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)于具有綜合衛(wèi)星通信和地面通信網(wǎng)交換節(jié)點的蜂窩狀網(wǎng)移動通信系統(tǒng)。
蜂窩網(wǎng)通信已在美國快速發(fā)展，其發(fā)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(yè)務(wù)，因為發(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通信需要的擴大而變得日益嚴重。這種擁擠不管是由于各蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)造成的，同時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)計在今后十年中世界范圍內(nèi)的移動通信用戶的數(shù)量將增加一個數(shù)量級。無線電通信頻譜是有限的，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。
現(xiàn)有蜂窩無線通信系統(tǒng)當(dāng)初的目的是，為發(fā)達大城市內(nèi)的自動電話用戶提供移動電話業(yè)務(wù)。對于邊遠地區(qū)的用戶、空事用戶和海事用戶，已有AIRFONE和INMARSAT通信業(yè)務(wù)，但復(fù)蓋范圍不夠完整，通信業(yè)務(wù)費用相當(dāng)昂貴。正在規(guī)劃階段的移動無線電通信衛(wèi)星系統(tǒng)大概會為在邊遠地區(qū)內(nèi)的移動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)星移動無線通信技術(shù)，在地理復(fù)蓋方面是互補的，在這種復(fù)蓋區(qū)內(nèi)，為相當(dāng)發(fā)達的城市和郊區(qū)地面蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)提語聲電話業(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，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通信復(fù)蓋方式，就必須對兩種相當(dāng)昂貴的用戶裝置投資，每個系統(tǒng)要一種裝置。
移動電話業(yè)務(wù)的需求正在穩(wěn)定地增長，業(yè)務(wù)量也不斷增加，為數(shù)量不斷增加的從一個區(qū)域到另一個區(qū)域的移動用戶服務(wù)的問題已成為首要問題。蜂窩網(wǎng)移動通信系統(tǒng)把各服務(wù)區(qū)分為若干地理上的小區(qū)，每個小區(qū)通常由一個位于其中心的基站或網(wǎng)節(jié)來為之服務(wù)。該網(wǎng)節(jié)發(fā)送足夠大的功率，以便能以足夠的場強復(fù)蓋它的小區(qū)。如果某個移動用戶進入一個新的小區(qū)，無線電鏈路便接通該小區(qū)所裝用的具有可用空閑信道的新網(wǎng)節(jié)。然而，如果移動用戶進入一個所有信道都已占用的區(qū)域，或是進入尚無由任何蜂窩網(wǎng)通信業(yè)務(wù)服務(wù)的地方，或在某情況下，進入由不同的領(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突然中斷。
當(dāng)今的地面移動通信系統(tǒng)通常采用調(diào)頻(FM)方式，因為FM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小區(qū)的一個廣擴的區(qū)域范圍內(nèi)只能使用一次。這意味著每個小區(qū)只能利用所分配的整個無線電頻帶的一個很小的部分，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，因為稱做衰落和“死點”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，如果移動單機處于行駛運動中時，話音信號常常重復(fù)地淹沒在背景噪聲之中，其頻度達每秒許多次。這種問題由于來自遠地各小區(qū)內(nèi)的各用戶的同頻干擾和由于FM調(diào)制抑制干擾的能力有限而導(dǎo)至的串話所加劇。此外，通信的保密性相當(dāng)差;調(diào)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作為移動通信的情況下，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通信系統(tǒng)中衛(wèi)星與移動通信鏈路方面，是當(dāng)今廣泛的一致意見。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(qū)域內(nèi)的頻譜利用和能夠?qū)崿F(xiàn)功能，而不對其他各種業(yè)務(wù)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最富重要性的一個問題。
擴頻通信技術(shù)是在軍事應(yīng)用中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的一項技術(shù)，軍事應(yīng)用中必須滿足有關(guān)安全的各項要求，最小信號檢測的可能性和對外部干擾的最不敏感性。在擴頻系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息調(diào)制過的載頻信號，進一步被相關(guān)的寬帶、偽隨機“擴譜”信號調(diào)制，因此，傳送帶寬比要傳送的信息的帶寬寬得多或比信號速率高得多。通常這種擴譜信號要由一種偽隨判決數(shù)字邏輯算法生成。該邏輯算法在接收一端復(fù)制再生。
通過相同的擴譜波形調(diào)制所收到的信號，將接收到的信號重新回復(fù)原來的信息帶寬，以重新產(chǎn)生所希求的信號。因為接收機只響應(yīng)用相同的獨特碼擴散的信號，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散碼，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(yè)務(wù)信號的干擾得以減小。擴頻信號對于多徑衰減，來自該系統(tǒng)其他用戶的干擾和來自其他系統(tǒng)的干擾，具有很強的免除能力。
在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，下行線功率是一個要仔細考慮的重要問題。衛(wèi)星功率受到嚴重限制，因此，衛(wèi)星能夠容納的用戶數(shù)量和這種系統(tǒng)的經(jīng)濟可行性，與衛(wèi)星所必須發(fā)送給每個用戶多大功率成反比。許多建議的移動通信衛(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)備費用和必須建立某種指向衛(wèi)星的尖銳或強選擇性天線的不便。此外，由于所必須的相當(dāng)大的指向性天線，手持收發(fā)信機是不現(xiàn)實的。
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系統(tǒng)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(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。一種進一步的用途可能是為用戶提供一種他們自己位置的指示。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(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)與地面網(wǎng)節(jié)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，且其結(jié)果會增加通信保密性的擴頻技術(shù)，提供一種蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)，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(wèi)星基站兩者互相通信。
本發(fā)明提供一種既有地面又有空間網(wǎng)節(jié)，且兩者完全綜合的蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)。地面網(wǎng)節(jié)復(fù)蓋難以實現(xiàn)的區(qū)域，由一個空間網(wǎng)節(jié)來復(fù)蓋。各空間網(wǎng)節(jié)包括若干建立分區(qū)的衛(wèi)星，在多數(shù)情況下，分區(qū)跨越若干個地面小區(qū)。采用了一種擴頻通信方法，它包括碼分復(fù)用多址(CDMA)和前向糾錯編碼(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。擴頻系統(tǒng)便采用很低速率、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，在接收機端所要求的信號強度為最小，因而，在給定的頻帶內(nèi)能夠為最大數(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電器。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手機。
一種自適應(yīng)發(fā)射功率控制系統(tǒng)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(fā)信機輸出功率的每一發(fā)送信號中的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出。根據(jù)所導(dǎo)出的路徑衰耗和發(fā)信機的輸出功率數(shù)據(jù)，收信機則能據(jù)此調(diào)整其本身相應(yīng)的發(fā)信機功率輸出。
在一個具體實施例中，采用一種系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制中心來協(xié)調(diào)系統(tǒng)范圍的運行，一方面保持對用戶位置的跟蹤，一方面實現(xiàn)各種系統(tǒng)資源對每一呼叫的最優(yōu)分配，傳送各種設(shè)備的命令碼，并監(jiān)視和管理整個系統(tǒng)的正常狀況。在這一具體實施例中整個系統(tǒng)是具有分級控制特點的，包括系統(tǒng)網(wǎng)路控制中心、在一個區(qū)域內(nèi)協(xié)調(diào)詳細分配地面網(wǎng)絡(luò)資源的區(qū)域節(jié)點控制中心，以及一個或多個衛(wèi)星網(wǎng)路節(jié)點控制中心，負責(zé)在該衛(wèi)星網(wǎng)路資源中分配資源。在另一實施例中，系統(tǒng)中沒有系統(tǒng)網(wǎng)路控制中心，各節(jié)點控制中心自動地運行。
在一個實施例，一個或多個衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點控制中心為包括一群的M個衛(wèi)星分區(qū)服務(wù)。在該實施例中，往返于各群體分區(qū)的M個復(fù)合信號頻分復(fù)用在公共的傳送鏈路上，并在為群服務(wù)的一個或多個衛(wèi)星網(wǎng)路節(jié)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(nèi)的M個分區(qū)是一個設(shè)計變量，在系統(tǒng)中分區(qū)的數(shù)量可以在一個和全部范圍內(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)咱叫率對每個具體的群區(qū)進行優(yōu)化。
在本發(fā)明的另一方面，裝有一個區(qū)內(nèi)總線系統(tǒng)，其中，可以將在一個分區(qū)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)星的每個分區(qū)。
在本發(fā)明的定位系統(tǒng)中，通過監(jiān)測一個用對輪詢的響應(yīng)信號或由定位設(shè)備傳送的其他信號，可以提供該用戶的位置判定。到達幾個網(wǎng)節(jié)點的時間差提供了用于制定某個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是表示典型系統(tǒng)中地面和衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點的蜂窩網(wǎng)分級結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系的圖。提出一種包含多于一個衛(wèi)星分區(qū)的群;
圖5是表示用戶單元和衛(wèi)星網(wǎng)帶點控制中心的衛(wèi)星鏈路系統(tǒng)的方框圖;
圖6是在圖5的系統(tǒng)中衛(wèi)星信號過程的一種實施例的方框圖;
圖7是表示自適應(yīng)功率控制系統(tǒng)的用戶收發(fā)信機的功能方框圖;和圖8為通過8h表示一種自適應(yīng)雙向功率控制系統(tǒng)的定時圖。
正如在示例性圖中的表示的那樣，本發(fā)明具體體現(xiàn)了一種采用衛(wèi)星和地面網(wǎng)節(jié)相結(jié)合的蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)。兩種網(wǎng)節(jié)點采用同樣的調(diào)制、編碼和擴頻結(jié)構(gòu)，并且兩者都響應(yīng)于相同的用戶單元。
參照圖1，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)路控制中心12指出向整個系統(tǒng)衛(wèi)星放地面區(qū)域資源呼叫的頂層分配。同時它還用來協(xié)調(diào)系統(tǒng)范圍內(nèi)的運行，保持對用戶位置的跟蹤，實現(xiàn)系統(tǒng)資源對每一呼叫的最優(yōu)分配，傳送各種設(shè)備命令碼，以及監(jiān)視和管理整個系統(tǒng)的正常工作。各區(qū)域性網(wǎng)節(jié)點控制中心14(只表示出了其中的一個)，與系統(tǒng)網(wǎng)路控制中心12相連接，并指導(dǎo)主要大城市地區(qū)內(nèi)各地面節(jié)點的各呼叫的分配。該區(qū)域性網(wǎng)節(jié)點控制中心14提供進入和來自固定地面通信線路，例如稱做公眾電話交換網(wǎng)(PSIN)的商業(yè)電話公司。在各個區(qū)域性網(wǎng)節(jié)點控制中心14的方向上的地面網(wǎng)節(jié)點16經(jīng)由固定地面線路網(wǎng)接收各電話呼叫，對它們進行編碼，根據(jù)分配給每一指定用的獨特擴頻碼對它們進行擴頻，將它們組成一個復(fù)合信號，將該復(fù)合信號調(diào)制到發(fā)射載頻上，并將它們向所復(fù)蓋的蜂窩區(qū)廣播。
衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點控制中心18也經(jīng)由狀態(tài)和控制地面線路與系統(tǒng)網(wǎng)路控制中心12相連接，對用于衛(wèi)星電路的指定電話呼叫進行與來自PSTN呼叫相同的處理。對各呼叫進行編碼，根據(jù)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(fù)用到一個上行線路。復(fù)用的信號傳到指定的衛(wèi)星20。衛(wèi)星網(wǎng)路節(jié)點收到上行線路復(fù)用信號，對要到不同衛(wèi)星分區(qū)的各呼叫進行頻分去復(fù)用，進行頻率變換后將每一呼叫傳送到與其相應(yīng)的分區(qū)發(fā)送機和分區(qū)射束，并將所有那些相同方向呼叫的復(fù)合信號向要傳送的衛(wèi)星蜂窩狀區(qū)進行廣播。如這里所用“傳送線路“backhaul”一詞含義是指衛(wèi)星20和衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)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(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所響應(yīng)的衛(wèi)星始發(fā)信號，或地面網(wǎng)接點始發(fā)信號，接收傳來的復(fù)合信號通過利用分配給用戶的獨特擴頻碼分割出要傳送到那個用戶的信號。進行解調(diào)，最后解碼出有用信息，并將該電話呼叫傳送給用戶。上述用戶單元22可以是移動的，也可以是固定在某個位置上。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。例如一個網(wǎng)關(guān)可以包括專用的衛(wèi)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(wǎng)關(guān)24與系統(tǒng)網(wǎng)路控制器12連接。
所有上面討論過的中心、網(wǎng)節(jié)、單元和網(wǎng)關(guān)者全雙工發(fā)信/收信，如剛剛描述的那樣，執(zhí)行相應(yīng)的入網(wǎng)(用戶到系統(tǒng))鏈路功能，以及相反方式出網(wǎng)(系統(tǒng)到用戶)鏈路功能。
現(xiàn)參照圖2，表示出一個所分配的頻段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(guī)定如下。
OG地面出向頻段28(地面節(jié)點到用戶)OS衛(wèi)星出向頻段30(衛(wèi)星節(jié)點到用戶)OC出向呼叫和命令32(節(jié)點到用戶)IG地面入向頻段34(用戶到地面節(jié)點)IS衛(wèi)星入向頻段36(用戶到衛(wèi)星節(jié)點)IC入向呼叫和跟蹤頻段38(用戶到節(jié)點)在所有分區(qū)中所有用戶使用整個規(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)星移動通信系統(tǒng)，沒必要按小區(qū)進行頻分，各呼叫可以使用這些有相同原則的六個子頻段。這樣安裝的結(jié)果是，如下面要更詳細討論的那樣，頻率再利用系數(shù)更高。
在一個實施例中，一個移動用戶單元當(dāng)IC子頻段響應(yīng)一次輪詢或自動時，不定時地發(fā)送一種脈沖串標志信號。當(dāng)單元22處于備用狀態(tài)時，這種情況可以發(fā)生。這一標志信號只要該單元在各個區(qū)域內(nèi)，便由該區(qū)域的網(wǎng)節(jié)點控制中心14所跟蹤，否則該信號將由衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點或各網(wǎng)節(jié)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(wèi)星網(wǎng)節(jié)點跟蹤，這一信息經(jīng)由狀態(tài)和命令線路或其它方式進一步傳送到網(wǎng)路控制中心12。按照這種方式，實用的區(qū)域網(wǎng)節(jié)點控制中心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(qū)域內(nèi)的一個呼叫一般說來只由各自區(qū)域網(wǎng)節(jié)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(zhì)量、資源有效性和最優(yōu)利用資源的原則，由系統(tǒng)網(wǎng)路控制中心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(wèi)星網(wǎng)節(jié)點上始發(fā)。識別它的獨特呼叫碼后啟動用戶單元22的振鈴功能。當(dāng)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接收著的網(wǎng)節(jié)點廣播。這就開始了呼叫網(wǎng)節(jié)點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(fā)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(wèi)星網(wǎng)節(jié)點收到，這些網(wǎng)節(jié)點向前轉(zhuǎn)發(fā)呼叫和信號質(zhì)量報告到合適的系統(tǒng)網(wǎng)路控制中心12，控制中心12反過來指定該呼叫處理到一個特定的衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點20/衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點控制中心18，或區(qū)域性網(wǎng)節(jié)點控制中心14，或者后兩者。這時呼叫處理裝置在OC32和IC38子頻段起動與呼叫單元的聯(lián)絡(luò)功能，最后引導(dǎo)地渡到合適的衛(wèi)星或地面子頻段進行通信。
現(xiàn)參照圖3，一種不提供系統(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)星網(wǎng)節(jié)點控制中心42直接連接到地面線路網(wǎng)路，如同也是區(qū)域性網(wǎng)節(jié)點控制中心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)關(guān)預(yù)先確定的編碼表明衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點20的通信或地面網(wǎng)節(jié)點50的通信。
現(xiàn)參照圖4，表示一種分級蜂窩狀結(jié)構(gòu)。圖中表示出一對地面小區(qū)54的群52。此外，還示出許多個衛(wèi)星分區(qū)56。雖然數(shù)個54和56每個僅指向兩個小區(qū)，這樣做是為了保持圖中清楚。數(shù)個54意欲表示圖中的所有地面小區(qū)，同樣，數(shù)個56意欲表示所有的衛(wèi)星分區(qū)。小區(qū)在開關(guān)上表示為六邊形，然而這僅是典型示范。地面小區(qū)可以穿越3至15公里，根據(jù)小區(qū)內(nèi)的用戶密度，其它大小范圍的小區(qū)也是可行的。衛(wèi)星分區(qū)作為示范性的可跨越200～500公里范圍，取決于復(fù)蓋一個給定區(qū)域所使用的波束數(shù)目。如圖所示，某些衛(wèi)星分區(qū)可以不包括任何地面小區(qū)。這種分區(qū)可以用來復(fù)蓋一些不發(fā)達地區(qū)，對于這種區(qū)域，地面網(wǎng)節(jié)點是不實際的。圖中還表示出部分衛(wèi)星群58。這種群的各區(qū)充分利用一個共同的衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)控制中心。
本發(fā)明的突出優(yōu)點在于，因采用擴頻多址相鄰小區(qū)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(wèi)星用戶鏈路使用兩個機同的子頻段(OS30，IS36)。這就消除了不這樣做的復(fù)雜性和應(yīng)在各小區(qū)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。然而卻提供一種小區(qū)范圍的分級設(shè)置，以容納用戶密度具有很大差別的各種區(qū)域。
再參照圖1和圖4，衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點20采用方型多饋源天線62，天線62在一種實例中為每個衛(wèi)星分區(qū)56提供分開的波束和相應(yīng)的分開的發(fā)信機。例如，多饋源天線62可以用一般的100個衛(wèi)星波束/分區(qū)來復(fù)蓋美國那樣的區(qū)域，并在一種實施例中用200個波束/分區(qū)復(fù)蓋。組合的衛(wèi)星/地面網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)提供一種地理上分級的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。因而在人口稠密的大城市地區(qū)，每個衛(wèi)星分區(qū)56可以進一步包含100個或更多的地面小區(qū)54，哪個地面小區(qū)都可以正常地傳送大量始發(fā)于那里的話務(wù)量。地面網(wǎng)節(jié)點16的用戶數(shù)量預(yù)期會超過衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點20的用戶數(shù)量，這里地面小區(qū)存在于衛(wèi)星分區(qū)之中。因為不然所有那些地面網(wǎng)節(jié)點用戶就要受到想要用戶衛(wèi)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(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)控制中心12在所有的可用的地面和衛(wèi)星資源中進行分配。
在蜂窩無線電通信系統(tǒng)中大多數(shù)考慮中一個重要參數(shù)是“群”(cluster)，并定義為最小設(shè)置的小區(qū)，倘若同頻道小區(qū)在不同的群內(nèi)，則使各小區(qū)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(nèi)的小區(qū)必須采用不同的子頻段。在這樣一個群內(nèi)的小區(qū)數(shù)目稱作群區(qū)容量(clustersize)?？梢钥闯?，頻率再利用系數(shù)，即在系統(tǒng)內(nèi)一個子頻段可再利用的次數(shù)，等于系統(tǒng)中小區(qū)數(shù)除以群區(qū)容量。每個小區(qū)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)達到最小可能的群區(qū)容量，對于其他地面或衛(wèi)星蜂窩網(wǎng)的概念，典型的群區(qū)容易為7到13個，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)明的一個主要優(yōu)點。
現(xiàn)參照圖5，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)星網(wǎng)節(jié)點控制中心18通信，并且控制過程包括用戶單元22和衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點控制中心18。例如當(dāng)進行一次電話呼叫時，電話手柄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(fā)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(fā)信機處理電路66進行處理。信號由無方向性天線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，這將在下面介紹。同時通過它的下行天線70發(fā)送飛行信號給衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點控制中心18。關(guān)于接收方面，用戶單元22的天線68接收該信號，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(wèi)星網(wǎng)節(jié)點控制中心18的其天線71來接收該信號，將信號加到一個環(huán)行器73、放大器74、頻率去復(fù)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(fù)合信號，分解器78將信號分解為一組相關(guān)碼之一，它們每個包括混頻器80用來去除擴頻和標志碼。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似語音信號。語音信號隨后送到合適的地面線路，如商用電話系統(tǒng)。通過衛(wèi)星的節(jié)點控制中心18的發(fā)送實際上是上述接收運行的反過程。
現(xiàn)參照圖6，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(nèi)全部M個衛(wèi)星分區(qū)的信號由頻分復(fù)用器96復(fù)用成一個復(fù)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(fù)合信號隨即由分割器98分割為N個部分，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個分離的衛(wèi)星地面分區(qū)。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，對于低密度的農(nóng)村地區(qū)，人們可以來用一種M-to-1(M＞1，N+1)的群結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是由一個共用衛(wèi)星地面網(wǎng)節(jié)點服務(wù)的，具有M受可用帶寬限制的M個相連小區(qū)組成。為了在已有的大城市地區(qū)之間提供高質(zhì)量長途電話業(yè)務(wù)，或是最好地復(fù)蓋有移動地面蜂窩網(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，該總線進而將上述M個衛(wèi)星分區(qū)的所有使用者連在一起，宛如在同一個本地呼叫區(qū)。為了說明，在圖6左側(cè)M個用戶區(qū)的群的相同小區(qū)(例如西雅圖Seattle、洛彬基LosAngeles、俄馬哈Omaha等)，每個均由圖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(fā)信手機。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，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碼的電話機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頻率的頻率進行發(fā)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(fā)信機部分106和收信機部分108。語音通信的發(fā)送，話筒把語音信號耦合到編碼器110，編碼器采用各種所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的現(xiàn)代語音編碼技術(shù)之一實現(xiàn)模擬到數(shù)字編碼的變換。數(shù)字語音信號與本地狀態(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)接器112形成一個復(fù)合畢特流。結(jié)果生成的數(shù)字畢特流接著通過前向差錯編碼器114，符號或畢特插入器116，符號或比特、相位和/或幅度調(diào)制器118、窄帶IF(中頻)放大器120，寬帶乘法器或擴叔器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綜合器驅(qū)動畢特或波特頻率發(fā)生器130，偽隨機噪聲或“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)生偽隨機畢特流的判決邏輯，而偽隨機畢特流能夠在遠端收信機中復(fù)制生成。鈴流發(fā)生器138在得到命令后產(chǎn)后在功能上與鈴流等效的一種短偽隨機序列。
收發(fā)信機接收機功能部分108的解調(diào)工作過相應(yīng)于發(fā)信機部分106中發(fā)送調(diào)制功能的反過程。該信號由無方向性天線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畢特或符號的極性或值的畢特或符號檢測器152，一個畢特或符號去插入器154，隨后送到一個前向差錯解碼器156。從FEC解碼器156來的復(fù)合畢特流接著在去復(fù)用器158中被分割為它的數(shù)個語音、數(shù)據(jù)和命令等組成的部分。之后話音解碼器160完成數(shù)字到模擬的變換，最后該話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)和畢特或符號檢出器152的定時。PRN振蕩器164和PRN發(fā)生器166提供用于去擴頻目的的擴頻信號判斷邏輯。波特或畢特時鐘振蕩器168在畢特指出器152，前向差錯解碼器156和話音解碼器中，驅(qū)動畢特。
畢特或符號插入器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畢特或符號差錯的短脈沖串的作用，所以它們能更可靠地由糾錯碼進行校正。
作為另一種工作方式，對于傳送數(shù)據(jù)或傳真或其它數(shù)字數(shù)據(jù)輸入170發(fā)信機鏈和從收信機鏈輸出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)，在前向差錯解碼器156的非語音輸出可以為話音解碼器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(cè)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(yīng)對端振蕩器的相位。這樣做的函義對于所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是已知的。
從接收到的信號中導(dǎo)出的自動增益控制(AGC)電壓184的常規(guī)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(jù)下面更為詳細的介紹，這一信息當(dāng)即在指示電平的功率電平控制制器188中與所接收到的數(shù)據(jù)186相組合，在功率控制器188處，所接收到的信號曾是最初發(fā)送的，和命令本地連續(xù)的發(fā)送功率電平到達某一數(shù)值，從而使在衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點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。對輸出功率放大器128的命令電平還供給190，到發(fā)信機復(fù)用器112，以便傳送到相應(yīng)的單元。
在移動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，這樣會大大減少每頻道的有效和容量。
根據(jù)本發(fā)明原理的一種系統(tǒng)的又一特點是一種自適應(yīng)控制，這種自適應(yīng)控制連續(xù)不繼地保持每一發(fā)射的功率處于必要的最小電平，快速適應(yīng)和動態(tài)地容受上述衰落，并且只當(dāng)必要時才進行自適應(yīng)控制。每個發(fā)信機通過將一種低速數(shù)據(jù)流與復(fù)合數(shù)字輸出信號相加遙測當(dāng)時發(fā)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(diào)整它們當(dāng)前的發(fā)送功率輸出，達到一個能使相應(yīng)的對端收信機當(dāng)不考慮路徑衰耗變化時仍呈現(xiàn)近似恒定接收信號電平的發(fā)送功率電平。
現(xiàn)參照圖8a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)星控制節(jié)，在這種情況下，衛(wèi)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(fā)送給它的信號電平實現(xiàn)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行駛到一座建筑特后面或在最接近用戶A的附近有障礙物。這就造成作為由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(shù)據(jù)表明，在此時這一信號已從B發(fā)送的電平，不曾有過變化。A的功率電平控制器188從觀測到的接收信號電平減去遙測到的發(fā)送信號電平，并計算出路徑衰耗已增加XdB。據(jù)此如圖8d所示A在時間192時增大它的信號電平輸出XdB。并與同時，將這一信息加到它的狀態(tài)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(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(jù)此調(diào)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(fù)信號強度。所以，對于發(fā)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(zhì)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(xiàn)。
再次參照圖7，提供一種用來產(chǎn)生呼叫請求和檢出鈴流的安排。這種鈴流信號發(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。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(yīng)方式，對每個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質(zhì)量來提供的。為了精確的定位選擇，用戶的響應(yīng)信號時間準確地鎖定在建立唯一性地可識別定時出現(xiàn)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。從兩個或更多的網(wǎng)節(jié)點測量輪詢/響應(yīng)來回程的時間，或測量到達數(shù)個網(wǎng)節(jié)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(wèi)星發(fā)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，從一個網(wǎng)節(jié)點單程輪詢/響應(yīng)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(fā)送本機振蕩器(LD)162和鈴流發(fā)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(tǒng)的經(jīng)濟可行性與能夠支持容納的用戶數(shù)量有關(guān)。對所能支持的用戶數(shù)量的兩個重要限制是，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)或移動衛(wèi)星裝置，無線頻譜的分配是嚴重受到限制的資源。體現(xiàn)在本發(fā)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(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)功率利用效率方面，這對于衛(wèi)星移動系統(tǒng)中繼鏈路是主要因素，每一用戶的衛(wèi)星發(fā)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(shù)和在衛(wèi)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(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員所公知的，這里不再作進一步的詳細描述。
現(xiàn)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(wǎng)“群”有著密切的關(guān)系。在現(xiàn)有的頻分和時分復(fù)用多址技術(shù)中，給定的頻率或時隙的分配必須防止來自附近小區(qū)在相同子頻段的各用戶的干擾。取決于所要求的防衛(wèi)度，排除小區(qū)“X”的各頻率在圍繞“X”的數(shù)個小區(qū)N中再利用是必要的。這個小區(qū)數(shù)目N叫做群體容易(clustersize)。因為每個小區(qū)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，則頻率再利用系數(shù)和頻譜利用率與群體容量N成反比例。
在1979年1月的BellSysternsTechnicalIournal第15頁，MacdonaldV.H的TheCellularCencept一文指出FM頻分復(fù)用地面蜂窩系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗確定，為使大多數(shù)聽者視為最良好質(zhì)量需要17dB的信號與干擾比。與傳播和衰落研究相結(jié)合，這就得到一種標準，即在同頻道網(wǎng)孔小區(qū)之間的相隔距離應(yīng)至少為在地面網(wǎng)節(jié)點處使用無方向性天線的小區(qū)內(nèi)至用戶最遠距離的6倍。為了達到隔離，群的大小容易至少必須為每群N＝12個小區(qū)。因此，人們只可以使用每小區(qū)總分配頻道容量的1/12。
在衛(wèi)星服務(wù)中，最大小區(qū)面積大小與衛(wèi)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(shù)目受到群容量大小的嚴格限制。在規(guī)劃的AMSC系統(tǒng)中，C.E.Agnew等人在ProceedingoftheMobileSatelliteConference，(NASA，JPL，May1988)的AMSC移動衛(wèi)星系統(tǒng)(TheAMSCMobileSatelliteSystem)一文中指出有效的群容易為5，因而人們只可以使用每小區(qū)總分配頻道容量的1/5。
在根據(jù)本發(fā)明的一個系統(tǒng)中，群容量為1，即每個小區(qū)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(shù)(SS/CDMA)具有很強的抗干擾性。在采用相同頻段的相鄰小區(qū)各用戶的效果，與在本同小區(qū)內(nèi)的其他用戶的效果相比，在質(zhì)量上沒有什么差別。因此，可以認為在一個小區(qū)內(nèi)能夠允許的用戶數(shù)量有效地減小。所有其他小區(qū)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，可以進行計算。這種計算時，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，對地波傳播為1.4，而對于衛(wèi)星系統(tǒng)為2.00這一因子可以認為是對CDMA系統(tǒng)有效群容量在效果上的倍乘等效。最后，可以相似，在與其他系統(tǒng)比較后，我們發(fā)現(xiàn)頻率再利系數(shù)或帶寬利用率系數(shù)以如下比率與有效群容量成反比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，第二個嚴重受到限制是衛(wèi)星一次電源，一個通信衛(wèi)星重量的主要組成部分，因此也是衛(wèi)星造價中的主要因素。一般來說，在如這樣的系統(tǒng)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(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。在一個實施例中，功率增益在45dB的量級，而波束寬度預(yù)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(xiàn)。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，每一段束寬度近似0.4度。
第二借助于采用擴頻技術(shù)的優(yōu)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(tǒng)使用信道畢特插/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(dāng)?shù)漠吿啬芰颗c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(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)時間所需要的電平大10到40dB，以便提供余量儲備，適應(yīng)不常出現(xiàn)的深衰落。
除了上面所列舉的優(yōu)點以外，碼分復(fù)用系統(tǒng)在本系統(tǒng)中還具有以下重要優(yōu)點。當(dāng)某些頻道沒被占用的空閑間時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，能夠的特定原則復(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。前面提到的幾項區(qū)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(shè)計因素，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、高速率話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);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進行數(shù)據(jù)交換;在數(shù)百英尺范圍內(nèi)的自動定位和報告;無線電選呼農(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保持固定的軌道，但不限于此。本發(fā)明也允許運行在其他軌道。系統(tǒng)網(wǎng)路控制中心設(shè)計得能夠正常地對用戶要與衛(wèi)星或是地面網(wǎng)節(jié)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(wèi)星電路和地面直達干線電路之間所出選擇，取決于當(dāng)時哪一種能夠提供更清晰的著，或者要求他的選擇根據(jù)其他通信要求。
當(dāng)對衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)關(guān)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(yè)務(wù)的僅有方式。在衛(wèi)星發(fā)生故障，或者因為其他原不能提供所希望的服務(wù)等級的情況下，例如衛(wèi)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(wèi)星，提供上述衛(wèi)星功能。上述的“地面”網(wǎng)節(jié)點可以位于地面上，或在地球表面的水中。此外，雖說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)星可以是一個傳送信號的系統(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。
本發(fā)明的幾種具體形式業(yè)已圖示和描述后，十分清楚，在不編離本發(fā)明的精神實質(zhì)和領(lǐng)域范圍的情況下各種各樣的生產(chǎn)制造都能夠進行。為此除附加的權(quán)利要求書外，將不對本發(fā)明進行限制。
權(quán)利要求
1.一種蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)，它包括至少一個具有多波束天線的空間網(wǎng)節(jié)點，該天線位于要建立第一組小區(qū)的地方，每個空間網(wǎng)節(jié)點包含的裝置有用于發(fā)送和接收不同的，預(yù)先確定的若干碼分多址編碼裝置，用于擴頻波形數(shù)字式調(diào)制的裝置，以及用于使前向糾錯編碼與位于預(yù)先確定的，各空間網(wǎng)節(jié)點共同的頻段上的波形相結(jié)合的裝置；具有一個反射器和一個安裝在反射器焦點區(qū)內(nèi)的多元饋電元件；至少一個地面網(wǎng)節(jié)點，該網(wǎng)節(jié)點位于要建立的第二組小區(qū)的地方，每個地面網(wǎng)節(jié)點包含的裝置有，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)先確定的頻段上擴頻波形的裝置；以及用于在小區(qū)內(nèi)的許多用戶單元的裝置，每個用戶單元包含的裝置有，用于與每個衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點和與每個地面網(wǎng)接點通信的裝置，以及用于正在工作著的響應(yīng)于若干組碼分多址編碼波形中的預(yù)先確定的一組，從而與若干網(wǎng)節(jié)點中的至少一個建立選擇性通信的裝置。
2.一種蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)，它包括至少一個具有多波束天線的空間網(wǎng)節(jié)點，該天線位于要建立第一組小區(qū)的地方，每個空間網(wǎng)節(jié)點包含的裝置有，用于發(fā)送和接收不同的，預(yù)先確定的若干組碼分多址編碼的裝置，用于擴頻波形的數(shù)字式調(diào)制的裝置，以及使前向糾錯編碼與正位于預(yù)先確定的，各網(wǎng)節(jié)點共用的頻段波形相結(jié)合的裝置;至少一個地面節(jié)點，它位于要建立的第二組小區(qū)的地方，每一地面網(wǎng)節(jié)點包含的裝置有，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)先確定的頻段上擴頻波形的裝置;在各小區(qū)內(nèi)的許多個用戶單元，每個單元包含的裝置有，用于與每個衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點和與每個地面網(wǎng)節(jié)點通信的裝置，用于正在運行響應(yīng)于預(yù)先確定的若干組碼分多址編碼波形中的一個組，從而至少與各網(wǎng)節(jié)點中的一個建立選擇性通信的裝置;以及一個網(wǎng)路控制器，它在運行上連接每個空間網(wǎng)節(jié)點和每個地面網(wǎng)節(jié)點，在上述各空間網(wǎng)和地面網(wǎng)節(jié)點中有選擇地分配與上述各用戶單元通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中提出的蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)，其中天線包括一個反射器和一個安置在反射器焦點區(qū)的多元饋元饋電元件。
4.在前面任一權(quán)利要求中提出的蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)還包括，用于通過提供從一個或更多網(wǎng)節(jié)點到用戶單元的定時信號來確定一個所選用戶單元的位置的定位裝置，用于測量用戶單元對定時信號響應(yīng)時間的裝置，以及用于根據(jù)這種測量確定用戶單元位置的裝置。
5.在權(quán)利要求4中提出的蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)，其中定位裝置還用于確定所選用戶單元位于哪個小區(qū)，并用于指示該小區(qū)的位置。
6.按照權(quán)利要求1或2或3的蜂窩通信系統(tǒng)，其中用戶單元包括一個裝有實際上無方向性天線的與各節(jié)點通信的手持便攜式收發(fā)信機。
7.按照權(quán)利要求1至3的通信系統(tǒng)，其中一個用戶單元和一個網(wǎng)節(jié)點，每個包括用于互相通信的收發(fā)信機，每個收發(fā)信機包括一個發(fā)信機，它在可以控制功率電平下，輸出被發(fā)送的信號，并在上述代表發(fā)信機功率電平的信號中包括電平數(shù)據(jù);以及一個收信機，它接收包含來自其他收發(fā)信機的發(fā)信機的電平數(shù)據(jù)的發(fā)送信號，并且包括用于測量所收到的來自其他發(fā)信機的信號強度的測量裝置;用于將所測得的信號強度與所收到信號電平數(shù)據(jù)進行比較的比較裝置;以及用于根據(jù)上述比較，控制在收發(fā)信機中與該收信機相應(yīng)的發(fā)信機的輸出功率電平的裝置。
8.權(quán)利要求1至3中任何的蜂窩通信系統(tǒng)，其中，一個衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點包含的各種處理裝置有對在第一預(yù)先確定的許多波束中接收信號的處理裝置，對所收到的信號進行復(fù)用的處理裝置，以及對在第二預(yù)先確定的許多波束上發(fā)送該復(fù)用信號的處理裝置。
9.按照權(quán)利要求1或2或3的蜂窩通信系統(tǒng)，其中空間網(wǎng)節(jié)點的多波束天線提供相當(dāng)窄的波束寬度的波束。
10.按照權(quán)利要求9的蜂窩通信系統(tǒng)，其中在天線的各波束中至少有一個波束的寬度小于1度。
11.按照權(quán)利要求2或3的蜂窩通信系統(tǒng)，其中網(wǎng)路控制器控制系統(tǒng)使用戶單元與其所在的小區(qū)的空間網(wǎng)節(jié)點制，或與其所在的小區(qū)的地面節(jié)點通信，這種通信是按照有選擇地考慮在每個網(wǎng)節(jié)點上所接收到的來自用戶單元的信號質(zhì)量，用戶單元希望與之通信的對方的位置，以及一種預(yù)先確定的通信資源的分配來進行的。
12.按照權(quán)利要求1或2或3的蜂窩通信系統(tǒng)，其中預(yù)先確定的頻段又分為許多子頻段，與每個空間網(wǎng)節(jié)點的通信是通過第一子頻段，而與每個地面網(wǎng)接點的通信是通過第二子頻段。
13.一種蜂窩通信系統(tǒng)，包括至少一個地面網(wǎng)節(jié)點，它位于要建立一組小區(qū)地地方，每個地面網(wǎng)節(jié)點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)定的頻段擴頻波形的裝置;在各小區(qū)內(nèi)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網(wǎng)節(jié)點通信的裝置，正在運行響應(yīng)于若干組碼分多址編碼波形的預(yù)先確定的一組，從而與各網(wǎng)節(jié)中的至少一個網(wǎng)節(jié)點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(yīng)時間，以及根據(jù)上述測量確定該用戶單元的位置。
14.用于相互通的第一和第二收發(fā)信機組成的通信鏈路，每一收發(fā)信機包括一個發(fā)信機，它在可控制功率電平上輸出一個發(fā)送信號，在代表發(fā)信機的功率電平的上述信號中包含有電平數(shù)據(jù);以及一個收信機，它接收包含來自其他收發(fā)信機的發(fā)信機的電平數(shù)據(jù)的發(fā)送信號，并包括用于測量從其他發(fā)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(shù)據(jù)進行比較的比較裝置，以及用于根據(jù)上述比較，控制與收發(fā)信機中收信機相關(guān)的發(fā)信機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)星網(wǎng)節(jié)點的蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)。采用了擴頻與前向糾錯編碼的碼分多址技術(shù)，增強有效增益和系統(tǒng)的選擇性。在衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點上安裝有多波束高增益天線，以建立第一組小區(qū)，并通過耦合用FECC獲得額外增益。在系統(tǒng)的衛(wèi)星部分中便產(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式手機，便既能與衛(wèi)星網(wǎng)節(jié)點又能與地面網(wǎng)節(jié)點通信。用戶位置信息也是可以得到的。
文檔編號H04Q7/00GK1072299SQ91110698
公開日1993年5月19日 申請日期1991年11月12日 優(yōu)先權(quán)日1991年11月12日
發(fā)明者艾伯特·約翰·馬林克羅特 申請人:艾伯特·約翰·馬林克羅特