專利名稱：信號波束截面可變的衛星信令系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有很寬信號覆蓋區域的衛星信令系統，具體而不排它地說，本發明涉及例如可用于衛星尋呼系統的衛星信令系統。
當代衛星尋呼系統包括一個安裝在同步衛星上的固定指向天線。通常，在這種系統中，將天線固定，而天線的信號波束在地球上的著落區或“足跡”能覆蓋到被衛星“視及”的區域;即是說，能覆蓋約三分之一的地球表面。
在這些先有技術的系統中，由天線發射的信號到達地面的強度在整個覆蓋域內是相當均勻的，然而，其強度則很微弱。由此產生的問題是因地面信號太弱以致不能在覆蓋區域內進行尋呼，這甚至對最高發射功率的同步衛星亦是如此，例如對于一個輻射功率為400瓦的同步衛星，對采用以每秒510比特的比特率的POCSAG尋呼協議的當代技術水平的選擇呼叫尋呼接收機來說，其信號裕度不過是2db，換句話說，在地面上的信號強度比為驅動尋呼設備所需的最小最平只高出兩分貝。于是，由于大多數建筑物要衰減射頻尋呼信號達20dB，這些系統不能用于位于建筑物內的信號尋呼用戶。
用以解決目前系統的這個難題的方法之一是通過將數據速率降低至60波特或以下來減少尋呼接收機的帶寬，然而這么一來，從尋呼系統因此只能提供少量用戶的觀點來看，使這種尋呼系統顯得極其昂貴而不切實用。即是說，低速率只能提供小容量的尋呼通訊。
與本發明為同一發明人并轉讓給同一受讓人的未決申請中描述并申明了一種比當前技術先進得多的衛星播叫系統，它使用小“足跡”或小波束寬度的天線而使地面信號的強度大大提高，并對天線波束的指向加以控制，使以一個相應的天線輻射方向圖來覆蓋不同的地理區以此獲得寬覆蓋區域。將由此得到的高強度地面信號電平，并與波束在地面的掃描運動，及尋呼接收機的打開和關閉與波束掃描同步的尋呼機電池節省技術相結合，則無論是512波特或1200波特的信令數據速率都可使用，從而為實現很寬區域或環球的衛星為基地的尋呼系統提供了第一個可實用的辦法。
然而，該方法本身還有一些局限，首先，即使能達到512波特或1200波特的信號速率，它還不夠高到提供最終實現環球尋呼服務的甚大數量的用戶。其次，系統只能通過改變掃描波束所指向的一個給定區域的時間長短來處理地區人口居集的不同。最后，它也不能利用這樣一個優點發達國家的人口大部份居集在人口高密度的城市里。
于是，本發明的目的是提供一種具有較大信息吞吐量的改進的衛星信令系統。
本發明的另一個目的是提供一種能適應人口密度不同的衛星信令系統。
本發明的又一個目的是提供一種可有選擇性地提供一個較高速率信號速率的衛星信令系統。
本發明的再一個目的是為足夠數量的用戶提供經濟的衛星信令系統。
本發明提供一種衛星信令系統，它包括一個衛星和一個與其相連的天線用來提供一個波束截面可變的信號波束。衛星可以對天線的指向進行控制，使信號波束以預定的順序指向地球上的多個位置。天線可以按信號波束所指向的位置來改變信號波束的截面。信號波束包括一個數據信號，系統根據波束截面來改變數據速率，例如，如果信號波束是指在一個人口稠密的位置，則改變天線波束截面和數據速率以給出一個小的波束截面和一個高數據速率的數據信號。如果信號波束是指在人口稀少的位置，則改變天線波束截面和數據速率以給出一個大的波束截面和一個低數據速率的數據信號。
于是，我們可以理解到，利用發射一個可變波束截面和可變數據速率的信號波束的可移動的天線，波束截面和數據速率可按每個特定的位置于以改變，以使每個位置時在地面上的信號強度足以實現對建筑物內的尋呼覆蓋，并且通過改變數據速率以使信號系統的吞吐量最大。
同時也可認識到，因為天線是設計能按預定的順序移動的，所以信號波束可依次對準指定的地理區域，其結果，使天線對一個甚寬的區域進行掃描，從而實現洲際或環球覆蓋。
本發明的衛星信令系統將根據附圖中實施例進行描述。
圖1是先有技術的衛星尋呼系統的示意圖;
圖2是本發明的衛星尋呼系統的示意圖;
圖3是包括本發明的系統的方框圖;
圖4是詳細說明圖3系統的工作原理的流程圖;
圖5A是本發明的一個被發射的下行線路信號批列的示意圖;
圖5B是組成圖5A系列一部分的一批信號的示意圖;
圖5C是組成示于圖5B中的批的一部份的信號幀的示意圖;
圖6是一個可用于新的衛星信令系統的那類尋呼接收機的方框圖;
圖7是詳細說明圖6中的尋呼機的電池節省電路的定時圖;
圖8A和8B示出了圖6的尋呼機的譯碼器的工作的流程圖。
先參閱圖1。先有技術的衛星尋呼系統2包括一個安裝在地球8的同步軌道衛星上的固定天線。由衛星6控制天線4的工作。
天線4是設計成由其發射的信號波束10(其周界圖1中虛線示出)的波束截能覆蓋衛星4所能“視及”的地球表面部份。。如上所述，除非信號波束10的數據速率被減至60波特以下，否則因在地球表面的信號強度非常低，而使衛星尋呼系統2不能提供建筑物內的尋呼覆蓋。
現在參閱圖2。為解決這些問題，根據本發明優先的實施例，衛星尋呼系統2包括一個裝在地球26的同步軌道衛星24上的可駕駛或可移動的天線22。可移動天線22的運動和操作則由衛星24控制。
衛星24可以移動天線22，這樣，被發射的信號波束27(圖2中用虛線21和23表示)可以指向地球上規定的地理位置，從而衛星可以對整個其所能“視及”地球表面部份進行掃描。可移動天線按預定順序和預定時間內依次掃掠各個地理位置。
移動天線22是這樣設置的使發射的信號波束27(圖2中虛線所示)有一個可變波束截面28和隨波束截面28而變的信號數據速率。當可移動天線22掃描每個地理位置時，衛星選擇最佳的波束截面和相應的信號數據速率以最佳化尋呼系統20的吞吐量并向每個位置的地球表面提供足夠強度的信號以實現建筑物內的尋呼覆蓋。對每個波束位置的下行線路信號的波束截面和比特速率，則根據地面信號強度反比波束截面變化，而為在建筑物內可靠通信所需的地面的信號的強度與數據速率成正比的關系加以選擇。于是，對人口稠密的市區，波束截面28可被減至覆蓋該城市所需的截面積，而數據速率則可能被增到允許在市內多層建筑物內可靠接收信號要求的最大值上。相反，在人口稀少的農村區域，波束截面28要增大而信號數據速率則減少，以允許能在一很大的區域內實現可靠的尋呼覆蓋。
例如，對一個具有400瓦有效輻射功率(ERP)的衛星尋呼系統，一個截面直徑為800英里的波束在信號速率為600波特時能給出高于尋呼電平20dB的地面信號強度，此信號強度足以在一個大的人口稀少的農村地區提供一個良好的在建筑物內的尋呼覆蓋。因為地面信號強度約與波束截面直徑成二次方變化，則將直徑從800英里減至200英里縮小四倍時，可使信令數據速率增至9600波特而仍能保持為保證在人口稠密的市區實現良好的建筑物內的尋呼服務所需的同一信號強度裕度。
本發明的衛星尋呼系統20以下列方式工作。參閱圖3，來自大量陸基尋呼系統終端的尋呼消息通過公共電話網或某些其它通訊網被送至地面基地終端70，終端70處理入局消息，由此得到的輸出尋呼信號連同來自地面站衛星控制器74的控制信號被一起加到上行線路發射機76，發射機76利用眾所周知的光學或無線電通訊技術將它們發射到衛星24上。由尋呼數據信號和用以控制衛星工作并進而由衛星控制可移動天線72工作所需的信號組成的上行線路信號由上行線路發射機76通過發射天線80和接收天線72發送到上行線路接收面78。被發送的上行信號則尋呼數據信號和為控制衛星工作而提供給衛星控制系統90和衛星控制器82(該控制器進而控制可移動或可駕駛的天線72的工作)的信號組成。應該明白，上行線路數據能以比用于下行線路傳輸高得多的數據速率進行發送。
由與衛星尋呼控制器82相聯接的天線控制系統94控制可移動天線88的指向，使其按預定順序和預定時間對地球表面的指定地理位置進行掃描。當可移動天線88的波束指在一個特定的位置時，則下行發射機86將經由尋呼信號產生器84在分配給該位置的時隙內，以如前所述的批的形式發射相應于指定位置的尋呼信號。
工作時，衛星24通過以預定順序將可移動天線88指向地球上的指定地理位置一段預定時間，對地球26的表面進行掃描。當可移動天線88指在一個特定的位置時，波束截面28和信令數據速率被調整至與此特定位置相應的值上。然后衛星24在分配給該位置的時隙內以批的形式發射相應于指定位置的尋呼信號。
用來操作圖3的衛星尋呼控制器82的，控制邏輯示于圖4的流程圖中。
衛星尋呼系統20被啟動(框102)而下個地理位置被選擇(框104)。天線22被移動以使信號波束指向下地理位置(框106)。在108框波束截面28被調節到相應于此下個地理位置的值上，在110框時信令數據速率被調節到相應于該下個地理位置的值上。在設定這些值之后，信號波束27被接通(框112)，在114框時尋呼信號被發射。尋呼信號在一個預定時隙內被發射，并且如果時隙已終止，則例行程序分岔以關閉信號波束27(框118)。如果要將衛星尋呼系統中斷，則例行程序在框122結束。如果在框120時未檢測互中斷信號，則例行程序返回至框104以選擇下一個地理位置由此再啟坳例行程序。
圖5示出了由衛星天線22發射的一個信號的示例性的表示。信號40是一個時分多路二進制尋呼信號，它包括一序列的批42-50。批42-50中的每批相應于在由衛星24覆蓋的掃描區域內的一個指定的地理位置。例如，批42可相應于紐約，批44相應于波士頓，批46相應于芝加哥，等等。將每批按順序發射到適當的位置。例如，POCSAG信令協議被用作為各批的信令格式。
圖5B示出了每批(例如，42)包括一個前序62及后續的N幀64。
最后，圖5C示出了在圖5A中的一幀的示例性表示。幀61包括一個同步碼63及后續的相應于由該批發射所覆蓋的地理位置的唯一地址識別碼65。識別碼65衙續用來對預定尋呼機尋址信號66。
幀61的格式使得可利用同步碼63將在尋呼機中的電池節省操作與可移動天線的掃描序列相同步。如果衛星24向其地理位置發射信號，則一旦在一個特定地理位置內工作的尋呼機已經被同步后，它才被加電以解碼尋呼信號。這可使尋呼機電池有長的壽命。
此外，幀61的識別碼識別尋呼機的當前工作位置。于是，如果尋呼機是在正常工作區域之外，則識別碼65給尋呼機提供一個可以顯示在顯示器上或可用來啟動尋呼機的不同工作模式(例如“漫游”模式)的位置信息。
利用適當批信號的同步碼62，在衛星信號發射過程中，在尋呼系統中的尋呼機對它們電池節省裝置同步至適宜的批。一旦尋呼機被同步之后，它即解碼適當的尋呼信號。
現根據圖6、7和8對新的衛星系統中的尋呼接收的工作作一更詳細的描述。
圖6是適用于衛星尋呼系統中的尋呼接收機的框圖。除了一個例外，它就是一個現有技術中熟知的常規的選擇呼叫尋呼接收機。此例外就是接收機的信號速率和檢測帶寬是取決于接收機的位置。這些參數則既可通過給衛星系統中的每個位置制造不同的尋呼機來設定，亦可使這些參數通過儲存在碼插件中的信息加以改變。關于如何制造一個可變比特速率和解碼帶寬的尋呼機的細節在轉讓給本發明的受讓人的Davis的題為“Radio Commanication Receiver With Apparatus for Altering the Bit Rate of the Receivcr”的美國專利No.4，816，820中有詳細的描述。
圖6中的接收機使用了一個基于微處理機的解碼器124，它被編好程序來解碼如圖5A，5B和5C中所示的信令協議。在題為“Universal Paging Device With Poqer Conservafion”的轉讓給相發明人的受讓人的Davis美國專利No.4518961中已作了介紹。無線電接收機通過天線128接收信號。接收機126的輸出經低通濾波器130和數據限幅器132送至微處理機解碼器124。低通濾波器130與接收機控制邏輯134進行通訊，控制邏輯則受微處理器124的控制。也可以看到，微處理機解碼器124也與碼軸件地址和選配器136，輸出信號裝置138及通過用戶控制器與用戶進行通訊。
具體說，解碼器被編程對來自衛星的信號進行搜索，然后使其解碼操作與波束運動的定時相同步。為了與信令波形同步，解碼器在其解出下行線路信號前一直保持打開。然后，用眾所周知的同步技術使解碼器操作與被接收的信號同步，這包括與接收信號建立比特同步和幀同步。比特同步過程包括調整低通濾波器的帶寬使其匹配于被接收的信號的比特速率。完成此步之后，接收機然后利用既可包含在微處理器解碼器124的程序ROM中的或包含在碼軸件和選配存儲器136中的信息。將其電池節省電路的操作與衛星的下行線路的發送預定定時相同步。結果，只在衛星向尋呼機所在地理區域發射信號期間，接收機電池節省裝置才驅動尋呼機。例如，圖7A再次示出了前序62和其后續的同步碼及其后的識別部份。識別部份和地址號130組成了稱之為組1的區域。如圖7A所示，依次各組均包含第一和第二地址，而同步碼經8個組重復一次。于是，如果將接收機編程得響應于組4的地址，則接收機中的電池節省電路將在下列期間驅動尋呼機。在接收機搜索前序62和同步碼63的搜索操作132期間，在組4的地址正在發送的時間間隔134期間和在每個同步碼間隔136期間。
圖8A和8B是描述接收機工作的流程圖。初始化之后，將接收機打開(140框)，在一預定搜索周期內(框144)搜索比特同步(142框)，在預定周期后將接收機關閉(145)。如果在此預定搜索周期終止前比特同步已獲得(146框)，則接收機再開始其同步碼的搜索(148)。再假設同步碼是在預定搜索周期終止前(152框)則位置碼將在檢測(154框)，且電池節省定時電路被同步(156框)。接收機然后開始搜索一個地址信號(158框)。如果一個地址信號被檢測互(160)，則將產生警報信號(162框)。如果地址信號未被檢測到(160框)，則接收機繼續搜索一個地址信號，直到電池節省定時電路指示現在是電池節省時候(164框)。如果批的末尾還未檢測到(166框)，則定時器將置于對下幀等待(168框)。如果已檢測出批的末尾，則定時器置于等待下一個批(170框)。無論哪種情形，在一個適當時間(174)之后接收機將被打開(172)。
在初始化之后，接收機被打開，并試圖在一個預定搜索周期內建立同步。對比特同步的搜索包括對以用于系統中的各種比特速率的數據進行搜索。如果在此預定搜索周期終止前比特同步已獲得，則接收機將開始其對同步碼的搜索。又假設，同步碼在預定搜索周期終止前被檢測到，則位置碼將被檢測而電池節省定時電路將被同步。接收機然后將開始搜索地址信號。如果檢測到一個地址信號，則跟著產生一個警報信號。如果未檢測到地址信號，則接收機將繼續搜索地址信號直到電池節省裝置定時電路指示現在是電池節省時候。如果還未檢測到批的末尾，則定時器將被置于等待下一幀。如果批的末尾被檢測到了，則定時器將被置于等待下批，無論怎樣，接收機將在合適的時間內被打開。
于是，可以理解到，所申明的發明可在很寬廣的區域內提供實用的建筑物蛤的尋呼覆蓋。
還可認識到，所申明的發明可用來提供真正的全國范圍或洲際范圍的尋呼覆蓋。此外，本發明還可以現有的陸基尋呼系統相配合，當一個尋呼用戶離開其通常的地理位置時可獲得真正的全國范圍的覆蓋。
權利要求
1.一種衛星信令系統，其特征在于一個衛星和一個與所述衛星相聯結提供一具有可變波束截面的信號波束，其中由所述天線提供的所述信號波束包括一個有可變數據速率的數據信號，所述數據速率取決于所述波束截面。
2.根據權利要求1的衛星信令系統，所述信號波束順序指向多個地球上的位置，所述天線設計得根據所述位置改變所述波束截面。
3.根據權利要求2的衛星信令系統，其中當所述信號波束指向具有人口稠密的區域時，所述天線改變其波束截面和數據速率以提供一個小波束截面和一個高數據速率。
4.根據權利要求2的衛星信令系統，其中當所述信號波束指向人口稀少的區域時，所述天線改變其波束截面及數據速率以提供一個大波束截面和一個低數據速率。
5.根據權利要求2的衛星信令系統，其中所述數據信號其特征在于多個信號批以預定順序排列，其中每一批分別相應于一個區域，每一批有一個識別其中一個位置的識別碼和一個相應的預定發射時間，上述衛星信令系統的特征在于包括一個發射裝置，它用來發射所述數據信號，所述發射裝置與所述天線同步，這樣，當所述天線指向其中一個位置，所述發射裝置在所述預定發射時間內發射相應于一個位置的一個批。
6.根據權利要求5所述的衛星信令系統，其特征在于包括一個位于一個所述區域內的便攜式選擇信號接收機，所述便攜式選擇信號接收機其特征在于包括在相應的預定發射時間內選擇地驅動的接收裝置，它只接收相應于其中一個位置的一個批。
7.根據權利要求5的衛星信令系統，其特征在于包括一個便攜式選擇信號接收機，用來接收和解碼所述數據信令，其中當解調所述位置識別碼時，所述便攜式選擇信號接收機能與相應于所述其中一個位置的一個批。
8.根據權利要求1的衛星信令系統，其中所述的衛星其特征在于一個用于接收通信和控制信息的衛星接收機;與所述天線和所述第一接收機相聯接的控制裝置，用以根據所述控制信息控制所述天線順序地指向多個位置并根據所述多個位置改變所述波束截面，及一個與天線耦合的第一發射機，它用來發射所述數據信號，其中所述數據信號其特征在于包括多個按預定順序和以一個數據速率發射的信號批，每批相應于所述多個位置中的一個位置，每批有一個用來識別所述相應一個位置的識別碼，其中所述數據速率取決于所述波束截面;及所述衛星信令系統其特征還在于包括至少一個選擇呼叫接收機，該接收機位于多個位置中的一個位置，用來接收所述尋呼信號，其中在所述一個位置中的至少一個選擇呼叫接收機只響應相應于所述多個位置中的一個位置的一個批。
9.一種用于衛星向地球上的多個位置發送信令的方法，其特征在于包括步驟a)將一個安裝在地球軌道衛星上的天線瞄準地球上的所述多個位置中的一個位置;b)由所述天線提供一個具有一個足跡的信號波束，所述足跡則根據所述一個位置確定;c)由所述天線在一個預定時間的向所述多個位置中的一個位置發射具有一個數據速率的通信信號，所述數據速率根據信號波束足跡確定;d)對所述多個位置中的下一個位置重復(a)至(c)步。
10.根據權利要求9的方法，其特征還在于在步驟c上還包括步驟e)在所述預定時間內驅動一個通信接收機，所述通信接收機接收所述通信信號。
全文摘要
本發明涉及一個諸如衛星尋呼系統的衛星信令系統(20)，它的信號覆蓋一個很寬區域，其特征在于衛星上裝有一個用來提供一個波束截面可變的信號波束(27)的天線該衛星控制天線的位置使其按預定順序將波束指向地球上的多個位置，天線被設計成按其波束所指向的位置改變信號波束截面(28)，波束(27)包括一個其速率可根據波束截面(28)改變的數據信號。
文檔編號H04B7/24GK1066544SQ9110290
公開日1992年11月25日 申請日期1991年5月6日 優先權日1991年5月6日
發明者戴威·沃爾特李 申請人:莫托羅拉公司