專利名稱：改進(jìn)頻率復(fù)用的一個(gè)蜂窩/衛(wèi)星通信系統(tǒng)的制作方法
背景本發(fā)明涉及增加容量的無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以包括多個(gè)漫游的、移動(dòng)車載的或手持的電話機(jī)，由固定的地面基站或軌道衛(wèi)星或二者混合的方式為之服務(wù)。這樣的系統(tǒng)容量按照為業(yè)務(wù)分配了多少無線頻譜以及使用的效率來對(duì)大量的用戶提供服務(wù)。頻率使用的效率以每平方公里每兆赫茲同時(shí)通話數(shù)(erlangs)為單位來衡量。一般來說，頻譜的效率可由尋找使可用的帶寬復(fù)用的方法來提高，而不是試圖將多個(gè)通話塞入同一帶寬內(nèi)，因?yàn)榭s小帶寬一般會(huì)產(chǎn)生在各通話之間增加頻段間隔的需要，因而抵消了容量上的增益。所以，較好的方法是為每個(gè)通話增加帶寬。以便使較近的頻率復(fù)用成為可能。
擴(kuò)頻通信系統(tǒng)(即CDMA系統(tǒng))，用高冗余編碼來增加信號(hào)帶寬，使信號(hào)能在其它用戶干擾的情況下被讀出，提供了較高的頻譜效率。使用這樣的系統(tǒng)，同一網(wǎng)眼內(nèi)的多個(gè)用戶可以在同一頻段內(nèi)共存，頻率和時(shí)間上都是重迭的。如果可以容忍同一網(wǎng)眼內(nèi)的同頻干擾，一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)眼以外的同頻干擾也就可以容忍了，因?yàn)榫嚯x將減弱干擾的作用，所以所有網(wǎng)眼內(nèi)的所有頻率都可能復(fù)用。
擴(kuò)頻系統(tǒng)容量具有自干擾的限制，因?yàn)榕c所需信號(hào)同時(shí)接收下來的不需要的信號(hào)在同一頻率上貢獻(xiàn)了一個(gè)干擾成分。僅管如此，一些系統(tǒng)，例如衛(wèi)星通信系統(tǒng)，已經(jīng)受到自然噪聲的限制，因此寬帶擴(kuò)頻方法就不一定是增加容量的最好技術(shù)。結(jié)果就需要在不遭受寬帶擴(kuò)頻的自干擾的不利后果的條件下，在每個(gè)鄰近的蜂窩或區(qū)域內(nèi)復(fù)用整個(gè)頻譜。


圖1表示了一個(gè)典型的使用地面基站的蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成。這張圖只是表示了這樣的網(wǎng)絡(luò)，例如網(wǎng)眼不總是如此規(guī)則的大小和形狀，并且做為一個(gè)一般定義的網(wǎng)眼可以描述為一個(gè)由特定信號(hào)激勵(lì)的區(qū)域。
網(wǎng)眼可以從它們的地理中心激勵(lì)，但一般地由三個(gè)網(wǎng)眼組的連接處的公共點(diǎn)來激勵(lì)，因?yàn)榈攸c(diǎn)的房產(chǎn)地價(jià)是主要的經(jīng)濟(jì)考慮。網(wǎng)眼的中心激勵(lì)的天線輻射方位圖一般在方位角上是全方向的?？s小在垂直平面上的輻射方位圖使能量集中于陸地上的電話機(jī)，避免能量向天空輻射的浪費(fèi)也是共同的。當(dāng)出于經(jīng)濟(jì)考慮三個(gè)網(wǎng)眼的發(fā)射器和天線集中在同一位置時(shí)，天線的角度只需激勵(lì)120度扇區(qū)；而且所得的方向增益對(duì)網(wǎng)眼遠(yuǎn)邊的雙倍距離做了很大的補(bǔ)償。適當(dāng)塑造天線形狀可以用在每個(gè)方向上所需的最大范圍提供增益補(bǔ)償，每一個(gè)相對(duì)于中心面等分為±60度。因此一個(gè)扇面化的天線方位圖可以在±60°上減小到-12dB，提供中心扇面增益大約8-9dB，以使該方向上實(shí)現(xiàn)最大范圍。
使用中心激勵(lì)，U.S.AMPS蜂窩移動(dòng)電話系統(tǒng)不能在環(huán)繞給定網(wǎng)眼的21個(gè)網(wǎng)眼區(qū)域內(nèi)復(fù)用相同的頻率。這稱做21網(wǎng)眼頻率復(fù)用方式，其結(jié)果是當(dāng)所有信道同時(shí)使用時(shí)(一般稱為最大負(fù)荷)同信道干擾低于所需信號(hào)大約18dB。這樣一個(gè)21網(wǎng)眼復(fù)用模式在圖2中表示。某個(gè)復(fù)用模式大小例如3、4、7以及它們的乘積(即9、12、21…)產(chǎn)生了與所需信號(hào)相同距離的同信道干擾，并定位在六角形的邊緣，由多個(gè)等于方位圖大小的平方根的網(wǎng)眼所隔開。
實(shí)際上，激勵(lì)從三個(gè)網(wǎng)眼的鄰接處產(chǎn)生。盡管復(fù)用模式是一個(gè)21網(wǎng)眼模式，它也可描述成7地點(diǎn)，每個(gè)有3頻率復(fù)用的模式環(huán)繞著三個(gè)120度的扇區(qū)。從這種激勵(lì)方式產(chǎn)生的信號(hào)同信道干擾特性，不精確地與從中心激勵(lì)產(chǎn)生的那些特性相等。(由于天線的方向性，可以看到對(duì)于特定信號(hào)的干擾主要產(chǎn)生于天線在正對(duì)方向上發(fā)射的兩個(gè)其它地點(diǎn)，并且不來自于在共同頻率上發(fā)射的六個(gè)等距離的網(wǎng)眼，類似中心激勵(lì)的情況)。
3扇區(qū)、7地點(diǎn)的激勵(lì)方法一般稱為扇面化，它可能給人以錯(cuò)誤印象即由于使用了方向性天線，原來較大的網(wǎng)眼被分成3個(gè)較小的網(wǎng)眼或扇區(qū)。這種印象卻是不準(zhǔn)確的，因?yàn)閺耐粋€(gè)地點(diǎn)用于激勵(lì)三個(gè)網(wǎng)眼的結(jié)構(gòu)僅是經(jīng)濟(jì)上的安排，實(shí)際上考慮到技術(shù)性能比中心激勵(lì)稍有缺陷，但這種缺陷是很小的。
網(wǎng)眼分割完全是另一個(gè)概念，它是通過在地面上更密集地提供基站以得到每平方公里更高的容量的一種方法。在一個(gè)已有系統(tǒng)中引入網(wǎng)眼分割時(shí)常需要完全修改頻率復(fù)用方案，因?yàn)橐话悴豢赡芎?jiǎn)單地分害一個(gè)網(wǎng)眼，例如，分成三個(gè)網(wǎng)眼，并三次復(fù)用原來的頻率。這會(huì)使三個(gè)新的網(wǎng)眼工作在沒有間隔的相同頻率上，產(chǎn)生一個(gè)問題，即在兩個(gè)網(wǎng)眼邊界上的一個(gè)移動(dòng)電話從兩個(gè)網(wǎng)眼的相同頻率上接收相等強(qiáng)度(但內(nèi)容不同)的信號(hào)。因此，需要使一個(gè)網(wǎng)眼分成具有相同頻率的扇面，并在每個(gè)當(dāng)中不帶上述的干擾問題。
在設(shè)計(jì)用于車載或手持話機(jī)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生類似的容量問題。對(duì)手持機(jī)，不同性能的全向天線實(shí)際上是大多數(shù)消費(fèi)者樂意接受的。必須定向到衛(wèi)星或較大的、較笨重天線的定向天線現(xiàn)在在市場(chǎng)上不受歡迎，所以衛(wèi)星必須給地面提供足夠高的信號(hào)強(qiáng)度，以便能與這樣的設(shè)備進(jìn)行通信。地面上從衛(wèi)星接收的信號(hào)強(qiáng)度一般用每平方米瓦為單位或以對(duì)數(shù)尺度每平米dBW為單位進(jìn)行計(jì)量。例如，每平方米-123dBW量級(jí)的流密度，在下行鏈路頻率使用2GHz時(shí)用于給話音通信提供足夠的鏈路容限以抵抗多徑衰落、陽影效應(yīng)、極化失調(diào)等。衛(wèi)星輻射的總瓦數(shù)就等于這個(gè)所需的流密度乘以它激勵(lì)的地理區(qū)域的面積。例如，在全美國(guó)任意地方提供這樣一個(gè)話音信道，在9百萬平方公里的面積上需要的總輻射功率為10-12.3×9×1012＝4.5瓦從衛(wèi)星上來的一個(gè)話音信道當(dāng)然不能提供有用的容量。5千到1萬Erlangs是比較合理的為全美國(guó)服務(wù)的目標(biāo)。增加容量的一個(gè)方法是在其它的頻道上也產(chǎn)生4.5瓦特功率，每個(gè)頻道帶一路話音信道；但是，一個(gè)4.5千瓦的衛(wèi)星將是很大而且發(fā)射費(fèi)用昂貴，不是提供10000Erlangs容量的經(jīng)濟(jì)的方法。因此更有效的是，使用4.5瓦的衛(wèi)星RF功率在美國(guó)的所有地方產(chǎn)生一個(gè)足夠流密度的話音信道，想辦法允許在不同的地方使用不同的流傳輸話音，這樣就不用更多的功率或頻帶就能支持很多不同的通話。
衛(wèi)星在不同方向上不同地調(diào)制相同的輻射流密度的能力依賴于由它的天線孔徑提供的角分辨率。一個(gè)天線(在輻射中)的角分辨率的量級(jí)是波長(zhǎng)與天線直徑之比。使用一個(gè)示范性的下行鏈路頻率2GHz(波長(zhǎng)15cm)，直徑1.5米的天線，理論上角分辨率是1/10半徑或5.7度的量級(jí)，這個(gè)量級(jí)，例如從10000公里的軌道高度，允許的分辨率在美國(guó)覆蓋區(qū)域內(nèi)可達(dá)到分辨37個(gè)不同方向的能力。因此，衛(wèi)星輻射功率的同一個(gè)4.5瓦也支持不只一個(gè)，而是37個(gè)不同的通話。
產(chǎn)生37個(gè)不同波束的方法如圖3中所示。一個(gè)拋物面反射鏡將從一個(gè)帶37個(gè)不同的饋源的方位圖中聚集無線電波能量下達(dá)地面。饋源的映像被投射到地面，形成所需的分離的激勵(lì)區(qū)域。不幸的是，使用這種技術(shù)存在從一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的泄露，并且無論如何兩個(gè)或三個(gè)網(wǎng)眼邊界處的一個(gè)移動(dòng)電話從兩或三個(gè)饋源接收相等的信號(hào)。如果這些信號(hào)是分別調(diào)制的，電話接收到不能辨認(rèn)的三個(gè)通話的混合。因此，傳統(tǒng)的系統(tǒng)不能開發(fā)使用分辨率來實(shí)現(xiàn)的潛在的容量增加。
總結(jié)在傳統(tǒng)的天線通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及二者的混合中遇到的這些以及其它的缺陷和困難將按照本發(fā)明得到克服。
按照本發(fā)明的一個(gè)示范實(shí)施例，矩陣處理用來形成多個(gè)數(shù)據(jù)采樣流的數(shù)值混合。選擇矩陣系數(shù)，并可周期性地調(diào)整，使多個(gè)接收器中的每一個(gè)實(shí)際上不帶干擾地接收所需的信號(hào)。
按照本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例，信號(hào)處理不適于移動(dòng)電話的移動(dòng)或新通話的建立以及終止，但是可用確定方法操作，而流量適于使用動(dòng)態(tài)流量信道分配算法的信號(hào)處理的確定特性。
附圖簡(jiǎn)單描述前面所述以及其它的本發(fā)明的目的、特性、以及優(yōu)點(diǎn)通過結(jié)合圖閱讀相關(guān)的如下的詳細(xì)描述之后會(huì)得到更好的了解，其中圖1圖示了一個(gè)傳統(tǒng)的基于陸地的蜂窩網(wǎng)；圖2圖示了一個(gè)傳統(tǒng)的21網(wǎng)眼頻率復(fù)用方案；圖3表示了一個(gè)傳統(tǒng)的激勵(lì)地球一個(gè)區(qū)域的37波束衛(wèi)星實(shí)施方案；圖4圖示了用于描述本項(xiàng)發(fā)明特性的一個(gè)激勵(lì)模式。
圖5表示了一個(gè)3網(wǎng)眼頻率復(fù)用方案；圖6表示了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示范實(shí)施例的衛(wèi)星-移動(dòng)通信系統(tǒng)。
圖7圖示了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示范實(shí)施例的移動(dòng)臺(tái)到中心站的轉(zhuǎn)發(fā)器。
圖8(a)圖示了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示范實(shí)施例的中心站到移動(dòng)臺(tái)的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。
圖8(b)圖示了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例的用于功率放大器矩陣的合成網(wǎng)絡(luò)；圖9表示了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的示范FDMA實(shí)施例的一個(gè)中心站。
圖10圖示了一個(gè)基于本發(fā)明的一個(gè)示范實(shí)施例的相干波束信號(hào)的傳輸；圖11表示了基于一個(gè)示范實(shí)施例的，在K波段中心站鏈路上使用雙極化的頻譜特性；圖12是一個(gè)框圖，圖解了基于一個(gè)示范實(shí)施例的波束信號(hào)的相位相干傳輸。
圖13是一個(gè)框圖，圖解了基于本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例的波束信號(hào)的相位相干傳輸；圖14圖示了2比特復(fù)用的I、Q信號(hào)到一個(gè)K波段載波矢量的映射。
圖15是一個(gè)框圖，圖示了相位相干波束信號(hào)傳輸?shù)牧硪粋€(gè)示范實(shí)施例；圖16是一個(gè)框圖，圖示了基于本發(fā)明的一個(gè)示范TDMA實(shí)施例的中心站發(fā)射信號(hào)處理；圖17按照本發(fā)明的一個(gè)示范實(shí)施例圖示了接收控制處理器和發(fā)送控制處理器之間的連接；圖18表示了本發(fā)明的一個(gè)陸地蜂窩示范實(shí)施例；圖19是一個(gè)框圖，按照本發(fā)明的一個(gè)示范實(shí)施例圖示了從一個(gè)天線陣列來的信號(hào)的最大似然解調(diào)。
圖20表示了一個(gè)交錯(cuò)扇面方位圖的一個(gè)示范排列；圖21(a)和21(b)按照本發(fā)明的一個(gè)示范實(shí)施例圖示了連續(xù)激勵(lì)模式；圖22是一個(gè)框圖，圖示了本發(fā)明的動(dòng)態(tài)信道分配實(shí)施例的一個(gè)示范實(shí)現(xiàn)的組成部分；圖23是一個(gè)圓形對(duì)稱、一致孔徑激勵(lì)函數(shù)的示范輻射方位圖的一個(gè)圖解表示；圖24是相對(duì)信號(hào)增益相對(duì)波束交叉點(diǎn)的示范圖；圖25是一個(gè)示范圖，圖示了3網(wǎng)眼頻率復(fù)用模式中C/I與網(wǎng)眼中移動(dòng)臺(tái)位置的關(guān)系；圖26是一個(gè)圖解C/I與波束邊緣交叉點(diǎn)關(guān)系的示范圖；圖27是一個(gè)中頻復(fù)用系統(tǒng)中C/I對(duì)網(wǎng)眼中移動(dòng)臺(tái)位置關(guān)系的示范圖；圖28是一個(gè)中頻復(fù)用系統(tǒng)中C/I對(duì)波束邊緣交叉點(diǎn)關(guān)系的示范圖；圖29圖示了一個(gè)圓形對(duì)稱，1/2余弦孔徑激勵(lì)函數(shù)的示范輻射方位圖；圖30是圖29中的激勵(lì)函數(shù)方位圖的相對(duì)信號(hào)增益對(duì)波束交叉點(diǎn)關(guān)系的示范圖；圖31是一個(gè)示范圖，圖示了圖29中的激勵(lì)函數(shù)的3網(wǎng)眼復(fù)用模式的C/I對(duì)網(wǎng)眼中移動(dòng)臺(tái)位置的關(guān)系；圖32是一個(gè)示范圖，圖示了圖29中的激勵(lì)函數(shù)的3網(wǎng)眼復(fù)用模式中，在25％的網(wǎng)眼半徑內(nèi)，C/I對(duì)所有移動(dòng)臺(tái)位置處的波束交叉點(diǎn)的關(guān)系；圖33是一個(gè)示范圖，圖示了圖29中的激勵(lì)函數(shù)的中頻復(fù)用中，C/I對(duì)網(wǎng)眼中移動(dòng)臺(tái)位置之間的關(guān)系；圖34是一個(gè)示范圖，圖示了使用圖29中的孔徑激勵(lì)函數(shù)的一個(gè)中頻復(fù)用系統(tǒng)，在波束邊緣交叉點(diǎn)上按dB下降函數(shù)的25％網(wǎng)眼半徑內(nèi)所有點(diǎn)上的C/I；圖35圖示了按照本發(fā)明的示范實(shí)施例的波束和網(wǎng)眼方位圖；圖36圖示了另一個(gè)使用七個(gè)通信信道的示范波束和網(wǎng)眼方位圖；圖37是一個(gè)框圖，為按照本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例的一個(gè)固定波束形成裝置；圖38是按照本發(fā)明的一個(gè)示范實(shí)施例波束形成裝置的當(dāng)前射入和發(fā)放點(diǎn)的表；以及圖39圖示了圖37的波束形成裝置的一個(gè)示范TDMA實(shí)施例。
詳細(xì)描述首先，理解與普通天線陣列信號(hào)發(fā)射有關(guān)的干擾問題是有益的，例如圖3中所示的那種天線。圖4表示了天線在地面上產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度的交叉面，例如圖3中所示的那種天線。即使在最佳的干擾情況下，此時(shí)一個(gè)移動(dòng)單元位于波束2(點(diǎn)A)的中心，從波束1和3來的輻射并不為0，只是相當(dāng)程度地減弱了。移動(dòng)臺(tái)2接收到的總信號(hào)可以描述為三個(gè)分量之和，即C21的大小乘以波束1的信號(hào)S1(小)C22的大小乘以波束2的信號(hào)S2(大)C23的大小乘以波3的信號(hào)S3(小)現(xiàn)在考慮相反(上行鏈路)方向，并假設(shè)可逆?zhèn)鞑?，衛(wèi)星在波束2中接收到來自三個(gè)移動(dòng)臺(tái)的輻射成分，稱為C21·M1+C22·M2+C23·M3，此處M1、M2、M3分別是網(wǎng)眼1、2和3中的移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)。如果移動(dòng)臺(tái)1并不靠近波束2的邊緣，那么C21將很??；因?yàn)橐苿?dòng)臺(tái)2在波束2之中，C22將很大；并且如果移動(dòng)臺(tái)3不靠近波束2的邊緣，C23將很小。因此只要移動(dòng)臺(tái)被理想地安置且不在網(wǎng)眼的邊緣，那么網(wǎng)眼間干擾的等級(jí)將是可以容忍的。
另一方面，例如，如果一個(gè)移動(dòng)單元靠近網(wǎng)眼1和網(wǎng)眼2之間的邊界，系數(shù)C21將很大且M1將干擾信號(hào)M2的解碼。防止這個(gè)問題傳統(tǒng)的技術(shù)是在緊鄰的網(wǎng)眼中不使用相同的頻率。例如，可能使用圖5所示的3-網(wǎng)眼頻率復(fù)用模型。圖5中帶陰影的網(wǎng)眼使用第一個(gè)頻率f1，所示的模型中的其它網(wǎng)眼使用f2和f3?？梢钥闯?，使用相同頻率f1的網(wǎng)眼不相鄰，并且邊與邊之間的間隔恰小于一個(gè)網(wǎng)眼直徑。一個(gè)波束邊緣的移動(dòng)臺(tái)位于使用相同頻率的其它網(wǎng)眼的輻射強(qiáng)度曲線很低點(diǎn)的位置。然而，該方法的缺陷是每個(gè)網(wǎng)眼內(nèi)只能使用三分之一的可用頻率，頻譜利用率以三為因子降低。所以，本發(fā)明在其它特性之中提供了一種取消同信道干擾而不損失頻譜利用率的方法，并相應(yīng)避免了在相鄰網(wǎng)眼中不能使用頻譜復(fù)用的弊病。
如果在所有波束B1、B2、B3……等等中接收的信號(hào)的表達(dá)式收集在一起，并暫時(shí)假設(shè)移動(dòng)臺(tái)信號(hào)與波束有相同的個(gè)數(shù)，那么產(chǎn)生下列方程組B1＝C11·M1+C12·M2+C13·M3+C14·M4…C1n·MnB2＝C21·M1+C22·M2+C23·M3+C24·M4…C2n·MnB3＝C31·M1+C32·M2+C33·M3+C34·M4…C3n·MnBn＝Cn1·M1+Cn2·M2+Cn3·M3+Cn4·M4…Cnn·Mn該方程組可簡(jiǎn)寫為B＝C·M，此處B和M是列矢量，C是一個(gè)n×n的系數(shù)方陣。
從衛(wèi)星每個(gè)波束中接收的信號(hào)中，希望能確定移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)；按照本發(fā)明可以通過解上面的方程組而得到所需的信號(hào)M＝C-1·B只要矩陣C是可逆的(即，有一個(gè)非零的行列式)，這個(gè)解就可以得到，其結(jié)果實(shí)際上消除了移動(dòng)信號(hào)之間所有的干擾，使它們之間達(dá)到完全的分離。上述方程的所有元素，即移動(dòng)信號(hào)Mi，波束信號(hào)Bk以及矩陣元素Cki均為具有實(shí)部和虛部的復(fù)數(shù)，使之不僅可以表示信號(hào)幅度的差別，也可以表示信號(hào)之間的相位關(guān)系。按照本項(xiàng)發(fā)明，從不同天線波束中接收的信號(hào)在相同的時(shí)間按照奈奎斯特準(zhǔn)則以足夠捕獲所有感興趣的信號(hào)成份的速率進(jìn)行抽樣。一組這樣的樣值在任何時(shí)刻都可形成列矢量B，每個(gè)這樣的矢量被C的逆相乘，例如，每個(gè)抽樣周期乘一次得到一組樣值M，代表自由移動(dòng)信號(hào)干擾。M的相同元素的一系列值形成樣本流，對(duì)應(yīng)于一個(gè)移動(dòng)信號(hào)。這個(gè)流送入每個(gè)移動(dòng)信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理器中，將樣本流轉(zhuǎn)換成，例如，一個(gè)模擬的話音波形或64KB的PCM數(shù)字語音流，該語音流是系統(tǒng)所連接的電話交換系統(tǒng)所需要的。
按照本發(fā)明的另一特性，矩陣C不必在每個(gè)抽樣周期求逆，可以減少求逆的頻率或只在每個(gè)通話的開始處求一次逆。矩陣C和它的逆相對(duì)變化較慢因?yàn)镃系數(shù)的改變頻率與移動(dòng)單元在波束中移動(dòng)位置有關(guān)，或者在非靜止衛(wèi)星情況下與衛(wèi)星移動(dòng)引起的波束輻射密度分布的改變有關(guān)，這些變化都是相對(duì)較慢的。在本發(fā)明的一個(gè)示范的衛(wèi)星實(shí)施例中，典型的網(wǎng)眼大小在幾百公里的范圍內(nèi)，衛(wèi)星軌道在中等緯度需要一到兩小時(shí)才移出一個(gè)典型大小的網(wǎng)眼。因?yàn)橐苿?dòng)而引起的重新計(jì)算新的矩陣逆的需要在一個(gè)普通的、例如3分鐘的電話通話期間不會(huì)產(chǎn)生。但是，在逆的C矩陣中做改變將是有益的，主要原因是通話是連續(xù)地接通及斷開的。如果n＝37，例如，平均通話持續(xù)3分鐘，那么平均來說，一個(gè)移動(dòng)臺(tái)與它相應(yīng)的矩陣C的列每5秒被略去一次并代之以另一個(gè)系數(shù)列。替換發(fā)生時(shí)引入新的逆C矩陣的處理將在后面解釋，只要說明的是與解調(diào)、解碼37個(gè)移動(dòng)信號(hào)所進(jìn)行的整個(gè)數(shù)字信號(hào)處理相比這只是微不足道的一點(diǎn)計(jì)算而已。
應(yīng)用這些原則的一個(gè)示范實(shí)施例現(xiàn)在將參考圖6-11予以描述。
圖6表示了多個(gè)便攜臺(tái)420通過衛(wèi)星410與中心站400通信。該中心站，例如，通過一個(gè)本地交換局與一個(gè)公用電話交換網(wǎng)(PSTN)相連，以使便攜電話可與世界范圍的任一電話用戶通話，也可以使衛(wèi)星電話之間相互通話。衛(wèi)星在相對(duì)較低的微波頻率，例如1600MHz接收來自便攜機(jī)的信號(hào)。在這樣的頻率上，以電池工作的話機(jī)的發(fā)射機(jī)能有效工作并且它們的天線可以是小型的全方向的。衛(wèi)星從1600MHz接收信號(hào)轉(zhuǎn)換成較高的頻率，用于轉(zhuǎn)發(fā)給中心站。
使用一個(gè)較高的頻率是因?yàn)樾l(wèi)星到中心站的鏈路需要的頻帶寬度至少是分配給每個(gè)波束的1600MHz頻段寬度的n倍，n是波束數(shù)。例如，如果在1600MHz上，37個(gè)波束中的每一個(gè)復(fù)用了6MHz的一段帶寬，那么在衛(wèi)星到中心站的鏈路上至少使用37×6或222MHz的頻帶寬度需要。因?yàn)楸３窒喔刹ㄊ盘?hào)傳輸?shù)姆椒ㄊ褂弥辽賰杀队谶@個(gè)起碼的最小帶寬的頻帶，并且反向需要相同大小，那么就需1GHz的帶寬。由此建議衛(wèi)星到中心站的前向和返回鏈路上載頻大約是，例如，20GHz比較合適。
在這樣的頻率上，即使相對(duì)較小的中心站天線也有很窄的波束寬度，使得任何一個(gè)系統(tǒng)對(duì)這個(gè)帶寬的獨(dú)占都是不必要的，整個(gè)帶寬可以重新分配給其它衛(wèi)星和地面站，只要從第一個(gè)地面站到第一個(gè)衛(wèi)星的視線不與到第二個(gè)衛(wèi)星的視線相交就不會(huì)產(chǎn)生干擾。分配唯一的“站”給靜止軌道上的衛(wèi)星可以避免這種情況，或者，對(duì)于在較低軌道上移動(dòng)的衛(wèi)星這種情況下，交叉的概率很小，當(dāng)發(fā)生交叉時(shí)改變中心站位置來解決。
圖7表示了一個(gè)將移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給中心站的示范性衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器框圖。L-波段(即1600MHz)的多波束衛(wèi)星天線470從分布在不同波束間的多個(gè)移動(dòng)電話接收信號(hào)，并在有關(guān)的低噪聲放大器中放大這些信號(hào)。從每個(gè)波束來的混合信號(hào)包含，例如，從400-500個(gè)使用不同頻率的移動(dòng)電話來的信號(hào)，這些頻率以12.5KHz為間隔，共跨越6MHz的一個(gè)總帶寬。每個(gè)波束的混合信號(hào)在相應(yīng)的混頻器440中被下變頻以得到基帶信號(hào)，例如，跨越1-7MHz的范圍的信號(hào)。這類信號(hào)后面將稱之為“視頻”信號(hào)，因?yàn)樗菙z像機(jī)中的信號(hào)跨越的典型頻率范圍。為了將混合的接收信號(hào)下變頻為視頻信號(hào)，下變頻器可以是，例如，鏡像反射類型的下變頻器。下變頻處理可以選擇性地使用合適的中間頻率分一步或多步來完成。
系統(tǒng)中的下變頻器可以使用相同的本振信號(hào)以使天線接收的下變頻率頻率之間保持原有的相位關(guān)系。在信道之間偶然引入的固定相位偏差和小的幅度差別都不是問題，因?yàn)檫@可以在中心站通過模擬或數(shù)字處理將其校正。
基帶信號(hào)用來調(diào)制衛(wèi)星-中心站頻帶即20GHz中的相應(yīng)的載波。如果一個(gè)1-7MHz的“視頻”信號(hào)單邊帶調(diào)制到一個(gè)20GHz的載波頻率上，所得信號(hào)將占有20.001到20.007GHz的頻帶范圍。
但是，使用單邊帶調(diào)制使在波束信號(hào)之間保持相位的相干性變得很困難。因此，轉(zhuǎn)而使用雙邊帶調(diào)制技術(shù)。例如，1-7MHz的視頻信號(hào)可用來對(duì)一個(gè)20GHz的載波頻率進(jìn)行頻率或相位調(diào)制。調(diào)制后的載波占據(jù)的頻率范圍大約是19.993-20.007MHz，或者更多，依據(jù)使用的頻率或相位偏差而定。為了在起碼的14MHz帶寬周圍留一定余量，在20GHz頻帶內(nèi)使用25MHz的頻率間隔比較合適。因此，在單向的衛(wèi)星-中心站鏈路上使用37×25或925MHz的帶寬。這個(gè)帶寬可以用后面描述的正交極化方法的靈活使用將其分為一半。
圖8表示一個(gè)中心站-移動(dòng)臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)方向的示范衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。上面描述的移動(dòng)臺(tái)到中心站傳輸?shù)耐瑯臃椒梢韵喾吹赜糜诙嗖ㄊ盘?hào)到衛(wèi)星的相干傳輸。中心站(未表示出來)發(fā)送多個(gè)Ka波段的頻率或相位調(diào)制的載波到衛(wèi)星。使用合適的Ka波段天線360接收它們，在共用的低噪聲放大器350中放大，然后饋送到FM接收器組340，這里每個(gè)載波用相應(yīng)的接收器解調(diào)，產(chǎn)生信號(hào)的視頻率形式以在相應(yīng)的波束中傳輸。這些視頻信號(hào)，例如占據(jù)1-17MHz的頻帶，在相應(yīng)的上變頻器320中被上變頻，使用一個(gè)共用的本地振蕩器330以保持相對(duì)的相位關(guān)系，并使用功率放大矩陣310放大信號(hào)以便通過多波束天線330發(fā)送到移動(dòng)電話。衛(wèi)星-移動(dòng)臺(tái)鏈路使用的合適頻率，舉例來說，為2.5GHz(S-波段)。功率放大矩陣中的放大器可以是線性放大器，以便減少定向到不同電話的信號(hào)之間的互調(diào)。功率放大器矩陣舉例來說，可以是一組n個(gè)分立的放大器，每個(gè)與相應(yīng)的波束相關(guān)聯(lián)，或是一組N個(gè)(大于或等于n)放大器，其輸入端連接有n×N Butler矩陣，輸出端連接有N×n的Butler矩陣。Butler矩陣的效果是使用每個(gè)放大器放大每個(gè)波束信號(hào)的一部分，因此平衡了負(fù)載，在故障發(fā)生時(shí)性能稍下降但工作仍可靠，并通過吸收N-n假負(fù)載中的互調(diào)部分能量來減輕互調(diào)。這樣的功率放大矩陣的例子可以在美國(guó)專利應(yīng)用系列號(hào)-題為“在功率放大器中損失能量控制和管理”中找到，該文發(fā)稿于1994年1月11日，這里引為參考。
按照本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例，在使用TDMA信號(hào)的通信系統(tǒng)中，通過地球軌道衛(wèi)星做為中繼，該衛(wèi)星具有一個(gè)使用這樣的矩陣功率放大器的通信轉(zhuǎn)發(fā)器，這個(gè)功率放大器的輸入Butler與放在地面站而不是衛(wèi)星上的網(wǎng)絡(luò)相連接。Butler連接操作由地面站的數(shù)字信號(hào)處理完成，形成所需波束信號(hào)的加權(quán)求和，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于矩陣功率放大器的每個(gè)放大器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這些加權(quán)和使用相干饋電鏈路發(fā)送至衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器，該轉(zhuǎn)發(fā)器接收它們并將其轉(zhuǎn)換到第二頻段，以便用這樣的方式驅(qū)動(dòng)功率放大器，即，在Butler連接功率放大器輸出之后，輸出信號(hào)就對(duì)應(yīng)于待發(fā)送的信號(hào)，這些信號(hào)以對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的地面終端的不同的天線波束方向發(fā)射，這些地面終端舉例來說，可能是小型手持便攜站。
最終的衛(wèi)星流程示于圖8(a)。注意一般都存在的輸入合成器被省掉了，因?yàn)檫@個(gè)功能現(xiàn)在在地面站完成，圖中用虛線方框800表示。天線810，包括線性放大器的信號(hào)處理820，饋電鏈路接收器和下變頻器830以及輸出合成器840可用傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)，這里不再進(jìn)一步描述。
這個(gè)實(shí)施例在某種情況下很有優(yōu)點(diǎn)，例如，在天線波束和時(shí)隙之間功率的動(dòng)態(tài)重分配可以實(shí)現(xiàn)，而不在相應(yīng)的前向饋電鏈路信號(hào)中產(chǎn)生較大的變化，因?yàn)槊總€(gè)饋電鏈路傳輸每個(gè)波束信號(hào)的一部分而不是一個(gè)波束信號(hào)的全部。另外，在前向饋電鏈路上發(fā)送的信號(hào)的預(yù)失真可用于進(jìn)一步補(bǔ)償相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)器信道功率放大器中的失真。此外，在上面引入的“在功率放大器中損失能量控制和管理”的申請(qǐng)中所描述的超維數(shù)矩陣功率放大器的這種情況，饋電鏈路的數(shù)目大于將產(chǎn)生的獨(dú)立的波束信號(hào)的數(shù)目，因此能夠提供足夠的冗余措施防止故障。
圖9為遵循本發(fā)明的一個(gè)示范實(shí)施例的中心站的框圖。該中心站天線600從衛(wèi)星接收Ka波段的載波，并且在模塊610中的共用低噪聲放大器和可選的下變頻之后，信號(hào)在對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的Ka波段載波的多個(gè)接收器之間分開以得到波束信號(hào)B1…Bn。每個(gè)波束信號(hào)包括多個(gè)語音調(diào)制信道頻率，它們?cè)谛诺婪蛛x濾波器630中被分離。
信道分離濾波器630可以是模擬組件，例如晶體濾波器，并包括一個(gè)從可選的信道頻率到公共的較低頻率(即，12.5-25KHz，或455KHz)的頻率變換，以便進(jìn)行A/D(模/數(shù))變換。已經(jīng)變換為合適的頻率的選定信道信號(hào)在A/D(模/數(shù))變換器640中進(jìn)行A/D變換。在較低的中頻，例如455KHz這樣的頻率上較合適的示范性模數(shù)變換器技術(shù)是美國(guó)專利5,048,059Paul W.Dent的題為“對(duì)數(shù)-極座標(biāo)信號(hào)處理”中描述的技術(shù)，這里引入?yún)⒖?，它通過同時(shí)數(shù)字化相位和幅度的方法保留信號(hào)完整的復(fù)數(shù)性質(zhì)。瞬時(shí)相位可以使用這樣的方法數(shù)字化，例如美國(guó)專利5,084,669 Paul W.Dent題為“直接相位頻率數(shù)字化”中描述的技術(shù)，這里也引為參考。對(duì)應(yīng)于一個(gè)信道頻率的所有n個(gè)波束信號(hào)的相位數(shù)字化可使用這里描述的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即重復(fù)某些元件(即，觸發(fā)器電路和保持寄存器)，n次并共享其它的(即，參考頻率計(jì)數(shù)器)以保持相對(duì)的相位相干性。另一種方法，如果混合波束信號(hào)首先數(shù)字化就可使用數(shù)字濾波器而不是模擬濾波器，在這種情況下，圖9中的A/D變換器640就不需要。
A/D變換的數(shù)值結(jié)果逐樣點(diǎn)地饋送到數(shù)值矩陣處理器650中。每個(gè)信道頻率有一個(gè)這樣的處理器，但為清楚起見，圖中只表示了信道頻率(m)的處理器。矩陣處理器處理數(shù)字化的波束信號(hào)，將多至n個(gè)獨(dú)立的移動(dòng)電話發(fā)送的M1……Mn分開，并將對(duì)應(yīng)于每個(gè)移動(dòng)電話發(fā)射信號(hào)的樣本流傳輸至話音信道處理器660中。話音信道處理器數(shù)值化地完成信號(hào)的解調(diào)、糾錯(cuò)解碼以及將數(shù)字化的語音從衛(wèi)星使用的比特率和格式轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的PCM電話系統(tǒng)格式的譯碼，以便通過一個(gè)數(shù)字交換機(jī)(圖中未表示)連結(jié)至PSTN。因此圖9中所示的示范結(jié)構(gòu)完成了n×m話音信道的解碼，此處n是波束的個(gè)數(shù)，m是每個(gè)波束頻率的個(gè)數(shù)。例如，若n＝37，m＝400，系統(tǒng)就具有14800個(gè)話音信道容量的潛力圖9的說明是關(guān)于每個(gè)頻率傳輸一路話音信道的系統(tǒng)(即，一個(gè)頻分復(fù)用多址(FDMA)系統(tǒng))。但是，本發(fā)明也可用于時(shí)分多址(TDMA)系統(tǒng)。在TDMA系統(tǒng)中，通過將一個(gè)重復(fù)的幀周期分成時(shí)隙而將幾個(gè)移動(dòng)電話信號(hào)在同一信道頻率上傳輸，分配每一幀中的一個(gè)時(shí)隙給一路移動(dòng)電話信號(hào)。圖9的示范框圖也可用于從模數(shù)變換器640出來的樣本流代表TDMA信號(hào)時(shí)的情況。但是，矩陣處理器650此時(shí)將在每個(gè)時(shí)隙中分開一組不同的移動(dòng)信號(hào)，矩陣系數(shù)在對(duì)應(yīng)于時(shí)隙的向組之間復(fù)用，其中每個(gè)相應(yīng)于一個(gè)時(shí)隙。這是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的組合，因?yàn)閷?duì)于給定的多個(gè)話音信道組合來說，信道濾波器630將在數(shù)量上按照每個(gè)載波的時(shí)隙數(shù)做因子而減少，模數(shù)變換器相應(yīng)更少，矩陣處理器的數(shù)目相應(yīng)減少，但是每個(gè)處理器將在較高的輸入樣本速率上工作，每個(gè)話音信道處理器可以順序地處理連續(xù)時(shí)隙中的信號(hào)，因此經(jīng)濟(jì)地使器件進(jìn)行時(shí)間共享而實(shí)現(xiàn)相同總數(shù)的話音信道容量。
所示的每個(gè)數(shù)值矩陣處理器650接收一路控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)可以由一個(gè)分立的計(jì)算機(jī)(圖中未表示)產(chǎn)生，該計(jì)算機(jī)控制移動(dòng)電話通話的連結(jié)和拆除，需要改變到處理器使用的系數(shù)矩陣以便從波束中分離出移動(dòng)信號(hào)。前面提到過如果C矩陣的逆在數(shù)值上不是病態(tài)的，這種分離就可以實(shí)現(xiàn)。如果兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)精確地位于地面上的同一點(diǎn)，它們所對(duì)應(yīng)的C矩陣的兩個(gè)列將是相同的，這將導(dǎo)致行列式為0且逆矩陣不存在。因此，使C矩陣可逆的條件是移動(dòng)臺(tái)在地面上要分開足夠的距離。如果它們彼此非常接近，C矩陣就變?yōu)椴B(tài)的了。
按照本發(fā)明的一種情況，當(dāng)這種狀況發(fā)生時(shí)，兩個(gè)(或多個(gè))接近的移動(dòng)臺(tái)之一將會(huì)改變頻率到與其確實(shí)分開的，使用同一頻率的其它移動(dòng)臺(tái)使用的信道上。控制計(jì)算機(jī)具有這樣的功能，即，至少在通話建立以及隨后可選擇的一個(gè)間隙里決定哪一個(gè)可用信道頻率最適合分配給一個(gè)新的移動(dòng)臺(tái)，或者結(jié)束一個(gè)正在進(jìn)行的通話。如果系統(tǒng)中沒有空閑的容量，系統(tǒng)就稱之為阻塞，用戶不能打電話，會(huì)使他們感到很惱火。當(dāng)系統(tǒng)欠載時(shí)，至少在某些頻率上，移動(dòng)信號(hào)數(shù)少于波束數(shù)，因此矩陣C就不是方陣了。后面將會(huì)看到在欠載的系統(tǒng)中提供的多余的自由度是如何使用的，不僅是用來將移動(dòng)信號(hào)彼此分開以防止相互的干擾，同時(shí)也為了增加從最差情況的移動(dòng)臺(tái)接收的信號(hào)質(zhì)量。當(dāng)必須加入一個(gè)額外的移動(dòng)信號(hào)時(shí)這個(gè)方案要改變，而且控制計(jì)算機(jī)能夠預(yù)先估計(jì)到對(duì)信號(hào)質(zhì)量的潛在影響。因此，按照本發(fā)明的示范實(shí)施例來分配信道的策略是通過在計(jì)算中包括進(jìn)新的信號(hào)來估計(jì)每個(gè)信道上對(duì)應(yīng)于最差情況移動(dòng)站的信號(hào)質(zhì)量所受到的影響。受到最少的衰減或者對(duì)于最差情況的移動(dòng)臺(tái)來說，滿足最高質(zhì)量的信道將在邏輯上選為新信號(hào)使用的信道。結(jié)果是一組指定為相同頻率的移動(dòng)臺(tái)在空間上將盡可能地分得足夠遠(yuǎn)。
10表示了每個(gè)波束的“視頻”信號(hào)相干發(fā)送的一種示范性的裝置。從第一個(gè)天線饋電元件(波束)的下變頻器(未表示出來)來的視頻信號(hào)被饋送到一個(gè)20GHz的壓控振蕩器(VCO)1000的壓控輸入端。視頻信號(hào)頻率調(diào)制VCO。中心頻率被所需的信道間隙(即，25MHz)調(diào)偏的連續(xù)VCO用于從天線饋電元件2、3…到n/2來的信號(hào)。按照這個(gè)示范實(shí)施例信號(hào)2的VCO中心頻率比信號(hào)1高出25MHz(即，1GHz/40)，且信號(hào)n/2的VCO 1001的頻率比信號(hào)1高出(n/2-1)×1GHz/40＝(n-2)/80GHz。從VCO來的信號(hào)在加法器1002中求和，這個(gè)加法器可以是，例如，一個(gè)波導(dǎo)或微帶方向耦合網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)的總和在公共放大器1003中放大，該放大器可以是，例如，行波管放大器(TWTA)。
一個(gè)并列的裝置用于處理排號(hào)為n/2+1到n的另一半視頻信號(hào)。信號(hào)n/2+1的VCO 1004被VCO 1000的信道間隔的一半偏置(即，12.5MHz在上面例子中信道間隔是25MHz)，這種偏置保持到VCO 1005，使得用于并列裝置的這組頻率設(shè)置均比第一個(gè)裝置中的信道頻率偏離一半。這種方法在雙極化傳輸系統(tǒng)中最小化由不完善的極化隔離而引起的任何干擾。兩個(gè)TWTA的輸出，例如，通過極化器1008連接到雙圓極化喇叭天線1009中。極化器1008的作用是激勵(lì)一個(gè)對(duì)應(yīng)于TWTA 1003的信號(hào)的右旋圓極化信號(hào)到喇叭天線1009，同時(shí)激勵(lì)一個(gè)對(duì)應(yīng)于TWTA 1007的信號(hào)的左旋圓極化信號(hào)。
在中心站，混合信號(hào)由雙圓極化天線接收，且兩上極化信號(hào)被分成FM接收器的兩個(gè)相應(yīng)的組。FM接收器的中心頻率對(duì)應(yīng)于圖10中的VCO的中心頻率。FM接收器的解調(diào)輸出重新產(chǎn)生了在衛(wèi)星L波段天線元件接收的信號(hào)，保留了它們之間相位和幅度關(guān)系。圖11表示了兩個(gè)極化信號(hào)在K波段傳輸頻譜之間的典型關(guān)系，可看出在RHC和LHC中心頻率之間的半信道偏移是如何縮小相互干擾的。
在技術(shù)上很熟練的人將很容易地感到圖10的框圖只是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)相干信號(hào)傳輸?shù)牡湫脱b置的說明，且存在很多由此而來的功能性等價(jià)的流程。例如，首先具有優(yōu)勢(shì)的是產(chǎn)生低于20GHz，例如2-3GHz的頻率調(diào)制信號(hào)，并且在求和之后，通過將求和信號(hào)與共用的18GHz本振混合以及用一個(gè)帶通濾波器選出上邊帶來將混合信號(hào)轉(zhuǎn)換到20GHz。
上述討論集中于衛(wèi)星L波段天線元件接收的信號(hào)到中心站的相干傳輸。相同的功能，稱為在中心站產(chǎn)生的信號(hào)的傳輸，相反地用于相應(yīng)的衛(wèi)星天線元件-即圖8中的轉(zhuǎn)發(fā)器-的輻射。中心站可以使用類似圖10的裝置，但是具有一套與衛(wèi)星到中心站方向使用的不同的K波段頻率，且在地面端有一個(gè)較大的天線。衛(wèi)星可以使用第二個(gè)雙極化喇叭天線接收，或者另一種辦法，使用與圖10中同樣的喇叭天線和極化器1008、1009，并附帶一個(gè)發(fā)/收雙工濾波器給每個(gè)極化信號(hào)以分開發(fā)送和接收的信號(hào)。線性放大器350可以為每個(gè)極化信號(hào)復(fù)制一個(gè)，用于饋送FM接收器組340相應(yīng)的一半。兩個(gè)極化信號(hào)的載波之間相同的半信道頻率偏移是中心站到衛(wèi)星方向中的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。
圖12表示了按照本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例的一個(gè)替換裝置，用于相干傳輸中心站到衛(wèi)星之間的多個(gè)信號(hào)。在這個(gè)圖中，對(duì)應(yīng)于一個(gè)天線饋送元件的每個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器信道被表示為一個(gè)雙下變頻過程，包括一個(gè)天線濾波器1200、低噪聲放大器1201、鏡像反射濾波器1202、第一下變頻器1203、IF濾波器1204、1206，IF放大器1205以及正交下變頻器1207、1208。第一個(gè)下變頻器1203可以在所有信道中使用相同的本地振蕩器信號(hào)以保持相對(duì)的相干性。正交下變頻器1207和1208可以對(duì)所有的信道使用相同的第二本地振蕩器的余弦和正弦參考信號(hào)，同樣保持相對(duì)的相干性。正交下變頻器的輸出，例如在0-3MHz的范圍，在交叉網(wǎng)絡(luò)1209中被分成線1215和1216上的0-50KHz的成分以及線1217和1218上的50KHz-3MHz的成分。50KHz到3MHz的成分對(duì)應(yīng)于上行的業(yè)務(wù)信道，使用如FDMA、FDMA加窄帶CDMA混和式或窄帶FDMA/TDMA，并且用于調(diào)制分離的I和Q、K波段發(fā)射機(jī)，將這些信號(hào)相干地轉(zhuǎn)發(fā)到中心站。這些成分調(diào)制I、Q壓控振蕩器1210和1211。這些振蕩器的輸出在K波段求和網(wǎng)絡(luò)中求和，并將求和信號(hào)饋送到共用的TWTA，以便放大到所需的下行鏈路發(fā)送功率電平。合成半個(gè)VCOS，即I VCO到第一個(gè)TWTA形成使用RHC極化發(fā)送的信號(hào)，另一半使用LHC發(fā)送，這也是有好處的。中心站中可使用類似的裝置以便將每個(gè)波束的混和信號(hào)相干地輸送到衛(wèi)星。
相應(yīng)的K波段接收器將為每個(gè)I信號(hào)和每個(gè)Q信號(hào)包括一個(gè)FM接收器。這些FM接收器應(yīng)該有較好的自動(dòng)頻率控制(AFC)功能，以便去掉DC和I、Q信號(hào)的低頻成分，等于是在信道中間的頻率響應(yīng)曲線上有一個(gè)凹口。這對(duì)于寬帶的TDMA信號(hào)影響不大，對(duì)于FDMA簡(jiǎn)單地意味著不使用波段中央的信道做傳輸。
在衛(wèi)星上，K波段接收器的輸出重新形成I和Q信號(hào)，用于使用正交調(diào)制器調(diào)制余弦和正弦L波段載波，以產(chǎn)生相干的波束信號(hào)。這些信號(hào)提供給每個(gè)波束的L波段功率放大器或前面提到的矩陣類型的PA。
使用的頻率裝置可類似于圖11中描述的那些，帶有RHC極化用于如I成分以及LHC極化用于Q成分，載波間隔減小了以使之與3MHz的調(diào)制信號(hào)而不是7MHz的信號(hào)相當(dāng)。在RHC和LHC極化載波之間半信道的偏移也是這個(gè)I、Q方法的優(yōu)點(diǎn)。
I和Q信號(hào)分別代表復(fù)數(shù)的接收信號(hào)矢量在實(shí)和虛軸上的投影，在I和Q信號(hào)之間保留正確的幅度關(guān)系將保留包括相對(duì)相位在內(nèi)的矢量關(guān)系。2n個(gè)I和Q視頻信號(hào)可用于頻率調(diào)制2n個(gè)K波段載波，使用只是前述的圖10中一半的信道間隔，例如10MHz。使用這種方法顯示出在K頻段上更高的頻譜利用率，但是實(shí)際上很難處理由于DC偏置和頻率錯(cuò)誤而使I、Q信號(hào)成分下降到確實(shí)為0的頻率。
因此需要引入AC耦合，要從傳輸?shù)?-3MHz視頻信號(hào)中排除一部分，例如0-50KHz。這會(huì)在本典型方法轉(zhuǎn)發(fā)的6MHz寬的L波段帶寬的中間設(shè)置一個(gè)凹口。根據(jù)信號(hào)的性質(zhì)，這個(gè)凹口可能無關(guān)緊要。例如，在共同未決申請(qǐng)中，共同指定的美國(guó)專利申請(qǐng)系列號(hào)——題為“TDMA/FDMA/CDMA混合天線接入方法”，發(fā)表于1994年1月11日，這里引入?yún)⒖?，它公開了一個(gè)適于衛(wèi)星蜂窩應(yīng)用的混合接入方法，其中信號(hào)在下行鏈路上(衛(wèi)星到移動(dòng)臺(tái))按寬帶TDMA傳輸，其中每個(gè)移動(dòng)信號(hào)占用相應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)中一個(gè)指定的時(shí)隙，在上行鏈路(移動(dòng)臺(tái)到衛(wèi)星)中按頻分多址(FDMA)或FDMA和碼分多址(CDMA)的混合傳輸。例如，每秒6.5536兆比特的TDMA信號(hào)包括512個(gè)時(shí)隙，可以從中心站通過每個(gè)衛(wèi)星天線饋送單元6MHz帶寬傳送到每個(gè)網(wǎng)眼中相應(yīng)數(shù)目的移動(dòng)電話。信道中央帶寬的一部分的丟失不會(huì)顯著地影響這樣的信號(hào)的性質(zhì)，而且這種影響如果發(fā)生，可以在接收的無線信號(hào)中使用DC偏置補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，該技術(shù)包括在公共指定的美國(guó)專利5,241,702，Paul W.Dent的題為“天線接收機(jī)中的D.C偏置補(bǔ)償”，這里引為參考。
當(dāng)在下行鏈路中使用這樣的512時(shí)隙的TDMA格式時(shí)，一個(gè)或多個(gè)時(shí)隙可以指定用做公共信令信道，也稱為呼叫信道、前向控制信道或?qū)ず粜诺?。系統(tǒng)使用呼叫信道將始發(fā)于網(wǎng)絡(luò)的呼叫廣播到移動(dòng)電話(即，從一個(gè)PSTN用戶或從另一個(gè)移動(dòng)電話)。當(dāng)一個(gè)移動(dòng)臺(tái)在這樣一個(gè)廣播信息中檢測(cè)到它自己的電話號(hào)碼或ID時(shí)，它使用一個(gè)相應(yīng)的上行鏈路信道-一般稱為“隨機(jī)訪問信道”-來做應(yīng)答。之所以稱為隨機(jī)訪問信道是因?yàn)橐苿?dòng)電話也使用它放置移動(dòng)臺(tái)始發(fā)的呼叫，即從網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求服務(wù)。當(dāng)存在大量的漫游移動(dòng)電話時(shí)，這些請(qǐng)求事件對(duì)系統(tǒng)來說是隨機(jī)漲落的。
按照前面提到的“TDMA/FDMA/CDMA混合訪問方法”專利申請(qǐng)，每一個(gè)下行鏈路時(shí)隙都與相應(yīng)的上行鏈路載波頻率相關(guān)聯(lián)。因此為了與本發(fā)明的I、Q型式一起使用上述的發(fā)明，與下行鏈路呼叫信道時(shí)隙相關(guān)聯(lián)的上行鏈路載波頻率可以選為對(duì)應(yīng)于6MHz帶寬中央的±50KHz，并用做隨機(jī)訪問信道。
因此，從交叉網(wǎng)絡(luò)1209來的0-50KHz的信號(hào)代表隨機(jī)訪問信號(hào)，并且由于它們相對(duì)較低的帶寬，在線數(shù)字化的選擇和通過數(shù)字方式傳輸?shù)街行恼径际谴嬖诘摹Ｄ?shù)變換器1212完成這個(gè)任務(wù)，它的每個(gè)信道的輸出在復(fù)用器1213中進(jìn)行復(fù)用，以形成量級(jí)為60MB/S的混合比特流，該比特流調(diào)制數(shù)字發(fā)射機(jī)1214以便發(fā)送到中心站。
按照另一個(gè)典型實(shí)施例，天線元信號(hào)可以在地面站和不帶頻帶擴(kuò)展的衛(wèi)星之間相干地傳輸。圖13和14用圖表示了一個(gè)典型的相干傳輸方法以及裝置，該裝置基于每個(gè)天線信號(hào)模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，跟隨一個(gè)數(shù)字復(fù)用器，通過正交幅度調(diào)制將復(fù)用流調(diào)制到K波段饋電鏈路載波上。圖15圖解表示了一個(gè)從圖13得來的替代裝置，它等于無限的模到數(shù)以及數(shù)到模的精度，因此允許圖13典型實(shí)施例的模到數(shù)以及數(shù)到模的設(shè)備都由模擬復(fù)用器來替換。
參考圖13，這個(gè)相干傳輸系統(tǒng)的操作如下。從多個(gè)衛(wèi)星上帶的天線元之一接收的2GHz的信號(hào)被進(jìn)行低噪聲放大并使用混頻器1301和1302對(duì)應(yīng)于余弦和正弦的本振信號(hào)進(jìn)行下變頻。如果2GHz的帶寬被下變頻為5MHz，那么所得的I、Q信號(hào)每個(gè)帶寬為2.5MHz。因此所需的5MHz的帶寬通過使用2.5MHz的截止低通濾波器1304、1305作用于I、Q信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。這些混頻器、濾波器以及模數(shù)變換器1306、1307對(duì)于如此處理的每個(gè)分立的天線元信號(hào)是重復(fù)的?；祛l器可以接收同一個(gè)本振信號(hào)cos(WT)和sin(WT)以便在信道之間不引入任何相對(duì)的相位差。
基帶的I、Q信號(hào)濾波之后使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器1306和1307轉(zhuǎn)換。這些用于對(duì)I、Q信號(hào)在至少為奈奎斯特速率上進(jìn)行抽樣和轉(zhuǎn)換，即兩倍于帶寬的速率，在本例中為5MS/S。至少以奈奎斯特速率抽樣，允許信號(hào)能夠完全從抽樣值進(jìn)行正確的恢復(fù)。舉例來說，圖中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器只是兩比特的方案，即每個(gè)I或Q信號(hào)被歸為最接近四個(gè)值之一-3、-1、+1或+3個(gè)任意單位，用數(shù)字碼11、10、01或00來表示它們。
在某些應(yīng)用中，兩比特量化確實(shí)是足夠了。這樣的應(yīng)用有如下特點(diǎn)在5MHz帶寬內(nèi)2GHz處的總的信噪比非常低或甚至為負(fù)值。如果人為地加寬信號(hào)帶寬信噪比可能升高，例如使用編碼或擴(kuò)頻技術(shù)。如果信噪比很低或?yàn)樨?fù)值，幾個(gè)比特的方案足夠使數(shù)字量化噪聲低于無線電波噪聲，以防衰減。比較精通技術(shù)的人將喜歡在應(yīng)用中使用較高的信噪比、更多的比特以提供更高的精度。
在兩比特的例子中，代表瞬時(shí)I抽樣和Q抽樣的比特對(duì)從所有的天線元中收集，并使用數(shù)字復(fù)用器1308和1309進(jìn)行復(fù)用。數(shù)字復(fù)用器1308和1309的輸出分別是天線號(hào)1的兩經(jīng)特I和兩比特Q信號(hào)，緊接著是天線號(hào)2的相同信號(hào)，然后是3、4，等等，直到天線1又被抽樣。連續(xù)的兩比特I、Q值通過調(diào)制發(fā)送到K波段饋電鏈路載波頻率上。
由于每秒的比特?cái)?shù)為4N×5MS/S＝20N Mbits/s，需要一種帶寬足夠的數(shù)字調(diào)制方案，以避免信號(hào)占據(jù)超過原來N個(gè)信號(hào)的5N MHz的帶寬。一個(gè)合適的調(diào)制方案，例如，可以是16QAM。在16QAM中，通過將兩比特映射到四個(gè)K波段載波的實(shí)矢量值(即，余弦載波分量的幅度)之一以及兩比特映射到四個(gè)虛矢量值(即，正弦分量的幅度)之一，以實(shí)現(xiàn)每個(gè)傳輸符號(hào)傳輸器比特?cái)?shù)據(jù)。產(chǎn)生的4×4的可能點(diǎn)的格點(diǎn)圖見圖14。使用16QAM，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器1310和1311將I比特對(duì)映射到K波段I軸，Q比特對(duì)映射到K波段Q軸。最后，所需的K波段矢量分量通過將兩比特的數(shù)模轉(zhuǎn)換器1310和1311的輸出提供給K波段正交調(diào)制器1312來形成，該調(diào)制器由K波段余弦和正弦載波波形(未表示出來)驅(qū)動(dòng)，以形成通過K波段饋電鏈路天線(也未表示)傳輸?shù)恼{(diào)制輸出信號(hào)。
復(fù)用器可以有比天線信道來的信號(hào)更多的輸入。例如，一個(gè)典型的天線排列可以是61個(gè)天線元的六角形陣列。那么采用64個(gè)輸入的復(fù)用器比較合適，因?yàn)樵趶?fù)用器的結(jié)構(gòu)中輸入數(shù)是按2的方冪自然增長(zhǎng)的。剩余的3個(gè)輸入可以連接到分別等于(0，0)、(1，0)和(0，1)的參考I、Q信號(hào)上。地面站接收器可以使用這些參考信號(hào)同步它的解復(fù)用，以及從(0，0)情況來確定正交調(diào)制載波的泄漏(偏移)，從(1，0)和(0，1)情況來提供相位參考以便從Q軸比特分辨出I軸比特。
在兩比特量化不夠的情況下，模數(shù)轉(zhuǎn)化器1306和1308可采用較高的精度，例如，四比特量化。那么每4比特I和4比特Q抽樣代表256種可能之一，采用256Q AM就可以用上述的16Q AM相同的方式傳輸。但是可以做一個(gè)簡(jiǎn)化，注意到在模塊1306、1308中執(zhí)行的模數(shù)轉(zhuǎn)換的求反操作與數(shù)模轉(zhuǎn)換器1310和1311中執(zhí)行的映射到一個(gè)符號(hào)是簡(jiǎn)單地互相抵消的，可以從這個(gè)替代的示范實(shí)施例中刪掉。那么從低通濾波器來的模擬I、Q信號(hào)的完全的不經(jīng)過量化的精度在通過復(fù)用器之后得以保持，數(shù)字復(fù)用器由模擬復(fù)用器來替代，如圖15所示。
在圖15中，基帶信號(hào)由下變頻器1501、1502以及前面根據(jù)圖13描述的低通濾波器1503、1504來產(chǎn)生。I、Q信號(hào)不再數(shù)字化，而是直接與其它天線信道(未表示出來)來的相應(yīng)信號(hào)一起進(jìn)入模擬復(fù)用器1505、1506的輸入端。復(fù)用后的I抽樣值繼而調(diào)制K波段余弦載波，且復(fù)用的Q抽樣值調(diào)制K波段正弦載波，通過使用正交調(diào)制器1507來完成。模擬復(fù)用器多余的輸入端，如前面指出的，可以用于復(fù)用，傳輸諸如(0，0)、(1，0)以及(0，1)這樣的參考值，這些參考值有助于地面站接收器獲得復(fù)用同步，并糾正正交調(diào)制器的某些錯(cuò)誤，例如載波不平衡(載波泄漏、偏差)以及不完善的正交(即，余弦和正弦載波不是精確地分開90度)。
圖15中表示的配置有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即從2GHz到K波段時(shí)，實(shí)際上沒有信號(hào)的帶寬擴(kuò)展。在2GHz接收的N個(gè)5MHz寬的天線信號(hào)實(shí)際上使用了相同的5N MHz帶寬在K波段進(jìn)行再傳輸。因此，沒有再引入量化噪聲。
適用于圖15中的示范實(shí)施例的一個(gè)模擬復(fù)用器可以用二進(jìn)制樹來構(gòu)成，其中5MS/S的信號(hào)對(duì)首先在相對(duì)低速的2輸入端復(fù)用器中復(fù)用形成10MS/S的信號(hào)。然后，這些信號(hào)對(duì)再在較高速的2輸入端復(fù)用器中復(fù)用以形成20MS/S的信號(hào)，如此類推。復(fù)用器可以使用電流控制的雙極CMOS或Bi CMOS集成電路構(gòu)造，信號(hào)輸入到兩個(gè)三極管輸入極上(即，射極)，控制信號(hào)輪流使它們導(dǎo)通或不導(dǎo)通(加到基極上)，信號(hào)電流或者通過其中的一個(gè)器件，或者被推到另一個(gè)器件中通過。鎵砷化物技術(shù)，例如HBT，適合于構(gòu)造高速的復(fù)用器。
地面站處理系統(tǒng)在K波段上接收時(shí)間復(fù)用的天線信號(hào)，將這些信號(hào)下變頻到每個(gè)2.5N MHz帶寬的I、Q基帶信號(hào)，然后將它們解復(fù)用，成為N個(gè)各5MS/S，間隔2.5MHz帶寬的信號(hào)(奈奎斯特速率或更高)。這些信號(hào)可以在地面上數(shù)字化為任意所需的精度，以便進(jìn)一步處理，例如，由于K波段發(fā)送器、接收器或傳播通道上預(yù)計(jì)的或偶然的帶寬限制而使相鄰樣點(diǎn)間產(chǎn)生模糊，造成樣點(diǎn)間的干擾，使用均衡器可以消除這種干擾。這種均衡操作通過從電流值中減去前后復(fù)(I、Q)抽樣值的一個(gè)定義大小來實(shí)現(xiàn)，該定義大小由用來去掉抽樣間干擾的復(fù)系數(shù)給定。這種處理也可相反地用于到衛(wèi)星的傳輸，使用K波段復(fù)信號(hào)矢量抽樣為在相應(yīng)的諸如S波段的天線上傳輸。
N個(gè)分立的復(fù)(I、Q)抽樣流首先在地面站得到很好的預(yù)均衡，以便在衛(wèi)星上接收時(shí)不帶抽樣間干擾。然后時(shí)間復(fù)用調(diào)制的K波段信號(hào)在衛(wèi)星中相對(duì)K波段本振進(jìn)行下變頻，給出復(fù)用的I、Q流。如果需要的話，可使用兩級(jí)或多級(jí)下變頻，以便在合適的中頻上進(jìn)行放大。這也適用于圖13中的2GHz下變頻器，但要注意到在所有相應(yīng)的下變頻階段上對(duì)每個(gè)知線元要使用相同的本振信號(hào)，以便不引入相對(duì)的相位偏移。
由衛(wèi)星接收的復(fù)用I、Q流可以使用用于復(fù)用器1505和1506的同一個(gè)復(fù)用時(shí)鐘(未表示)來解復(fù)用。地面站的任務(wù)就是在發(fā)送信號(hào)時(shí)要考慮傳播時(shí)間，以使信號(hào)按照正確的定時(shí)關(guān)系到達(dá)，保證到達(dá)衛(wèi)星時(shí)能夠進(jìn)行正確的解復(fù)用。用這種方法，衛(wèi)星上的功能保持簡(jiǎn)單可靠，復(fù)雜性限制在地面站中，以便出了故障時(shí)能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行修復(fù)。
為了圖示清楚起見，上面的描述進(jìn)行了簡(jiǎn)化，只考慮了所有天線元信號(hào)都時(shí)分復(fù)用到一個(gè)單一的TDM復(fù)抽樣流中。技術(shù)熟練的人很容易理解應(yīng)當(dāng)使用混合的TDM/FDM方案，在該方案中形成幾組時(shí)分復(fù)用信號(hào)，并用它們來調(diào)制分立的FDM載波。舉例說，如果一個(gè)單個(gè)的復(fù)用流產(chǎn)生不太實(shí)際的較高的抽樣率，就要用這種改進(jìn)的方案。
也是為了圖示清楚起見，上面的描述集中于復(fù)信號(hào)的笛卡爾(I、Q)表示。在調(diào)制K波段饋送鏈路之前使用模擬復(fù)用器復(fù)用信號(hào)時(shí)，或者在復(fù)用之前使用前面參考的美國(guó)專利號(hào)5,048,059對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，形成復(fù)信號(hào)的極坐標(biāo)或?qū)?shù)極坐標(biāo)表示，同樣也是可行的。
圖16表示了本發(fā)明的這個(gè)示范實(shí)施例的主站中的發(fā)送信號(hào)處理。每個(gè)將發(fā)送到移動(dòng)電話的話音信道可以作為標(biāo)準(zhǔn)的64KB/S的PCM信號(hào)接收，或者作為可轉(zhuǎn)的PCM的模擬信號(hào)接收。PCM信號(hào)可使用典型的話音壓縮算法，例如，CELP(碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè))，RELP、VSELP或子帶編碼，進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換，以得到較低的比特率，例如4.8KB/S。變換后的話音信號(hào)進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，并加入附加的比特，例如循環(huán)冗余校驗(yàn)比特(CRC)，慢關(guān)聯(lián)控制信道信令信息(SACCH)，每時(shí)隙的同步字以及時(shí)隙間的保護(hù)符號(hào)。每個(gè)信道處理在話音處理信道卡1600中進(jìn)行。從，例如，500個(gè)這樣的信道卡中輸出的比特流在復(fù)用器1601中與控制處理器(未表示)來的控制信道數(shù)據(jù)流一起復(fù)用，形成TDMA比特流，例如，以每秒6.5536兆比特的速率。該比特流送到數(shù)字調(diào)制器1602，將信息流數(shù)值轉(zhuǎn)化成代表調(diào)制波形的I、Q分量的復(fù)數(shù)流，該轉(zhuǎn)化以諸如每比特8個(gè)樣點(diǎn)的抽樣速率進(jìn)行。
如上面所述產(chǎn)生的TDMA信號(hào)是為了發(fā)送到第一群，例如，一個(gè)給定網(wǎng)眼或區(qū)域內(nèi)的500個(gè)移動(dòng)電話。用類似電話1600、1601、1602形成的其它的這樣的TDMA信號(hào)是為了傳輸?shù)?6個(gè)其它網(wǎng)眼中另外的帶500個(gè)移動(dòng)電話的群中?？偩W(wǎng)眼數(shù)(在本示范實(shí)施例中即為37個(gè))乘以每個(gè)網(wǎng)眼的業(yè)務(wù)信道數(shù)(即，500)，就得到如18500個(gè)話音信道這樣的總體系統(tǒng)容量。每個(gè)網(wǎng)眼的時(shí)隙1中的信號(hào)以相同的頻率同時(shí)發(fā)送到相應(yīng)的網(wǎng)眼中。為了防止在同時(shí)間使用相同頻率的相鄰網(wǎng)眼之間的泄漏干擾，本發(fā)明的這個(gè)典型實(shí)施例包括矩陣處理器1603，通過對(duì)每個(gè)時(shí)隙使用37×37的復(fù)系數(shù)矩陣加權(quán)求和處理調(diào)制器1602來的信號(hào)。每個(gè)時(shí)隙的37×37個(gè)系數(shù)存貯在系數(shù)存儲(chǔ)器1605中，該存儲(chǔ)器可以分散在數(shù)值信號(hào)處理器的部件中，但是圖16中為了更好地闡明原理，將其綜合在一起標(biāo)志為一個(gè)單獨(dú)的模塊1605。在第一個(gè)時(shí)隙期間，第一套參數(shù)C從存儲(chǔ)器中選出，與調(diào)制器1602出來的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行矩陣乘，以得到信號(hào)，用于數(shù)模轉(zhuǎn)換器1604。每個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器是雙通道單元，能夠與復(fù)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。例如，矩陣處理器的輸出信號(hào)每個(gè)都由12比特的實(shí)部(I)和12比特的虛部(Q)組成，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生模擬的I、Q信號(hào)。I、Q信號(hào)饋送到FM K波段FM發(fā)射機(jī)中，以便從中心站發(fā)送到衛(wèi)星。
當(dāng)通過衛(wèi)星在S波段上轉(zhuǎn)發(fā)到地面時(shí)，矩陣處理的結(jié)果是每個(gè)移動(dòng)電話只接收自己的信號(hào)，在矩陣處理器中，通過加上存儲(chǔ)器1605來的系數(shù)確定的相反符號(hào)的補(bǔ)償量抵消了其它網(wǎng)眼來的網(wǎng)眼間干擾。只要在相應(yīng)網(wǎng)眼中使用時(shí)隙1的37個(gè)移動(dòng)臺(tái)在位置上是分開的，即，沒有兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)處于網(wǎng)眼邊緣的相同位置上，這種處理就是可行的。這個(gè)條件通過本發(fā)明的典型時(shí)隙分配算法特性來保證，它也提供了一個(gè)一般的信道分配算法，并基于給最差情況移動(dòng)臺(tái)提供最大信號(hào)質(zhì)量的原則。
如果使用20ms的TDMA幀周期，那么典型地一個(gè)時(shí)隙的持續(xù)時(shí)間約為40μs。一個(gè)時(shí)隙在6.55536MB/S時(shí)對(duì)應(yīng)為256個(gè)比特周期，調(diào)制器1602為每個(gè)時(shí)隙產(chǎn)生2048個(gè)復(fù)數(shù)值。在矩陣處理器使用第一個(gè)時(shí)隙的系數(shù)集處理2048組37個(gè)復(fù)數(shù)值之后，系數(shù)要為第二個(gè)以及隨后的時(shí)隙而改變，以便正確地抵消使用時(shí)隙2、3等等的37個(gè)移動(dòng)臺(tái)的相應(yīng)組之間的干擾。
如果在不同網(wǎng)眼內(nèi)使用相同時(shí)隙接收的兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)在通話過程中過分接近，控制處理器(未表示出來)將會(huì)注意到為抵消干擾而產(chǎn)生一套合適的系數(shù)是很困難的。按照典型網(wǎng)眼的大小來限制陸地移動(dòng)電話移動(dòng)的速度是不太可能的，但是如果發(fā)生了上述情況，控制處理器要決定是否需要的其中的一個(gè)移動(dòng)臺(tái)改變時(shí)隙。目的是使用一個(gè)附近的移動(dòng)臺(tái)不使用的時(shí)隙來連接該移動(dòng)臺(tái)。如果必要的話，占有一個(gè)理想的(即低干擾)時(shí)隙的移動(dòng)臺(tái)甚至要轉(zhuǎn)移到一個(gè)剛剛滿足要求(即，免強(qiáng)可容忍的干擾)的時(shí)隙，以便釋放它原來的時(shí)隙，解決當(dāng)前的位置靠近的問題。事實(shí)上可能不必考慮這樣的情況，因?yàn)?，例如?00個(gè)時(shí)隙中選擇的話，很可能會(huì)找到較好時(shí)隙而不是目前會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量的時(shí)隙。例如允許每10秒中每個(gè)網(wǎng)眼有一次時(shí)隙改變，可以預(yù)計(jì)會(huì)實(shí)現(xiàn)滿意的快速的時(shí)隙分配的優(yōu)化以及對(duì)移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)的令人滿意的適應(yīng)。
實(shí)際上，要提供更快的改變速率，以便按照新通話加入，舊通話消除的速率進(jìn)行處理。在每個(gè)時(shí)隙37個(gè)移動(dòng)臺(tái)這樣的容量以及平均通話持續(xù)3分鐘情況下，在一些網(wǎng)眼中大約每5秒中某個(gè)時(shí)隙被清除一次，新的通話繼而分配到該時(shí)隙?？傊诒纠?，給定500個(gè)時(shí)隙，37個(gè)網(wǎng)眼，每秒中所有網(wǎng)眼中要有100個(gè)時(shí)隙被消除并重新分配。
這樣的一個(gè)通信系統(tǒng)不應(yīng)設(shè)計(jì)為勻荷達(dá)到100％的系統(tǒng)容量，否則下一個(gè)通話嘗試就會(huì)阻塞。每個(gè)網(wǎng)眼500個(gè)時(shí)隙可用時(shí)隙，平均負(fù)荷為474個(gè)時(shí)隙就可達(dá)到1％的阻塞概率。因此，平均來說，本示范實(shí)施例中的37個(gè)復(fù)用器1302的每一個(gè)上的500個(gè)時(shí)隙要有26個(gè)不使用。應(yīng)該注意到，哪一個(gè)復(fù)用器用來發(fā)送一個(gè)特定的時(shí)隙到移動(dòng)臺(tái)并不是重要的。選定了哪一個(gè)時(shí)隙，就要選擇系數(shù)矩陣相關(guān)的列，它決定了使用相同時(shí)隙的移動(dòng)臺(tái)是非干擾的。因此如果在兩個(gè)或更多的復(fù)用器1601上有相同的時(shí)隙，例如號(hào)碼371是空閑的，使用哪一個(gè)連接一個(gè)新的通話是無關(guān)緊要的。
因此在控制處理器中執(zhí)行的分配算法首先要確定大多數(shù)復(fù)用器上哪些時(shí)隙是空的。這就是當(dāng)前最小數(shù)量的移動(dòng)通話所占據(jù)的時(shí)隙。使用隨機(jī)存取接收器中有關(guān)收自新移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)之間關(guān)系的信息(即，由新移動(dòng)臺(tái)的隨機(jī)訪問信號(hào)與所有天線元信號(hào)的相關(guān)性決定的C矩陣系數(shù))，控制處理器判斷需要改變到的系數(shù)存儲(chǔ)器1605中與某個(gè)空時(shí)隙-如果新的信號(hào)將使用這個(gè)空時(shí)隙-相關(guān)聯(lián)的系數(shù)集以保持無干擾。
在系數(shù)存儲(chǔ)器1605中如何為一個(gè)示范實(shí)施例選擇參數(shù)的一般原則現(xiàn)在將做一略述。
如前面所討論的，為了從移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)，天線元1接收移動(dòng)信號(hào)M1的量C11加上移動(dòng)信號(hào)M2的量C12，等等。為了更一般地闡述，天線元K接收移動(dòng)臺(tái)i的信號(hào)大小Cki?？赡娴丶僭O(shè)，從天線元K發(fā)射的信號(hào)Tk將以Cki·Tk的大小被接收。因?yàn)閺奶炀€元K到移動(dòng)臺(tái)i的通道上的任意方向假設(shè)具有相同的衰減和相位偏移，將由復(fù)數(shù)Cki給出。
因此，在移動(dòng)臺(tái)接收的信號(hào)R與天線元發(fā)射的信號(hào)之間的關(guān)系由矩陣等式給出R＝Ct·T；此處上標(biāo)t表示一個(gè)轉(zhuǎn)置矩陣。
使用C的轉(zhuǎn)置矩陣是因?yàn)镃ki的第一個(gè)下標(biāo)k乘上相應(yīng)的T元素的下標(biāo)，而在移動(dòng)臺(tái)到衛(wèi)星方向上天線元K從移動(dòng)臺(tái)i接收的信號(hào)由Cki·Mi給出，所乘的是對(duì)應(yīng)于移動(dòng)信號(hào)Mi的下標(biāo)i的C的第二個(gè)下標(biāo)i。因此在衛(wèi)星到移動(dòng)臺(tái)方向上，與移動(dòng)臺(tái)到衛(wèi)星相比，矩陣系數(shù)的下標(biāo)要進(jìn)行轉(zhuǎn)置。
為了達(dá)到無干擾，從衛(wèi)星天線元發(fā)射的信號(hào)集由下式給出I＝Ct-1·R轉(zhuǎn)置的求反即求反的轉(zhuǎn)置，因此甚少在可逆的假設(shè)下，存儲(chǔ)在系數(shù)存儲(chǔ)器1605中的下行鏈路時(shí)隙(j)的系數(shù)集就是圖9中的數(shù)值處理器650中的上行鏈路頻率(j)所關(guān)聯(lián)的系數(shù)集的轉(zhuǎn)置。
當(dāng)上行和下行鏈路頻率相同時(shí)使用互逆性。如果上行和下行鏈路頻率上的天線元輻射方位圖相同，那么可使用相對(duì)幅度的互逆性。不能使用相位的互逆性，因?yàn)橄鄬?duì)相位取決于信號(hào)至/到每個(gè)天線元所經(jīng)歷的相對(duì)距離，用波長(zhǎng)去除并且乘以360度角而產(chǎn)生的很小的差別。如果上下行鏈路上波長(zhǎng)不同，那么相位的關(guān)系將不同。但是，相對(duì)時(shí)延的差別與頻率無關(guān)，因此是可逆的。由此可知，在一個(gè)頻率上的相對(duì)相位差別的集合可以使用第一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)化為時(shí)間差別的集合，然后再使用另一個(gè)波長(zhǎng)重轉(zhuǎn)換為相位差別的集合，以便從第一個(gè)頻率上已知的一個(gè)集合得到在第二個(gè)頻率上有效的系數(shù)的集合。
基于前面的討論，按照本發(fā)明的示范實(shí)施例，包含在存儲(chǔ)器1605中的發(fā)射系數(shù)可以由下面步驟得到(1)將新的移動(dòng)臺(tái)接收的信號(hào)在它的隨機(jī)訪問傳輸中與單個(gè)的天線波束元信號(hào)求相關(guān)，以確定用于接收C矩陣的一列新的系數(shù)。
(2)基于舊的逆C矩陣和新的列，為從新的移動(dòng)臺(tái)接收流確定新的逆C矩陣。
(3)通過使用上下行鏈路頻率比標(biāo)定相對(duì)系數(shù)相位角，將新接收的C矩陣列轉(zhuǎn)換成新發(fā)送的C矩陣的行；并且(4)基于舊的發(fā)送C矩陣和新的行確定新的發(fā)送逆C矩陣。
用于實(shí)現(xiàn)上述示范實(shí)施例的一個(gè)詳細(xì)的示范數(shù)學(xué)過程現(xiàn)在在欠載的情況下進(jìn)行推導(dǎo)，該情況即存在比衛(wèi)星上提供的天線饋電元少的當(dāng)前活動(dòng)移動(dòng)信號(hào)與之通信。這樣的空閑容量是為無線電信典型設(shè)計(jì)的，能為一個(gè)新的通話提供一個(gè)具有98％的概率的空閑信道，這樣顧客總的來說不會(huì)為呼叫阻塞而發(fā)火。
本例中活動(dòng)的移動(dòng)臺(tái)標(biāo)為1……m，這些移動(dòng)臺(tái)要接收的信號(hào)標(biāo)為R1……Rm。它們之間通信的可用的天線元/轉(zhuǎn)發(fā)器信道標(biāo)為1……n，由相應(yīng)的每個(gè)天線元發(fā)射的饋送到天線元的信號(hào)標(biāo)為T1……Tn。同以前一樣，矩陣C，此時(shí)是一個(gè)m×n的非方陣，決定了每個(gè)發(fā)射信號(hào)Tk有多少到達(dá)每個(gè)移動(dòng)臺(tái)成為Ri，矩陣由方程給出R1＝C11·T1+C12·T2…+C1n·TnR2＝C21·T1+C22·T2…+C2n·TnRm＝Cm1·T1+Cm2·T2…+Cmn·Tn或者用矩陣/矢量標(biāo)記簡(jiǎn)寫為R＝CT。
因?yàn)镃不再是個(gè)方陣，它沒有直接的逆，所以由下式給出的T沒有奇異解T＝C-1·R相反有一個(gè)連續(xù)解，因?yàn)橛斜瓤蓾M足的條件多的自由度去選擇T值(即，n＞m)。
但是，通過加入強(qiáng)制條件饋送入天線元產(chǎn)生所需的移動(dòng)接收信號(hào)R的均方功率應(yīng)最小，就可得到下面的奇異解T＝Ct·(CCt)-1這個(gè)方程可如下得到。使Rdesired為接收站希望接收的信號(hào)的M元矢量，T是送入發(fā)射天線的信號(hào)的N元矢量，這里N＞M。C是M乘N的系數(shù)Cik矩陣，描述信號(hào)如何從發(fā)射天線j傳播到接收站i。用Rachieved表示實(shí)際接收信號(hào)的M元矢量，因此有Rachieved＝C·T…………………(1)希望找到一個(gè)未知的T可做為待接收信號(hào)的一個(gè)線性函數(shù)，使消耗在處理過程中的總發(fā)射功率最小。用M乘N矩陣A的系數(shù)形成的線性組合如下T＝A·Rdesired…………………(2)將T從(2)代入(1)可得Rachieved＝C·A·Rdesired僅當(dāng)C·A為M×M的單位矩陣I時(shí)可得Rachieved＝Rdesired。
因此C·A＝I…………………(3)是一個(gè)必要條件。因?yàn)镃不是方陣，不能簡(jiǎn)單地求逆而寫出A＝C-1此外，C·A＝I是一組N×M未知矩陣A必須滿足的一組M×M方程，乘積的M×M項(xiàng)給出M×M單位矩陣I。
因?yàn)镹＞M，未知數(shù)的個(gè)數(shù)比方程的個(gè)數(shù)多，因此方程(3)沒有奇異解，而是一組連續(xù)解。必須加入其它一些條件以定義出所關(guān)心的一個(gè)特解。這里所加的條件是發(fā)射信號(hào)T的矢量所具有總功率應(yīng)最小化。
可以驗(yàn)證方程(3)的一個(gè)特解是A＝C′(CC′)-1＝U，這里，表示共軛轉(zhuǎn)置。將特解U做為A代入方程(3)，得到C·U＝C·C′(CC′)-1＝(CC′)·(CC′)-1它很顯然等于所要求的I。
通過在上面找到的特解中加上一個(gè)任意矩陣V可形成一個(gè)一般解，得到A＝C′(CC′)-1+V，但它必須滿足方程(3)，將A的這個(gè)值代入方程(3)，得到C(C′(CC′)-1+V)＝I即，CC′(CC′)+CV＝I即，I+CV＝I即，CV＝0……………………(4)因此，V可以是任意的，只要它滿足方程(4)。只當(dāng)所有V的列與所有C的行正交時(shí)，一個(gè)非零V矩陣左乘C時(shí)給出恒為零的結(jié)果。C的行是N元矢量，但是只存在M個(gè)，所以它們不會(huì)完全跨度N維空間。在該空間中存在C的行不能投影到的N-M個(gè)其它維，因此V的列可以包括任意限制在N-M維子空間的矢量，這些矢量在C的M維子空間中不投影。
因此，方程(3)的一般解為A＝U+V；這里U是上面標(biāo)明的特解，V必須滿意C·V＝0發(fā)射信號(hào)T由下式給出T1＝A11·R1+A12·R2+…A1m·RmT2＝A21·R1+A22·R2+…+A2m·Rm
Tn＝An1·R1+An2·R2+…+Anm·Rm這里R1、R2等等是Rdesired的元素。如果R1、R2等等都是用于不同接收站的獨(dú)立信號(hào)，在它們之間不相關(guān)，因此在線性求和過程中按均方根方式相加形成T元素。
因此，T1的均方值就是|A11·R1|2+|A12·R2|2…+|A1m·Rm|2類似地，T2的均方值為|A21·R1|2+|A22·R2|2+…|A2m·Rm|2將包括相同的Ri的這些表列式的列相加，得到ROWER＝SIGMAj[|Ri|2·SIGMAi|Aij|2]現(xiàn)在SIGMA1|Aij|2＝SIGMAi(Aij·Aij)＝SIGMAi(A′ji·Aij)，這里A′ji在A的共軛轉(zhuǎn)置中指元素ji。
但是值SIGMA只簡(jiǎn)單地是整個(gè)矩陣乘積Xij＝SIGMAi(A′ji·Aik)的jj對(duì)角線項(xiàng)，這是A′和A矩陣乘的方程，即X＝A′A。
現(xiàn)在用A＝U+V代替，那么X＝(U′+V′)·(U+V)＝U′U+V′V+U′V+V′U，以及U′V+V′U＝2Re(U′V)將U＝C′(CC′)-1，即，U′＝(CC′)-1·C代入前面的方程，得到U′V＝(CC′)-1·CV＝0，因?yàn)镃V＝0。
因此2Re(U′V)＝0且U′V+V′U＝0所以SIGMAi|Aij|2＝SIGMAi(|Uij|2+|Vij|2)導(dǎo)出ROWER＝SIGMAj[|Ri|2·SIGMAi|Uij|2]+SIGMAj[|Ri|2·SIGMAi|Vij|2因?yàn)榉謩e包括U和V的兩項(xiàng)只能是正的，在第二項(xiàng)中任意矩陣V選為0將使功率最小。由此，產(chǎn)生所需的接收信號(hào)的發(fā)射信號(hào)的解為T＝A·Rdesired這里A＝C′(CC′)-1該解在N＝M的情況下仍有效，此時(shí)C是個(gè)方陣，上面的減少為A＝C-1應(yīng)用前面所述的原則，使用多余的自由度不只是為了在每個(gè)移動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生不受同信道干擾的信號(hào)，也是為了在給定的總輻射功率下得到所要信號(hào)最大?？偟木捷椛涔β蕦?shí)際上是由下式定義的矩陣A系數(shù)的平方值之和A＝Ct·(C·C)-1沿著A的列的平方和給出與相應(yīng)移動(dòng)臺(tái)通信使用的輻射功率。就能找到最差情況的移動(dòng)臺(tái)，即，使用最多的衛(wèi)星功率的那個(gè)。按照本發(fā)明的一個(gè)特性，通過從移動(dòng)臺(tái)所屬的目前的組中刪掉最差情況的移動(dòng)臺(tái)，并將其與另一個(gè)組相關(guān)聯(lián)，從而使中心站的控制處理器周期性地檢查總衛(wèi)星功率是否可以最小化(或使用功率最優(yōu)化)。這可以通過重新計(jì)算上述帶C的表達(dá)式來完成，該矩陣曾被最差情況站對(duì)應(yīng)的行所減弱，因而可確定只節(jié)省支持其余站工作在最有效方式下所應(yīng)節(jié)省的衛(wèi)星功率。那么C中去掉的行用于輪流增加每一個(gè)與其它使用不同頻率信道(FDMA)，或多個(gè)載波(CDMA)或時(shí)隙(TDMA)的移動(dòng)臺(tái)組相關(guān)聯(lián)的C矩陣，且上面的表達(dá)式計(jì)算出來確定必要的功率的增加以支持該移動(dòng)臺(tái)輪流做為其它每個(gè)組的一個(gè)成員。如果這些情況中的一個(gè)其功率的增加少于從原來組中去掉該移動(dòng)臺(tái)節(jié)省的功率，那么為了改善衛(wèi)星功率的利用，應(yīng)將頻率或時(shí)隙轉(zhuǎn)交到這個(gè)新的組。這個(gè)過程類似可用于確定一個(gè)新的移動(dòng)通話應(yīng)關(guān)聯(lián)于現(xiàn)存的哪個(gè)組，即，找到一個(gè)組能使新的通話連接上以后產(chǎn)生最小的衛(wèi)星功率的增加。
圖17表示了一個(gè)示范實(shí)施例，圖解了發(fā)射和接收矩陣處理器之間的互連，以及實(shí)現(xiàn)上面描述的干擾抵消和優(yōu)化信道分配操作的地面站上的控制處理器。
接收矩陣處理器1700從地面站RF部分接收數(shù)字化的信號(hào)抽樣。接收處理可以按照?qǐng)D9發(fā)明的示范FDMA實(shí)施例，或按照?qǐng)D16的示范TDMA實(shí)施例進(jìn)行構(gòu)造。進(jìn)一步的，一個(gè)示范的CDMA實(shí)施例可以按下述方法構(gòu)造，例如，增加信道分裂濾波器的帶寬，并在圖9電路中包括一個(gè)CDMA型式的每信道處理。進(jìn)一步地，本發(fā)明的示范實(shí)施例可以使用新的差(subtractive)CDMA系統(tǒng)構(gòu)造，該系統(tǒng)在美國(guó)專利號(hào)5,151,919，Paul W.Dent的題為“CDMA差(subtractive)解調(diào)”中描述，這里引用做為參考。本發(fā)明的這些特性使它也能用于陸地蜂窩系統(tǒng)。
接收矩陣處理器1700使用上述控制處理器1702提供的逆C矩陣系數(shù)分開單個(gè)信道信號(hào)，這樣可以消除或壓縮同信道干擾。這些系數(shù)可以，例如，按下述方法確定。
當(dāng)M個(gè)空間分開的天線/接收信道接收M個(gè)信號(hào)Si的不同組合值Ri時(shí)，給出Ri＝SIGMAj(Cij·Sj)…………………(5)或者用矩陣符號(hào)，R＝C·S，那么M個(gè)信號(hào)的分開有一個(gè)直接解R＝C·S-1…………(6)當(dāng)天線/接收信道N的個(gè)數(shù)大于它們所接收的信號(hào)M的個(gè)數(shù)，矩陣C不是方陣且不能求逆。使用N個(gè)信道的任何子集M存在一個(gè)可能的連續(xù)解，但可能也存在一個(gè)期望的奇異解。
使用N個(gè)發(fā)射信道發(fā)射M個(gè)信號(hào)的逆問題在上面通過加入附帶的最小化總發(fā)射功率的要求而得到解決。在接收情況下，可以加入最大化信噪比的條件找到所需的奇異解。為了做到這一點(diǎn)，必須假定接收機(jī)中存在有限量的噪聲。
在這個(gè)解被描述之前，將描述另一個(gè)解出下列方程的方法C11·S1+C12·S2…+C1M·SM＝R1C21·S1+C22·S2…+C2M·SM＝R2CN1·S1+CN2·S2…+CNM·SM＝RN當(dāng)N＞M時(shí)，存在超過未知數(shù)的多余方程。它們應(yīng)該都是一致的，且解N的任何子集M應(yīng)該得到相同的答案。但是，由于會(huì)引起接收值R中不相關(guān)的誤差的接收噪聲，方程將不全是完全一致的。
該方程的一個(gè)已知解被稱為最小二乘法解。最小二乘法尋找這樣的解-它將需要加到R值中的噪聲誤差的RMS(均方根)之和最小化，從而使方程一致。
誤差矢量E可定義為E＝C·S-R…………(8)和的平方誤差則為E′E＝(C·S-R′)·(C·S-R)＝S′·C′·C·S-R′·C·S-S′·C′·R+R′·R…………(9)將該表達(dá)式對(duì)每個(gè)R值求導(dǎo)，得到梯度值grad(E′E)＝2C′·C·S-2C′·R…………………(10)E′E當(dāng)grad(E′E)＝0時(shí)是一個(gè)全局最大值，即，C′C·S＝C′R，或S＝(C′C)-1·C1·R…………(11)M信號(hào)的最小二乘法解因此是S＝A·R，這里A＝(C′C)-1·C′…………………(12)可以和最小發(fā)射功率解相比較，這里
A＝C′(CC′)-1上述的最小二乘法解不一定使每個(gè)信號(hào)的質(zhì)量最大化。為了找到使每個(gè)信號(hào)質(zhì)量最大化的解應(yīng)該去找得到該信號(hào)的最好的A矩陣行。
分立的信號(hào)Si由A的行i，此后寫做Ai，乘上接收信道輸出矢量R給出，即Si＝Ai·R。R由C·S+Noise給出，這里“Noise”是不相關(guān)的噪聲矢量，在接收信道上帶有分量N1、N2……。
因此，Si＝Ai·C·S+Ai·Noise…………………(13)出現(xiàn)在Si中所要的分量Si的大小如下給出(Ail·Cli+Ai2·C2i+Ai3·C3i+……+AiN·CNi)·Si＝Ai·Ci 這里Ci表示C的i列。假設(shè)所有Si用單位功率發(fā)射，待求的所要分量的功率為P＝|Ai·Ci|2＝Ai·Ci·Ci′·Ai′…………………(14)但是，由于其它信號(hào)Sk，在求得的信號(hào)中也存在不需要的分量。所有不等于i的K的不需要的功率的總和為I＝Ai·Cdim·C′dim·Ai′……………………(15)這里Cdim表示去掉i列的矩陣C。
除此之外，噪聲功率為|Ai1·N1|2+|Ai2·N2|2……＝AiAi′·nI……………(16)這里n是每個(gè)噪聲信號(hào)N1、N2等等的均方值。信噪加上干擾的比為PI+N=A(Ci.Ci′)A′A(nI+Cdim.C′dim)A′----(17)]]>數(shù)學(xué)上將這個(gè)表達(dá)式稱為厄米特(Hermitian)式比值。類似下述形式的表達(dá)式的最大、最小值由V-1·U的特征值q給出X′UXX′VX]]>該特征值通過det(V-1·U-qI)＝0的解得到。給出這些極值的X的值就是相應(yīng)的特征值。V-1·U在此種情況下為(Cdim·C′dim+nI)-1·Ci·Ci′，且X為A′。
現(xiàn)在使用如下定理，一個(gè)n乘m矩陣與一個(gè)m×n矩陣積的特征值(這里n＞m)等于反方向乘積的特征值，加上n-m個(gè)零特征值。
使用有問題的兩個(gè)矩陣，一是N乘1矩陣(Cdim·Cdim′+nI)-1·Ci，另一個(gè)是1乘N的矩陣C′，所需的特征值一定是反乘積的特征值Ci′1×N.(Cdim,CN×N′dim+nI)-1.CiN×1----(18)]]>這只有1×1維，即，它是個(gè)標(biāo)量，只有一個(gè)非零特征值。因此q＝Ci’.(Cdim.C’dim+nI)-1.Ci………………(19)有關(guān)的特征矢量Ai′是下面形式方程的解VMatrix.V＝V.Eigenvalue(Cdim.C’dim+nI)-1.Ci.Ci’.V＝Vq……(20)從方程(19)中代入q的值，(Cdim，C’dim+nI)-1.Ci.Ci’.V＝V.Ci’.(Cdim.C’dim+nI)-1.Ci………(21)可使V＝(Cdim·C′dim+nI)-1進(jìn)行驗(yàn)證使方程(21)左右兩邊相等。因此，這個(gè)特征矢量是在最佳信號(hào)噪聲干擾比情況下，從R得出Si的系數(shù)Ai的行的最佳解。
如果我們從最大化信號(hào)對(duì)(信號(hào)+噪聲+干擾)的比開始，將得到Ai’＝(C.C’+nI)-1.Ci or Ai＝Ci’.(C.C’+nI)-1………………(22)即，用于顛倒的是整個(gè)C矩陣，不是去掉一列的矩陣Cdim。最大化S(S+N+I)的值應(yīng)該等于最大化(S/N+I)的值，因?yàn)樗鼈冎g的差別只有常數(shù)1。
可以看到這個(gè)解與最大化S/(N+I)的解只差一個(gè)標(biāo)量因子1/(1+q)，因?yàn)橐粋€(gè)固定的標(biāo)量不會(huì)改變信噪比，結(jié)果應(yīng)是相同的解。如果這樣為所有的i得到的Ai一個(gè)一個(gè)地排列起來形成M乘N的矩陣A，行Ci′是原來的列Ci，也一個(gè)一個(gè)地排列起來形成矩陣C′。
因此A＝C′(CC′+nI)-1這類似于最小化發(fā)射功率時(shí)上面所得到的解，除了這里的“C”矩陣是發(fā)送矩陣的轉(zhuǎn)置且為M乘N矩陣而不是N乘M。這意味著N×N矩陣CC′只有M＜N的秩，且沒有直接的逆，是奇異的。但是，噪聲通過項(xiàng)nI加入對(duì)角線元素，推動(dòng)矩陣轉(zhuǎn)化為非奇異的，上面的解就成為可計(jì)算的了。
發(fā)送時(shí)的解提供了一種方法，能夠測(cè)試在重新優(yōu)化之后為了支持一路增加的信號(hào)應(yīng)該增加多少總發(fā)射功率。相應(yīng)的，在接收情況下，能夠測(cè)試已經(jīng)接收到的信號(hào)加入一路新信號(hào)在一個(gè)增添的列加入C矩陣、上述的系數(shù)重新優(yōu)化之后如何影響信噪比的。上述C增添的列代表N個(gè)接收/天線信道接收的新信號(hào)的相對(duì)大小和相位。當(dāng)新信號(hào)出現(xiàn)在隨機(jī)訪問信道且不與其它信號(hào)沖突時(shí)就可確定。進(jìn)一步的，隨機(jī)訪問可以用比一般業(yè)務(wù)高的功率或更多的編碼來進(jìn)行，以加快檢測(cè)和解碼。
信號(hào)被解碼，且回溯地，解碼信號(hào)可與每個(gè)N信道記錄的信號(hào)抽樣進(jìn)行相關(guān)，以確定新的C矩陣系數(shù)。然后可做一測(cè)試，將新的C列輪流加入每個(gè)侯選C矩陣中，這些C矩陣與正流動(dòng)的信號(hào)的不同組相關(guān)聯(lián)，為了確定由于加入新的信號(hào)具有最差情況SNR衰減的組。這就確定了為了傳輸新信號(hào)的信道分配，并解釋在隨機(jī)訪問和信道分配過程中，C矩陣系數(shù)是如何得到一個(gè)當(dāng)前行的。
分立的信道信號(hào)在分立的信道處理器1701中進(jìn)行處理。信道處理器既可在通話連結(jié)之后用于處理用戶業(yè)務(wù)，也可用于從給定的方向上尋找隨機(jī)訪問信號(hào)。后者要通過合成從衛(wèi)星接收的信號(hào)形成覆蓋地球固定區(qū)域的波束來完成，該固定區(qū)域是隨機(jī)訪問信號(hào)可被接收的區(qū)域。使用的系數(shù)通過控制處理器1702來選擇，以提供對(duì)其它區(qū)域同頻率的其它信號(hào)產(chǎn)生的干擾的抵消或削弱，從而對(duì)偵聽到隨機(jī)訪問信息的概率進(jìn)行最大化。隨機(jī)訪問信息也可以用一個(gè)附加級(jí)別的糾錯(cuò)編碼來提供，以便當(dāng)缺少關(guān)于訪問嘗試接收方向的先驗(yàn)知識(shí)時(shí)，最大化接收概率?？蛇x擇地，隨機(jī)訪問信道可以是頻率預(yù)分配的，以防止鄰近網(wǎng)眼中直接的頻率復(fù)用，例如，通過使用了網(wǎng)眼頻率或時(shí)隙復(fù)用計(jì)劃，因?yàn)閷?duì)隨機(jī)訪問使用三頻率或時(shí)隙不會(huì)象對(duì)每個(gè)業(yè)務(wù)信道使用這樣的頻率使用計(jì)劃一樣對(duì)總的系統(tǒng)容量產(chǎn)生有害的影響。
信道處理器1701對(duì)控制處理器1702提供關(guān)于每個(gè)波束信道或分立信道中每個(gè)信號(hào)大小的信息，控制處理器1702使用這些信息控制接收矩陣處理器1700所用的干擾抵消系數(shù)。依照，例如，每個(gè)分立信號(hào)和每個(gè)波束信號(hào)之間的相關(guān)的分別定義或分立信號(hào)之間相關(guān)的定義，控制處理器1702可使用兩種不同的控制概念。
在第一個(gè)示范的控制裝置中，由信道處理器1701解碼的分立信道信號(hào)分別輪流地與每個(gè)不分立的波束信號(hào)進(jìn)行相關(guān)或部分相關(guān)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)相關(guān)的電路連接在每個(gè)信道處理器1701和每個(gè)其它的信道處理器1701之間進(jìn)行安排，但是在圖17中為清楚起見將這些連接去掉了。用于相關(guān)的分立信號(hào)的組成適于是信道信號(hào)中已知的位模式，例如一個(gè)同步字或位模式。相關(guān)的結(jié)果直接代表C矩陣系數(shù)，由控制處理器處理以得到上面定義的A矩陣系數(shù)。
在第二個(gè)示范控制裝置中，由信道處理器1701解碼的分立信道信號(hào)與其它信道信號(hào)的至少部分進(jìn)行相關(guān)以確定殘留的由于其它信道信號(hào)產(chǎn)生的未抵消的干擾的大小。一起執(zhí)行相關(guān)操作的其它信道信號(hào)的組成部分適于是每個(gè)信號(hào)中所含的已知模式。例如一個(gè)同步字。由于這些模式是已知的，因此不必在信道處理器1701之間進(jìn)行交叉連接，避免大量的互連。更進(jìn)一步地，因?yàn)榭刂铺幚砥?702對(duì)接收矩陣系數(shù)的修正不必以很快的速率進(jìn)行，它們對(duì)于給定的一組發(fā)射移動(dòng)電話來說是相對(duì)不變的，不同信號(hào)的相關(guān)可以在不同的時(shí)間出現(xiàn)，在進(jìn)行相關(guān)的時(shí)刻發(fā)射機(jī)可以通過預(yù)置，為相關(guān)處理插入一個(gè)特殊的同步字。
例如，假設(shè)發(fā)射信號(hào)的每段中，即一個(gè)TDMA時(shí)隙中，使用了一個(gè)已知的16比特的同步模式。存在16種可能的正交的16比特字?？梢詫⒄坏耐阶址峙浣o16個(gè)不同的信號(hào)。一個(gè)快速沃爾什(Walsh)變換器，例如美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?7/735,805題為“快速沃爾什變換處理器”中描述的變換器-該文發(fā)于1991年7月25日，在這里引為參考，提供一種有效方法將信號(hào)同時(shí)與所有可能的正交碼字相關(guān)，然后直接確定殘留的未抵消的干擾量。但是如果其殘留干擾成分能被識(shí)別出來的信號(hào)個(gè)數(shù)大于16，例如是37，那么此時(shí)15個(gè)信號(hào)安排使用不同的正交的碼字而其它22個(gè)則使用第16個(gè)碼字。被選定為使用不同碼字的15個(gè)可在連續(xù)的TDMA幀之間進(jìn)行改變，使得只過兩幀之后，所有的信號(hào)就能唯一地識(shí)別出來。
這個(gè)示范過程也可用于FDMA或CDMA上行鏈路調(diào)制。在CDMA情況下，例如，正交擴(kuò)頻碼可被分配用于輔助識(shí)別。如果一個(gè)混合的FDMA/CDMA上行鏈路與，例如，四交迭正交CDMA信號(hào)在每個(gè)頻道上一起使用，如上面提到的美國(guó)專利申請(qǐng)系列號(hào)——，題為“TDMA/FDMA/CDMA混合天線接入方法”，發(fā)于1994年1月11日的文中所描述的那樣，那么系統(tǒng)可以很容易地同時(shí)找到已知的用于所有四個(gè)正交碼的同步模式。通過交換上面描述的基本的同步模式，可以從任何個(gè)數(shù)的在不同地點(diǎn)使用相同信道頻率的不同的CDMA發(fā)射中識(shí)別出殘留的干擾成分。也可這樣實(shí)現(xiàn)，例如，用C矩陣分開信號(hào)之后，該信號(hào)可與它自己已知的位模式進(jìn)行相關(guān)，其它信號(hào)已知的模式也就應(yīng)該消除了，后面相關(guān)的結(jié)果得到殘留未抵消的信號(hào)的大小并可用于更新C矩陣。
在第二個(gè)示范裝置中，C矩陣系數(shù)不是直接確定的，但是殘留干擾量與A和C矩陣系數(shù)中的誤差有關(guān)。這個(gè)關(guān)系可如下表示。
衛(wèi)星或基站廣播從N個(gè)發(fā)射機(jī)/天線來的M個(gè)所需信號(hào)的N個(gè)組合。這N個(gè)組合應(yīng)該這樣選擇使每個(gè)接收站只接收它所要的信號(hào)，接收機(jī)中其它的M-1個(gè)信號(hào)被抵消。N個(gè)線性組合最好是上面提出的那些，它使每個(gè)接收站只接收它所要的信號(hào)，并帶有最小的總和發(fā)射功率。 乘上N乘M矩陣A形成，即T＝A·Rd。
上述的A最好等于C′(CC′)-1，這里Cij是從發(fā)射機(jī)/天線j到接收機(jī)i的傳播。在呼叫建立的時(shí)間對(duì)于接收方向估計(jì)Cij，并轉(zhuǎn)化為對(duì)發(fā)射方向的估計(jì)，如上面描述的。但是為用于計(jì)算矩陣A而在發(fā)射方向上對(duì)Cij做的估計(jì)會(huì)存在誤差。假設(shè)估計(jì)的發(fā)射矩陣C等于真正的矩陣Co加上一個(gè)誤差矩陣dC，即，C＝Co+dC或Co＝C-dC由接收站實(shí)際接收的信號(hào)Ra由真正的C矩陣Co乘上發(fā)射信號(hào)而得到，即，Ra＝Co·T＝Co·A·Rd＝(C-dC)C′(CC′)-1Rd＝Rd-dcC·C′(CC′)-1·Rd＝Rd-dC·A·Rd接收信號(hào)中的誤差dR＝Rd-Ra，由下式給出dR＝dC·A·Rd………………………(23)誤差矢量dR的每一個(gè)誤差元i包括每個(gè)其它不需要的信號(hào)j的一部分e(ij)。
如果M個(gè)信號(hào)包含已知信號(hào)、模式或同步字，通過在移動(dòng)臺(tái)與接收信號(hào)i進(jìn)行相關(guān)，就可能確定信號(hào)j殘留的不需要量，因而確定eij。
同步字可以是正交的，以便與所有同步字的相關(guān)可以同時(shí)通過一個(gè)正交變換-例如“沃爾什-哈達(dá)馬變換器”-執(zhí)行。如果可用的正交碼字?jǐn)?shù)少于信號(hào)M個(gè)數(shù)，正交碼字可以分配給直接圍繞的波束或網(wǎng)眼組，這些組中的信號(hào)最有可能由于不完善的抵消而產(chǎn)生干擾。一組有限的正交碼字可以在M個(gè)信號(hào)之間交換以使同時(shí)可以允許不同的子集被分辨，且所有的M可順序被分辨。用這種方式，在包含已知信號(hào)模式部分上，通過將接收信號(hào)Ra與所有正交碼字進(jìn)行相關(guān)，得到本身碼字的大小以及不需要的碼字的大小。其它碼字的大小通過除以自己碼字相關(guān)的復(fù)數(shù)大小得以定標(biāo)，從而得到歸一化的剩余誤差eij，在接收站通過一個(gè)反向慢關(guān)聯(lián)控制信道將其發(fā)送回發(fā)射站報(bào)告之前，它在幾個(gè)測(cè)量間隔上取復(fù)數(shù)平均值。為了減少報(bào)告量，每個(gè)移動(dòng)臺(tái)在每個(gè)間隔上限制只匯報(bào)其相關(guān)器確定的最大誤差。發(fā)送站可以選擇性地假定該站的其它誤差為零，或者當(dāng)此時(shí)沒有報(bào)告更改誤差值時(shí)誤差保持原來大小。
矩陣E＝eij因而等于(23)式中的矩陣dC·A，所以有dC·A＝E或A′·dC′＝E′。
對(duì)于未知的dC′這是一組不夠的方程組，但是當(dāng)dC′s的平方和為最小時(shí)存在奇異解，為dC′＝A(A′A)-1·E′進(jìn)一步地，如果A＝C′(CC′)-1，那么A(A′A)-1＝C′，所以dC′＝C′·E′或dC＝E·C因此，得到C最初的估計(jì)以及由接收站報(bào)告的剩余相關(guān)測(cè)量，在最初估計(jì)中的誤差dC可以計(jì)算出來，而且C的估計(jì)可以逐漸精確。
如上面所述，如果反向SACCH信令容量不允許每次報(bào)告所有的誤差，那么只報(bào)告最大值就足夠了。發(fā)射機(jī)可以選擇只糾正那里的最大值，然后，或者等待其它報(bào)告。為了保證其余的也被報(bào)告，發(fā)射機(jī)可以請(qǐng)求接收機(jī)通過前向SACCH信道做具體的測(cè)量。所提的這些改進(jìn)是為了完整地描述本發(fā)明的范圍，在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中可能不需要這些額外的復(fù)雜度，因?yàn)樵谛l(wèi)星波束中，移動(dòng)臺(tái)的相對(duì)位置的改變相對(duì)于通信速率來說是很緩慢的。
控制處理器得到下行鏈路C的初始估計(jì)，以及A矩陣系數(shù)，如前所述它們?cè)谏闲墟溌飞贤ㄟ^同步字相關(guān)測(cè)量到下行鏈路頻率。控制處理器然后連續(xù)輸出糾正過的A矩陣系數(shù)到發(fā)射矩陣處理器1704，如上所述這些系數(shù)適于轉(zhuǎn)換到下行鏈路頻率。
由于每個(gè)天線元信道間相位的匹配會(huì)給這種轉(zhuǎn)換操作增加復(fù)雜度。上面已經(jīng)提到上下行鏈路頻率上的信號(hào)之間的相反幅度可以很合理地認(rèn)為是相同的，且信號(hào)之間相對(duì)相位可以用上下行鏈路波長(zhǎng)比來標(biāo)定。但是，要考慮到從每個(gè)天線元轉(zhuǎn)發(fā)移動(dòng)臺(tái)-衛(wèi)星上行鏈路信號(hào)的信道間存在相位失配的情況。信號(hào)相位則不只是天線元相位，PHI(i)，而包括了附加的不匹配項(xiàng)，dPHI(i)。如果PHI(i)+dPHI(i)被波長(zhǎng)比定標(biāo)，那么PHI(i)部分會(huì)正確標(biāo)定，但是不匹配部分dPHI(i)不能，因?yàn)樯闲泻拖滦墟溌吠ǖ赖南辔徊黄ヅ渲g不存在相關(guān)性。如果上下行鏈路相位不匹配分別用μPHI(i)和dPHI(i)表示，那么需要計(jì)算a·(PHI(i)-μPHI(i))+dPHI(i))；這里a是波長(zhǎng)比可寫成a·PHI(i)+(dPHI(i)-a·μPHI(i))和項(xiàng)dPHI(i)-a·μPHI(i)，它至少是一個(gè)單個(gè)常數(shù)，必須用某種方法確定以便將接收移動(dòng)信號(hào)確定的A或C矩陣系數(shù)轉(zhuǎn)換為用于發(fā)射到移動(dòng)臺(tái)的系數(shù)。這可以，例如，通過固定系統(tǒng)定標(biāo)來做到，即通過遍布服務(wù)區(qū)域不同地點(diǎn)的幾個(gè)監(jiān)控站或“樣本移動(dòng)臺(tái)”的幫助來實(shí)現(xiàn)?；蛘?，通過移動(dòng)臺(tái)測(cè)量有限數(shù)目的與其它信號(hào)的殘留相關(guān)，并在慢關(guān)聯(lián)控制信道(SACCH)上報(bào)告這些相關(guān)值，系統(tǒng)可以接收足夠的信息為相位不匹配連續(xù)地執(zhí)行必要的定標(biāo)。如果需要的話，這樣的報(bào)告信息也可有助于定標(biāo)幅度失配。
本發(fā)明也可用于改善陸地蜂窩無線電話系統(tǒng)的容量。這樣的系統(tǒng)一般使用3扇面天線從同一位置激勵(lì)三個(gè)鄰接的網(wǎng)眼，如上面所描述的。因?yàn)樯让嬷g的隔離度不很高(實(shí)際上在兩個(gè)扇面邊緣的移動(dòng)站隔離度幾乎為零)，對(duì)于一般的系統(tǒng)不可能允許在所有三個(gè)扇區(qū)中使用相同的頻率。按照本發(fā)明的示范實(shí)施例，僅管如此，相同的信道可以和被使用和形成扇區(qū)的天線元個(gè)數(shù)一樣的次數(shù)。因此一個(gè)3扇面天線(典型地可由角形天線中三個(gè)垂直直排的振子天線陣來形成)提供了將同一信道復(fù)用三次的機(jī)會(huì)。
陸地蜂窩通信的容量受到載波與同信道干擾比(C/I)參數(shù)的限制。如果相同頻率上的信號(hào)沿360度方位角輻射所得的C/I與中心激勵(lì)網(wǎng)眼的C/I相同?？紤]到實(shí)現(xiàn)給定的C/I所需的復(fù)用模式，一個(gè)3網(wǎng)眼群或點(diǎn)陣就變成與中心激勵(lì)的網(wǎng)眼相等同了。已知在AMPS系統(tǒng)中需要21網(wǎng)眼的復(fù)用模式以提供所需的C/I，因此如果在相同地點(diǎn)所有扇面使用相同頻率覆蓋，那么需要一個(gè)21點(diǎn)的復(fù)用模式。與通常使用的7點(diǎn)3扇面模式相比，可以看出由于需要將復(fù)用模式大小從7點(diǎn)增加到21點(diǎn)，則在每個(gè)扇區(qū)使用相同頻率得到的好處就喪失了。因此，按照本發(fā)明的這個(gè)示范實(shí)施例，應(yīng)該使用環(huán)繞360度方位角的三個(gè)或更多的扇面或天線元。
圖18表示了一個(gè)適于在陸地蜂窩系統(tǒng)中應(yīng)用本項(xiàng)發(fā)明的示范的柱面隙縫天線陣列1800。該天線陣列包括環(huán)繞著一個(gè)金屬柱面的8隙縫環(huán)。水平隙縫天線給出所需的垂直極化，隙縫為半波長(zhǎng)長(zhǎng)，即對(duì)于900MHz頻帶來說為16厘米。較可取地是在基站使用替代的圓極化并在移動(dòng)電話使用線性極化，特別是當(dāng)移動(dòng)臺(tái)為無確定天線方向的手持便攜機(jī)。圓極化可使用下述方法形成交叉縫隙，交叉偶極振子或混合縫隙-偶極振子組合的天線元。使用這樣的結(jié)構(gòu)同時(shí)形成兩種極化常常是比較方便的，且這可以通過對(duì)收發(fā)使用反向圓極化來利用以減少發(fā)-收耦合。
環(huán)繞柱面的元之間間隔必須大于半波長(zhǎng)以避免縫隙互相碰上，盡管可能通過一個(gè)很小的垂直排列減少它們之間潛在機(jī)制的干擾或相互間電磁耦合而使時(shí)隙交迭錯(cuò)開。如果，例如，使用0.75波長(zhǎng)的間隔，那么柱面周長(zhǎng)是6個(gè)波長(zhǎng)，則柱面半徑就小于一個(gè)波長(zhǎng)或一英尺。這樣的天線可以認(rèn)為小于普通的三扇面天線。多個(gè)這樣縫隙的環(huán)垂直排列，帶有例如，0.5或1個(gè)波長(zhǎng)的垂直間隔以提供與一般的蜂窩基站天線相同的垂直孔徑，以及因此而得的垂直的方向性。排在一個(gè)垂直列上的縫隙由饋電線1801連結(jié)，將其按相位饋入。對(duì)應(yīng)于8個(gè)縫隙列的8條饋電線與8個(gè)RF處理信道1802相連接。每個(gè)RF處理信道為每個(gè)頻道包括一個(gè)收發(fā)雙工濾波器1803，一個(gè)線性發(fā)射功率放大器1804，一個(gè)RF放大器1805，一個(gè)下變頻器，IF濾波器，放大器和A/D轉(zhuǎn)換器1806，另外每個(gè)頻道有一個(gè)對(duì)應(yīng)的發(fā)射調(diào)制器1807，其輸出在加法器1808中求和然后在功率放大器1804中放大。
每個(gè)頻道的所有8個(gè)縫隙列的數(shù)字輸出饋入接收矩陣處理器1809。接收矩陣處理器1809與圖9的矩陣處理器650類似。矩陣處理器1809分開以相同頻率、不同角度到達(dá)的信號(hào)，使在相同地點(diǎn)通信的移動(dòng)臺(tái)之間的同信道干擾被相當(dāng)程度地壓縮了。分開后的信號(hào)饋入與圖9中的信道處理器660類似的話音或隨機(jī)訪問信道處理器中(圖18中未表示)。由信道處理器(未表示)執(zhí)行的相關(guān)測(cè)量饋入與圖17中的控制處理器1702類似的控制處理器(未表示)?？刂铺幚砥?未表示)為接收矩陣處理器1809和發(fā)送矩陣處理器1810產(chǎn)生收發(fā)矩陣系數(shù)，以便用無干擾的方式產(chǎn)生到每個(gè)同信道移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射信號(hào)。
與衛(wèi)星應(yīng)用相比，陸地移動(dòng)應(yīng)用會(huì)在傳播條件上產(chǎn)生不同，將對(duì)現(xiàn)在進(jìn)行描述的矩陣處理產(chǎn)生一些修正。衛(wèi)星傳播通道實(shí)際上是視線，且即使信號(hào)碰到移動(dòng)臺(tái)附近的物體反射回來，從這些物體到衛(wèi)星的視線，在與衛(wèi)星-蜂窩系統(tǒng)中相對(duì)很大的網(wǎng)眼直徑相比時(shí)，也就同移動(dòng)臺(tái)到衛(wèi)星的直接射線相同了。
對(duì)于陸地移動(dòng)系統(tǒng)就不是這樣了。從天線另一側(cè)的與移動(dòng)臺(tái)相比大的建筑物或山脈產(chǎn)生的相當(dāng)大的反射可能產(chǎn)生與直接射線相差0到180度方向的回波。既然這樣的回波中攜帶信號(hào)能量，常常希望有利用它們，在直接射線衰落或被陰蔽時(shí)提供不同的通道以改善接收。典型地，從移動(dòng)臺(tái)到基站天線的信號(hào)通道包括多個(gè)由與移動(dòng)臺(tái)接近的物體反射引起的射線，這些射線實(shí)際上話音信道處理器可以象在陸地移動(dòng)系統(tǒng)中一樣處理衰落的信號(hào)。
如果信號(hào)T認(rèn)為是衰落的，但是，要注意到在時(shí)延項(xiàng)上的衰落是不相關(guān)的。為了能夠認(rèn)為T(j-m)是衰落信號(hào)Tj時(shí)延后的復(fù)制，那么必須認(rèn)為系數(shù)C′在直接射線上轉(zhuǎn)換衰落與在時(shí)延后的射線上轉(zhuǎn)換衰落是不同的，才可以解釋衰落上的區(qū)別。但是，由于變化的系數(shù)是瑞利衰落值的比，那么會(huì)產(chǎn)生C′的不確定值。
因此認(rèn)為C矩陣相對(duì)于到達(dá)方向是恒定的。比較方便，引入瑞利衰落變量的一個(gè)清晰的集合以解釋快衰落。矢量Tj中的每個(gè)信號(hào)，以第一個(gè)信號(hào)t1(j)為例，有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的復(fù)數(shù)乘因子r1(j)，代表從移動(dòng)臺(tái)1到陣列的無時(shí)延的瑞利衰落通道。將因子r1，r2，r3…rn沿矩陣對(duì)角線排列，矩陣的其余項(xiàng)為0，用R0表示這個(gè)衰落矩陣，衰落信號(hào)的集合可簡(jiǎn)單地如下給出R0·Tj為第一個(gè)時(shí)延通道定義一個(gè)不同的衰落矩陣R1，時(shí)延衰落信號(hào)由下式得到R1·T(j-m)因此從陣列元輸出的信號(hào)如下Sj＝C·R0·Tj+C′·R1·T(j-m)按照本發(fā)明的一個(gè)特性，使用m個(gè)抽樣以前的計(jì)算的分離信號(hào)R0·T(j-m)可以分離衰落信號(hào)R0·Tj，基于下面這個(gè)方程R0.Tj=C-1.[Sj-C′.R1R0.(R0.T(j-m))]]]>可以看到，以前分離的信號(hào)R0·T(j-m)必須首先通過除以是從相同方向接收的，合起來產(chǎn)生稱為端利衰落的現(xiàn)象。例如在大網(wǎng)眼應(yīng)用中，既然基站天線被小心置于很有利的高點(diǎn)，那么附近就不會(huì)有較大的反射物體，例如在1.5公里范圍內(nèi)，使射線確實(shí)從不同的方向來的。這就意味判著從這樣的物體反射的且從任意方向來的射線一定經(jīng)歷了一段較長(zhǎng)的距離，例如，3公里，那么會(huì)存在10μs或更多的時(shí)延。
為了照顧前述的兩種類型的現(xiàn)象，即從實(shí)際上相同的方向來的一組射線引起信號(hào)顯示出瑞利衰落以及從實(shí)際上不相關(guān)的方向來的一組射線代表了一個(gè)延遲的信號(hào)這兩種現(xiàn)象，另一項(xiàng)要引入接收矩陣處理，如下。
在第i個(gè)天線元接收的(縫隙列)信號(hào)抽樣Si(t)，它是下面兩項(xiàng)之和從移動(dòng)臺(tái)K來的非相對(duì)延遲發(fā)射信號(hào)Tk(t)；被dt相對(duì)延遲的信號(hào)Si(t)＝Ci1.T1(t)+Ci2.T2(t)……+Cin.Tn(t)+Ci1′.T1(t-dt)+Ci2′.T2(t-dt)……+Cin′.Tn(t-dt)當(dāng)所有si(t)的等式集合成矩陣形式時(shí)，寫做Sj＝C·Tj+C′·T(j-m)這里T的下標(biāo)j表示當(dāng)前時(shí)間的值，下標(biāo)j-m表示m個(gè)樣點(diǎn)以前的值，與時(shí)延dt對(duì)應(yīng)。例如，如果信號(hào)以每5μs抽樣，那么對(duì)于時(shí)延dt＝10μs，m將等于2。
非延遲射線的信號(hào)衰落可認(rèn)為是由于C系數(shù)變化引起，發(fā)射信號(hào)T保持不變，或者認(rèn)為信號(hào)T由于瑞利衰落而變化，而矩陣C不變。在這里考慮后者，因?yàn)槭褂煤愣ň仃嚪蛛x了衰落的信號(hào)，R0移去它們的衰落因子，以便將直接射線的衰落因子替換成時(shí)延射線的衰落因子R1。當(dāng)信號(hào)完全衰落使其關(guān)聯(lián)的r因子變成零時(shí)，會(huì)引起數(shù)值計(jì)算上的困難。但是，既然分離信號(hào)也將變成零，就可能通過，例如，對(duì)發(fā)射信號(hào)特性的了解而給R0·T(j-m)/R0指定一個(gè)有意義的值。例如，已知發(fā)射信號(hào)是一個(gè)幅度不變的信號(hào)，或發(fā)射信號(hào)必須在樣點(diǎn)之間連續(xù)，這樣的特性就可以使用了。
該原理的另一種裝置和修改也在這里提出，它會(huì)被技術(shù)熟練的人理解。例如，盡管在任何將來的蜂窩系統(tǒng)中發(fā)射的信號(hào)幾乎都是數(shù)字信號(hào)，但是本發(fā)明的原理也適用于模擬信號(hào)。在兩種情況下，衰落的頻譜(即，一個(gè)連續(xù)系列的r值的傅立葉變換)與調(diào)制相比是窄帶的，提供了一種方法將調(diào)制的信息與由衰落引起的調(diào)制區(qū)分開。在數(shù)字信號(hào)情況下，發(fā)射機(jī)中使用的調(diào)制器以先驗(yàn)為特征，因此為一個(gè)給定信息比特模式產(chǎn)生的波形Tj是可以預(yù)測(cè)的。如果一個(gè)已知的比特模式包含在發(fā)射的一段信號(hào)中，Tj波形的相對(duì)應(yīng)的段可以預(yù)測(cè)，且將該預(yù)測(cè)與接收信號(hào)相關(guān)可得到相應(yīng)T值的一個(gè)估計(jì)。這個(gè)處理稱為“信道估計(jì)”。在每個(gè)信息比特解碼之后更新信道估計(jì)。由于信道的變化比信息比特慢得多且比Tj的抽樣率更慢，抽樣率可以是，例如，8倍于信息符號(hào)率，在T波形的很多連續(xù)的抽樣之中，信道估計(jì)取平均值，因而比信息信號(hào)本身具有較少的噪音。
在模擬FM信號(hào)情況下，例如，先驗(yàn)地已知調(diào)制是恒定幅度，只有相位變化。相位的改變率先驗(yàn)地已知受限于對(duì)應(yīng)最大頻偏的那個(gè)值，且頻率的變化是連續(xù)的，使得相位一至少是它第一階和第二階導(dǎo)數(shù)-是連續(xù)的。這些先驗(yàn)知識(shí)可以用來從前面的歷史預(yù)測(cè)下一個(gè)Tj。例如，如果Qji是原來的相位估計(jì)且Q是它的導(dǎo)數(shù)估計(jì)，且Aj是原來的幅度估計(jì)，那么Tj＝AjEXP(jQj)以及Tj+＝AjEXP(j(Qj+Qdt))。于是，Tj+1從Tj+1＝TjEXP(jQdt)預(yù)測(cè)出來。
信道估計(jì)技術(shù)常使用含導(dǎo)數(shù)的卡爾曼濾波，此時(shí)信道估計(jì)的下一個(gè)值的預(yù)測(cè)使用信號(hào)改變(導(dǎo)數(shù))的時(shí)間率的估計(jì)來做出，而預(yù)測(cè)的信道估計(jì)用于預(yù)測(cè)下一個(gè)信號(hào)抽樣點(diǎn)。預(yù)測(cè)的和接收的信號(hào)之間的誤差用于糾正信道估計(jì)(衰落因子)和它的導(dǎo)數(shù)，這種方法使均方誤差總和最小化。
同樣的卡爾曼濾波技術(shù)也可用于估計(jì)R0和R1的對(duì)角線元素。估計(jì)出這些對(duì)角線值，按照本發(fā)明的另一個(gè)特性，可以弄清楚是否R1的任何值都大于R0的對(duì)應(yīng)值。如果R1的一個(gè)值大于R0相應(yīng)的值，那么可以表明，時(shí)延的射線目前正比直接射線被以較大的強(qiáng)度接收。然后對(duì)應(yīng)于R1元素的C′的列與對(duì)應(yīng)于R0的C的相應(yīng)列互換，以形成用Cmax和Cmin標(biāo)志的新的矩陣。從R1來的較大的元素與R0來的相應(yīng)的較小的元素變換分別形成新的R矩陣Rmax和Rmin。與交換的R元素相對(duì)應(yīng)的T(j-m)元素與對(duì)應(yīng)的Tj元素交換，從而分別形成以Uj和Vj標(biāo)志的時(shí)延和不時(shí)延信號(hào)的混合矢量。矢量Uj可以包括Tj的一些元素和T(j-m)的一些元素，同時(shí)矢量Vj就包括剩下的那些元素。因此從天線陣列元輸出的信號(hào)的方程變?yōu)镾j＝Cmax·Rmax·Uj+Cmin·Rmin·Vj方程可以解得Uj＝[Cmax·Rmax]-1·[Sj-Cmin·Rmin·Vj]因?yàn)镽max的每個(gè)元素都是從兩者中取的較大值，那么零值的可能就減少了。更進(jìn)一步地，必須從Sj中減去的Vj的值由于與Cmin相乘而變小了，因此如果Vj值是錯(cuò)的或被噪聲干擾，進(jìn)入后續(xù)值的錯(cuò)誤的傳播將會(huì)減弱。
但是矢量Vj還包括一些目前為止尚未計(jì)算的值。假設(shè)R0和R1的相同元素被選做下一時(shí)刻的Rmax和Rmin，那么尚未計(jì)算的Vj值屬于將來的U矢量U(j+m)。包括在Vj中的以前計(jì)算的T值是從一個(gè)前面的U矢量，U(j-m)來的。
Cmin和Rmin可以分成兩個(gè)矩陣Cmin，Rmin1以及Cmin2，Rmin2，它們的列分別與從前面的或U矢量而來的Vj相關(guān)。因此，U矢量可如下描述Uj＝[Cmax·Rmax]-1·[Sj-Cmin1·Rmin1·U(j-m)-Cmin2·Rmin2·U(j+m)]U(j-m)的值是已知的，由前面的計(jì)算得來，但是U((j+m)的值未知。所以，首先要假設(shè)所有的U(j+m)為零的情況下計(jì)算Uj。然后，在m個(gè)抽樣之后，在假設(shè)U(J+2M)為零的情況下計(jì)算出U(j+m)，U(j+m)計(jì)算值可以反過來代入上面的方程中，以給出Uj的一個(gè)修正的值的集合。這些Uj值又可以反代入到前面的U(j-m)的計(jì)算中用來修正那里的計(jì)算，和/或者向前代入U(xiǎn)(j+m)的計(jì)算中，或兩者均做，一直到接收矩陣處理器中可用的處理功率所限制的多重?cái)U(kuò)張的極限。
簡(jiǎn)化上述方程
A0＝[Cmax]-1A1＝[Cmax]-1.[Cmin1.rmin1]A2＝[Cmax]-1.[Cmin2.Rmin2]然后代入得到Rmax.Uj＝Ao.Sj-A1.U(j-m)-A2.U(j+m)如果A1有對(duì)角線素D1，A2有對(duì)角線元素D2，那么可以寫出D1.U(j-m)+Rmax.Uj+D2.U(j+m)＝Ao.Sj-(A1-D1).U(j-m)-(A2-D2).U(j+m)前面這個(gè)方程的左邊代表無時(shí)延或前向射線抵消的分離信號(hào)。分離信道處理器可以比去掉回波的信號(hào)更好地處理帶時(shí)延回波的信號(hào)，以得到較好質(zhì)量的解調(diào)和解碼。這些改進(jìn)的解碼信號(hào)可更好地用于產(chǎn)生所需的信道估計(jì)。可用于這個(gè)目的的設(shè)備是，例如，維持比均衡器，如共同指定的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)朜o.07/965,848，發(fā)于1992年10月22日的題為“雙向解調(diào)方法和設(shè)備”中所描述的那種，該專利這里引為參考。
因此，按照本發(fā)明的這個(gè)示范實(shí)施例，每個(gè)信號(hào)的回波都從其它信號(hào)的估計(jì)中減去，而不是從該信號(hào)本身的估計(jì)中減掉，以便產(chǎn)生可由單個(gè)信道處理器處理的信號(hào)+回波的信號(hào)分離。每個(gè)信號(hào)本身的回波留在附加的合成器中與信號(hào)合成并由維持比均衡器利用。如果回波不是以調(diào)制符號(hào)周期的倍數(shù)被延遲或超前的，那么可使用一個(gè)稱做分?jǐn)?shù)間隔的維持比均衡器。
這樣的均衡器對(duì)附加回波的大小和相位進(jìn)行連續(xù)地估計(jì)和更新，如下面這些專利中所描述的公同指定美國(guó)專利號(hào)5,104,961，Bjorn Gudmundson的題為“把維特比算法適用到具有可變傳輸特性的信道的方法和裝置”；美國(guó)專利號(hào)5,204,878 L.Larsson題為“發(fā)射符號(hào)序列時(shí)實(shí)現(xiàn)衰落信道估計(jì)的方法”，以及美國(guó)專利申請(qǐng)系列號(hào)07/942,270，發(fā)于1992年9月9日，題為“為時(shí)變無線信道做信道估計(jì)的方法”，這里引這三個(gè)專利做為參考。估計(jì)值對(duì)應(yīng)于對(duì)角矩陣D1、Rmax、D2的對(duì)角線元素。已知Cmax和Cmin，Rmin1和Rmin2就可確定，因而在單個(gè)信道處理器中的信道自適應(yīng)的均衡器就可以確定瑞利衰落函數(shù)R0和R1。
通過減去交叉回波-即一個(gè)信號(hào)附加于另一個(gè)不同信號(hào)的回波-進(jìn)行抵消的目的是提供分離的信號(hào)抽樣流，每個(gè)只依賴于一個(gè)信號(hào)和它自身的回波，正如所述的信道自適應(yīng)維持比均衡器所能處理的那樣。但是為了完整性，現(xiàn)在將解釋另一個(gè)方法，它可用于當(dāng)被分的信號(hào)的個(gè)數(shù)相對(duì)較少時(shí)，例如，8個(gè)信號(hào)。
接收矩陣處理器可認(rèn)為不做發(fā)生在以太中的信號(hào)混和。這有利于簡(jiǎn)化信道處理器的操作。但是，如上所述，處理完全周期性衰落的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生數(shù)值計(jì)算上的困難。這會(huì)使某些矩陣變成奇異的，即精確求逆很困難。當(dāng)均衡器試圖除去惡化信道的影響時(shí)也會(huì)產(chǎn)生同樣的問題，例如，遭受選擇性衰落的信道會(huì)在相同頻率的傳輸函數(shù)中引起一個(gè)空值。一個(gè)試圖除去這樣一個(gè)信道影響的反向信道濾波器可能會(huì)產(chǎn)生在零頻率的無限放大，必然會(huì)對(duì)噪聲進(jìn)行巨大的放大并產(chǎn)生其它困難。
所以經(jīng)常建議，如在維持比均衡器中指出的，通過將接收信號(hào)強(qiáng)加于反向信道濾波器以產(chǎn)生可與所要的符號(hào)字母比較的不失真的信號(hào)而使信道不應(yīng)是“未完成的”，但是寧可將所要符號(hào)的字母用信道的數(shù)學(xué)模型而加上相同的信道失真，再將失真的信號(hào)與這個(gè)預(yù)失真的字母進(jìn)行比較。
本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的示范實(shí)施例公開了一個(gè)方法即不試圖去分開或“去混頻”接收矩陣處理中的多個(gè)由陣列接收的信道信號(hào)以產(chǎn)生分離的信號(hào)，可在分離的信道處理器中與所期待的符號(hào)的字母進(jìn)行比較。相反，將所要符號(hào)的字母用每種可能的方式借助于混頻處理的模型進(jìn)行預(yù)混頻，就象在以太中發(fā)生的那樣，(即，借助于C矩陣系數(shù)和信道估計(jì)R的幫助)，然后將混頻的字母與陣列元接收的混頻信號(hào)進(jìn)行比較。
這樣一個(gè)方案使字母表中可能的混頻符號(hào)的個(gè)數(shù)按照信號(hào)個(gè)數(shù)的冪或指數(shù)擴(kuò)展。例如，假設(shè)每個(gè)信號(hào)都用二進(jìn)制符號(hào)調(diào)制。所要的符號(hào)字母表只有兩種符號(hào)0或1。但是，如果陣列元接收8個(gè)信號(hào)的加權(quán)和，每個(gè)信號(hào)瞬時(shí)地以1或0調(diào)制，如果所有的信號(hào)都是在時(shí)間上定位的，所接收的可能的混頻信號(hào)個(gè)數(shù)將是28或256。如果不同的信號(hào)不是在時(shí)間上定位的，那么一個(gè)信號(hào)的一個(gè)符號(hào)周期將與另一個(gè)信號(hào)的兩個(gè)符號(hào)相重疊。因此一個(gè)信號(hào)的一個(gè)符號(hào)周期上的波形將依賴于其它每個(gè)信號(hào)的兩個(gè)符號(hào)。然而，波形的每個(gè)點(diǎn)只依賴于它所在的符號(hào)周期的每個(gè)信號(hào)的一個(gè)符號(hào)。但是，當(dāng)考慮回波的時(shí)候，每個(gè)波形點(diǎn)可依賴于每個(gè)信號(hào)的兩個(gè)符號(hào)，因此將可觀察到的可能值個(gè)數(shù)提高到65536。但是下面將描述如何，例如，使用一個(gè)256態(tài)的維持比算法結(jié)合起來解調(diào)陣列來的信號(hào)。
按照本發(fā)明的一個(gè)示范實(shí)施例的特性，并參考圖19，一個(gè)數(shù)值機(jī)器有256套存儲(chǔ)單元1900，每個(gè)與一個(gè)特定的8比特假設(shè)相關(guān)聯(lián)，用于八個(gè)信號(hào)中的每一個(gè)的前面的二進(jìn)制比特，由于存在時(shí)延回波，接收的陣列信號(hào)將依賴于它們。SMLSE控制器1910為每個(gè)信號(hào)當(dāng)前的二進(jìn)制比特生成另一個(gè)8比特的假設(shè)(postulate)1920。如何生成這個(gè)假設(shè)是不重要的，因?yàn)樗械募僭O(shè)最終將被測(cè)試。在先決條件順序測(cè)試過程中，它們可以，例如，由一個(gè)8比特的計(jì)數(shù)器產(chǎn)生。但是如果所有的先決條件都使用重復(fù)的硬件并行測(cè)試，每個(gè)硬件單元可用一硬線接入以(hard-wired)處理一個(gè)固定的先決條件。
每個(gè)前面的8比特先假設(shè)輪流加上新的8比特假設(shè)，一組8信號(hào)預(yù)測(cè)器1930通過使用衰落信道系數(shù)R和R′以及對(duì)發(fā)射調(diào)制或編碼的先驗(yàn)知識(shí)，預(yù)測(cè)陣列上包括一個(gè)或多個(gè)反射射線的每個(gè)信號(hào)的復(fù)數(shù)值。復(fù)信號(hào)值通過計(jì)算下個(gè)方程合成到矩陣處理器1940中。
Sj＝C·R·Tj+C′·R′·T(j-m)這里C和C′是方陣，代表直接的或時(shí)延的波形主要接收的方向。
如果假設(shè)的8比特是正確的，那么計(jì)算出來的信號(hào)Sj是陣列元預(yù)期接收的信號(hào)。這些假設(shè)的信號(hào)使用比較器1950與陣列元接收的相應(yīng)信號(hào)R1，R2……R8相比較。比較器1950通過，例如，計(jì)算差值平方和來計(jì)算八個(gè)陣列信號(hào)的8個(gè)預(yù)測(cè)值的基本失配值。僅管如此，產(chǎn)生代表基本失配的信號(hào)的其它裝置是技術(shù)人員己知的，都基于平方和的數(shù)學(xué)展開式，如果選擇某個(gè)特定裝置的值得考慮的優(yōu)點(diǎn)則可以使用這些裝置。例如，注意G.Ungerboeck“載波調(diào)制數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的自適應(yīng)最大似然接收器”IEEE通信學(xué)報(bào)，COM-22卷No.4，第624-636頁，1974，5月，美國(guó)專利號(hào)5,031,193 Atkinson等，以及美國(guó)專利號(hào)5,191,548 Buckstion等，這幾篇在這里引為參考。均方誤差信號(hào)和反饋到SMLSE控制器1910，1910將誤差與存貯在狀態(tài)存儲(chǔ)器1900中的先前誤差相加，對(duì)應(yīng)用于信號(hào)預(yù)測(cè)器1930中的先前的8比特信號(hào)假設(shè)1921，產(chǎn)生信號(hào)ri′ti′。
使用每個(gè)存貯的先前的假設(shè)對(duì)每個(gè)新的8比特假設(shè)實(shí)施上述過程。這會(huì)對(duì)每個(gè)新的假設(shè)產(chǎn)生256個(gè)侯選的累積的錯(cuò)誤數(shù)，依據(jù)使用哪個(gè)先前的假設(shè)而定。最低的一個(gè)被選為變成新的累積誤差，該誤差與對(duì)應(yīng)于新8比特假設(shè)的狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)新8比特假設(shè)的所有可能用這種方法處理之后，狀態(tài)存儲(chǔ)器1900將包含256個(gè)與每個(gè)新的假設(shè)有關(guān)的新的累積誤差數(shù)，以及對(duì)每一個(gè)的最好的先前的假設(shè)-即給出最低誤差的那個(gè)-的記錄，及按次序?qū)λ鼈兊南惹暗募僭O(shè)，等等。因此256個(gè)狀態(tài)的每一個(gè)包含8比特值的一個(gè)侯選的解調(diào)序列。這些序列中最舊的值將趨向一致，且當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，該機(jī)制被稱為收斂到一個(gè)單值的判決。然后求出判決的8比特以便得到8個(gè)入射信號(hào)的每一個(gè)的一比特判決。如果沒有收斂且序列存儲(chǔ)器1900滿了，那么認(rèn)為狀態(tài)的最老比特具有最低的累計(jì)誤差而使通道的歷史被截短。然后求得該值，通道歷史存儲(chǔ)器縮短了一比特。
上述處理代表了一個(gè)替代方案，它試圖通過矩陣處理的方法分開經(jīng)混合的信號(hào)。相反地，信號(hào)通過發(fā)射器模型和混和處理模型進(jìn)行假設(shè)，該假設(shè)最好地對(duì)應(yīng)于觀察值，混合的信號(hào)通過SMLSE和1910用上述的方式確定。進(jìn)行混合過程的逆處理以便分離混合的信號(hào)，這在數(shù)學(xué)上是很難處理的，但是這種需要可如下避免對(duì)假設(shè)信號(hào)使用數(shù)學(xué)上可處理的混合過程來預(yù)測(cè)應(yīng)用陣列元接收的混合信號(hào)，并選出最匹配觀察信號(hào)的假設(shè)。當(dāng)使用相同載體的兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)使用同一信道時(shí)，該過程不會(huì)失敗，這個(gè)過程就與聯(lián)合解調(diào)相等效，例如，在美國(guó)專利申請(qǐng)系列號(hào)08/——-中發(fā)于1993年11月22日題為“帶多徑時(shí)間漂移的CDMA信號(hào)聯(lián)合解調(diào)的方法和裝置”中所揭示的那種聯(lián)合解調(diào)。
本發(fā)明的上述示范實(shí)施例可用于衛(wèi)星蜂窩通信系統(tǒng)，通過允許在鄰近網(wǎng)眼中復(fù)用中間頻譜從而提供了可用頻段的較大的應(yīng)用。這些技術(shù)也相對(duì)于陸地蜂窩系統(tǒng)描述，此處，例如，允許在鄰近的扇面中復(fù)用相同的頻率。
事實(shí)上，在本發(fā)明的衛(wèi)星和陸地應(yīng)用中，可以通過自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合流量管理技術(shù)獲得應(yīng)有的益處。流量管理技術(shù)是關(guān)于使用TDMA或FDMA或二者結(jié)合的連續(xù)可操作系統(tǒng)，其中乎叫是連續(xù)結(jié)束并建立新呼叫的。通過用這種方式在時(shí)分或頻分間隔中選擇性地建立新的呼叫優(yōu)化通信的準(zhǔn)則，以建立使用相同時(shí)隙以及/或頻率在組中進(jìn)行流量的自然搜索。該準(zhǔn)則關(guān)于這種情況自適應(yīng)信號(hào)處理可以在相同頻率及/或時(shí)隙基于它們的不同接收、線性無關(guān)組合，使用多個(gè)天線元分開分立的信號(hào)。
按照本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例，信號(hào)處理不適于移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)或建立以及終止新的呼叫，而是用確定方式操作，且相反地流量適于使用動(dòng)態(tài)流量信道分配算法的信號(hào)處理的確定特性。
傳統(tǒng)的陸地蜂窩系統(tǒng)一般使用稱做扇區(qū)劃分的方法，其中單個(gè)的天線必須有三個(gè)，120度覆蓋的天線并從一個(gè)公共點(diǎn)激勵(lì)三個(gè)網(wǎng)眼。與在網(wǎng)眼中心使用三個(gè)分離的天線位置激勵(lì)這三個(gè)網(wǎng)眼相比，這將在房地產(chǎn)的開銷上有所節(jié)省。也存在六扇面系統(tǒng)。蜂窩系統(tǒng)傳統(tǒng)上使用模擬的FM話音傳輸，其中每個(gè)會(huì)話分別分配一對(duì)分開的上下行鏈路頻道。TDMA系統(tǒng)現(xiàn)在使用數(shù)字話音傳輸來建立，其中每個(gè)通話分配一個(gè)唯一的時(shí)隙-頻率信道組合對(duì)。但是，在這些傳統(tǒng)系統(tǒng)中，三個(gè)120度扇面天線對(duì)所有頻率及/或時(shí)隙具有相同的輻射方向圖。
按照本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例，在不同頻率及/或時(shí)隙之間提供了旋轉(zhuǎn)偏移輻射。例如，在頻道1三個(gè)120度扇面可指向0度(正比)、+120度(東南)以及+240度(西南)。在頻道2，三個(gè)扇面可指向60度(東北)、180度(正南)以及300度(西北)。一般來說可有120個(gè)頻道，其相應(yīng)的天線扇面方向偏差彼此之間只有1度。這樣的系統(tǒng)不能使用今天的固定波束蜂窩基站在線來實(shí)施，但是可使用示范的柱面對(duì)稱陣列以及圖18中相關(guān)的矩陣處理來組織。
類似地，天線扇面方位圖可以象在TDMA系統(tǒng)中不同時(shí)隙間一樣旋轉(zhuǎn)交錯(cuò)。在FDMA或TDMA或混合情況下，這個(gè)示范系統(tǒng)可在呼呼建立時(shí)，以及可選擇地在其后面的規(guī)則間隔中，確定最佳的時(shí)間以及或頻率隙組合以用于與移動(dòng)站通信。頻率及時(shí)隙的組合此后被簡(jiǎn)單地縮寫為“信道”。最優(yōu)信道最可能是具有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的指向移動(dòng)臺(tái)方向的天線扇面方位圖的信道。如果選擇的準(zhǔn)則是，例如，最大的信號(hào)強(qiáng)度且信道是空閑的，那么這種信道就會(huì)被選擇。如果準(zhǔn)則是最大信號(hào)干擾比，那么會(huì)產(chǎn)生不同的選擇。自適應(yīng)信道選擇方法可用來實(shí)施本發(fā)明，例如，象美國(guó)專利號(hào)5,230,082，Ghisler等人的發(fā)明中所公開的那種，這里引為參考。
圖20表示了按照?qǐng)D18的組合對(duì)FDMA系統(tǒng)的每個(gè)頻道使用固定的矩陣系數(shù)而產(chǎn)生的一組交錯(cuò)扇面方位圖。在這個(gè)例子中每個(gè)頻道上產(chǎn)生三個(gè)瓣。符號(hào)Pi(Fk)表示在第k個(gè)頻道上第i個(gè)瓣的輻射方位圖。矩陣處理系數(shù)最好選為使P1(Fk)和P2(Fk)有最小值而P3(Fk)有最大值，且互逆地。如果最小值為0，三個(gè)瓣稱為正交的。這允許一個(gè)定位于P1和P2的零值處的移動(dòng)臺(tái)的接收P3的最大信號(hào)，并不受其它兩個(gè)的干擾，它可以載分立的信號(hào)。一般來說，真正的零值不會(huì)完美地實(shí)現(xiàn)，信道選擇的準(zhǔn)則因此將是把移動(dòng)臺(tái)分配給一個(gè)頻率，在該頻率其對(duì)應(yīng)的扇面方位圖產(chǎn)生所要信號(hào)與其它瓣和其它網(wǎng)眼來的不要的干擾之比為最大值。例如，在圖20中，移動(dòng)臺(tái)M最好分配F4，這里瓣P(guān)3(F4)在移動(dòng)臺(tái)M的方向上有最大的強(qiáng)度。如果P3(F4)不可用，嘗試下一個(gè)最好的分配P3(F3)，如此等等。
實(shí)際上，一個(gè)象AMPS這樣的蜂窩系統(tǒng)有1000個(gè)信道可用，時(shí)常在能處理最小值為400的兩個(gè)操作機(jī)之間劃分。使用傳統(tǒng)的21頻率復(fù)用模型，會(huì)在每個(gè)網(wǎng)眼中大約有20個(gè)頻率可用或每個(gè)地點(diǎn)60個(gè)。不同頻率的瓣之間角度的不同在三瓣系統(tǒng)中將是120度的1/20或6度。在這個(gè)例子中，同一地點(diǎn)的不同瓣都有不同的頻率。假設(shè)移動(dòng)臺(tái)在角度上一致分布，信道分配算法將產(chǎn)生每個(gè)移動(dòng)臺(tái)位于波束中心的幾度之內(nèi)的結(jié)果。這會(huì)使移動(dòng)臺(tái)平均來說比今天的固定扇面化方位圖接收較好的信號(hào)，后者在優(yōu)化條件下在每個(gè)扇形邊緣下降大約12dB。如果所要的信號(hào)用這種方式進(jìn)行改善，那么對(duì)周圍網(wǎng)眼來的干擾的忍受能力將得到改善使復(fù)用模式從21縮減到如12這樣的復(fù)用模式，其結(jié)果是得到了21/12的容量增益。使用與在今天的蜂窩系統(tǒng)使用的扇面數(shù)相同的瓣來實(shí)現(xiàn)這些改善。如果瓣數(shù)增加到8，如圖18中所示，將在容量上得到進(jìn)一步的8/3的增加，大約是目前AMPS容量的五倍。另外，允許每個(gè)網(wǎng)眼可接收地選擇400個(gè)頻道中的任一個(gè)以最大化信號(hào)干擾比，與每個(gè)網(wǎng)眼中采用一個(gè)頻率的固定子集(總和的二分之一或十二分之一)相比會(huì)得到2倍的容量。當(dāng)發(fā)射的功率電平也適于每個(gè)移動(dòng)臺(tái)以網(wǎng)眼位置為中心的不同徑向距離時(shí)，則可得到實(shí)現(xiàn)。如上所述通過使用相同頻率正交制造瓣，而在每個(gè)120度扇區(qū)內(nèi)使用所有的60個(gè)位置頻率也是可能的。瓣分開2度，信道分配算法保證不僅每個(gè)移動(dòng)臺(tái)在波束中心的一對(duì)角之間，而且也在同頻瓣的最小值的一對(duì)角之間。
如果不將交差的扇面輻射方位圖與不同的頻道F1、F2、F3…相關(guān)聯(lián)，而是使用單個(gè)頻率使其與TDMA信號(hào)的不同時(shí)隙相關(guān)聯(lián)，那么從基站天線所得的輻射將以一組確定的方向代表時(shí)隙1，一組旋轉(zhuǎn)的方向給時(shí)隙2，依次類推，從而使波束隨時(shí)間透明地旋轉(zhuǎn)。因此在TDMA情況下，本發(fā)明的這個(gè)示范實(shí)施例將按照產(chǎn)生在一個(gè)TDMA幀上連續(xù)旋轉(zhuǎn)360度的波束的方法來形成，或更恰當(dāng)?shù)兀谝粋€(gè)TDMA幀上旋轉(zhuǎn)360/N度，這里N是頻率復(fù)用扇區(qū)的個(gè)數(shù)，而且下一幀的數(shù)據(jù)調(diào)制將在連續(xù)幀之間后移一個(gè)扇區(qū)，使得同一移動(dòng)臺(tái)的數(shù)據(jù)在相同方向上連續(xù)輻射。目標(biāo)為一特定移動(dòng)臺(tái)的數(shù)據(jù)在US IS54 TDMA系統(tǒng)中通過在TDMA脈沖中包括一個(gè)“數(shù)字話音色編碼”(DVCC)而被表示。因此，例如，這個(gè)技術(shù)可按照如下方法更簡(jiǎn)單地描述在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)天線扇面方位圖而在相反方向上以相同速度旋轉(zhuǎn)DVCC，使得相同的DVCC在連續(xù)幀中以相同方向連續(xù)輻射。
本發(fā)明的兩個(gè)示范的FDMA和TDMA實(shí)施例都提供了可以確定近似地理位置的移動(dòng)臺(tái)。在FDMA情況，移動(dòng)臺(tái)在不同頻率上測(cè)量相對(duì)的信號(hào)強(qiáng)度。接收最大信號(hào)強(qiáng)度的頻率表明某扇區(qū)內(nèi)的移動(dòng)臺(tái)的方位。通過將包含在發(fā)射中的扇區(qū)ID信息進(jìn)行解碼而得以確定扇區(qū)。
在示范TDMA實(shí)施例中，移動(dòng)臺(tái)甚至不必改變頻率。相反，移動(dòng)臺(tái)注意在一個(gè)TDMA幀中周期性的信號(hào)強(qiáng)度變化而確定相對(duì)于時(shí)隙1的峰值、谷值信號(hào)強(qiáng)度出現(xiàn)的位置，可由每個(gè)時(shí)隙中所帶的時(shí)隙ID信息來辨別。
周期性的信號(hào)強(qiáng)度變化可在傅立葉變換的幫助下在幾個(gè)周期上進(jìn)行處理，相對(duì)于時(shí)隙1的基波成分的相位表明了移動(dòng)臺(tái)的方位。兩個(gè)已知位置的基站的方位固定了移動(dòng)臺(tái)的位置。移動(dòng)臺(tái)可以報(bào)告信號(hào)強(qiáng)度峰值的時(shí)序，網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行位置計(jì)算，而不是由網(wǎng)絡(luò)向移動(dòng)臺(tái)發(fā)基站的坐標(biāo)。在分配一個(gè)業(yè)務(wù)信道給一個(gè)呼叫的或被呼叫的移動(dòng)臺(tái)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可以確定所有時(shí)隙/頻率組合中哪一個(gè)是最好用的。
上面的描述也適于在移動(dòng)站和軌道衛(wèi)星之間提供較好的通信。按照這個(gè)實(shí)施例，天線陣列信號(hào)處理不適于變化的移動(dòng)臺(tái)位置，而是將移動(dòng)臺(tái)按照優(yōu)化通信的方式基于位置分配一個(gè)特定的天線陣列信號(hào)處理信道。即，移動(dòng)臺(tái)被適當(dāng)?shù)胤峙涞绞褂枚鄠€(gè)固定交錯(cuò)天線波束位置之一的通信，而不是適當(dāng)?shù)貙⑻炀€波束調(diào)整到移動(dòng)臺(tái)位置。
這個(gè)操作對(duì)于衛(wèi)星使用可略做修改。固定天線波束的概念可應(yīng)用于靜止衛(wèi)星，而不慶用于諸如相對(duì)地球位置變化的低軌道衛(wèi)星。相對(duì)于給定移動(dòng)臺(tái)的波束位置將由于衛(wèi)星的移動(dòng)而不是由于移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)而移動(dòng)。如果衛(wèi)星波束在地球上的移動(dòng)與平均3分鐘呼叫持續(xù)時(shí)間相比是相對(duì)較慢的，那么象與在靜止衛(wèi)星情況下一樣，在呼呼建立時(shí)將移動(dòng)臺(tái)分配到一個(gè)波束也足夠了。但是，按照本發(fā)明的這個(gè)示范實(shí)施例，波束方向可適于去掉衛(wèi)星在地球上有規(guī)則的移動(dòng)，使得被每個(gè)波束激勵(lì)的區(qū)域從衛(wèi)星升起到衛(wèi)星落下都是靜態(tài)不變的。用這種方法，移動(dòng)臺(tái)可以在這段時(shí)間內(nèi)保持分配到同一波束而不管衛(wèi)星是否移動(dòng)。
更進(jìn)一步地，這種低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)為提供連續(xù)的覆蓋，即一個(gè)衛(wèi)星落下另一個(gè)則升起。例如，可以設(shè)計(jì)為一個(gè)在西方升起的衛(wèi)星接替由于東方落下的衛(wèi)星而空了的同一區(qū)域的激勵(lì)。那么，由于鄰近東方區(qū)域受到正在下落衛(wèi)星所造成的損失，正在升起的衛(wèi)星則制造一個(gè)新的波束在保持上面提到的第一個(gè)波束仍覆蓋原區(qū)域的情況下吻合地接入，如此下去直到新的衛(wèi)星接替了落下衛(wèi)星原來服務(wù)的所有區(qū)域的激勵(lì)。
因此，在移動(dòng)衛(wèi)星情況下，本發(fā)明的這個(gè)示范實(shí)施例允許衛(wèi)星天線的激勵(lì)方位圖彌補(bǔ)衛(wèi)星的移動(dòng)，以便可使用優(yōu)化通信質(zhì)量準(zhǔn)則的信道分配算法適當(dāng)?shù)貙⒁苿?dòng)臺(tái)分配到激勵(lì)方位圖而激勵(lì)地球上固定的區(qū)域。這與傾斜衛(wèi)星或天線以保持至少一個(gè)區(qū)域中點(diǎn)恒定來補(bǔ)償衛(wèi)星移動(dòng)的機(jī)械方法不一樣。但是，這種機(jī)械方法不能保持網(wǎng)眼激勵(lì)區(qū)域中點(diǎn)恒定，因?yàn)樾l(wèi)星在頭上移動(dòng)時(shí)這些區(qū)域的形狀從圓形變到橢圓，最后在地球邊緣激勵(lì)時(shí)變成拋物線。可代替地，本發(fā)明這個(gè)示范實(shí)施例可使用機(jī)械方法做粗補(bǔ)償，加上自適應(yīng)天線陣列信號(hào)處理的方法糾正由于衛(wèi)星移動(dòng)而形狀改變的激勵(lì)方位圖?？纱娴兀盘?hào)處理可用于保持由某個(gè)特定頻率及/或時(shí)隙服務(wù)的區(qū)域恒定，而逐步地在被下落衛(wèi)星變空的衛(wèi)星地面軌跡前方產(chǎn)生新的區(qū)域，并結(jié)束接近升起衛(wèi)星接替的地面軌跡的尾部的區(qū)域的激勵(lì)。
本發(fā)明的這個(gè)示范實(shí)施例的操作描繪于圖21(a)和21(b)中。在某個(gè)時(shí)間T(圖21(a))一個(gè)開起衛(wèi)星210激勵(lì)帶頻率(從左到右)F1、F2 F3、F1、F2、F3、F1、F2的區(qū)域，一個(gè)下落的衛(wèi)星2102激勵(lì)帶頻率(從左到右)F3、F1、F2、F3、F1、F2、F3、F1的區(qū)域，它們繼續(xù)頻率復(fù)用序列。例如，在時(shí)間T+5分(圖21(b))升起的衛(wèi)星2100停止激勵(lì)最后面的F1區(qū)域2104，該區(qū)域估計(jì)現(xiàn)在已從視野中模糊(即衛(wèi)星在地平線上的位置太低已不能和該區(qū)域很好地通信)，此時(shí)落下的衛(wèi)星2102由于同樣原因停止激勵(lì)它最后面的帶頻率F3的區(qū)域2106。
另一方面，升起的衛(wèi)星已在它地面軌跡的前面產(chǎn)生了一個(gè)新的激勵(lì)區(qū)域2107去填補(bǔ)由于落下衛(wèi)星而變空的區(qū)域。升起的衛(wèi)星2100可以恰當(dāng)?shù)丶?lì)新的具有前面用過的相同頻率的激勵(lì)區(qū)2107，同時(shí)，對(duì)于該區(qū)域正在下落的衛(wèi)星2102從它地面軌跡前方區(qū)域看來則是正在上升，并使用釋放的容量在它地面軌跡的前方產(chǎn)生一個(gè)由頻率F2激勵(lì)的新的區(qū)域2108。
在交迭區(qū)域不使用不同頻率，而是分配TDMA幀中不同的時(shí)隙，或在混合FDMA/TDMA系統(tǒng)中分配不同的頻率/時(shí)隙組合將會(huì)更好?；蛘?，較大數(shù)目的可用信道允許交迭波束比圖21(a)和21(b)中的例子更精細(xì)地分開，使得將移動(dòng)臺(tái)分配到一個(gè)鄰近波束與分到最佳波束等效。邏輯上講，應(yīng)該將移動(dòng)臺(tái)很好地分配到能使移動(dòng)臺(tái)位于中心的那個(gè)波束。但是如果相應(yīng)的信道被占用了，移動(dòng)臺(tái)可分配到稍微偏離中心一些的波束，且當(dāng)使用那個(gè)可在中心的波束的通話結(jié)束之后可以切換到那個(gè)波束上。
在示范TDMA實(shí)施例中，上升的衛(wèi)星和下落的衛(wèi)星都使用相同頻率激勵(lì)相同區(qū)域，只要使用不同時(shí)隙即可。因此，信道和衛(wèi)星分配策略按照本發(fā)明將允許交換區(qū)域內(nèi)的通話自然地在下落衛(wèi)星上結(jié)束，并在同一區(qū)域和同一頻率上重新占用空掉的時(shí)隙，使用上升的衛(wèi)星建立新的通話。
圖22是一個(gè)將矩陣系數(shù)提供給中心站數(shù)值矩陣處理器的示范控制處理器的框圖，例如圖13中的塊1603。控制處理器2200的輸入包括從獨(dú)立的衛(wèi)星遙測(cè)跟蹤和命令(TT&L)子系統(tǒng)(未表示)得來的含姿態(tài)控制信息的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)。使用衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星天線指向信息(姿態(tài)控制信息)以及一個(gè)實(shí)時(shí)鐘的輸入，控制處理器2200可以確定所需的矩陣系數(shù)以使給定區(qū)域用特定的時(shí)隙中特定的頻率來激勵(lì)。這些系數(shù)隨實(shí)時(shí)鐘的改變逐步有規(guī)律地更新以保持被激勵(lì)區(qū)域大致固定，而與衛(wèi)星移動(dòng)無關(guān)?？刂铺幚砥?200也接收移動(dòng)站發(fā)射的在通話信道上制造隨機(jī)訪問的信息，它允許控制處理器確定將使用的最佳可用的信道/波束組合。這個(gè)信息提供了移動(dòng)臺(tái)位置的大致指示，并且控制處理器可以確定中心最接近于該位置的可用的波束。這又來確定了用于與該移動(dòng)臺(tái)通信的頻率和/或時(shí)隙。
對(duì)精于技術(shù)的人來說，顯然TDMA和FDMA不是與本發(fā)明兼容的僅有的訪問方法。碼分多址(CDMA)也可使用，這里激勵(lì)區(qū)域按照CDMA碼使用模型類似地交錯(cuò)覆蓋地面。事實(shí)上，任何通過使用一組訪問參數(shù)定義一個(gè)信道的多址訪問方法都按照這些訪問參數(shù)自動(dòng)地交迭激勵(lì)區(qū)域。另外，用于下行鏈路的訪問方法可與用于上行鏈路的訪問方法不同，只要一組上行鏈路訪問參數(shù)與對(duì)應(yīng)的一組下行鏈路參數(shù)在每個(gè)偏差波束或交錯(cuò)激勵(lì)區(qū)域中是成對(duì)的。例如，下行鏈路的TDMA與上行鏈路CDMA的組合，不管接收下行鏈路時(shí)隙時(shí)的一個(gè)短的中斷，上行鏈路的發(fā)射是連續(xù)的，美國(guó)專利申請(qǐng)系列號(hào)——發(fā)于1994年1月11日，題為“TDMA/FDMA/CDMA混合無線訪問方法”的文章公開了這種情況，這里引為參考。已描述過一個(gè)示范實(shí)施例，其中動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)信道分配允許業(yè)務(wù)適應(yīng)于信號(hào)處理的確定特性，現(xiàn)在將描述一個(gè)補(bǔ)充的示范實(shí)施例，其中可通過編碼和頻率復(fù)用方案而得到容量的優(yōu)化。
一個(gè)蜂窩衛(wèi)星通信的最終容量受可用帶寬的限制，因?yàn)楣β实南拗瓶偪梢杂缅X來解決，例如，靠發(fā)射更多的衛(wèi)星。但是，實(shí)際上在功率在存在財(cái)政的限制，在頻帶上受政治的限制，因此需要在不相當(dāng)大地犧牲功率效率的條件下充分有效地使用頻帶。
應(yīng)當(dāng)理解帶寬和功率效率的折衷對(duì)于一個(gè)網(wǎng)眼(即，區(qū)域或全球覆蓋系統(tǒng))與對(duì)于一個(gè)單獨(dú)鏈路是不同的，因?yàn)閱蝹€(gè)鏈路的折衷不用考慮周圍網(wǎng)眼中頻率復(fù)用的可能性。在兩種情況下容量的單位事實(shí)上是不同的，單個(gè)鏈路為Erlangs/MHz，蜂窩系統(tǒng)則是EHangs/MHz/Sqkm。
一個(gè)蜂窩系統(tǒng)通過將服務(wù)區(qū)域劃分成網(wǎng)眼并在每個(gè)中使用總可用帶寬的一個(gè)部分1/N來激勵(lì)這個(gè)服務(wù)區(qū)域。一組N個(gè)鄰接的網(wǎng)眼被分配了不同的1/N部分，使它們不會(huì)干擾。在這個(gè)組之外，因?yàn)榫W(wǎng)眼足夠遠(yuǎn)了，帶寬可以重分配給另一組。
使用N個(gè)網(wǎng)眼復(fù)用模式來減小干擾可用載波對(duì)干擾的比C/I來衡量，這是所要的信號(hào)功率與所有不要的頻譜和時(shí)間上重迭的信號(hào)功率的總和之比。增加N即增加C/I，但是降低了每個(gè)網(wǎng)眼中可用帶寬，因此限制了系統(tǒng)容量。減少N使C/I變差，但是增加了每個(gè)網(wǎng)眼的可用的帶寬。如果調(diào)制和編碼方案可容忍C/I的降低，容量將通過減少N而增加。
提供較大的C/I容限在一個(gè)方法是使用冗余編碼。該法增加了每信號(hào)的帶寬，便與縮小復(fù)用模式N所獲效益相抵消了。所要問的問題是優(yōu)化哪里。
在陸地蜂窩系統(tǒng)中，這個(gè)問題已深入研究了，使一些人總結(jié)出CDMA技術(shù)的極大的頻帶擴(kuò)展結(jié)合每個(gè)網(wǎng)眼內(nèi)的中頻復(fù)用提供了較高的容量。但是，按照本發(fā)明的示范實(shí)施例，發(fā)現(xiàn)容量隨增加編碼而增加且減少N直到在編碼率大約為1/3時(shí)達(dá)到N＝1(對(duì)陸地蜂窩)。在這一點(diǎn)上該系統(tǒng)不應(yīng)認(rèn)為是真正的CDMA，因?yàn)槊總€(gè)信道仍只在每個(gè)網(wǎng)眼中使用一次。CDMA可定義為在每個(gè)網(wǎng)眼中每個(gè)信道的使用超過一次，即，N的一個(gè)分?jǐn)?shù)值。例如，N＝1/2表示在每個(gè)網(wǎng)眼中每個(gè)信道使用兩次，將歸為CDMA。
這種進(jìn)一步地降低N到一個(gè)分?jǐn)?shù)值是否會(huì)連續(xù)增加容量依據(jù)使用何種類型的CDMA系統(tǒng)來定，并與傳播信道的特性以及用于系統(tǒng)的接收復(fù)雜度有關(guān)。
三種類似的CDMA系統(tǒng)可如下區(qū)域i)傳統(tǒng)的，非正交的CDMAii)正交CDMAiii)干擾抵消的CDMA(負(fù)CDMA，聯(lián)合解調(diào)等)對(duì)于陸地蜂窩世界，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于類型(i)的CDMA容量下降到低于N＝1，對(duì)正交CDMA來說電平減少(它確實(shí)等效于給每個(gè)信號(hào)賦給一個(gè)唯一的頻率或時(shí)隙)，對(duì)類型(iii)系統(tǒng)則增加。另外，對(duì)陸地蜂窩類型(iii)的系統(tǒng)-此處N＜1-所得到的增益是由于高的各處環(huán)境使得CDMA技術(shù)固有的干擾平均包括了很多相當(dāng)大地降低功率的發(fā)射機(jī)，也由于陸地蜂窩情況受C/I限制而不是噪聲C/No限制。這些特性中的哪一個(gè)都與衛(wèi)星通信系統(tǒng)無關(guān)。相應(yīng)地，本發(fā)明揭示了在C/No限制的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中對(duì)于給定的帶寬分配，何種編碼/頻率復(fù)用的折衷將使容量最大化。
在陸地蜂窩系統(tǒng)中，網(wǎng)眼之間的信號(hào)的漏失是距離的四次方傳播定律的函數(shù)。在蜂窩-衛(wèi)星系統(tǒng)中C/I是天線波束方位圖旁瓣的函數(shù)。因此有必要開發(fā)一些天線波束方位圖模型來執(zhí)行編碼優(yōu)化。
天線的波束方位圖依賴于孔徑上分布的表面電流，稱為孔徑激勵(lì)函數(shù)。在不引起超增益現(xiàn)象的情況下，用一致激勵(lì)獲得孔徑的最有效使用。這給出了最佳增益但最高的旁瓣。對(duì)于一個(gè)一致激勵(lì)的圓孔徑圖23中畫出了輻射方位圖。E和H平面的旁瓣由于出現(xiàn)在包含表面電流矢量平面的一個(gè)多余的余弦因子而略有不同。當(dāng)使用圓極化時(shí)，這個(gè)不同表明了它本身是個(gè)交叉極化成分。于是E和H平面方位圖將簡(jiǎn)單地為計(jì)算C/I而取平均。
再次參考圖5，它表示了一個(gè)3網(wǎng)眼的頻率復(fù)用模式，那里帶陰影的網(wǎng)眼使用相同信道f1而其它使用f2或f3。這個(gè)復(fù)用模式將用于研究衛(wèi)星通信的編碼/頻率復(fù)用折衷，但是，精于技術(shù)的人會(huì)理解可以使用任何復(fù)用模式，即，7，9，12，21等。干擾蜂窩位于六角形的頂點(diǎn)且考慮六個(gè)干擾的第一個(gè)兩個(gè)環(huán)就足夠了。但是在干擾電平被計(jì)算之前，有必要選擇正確的波束方位圖的標(biāo)度以匹配網(wǎng)眼直徑。
如果波束標(biāo)為相對(duì)于兩網(wǎng)眼之間的峰值增益為-3dB處交叉，那么可知不會(huì)產(chǎn)生最大的波束邊緣增益。如果波束變窄可得較高增益，它增加了峰值增益，超過了所遭受的邊緣損耗的增加。
圖24是峰值增益2401(在網(wǎng)眼中心)邊緣增益2402(在兩網(wǎng)眼之間)以及三網(wǎng)眼2403之間的增益做為兩網(wǎng)眼交叉點(diǎn)以dB為單位從峰值下降的函數(shù)的圖，相對(duì)于峰值增益的-3dB交叉點(diǎn)的情況。因?yàn)楹竺鎸⒁忉尩脑?，兩網(wǎng)眼邊緣增益在本圖中以2為系數(shù)標(biāo)定(即，加入3.01dB)，三網(wǎng)眼邊緣增益以3為系數(shù)標(biāo)定(即，加入4.771dB)。這不影響相應(yīng)的增益峰值的位置，而是影響感覺三個(gè)中哪個(gè)的情況最差。按照這個(gè)圖，最差情況發(fā)生在兩個(gè)網(wǎng)眼中間，當(dāng)兩網(wǎng)眼邊緣比峰值增益下降3.8dB，即在點(diǎn)2404處，最差情況增益被最大化。
在圖5的3網(wǎng)眼復(fù)用模式下C/I參數(shù)如何依賴于波束交叉點(diǎn)在圖25中表示。圖25畫出-3、-3.5以及-4dB交叉點(diǎn)做為移動(dòng)站到波束中心距離和函數(shù)，表明如果波束變窄超過了給出最大邊緣增益的程度，覆蓋多數(shù)網(wǎng)眼半徑的C/I會(huì)增加。如果必要，選擇-4.5dB的交叉點(diǎn)會(huì)引起邊緣增益的可忽略的損失，而將網(wǎng)眼中心的C/I進(jìn)一步改善大約3dB到20dB。按照?qǐng)D4網(wǎng)眼邊緣的C/I只少于10dB，但是這包括波束邊緣交叉點(diǎn)不減輕的損失，后面將解釋，因?yàn)闆]有移動(dòng)臺(tái)需要定位在那里所以也不會(huì)造成損失。
如果指派到一個(gè)特定信道和波束的移動(dòng)臺(tái)被選為定位在最大網(wǎng)眼半徑的25％之內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)的C/I繪于圖26中。用-5.5dB波束交叉點(diǎn)設(shè)計(jì)的最差情況C/I被最大化到大約23dB，超過了給出最大邊緣增益的程度，所以實(shí)際上使用-4.5dB的交叉點(diǎn)，最差情況C/I為18dB。
對(duì)于N＝1的頻率復(fù)用模式，即在鄰近網(wǎng)眼中復(fù)用中頻頻率，重復(fù)同樣的計(jì)算，得到的結(jié)果繪于圖27中。它表示出在-4dB交叉點(diǎn)情況下網(wǎng)眼中心的C/I為14dB，但網(wǎng)眼邊緣C/I大約是-1.5dB。圖27中曲線的粗度是由于網(wǎng)眼中所有移動(dòng)臺(tái)角度位置圖的疊加，與角度位置有關(guān)，在N＝1情況下比N＝3情況稍明顯一些。6個(gè)干擾的第1個(gè)6個(gè)環(huán)合起來得到圖27中的圖。
另外后面將表明，使用特定信道和波束的移動(dòng)臺(tái)可限制在波束中心25％或更小的范圍內(nèi)，因此在這樣的區(qū)域內(nèi)最大化最差情況的C/I是感興趣的問題，如圖28所示。在這種情況下最差情況C/I通過選擇波束交叉點(diǎn)為-4.8dB而最大化到13dB，但是交叉點(diǎn)可能限制到-4.5dB，雖然C/I下降了一些到12.5dB但是防止了波束邊緣增益的損失。
圖29～34給出為一個(gè)不同孔徑激勵(lì)函數(shù)，1/2余弦波，重復(fù)上述全部處理的結(jié)果。這個(gè)孔徑激勵(lì)函數(shù)的孔徑效率稍小于一個(gè)一致分布，但給出較低的旁瓣電平(參照?qǐng)D29)，得到較高C/I，特別是在3-網(wǎng)眼復(fù)用的情況下(20dB覆蓋整個(gè)網(wǎng)眼，或27dB到25％的半徑)。如圖34中所見的，到25％網(wǎng)眼半徑的中頻復(fù)用C/I是13.5dB，帶有實(shí)際上-4.5dB的波束邊緣交叉點(diǎn)。由于一致激勵(lì)它是12.5dB，對(duì)于圖28應(yīng)該注意，這個(gè)值對(duì)使用的孔徑函數(shù)不是很敏感的。
誤比特率通常繪為一個(gè)Eb/No的函數(shù)，如果在一個(gè)等于比特率的帶寬中量度，它(誤比特率)等于信號(hào)功率與噪聲功率之比。后者并不意味著一些假設(shè)，即任何物理接收機(jī)濾波器帶寬必須等于比特率；它只是說“比特率”對(duì)于定義噪聲強(qiáng)度是一個(gè)方便的帶寬單位，通過它可以測(cè)試一切給定接收機(jī)的性能。接收機(jī)誤比特率性能當(dāng)然地依賴于它的帶寬的選擇，并且在一個(gè)給定的Eb/No下，它的優(yōu)化性能可能高于或低于根據(jù)使用的調(diào)制和編碼的比特率。
C/I參數(shù)，通過對(duì)比，是在物理接收機(jī)帶寬為想要的和不想要的信號(hào)功率之比。然而，如果C和I具有相同的頻譜形狀并因此受到相同的濾波器影響，這個(gè)比值是不依賴于所選的接收濾波器。做為簡(jiǎn)化，任何通過接收濾波器的“I”在誤碼率上將有一個(gè)如等量白噪聲No B通過濾波器的相同的效果，其中B是噪聲帶寬，I的結(jié)果可以通過一個(gè)噪聲強(qiáng)度No增加一個(gè)Io到No+Io來等效地表達(dá)，其中，Io如下給出
I＝Io·B即Io＝I/B對(duì)于BPSK調(diào)制，最優(yōu)的接收機(jī)帶寬確實(shí)等于比特率，而對(duì)QPSK調(diào)制，最優(yōu)的接收機(jī)帶寬等于比特率的一半。所以在這里比特率是編碼的比特率/chip速率，而定義Eb/No的比特率是信息速率。因此B＝比特率/r，對(duì)于BPSK情況，編碼率r；B＝比特率/2r，對(duì)于QPSK情況，并且對(duì)于一般的M-ary調(diào)制；B＝比特率/rLog，(M)＝比特率/mr，這里m是每符號(hào)的比特?cái)?shù)。
因此，總比特能量Eb對(duì)噪聲加干擾強(qiáng)度的比如以下給出Eb(No+Io)=[NoEb+BitrateB·IC]-1=[NoEb+mr·IC]]]>對(duì)于小于0.5dB的Eb/No衰減，由于有限的C/I要求一個(gè)給定的誤碼率，因此mr·I/C的值應(yīng)該是No/Eb的十分之一。
例如，如果希望沒有3dB的干擾的比率Eb/No，那么操作在3.5dB Eb/No，C/I就一定是10mr·Eb/No。對(duì)于BPSK或QPSK以及不同的編碼率，對(duì)示范編碼率，要求的C/I如下給出
以上是用于一個(gè)靜態(tài)的信道并且沒有考慮對(duì)于同一誤碼率，較低的Eb/No需要較低速率的碼。
Clark和Cain所著的“用于數(shù)字通信的糾錯(cuò)編碼”給出了對(duì)于0.1％BER，約束長(zhǎng)度為6，卷積編碼率為1、3/4、2/3、1/2和1/3所要求的Eb/No如下
通過推斷，可以估計(jì)，后來的1/4編碼率將要求減小返回的2.3dB。使用這些Eb/No數(shù)字，對(duì)于小于一個(gè)給定的衰減所要求的C/I計(jì)算為對(duì)0.5dB要求的C/I1.0dB損耗3.0dB損耗BPSKQPSKBPSK QPSKBPSK QPSK編碼率1(無)17.2dB 20.2dB 13.7 16.79.712.73/413.216.210.9 13.96.99.92/312.215.28.711.74.77.71/210.513.57.010.03.06.01/38.3 11.34.87.8 0.83.81/46.8 9.8 3.36.3-0.712.31/55.7 8.7 2.25.2-1.81.2dB
因此，對(duì)于一個(gè)給定的誤碼率級(jí)，當(dāng)Eb/No由于增加編碼超出時(shí)，要求的C/I由于帶寬持續(xù)的增加而持續(xù)的減小。這等同于編碼增益用于Eb/No和處理增益的分離概念(用于C/I)。編碼增益被香農(nóng)極限限制，而處理增益如在一個(gè)CDMA系統(tǒng)中，隨帶寬持續(xù)地增加。
以上對(duì)于靜態(tài)信道的結(jié)果對(duì)于一個(gè)衰落的信道則是悲觀的。當(dāng)Rician或Rayleigh衰落出現(xiàn)，平均的Eb/No能增加到大于靜態(tài)的Eb/No要求以維持相同的誤碼率。而在衛(wèi)星下行鏈路，C/I并不表現(xiàn)為衰落，這是因?yàn)镮和C都精確地通過同一信道到達(dá)指定的移動(dòng)站并且有精確等量的衰落。因此，當(dāng)Eb/No衰落10dB時(shí)，C/I并不減少10dB，而是保持原值。
在衰落信道中，既然在平均Eb/No上的誤碼率相當(dāng)大地小于目標(biāo)值，并且當(dāng)它衰落到靜態(tài)的Eb/No值時(shí)仍僅是等于目標(biāo)值，很明顯，只有通過衰落低于靜態(tài)Eb/No值，誤碼率只能達(dá)到目標(biāo)值。實(shí)際上，可以看出從瞬時(shí)Eb/No區(qū)域出現(xiàn)的錯(cuò)誤遠(yuǎn)低于靜態(tài)Eb/No值，相同的C/I導(dǎo)致少的衰落。可以假定，與所需用于衰落的較高Eb/No相結(jié)合，較低的C/I值可被忍受。
因此，中頻復(fù)用和到25％波束半徑獲得的12.5～13.5dB C/I值對(duì)于編碼率1/2到1/3并使用QPSK是可以接受的。增加復(fù)用圖樣到N＝3將在每一網(wǎng)眼中產(chǎn)生少于3倍的帶寬。要求去掉全部的編碼并考慮比QPSK更高階的調(diào)制，以獲得相同的帶寬效率，但需要高很多的功率作為相伴的代價(jià)(例如，7.7dB到10.7dB的Eb/No用于獲得3網(wǎng)眼復(fù)用圖樣的C/I。因此，使用N＝3或更高的復(fù)用圖樣代替N＝1，在帶寬效率上沒有增益，而只有一個(gè)很大的代價(jià)，如果保持編碼的話，或者是在功率效率的付出(用于維持去掉編碼的相同的帶寬效率，如在AMSC系統(tǒng)中)，或者以帶寬效率為代價(jià)。
為了使用以上的結(jié)果，下面解釋波束的作用如何被移動(dòng)站定位限制，例如，只到25％的波束半徑或更小。
一個(gè)上至2∶1的容量增益，可以通過一種如我們所知的“復(fù)用分區(qū)”頻率方案在蜂窩系統(tǒng)中獲得。在一種簡(jiǎn)單形式的復(fù)用分區(qū)中，在一個(gè)網(wǎng)眼中可用的信道被分區(qū)為3個(gè)集合，優(yōu)先地用于a)在全部網(wǎng)眼區(qū)域內(nèi)部1/3的移動(dòng)站；b)在網(wǎng)眼區(qū)域1/3和2/3之間的移動(dòng)站，以及c)在網(wǎng)眼區(qū)域外部1/3的移動(dòng)站。假設(shè)在網(wǎng)眼內(nèi)部移動(dòng)站的一致區(qū)域分布，這種分區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)于每一個(gè)信道集合相等的要求。給相等區(qū)域環(huán)的信道分配就根據(jù)一個(gè)3-網(wǎng)眼復(fù)用圖樣在相鄰的網(wǎng)眼中交換，結(jié)果是沒有兩個(gè)相鄰的網(wǎng)眼使用相同的信道到它們共同的邊界，隨之發(fā)生的是無容量損耗的C/I增加。全部獲得一個(gè)給定的C/I的復(fù)用圖樣可能隨后被收縮到獲得一個(gè)容量上的增加?；谙惹暗脑瓌t，復(fù)用分區(qū)和編碼能根據(jù)現(xiàn)在將被描述的當(dāng)前發(fā)明的示范實(shí)施例被最恰當(dāng)?shù)睾喜ⅰ?br> 圖35給出一個(gè)3信道或信道組(可能是頻率、時(shí)隙、碼或這些的組合)情況下的簡(jiǎn)化的例子的形式。由黑、紅和綠色指示的在每一個(gè)波束中都是可用的。在設(shè)計(jì)的交叉點(diǎn)(例如-4.5dB)的波束邊緣由圖35的較大的著色的圓示出。
大的黑色相切的圓代表用“黑色”信道的波束并且切于從峰值增益下降-4.5dB處。大的紅色相切的圓代表紅色信道的波束圖樣。這些是相對(duì)于“黑色”波束被替換的，并且這些固定替換的例子是通過修改一個(gè)“紅色”信道相對(duì)于“黑色”信道的相位數(shù)組中的相位獲得的。它也可以通過使用一個(gè)多饋電拋物線反射器獲得，其中沒修改的波束圖樣被用于“黑色”信道，但是其中3個(gè)相鄰饋電的每一個(gè)被指向一個(gè)“紅色”網(wǎng)眼的能量的1/3所激勵(lì)。由于相干疊加，在“紅色”網(wǎng)眼中央的增益將是一個(gè)在該點(diǎn)的“黑色”波束增益的3倍，有效的“洞中填充”?！熬G色”波束的形成與“綠色”頻率或時(shí)隙的方法精確的相同。這是通過使用指向信號(hào)的適當(dāng)組合的地面硬件來實(shí)現(xiàn)的，通過直接與每個(gè)饋電源相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)發(fā)器信道。
在圖35中，較小的圓所示使用一個(gè)特定的信道進(jìn)入其中的區(qū)域，在它之外，一個(gè)不同的信道對(duì)于一個(gè)更為中心地指向的波束是可用的。這個(gè)區(qū)域已被填充為在這種情況下的黑色，用于協(xié)助確定它。這個(gè)區(qū)域從一個(gè)波束的中心向外擴(kuò)展到波束半徑除以 那就是“網(wǎng)眼”區(qū)域僅是“波束”區(qū)域的1/3，并且在“網(wǎng)眼”中的移動(dòng)站只使用“波束”到稍多于波束半徑的50％。
在實(shí)際中，當(dāng)然，每個(gè)波束有超過3個(gè)很多的信道是可用的，所以可能計(jì)劃只有1/M的波束的一小片區(qū)域的風(fēng)眼，其中M是可用的信道數(shù)。M＝7的例子，波束僅使用到它們半徑的 如圖36所說明。在實(shí)際中，M至少是100，所以網(wǎng)眼半徑可以是波束半徑的1/10，因此波束配置的增益和C/I性能僅對(duì)于波束一小片覆蓋那一部分是重要的。這并不意味著縮小那一小片以獲得更多的增益是可能的，正如不可能那么容易地“洞中填充”。對(duì)于大量的偏移波束，期待物理饋電整相以在任何地點(diǎn)都產(chǎn)生峰值增益，并且如圖24和圖30所指示的。獲得增益(通過只將兩個(gè)饋電一起整相)最困難的位置是在兩個(gè)點(diǎn)的中間，并且通過選擇波束邊緣交叉點(diǎn)使那種情況下的增益最大，如圖24和圖30所指導(dǎo)示。兩個(gè)波束間的增益是波束邊緣增益的2倍，而三個(gè)波束間的增益是該點(diǎn)上一個(gè)波束增益的3倍。(例如高3dB)。這解釋了比較那3點(diǎn)增益的圖24和30中的標(biāo)度。
因此，速率在1/2和1/3之間的糾錯(cuò)編碼，在任何情況下，期待于功率效率的原因，也能提在每一個(gè)波束的中頻復(fù)用中獲得的C/I容限，如果采用了上述的復(fù)用分區(qū)技術(shù)。復(fù)用分區(qū)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)，不需重排序到空設(shè)置或干擾抵消，即全部天線自由度用于使增益最大化。干擾抵消或建立在相鄰網(wǎng)眼中央為空的圖樣的技術(shù)，可以做為進(jìn)一步的好處以減小相鄰波束的C/I到可以忽略的比例。
一個(gè)可以用于實(shí)施這個(gè)當(dāng)前發(fā)明的示范實(shí)施例的示范編碼計(jì)劃是基于1/4或1/5編碼率的收縮卷積編碼，但是其中每一個(gè)未編碼的語聲比特的編碼根據(jù)它的感覺的意義被調(diào)整到，例如，編碼率1/2和編碼率1/5間的一個(gè)中間級(jí)。雖然BPSK允許低于QPSK 3dB的C/I，但是似乎沒有道理遭受2∶1的帶寬效率損失。事實(shí)上，帶有兩倍編碼的QPSK的C/I容限優(yōu)于帶有一半那么多編碼的BPSK，因此，一個(gè)正交調(diào)制至少可以用于下行鏈路。
以上的討論是基于相干解調(diào)性能的，它可以在使用非常寬帶的TDM衛(wèi)星到移動(dòng)站信道中獲得但不能在窄帶的FDM中獲得。下行鏈路方法的標(biāo)準(zhǔn)是將被解調(diào)和解碼的信息比特?cái)?shù)在時(shí)間上較大，在此過程中信道的衰落成分可以看成固定的，也就是在2.5GHz，大約200μs并且車載臺(tái)速度為100km/Hr。因此，信息速率需要是高于5kb/s兩個(gè)量級(jí)，并且?guī)в腥?/3的平均編碼率，發(fā)射比特率需要大于1.5Mb/s，它將使用正交調(diào)制通過1MHz帶寬信道?；谇笆黾夹g(shù)的系統(tǒng)提供的容量是使用一個(gè)4kb/s聲碼器，100Erlangs每MHz每點(diǎn)區(qū)域的數(shù)量級(jí)或使用一個(gè)2.4kb/s聲碼器，166Erlangs每MHz每點(diǎn)。
一個(gè)實(shí)施上述本發(fā)明的復(fù)用方案的示范技術(shù)是用地面的波束形式，如以前在這個(gè)詳細(xì)說明中描述的。這包括提供饋電鏈路承載從中心地面站的每一個(gè)天線饋元到衛(wèi)星的信號(hào)，以保持信號(hào)間相對(duì)相位和振幅的差異。使用這樣一個(gè)相干轉(zhuǎn)發(fā)器，每天線饋電點(diǎn)在衛(wèi)星上只需要一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器信道。
一個(gè)實(shí)施本發(fā)明用于所揭示的固定的波束情況的替代裝置，在下面提出，它避免了在衛(wèi)星上花費(fèi)更多的硬件用于相干饋電鏈路。如果它是固定的并且是不變的使用在板上的波束形成是最簡(jiǎn)單的，這可能更適用于一個(gè)激勵(lì)固定區(qū)域的靜止衛(wèi)星。對(duì)于一個(gè)非靜止衛(wèi)星，本發(fā)明的這個(gè)示范實(shí)施例仍然是可用的，但就不那么容易得到有規(guī)律地適應(yīng)波束形成以補(bǔ)償衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，使得波束激勵(lì)固定區(qū)域。
在FDMA情況下，固定波束形成轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)現(xiàn)的實(shí)施如圖37所示，即全部可用帶寬被分為N個(gè)子帶，每一個(gè)用于根據(jù)一個(gè)如圖15所示的網(wǎng)眼復(fù)用圖樣激勵(lì)地面上的區(qū)域。三個(gè)子帶指定為黑、紅和綠的情況如圖35中的每一個(gè)用來說明。
一組轉(zhuǎn)發(fā)器信道37接收從一個(gè)相應(yīng)饋電鏈路組來的信號(hào)并下變頻它們到合適的中頻用于放大和濾波。3710的輸出I.F.用于I.F.波束形成網(wǎng)絡(luò)3720，它形成I.F.信號(hào)的加權(quán)和?！昂谏毙诺辣蝗我膺x做直接對(duì)應(yīng)于未調(diào)制的天線圖樣。即黑色信號(hào)1將被直接地輻射并且只通過天線饋電號(hào)1；黑色信號(hào)2將只通過天線饋電號(hào)2被輻射等等。波束形成網(wǎng)絡(luò)因而連接帶有統(tǒng)一權(quán)重的黑色信道到對(duì)應(yīng)于指定天線饋電的求和網(wǎng)絡(luò)。
而紅色和綠色信道將輻射一個(gè)在3個(gè)黑色波束中間的波束圖樣。位于黑色波束1、2和3中間的紅色波束因而通過 的電壓/電流權(quán)重( 的功率權(quán)重)連接到它們相聯(lián)系的三個(gè)求和網(wǎng)絡(luò)。三分之一的“紅色”能量因此通過環(huán)繞想要的“紅色”中心的三個(gè)饋電的每一個(gè)輻射。同樣地，位于黑色波束2、3和4中間的綠色波束通過 的權(quán)重連接到聯(lián)系于饋電2、3和4的加法器。上面所引用的權(quán)重是用于說明的目的的示范和簡(jiǎn)化。既然I.F.波束形成網(wǎng)絡(luò)原則上可以用一個(gè)主要包括簡(jiǎn)單的阻性元件的網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，更復(fù)雜的權(quán)重裝置可以使用，帶有可接受的復(fù)雜效果。例如，一個(gè)波束可以通過多于3個(gè)的鄰近的饋電元饋電形成，并且負(fù)的權(quán)重可以用于在想要的位置形成空的輻射圖樣或降低旁瓣電平以增加C/I。
形成一個(gè)阻性I.F.波束形成網(wǎng)絡(luò)的一種方法是使用一個(gè)阻性材料的連續(xù)的薄板或膠片放置在一個(gè)絕緣的基片上。這個(gè)薄板可以被概念性地看作對(duì)應(yīng)于被波束照射的兩維表面。對(duì)應(yīng)于“黑色”波束信號(hào)的信號(hào)電流被注入薄板上處于對(duì)應(yīng)于“黑色”網(wǎng)眼中心的點(diǎn)，而“紅色”和“綠色”信號(hào)電流被注入到位于黑色信號(hào)注入點(diǎn)中間的多組中間點(diǎn)的每一個(gè)，如每個(gè)圖35。圖38通過標(biāo)記“I”說明這些注入點(diǎn)。
對(duì)應(yīng)于想要的黑、紅和綠信號(hào)的組合的信號(hào)電流從阻性平面通過接觸處理黑、紅和綠注入點(diǎn)之間的中間部分。這些電流抽出點(diǎn)在圖38中用‘I’指示出。這種技術(shù)和前面的對(duì)黑色波束有簡(jiǎn)單的權(quán)重1、對(duì)紅和綠波束有 的3相等權(quán)重的例子比較，對(duì)黑、紅和綠色波束提供同樣的權(quán)重分布。抽出的電流被饋電到“虛擬地面”放大器輸入端或低輸入阻抗放大器如基于地面的二極管。被這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的這組權(quán)重可以通過選擇注入和發(fā)散出所聯(lián)系的地面的電流的形狀和大小來適應(yīng)。沒有簡(jiǎn)單的規(guī)則建議確定大小和形狀-一個(gè)建議必須簡(jiǎn)化，通過在阻性薄板上流動(dòng)和潛在存在的電流的二維有限元計(jì)算機(jī)分析作出檢驗(yàn)。
一旦組合信號(hào)被I.F.波束形成網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生，它們就被饋電到一組上變頻器3730，用于變頻到所要的衛(wèi)星一移動(dòng)站頻帶。上變頻器全部被同一個(gè)本振信號(hào)驅(qū)動(dòng)以保持相對(duì)的信號(hào)相位，并且具有匹配的增益以保持相對(duì)的振幅。上變頻的信號(hào)隨后被一個(gè)矩陣功率放大器3740放大，以提高功率電平到想要的發(fā)射功率。
上面描述的發(fā)明的技術(shù)，可以被擴(kuò)展以產(chǎn)生任何數(shù)目的，聯(lián)系于全部可用頻帶的細(xì)分的虛擬波束。在3顏色例子中，每一種“顏色”聯(lián)系于一個(gè)1/3的子帶寬。如果總共16.5MHz可用，例如，每一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器信道帶寬可以是標(biāo)稱的5.5MHz。如果饋電數(shù)是37，舉個(gè)例子，37個(gè)5.5MHz“黑色”波束被產(chǎn)生，37，5.5MHz寬紅色波束和37，5.5MHz綠色波束。因而全部用于通信的可用帶寬是37倍的16.5MHz，如只在“黑色”波束中實(shí)施全部16.5MHz的中頻復(fù)用是可能的。因此本發(fā)明提供如一個(gè)中頻復(fù)用圖樣一樣的帶寬使用效率，但是帶有一個(gè)顯著提高的C/2。
在FDMA情況下，可用的額外的容量通過增加轉(zhuǎn)發(fā)器信道的數(shù)目獲得，并且因此硬件相應(yīng)地復(fù)雜?，F(xiàn)在將要展示的是一個(gè)示范TDMA實(shí)施例在如何不增加硬件復(fù)雜性而增加容量上的比較而言的好處。
圖39說明示范TDMA實(shí)施例。在這種情況下，轉(zhuǎn)發(fā)器信道3910的數(shù)目和天線饋電數(shù)是一樣的，并且每一個(gè)信道的帶寬對(duì)于系統(tǒng)是全帶寬可用的。I.F.波束形成網(wǎng)絡(luò)3920也有前面所述的合成黑、紅和綠波束的功能，但是在同一時(shí)間只有一種顏色由于交換開關(guān)3911的作用在連接到轉(zhuǎn)發(fā)器信道組。或者(1)全部轉(zhuǎn)發(fā)器信道連接到相應(yīng)數(shù)目的“黑色”波束輸入，或者(2)以通過在同一時(shí)間操作全部的開關(guān)3911，全部轉(zhuǎn)發(fā)器被連接到紅波束輸入，或者(3)，如圖39所示，到綠波束輸入。
這些開關(guān)是循環(huán)的，因此在TDMA幀周期的第一個(gè)部分(例如1/3)黑色波束被使用，時(shí)間的第二個(gè)部分的紅色波束被激發(fā)，時(shí)間的第三個(gè)部分綠色波束被激發(fā)。開關(guān)停留在每一個(gè)部分的時(shí)間周期不必相等，并且原則上根據(jù)哪一種顏色在任何網(wǎng)眼中有最高的瞬間容量要求來調(diào)整。其它轉(zhuǎn)發(fā)器的功能如以前在CDMA情況下描述的。
應(yīng)當(dāng)理解開關(guān)3911的交換是同步于來自中心地面站或站的傳輸，并且這可以通過任何一種不同的技術(shù)獲得，如提供一個(gè)在板上的時(shí)鐘，該時(shí)鐘可以從地面編程以運(yùn)行開關(guān)操作的規(guī)則循環(huán)并且同步地面站傳輸?shù)叫l(wèi)星，這是主時(shí)鐘。可替換的是，地面站能用獨(dú)立于業(yè)務(wù)信道的控制信道發(fā)送交換命令。用地面網(wǎng)絡(luò)獲得旋轉(zhuǎn)波束同步的方法對(duì)本發(fā)明的原則是不重要的。
應(yīng)當(dāng)理解的是，雖然在上面公開的本發(fā)明的TDMA和FDMA型式都使用固定的波束形成網(wǎng)絡(luò)，通過該方法的顯著擴(kuò)展以使用從地面控制開關(guān)3911交換頻率或時(shí)隙到波束顏色，以保持被一個(gè)給定頻率或時(shí)隙覆蓋的地表區(qū)域盡可能的固定是可能的。當(dāng)然可以通過使用更大數(shù)目的“顏色”(那是時(shí)隙或子帶)獲得更好的精度。增加子帶數(shù)在FDMA情況下導(dǎo)致硬性復(fù)雜，所以在這方面TDMA更好。轉(zhuǎn)換開關(guān)的整相可能因此被選擇以補(bǔ)償衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)和保持被一個(gè)特定的時(shí)隙或頻率覆蓋的區(qū)域更多或更少的恒定。本發(fā)明可應(yīng)用任何數(shù)目的時(shí)隙和子帶，并且在后者一個(gè)數(shù)字設(shè)備包括轉(zhuǎn)發(fā)器信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波和使用數(shù)字權(quán)重乘的數(shù)字波束形成可能有優(yōu)點(diǎn)。
以上描述的示范實(shí)施例是企圖在各方面說明本發(fā)明而非限制本發(fā)明。因此，本發(fā)明包括許多不同細(xì)節(jié)的實(shí)施可以被一個(gè)精于技術(shù)的人從這里進(jìn)行的描述中得到。所有這些不同和修改是在本發(fā)明的范圍和原理之中，如以下權(quán)利要求所定義。
權(quán)利要求
1.一種分配一個(gè)通信信道用于使用第二多個(gè)發(fā)射機(jī)天線元組合發(fā)射第一多個(gè)信號(hào)之一到相應(yīng)的多個(gè)接收機(jī)中之一的方法，包括估計(jì)關(guān)于從上述每一個(gè)發(fā)射機(jī)天線元組合到上述接收機(jī)的上述信號(hào)的傳播的相位和振幅的系數(shù)；處理上述系數(shù)和相似的系數(shù)-該系數(shù)為在各自的組中使用同一通信信道和不同組中不同的信道的上述多個(gè)接收機(jī)的其它的組估計(jì)-用于確定每個(gè)組的品質(zhì)因數(shù)；把上面步驟中產(chǎn)生最高品質(zhì)因數(shù)的組使用的通信信道分配給上述信號(hào)。
2.權(quán)利要求1的方法，其中如果上述信號(hào)與上述組被分配同一個(gè)通信信道，則上述一個(gè)組的品質(zhì)因數(shù)和上述發(fā)射機(jī)天線元組合的總發(fā)射功率相關(guān)。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述的通信信道是一個(gè)時(shí)分復(fù)用發(fā)射幀的多個(gè)時(shí)隙中的一個(gè)，每個(gè)時(shí)隙被所述接收機(jī)組中的一個(gè)使用。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述通信信道是被上述接收機(jī)組中的一個(gè)使用的多個(gè)無線頻道中的一個(gè)。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述通信信道是每一個(gè)被上述接收機(jī)組中的一個(gè)使用的多個(gè)無線頻道和TDM時(shí)隙的組合中的一個(gè)。
6.一個(gè)將第一站的多個(gè)第一信號(hào)與相應(yīng)的第二站的多個(gè)信號(hào)通信以及將所述的第二站的多個(gè)第二信號(hào)與所述的第一站通信的方法，包括將上述第一信號(hào)處理為代表調(diào)制無線信號(hào)的形式；使用一組組合參數(shù)將上述代表合并形成多個(gè)發(fā)射信號(hào)；使用相應(yīng)的發(fā)射機(jī)和天線發(fā)射上述發(fā)射信號(hào)；在上述第二站測(cè)量接收到至少一個(gè)不想要的信號(hào)的大小相對(duì)于接收到的想要的信號(hào)的大小的關(guān)系；編碼上述測(cè)量值為上述第二信號(hào)，并把它們從上述第二站發(fā)射到上述第一站；在上述第一站接收和解碼上述編碼的測(cè)量值，并使用上述結(jié)果修改上述組合參數(shù)，使得在上述第二站接收的不想要的信號(hào)減小而想要的信號(hào)達(dá)到最大值。
7.一種從一個(gè)第一站的多個(gè)第一信號(hào)到相應(yīng)的第二站的多個(gè)信號(hào)和從上述第二站的多個(gè)第二信號(hào)到上述第一站的多個(gè)信號(hào)通信的方法，包含將上述第一信號(hào)處理為代表調(diào)制無線電信號(hào)的形式；使用一組組合參數(shù)將上述代表(信號(hào))組合成為多個(gè)發(fā)射信號(hào)；放大上述發(fā)射信號(hào)到指定的發(fā)射功率電平并使用一個(gè)相應(yīng)的發(fā)射機(jī)和天線發(fā)射它們每一個(gè)；在上述第二站測(cè)量接收到至少一個(gè)不想要的信號(hào)的大小相對(duì)于接收到的想要的信號(hào)的大小的關(guān)系；編碼上述測(cè)量值為上述第二信號(hào)并把它們從上述第二站發(fā)射到上述第一站；在上述第一站接收和解碼上述編碼的測(cè)量值，并使用上述結(jié)果修改上述組合參數(shù)，使得在上述第二站接收的不想要的信號(hào)減小并且需要發(fā)射的上述第一信號(hào)的上述發(fā)射功率電平的總和最小。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的方法，其中所述的第一站包括一個(gè)地面站和至少一個(gè)繞軌道運(yùn)行的衛(wèi)星通信。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述的相應(yīng)的發(fā)射機(jī)形成一個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的一部分，用于通過所述的衛(wèi)星從上述地面站關(guān)聯(lián)上述發(fā)射信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述的發(fā)射信號(hào)被一個(gè)相干轉(zhuǎn)發(fā)器中繼，以維持它們相對(duì)的相位和振幅。
11.一種在一個(gè)具有一個(gè)扇形定向天線的基站和多個(gè)使用TDMA的移動(dòng)站之間的通信的方法，包括按TDMA幀速率同步地旋轉(zhuǎn)上述扇形輻射方向圖樣；以同一速率旋轉(zhuǎn)數(shù)字語音色碼的分配到反方向扇形，使得同一色碼繼續(xù)用于同一絕對(duì)方向。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述的天線方向圖樣旋轉(zhuǎn)是通過物理地旋轉(zhuǎn)天線實(shí)現(xiàn)的。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述的天線方向圖樣旋轉(zhuǎn)是通過相位陣列天線信號(hào)處理電子地實(shí)現(xiàn)的。
全文摘要
本文公開了減少同信道干擾的無線通信系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)和方法應(yīng)用于,例如,陸地移動(dòng)通信(420)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)(410)以及二者的混合型。使用接收和發(fā)射信號(hào)矩陣模型的信號(hào)處理用于減少干擾。
文檔編號(hào)H01Q1/28GK1345129SQ01112598
公開日2002年4月17日 申請(qǐng)日期2001年5月11日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月11日
發(fā)明者P·W·登特 申請(qǐng)人:艾利森公司