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)點和地面節(jié)點的蜂窩移動通信系統(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(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，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(tǒng)”，1989；杰克，威廉C.所著的“微波移動通信”，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)的自動電話用戶提供移動電話業(yè)務(wù)。對于邊遠(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(yuǎn)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，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覆蓋方式，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。
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)分為若干地理上的網(wǎng)孔，每個網(wǎng)孔通常由一個位于其中心的基站或節(jié)點來為之服務(wù)。該節(jié)點發(fā)送足夠大的功率，以便能以足夠的場強(qiáng)覆蓋它的網(wǎng)孔。如果某個移動用戶進(jìn)入一個新的網(wǎng)孔，無線電鏈路便被切換到新節(jié)點，只要該網(wǎng)孔具有可用空閑信道即可。然而，如果移動用戶進(jìn)入一個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網(wǎng)孔的一個廣闊的區(qū)域范圍內(nèi)只能使用一次。這意味著每個網(wǎng)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(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，如果移動單元處于行駛運(yùn)動中時，話音信號常常重復(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(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)星與移動鏈路方面，有著當(dāng)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(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(jìn)，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(kuò)頻通信技術(shù)是在軍事應(yīng)用中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的一項技術(shù)，軍事應(yīng)用中必須滿足有關(guān)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(kuò)頻系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息調(diào)制過的載頻信號，進(jìn)一步被相關(guān)的寬帶、偽隨機(jī)“擴(kuò)頻”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息速率高得多。通常這種擴(kuò)頻信號要由一種偽隨機(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，將接收到的信號重新回復(fù)成原來信息帶寬，以重新產(chǎn)生所希望的信號。因為接收機(jī)只響應(yīng)用相同的獨特碼擴(kuò)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(kuò)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(qiáng)，對各種其他業(yè)務(wù)信號的干擾得以減小。擴(kuò)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(qiáng)的免除能力。
在衛(wèi)星通信信號中，下行線功率是一個要仔細(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(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)點與地面節(jié)點的蜂窩網(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(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)點又有空間節(jié)點，且兩者完全結(jié)合的蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)，地面節(jié)點難以覆蓋的區(qū)域由空間節(jié)點來覆蓋。
本發(fā)明提供了一種蜂窩通信系統(tǒng)，包括至少一個具有一個多波束天線的空間節(jié)點，其位于要建立第一組網(wǎng)孔的地方，每個空間節(jié)點包括用于發(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編碼與位于一個預(yù)先確定的各空間節(jié)點共用的頻段中的波形相結(jié)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(qū)內(nèi)的多單元饋源部件；至少一個地面節(jié)點，其位于要建立的第二組網(wǎng)孔的地方，每個地面節(jié)點包括用于發(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；一個衛(wèi)星節(jié)點控制中心，用于在每個空間節(jié)點分配通信；一個區(qū)域節(jié)點控制中心，用于在每個地面節(jié)點分配通信；以及在所述網(wǎng)孔內(nèi)的多個用戶單元，每個用戶單元包括用于與每個衛(wèi)星節(jié)點和每個地面節(jié)點通信的裝置，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)點中的至少一個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)，包括至少一個具有一個多波束天線的空間節(jié)點，其位于要建立第一組網(wǎng)孔的地方，每個空間節(jié)點包括用于發(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，以及使前向糾錯編碼與位于一個預(yù)先確定的各節(jié)點共用的頻段中的波形相結(jié)合的裝置；至少一個地面節(jié)點，其位于要建立的第二組網(wǎng)孔的地方，每個地面節(jié)點包括用于發(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)的多個用戶單元，每個單元包括用于與每個衛(wèi)星節(jié)點和每個地面節(jié)點通信的裝置，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)點中的至少一個建立選擇性通信的裝置；以及一個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制中心，它在操作上連接于每個空間節(jié)點和每個地面節(jié)點，以便在所述空間節(jié)點和地面節(jié)點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)端所要求的信號強(qiáng)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強(qiáng)度變化。路徑衰耗的估算由所接收到的信號強(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(yùn)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(xì)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)星節(jié)點控制中心，負(fù)責(zé)在該衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源中分配資源。在另一實施例中，系統(tǒng)中沒有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制中心，各節(jié)點控制中心自動地運(yùn)行。
在一個實施例中，一個或多個衛(wèi)星節(jié)點控制中心為包括一群的M個衛(wèi)星網(wǎng)孔服務(wù)。在該實施例中，往返于各群體網(wǎng)孔的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個網(wǎng)孔是一個設(shè)計變量，在系統(tǒng)中網(wǎng)孔的數(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)呼叫率對每個具體的群區(qū)進(jìn)行優(yōu)化。
在本發(fā)明的另一方面，裝有一個網(wǎng)內(nèi)總線系統(tǒng)，其中，可以將在一個網(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)星的每個網(wǎng)孔。
在本發(fā)明的定位系統(tǒng)中，通過監(jiān)測一個用戶對輪詢的響應(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(dá)幾個節(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是表示曲型系統(tǒng)中地面和衛(wèi)星節(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)星網(wǎng)孔的群；圖5是表示用戶單元和衛(wèi)星節(jié)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)星信號處理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(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)點相結(jié)合的蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)。兩種節(jié)點采用同樣的調(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)絡(luò)控制中心12指向整個系統(tǒng)衛(wèi)星和地面區(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(yùn)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)域節(jié)點控制中心14(只表示出了其中的一個)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)點的各呼叫的分配。該區(qū)域節(jié)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(wǎng)(PSIN)的商業(yè)電話系統(tǒng)的出入路徑。在各個區(qū)域節(jié)點控制中心14的方向上的地面節(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(jìn)行編碼，根據(jù)分配給每一指定用戶的獨特擴(kuò)頻碼對它們進(jìn)行擴(kuò)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，并將它們向所覆蓋的蜂窩區(qū)廣播。
衛(wèi)星節(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)絡(luò)控制中心12相連接，對用于衛(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。對各呼叫進(jìn)行編碼，根據(jù)分配給指定用戶的獨特擴(kuò)頻碼將它們擴(kuò)頻，把它們與其它相同方向的呼叫復(fù)用到一個上行線路。復(fù)用的信號傳到指定的衛(wèi)星20。衛(wèi)星節(jié)點20收到上行線路復(fù)用信號，對要到不同衛(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響應(yīng)衛(wèi)星始發(fā)信號，或地面節(jié)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(kuò)頻碼分割出來要傳送到那個用戶的信號，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)絡(luò)控制中心12連接。
所有上面討論過的中心、節(jié)點、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(jìn)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)在所有網(wǎng)孔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。
在一個實施例中，一個移動用戶單元響應(yīng)一次輪詢或自動時，不定時地發(fā)送一種IC子頻段的脈沖串標(biāo)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(biāo)志信號只要該單元在各個區(qū)域內(nèi)，便由該區(qū)域的節(jié)點控制中心14所跟蹤，否則該信號將由衛(wèi)星節(jié)點或各節(jié)點跟蹤。在另一個實施例中，這種標(biāo)志信號由所有能收到它的地面和衛(wèi)星節(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(jìn)一步傳送到網(wǎng)絡(luò)控制中心12。按照這種方式，實用的區(qū)域節(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)域節(jié)點控制中心14進(jìn)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)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，借助他的獨特擴(kuò)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)星節(jié)點上始發(fā)。識別它的獨特呼叫碼后啟動用戶單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，反回信號從用戶單元22向任何在用戶呼叫子頻段IC38的接收節(jié)點廣播。這就開始了呼叫節(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(jī)，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)星節(jié)點收到，這些節(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)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特定的衛(wèi)星節(jié)點20/衛(wèi)星節(jié)點控制中心18，或區(qū)域性節(jié)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(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)星節(jié)點控制中心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20的通信或地面節(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網(wǎng)孔54的群52。此外，還示出許多個衛(wèi)星網(wǎng)孔56，雖然數(shù)字54和56每個僅指向兩個網(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)，對于這種區(qū)域，地面節(jié)點是不實際的。圖中還表示出部分衛(wèi)星群58。這種群的網(wǎng)孔充分利用一個共同的衛(wèi)星節(jié)點控制中心。
本發(fā)明的突出優(yōu)點在于，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子頻段(OG28，IG24)，各衛(wèi)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(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)星節(jié)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(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個衛(wèi)星波束/網(wǎng)孔來覆蓋美國那樣的區(qū)域，并在一種實施例中用200個波束/網(wǎng)孔覆蓋。組合的衛(wèi)星/地面節(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)星網(wǎng)孔56可以進(jìn)一步包含100個或更多的地面網(wǎng)孔54，哪個地面網(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16的用戶數(shù)量預(yù)期會超過衛(wèi)星節(jié)點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。因為不然所有那些地面節(jié)點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)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)的網(wǎng)孔必須采用不同的子頻段。在這樣一個群內(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，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)星節(jié)點控制中心18。例如當(dāng)進(jìn)行一次電話呼叫時，電話手機(jī)64摘機(jī)，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(kuò)頻碼對信號擴(kuò)頻的發(fā)信機(jī)處理電路66進(jìn)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)送下行信號給衛(wèi)星節(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(jī)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(jìn)行詳細(xì)介紹。
衛(wèi)星節(jié)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(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(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。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(yùn)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)星網(wǎng)孔的信號由頻分復(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)是由一個共用衛(wèi)星地面節(jié)點服務(wù)的、具有M受可用帶寬限制的M個相連的網(wǎng)孔。為了在已有的大城市地區(qū)之間提供高質(zhì)量長途電話業(yè)務(wù)，或是最好覆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(jìn)而將上述M個衛(wèi)星網(wǎng)孔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，包括圖6左側(cè)M個用戶網(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(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)動中，都允許從一個具有電話呼叫號嗎的電話機(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)用器112形成一個復(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(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(kuò)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(fù)合比特流接著在去復(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。之后語音解碼器160完成數(shù)字到模擬的變換，最后該語音信號送到用揚(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(LO)和比特或符號檢出器152的定時。PRN振蕩器164和PRN發(fā)生器166提供用于去擴(kuò)頻目的的擴(kuò)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(qū)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(bǔ)償移動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差錯的短脈沖串的作用，所以它們能更可靠的由糾錯碼進(jìn)行校正。
作為另一種工作方式，對于到發(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(jī)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電路能力。
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)和動態(tài)地容受上述衰落，并且只當(dāng)必要時才進(jìn)行自適應(yīng)控制。每個發(fā)信機(jī)通過將一種低速數(shù)據(jù)流與復(fù)合數(shù)字輸出信號相加遙測當(dāng)時發(fā)送到遠(yuǎn)端收信機(jī)的信號輸出電平。利用這一信息與測出的接收信號強(qiáng)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(dá)到一個能使相應(yīng)的對端收信機(jī)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)星節(jié)點，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(qiáng)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。并與此同時，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(dá)，如圖8e所示。B收信機(jī)發(fā)現(xiàn)收到的信號強(qiáng)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(qiáng)度。所以，對于發(fā)生在A附近的一個路徑衰耗變化，可以認(rèn)為在B處的路徑衰耗補(bǔ)償實質(zhì)上是即刻進(jìn)行的，而在A處這種補(bǔ)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。為了精確的定位選擇，用戶的響應(yīng)信號時間準(zhǔn)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。從兩個或更多的節(jié)點測量輪詢/響應(yīng)來回程的時間，或測量到達(dá)數(shù)個節(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(jī)和收信機(jī)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(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(jìn)一步連接到收信機(jī)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(jī)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(dá)命令。
移動電話通信系統(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(jī)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(kuò)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(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)個網(wǎng)孔N中再利用是必要的。這個網(wǎng)孔數(shù)目N叫做群區(qū)容量(cluster size)。因為每個網(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，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，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(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)明的一個系統(tǒng)中，群區(qū)容量為1，即每個網(wǎng)孔使用相同的所分配的全部頻段。這是可能的，因為擴(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2.0。這一因子可以認(rèn)為是對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(yán)重受到的限制是衛(wèi)星主電源，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(dá)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(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，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)偷谋忍啬芰颗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。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(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(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)的自動定位和報告；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)計得能夠正常地對用戶要與衛(wèi)星或是地面節(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)對衛(wèi)星節(jié)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，或者因為其他原因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(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。
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)，包括至少一個地面節(jié)點，它位于要建立一組小區(qū)地地方，每個地面 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(kuò)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節(jié)點通信的裝置，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。
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)包括一個發(fā)信機(jī)，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(jī)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(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，并包括用于測量從其他發(fā)信機(jī)接收到的信號的信號強(qiáng)度的測量裝置；用于將所測量的信號強(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)點的蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)。采用了擴(kuò)頻與前向糾錯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式手機(jī),便既能與衛(wèi)星節(jié)點又能與地面節(jié)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(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 申請人:美國西塞特公司