专利名称：多波束tdma卫星移动通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及经由卫星进行通信的方法和设备，特别涉及使用非同步卫星和/或移动终端的语音或数据通信，但并不局限于此。
在使用非同步卫星的通信系统中，在地面终端看来，卫星的数目和取向在一个呼叫期间会变化。因此，终端和任何一个卫星之间的通信链路可能在卫星仰角减小时变弱，且最终该链路可能在卫星移至终端视线之外时变得不能工作。所以，希望以一个所谓的“转换”程序选择另一卫星与该终端进行通信。文件US-A-3,349,398描述了这样一种方法。但是，卫星间的转换可能导致部分信号的丢失，或信号质量的突变，这在语音或数据通信中是不可接受的。
此外，在一个呼叫期间，当终端或卫星移动时，终端和一个特定卫星之间的视距(line of sight)可能被建筑物、树木或其它障碍物阻碍。该效应称为“阻塞”，会导致接收信号的衰落。
当卫星发射的信号被地面或建筑物反射且该反射信号与直达信号一起在终端处接收到时，也可能出现信号衰落。直达信号和反射信号之间的相位差会在终端处导致破坏性干扰，以致接收信号强度减小。这称作“多径”衰落。
文件WO-A-93 09578揭示了一种卫星通信系统，其中卫星监测从一个终端接收的信号的质量并决定哪一个最适于处理到该终端的呼叫。这些卫星中的一个卫星将从终端接收的信号转发给另一卫星或汇接局(gateway)。
Wiedeman和Viterbi的会议论文“用于全球个人通信的Globalstar移动卫星系统”(第三届国际移动卫星会议，1993年6月16-18日，Pasadena，California)揭示了一个通信系统，其中由两个或三个卫星接收返回链路信号；汇接局测量各个不同路径的信号电平并控制使用哪些信号路径。该系统仅设计成与码分多址(CDMA)一起使用。
但是，CDMA在用于移动通信时有许多缺点。移动终端复杂，因为它们对每个卫星路径都需要一个独立的解码器。此外，CDMA在频率复用上效率低，除非用户均匀分布，且不能对各用户随意改变功率电平而不导致对其它用户的干扰。此外，在使用的峰值电平上会发生显著的干扰。
根据本发明的一个观点，提供了一种在地面站和许多使用TDMA来从该地面站对各终端寻址的终端之间进行通信的方法，其中通过经两个或多个卫星发送同一信息而在地面站和各终端之间的链路中提供分集(diversity)。
信息可经两个或多个卫星在同一TDMA时隙中发送，或在不同时隙中发送。
这样可减小阻塞，而无CDMA的固有缺点。
地面站既可解码来自各终端的最佳接收信号，也可组合所有接收信号以减少接收信号中的差错。然后，地面站根据从终端经卫星接收到的信号的质量来选择一个经一个或多个卫星到各终端的正向链路。
这样，就实现了平滑转换并减小了阻塞和衰落。
为了使对用于正向链路的卫星的选择能对终端透明，地面站可计算经由所选卫星的传输延时并相应地调整其传输定时，以便终端在整个呼叫中在同一时隙上接收发送信号。该计算可考虑所选卫星相对地球移动时的延时变化和从一个卫星转换到另一卫星时的延时差，以使转换不损伤通信质量且终端中不需要复杂的电路。
此外，地面站可补偿从终端接收的信号中的多普勒频移并相应地调整发送信号的频率，以使终端在整个呼叫中以一个恒定频率接收信号。多普勒频移可部分地由卫星进行补偿。
根据本发明的另一方面，为了简化经一个卫星与多个用户的同时通信，地球的表面被划分为许多固定区域，具有一个根据一个终端所处的区域分配给该终端、用于信号的传输和接收的频率。区域的位置根据它们在地球上的位置来确定，而不是根据它们相对于卫星的位置来确定。可通过将一个重复时帧内的不同时隙分配给各终端来实现同一区域内在同一频率上的不同终端之间的同时通信。由于使用同一频率的不同终端包含于一个固定区域内，并且因此限制了传播延时，从而避免了相邻时隙间的干扰。
根据本发明的另一方面，提供了一种控制产生许多独立可控的波束来提供通信链路的非同步卫星的方法，其中各波束对准地球表面的一个固定区域，直到由于卫星相对于地球表面的行进(progress)而使该波束不再适合于与该固定区域的通信为止。然后，该波束重新对准一个可能提供令人满意的通信的新的固定区域。
这样可减少波束到波束的转换频率，而不影响卫星到卫星的转换频率。
本发明可延伸到具有实施上述一个或多个地球站或终端功能的装置的地面站。
现在参照附图来描述本发明的特定实施例，其中
图1是一个地球站和一个移动终端间的正向和返回链路的原理图；图2是示出地球站和移动终端间的另一路径的原理视图；图3是地球站的原理图；图4是移动终端的原理图；图5是一个卫星的原理图；图6是根据第一实施例的一个帧内的正向和返回分组格式的简图；图7示出了地球表面上点波束脚印的分布；图8示出了在第一实施例中地球表面上小区的分布；图9示出了当卫星在其轨道上行进时，在第一实施例中如何对准卫星的波束；图10是根据第二实施例的一个帧内的正向和返回分组格式的简图；和图11是不同于图10所示格式的另一格式的简图。
第一实施例现在参照图1至图8来描述本发明的第一实施例。
在图1中，一个移动终端的发射机2发射一个信号3。该移动终端具有一个大致的全向天线，这样，发射的信号3就由该移动终端视线内的第一卫星4a和第二卫星4b接收。信号3从各卫星4a、4b作为独立的信号3a、3b转发。这些信号3a和3b由具有分别接收来自第一和第二卫星4a、4b的信号的第一和第二接收机8a和8b的地球站8接收。在该实施例中，地球站8具有分别对准第一和第二卫星4a、4b的第一和第二定向天线。这样，地球站8在独立的信号3a和3b中两次接收同一信息。于是，地球站8可选择两个信号3a和3b中较好的一个，例如误码率最低的一个，以转换成模拟信号经公用业务电话网(PSTN)9传输。另一方面，如果两个信号都包含误码，可从两个信号中导出数据，以提供一个具有较少误码或无误码的组合信号。然后，对组合的信号进行模拟转换并送往PSTN9。
地球站8还对接收的信号3a和3b进行分析，以确定哪个的质量较好。由于在来自卫星4a、4b其中之一的返回链路的强度和经同样的卫星6a、6b到便携发射机2的正向链路的强度之间存在强度相关性，地球站8选择卫星6a、6b其中之一用于到便携发射机2的正向链路，并产生一个选择信号10。
当从PSTN9接收到一个信号用于向便携终端2传输时，该信号被转给地球站中的发射机12。发射机12根据选择信号10通过开关14选择卫星4a、4b其中之一，如图1大致所示。然后，发射机12向第一卫星4a发送信号15，第一卫星4a将该信号作为信号15a转发给移动终端的接收机16。发射机2和接收机16可连接到移动终端的同一天线上，或连接到独立的天线上。在两种情况下，接收天线是全向的并因此可接收来自卫星4a、4b中任何一个的信号。这样，接收机16通过较强的链路接收信号15。
现在参照图2描述发生阻塞的情况。该图示出了地球站8和移动终端18所处的地球表面的一个截面。第一和第二卫星4a、4b处在地球站8和移动终端18二者的视距内。第二卫星4b相对于移动终端18的仰角εb大于第一卫星4a的仰角，且地球站8与第二卫星4b之间以及第二卫星4b与移动终端之间的路径距离比第一卫星4a与移动终端18以及与地球站8之间的路径距离短。
但是，在这一情况中，移动终端18位置靠近一个例如树这类的高障碍物，它遮拦了移动终端18和第二卫星4b之间的视距1b。这样，当移动终端18发射信号3时，第二卫星4b仅微弱地接收到这个信号3，从而转发的信号6b更可能包含误码。地球站选择第一卫星4a来提供一个较好的正向链路，并仅向第一卫星4a发射响应信号15。这个响应信号作为信号15a转发给移动终端18。由于第一卫星4a和移动终端18之间的视距1a未被遮拦，因此移动终端18可强烈地接收到响应信号。移动终端18不必选择它要从哪个卫星4a、4b接收响应信号15a，因为这在地球站8处确定。因此，卫星4a、4b的选择对移动终端是透明的。
如果在另一方面，如果移动终端18移动，使得障碍物20不再遮拦视距1b，则地球站8可接收来自第二卫星4b的较好信号并因此将选择第二卫星4b用于正向链路。
当不同的频率用于正向和返回链路，且衰落是由于多径干扰时，在正向链路质量和返回链路质量之间可能不存在强的相关性。在这种情况下，移动终端18向地球站8发射有关终端18从地球站8接收的信号的强度的信息。如果地球站8接收到一个来自第一卫星4a的好的返回链路信号，而移动终端18所发射的信息表明在正向链路上出现衰落，则地球站8可选择从中对正向链路接收下一最佳信号的卫星。在各卫星产生几个重叠波束用于与移动终端在不同频率上进行通信的情况下，地球站8代之以选择一个由第一卫星产生的不同波束。
现在将参照图3、图4和图5来说明移动终端18和地球站8的工作。
地球站在这个例子中，在地球站8处从PSTN9接收模拟语音信号用于向移动终端18传输。如图3所示，模拟语音信号被数字化并由编解码器81进行编码，编码后的语音在一个多路复用器/多路分用器82处转换成一系列离散分组(discrete packet)。
分组的传输由根据从各卫星4接收到的信号的质量来选择哪个卫星4用于正向链路的控制器88来控制。控制器88控制一个选择器83将各分组发送给许多缓冲器85a、85b、85c中的一个。各缓冲器85的输出定时由控制器88来控制。从缓冲器85a、85b、85c输出的分组是由相应RF调制器/解调器86a、86b、86c所调制的无线频率，调制的频率由控制器88控制。在控制器88根据信号从中转发给移动终端18的卫星4的选定波束而选择的不同频带中对RF信号进行调制。各转向一个相应卫星4a、4b、4c的定向天线87a、87b、87c将RF信号发射出去。
各定向天线87还在来自相应卫星4的返回链路上接收从移动终端发射的信号，它是由RF调制器/解调器86解调用以形成接收分组的无线频率。接收分组由缓冲器85缓冲并由选择器83进行选择。分组系列在信道中由多路复用器/多路分用器82分离并由编解码器81解码，该编解码器也可通过对经由不同卫星4从同一移动终端18接收的分组进行比较来实施误码校验。结果生成的模拟信号在不同线路上送往PSTN9。
地球站8不必直接连接到PSTN9上。但地球站最好通过一个地面网络连接到PSTN和其它固定和移动网上，如专利公开号GB-A-2293725和WO96/03814所述，此处将二者引作参考。
移动终端如图4所示，各移动终端18包括一个话筒60，语音在其中转换成模拟信号。模拟信号由一个A/D转换器62转换成数字信号，数字信号由编码器64编码形成分组。编码后的分组是由RF调制器66RF调制用以从全向天线68发射出去。
通过天线68接收到的信号是由解调器70RF解调作为接收的分组。然后，接收分组由分组解码器72解码以形成数字语音信号，它由D/A转换器74转换成模拟语音信号。模拟信号输出给扬声器76以产生可听语音。移动终端18的工作由控制单元59控制，例如微处理器和/或DSP设备，它连接到象键盘(未示出)这样的附加常规手机部件上。
卫星参照图5，每个卫星4包括一个天线90和一个射束形成设备92，它可以是一个辐射阵列天线和一个专利公开No.GB-A-2288913(此处引作参考)所描述的大型巴特勒矩阵。射束形成设备92将来自阵列的各单元的信号转换成来自许多波束的信号，反之亦然。天线90接收的来自移动终端18的信号经由控制单元94送至天线96，天线96在与接收该信号的波束相对应的频带中将该信号转发给基站。天线96可转向地球站8。同样，从天线96接收的来自地球站8的信号根据从地球站8发射信号的频带重新对准天线90的一个波束。
为清晰起见，示出了单个的天线90和射束形成设备92。但是，由于不同的载波频率用于正向和返回链路，最好使用独立的接收和发射天线90和射束形成设备92。
信令格式如图6所示，地球站8可通过在一个重复时帧F-其开头标以一个帧头信号-中顺序发送分组R1至Rn来与许多移动终端18同时通信。各帧F划分成与不同信道相对应的许多时隙t1至tn，各信道在呼叫建立时由地球站8分配给一个移动终端18。
例如，如果移动终端18已分配给第一信道，则它将仅解码各帧F中第一时隙t1中的分组R1。多路复用通信的方法称为时分多址联接，或TDMA。
在呼叫建立期间，通过从地球站8向移动终端18发射一个指令信号来将信道分配给各移动终端18。
给各移动终端18分配一个具有帧F中不同于正向信道的一个预定时隙t的返回信道，用于返回分组T1至Tn的传输。例如，可将第三时隙t3分配给第一时隙t1分配给它用于接收分组R1的移动终端18，用于返回分组T1的传输。不同频率ff和fr用于正向和返回信道，以便移动终端18以全双工模式通信。
另一方面，可使用半双工模式，其中返回分组T可在与正向分组R相同的频率上发送，在帧F中正向分组R与返回分组T相间。
各正向和返回分组包括一个包含控制信息的报头段24、语音数据26和象用于纠正语音数据26中的差错的CRC这样的一个校验段28。
为了保证纠错信号为各移动终端18所接收，在每帧F的同一时隙中，地球站8对从缓冲器85到一个特定卫星的传输定时进行延时，以补偿经由另一卫星在传播延时上的变化以及在从一个卫星向另一卫星转换时在延时上的改变。为确定正确的定时，地球站8的控制器88可包括一个存储不同卫星位置的天体位置表的存储单元，以便可随时计算出他们的位置和范围。此外，还确定各移动终端18的位置。这可通过由不同卫星4a、4b对从移动终端18发送的信号3a、3b中的延时进行比较来实现。但是，这种方法要求，若要实现单值(unambiguous)测量，则要从一个以上的卫星接收信号3。由于阻塞，这就不太可能。因此，应使用另外的位置确定方法。
由于各卫星4a、4b在不同角度上产生波束阵列，移动终端18相对于一个卫星的角位置通过对在其中检测到返回信号3的波束进行标记来确定。此外，测量信号3的多普勒频移以确定移动终端18相对于该卫星的运动方向的角度。通过上述某些或所有技术计算出各移动终端18的位置。
地球站8可存储各移动终端18的最新已知位置，这样，仅须在未在其先前区域发现移动终端18时执行位置计算。
另一方面，各移动终端18可包括用以确定移动终端18的位置的全球定位系统(GPS)硬件，该信息可包含在发送给地球站8的信号中。
移动终端的8将返回分组T的传输定时与正向分组R的接收定时同步。由于地球站8控制用以接收正向分组12的定时，因此移动终端18的定时受地球站8控制。为了给定时差错提供一些裕度，用所谓“保护间隔”的短间隔将时隙分开。
此外，地球站8的控制器88测量从各移动终端接收的信号3的多普勒频移并控制RF调制器86的调制频率来补偿多普勒频移，这样移动终端18总在分配的频率上接收信号15a。通过在地球站8处实施的上述补偿技术，减轻了移动终端18上的处理负荷，这样可提高它们的可靠性，其结构可大大地简化，且其制造成本低。
可选择一个以上的卫星用于正向链路，用计算出的定时将来自地球站8的信号15发送给各选定的卫星，以使来自卫星4a、4b的信号15a、15b同时到达移动终端18。
波束分布各卫星4a、4b具有一个阵列天线90，用于与移动终端18进行通信，移动终端18对在地球表面上各具有一个直径在1000km和3000km之间的投影区50的许多重叠点波束进行合成，如图7所示。在图7中，卫星4a在地球表面的最低点(nadir)示于点A，卫星4b在地球表面的最低点示于点B，这些点之间的大圆距离由水平轴代表。垂直轴代表沿与连接两个卫星4a、4b的最低点的大圆相垂直的大圆的距离。移动终端18位于卫星4a的一个点波束的脚印50内并位于卫星4b的一个点波束的脚印51内，以使通信可经由任一卫星进行。
各阵列天线90可投射121个波束，基本上共同覆盖卫星4a、4b的整个视界。
固定区域如图8所示，控制器88将地球表面的范围划分为区域52，各区域52分配以一个副载波传输和接收频率对。因此，各移动终端18的发射和接收频率根据其所处区域52而确定，区域52相对于地球表面是固定的。图中示出了一个例举的点波束脚印覆盖了一群区域52，在本例中它们是六边形。
当建立呼叫时，地球站8的控制器88根据上述技术确定移动终端18的位置，且向移动终端18发射一个控制信号来分配一个特定频率对。这些频率在整个呼叫期间保持不变，除非移动终端18自己移至另一小区52。各小区52具有一个约200～300km的半径，因此移动终端18在一个呼叫期间不太可能在小区52之间频繁移动。应注意，各小区的大小和位置是参照地球表面而确定的，而不是参照卫星波束而确定的。
在另一实施例中，频率对区域的分配可按一个预定的顺序(称作“跳频”)改变。
同一小区52内的所有移动终端18以相同的频率对ff和fr进行发送和接收，来自不同移动终端18的信号使用TDMA来进行分离，如图6所示。由于不同的移动终端18包含在相对小的、固定的小区范围内，并且距任何一个卫星的距离几乎都相同，因此，在不同移动终端和任何一个卫星之间的上行链路传播延时的变化是受限的。这样，就大大减小了相邻时隙的信号间的干扰问题。
转换区域52对点波束的分配在卫星4或地球站8处确定，这样，在点波束范围50之间区域52的转换对于移动终端18是透明的。
图9示出了在时刻T0和在后一时刻T1上卫星4a的波束图中的一排点波束51对区域群52的分配。在时刻T0，重叠的点波束51a至511对准地球表面上的区域群52的中心Ca至Cl。当卫星在其轨道上行进时，分别调整点波束51，使之保持指向其各自的中心C。
在T0之后，卫星4a相对于中心Ca的仰角变低，不便于可靠的通信。地球站8检测出中心Ca相对于卫星4a的位置并通过发送控制信号来控制卫星4a以将波束51a调配给一个新的中心Cn。这时，另一个卫星4b(图9来示出)已用它的一个点波束覆盖了中心Ca周围的区域52，这样，通信业务没有任何中断就实现了卫星到卫星的转换。在时刻T1，除波束51m外，所有点波束51都进行了调配。
这样，天线的覆盖范围作为一个整体逐渐向前移动，且天线的视轴(boresight)或焦点方向保持直接指向卫星的正下方。
卫星4a的点波束51的覆盖范围以一种可比作履带式或坦克履带行进的方式行进，点波束相当于履带的元素。在点波束51被调配给最外层的前部位置时，单独并连续地调整各点波束51，以使之保持定位在一个中心上，直至它到达波束图的最外层的后部位置。但是，卫星4a的天线所投射出的整个波束图随着卫星的行进而在地球表面的一个连续轨道上行进。这种方法提供降低的波束到波束的转换频率，不过它不降低卫星到卫星的转换频率。
更好的是，地球站8持续判定各波束51的正确方向并向卫星4a发送控制信号来控制波束51的方向。但是，判定波束方向的装置另一方面也可合并到卫星或一个独立的地面卫星控制站中。
第二实施例现在将参照图1至图5、图10和图11来描述第二实施例。第二实施例与第一实施例的不同之处在于地球站8、移动站18和卫星4的工作，以及移动终端18在不同的时隙中接收来自不同卫星4的信号。
信令格式如图10所示，移动终端18在一个重复时帧T内的分配的时隙t期间，经由第一和第二卫星4a、4b，或经由一个卫星的第一和第二波束，分别以频率对f1、f1’和f2、f2’与地球站8通信。
在所示例子中，地球站8经由第一卫星4a在时隙t1中发送一个分组Rx1，该分组由移动终端18以频率f1接收。然后，移动终端18经由卫星4a所产生的一个波束以频率f1’在时隙t3中发送一个分组Tx1。地球站8经由第二卫星4b，或经由卫星4a所产生的另外一个波束发送一个包含与分组Rx1同样信息的分组Rx2。卫星4a在时隙t5中以频率f2将分组Rx2转发给移动终端18。然后，移动终端18在时隙t7中以频率f2’发送一个包含与分组Tx1同样信息的分组Tx2。第二卫星4b将分组Tx2转发给地球站8。这样，控制器59就有足够的时间在介入(intervening)时隙期间重调RF调制器66或解调器70。
另一方面，在移动终端中可提供两个RF解调器和两个RF调制器，分别调谐在频率f1和f2和f1’和f2’上。
当移动终端接收到分组Rx1和Rx2时，分组解码器72将二者进行组合，或选择较好的分组，用以转换成语音，如第一实施例所述。类似地，地球站8将两个发送的分组Tx1和Tx2进行组合或选择较好的分组，以提高传输给PSTN9的信号质量。
在这个例子中，各时帧T包括8个时隙t，所以8个移动终端18能使用TDMA以频率f1、f1’、f2和f2’与地球站8通信。但是，为了使用户数目和通信质量最佳，时隙的分配是灵活的，如下所述。
在呼叫建立期间，移动终端18监测卫星4所发送的导频信号以确定哪个卫星在视线内以及是否有任何卫星链路被阻塞。该信息发送给地球站8。如果仅有一个卫星在视线内，则地球站8在对应于那个卫星的频率对上仅分配一个时隙用于发送和一个时隙用于接收。移动终端18在呼叫期间监测导频信号，以便在另一卫星进入视线时移动终端18将该信息传递给地球站，并进而在对应于另一卫星的频率对上分配发送和接收时隙。尽管在上述例子中移动终端18分配了两个时隙用于发送，但是，为了省电和降低电磁辐射(这对于手持移动终端来说尤为重要)，在返回链路良好时，仅可使用一个时隙。
移动终端18的控制器59监测从两个卫星4a和4b接收的信号的质量，且通常仅在时隙期间以对应于从中接收较强信号的卫星的频率发送。但是，如果选定的返回链路仅提供一个微弱的信号(如在多径衰落的情况下)，则地球站8将该信息传递给移动终端18并选择另一条分行链路。
此外，如果在任何时刻要容纳更大量的用户，则给各移动终端18分配仅一个各用于发送和接收的时隙。
如果没有一个卫星提供满意质量的链路，则地球站8选择较低的波特率，且语音数据在各时帧中被划分为两个不同的分组。如图11所示，频率f1、f1’用于仅经由第一卫星4a的通信。在图10所示实施例中的单个分组Rx1或Rx2中编码的语音数据在由地球站8以半常规波特率分别在时隙t3和t5中以频率f1’发送的两个分组Rx1和Rxb之间分配。否则，移动终端18所发送的语音数据在各时帧T中的两个分组Tx1和Txb之间分配并在时隙t2和t6中以半常规波特率发送出去。波特率的降低减少了误码的概率。另一方面，两个卫星波束可用于发送和接收，且分组Rx1、Rxb和Tx1、Txb可在两个波束之间分配。
在第一实施例中也可实现上述选择一个较低的波特率并将发送信号划分成两个或多个分组的技术。
转换在第二实施例中，卫星波束不是被调整，而是随着卫星4在其轨道中的行进，以恒定速率扫过(sweep across)地球表面。如图7所示，波束相互重叠，从而使移动终端18至少能在某些时刻经由一个以上的波束进行通信。此外，来自不同卫星4a、4b的波束可相互重叠，从而使移动终端18能经由一个以上的卫星4a，4b进行通信。发送或接收频率是根据移动终端18所落在的波束来分配的，而不是根据移动终端18在地球表面的位置来分配的。随着各卫星4的波束扫过地球表面，移动终端18将从一个波束转到下一个波束，因而，一个呼叫要到达移动终端18，将需要从波束到波束进行转换。这是通过在地球站8处确定移动终端18落在哪个波束内以及在适当的波束内分配与移动终端18的呼叫而实现的。当移动终端18转换到一个新波束上时，向移动终端18发送一个包含有关时隙t和移动终端在新波束中所使用的发送和接收频率的信息的命令信号，移动终端于是将该命令信号中所表明的新的频率和时隙用于经由那个卫星4的通信。
地球站8可使用许多已知技术的任何一种来确定移动终端要转换到哪个新波束上以及何时进行转换。例如，由于卫星4和移动终端18的位置已知，所以移动终端经过由任何卫星4所投射的波束的通路是完全可预知的，因此，该信息显然可用于确定何时进行转换以及转换到哪个波束上。
另一方面，可监测到经过当前波束从移动终端18接收的信号强度和质量，并在经过当前波束的信号不可接受时实施转换。分集(diversity)可通过同一卫星的两个波束来提供，提供一种波束到波束的软转换。
正向链路发送定时由地球站8控制，且返回链路的发送与正向链路信号的接收同步，与第一实施例相同。但是，在第二实施例中，移动终端18调整返回链路上的发送频率以补偿在接收信号中所检测到的多普勒频移，而地球站8也补偿正向链路上的多普勒频移。
由于使用同一发送频率的移动终端18不再限制在一个固定区域中，所以在第二实施例中移动终端发送频率的时隙间的防护频带比第一实施例的大，以避免返回链路上相邻时隙间的干扰。
虽然以上实施例是参照移动或便携(即手持)终端来进行描述的，但移动式或甚至于固定终端也可用于同一通信系统中。
该系统不局限于任何特定的卫星星座(constellation)，但最适于低于2000km高度的低地球轨道上的卫星和在10,000和20,000km高度之间的中地球轨道上的卫星。
更可取的是，可使用约6个小时周期的准同步轨道，相当于10355km的高度。
在两个实施例中，各时帧中的时隙数可根据可能的用户密度来选择。虽然在优先实施例中移动终端使用不同的频率来进行发送和接收，但是也可使用单一频率，将时隙交替地分配给发送和接收。
以上只是说明性地描述了实施例，本发明不局限于此范围。
权利要求
1.一种在第一地球站(18)和第二地球站(8)之间进行卫星通信的方法，包括在第二地球站(8)处接收从第一地球站(18)在一个或多个时分复用时隙(t)内发送并经由一个或多个卫星(4)产生的许多波束(51)进行中继的信息；所述方法其特征在于以下步骤根据经由所述卫星波束(51)而接收的一个信息参数来选择一个或多个所述卫星波束(51)；和从所述第二地球站(8)向第一地球站(18)发送进一步信息(15)，以使进一步信息经由所述选定的一个或多个卫星波束(51)进行中继。
2.权利要求1所要求的一种方法，还包括计算在第一地球站(18)和第二地球站(8)之间经由所述选定的一个或多个卫星波束(51)的发送链路中的延时变化，并以一个确定的定时从第二地球站(8)向产生选定的卫星波束或各选定的卫星波束(51)的一个或多个卫星(4)发送进一步信息，以补偿所述变化。
3.权利要求2所要求的一种方法，其中进一步的信息从第二地球站(8)经由两个或多个所述选定波束(51)向第一地球站(18)发送，且发送定时是确定的，这样在第一地球站(18)处经由选定波束(51)基本上同时接收到该信息。
4.以上任何权利要求所要求的一种方法，还包括测量对包含第二地球站(8)处接收的信息的信号频率(3a；3b)的预定频率的多普勒频移，和选择包含进一步信息以补偿测量到的多普勒频移的信号频率(15)。
5.以上任何权利要求所要求的一种方法，还包括确定第一地球站(18)的位置；其中以根据第一地球站(18)的导出位置而确定的频率(ff)从第二地球站(8)发送进一步的信息。
6.权利要求5所要求的一种方法，还包括向第一地球站(18)发送一个控制第一地球站(18)的发送和接收频率(fr，ff)的控制信号，该控制信号根据第一地球站(18)的导出位置而产生。
7.权利要求1或2所要求的一种方法，其中第二地球站(8)不止一次地在不同时隙(t3，t7)中经由相应数目的所述卫星波束(51)接收信息。
8.权利要求7所要求的一种方法，其中第二地球站(8)接收由第一地球站(18)在第一卫星波束(51)的第一频道(f1’)中的第一时隙(t3)内发送的信息，且接收由第一地球站(18)在第二卫星波束(51)的第二频道(f2’)中的第二时隙(t7)期间再次发送的信息。
9.权利要求8所要求的一种方法，还包括比较在第一和第二时隙(t3，t7)期间由第一地球站(18)发送的接收信息各自的参数，和根据比较的结果，以一个与第一和第二卫星波束(51)之一相对应的选定频率发送进一步的信息。
10.以上任何权利要求所要求的一种方法，其中如果一个接收信息的参数不能满足预定的标准，则第二地球站(8)以较低的速率发送进一步的信息，且如果接收信息的参数满足所述预定标准，则第二地球站(8)以较高的速率发送进一步的信息。
11.权利要求10所要求的一种方法，其中信息通过以下步骤发送将进一步的信息划分为第一和第二部分(Rxa，Rxb)；在第三时隙(t3)内向第一地球站(18)发送第一部分(Rxa)；并在第四时隙(t7)内向第一地球站(18)发送第二部分(Rxb)。
12.以上任何权利要求所要求的一种方法，其中所述参数涉及由第一地球站(18)从第二地球站(8)预先接收的先期信息的质量。
13.权利要求1至11中的任何一个所要求的一种方法，其中参数涉及第二地球站(8)所接收的所述信息的质量。
14.一种使用TDMA信道进行卫星通信的方法，包括在许多时隙(t)的各个时隙内以各自不同的频率(f1’，f2’)从第一地球站(18)向第二地球站(8)发送同样的信息，以使该信息在一个或多个卫星(4)所产生的各自不同的波束中被接收到。
15.用于使用TDMA信道的卫星通信地球站(18)的设备，包括一个安排用于在一个或多个时隙(t)内接收来自远程地球站(18)的、由一个或多个卫星(6)进行中继的信息的接收机(8a，8b)，该信息经由所述一个或多个卫星(6)产生的许多波束(51)进行中继；根据从中接收到的信息参数来选择一个或多个所述卫星波束(51)的波束选择装置(14)，和一个安排用于向远程地球站(18)发送进一步的信息以使该信息经由所选定的一个或多个卫星波束(51)中继至远程地球站(18)的发射机(12)。
16.权利要求15所要求的设备，还包括计算经由所选的一个或多个卫星波束(51)到远程地球站(18)的传输延时变化的装置(88)，和控制发射机(12)的定时以补偿该变化的控制装置(85，88)。
17.权利要求16所要求的设备，其中波束选择装置(14)安排用于选择两个或多个所述卫星波束(51)，且控制装置控制(85，88)安排用于控制发射机(12)的定时以使在远程地球站(18)处经由各选定波束(51)基本上同时接收到发送的信息。
18.权利要求15至17中的任何一个所要求的设备，还包括对包含信息的接收信号中的多普勒频移进行测量的装置(88)，和调整发射机(12)频率以补偿测量到的多普勒频移的装置(86，88)。
19.权利要求15至18中的任何一个所要求的设备，还包括导出远程地球站(18)位置的装置(88)；和根据所导出的远程地球站(18)位置来选择发射机(12)频率的频率选择装置(86，88)。
20.权利要求19所要求的设备，包括产生根据所导出的位置来控制远程地球站(18)的发送和接收频率的控制信号的装置(88)，发射机(12)安排用于向远程地球站(12)发送控制信号。
21.权利要求15或16中所要求的设备，其中接收机(8a，8b)安排用于不止一次地顺序经由相应数目的所述波束(51)接收信息。
22.权利要求21所要求的设备，其中接收机(8a，8b)安排用于接收由远程地球站(18)在第一卫星波束(51)的第一频道(f1’)中的第一时隙(t3)内发送的信息，以及接收由远程地球站(18)在第二卫星波束(51)的第二频道(f2’)中的第二时隙(t7)期间重发的信息。
23.权利要求21或22所要求的设备，还包括比较由远程地球站(18)在第一和第二时隙(t3，t7)期间发送的信息参数的比较装置(88)；其中发射机(12)安排用于在一个与比较装置(88)所选择的第一和第二波束(51)之一相对应的频道中发送信号(15)。
24.权利要求15至23中的任何一个所要求的设备，其中发射机(12)安排用于在接收信息不能满足预定标准时以较低速率发送，以及在满足预定标准时以较高速率发送。
25.权利要求24所要求的设备，其中发射机(12)安排用于将要发送的信息划分为第一和第二部分(Rxa，Rxb)，在第三时隙(t3)内向远程地球站(18)发送第一部分(Rxa)并在第四时隙(t7)内向远程地球站(18)发送第二部分(Rxb)。
26.权利要求15至25中的任何一个所要求的设备，其中所述参数涉及由远程地球站(18)从卫星通信地球站(8)预先接收的先期信息的质量。
27.权利要求15至25中的任何一个所要求的设备，其中该参数涉及接收信息的质量。
28.用于卫星通信的用户站(18)，包括一个安排用于在许多时隙(t)的各时隙内以各自不同的频率(f1’，f2’)向基站(8)发送同样的信息，使之可经由一个或多个卫星(4)产生的各自不同的波束(51)而接收的发射机(2)。
29.一种在各位于卫星(4)产生的波束(51)的覆盖范围(50)内的一个基站(8)和许多用户站(18)之间进行通信的方法，所述波束(51)承载许多频道，其特征在于将所述频道分配给落在波束(51)内的许多预定区域(52)之一内的一组所述用户站(18)以限制到所述一组所述用户站(18)中的所述卫星(4)的传播延时的变化，和在所述分配的频道中在基站(8)和所述波束(51)内的所述用户站(18)之间进行通信。
30.权利要求29中所要求的一种方法，其中所述组包括一些距所述卫星(4)近似等距的所述用户站(18)。
31.权利要求30所要求的一种方法，还包括确定用户站(18)相对于地球表面的位置以及根据用户站(18)的确定位置分配各所述频道。
32.与位于卫星(4)所产生的波束(51)的覆盖范围(50)内的许多用户站(18)进行通信的设备，所述波束承载许多频道，其特征在于将各所述频道分配给落在波束(51)内的许多预定区域(52)之一中的一组所述用户站(18)以限制到所述一组所述用户站(18)中的所述卫星(4)的传播延时的变化的频道分配装置(88)，和安排用于在所述分配的频道中与所述波束内的所述用户站(18)进行通信的装置(85，86，87)。
33.权利要求32所要求的设备，包括确定所述几组所述用户站(18)以使各组包括一些距所述卫星(4)近似等距的所述地球站(18)的分组装置(88)。
34.权利要求33所要求的设备，包括安排用于确定用户站(18)相对于地球表面的位置的位置确定装置(88)，分组装置(88)安排用于确定相对于地球表面的所述确定区域(52)。
35.一种卫星通信的方法，包括将来自一个非同步卫星(4a)的许多波束(51a-51m)对准相对地球表面固定的相应的许多区域(52)；以及确定一个所述波束(51a-51m)何时不能满足预定标准，并将所述波束(51a-51m)中的所述一个波束从相应的一个固定区域(52)改向对准另一固定区域(52)以使所述一个所述波束(51a-51m)满足所述预定标准；其特征在于在所述许多波束(51a-51m)中的一个所述波束改向的同时，满足所述预定标准的其它一些所述许多波束(51a-51m)的方向保持对准相应的一些固定区域(52)。
36.权利要求35所要求的一种方法，其中所述对准和改向对准步骤包括从一个地面站(8)向所述卫星(4a)发送一个命令信号，以控制所述卫星(4a)的波束(51a-51m)的方向。
37.权利要求35或36所要求的一种方法，其中所述预定标准包括一系列期望的波束方向，在其上卫星(4a)对固定区域(52)的仰角大于预定的最小仰角。
38.用于卫星通信的设备，包括用于为一个非同步卫星(4a)所投射的许多波束(51a-51m)确定对地球表面的相应固定区域(52)的许多波束方向的装置；用于检测一个或多个所述波束(51a-51m)是否不能满足预定标准的装置；和用于为所述一个或多个所述波束(51a-51m)的各波束确定一个对新固定区域(52)的新波束方向，以使波束在新波束方向上满足预定标准；其特征在于用于控制所述非同步卫星(4a)以将波束(51a-51m)对准相应的波束方向，从而使未对其确定新波束方向的其它一些所述波束(51a-51m)的方向保持在相应的固定区域上(52)的控制装置。
39.权利要求38所要求的设备，其中所述控制装置包括向所述卫星(4a)发送控制信号的装置。
40.权利要求38或39所要求的设备，其中所述预定标准包括一系列指向(Ca-Cm)地球表面的期望波束方向，在其上卫星(4a)的仰角大于预定的最小仰角。
41.包括权利要求15至27，32至34和38至40中的任何一个所要求的设备的地面站。
全文摘要
地球站(8)使用TDMA从移动终端(2)经由一个以上的卫星链路(4a，4b)接收返回信号(3)。地球站(8)根据经各个链路接收到的信号(3；15)的质量来选择一个或多个卫星链路(4a)用于发送正向信号(15)。地球站(8)根据它们在地球表面上的位置将频道分配给移动终端(2)，以使去往和来自那些共享同一频道的移动终端(2)的传播时间近似相等。卫星(4a；4b)包括一个产生一系列波束的天线，这些波束各指向地球的固定区域，直到卫星(4a；4b)相对于一个固定区域的仰角降至低于一个最小值，在这种情况下，相应波束改向对准一个新的区域，同时其它波束保持对准相应的固定区域。这样，在保持天线的准线指向最低点的同时，减少了波束到波束的转换。
文档编号H04B7/185GK1156525SQ9519474
公开日1997年8月6日 申请日期1995年5月16日 优先权日1994年7月22日
发明者尼古拉斯·哈特, 冈纳尔·布约恩斯特罗姆 申请人:国际移动卫星组织