专利名称：Cdma卫星通信系统及其内部的信号传送方法
技术领域：
本发明属通信技术领域。具体地说，本发明与CDMA卫星通信的方法和系统有关。
与时分多址(TDMA)或频分多址(FDMA)相比，码分多址(CDMA)是一种更为高效的多址平台，主要是因为CDMA能在地理上更为接近的小区内再用相同的频率从而提供了较高的频率再用效率。CDMA频率再用效率较高对于卫星通信也是一个优点。尽管如此，大多数常规的卫星网还是基于FDMA或TDMA，而新近提出的CDMA卫星网大都具有折管直通性质，也就是说在卫星上不进行任何基带处理或交换。
如果在卫星上进行处理和交换，那么系统性能无论是质量上还是容量上都能得到改善。然而，与TDMA或FDMA方法不同，在一个再生卫星上采用常规的CDMA方法需要分离不同的用户信号，以便在星上进行处理和交换。相干上行链路解调可用于星上基带处理和交换，但相干解调需要用复杂的硬件实现，也就是说必需为各个用户信号分别跟踪载波的相位，这对于只能得到有限功率的卫星来说是很难满足的。
因此，有必要提出一种在卫星网内上行键路接收不需要相干解调的CDMA通信方案，使得在卫星上能很方便地执行处理和交换。
本发明提供了通过卫星进行多点对多点的CDMA传输的方式，能在卫星上进行全部或必要的基带处理和交换，而不需要卫星上的上行接收机进行相干解调。
本发明的这些优点是由于采用了如下这样的方法和系统。在地面发射机中，将(编码)用户消息比特分成一系列相继的比特组后，通过将每个消息比特组映射到一个预定的PSK信号空间(constellation)为每个消息比特组产生一个差分相位。通过将每个消息比特组的差分相位与上一个消息比特组的绝对相位相加为每个消息比特组产生一个绝对相位。用绝对相位信号对上行链路的RF载波进行相位键控，形成一个上行链路RF信号。这个RF信号经上行链路用户的沃尔什(Walsh)函数和上行波束代码序列扩频后发送给作为卫星通信网的一个部分的卫星。
卫星上接收到RF信号后，通过非相干正交解调产生两个正交的基带信号。然后，用上行波束代码序列和上行用户沃尔什函数对正交基带信号进行解扩。通过对经解扩的基带信号的相继各块的相位比较，提取载有(编码)用户消息的差分相位信号。然后，差分相位信号转给负责相应下行链路目的通路的发射机。根据转来的差分相位信号产生的两个正交相位信号用下行链路用户沃尔什函数和下行链路波束代码序列扩频后，受到对基带频谱进行整形的低通滤波。接着，经扩频的正交基带分量分别加到下行链路的正交载波分量上，发向用户消息所要传送到的地面终端。RF信号在地面接收机接收后，经相干正交解调，变换成正交相位分量。通过用下行链路波束代码序列和下行链路用户沃尔什函数对正交相位分量进行解扩，提取下行链路相位信号。所提取的相位信号就是上行链路的差分相位信号，但受到了上行链路如下行链路中的噪声和干扰的污染。所提取的相位信号用于恢复用户消息。
本发明例示于(但并不局限于)下列附图，在这些附图中相同的标号表示相同的单元，其中
图1为示出本发明所提出的地面至卫星上行链路发射机基本功能件的方框图；图2为示出本发明所提出的地面至卫星上行链路的接收机基本功能件的方框图；图3为示出本发明所提出的卫星至地面下行链路发射机基本功能件的方框图；以及图4为示出本发明所提出的卫星至地面下行链路接收机基本功能件的方框图。
本发明主要针对CDMA卫星通信系统以及CDMA信号从地面发射站通过卫星返回地面接收站而不需要在卫星上进行上行链路信号的相干解调的传输方式。本发明由于提供了简单的对在上行链路用相同的CDMA载波发送的各个信号进行解调和分离的机制，因此有利于星上处理和交换。由于污染上行链路信号的噪声和干扰在卫星上并没有得到放大，反而受到抑制，因此高效率地改善了CDMA通信链路。为了进一步降低上行链路的BER(误码率)，可以在卫星上进行信道解码和再编码。上行链路信号的差分相位由卫星接收机再生后，经交换，发向相应的地面站接收机。在地面站用相干PSK技术检测下行链路传输，因为地面站接收机可以很方便地配置根据所接收的下行链路信号的相位特性跟踪接收信号载波相位的各种装置。简要地说，本发明对上行链路信号传送、星上处理和下行链路信号传送各部进行了最佳化。
本发明将CDMA网的差分PSK技术用于上行链路。当前(编码)信息码元的绝对相位根据当前码元的差分相位与上一码元的绝对相位之和确定。由绝对相位信号产生的常规PSK信号用标识上行链路发送方的沃尔什函数扩频后，再用标识覆盖上行链路发送方的特定卫星波束的伪随机数(PN)序列扩频。信号经功率放大后上行传输。在卫星上的上行链路接收步骤基本上与以上这些相反，以提取和再生以差分相位形式携带的用户信号，不需要进行信道解码。在卫星上不需要为各个发送方分别估计载波相位，因此可以对所有享用相同CDMA载波的各用户信号集体进行下变频，变换成相应的基带信号分量。再生的差分相位码元按系统指示转至一个相应波束发射机，下行传输给预定目的用户。在地面接收机很容易实现相位跟踪，因此通过相干PSK解调完成下行链路传输。然后经信道解码恢复来自上行链路的发送方消息比特。
图1为示出本发明所提出的在直接序列码分多址(DS-CDMA)网内采用差分PSK信号传送的地面至卫星上行链路发射机基本功能件的方框图。或者，图1所示发射机可以是一个诸如蜂窝网或PCS网那样的地面无线网的一部分(系统的其余部分示于图2-4)。在图1中，形成用户消息的信息比特在地面发射机经编码(如网格编码)后再进行PSK映射。可以在码元映射前或后以众所周知的方式应用比特/码元交织，以便进行硬或软解码。经编码的信息比特由MPSK映射器11以众所周知的方式映射为在一个预定PSK信号空间内的相应信号点。从每个编码信息比特组(即编码码元)得出的相位看作一个差分相位Δφu(i)(n)。差分相位编码器12通过将组n的差分相位Δφu(i)(n)与上一个组n-1的绝对相位φu(i)(n-1)相加以众所周知的方式得出编码信息比特组n的绝对相位φu(i)(n)。然后，产生绝对相位信号的同相和正交分量。
标准的PSK调制器13将绝对相位信号φu(i)(n)的同相和正交分量加到一个具有所要求的载波频率的RF载波的两个正交的分量上。经PSK调制形成的RF信号在14用系统在呼叫建立阶段指配给用户的沃尔什函数Wu(i)(t)以众所周知的方式加以扩频，在15再用一个与例如上行链路卫星波束相应的PN序列bu(t)进一步以众所周知的方式加以扩频，形成一个经扩频的信号Su(i)(t)后送至RF传输线16。可以在将信号馈给发射天线前先进行RF放大，以产生所需的发射功率。
图2为示出本发明所提出的在DS-CDMA网内采用差分PSK信号传送的上行链路接收机基本功能件的方框图。在例如星载上行链路接收机中，所接收的RF信号ru(t)非相干正交下变换成一个正交基带信号后，用在发射机中用来扩频的PN序列和沃尔什函数加以解扩，从而将所需用户消息信号与享用相同CDMA的其他用户信号分开。用一个相位比较器计算出解扩器的两个相继输出之间的相位差，以便在星上进行交换。所计算出的解扩器的两个相继输出之间的相位差载有用户消息。
在图2中，经适当的RF滤波和放大后，所接收的RF信号通过在21a和21b的非相干解调和在22a和22b的低通滤波下变换成基带信号。通过首先在23a和23b用用户的波束代码序列bu(t)以众所周知的方式解扩再在24a和24b用用户的沃尔什函数Su(i)(t)解扩，以及在25a和25b的积分和速效处理，从经解调的同相和正交分量中提取出需发给特定用户的消息信号。对于上行接收来说，对所有接收到的与相同CDMA载波和相同波束相应的用户信号可以集体加以下变换和波束代码解扩。然后，利用在26延迟一个码元周期T以众所周知的方式在27对积分器25a和25b的正交输出信号进行差动式相位比较，得出载有所需消息信息的差分相位信号。然后，所得的差分相位信号在卫星上以众所周知的方式进行交换，传输给相应的下行链路。
进行相应交换后，卫星接收机所再生的差分相位码元(假设没有信道解码)就需发送给地面目的地，以对发送方信息解码。图3为示出本发明所提出的CDMA网内的卫星至地面下行链路发射机基本功能件的方框图。转来的差分相位码元的两个正交相位分量在31a和31b用指配经建立这个呼吁的下行链路的用户的沃尔什函数Wd(i)(t)扩频后，在32a和32b以众所周知的方式与来自属于这个下行链路的其他呼叫的同样信号分量相加在一起，再在33a和33b用下行链路波束的PN序列bd(t)扩频，然后在34a和34b滤波，对基带频谱进行整形。经扩频的正交相位信号分别加到一个具有所要求的下行链路载波频率的RF载波的相应正交分量上。所得到的RF信号发向相应的地面目的地。虽然这个处理可以对各个发送方信号分别进行，但本发明允许通过将需在同一个下行链路波束中用同一个载波发送的所有信号合并在一起集体加以下行链路传输的波束码扩频和正交调制。
图4为示出本发明所提出的在CDMA网内的卫星至地面下行链路接收机基本功能件的方框图。在下行链路接收机中，所接收的RF信号经相干正交下变换成正交基带信号后，用在星上发射机中用来扩频的PN代码序列和沃尔什函数加以解扩，从而将所需的用户消息信号与享用相同的CDMA信道的其他用户信号分开。用一个相位比较器计算下行链路RF信号的载波相位，进行消息检测。下行链路的载波相位就是上行链路的差分相位，但受到了上行链路和下行链路中的噪声和干扰的污染。
在图4中，经适当的RF滤波和放大后，所接收的RF信号rd(i)(t)在41a和41b通过相干正交解调下变换成基带信号，再在42a和42b受到低通滤波。通过以众所周知的方式首先在43a和43b用用户的波束代码序列bd(t)解扩，再在44a和44b用用户的沃尔什函数Wd(i)(t)解扩后经在45a和45b的积分和速放处理，从经解调的正交相位分量中提取出需发给特定用户的消息信号。积分器45a和45b的正交输出信号经在46的众所周知的相位估计后，得到下行链路的载波相位，这是受到噪声和干扰污染的载有所需消息信息的上行链路的差分相位。如果在地面发射机用了比特/码元交织，那么在地面接收机就按照交织器位置以众所周知的方式配置一个解交织器。诸如提供软或硬判决的维托比解码器之类的信道解码器47用来恢复用户消息比特。
虽然本发明结合所示实施例作了说明，但可以理解，本发明的精神实质可以进行种种修改，所有这些应该都属于本发明的专利保护范围。
权利要求
1.一种在CDMA卫星通信网内的信号传送方法，所述方法包括下列步骤在一个上行链路上接收一个RF信号，该RF信号含有经差分相位编码并用两个与这个上行链路有关的代码序列扩频的编码用户消息；将所接收的RF信号非相干正交解调成正交基带分量；用两个与上行链路有关的代码序列对正交基带分量进行解扩；对经解扩的正交基带分量的相继决进行相位比较，再生载有编码用户消息的差分相位信号；将再生的差分相位信号转至所选下行链路发射机；用两个与下行链路有关的代码序列对差分相位信号的正交基带分量进行再扩频；以及将经再扩频的差分相位信号的正交基带分量加到一个下行链路载波的正交分量上，形成一个下行链路RF信号。
2.按权利要求1所述的方法，所述方法还包括发射下行链路RF信号这一步骤。
3.按权利要求1所述的方法，其中在上行链路上接收的RF信号是在卫星上接收的，而下行链路RF信号是从星上发射机发射的。
4.按权利要求1所述的方法，其中两个与上行链路有关的代码序列包括一个用户的沃尔什函数和一个上行链路波束的伪随机数序列，而两个与下行链路有关的代码序列包括一个用户的沃尔什函数和一个下行链路波束的伪随机数序列。
5.按权利要求1所述的方法，所述方法还包括下列步骤在上行链路发射机中，将编码用户消息比特分为一系列相继的比特组；通过将每个消息比特组映射到一个预定的PSK信号空间，为每个消息比特组产生一个差分相位；通过将当前消息比特组的差分相位与当前消息比特组的上一个消息比特组的绝对相位相加，为每个消息比特组产生一个绝对相位；用绝对相位信号对一个上行链路载波进行相位调制，形成一个RF信号；用两个与上行链路有关的代码序列对RF信号进行扩频；将经扩频的RF信号发送到上行链路上。
6.按权利要求5所述的方法，其中上行链路的RF信号在地面发射机发射，而在星上接收机接收。
7.按权利要求5所述的方法，其中两个与上行链路有关的代码序列包括一个用户的沃尔什函数和一个上行链路波束的伪随机数序列。
8.按权利要求1所述的方法，所述方法还包括下列步骤接收所述下行链路RF信号，该下行链路RF信号含有该下行链路RF信号经再生、再扩频后加到下行链路RF信号的正交分量上的用户消息；将所接收的下行链路RF信号相干正交解调成正交基带分量；用两个与下行链路有关的代码序列对正交基带分量进行解扩；根据经解扩的正交基带分量估计下行链路载波相位；以及恢复用户消息。
9.按照权利要求8所述的方法，其中所述下行链路RF信号是在星上发射机发射的，而在地面接收机接收的。
10.按权利要求8所述的方法，其中两个与下行链路有关的代码序列包括一个用户的沃尔什函数和一个下行链路波束的伪随机数序列。
11.一种在CDMA卫星通信网内的信号传送方法，所述方法包括下列步骤在上行发射机中，将编码用户消息比特分成一系列相继的比特组；通过将每个消息比特组映射到一个预定的PSK信号空间，为每个消息比特组产生一个差分相位；通过将当前消息比特组的差分相位与当前消息比特组的上一个消息比特组的绝对相位相加，为每个消息比特组产生一个绝对相位；用当前绝对相位对一个上行链路载波进行相位调制，形成一个RF信号；用两个与上行链路有关的代码序列对RF信号进行扩频；以及将经扩频的RF信号发送到上行链路上。
12.按权利要求11所述的方法，其中上行链路RF信号是在地面发射机发射的，而在星上接收机接收的。
13.按权利要求11所述的方法，其中两个与上行链路有关的代码序列包括一个用户的沃尔什函数和一个上行链路波束的伪随机数序列。
14.一种在CDMA卫星网内的信号传送方法，所述方法包括下列步骤接收一个下行链路RF信号，该下行链路RF信号含有经再生、再扩频后加到下行链路RF信号的正交分量上的用户消息；将所接收的下行链路RF信号相干正交解调成正交基带分量；用两个与下行链路有关的代码序列对正交基带分量进行解扩；根据经解扩的正交基带分量估计下行链路载波相位；以及恢复用户消息。
15.按权利要求14所述的方法，其中下行链路RF信号是在星上发射机发射的，而在地面接收机接收的。
16.按权利要求14所述的方法，其中两个与下行链路有关的代码序列包括一个用户的沃尔什函数和一个下行链路波束的伪随机数序列。
17.一种CDMA卫星通信系统，所述系统包括一个RF接收机，用来在上行链路上接收一个RF信号，该RF信号含有经差分相位编码后用两个与这个上行链路有关的代码序列扩频的编码用户消息；一个非相干正交解调器，用来将所接收的RF信号非相干正交解调成正交基带分量；一个扩频解扩器，用来用两个与上行链路有关的代码序列对正交基带分量进行解扩；一个相位比较器，用来对经解扩的正交基带分量的相继块进行相位比较，再生编码用户消息的差分相位信号；一个交换机，用来将再生的差分相位信号转至所选下行链路发射机；一个扩频器，用来用两个与下行链路有关的代码序列对差分相位信号的正交基带分量进行再扩频；以及一个正交调制器，用来用经再扩频的差分相位信号的正交基带分量对一个下行链路载波进行调制，形成一个下行链路RF信号。
18.按照权利要求17所述的CDMA卫星通信系统，所述系统还包括一个星上发射机，用来向地面接收机发射下行链路RF信号。
19.按权利要求17所述的CDMA卫星通信系统，其中CDMA通信系统是一个星上接收机。
20.按权利要求17所述的CDMA卫星通信系统，所述系统还包括一个PSK映射器，用来将分成消息比特块的编码用户消息比特映射成差分相位；一个差分相位编码器，用来将当前消息比特块的差分相位与当前消息比特块的上一个消息比特块的绝对相位相加，为每个消息比特块产生一个当前绝对相位；一个PSK调制器，用来用当前绝对相位对一个上行链路载波进行相位调制，形成一个RF信号；一个扩频器，用来用两个与上行链路有关的代码序列对RF信号进行扩频；以及一个发射机，用来将经扩频的RF信号发送到上行链路上。
21.按权利要求20所述的CDMA卫星通信系统，其中上行链路的RF信号是由地面发射机发射的。
22.按权利要求20所述的CDMA卫星通信系统，其中两个与上行链路有关的代码序列包括一个用户的沃尔什函数和一个上行链路波束的伪随机数序列，而两个与下行链路有关的代码序列包括一个用户的沃尔什函数和一个上行链路波束的伪随机数序列。
23.按权利要求17所述的CDMA卫星通信系统，所述系统还包括一个下行链路接收机，用来接收下行链路RF信号；一个相干正交解调器，用来将所接收的下行链路RF信号相干正交解调成正交基带分量；一个扩频解扩器，用来用两个与下行链路有关的代码序列对正交基带分量进行解扩；一个相位比较器，用来根据经解扩的正交基带分量估计下行链路载波相位；以及一个信道解码器，用来对编码用户消息进行检测和解码。
24.按权利要求23所述的CDMA卫星通信系统，其中下行链路RF信号由地面接收机接收。
25.一种CDMA卫星通信系统，所述系统包括一个PSK映射器，用来将分为消息比特块的编码用户消息比特映射成差分相位；一个差分相位编码器，用来将当前消息比特块的差分相位与当前消息比特块的上一个消息比特块的绝对相位相加，为每个消息比特块产生一个当前绝对相位；一个PSK调制器，用来用当前绝对相位对一个上行链路载波进行相位调制，形成一个RF信号；一个扩频器，用来用两个与上行链路有关的代码序列对RF信号进行扩频；以及一个发射机，用来将经扩频的RF信号发送到上行链路上。
26.按权利要求25所述的CDMA卫星通信系统，其中上行链路的RF信号是由地面发射机发射的。
27.按权利要求25所述的CDMA卫星通信系统，其中两个与上行链路有关的代码序列包括一个用户的沃尔什函数和一个上行链路波束的伪随机数序列。
28.一种CDMA卫星通信系统，所述系统包括一个下行链路接收机，用来接收下行链路RF信号；一个相干正交解调器，用来将所接收的下行链路RF信号相干正交解调成正交基带分量；一个扩频解扩器，用来用两个与下行链路有关的代码序码对正交基带分量进行解扩；一个相位比较器，用来根据经解扩的正交基带分量估计下行链路载波相位；以及一个信道解码器，用来对编码用户消息进行检测和解码。
29.按权利要求28所述的CDMA卫星通信系统，其中下行链路RF信号是由地面接收机接收的。
30.按权利要求28所述的CDMA卫星通信系统，其中两个与下行链路有关的代码序列包括一个用户的沃尔什函数和一个下行链路波束的伪随机数序列。
全文摘要
在CDMA卫星网内进行多用户通信的方法。含有经差分相位编码和用上行链路的沃尔什函数和伪随机数序列扩频的编码用户消息的上行链路RF信号被星上接收机接收后,经非相干正交解调和解扩,再生载有编码用户消息的差分相位信号。然后,用下行链路的沃尔什函数和PN序列对差分相位信号的正交分量再扩频后,经正交调制再发给地面接收机,经相干正交解调和解扩,恢复下行链路载波相位,从而对编码用户消息进行检测和解码。
文档编号H04B7/15GK1194511SQ9810539
公开日1998年9月30日 申请日期1998年3月2日 优先权日1998年3月2日
发明者何金萌, 拉莫塔·沙玛 申请人:美国电报电话公司