專利名稱：與多波束衛(wèi)星時分多址通信系統(tǒng)同步的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及時分多址(TDMA)通信系統(tǒng)領(lǐng)域。具體涉及具有多波束天線的通信站的數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)。
在時分多址(TDMA)通信系統(tǒng)中，用戶單元初始時必須以適當(dāng)?shù)念l率和時隙接入通信系統(tǒng)。不這樣作將使用戶不能接入該系統(tǒng)，而且還干擾鄰近時隙正在進(jìn)行的呼叫。用于捕獲通信站的定時窗口是短的，而且頻率帶寬窄，這是特別真實(shí)的情況。在基于衛(wèi)星的通信系統(tǒng)中，通信站相對于用戶單元移動，用戶單元必須補(bǔ)償與到衛(wèi)星的距離相關(guān)的傳播延遲和與衛(wèi)星速度相關(guān)的頻率偏移。不知道到衛(wèi)星的距離與相對于用戶單元的衛(wèi)星的速度，這是難以實(shí)現(xiàn)的。在衛(wèi)星發(fā)射多波束和波束的尺寸非常大的情況下，因?yàn)椴ㄊ鴥啥藗鞑r延的差別可能超過衛(wèi)星的捕捉定時窗口，在這種情況下更加困難。在低地球軌道衛(wèi)星系統(tǒng)中，這是特別真實(shí)的情況，因?yàn)樾l(wèi)星的位置和軌道相對于地球的表面不是固定的。
為此，現(xiàn)在需要一種接入通信系統(tǒng)的方法和設(shè)備，該系統(tǒng)發(fā)射天線波束長度是幾百或者甚至幾千英里。還需要在距用戶單元距離未知的情況下，與通信系統(tǒng)的定時窗口同步的方法和設(shè)備，又需要這樣的一種用戶單元，它確定它相對于通信站的位置并發(fā)送與系統(tǒng)捕獲定時窗口同步的捕獲信號。據(jù)此，現(xiàn)在還需要不干擾鄰近時隙和鄰近頻率信道內(nèi)正在進(jìn)行的呼叫的情況下初始地接入時分多址(TDMA)通信系統(tǒng)的方法和設(shè)備。
在所附的權(quán)利要求書中指明了本發(fā)明的特殊性。但是與附圖一起考慮，參見詳細(xì)說明書和權(quán)利要求書可以更完全理解本發(fā)明，其中所有附圖中相同的標(biāo)號表示相同的項(xiàng)目。


圖1示出基于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的簡化示意圖；圖2示出適合用于本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中衛(wèi)星無線通信站的簡化方框圖；圖3示出適合用于本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中使用的系統(tǒng)控制站部分和地球終端部分的簡化方框圖；圖4示出適合用于本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中使用的典型用戶單元的簡化方框圖；圖5示出衛(wèi)星天線波束的地面投影區(qū)；圖6示出內(nèi)和外天線波束的地面投影形狀；圖7示出衛(wèi)星的天線波束的地面投影部分的頂視圖；圖8示出與外波束有關(guān)的地面投影區(qū)的近似距離；圖9示出與具有降低信號電平的遠(yuǎn)的外部區(qū)域的相關(guān)的近似距離；和圖10示出將用戶單元同步到通信系統(tǒng)的程序的流程圖。
這里提出的一個例子以本發(fā)明的一種形式說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，而且這個例子不意味以任何方式構(gòu)成限制。
在這里規(guī)定“衛(wèi)星”是指以一種天體(例如地球)為軌道運(yùn)行的人造物體或飛行器。這里規(guī)定“星座”(Constellalon)是指在軌道內(nèi)衛(wèi)星分布的總體情況，用以提供天體的部分或全部的規(guī)定的覆蓋(例如無線通信、攝影、等)。星座典型地包括衛(wèi)星的多個環(huán)(或平面)，而且可能具有等于每個平面的衛(wèi)星數(shù)，盡管這不是主要的。這里使用的術(shù)語“網(wǎng)孔”和“天線圖型”不是用來限制產(chǎn)生的任何特定模式而且包括由陸地的或由衛(wèi)星的蜂窩通信系統(tǒng)和/或由他們的組合體產(chǎn)生的那些模式。術(shù)語“衛(wèi)星”往往既包括對地靜止的衛(wèi)星，也包括軌道衛(wèi)星和/或他們的組合(包含低的地球軌道(LEO)衛(wèi)星)。
圖1示出基于衛(wèi)星通信系統(tǒng)10的簡化圖。通信系統(tǒng)10通過使用占據(jù)軌道14的軌道衛(wèi)星12分散在一個天體(例如地球)上或圍繞該天體。本發(fā)明可用于以下系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括具有低地球軌道和中地球軌道的衛(wèi)星和具有相對運(yùn)動的衛(wèi)星。本發(fā)明還可用于具有任何傾斜角的軌道(例如極、赤道或其它的軌道圖型)。
示例性通信系統(tǒng)10使用六個極性軌道14，每個軌道14保持11個衛(wèi)星12，總共66個衛(wèi)星12。但多幾個或少幾個衛(wèi)星或多幾個或少幾個軌道并不重要都可以使用。雖然在使用大量的衛(wèi)星時利用本發(fā)明是有益的，但本發(fā)明也可用于少到一個衛(wèi)星的情況。為了便于理解，圖1僅示出幾個衛(wèi)星12。
例如，每個軌道14在地球大約450英里的高度5環(huán)繞，然而較高或較低軌道高度通常都是能夠利用的。由于示例性的衛(wèi)星12的相對低軌道、從任何一個衛(wèi)星的基本上視距的電磁(例如無線電、光等)傳輸或在任何情況下由任何一個衛(wèi)星的接收信號包括或覆蓋相對小的地球面積。
對于所示的例子，衛(wèi)星12相對地球每小時約16000英里運(yùn)行，允許衛(wèi)星12可被地面站看到為約9分鐘的最大周期。
衛(wèi)星12與地面站通信，地面站可包括一些無線通信用戶單元(SU)26和連接到系統(tǒng)控制部分(SCS)28的地球終端(ET)24。ET24也可連接到網(wǎng)間連接器(GW)22，它提供接入公共交換電話網(wǎng)(PSTN)或其它通信設(shè)施。為了說明和容易理解，在圖1僅表示了GW22，SC28和SU26其中的一個。ET24可以與SCS28或GW22共同安置或分別安置。與SCS28相關(guān)的ET24接收描述衛(wèi)星12軌跡的數(shù)據(jù)并中繼控制信息的數(shù)據(jù)包，而與GW22相關(guān)的ET24僅中繼數(shù)據(jù)包(例如涉及在進(jìn)行的呼叫)。
SU26可能是安置在地球表面上或在地球上方大氣中的任何地方。SU26最好是能發(fā)送數(shù)據(jù)到衛(wèi)星12和從衛(wèi)星12接收數(shù)據(jù)的通信設(shè)備。舉例來說，SU26可以是手持的，適于與衛(wèi)星12通信的便攜式蜂窩電話機(jī)。初始地，對于通信系統(tǒng)10，SU不需要實(shí)行任何控制功能。
網(wǎng)絡(luò)10可容納任何數(shù)目的可能為百萬個用戶單元26。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，用戶單元26經(jīng)用戶鏈路16與靠近的衛(wèi)星12通信。用戶鏈路16一般可能稱為業(yè)務(wù)量信道。鏈路16包含電磁頻譜的有限部分，該頻譜被劃分為許多信道。鏈路16最好是L波段的頻率信道而且可包括頻分多址(FDMA)和/或時分多址(TDMA)通信(以下)或其組合。最少，衛(wèi)星12在一個或多個廣播信道18上連續(xù)發(fā)送。用戶單元26同步廣播信道18和監(jiān)視廣播信道18，檢測可能是對它們尋址的數(shù)據(jù)消息。用戶單元26可以經(jīng)一個或多個捕獲信道19發(fā)送消息至衛(wèi)星12。廣播信道18和捕獲信道19不是采用于任何一個用戶單元26的，但是它是由衛(wèi)星12當(dāng)前觀察到的范圍之內(nèi)所有用戶單元26共用。在一個實(shí)施例中，天線圖型被分為多個網(wǎng)孔，廣播信道18可能是專用于特定的網(wǎng)孔。
另一方面，業(yè)務(wù)量信道17是雙向信道，經(jīng)常由衛(wèi)星12指配給特定用戶單元26。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，數(shù)字格式被用于在信道17—19上的傳送數(shù)據(jù)，而業(yè)務(wù)量信道17支持實(shí)時通信。至少一個業(yè)務(wù)量信道17被指配給每個呼叫，而且每個業(yè)務(wù)量信道17具有足夠的帶寬最少支持一個雙向話音對話。為了支持實(shí)時通信，時分多址(TDMA)方案希望在60—90毫秒范圍內(nèi)最好用于劃分時間為幀。特定的業(yè)務(wù)量信道17被指配特定的發(fā)送和接收時隙，最好在每個幀內(nèi)具有3—10毫秒范圍的持續(xù)期。模擬的音頻信號被數(shù)字化，以便在分配的時隙期間以單個短的高速脈沖發(fā)送和接收整個幀的信號。最好地，每個衛(wèi)星12支持多達(dá)一千個或更多的業(yè)務(wù)量信道17，以便每個衛(wèi)星能同時地服務(wù)相同數(shù)量的獨(dú)立呼叫。
衛(wèi)星12與另一個靠近的衛(wèi)星12通過兩星間的鏈路23進(jìn)行通信。因此，與在地球表面上或接近地球表面上任何地點(diǎn)放置的用戶單元26的通信通過衛(wèi)星12的星座基本上可傳送到在地球表面上任何其它點(diǎn)的范圍內(nèi)。通信可使用用戶鏈路16從衛(wèi)星下行傳送到在或靠近地球表面上的用戶單元26。另一種方案，通過地球鏈路15，通信可能是下行傳送到或來自許多ET24的任何ET24上行傳送，圖1僅表示2個ET24。ET24最好根據(jù)地理一政治邊界分布在地球的表面上。在優(yōu)選實(shí)施例中，在任何給定的情況下，每個衛(wèi)星12可與多達(dá)4個ET24或上千個用戶單元26通信。
SCS28監(jiān)視系統(tǒng)通信站(例如，GW22，ET24和衛(wèi)星12)的正常狀況和狀態(tài)并且希望地管理通信系統(tǒng)的運(yùn)行。一個或多個ET24在SCS28和衛(wèi)星12之間提供基本的通信接口。ET24包括天線和RF收發(fā)信機(jī)并且最好實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星12星座的遙測，跟蹤和控制功能。
GW22連同衛(wèi)星12可實(shí)現(xiàn)所有處理功能或GW22可僅僅處理呼叫處理和在通信系統(tǒng)10內(nèi)呼叫處理能力的分配?；诓煌牡孛嫱ㄐ畔到y(tǒng)，例如PSTN，可通過GW22接入通信系統(tǒng)10。
用66個衛(wèi)星12的星座為例子，至少其中的一個衛(wèi)星12總是在地球的表面上每個點(diǎn)的視線內(nèi)(例如獲得地球表面的全部覆蓋)。理論上，任何衛(wèi)星12在任何時候通過衛(wèi)星12的星座發(fā)送數(shù)據(jù)可直接或間接地與任何SV26或ET24進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。因此，通信系統(tǒng)10通過在任何兩個SU26之間、SCS28和GW22之間、任何兩個GW22之間或SU26和GW22之間衛(wèi)星的星座建立中繼數(shù)據(jù)的通信通路。
本發(fā)明還可用于不能實(shí)現(xiàn)地球全部覆蓋的星座(即由星座提供的通信覆蓋中有“孔”)和出現(xiàn)地球部分的多個覆蓋的星座(即在地球的表面上點(diǎn)看是多于一個衛(wèi)星)。
圖2示出適合用于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中使用由衛(wèi)星12提供的衛(wèi)星無線通信站的方框圖。在系統(tǒng)10(見圖1)內(nèi)的所有衛(wèi)星12最好包括如圖2方框圖所示的設(shè)備。衛(wèi)星12包括鏈路兩端的收發(fā)信機(jī)72和相關(guān)的天線74。收發(fā)信機(jī)72和無線74支持鏈路兩端到另一個靠近的衛(wèi)星12。地球鏈路收發(fā)信機(jī)76和相關(guān)天線78支持地球鏈路與地球終端24(圖1)通信。而且，用戶單元收發(fā)信機(jī)80和相關(guān)天線82支持用戶單元26(圖1)。最好地，每個衛(wèi)星12可同時地支持多達(dá)幾千或更多的用戶單元26(圖1)的鏈路。當(dāng)然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員懂得，天線74、78和82可以或者作為單個多向天線或作為分立天線組實(shí)現(xiàn)。希望用戶鏈路天線82逐步采用能同時接入許多網(wǎng)孔的天線陣。
控制器84耦合到每個收發(fā)信機(jī)72、76和80以及連接到存儲器86和定時器88。使用一個或多個處理器可實(shí)現(xiàn)控制器84。其中控制器84使用定時器88維持當(dāng)前的日期和時間。存儲器86存儲命令控制器84的數(shù)據(jù)，當(dāng)由控制器84執(zhí)行時，使衛(wèi)星12實(shí)行下面要討論的過程。此外，存儲器86包括變量、表和由于衛(wèi)星12運(yùn)行而被操作的數(shù)據(jù)庫。
用戶單元收發(fā)信機(jī)80在由控制器所控制的特定的，可選擇的時隙期間，希望是能在所有不同可選擇的頻率上能發(fā)送和接收的多信道FDMA/TDMA收發(fā)信機(jī)。用戶單元收發(fā)信機(jī)80包含具有足夠信道數(shù)量的多信道無線電設(shè)備，提供希望數(shù)量的發(fā)送和接收頻率，用于信號的存取和控制以及用于用戶的話音和/或數(shù)據(jù)。控制器84可提供頻率分配和時隙指配，用戶單元的網(wǎng)孔至網(wǎng)孔的越區(qū)切換和其它開銷和管理及控制功能。用戶單元收發(fā)信機(jī)80希望提供在任何頻率信道組上的傳輸和接收，以便如果需要的話，每個用戶單元收發(fā)信機(jī)80可以根據(jù)處理所有頻率和時隙的指配的能力利用所有頻率信道組的全部頻譜容量。
圖3示出本發(fā)明的控制站65部分和地面站68部分的簡化方框圖?？刂普?5和地面站68分別是SCS28(圖1)和ET24(圖1)的希望部分?？刂普?5包括處理器60，經(jīng)鏈路61耦合到相關(guān)的存儲媒體62(例如隨機(jī)存取存儲器或RAM，其它半導(dǎo)體或磁的讀寫存儲器件、光盤、磁帶、軟盤、硬盤等)。地面站68包括經(jīng)鏈路69耦合到發(fā)送機(jī)63和接收機(jī)67的天線70。發(fā)送機(jī)63和接收機(jī)67分別經(jīng)鏈路64和66耦合到處理器60。處理器60希望執(zhí)行下面簡化的和在相關(guān)文件中描述的程序。例如，除了完成其它適當(dāng)任務(wù)之外，處理器60希望在存儲媒體62中存儲來自這些程序中的結(jié)果。發(fā)送機(jī)63和/或接收機(jī)67發(fā)送消息到和/或從衛(wèi)星12接收消息。
處理器60通常控制和管理用戶的存取、消息的接收和傳輸、信道建立、無線電設(shè)備的調(diào)諧、頻率和時隙的分配和由控制器84(圖2)不能管理和提供的其它蜂窩無線通信和控制功能。處理器60和/或控制器84(圖2)希望執(zhí)行允許用戶接入通信系統(tǒng)10的程序。這可包括在下面描述的信道建立和其它相關(guān)功能的規(guī)程程序。
圖4示出適合用于本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的典型用戶單元的簡化方框圖。用戶單元26(圖4)類似于圖1的用戶單元26，它與通信系統(tǒng)10通信。SU26還可通過通信系統(tǒng)10與其它SU26或其它通信設(shè)備進(jìn)行通信。用戶單元26包括收發(fā)信機(jī)42，使用天線41發(fā)送和接收到和來自通信系統(tǒng)10的信號。收發(fā)信機(jī)42希望是多信道收發(fā)信機(jī)，能夠在由通信系統(tǒng)10要求的規(guī)定時隙中在所有頻率信道上發(fā)送和接收。
收發(fā)信機(jī)42希望包括捕獲信道收發(fā)信機(jī)部分，廣播信道接收機(jī)部分和業(yè)務(wù)量信道收發(fā)信機(jī)部分。如前所述，當(dāng)用戶希望接入通信系統(tǒng)10時，捕獲信道收發(fā)信機(jī)在由衛(wèi)星12確定的一些捕獲信道的一個信道上發(fā)送并且主要地在存取規(guī)程期間使用。業(yè)務(wù)量信道收發(fā)信機(jī)部分在由衛(wèi)星12指配的業(yè)務(wù)量信道上與通信系統(tǒng)10通信。本領(lǐng)域的技術(shù)人員懂得，捕獲信道收發(fā)信機(jī)部分，廣播信道接收機(jī)部分和業(yè)務(wù)量信道收發(fā)信機(jī)部分可能被包括在有三種功能的一個單元中。收發(fā)信機(jī)42耦合到處理器44，該處理器44根據(jù)收發(fā)信機(jī)42操作控制頻率和定時參數(shù)。此外，處理器44最好控制收發(fā)信機(jī)42發(fā)送信號的功率電平。此外，處理器44希望地耦合到輸入/輸出(I/O)部件46，定時器48和存儲器43。處理器44使用定時器48維持當(dāng)前的日期和時間。存儲器43包括半導(dǎo)體，磁的和其它存儲設(shè)備，用于存儲命令處理器44的數(shù)據(jù)，而且當(dāng)由處理器44執(zhí)行時，使用戶單元26執(zhí)行下面討論的程序。此外，存儲器43包括變數(shù)、表和由于用戶單元26工作而操作的數(shù)據(jù)庫。
用戶單元26的輸入/輸出部件46用于從用戶單元26的用戶收集輸入并提供輸出供用戶覺察。輸入部件46最好例如包括鍵盤45，用來收集號碼，該號碼辨別呼叫所傳送到的一方；電源開關(guān)47，用于控制用戶單元26的激勵或再激勵；發(fā)送鍵49，指示被叫方號碼已被輸入和叉簧51。顯示器52可能是希望給用戶呈現(xiàn)可視信息，和告警器或發(fā)音器53希望可用于給用戶提供可聞的提醒。手機(jī)50希望地交換可聞的信號為電信號和反之亦然。
例如在美國專利No.4783779、4144412和5097499中描述了常規(guī)的蜂窩無線單元和系統(tǒng)，而在美國專利No.4722083和4819227中描述了衛(wèi)星通信系統(tǒng)。這些專利隨同引入作為參考。用戶單元天線82(圖2)，用戶單元收發(fā)信機(jī)80(圖2)，控制站28(圖1)和地球終端24(圖1)執(zhí)行這些功能并且至少包括傳統(tǒng)地與交換的地面或衛(wèi)星蜂窩通信系統(tǒng)相關(guān)的那些設(shè)備，加上下面更詳細(xì)地說明的附加功能和設(shè)備。
圖5示出衛(wèi)星的天線波束的地面投影區(qū)。圖5表示衛(wèi)星1 2的高度102，在地球101的表面上投射天線波束圖形的寬度104。如前所述，在優(yōu)選實(shí)施例中衛(wèi)星12的高度是在地球表面上方約450英里處。為了使提供完全的全球覆蓋所要求的衛(wèi)星數(shù)目最小，衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的寬度是很寬的。例如，用處在450英里的低地球軌道上的66個衛(wèi)星提供全球覆蓋，每個衛(wèi)星的地面投影可覆蓋達(dá)到3000英里的寬度。在優(yōu)選實(shí)施例中，地面投影寬度104約為3000英里，高度102約為450英里和衛(wèi)星至天線波束的外邊緣的距離103將約為1566英里。對在3000英里圓區(qū)域邊緣的觀察者，投射波束的衛(wèi)星可被看到正好稍微在水平線的上方。因此，假定從衛(wèi)星的波束投影基本上是圓的，而是圓的僅僅地面投影將是直接在衛(wèi)星之下的地面投影。點(diǎn)105直接表示為衛(wèi)星12之下，而且將放置在具有基本上圓的地面投影的無線波束之內(nèi)。另一方面，從衛(wèi)星的任何角度投影的波束在地球的表面上基本上形成橢圓的地面投影。
圖6示出本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的衛(wèi)星12的內(nèi)和外天線波束的地面投影形狀。內(nèi)波束110和外波束112二者基本上具有圓的橫截面積107，108。但是，當(dāng)波束被投射在地球表面時，外波束的地面投影變?yōu)楦鼨E圓形。如圖6所示，外波束112具有橢圓的地面覆蓋區(qū)域113，而內(nèi)波束110具有更圓的地面覆蓋區(qū)域111。本領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)識到，在理想的條件下，僅中心波束地面覆蓋區(qū)域?qū)⑹菆A形，而更外部波束被投射，將是更橢圓的地面覆蓋區(qū)域。為了說明這情況表示在圖7。
圖7示出衛(wèi)星的天線波束的地面投影部分的頂視圖。區(qū)域144圖示為一個圓，它是由衛(wèi)星12的中心天線波束產(chǎn)生的。中心天線波束必須垂直向下投射產(chǎn)生一個圓的區(qū)域，例如，區(qū)域144。區(qū)域143和145是由內(nèi)天線波束產(chǎn)生的，它以對中心波束一個角度投射。區(qū)域140，141和142是由外天線波束(例如圖6的波束112)產(chǎn)生的，它們是以比內(nèi)天線波束更大的角度投射。如有關(guān)圖6所研究的，因?yàn)橥渡涞慕嵌?，區(qū)域140—142是橢圓的而且基本上大于內(nèi)區(qū)域143，145。
圖8表示與外波束的地面投影區(qū)域相關(guān)的大約距離。外天線波束的覆蓋區(qū)域120類似于圖6的覆蓋區(qū)域113。距離124是從衛(wèi)星直接地在頭上方的點(diǎn)105到外天線波束的地面覆蓋區(qū)域120的點(diǎn)125之間的距離。在優(yōu)選實(shí)施例中，這個距離范圍在600和800英里之間，而且最好是約700英里。距離126是橫跨外部天線波束的地面覆蓋區(qū)域120的寬度或徑向距離，在優(yōu)選實(shí)施例中，它表示從點(diǎn)125延伸至點(diǎn)135，這個距離是在700和1000英里之間，而且最好是約800英里。距離121是從衛(wèi)星到外部天線波束覆蓋區(qū)域120的外部邊緣點(diǎn)135的距離，和距離122是從衛(wèi)星到外部天線波束覆蓋區(qū)域120的點(diǎn)125之間的距離。在優(yōu)選實(shí)施例中，距離121是在1500英里1600英里量級。距離122范圍從約800至850英里。
為了通過衛(wèi)星12接入通信系統(tǒng)10(圖1)，放置在或靠近地球表面的用戶單元26(圖1)必須在適當(dāng)?shù)亩〞r窗口期間并以適當(dāng)?shù)念l率接入衛(wèi)星。當(dāng)該用戶單元位于外天線波束內(nèi)，例如區(qū)域126內(nèi)時，從該用戶單元到該區(qū)一端的衛(wèi)星發(fā)送信號的傳播延遲大大地不同于與在該區(qū)域另一端上信號相關(guān)的傳播延遲。當(dāng)傳播延遲之間的差超過該衛(wèi)星的定時窗口時，該用戶單元不知道什么時候發(fā)送，以使其信號在衛(wèi)星的定時窗口之內(nèi)到達(dá)，如下面所說明的。
在地面上的用戶單元從衛(wèi)星接收傳輸并且需要預(yù)校正其信號的定時(即通過早一些發(fā)送)，以便與衛(wèi)星的定時窗口同步到達(dá)。該用戶單元需要根據(jù)從用戶單元到衛(wèi)星的兩倍距離校正其發(fā)送時間。因?yàn)闊o線電信號以約186000英里/秒的速率傳播，在優(yōu)選實(shí)施例中，與信號范圍有關(guān)的往返時延從區(qū)域120的內(nèi)部部分的8.94毫秒到區(qū)域120的外部部分的16.84毫秒。這就給出了當(dāng)用戶是在區(qū)域120的一端到區(qū)域120的另一端時總的范圍約8毫秒。如果在衛(wèi)星處接收的定時窗口小得多，例如在4和5毫秒寬之間，用戶單元需要知道它在波束的什么地方，以便擊中衛(wèi)星的定時窗口。內(nèi)部波束地面投影〔即區(qū)域143，144和145(圖9)〕具有往返延遲少于4毫秒的范圍。因此，對于大多內(nèi)部波束來說，它足夠知道哪一個波束提供覆蓋，以便估計(jì)定時提前調(diào)整，它將發(fā)送一個用戶單元的初始捕獲信號到衛(wèi)星處的定時窗口。
初始接入消息必須完全在衛(wèi)星定時窗口范圍內(nèi)。這是因?yàn)樵赥DMA系統(tǒng)中，在不正確時間期間的傳輸可能與相鄰時隙內(nèi)的現(xiàn)存呼叫重疊并受該呼叫干擾。在相鄰時隙內(nèi)對用戶的干擾電平取決于在該地區(qū)內(nèi)在進(jìn)行的呼叫數(shù)。
根據(jù)在優(yōu)選實(shí)施例中所涉及的距離，用戶單元必須知道它距衛(wèi)星的徑向位置在正或負(fù)約160英里之內(nèi)，以便足夠地確定適應(yīng)的傳輸時間，以便其捕獲信號與衛(wèi)星的定時窗口同步到達(dá)。這就等于知道用戶單元被安置在第3個外部波束。
許多方法可適用于確定用戶單元在正或負(fù)160英里內(nèi)的位置。在優(yōu)選實(shí)施例中，該用戶單元測量衛(wèi)星相鄰天線波束的信號強(qiáng)度，以便精確地確定其位置。在美國專利申請序列號08/237,705，申請日為1994年5月3日，名稱為“使用多波束衛(wèi)星的位置確定方法和系統(tǒng)”中公開了確定用戶單元位置的合適方法，并包括在這里作為參考。
圖9示出與具有降低信號電平的遠(yuǎn)外部區(qū)域相關(guān)的大約距離。除了圖8所示的以外，圖9示出降低的信號電平區(qū)域130。這個區(qū)域可從地域126的外部邊緣延伸一個距離127。距離127可能達(dá)到400英里。在優(yōu)選實(shí)施例中，從在衛(wèi)星正下面的點(diǎn)105到區(qū)域130外邊緣的點(diǎn)145的總距離可能是遠(yuǎn)至1900至2000英里。鄰近衛(wèi)星的中斷可使從相鄰衛(wèi)星的外部波束的覆蓋延伸到其要覆蓋之外到區(qū)域130。如果區(qū)域130的用戶單元希望與衛(wèi)星12通信，最大往返延遲將從在區(qū)域120內(nèi)的約8毫秒延伸到21毫秒。這就產(chǎn)生從遠(yuǎn)端145到遠(yuǎn)區(qū)域130的近端135約12毫秒往返定時差。在優(yōu)選實(shí)施例中，12毫秒定時差是該衛(wèi)星的允許的4毫秒定時窗口的3倍。
參見圖7，考慮用戶單元被放置在外波束區(qū)域141的情況。用戶單元通過尋找最大信號強(qiáng)度波束，首先成功地確定它是在波束區(qū)域141的覆蓋區(qū)域內(nèi)。其次，用戶單元仍需要處理這樣的情況，即它需要處理的定時校正在區(qū)域141兩端從9至21毫秒變化，其變化是12毫秒范圍。因?yàn)樾l(wèi)星接收窗口僅4毫秒寬，用戶單元需要將其本身放置在區(qū)域141的三分之一至四分之一徑向長度上。在優(yōu)選實(shí)施例中，用戶單元在靠近波束和“尋找”(hunting)上使用差分功率測量的組合。
波束區(qū)域141內(nèi)用戶單元可使用差別功率測量來確定它是否靠近波束區(qū)域141的內(nèi)波束端。如果該用戶單元能看到來自波束區(qū)域143和/或145的信號，它可認(rèn)為它靠近波束區(qū)域141的端點(diǎn)，并且適當(dāng)?shù)卦O(shè)置定時預(yù)校正。但是，為了近似地保持波束區(qū)域141長度的三分之二，只有相鄰的鄰近波束是可視的。這可有助于解決從波束一側(cè)到另一側(cè)的用戶單元的位置，但是，對于解決從衛(wèi)星的徑向距離沒有什么用。因此，如果用戶單元確定它不在波束區(qū)域141的內(nèi)部波束端，它必須“尋找”可能的定時提前，以便試圖得到定時窗口，如果沒有另一個定位裝置可用的話?！皩ふ摇笔侵刚麄€12毫秒范圍可用三個(也許四個)預(yù)定定時校正所覆蓋。對于往返時延從9至21毫秒的范圍例子來說，預(yù)定定時校正可能是11，15和19毫秒，每一個允許+/-2毫秒的誤差范圍。
有幾個與“尋找”有關(guān)的問題，例如，當(dāng)進(jìn)行接入嘗試時用戶單元有3至4個定時校正來試一試。當(dāng)該單元沒有得到來自衛(wèi)星的響應(yīng)時，不能保證使用的定時校正是錯誤的，因?yàn)榈叫l(wèi)星的消息由于地面干擾而丟失了，或者由于與另一個用戶單元碰撞，或者由于衰落。同樣，甚至消息到了衛(wèi)星，由于衰落，響應(yīng)也可能收不到。因此，尋找過程可能相當(dāng)慢，特別是因?yàn)橛脩魡卧枰獙γ看螄L試的響應(yīng)等待一些時間(例如約半秒鐘)。
而且，“尋找”產(chǎn)生對鄰近業(yè)務(wù)信道的干擾，例如，在一個實(shí)施例中，在衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)的時隙是約4.0毫秒寬，而具有約4.4毫秒邊際。如果如上所討論的，往返定時差高達(dá)12毫秒，接入嘗試可產(chǎn)生對鄰近業(yè)務(wù)量承載時隙的干擾。
與尋找有關(guān)的另一個問題是，如果接入衛(wèi)星上的信道是時隙鄰近的，尋找能使上行鏈路消息出現(xiàn)在鄰近接入信道內(nèi)。當(dāng)這種情況出現(xiàn)時，衛(wèi)星將假定，想要出現(xiàn)在那條接入信道的那個用戶單元而因此根據(jù)相對于那個信道的定時將發(fā)送它到業(yè)務(wù)信道，而不接入用戶單元原始打算要擊中的信道。結(jié)果是用戶單元進(jìn)入目標(biāo)傳遞時，將表現(xiàn)出準(zhǔn)確地失去一個時隙，這能使得干擾鄰近信道，并將失去呼叫，用戶再試發(fā)呼叫。
圖10示出使用戶單元與通信系統(tǒng)同步的程序200的流程圖。步驟(task)202確定用戶單元的位置在預(yù)定的范圍或從衛(wèi)星地面中心的徑向距離之內(nèi)，該范圍是根據(jù)衛(wèi)星的定時窗口和在優(yōu)選實(shí)施例中在正或負(fù)160英里之內(nèi)。對于由步驟202使用位置確定的許多方法是適合的。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，可使用在美國的專利申請?zhí)?8/237705中公開的轉(zhuǎn)讓給本申請相同的受讓人的位置確定方法。
步驟203確定該用戶單元目前在從衛(wèi)星投射的哪個天線波束中。雖然作為步驟202的一部分，用戶單元使用關(guān)于它所在波束的信息可確定其位置，步驟202可要求從幾秒到一分鐘來完成這個步驟。在這個時間期間，用戶單元所在波束可能已移動，因?yàn)樾l(wèi)星以高速率運(yùn)行。因此，放置用戶單元用于幫助確定用戶單元位置用戶單元所在的波束可能不再是它當(dāng)前所在的波束。因此，需要確定用戶單元當(dāng)前所處位置的波束，以便用戶不嘗試接入前面的波束。任務(wù)203最好是通過測量具有最強(qiáng)信號的波束來完成。另一種情況，可使用最靠近當(dāng)前計(jì)算位置的波束或可使用提供當(dāng)前計(jì)算位置的最好計(jì)算覆蓋的波束。
在步驟204，該衛(wèi)星提供波束地面投影中心的座標(biāo)和波束ID。地面投影的中心是不嚴(yán)格需要的。例如，提供的定位信息可簡單地是衛(wèi)星的地面跟蹤位置。假定用戶單元知道衛(wèi)星地面跟蹤與單個波束投影位置的關(guān)系。用戶單元可以計(jì)算其本地波束的位置。當(dāng)本地波束座標(biāo)向下發(fā)送時，波束ID用于建立兩件事情(1)波束中心與衛(wèi)星位置的關(guān)系和(2)哪一個波束是本地波束，以便用戶單元有機(jī)會使用預(yù)存儲覆蓋面積和該波束形狀的重現(xiàn)。希望向下發(fā)送的另一個消息是北界線/南界線指示。這就告訴用戶單元衛(wèi)星是在朝北(波束星座被調(diào)整到單向)或是在朝南(波束星座被倒相約180度)。另一種方案，用戶單元可計(jì)算兩個連續(xù)的衛(wèi)星位置建立運(yùn)行的方向。
在優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)用戶單元在監(jiān)視發(fā)送給它的振鈴告警時，它能接收這個信息。振鈴告警表示有一個用戶試圖呼叫一個特定的用產(chǎn)單元。
在步驟206，用戶單元計(jì)算衛(wèi)星的位置。用戶單元知道每個波束的形狀和覆蓋面積。它還知道每個波束的中心與在地球上衛(wèi)星的位置之間的關(guān)系。這將包括知道關(guān)于衛(wèi)星在地球表面上方大約高度。
在步驟208，用戶單元計(jì)算與在軌道衛(wèi)星的定時和頻率同步所需的多普列和定時。關(guān)于定時，用戶單元從衛(wèi)星接收信號的時間延遲方案。這個時間延遲是由無線電信號以約186000英里/秒的傳播延遲產(chǎn)生的。如果用戶單元響應(yīng)于與該用戶單元從衛(wèi)星看到的信號同步的衛(wèi)星，該信號到達(dá)衛(wèi)星要晚些時間，而且失步，其時間量等效于兩倍于那個距離的單向無線信號傳播延遲。因此，對于用戶單元的信號終止在與衛(wèi)星的定時同步的衛(wèi)星，用戶單元必須早一些時間發(fā)送其信號，早的時間量為估計(jì)單向傳播延遲時間的兩倍，它直接地正比例于用戶單元至衛(wèi)星距離的估計(jì)。
從步驟202用戶單元知道它當(dāng)前的位置并能從波束ID和波束中心坐標(biāo)確定衛(wèi)星的當(dāng)前位置。用戶單元還知道波束中心至衛(wèi)星位置的關(guān)系。用這個信息，該用戶單元能確定距衛(wèi)星的距離，因此定時校正對于傳輸是需要的。
通過測量衛(wèi)星的定時變化能觀察到與衛(wèi)星的運(yùn)動有關(guān)的多普列頻移。另一方面，通過使用衛(wèi)星的距離，方位和速度信息的知識能夠計(jì)算多普列頻移。
步驟210校正多普列和定時，以便用戶單元能接入衛(wèi)星。用戶單元可能希望接入衛(wèi)星的理由是，例如來自用戶單元的初始電話呼叫的始發(fā)或響應(yīng)由系統(tǒng)發(fā)出的尋呼告訴用戶單元有一個來話呼叫它。在步驟212，用戶單元始發(fā)一個使用校正頻率和定時窗口的捕獲規(guī)程。
上述的特定實(shí)施例將完全公開了本發(fā)明的一般特點(diǎn)，以致于其它的特點(diǎn)可通過利用現(xiàn)有的知識，對各種應(yīng)用簡單地修改和/或改進(jìn)，這樣的特定實(shí)施例不脫離一般的概念，因此這樣的改進(jìn)和修改應(yīng)當(dāng)而且都在公開實(shí)施例等效的意思和范圍之內(nèi)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員懂得，用于接入通信系統(tǒng)的新的和新穎方法和設(shè)備已描述了，該系統(tǒng)投射天線波束上或者甚至有幾千英里的長度。因此，還描述了用于同步于通信系統(tǒng)的定時窗口的新的和新穎方法和設(shè)備，但其距離用戶單元是不知道的。還描述了一個用戶單元確定它相對于通信站的位置并發(fā)送與系統(tǒng)的捕獲定時窗口同步的捕獲信號。還描述了初始地接入時分多址(TDMA)通信系統(tǒng)的方法和設(shè)備，而與在鄰近時隙和鄰近頻道中正在進(jìn)行的呼叫沒有干擾。
應(yīng)當(dāng)懂得，在這里使用的術(shù)語或詞語是為了說明的目的而不是限制。因此，本發(fā)明是用來包含所有這樣的改變、修改、等效和變化，因?yàn)槎疾幻撾x所附權(quán)利要求的精神和廣闊的范圍。
權(quán)利要求
1.一種由用戶單元(26)接入通信系統(tǒng)(10)的方法，所述通信系統(tǒng)其特征在于至少一個通信站(12)，該通信站在地球的表面上投射多個天線波束(111—113)，而且該站相對于地球的表面是運(yùn)動的，所述方法其特征在于包括以下步驟(a)由所述用戶單元(26)使用所述一個通信站(12)確定所述用戶單元(26)的第一位置；(b)確定所述用戶單元(26)所在的所述天線波束(111—113)中的一個波束；(c)從所述一個通信站(12)接收表示所述一個波束地面投影中心的一個波束中心識別符；(d)使用所述波束中心識別符確定所述一個通信站的第二位置；(e)根據(jù)所述第一和第二位置之間的差計(jì)算至所述一個通信站的傳播時間；和(f)根據(jù)所述傳播時間發(fā)送一個捕獲請求到所述一個通信站，其中所述捕獲請求在定時窗口內(nèi)到達(dá)所述一個通信站。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，包括以下步驟(g)計(jì)算同步所述用戶單元到所述一個通信站的定時提前，所述定時提前是基于所述傳播時間而且大約是兩倍的所述傳播時間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，包括以下步驟(g)估計(jì)所述通信站相對于所述用戶單元的速度；(h)計(jì)算與所述速度有關(guān)的頻移；和(i)根據(jù)所述頻移調(diào)整所述請求的傳輸頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于步驟(b)包括以下步驟通過測量每個所述天線波束的功率電平，確定所述天線波束的所述一個波束；和選擇具有最大功率電平的所述天線波束的所述一個波束；步驟(c)包括以下步驟接收指示所述一個通信站的地面投影中心的所述波束中心識別符；步驟(a)包括以下步驟確定在預(yù)定范圍內(nèi)的所述第一位置、根據(jù)所述定時窗口的所述預(yù)定范圍，和進(jìn)一步的特征在于包括步驟確定在所述預(yù)定范圍內(nèi)的所述第一位置，所述預(yù)定范圍是從所述一個通信站的中心地面投影在160英里徑向精度內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述步驟(c)包括以下步驟接收在振鈴告警信道上的所述波束中心識別符，和其中所述波束中心識別符包括所述一個天線波束的所述中心的座標(biāo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟(b)包括以下步驟確定所述用戶單元所在的所述多個天線波束的所述一個波束，所述一個天線波束是所述多個天線波束的外部波束并且具有基本上橢圓的地面投影。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟(a)包括以下步驟(a1)在所述用戶單元接收用所述天線波束的所述一個波束的唯一信息表征的信號，(a2)根據(jù)所述信息處理波束的幾何形狀以確定所述用戶單元所在的區(qū)域，所述波束幾何形狀被存儲在所述用戶單元中；和(a3)比較所述區(qū)域與最后報告區(qū)域的存儲數(shù)值。
8.一種用戶單元(26)，該用戶單元(26)同步于通信站(12)的定時窗口，所述通信站在地球的表面上投射多個天線波束(111—113)，而且相對于地球的表面運(yùn)動，所述用戶單元(26)其特征在于一個接收機(jī)，用于從所述通信站(12)接收波束中心識別；一個處理器(44)，用于確定在預(yù)定范圍內(nèi)所述用戶單元的第一位置和確定所述用戶單元所在的多個天線波束的一個波束；一個存儲器(43)，用于存儲所述通信站的天線圖形信息；和一個發(fā)射機(jī)(42)，用于發(fā)送捕獲請求到所述通信站，所述處理器(44)使用所述波束中心識別確定所述通信站的第二位置，并根據(jù)第一和第二位置間的差計(jì)算至所述通信站的傳播時間，所述發(fā)送機(jī)(42)根據(jù)所述傳播時間發(fā)送所述捕獲請求。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的用戶單元，其特征在于，所述處理器包括用于計(jì)算定時提前的裝置，定時提前約為2倍所述傳播時間；所述發(fā)射機(jī)包括總是在所述定時提前的前面發(fā)送所述捕獲請求，所述通信站在預(yù)定定時窗口內(nèi)接收所述捕獲請求；所述波束中心識別表示一個天線波束的中心位置；和所述處理器包括用于根據(jù)所述通信站的所述天線波束的測量功率電平確定所述第一位置的裝置。
10.一種操作通信系統(tǒng)(10)中用戶單元(26)的方法，該系統(tǒng)其特征在于至少一個低地球軌道衛(wèi)星(12)，該衛(wèi)星投射多個運(yùn)動的天線波束到地球的表面，至少一些所述天線波束從所述衛(wèi)星的地面上的點(diǎn)延伸一個徑向距離，所述方法其特征在于包括以下步驟a)確定(202)在預(yù)定范圍內(nèi)的所述用戶單元的位置，根據(jù)所述衛(wèi)星的捕獲定時窗口確定所述預(yù)定范圍；(b)使用從所述衛(wèi)星接收的所述位置和波束中心信息確定(208)從所述用戶單元到所述衛(wèi)星的傳播距離；(c)以提前約兩倍于所述傳播距離的傳播時間的時間發(fā)送(212)捕獲請求到所述衛(wèi)星，和其中所述徑向距離是足夠地大，使所述用戶單元所在的天線波束兩端差別的傳播時間超過所述衛(wèi)星的所述捕獲定時窗口，和其中步驟(a)的特征在于包括步驟確定在所述預(yù)定范圍內(nèi)的所述位置，所述預(yù)定范圍具有少于所述定時窗口的所述差別傳播時間。
全文摘要
在基于衛(wèi)星的蜂窩通信系統(tǒng)(10)中衛(wèi)星(12)相對于地球運(yùn)動和具有覆蓋幾千英里的天線圖型，用戶單元(26)須在適當(dāng)時隙期間以適當(dāng)頻率初始地接入通信系統(tǒng)，補(bǔ)償傳播延遲和頻移，確定它所在的衛(wèi)星(12)的天線波束(110-113)并接收天線波束的中心坐標(biāo)(105)。計(jì)算衛(wèi)星的位置并估計(jì)至衛(wèi)星的傳播距離。根據(jù)距衛(wèi)星的距離和衛(wèi)星的速度，用戶單元以適當(dāng)時間和頻率發(fā)送捕獲請求以在衛(wèi)星的定時窗口內(nèi)接收該請求，調(diào)整傳輸頻率補(bǔ)償頻移。
文檔編號H04B7/212GK1121278SQ9510814
公開日1996年4月24日 申請日期1995年6月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月30日
發(fā)明者丹尼爾·理查德·泰洛伊 申請人:摩托羅拉公司