专利名称：综合蜂窝状通信网系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信系统，特别是关于具有结合卫星节点和地面节点的蜂窝移动通信系统。
蜂窝网通信已在美国快速发展，其发展速度较其他某些国家更快。它已成为具有多种用途的一种重要通信业务，因为发展速度快，现有通信业务的饱和引起人们的关注。高密度的区域具有很高的使用普及率，诸如洛杉基、纽约和芝加哥，是最为需要及时解决的。这一得到关注的问题要求人们想办法解决电磁波频谱的拥挤，频谱拥挤的状况随着社会通信需要的扩大而变得日益严重。这种拥挤不仅是由于各蜂窝网通信系统造成的，同时也是由于其他各通信系统所造成的。然而，仅就蜂窝网通信企业内部而言，预计在今后十年中世界范围内的移动通信用户的数量将增加一个数量级。无线电通信频谱是有限，又鉴于其使用方面的这种日益增加的需求，这意味着更有效地利用无线电频谱仍然是要继续研究探索的问题。
关于蜂窝通信系统，已有许多文章描述过，如博德森，丹尼斯，麦克卢尔，G.F.和麦克那尼所著的“地面移动通信工程”，IEE出版社，纽约，1984；李，威廉C.Y.所著的“移动蜂窝通信系统”，1989；杰克，威廉C.所著的“微波移动通信”，IEE出版社，新泽西，1974。
现有蜂窝无线通信系统当初的目的是，为发达大城市内的自动电话用户提供移动电话业务。对于边远地区的用户、空事用户和海事用户，已有AIRFONE和INMARSAT通信业务，但覆盖范围不够完整，通信业务费用相当昂贵。正在规划阶段的移动无线电通信卫星系统大概会为在边远地区内的移动用户提供改善了的直接广播语音信道，但与现有的地面蜂窝网通信业务相比费用仍然是十分高的。地面蜂窝网通信系统和业已规划的卫星移动无线通信技术，在地理覆盖方面是互补的，在这种覆盖区内，为相当发达的城市和郊区地面蜂窝通信系统提供语音电话业务，但不为人口稀少的地区提供通信业务；而规划的地球轨道卫星将为人口稀少地区提供通信业务。虽然这两种通信技术利用射频(RF)频谱的相同频段，但是通过设计，它们可以基本上分隔开来，并不冲突，正如它们现在共存的那样。目前，如果用户需要两种移动通信覆盖方式，就必须对两种相当昂贵的用户装置投资，每个系统要一种。
移动电话业务的需求正在稳定地增长，业务量也不断增加，为数量不断增加的从一个区域到另一个区域的移动用户服务的问题已成为首要问题。蜂窝网移动通信系统把各服务区分为若干地理上的网孔，每个网孔通常由一个位于其中心的基站或节点来为之服务。该节点发送足够大的功率，以便能以足够的场强覆盖它的网孔。如果某个移动用户进入一个新的网孔，无线电链路便被切换到新节点，只要该网孔具有可用空闲信道即可。然而，如果移动用户进入一个所有信道都已占用的区域，或是进入尚无由任何蜂窝网通信业务服务的地方，或在某种情况下，进入由不同的领照者/供应者提供服务的区域，那么该用户的电话呼叫会突然中断。
当今的地面移动通信系统通常采用调频(FM)方式，因为FM调制方式的抑制干扰能力有限，每无线电信道在跨越许多网孔的一个广阔的区域范围内只能使用一次。这意味着每个网孔只能利用所分配的整个无线电频带的一个很小的部分，结果导致不能充分有效地利用无线电频谱。在某些情况下，因为称做衰落和“死点”的FM调制的伤害现象，使通话质量低。衰落的主观影响是，如果移动单元处于行驶运动中时，话音信号常常重复地淹没在背影噪声之中，其频度达每秒许多次。这种问题由于来自远地的网孔内的共信道用户的干扰和由于FM调制抑制干扰的能力有限而导致的串话而加剧。此外，通信的保密性相当差；调频(FM)信号可能被接收该同一频率的其他人所听到。
在用一个频段的若干频率而不用其他频段更为可取的地方和在只用一个频段用于移动通信的情况下，采用高效率的通信系统是必要的，以确保能够容纳希望利用该频段的许多用户。例如，在选取L频段作为技术上的优选频段用于各种移动通信系统中卫星与移动链路方面，有着当今广泛一致的意见。对于选定这种单个频段来容纳全部移动通信用户地方，在防干扰的区域内的频谱利用和能够实现功能、而不对其他各种业务增加不允许的干扰方面的各种改进，将是在考虑充分利用宝贵频谱时最富重要性的一个问题。
扩频通信技术是在军事应用中已经得到广泛应用的一项技术，军事应用中必须满足有关安全性、最小的信号检测可能性和对外部干扰的最不敏感性等各项要求。在扩频系统中数据信息调制过的载频信号，进一步被相关的宽带、伪随机“扩频”信号调制，因此，传送带宽比要传送的信息的带宽宽得多或比信息速率高得多。通常这种扩频信号要由一种伪随机判决数字逻辑算法生成，该逻辑算法在接收机一端复制再生。
通过相同的扩谱波形调制所收到的信号，将接收到的信号重新回复成原来信息带宽，以重新产生所希望的信号。因为接收机只响应用相同的独特码扩频的信号，一种独特的可寻址信道是可能的。同样，功率密度低和不具有独特扩频码，该信号的检出非常困难，解码很少，所以保密性得到增强，对各种其他业务信号的干扰得以减小。扩频信号对于多径衰减，来自该系统其他用户的干扰和来自其他系统的干扰，具有很强的免除能力。
在卫星通信信号中，下行线功率是一个要仔细考虑的重要问题。卫星功率受到严重限制，因此，卫星能够容纳的用户数量和这种系统的经济可行性，与卫星所必须发送给每个用户多大功率成反比。许多建议的移动通信卫星系统已取决于提供附加有效功率增益的用户天线的方向性。这已导致相当高的用户设备费用和必须建立某种指向卫星的尖锐或强选择性天线的不便。此外，由于所必须的相当大的指向性天线，手持收发信机是不现实的。
在某种地面蜂窝业务中，为了克服衰落静区用户收发信机通常辐射功率电平应比所要求的平均电平高30dB至40dB。这使得系统之间的干扰大幅度增大，并使蓄电池寿命减低。还有一种有希望的方法是提供一种功率控制来补偿衰落和干扰，而不超过为克服上述干扰所必须的最小功率。
此外，一种用户位置确定能力，对于蜂窝网通信系统的某些应用将是有用的，如追迹商用汽车行路线的过程。一种进一步的用途可能是为用户提供一种他们自己的位置的指示。这样一种能力将会随着精确度的增加而更为有用。
因此，建立一种结合卫星节点与地面节点的蜂窝网通信系统，以供覆盖更大地面区域，而无需使用具有附加费用和硬件要求的两种不同的系统，将是有希望的。此外，采用能够更有效地利用现有频率资源且能够增加通信保密性的扩频技术，提供一种蜂窝网通信系统，也将会是有希望的。此外，还有希望能够允许采用功率相对地减小、小型化、并具有小型无方向性天线的移动用户手持机，这种手持机能够与地面基站和卫星基站两者互相通信。
本发明的目的是提供一种既有地面节点又有空间节点，且两者完全结合的蜂窝网通信系统，地面节点难以覆盖的区域由空间节点来覆盖。
本发明提供了一种蜂窝通信系统，包括至少一个具有一个多波束天线的空间节点，其位于要建立第一组网孔的地方，每个空间节点包括用于发送和接收不同的预先确定的数组码分多址编码的装置，用于扩频数字调制的波形的装置，以及用于使前向纠错编码与位于一个预先确定的各空间节点共用的频段中的波形相结合的装置；所述天线具有一个反射器，其带有一个安装在反射器焦点区内的多单元馈源部件；至少一个地面节点，其位于要建立的第二组网孔的地方，每个地面节点包括用于发送和接收预先确定的数组码分多址编码的装置，用于在所述预先确定的频段上扩频波形的装置；一个卫星节点控制中心，用于在每个空间节点分配通信；一个区域节点控制中心，用于在每个地面节点分配通信；以及在所述网孔内的多个用户单元，每个用户单元包括用于与每个卫星节点和每个地面节点通信的装置，以及用于在操作上响应于数组码分多址编码波形中的预先确定的一组、从而与所述节点中的至少一个建立选择性通信的装置。
本发明还提供了一种蜂窝网通信系统，包括至少一个具有一个多波束天线的空间节点，其位于要建立第一组网孔的地方，每个空间节点包括用于发送和接收不同的预先确定的数组码分多址编码的装置，用于扩频数字调制的波形的装置，以及使前向纠错编码与位于一个预先确定的各节点共用的频段中的波形相结合的装置；至少一个地面节点，其位于要建立的第二组网孔的地方，每个地面节点包括用于发送和接收预先确定的数组码分多址编码的装置，用于在所述预先确定的频段上扩频波形的装置；在所述网孔内的多个用户单元，每个单元包括用于与每个卫星节点和每个地面节点通信的装置，以及用于在操作上响应于数组码分多址编码波形中的预先确定的一组、从而与所述节点中的至少一个建立选择性通信的装置；以及一个系统网络控制中心，它在操作上连接于每个空间节点和每个地面节点，以便在所述空间节点和地面节点之间有选择地分配与所述各用户单元的通信。
诸空间节点包括若干建立网孔的卫星，在多数情况下，网孔重叠若干个地面网孔。采用了一种扩频通信方法，它包括码分复用多址(CDMA)和前向纠错编码(FECC)等技术，以便增加在允许的频谱范围内能够容纳的用户数量。扩频系统使采用很低速率、高冗余度编码、而不损失在分配的频带内容纳最大可能的用户数量的能力成为可能。低速率编码反过来又可以提供最大的编码增益，在接收机端所要求的信号强度为最小，因而，在给定的频带内能够为最大数量的用户服务。
在各卫星上，采用具有相当高的增益的多射束天线，在一种具体装置中，采用了具有相当大的反射器的天线，在反射器中具有位于其聚焦面的多单元馈源器。通过一种高增益天线与用FECC获得的额外增益的结合，系统中具有足够的增益，使得用户单元仅包括具有小型无方向性天线的一种小巧的移动手机。
一种自适应发射功率控制系统补偿收到的信号强度的各种变化，诸如那些由建筑物、植被和其他障碍物所造成的信号强度变化。路径衰耗的估算由所接收到的信号强度和包含在指示发信机输出功率的每一发送信号中的数据信息导出。根据所导出的路径衰耗和发信机的输出功率数据，收信机则能据此调整其本身相应的发信机功率输出。
在一个具体实施例中，采用一种系统网络控制中心来协调系统范围的运行，一方面保持对用户位置的跟踪，一方面实现各种系统资源对第一呼叫的最优分配，传送各种设备的命令码，并监视和管理整个系统的正常状况。在这一具体实施例中整个系统是具有分级控制特点的，包括系统网路控制中心、在一个区域内协调详细分配地面网络资源的区域节点控制中心，以及一个或多个卫星节点控制中心，负责在该卫星网络资源中分配资源。在另一实施例中，系统中没有系统网络控制中心，各节点控制中心自动地运行。
在一个实施例中，一个或多个卫星节点控制中心为包括一群的M个卫星网孔服务。在该实施例中，往返于各群体网孔的M个复合信号频分复用在公共的传送链路上，并在为群服务的一个或多个卫星网路节点控制中心，借助于频分分离分隔开来。在这一实施例中，在群内的M个网孔是一个设计变量，在系统中网孔的数量可以在一个和全部范围内选取。这可以根据可用的传送链路复用带宽和当地电话不同区内呼叫率对每个具体的群区进行优化。
在本发明的另一方面，装有一个网内总线系统，其中，可以将在一个网孔内用户到卫星的上行线通过总线立即下行地传送给同一卫星的每个网孔。
在本发明的定位系统中，通过监测一个用户对轮询的响应信号或由定位设备传送的其他信号，可以提供该用户的位置判定。到达几个节点的时间差提供了用于制定某个特定用户位置的基本数据。
图1是根据本发明的原理表示通信系统主要装置单元的方框图；图2是分配给蜂窝网通信系统频带的分频段图；图3是根据没有网路控制中心的本发明的原理的通信系统总体方框图；图4是表示曲型系统中地面和卫星节点的蜂窝网分级结构的相互关系的图。提出一种包含多于一个卫星网孔的群；图5是表示用户单元和卫星节点控制中心的卫星链路系统的方框图；图6是在图5的系统中卫星信号处理的一种实施例的方框图；图7是表示自适应功率控制系统的用户收发信机的功能方框图；和图8a至图8h表示一种自适应双向功率控制系统的定时图。
正如在示例性图中所表示的那样，本发明具体体现了一种采用卫星和地面节点相结合的蜂窝网通信系统。两种节点采用同样的调制、编码和扩频结构，并且两者都响应于相同的用户单元。
参照图1，介绍了一种通信系统10的总体概貌，表示了主要装置的互相之间的功能关系。系统网络控制中心12指向整个系统卫星和地面区域资源呼叫的顶层分配。同时它还用来协调系统范围内的运行，保持对用户位置的跟踪，实现系统资源对每一呼叫的最优分配，传送各种设备命令码，以及监视和管理整个系统的正常工作。各区域节点控制中心14(只表示出了其中的一个)与系统网络控制中心12相连接，并指导主要大城市地区内各地面节点的各呼叫的分配。该区域节点控制中心14提供对固定地面通信线路，例如称做公众电话交换网(PSIN)的商业电话系统的出入路径。在各个区域节点控制中心14的方向上的地面节点16经由固定地面线路网接收各电话呼叫，对它们进行编码，根据分配给每一指定用户的独特扩频码对它们进行扩频，将它们组成一个复合信号，将该复合信号调制到发射载频上，并将它们向所覆盖的蜂窝区广播。
卫星节点控制中心18也经由状态和控制地面线路与系统网络控制中心12相连接，对用于卫星电路的指定电话呼叫进行与来自PSIN呼叫相同的处理。对各呼叫进行编码，根据分配给指定用户的独特扩频码将它们扩频，把它们与其它相同方向的呼叫复用到一个上行线路。复用的信号传到指定的卫星20。卫星节点20收到上行线路复用信号，对要到不同卫星网孔的各呼叫进行频分去复用，进行频率变换后将每一呼叫传送到与其相应的网孔发送机和网孔波束，并将所有那些相同方向呼叫的复合信号向要传送的卫星蜂窝状区进行广播。这里所用“传送线路backhaul”一词含义是指卫星20和卫星节点控制中心18之间的链路。在一个实施例中，它利用K波段频率，而在卫星20和用户单元22之间利用L波段或S波段频率。
用户单元22响应卫星始发信号，或地面节点始发信号，接收传来的复合信号，通过利用分配给用户的独特扩频码分割出来要传送到那个用户的信号，进行解调，最后解码出有用信息，并将该电话呼叫传送给用户。上述用户单22可以是移动的，也可以是固定在某个位置上。网关24在卫星和地面公众电话交换系统，或专用中继用户之间提供直接中继线，即一组信道。例如一个网关可以包括专用的卫星终端，供一个大公司或其他单位使用，在图1的实施例中，网关24与系统网络控制中心12连接。
所有上面讨论过的中心、节点、单元和网关为全双工发信/收信，如刚刚描述的那样，执行相应的入向(用户到系统)链路功能，以及相反方式出向(系统到用户)链路功能。
现参照图2，表示出一个所分配的频段26的通信系统。所分配的频段26又分为两个主要分频段，一个出向分频段25和一个入向分频段27。此外这两个主分频段又进一步分成若干个子频段，子频段的规定如下。
OG地面出向频段28(地面节点到用户)OS卫星出向频段30(卫星节点到用户)OC出向呼叫和命令32(节点到用户)IG地面入向频段34(用户到地面节点)IS卫星入向频段36(用户到卫星节点)IC入向呼叫和跟踪频段38(用户到节点)在所有网孔中所有用户使用整个规定的子频段完成所述的功能。不同于现用的地面和卫星移动通信系统，没必要按网孔进行频分，各呼叫可以使用这些有相同原则的六个子频段。这样安排的结果是，如下面要更详细讨论的那样，频率再利用系数更高。
在一个实施例中，一个移动用户单元响应一次轮询或自动时，不定时地发送一种IC子频段的脉冲串标志信号。当单元22处于备用状态时，这种情况可以发生。这一标志信号只要该单元在各个区域内，便由该区域的节点控制中心14所跟踪，否则该信号将由卫星节点或各节点跟踪。在另一个实施例中，这种标志信号由所有能收到它的地面和卫星节点跟踪，这一信息经由状态和命令线路或其它方式进一步传送到网络控制中心12。按照这种方式，实用的区域节点控制中心14和系统网络控制中心12保持经常不断地获知蜂窝位置和每个正在占用的用户22的链路选择。送到或来自移动用户22的区域内的一个呼叫一般说来只由各自区域节点控制中心14进行处理。按照所呼叫对方的位置，各链路选择的质量、资源有效性和最优利用资源的原则，由系统网络控制中心12给区内呼叫分配卫星或地面区域性系统资源。
处于备用状态的用户22不断地监视公用的出向呼叫频率子频段OC32，借助他的独特扩频码寻找对它寻址的呼叫信号。这种呼叫可以从地面或卫星节点上始发。识别它的独特呼叫码后启动用户单22的振铃功能。当用户摘机，例如把电话手柄从支架上拿起来，反回信号从用户单元22向任何在用户呼叫子频段IC38的接收节点广播。这就开始了呼叫节点和用户单元之间的联络序列，这种联络序列指明该用户单元是不是转发到卫星OS30和IS36，或是发到地面子频段OG28和IG34。
想要打电话的移动用户直接使他的单元22摘机，拨被叫方的号码，证实号码，并发送电话呼叫。因此，在IC子频段38中起动来话呼叫信号序列。这种呼叫被几个地面和卫星节点收到，这些节点向前转发呼叫和信号质量报告到合适的系统网络控制中心12，控制中心12反过来指定该呼叫处理到一个特定的卫星节点20/卫星节点控制中心18，或区域性节点控制中心14，或者到两者。这时呼叫处理装置在OC32和IC38子频段起动与呼叫单元的联络功能，最后引导过渡到合适的卫星或地面子频段进行通信。
现参照图3，一种不提供系统网路控制中心的通信系统40的方框图。在这种系统中，卫星节点控制中心42直接连接到地面线路网络，如同也是区域性节点控制中心44。网关系统46如在图1的系统中一样也是有用的，并将卫星通信与合适的地面线路或其他通信系统相连。用户单元22通过发送预先确定的编码表明卫星节点20的通信或地面节点50的通信。
现参照图4，表示一种分级蜂窝状结构。图中表示出一对地面网孔54的群52。此外，还示出许多个卫星网孔56，虽然数字54和56每个仅指向两个网孔，这样做是为了保持图中清楚。数字54意欲表示图中的所有地面网孔，同样，数字56意欲表示所有的卫星网孔。网孔在形状上表示为六边形，然而这仅是典型示范。地面网孔可以穿越3至15公里，根据网孔内的用户密度，其它大小范围的网孔也是可行的。卫星网孔作为例子可跨越200～500公里范围，取决于复盖一个给定区域所使用的波束数目。如图所示，某些卫星网孔可以不包括任何地面网孔。这种网孔可以用来覆盖一些不发达地区，对于这种区域，地面节点是不实际的。图中还表示出部分卫星群58。这种群的网孔充分利用一个共同的卫星节点控制中心。
本发明的突出优点在于，因采用扩频多址相邻网孔不需要使用不同的频段。各地面用户链路都使用相同的两个子频段(OG28，IG24)，各卫星用户链路使用两个相同的子频段(OS30，IS36)。这就消除了不这样做的复杂性和应在各网孔相互间距离小于某一最小距离内确保各频率不得再利用的(FM调制方法)限制性的频率协调问题。然而却提供一种网孔范围的分级设置，以容纳用户密度具有很大差别的各种区域。
再参照图1和图4，卫星节点20采用大的多馈源天线62，天线62在一种实例中为每个卫星网孔56提供分开的波束和相应的分开的发信机。例如，多馈源天线62可以用一般的100个卫星波束/网孔来覆盖美国那样的区域，并在一种实施例中用200个波束/网孔覆盖。组合的卫星/地面节点系统提供一种地理上分级的蜂窝状结构。因而在人口稠密的大城市地区，每个卫星网孔56可以进一步包含100个或更多的地面网孔54，哪个地面网孔都可以正常地传送大量始发于那里的话务量。地面节点16的用户数量预期会超过卫星节点20的用户数量，这里地面网孔存在于卫星网孔之中。因为不然所有那些地面节点用户就要受到想要用卫星链路的象背景噪声一样的干扰，所以在一个实施例中可以将频段分配为隔开的若干小段，用于地面装置和空间装置，这已经在结合图2描述过。这种组合的混合服务能够提供一种对用户透明的方式。各电话呼叫将以最有效的方式由系统网络控制中心12在所有可用的地面和卫星资源中进行分配。
在蜂窝无线电通信系统中大多数考虑的一个重要参数是“群”(cluster)，并定义为最小设置的网孔，倘若同频道网孔在不同的群内，则使各网孔之间再利用一个给定的子频段的相互干扰是允许的，相反所有在一个群内的网孔必须采用不同的子频段。在这样一个群内的网孔数目称作群区容量(cluster size)。可以看出，频率再利用系数，即在系统内一个子频段可再利用的次数，等于系统中网孔数除以群区容量。每个网孔能够采用的信道数目，从而系统的总有效带宽，都与群区容量成反比例。根据所描述的内容，与其他地面或卫星蜂窝网系统相比较，本发明系统达到最小可能的群区容量，对于其他地面或卫星蜂窝网的概念，典型的群区容量为7到13个，所以本发明具有最大可能的频率再利用系数。这就是本发明的一个主要优点。
现参照图5，方框图所表示的是，一种典型的用户单元22与卫星20，与卫星节点控制中心18通信，并且控制过程包括用户单元22和卫星节点控制中心18。例如当进行一次电话呼叫时，电话手机64摘机，并由用户输号码。在证实所拨号码显示之后，用户推动“发送”按键，这样便启动了呼叫请求信号。这一信号通过包括采用一种呼叫扩频码对信号扩频的发信机处理电路66进行处理。信号由无方向性天线68发射出去，并由卫星20通过其窄波束天线62接收。卫星处理所收到的信号，这将在下面介绍。同时通过它的下行天线70发送下行信号给卫星节点控制中心18。关于接收方面，用户单元22的天线68接收该信号，收信机的处理器72处理该信号。用户单元22的处理过程将在下面参照图7进行详细介绍。
卫星节点控制中心18用其天线71来接收该信号，将信号加到一个环行器73、放大器74、频率去复用装置76，放大该信号并分离出包含从图5所示用户来的信号的复合信号，分解器78将信号分解为一组相关码之一，它们每个包括混频器80用来去除扩频和标志码。经AGC放大器82，FEC解码器84，去复用器86和语音编码器/译码器(CODEC)88，最后将数字语音信息变换为模拟语音信号。语音信号随后送到合适的地面线路，如商用电话系统。通过卫星的节点控制中心18的发送实际上是上述接收运行的反过程。
现参照图6，图5中的卫星转发器90用方框图的形式表示出来。环行器/双工器92接收上行线路信号并将信号加到适合的L波段或S波段放大器94。来自一个群内全部M个卫星网孔的信号由频分复用器96复用成一个复合K波段中继线路信号，占用频带宽度为各个L/S波段移动链路频道的M倍。该复合信号随即由分割器98分割为N个部分，经放大器100分别放大，并经过第二环行器102发送到N个分离的卫星地面网孔。这种一般结构配置支持一系列的具体配置，各种配置可能最好地适应一种或另一种取决于系统优化的状况，举例来说，系统优化可能包括有关区域的地面线路长距离比率结构，频率分配和用户地区人口等方面的考虑。因此，对于低密度的农村地区，人们可以利用一种M-to-1(M＞1，N＝1)的群结构，这种结构是由一个共用卫星地面节点服务的、具有M受可用带宽限制的M个相连的网孔。为了在已有的大城市地区之间提供高质量长途电话业务，或是最好覆盖有移动地面蜂窝网技术的本地电话呼叫，一种M-to-M结构将提供一条大城市地区之间的总线，该总线进而将上述M个卫星网孔的所有使用者连在一起，宛如在同一个本地呼叫区。为了说明，包括图6左侧M个用户网孔的群的相同网孔(例如西雅图Seattle、洛彬基Los angeles、俄马哈Omaha等)每个均由图6右侧相应的中继线路波束来服务。
现参照图7，表示一种典型的用户单元22的功能方框图。该用户单元22包括一个带有小型无方向性天线68的体积小、重量轻、造价低的移动收发信手机。天线68借助于采用环行器/双工器104或其他装置提供发信和收信两种功能。它是真正的便携机，不管是处在静止还是处于运动中，都允许从一个具有电话呼叫号吗的电话机接入范围宽广的各种通信服务。预期这种用户单元将使用1-3GHz频率的频率进行发送和接收，但也可以在其他频段上运行。
图7所示的用户单元22包括发信机部分106和收集机部分108。语音通信的发送，话筒把语音信号耦合到编码器110，编码器采有各种所属技术领域的技术人员所公知的现代语音编码技术之一实现模拟到数字编码的变换。数字语音信号与本地状态数据和/或其它数据，传真或图文数据等相结合，在数字复用器112形成一个复合比特流。结果生成的数字比特流接着通过前向差错编码器114，符号或比特插入器116，符号或比特、相位和/或幅度调制器118、窄带IF(中频)放大器120，宽带乘法器或扩频器122，宽带IF放大器124，宽带混频器126，以及功率放大器128。振荡器或等效的频率结合器驱动比特或波特频率发生器130，伪随机噪声或“无用(chip)”频率发生器132，以及载波振荡器134。PRN发生器136包括产生伪随机比特流的判决逻辑，而伪随机比特流能够在远端收信机中复制生成。铃流发生器138在得到命令后产生在功能上与铃流等效的一种短伪随机序列。
收发信机接收机功能部分108解调工作相应于发信机部分106中发送调制功能的反过程。该信号由无方向性天线68接收，并送到环行器104。放大器142放大所收到的信号在混频器144中变换为中频(IF)。IF信号由146放大，148相乘或去扩频，并再次由150中频放大。该中频IF信号随后送到一个判决每信道比特或符号的极性或值的比特或符号检测器152，一个比特或符号去插入器154，随后送到一个前向差错解码器156。从FEC解码器156来的复合比特流接着在去复用器158中被分割为它的数个语音、数据和命令等组成的部分。之后语音解码器160完成数字到模拟的变换，最后该语音信号送到用扬声器或其他装置的用户。本机振荡器162提供第一混频器144的本机振荡信号(LO)和比特或符号检出器152的定时。PRN振荡器164和PRN发生器166提供用于去扩频目的的扩频信号判断逻辑。波特或比特时钟振荡器168在比特指出器152，前向差错解码器156和语音解码器中，驱动比特。
比特或符号插入器116和去插入器154提供一种编码时间分集接收方式，这种接收方式提供有效的功率增益，补偿移动用户常遇到的多径衰落。它的功能是扩散或分散信道比特或符号差错的短脉冲串的作用，所以它们能更可靠的由纠错码进行校正。
作为另一种工作方式，对于到发信机链的传送数据或传真或其它数字数据输入170和从收信机链的输出172已编有规程。
命令译码器174和命令逻辑装置176被连接到前向差错解码器156，以便接收各种命令和信息。利用所属技术领域技术人员已知的特定的编码技术，在前向差错解码器156的非语音输出可以为语音解码器160所忽略，但又为命令解码器174所利用。特定编码技术的一个例子以MUX112和DEMUX158示于图7中。
如图所示，获取、控制和跟踪电路178装在收信机部分108，供给三个接收侧功能振荡器162、164、168，以便在接收到的信号中获取和跟踪它们相应对端振荡器的相位。这样做的函义对于所属技术领域的技术人员来说是已知的。
从接收到的信号中导出的自动增益控制(AGC)电压184以常规方式用来控制前置放大器，以达到最佳值，此外还作为接收信号所受到的路径衰耗的短期变化指示器。根据下面更为详细的介绍，这一信息当即在指示电平的功率电平控制器188中与所接收到的数据186相组合，在功率控制器188处，所接收到的信号曾是最初发送的，以命令本地连续的发送功率电平到达某一数值，从而使在卫星节点控制中心所收到的数值近似恒定不变，而不依赖于衰落和阴影的影响。对输出功率放大器128的命令电平还供给190，到发信机复用器112，以便传送到相应的单元。
在移动通信和其他无线电应用中，衰落、阴影和干扰现象导致偶然、潜在地大幅度增加路径衰耗。为了保证那种会在中断通信的衰落发生概率低到可以接受的程度，传统的设计方法是，通过发送超过平均要求功率10至40dB的正常功率，来提供一种相当大的功率余量。不过这样会成相应地增加蓄电池的使用量、系统间和系统内的干扰。在CDMA应用中，这样会大大减少每频道的有效电路能力。
根据本发明原理的一种系统的又一特点是一种自适应控制，这种自适应控制连续不断地保持每一发射的功率处于必要的最小电平，快速适应和动态地容受上述衰落，并且只当必要时才进行自适应控制。每个发信机通过将一种低速数据流与复合数字输出信号相加遥测当时发送到远端收信机的信号输出电平。利用这一信息与测出的接收信号强度，并假定路径衰落具有互易性，每端都能形成对即刻路径衰耗的一种估算，并调整它们当前的发送功率输出，达到一个能使相应的对端收信机当不考虑路径衰耗变化时仍呈现近似恒定接收信号电平的发送功率电平。
现参照图8a到图8h，给出了根据本发明原理的一种自适性功率控制系统的定时和波形图。在这一例子中，通信链路的两端一般性地表示为A和B。在地面蜂窝网应用中，A相应于用户，而B相应为卫星节点，在这种情况下，卫星简化为一个固定增益的再生中继器，其功率输出的控制是由发送给它的信号电平实现的。
在图8a的例子中，在时间192时，路径衰耗突然增大XdB，例如这是由于移动用户A行驶到一座建筑物后面或在最接近用户A的附近有障碍物。这就造成由A的AGC测到的信号强度降低XdB，如图8b所示。如图8c所示，在时间192时，遥测到的数据表明，在此时这一信号已从B发送的电平，不曾有过变化。A的功率电平控制器188从观测到的接收信号电平减去遥测到的发送信号电平，并计算出路径衰耗已增加XdB。据此如图8d所示A在时间192时增大它的信号电平输出XdB。并与此同时，将这一信息加到它的状态遥测信道。
将这一信号传送到B，在过渡时间T之后到达，如图8e所示。B收信机发现收到的信号强度恒定不变。如图8f所示，但从图8g所示的遥测数据信道得知，送给它的信号已为+XDB。所以，B也计算出路径衰耗已增大XdB。据此调整它的输出信号电平，如图8h所示，并遥测这一信息。这一信号增大在2T时间返回到站A，如图8e所示，从而在延迟2个过渡时间(T)后恢复信号强度。所以，对于发生在A附近的一个路径衰耗变化，可以认为在B处的路径衰耗补偿实质上是即刻进行的，而在A处这种补偿只有在2个过渡时间延迟，即2T之后才会出现。
再次参照图7，提供一种用来产生呼叫请求和检出铃流的安排。这种铃流信号发生器138按照用户单元呼出用户码的原理发生铃流信号。为了接收一个呼叫，在与短脉冲序列匹配的一种固定匹配滤波器198中检出铃流信号。该短脉冲序列载有用户的独特码。按照这种方法，每个用户可以有选择性地被呼叫。作为一种选项，铃流检出和呼叫请求信号可用于轮询/响应方式，对每个处于工作和备用状态的用户提供跟踪信息。跟踪信息的过程，适当的管理呼叫路由的各种功能借助于比较在各种方式下收到的信号质量来提供。为了精确的定位选择，用户的响应信号时间准确地锁定在建立唯一性地可识别定时出现时间的定时(轮询)信号的收到时间上，同时锁定在PRN片宽的一部分上。从两个或更多的节点测量轮询/响应来回程的时间，或测量到达数个节点的时间差异，提供了能够解决和供给精确的用户位置的基本测量。地面和卫星发信机和收信机具有以上对用户单元所概述的完全一样的各种功能。给定先前的信息，从一个节点单程轮询/响应时间的测量能够得到很有价值的用户位置信息。
命令逻辑176进一步连接到收信机的AGC180，匹配滤波器铃流检测器(RD)198，采集和跟踪电路178，发送本机振荡器(LD)162和铃流发生器(RG)138，以及对各种工作方式下达命令。
移动电话通信系统的经济可行性与能够支持容纳的用户数量有关。对所能支持的用户数量的两个重要限制是，带宽利用效率和功率利用效率。在关于带宽利用率方面，不论基于地面蜂窝系统或移动卫星装置，无线电频谱分配是严重受到限制的资源。体现在本发明中的使达到最大带宽利用率的措施包括，采用提供高的频谱利用率增益的码分多址(CDMA)技术和使利用更小天线波束成为可能的更高的空间频率再利用系数。在有关功率利用率方面，这对于卫星移动系统中继链路是主要因素，每一用户的卫星发信机源功率通过采用前向纠错编码而减小到最低。这反过来又是上述利用扩频码分多址(SS/CDMA)技术和在卫星上来用相对的高增益天线所允许的。CDMA和前向纠错编码是所属技术领域的专业人员所公知的，这里不再作进一步的详细描述。
现在详细考虑带宽利用率问题。SS/CDMA对频谱利用率的主要改善与蜂窝网“群”有着密切的关系。在现有的频分和时分复用多址技术中，给定的频率或时隙的分配必须防止来自附近网孔在相同子频段的各用户的干扰。取决于所要求的防卫度，排除网孔“X”的各频率在围绕“X”的数个网孔N中再利用是必要的。这个网孔数目N叫做群区容量(cluster size)。因为每个网孔只能利用可分配总信道数的N分之一，可以发现，在所有其他条件相同时，则频率再利用系数和频谱利用率与群区容量N成反比例。
在1979年1月的Bell Systems Technical Journal第15页，Macdonald V.H.的The Cellular Concept一文指出FM频分复用地面蜂窝系统的现场试验确定，为使大多数听者视为最良好质量需要17dB的信号与干扰比。与传播和衰落研究相结合，这就得到一种标准，即在同频道位置之间的相隔距离应至少为至在地面节点处使用无方向性天线的网孔内用户最远距离的6倍。为了达到隔离，群区容量至少必须为每群N＝12个网孔。因此，人们只可以使用每网孔总分配频道容量的1/12。
在卫星服务中，最大网孔面积大小与卫星天线抛物面直径成反比例。对于给定的可行最大抛物面直径，可以使用的频道数目受到群区容量大小的严格限制。在规划的AMSC系统中，C.E.Agnew等人在Proceeding of the Mobile Satellite Conference，(NASA，JPL，May 1988)的AMSC移动卫星系统(The AMSC Mobile SatelliteSystem)一文中指出有效的群区容量为5，因而人们只可以使用每网孔总分配频道容量的1/5。
在根据本发明的一个系统中，群区容量为1，即每个网孔使用相同的所分配的全部频段。这是可能的，因为扩频码分多址技术(SS/CDMA)具有很强的抗干扰性。在采用相同频段的相邻网孔各用户的效果，与在相同网孔内的其他用户效果相比，在质量上没有什么差别。因此，可以认为在一个网孔内能够允许的用户数量有效地减小。所有其他网孔干扰的积累作用，在假定用户密度均匀和距离衰减规律近似于地波传播或卫星波束幅射图的情况下，可以进行计算。这种计算时，我们发现，关于无线电总干扰相应于区内原有干扰的倍乘因子，对地波传播为1.4，而对于卫星系统为2.0。这一因子可以认为是对CDMA系统有效群区容量在效果上的倍乘等效。最后，可以相信，在与其他系统比较后，我们发现频率再利用系数或带宽利用率系数以如下比率与有效群区容量成反比0.71∶0.5∶0.2∶0.08分别适用于本发明的地面蜂窝网组成，本发明的卫星蜂窝网组成，AMSC移动卫星概念，以及当今的地面蜂窝网技术。
在卫星链路中第二个严重受到的限制是卫星主电源，一个通信卫星重量的主要组成部分，因此也是卫星造价中的主要因素。一般来说，在如这样的系统中，到各个用户的下行线是最大的电源消耗，所以，对于有限的卫星电源功率也许是卫星所能服务的用户数量的限制因素。因此，设计每用户所需功率最小系统是十分重要的。在本发明中对这一要求提出了四种方法建议。在本发明中，系统设想采用可行的最高卫星天线增益。在一个实施例中，功率增益在45dB的量级，而波束宽度预计在L波段达到1度以下。这一点可以由近20米直径的天线实现。在一个实施例中采用了一种具有在反射面焦点有补偿馈源的抛物面反射天线。反射面的边缘直径近似20米，在S波段，每一波束宽度近似0.4度。
第二借助于采用扩频技术的优点，很低速率高增益的编码是可行的，而没有借助于增加占用带宽的不利后果。
第三，系统使用信道比特插入/去插入，一种编码的时间分集，以提供对抗深衰落零位的功率增益。这就使在相当低的比特能量与噪声密度比，一般在3dB量级的情况下工作成为可能。这反过来又反应在每用户最小的卫星功率要求。
第四，如上面所描述的那样，双向适应性功率控制器避免了通常要在某一功率电平下连续传递的情况，这一功率电平要比大多数时间所需要的电平大10到40dB，以便提供余量储备，适应不常出现的深衰落。
除了上面所列举的优点以外，码分复用系统在本系统中还具有以下重要优点。某些频道没被占用的空闲时间可以减少背景的平均干扰。换句话说，系统可以适度地过载和欠载。系统可以永久地提供基带速率的灵活性，与FDM相反，具有不同基带速率的信号，能够以特定原则复用在一起，不需要复杂的预先规划，也不限制频段的分配方案。不是所有用户需要相同的基带速率。卫星天线旁瓣的控制被显著降低。前面提到的几项网外干扰研究表明，第二旁瓣影响可以完全忽略。同码再分配(即再利用相同的扩频码)在仅相隔一个波束的情况下是可行的。然而，因为实际上有着无限多的信道码(即包括相位变化作为提供独立码的方法)，在空分方面的要求是容易达到的，没有必要再利用相同频道，即扩频码。
借助于上面讨论过的设计因素，根据本发明的系统可以提出一种灵活的能力，用以提供下列附加的特种业务高质量、高速率语音和数据业务；传真(标准的三类机以及高速四类机)；双向消息，即在各种移动终端之间可以变速率进行数据交换；在数百英尺范围内的自动定位和报告；无线电寻呼农村的住宅电话；以及专用无线交换局。
可以预见，卫星将利用与地球位相对保持固定的轨道，但不限于此。本发明也允许运行在其他轨道。系统网路控制中心设计得能够正常地对用户要与卫星或是地面节点通信作出选择。在另一个实施例中，作为一种选择，用户能够要求他在卫星链路和地面直达干线电路之间做出选择，这取决于当时哪一种能够提供更清晰的通信，或者要求他的选择基于其他通信要求。
当对卫星节点已在上面作出的讨论时，并不倾向于这是提供地面上方通信业务的仅有方式。在卫星发生故障，或者因为其他原因不能提供所希望的服务等级的情况下，例如卫星已由一种敌意的实体所阻塞干扰，飞机或其他超地面的车辆可以代替卫星，提供上述卫星功能。上述的“地面”节点可以位于地面上，或在地球表面的水中。此外，虽然已表明和描述过各用户位于汽车中，然而其他位置的用户也是可能存在的。例如，一颗卫星可以是一个传送信号的系统的用户，正像一只海上的船可以是用户一样，或是步行的用户。
尽管本发明的几种具体形式业已被图示和描述，然而十分清楚，在不偏离本发明的实质和范围的情况下各种各样的修改都能够进行。为此除附加的权利要求书外，将不对本发明进行限制。
权利要求
1.一种蜂窝通信系统，包括至少一个地面节点，它位于要建立一组小区地地方，每个地面 节点包含的装置有用于发送和接收预先确定的若干组码分多址编码的装置，用于在预定的频段扩频波形的装置；在各小区内的许多个用户单元，每个用户单元包含的装置有用于与每个地面节点通信的装置，操作上响应于若干组码分多址编码波形的预先确定的一组，从而与各节中的至少一个节点建立选择性通信的装置；以及定位装置，它通过提供自节点到用户单元的定时信号，测量该用户单元对定时信号的响应时间，以及根据上述测量确定该用户单元的位置。
2.用于相互通的第一和第二收发信机组成的通信链路，每一收发信机包括一个发信机，它在可控制功率电平上输出一个发送信号，在代表发信机的功率电平的上述信号中包含有电平数据；以及一个收信机，它接收包含来自其他收发信机的发信机的电平数据的发送信号，并包括用于测量从其他发信机接收到的信号的信号强度的测量装置；用于将所测量的信号强度与所收到的电平数据进行比较的比较装置，以及用于根据上述比较，控制与收发信机中收信机相关的发信机的输出功率电平的装置。
全文摘要
本发明提供一种既有地面又有卫星节点的蜂窝网通信系统。采用了扩频与前向纠错编码的码分多址技术,增强有效增益和系统的选择性,在卫星节点上安装有多波束增益天线,以建立第一组网孔,并通过耦合用FECC获得额外增益。在系统的卫星部分中产生足够的增益,使用户仅需要设有无方向性天线的小型移动式手机,便既能与卫星节点又能与地面节点通信。用户位置信息也是可以得到的。
文档编号H04B7/14GK1246756SQ9710286
公开日2000年3月8日 申请日期1997年3月3日 优先权日1997年3月3日
发明者艾伯特·约翰·马林克罗特 申请人:美国西塞特公司