綜合蜂窩狀通信網系統的制作方法

專利名稱：綜合蜂窩狀通信網系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及通信系統，特別是關于具有結合衛星節點和地面節點的蜂窩移動通信系統。
蜂窩網通信已在美國快速發展，其發展速度較其他某些國家更快。它已成為具有多種用途的一種重要通信業務，因為發展速度快，現有通信業務的飽和引起人們的關注。高密度的區域具有很高的使用普及率，諸如洛杉基、紐約和芝加哥，是最為需要及時解決的。這一得到關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通信需要的擴大而變得日益嚴重。這種擁擠不僅是由于各蜂窩網通信系統造成的，同時也是由于其他各通信系統所造成的。然而，僅就蜂窩網通信企業內部而言，預計在今后十年中世界范圍內的移動通信用戶的數量將增加一個數量級。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研究探索的問題。
關于蜂窩通信系統，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“地面移動通信工程”，IEE出版社，紐約，1984；李，威廉C.Y.所著的“移動蜂窩通信系統”，1989；杰克，威廉C.所著的“微波移動通信”，IEE出版社，新澤西，1974。
現有蜂窩無線通信系統當初的目的是，為發達大城市內的自動電話用戶提供移動電話業務。對于邊遠地區的用戶、空事用戶和海事用戶，已有AIRFONE和INMARSAT通信業務，但覆蓋范圍不夠完整，通信業務費用相當昂貴。正在規劃階段的移動無線電通信衛星系統大概會為在邊遠地區內的移動用戶提供改善了的直接廣播語音信道，但與現有的地面蜂窩網通信業務相比費用仍然是十分高的。地面蜂窩網通信系統和業已規劃的衛星移動無線通信技術，在地理覆蓋方面是互補的，在這種覆蓋區內，為相當發達的城市和郊區地面蜂窩通信系統提供語音電話業務，但不為人口稀少的地區提供通信業務；而規劃的地球軌道衛星將為人口稀少地區提供通信業務。雖然這兩種通信技術利用射頻(RF)頻譜的相同頻段，但是通過設計，它們可以基本上分隔開來，并不沖突，正如它們現在共存的那樣。目前，如果用戶需要兩種移動通信覆蓋方式，就必須對兩種相當昂貴的用戶裝置投資，每個系統要一種。
移動電話業務的需求正在穩定地增長，業務量也不斷增加，為數量不斷增加的從一個區域到另一個區域的移動用戶服務的問題已成為首要問題。蜂窩網移動通信系統把各服務區分為若干地理上的網孔，每個網孔通常由一個位于其中心的基站或節點來為之服務。該節點發送足夠大的功率，以便能以足夠的場強覆蓋它的網孔。如果某個移動用戶進入一個新的網孔，無線電鏈路便被切換到新節點，只要該網孔具有可用空閑信道即可。然而，如果移動用戶進入一個所有信道都已占用的區域，或是進入尚無由任何蜂窩網通信業務服務的地方，或在某種情況下，進入由不同的領照者/供應者提供服務的區域，那么該用戶的電話呼叫會突然中斷。
當今的地面移動通信系統通常采用調頻(FM)方式，因為FM調制方式的抑制干擾能力有限，每無線電信道在跨越許多網孔的一個廣闊的區域范圍內只能使用一次。這意味著每個網孔只能利用所分配的整個無線電頻帶的一個很小的部分，結果導致不能充分有效地利用無線電頻譜。在某些情況下，因為稱做衰落和“死點”的FM調制的傷害現象，使通話質量低。衰落的主觀影響是，如果移動單元處于行駛運動中時，話音信號常常重復地淹沒在背影噪聲之中，其頻度達每秒許多次。這種問題由于來自遠地的網孔內的共信道用戶的干擾和由于FM調制抑制干擾的能力有限而導致的串話而加劇。此外，通信的保密性相當差；調頻(FM)信號可能被接收該同一頻率的其他人所聽到。
在用一個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頻段用于移動通信的情況下，采用高效率的通信系統是必要的，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頻段作為技術上的優選頻段用于各種移動通信系統中衛星與移動鏈路方面，有著當今廣泛一致的意見。對于選定這種單個頻段來容納全部移動通信用戶地方，在防干擾的區域內的頻譜利用和能夠實現功能、而不對其他各種業務增加不允許的干擾方面的各種改進，將是在考慮充分利用寶貴頻譜時最富重要性的一個問題。
擴頻通信技術是在軍事應用中已經得到廣泛應用的一項技術，軍事應用中必須滿足有關安全性、最小的信號檢測可能性和對外部干擾的最不敏感性等各項要求。在擴頻系統中數據信息調制過的載頻信號，進一步被相關的寬帶、偽隨機“擴頻”信號調制，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。通常這種擴頻信號要由一種偽隨機判決數字邏輯算法生成，該邏輯算法在接收機一端復制再生。
通過相同的擴譜波形調制所收到的信號，將接收到的信號重新回復成原來信息帶寬，以重新產生所希望的信號。因為接收機只響應用相同的獨特碼擴頻的信號，一種獨特的可尋址信道是可能的。同樣，功率密度低和不具有獨特擴頻碼，該信號的檢出非常困難，解碼很少，所以保密性得到增強，對各種其他業務信號的干擾得以減小。擴頻信號對于多徑衰減，來自該系統其他用戶的干擾和來自其他系統的干擾，具有很強的免除能力。
在衛星通信信號中，下行線功率是一個要仔細考慮的重要問題。衛星功率受到嚴重限制，因此，衛星能夠容納的用戶數量和這種系統的經濟可行性，與衛星所必須發送給每個用戶多大功率成反比。許多建議的移動通信衛星系統已取決于提供附加有效功率增益的用戶天線的方向性。這已導致相當高的用戶設備費用和必須建立某種指向衛星的尖銳或強選擇性天線的不便。此外，由于所必須的相當大的指向性天線，手持收發信機是不現實的。
在某種地面蜂窩業務中，為了克服衰落靜區用戶收發信機通常輻射功率電平應比所要求的平均電平高30dB至40dB。這使得系統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，對于蜂窩網通信系統的某些應用將是有用的，如追跡商用汽車行路線的過程。一種進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。這樣一種能力將會隨著精確度的增加而更為有用。
因此，建立一種結合衛星節點與地面節點的蜂窩網通信系統，以供覆蓋更大地面區域，而無需使用具有附加費用和硬件要求的兩種不同的系統，將是有希望的。此外，采用能夠更有效地利用現有頻率資源且能夠增加通信保密性的擴頻技術，提供一種蜂窩網通信系統，也將會是有希望的。此外，還有希望能夠允許采用功率相對地減小、小型化、并具有小型無方向性天線的移動用戶手持機，這種手持機能夠與地面基站和衛星基站兩者互相通信。
本發明的目的是提供一種既有地面節點又有空間節點，且兩者完全結合的蜂窩網通信系統，地面節點難以覆蓋的區域由空間節點來覆蓋。
本發明提供了一種蜂窩通信系統，包括至少一個具有一個多波束天線的空間節點，其位于要建立第一組網孔的地方，每個空間節點包括用于發送和接收不同的預先確定的數組碼分多址編碼的裝置，用于擴頻數字調制的波形的裝置，以及用于使前向糾錯編碼與位于一個預先確定的各空間節點共用的頻段中的波形相結合的裝置；所述天線具有一個反射器，其帶有一個安裝在反射器焦點區內的多單元饋源部件；至少一個地面節點，其位于要建立的第二組網孔的地方，每個地面節點包括用于發送和接收預先確定的數組碼分多址編碼的裝置，用于在所述預先確定的頻段上擴頻波形的裝置；一個衛星節點控制中心，用于在每個空間節點分配通信；一個區域節點控制中心，用于在每個地面節點分配通信；以及在所述網孔內的多個用戶單元，每個用戶單元包括用于與每個衛星節點和每個地面節點通信的裝置，以及用于在操作上響應于數組碼分多址編碼波形中的預先確定的一組、從而與所述節點中的至少一個建立選擇性通信的裝置。
本發明還提供了一種蜂窩網通信系統，包括至少一個具有一個多波束天線的空間節點，其位于要建立第一組網孔的地方，每個空間節點包括用于發送和接收不同的預先確定的數組碼分多址編碼的裝置，用于擴頻數字調制的波形的裝置，以及使前向糾錯編碼與位于一個預先確定的各節點共用的頻段中的波形相結合的裝置；至少一個地面節點，其位于要建立的第二組網孔的地方，每個地面節點包括用于發送和接收預先確定的數組碼分多址編碼的裝置，用于在所述預先確定的頻段上擴頻波形的裝置；在所述網孔內的多個用戶單元，每個單元包括用于與每個衛星節點和每個地面節點通信的裝置，以及用于在操作上響應于數組碼分多址編碼波形中的預先確定的一組、從而與所述節點中的至少一個建立選擇性通信的裝置；以及一個系統網絡控制中心，它在操作上連接于每個空間節點和每個地面節點，以便在所述空間節點和地面節點之間有選擇地分配與所述各用戶單元的通信。
諸空間節點包括若干建立網孔的衛星，在多數情況下，網孔重疊若干個地面網孔。采用了一種擴頻通信方法，它包括碼分復用多址(CDMA)和前向糾錯編碼(FECC)等技術，以便增加在允許的頻譜范圍內能夠容納的用戶數量。擴頻系統使采用很低速率、高冗余度編碼、而不損失在分配的頻帶內容納最大可能的用戶數量的能力成為可能。低速率編碼反過來又可以提供最大的編碼增益，在接收機端所要求的信號強度為最小，因而，在給定的頻帶內能夠為最大數量的用戶服務。
在各衛星上，采用具有相當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合，系統中具有足夠的增益，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手機。
一種自適應發射功率控制系統補償收到的信號強度的各種變化，諸如那些由建筑物、植被和其他障礙物所造成的信號強度變化。路徑衰耗的估算由所接收到的信號強度和包含在指示發信機輸出功率的每一發送信號中的數據信息導出。根據所導出的路徑衰耗和發信機的輸出功率數據，收信機則能據此調整其本身相應的發信機功率輸出。
在一個具體實施例中，采用一種系統網絡控制中心來協調系統范圍的運行，一方面保持對用戶位置的跟蹤，一方面實現各種系統資源對第一呼叫的最優分配，傳送各種設備的命令碼，并監視和管理整個系統的正常狀況。在這一具體實施例中整個系統是具有分級控制特點的，包括系統網路控制中心、在一個區域內協調詳細分配地面網絡資源的區域節點控制中心，以及一個或多個衛星節點控制中心，負責在該衛星網絡資源中分配資源。在另一實施例中，系統中沒有系統網絡控制中心，各節點控制中心自動地運行。
在一個實施例中，一個或多個衛星節點控制中心為包括一群的M個衛星網孔服務。在該實施例中，往返于各群體網孔的M個復合信號頻分復用在公共的傳送鏈路上，并在為群服務的一個或多個衛星網路節點控制中心，借助于頻分分離分隔開來。在這一實施例中，在群內的M個網孔是一個設計變量，在系統中網孔的數量可以在一個和全部范圍內選取。這可以根據可用的傳送鏈路復用帶寬和當地電話不同區內呼叫率對每個具體的群區進行優化。
在本發明的另一方面，裝有一個網內總線系統，其中，可以將在一個網孔內用戶到衛星的上行線通過總線立即下行地傳送給同一衛星的每個網孔。
在本發明的定位系統中，通過監測一個用戶對輪詢的響應信號或由定位設備傳送的其他信號，可以提供該用戶的位置判定。到達幾個節點的時間差提供了用于制定某個特定用戶位置的基本數據。


圖1是根據本發明的原理表示通信系統主要裝置單元的方框圖；圖2是分配給蜂窩網通信系統頻帶的分頻段圖；圖3是根據沒有網路控制中心的本發明的原理的通信系統總體方框圖；圖4是表示曲型系統中地面和衛星節點的蜂窩網分級結構的相互關系的圖。提出一種包含多于一個衛星網孔的群；圖5是表示用戶單元和衛星節點控制中心的衛星鏈路系統的方框圖；圖6是在圖5的系統中衛星信號處理的一種實施例的方框圖；圖7是表示自適應功率控制系統的用戶收發信機的功能方框圖；和圖8a至圖8h表示一種自適應雙向功率控制系統的定時圖。
正如在示例性圖中所表示的那樣，本發明具體體現了一種采用衛星和地面節點相結合的蜂窩網通信系統。兩種節點采用同樣的調制、編碼和擴頻結構，并且兩者都響應于相同的用戶單元。
參照圖1，介紹了一種通信系統10的總體概貌，表示了主要裝置的互相之間的功能關系。系統網絡控制中心12指向整個系統衛星和地面區域資源呼叫的頂層分配。同時它還用來協調系統范圍內的運行，保持對用戶位置的跟蹤，實現系統資源對每一呼叫的最優分配，傳送各種設備命令碼，以及監視和管理整個系統的正常工作。各區域節點控制中心14(只表示出了其中的一個)與系統網絡控制中心12相連接，并指導主要大城市地區內各地面節點的各呼叫的分配。該區域節點控制中心14提供對固定地面通信線路，例如稱做公眾電話交換網(PSIN)的商業電話系統的出入路徑。在各個區域節點控制中心14的方向上的地面節點16經由固定地面線路網接收各電話呼叫，對它們進行編碼，根據分配給每一指定用戶的獨特擴頻碼對它們進行擴頻，將它們組成一個復合信號，將該復合信號調制到發射載頻上，并將它們向所覆蓋的蜂窩區廣播。
衛星節點控制中心18也經由狀態和控制地面線路與系統網絡控制中心12相連接，對用于衛星電路的指定電話呼叫進行與來自PSIN呼叫相同的處理。對各呼叫進行編碼，根據分配給指定用戶的獨特擴頻碼將它們擴頻，把它們與其它相同方向的呼叫復用到一個上行線路。復用的信號傳到指定的衛星20。衛星節點20收到上行線路復用信號，對要到不同衛星網孔的各呼叫進行頻分去復用，進行頻率變換后將每一呼叫傳送到與其相應的網孔發送機和網孔波束，并將所有那些相同方向呼叫的復合信號向要傳送的衛星蜂窩狀區進行廣播。這里所用“傳送線路backhaul”一詞含義是指衛星20和衛星節點控制中心18之間的鏈路。在一個實施例中，它利用K波段頻率，而在衛星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響應衛星始發信號，或地面節點始發信號，接收傳來的復合信號，通過利用分配給用戶的獨特擴頻碼分割出來要傳送到那個用戶的信號，進行解調，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可以是移動的，也可以是固定在某個位置上。網關24在衛星和地面公眾電話交換系統，或專用中繼用戶之間提供直接中繼線，即一組信道。例如一個網關可以包括專用的衛星終端，供一個大公司或其他單位使用，在圖1的實施例中，網關24與系統網絡控制中心12連接。
所有上面討論過的中心、節點、單元和網關為全雙工發信/收信，如剛剛描述的那樣，執行相應的入向(用戶到系統)鏈路功能，以及相反方式出向(系統到用戶)鏈路功能。
現參照圖2，表示出一個所分配的頻段26的通信系統。所分配的頻段26又分為兩個主要分頻段，一個出向分頻段25和一個入向分頻段27。此外這兩個主分頻段又進一步分成若干個子頻段，子頻段的規定如下。
OG地面出向頻段28(地面節點到用戶)OS衛星出向頻段30(衛星節點到用戶)OC出向呼叫和命令32(節點到用戶)IG地面入向頻段34(用戶到地面節點)IS衛星入向頻段36(用戶到衛星節點)IC入向呼叫和跟蹤頻段38(用戶到節點)在所有網孔中所有用戶使用整個規定的子頻段完成所述的功能。不同于現用的地面和衛星移動通信系統，沒必要按網孔進行頻分，各呼叫可以使用這些有相同原則的六個子頻段。這樣安排的結果是，如下面要更詳細討論的那樣，頻率再利用系數更高。
在一個實施例中，一個移動用戶單元響應一次輪詢或自動時，不定時地發送一種IC子頻段的脈沖串標志信號。當單元22處于備用狀態時，這種情況可以發生。這一標志信號只要該單元在各個區域內，便由該區域的節點控制中心14所跟蹤，否則該信號將由衛星節點或各節點跟蹤。在另一個實施例中，這種標志信號由所有能收到它的地面和衛星節點跟蹤，這一信息經由狀態和命令線路或其它方式進一步傳送到網絡控制中心12。按照這種方式，實用的區域節點控制中心14和系統網絡控制中心12保持經常不斷地獲知蜂窩位置和每個正在占用的用戶22的鏈路選擇。送到或來自移動用戶22的區域內的一個呼叫一般說來只由各自區域節點控制中心14進行處理。按照所呼叫對方的位置，各鏈路選擇的質量、資源有效性和最優利用資源的原則，由系統網絡控制中心12給區內呼叫分配衛星或地面區域性系統資源。
處于備用狀態的用戶22不斷地監視公用的出向呼叫頻率子頻段OC32，借助他的獨特擴頻碼尋找對它尋址的呼叫信號。這種呼叫可以從地面或衛星節點上始發。識別它的獨特呼叫碼后啟動用戶單22的振鈴功能。當用戶摘機，例如把電話手柄從支架上拿起來，反回信號從用戶單元22向任何在用戶呼叫子頻段IC38的接收節點廣播。這就開始了呼叫節點和用戶單元之間的聯絡序列，這種聯絡序列指明該用戶單元是不是轉發到衛星OS30和IS36，或是發到地面子頻段OG28和IG34。
想要打電話的移動用戶直接使他的單元22摘機，撥被叫方的號碼，證實號碼，并發送電話呼叫。因此，在IC子頻段38中起動來話呼叫信號序列。這種呼叫被幾個地面和衛星節點收到，這些節點向前轉發呼叫和信號質量報告到合適的系統網絡控制中心12，控制中心12反過來指定該呼叫處理到一個特定的衛星節點20/衛星節點控制中心18，或區域性節點控制中心14，或者到兩者。這時呼叫處理裝置在OC32和IC38子頻段起動與呼叫單元的聯絡功能，最后引導過渡到合適的衛星或地面子頻段進行通信。
現參照圖3，一種不提供系統網路控制中心的通信系統40的方框圖。在這種系統中，衛星節點控制中心42直接連接到地面線路網絡，如同也是區域性節點控制中心44。網關系統46如在圖1的系統中一樣也是有用的，并將衛星通信與合適的地面線路或其他通信系統相連。用戶單元22通過發送預先確定的編碼表明衛星節點20的通信或地面節點50的通信。
現參照圖4，表示一種分級蜂窩狀結構。圖中表示出一對地面網孔54的群52。此外，還示出許多個衛星網孔56，雖然數字54和56每個僅指向兩個網孔，這樣做是為了保持圖中清楚。數字54意欲表示圖中的所有地面網孔，同樣，數字56意欲表示所有的衛星網孔。網孔在形狀上表示為六邊形，然而這僅是典型示范。地面網孔可以穿越3至15公里，根據網孔內的用戶密度，其它大小范圍的網孔也是可行的。衛星網孔作為例子可跨越200～500公里范圍，取決于復蓋一個給定區域所使用的波束數目。如圖所示，某些衛星網孔可以不包括任何地面網孔。這種網孔可以用來覆蓋一些不發達地區，對于這種區域，地面節點是不實際的。圖中還表示出部分衛星群58。這種群的網孔充分利用一個共同的衛星節點控制中心。
本發明的突出優點在于，因采用擴頻多址相鄰網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子頻段(OG28，IG24)，各衛星用戶鏈路使用兩個相同的子頻段(OS30，IS36)。這就消除了不這樣做的復雜性和應在各網孔相互間距離小于某一最小距離內確保各頻率不得再利用的(FM調制方法)限制性的頻率協調問題。然而卻提供一種網孔范圍的分級設置，以容納用戶密度具有很大差別的各種區域。
再參照圖1和圖4，衛星節點20采用大的多饋源天線62，天線62在一種實例中為每個衛星網孔56提供分開的波束和相應的分開的發信機。例如，多饋源天線62可以用一般的100個衛星波束/網孔來覆蓋美國那樣的區域，并在一種實施例中用200個波束/網孔覆蓋。組合的衛星/地面節點系統提供一種地理上分級的蜂窩狀結構。因而在人口稠密的大城市地區，每個衛星網孔56可以進一步包含100個或更多的地面網孔54，哪個地面網孔都可以正常地傳送大量始發于那里的話務量。地面節點16的用戶數量預期會超過衛星節點20的用戶數量，這里地面網孔存在于衛星網孔之中。因為不然所有那些地面節點用戶就要受到想要用衛星鏈路的象背景噪聲一樣的干擾，所以在一個實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，這已經在結合圖2描述過。這種組合的混合服務能夠提供一種對用戶透明的方式。各電話呼叫將以最有效的方式由系統網絡控制中心12在所有可用的地面和衛星資源中進行分配。
在蜂窩無線電通信系統中大多數考慮的一個重要參數是“群”(cluster)，并定義為最小設置的網孔，倘若同頻道網孔在不同的群內，則使各網孔之間再利用一個給定的子頻段的相互干擾是允許的，相反所有在一個群內的網孔必須采用不同的子頻段。在這樣一個群內的網孔數目稱作群區容量(cluster size)。可以看出，頻率再利用系數，即在系統內一個子頻段可再利用的次數，等于系統中網孔數除以群區容量。每個網孔能夠采用的信道數目，從而系統的總有效帶寬，都與群區容量成反比例。根據所描述的內容，與其他地面或衛星蜂窩網系統相比較，本發明系統達到最小可能的群區容量，對于其他地面或衛星蜂窩網的概念，典型的群區容量為7到13個，所以本發明具有最大可能的頻率再利用系數。這就是本發明的一個主要優點。
現參照圖5，方框圖所表示的是，一種典型的用戶單元22與衛星20，與衛星節點控制中心18通信，并且控制過程包括用戶單元22和衛星節點控制中心18。例如當進行一次電話呼叫時，電話手機64摘機，并由用戶輸號碼。在證實所撥號碼顯示之后，用戶推動“發送”按鍵，這樣便啟動了呼叫請求信號。這一信號通過包括采用一種呼叫擴頻碼對信號擴頻的發信機處理電路66進行處理。信號由無方向性天線68發射出去，并由衛星20通過其窄波束天線62接收。衛星處理所收到的信號，這將在下面介紹。同時通過它的下行天線70發送下行信號給衛星節點控制中心18。關于接收方面，用戶單元22的天線68接收該信號，收信機的處理器72處理該信號。用戶單元22的處理過程將在下面參照圖7進行詳細介紹。
衛星節點控制中心18用其天線71來接收該信號，將信號加到一個環行器73、放大器74、頻率去復用裝置76，放大該信號并分離出包含從圖5所示用戶來的信號的復合信號，分解器78將信號分解為一組相關碼之一，它們每個包括混頻器80用來去除擴頻和標志碼。經AGC放大器82，FEC解碼器84，去復用器86和語音編碼器/譯碼器(CODEC)88，最后將數字語音信息變換為模擬語音信號。語音信號隨后送到合適的地面線路，如商用電話系統。通過衛星的節點控制中心18的發送實際上是上述接收運行的反過程。
現參照圖6，圖5中的衛星轉發器90用方框圖的形式表示出來。環行器/雙工器92接收上行線路信號并將信號加到適合的L波段或S波段放大器94。來自一個群內全部M個衛星網孔的信號由頻分復用器96復用成一個復合K波段中繼線路信號，占用頻帶寬度為各個L/S波段移動鏈路頻道的M倍。該復合信號隨即由分割器98分割為N個部分，經放大器100分別放大，并經過第二環行器102發送到N個分離的衛星地面網孔。這種一般結構配置支持一系列的具體配置，各種配置可能最好地適應一種或另一種取決于系統優化的狀況，舉例來說，系統優化可能包括有關區域的地面線路長距離比率結構，頻率分配和用戶地區人口等方面的考慮。因此，對于低密度的農村地區，人們可以利用一種M-to-1(M＞1，N＝1)的群結構，這種結構是由一個共用衛星地面節點服務的、具有M受可用帶寬限制的M個相連的網孔。為了在已有的大城市地區之間提供高質量長途電話業務，或是最好覆蓋有移動地面蜂窩網技術的本地電話呼叫，一種M-to-M結構將提供一條大城市地區之間的總線，該總線進而將上述M個衛星網孔的所有使用者連在一起，宛如在同一個本地呼叫區。為了說明，包括圖6左側M個用戶網孔的群的相同網孔(例如西雅圖Seattle、洛彬基Los angeles、俄馬哈Omaha等)每個均由圖6右側相應的中繼線路波束來服務。
現參照圖7，表示一種典型的用戶單元22的功能方框圖。該用戶單元22包括一個帶有小型無方向性天線68的體積小、重量輕、造價低的移動收發信手機。天線68借助于采用環行器/雙工器104或其他裝置提供發信和收信兩種功能。它是真正的便攜機，不管是處在靜止還是處于運動中，都允許從一個具有電話呼叫號嗎的電話機接入范圍寬廣的各種通信服務。預期這種用戶單元將使用1-3GHz頻率的頻率進行發送和接收，但也可以在其他頻段上運行。
圖7所示的用戶單元22包括發信機部分106和收集機部分108。語音通信的發送，話筒把語音信號耦合到編碼器110，編碼器采有各種所屬技術領域的技術人員所公知的現代語音編碼技術之一實現模擬到數字編碼的變換。數字語音信號與本地狀態數據和/或其它數據，傳真或圖文數據等相結合，在數字復用器112形成一個復合比特流。結果生成的數字比特流接著通過前向差錯編碼器114，符號或比特插入器116，符號或比特、相位和/或幅度調制器118、窄帶IF(中頻)放大器120，寬帶乘法器或擴頻器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合器驅動比特或波特頻率發生器130，偽隨機噪聲或“無用(chip)”頻率發生器132，以及載波振蕩器134。PRN發生器136包括產生偽隨機比特流的判決邏輯，而偽隨機比特流能夠在遠端收信機中復制生成。鈴流發生器138在得到命令后產生在功能上與鈴流等效的一種短偽隨機序列。
收發信機接收機功能部分108解調工作相應于發信機部分106中發送調制功能的反過程。該信號由無方向性天線68接收，并送到環行器104。放大器142放大所收到的信號在混頻器144中變換為中頻(IF)。IF信號由146放大，148相乘或去擴頻，并再次由150中頻放大。該中頻IF信號隨后送到一個判決每信道比特或符號的極性或值的比特或符號檢測器152，一個比特或符號去插入器154，隨后送到一個前向差錯解碼器156。從FEC解碼器156來的復合比特流接著在去復用器158中被分割為它的數個語音、數據和命令等組成的部分。之后語音解碼器160完成數字到模擬的變換，最后該語音信號送到用揚聲器或其他裝置的用戶。本機振蕩器162提供第一混頻器144的本機振蕩信號(LO)和比特或符號檢出器152的定時。PRN振蕩器164和PRN發生器166提供用于去擴頻目的的擴頻信號判斷邏輯。波特或比特時鐘振蕩器168在比特指出器152，前向差錯解碼器156和語音解碼器中，驅動比特。
比特或符號插入器116和去插入器154提供一種編碼時間分集接收方式，這種接收方式提供有效的功率增益，補償移動用戶常遇到的多徑衰落。它的功能是擴散或分散信道比特或符號差錯的短脈沖串的作用，所以它們能更可靠的由糾錯碼進行校正。
作為另一種工作方式，對于到發信機鏈的傳送數據或傳真或其它數字數據輸入170和從收信機鏈的輸出172已編有規程。
命令譯碼器174和命令邏輯裝置176被連接到前向差錯解碼器156，以便接收各種命令和信息。利用所屬技術領域技術人員已知的特定的編碼技術，在前向差錯解碼器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。特定編碼技術的一個例子以MUX112和DEMUX158示于圖7中。
如圖所示，獲取、控制和跟蹤電路178裝在收信機部分108，供給三個接收側功能振蕩器162、164、168，以便在接收到的信號中獲取和跟蹤它們相應對端振蕩器的相位。這樣做的函義對于所屬技術領域的技術人員來說是已知的。
從接收到的信號中導出的自動增益控制(AGC)電壓184以常規方式用來控制前置放大器，以達到最佳值，此外還作為接收信號所受到的路徑衰耗的短期變化指示器。根據下面更為詳細的介紹，這一信息當即在指示電平的功率電平控制器188中與所接收到的數據186相組合，在功率控制器188處，所接收到的信號曾是最初發送的，以命令本地連續的發送功率電平到達某一數值，從而使在衛星節點控制中心所收到的數值近似恒定不變，而不依賴于衰落和陰影的影響。對輸出功率放大器128的命令電平還供給190，到發信機復用器112，以便傳送到相應的單元。
在移動通信和其他無線電應用中，衰落、陰影和干擾現象導致偶然、潛在地大幅度增加路徑衰耗。為了保證那種會在中斷通信的衰落發生概率低到可以接受的程度，傳統的設計方法是，通過發送超過平均要求功率10至40dB的正常功率，來提供一種相當大的功率余量。不過這樣會成相應地增加蓄電池的使用量、系統間和系統內的干擾。在CDMA應用中，這樣會大大減少每頻道的有效電路能力。
根據本發明原理的一種系統的又一特點是一種自適應控制，這種自適應控制連續不斷地保持每一發射的功率處于必要的最小電平，快速適應和動態地容受上述衰落，并且只當必要時才進行自適應控制。每個發信機通過將一種低速數據流與復合數字輸出信號相加遙測當時發送到遠端收信機的信號輸出電平。利用這一信息與測出的接收信號強度，并假定路徑衰落具有互易性，每端都能形成對即刻路徑衰耗的一種估算，并調整它們當前的發送功率輸出，達到一個能使相應的對端收信機當不考慮路徑衰耗變化時仍呈現近似恒定接收信號電平的發送功率電平。
現參照圖8a到圖8h，給出了根據本發明原理的一種自適性功率控制系統的定時和波形圖。在這一例子中，通信鏈路的兩端一般性地表示為A和B。在地面蜂窩網應用中，A相應于用戶，而B相應為衛星節點，在這種情況下，衛星簡化為一個固定增益的再生中繼器，其功率輸出的控制是由發送給它的信號電平實現的。
在圖8a的例子中，在時間192時，路徑衰耗突然增大XdB，例如這是由于移動用戶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測到的信號強度降低XdB，如圖8b所示。如圖8c所示，在時間192時，遙測到的數據表明，在此時這一信號已從B發送的電平，不曾有過變化。A的功率電平控制器188從觀測到的接收信號電平減去遙測到的發送信號電平，并計算出路徑衰耗已增加XdB。據此如圖8d所示A在時間192時增大它的信號電平輸出XdB。并與此同時，將這一信息加到它的狀態遙測信道。
將這一信號傳送到B，在過渡時間T之后到達，如圖8e所示。B收信機發現收到的信號強度恒定不變。如圖8f所示，但從圖8g所示的遙測數據信道得知，送給它的信號已為+XDB。所以，B也計算出路徑衰耗已增大XdB。據此調整它的輸出信號電平，如圖8h所示，并遙測這一信息。這一信號增大在2T時間返回到站A，如圖8e所示，從而在延遲2個過渡時間(T)后恢復信號強度。所以，對于發生在A附近的一個路徑衰耗變化，可以認為在B處的路徑衰耗補償實質上是即刻進行的，而在A處這種補償只有在2個過渡時間延遲，即2T之后才會出現。
再次參照圖7，提供一種用來產生呼叫請求和檢出鈴流的安排。這種鈴流信號發生器138按照用戶單元呼出用戶碼的原理發生鈴流信號。為了接收一個呼叫，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。該短脈沖序列載有用戶的獨特碼。按照這種方法，每個用戶可以有選擇性地被呼叫。作為一種選項，鈴流檢出和呼叫請求信號可用于輪詢/響應方式，對每個處于工作和備用狀態的用戶提供跟蹤信息。跟蹤信息的過程，適當的管理呼叫路由的各種功能借助于比較在各種方式下收到的信號質量來提供。為了精確的定位選擇，用戶的響應信號時間準確地鎖定在建立唯一性地可識別定時出現時間的定時(輪詢)信號的收到時間上，同時鎖定在PRN片寬的一部分上。從兩個或更多的節點測量輪詢/響應來回程的時間，或測量到達數個節點的時間差異，提供了能夠解決和供給精確的用戶位置的基本測量。地面和衛星發信機和收信機具有以上對用戶單元所概述的完全一樣的各種功能。給定先前的信息，從一個節點單程輪詢/響應時間的測量能夠得到很有價值的用戶位置信息。
命令邏輯176進一步連接到收信機的AGC180，匹配濾波器鈴流檢測器(RD)198，采集和跟蹤電路178，發送本機振蕩器(LD)162和鈴流發生器(RG)138，以及對各種工作方式下達命令。
移動電話通信系統的經濟可行性與能夠支持容納的用戶數量有關。對所能支持的用戶數量的兩個重要限制是，帶寬利用效率和功率利用效率。在關于帶寬利用率方面，不論基于地面蜂窩系統或移動衛星裝置，無線電頻譜分配是嚴重受到限制的資源。體現在本發明中的使達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。在有關功率利用率方面，這對于衛星移動系統中繼鏈路是主要因素，每一用戶的衛星發信機源功率通過采用前向糾錯編碼而減小到最低。這反過來又是上述利用擴頻碼分多址(SS/CDMA)技術和在衛星上來用相對的高增益天線所允許的。CDMA和前向糾錯編碼是所屬技術領域的專業人員所公知的，這里不再作進一步的詳細描述。
現在詳細考慮帶寬利用率問題。SS/CDMA對頻譜利用率的主要改善與蜂窩網“群”有著密切的關系。在現有的頻分和時分復用多址技術中，給定的頻率或時隙的分配必須防止來自附近網孔在相同子頻段的各用戶的干擾。取決于所要求的防衛度，排除網孔“X”的各頻率在圍繞“X”的數個網孔N中再利用是必要的。這個網孔數目N叫做群區容量(cluster size)。因為每個網孔只能利用可分配總信道數的N分之一，可以發現，在所有其他條件相同時，則頻率再利用系數和頻譜利用率與群區容量N成反比例。
在1979年1月的Bell Systems Technical Journal第15頁，Macdonald V.H.的The Cellular Concept一文指出FM頻分復用地面蜂窩系統的現場試驗確定，為使大多數聽者視為最良好質量需要17dB的信號與干擾比。與傳播和衰落研究相結合，這就得到一種標準，即在同頻道位置之間的相隔距離應至少為至在地面節點處使用無方向性天線的網孔內用戶最遠距離的6倍。為了達到隔離，群區容量至少必須為每群N＝12個網孔。因此，人們只可以使用每網孔總分配頻道容量的1/12。
在衛星服務中，最大網孔面積大小與衛星天線拋物面直徑成反比例。對于給定的可行最大拋物面直徑，可以使用的頻道數目受到群區容量大小的嚴格限制。在規劃的AMSC系統中，C.E.Agnew等人在Proceeding of the Mobile Satellite Conference，(NASA，JPL，May 1988)的AMSC移動衛星系統(The AMSC Mobile SatelliteSystem)一文中指出有效的群區容量為5，因而人們只可以使用每網孔總分配頻道容量的1/5。
在根據本發明的一個系統中，群區容量為1，即每個網孔使用相同的所分配的全部頻段。這是可能的，因為擴頻碼分多址技術(SS/CDMA)具有很強的抗干擾性。在采用相同頻段的相鄰網孔各用戶的效果，與在相同網孔內的其他用戶效果相比，在質量上沒有什么差別。因此，可以認為在一個網孔內能夠允許的用戶數量有效地減小。所有其他網孔干擾的積累作用，在假定用戶密度均勻和距離衰減規律近似于地波傳播或衛星波束幅射圖的情況下，可以進行計算。這種計算時，我們發現，關于無線電總干擾相應于區內原有干擾的倍乘因子，對地波傳播為1.4，而對于衛星系統為2.0。這一因子可以認為是對CDMA系統有效群區容量在效果上的倍乘等效。最后，可以相信，在與其他系統比較后，我們發現頻率再利用系數或帶寬利用率系數以如下比率與有效群區容量成反比0.71∶0.5∶0.2∶0.08分別適用于本發明的地面蜂窩網組成，本發明的衛星蜂窩網組成，AMSC移動衛星概念，以及當今的地面蜂窩網技術。
在衛星鏈路中第二個嚴重受到的限制是衛星主電源，一個通信衛星重量的主要組成部分，因此也是衛星造價中的主要因素。一般來說，在如這樣的系統中，到各個用戶的下行線是最大的電源消耗，所以，對于有限的衛星電源功率也許是衛星所能服務的用戶數量的限制因素。因此，設計每用戶所需功率最小系統是十分重要的。在本發明中對這一要求提出了四種方法建議。在本發明中，系統設想采用可行的最高衛星天線增益。在一個實施例中，功率增益在45dB的量級，而波束寬度預計在L波段達到1度以下。這一點可以由近20米直徑的天線實現。在一個實施例中采用了一種具有在反射面焦點有補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。
第二借助于采用擴頻技術的優點，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，系統使用信道比特插入/去插入，一種編碼的時間分集，以提供對抗深衰落零位的功率增益。這就使在相當低的比特能量與噪聲密度比，一般在3dB量級的情況下工作成為可能。這反過來又反應在每用戶最小的衛星功率要求。
第四，如上面所描述的那樣，雙向適應性功率控制器避免了通常要在某一功率電平下連續傳遞的情況，這一功率電平要比大多數時間所需要的電平大10到40dB，以便提供余量儲備，適應不常出現的深衰落。
除了上面所列舉的優點以外，碼分復用系統在本系統中還具有以下重要優點。某些頻道沒被占用的空閑時間可以減少背景的平均干擾。換句話說，系統可以適度地過載和欠載。系統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，能夠以特定原則復用在一起，不需要復雜的預先規劃，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。衛星天線旁瓣的控制被顯著降低。前面提到的幾項網外干擾研究表明，第二旁瓣影響可以完全忽略。同碼再分配(即再利用相同的擴頻碼)在僅相隔一個波束的情況下是可行的。然而，因為實際上有著無限多的信道碼(即包括相位變化作為提供獨立碼的方法)，在空分方面的要求是容易達到的，沒有必要再利用相同頻道，即擴頻碼。
借助于上面討論過的設計因素，根據本發明的系統可以提出一種靈活的能力，用以提供下列附加的特種業務高質量、高速率語音和數據業務；傳真(標準的三類機以及高速四類機)；雙向消息，即在各種移動終端之間可以變速率進行數據交換；在數百英尺范圍內的自動定位和報告；無線電尋呼農村的住宅電話；以及專用無線交換局。
可以預見，衛星將利用與地球位相對保持固定的軌道，但不限于此。本發明也允許運行在其他軌道。系統網路控制中心設計得能夠正常地對用戶要與衛星或是地面節點通信作出選擇。在另一個實施例中，作為一種選擇，用戶能夠要求他在衛星鏈路和地面直達干線電路之間做出選擇，這取決于當時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。
當對衛星節點已在上面作出的討論時，并不傾向于這是提供地面上方通信業務的僅有方式。在衛星發生故障，或者因為其他原因不能提供所希望的服務等級的情況下，例如衛星已由一種敵意的實體所阻塞干擾，飛機或其他超地面的車輛可以代替衛星，提供上述衛星功能。上述的“地面”節點可以位于地面上，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，一顆衛星可以是一個傳送信號的系統的用戶，正像一只海上的船可以是用戶一樣，或是步行的用戶。
盡管本發明的幾種具體形式業已被圖示和描述，然而十分清楚，在不偏離本發明的實質和范圍的情況下各種各樣的修改都能夠進行。為此除附加的權利要求書外，將不對本發明進行限制。
權利要求
1.一種蜂窩通信系統，包括至少一個地面節點，它位于要建立一組小區地地方，每個地面 節點包含的裝置有用于發送和接收預先確定的若干組碼分多址編碼的裝置，用于在預定的頻段擴頻波形的裝置；在各小區內的許多個用戶單元，每個用戶單元包含的裝置有用于與每個地面節點通信的裝置，操作上響應于若干組碼分多址編碼波形的預先確定的一組，從而與各節中的至少一個節點建立選擇性通信的裝置；以及定位裝置，它通過提供自節點到用戶單元的定時信號，測量該用戶單元對定時信號的響應時間，以及根據上述測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信機組成的通信鏈路，每一收發信機包括一個發信機，它在可控制功率電平上輸出一個發送信號，在代表發信機的功率電平的上述信號中包含有電平數據；以及一個收信機，它接收包含來自其他收發信機的發信機的電平數據的發送信號，并包括用于測量從其他發信機接收到的信號的信號強度的測量裝置；用于將所測量的信號強度與所收到的電平數據進行比較的比較裝置，以及用于根據上述比較，控制與收發信機中收信機相關的發信機的輸出功率電平的裝置。
全文摘要
本發明提供一種既有地面又有衛星節點的蜂窩網通信系統。采用了擴頻與前向糾錯編碼的碼分多址技術,增強有效增益和系統的選擇性,在衛星節點上安裝有多波束增益天線,以建立第一組網孔,并通過耦合用FECC獲得額外增益。在系統的衛星部分中產生足夠的增益,使用戶僅需要設有無方向性天線的小型移動式手機,便既能與衛星節點又能與地面節點通信。用戶位置信息也是可以得到的。
文檔編號H04B7/14GK1246756SQ9710286
公開日2000年3月8日 申請日期1997年3月3日 優先權日1997年3月3日
發明者艾伯特·約翰·馬林克羅特 申請人:美國西塞特公司