專利名稱：綜合蜂窩狀通信網(wǎng)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信系統(tǒng)，特別是關(guān)于具有結(jié)合衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和地面節(jié)點(diǎn)的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。
蜂窩網(wǎng)通信已在美國(guó)快速發(fā)展，其發(fā)展速度較其他某些國(guó)家更快。它已成為具有多種用途的一種重要通信業(yè)務(wù)，因?yàn)榘l(fā)展速度快，現(xiàn)有通信業(yè)務(wù)的飽和引起人們的關(guān)注。高密度的區(qū)域具有很高的使用普及率，諸如洛杉基、紐約和芝加哥，是最為需要及時(shí)解決的。這一得到關(guān)注的問題要求人們想辦法解決電磁波頻譜的擁擠，頻譜擁擠的狀況隨著社會(huì)通信需要的擴(kuò)大而變得日益嚴(yán)重。這種擁擠不僅是由于各蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)造成的，同時(shí)也是由于其他各通信系統(tǒng)所造成的。然而，僅就蜂窩網(wǎng)通信企業(yè)內(nèi)部而言，預(yù)計(jì)在今后十年中世界范圍內(nèi)的移動(dòng)通信用戶的數(shù)量將增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。無線電通信頻譜是有限，又鑒于其使用方面的這種日益增加的需求，這意味著更有效地利用無線電頻譜仍然是要繼續(xù)研究探索的問題。
關(guān)于蜂窩通信系統(tǒng)，已有許多文章描述過，如博德森，丹尼斯，麥克盧爾，G.F.和麥克那尼所著的“地面移動(dòng)通信工程”，IEE出版社，紐約，1984；李，威廉C.Y.所著的“移動(dòng)蜂窩通信系統(tǒng)”，1989；杰克，威廉C.所著的“微波移動(dòng)通信”，IEE出版社，新澤西，1974。
現(xiàn)有蜂窩無線通信系統(tǒng)當(dāng)初的目的是，為發(fā)達(dá)大城市內(nèi)的自動(dòng)電話用戶提供移動(dòng)電話業(yè)務(wù)。對(duì)于邊遠(yuǎn)地區(qū)的用戶、空事用戶和海事用戶，已有AIRFONE和INMARSAT通信業(yè)務(wù)，但覆蓋范圍不夠完整，通信業(yè)務(wù)費(fèi)用相當(dāng)昂貴。正在規(guī)劃階段的移動(dòng)無線電通信衛(wèi)星系統(tǒng)大概會(huì)為在邊遠(yuǎn)地區(qū)內(nèi)的移動(dòng)用戶提供改善了的直接廣播語音信道，但與現(xiàn)有的地面蜂窩網(wǎng)通信業(yè)務(wù)相比費(fèi)用仍然是十分高的。地面蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)和業(yè)已規(guī)劃的衛(wèi)星移動(dòng)無線通信技術(shù)，在地理覆蓋方面是互補(bǔ)的，在這種覆蓋區(qū)內(nèi)，為相當(dāng)發(fā)達(dá)的城市和郊區(qū)地面蜂窩通信系統(tǒng)提供語音電話業(yè)務(wù)，但不為人口稀少的地區(qū)提供通信業(yè)務(wù)；而規(guī)劃的地球軌道衛(wèi)星將為人口稀少地區(qū)提供通信業(yè)務(wù)。雖然這兩種通信技術(shù)利用射頻(RF)頻譜的相同頻段，但是通過設(shè)計(jì)，它們可以基本上分隔開來，并不沖突，正如它們現(xiàn)在共存的那樣。目前，如果用戶需要兩種移動(dòng)通信覆蓋方式，就必須對(duì)兩種相當(dāng)昂貴的用戶裝置投資，每個(gè)系統(tǒng)要一種。
移動(dòng)電話業(yè)務(wù)的需求正在穩(wěn)定地增長(zhǎng)，業(yè)務(wù)量也不斷增加，為數(shù)量不斷增加的從一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的移動(dòng)用戶服務(wù)的問題已成為首要問題。蜂窩網(wǎng)移動(dòng)通信系統(tǒng)把各服務(wù)區(qū)分為若干地理上的網(wǎng)孔，每個(gè)網(wǎng)孔通常由一個(gè)位于其中心的基站或節(jié)點(diǎn)來為之服務(wù)。該節(jié)點(diǎn)發(fā)送足夠大的功率，以便能以足夠的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋它的網(wǎng)孔。如果某個(gè)移動(dòng)用戶進(jìn)入一個(gè)新的網(wǎng)孔，無線電鏈路便被切換到新節(jié)點(diǎn)，只要該網(wǎng)孔具有可用空閑信道即可。然而，如果移動(dòng)用戶進(jìn)入一個(gè)所有信道都已占用的區(qū)域，或是進(jìn)入尚無由任何蜂窩網(wǎng)通信業(yè)務(wù)服務(wù)的地方，或在某種情況下，進(jìn)入由不同的領(lǐng)照者/供應(yīng)者提供服務(wù)的區(qū)域，那么該用戶的電話呼叫會(huì)突然中斷。
當(dāng)今的地面移動(dòng)通信系統(tǒng)通常采用調(diào)頻(FM)方式，因?yàn)镕M調(diào)制方式的抑制干擾能力有限，每無線電信道在跨越許多網(wǎng)孔的一個(gè)廣闊的區(qū)域范圍內(nèi)只能使用一次。這意味著每個(gè)網(wǎng)孔只能利用所分配的整個(gè)無線電頻帶的一個(gè)很小的部分，結(jié)果導(dǎo)致不能充分有效地利用無線電頻譜。在某些情況下，因?yàn)榉Q做衰落和“死點(diǎn)”的FM調(diào)制的傷害現(xiàn)象，使通話質(zhì)量低。衰落的主觀影響是，如果移動(dòng)單元處于行駛運(yùn)動(dòng)中時(shí)，話音信號(hào)常常重復(fù)地淹沒在背影噪聲之中，其頻度達(dá)每秒許多次。這種問題由于來自遠(yuǎn)地的網(wǎng)孔內(nèi)的共信道用戶的干擾和由于FM調(diào)制抑制干擾的能力有限而導(dǎo)致的串話而加劇。此外，通信的保密性相當(dāng)差；調(diào)頻(FM)信號(hào)可能被接收該同一頻率的其他人所聽到。
在用一個(gè)頻段的若干頻率而不用其他頻段更為可取的地方和在只用一個(gè)頻段用于移動(dòng)通信的情況下，采用高效率的通信系統(tǒng)是必要的，以確保能夠容納希望利用該頻段的許多用戶。例如，在選取L頻段作為技術(shù)上的優(yōu)選頻段用于各種移動(dòng)通信系統(tǒng)中衛(wèi)星與移動(dòng)鏈路方面，有著當(dāng)今廣泛一致的意見。對(duì)于選定這種單個(gè)頻段來容納全部移動(dòng)通信用戶地方，在防干擾的區(qū)域內(nèi)的頻譜利用和能夠?qū)崿F(xiàn)功能、而不對(duì)其他各種業(yè)務(wù)增加不允許的干擾方面的各種改進(jìn)，將是在考慮充分利用寶貴頻譜時(shí)最富重要性的一個(gè)問題。
擴(kuò)頻通信技術(shù)是在軍事應(yīng)用中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)技術(shù)，軍事應(yīng)用中必須滿足有關(guān)安全性、最小的信號(hào)檢測(cè)可能性和對(duì)外部干擾的最不敏感性等各項(xiàng)要求。在擴(kuò)頻系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息調(diào)制過的載頻信號(hào)，進(jìn)一步被相關(guān)的寬帶、偽隨機(jī)“擴(kuò)頻”信號(hào)調(diào)制，因此，傳送帶寬比要傳送的信息的帶寬寬得多或比信息速率高得多。通常這種擴(kuò)頻信號(hào)要由一種偽隨機(jī)判決數(shù)字邏輯算法生成，該邏輯算法在接收機(jī)一端復(fù)制再生。
通過相同的擴(kuò)譜波形調(diào)制所收到的信號(hào)，將接收到的信號(hào)重新回復(fù)成原來信息帶寬，以重新產(chǎn)生所希望的信號(hào)。因?yàn)榻邮諜C(jī)只響應(yīng)用相同的獨(dú)特碼擴(kuò)頻的信號(hào)，一種獨(dú)特的可尋址信道是可能的。同樣，功率密度低和不具有獨(dú)特?cái)U(kuò)頻碼，該信號(hào)的檢出非常困難，解碼很少，所以保密性得到增強(qiáng)，對(duì)各種其他業(yè)務(wù)信號(hào)的干擾得以減小。擴(kuò)頻信號(hào)對(duì)于多徑衰減，來自該系統(tǒng)其他用戶的干擾和來自其他系統(tǒng)的干擾，具有很強(qiáng)的免除能力。
在衛(wèi)星通信信號(hào)中，下行線功率是一個(gè)要仔細(xì)考慮的重要問題。衛(wèi)星功率受到嚴(yán)重限制，因此，衛(wèi)星能夠容納的用戶數(shù)量和這種系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性，與衛(wèi)星所必須發(fā)送給每個(gè)用戶多大功率成反比。許多建議的移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)已取決于提供附加有效功率增益的用戶天線的方向性。這已導(dǎo)致相當(dāng)高的用戶設(shè)備費(fèi)用和必須建立某種指向衛(wèi)星的尖銳或強(qiáng)選擇性天線的不便。此外，由于所必須的相當(dāng)大的指向性天線，手持收發(fā)信機(jī)是不現(xiàn)實(shí)的。
在某種地面蜂窩業(yè)務(wù)中，為了克服衰落靜區(qū)用戶收發(fā)信機(jī)通常輻射功率電平應(yīng)比所要求的平均電平高30dB至40dB。這使得系統(tǒng)之間的干擾大幅度增大，并使蓄電池壽命減低。還有一種有希望的方法是提供一種功率控制來補(bǔ)償衰落和干擾，而不超過為克服上述干擾所必須的最小功率。
此外，一種用戶位置確定能力，對(duì)于蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)的某些應(yīng)用將是有用的，如追跡商用汽車行路線的過程。一種進(jìn)一步的用途可能是為用戶提供一種他們自己的位置的指示。這樣一種能力將會(huì)隨著精確度的增加而更為有用。
因此，建立一種結(jié)合衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)與地面節(jié)點(diǎn)的蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)，以供覆蓋更大地面區(qū)域，而無需使用具有附加費(fèi)用和硬件要求的兩種不同的系統(tǒng)，將是有希望的。此外，采用能夠更有效地利用現(xiàn)有頻率資源且能夠增加通信保密性的擴(kuò)頻技術(shù)，提供一種蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)，也將會(huì)是有希望的。此外，還有希望能夠允許采用功率相對(duì)地減小、小型化、并具有小型無方向性天線的移動(dòng)用戶手持機(jī)，這種手持機(jī)能夠與地面基站和衛(wèi)星基站兩者互相通信。
本發(fā)明的目的是提供一種既有地面節(jié)點(diǎn)又有空間節(jié)點(diǎn)，且兩者完全結(jié)合的蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)，地面節(jié)點(diǎn)難以覆蓋的區(qū)域由空間節(jié)點(diǎn)來覆蓋。
本發(fā)明提供了一種蜂窩通信系統(tǒng)，包括至少一個(gè)具有一個(gè)多波束天線的空間節(jié)點(diǎn)，其位于要建立第一組網(wǎng)孔的地方，每個(gè)空間節(jié)點(diǎn)包括用于發(fā)送和接收不同的預(yù)先確定的數(shù)組碼分多址編碼的裝置，用于擴(kuò)頻數(shù)字調(diào)制的波形的裝置，以及用于使前向糾錯(cuò)編碼與位于一個(gè)預(yù)先確定的各空間節(jié)點(diǎn)共用的頻段中的波形相結(jié)合的裝置；所述天線具有一個(gè)反射器，其帶有一個(gè)安裝在反射器焦點(diǎn)區(qū)內(nèi)的多單元饋源部件；至少一個(gè)地面節(jié)點(diǎn)，其位于要建立的第二組網(wǎng)孔的地方，每個(gè)地面節(jié)點(diǎn)包括用于發(fā)送和接收預(yù)先確定的數(shù)組碼分多址編碼的裝置，用于在所述預(yù)先確定的頻段上擴(kuò)頻波形的裝置；一個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)控制中心，用于在每個(gè)空間節(jié)點(diǎn)分配通信；一個(gè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)控制中心，用于在每個(gè)地面節(jié)點(diǎn)分配通信；以及在所述網(wǎng)孔內(nèi)的多個(gè)用戶單元，每個(gè)用戶單元包括用于與每個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和每個(gè)地面節(jié)點(diǎn)通信的裝置，以及用于在操作上響應(yīng)于數(shù)組碼分多址編碼波形中的預(yù)先確定的一組、從而與所述節(jié)點(diǎn)中的至少一個(gè)建立選擇性通信的裝置。
本發(fā)明還提供了一種蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)，包括至少一個(gè)具有一個(gè)多波束天線的空間節(jié)點(diǎn)，其位于要建立第一組網(wǎng)孔的地方，每個(gè)空間節(jié)點(diǎn)包括用于發(fā)送和接收不同的預(yù)先確定的數(shù)組碼分多址編碼的裝置，用于擴(kuò)頻數(shù)字調(diào)制的波形的裝置，以及使前向糾錯(cuò)編碼與位于一個(gè)預(yù)先確定的各節(jié)點(diǎn)共用的頻段中的波形相結(jié)合的裝置；至少一個(gè)地面節(jié)點(diǎn)，其位于要建立的第二組網(wǎng)孔的地方，每個(gè)地面節(jié)點(diǎn)包括用于發(fā)送和接收預(yù)先確定的數(shù)組碼分多址編碼的裝置，用于在所述預(yù)先確定的頻段上擴(kuò)頻波形的裝置；在所述網(wǎng)孔內(nèi)的多個(gè)用戶單元，每個(gè)單元包括用于與每個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和每個(gè)地面節(jié)點(diǎn)通信的裝置，以及用于在操作上響應(yīng)于數(shù)組碼分多址編碼波形中的預(yù)先確定的一組、從而與所述節(jié)點(diǎn)中的至少一個(gè)建立選擇性通信的裝置；以及一個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制中心，它在操作上連接于每個(gè)空間節(jié)點(diǎn)和每個(gè)地面節(jié)點(diǎn)，以便在所述空間節(jié)點(diǎn)和地面節(jié)點(diǎn)之間有選擇地分配與所述各用戶單元的通信。
諸空間節(jié)點(diǎn)包括若干建立網(wǎng)孔的衛(wèi)星，在多數(shù)情況下，網(wǎng)孔重疊若干個(gè)地面網(wǎng)孔。采用了一種擴(kuò)頻通信方法，它包括碼分復(fù)用多址(CDMA)和前向糾錯(cuò)編碼(FECC)等技術(shù)，以便增加在允許的頻譜范圍內(nèi)能夠容納的用戶數(shù)量。擴(kuò)頻系統(tǒng)使采用很低速率、高冗余度編碼、而不損失在分配的頻帶內(nèi)容納最大可能的用戶數(shù)量的能力成為可能。低速率編碼反過來又可以提供最大的編碼增益，在接收機(jī)端所要求的信號(hào)強(qiáng)度為最小，因而，在給定的頻帶內(nèi)能夠?yàn)樽畲髷?shù)量的用戶服務(wù)。
在各衛(wèi)星上，采用具有相當(dāng)高的增益的多射束天線，在一種具體裝置中，采用了具有相當(dāng)大的反射器的天線，在反射器中具有位于其聚焦面的多單元饋源器。通過一種高增益天線與用FECC獲得的額外增益的結(jié)合，系統(tǒng)中具有足夠的增益，使得用戶單元僅包括具有小型無方向性天線的一種小巧的移動(dòng)手機(jī)。
一種自適應(yīng)發(fā)射功率控制系統(tǒng)補(bǔ)償收到的信號(hào)強(qiáng)度的各種變化，諸如那些由建筑物、植被和其他障礙物所造成的信號(hào)強(qiáng)度變化。路徑衰耗的估算由所接收到的信號(hào)強(qiáng)度和包含在指示發(fā)信機(jī)輸出功率的每一發(fā)送信號(hào)中的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出。根據(jù)所導(dǎo)出的路徑衰耗和發(fā)信機(jī)的輸出功率數(shù)據(jù)，收信機(jī)則能據(jù)此調(diào)整其本身相應(yīng)的發(fā)信機(jī)功率輸出。
在一個(gè)具體實(shí)施例中，采用一種系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制中心來協(xié)調(diào)系統(tǒng)范圍的運(yùn)行，一方面保持對(duì)用戶位置的跟蹤，一方面實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)資源對(duì)第一呼叫的最優(yōu)分配，傳送各種設(shè)備的命令碼，并監(jiān)視和管理整個(gè)系統(tǒng)的正常狀況。在這一具體實(shí)施例中整個(gè)系統(tǒng)是具有分級(jí)控制特點(diǎn)的，包括系統(tǒng)網(wǎng)路控制中心、在一個(gè)區(qū)域內(nèi)協(xié)調(diào)詳細(xì)分配地面網(wǎng)絡(luò)資源的區(qū)域節(jié)點(diǎn)控制中心，以及一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)控制中心，負(fù)責(zé)在該衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源中分配資源。在另一實(shí)施例中，系統(tǒng)中沒有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制中心，各節(jié)點(diǎn)控制中心自動(dòng)地運(yùn)行。
在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)控制中心為包括一群的M個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)孔服務(wù)。在該實(shí)施例中，往返于各群體網(wǎng)孔的M個(gè)復(fù)合信號(hào)頻分復(fù)用在公共的傳送鏈路上，并在為群服務(wù)的一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)控制中心，借助于頻分分離分隔開來。在這一實(shí)施例中，在群內(nèi)的M個(gè)網(wǎng)孔是一個(gè)設(shè)計(jì)變量，在系統(tǒng)中網(wǎng)孔的數(shù)量可以在一個(gè)和全部范圍內(nèi)選取。這可以根據(jù)可用的傳送鏈路復(fù)用帶寬和當(dāng)?shù)仉娫挷煌瑓^(qū)內(nèi)呼叫率對(duì)每個(gè)具體的群區(qū)進(jìn)行優(yōu)化。
在本發(fā)明的另一方面，裝有一個(gè)網(wǎng)內(nèi)總線系統(tǒng)，其中，可以將在一個(gè)網(wǎng)孔內(nèi)用戶到衛(wèi)星的上行線通過總線立即下行地傳送給同一衛(wèi)星的每個(gè)網(wǎng)孔。
在本發(fā)明的定位系統(tǒng)中，通過監(jiān)測(cè)一個(gè)用戶對(duì)輪詢的響應(yīng)信號(hào)或由定位設(shè)備傳送的其他信號(hào)，可以提供該用戶的位置判定。到達(dá)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差提供了用于制定某個(gè)特定用戶位置的基本數(shù)據(jù)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的原理表示通信系統(tǒng)主要裝置單元的方框圖；圖2是分配給蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)頻帶的分頻段圖；圖3是根據(jù)沒有網(wǎng)路控制中心的本發(fā)明的原理的通信系統(tǒng)總體方框圖；圖4是表示曲型系統(tǒng)中地面和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的蜂窩網(wǎng)分級(jí)結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系的圖。提出一種包含多于一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)孔的群；圖5是表示用戶單元和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)控制中心的衛(wèi)星鏈路系統(tǒng)的方框圖；圖6是在圖5的系統(tǒng)中衛(wèi)星信號(hào)處理的一種實(shí)施例的方框圖；圖7是表示自適應(yīng)功率控制系統(tǒng)的用戶收發(fā)信機(jī)的功能方框圖；和圖8a至圖8h表示一種自適應(yīng)雙向功率控制系統(tǒng)的定時(shí)圖。
正如在示例性圖中所表示的那樣，本發(fā)明具體體現(xiàn)了一種采用衛(wèi)星和地面節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)。兩種節(jié)點(diǎn)采用同樣的調(diào)制、編碼和擴(kuò)頻結(jié)構(gòu)，并且兩者都響應(yīng)于相同的用戶單元。
參照?qǐng)D1，介紹了一種通信系統(tǒng)10的總體概貌，表示了主要裝置的互相之間的功能關(guān)系。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制中心12指向整個(gè)系統(tǒng)衛(wèi)星和地面區(qū)域資源呼叫的頂層分配。同時(shí)它還用來協(xié)調(diào)系統(tǒng)范圍內(nèi)的運(yùn)行，保持對(duì)用戶位置的跟蹤，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源對(duì)每一呼叫的最優(yōu)分配，傳送各種設(shè)備命令碼，以及監(jiān)視和管理整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。各區(qū)域節(jié)點(diǎn)控制中心14(只表示出了其中的一個(gè))與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制中心12相連接，并指導(dǎo)主要大城市地區(qū)內(nèi)各地面節(jié)點(diǎn)的各呼叫的分配。該區(qū)域節(jié)點(diǎn)控制中心14提供對(duì)固定地面通信線路，例如稱做公眾電話交換網(wǎng)(PSIN)的商業(yè)電話系統(tǒng)的出入路徑。在各個(gè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)控制中心14的方向上的地面節(jié)點(diǎn)16經(jīng)由固定地面線路網(wǎng)接收各電話呼叫，對(duì)它們進(jìn)行編碼，根據(jù)分配給每一指定用戶的獨(dú)特?cái)U(kuò)頻碼對(duì)它們進(jìn)行擴(kuò)頻，將它們組成一個(gè)復(fù)合信號(hào)，將該復(fù)合信號(hào)調(diào)制到發(fā)射載頻上，并將它們向所覆蓋的蜂窩區(qū)廣播。
衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)控制中心18也經(jīng)由狀態(tài)和控制地面線路與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制中心12相連接，對(duì)用于衛(wèi)星電路的指定電話呼叫進(jìn)行與來自PSIN呼叫相同的處理。對(duì)各呼叫進(jìn)行編碼，根據(jù)分配給指定用戶的獨(dú)特?cái)U(kuò)頻碼將它們擴(kuò)頻，把它們與其它相同方向的呼叫復(fù)用到一個(gè)上行線路。復(fù)用的信號(hào)傳到指定的衛(wèi)星20。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)20收到上行線路復(fù)用信號(hào)，對(duì)要到不同衛(wèi)星網(wǎng)孔的各呼叫進(jìn)行頻分去復(fù)用，進(jìn)行頻率變換后將每一呼叫傳送到與其相應(yīng)的網(wǎng)孔發(fā)送機(jī)和網(wǎng)孔波束，并將所有那些相同方向呼叫的復(fù)合信號(hào)向要傳送的衛(wèi)星蜂窩狀區(qū)進(jìn)行廣播。這里所用“傳送線路backhaul”一詞含義是指衛(wèi)星20和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)控制中心18之間的鏈路。在一個(gè)實(shí)施例中，它利用K波段頻率，而在衛(wèi)星20和用戶單元22之間利用L波段或S波段頻率。
用戶單元22響應(yīng)衛(wèi)星始發(fā)信號(hào)，或地面節(jié)點(diǎn)始發(fā)信號(hào)，接收傳來的復(fù)合信號(hào)，通過利用分配給用戶的獨(dú)特?cái)U(kuò)頻碼分割出來要傳送到那個(gè)用戶的信號(hào)，進(jìn)行解調(diào)，最后解碼出有用信息，并將該電話呼叫傳送給用戶。上述用戶單22可以是移動(dòng)的，也可以是固定在某個(gè)位置上。網(wǎng)關(guān)24在衛(wèi)星和地面公眾電話交換系統(tǒng)，或?qū)Ｓ弥欣^用戶之間提供直接中繼線，即一組信道。例如一個(gè)網(wǎng)關(guān)可以包括專用的衛(wèi)星終端，供一個(gè)大公司或其他單位使用，在圖1的實(shí)施例中，網(wǎng)關(guān)24與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制中心12連接。
所有上面討論過的中心、節(jié)點(diǎn)、單元和網(wǎng)關(guān)為全雙工發(fā)信/收信，如剛剛描述的那樣，執(zhí)行相應(yīng)的入向(用戶到系統(tǒng))鏈路功能，以及相反方式出向(系統(tǒng)到用戶)鏈路功能。
現(xiàn)參照?qǐng)D2，表示出一個(gè)所分配的頻段26的通信系統(tǒng)。所分配的頻段26又分為兩個(gè)主要分頻段，一個(gè)出向分頻段25和一個(gè)入向分頻段27。此外這兩個(gè)主分頻段又進(jìn)一步分成若干個(gè)子頻段，子頻段的規(guī)定如下。
OG地面出向頻段28(地面節(jié)點(diǎn)到用戶)OS衛(wèi)星出向頻段30(衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)到用戶)OC出向呼叫和命令32(節(jié)點(diǎn)到用戶)IG地面入向頻段34(用戶到地面節(jié)點(diǎn))IS衛(wèi)星入向頻段36(用戶到衛(wèi)星節(jié)點(diǎn))IC入向呼叫和跟蹤頻段38(用戶到節(jié)點(diǎn))在所有網(wǎng)孔中所有用戶使用整個(gè)規(guī)定的子頻段完成所述的功能。不同于現(xiàn)用的地面和衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，沒必要按網(wǎng)孔進(jìn)行頻分，各呼叫可以使用這些有相同原則的六個(gè)子頻段。這樣安排的結(jié)果是，如下面要更詳細(xì)討論的那樣，頻率再利用系數(shù)更高。
在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)移動(dòng)用戶單元響應(yīng)一次輪詢或自動(dòng)時(shí)，不定時(shí)地發(fā)送一種IC子頻段的脈沖串標(biāo)志信號(hào)。當(dāng)單元22處于備用狀態(tài)時(shí)，這種情況可以發(fā)生。這一標(biāo)志信號(hào)只要該單元在各個(gè)區(qū)域內(nèi)，便由該區(qū)域的節(jié)點(diǎn)控制中心14所跟蹤，否則該信號(hào)將由衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)或各節(jié)點(diǎn)跟蹤。在另一個(gè)實(shí)施例中，這種標(biāo)志信號(hào)由所有能收到它的地面和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)跟蹤，這一信息經(jīng)由狀態(tài)和命令線路或其它方式進(jìn)一步傳送到網(wǎng)絡(luò)控制中心12。按照這種方式，實(shí)用的區(qū)域節(jié)點(diǎn)控制中心14和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制中心12保持經(jīng)常不斷地獲知蜂窩位置和每個(gè)正在占用的用戶22的鏈路選擇。送到或來自移動(dòng)用戶22的區(qū)域內(nèi)的一個(gè)呼叫一般說來只由各自區(qū)域節(jié)點(diǎn)控制中心14進(jìn)行處理。按照所呼叫對(duì)方的位置，各鏈路選擇的質(zhì)量、資源有效性和最優(yōu)利用資源的原則，由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制中心12給區(qū)內(nèi)呼叫分配衛(wèi)星或地面區(qū)域性系統(tǒng)資源。
處于備用狀態(tài)的用戶22不斷地監(jiān)視公用的出向呼叫頻率子頻段OC32，借助他的獨(dú)特?cái)U(kuò)頻碼尋找對(duì)它尋址的呼叫信號(hào)。這種呼叫可以從地面或衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)上始發(fā)。識(shí)別它的獨(dú)特呼叫碼后啟動(dòng)用戶單22的振鈴功能。當(dāng)用戶摘機(jī)，例如把電話手柄從支架上拿起來，反回信號(hào)從用戶單元22向任何在用戶呼叫子頻段IC38的接收節(jié)點(diǎn)廣播。這就開始了呼叫節(jié)點(diǎn)和用戶單元之間的聯(lián)絡(luò)序列，這種聯(lián)絡(luò)序列指明該用戶單元是不是轉(zhuǎn)發(fā)到衛(wèi)星OS30和IS36，或是發(fā)到地面子頻段OG28和IG34。
想要打電話的移動(dòng)用戶直接使他的單元22摘機(jī)，撥被叫方的號(hào)碼，證實(shí)號(hào)碼，并發(fā)送電話呼叫。因此，在IC子頻段38中起動(dòng)來話呼叫信號(hào)序列。這種呼叫被幾個(gè)地面和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)收到，這些節(jié)點(diǎn)向前轉(zhuǎn)發(fā)呼叫和信號(hào)質(zhì)量報(bào)告到合適的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制中心12，控制中心12反過來指定該呼叫處理到一個(gè)特定的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)20/衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)控制中心18，或區(qū)域性節(jié)點(diǎn)控制中心14，或者到兩者。這時(shí)呼叫處理裝置在OC32和IC38子頻段起動(dòng)與呼叫單元的聯(lián)絡(luò)功能，最后引導(dǎo)過渡到合適的衛(wèi)星或地面子頻段進(jìn)行通信。
現(xiàn)參照?qǐng)D3，一種不提供系統(tǒng)網(wǎng)路控制中心的通信系統(tǒng)40的方框圖。在這種系統(tǒng)中，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)控制中心42直接連接到地面線路網(wǎng)絡(luò)，如同也是區(qū)域性節(jié)點(diǎn)控制中心44。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)46如在圖1的系統(tǒng)中一樣也是有用的，并將衛(wèi)星通信與合適的地面線路或其他通信系統(tǒng)相連。用戶單元22通過發(fā)送預(yù)先確定的編碼表明衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)20的通信或地面節(jié)點(diǎn)50的通信。
現(xiàn)參照?qǐng)D4，表示一種分級(jí)蜂窩狀結(jié)構(gòu)。圖中表示出一對(duì)地面網(wǎng)孔54的群52。此外，還示出許多個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)孔56，雖然數(shù)字54和56每個(gè)僅指向兩個(gè)網(wǎng)孔，這樣做是為了保持圖中清楚。數(shù)字54意欲表示圖中的所有地面網(wǎng)孔，同樣，數(shù)字56意欲表示所有的衛(wèi)星網(wǎng)孔。網(wǎng)孔在形狀上表示為六邊形，然而這僅是典型示范。地面網(wǎng)孔可以穿越3至15公里，根據(jù)網(wǎng)孔內(nèi)的用戶密度，其它大小范圍的網(wǎng)孔也是可行的。衛(wèi)星網(wǎng)孔作為例子可跨越200～500公里范圍，取決于復(fù)蓋一個(gè)給定區(qū)域所使用的波束數(shù)目。如圖所示，某些衛(wèi)星網(wǎng)孔可以不包括任何地面網(wǎng)孔。這種網(wǎng)孔可以用來覆蓋一些不發(fā)達(dá)地區(qū)，對(duì)于這種區(qū)域，地面節(jié)點(diǎn)是不實(shí)際的。圖中還表示出部分衛(wèi)星群58。這種群的網(wǎng)孔充分利用一個(gè)共同的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)控制中心。
本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)在于，因采用擴(kuò)頻多址相鄰網(wǎng)孔不需要使用不同的頻段。各地面用戶鏈路都使用相同的兩個(gè)子頻段(OG28，IG24)，各衛(wèi)星用戶鏈路使用兩個(gè)相同的子頻段(OS30，IS36)。這就消除了不這樣做的復(fù)雜性和應(yīng)在各網(wǎng)孔相互間距離小于某一最小距離內(nèi)確保各頻率不得再利用的(FM調(diào)制方法)限制性的頻率協(xié)調(diào)問題。然而卻提供一種網(wǎng)孔范圍的分級(jí)設(shè)置，以容納用戶密度具有很大差別的各種區(qū)域。
再參照?qǐng)D1和圖4，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)20采用大的多饋源天線62，天線62在一種實(shí)例中為每個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)孔56提供分開的波束和相應(yīng)的分開的發(fā)信機(jī)。例如，多饋源天線62可以用一般的100個(gè)衛(wèi)星波束/網(wǎng)孔來覆蓋美國(guó)那樣的區(qū)域，并在一種實(shí)施例中用200個(gè)波束/網(wǎng)孔覆蓋。組合的衛(wèi)星/地面節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)提供一種地理上分級(jí)的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。因而在人口稠密的大城市地區(qū)，每個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)孔56可以進(jìn)一步包含100個(gè)或更多的地面網(wǎng)孔54，哪個(gè)地面網(wǎng)孔都可以正常地傳送大量始發(fā)于那里的話務(wù)量。地面節(jié)點(diǎn)16的用戶數(shù)量預(yù)期會(huì)超過衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)20的用戶數(shù)量，這里地面網(wǎng)孔存在于衛(wèi)星網(wǎng)孔之中。因?yàn)椴蝗凰心切┑孛婀?jié)點(diǎn)用戶就要受到想要用衛(wèi)星鏈路的象背景噪聲一樣的干擾，所以在一個(gè)實(shí)施例中可以將頻段分配為隔開的若干小段，用于地面裝置和空間裝置，這已經(jīng)在結(jié)合圖2描述過。這種組合的混合服務(wù)能夠提供一種對(duì)用戶透明的方式。各電話呼叫將以最有效的方式由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制中心12在所有可用的地面和衛(wèi)星資源中進(jìn)行分配。
在蜂窩無線電通信系統(tǒng)中大多數(shù)考慮的一個(gè)重要參數(shù)是“群”(cluster)，并定義為最小設(shè)置的網(wǎng)孔，倘若同頻道網(wǎng)孔在不同的群內(nèi)，則使各網(wǎng)孔之間再利用一個(gè)給定的子頻段的相互干擾是允許的，相反所有在一個(gè)群內(nèi)的網(wǎng)孔必須采用不同的子頻段。在這樣一個(gè)群內(nèi)的網(wǎng)孔數(shù)目稱作群區(qū)容量(cluster size)?？梢钥闯?，頻率再利用系數(shù)，即在系統(tǒng)內(nèi)一個(gè)子頻段可再利用的次數(shù)，等于系統(tǒng)中網(wǎng)孔數(shù)除以群區(qū)容量。每個(gè)網(wǎng)孔能夠采用的信道數(shù)目，從而系統(tǒng)的總有效帶寬，都與群區(qū)容量成反比例。根據(jù)所描述的內(nèi)容，與其他地面或衛(wèi)星蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)相比較，本發(fā)明系統(tǒng)達(dá)到最小可能的群區(qū)容量，對(duì)于其他地面或衛(wèi)星蜂窩網(wǎng)的概念，典型的群區(qū)容量為7到13個(gè)，所以本發(fā)明具有最大可能的頻率再利用系數(shù)。這就是本發(fā)明的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)參照?qǐng)D5，方框圖所表示的是，一種典型的用戶單元22與衛(wèi)星20，與衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)控制中心18通信，并且控制過程包括用戶單元22和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)控制中心18。例如當(dāng)進(jìn)行一次電話呼叫時(shí)，電話手機(jī)64摘機(jī)，并由用戶輸號(hào)碼。在證實(shí)所撥號(hào)碼顯示之后，用戶推動(dòng)“發(fā)送”按鍵，這樣便啟動(dòng)了呼叫請(qǐng)求信號(hào)。這一信號(hào)通過包括采用一種呼叫擴(kuò)頻碼對(duì)信號(hào)擴(kuò)頻的發(fā)信機(jī)處理電路66進(jìn)行處理。信號(hào)由無方向性天線68發(fā)射出去，并由衛(wèi)星20通過其窄波束天線62接收。衛(wèi)星處理所收到的信號(hào)，這將在下面介紹。同時(shí)通過它的下行天線70發(fā)送下行信號(hào)給衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)控制中心18。關(guān)于接收方面，用戶單元22的天線68接收該信號(hào)，收信機(jī)的處理器72處理該信號(hào)。用戶單元22的處理過程將在下面參照?qǐng)D7進(jìn)行詳細(xì)介紹。
衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)控制中心18用其天線71來接收該信號(hào)，將信號(hào)加到一個(gè)環(huán)行器73、放大器74、頻率去復(fù)用裝置76，放大該信號(hào)并分離出包含從圖5所示用戶來的信號(hào)的復(fù)合信號(hào)，分解器78將信號(hào)分解為一組相關(guān)碼之一，它們每個(gè)包括混頻器80用來去除擴(kuò)頻和標(biāo)志碼。經(jīng)AGC放大器82，F(xiàn)EC解碼器84，去復(fù)用器86和語音編碼器/譯碼器(CODEC)88，最后將數(shù)字語音信息變換為模擬語音信號(hào)。語音信號(hào)隨后送到合適的地面線路，如商用電話系統(tǒng)。通過衛(wèi)星的節(jié)點(diǎn)控制中心18的發(fā)送實(shí)際上是上述接收運(yùn)行的反過程。
現(xiàn)參照?qǐng)D6，圖5中的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器90用方框圖的形式表示出來。環(huán)行器/雙工器92接收上行線路信號(hào)并將信號(hào)加到適合的L波段或S波段放大器94。來自一個(gè)群內(nèi)全部M個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)孔的信號(hào)由頻分復(fù)用器96復(fù)用成一個(gè)復(fù)合K波段中繼線路信號(hào)，占用頻帶寬度為各個(gè)L/S波段移動(dòng)鏈路頻道的M倍。該復(fù)合信號(hào)隨即由分割器98分割為N個(gè)部分，經(jīng)放大器100分別放大，并經(jīng)過第二環(huán)行器102發(fā)送到N個(gè)分離的衛(wèi)星地面網(wǎng)孔。這種一般結(jié)構(gòu)配置支持一系列的具體配置，各種配置可能最好地適應(yīng)一種或另一種取決于系統(tǒng)優(yōu)化的狀況，舉例來說，系統(tǒng)優(yōu)化可能包括有關(guān)區(qū)域的地面線路長(zhǎng)距離比率結(jié)構(gòu)，頻率分配和用戶地區(qū)人口等方面的考慮。因此，對(duì)于低密度的農(nóng)村地區(qū)，人們可以利用一種M-to-1(M＞1，N＝1)的群結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是由一個(gè)共用衛(wèi)星地面節(jié)點(diǎn)服務(wù)的、具有M受可用帶寬限制的M個(gè)相連的網(wǎng)孔。為了在已有的大城市地區(qū)之間提供高質(zhì)量長(zhǎng)途電話業(yè)務(wù)，或是最好覆蓋有移動(dòng)地面蜂窩網(wǎng)技術(shù)的本地電話呼叫，一種M-to-M結(jié)構(gòu)將提供一條大城市地區(qū)之間的總線，該總線進(jìn)而將上述M個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)孔的所有使用者連在一起，宛如在同一個(gè)本地呼叫區(qū)。為了說明，包括圖6左側(cè)M個(gè)用戶網(wǎng)孔的群的相同網(wǎng)孔(例如西雅圖Seattle、洛彬基Los angeles、俄馬哈Omaha等)每個(gè)均由圖6右側(cè)相應(yīng)的中繼線路波束來服務(wù)。
現(xiàn)參照?qǐng)D7，表示一種典型的用戶單元22的功能方框圖。該用戶單元22包括一個(gè)帶有小型無方向性天線68的體積小、重量輕、造價(jià)低的移動(dòng)收發(fā)信手機(jī)。天線68借助于采用環(huán)行器/雙工器104或其他裝置提供發(fā)信和收信兩種功能。它是真正的便攜機(jī)，不管是處在靜止還是處于運(yùn)動(dòng)中，都允許從一個(gè)具有電話呼叫號(hào)嗎的電話機(jī)接入范圍寬廣的各種通信服務(wù)。預(yù)期這種用戶單元將使用1-3GHz頻率的頻率進(jìn)行發(fā)送和接收，但也可以在其他頻段上運(yùn)行。
圖7所示的用戶單元22包括發(fā)信機(jī)部分106和收集機(jī)部分108。語音通信的發(fā)送，話筒把語音信號(hào)耦合到編碼器110，編碼器采有各種所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的現(xiàn)代語音編碼技術(shù)之一實(shí)現(xiàn)模擬到數(shù)字編碼的變換。數(shù)字語音信號(hào)與本地狀態(tài)數(shù)據(jù)和/或其它數(shù)據(jù)，傳真或圖文數(shù)據(jù)等相結(jié)合，在數(shù)字復(fù)用器112形成一個(gè)復(fù)合比特流。結(jié)果生成的數(shù)字比特流接著通過前向差錯(cuò)編碼器114，符號(hào)或比特插入器116，符號(hào)或比特、相位和/或幅度調(diào)制器118、窄帶IF(中頻)放大器120，寬帶乘法器或擴(kuò)頻器122，寬帶IF放大器124，寬帶混頻器126，以及功率放大器128。振蕩器或等效的頻率結(jié)合器驅(qū)動(dòng)比特或波特頻率發(fā)生器130，偽隨機(jī)噪聲或“無用(chip)”頻率發(fā)生器132，以及載波振蕩器134。PRN發(fā)生器136包括產(chǎn)生偽隨機(jī)比特流的判決邏輯，而偽隨機(jī)比特流能夠在遠(yuǎn)端收信機(jī)中復(fù)制生成。鈴流發(fā)生器138在得到命令后產(chǎn)生在功能上與鈴流等效的一種短偽隨機(jī)序列。
收發(fā)信機(jī)接收機(jī)功能部分108解調(diào)工作相應(yīng)于發(fā)信機(jī)部分106中發(fā)送調(diào)制功能的反過程。該信號(hào)由無方向性天線68接收，并送到環(huán)行器104。放大器142放大所收到的信號(hào)在混頻器144中變換為中頻(IF)。IF信號(hào)由146放大，148相乘或去擴(kuò)頻，并再次由150中頻放大。該中頻IF信號(hào)隨后送到一個(gè)判決每信道比特或符號(hào)的極性或值的比特或符號(hào)檢測(cè)器152，一個(gè)比特或符號(hào)去插入器154，隨后送到一個(gè)前向差錯(cuò)解碼器156。從FEC解碼器156來的復(fù)合比特流接著在去復(fù)用器158中被分割為它的數(shù)個(gè)語音、數(shù)據(jù)和命令等組成的部分。之后語音解碼器160完成數(shù)字到模擬的變換，最后該語音信號(hào)送到用揚(yáng)聲器或其他裝置的用戶。本機(jī)振蕩器162提供第一混頻器144的本機(jī)振蕩信號(hào)(LO)和比特或符號(hào)檢出器152的定時(shí)。PRN振蕩器164和PRN發(fā)生器166提供用于去擴(kuò)頻目的的擴(kuò)頻信號(hào)判斷邏輯。波特或比特時(shí)鐘振蕩器168在比特指出器152，前向差錯(cuò)解碼器156和語音解碼器中，驅(qū)動(dòng)比特。
比特或符號(hào)插入器116和去插入器154提供一種編碼時(shí)間分集接收方式，這種接收方式提供有效的功率增益，補(bǔ)償移動(dòng)用戶常遇到的多徑衰落。它的功能是擴(kuò)散或分散信道比特或符號(hào)差錯(cuò)的短脈沖串的作用，所以它們能更可靠的由糾錯(cuò)碼進(jìn)行校正。
作為另一種工作方式，對(duì)于到發(fā)信機(jī)鏈的傳送數(shù)據(jù)或傳真或其它數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入170和從收信機(jī)鏈的輸出172已編有規(guī)程。
命令譯碼器174和命令邏輯裝置176被連接到前向差錯(cuò)解碼器156，以便接收各種命令和信息。利用所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員已知的特定的編碼技術(shù)，在前向差錯(cuò)解碼器156的非語音輸出可以為語音解碼器160所忽略，但又為命令解碼器174所利用。特定編碼技術(shù)的一個(gè)例子以MUX112和DEMUX158示于圖7中。
如圖所示，獲取、控制和跟蹤電路178裝在收信機(jī)部分108，供給三個(gè)接收側(cè)功能振蕩器162、164、168，以便在接收到的信號(hào)中獲取和跟蹤它們相應(yīng)對(duì)端振蕩器的相位。這樣做的函義對(duì)于所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是已知的。
從接收到的信號(hào)中導(dǎo)出的自動(dòng)增益控制(AGC)電壓184以常規(guī)方式用來控制前置放大器，以達(dá)到最佳值，此外還作為接收信號(hào)所受到的路徑衰耗的短期變化指示器。根據(jù)下面更為詳細(xì)的介紹，這一信息當(dāng)即在指示電平的功率電平控制器188中與所接收到的數(shù)據(jù)186相組合，在功率控制器188處，所接收到的信號(hào)曾是最初發(fā)送的，以命令本地連續(xù)的發(fā)送功率電平到達(dá)某一數(shù)值，從而使在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)控制中心所收到的數(shù)值近似恒定不變，而不依賴于衰落和陰影的影響。對(duì)輸出功率放大器128的命令電平還供給190，到發(fā)信機(jī)復(fù)用器112，以便傳送到相應(yīng)的單元。
在移動(dòng)通信和其他無線電應(yīng)用中，衰落、陰影和干擾現(xiàn)象導(dǎo)致偶然、潛在地大幅度增加路徑衰耗。為了保證那種會(huì)在中斷通信的衰落發(fā)生概率低到可以接受的程度，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是，通過發(fā)送超過平均要求功率10至40dB的正常功率，來提供一種相當(dāng)大的功率余量。不過這樣會(huì)成相應(yīng)地增加蓄電池的使用量、系統(tǒng)間和系統(tǒng)內(nèi)的干擾。在CDMA應(yīng)用中，這樣會(huì)大大減少每頻道的有效電路能力。
根據(jù)本發(fā)明原理的一種系統(tǒng)的又一特點(diǎn)是一種自適應(yīng)控制，這種自適應(yīng)控制連續(xù)不斷地保持每一發(fā)射的功率處于必要的最小電平，快速適應(yīng)和動(dòng)態(tài)地容受上述衰落，并且只當(dāng)必要時(shí)才進(jìn)行自適應(yīng)控制。每個(gè)發(fā)信機(jī)通過將一種低速數(shù)據(jù)流與復(fù)合數(shù)字輸出信號(hào)相加遙測(cè)當(dāng)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)端收信機(jī)的信號(hào)輸出電平。利用這一信息與測(cè)出的接收信號(hào)強(qiáng)度，并假定路徑衰落具有互易性，每端都能形成對(duì)即刻路徑衰耗的一種估算，并調(diào)整它們當(dāng)前的發(fā)送功率輸出，達(dá)到一個(gè)能使相應(yīng)的對(duì)端收信機(jī)當(dāng)不考慮路徑衰耗變化時(shí)仍呈現(xiàn)近似恒定接收信號(hào)電平的發(fā)送功率電平。
現(xiàn)參照?qǐng)D8a到圖8h，給出了根據(jù)本發(fā)明原理的一種自適性功率控制系統(tǒng)的定時(shí)和波形圖。在這一例子中，通信鏈路的兩端一般性地表示為A和B。在地面蜂窩網(wǎng)應(yīng)用中，A相應(yīng)于用戶，而B相應(yīng)為衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，在這種情況下，衛(wèi)星簡(jiǎn)化為一個(gè)固定增益的再生中繼器，其功率輸出的控制是由發(fā)送給它的信號(hào)電平實(shí)現(xiàn)的。
在圖8a的例子中，在時(shí)間192時(shí)，路徑衰耗突然增大XdB，例如這是由于移動(dòng)用戶A行駛到一座建筑物后面或在最接近用戶A的附近有障礙物。這就造成由A的AGC測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度降低XdB，如圖8b所示。如圖8c所示，在時(shí)間192時(shí)，遙測(cè)到的數(shù)據(jù)表明，在此時(shí)這一信號(hào)已從B發(fā)送的電平，不曾有過變化。A的功率電平控制器188從觀測(cè)到的接收信號(hào)電平減去遙測(cè)到的發(fā)送信號(hào)電平，并計(jì)算出路徑衰耗已增加XdB。據(jù)此如圖8d所示A在時(shí)間192時(shí)增大它的信號(hào)電平輸出XdB。并與此同時(shí)，將這一信息加到它的狀態(tài)遙測(cè)信道。
將這一信號(hào)傳送到B，在過渡時(shí)間T之后到達(dá)，如圖8e所示。B收信機(jī)發(fā)現(xiàn)收到的信號(hào)強(qiáng)度恒定不變。如圖8f所示，但從圖8g所示的遙測(cè)數(shù)據(jù)信道得知，送給它的信號(hào)已為+XDB。所以，B也計(jì)算出路徑衰耗已增大XdB。據(jù)此調(diào)整它的輸出信號(hào)電平，如圖8h所示，并遙測(cè)這一信息。這一信號(hào)增大在2T時(shí)間返回到站A，如圖8e所示，從而在延遲2個(gè)過渡時(shí)間(T)后恢復(fù)信號(hào)強(qiáng)度。所以，對(duì)于發(fā)生在A附近的一個(gè)路徑衰耗變化，可以認(rèn)為在B處的路徑衰耗補(bǔ)償實(shí)質(zhì)上是即刻進(jìn)行的，而在A處這種補(bǔ)償只有在2個(gè)過渡時(shí)間延遲，即2T之后才會(huì)出現(xiàn)。
再次參照?qǐng)D7，提供一種用來產(chǎn)生呼叫請(qǐng)求和檢出鈴流的安排。這種鈴流信號(hào)發(fā)生器138按照用戶單元呼出用戶碼的原理發(fā)生鈴流信號(hào)。為了接收一個(gè)呼叫，在與短脈沖序列匹配的一種固定匹配濾波器198中檢出鈴流信號(hào)。該短脈沖序列載有用戶的獨(dú)特碼。按照這種方法，每個(gè)用戶可以有選擇性地被呼叫。作為一種選項(xiàng)，鈴流檢出和呼叫請(qǐng)求信號(hào)可用于輪詢/響應(yīng)方式，對(duì)每個(gè)處于工作和備用狀態(tài)的用戶提供跟蹤信息。跟蹤信息的過程，適當(dāng)?shù)墓芾砗艚新酚傻母鞣N功能借助于比較在各種方式下收到的信號(hào)質(zhì)量來提供。為了精確的定位選擇，用戶的響應(yīng)信號(hào)時(shí)間準(zhǔn)確地鎖定在建立唯一性地可識(shí)別定時(shí)出現(xiàn)時(shí)間的定時(shí)(輪詢)信號(hào)的收到時(shí)間上，同時(shí)鎖定在PRN片寬的一部分上。從兩個(gè)或更多的節(jié)點(diǎn)測(cè)量輪詢/響應(yīng)來回程的時(shí)間，或測(cè)量到達(dá)數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差異，提供了能夠解決和供給精確的用戶位置的基本測(cè)量。地面和衛(wèi)星發(fā)信機(jī)和收信機(jī)具有以上對(duì)用戶單元所概述的完全一樣的各種功能。給定先前的信息，從一個(gè)節(jié)點(diǎn)單程輪詢/響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量能夠得到很有價(jià)值的用戶位置信息。
命令邏輯176進(jìn)一步連接到收信機(jī)的AGC180，匹配濾波器鈴流檢測(cè)器(RD)198，采集和跟蹤電路178，發(fā)送本機(jī)振蕩器(LD)162和鈴流發(fā)生器(RG)138，以及對(duì)各種工作方式下達(dá)命令。
移動(dòng)電話通信系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性與能夠支持容納的用戶數(shù)量有關(guān)。對(duì)所能支持的用戶數(shù)量的兩個(gè)重要限制是，帶寬利用效率和功率利用效率。在關(guān)于帶寬利用率方面，不論基于地面蜂窩系統(tǒng)或移動(dòng)衛(wèi)星裝置，無線電頻譜分配是嚴(yán)重受到限制的資源。體現(xiàn)在本發(fā)明中的使達(dá)到最大帶寬利用率的措施包括，采用提供高的頻譜利用率增益的碼分多址(CDMA)技術(shù)和使利用更小天線波束成為可能的更高的空間頻率再利用系數(shù)。在有關(guān)功率利用率方面，這對(duì)于衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)中繼鏈路是主要因素，每一用戶的衛(wèi)星發(fā)信機(jī)源功率通過采用前向糾錯(cuò)編碼而減小到最低。這反過來又是上述利用擴(kuò)頻碼分多址(SS/CDMA)技術(shù)和在衛(wèi)星上來用相對(duì)的高增益天線所允許的。CDMA和前向糾錯(cuò)編碼是所屬技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員所公知的，這里不再作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
現(xiàn)在詳細(xì)考慮帶寬利用率問題。SS/CDMA對(duì)頻譜利用率的主要改善與蜂窩網(wǎng)“群”有著密切的關(guān)系。在現(xiàn)有的頻分和時(shí)分復(fù)用多址技術(shù)中，給定的頻率或時(shí)隙的分配必須防止來自附近網(wǎng)孔在相同子頻段的各用戶的干擾。取決于所要求的防衛(wèi)度，排除網(wǎng)孔“X”的各頻率在圍繞“X”的數(shù)個(gè)網(wǎng)孔N中再利用是必要的。這個(gè)網(wǎng)孔數(shù)目N叫做群區(qū)容量(cluster size)。因?yàn)槊總€(gè)網(wǎng)孔只能利用可分配總信道數(shù)的N分之一，可以發(fā)現(xiàn)，在所有其他條件相同時(shí)，則頻率再利用系數(shù)和頻譜利用率與群區(qū)容量N成反比例。
在1979年1月的Bell Systems Technical Journal第15頁(yè)，Macdonald V.H.的The Cellular Concept一文指出FM頻分復(fù)用地面蜂窩系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，為使大多數(shù)聽者視為最良好質(zhì)量需要17dB的信號(hào)與干擾比。與傳播和衰落研究相結(jié)合，這就得到一種標(biāo)準(zhǔn)，即在同頻道位置之間的相隔距離應(yīng)至少為至在地面節(jié)點(diǎn)處使用無方向性天線的網(wǎng)孔內(nèi)用戶最遠(yuǎn)距離的6倍。為了達(dá)到隔離，群區(qū)容量至少必須為每群N＝12個(gè)網(wǎng)孔。因此，人們只可以使用每網(wǎng)孔總分配頻道容量的1/12。
在衛(wèi)星服務(wù)中，最大網(wǎng)孔面積大小與衛(wèi)星天線拋物面直徑成反比例。對(duì)于給定的可行最大拋物面直徑，可以使用的頻道數(shù)目受到群區(qū)容量大小的嚴(yán)格限制。在規(guī)劃的AMSC系統(tǒng)中，C.E.Agnew等人在Proceeding of the Mobile Satellite Conference，(NASA，JPL，May 1988)的AMSC移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)(The AMSC Mobile SatelliteSystem)一文中指出有效的群區(qū)容量為5，因而人們只可以使用每網(wǎng)孔總分配頻道容量的1/5。
在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)系統(tǒng)中，群區(qū)容量為1，即每個(gè)網(wǎng)孔使用相同的所分配的全部頻段。這是可能的，因?yàn)閿U(kuò)頻碼分多址技術(shù)(SS/CDMA)具有很強(qiáng)的抗干擾性。在采用相同頻段的相鄰網(wǎng)孔各用戶的效果，與在相同網(wǎng)孔內(nèi)的其他用戶效果相比，在質(zhì)量上沒有什么差別。因此，可以認(rèn)為在一個(gè)網(wǎng)孔內(nèi)能夠允許的用戶數(shù)量有效地減小。所有其他網(wǎng)孔干擾的積累作用，在假定用戶密度均勻和距離衰減規(guī)律近似于地波傳播或衛(wèi)星波束幅射圖的情況下，可以進(jìn)行計(jì)算。這種計(jì)算時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，關(guān)于無線電總干擾相應(yīng)于區(qū)內(nèi)原有干擾的倍乘因子，對(duì)地波傳播為1.4，而對(duì)于衛(wèi)星系統(tǒng)為2.0。這一因子可以認(rèn)為是對(duì)CDMA系統(tǒng)有效群區(qū)容量在效果上的倍乘等效。最后，可以相信，在與其他系統(tǒng)比較后，我們發(fā)現(xiàn)頻率再利用系數(shù)或帶寬利用率系數(shù)以如下比率與有效群區(qū)容量成反比0.71∶0.5∶0.2∶0.08分別適用于本發(fā)明的地面蜂窩網(wǎng)組成，本發(fā)明的衛(wèi)星蜂窩網(wǎng)組成，AMSC移動(dòng)衛(wèi)星概念，以及當(dāng)今的地面蜂窩網(wǎng)技術(shù)。
在衛(wèi)星鏈路中第二個(gè)嚴(yán)重受到的限制是衛(wèi)星主電源，一個(gè)通信衛(wèi)星重量的主要組成部分，因此也是衛(wèi)星造價(jià)中的主要因素。一般來說，在如這樣的系統(tǒng)中，到各個(gè)用戶的下行線是最大的電源消耗，所以，對(duì)于有限的衛(wèi)星電源功率也許是衛(wèi)星所能服務(wù)的用戶數(shù)量的限制因素。因此，設(shè)計(jì)每用戶所需功率最小系統(tǒng)是十分重要的。在本發(fā)明中對(duì)這一要求提出了四種方法建議。在本發(fā)明中，系統(tǒng)設(shè)想采用可行的最高衛(wèi)星天線增益。在一個(gè)實(shí)施例中，功率增益在45dB的量級(jí)，而波束寬度預(yù)計(jì)在L波段達(dá)到1度以下。這一點(diǎn)可以由近20米直徑的天線實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中采用了一種具有在反射面焦點(diǎn)有補(bǔ)償饋源的拋物面反射天線。反射面的邊緣直徑近似20米，在S波段，每一波束寬度近似0.4度。
第二借助于采用擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，很低速率高增益的編碼是可行的，而沒有借助于增加占用帶寬的不利后果。
第三，系統(tǒng)使用信道比特插入/去插入，一種編碼的時(shí)間分集，以提供對(duì)抗深衰落零位的功率增益。這就使在相當(dāng)?shù)偷谋忍啬芰颗c噪聲密度比，一般在3dB量級(jí)的情況下工作成為可能。這反過來又反應(yīng)在每用戶最小的衛(wèi)星功率要求。
第四，如上面所描述的那樣，雙向適應(yīng)性功率控制器避免了通常要在某一功率電平下連續(xù)傳遞的情況，這一功率電平要比大多數(shù)時(shí)間所需要的電平大10到40dB，以便提供余量?jī)?chǔ)備，適應(yīng)不常出現(xiàn)的深衰落。
除了上面所列舉的優(yōu)點(diǎn)以外，碼分復(fù)用系統(tǒng)在本系統(tǒng)中還具有以下重要優(yōu)點(diǎn)。某些頻道沒被占用的空閑時(shí)間可以減少背景的平均干擾。換句話說，系統(tǒng)可以適度地過載和欠載。系統(tǒng)可以永久地提供基帶速率的靈活性，與FDM相反，具有不同基帶速率的信號(hào)，能夠以特定原則復(fù)用在一起，不需要復(fù)雜的預(yù)先規(guī)劃，也不限制頻段的分配方案。不是所有用戶需要相同的基帶速率。衛(wèi)星天線旁瓣的控制被顯著降低。前面提到的幾項(xiàng)網(wǎng)外干擾研究表明，第二旁瓣影響可以完全忽略。同碼再分配(即再利用相同的擴(kuò)頻碼)在僅相隔一個(gè)波束的情況下是可行的。然而，因?yàn)閷?shí)際上有著無限多的信道碼(即包括相位變化作為提供獨(dú)立碼的方法)，在空分方面的要求是容易達(dá)到的，沒有必要再利用相同頻道，即擴(kuò)頻碼。
借助于上面討論過的設(shè)計(jì)因素，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可以提出一種靈活的能力，用以提供下列附加的特種業(yè)務(wù)高質(zhì)量、高速率語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；傳真(標(biāo)準(zhǔn)的三類機(jī)以及高速四類機(jī))；雙向消息，即在各種移動(dòng)終端之間可以變速率進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；在數(shù)百英尺范圍內(nèi)的自動(dòng)定位和報(bào)告；無線電尋呼農(nóng)村的住宅電話；以及專用無線交換局。
可以預(yù)見，衛(wèi)星將利用與地球位相對(duì)保持固定的軌道，但不限于此。本發(fā)明也允許運(yùn)行在其他軌道。系統(tǒng)網(wǎng)路控制中心設(shè)計(jì)得能夠正常地對(duì)用戶要與衛(wèi)星或是地面節(jié)點(diǎn)通信作出選擇。在另一個(gè)實(shí)施例中，作為一種選擇，用戶能夠要求他在衛(wèi)星鏈路和地面直達(dá)干線電路之間做出選擇，這取決于當(dāng)時(shí)哪一種能夠提供更清晰的通信，或者要求他的選擇基于其他通信要求。
當(dāng)對(duì)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)已在上面作出的討論時(shí)，并不傾向于這是提供地面上方通信業(yè)務(wù)的僅有方式。在衛(wèi)星發(fā)生故障，或者因?yàn)槠渌虿荒芴峁┧Ｍ姆?wù)等級(jí)的情況下，例如衛(wèi)星已由一種敵意的實(shí)體所阻塞干擾，飛機(jī)或其他超地面的車輛可以代替衛(wèi)星，提供上述衛(wèi)星功能。上述的“地面”節(jié)點(diǎn)可以位于地面上，或在地球表面的水中。此外，雖然已表明和描述過各用戶位于汽車中，然而其他位置的用戶也是可能存在的。例如，一顆衛(wèi)星可以是一個(gè)傳送信號(hào)的系統(tǒng)的用戶，正像一只海上的船可以是用戶一樣，或是步行的用戶。
盡管本發(fā)明的幾種具體形式業(yè)已被圖示和描述，然而十分清楚，在不偏離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下各種各樣的修改都能夠進(jìn)行。為此除附加的權(quán)利要求書外，將不對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1.一種蜂窩通信系統(tǒng)，包括至少一個(gè)地面節(jié)點(diǎn)，它位于要建立一組小區(qū)地地方，每個(gè)地面 節(jié)點(diǎn)包含的裝置有用于發(fā)送和接收預(yù)先確定的若干組碼分多址編碼的裝置，用于在預(yù)定的頻段擴(kuò)頻波形的裝置；在各小區(qū)內(nèi)的許多個(gè)用戶單元，每個(gè)用戶單元包含的裝置有用于與每個(gè)地面節(jié)點(diǎn)通信的裝置，操作上響應(yīng)于若干組碼分多址編碼波形的預(yù)先確定的一組，從而與各節(jié)中的至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)建立選擇性通信的裝置；以及定位裝置，它通過提供自節(jié)點(diǎn)到用戶單元的定時(shí)信號(hào)，測(cè)量該用戶單元對(duì)定時(shí)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間，以及根據(jù)上述測(cè)量確定該用戶單元的位置。
2.用于相互通的第一和第二收發(fā)信機(jī)組成的通信鏈路，每一收發(fā)信機(jī)包括一個(gè)發(fā)信機(jī)，它在可控制功率電平上輸出一個(gè)發(fā)送信號(hào)，在代表發(fā)信機(jī)的功率電平的上述信號(hào)中包含有電平數(shù)據(jù)；以及一個(gè)收信機(jī)，它接收包含來自其他收發(fā)信機(jī)的發(fā)信機(jī)的電平數(shù)據(jù)的發(fā)送信號(hào)，并包括用于測(cè)量從其他發(fā)信機(jī)接收到的信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量裝置；用于將所測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度與所收到的電平數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的比較裝置，以及用于根據(jù)上述比較，控制與收發(fā)信機(jī)中收信機(jī)相關(guān)的發(fā)信機(jī)的輸出功率電平的裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種既有地面又有衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)。采用了擴(kuò)頻與前向糾錯(cuò)編碼的碼分多址技術(shù),增強(qiáng)有效增益和系統(tǒng)的選擇性,在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)上安裝有多波束增益天線,以建立第一組網(wǎng)孔,并通過耦合用FECC獲得額外增益。在系統(tǒng)的衛(wèi)星部分中產(chǎn)生足夠的增益,使用戶僅需要設(shè)有無方向性天線的小型移動(dòng)式手機(jī),便既能與衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)又能與地面節(jié)點(diǎn)通信。用戶位置信息也是可以得到的。
文檔編號(hào)H04B7/14GK1246756SQ9710286
公開日2000年3月8日 申請(qǐng)日期1997年3月3日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月3日
發(fā)明者艾伯特·約翰·馬林克羅特 申請(qǐng)人:美國(guó)西塞特公司