專利名稱：用于重建被暫時(shí)中斷的動(dòng)態(tài)通信鏈路的方法與參數(shù)預(yù)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及遠(yuǎn)距離通信，特別涉及在動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)中，已經(jīng)建立但被暫時(shí)中斷的通信鏈路，該系統(tǒng)的通信參數(shù)如多普勒頻移、傳輸延時(shí)是時(shí)間變量。
在遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)中，在傳送信息的系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)建立起通信鏈路。這些鏈路的有效利用需要執(zhí)行規(guī)定何時(shí)鏈路每一端的節(jié)點(diǎn)處理來自另一方信息的通信參數(shù)。在有效帶寬系統(tǒng)中，這些參數(shù)保證有最嚴(yán)格的容差，以滿足最大的信息交換量。這些參數(shù)包括網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間的傳輸延時(shí)和加入通路引入的頻差例如多普勒頻移的發(fā)送頻率。若接口節(jié)點(diǎn)的通信參數(shù)更加可預(yù)測與精確的話，通信通道的防護(hù)頻帶如頻率和時(shí)隙可以減小，從而適應(yīng)附加信息的變化。
在通常的靜態(tài)或輕微動(dòng)態(tài)通信網(wǎng)絡(luò)中，這些通信參數(shù)可以在建立通信鏈路時(shí)改進(jìn)并在整個(gè)通信過程中可靠工作。然而，在通信參數(shù)迅速變化的動(dòng)態(tài)通信系統(tǒng)，通信節(jié)點(diǎn)如用戶單元必須連續(xù)地改進(jìn)和更新這些通信參數(shù)以便保持系統(tǒng)所確定的容差。
許多系統(tǒng)測定動(dòng)態(tài)通信參數(shù)的傳送以便確定所采用參數(shù)的精度。當(dāng)參數(shù)超過系統(tǒng)特性如通道通信頻率或時(shí)隙的閾值時(shí)，接收系統(tǒng)向該傳送節(jié)點(diǎn)送出所需的修正量使該通信參數(shù)符合系統(tǒng)的要求。
當(dāng)所建立的通信鏈路對(duì)于瞬態(tài)效應(yīng)例如因故障或短暫干擾產(chǎn)生的暫時(shí)中斷不敏感時(shí)，本方法很適用。然而，對(duì)于通信參數(shù)短暫作用的動(dòng)態(tài)通信系統(tǒng)，只要通信鏈路有短時(shí)的中斷也會(huì)造成通信參數(shù)受到破壞與失效。采用過時(shí)的通信參數(shù)的節(jié)點(diǎn)例如一個(gè)用戶由于通道化的通信系統(tǒng)的嚴(yán)格的容差而不能被接收系統(tǒng)所辨識(shí)。若用戶未識(shí)別，通信鏈路將會(huì)被終止。重建通信鏈路對(duì)于通信鏈路用戶是低效率而又麻煩的事情。
上述問題提出了一個(gè)實(shí)際的需求，即要有一種方法和手段可以在短暫中斷的始終連續(xù)地預(yù)測動(dòng)態(tài)通信參數(shù)，而在中斷結(jié)束時(shí)，用戶就已修正了它的動(dòng)態(tài)通信參數(shù)以便適應(yīng)當(dāng)時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。用戶單元隨即應(yīng)用這些已修正的通信參數(shù)進(jìn)行以后對(duì)接收單元的傳送。由于所修正的通信參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)一致，接收單元將能識(shí)別與處理所接收的通信，于是可以建立起連續(xù)地通信鏈路。


圖1說明一個(gè)非常簡化的動(dòng)態(tài)通信系統(tǒng)圖，本發(fā)明將構(gòu)成其中一個(gè)部分；圖2說明動(dòng)態(tài)通信系統(tǒng)的一個(gè)用戶單元框圖，本發(fā)明作為其中一個(gè)部分；圖3說明依據(jù)本發(fā)明的用戶單元所采用的一個(gè)通信參數(shù)預(yù)測器的框圖；圖4說明用于包含本發(fā)明的通信數(shù)預(yù)測器的向量濾波器的框圖；圖5說明按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的動(dòng)態(tài)通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)預(yù)測流程圖。
本發(fā)明用來在基站和用戶單元間動(dòng)態(tài)定向的通信系統(tǒng)中，當(dāng)基站和用戶之間的通信鏈接發(fā)生中斷后立即恢復(fù)通信服務(wù)。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，這種動(dòng)態(tài)定向取決于衛(wèi)星相對(duì)于地面或近地用戶的軌道特性。
圖1描述了一個(gè)非常簡化的包含本發(fā)明在內(nèi)的動(dòng)態(tài)通信系統(tǒng)圖。動(dòng)態(tài)通信系統(tǒng)90有若干動(dòng)態(tài)定向的部分或節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)之間距離和速度不斷變化。在圖1中，動(dòng)態(tài)通信系統(tǒng)90是一個(gè)軌道衛(wèi)星基系統(tǒng)，其中衛(wèi)星100表示一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)或基站，在本優(yōu)選實(shí)施例中為星載站。動(dòng)態(tài)通信系統(tǒng)也可以包含機(jī)載節(jié)點(diǎn)，甚至可以有與其它節(jié)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的地面節(jié)點(diǎn)。用戶200構(gòu)成動(dòng)態(tài)通信系統(tǒng)90中通信鏈路105的另一端。
節(jié)點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)或動(dòng)態(tài)就要求有在一個(gè)有效中進(jìn)行實(shí)用而有效通信所需的動(dòng)態(tài)通信參數(shù)。衛(wèi)星100沿衛(wèi)星軌道110繞著地球運(yùn)動(dòng)。衛(wèi)星這個(gè)術(shù)語表示多種軌道衛(wèi)星，如低軌道(LEO)衛(wèi)星、中軌道(MEO)衛(wèi)星或高傾角軌道(HIO)衛(wèi)星。
沿衛(wèi)星軌道110的衛(wèi)星在一個(gè)LEO系統(tǒng)中以大約780公里的高度供地球運(yùn)行。該低軌道運(yùn)轉(zhuǎn)相對(duì)于地球的速度約25000公里/小時(shí)。這樣的速度使衛(wèi)星100在地面節(jié)點(diǎn)例如用戶200的視場中只有大約9分鐘。這個(gè)速度產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)通信參數(shù)例如多普勒頻移和傳輸延時(shí)或定時(shí)。隨著通信參數(shù)的這種變化，用戶200必須不斷地修正其通信參數(shù)以適應(yīng)衛(wèi)星100所要求的系統(tǒng)定時(shí)。
為了建立通信鏈路105，用戶200使用缺省的或初始的通信參數(shù)。這些參數(shù)或者是預(yù)先編程置入用戶單元200或者是在獨(dú)立廣播通道102上被用戶單元200可接收的。這樣的通道是寬帶通道，它從衛(wèi)星100單向發(fā)送。廣播通道可以攜帶其它系統(tǒng)管理信息并傳送到衛(wèi)星100視野內(nèi)的所有用戶。
用戶200使用缺省通信參數(shù)作為對(duì)實(shí)際通信參數(shù)的近似。對(duì)衛(wèi)星100的這個(gè)傳送通常出現(xiàn)在具有對(duì)頻率與時(shí)間變量小得多的帶寬及更大的容差的輔助通道或探測通道上。衛(wèi)星100估計(jì)采用缺省通信參數(shù)的用戶200的發(fā)送信號(hào)。衛(wèi)星100在隨后對(duì)用戶200的發(fā)送中返回對(duì)用戶200估算的結(jié)果，該結(jié)果以反饋通信參數(shù)的形式表示對(duì)缺省通信參數(shù)的必要。在本優(yōu)選實(shí)施例中，這些反饋通信參數(shù)是到達(dá)頻率(FOA)、初始參數(shù)225(圖2)和到達(dá)時(shí)間(TOA)初始參數(shù)230(見圖2)。這些參數(shù)表示衛(wèi)星100預(yù)期的頻率和定時(shí)與衛(wèi)星100實(shí)測值之間的差。用戶單元200按照反饋信息修正缺省通信參數(shù)。用戶200在隨后對(duì)衛(wèi)星100的發(fā)送采用已修正的通信參數(shù)。這一改進(jìn)過程要重復(fù)多次直至動(dòng)態(tài)通信參數(shù)已經(jīng)充分地改善從而在一個(gè)窄帶通道容許無中斷傳送。衛(wèi)星100引導(dǎo)用戶單元200到一個(gè)通信通道，通信鏈路105的建立就完成了。
圖1也說明衛(wèi)星100相對(duì)于用戶200的運(yùn)動(dòng)以及通信鏈路105中斷的可能性。某時(shí)刻在第一點(diǎn)衛(wèi)星100和用戶單元200已建立有效的通信鏈路105。當(dāng)用戶200沿用戶運(yùn)行方向125運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過或穿過障礙115，通信鏈路105’會(huì)發(fā)生與用戶200’(圖中未顯示)的中斷。當(dāng)用戶200”通過障礙115后出現(xiàn)時(shí)，在衛(wèi)星軌道110上的衛(wèi)星100”已顯著地改變了相對(duì)于用戶200”的方向。如果在一個(gè)窄帶低軌道LIO通信系統(tǒng)中，障礙115遮蔽通信鏈路只有1秒鐘，則在衛(wèi)星100和用戶200位置使用的動(dòng)態(tài)通信參數(shù)的用戶200”的工作將會(huì)超出通信鏈路105”所需的容差。當(dāng)用戶200在都市環(huán)境使用時(shí)，周圍有許多障礙如大樓、公路地道、橋梁和濃密樹林情況下，修正和預(yù)測動(dòng)態(tài)通信參數(shù)就變得十分明顯。
圖2說明一個(gè)動(dòng)態(tài)通信系統(tǒng)90(圖1)中用戶單元200的組成框圖，本發(fā)明是其中一部分。接收機(jī)215通過天線205接收包含缺省通信參數(shù)的廣播通道102(圖1)。接收機(jī)215緩沖所有來自衛(wèi)星100的傳送信息例如廣播通道信息、探測通信信息及通信鏈路105的信息?？刂破?20接受來自接收機(jī)215的緩沖信息、控制器處理這些信息以便從所接收信號(hào)中提取缺省的或反饋的通信參數(shù)，在優(yōu)選實(shí)施例中，動(dòng)態(tài)通信參數(shù)包括頻率和定時(shí)或傳輸參數(shù)?？刂破?20輸出FOA初始參數(shù)22 5和TOA初始參數(shù)230至通信參數(shù)預(yù)測器240?？刂破?20還估計(jì)圖1中通信鏈路105的狀態(tài)并產(chǎn)生一個(gè)鏈路檢測狀態(tài)235表明是否中斷可能發(fā)生。
在建立一個(gè)通信鏈路的探測過程中，初始的通信參數(shù)用于傳送以便獲得滿足通信鏈路105的通信通道嚴(yán)格容差的用戶傳送的定時(shí)和頻率。初始反饋參數(shù)的利用容許用戶200以與本發(fā)明的向量濾波器所具有的較精細(xì)的預(yù)測增量相比較大步長迅速調(diào)整通信參數(shù)。在進(jìn)站時(shí)，控制器220抑消全同步狀態(tài)238告知通信參數(shù)預(yù)測器240旁路向量濾波器310(圖3)。
通信參數(shù)預(yù)測器240接收參數(shù)和狀態(tài)信號(hào)，對(duì)它們進(jìn)行處理并產(chǎn)生預(yù)測的頻率參數(shù)245和預(yù)測的定時(shí)參數(shù)250。這些信號(hào)向頻率合成器255和定時(shí)器260送出所需的傳送特性，這些傳送特性在適當(dāng)?shù)耐ǖ?即在通道化系統(tǒng)的頻率和時(shí)隙)由通信鏈路105的用戶單元200的發(fā)射機(jī)265所發(fā)送而為衛(wèi)星100所接收。
圖3說明本發(fā)明作為其中一部分的用戶單元的通信參數(shù)預(yù)測器的原理框圖。通信參數(shù)預(yù)測器應(yīng)用一個(gè)平滑和預(yù)測向量濾波器310而改善了用戶200的性能。向量濾波器310在距離測量(R(k))330和速度測量(V(k))325作用下產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)于用戶單元200的衛(wèi)星100距離與速度的平滑估計(jì)。
到達(dá)頻率初始參數(shù)225和到達(dá)時(shí)間初始參數(shù)230被轉(zhuǎn)換為通信參數(shù)預(yù)測器240的距離和速度測量而送入向量濾波器310。光速C和用戶單元時(shí)間基準(zhǔn)定義了一個(gè)參考點(diǎn)，該參考點(diǎn)決定了用戶的傳送的接收定時(shí)，并用來將到達(dá)時(shí)間參數(shù)轉(zhuǎn)換為距離參數(shù)或進(jìn)行反轉(zhuǎn)換。平滑和預(yù)測的距離估計(jì)380和預(yù)測和速度估計(jì)375被反向轉(zhuǎn)換而成為預(yù)測頻率參數(shù)245和預(yù)測定時(shí)參數(shù)250，用于圖2所示的頻率合成器255和定時(shí)器260。
圖3還顯示在圖2所說明的同步接收期間被全同步狀態(tài)238所控制的向量濾波器310的旁路開關(guān)，用來建立圖1所示的通信鏈路105。在同步操作時(shí)，通信參數(shù)預(yù)測器240與回路之外的向量濾波器一起工作。此時(shí)平滑濾波器不起作用，在接入操作和工作方式由同步轉(zhuǎn)向通信以后，向量濾波器310被接通，充分的初始測量數(shù)據(jù)使向量濾波器的狀態(tài)向量初始化。向量濾波器310的初始化在圖4中說明。通信參數(shù)預(yù)測器240將圖3所示的TOA初始參數(shù)230和FOA初始參數(shù)225轉(zhuǎn)換為初始距離參數(shù)330和初始速度參數(shù)325，它們被送入向量濾波器310形成2×1矩陣。
圖4說明了本發(fā)明構(gòu)成其一部分的通信參數(shù)預(yù)測器240的向量濾波器的原理框圖。向量濾波器310的優(yōu)選實(shí)施例是一種三態(tài)濾波器。為了提高精度，可以加入其它一些狀態(tài)量。在向量濾波器310，加速度是第三個(gè)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)隨機(jī)過程是加速度變化的速率?？梢杂脕磉M(jìn)一步改進(jìn)性能的其它濾波器將是第四個(gè)或更多的狀態(tài)或者是擴(kuò)展的卡爾曼(Kalman)濾波器。
濾波器設(shè)計(jì)需要物理過程的模型和觀測過程的模型。物理過程模型的選擇要有盡可能多的有關(guān)距離、距離變化率、距離變化率的變化率等關(guān)系的信息。模型越完善、濾波器就越復(fù)雜、跟綜效果就越好。觀測模型則基于對(duì)系統(tǒng)有效的測量值和影響測量的噪音。
對(duì)一個(gè)向量濾波器，表示為一階向量動(dòng)態(tài)方程的過程模型為
x(k－1)＝Ax(k)＋w(k)其中，W(K)是物理模型的噪音過程。它的協(xié)方差矩陣被定義為Q(k)E{w(k)wT(k)}觀測模型為y(k)＝Cx(k)＋z(k)其中，Z(K)是測量噪音處理，測量噪音協(xié)方差距陣被定義為R(k)＝E{z(k)zT(k)}給出其先前值X(K－1)的卡爾曼濾波器估計(jì)值X(K)為x(k)＝Ax(k－1)－K(k)[y(k)－CAx(k－1)]其中增益矩陣為K(k)＝P1(k)CT[CP1(k)CT＋R(k)]-1其中，P1(k)＝AP(k－1)AT＋Q(k-1)P(k)＝P1(k)－K(k)C(k)P1(k)加速度的離散時(shí)間差分方程被表示為時(shí)間(K＋1)T的加速度乘以加速度變化速率。用數(shù)學(xué)表示徑向加速度a(K)a(k＋1)＝a(k)＋Ta′(k)其中，a’(K)是時(shí)間KT的徑向加速度的變化速率。
積分加速度可得速度V(K)v(k+1)=v(k)+Ta(k)+T22a′(k)]]>再次積分可算出斜傾斜距離r(K)r(k+1)=r(k)+Tv(k)+T22a(k)+T36a′(k)]]>現(xiàn)定義x(k)=r(k)v(k)a(k)=x1(k)x2(k)x3(k)]]>x1(k+1)=x1(k)-Tx2(k)+T22x3(k)+T36a′(k)]]>x2(k+1)=x2(k)+Tx3(k)+T22a′(k)]]>x3(k＋1)＝x3(k)＋Ta′(k)以矩陣形式表示x(k+1)=1TT2201T001x(k)+T36T22Ta′(k)]]>為一階向量方程，因此A=1TT2201T001;]]>w(k)=T36T22Ta′(k)]]>由于范圍和速度的獨(dú)立觀測是分別通過時(shí)間和頻率跟綜回路進(jìn)行的，觀測方程為y(k)=100010x(k)+z(k)]]>其中定義了2×3C矩陣，C=100010]]>
如前所述，通信參數(shù)預(yù)測器240將TOA初始參數(shù)230和FOA初始參數(shù)225(見圖3)轉(zhuǎn)換為初始的距離參數(shù)330和初始速度參數(shù)325，它們被送入向量濾波器310作為一個(gè)2×1矩陣。一個(gè)反饋回路被加到輸入端并與3×2增益矩陣K相乘。結(jié)果是3×1矩陣D。3×1矩陣B加到D上，產(chǎn)生3×1矩陣輸出，這是距離、速度和加速度的平滑化估計(jì)值。B和D矩陣是存儲(chǔ)中介，它們并不直接地出現(xiàn)在向量濾波器方程中。
通信參數(shù)預(yù)測器240和它的內(nèi)含向量濾波器310必須在若干時(shí)間周期中作用，此時(shí)輸入沒有有效數(shù)據(jù)但是對(duì)于跟蹤回路還需要更新的估計(jì)。它發(fā)生在包含有反饋通信參數(shù)的保持脈沖之間跟蹤之時(shí)或在通信鏈路105偶然發(fā)生故障時(shí)。測量值的有效性可通過鏈路檢測狀態(tài)235來確定。在有效時(shí)，向量濾波器閑環(huán)作用，所有的協(xié)方差矩陣都被更新。當(dāng)沒有有效數(shù)據(jù)時(shí)，回路增益矩陣的反饋接點(diǎn)被打開，增益矩陣和協(xié)方差矩陣則不做更新，于是只由幾何矩陣A和先前狀態(tài)估計(jì)矩陣來得出估計(jì)值。
由于狀態(tài)變量按照幀速率和增益來更新，協(xié)方差矩陣按維持進(jìn)程速率來更新，而該速率表示在本優(yōu)選實(shí)施例中每一第4幀的速率，因而兩個(gè)A矩陣必須保持。用于狀態(tài)變量的計(jì)算矩陣用A1表示A1=1T1T12/201T1001]]>用于增益和方差矩陣計(jì)算的矩陣在一個(gè)4幀時(shí)間中計(jì)算，它表示為矩陣A4A4=1T4T42/201T4001]]>
增益矩陣和誤差協(xié)方差矩陣的計(jì)算下面討論誤差協(xié)方差矩陣計(jì)算方框410中的用來進(jìn)行誤差協(xié)方差矩陣P和P1的計(jì)算步驟。循環(huán)第一次執(zhí)行時(shí)，P矩陣的初始值P(O)必須有效。所使用的初始化數(shù)值將在后面討論。首先計(jì)算P1(1)。然后計(jì)算增益矩陣計(jì)算方框420中的增益矩陣K(1)，并用于向量濾波器310的濾波回路以更新狀態(tài)變量估計(jì)。增益矩陣也用來更新P矩陣的P(1)，它被存儲(chǔ)直到下一次循環(huán)被執(zhí)行。
在循環(huán)的后續(xù)執(zhí)行時(shí)，P(K)的先前值被用于P1(K)和K(K)計(jì)算而不是用矩陣的初始值。然而，如果用戶單元200發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了鏈路中斷，P矩陣將返回設(shè)置在P(O)。這就允許誤差方差重新初始化回到它的初值并增大回路增益以便迅速建立從用戶單元200到衛(wèi)星100上行鏈路的重新探測。
在一個(gè)鏈接中斷后，用戶單元200也應(yīng)重新設(shè)置狀態(tài)向量為初始值。在通信鏈路105被重建以后，初始值就由反饋通信參數(shù)確定。
一個(gè)簡化的P矩陣計(jì)算示于誤差協(xié)方差矩陣計(jì)算方框410，并由下列方程通過代替C矩陣和參數(shù)P1的數(shù)值定義P(k)＝P1(k)－K(k)C(k)P1(k)＝[I－K(k)C(k)]P1(k)=1-K11(k)K12(k)0K21(k)1-K220K31(k)K321P1(k)]]>P矩陣被選代多次，它的輸入將會(huì)穩(wěn)定在它的穩(wěn)定狀態(tài)值上。P矩陣的輸入從它的估計(jì)值的初始誤差方差改變到它的最終值。
一個(gè)增益矩陣計(jì)算方框420示于圖4。K矩陣通過P1矩陣和常數(shù)C和R進(jìn)行計(jì)算。參加計(jì)算的每個(gè)矩陣的維數(shù)也在圖中示出。注意，雖然在優(yōu)選實(shí)施例中包含有三態(tài)濾波器，反函數(shù)的操作僅為2×2矩陣。當(dāng)向量濾波器310被迭代時(shí)，該濾波器增益接近它的穩(wěn)態(tài)值。
測量噪音協(xié)方差矩陣測量噪音Z(K)被定義為 距離和速度測量分別從TOA初始參數(shù)230和FOA初始參數(shù)225(見圖3)直接獲得。由于TOA初始參數(shù)230和FOA初始參數(shù)225的方差已知，距離和速度方差可以確定。該測量過程為均值0(即無偏差)，因此，該方差＝E{Z2i(K)}，它是定義R矩陣所需的參數(shù)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，F(xiàn)OA初始參數(shù)225的標(biāo)準(zhǔn)偏差為在4.1dB Eb/No時(shí)，Sf＝31.97HZ因此，sv=sfcfc=31.973×1081625×106=5.9m/s]]>sv2＝3.84m2/s2相似地，TOA初始參數(shù)230標(biāo)準(zhǔn)偏差為在4.1dB Eb/No時(shí)，St＝0.0028ms因此，sr＝cst＝3×108×0.0028×10-3＝840.0msr2＝705,600m2關(guān)于外交叉項(xiàng)，它們是在距離和速度測量之間交叉相關(guān)的。由于下述原因，這些測量誤差被認(rèn)為是不相關(guān)的。
(i)在靜態(tài)條件下，TOA初始參數(shù)230的測量比FOA初始225更可靠。它在工作信號(hào)與噪音比范圍為有很小的標(biāo)準(zhǔn)偏差，而FOA初始參數(shù)225則有寬得多的范圍；(ii)在實(shí)時(shí)軌道條件下，TOA初始參數(shù)230和FOA初始參數(shù)225在同一時(shí)間并非同樣重要的。TOA初始參數(shù)230在低仰角時(shí)具有大的誤差值，而此時(shí)徑向速度最大但加速度最小。FOA初始參數(shù)225在高仰角時(shí)有大的誤差值，而此時(shí)徑向加速度最大但速度為最小。
(iii)在鏈路阻塞或減弱的條件下，對(duì)于向量濾波器310(或跟蹤回路)，沒有FOA初始參數(shù)225和TOA初始參數(shù)230的更新，因此，該條件下的相關(guān)誤差不被考慮。
這種濾波器的R矩陣為R(k)＝E{z(k)zT(k)}=E{z12(k)}E{z1(k)z2(k)}E{z2(k)z1(k)}E{z22(k)}]]>過程噪音協(xié)方差矩陣濾波器研制取決于徑向加速度的建模。該加速度的實(shí)際特性是當(dāng)以低仰角觀測衛(wèi)星100時(shí)接近于0；當(dāng)處于頂點(diǎn)，衛(wèi)星100相對(duì)于用戶單元200減速時(shí)具有負(fù)最大值。當(dāng)仰角減少至0時(shí)，加速度的幅度減少回到0。非越頂運(yùn)動(dòng)具有相似的曲線，但達(dá)不到最大的加速度幅值。從一個(gè)用戶到另一個(gè)用戶的一次傳送的加速度將有顯著的相關(guān)，因?yàn)榧铀俣仁且粋€(gè)慢變過程。然而，用戶單元200的車載運(yùn)動(dòng)可能引入其它附加的加速度，它會(huì)減少從一次傳送到另一次傳送之間的相關(guān)。
在本優(yōu)選實(shí)施例中，加速度變化速率的特征為過頂運(yùn)動(dòng)數(shù)值為±0.5米/秒3，側(cè)面通過數(shù)值為±0.3米/秒3。最大加速度出現(xiàn)在衛(wèi)星100直接穿過用戶單元200的頭頂時(shí)。在本優(yōu)選實(shí)施例中，加速度變化速率達(dá)到最大值發(fā)生在衛(wèi)星100處于用戶單元200的上方前后1分鐘之時(shí)，其幅度約為0.5米/秒3。它相應(yīng)于大約70°仰角。
加速度變化速率的直方圖Pa’(a’)可以構(gòu)造以便估計(jì)該過程的方差E{a′(k)a′(k)}=∫-··a′2pa′(a′)da′=0.653m2/s3]]>
已知本優(yōu)選實(shí)施例的加速度變化速率方差，可以估計(jì)出該方差矩陣Q(k)＝Ew(k)wT(k)}=E{T3/6T2/2Ta′(k)[T3/6T2/2T]a′(k)}]]>=T6/36T5/12T4/6T5/12T4/4T3/2T4/6T3/2T2E{a′(k)a′(k)}]]>設(shè)T＝0.36秒(本優(yōu)選實(shí)施例的反饋參數(shù)回路更新速率)，利用a’2期望值的結(jié)果，Q矩陣可得Q(k)=3.51e-62.67e-51.48e-42.70e-52.23e-41.24e-31.48e-41.24e-36.87e-3]]>濾波器的初始化濾波器的狀態(tài)變量(r(0)、v(0)和a(0))和3×3預(yù)測均方差距陣p(0)都需要初始值。
狀態(tài)變量r(0)和v(0)通過距離和速度估計(jì)值進(jìn)行初始化。該估計(jì)值是當(dāng)用戶單元200執(zhí)行同步方式以滿足通信鏈路105的通信參數(shù)規(guī)范時(shí)確定的。a(0)是利用兩個(gè)速度測量[v(1)－v(0)]/T進(jìn)行始化。注意，為使a(K)初始化兩個(gè)測量是需要的。由于通信鏈路105現(xiàn)在工作于通信方式，在本優(yōu)選實(shí)施例，這些測量大約相隔0.36秒。在用戶200，跟蹤回路在測量參數(shù)對(duì)濾波器有效以前將處于旁路向量濾波器情況下運(yùn)行。
均方差矩陣P(K)通過初始狀態(tài)測量值方差進(jìn)行初始化。P(O)矩陣為P(0)=E{r·r}E{r·v}E{r·a}E{v·r}E{v·v}E{v·a}E{a·}E{a·v}E{a·a}]]>其中E{r·r]＝sr2E{r·v}＝E{v·r}＝0E{r·a]＝E{a·r}＝0E{v·v]＝sv2E{v·a}=E{a·v}=E{v1-v0Tv1}=sv2T]]>and，E{a·a}=E{v1-v0Tv1-v0T}=2sv2T2]]>更新該矩陣P(0)=sr2000sv2sv2T0sv2T2sv2T2]]>用上節(jié)所得值代換Sr2和Sv2并使T＝0.36秒，由于初始值是在4幀間隔內(nèi)計(jì)算的，在本優(yōu)選實(shí)施例中，誤差協(xié)方差矩陣的初始值為P(0)=70560002034.8496.78096.78537.65]]>圖5說明按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在一個(gè)動(dòng)態(tài)通信系統(tǒng)中預(yù)測動(dòng)態(tài)通信參數(shù)的流程圖。在本優(yōu)選實(shí)施例中，用戶單元200執(zhí)行鏈路中斷保護(hù)，步驟如下
在任務(wù)505，用戶單元200通過其操作者提出的初始通信指令來啟動(dòng)與衛(wèi)星100通信的建立，該指令或者是來自輸入呼叫的通知或者就是操作者的操作。
在任務(wù)510，接收來自衛(wèi)星100的反饋通信參數(shù)，或者是通過廣播通道或者是處于通信鏈路105的維持階段。在本優(yōu)選實(shí)施例中，這些反饋通信參數(shù)包括與數(shù)據(jù)傳送有關(guān)的頻率和定時(shí)方差，這些數(shù)據(jù)是在衛(wèi)星100進(jìn)行估計(jì)時(shí)從用戶單元200傳送往衛(wèi)星100的數(shù)據(jù)。
查詢?nèi)蝿?wù)515判斷是否同步已經(jīng)完成。當(dāng)通信參數(shù)充分準(zhǔn)確使衛(wèi)星100允許用戶單元200在一個(gè)嚴(yán)格容差的通信通道上進(jìn)行通信之時(shí)，同步即告完成。在本優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)向量濾波器310的矩陣被始化之時(shí)同步即可完成。
若學(xué)習(xí)或查詢?nèi)蝿?wù)505的同步?jīng)]有完成則轉(zhuǎn)入任務(wù)550。在任務(wù)550中，反饋或通信鏈路105的初始參數(shù)被用于和衛(wèi)星100的通信中。當(dāng)通信參數(shù)的粗調(diào)開始進(jìn)行時(shí)，這些反饋參數(shù)提供較大的接入增量。
在同步完成后，任務(wù)520采用由向量濾波器310提供的通信參數(shù)。這些參數(shù)連續(xù)遞增并對(duì)通信鏈路105所利用的通信參數(shù)進(jìn)行平滑。這種平滑對(duì)通信鏈路105產(chǎn)生間接的好處即在向量濾波器310跟蹤通信參數(shù)的方差并預(yù)測這些參數(shù)將來的變化。這些預(yù)測的通信參數(shù)的預(yù)測與使用減少了通信鏈路105上反饋參數(shù)的傳送頻率。
查詢?nèi)蝿?wù)530判斷通信鏈路105是否保持正?；蛞蜴溌氛系K而出現(xiàn)中斷。如果鏈路中斷沒有發(fā)生，程序?qū)⒎祷厝蝿?wù)510去接受反饋參數(shù)的后續(xù)傳送并伴之以通信參數(shù)未來預(yù)測值。
若檢測出鏈路中斷，任務(wù)535預(yù)測將來通信參數(shù)以用于通信鏈路105。當(dāng)鏈路檢測狀態(tài)235禁止輸入通路和向量濾波器310周期性產(chǎn)生通信參數(shù)預(yù)測值時(shí)，這些參數(shù)就被發(fā)出。
任務(wù)540接著通過著手利用這些預(yù)測通信參數(shù)向衛(wèi)星的發(fā)送信號(hào)而應(yīng)用這些預(yù)測通信參數(shù)。這些預(yù)測的參數(shù)粗略地跟蹤為重建通信所必須的實(shí)際通信參數(shù)。
查詢?nèi)蝿?wù)545接著重新判斷通信鏈路105以便確定鏈路故障是否已經(jīng)消除。如果鏈路還沒有成功地重建，程序?qū)⒎祷厝蝿?wù)535以便為下一步重建通信鏈路105所需的通信參數(shù)進(jìn)行隨后的預(yù)測。參數(shù)的重復(fù)預(yù)測將不斷進(jìn)行直至鏈路已經(jīng)恢復(fù)或者在達(dá)到預(yù)定的查詢次數(shù)以后而終止。由于后續(xù)通信參數(shù)的預(yù)測存在有固有的誤差，該誤差決定于用于向量濾波器310的步驟數(shù)，因此通信參數(shù)的預(yù)測與為重建通信鏈路105所需的實(shí)際值有偏移。可以采用預(yù)定的暫?；蛉缛蝿?wù)505所說明的采用通信的自動(dòng)重新初始化方法。
如果在查詢?nèi)蝿?wù)545中，通信鏈路105的重建已被測知，程序?qū)⒎祷厝蝿?wù)510以便接受反饋通信參數(shù)并對(duì)向量濾波器510重新初始化。
本發(fā)明在鏈路因公路橋梁、隧道或屏蔽建筑物而發(fā)生中斷時(shí)，用來維持衛(wèi)星和用戶單元之間同步而發(fā)揮了效用。它也能應(yīng)用于飛機(jī)上，其中由于機(jī)翼、尾翼或其它控制表面阻斷通信鏈路而發(fā)生鏈接的中斷。
本發(fā)明已參照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例在上文中做了描述。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在技術(shù)上可以有所改變或修正，然而這項(xiàng)技術(shù)仍將認(rèn)為屬于本發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在通信系統(tǒng)中在基站和用戶單元之間的通信鏈路發(fā)生中斷時(shí)恢復(fù)通信服務(wù)的方法，其中所述的基站和所述用戶單元是動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)的，所述方法其特征在于，包括如下步驟運(yùn)用動(dòng)態(tài)通信參數(shù)在所述的基站和所述用戶單元之間建立所述的通信鏈路；當(dāng)所述的基站和所述用戶單元之間的方向發(fā)生改變時(shí)，修正在所述基站和所述用戶單元之間的通信鏈路所運(yùn)用的所述動(dòng)態(tài)通信參數(shù)；一旦所述通信鏈路發(fā)生中斷，所述的用戶單元將預(yù)測用于所述基站和所述用戶單元之間現(xiàn)在的動(dòng)態(tài)通信參數(shù)；以及當(dāng)所述的通信鏈路的中斷終止時(shí)，所述用戶單元采用所述的現(xiàn)在的動(dòng)態(tài)通信參數(shù)用以在所述的基站和所述用戶單元之間恢復(fù)所述的通信鏈路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在建立所述的通信鏈路以前，所述的方法其特征在于，還包括步驟從所述的基站到所述的用戶單元傳遞廣播通道的所述動(dòng)態(tài)通信參數(shù)的初始值；在所述的建立步驟里所述用戶單元運(yùn)用所述的動(dòng)態(tài)通信參數(shù)的所述初始值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的修正步驟其特征在于，包括如步驟運(yùn)用所述的動(dòng)態(tài)通信參數(shù)在所述的通信鏈路上從所述的用戶單元向所述的基站發(fā)送信息；在所述的基站估計(jì)所述的用戶單元所采用的所述動(dòng)態(tài)通信參數(shù)的精度；當(dāng)所述的動(dòng)態(tài)通信參數(shù)的所述的精度超過所述動(dòng)態(tài)通信參數(shù)的容許誤差時(shí)，向所述的用戶單元發(fā)送表明對(duì)所述動(dòng)態(tài)通信參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的反饋通信參數(shù)；從所述基站接收所述的反饋通信參數(shù)；以及所述的用戶采用所述的反饋通信參數(shù)產(chǎn)生所述的動(dòng)態(tài)通信參數(shù)，用于隨后的發(fā)送操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述的采用步驟還具有如下特征當(dāng)所述的反饋通信參數(shù)為所述的用戶單元接收時(shí)，濾除所述動(dòng)態(tài)通信參數(shù)的先前值而代之以所述的反饋通信參數(shù)的現(xiàn)在值；當(dāng)由于所述動(dòng)態(tài)通信參數(shù)的所述精度并沒有超出所述動(dòng)態(tài)通信參數(shù)的所述容差而使所述反饋通信參數(shù)被所述用戶所接收到，濾除所述動(dòng)態(tài)通信參數(shù)的先前值；所述用戶單元在所述濾除步驟產(chǎn)生濾過的通信參數(shù)，所述的濾過的通信參數(shù)與所述的反饋通信參數(shù)相比連續(xù)遞增增幅更大；以及所述用戶單元運(yùn)用所述的濾過的通信參數(shù)作為所述的動(dòng)態(tài)通信參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的動(dòng)態(tài)通信參數(shù)以在所述的基站和所述的用戶單元之間的多普勒頻移為特征。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述的動(dòng)態(tài)通信參數(shù)進(jìn)一步以在所述的基站和所述的用戶單元之間的傳輸延時(shí)為特征。
7.一種當(dāng)通信系統(tǒng)的基站和用戶單元之間的通信鏈路發(fā)生中斷時(shí)在用戶單元恢復(fù)通信服務(wù)的方法，其中所述基站與所述用戶單元是動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)的，所述的方法其特征在于包括步驟所述的用戶運(yùn)用動(dòng)態(tài)通信參數(shù)建立與所述的基站的所述通信鏈路；所述的用戶當(dāng)所述基站與所述用戶單元之間的方向發(fā)生變化時(shí)修正用于所述基站與所述用戶單元之間的所述通信鏈路中的所述動(dòng)態(tài)通信參數(shù)；一旦所述的通信鏈路發(fā)生中斷，所述的用戶單元預(yù)測用在所述基站和所述用戶單元之間的現(xiàn)在的動(dòng)態(tài)通信參數(shù)；以及當(dāng)所述的通信鏈路中所述的中斷終止時(shí)，所述的用戶單元采用所述的現(xiàn)在的動(dòng)態(tài)通信參數(shù)，在所述基站和所述用戶單元之間重建所述的通信鏈路。
8.一種用戶單元，用戶在通信系統(tǒng)的所述基站與所述用戶單元之間的通信鏈路發(fā)生中斷時(shí)恢復(fù)通信服務(wù)，其中所述的基站和所述的用戶單元是動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)，所述的用戶單元其特征在于包括一個(gè)接收機(jī)，用來接收來自所述基站的反饋通信參數(shù)，所述的反饋通信參數(shù)是由所述的基站在所述的通信鏈路上前次發(fā)送的信息決定的；一個(gè)發(fā)射機(jī)，與所述接收機(jī)相配合建立所述的通信鏈路，所述的發(fā)射機(jī)采用動(dòng)態(tài)通信參數(shù)與所述的基站進(jìn)行通信；一個(gè)控制器，用來從所述的接收機(jī)提取所述的反饋通信參數(shù)；一個(gè)通信參數(shù)預(yù)測器，用來從所述的控制器接收所述的反饋通信參數(shù)，并且從所述的反饋通信參數(shù)及所述動(dòng)態(tài)通信參數(shù)的先前值預(yù)測所述動(dòng)態(tài)通信參數(shù)的當(dāng)前值；一個(gè)合成器，根據(jù)動(dòng)態(tài)通信參數(shù)修正所述的發(fā)射機(jī)和所述的接收機(jī)，從而在所述的通信鏈路上實(shí)現(xiàn)其后的交互通信。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用戶單元，其中所述的接收機(jī)接收廣播通道上的缺省通信參數(shù)，所述的缺省通信參數(shù)是所述的動(dòng)態(tài)通信參數(shù)的近似值。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用戶單元，其中，所述的通信參數(shù)預(yù)測器是一卡爾曼濾波器。
全文摘要
在一個(gè)通信時(shí)通信參數(shù)明顯變化的動(dòng)態(tài)通信系統(tǒng)(90)，用戶單元(200)敏感于線路的障礙，該障礙會(huì)導(dǎo)致在一個(gè)通信線路(105)上連續(xù)通信所運(yùn)用的通信參數(shù)進(jìn)行調(diào)整時(shí)所需的連續(xù)反饋指令的丟失。一種方法和系統(tǒng)用來預(yù)測連續(xù)的通信參數(shù)，在線路中斷時(shí)應(yīng)用這些預(yù)測來重建通信，在線路中斷終止時(shí)，用戶單元(200)運(yùn)用預(yù)測的通信參數(shù)恢復(fù)通信，而不需要附加通信鏈路的復(fù)雜的重新分配操作。
文檔編號(hào)H04B7/185GK1140964SQ9610819
公開日1997年1月22日 申請(qǐng)日期1996年7月2日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月3日
發(fā)明者邁克爾·J·安德森, 凱斯·安德魯·奧爾茲 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司