como la
abertura de la antena. Para cerrar un enlace de comunicación es
necesaria una abertura mayor en el extremo receptor sobre la
plataforma y una abertura mayor y también amplificadores más
potentes en el extremo de transmisión. Estos requerimientos están
en conflicto con el objetivo de una carga útil ligera. Con haces
rastreando a los usuarios móviles de forma que los usuarios se
encuentren siempre en la direccionalidad de pico de la antena o
dentro de un contorno de 1 dB desde el pico, el enlace tendría una
ventaja de 3 a 4 dB sobre las antenas fijas.
Además, como los haces estarían rastreando
usuarios, no habría necesidad de formar haces donde no están
presentes usuarios excepto para un haz de adquisición nueva que
puede explorar o para un haz grande que puede ser usado para un
acercamiento rápido. Esta disposición también puede ahorrar cálculos
de formación de haces dependiendo de la distribución de
usuarios.
Además, cuando los haces se forman alrededor de
cada usuario, puede haber más oportunidades de volver a utilizar
bien los códigos de división de código de acceso múltiple (CDMA) o
su frecuencia portadora. Esto daría lugar a una mayor capacidad del
sistema para un espectro limitado.
El conocimiento de la situación del usuario
también permitiría menores transferencias de códigos CDMA. En un
sistema estructurado en células fijas cuando un usuario cruza una
frontera entre dos células se debe producir transferencia de código
CDMA para evitar interferencias. Con un haz siguiendo un esquema de
usuario, el usuario no tendría que cambiar su código CDMA a menos
que consiguiera cerrar con otro usuario que estuviera usando el
mismo código CDMA. (Un algoritmo de asignaciones de código es un
objeto de una Solicitud de Patente de EEUU en tramitación Nº
09/735.861 titulada Sistema y método de asignación de código CDMA
de célula dinámica, presentada el 12 de diciembre de 2000 por Ying
Feria y otros).
Por tanto, existe la necesidad en la técnica de
un sistema y método de rastreo de la posición o situación de un
usuario en un sistema de comunicación con base en una plataforma
estratosférica.
La necesidad en la técnica es atendida por el
sistema y método para rastreo de usuarios del presente invento. El
sistema del invento está adaptado para uso en un sistema de
comunicación inalámbrico y crea una pluralidad de haces dentro de un
área de cobertura. Un primer haz es dirigido al usuario en una
primera microcélula y varios haces adicionales iluminan las
microcélulas inmediatamente contiguas a la primera microcélula. El
sistema está equipado con un mecanismo para detectar el movimiento
del usuario desde la primera microcélula a una de las microcélulas
inmediatamente contiguas. En la detección de movimiento del usuario,
el sistema redirecciona el primer haz desde la primera microcélula
a una segunda microcélula, siendo la segunda microcélula una de las
microcélulas conti-
guas.
guas.
En la realización ilustrativa, el sistema está
aplicado en un sistema de comunicación con base en una plataforma
estratosférica que incluye un núcleo adaptado para comunicar con una
plataforma estratosférica. Un transmisor-receptor y
una antena direccional en fase están dispuestos en la plataforma
para comunicar con el núcleo y con el usuario. Una segunda antena
está dispuesta en la plataforma para comunicar con el núcleo. La
formación y dirección de haces se realiza en el núcleo y se
comunican a la plataforma. La posición del usuario se detecta
mediante un receptor de sistema de posicionamiento global midiendo
la intensidad de una señal recibida del usuario, o po otros medios
apropiados. En la detección del movimiento del usuario desde la
primera microcélula, el sistema de formación de haces redirecciona
el haz para seguir al usuario en una segunda microcélula. Haces
adicionales se iluminan alrededor de la microcélula del usuario
para facilitar la detección del movimiento de los usuarios.
La Figura 1 es un diagrama ilustrativo del
sistema de comunicación estratosférico del presente invento con una
única plataforma estratosférica.
La Figura 2 es un diagrama de bloques
simplificado del sistema de transmisor-receptor con
base en plataforma en el aire realizado de acuerdo con las
presentes enseñanzas.
La Figura 3 es un diagrama de bloques
simplificado de un núcleo de acuerdo con las enseñanzas del
presente invento.
La Figura 4 es un diagrama de bloques funcional
ilustrativo del procesamiento en avance del núcleo de acuerdo con
las presentes enseñanzas.
La Figura 5 es un diagrama de bloques funcional
que ilustra el procesamiento en avance de la plataforma de acuerdo
con las presentes enseñanzas.
La Figura 6 es un diagrama de bloques funcional
que ilustra el procesamiento en el lugar del usuario de acuerdo con
las enseñanzas del presente invento.
La Figura 7 es un diagrama de bloques funcional
que ilustra el procesamiento del camino de retorno realizado en la
plataforma de acuerdo con las enseñanzas del presente invento.
La Figura 8 es un diagrama de bloques funcional
que ilustra el procesamiento del camino de retorno en el núcleo de
acuerdo con las enseñanzas del presente invento.
La Figura 9 es un diagrama que muestra cómo se
crean células no uniformes con una abertura de antena de plataforma
fija.
La Figura 10 es un conjunto de gráficos que
muestran el ensanchamiento del ángulo como una función de la
distancia desde la situación proyectada de la plataforma a un
usuario de un sistema de proyección del haz elevado.
La Figura 11 es un diagrama de bloques de una
aplicación ilustrativa de un algoritmo de asignación de código para
uso en conexión con el sistema de comunicación expuesto en la
Figura 1.
La Figura 12 es un diagrama que ilustra las
asignaciones de código de color basándose en el número de usuarios
de acuerdo con el método del presente invento.
La Figura 13 muestra una asignación (azul) de
código de color 1 de acuerdo con las enseñanzas del presente
invento.
La Figura 14 muestra una asignación (rosa) de
código de color 2 de acuerdo con las enseñanzas del presente
invento.
La Figura 15 muestra una asignación (naranja) de
código de color 3 de acuerdo con las enseñanzas del presente
invento.
La Figura 16 muestra una asignación (púrpura) de
código de color 4 de acuerdo con las enseñanzas del presente
invento.
La Figura 17 muestra una asignación de código
general.
La Figura 18 es un diagrama que ilustra una
distribución de usuarios que comparten una división de código
multiplexado (CDMA) de acuerdo con las enseñanzas del presente
invento.
La Figura 19 es un diagrama que muestra una
arquitectura de microcélula ilustrativa para uso en el sistema de
rastreo de usuario móvil del presente invento.
La Figura 20 es una vista ampliada de una parte
del diagrama de la Figura 19 que muestra el solape entre
microcélulas de acuerdo con las presentes enseñanzas.
A continuación se describirán realizaciones y
aplicaciones a modo de ejemplo ilustrativas con referencia a los
dibujos anejos para explicar las enseñanzas ventajosas del presente
invento.
Si bien el presente invento se describe aquí con
referencia a realizaciones ilustrativas de aplicaciones
particulares, queda sobreentendido que el invento no está limitado
a ellas. Los que tienen experiencia en la técnica y acceso a las
enseñanzas proporcionadas aquí reconocerán modificaciones,
aplicaciones y realizaciones adicionales dentro de su alcance y de
campos adicionales en los que el presente invento sería de gran
utilidad.
La Figura 1 es un diagrama ilustrativo del
sistema de comunicación estratosférico del presente invento con una
única plataforma estratosférica. El sistema 10 del invento incluye
un sistema de transmisor-receptor 20 montado en una
plataforma en el aire (no mostrada). En la práctica, la plataforma
podría ser un aeroplano volando en una órbita a
20-30 kilómetros (km) por encima del terreno. Los
expertos en la técnica apreciarán que esta altitud es de 2 a 3
veces la de la aviación comercial (es decir, 10 km) y mucho menor
que la altitud de un satélite de órbita terrestre baja (1.000 km).
El transmisor-receptor 20 está adaptado para
comunicar con un núcleo 30 y una pluralidad de usuarios 40 y 50
situados en células 60 y 70, respectivamente, sobre la superficie de
la tierra. Este sistema es descrito y reivindicado en la solicitud
en tramitación titulada “Arquitectura de comunicaciones móviles con
base en plataforma estratosférica” Nº de serie 09/588.395,
presentada el 6 de junio de 2000 por D. Chang y otros.
La Figura 2 es un diagrama de bloques
simplificado del sistema de transmisor-receptor de
plataforma en el aire realizado de acuerdo con las presentes
enseñanzas. El sistema 20 incluye una antena alimentadora 22
adaptada para recibir una señal desde el sistema 30 del núcleo. La
antena alimentadora en C, X u otra banda de frecuencia adecuada. La
antena 22 está conectada a un circuito 24 convertidor descendente
de radiofrecuencia (RF). El convertidor descendente 24 está adaptado
a convertir en descenso las señales recibidas por la antena. Por lo
tanto, una antena de banda C estaría acoplada a un convertidor
descendente 24 RF de banda C. El convertidor descendente 24 produce
una señal en la banda base que es desmultiplexada por un multiplexor
26 de división de código en señales plurales independientes de las
cuales en la figura se muestran 192. El multiplexor 26 es
bidireccional y sirve para multiplexar señales plurales en una
señal única cuando el sistema 20 está funcionando como un receptor.
Los expertos en la técnica apreciarán que el sistema mostrado en la
Figura 2 únicamente tiene fines ilustrativos. Consecuentemente, las
presentes enseñanzas no están limitadas al número de canales o
elementos mostrados. Tampoco el sistema está limitado a la
configuración de circuito específica mostrada. Se pueden utilizar
otras configuraciones de circuito sin apartarse del alcance de las
presentes enseñanzas.
Las señales desmultiplexadas alimentan un
convertidor ascendente RF 28. En la realización ilustrativa, el
convertidor ascendente 28 funciona en banda S. El convertidor
ascendente impulsa una antena direccional 29 en fase. Como se
discute después más detalladamente, la antena 29 es una antena de
abertura única que transmite y recibe haces de salida múltiples.
Los haces están formados y guiados por una red de formación de
haces situada en la superficie del sistema 30 de núcleo. Cada haz
crea una huella sobre la superficie que proporciona una célula como
las células mostradas en 60 y 70 en la Figura 1.
Como se discute posteriormente más
detalladamente, el presente invento permite que el tamaño de la
célula no sea uniforme. Esto es, en el centro de cobertura, o
nadir, la célula puede ser menor. A medida que el ángulo de
exploración aumenta, aumentan los tamaños de las células. El
invento permite un diseño de muy poco peso de carga útil y una
total utilización de los recursos que puede ofrecer una carga útil
de poco peso. El presente invento forma haces en los que hay
usuarios presentes con haces de formas y tamaños que no son
necesariamente uniformes. Se forma uno o más haces más anchos para
proporcionar enlaces que soportan tasas de datos más bajas. Estos
enlaces de tasas de datos más bajas son usados para captar nuevos
usuarios que tratan de entrar en el sistema. Esto permite que el
área de cobertura sea mayor con haces receptores limitados. Además,
permitiendo que el tamaño del haz sea menor en el centro de
cobertura (nadir de la plataforma), se puede reducir el código o la
distancia de la frecuencia de reutilización, mejorando así la
capacidad total del sistema.
La Figura 3 es un diagrama de bloques
simplificado de un núcleo de acuerdo con las enseñanzas del
presente invento. El sistema transmisor-receptor 30
del núcleo incluye una antena 32 adaptada para comunicar con la
antena 22 en la plataforma en el aire. La antena 32 conecta con un
subsistema RF 34 que proporciona conversión amplificadora y
conversión en descenso de forma convencional. El subsistema 34
recibe una señal de banda base desde un multiplexor/desmultiplexor
36 de división de código. El multiplexor 36 recibe entradas desde
un formador 38 de haces digitales que está alimentado por
multiplexores/desmultiplexores, enrutadores, y formateadores 39.
Los multiplexores/desmultiplexores, enrutadores, y formateadores 39
están conectados a una red exterior tal como Internet o World Wide
Web.
Los sistemas descritos en las Figuras 2 y 3
pueden ser realizados de acuerdo con las enseñanzas de la Patente
de EEUU Nº 5.903.549 publicada el 11 de mayo de 1999 a nombre de Von
Der Embse y titulada Formador de haces con base en tierra
utilizando CDMA sincronizadas. El número de haces (o de usuarios
simultáneos) "n" es graduable en la entrada.
De acuerdo con las presentes enseñanzas, el
circuito 38 formador de haces genera ajustes de fase, evaluaciones
y códigos para cada uno de una pluralidad de haces. Estos haces son
multiplexados en un único flujo, que es transmitido hasta la
plataforma 20 en el aire a través del enlace proporcionado por los
alimentadores 22 y 32 de las Figuras 2 y 3 respectivamente. Cuando
el flujo es recibido en la plataforma en el aire, es
desmultiplexado en alimentaciones independientes para la antena
direccional 29. El ajuste de fase y la evaluación de las señales
proporcionadas por el circuito formador de haces 38 son efectivos
para generar los haces plurales y para guiar cada haz en una
dirección deseada.
Las Figuras 4-8 ilustran el
funcionamiento del presente invento con respecto al procesamiento
en avance, esto es, el procesamiento desde la red exterior a un
usuario, y el procesamiento de retorno desde el usuario a la red
exterior.
La Figura 4 es un diagrama de bloques funcional
ilustrativo del proceso en avance del núcleo de acuerdo con las
enseñanzas presentes. En la realización ilustrativa del sistema 30
de procesamiento del núcleo, los datos de usuario son recibidos
desde uno o más Suministradores de Servicios de Internet (ISPs) y
son dirigidos a circuitos asociados con cada usuario por un
multiplexor 39. Las Figuras 4-8 han sido
simplificadas para mostrar los circuitos asociados con un único
usuario. Quedará entendido que los datos dirigidos a cada usuario
serán procesados de forma similar a la mostrada en las Figuras
4-8.
Volviendo a la Figura 4, el multiplexor 39 está
adaptado para procesar señales de vuelta al núcleo 30, tal como se
discute más detalladamente. La señal para un único usuario es
seleccionada por el multiplexor 39 y es dirigida a un
codificador/decodificador 41 de acceso múltiple de división de
códigos (CDMA). Mientras que el codificador/decodificador puede ser
aplicado en programas informáticos, en la realización ilustrativa,
el codificador/deco-
dificador 41 es un procesador de señal digital que emplea un esquema de codificación CDMA muy conocido tal como un código (Walsh) ortogonal, código Gold y/o código Viterbi para ensanchar los datos entrantes con un código de usuario. Esto aumenta la anchura de banda de la señal entrante y permite una superposición de señales sin interferencias. El código de usuario es suministrado por una base de datos dinámica 43 que realiza una búsqueda de un código de usuario en respuesta a la entrada de un usuario ID. El usuario ID puede ser suministrado por un controlador 45 de sistema que realiza numerosas funciones de administración en respuesta a la entrada desde un interfaz 47 de gestión de sistema. Por ejemplo, el controlador 45 está programado para inicializar nuevos usuarios y para establecer los enlaces para ellos. Además, de acuerdo con las presentes enseñanzas, el controlador 45 está programado para reconocer conflictos y reasignar códigos a ciertos usuarios, si es necesario, en la forma que se discute después más detallada-
mente.
dificador 41 es un procesador de señal digital que emplea un esquema de codificación CDMA muy conocido tal como un código (Walsh) ortogonal, código Gold y/o código Viterbi para ensanchar los datos entrantes con un código de usuario. Esto aumenta la anchura de banda de la señal entrante y permite una superposición de señales sin interferencias. El código de usuario es suministrado por una base de datos dinámica 43 que realiza una búsqueda de un código de usuario en respuesta a la entrada de un usuario ID. El usuario ID puede ser suministrado por un controlador 45 de sistema que realiza numerosas funciones de administración en respuesta a la entrada desde un interfaz 47 de gestión de sistema. Por ejemplo, el controlador 45 está programado para inicializar nuevos usuarios y para establecer los enlaces para ellos. Además, de acuerdo con las presentes enseñanzas, el controlador 45 está programado para reconocer conflictos y reasignar códigos a ciertos usuarios, si es necesario, en la forma que se discute después más detallada-
mente.
El codificador/decodificador 41 emite una señal
de usuario ensanchada a un formador 38 de haz digital. El formador
38 de haz digital es un sistema convencional de formación de haz
que proporciona información de ajuste de fase del elemento para
dirigir un haz que contiene la señal ensanchada de usuario e
información de amplitud para formar cada haz para cada usuario.
Estas señales de usuario formadas en el haz son sumadas por un
adicionador 37 y son introducidas en un codificador 36 de
ensanchamiento de elemento de antena CDMA. En la realización
ilustrativa, el codificador 36 de ensanchamiento de elemento usa
códigos ortogonales para ensanchar la señal de cada elemento en
respuesta a un código de elemento suministrado por una memoria 35 de
registro. Las señales de usuario podrían ser del orden de una
anchura de banda de 144 kilobits por segundo, ensanchada a 5
megaherzios por el codificador 41, y ensanchada posteriormente de
0,5 a 1 gigaherzio por el codificador 36 de ensanchamiento del
elemento. Las señales de los elementos son sumadas por un segundo
adicionador 31 y son introducidas en la etapa 34 de radiofrecuencia.
En la realización ilustrativa, la etapa RF es un
transmisor-receptor RF que emite una señal circular
derecha (RHC) en la gama de banda C o de banda X. En la práctica,
un segundo circuito idéntico 30' (no mostrado) emitiría también una
señal circular izquierda (LHC). Estas señales son combinadas por la
antena 32 y son enlazadas en ascenso a la plataforma 20 mostrada en
la Figura 1.
La Figura 5 es un diagrama de bloques funcional
ilustrativo del procesamiento en avance de la plataforma de acuerdo
con las presentes enseñanzas. Como se ha mostrado en la Figura 5, la
señal de enlace ascendente es recibida por una antena alimentadora
22 y es alimentada a los circuitos de procesamiento LHC y RHC 20 y
20' de los cuales solamente se muestra el circuito LHC 20. Cada
circuito 20 de procesamiento incluye un
transmisor-receptor RF 24 que convierte en descenso
la alimentación de enlace ascendente (banda C) de una polarización y
emite señales alimentadoras a cada elemento de antena. Las señales
de elemento son desensanchadas por un decodificador 26 de elemento
de acuerdo con un código almacenado en una memoria 51 asociada con
cada elemento. Una señal para un elemento dado es convertida en
ascenso a banda S, en la realización ilustrativa, y es combinada
con la correspondiente señal emitida por el circuito de
procesamiento 20' del RHC por un adicionador 27 que emite una señal
de enlace descendente de elemento a una antena 29 direccional en
fase. La antena 29 direccional en fase forma uno o más haces en
respuesta a los ajustes de fase y evaluaciones originalmente
impresas en la señal de enlace descendente por el procesador 38 de
la Figura 4 de formación del haz con base en el núcleo. Debido a
esto los haces son dirigidos a un usuario asociado. La Figura 6 es
un diagrama de bloques funcional que ilustra el procesamiento en el
lugar del usuario de acuerdo con las enseñanzas del presente
invento. La señal transmitida por la plataforma es recibida por una
antena 52 y es convertida en descenso en bandas primera y segunda
por un transmisor-receptor RF 54 de banda S.
Mediante un interfaz 53 el usuario selecciona una banda. La señal
seleccionada es desanchada por un decodificador 56 CDMA que está
adaptado para decodificar la señal de acuerdo con el esquema de
codificación empleado por el codificador 41 de la Figura 4. El
decodificador 56 emite una señal de usuario en respuesta a un código
de usuario suministrado por una memoria 55.
El procesamiento del camino de retorno comienza
al ser suministrados datos de usuario a un adicionador 64 que
combina los datos de usuario con los datos del lugar suministrados
por un receptor 62 de un sistema de posicionamiento global (GPS)
convencional. La señal combinada es ensanchada por un codificador 58
CDMA, que, en la realización ilustrativa, está diseñado para
funcionar de acuerdo con el esquema de codificación empleado por el
codificador 41 de la Figura 4. La señal codificada para la banda
seleccionada es convertida en ascenso (a la banda S en la
realización ilustrativa) y es transmitida a la plataforma 20 a
través de una antena 68.
La Figura 7 es un diagrama de bloques funcional
que ilustra el procesamiento del camino de retorno realizado en la
plataforma de acuerdo con las enseñanzas del presente invento. La
señal del usuario es recibida por la antena 29 direccional en fase
y es convertida en descenso por el
transmisor-receptor 28 RF. El
transmisor-receptor 28 emite una señal de retorno de
elemento a un codificador 26. El codificador 26 ensancha la señal
para evitar interferencia con la señal de enlace ascendente y emite
una señal de retorno de elemento ensanchado. La señal de retorno de
elemento ensanchado es combinada con datos de situación de la
plataforma suministrados por otro receptor 55 GPS, que es
ensanchada por un codificador 56 en respuesta a un código almacenado
en una memoria 59. La señal de retorno ensanchada del elemento y los
datos de situación GPS ensanchados son combinados con las
correspondientes señales de otros elementos por un adicionador 53 y
son convertidos en ascenso a banda C antes de ser unidos
descendentes al núcleo 30 a través de la antena 22.
La Figura 8 es un diagrama de bloques funcional
que ilustra el procesamiento del camino de retorno en el núcleo de
acuerdo con las enseñanzas del presente invento. La señal de enlace
descendente de la plataforma es recibida por la antena 32 y es
separada en alimentaciones descendentes RHC y LHC. Cada alimentación
es convertida en descenso en IF por el
transmisor-receptor RF 34 de banda C. La señal
convertida en descenso es desensanchada por el decodificador CDMA
36. Los retornos de elementos de cada usuario son procesados por el
procesador 38 de formación de haces en respuesta a las fases y
evaluaciones suministradas por la base de datos 47. Los datos de
usuario ensanchados son después suministrados al decodificador CDMA
41 que decodifica los datos en respuesta a un código de usuario
suministrado por la base de datos 47. El decodificador 41 emite
datos de usuario adecuados para transmisión por la red conectada al
multiplexador 39.
En la realización preferida, se asigna cada haz a
un usuario o a una zona. Si es asignado a un usuario, el haz es
adaptado para moverse con el usuario para minimizar el número de
traspasos de código y para aumentar la direccionabilidad de la
antena en enlaces de usuario. Se forman haces estáticos donde no
existen haces de rastreo de usuario para nueva detección de
usuario.
Convencionalmente, los haces radiados por la
antena 29 de la Figura 2 estarían limitados a las huellas o células
uniformes y fijas en el terreno. Si la distribución de usuarios es
uniforme, la célula de igual tamaño es óptima. Sin embargo, un
tamaño igual de célula implica algunos costes en equipos
informáticos. Para evitar la necesidad de un sistema de rastreo
mecánico en las antenas, que puede ser costoso y no fiable, las
antenas son sistemas en fase de elementos radiantes y guiados
electrónicamente. A una cierta altitud del terreno, donde se sitúa
una plataforma portadora de carga útil, una proyección sobre el
terreno de células de igual tamaño requiere haces de ángulos menores
cuando el ángulo de exploración aumenta. Para formar haces menores,
se necesitarán más elementos de sistemas de antenas. Para una carga
útil ligera, el número de elementos puede ser limitado, por lo que
la formación de haces menores en el borde de la cobertura puede ser
costoso.
Sin embargo, de acuerdo con las presentes
enseñanzas, los haces se forman sin tener en cuenta un patrón
uniforme fijo por la red digital 38 que forma el haz. El sistema 10
está diseñado para cubrir un área de servicio con el máximo posible
de usuarios. Si el tamaño de la célula es uniforme en el terreno,
entonces el número requerido de elementos en la antena direccional
en fase sería tan grande que no sería posible una carga útil
ligera. Por otra parte, si algunos elementos no están siendo
utilizados para formar haces más anchos en el centro de cobertura (o
nadir de la plataforma), sería mayor el recurso (frecuencia o
código) de distancia de reutilización. Esto daría lugar a menos
usuarios en el sistema y una capacidad total menor del sistema.
Consecuentemente, el sistema 10 del presente
invento está diseñado con una estructura de célula dinámica que
utiliza todos los recursos disponibles en una carga útil ligera
para formar haces lo más pequeños posible y reutilizar la frecuencia
o código CDMA lo más frecuentemente posible para mejorar la
capacidad total del sistema. Esto es, el sistema 10 permite que los
tamaños de las células no sean uniformes. En el centro de la
cobertura, o nadir, la célula puede ser menor. Cuando aumenta el
ángulo de exploración, también lo hace el tamaño de la célula.
Además, el tamaño de la célula no está restringido a ser
perfectamente circular. La forma de la célula puede ser alargada
cuando aumenta el ángulo de exploración. Esto se muestra más
adelante en la Figura 9.
La Figura 9 es un diagrama que muestra cómo se
crean células no uniformes con una abertura fija de antena de
plataforma. La situación ilustrada en esta figura supone un sistema
de antenas circular nominalmente situado en "A" y orientado en
sentido normal a la vertical del lugar. La antena está a una altitud
"h" por encima del punto "O" sobre el terreno, que está
en el centro del área de cobertura. Se considera ahora el haz
formado por esta antena, que tiene una direccionabilidad máxima en
la dirección de un usuario situado en el punto "C". Suponiendo
que se puede despreciar el ensanchamiento diferencial de la
ganancia de antena a lo largo de la anchura del haz, el contorno de
ganancia de antena constante sobre el plano del terreno, denominado
"BDEF" en la figura, será de forma elíptica. Además, el
ensanchamiento en el lado largo (\gammaCAD y \gammaCAB) será
igual, como lo serán los ángulos de ensanchamiento en el lado corto
(\gammaCAE y \gammaCAF). Las distancias CB, CD, CE y CF pueden
ser fácilmente calculadas como
CB/h =
tg(\gammaOAC + [lado largo / ensanchamiento de ángulo] -
tg(\gammaOAC)
CD/h =
tg(\gammaOAC) - tg(\gammaOAC - tg[lado
largo / ensanchamiento de
ángulo])
CD/h = CF/h =
1/cos(\gammaOAC) tg[lado corto / ensanchamiento de
ángulo])
Suponiendo que la abertura de antena es
constante, los ángulos de ensanchamiento son entonces una función de
la distancia entre un usuario y la situación de la plataforma
proyectada sobre el terreno (OC). Cuanto mayor es OC mayores son
los ángulos de ensanchamiento, como se ve en la Figura 10.
La Figura 10 es un conjunto de gráficos que
muestran que el ángulo de ensanchamiento es una función de la
distancia desde el lugar de la plataforma proyectada a un usuario de
un sistema de proyección de haz elevado. Adviértase que el ángulo
de ensanchamiento del lado corto puede ser diferente del ángulo de
ensanchamiento del lado largo.
En la práctica, la utilización óptima de los
recursos del sistema requiere la generación de haces múltiples (por
ejemplo 200). Como se ha mencionado anteriormente, en la realización
preferida, cada haz rastrearía un usuario si un usuario estuviera
presente. Para maximizar la capacidad del sistema, las frecuencias
son reutilizadas mediante la asignación de códigos a cada haz.
En la aplicación ilustrativa, un grupo de 64
códigos es dividido en 4 subgrupos. A cada subgrupo de códigos se
le atribuye un color de códigos y tiene 16 códigos individuales. En
la realización ilustrativa existen cuatro colores de códigos. La
asignación de un color de códigos es independiente de los otros
colores de códigos. El mismo color de códigos puede ser reutilizado
a excepción de un criterio. En la realización ilustrativa, se
utiliza un criterio de contorno de lóbulo lateral de radiación de 20
decibelios (dB). De acuerdo con este criterio, una colisión de
haces se detectará cuando el usuario se mueve a otra célula y
recibe en ella una señal a un nivel de 20 dB inferior al máximo o
mayor. Los contornos de lóbulo lateral de radiación de 20 dB pueden
ser de tamaños y formas diferentes en toda una área de
cobertura.
La Figura 11 es un diagrama de bloques de una
aplicación ilustrativa de un algoritmo de asignación de código para
uso en conexión con el sistema de comunicación mostrado en la
Figura 1.
La Figura 12 es un diagrama que ilustra las
asignaciones de código de color basadas en el número de usuarios de
acuerdo con el método del presente invento. El método 100 incluye
el paso de asignar códigos con tantos colores como sea posible
(110). Después, los colores de códigos son clasificados con el
número de usuarios en orden descendente (paso 120). Por tanto, como
se muestra en la Figura 12, el púrpura 122 podría ser usado por 5
usuarios, el naranja 124 podría ser usado por 10 usuarios, el rosa
126 podría ser usado por 25 usuarios y el azul 128 podría ser usado
por 30 usuarios.
Volviendo a la Figura 11, en el paso 130, si un
nuevo usuario penetra en una célula, el sistema comprueba para
determinar si al nuevo usuario se le puede asignar el primer color
de código utilizando el criterio de contorno de lóbulo lateral de
radiación de 20 dB. Si no, en el paso 140, el sistema 10 intenta el
siguiente color. En el paso 150, el sistema se esfuerza en
encontrar un código en el color de código y en el paso 160, el
código es asignado al usua-
rio.
rio.
En las Figuras 13-17 se muestran
asignaciones de código ilustrativas.
La Figura 13 muestra una asignación de código 1
de color (azul) de acuerdo con las enseñanzas del presente
invento.
La Figura 14 muestra una asignación de código 2
de color (rosa) de acuerdo con las enseñanzas del presente
invento.
\newpage
La Figura 15 muestra una asignación de código 3
de color (naranja) de acuerdo con las enseñanzas del presente
invento.
La Figura 16 muestra una asignación de código 4
de color (púrpura) de acuerdo con las enseñanzas del presente
invento.
La Figura 17 muestra una asignación de código
general. Como se ha mostrado en la Figura 13, cada célula 70 es
creada por un haz dirigido a un usuario respectivo 50. Adviértase
que a pesar de que los haces se solapan, un usuario no es solapado
por dos haces. Esto se muestra en la Figura 18.
La Figura 18 es un diagrama que ilustra una
distribución de usuarios que comparten una división de código
multiplexado (CDMA) de acuerdo con las enseñanzas del presente
invento. En cualquier momento, un usuario no sería localizado dentro
del contorno de otro usuario que usara el mismo código. En la
Figura 18 las estrellas son los usuarios. Los contornos de forma
ovalada son la zona prohibida de aislamiento. Esto es, cualquier
otro usuario que use el mismo código no puede situarse dentro de la
misma zona prohibida. Como en la figura, para cada contorno oval
solamente existe un usuario situado en el centro del contorno. La
Figura 18 muestra la distribución de un código a uno de los códigos
CDMA. Para cada código diferente, se puede dibujar una figura
similar.
Volviendo a la Figura 8, el procesador 38 de
formación de haces utiliza los datos de situación GPS en la señal
de retorno con respecto a las coordenadas de la plataforma y las
coordenadas del usuario para generar señales de control de dirección
del haz para cada usuario. De acuerdo con las presentes enseñanzas,
cada área o célula de cobertura está subdividida en una pluralidad
de microcélulas. Esto se muestra en la Figura 19.
La Figura 19 es un diagrama que muestra una
arquitectura de microcélula ilustrativa para uso en el sistema de
rastreo de usuario móvil del presente invento. Como se muestra en la
Figura 19, la arquitectura se aplica dentro de una célula 200 como
una pluralidad de microcélulas #1-61 con
evaluaciones de haz precalculadas. En la realización ilustrativa,
las microcélulas corresponden a <1 dB de desviación de
direccionabilidad desde el pico. Las presentes enseñanzas no están
limitadas al tamaño y forma de las microcélulas mostradas. Se puede
usar una variedad de formas y tamaños para crear patrones uniformes
y no uniformes sin apartarse del alcance de las presentes
enseñanzas.
De acuerdo con las presentes enseñanzas, para un
usuario situado en la microcélula #7 se forma un número finito de
haces alrededor del usuario (por ejemplo, en las microcélulas #1, 2,
6, 7, 8, 13 y 14). Siempre que el usuario permanezca en la
microcélula #7, la dirección del haz permanece sin cambios. Sin
embargo, si el usuario se mueve a la microcélula #8, entonces la
señal recibida de la microcélula #8 será mayor que la señal
recibida de la microcélula #7. En este punto los haces estrechos
son desplazados de las microcélulas #1, 2, 6, 7, 8, 13 y 14 a las
microcélulas #2, 3, 7, 8, 9, 14 y 15. De forma breve, de acuerdo
con una realización ilustrativa de las presentes enseñanzas, un haz
estrecho es dirigido a la célula en la que el usuario está situado
con base en la señal de retorno más fuerte, la situación GPS u otra
información y hacia un área que rodea al usuario definido como
microcélulas en la realización preferida. El sistema continúa
rastreando al usuario cuando el usuario viaja desde la microcélula
#7 a la microcélula #59 como se muestra en la Figura 19.
Para usuarios móviles, las evaluaciones de haz
tendrían que ser actualizadas sobre alguna base. Por ejemplo,
suponiendo que un usuario se está moviendo a una velocidad inferior
a 120 km/h, y un tamaño de haz (con una desviación +dB) de 8 km,
podría ser adecuada la tasa de actualización de evaluación del haz
de aproximadamente una vez cada minuto. Cuando el usuario se mueve
a lo largo de una frontera entre microcélulas, puede ser registrado
con una célula, después otra, después de nuevo a la célula original.
Este efecto "ping-pong" puede ser mitigado por
el solape de las células como se muestra en la Figura 20.
La Figura 20 es una vista ampliada de una parte
del diagrama de la Figura 19 que muestra el solape entre
microcélulas de acuerdo con las presentes enseñanzas. Con el solape
entre células contiguas, un usuario no será asignado inmediatamente
a una nueva microcélula cuando entra en la frontera de una nueva
microcélula. Por el contrario, se producirá una nueva asignación de
microcélula cuando el usuario abandone completamente el área de la
célula vieja.
Así, el presente invento ha sido descrito aquí
con referencia a una realización particular para una aplicación
particular. Las presentes enseñanzas permiten una carga útil muy
ligera con la total utilización de los recursos que una carga útil
ligera puede ofrecer. Los expertos en la técnica y los que tengan
acceso a las presentes enseñanzas reconocerán modificaciones,
aplicaciones y realizaciones adicionales dentro del alcance de
ella.
Por lo tanto, se pretende mediante las
reivindicaciones anejas cubrir todas y cada una y de las
aplicaciones, modificaciones y realizaciones dentro del alcance del
presente invento.
Claims (11)
1. Un sistema de rastreo de usuario para un
sistema de comunicación inalámbrico que comprende:
primeros medios (20-29, 30) para
crear una pluralidad de haces dentro de un área de cobertura,
siendo dichos primeros medios posteriormente adaptados para dirigir
un primer haz a un usuario (40, 50) en una primera microcélula (60,
70) y un número de haces adicionales que iluminan las microcélulas
inmediatamente contiguas a dicha primera microcélula;
segundos medios (55, 57, 89) para detectar el
movimiento de dicho usuario (40, 50) desde dicha primera
microcélula a una de dichas microcélulas inmediatamente contiguas;
y
terceros medios (30-39) para
redireccionar, en la detección de dicho movimiento, dicho primer
haz desde dicha primera microcélula a una segunda microcélula,
siendo dicha segunda microcélula una de dichas microcélulas
contiguas.
2. El sistema de la Reivindicación 1, en el que
dichos primeros medios son un sistema de comunicación (20, 30) con
base en una plataforma estratosférica que incluyen un núcleo (30)
adaptado para comunicar con una plataforma estratosférica.
3. El sistema de la Reivindicación 2, que incluye
además un transmisor-receptor (28) y una antena
direccional (29) en fase dispuesta sobre dicha plataforma.
4. El sistema de la Reivindicación 3, que incluye
además medios (38) dispuestos en dicho núcleo (30) para crear una
señal de formación de haz para uso de dicha antena direccional (29)
en fase.
5. El sistema de la Reivindicación 4, en el que
dicho núcleo (30) incluye dichos terceros medios.
6. El sistema de la Reivindicación 5, en el que
dichos terceros medios (30-39) incluyen medios de
respuesta a dichos segundos medios para hacer que dichos medios
creen una señal de formación de haz para redireccionar dicho primer
haz.
7. El sistema de la Reivindicación 1, en el que
dichos terceros medios (30-39) incluyen medios para
redireccionar dichos haces adicionales para iluminar las
microcélulas inmediatamente contiguas a dicha segunda microcélula en
la dirección de movimiento de dicho usuario (40) desde dicha
segunda microcélula a una de dichas células contiguas.
8. El sistema de la Reivindicación 1, en el que
dichos primeros medios incluyen un núcleo (30) adaptado a comunicar
con una plataforma estratosférica, teniendo dicha plataforma un
transmisor-receptor (20) y una antena direccional
(29) en fase, teniendo dicho núcleo (30) medios
(32-39) para crear una señal de formación de haz
para uso de dicha antena direccional en fase;
dichos terceros medios incluyen medios de
respuesta a dichos segundos medios para hacer que dichos medios
creen una señal de formación de haz para redireccionar dicho primer
haz y medios para redireccionar dichos haces adicionales para
iluminar las microcélulas inmediatamente contiguas a dicha segunda
microcélula en la detección de movimiento de dicho usuario desde
dicha primera microcélula a una de dichas microcélulas
contiguas.
9. El sistema de la Reivindicación 4 u 8, en el
que dichos segundos medios están construidos por un receptor (55)
de sistema de posicionamiento global.
10. El sistema de cualesquiera de las
Reivindicaciones 4, 5 u 8, en el que dichos segundos medios
incluyen medios para medir la intensidad de una señal recibida de
dicho usuario.
11. Un método para rastrear un usuario en un
sistema de comunicación inalámbrico, que comprende los pasos
de:
crear una pluralidad de haces dentro de un área
de cobertura, siendo unos primeros medios dirigidos a un usuario en
una primera microcélula e iluminando varios haces adicionales las
microcélulas inmediatamente contiguas a dicha primera
microcélula;
detectar el movimiento de dicho usuario desde
dicha primera microcélula a una de dichas microcélulas
inmediatamente contiguas; y
redireccionar, en la detección de dicho
movimiento, dicho primer haz desde dicha primera microcélula a una
segunda microcélula, siendo dicha segunda microcélula una de dichas
microcélulas contiguas.
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