卫星分集方法

专利名称：卫星分集方法
一般来说，本发明涉及移动通信。更具体地讲，本发明涉及一种卫星移动通信方法和系统，其中移动单元可以与多个卫星选择性地交换信号。
参照

图1，表示出一个典型蜂窝移动无线通信系统。该典型的系统包括类似于基站110的若干个基站和类似于移动站120的若干个移动单元或移动站。利用这些设备或其等效物可以进行话音和/或数据通信。基站包括被连接到MSC(移动交换中心)140上的控制和处理单元130，而MSC又被连接到公用电话交换网(未示出)上。
基站110为网孔服务，包括被话音信道收发信机150进行处理的多个话音信道，而话音信道收发信机150是由控制和处理单元130进行控制的。另外，每个基站包括一个控制信道收发信机160，该收发信机一般能够在多于一个的控制信道上交换控制信号。控制信道收发信机160由控制和处理单元130进行控制。控制信道收发信机160通过基站或网孔的控制信道向锁定到该控制信道的移动站广播控制信息。话音信道收发信机广播话务或话音信道，这些信道可以包括数字控制信道位置信息。
当移动站120首次进入一个空闲模式时，它周期性地扫描类似基站110的各个基站的控制信道，以便发现向其传送的寻呼脉冲串的存在。该寻呼脉冲串通知移动站120哪个网孔锁定或占用。移动站120利用其话音和控制信道收发信机170接收在控制信道上广播的绝对和相对信息。然后处理单元180估算接收的控制信道信息，该信息包括各侯选网孔的特性，并确定该移动站将锁定到哪个网孔。所接收的控制信道信息不仅包括关于与其相关的网孔的绝对信息，而且还包括涉及与控制信道相关的网孔邻近的其它网孔的相对信息。在监视主要控制信道的同时，这些邻近网孔被周期性地扫描，以便确定是否存在更适合的侯选网孔。在P.Dent和B.Ekelund于1992年10月27日提交的名称为“Multi-Mode Signal Processing”的申请号为No.07/967027的美国专利申请中涉及了移动站和基站装置的详细说明，该申请被援引在这里，以资参考。可以看到，在以卫星为基础的移动无线通信系统中，基站可以被一个或多个卫星来代替。
为了增加无线通信系统的容量，可以利用诸如频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)之类的数字通信和多址技术。这些多址技术的每一个的目的都是以按最终不同的信道可以不互相干扰地被分离的方式将来自不同源的信号组合到一个公共的传输媒介。在FDMA系统中，各个用户共享频域中的频谱。分配给每个用户一部分用于进行通话的频带。在TDMA系统中，各个用户共享时域中的频谱。每个无线信道或载频被分到一系列时隙，每个用户被分配一个时隙，在该时隙期间该用户可连接到分配给该系统的整个频带(宽带TDMA)或仅该频带的一部分(窄带TDMA)。每个时隙含有来自数据源，例如话音通话的数字编码部分的信息“串”。各个时隙被分组为连续的具有预定长度的TDMA帧。在每个TDMA帧中的时隙数目是与可以同时共享该无线信道的不同用户的数目有关的。如果在TDMA帧中的每个时隙中分配给了不同的用户，则TDMA帧的持续期是分配给同一用户的连续时隙之间的时间最小量。CDMA组合了FDMA和TDMA。在CDMA系统中，每个用户被分配一个唯一地接入频率时间域的唯一伪随机用户码。CDMA技术的例子包括扩频和跳频。
在CDMA系统中，分配给相同用户的连续时隙，通常不是在无线载波上的连续时隙，这些时隙构成该用户的数字话务信道，该信道被认为是分配给该用户的逻辑信道。作为一个例子，利用GSM标准的CDMA信道的组织表示在图2。CDMA信道包括话务信道TCH和信令信道SC。TCH信道包括用于传输话音和/或数据信号的全速率和半速率信道。信令信道SC在移动单元和卫星(或基站)之间传送信令信息。信令信道SC包括三种类型的控制信道广播控制信道(BCCHs)、在多个用户之间共享的公共控制信道(CCCHs)、和分配给单个用户的专用控制信道(DCCHs)。BCCH通常包括频率校正信道(FCH)和同步信道(SCH)，这两者都是下行链路信道。公共控制信道(CCCHs)包括下行链路寻呼(PCH)和接入允许(AGCH)信道，以及上行链路随机接入信道(RACH)。专用控制信道(DCCH)包括快速连接控制信道(FACCH)、慢速连接控制信道(SACCH)、和标准专用控制信道(SDCCH)。慢速连接控制信道被分配给一个话务(话音或数据)信道或一个可独立应用的专用控制信道(SDCCH)。SACCH信道提供功率和帧的调整和提供控制信息到移动单元。
广播控制信道的频率校正信道FCH传送使移动单元精确调谐到基站的信息。广播控制信道的同步信道SCH提供帧同步数据到移动单元。
随机接入信道RACH被移动站用来请求接入系统。RACH逻辑信道是一个单方向上行信道(从移动站到基站或卫星)，由单独的各个移动单元共享(在通常系统中每个网孔一个RACH足够，即使在繁忙使用期间)。各移动单元连续监视RACH信道的状态，以确定该信道是忙还是空闲。如果RACH信道是空闲，则希望接入的一个移动单元在RACH上连同所期望的电话号码一起发送其自己的识别号码到基站或卫星。MSC从基站或卫星接收这个信息和分配一个空闲的话音信道给该移动站，和通过基站或卫星发送该信道识别信息给该移动站，使得该移动站可以调谐其自己的频率到该新的信道上。RACH上行链路的所有时隙被用于在争用基础上或者在保留基础上移动站的接入请求。保留基础上的接入被描述在于1993年10月25日提交的名称为“Method of Effecting Random Access in a Mobile Radio System”的美国专利申请No.08/140467中，该申请援引于此以资参考。RACH操作的一个重要的特点是要求接收某些下行链路的信息，从而各移动站接收对于它们在上行链路发送的每个脉冲串的实时反馈。作为层2的ARQ，或在RACH上的自动重发请求这是公知的。下行链路信息最好包括可被认为是作为专用于在下行链路传送到上行链路的层2信息细节的另一下行链路子信道的22比特。可以被称为共享信道反馈的这个信息流增强了RACH的通过能力，使得移动站可以迅速地确定是否任何接入企图的任何脉冲串已被成功地接收。如图2所示，这个下行链路信息在信道AGCH上被进行发送。
在TDMA系统中的信号传输是按缓冲器和脉冲串方式、即不连续传输方式进行的每个移动站仅在其被分配的频率上的TDMA帧中被分配时隙期间发送或接收。例如在全速率情况下，移动站可能在时隙1期间发送，在时隙2期间接收，时隙3期间空闲，时隙4期间发送，时隙5期间接收，和时隙6期间空闲，然后重复连续TDMA帧期间的周期。电池供电的移动单元在它既不发送也不接收的各时隙期间可能被关断(或“睡眠”)以节电。
为了增加移动性和携带性，无线通信的用户倾向于更喜欢具有比较小、全向(因此是低功率的)天线的移动单元，而不喜欢具有较大或有方向天线的移动单元。由于这种偏爱，提供足够的信号强度以便在具有比较小、全向天线的一般移动单元与移动交换中心(MSC)或卫星之间交换通信信号有时是困难的。这个问题在以卫星为基础的移动无线通信中特别严重。
以卫星为基础的移动无线通信系统利用一个或多个部分覆盖卫星波束对地球的一些特别的地区提供无线通信服务。每个卫星波束具有高达约1000KM的半径。由于卫星的功率限制，在每个波束同时提供高链路功率容限是不实际的。
由于移动通信卫星链路严重地受到功率限制，通信一般受到具有Ricean衰落的视距信道的限制。Ricean衰落是由于一个强视距路径和一个地面反射波的组合再加上弱的建筑物反射波产生的。这些信道要求大约8db或低些的通信链路容限，以实现在理想或近理想条件下的话音通信，诸如当移动无线电话单元的天线正确地打开和该单元处于一个无障碍的位置时。在这些近理想条件下，移动单元可以成功地监视寻呼信道以检测来话呼叫。在非理想条件下，诸如当移动单元的天线未被打开或由于包括地面反射和建筑物反射的各障碍物(例如，建筑物、树等)的反射波变得很严重，该移动单元处于“阴影”下。在这些非理想条件下的信道的特点是具有严重衰减的平面瑞利(Rayleigh)衰落(衰落的最严重的类型)。在这种信道中，要求30db或者更多的链路容限以实现话音通信，移动单元监视寻呼信道以检测来话呼叫可能是有困难的。术语“链路容限”或“信号容限”是指提供在理想条件下所要求的功率之上的足够服务所需附加功率，也就是说，不具有除加性白噪声(AWGN)外的损伤的信道。“损伤”包括信号幅度的衰落、多谱勒频移、相位变化、信号荫蔽或障碍、装置损耗、和在天线幅射图中的异常。
允许移动单元与多于一个卫星交换通信信号，以避免不利的荫蔽将是所期望的。但是，在这样一种卫星分集方法中，实现具有不同位置和相对速度的不同卫星的精确的补偿是困难的。如果一个卫星具有非同步轨道，该卫星与一个移动单元之间的通信链路的信号频率经受多谱勒效应，该效应将引起信号频率随着卫星的移动而变化。这种信号频率的变化可以引起一个信道的信号偏移到另外一个信道。此外，由于每个移动单元与卫星之间的距离，会引起传播延迟的明显变化。这种传播延迟可以引起信号在不正确的时隙到达卫星。为了克服该多谱勒频移和传播延迟，必须基于卫星位置和移动单元与卫星之间的相对速度确定预期的多谱勒频移。将该预期的多谱勒频移和传播延迟用来补偿发送信号，以保证所发送的信号以正确的频率在适当的TDMA时隙到达卫星。
一种解决办法是对位置比较接近的各个移动单元的限制卫星分集方法。在这种情况下，每个卫星将经受来自每个移动单元的相同的多谱勒效应和相同的传播延迟，使得来自每个移动单元的信号将按适当的信号频率和适当的时隙到达。
已经建议了一种系统，其中在FDMA系统的被分配各相邻频率的各移动单元，或在TDMA载波上交替地被分配相邻的各时隙的各移动单元是物理地相邻的。该建议的系统可能通过影射一维时间或频率轴到由卫星服务的地球的两维平面来实现。或者，将两维时间-频率平面影射到两维的话务服务区。
对于移动通信系统使得诸如移动单元之类的一个发送机/接收机与诸如各个卫星之类的多个控制站交换通信信号以避免荫蔽效应，将是人们所希望的，这种系统不限制发送机/接收机的位置和也不需要复杂的影射程序。
常规通信系统和方法的上述和其它限制由本发明予以克服了，本发明提供一种分集方法，其中，例如在以卫星为基础的通信系统中的一个移动单元选择性地与多个卫星进行通信。具体地，该卫星利用一个TDMA通信链路的有效时隙与第一卫星进行通信，同时在该TDMA链路的空闲时隙期间扫描第二卫星的控制信道。如果第二卫星的控制信道被检测到，则该移动单元存储来自该控制信道的同步信息，并在有效时隙期间与第一卫星进行通信时的各空闲时隙期间连续监视该控制信道。由于荫蔽或其它干扰的结果，如果与第一卫星的通信链路的信号质量低于第一阈值电平，而与第二卫星的通信链路的信号质量高于第二阈值电平，则该移动单元与第二卫星建立通信链路并存储来自第一卫星的同步信息。该移动单元可以监视来自第一卫星的控制信道，或可以扫描来自其它各卫星的各控制信道的出现。
如果该移动单元与每个卫星之间的通信链路的信号质量是足够的，或当该移动单元在各个卫星之间进行转换时，该移动单元利用在另外TDMA帧中的有效时隙可以同时与每个卫星进行通信。
当结合附图阅读了下面的最佳实施例的详细描述后，本发明的上述目的、特点和优点将更容易理解，其中图1是示例性移动无线通信系统的方框图；图2是在典型的GSM数字无线通信系统中各个信道组织的图；图3是可以实现本发明的分集方法的以卫星为基础的移动无线通信系统的图；图4是按照本发明的一个实施例描述通信信号的发送流程图。
虽然下面的描述是针对在具有诸如移动单元之类的的发送机/接收机、和诸如基站或卫星之类的控制站的无线通信系统中实现的分集方法，但是显而易见本发明的原理还可以被应用到其它类型的通信系统。
在以卫星为基础的无线通信系统中，在一个移动站和一个标准电话或通过一个卫星、多个卫星、或一个或多个卫星与PSTN(公共电话交换网)的组合的第二移动站之间建立传送话音或数据的通信链路。如图3所示，这样一种系统可能希望实现宽地域的覆盖，在该系统中可以通过少量基站或者没有基站，而增加些基站是不实际的，例如在郊区。由于卫星的固有功率限制，卫星与移动站之间的话音通信链路于理想或近理想的条件，即，诸如与移动站的视距通信的天线被适当展开的条件。在非理想条件下，诸如当该移动站被荫蔽(例如，建筑物内等)或当移动站的天线未适当展开，由于在信道中增加衰减，对于通信的功率或信号容限明显增加了。在这种情况下(在图3中如MUz所示)，瑞利衰落影响满意的通信，因此希望允许该移动单元通过第二卫星进行通信。本发明提供了这样一种卫星分集方法。
仅为了说明的目的，而不限制本发明的范围，可以假设以卫星为基础的GSM无线通信系统提供以下条件。通信信道没有视线分量和经受具有严重衰减的瑞利衰落。正如对于本专业技术人员将容易理解的那样，瑞利(或多径)衰落是当由于在服务区中从各物理结构发生反射而多径波形成驻波对时产生的一种现象。彼此相加的驻波对形成一种不规则的波动衰落结构。当移动单元静止时，它接收一个恒定信号。但是，当移动单元正在移动或被荫蔽时，该衰落结构引起随着该移动单元移动愈快而增加的衰落。该非理想瑞利信道的平均信号电平大约比近理想的视距信道的信号电平低10-30dB。
参照图4，表示出描述本发明的分集方法的流程图。在步骤100中，一个移动单元已经建立了与第一卫星的通信链路，和该移动单元通过该第一通信链路与该卫星交换通信信号。该移动单元可以是任何的便携无线通信发送机/接收机，通信链路最好是TDMA链路，其中每个TDMA帧例如包括8个时隙。在步骤100中，该移动单元利用有效时隙n发送通信信号和在TDMA帧的有效时隙m接收通信信号。在通信链路的空闲时间期间(每个TDMA的各空闲时隙)，该移动单元扫描来自其他卫星的控制信道。无论与第一卫星的通信链路的质量如何，该移动单元都执行步骤100的扫描操作。
在步骤102中，在第一通信链路的空闲时隙期间，该移动单元确定是否存在来自第二卫星的新的控制信道，该移动单元继续通过在步骤100建立的第一通信链路的有效时隙与第一卫星交换通信信号。如果没有检测到新的控制信道，则处理重复步骤100。如果检测到新的控制信道，则处理前进到步骤104。在步骤104中，在第一通信链路的空闲期间，该移动单元从在步骤102检测的控制信道确定与第二卫星建立通信需要的同步参数。该移动单元继续通过在步骤100建立的第一通信链路的有效时隙与第一卫星交换通信信号。
在步骤106中，该移动单元在一个存储器中存储在步骤104确定的同步参数，在通过第一通信链路的有效时隙与第一卫星交换通信信号的同时，在第一通信链路的空闲时间期间继续监视第二卫星的新的控制信道。
一旦在步骤104，该移动单元已经确定与第二卫星建立通信链路需要的同步参数，该移动单元就有能力与第二卫星交换通信信号。但是，只要第一通信链路的信号质量超过第一阈值电平，该移动单元就继续在第一通信链路的有效时隙上与第一卫星交换通信信号。
在步骤108中，该移动单元确定是否第一通信链路的信号质量已经降低到第一阈值电平以下(例如，由于荫蔽)和利用第二卫星的第二通信链路的信号质量将在第二阈值以上。如果这两个条件都满足，在步骤110该移动单元建立第二通信链路，否则处理返回到步骤106，该移动单元继续监视新的控制信道。一旦第二通信链路被建立，该移动单元在第二通信链路的有效时隙上交换通信信号，停止通过第一通信链路交换通信信号。
在步骤110后，在第二通信链路的空闲时隙期间，该移动单元可以在一个存储器中存储第一通信链路的同步参数和监视来自第一卫星的控制信道或可以扫描其他各卫星的控制信道。如果该移动单元扫描第三卫星的控制信道，则处理返回到步骤102，当如上所述检测到时，第三卫星的同步参数被存储在该移动单元的存储器中。如果该移动单元存储了来自第一通信链路的同步参数，则处理返回到步骤106，该移动单元在第二通信链路的空闲时间监视第一卫星的控制信道。也就是说，第一卫星变为“新的”卫星。如果第二通信链路的信号质量下降到一个阈值电平以下，而利用第一卫星或第三卫星的通信链路的信号质量超过该阈值电平，则该移动单元建立利用第一或第三卫星的新的通信链路。
在另一种方法中，该移动单元可以基本上同时与两个卫星交换通信信号，或者在两个通信链路的转变期间，或者在利用两个卫星的各通信链路都提供足够的信号质量的情况下。为了实现这种替换方法，在诸如偶数TDMA帧的一组TDMA帧的有效时隙期间该移动单元与第一卫星通信，和在诸如奇数TDMA帧另外一组TDMA帧期间与第二卫星通信。显而易见，通过允许该移动单元发送信号到两个不同的卫星，在地面或基站可以综合分别的发送，增加有效信号的容限。利用这种替换方法可以实现大约3dB的容限增益。
显而易见，本发明的分集方法可以在表示在图1的一般特征的具有诸如移动无线通信装置之类的发送机/接收机和诸如卫星之类的控制站的无线通信系统中实现。
虽然上面的描述已经包括许多特征，但是所披露的示例性实施例仅仅为了说明的目的，并非对本发明的限制。对于本专业的技术人员来说，在不脱离按后附的权利要求书及其合法等效物进行限定的本发明的精神和范围的情况下，作出许多修改将是显而易见的。
权利要求
1.一种通过TDMA通信链路交换信号的方法，该TDMA通信链路包括具有有效时隙和空闲时隙的一些TDMA帧，该方法包括以下步骤利用第一组有效时隙在发送机/接收机与第一控制站之间以第一信号强度交换通信信号；在该发送机/接收机与第一控制站之间交换通信信号的同时，在各个空闲时隙期间，该发送机/接收机检测来自第二控制站的第二控制信道的存在；在该发送机/接收机与第一控制站之间交换通信信号的同时，该发送机/接收机确定用于从第二控制信道与第二控制站通信所需的同步参数；在该发送机/接收机与第一控制站之间交换通信信号的同时，在发送机/接收机中存储该同步参数；在该发送机/接收机与第一控制站之间交换通信信号的同时，该发送机/接收机监视第二控制信道；和如果第一信号强度降到第一阈值电平之下而第二信号强度超过第二阈值电平，就利用第二组有效时隙在该发送机/接收机与第二控制信道之间以第二信号强度交换通信信号。
2.根据权利要求1的方法，还包括以下步骤在该发送机/接收机与第二控制站之间交换通信信号的同时，存储用于与第一控制站通信所需的同步参数；在该发送机/接收机与第二控制站之间交换通信信号的同时，监视来自第一控制站的第一控制信道；和如果第一信号强度高于第一阈值而第二信号强度降到第二阈值之下，就利用第一组有效时隙在发送机/接收机与第一控制信道之间以第一信号强度交换通信信号。
3.根据权利要求1的方法，还包括以下步骤在发送机/接收机与第二控制站之间交换通信信号的同时，该发送机/接收机在各个空闲时隙期间检测来自第三控制站的第三控制信号的存在；在发送机/接收机与第二控制站之间交换通信信号的同时，该发送机/接收机确定与来自第三信道的第三控制站通信所需的同步参数；在发送机/接收机与第二控制站之间交换通信信号的同时，在该发送机/接收机中存储该同步参数；在发送机/接收机与第二控制站之间交换通信信号的同时，该发送机/接收机监视第三控制信道；和如果第二信号强度下降到低于第二阈值电平和第三信号强度超过第三阈值电平，就利用第三组有效时隙在该发送机/接收机与第二控制站之间以第三信号强度交换通信信号。
4.根据权利要求2的方法，还包括以下步骤如果第一信号强度高于第一阈值和第二信号强度高于第二阈值，就在第一组TDMA帧期间在该发送机/接收机和第一控制站之间交换通信信号和在第二组TDMA帧期间在该发送机/接收机和第二控制站之间交换通信信号。
5.根据权利要求4的方法，还包括以下步骤组合该发送机/接收机与第一控制站之间交换的通信信号和该发送机/接收机与第二控制站之间交换的通信信号。
6.根据权利要求5的方法，其中组合步骤是在基站执行的。
7.根据权利要求1的方法，其中发送机/接收机是移动无线通信单元。
8.根据权利要求1的方法，其中第一和第二控制站是无线通信卫星。
9.根据权利要求1的方法，其中第三控制站是无线通信卫星。
10.根据权利要求1的方法，其中第一和第二控制站是基站。
11.根据权利要求4的方法，其中第一组TDMA帧包括偶数帧，而第二组TDMA帧包括奇数帧。
12.一种用于通过TDMA通信链路交换通信信号的发送机/接收机，包括利用第一组有效时隙以第一强度与第一控制站交换通信信号的发送机/接收机装置；在与第一控制站交换通信信号的同时在空闲时隙期间检测自第二控制站的第二控制信道的存在的检测器；在与第一控制站交换通信信号的同时确定与来自第二控制信道的第二控制站通信所需的同步参数的装置；在与第一控制站交换通信信号的同时存储该同步参数的装置；在与第一控制站交换通信信号的同时监视第二控制信道的装置；和如果第一信号强度下降到低于第一阈值电平和第二信号强度高于第二阈值电平，就利用第二组有效时隙在第二信号强度上与第二控制信道交换通信信号的装置。
13.根据权利要求12的发送机/接收机，还包括在该发送机/接收机装置与第二控制站交换通信信号的同时存储与第一控制站通信所需的同步参数的装置；和在该发送机/接收机装置与第二控制站交换通信信号的同时监视第一控制站的第一控制信道的装置；如果第一信号强度高于第一阈值和第二信号强度下降到低于第二阈值，该发送机/接收机装置就利用第一组有效时隙以第一信号强度与第一控制信道交换通信信号。
14.根据权利要求12的发送机/接收机，还包括在该发送机/接收机装置与第二控制站交换通信信号的同时在各个空闲时隙期间检测第三控制站的第三控制信道的存在的装置；在该发送机/接收机装置与第二控制站交换通信信号的同时确定与第三控制信道的第三控制站通信所需的同步参数的装置；在该发送机/接收机装置与第二控制站交换通信信号的同时存储该同步参数的装置；在该发送机/接收机装置与第二控制站交换通信信号的同时监视第三控制信道的装置；如果第二信号强度下降到低于第二阈值电平和第三信号强度超过第三阈值电平，该发送机/接收机装置就利用第三组有效时隙在第三信号强度下与第二控制站交换通信信号。
15.根据权利要求13的发送机/接收机，如果第一信号强度高于第一阈值和第二信号强度高于第二阈值，该发送机/接收机装置就在第一组TDMA帧期间与第一控制站交换通信信号和在第二组TDMA帧期间与第二控制站期间交换通信信号。
16.根据权利要求12的发送机/接收机，其中该发送机/接收机是移动无线通信单元。
17.根据权利要求12的发送机/接收机，其中第一和第二控制站是无线通信卫星。
18.根据权利要求14的发送机/接收机，其中第三控制站是无线通信卫星。
19.根据权利要求12的发送机/接收机，其中第一和第二控制站是基站。
20.根据权利要求15的发送机/接收机，其中第一组TDMA帧包括偶数帧，而第二组TDMA帧包括奇数帧。
全文摘要
一种用于允许诸如移动电信系统中的移动单元之类的发送机/接收机与诸如基站或卫星之类的多于一个的控制站交换通信信号的分集方法。按照该分集方法的一个示例性实施例,该移动单元在有效时隙期间与第一卫星通信的同时在空闲时隙期间扫描第二卫星的控制信道。一旦该移动单元从第二卫星检测到一个控制信道,如果由于荫蔽或其它严重衰落引起与第一卫星建立的通信链路的信号质量下降到低于一个阈值电平,则该移动单元就存储同步信息和建立与第二卫星的通信链路。该分集方法还允许该移动单元利用交替的TDMA帧同时与两个卫星通信。
文档编号H04B7/185GK1209233SQ96199916
公开日1999年2月24日 申请日期1996年12月3日 优先权日1995年12月18日
发明者S·陈纳克舒, A·A·哈桑, B·莫尔纳, K·莫尔纳, R·拉梅斯 申请人:艾利森公司