信号波束截面可变的卫星信令系统的制作方法

专利名称：信号波束截面可变的卫星信令系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有很宽信号覆盖区域的卫星信令系统，具体而不排它地说，本发明涉及例如可用于卫星寻呼系统的卫星信令系统。
当代卫星寻呼系统包括一个安装在同步卫星上的固定指向天线。通常，在这种系统中，将天线固定，而天线的信号波束在地球上的着落区或“足迹”能覆盖到被卫星“视及”的区域;即是说，能覆盖约三分之一的地球表面。
在这些先有技术的系统中，由天线发射的信号到达地面的强度在整个覆盖域内是相当均匀的，然而，其强度则很微弱。由此产生的问题是因地面信号太弱以致不能在覆盖区域内进行寻呼，这甚至对最高发射功率的同步卫星亦是如此，例如对于一个辐射功率为400瓦的同步卫星，对采用以每秒510比特的比特率的POCSAG寻呼协议的当代技术水平的选择呼叫寻呼接收机来说，其信号裕度不过是2db，换句话说，在地面上的信号强度比为驱动寻呼设备所需的最小最平只高出两分贝。于是，由于大多数建筑物要衰减射频寻呼信号达20dB，这些系统不能用于位于建筑物内的信号寻呼用户。
用以解决目前系统的这个难题的方法之一是通过将数据速率降低至60波特或以下来减少寻呼接收机的带宽，然而这么一来，从寻呼系统因此只能提供少量用户的观点来看，使这种寻呼系统显得极其昂贵而不切实用。即是说，低速率只能提供小容量的寻呼通讯。
与本发明为同一发明人并转让给同一受让人的未决申请中描述并申明了一种比当前技术先进得多的卫星播叫系统，它使用小“足迹”或小波束宽度的天线而使地面信号的强度大大提高，并对天线波束的指向加以控制，使以一个相应的天线辐射方向图来覆盖不同的地理区以此获得宽覆盖区域。将由此得到的高强度地面信号电平，并与波束在地面的扫描运动，及寻呼接收机的打开和关闭与波束扫描同步的寻呼机电池节省技术相结合，则无论是512波特或1200波特的信令数据速率都可使用，从而为实现很宽区域或环球的卫星为基地的寻呼系统提供了第一个可实用的办法。
然而，该方法本身还有一些局限，首先，即使能达到512波特或1200波特的信号速率，它还不够高到提供最终实现环球寻呼服务的甚大数量的用户。其次，系统只能通过改变扫描波束所指向的一个给定区域的时间长短来处理地区人口居集的不同。最后，它也不能利用这样一个优点发达国家的人口大部份居集在人口高密度的城市里。
于是，本发明的目的是提供一种具有较大信息吞吐量的改进的卫星信令系统。
本发明的另一个目的是提供一种能适应人口密度不同的卫星信令系统。
本发明的又一个目的是提供一种可有选择性地提供一个较高速率信号速率的卫星信令系统。
本发明的再一个目的是为足够数量的用户提供经济的卫星信令系统。
本发明提供一种卫星信令系统，它包括一个卫星和一个与其相连的天线用来提供一个波束截面可变的信号波束。卫星可以对天线的指向进行控制，使信号波束以预定的顺序指向地球上的多个位置。天线可以按信号波束所指向的位置来改变信号波束的截面。信号波束包括一个数据信号，系统根据波束截面来改变数据速率，例如，如果信号波束是指在一个人口稠密的位置，则改变天线波束截面和数据速率以给出一个小的波束截面和一个高数据速率的数据信号。如果信号波束是指在人口稀少的位置，则改变天线波束截面和数据速率以给出一个大的波束截面和一个低数据速率的数据信号。
于是，我们可以理解到，利用发射一个可变波束截面和可变数据速率的信号波束的可移动的天线，波束截面和数据速率可按每个特定的位置于以改变，以使每个位置时在地面上的信号强度足以实现对建筑物内的寻呼覆盖，并且通过改变数据速率以使信号系统的吞吐量最大。
同时也可认识到，因为天线是设计能按预定的顺序移动的，所以信号波束可依次对准指定的地理区域，其结果，使天线对一个甚宽的区域进行扫描，从而实现洲际或环球覆盖。
本发明的卫星信令系统将根据附图中实施例进行描述。


图1是先有技术的卫星寻呼系统的示意图;
图2是本发明的卫星寻呼系统的示意图;
图3是包括本发明的系统的方框图;
图4是详细说明图3系统的工作原理的流程图;
图5A是本发明的一个被发射的下行线路信号批列的示意图;
图5B是组成图5A系列一部分的一批信号的示意图;
图5C是组成示于图5B中的批的一部份的信号帧的示意图;
图6是一个可用于新的卫星信令系统的那类寻呼接收机的方框图;
图7是详细说明图6中的寻呼机的电池节省电路的定时图;
图8A和8B示出了图6的寻呼机的译码器的工作的流程图。
先参阅图1。先有技术的卫星寻呼系统2包括一个安装在地球8的同步轨道卫星上的固定天线。由卫星6控制天线4的工作。
天线4是设计成由其发射的信号波束10(其周界图1中虚线示出)的波束截能覆盖卫星4所能“视及”的地球表面部份。。如上所述，除非信号波束10的数据速率被减至60波特以下，否则因在地球表面的信号强度非常低，而使卫星寻呼系统2不能提供建筑物内的寻呼覆盖。
现在参阅图2。为解决这些问题，根据本发明优先的实施例，卫星寻呼系统2包括一个装在地球26的同步轨道卫星24上的可驾驶或可移动的天线22。可移动天线22的运动和操作则由卫星24控制。
卫星24可以移动天线22，这样，被发射的信号波束27(图2中用虚线21和23表示)可以指向地球上规定的地理位置，从而卫星可以对整个其所能“视及”地球表面部份进行扫描。可移动天线按预定顺序和预定时间内依次扫掠各个地理位置。
移动天线22是这样设置的使发射的信号波束27(图2中虚线所示)有一个可变波束截面28和随波束截面28而变的信号数据速率。当可移动天线22扫描每个地理位置时，卫星选择最佳的波束截面和相应的信号数据速率以最佳化寻呼系统20的吞吐量并向每个位置的地球表面提供足够强度的信号以实现建筑物内的寻呼覆盖。对每个波束位置的下行线路信号的波束截面和比特速率，则根据地面信号强度反比波束截面变化，而为在建筑物内可靠通信所需的地面的信号的强度与数据速率成正比的关系加以选择。于是，对人口稠密的市区，波束截面28可被减至覆盖该城市所需的截面积，而数据速率则可能被增到允许在市内多层建筑物内可靠接收信号要求的最大值上。相反，在人口稀少的农村区域，波束截面28要增大而信号数据速率则减少，以允许能在一很大的区域内实现可靠的寻呼覆盖。
例如，对一个具有400瓦有效辐射功率(ERP)的卫星寻呼系统，一个截面直径为800英里的波束在信号速率为600波特时能给出高于寻呼电平20dB的地面信号强度，此信号强度足以在一个大的人口稀少的农村地区提供一个良好的在建筑物内的寻呼覆盖。因为地面信号强度约与波束截面直径成二次方变化，则将直径从800英里减至200英里缩小四倍时，可使信令数据速率增至9600波特而仍能保持为保证在人口稠密的市区实现良好的建筑物内的寻呼服务所需的同一信号强度裕度。
本发明的卫星寻呼系统20以下列方式工作。参阅图3，来自大量陆基寻呼系统终端的寻呼消息通过公共电话网或某些其它通讯网被送至地面基地终端70，终端70处理入局消息，由此得到的输出寻呼信号连同来自地面站卫星控制器74的控制信号被一起加到上行线路发射机76，发射机76利用众所周知的光学或无线电通讯技术将它们发射到卫星24上。由寻呼数据信号和用以控制卫星工作并进而由卫星控制可移动天线72工作所需的信号组成的上行线路信号由上行线路发射机76通过发射天线80和接收天线72发送到上行线路接收面78。被发送的上行信号则寻呼数据信号和为控制卫星工作而提供给卫星控制系统90和卫星控制器82(该控制器进而控制可移动或可驾驶的天线72的工作)的信号组成。应该明白，上行线路数据能以比用于下行线路传输高得多的数据速率进行发送。
由与卫星寻呼控制器82相联接的天线控制系统94控制可移动天线88的指向，使其按预定顺序和预定时间对地球表面的指定地理位置进行扫描。当可移动天线88的波束指在一个特定的位置时，则下行发射机86将经由寻呼信号产生器84在分配给该位置的时隙内，以如前所述的批的形式发射相应于指定位置的寻呼信号。
工作时，卫星24通过以预定顺序将可移动天线88指向地球上的指定地理位置一段预定时间，对地球26的表面进行扫描。当可移动天线88指在一个特定的位置时，波束截面28和信令数据速率被调整至与此特定位置相应的值上。然后卫星24在分配给该位置的时隙内以批的形式发射相应于指定位置的寻呼信号。
用来操作图3的卫星寻呼控制器82的，控制逻辑示于图4的流程图中。
卫星寻呼系统20被启动(框102)而下个地理位置被选择(框104)。天线22被移动以使信号波束指向下地理位置(框106)。在108框波束截面28被调节到相应于此下个地理位置的值上，在110框时信令数据速率被调节到相应于该下个地理位置的值上。在设定这些值之后，信号波束27被接通(框112)，在114框时寻呼信号被发射。寻呼信号在一个预定时隙内被发射，并且如果时隙已终止，则例行程序分岔以关闭信号波束27(框118)。如果要将卫星寻呼系统中断，则例行程序在框122结束。如果在框120时未检测互中断信号，则例行程序返回至框104以选择下一个地理位置由此再启坳例行程序。
图5示出了由卫星天线22发射的一个信号的示例性的表示。信号40是一个时分多路二进制寻呼信号，它包括一序列的批42-50。批42-50中的每批相应于在由卫星24覆盖的扫描区域内的一个指定的地理位置。例如，批42可相应于纽约，批44相应于波士顿，批46相应于芝加哥，等等。将每批按顺序发射到适当的位置。例如，POCSAG信令协议被用作为各批的信令格式。
图5B示出了每批(例如，42)包括一个前序62及后续的N帧64。
最后，图5C示出了在图5A中的一帧的示例性表示。帧61包括一个同步码63及后续的相应于由该批发射所覆盖的地理位置的唯一地址识别码65。识别码65衙续用来对预定寻呼机寻址信号66。
帧61的格式使得可利用同步码63将在寻呼机中的电池节省操作与可移动天线的扫描序列相同步。如果卫星24向其地理位置发射信号，则一旦在一个特定地理位置内工作的寻呼机已经被同步后，它才被加电以解码寻呼信号。这可使寻呼机电池有长的寿命。
此外，帧61的识别码识别寻呼机的当前工作位置。于是，如果寻呼机是在正常工作区域之外，则识别码65给寻呼机提供一个可以显示在显示器上或可用来启动寻呼机的不同工作模式(例如“漫游”模式)的位置信息。
利用适当批信号的同步码62，在卫星信号发射过程中，在寻呼系统中的寻呼机对它们电池节省装置同步至适宜的批。一旦寻呼机被同步之后，它即解码适当的寻呼信号。
现根据图6、7和8对新的卫星系统中的寻呼接收的工作作一更详细的描述。
图6是适用于卫星寻呼系统中的寻呼接收机的框图。除了一个例外，它就是一个现有技术中熟知的常规的选择呼叫寻呼接收机。此例外就是接收机的信号速率和检测带宽是取决于接收机的位置。这些参数则既可通过给卫星系统中的每个位置制造不同的寻呼机来设定，亦可使这些参数通过储存在码插件中的信息加以改变。关于如何制造一个可变比特速率和解码带宽的寻呼机的细节在转让给本发明的受让人的Davis的题为“Radio Commanication Receiver With Apparatus for Altering the Bit Rate of the Receivcr”的美国专利No.4，816，820中有详细的描述。
图6中的接收机使用了一个基于微处理机的解码器124，它被编好程序来解码如图5A，5B和5C中所示的信令协议。在题为“Universal Paging Device With Poqer Conservafion”的转让给相发明人的受让人的Davis美国专利No.4518961中已作了介绍。无线电接收机通过天线128接收信号。接收机126的输出经低通滤波器130和数据限幅器132送至微处理机解码器124。低通滤波器130与接收机控制逻辑134进行通讯，控制逻辑则受微处理器124的控制。也可以看到，微处理机解码器124也与码轴件地址和选配器136，输出信号装置138及通过用户控制器与用户进行通讯。
具体说，解码器被编程对来自卫星的信号进行搜索，然后使其解码操作与波束运动的定时相同步。为了与信令波形同步，解码器在其解出下行线路信号前一直保持打开。然后，用众所周知的同步技术使解码器操作与被接收的信号同步，这包括与接收信号建立比特同步和帧同步。比特同步过程包括调整低通滤波器的带宽使其匹配于被接收的信号的比特速率。完成此步之后，接收机然后利用既可包含在微处理器解码器124的程序ROM中的或包含在码轴件和选配存储器136中的信息。将其电池节省电路的操作与卫星的下行线路的发送预定定时相同步。结果，只在卫星向寻呼机所在地理区域发射信号期间，接收机电池节省装置才驱动寻呼机。例如，图7A再次示出了前序62和其后续的同步码及其后的识别部份。识别部份和地址号130组成了称之为组1的区域。如图7A所示，依次各组均包含第一和第二地址，而同步码经8个组重复一次。于是，如果将接收机编程得响应于组4的地址，则接收机中的电池节省电路将在下列期间驱动寻呼机。在接收机搜索前序62和同步码63的搜索操作132期间，在组4的地址正在发送的时间间隔134期间和在每个同步码间隔136期间。
图8A和8B是描述接收机工作的流程图。初始化之后，将接收机打开(140框)，在一预定搜索周期内(框144)搜索比特同步(142框)，在预定周期后将接收机关闭(145)。如果在此预定搜索周期终止前比特同步已获得(146框)，则接收机再开始其同步码的搜索(148)。再假设同步码是在预定搜索周期终止前(152框)则位置码将在检测(154框)，且电池节省定时电路被同步(156框)。接收机然后开始搜索一个地址信号(158框)。如果一个地址信号被检测互(160)，则将产生警报信号(162框)。如果地址信号未被检测到(160框)，则接收机继续搜索一个地址信号，直到电池节省定时电路指示现在是电池节省时候(164框)。如果批的末尾还未检测到(166框)，则定时器将置于对下帧等待(168框)。如果已检测出批的末尾，则定时器置于等待下一个批(170框)。无论哪种情形，在一个适当时间(174)之后接收机将被打开(172)。
在初始化之后，接收机被打开，并试图在一个预定搜索周期内建立同步。对比特同步的搜索包括对以用于系统中的各种比特速率的数据进行搜索。如果在此预定搜索周期终止前比特同步已获得，则接收机将开始其对同步码的搜索。又假设，同步码在预定搜索周期终止前被检测到，则位置码将被检测而电池节省定时电路将被同步。接收机然后将开始搜索地址信号。如果检测到一个地址信号，则跟着产生一个警报信号。如果未检测到地址信号，则接收机将继续搜索地址信号直到电池节省装置定时电路指示现在是电池节省时候。如果还未检测到批的末尾，则定时器将被置于等待下一帧。如果批的末尾被检测到了，则定时器将被置于等待下批，无论怎样，接收机将在合适的时间内被打开。
于是，可以理解到，所申明的发明可在很宽广的区域内提供实用的建筑物蛤的寻呼覆盖。
还可认识到，所申明的发明可用来提供真正的全国范围或洲际范围的寻呼覆盖。此外，本发明还可以现有的陆基寻呼系统相配合，当一个寻呼用户离开其通常的地理位置时可获得真正的全国范围的覆盖。
权利要求
1.一种卫星信令系统，其特征在于一个卫星和一个与所述卫星相联结提供一具有可变波束截面的信号波束，其中由所述天线提供的所述信号波束包括一个有可变数据速率的数据信号，所述数据速率取决于所述波束截面。
2.根据权利要求1的卫星信令系统，所述信号波束顺序指向多个地球上的位置，所述天线设计得根据所述位置改变所述波束截面。
3.根据权利要求2的卫星信令系统，其中当所述信号波束指向具有人口稠密的区域时，所述天线改变其波束截面和数据速率以提供一个小波束截面和一个高数据速率。
4.根据权利要求2的卫星信令系统，其中当所述信号波束指向人口稀少的区域时，所述天线改变其波束截面及数据速率以提供一个大波束截面和一个低数据速率。
5.根据权利要求2的卫星信令系统，其中所述数据信号其特征在于多个信号批以预定顺序排列，其中每一批分别相应于一个区域，每一批有一个识别其中一个位置的识别码和一个相应的预定发射时间，上述卫星信令系统的特征在于包括一个发射装置，它用来发射所述数据信号，所述发射装置与所述天线同步，这样，当所述天线指向其中一个位置，所述发射装置在所述预定发射时间内发射相应于一个位置的一个批。
6.根据权利要求5所述的卫星信令系统，其特征在于包括一个位于一个所述区域内的便携式选择信号接收机，所述便携式选择信号接收机其特征在于包括在相应的预定发射时间内选择地驱动的接收装置，它只接收相应于其中一个位置的一个批。
7.根据权利要求5的卫星信令系统，其特征在于包括一个便携式选择信号接收机，用来接收和解码所述数据信令，其中当解调所述位置识别码时，所述便携式选择信号接收机能与相应于所述其中一个位置的一个批。
8.根据权利要求1的卫星信令系统，其中所述的卫星其特征在于一个用于接收通信和控制信息的卫星接收机;与所述天线和所述第一接收机相联接的控制装置，用以根据所述控制信息控制所述天线顺序地指向多个位置并根据所述多个位置改变所述波束截面，及一个与天线耦合的第一发射机，它用来发射所述数据信号，其中所述数据信号其特征在于包括多个按预定顺序和以一个数据速率发射的信号批，每批相应于所述多个位置中的一个位置，每批有一个用来识别所述相应一个位置的识别码，其中所述数据速率取决于所述波束截面;及所述卫星信令系统其特征还在于包括至少一个选择呼叫接收机，该接收机位于多个位置中的一个位置，用来接收所述寻呼信号，其中在所述一个位置中的至少一个选择呼叫接收机只响应相应于所述多个位置中的一个位置的一个批。
9.一种用于卫星向地球上的多个位置发送信令的方法，其特征在于包括步骤a)将一个安装在地球轨道卫星上的天线瞄准地球上的所述多个位置中的一个位置;b)由所述天线提供一个具有一个足迹的信号波束，所述足迹则根据所述一个位置确定;c)由所述天线在一个预定时间的向所述多个位置中的一个位置发射具有一个数据速率的通信信号，所述数据速率根据信号波束足迹确定;d)对所述多个位置中的下一个位置重复(a)至(c)步。
10.根据权利要求9的方法，其特征还在于在步骤c上还包括步骤e)在所述预定时间内驱动一个通信接收机，所述通信接收机接收所述通信信号。
全文摘要
本发明涉及一个诸如卫星寻呼系统的卫星信令系统(20)，它的信号覆盖一个很宽区域，其特征在于卫星上装有一个用来提供一个波束截面可变的信号波束(27)的天线该卫星控制天线的位置使其按预定顺序将波束指向地球上的多个位置，天线被设计成按其波束所指向的位置改变信号波束截面(28)，波束(27)包括一个其速率可根据波束截面(28)改变的数据信号。
文档编号H04B7/24GK1066544SQ9110290
公开日1992年11月25日 申请日期1991年5月6日 优先权日1991年5月6日
发明者戴威·沃尔特李 申请人:莫托罗拉公司