专利名称：基于卫星的告警装置及其应用方法
技术领域：
本发明与下面的一些发明有关，它们已都转让给与本发明相同的受让人基于卫星的蜂窝发消息系统及其运用方法，序列号为＿＿＿＿；在基于卫星的电话系统的保护间隔期间进行基于卫星的发消息系统传送及其操作方法，序列号为＿＿＿＿；基于卫星的TDMA发消息系统及其操作方法，序列号为＿＿＿＿；与基于卫星的多波束发消息系统配合应用的消息单元及其操作方法，序列号为＿＿＿＿；与基于卫星的多信道发消息系统配合应用的、具有信道指配表的消息单元及其操作方法，序列号为＿＿＿＿。
它们与本申请同时申请，并转让于本发明的受让人。
本发明涉及卫星蜂窝通信系统，特别涉及一种用以向用户单元告警有来话呼叫、提供位置信息并令用户单元到控制信道的系统和方法。
蜂窝通信系统在地球上投射出许多网孔。在地面蜂窝系统中，这些网孔向周围辐射或者从一个网孔现场辐射。发往用户单元的呼叫必须通过一个网关(gateway)传送到投射波束的一个网孔现场，而被叫用户单元驻于其中。
地面蜂窝通信系统通过应用网孔内的一个或多个频率来传送(寻呼)一个用户单元的标识号码，以通知用户单元有一个来话呼叫。这些寻呼频率可在非相邻的网孔中再使用。
与卫星蜂窝系统中的用户单元不同，地面蜂窝系统中的用户单元相对于网孔现场以可忽略的速度行进。为此，地面系统中的多普勒频率并不明显扩展。然而，在卫星蜂窝通信系统中，卫星(网孔地点)以20000公里/小时以上的速度按轨道运行，多普勒频率扩展通常在60KHz至80KHz以上。
卫星蜂窝系统实现寻呼频率的多重频率再使用，需要几个宽带的(多普勒补偿)寻呼频率，这消耗了有意义的频谱。
据此，卫星蜂窝通信系统中的用户单元需要控制信道(广播信道)，来提供出关于诸如可应用通信信道之类的呼叫终端的信息。先有技术系统在控制信道之前被检测，需要用户单元扫描多重信道，这消耗掉有意义的资源和时间。
请注意，在存在双工通信和单工寻呼业务的多模式通信系统中，诸如本发明情况的，单工寻呼遵守寻呼规定，而来话呼叫的通知采取振铃告警的规定。
据此，现需要一种单一振铃告警信道来节省频谱。
还需要一种用于用户单元的易于获得和可跟踪的振铃告警信道。
还需要一种用以令用户单元到指配给它们的当前网孔的可应用控制信道的有效方法。
本发明已在所附的权利要求书中具体地指明了。然而，本发明的其它特点将参考下文的描述并结合以下附图就会明了并且会更好地理解本发明。
图1示出支持卫星蜂窝通信系统的环境图，本发明可在其中实践；图2示出由在地球表面上投射通信波束的相邻卫星构成的蜂窝图案图；图3示出按照本发明的、在用户单元与卫星之间的、通信频谱的频率和时间划分图；图4示出按照本发明一个实施例的振铃告警消息图；图5示出通信系统的卫星的方框图；图6示出按照本发明的用户单元的方框图；图7示出按照本发明优选实施例的用于用户单元的来话呼叫通知的方法的流程图。
图1示出支持卫星蜂窝通信系统116的环境图，本发明可在其中实践。由几个卫星1组成的一个星座102位于围绕地球的相当低的轨道上。
系统116包括一个或几个网关(GW)117。网关117都处于地球表面上，通过网关链路119与靠近的卫星1进行通信。卫星1还通过交叉链路108互相通信。为了使通信同步化和使干扰最小化，所有的卫星1通过一种基于地面的卫星控制功能的干预而在时间上共同锁定。为此，星座中的所有卫星1基本上根据一个公共时钟来运行。
网关117通过卫星1的星座102可以控制传送到地球上任何尺寸区域内的通信。然而，由每个网关117控制的区域最好与一个或多个特定的地理正治管辖权相关联。网关117与公共交换电信网(PSTN，未示出)相耦接，从它发往用户单元300的呼叫可被接收，而由用户单元向它发出的呼叫则可以传送出去。
系统116还含有任何数目的用户单元300，可能达几百万。用户单元300可以被配置为常规的移动式或便携式无线电通信设备。用户单元300被配置来接收卫星1的通信，并可执行如下讨论的其它功能。用户单元300通过用户链路112与靠近的卫星1通信。用户链路112由广播信道、业务上行和下行信道和捕获信道(见图3)组成。
呼叫是在两个用户单元300之间或在一个用户单元300与一个PSTN电话号码之间连接的。总的来说，每个用户单元300忙于在呼叫建立期间通过星座102与靠近的网关117的控制通信(例如，广播信道监测、捕获等)。这些控制通信发生在一个用户单元300与另一个单元(它可以是另一个用户单元300或一个PSTN电话号码)之间形成一条通信通路之前。具体地说，一个用户单元300经由一个或多个卫星1与一个网关117通信。对于该特定的用户单元300来说，网关117可被认为是“服务网关”。卫星1由于低的地球轨道而相对于地球恒定地移动。例如，如果卫星1位于地球上方约765km的轨道处，则相对于地球表面上的一点来说，一个头顶的卫星1大约以25000公里/小时的速度绕地运行。这允许卫星1在地球表面上一个视点内的最大持续期约为9分钟。由于卫星1的轨道比较低，在一个时间内任一点处从任一卫星上来的视线电磁波传输只覆盖地球表面一个相当小的区域。例如，当卫星1占据在地球上方约765km处的轨道时，这样的传输覆盖的范围为直径约6350km。
就相对而论，卫星1相对地保持静止，但在极地区域中和相反旋转接合缝处互相集聚和交叠或截割的轨道118除外。由于这种运动，居于公共轨道118上的卫星1之间的距离基本上保持恒定。然而，居于相邻轨道(也称为“交叉平面轨道”)118上的卫星1之间的距离是随卫星1的纬度变化的。这些交叉平面卫星1之间的最大距离发生于赤道上。当交叉平面卫星1趋向极地区域时这个距离减小，而当交叉平面卫星1趋向赤道时这个距离增大。
图2示出由相邻卫星在地球表面上投射的通信波束所形成的一个蜂窝图案。卫星1和卫星3(它可以与卫星1相同)利用频谱再使用技术。这些技术包括投射波束宽度的蜂窝划分。卫星1和3分别产生波束集投影2和4。波束集投影2和4是与卫星1和3上的天线相关联的双向增益区域(网孔)。这些天线可以是各别的定向天线，或是相位阵列天线，可以提供出多波束投影。
网孔10～28可呈现许多种形状，这取决于各天线的增益特性。在图2中，为了示例起见，网孔10～28都表示为六边形。当卫星1和3在方向8上沿轨道运行时，网孔10～28在轨道方向8上前进。网孔10～28利用划分开的不干扰的频率和时隙，用于用户链路112上的用户单元通信。
蜂窝系统中频谱的再使用使用户单元对于一个特定网孔内可容许通信的频率和控制(广播信道和捕获)信道的确定变得复杂化。用户单元控制信息通常来自由用户单元所监视的一个广播控制信道。在先有技术中，用户单元对专用于控制功能的一系列预定信道进行扫描，以便利用功率测量值或位置数据来确定可应用的控制信道。对控制信道的扫描导致捕获控制信息的延时，和专用预定的控制信道集会低效率地消耗资源。
在本发明中，一个专门的通用单一频率也即振铃告警信道48(图3)被用来按序地广播振铃警消息82(图4)，该消息82含有给波束集投影2和4内的接续网孔10～28，告警消息82。含有控制信息，用户单元300监视一个单一频率和接收信息，令它们到其网孔的特定广播(控制)信道上。这就缓解了用户单元为一个可应用的控制信道而扫描许多频率和时隙的需求。
图3示出按照本发明的在用户单元300与卫星1(图1)之间划分通信频谱的频率46和时间44的示意图。在卫星1与用户单元300之间的通信发生在用户链路112(图1)上。
用户链路112是由沿着时间轴44连续示出的一系列用户链路帧40和42组成的。仔细地指配用户链路112的发射(下行)和接收(上行)部分可使来自相邻卫星的干扰最小化。用户链路帧40的接收部分包括上行时间52、下行时间54和振铃告警信道48。
上行时间52含有按时间分段的上行时隙64、66、68和70。为了便于示例起见，图中示出了4个上行时隙；然而，在频率域/时间域多址(FDMA/TDMA)系统中，可以使用任何可管理数目的时隙。对诸用户单元300指配了特定的时隙和特定的频率56、58、60或62，在该时隙内它们向卫星1发送信息。
下行时间54含有按时间分段的下行时隙72、74、76和78。为了便于示例起见，图中示出了4个下行时隙；然而，在FDMA/TDMA系统中，可以使用任何的可管理数目的时隙。对用户单元300指配了特定的时隙，在该时隙内它们接收来自卫星1的信息。
用户链路帧42示出振铃告警信道的一个替代性实施例，其中，振铃告警信道51在卫星传输的一个下行时间期间是定时间表的。振铃告警信道传输与下行传输两者的重叠会是放在用户单元上负担加重的一个同时接收，不过，可使用户单元定时简单化。
如图2所示，在下行时间54期间卫星传输通常辐射到特定的网孔中。然而，从卫星1来的颇大数量的传输会扩散和继续传播给卫星3。这些发射会干扰用户单元在后继帧或时隙中向卫星3的传输。为了缓解这个问题，规定了一个接收关闭时段，其间卫星1的接收信号可置之不理。
尽管卫星接收关闭时段可减小了来自相邻卫星的外部干扰的影响，但它影响系统的通过量。本发明利用这个接收关闭时段作为卫星发射窗，用于在一个非下行时间频率上向用户单元300发射信息。振铃告警信道48利用这些卫星接收关闭时段向利用专门的通用的单一频率信道的接连网孔10～28发射控制信息。这个卫星的接收关闭时段也可用于其它单工传输功能，诸如在该频率不又用于双工信道时可提供的寻呼。
具有已向用户单元提供了广播(控制)信道索引簿的振铃告警信道，允许通信系统动态地指配广播信道，以更有效地利用频谱；为此，无需专用一个频谱块只用以作为广播信道。
图4示出按照本发明实施例的振铃告警消息82的示意图。系统116(图1)需要一个广播(控制)信道，来通知用户单元300有来话呼叫。在优选实施例中，振铃告警消息82含有前置码84、控制信息85和用户单元ID表90。前置码84有助于捕获振铃告警消息82，在优选实施例中，它是一个固定时段的未调制载波频率。
在优选实施例中，控制信息85含有一个独特字(U/W)86和一个首标88。独特字86独特地识别出在用户单元300与卫星1之间的一个通信指令。首标88含有卫星ID、网孔ID、网孔地理位置，下一个振铃告警时间间隔和波束特定广播信道频率及时隙信息。用户单元300可应用网孔地理位置信息而不是接收的功率测量值来计算服务的网孔。
用户单元ID90表明要与位于特定网孔内的用户单元进行通信的一个请求。当一个用户单元检测到一个用户单元ID90与它自己相匹配时，用户单元300便通知卫星1它对接收该呼叫的可获量。
如上所述，卫星1和3(图2)在顺序的用户链路帧40中各别地向网孔10～28发送振铃告警消息82。由于卫星1和3只是向一个特定网孔中的用户单元“振铃”(传送一个用户单元ID)，所以用户单元300仅需监视振铃告警信道48何时卫星1或3将振铃告警消息82发送到包围用户单元300的网孔中。用户单元300借助于跳变到一种低功率“睡眠”(备份)方式并且只在监视一个振铃告警信道48引导到包围用户单元300的特定网孔时才“醒”，来节约功率。
图5示出通信系统的卫星的方框图。最好，系统116(见图1)中的所有卫星1基本上都是用图5的方框图来描述的。卫星1含有交叉链路收发信机172和交叉链路天线174。收发信机172和天线174支持交叉链路到其它靠近的卫星。网关链路收发信机176和网关链路天线178支持网关链路119与网关117(图1)相通信。再有，用户单元收发信机180和用户单元链路天线182支持用户单元300(图1)。最好，每个卫星1可以同时支持链路用于高达1千个或更多的用户单元300(图1)。当然，本领域的技术人员理解，天线174、178和182可以实施为单体的多种方向性的天线或离散天线组。人们希望，用户单元天线182是一种定相位阵列天线，能够同时接入许多网孔10～28(图2)。
控制器184耦合到每个收发信机172、176和180、存储器186和定时器188。控制器184可以利用一个或多个处理器来实施。控制器184利用定时器188来维持当前的日期和时间。存储器186存储数据，该数据用以作为对控制器184的指令，并当控制器184执行时，会使卫星1执行下文将要讨论的程序。此外，存储器186含有由于卫星1的运行而需操作的变量、表和数据库。
用户单元收发信机180最好是多信道FDMA/TDMA收发信机，能够在由控制器184指定的特定、可选择的时隙期间在所有的各不相同的可选频率上进行发射和接收。用户单元收发信机180具有足够数目的信道，以便为了通信可提供出所需数目的发射和接收频率。控制器184可以提供频率和时隙指配的分配，产生振铃告警消息和其内包含的信息。用户单元收发信机180最好在任何频率信道集上提供发射和接收，以便在需要时每个用户单元收发信机180可以利用所有频率信道集的整个频谱容量，和有能力来管理所有频率和时隙指配。
图6示出按照本发明的一种用户单元的方框图。用户单元300含有一个接收机92。接收机92接收来自卫星1的信号。接收机92耦连到接收缓存器99，接收缓存器99暂存接收机92接收的数据，直至这些数据可被处理时为止。接收机92还耦合到时间到达检测器95和频率/功率检测器98，这两个检测器有助于信道分析和选择。
时间到达检测器95识别出一串基带数据在用户单元300处初始地接收到的时间点。检测器95耦连到缓存器99，以使数据被接收到时就被正确地按时钟进入缓存器99。
频率/功率检测器98测量与基带数据相关联的一个频率。因多普勒效应和在精确地调制和解调基带数据过程中的误差而使基带数据与一个残余的中频相关联。检测器98还测量接收的功率电平，以监视相邻网孔中的振铃告警信道。
缓存器99，时间到达检测器95和频率/功率检测器98都耦连到控制器96。控制器96再耦连到频率合成器94，以控制接收频率和发射频率。频率合成器94向接收机92提供一个本机振荡信号。
控制器96还耦连到定时器120、存储器97和发射缓存器124。控制器96利用定时器120维持当前的日期和时间来跟踪实际时间。定时器120还有助于检测精确的时间点，以便退出低功率睡眠状态应用，来监视振铃告警信道48，并从用户单元300发射数据。发射缓存器124暂存由控制器96放入的数据。发射缓存器124耦连到发射机93。频率合成器94提供一个本机振荡信号，发射机93用它于将基带数据调制到射频中。接收机92和发射机93通过信号分离器91耦连到天线101。定时器120耦连到发射缓存器124，用于确定何时对缓存器124来的数据定时钟，以通过发射机93、信号分离器91和天线101发射出去。
存储器97含有数据，用以作为对控制器96的指令，当由控制器96执行时，会使用户单元执行下文将讨论的过程。存储器97还含有由于用户单元300的工作而需操作的变量、表格、偏移和数据库。
在用户单元300中，控制器96还耦连到I/O部分122。用户单元300中，I/O部分122可含有话筒、扬声器、数字化器、声码器和译码器等，以在与系统116(见图1)相兼容的音频与数字化包之间进行转换。
图7示出按照本发明优选实施例的一种用于用户单元的来话呼叫通知方法的流程图。这个方法用于通知用户单元有来话呼叫并令用户单元到对其内含的用户单元当前正提供业务的网孔有关联的广播信道上。
当用户单元起初接通电源时，它进入低功率备份方式。在这种方式下，它捕获和跟踪振铃告警信道48(图3)，直到一个事件发生而开始跳变到另一种操作方式时为止。结束份方式操作的事件包括用户始发呼叫的行动、检测必需的登记、接收在用户单元的振铃告警消息中的用户单元识别符(ID)、和去掉用户单元的供电。
在步骤210，对用户单元加电，起始一个监视振铃告警过程。在步骤212，使用户单元调谐其接收机到一个预定的振铃告警频率上。在步骤214，监视从用户单元位置可以接收到的网孔10～28(图2)内的每个振铃告警信道(如图3示例的接续的用户链路帧40)。这可使用户单元300选出能提供良好通信条件的网孔。请注意，由于天线182的方向性增益特性会使相邻网孔中的某些振铃告警消息用户单元300不可能检测到。系统使振铃告警信道循环通过诸卫星网孔，以使整个地球表面周期性地以无干扰的方式被覆盖。
一个特定波束中在振铃告警访问之间的时段在帧内大约等于由单个卫星形成的网孔数目。然而，当相对的卫星位置改变时，为了免除干扰，该时段会有时地变化，或在高业务量地区中提供更多的振铃告警机会。由于这种可变性而使一个特定网孔中下一次振铃告警访问的准确时间间隔的单元包括在网孔中传送中的每个振铃告警信号的控制首标中。
在步骤216，用户单元300选出最好质量的振铃告警消息，用于跟踪。该信号质量的测量值可以是接收的信号强度，或它接收的每个振铃告警短脉冲的信噪比。信道选择可以根据接收的功率，但是，它对天线侧瓣和信道衰落很敏感。在优选实施例中，用户单元选择最靠近该用户单元作了登录位置的网孔。用户单元300保持顺序的信号监视的记录，以有助于这个选择过程。
在步骤218，提取振铃告警消息82的首标88(图4)所包含的广播信道信息。这个广播信道信息令用户单元300到一个广播(控制)信道。
在步骤220，用户单元300将接收的振铃告警消息82的首标88中所含的网孔地理位置信息与先前报告(登录)的用户单元300的位置相比较。如果当前接收的网孔地理位置信息不充分靠近用户单元300先前登记的位置，则在步骤228退出对振铃告警信道的监视，并且用户单元300开始登记在系统中。登记通知通信系统一个用户单元的当前位置，以便有效地确定呼叫路由。
在步骤220，确定出接收的网孔地理位置信息充分靠近用户单元300先前的登记位置，便在步骤222继续执行。在步骤222，用户单元300将每个用户单元ID90(图4)与其本身存储的ID相比较。如果发现是匹配的，则在步骤228退出监视振铃告警信道过程210。
如果检测到两个ID不匹配，则用户单元300执行“睡眠”步骤224。睡眠步骤224通过使不需要的资源闲置并只让关键部件例如定时器仍然现用，以节省用户单元的功率。
在步骤226，用户单元300确定如在振铃告警消息82的控制信息85(图4)中所接收的，下一个振铃告警时间间隔是否等于定时器的值。如果两个值相等，则在步骤230将用户单元300唤醒。
在步骤231，用户单元300比较一个时间间隔定时器，以确定是否应当继续监视一个特定信道，或是监视所有的振铃告警信道，以使当前正监视的振铃告警信道生效，或注意振铃告警信道与网孔的任何再指配。如果扫描或接收所有信道的时间间隔尚未到达，则用户单元返回步骤216，监视其早期选定的振铃告警信道。
用户单元300周期性地重新进入捕获状态，这时它监视从其位置上能检测或接收的所有振铃告警信道。这允许用户单元选择一个新的网孔来监视。因为卫星1相对于地球上的一个点在移动，故周期性选择新网孔是需要的。这个时段大约为一个波束或网孔通过地球上一点所花的时间。
可以理解，本发明提供了一种用以在通信系统中向被叫方振铃的装置和方法，它比之需要多信道的振铃告警信道来说明显地更有频谱效率和更容易捕获。
本发明还提供一种改进的方法，令用户单元到可应用的控制信道上，无需用户单元扫描一组控制信道。
本领域的技术人员显而易见，现已公开的本发明可以以无数的方式进行修改，并可采取许多实施例，它们可不同于上述的优选形式。
据此，所附的权利要求书意旨覆盖对本发明的所有修改，它们都处在本发明的精神实质和范围之内。
权利要求
1.一种用于通知用户单元有来话呼叫的方法，其特征在于，所述的方法包括(a)针对含有用户单元ID的振铃告警消息的存在，监视一个卫星振铃告警信道；(b)如果检测到所述的用户单元ID，则通过跳变到一个业务信道来启动一个捕获过程，否则，返回到步骤(a)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)进一步包括以下步骤(a1)从所述的振铃告警消息中提取下一个振铃告警时间间隔；(a2)设定一个定时器，计时到所述的下一个振铃告警时间间隔的到达；(a3)在低功率方式下处于“睡眠”；(a4)所述定时器期满到时时唤醒。
3.一种用以令用户单元到卫星蜂窝通信系统中的一条广播信道的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤(a)保存所有的所述用户单元已知的、系统范围内的振铃告警信道；(b)应用所述泛系统振铃告警信道的一个振铃告警消息，传输出所述广播信道的信道位置；(c)在所述的系统范围内的振铃告警信道的所述振铃告警消息中，接收所述广播信道的所述信道位置；(d)监视所述的广播信道。
4.一种用以向卫星通信系统的一个用户单元表明有来话呼叫的方法，其中，所述的用户单元含有一个用户单元ID，其特征在于，所述的方法包括(a)所述的系统分配一个振铃告警信道，用于传输振铃告警消息，所述的振铃告警消息含有所述的用户单元的所述用户单元ID；(b)所述的系统在所述振铃告警信道上发送所述的振铃告警消息；(c)所述的用户单元接收所述的振铃告警消息；(d)所述的用户单元将所述的振铃告警消息中的所述用户单元ID与所述的用单元的所述用户单元ID相比较；(e)所述的用户单元响应所述的来话呼叫的指示。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的系统的一个卫星投射出一个包含多个网孔的波束集投影。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的卫星通过所述的多个网孔并利用所述的振铃告警信道顺序地发射所述振铃告警消息。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括以下步骤(b1)参照所述的用户单元的一个已知位置；(b2)选择所述的多个网孔之一，其中所述的用户单元所驻留在其中；(b3)只在所述的多个网孔之一且所述用户单元驻留其中时发射所述的振铃告警消息。
8.一种振铃告警消息，在卫星蜂窝通信系统中用以令用户单元到一个广播信道上，并用以向所述用户单元表明来话呼叫存在，其特征在于，所述的振铃告警消息包含一个前置码，有助于捕获所述的振铃告警消息；和控制信息，用以传送所述的系统运算数据。
9.一种卫星蜂窝通信系统，用于向用户告警有来话呼叫，其特征在于，所述的系统包括一个卫星星座，在地球上投射出多个波束，所述多个波束具有在其内传送的一个振铃告警信道；一个用户单元，用以监视所述的振铃告警信道，所述的用户单元含有一个用户单元ID；一个网关，含有关于所述用户单元位置的信息，借此，允许所述的网关来通知所述的用户有所述的来话呼叫。
10.一种卫星蜂窝通信系统，利用单个固定信道来传输广播信道的位置，该广播信道已指配给一个用户所在的一个区域，其特征在于，所述的系统包括一个用户单元，监视所述的单个固定信道，所述的用户单元提取所述广播信道的所述位置，并调谐于所述位置，所述广播信道向所述用户单元提供控制信息；一个网关，用以指配和协调遍及所述系统的所述广播信道；一个卫星星座，利用所述的单个固定信道，传输出所述广播信道的所述位置。
全文摘要
一种卫生通信系统(116)向用户提供以全球蜂窝覆盖。为便于向具有用户单元(300)的用户传送呼叫，规定了一个固定信道，其中用户单元被通知有来话呼叫。用户单元(300)监视这个振铃告警信道(48)，并检查用户单元ID(90)，用户ID(90)在振铃告警消息(82)中传送的，当用户单元(300)从用户单元ID中确定呼叫正传给它时，它接入网络来接收呼叫。用户单元(300)还监视该固定信道，以接收一个控制信道索引簿，该索引簿识别出用户单元的广播(控制)信道的位置。
文档编号H04B7/185GK1159875SQ95195466
公开日1997年9月17日 申请日期1995年7月28日 优先权日1994年10月3日
发明者凯瑟·安德鲁·奥尔兹, 格利高里·巴顿·瓦特, 克里斯托弗·奈尔·克比 申请人:摩托罗拉公司