專利名稱：用于低地球軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)的閉環(huán)功率控制的制作方法
本專利申請是1997年4月4日提交的、待審查的美國專利申請S.N.08/832,644的部分繼續(xù)申請，而后者又是1995年6月6日提交的美國專利申請S.N.08/467,209(即1997年4月8日頒發(fā)的、現(xiàn)在的美國專利No.5,619,525)的后續(xù)申請。
本發(fā)明總的涉及基于轉(zhuǎn)發(fā)器的通信系統(tǒng)，具體地，涉及具有在一個或多個衛(wèi)星與至少一個地面站之間的雙向通信信號鏈路的、基于衛(wèi)星的通信系統(tǒng)。
基于衛(wèi)星的通信系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)廣泛地被提供。例如，參照1994年4月12日授權(quán)給本專利申請的發(fā)明者之一的美國專利No.5,303,286，題目為“Wireless Telephone/Satellite RomingSystem(無線電話/衛(wèi)星漫游系統(tǒng))”。也可參考在美國專利No.5,303,286中列出的許多美國專利、外國專利、和其它出版物。
低地球軌道衛(wèi)星系統(tǒng)已在全世界范圍被建議用于移動和蜂窩一類的通信。這些系統(tǒng)提供使用低成本的手持通信設備或用戶終端的能力，以便通過衛(wèi)星與遠端的、農(nóng)村的、城市的、和其它環(huán)境中的對方進行通信。
作為一個例子，連接一個或多個衛(wèi)星的用戶鏈路可以運行在相對較低的頻率(例如UHF信號)上。用戶鏈路通過一個或多個衛(wèi)星連接到地面站始發(fā)的饋送鏈路，該鏈路運行在較高的頻率上，例如，3GHz到40GHz或更高。饋送鏈路被連接到地面網(wǎng)關，該網(wǎng)關允許用戶接入到公共交換電話網(wǎng)(PSTN)、專用網(wǎng)、或某些其它地面通信設施。
通常，如果饋送鏈路頻率低于7GHz，則對于信號損害只有很小的可能。然而，對于大于7GHz的情況，降雨對于到衛(wèi)星的鏈路的影響大大增加。由NASA等進行的研究定量地確定了雨的影響，并且發(fā)現(xiàn)分布在衛(wèi)星上行鏈路發(fā)射機的站點附近的所謂的“降雨小區(qū)”的有害影響更嚴重。
無線通信系統(tǒng)中的另一個考慮是控制發(fā)射功率。例如，在用戶終端與基站之間進行鏈路損害信息的交換后，各個用戶鏈路可以由中央站點(例如基站)進行功率控制。這種技術(shù)通常被稱為用戶終端功率控制。這種功率控制的功能緩和了由用戶鏈路內(nèi)的樹木、建筑物和其它有害RF因素造成的衰落。這些有害分量具有將信號功率電平減小到較低的電平的特征。為了補償信號電平的減小，可以命令用戶終端增加其發(fā)射功率。相應地，用戶終端可以請求中央站以較高的功率電平發(fā)射。
然而，在使用衛(wèi)星作為轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，來自用戶終端或來自地面站(例如網(wǎng)關)的發(fā)射功率的增加會導致要求衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器增加功率。在衛(wèi)星功率是提供給許多用戶的、并在許多用戶之間進行分配的主要資源的情況下，衛(wèi)星功率消耗的任何增加是不希望的。而且，對于電池供電的用戶終端，發(fā)射功率的增加對于在電池需要重新充電以前能夠進行的呼叫的數(shù)目和持續(xù)時間會有不利的影響。
如果饋送鏈路本身被損壞，這個問題將被復雜化，其結(jié)果將是所有相關的用戶鏈路中的信號功率減小。為了補償信號功率的減小，所有的用戶終端可請求地面站增加其輸出功率，由此大大地增加衛(wèi)星功率消耗。
所以希望提供一種能克服這些和其它問題的、用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的功率控制功能。
本發(fā)明是有關于衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及由該系統(tǒng)實施的、用于提供自適應閉環(huán)功率控制的方法。按照本發(fā)明的一種用于運行具有至少一個衛(wèi)星和至少一個地面站的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的方法，該方法包括以下步驟測量由用戶終端接收的至少一個參考信號的質(zhì)量，把由用戶終端接收的參考信號的質(zhì)量發(fā)送到地面站，比較測量的質(zhì)量，以及根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)地面站的發(fā)射功率。參考信號由地面站通過衛(wèi)星發(fā)送到用戶終端。把測量質(zhì)量與預定的基準進行比較。根據(jù)預定的基準與測量質(zhì)量之間的差值調(diào)節(jié)地面站的發(fā)射功率，以使得下行鏈路波束的能流密度在用戶終端處基本上是恒定的，與用戶終端在波束中的位置無關。
按照本發(fā)明還提供了包括至少一個衛(wèi)星和至少一個地面站的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。按照本發(fā)明，衛(wèi)星通信系統(tǒng)還包括用于發(fā)射上行鏈路參考信號的裝置，該衛(wèi)星包括接收機和發(fā)射機的衛(wèi)星，至少一個用戶終端以及被耦合到地面站的處理器。衛(wèi)星接收機接收上行鏈路參考信號。衛(wèi)星發(fā)射機發(fā)送參考信號作為轉(zhuǎn)發(fā)的下行鏈路參考信號。用戶終端具有接收機，用于接收由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的參考信號。用戶終端還具有用于測量由用戶終端接收的參考信號的質(zhì)量的裝置，以及還具有用于發(fā)送測量質(zhì)量的裝置。處理器被耦合到地面站，用于根據(jù)由用戶終端發(fā)送的測量質(zhì)量來調(diào)節(jié)地面站的發(fā)射功率。處理器被編程為至少能調(diào)節(jié)發(fā)射功率以使得來自衛(wèi)星的下行鏈路波束的能流密度在用戶終端處基本上恒定而與用戶終端在波束中的位置無關，或者能調(diào)節(jié)發(fā)射功率以便補償衛(wèi)星增益的預期的變化和保持在用戶終端位置處的波束的能流密度大于預定的門限值。
在本發(fā)明的另一個實施例中，該多個用戶終端包括多個多種類型的用戶終端，以及按照在這里給出的教導的、用于操作衛(wèi)星通信系統(tǒng)的方法包括以下步驟測量由用戶終端接收的參考信號的質(zhì)量，把由用戶終端接收的參考信號的測量質(zhì)量發(fā)送到地面站，把測量質(zhì)量與預定的基準進行比較，以及根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)地面站發(fā)射功率。參考信號是由地面站通過衛(wèi)星發(fā)送給用戶終端的。地面站的發(fā)射功率優(yōu)選地被調(diào)節(jié)成至少或者使得能向在給定的一個下行鏈路波束內(nèi)預定的百分數(shù)的全部用戶終端提供超過通用的預定門限值的下行鏈路信號質(zhì)量，或者使得能向在波束內(nèi)預定的百分數(shù)的每種類型的用戶終端提供超過對于每種類型的用戶終端所獨立設置的相應的預定門限值的下行鏈路信號質(zhì)量。
當結(jié)合附圖閱讀隨后的本發(fā)明的詳細描述時將更明白本發(fā)明的上述的和其它的特征，其中

圖1是按照本發(fā)明的本優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的方框圖；圖2是圖1的網(wǎng)關之一的方框圖；圖3A是圖1的衛(wèi)星之一的通信有效負載的方框圖；圖3B顯示從圖1的衛(wèi)星之一發(fā)射的波束方向圖的一部分；圖4是描繪地面設備支持衛(wèi)星遙測和控制功能的方框圖；圖5是圖2的CDMA子系統(tǒng)的方框圖；圖6是顯示按照本發(fā)明的、具有自適應功率控制功能的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的方框圖；圖7是更詳細地顯示自適應功率控制功能的部件的方框圖；圖8是顯示本發(fā)明的功率控制方法的邏輯流程圖；圖9描繪了本發(fā)明的兩級自適應功率控制環(huán)，它具有一個外部的全局的饋送鏈路功率控制環(huán)來補償整體功率有害分量，以及具有多個內(nèi)部的用戶鏈路功率控制環(huán)來補償各個用戶鏈路功率有害分量；圖10是顯示按照本發(fā)明的第二控制方法的第二邏輯流程圖；圖11-11B是顯示按照本發(fā)明的第三控制方法的邏輯流程圖；以及圖12是進一步顯示圖11A和11B所示的方法的步驟的邏輯流程圖。
圖1顯示了衛(wèi)星通信系統(tǒng)10的本優(yōu)選實施例，它適合于結(jié)合本發(fā)明的自適應功率控制功能的本優(yōu)選實施例一起使用。在詳細描述本發(fā)明以前，首先描述通信系統(tǒng)10，以便更全面地了解功率控制。
通信系統(tǒng)10可以從概念上劃分成多個分段1,2,3和4。分段1在這里被稱為空間段，分段2稱為用戶段，分段3稱為地面段，以及分段4稱為電話系統(tǒng)基礎段。
在本發(fā)明的本優(yōu)選實施例中，總共有48個衛(wèi)星運行在1414公里低地球軌道(LEO)上。全部衛(wèi)星12被分布在八個軌道面上，每個面有六個等間隔的衛(wèi)星(Walker星座)。軌道面相對于赤道傾斜52度，以及每個衛(wèi)星每114分鐘繞軌道一次。這種方法提供了幾乎全球的覆蓋，優(yōu)選地，從位于約南緯70度與約北緯70度之間的特定的用戶在任何給定的時間至少可以看到兩個衛(wèi)星。這樣，用戶能夠(借助于PSTN)通過一個或多個網(wǎng)關18和一個或多個衛(wèi)星12(也有可能通過使用電話基礎段4的一部分)，從網(wǎng)關(GW)18覆蓋區(qū)內(nèi)的地球表面上的任何地點與地球表面上的另一個地點通信。
這里應當指出，對系統(tǒng)10的以上的和隨后的描述僅僅給出通信系統(tǒng)的一個實施例，在其中可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的教導是有用的。也就是，通信系統(tǒng)的具體細節(jié)不是在對本發(fā)明的實施的限制的意義上被讀出或被解釋的。
現(xiàn)在繼續(xù)描述系統(tǒng)10，在衛(wèi)星12之間和在由每個衛(wèi)星所發(fā)射的16個點波束的各個波束之間的軟轉(zhuǎn)移(切換)過程(圖3B)，提供了通過擴頻(SS)、碼分多址(CDMA)技術(shù)的不間斷的通信。本優(yōu)選的SS-CDMA技術(shù)類似于TIA/EIA臨時標準，“Mobile Station-Base StationCompatibility Standard for Dual-Mode Wideband Spread SpectrumCellular System(用于雙模寬帶擴頻蜂窩系統(tǒng)的移動臺-基站兼容性標準)”TIA/EIA/IS-95,1993年7月，雖然其它的擴頻和CDMA技術(shù)和協(xié)議也可以使用。
低地球軌道允許低功率固定的或移動的用戶終端13通過衛(wèi)星進行通信，其每個功能在本發(fā)明的本優(yōu)選實施例中，僅僅作為“彎管式(bentpipe)”轉(zhuǎn)發(fā)器來接收來自用戶終端13或來自網(wǎng)關18的通信業(yè)務信號(諸如語音和/或數(shù)據(jù))，把接收的通信業(yè)務信號變換到另一個頻段，然后重新發(fā)送變換的信號。也就是，沒有出現(xiàn)接收的通信業(yè)務信號的星上信號處理，以及衛(wèi)星12沒有發(fā)覺接收的或發(fā)送的通信業(yè)務信號可能輸送的任何信息。
而且，在衛(wèi)星12之間不需要直接的通信鏈路。也就是，每個衛(wèi)星12只接收來自位于用戶段2的發(fā)射機的信號，或來自位于地面段3的發(fā)射機的信號，以及只發(fā)送信號給位于用戶段2的接收機，或給位于用地面段3的接收機。
用戶段2可包括多種類型的、適合于與衛(wèi)星12通信的用戶終端13。用戶終端13包括，例如，多種不同類型的固定的、和移動的用戶終端，其中包括但不限于手持移動無線電話14、車載移動無線電話15、尋呼/通知消息型設備16、和固定無線電話14a。用戶終端優(yōu)選地配備以全向天線13a，用于通過一個或多個衛(wèi)星12的雙向通信。
應當指出，固定無線電話14a可以采用定向天線。這樣做的優(yōu)點在于使得干擾減小，從而導致可以同時由一個或多個衛(wèi)星12提供服務的用戶的數(shù)目增加。
還應當指出，用戶終端13可以是包括也用于以傳統(tǒng)方式與地面蜂窩系統(tǒng)通信的電路的雙用途設備。
還參照圖3A，用戶終端13可以運行在全雙工模式，以及分別經(jīng)過L波段RF鏈路(上行鏈路或返回鏈路17b)和S波段RF鏈路(下行鏈路或前向鏈路17a)通過返回和前向衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器12a和12b進行通信。返回L波段RF鏈路17b可以運行在1.61GHz到1.625GHz的頻率范圍內(nèi)，其帶寬為16.5MHz，以及按照優(yōu)選的擴頻技術(shù)以分組方式的數(shù)字話音信號和/或數(shù)據(jù)進行調(diào)制。前向S波段RF鏈路17a可以運行在2.485GHz到2.5GHz的頻率范圍內(nèi)，其帶寬為16.5MHz。前向RF鏈路17a也按照優(yōu)選的擴頻技術(shù)以分組方式的數(shù)字話音信號和/或數(shù)據(jù)進行調(diào)制。
前向鏈路的16.5MHz帶寬被分割成13個信道，每個信道分配給多達128個用戶。返回鏈路可以具有各種不同的帶寬，以及給定的用戶終端13可以或不一定被分配以與前向鏈路上所分配的信道不同的信道。然而，當在返回鏈路(從兩個以上的衛(wèi)星12接收)上運行在分集接收模式時，用戶被分配以用于每個衛(wèi)星的相同的前向和返回鏈路RF信道。
地面段3包括至少一個但通常是多個網(wǎng)關18，它通過全雙工C波段RF鏈路19(前向鏈路19a(到衛(wèi)星)、運行在通常大于3GHz的頻率范圍內(nèi)(優(yōu)選地是在C波段)的返回鏈路19b(來自衛(wèi)星)而與衛(wèi)星12通信。C波段RF鏈路雙向地輸送通信饋送鏈路，也輸送衛(wèi)星命令給衛(wèi)星和來自衛(wèi)星的遙測信息。前向饋送鏈路19a可以運行在5GHz到5.25GHz的頻段，而返回饋送鏈路19b可以運行在6.875GHz到7.075GHz的頻段。
衛(wèi)星饋送鏈路天線12g和12h優(yōu)選地是寬覆蓋的天線，它們對著如從LEO衛(wèi)星12看到的最大的地球覆蓋區(qū)域。在通信系統(tǒng)10的本優(yōu)選實施例中，從給定的LEO衛(wèi)星12所對著的角度(假定離地球表面10°仰角)大約是110°。這產(chǎn)生直徑約為3600哩的覆蓋區(qū)。
L波段和S波段天線是多波束天線，提供在相關的地面服務區(qū)域內(nèi)的覆蓋。L波段和S波段天線12d和12c優(yōu)選地分別是互相對應的，如圖3B所示。也就是，來自空間飛行器的發(fā)射和接收波束覆蓋地球表面上相同的區(qū)域，雖然這個特性對于系統(tǒng)10的運行并不是重要的。
作為一個例子，通過給定的一個衛(wèi)星12可以進行幾千對雙工通信。按照系統(tǒng)10的特性，兩個或多個衛(wèi)星12其每個可以輸送在給定的用戶終端13與網(wǎng)關18之一之間的相同的通信。這種運行模式(如下面詳細描述的)提供在各個接收機處的分集組合，導致提高對衰落的對抗能力以及使得易于實施軟切換程序。
應當指出，這里所描述的所有的頻率、帶寬等等只是一個具體的系統(tǒng)的代表。其它的頻率和頻段也可以被使用，在原理上與所討論的沒有變化。僅作為一個例子，在網(wǎng)關與衛(wèi)星之間的饋送鏈路可以使用除C波段(約3GHz到約7GHz)以外的波段，例如，Ku波段(約10GHz到約15GHz)或Ka波段(約15GHz以上)。當使用這后兩個頻段之一時，本發(fā)明的教導變成為特別有用。
網(wǎng)關18起到把通信有效負載或衛(wèi)星12的轉(zhuǎn)發(fā)器12a和12b(圖3A)耦合到電話基礎段4的作用。轉(zhuǎn)發(fā)器12a和12b包括L波段接收天線12c、S波段發(fā)射天線12d、c波段功率放大器12e、c波段低噪聲放大器12f、c波段天線12g和12h、L波段到C波段變頻部分12i、和C波段到S波段變頻部分12j。衛(wèi)星12也包括主頻率發(fā)生器12k以及命令與遙測設備121。
關于這方面，也可以參考E.Hirshfield等的、題目為“MobileCommunication Satellite Payload(移動通信衛(wèi)星的有效負載)”的美國專利No.5,422,647，以及E.Hirshfield等的、題目為“SatelliteCommunication Power Management System(衛(wèi)星通信功率管理系統(tǒng))”的美國專利No.5,787,336，這兩個專利的揭示內(nèi)容整體地在此引用，以供參考。
電話基礎段4由現(xiàn)有的電話系統(tǒng)組成，它包括公共地面移動網(wǎng)(PLMN)網(wǎng)關20、本地電話交換局(諸如分局公共電話網(wǎng)(RPTN)22或其它本地電話服務提供者)、國內(nèi)長途網(wǎng)24、國際網(wǎng)26、專用網(wǎng)28和其它RPTN 30。通信系統(tǒng)10用來提供在用戶段2和公共交換電話網(wǎng)(PSTN)電話32與電話基礎段4的非PSTN電話32或其它各種類型的用戶終端(它們可以是專用網(wǎng))之間的雙向話音和/或數(shù)據(jù)通信。
也如圖1所示(以及也如圖4所示)，作為地面段3的一部分是衛(wèi)星操作控制中心(SOCC)36和地面操作控制中心(GOCC)38。一個包括地面數(shù)據(jù)網(wǎng)(GDN)39(見圖2)在內(nèi)的通信路徑被提供用來對網(wǎng)關18和TCU18a、地面段3的SOCC 36和GOCC 38進行互聯(lián)。通信系統(tǒng)10的這個部分提供總的系統(tǒng)控制功能。
圖2更詳細地顯示了一個網(wǎng)關18。每個網(wǎng)關18包括多到四個雙極化RF C波段子系統(tǒng)，其每個子系統(tǒng)包括碟形天線40、天線驅(qū)動器42和支座42a、低噪聲接收機44、以及高功率放大器46。所有這些部件可以位于天線罩結(jié)構(gòu)內(nèi)，以便提供環(huán)境保護。
網(wǎng)關還包括下變頻器48和上變頻器50，用于分別處理接收的和發(fā)送的RF載波信號。下變頻器48和上變頻器50被連接到CDMA子系統(tǒng)52，后者又通過PSTN接口54被耦合到公共交換電話網(wǎng)(PSTN)。作為一個任選方案，PSTN可以通過使用衛(wèi)星到衛(wèi)星鏈路而被旁路。
CDMA子系統(tǒng)52包括信號相加器/切換單元52a、網(wǎng)關收發(fā)信機子系統(tǒng)(GTS)52b、GTS控制器52c、CDMA互聯(lián)子系統(tǒng)(CIS)52d、和選擇器組子系統(tǒng)(SBS)52e。CDMA子系統(tǒng)52由基站管理器(BSM)52f和一些功能決以類似于CDMA可兼容的(例如，IS-95可兼容的)基站的方式進行控制。CDMA子系統(tǒng)52還包括所需要的頻率綜合器52g和全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機52h。
PSTN接口54包括PSTN業(yè)務交換點(SSP)54a、呼叫控制處理器(CCP)54b、訪問者位置寄存器(VLR)54c、和連到原籍位置寄存器(HLR)的協(xié)議接口54d。HLR可以位于蜂窩網(wǎng)關內(nèi)，或任選地位于PSTN接口54內(nèi)。
網(wǎng)關18通過由SSP 54a制成的標準接口被連接到電信網(wǎng)。網(wǎng)關18提供一個接口，以及通過主速率接口(PRI)連接到PSTN。網(wǎng)關18還能夠提供連到移動交換中心(MSC)的直接連接。
網(wǎng)關18提供SS-7ISDN固定信令給CCP 54b。在這個接口的網(wǎng)關一側(cè)，CCP 54b與CIS 52d互相接口，從而連接到CDMA子系統(tǒng)52。CCP54b提供用于系統(tǒng)空中接口(AI)的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，它可以是類似于用于CDMA通信的IS-95臨時標準。
方塊54c和54d通常在網(wǎng)關18和外部蜂窩電話網(wǎng)(是與IS-41(北美標準，AMPS)或GSM(歐洲標準，MAP)蜂窩系統(tǒng)兼容的)之間提供接口，并且特別是用于處理漫游者(也就是在他們的原籍系統(tǒng)以外進行呼叫的用戶)的具體的方法。網(wǎng)關18支持對于系統(tǒng)10/AMPS電話和對于系統(tǒng)10/GSM電話的用戶終端鑒權(quán)。在其中沒有現(xiàn)有的電信基礎設施的服務區(qū)域中，HLR可被添加到網(wǎng)關18中，以及與SS-7信令接口相連接。
在用戶的正常服務的區(qū)域以外進行呼叫的用戶(漫游者)如果已被鑒權(quán)則被系統(tǒng)10接納。在任何環(huán)境下可能發(fā)現(xiàn)漫游者的情況下，用戶可利用相同的地面設備從世界上任何地方發(fā)起呼叫，以及由網(wǎng)關18透明地進行必要的協(xié)議轉(zhuǎn)換。協(xié)議接口54d在不需要被轉(zhuǎn)換(例如從GSM到AMPS的轉(zhuǎn)換)時被旁路。
除了提供傳統(tǒng)的、規(guī)定用于GSM移動交換中心的“A”接口和連接到IS-41移動交換中心的自動售貨機專用接口以外，或者取代這些接口，提供連接到網(wǎng)關20的專用的、通用接口屬于本發(fā)明的教導的范圍內(nèi)。提供直接連接到PSTN的接口(如圖1表示的信號路徑PSTN-INT)，也屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
總的網(wǎng)關控制由網(wǎng)關控制器56提供，它包括連接到上述的地面數(shù)據(jù)網(wǎng)(GDN)39的接口56a和連接到業(yè)務提供者控制中心(SPCC)60的接口56b。網(wǎng)關控制器56通常通過BSM 52f和通過與每個天線40有關的RF控制器43被互聯(lián)到網(wǎng)關18。網(wǎng)關控制器56還被耦合到數(shù)據(jù)庫62(諸如用戶的數(shù)據(jù)庫、衛(wèi)星推測表數(shù)據(jù)等)，以及被耦合到I/O單元64，后者可使得業(yè)務個人能夠接入到網(wǎng)關控制器56。GDN 39也被雙向地互聯(lián)到遙測和控制(T＆C)單元66(圖1和4)。
參照圖4，GOCC的功能是規(guī)劃和控制網(wǎng)關18對衛(wèi)星的利用，以及與SOCC 36協(xié)調(diào)這種利用。通常，GOCC 38分析趨勢，制定業(yè)務計劃，分配衛(wèi)星12和系統(tǒng)資源(諸如，但不限于，功率和信道分配)，監(jiān)視總的系統(tǒng)10的性能，以及通過GDN 39實時地或提前地發(fā)出利用指令到網(wǎng)關18。
SOCC 36用于保持和監(jiān)視軌道，以便通過GDN 39把衛(wèi)星使用信息中繼到網(wǎng)關從而輸入到GOCC 38，以便監(jiān)視每個衛(wèi)星12的總的工作狀況(包括衛(wèi)星電池的狀態(tài))，設置衛(wèi)星12內(nèi)對于RF信號路徑的增益，確保相對于地球表面的最佳衛(wèi)星指向，以及其它功能。
如上所述，每個網(wǎng)關18用來把給定的用戶連接到PSTN以用于信令、話音和/或數(shù)據(jù)通信，并且也用來通過數(shù)據(jù)庫62(圖2)產(chǎn)生用于收費目的的數(shù)據(jù)。所選擇的網(wǎng)關18包括遙測和命令單元(TCU)18a，用于接收由衛(wèi)星12在返回鏈路19b上發(fā)送的遙測數(shù)據(jù)、和用于通過前向鏈路19a發(fā)送命令到衛(wèi)星12。GDN 39用來互聯(lián)網(wǎng)關18、GOCC 38和SOCC36。
通常，LEO星座的每個衛(wèi)星12用來把信息從網(wǎng)關18轉(zhuǎn)發(fā)到用戶(C波段前向鏈路19a到S波段前向鏈路17a)，以及把信息從用戶轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關18(L波段返回鏈路17b到C波段返回鏈路19b)。這個信息除了功率控制信號以外，包括SS-CDKt同步和尋呼信道。各種CDMA導引信道也可被使用來監(jiān)視前向鏈路上的干擾。衛(wèi)星位置推測表更新數(shù)據(jù)也可以通過衛(wèi)星12從網(wǎng)關18傳送到每個用戶終端13。衛(wèi)星12也用來把信令信息從網(wǎng)關18轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關18，其中包括接入請求、功率改變請求、和登錄請求。衛(wèi)星12也在用戶和網(wǎng)關18之間中繼通信信號，以及可增加安全性，以便減除非鑒權(quán)的使用。
在運行時，衛(wèi)星12發(fā)送包括衛(wèi)星運行狀態(tài)測量值的空間飛行器遙測數(shù)據(jù)。來自衛(wèi)星的遙測數(shù)據(jù)流、來自SOCC 36的命令、和通信饋送鏈路19都共用C波段天線12g和12h。對于包括TCU 18a的那些網(wǎng)關18，接收的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)可以立即被轉(zhuǎn)發(fā)到SOCC 36，或遙測數(shù)據(jù)可被存儲和隨即在稍后的時間(一般是在SOCC請求以后)轉(zhuǎn)發(fā)到SOCC36。遙測數(shù)據(jù)(無論是立即發(fā)送的還是被存儲和隨后轉(zhuǎn)發(fā)的)都在GTN39上作為分組消息被發(fā)送，其中每個分組消息包含單個最小遙測幀。如果一個以上的SOCC 36提供衛(wèi)星支持，則遙測數(shù)據(jù)被路由到所有的SOCC。
SOCC 36具有幾種與GOCC 38的接口功能。一個接口功能是軌道位置信息，其中SOCC 36提供軌道信息給GOCC 38，以使得每個網(wǎng)關18可精確地跟蹤處在網(wǎng)關的視距內(nèi)的四個衛(wèi)星。這個數(shù)據(jù)包括各種數(shù)據(jù)表，這些數(shù)據(jù)表足以允許網(wǎng)關18通過使用已知的算法得出它們自己的衛(wèi)星聯(lián)系表。不需要SOCC 36知道網(wǎng)關跟蹤時間表。TCU 18a在傳播命令以前搜索下行鏈路遙測頻段和唯一地識別被每個天線跟蹤的衛(wèi)星。
另一個接口功能是使衛(wèi)星狀態(tài)信息從SOCC 36被報告到GOCC 38。衛(wèi)星狀態(tài)信息包括衛(wèi)星/轉(zhuǎn)發(fā)器可提供性、電池狀態(tài)、和軌道信息，以及通常還包括任何防止使用衛(wèi)星12的全部或一部分用于通信的、與衛(wèi)星有關的限制。
系統(tǒng)10的一個重要方面是在網(wǎng)關接收機和在用戶終端接收機中將分集組合與使用SS-CDMA相結(jié)合。分集組合被利用來緩和在信號從多個衛(wèi)星在多個和不同的路徑長度上到達用戶終端13或網(wǎng)關18時的衰落的影響。在用戶終端13和網(wǎng)關18處的Rake接收機被利用來監(jiān)視和組合來自多個源的信號。作為一個例子，用戶終端13或網(wǎng)關18提供對于同時從衛(wèi)星12的多個波束中接收和通過衛(wèi)星12的多個波束發(fā)送的前向鏈路信號和返回鏈路信號的分集組合。
在這方面，1993年8月3日授權(quán)給Stephen A.Ames的、題目為“Repeater Diversity Spread Spectrum Communication System(轉(zhuǎn)發(fā)器分集擴頻通信系統(tǒng))”的美國專利No.5,233,626的揭示內(nèi)容總體地在此引用，以供參考。
連續(xù)分集接收模式的性能優(yōu)于通過一個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收信號的性能，而且，即使在一個鏈路由于來自樹木或?qū)邮招盘柧哂杏泻τ绊懙钠渌系K物的遮擋和阻塞而丟失時，通信也不會中斷。
一個給定的網(wǎng)關18的多個定向天線40能夠通過一個或多個衛(wèi)星12的不同的波束發(fā)送前向鏈路信號(網(wǎng)關到用戶終端)，以便支持用戶終端13中的分集組合。用戶終端13的全向天線13a發(fā)送到從用戶終端13可“可看得到”的所有的衛(wèi)星波束。
每個網(wǎng)關18支持發(fā)射機功率控制功能以便解決慢衰落，并且它也支持塊交織(block interleaving)，以便解決中間的到快的衰落。功率控制被實施在前向鏈路和反向鏈路中。功率控制功能的響應時間被調(diào)節(jié)到對于最壞情況下能適應30毫秒的衛(wèi)星往返路程的時延。
塊交織器(53d,53e,53f，圖5)在與話音編碼譯碼器53g分組幀有關的塊長度范圍內(nèi)進行工作。最佳交織器長度以增加總的端到端延時為代價的情況下折衷選取較長的長度，從而改進糾錯效果。優(yōu)選的最大的端到端延時是150毫秒或更小。這個延時包括了所有的延時，即其中包括由于由分集組合器執(zhí)行的接收信號對準造成的延時、話音編碼譯碼器53g的處理延時、塊交織器53d-53f的延時、和構(gòu)成CDMA子系統(tǒng)52的一部分的維特比(Viterbi)譯碼器(未示出)的延時。
圖5是圖2的CDMA子系統(tǒng)52的前向鏈路調(diào)制部分的方框圖。加法器塊53a的輸出被饋送到頻率捷變上變頻器53b，它又將輸出饋送到加法器和交換塊52a。遙測和控制(T&C)信息也被輸入到塊52a。
未調(diào)制的直接序列SS導引信道以所想要的比特速率產(chǎn)生全零沃爾什(Walsh)碼。這個數(shù)據(jù)流與被用來分離來自不同的網(wǎng)關18和不同的衛(wèi)星12的信號的短的PN碼相組合。如果使用的話，導引信號通過模2加法而被加到短碼上，然后被QPSK或BPSK擴頻到CDMA FD RF信道帶寬上。提供了以下不同的偽隨機(PN)碼偏移(a)允許用戶終端13唯一地識別網(wǎng)關18的PN碼偏移；(b)允許用戶終端13唯一地識別衛(wèi)星12的PN碼偏移；以及(c)允許用戶終端13唯一地識由衛(wèi)星12發(fā)送的16個波束中的一個給定的波束的PN碼偏移。來自不同的衛(wèi)星12的導引PN碼被分配以來自同一個導引種子PN碼的不同的時間/相位偏移。
如果使用的話，由網(wǎng)關18發(fā)送的每個導引信道可以以比其它信號更高的或更低的電平被發(fā)送。導引信道使得用戶終端13能夠捕獲前向CDMA信道的定時，提供用于相干解調(diào)的相位基準，以及提供一種機制以執(zhí)行信號強度比較從而去確定何時發(fā)起切換。然而，導引信道的使用不是強制性的，也可采用其它技術(shù)來實現(xiàn)這個用途。
同步信道產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)流，該數(shù)據(jù)流包括以下信息(a)日期；(b)發(fā)送網(wǎng)關識別號；(c)衛(wèi)星位置推測表；以及(d)被分配的尋呼信道。同步數(shù)據(jù)被加到卷積編碼器53h，在這里，數(shù)據(jù)被卷積編碼以及隨后被塊交織，以便克服快衰落。所得到的結(jié)果數(shù)據(jù)流按模2加法被加到同步沃爾什碼上，以及被QPSK或BPSK擴頻到CDMA FD RF信道帶寬上。
尋呼信道被加到卷積編碼器53i，在這里，數(shù)據(jù)被卷積編碼，然后被塊交織。所得到的結(jié)果數(shù)據(jù)流與長碼發(fā)生器53j的輸出相組合。長PN碼被使用來分離不同的用戶終端13的頻帶。尋呼信道和長碼按模2加法進行相加，以及被提供到符號掩蔽，在這里所得到的結(jié)果信號按模2加法被加到沃爾什碼上。所得到的結(jié)果然后被QPSK或BPSK擴頻到CDMA RF信道帶寬上。
通常，尋呼信道輸送幾種類型的消息，包括(a)系統(tǒng)參量消息；(b)接入?yún)⒘肯?；?c)CDMA信道表消息。
系統(tǒng)參量消息包括尋呼信道的配置、登錄參量、和幫助捕獲的參量。接入?yún)⒘肯ń尤胄诺琅渲煤徒尤胄诺罃?shù)據(jù)速率。如果使用的話，CDMA信道表消息將輸送相關的導引標識和沃爾什碼分配。
話音編碼譯碼器53k把話音編碼為PCM前向業(yè)務數(shù)據(jù)流。前向業(yè)務數(shù)據(jù)流被加到卷積編碼器531，在這里數(shù)據(jù)流被卷積編碼，然后在塊53f中被塊交織。所得到的結(jié)果數(shù)據(jù)流與用戶長碼塊53k的輸出相組合。用戶長碼被利用來分離不同的用戶信道。所得到的結(jié)果數(shù)據(jù)流然后在復接器(MUX)53m中進行功率控制，按模2加法被加到沃爾什碼，然后被QPSK或BPSK擴頻到CDMA FD RF信道帶寬上。
網(wǎng)關18用來解調(diào)CDMA返回鏈路。有兩種不同的碼用于返回鏈路(a)零偏移碼；和(b)長碼。這兩種碼被兩種不同類型的返回CDMA信道使用，即接入信道和返回業(yè)務信道。
對于接入信道，網(wǎng)關18接收和譯碼在接入信道上請求接入的突發(fā)。接入信道消息被嵌入在長前同步信號中，其后面跟隨相對較小量的數(shù)據(jù)。前同步信號是用戶終端的長PN碼。每個用戶終端13使得唯一的長PN碼產(chǎn)生唯一的時間偏移而成為通用PN發(fā)生器多項式。
在接收接入請求后，網(wǎng)關18在前向鏈路尋呼信道上發(fā)送一個消息(塊53e,53i,53j)確認接收到接入請求和分配沃爾什碼給用戶終端13，以便確定業(yè)務信道。網(wǎng)關18也分配一個頻道給用戶終端13。用戶終端13和網(wǎng)關18切換到分配的信道單元，并開始通過使用分配的沃爾什碼(擴頻碼)進行雙工通信。
返回業(yè)務信道在用戶終端13中通過卷積編碼來自本地數(shù)據(jù)源或用戶終端話音編碼譯碼器的數(shù)字數(shù)據(jù)而被產(chǎn)生。
數(shù)據(jù)然后以預定的時間間隔被塊交織，并被加到128進制調(diào)制器和數(shù)據(jù)突發(fā)隨機化器以便減小沖突。然后數(shù)據(jù)被添加到零偏移PN碼中，以及通過一個或多個衛(wèi)星被發(fā)送到網(wǎng)關18。
網(wǎng)關18通過使用例如快速哈德瑪變換(FHT)來解調(diào)128進制沃爾什碼以便處理返回鏈路，以及把解調(diào)的信息提供給分集組合器。
以上是通信系統(tǒng)10的本優(yōu)選實施例的一般描述?，F(xiàn)在來描述前向鏈路功率控制系統(tǒng)的實施例。
前向鏈路被認為是從網(wǎng)關18經(jīng)過至少一個衛(wèi)星12到用戶終端的鏈路。饋送鏈路19被認為是前向鏈路中用于在衛(wèi)星12和網(wǎng)關18之間實現(xiàn)連接的那個部分，而用戶鏈路17被認為是前向鏈路中用于在衛(wèi)星12和用戶終端13之間實現(xiàn)連接的那個部分。
參照圖6，從網(wǎng)關18到一個或多個衛(wèi)星12的饋送鏈路可以提供用于用戶鏈路的驅(qū)動功率。用戶鏈路消耗衛(wèi)星上的相當大量的功率。如果在饋送鏈路(如在網(wǎng)關18與衛(wèi)星12′之間)上沒有受到損害，則衛(wèi)星的功率以最大值發(fā)送到其相關的用戶鏈路上，由此使得總的系統(tǒng)的效率和容量最大化。
然而，如果饋送電路本身由于位于網(wǎng)關18與衛(wèi)星12″之間的降雨小區(qū)而變壞，則先前描述的用戶鏈路功率控制環(huán)將被啟動，而不管特定的用戶終端13是否發(fā)現(xiàn)它本身已受到損害。也就是，一個檢測到從衛(wèi)星12″接收的信號功率減小的用戶終端13，將在反向鏈路上發(fā)送一個消息，以請求增加前向鏈路的功率。將會看到，由于降雨小區(qū)造成饋送鏈路信號的衰減，那些從衛(wèi)星12″接收通信信號的所有用戶終端13將同時經(jīng)受接收功率的減小，以及將同時請求增加饋送鏈路功率。結(jié)果所得到的饋送鏈路功率的突然起伏將會轉(zhuǎn)換成衛(wèi)星12″中功率消耗的顯著的相應增加，該衛(wèi)星12″以基本上線性方式相應于接收的饋送鏈路功率的功率把饋送鏈路信號轉(zhuǎn)發(fā)到用戶終端13。
也就是，低地球軌道衛(wèi)星系統(tǒng)和其它衛(wèi)星系統(tǒng)通常在衛(wèi)星通過地面站(在本情況下，這就是網(wǎng)關18)時跟蹤衛(wèi)星。這導致網(wǎng)關18天線40受到控制，以使得它可以發(fā)送饋送鏈路信號F1通過降雨小區(qū)。結(jié)果，饋送鏈路部分F2的信號電平比起F1將會減小。饋送鏈路部分F2將會經(jīng)歷附加的路徑損耗，直至它達到衛(wèi)星12″為止。由于這些損耗，所有的用戶終端13將要求更多的衛(wèi)星主功率。
可以在網(wǎng)關18的饋送鏈路中提供外部功率控制環(huán)。外部功率控制環(huán)以正比于由饋送鏈路的有害分量(在本例中是降雨小區(qū))造成的衰減的方式來增加來自網(wǎng)關18天線40的發(fā)送功率。這樣，這個外部功率控制環(huán)使得由衛(wèi)星12″接收的能流密度保持為接近于恒定水平，結(jié)果，用戶終端13從衛(wèi)星12″接收的功率不會發(fā)生顯著的減小。
外部功率控制環(huán)包括參考信號接收機70和參考信號跟蹤處理器72，如圖6和7所示。參考信號接收機70和參考信號跟蹤處理器72結(jié)合RF系統(tǒng)控制器43和饋送鏈路RF系統(tǒng)46、50(如圖2的網(wǎng)關方框圖中所示)一起運行。參考信號接收機70在特定的頻率上監(jiān)視來自衛(wèi)星12的下行鏈路參考(R)信號。這個頻率被選擇為足夠低(例如，S波段的一個頻率)，以使得它受降雨小區(qū)危害不大，因此，在部分R2保持與部分R1基本相同的電平。參考信號接收機70解調(diào)已接收的SSCDMA信號，以及作為數(shù)據(jù)流70a而輸出參考信號接收信號功率指示給網(wǎng)關18中的參考信號跟蹤處理器72。參考信號跟蹤處理器72處理數(shù)據(jù)流70a和發(fā)出誤差信號或命令到一個或多個RF系統(tǒng)控制器43，后者接下來控制在網(wǎng)關18的鏈路1到鏈路N上的饋送鏈路RF系統(tǒng)46、50的增益。這樣，發(fā)送的饋送鏈路功率正比于在網(wǎng)關18和衛(wèi)星12之間的饋送鏈路經(jīng)受的衰減量而增加。
更詳細地，并且也參照圖8的邏輯流程圖，在方塊A，饋送鏈路擴頻參考信號接收機70接收和解調(diào)每個下行鏈路參考信號R。由于參考信號下行鏈路頻率大大地低于上行鏈路饋送鏈路頻率，雨損耗(如果有的話)的主要部分是由上行鏈路饋送鏈路信號引起的。因此，在方塊B，由參考信號跟蹤處理器72把接收的信號功率指示信號與預定的基準進行比較，以及在方塊C，得出正比于由信道有害分量造成的饋送鏈路損耗的誤差信號(E)，并將其輸出到RF系統(tǒng)控制器43。也就是，對于每個饋送鏈路1-N得出誤差信號(E1到EN)。誤差信號接下來被每個RF系統(tǒng)控制器43使用來控制(在方塊D)復合的饋送鏈路(包括參考信號R和所有的各個用戶終端13通信信號)的功率，以便補償雨損耗。
也就是，參考信號R在上行鏈路饋送鏈路上利用預定的PN碼被發(fā)送，以及來自網(wǎng)關18的第一頻率受到衛(wèi)星12′和網(wǎng)關18之間的RF有害分量(例如降雨小區(qū))的衰減，并被衛(wèi)星12″接收和在下行鏈路上以第二、較低的頻率被轉(zhuǎn)發(fā)，以及被參考信號接收機70和參考信號跟蹤處理器72接收、去擴頻、解調(diào)和處理。接著得出一個誤差信號，它表示在上行鏈路饋送鏈路上出現(xiàn)的RF有害分量的總量，要注意，上行鏈路頻段使得饋送鏈路比起來自衛(wèi)星12″的下行鏈路信號更容易受到RF有害分量(諸如雨)的影響。誤差信號然后被利用來改變上行鏈路饋送鏈路發(fā)射功率，以使得由每個用戶終端13接收的各個信號的功率電平保持為基本相同。
應當認識到，誤差信號可被提供給每個RF系統(tǒng)控制器43，由此，每個RF系統(tǒng)控制器43可以得出其相關的饋送鏈路功率的改變；或者對每個RF系統(tǒng)控制器43，饋送鏈路功率的改變可在參考信號跟蹤處理器72從誤差信號中得出，并作為適當?shù)墓β士刂泼畋话l(fā)送到RF系統(tǒng)控制器。
因為擴頻接收機具有通過使用對于每個參考信號的唯一的PN碼而分離來自多個衛(wèi)星的多個重疊的參考信號的能力，單個參考信號接收機70可被利用來獨立地控制給在特定的網(wǎng)關18的視線范圍內(nèi)的每個衛(wèi)星12的饋送鏈路上行鏈路功率。也就是，不同的PN碼被分配給每個參考信號。在這方面，參考信號接收機70可以采用熟知的具有多個用于同時去擴頻和跟蹤多個參考信號的分支(finger)的RAKE接收機?？商鎿Q地，參考信號接收機70可以采用一個單個分支，它被時分復用在由多個衛(wèi)星12轉(zhuǎn)發(fā)的、由參考信號接收機70接收的參考信號之間。在任一種情況下，上行鏈路饋送鏈路功率只在必要時才增加，從而允許更有效地使用衛(wèi)星容量和減小與在同一個軌道上的、共用相同的頻段的其它衛(wèi)星12進行協(xié)調(diào)的困難，這個技術(shù)也減小用于與地面協(xié)調(diào)的較高的饋送鏈路功率的影響。
對于利用多個下行鏈路波束的系統(tǒng)，多個參考信號接收機70(在圖7上表示為70′)可以設置在網(wǎng)關覆蓋區(qū)的適當?shù)牡攸c，以及參考信號數(shù)據(jù)流在地面數(shù)據(jù)線上，或通過衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)流而被輸送到參考信號跟蹤處理器72。在后一種情況下，數(shù)據(jù)流也可被設在網(wǎng)關18處的參考信號接收機70接收，然后被輸入到參考信號跟蹤處理器72。
正如這里所采用的，接收信號功率或數(shù)據(jù)流70a中被報告回網(wǎng)關18的質(zhì)量指示可以是接收信號強度指示(RSSI)測量、或信號質(zhì)量測量。信號質(zhì)量指示可以基于從維特比譯碼器度量得出的接收的誤碼率(BER)測量、或誤幀率(FER)測量。質(zhì)量指示也可以全部地或部分地基于主觀平均意見記分，其中預定的話音序列由廣大聽眾打分。由參考信號跟蹤處理器將信號功率或質(zhì)量指示與預定的數(shù)值(諸如參考信號強度或信號質(zhì)量值)進行比較，以及得出誤差信號，以便給出在兩個比較的數(shù)值之間的偏差。外部功率控制環(huán)的目標是在符合想要的鏈路質(zhì)量的條件下使得饋送鏈路功率最小化。使得饋送鏈路功率最小化而同時提供滿意的用戶通信，因此節(jié)省衛(wèi)星主功率。
用于與接收信號功率指示進行比較的該參考值可以按照用戶終端13要接收由衛(wèi)星12從饋送鏈路轉(zhuǎn)發(fā)的通信信號的想要的功率電平來確定。參考值不需要是固定值，但可根據(jù)總的用戶負荷或要求、日期、在給定的衛(wèi)星點波束內(nèi)在地面處總的想要的RF能流電平(例如，大約154dBW/m2/4kHz，是仰角的函數(shù))等而變化。
對于其中多個參考信號接收機70位于由網(wǎng)關18服務的區(qū)域內(nèi)的情況下，網(wǎng)關18可以處理來自多個參考信號接收機70和70′的輸入，這是通過以預定的方式組合它們(例如通過平均或加權(quán)平均技術(shù))而實現(xiàn)的。對于后一種情況，那些從與具有高的用戶密度的區(qū)域有關的那些參考信號接收機70′接收的參考信號功率指示，可能比起從具有較低的用戶密度的地區(qū)接收的信號功率指示要進行更重地加權(quán)。
本發(fā)明的功率控制技術(shù)因此補償饋送鏈路中的損失(例如，對于Ka或Ku波段饋送鏈路的雨衰減、由于低仰角衛(wèi)星接收C波段饋送鏈路造成的損失、由于從有害的波束接收的信號引起的損失等)，而且也可自始至終地補償衛(wèi)星運行容量的惡化。
參照圖9，本發(fā)明的閉環(huán)功率控制技術(shù)可被看作為一種兩級自適應功率控制環(huán)80，它具有外部的全局饋送鏈路功率控制環(huán)82來補償總體的功率損失(例如，由于降雨小區(qū)引起的那些損失)、以及具有內(nèi)部的用戶鏈路功率控制環(huán)84來補償各個用戶鏈路損失(例如，由于樹葉造成的那些損失)。外部的饋送鏈路功率控制環(huán)82的時間常數(shù)優(yōu)選地比內(nèi)部用戶功率控制環(huán)84的時間常數(shù)長(例如，長5到10倍)。
作為本發(fā)明的閉環(huán)功率控制技術(shù)的例子，如果假定用戶終端動態(tài)功率控制范圍是10dB，以及如果降雨小區(qū)引入8dB損耗到由用戶終端從衛(wèi)星12接收的S波段前向鏈路，則由衰落造成的在用戶鏈路中的6dB損失不一定能糾正。如果網(wǎng)關18通過正比地增加饋送鏈路功率來補償所有用戶鏈路8dB降雨小區(qū)損耗，則用戶終端功率控制功能的動態(tài)范圍不會受到包括降雨小區(qū)引起的損耗的有害的影響。
按照本發(fā)明，外部功率控制環(huán)允許網(wǎng)關18保持在地球表面上幾乎恒定的想要的能流密度，從而補償由于以下因素造成的前向鏈路中的損耗例如上行鏈路和下行鏈路衰減、網(wǎng)關天線40的誤對準、由于諸如接收和發(fā)送天線方向圖那樣的因素造成的衛(wèi)星增益的變化、以及由于溫度造成的轉(zhuǎn)發(fā)器增益不確定性。本發(fā)明的外部功率控制環(huán)不需要由網(wǎng)關發(fā)送的、被網(wǎng)關接收的信號，或從地面發(fā)送的導引信號，也不需要從衛(wèi)星發(fā)送的信標。
按照本發(fā)明，網(wǎng)關18通過一個或多個衛(wèi)星12發(fā)送一個或多個信號，諸如在導引信道上或在前向鏈路的通信信道上的一個或多個信號，信號由覆蓋從衛(wèi)星可看到的地球區(qū)域的一個或多個下行鏈路波束中的一個或多個用戶終端13接收。至少某些用戶終端13測量接收信號的質(zhì)量，這些接收信號可以是特定的參考信號或正常的通信信號。用戶終端13可以是位于特定的已知位置的、具有已校正的性能的任一種已知的類型13′，或終端可以包括具有典型的制造上的性能分布的各種用戶終端類型13″，它們通常是隨機地或偽隨機地分布在服務區(qū)域上。參考用戶終端13′和13″發(fā)送測量的信號質(zhì)量數(shù)據(jù)給網(wǎng)關，后者根據(jù)來自終端的質(zhì)量數(shù)據(jù)以及根據(jù)諸如接收終端的類型和位置的其它因素來調(diào)節(jié)參考信號的功率。
更詳細地、以及也參照圖10的流程圖，在其中參考用戶終端13′在服務區(qū)域中已知位置處是已校正類型的情況下，接收信號的質(zhì)量由每個參考終端13′在步驟A進行測量。參考終端13′可以位于任何波束中，包括從網(wǎng)關看不到的波束。在步驟B，參考終端13′通過地面線路或通過把測量的數(shù)據(jù)經(jīng)過衛(wèi)星12發(fā)回從而把測量質(zhì)量(例如，Ec/No和或一個或多個已測量的錯誤率(例如，幀或符號))發(fā)送給相應的網(wǎng)關18。在步驟C，由網(wǎng)關18中的信號跟蹤處理器72把參考終端13′接收的測量值與預定的參考值或目標值進行比較。參考信號的網(wǎng)關發(fā)射功率在圖10的步驟D和F根據(jù)在目標值與測量值之間的差值被調(diào)節(jié)。網(wǎng)關18在步驟D調(diào)節(jié)參考信號的功率，以便保持由參考終端13′接收的信號的質(zhì)量基本上不變，從而保持在終端處的能流密度基本恒定而與參考終端在波束中的位置無關(假定在參考終端13′處是一個全向天線)。在步驟F，由網(wǎng)關18進行的發(fā)送信號功率調(diào)節(jié)可包括一個補償因子，它考慮前向鏈路發(fā)送和接收衛(wèi)星天線的地面方向圖的預期的變化和/或考慮由于在衛(wèi)星12和參考用戶終端13′(例如，由于衛(wèi)星沿其軌道軌跡運動)之間的空間改變引起的轉(zhuǎn)發(fā)器增益和路徑損耗的變化。當衛(wèi)星在軌道上運動時而引起的轉(zhuǎn)發(fā)器增益和天線方向圖的變化可以根據(jù)先前對衛(wèi)星特征的測量值而被確定，該測量值被存儲在適當?shù)臄?shù)據(jù)貯存裝置(例如被耦合到網(wǎng)關控制器56的數(shù)據(jù)庫62)中。輻射方向圖改變和路徑損耗可以從衛(wèi)星12、網(wǎng)關18的相對位置和參考終端13′的位置來確定。在這種情況下，將被網(wǎng)關18使用來調(diào)節(jié)發(fā)送信號的功率的補償因子可以允許參考終端13′處的能流密度根據(jù)參考終端13′在波束中的位置而變化，但只要參考終端處在特定的波束內(nèi)，就阻止參考終端13′處的能流密度降低到某個最小值以下。在圖10的步驟F中由網(wǎng)關18執(zhí)行的這種功率調(diào)節(jié)通常優(yōu)選地使得衛(wèi)星容量最大化以便支持通信業(yè)務。然而，如果適當?shù)男l(wèi)星容量是可提供的(如在步驟E確定的那樣)，則網(wǎng)關18可按照圖10的步驟D調(diào)節(jié)饋送鏈路的功率以便保持在特定的波束中用戶鏈路的能流密度基本上恒定。
網(wǎng)關18使用參考信號功率的變化(如以上所述地進行調(diào)節(jié))來調(diào)節(jié)前向鏈路中的通信信號的功率。優(yōu)選地，調(diào)節(jié)功能由網(wǎng)關18中的信號處理器72執(zhí)行(見圖7)，該處理器被適當?shù)鼐幊?，以便或者調(diào)節(jié)網(wǎng)關18的發(fā)射功率來保持終端處的下行鏈路波束能流密度基本上恒定(如圖10的步驟D)，或者在另一種情況下補償衛(wèi)星增益的預期的變化，以使得波束的能流密度不降低到預定的門限值以下(步驟F)。然而，在替換的實施例中，調(diào)節(jié)功能的處理可由網(wǎng)關外的一個或多個處理器來執(zhí)行，使得只有正確的信號被發(fā)送到網(wǎng)關18。
現(xiàn)在參照圖11的流程圖，在用戶終端13″包括多種類型的情況下，外部的功率控制環(huán)以類似于上述的用于校正終端13′的方法的方式運行，但不需要已知參考終端13″的位置。在這種方法中，多個各種不同類型的參考終端13″可以在某種程度上隨機地或偽隨機地設置在服務區(qū)域中。參考終端13″接收由網(wǎng)關18通過一個或多個衛(wèi)星12發(fā)送的參考信號，以及在步驟A1測量參考信號的質(zhì)量(例如，Ec/No)。在步驟B1，終端13″把測量的信號質(zhì)量數(shù)據(jù)通過地面線路或通過一個或多個衛(wèi)星12發(fā)送回網(wǎng)關18。在步驟C1，根據(jù)從報告的信號質(zhì)量得出的度量來調(diào)節(jié)網(wǎng)關參考功率，而與參考用戶終端13″在服務區(qū)的位置或分布無關。
按照本發(fā)明的這個方面，網(wǎng)關功率以圖11A所示的處理過程進行調(diào)節(jié)，其中在步驟B1′，網(wǎng)關18從參考終端13″接收參考信號質(zhì)量度量，以及在步驟C′調(diào)整發(fā)射功率，從而調(diào)整對于多種終端13″的信號質(zhì)量。這樣完成后使得在單個波束中給定百分數(shù)的終端接收信號質(zhì)量超過特定的、可選擇的門限值，而與終端在波束中的位置或終端的類型無關。換句話說，信號質(zhì)量由對于處在給定下行鏈路波束中任何位置的所有終端類型都是共同的一個設定的門限值來確定。
在按照本發(fā)明的另一種處理過程中，對于多種終端13″的信號質(zhì)量通過控制網(wǎng)關功率而被調(diào)整，如圖11B的流程圖所示。這里，網(wǎng)關18根據(jù)從終端13″接收(即，步驟B1″)的質(zhì)量度量，在步驟C1″調(diào)節(jié)發(fā)射功率，以使得由給定的波束中特定的百分數(shù)的每個各種類型的參考終端13″接收的參考信號的質(zhì)量超過對于每種類型的參考終端13″獨立地設置的特定的、可選擇的門限值，而與終端在波束中的位置無關。網(wǎng)關18可調(diào)整發(fā)射功率，以使得在對于每種類型設置的門限值中具有最高門限值的那種類型的、特定的百分數(shù)的用戶終端接收的信號質(zhì)量不降低到這個最小門限值以下，這也是屬于本發(fā)明的范圍。
再次地按照本發(fā)明，在圖11A的步驟D1′和圖11B的步驟D1″，網(wǎng)關18分別調(diào)節(jié)發(fā)射功率，以便考慮從轉(zhuǎn)發(fā)器到轉(zhuǎn)發(fā)器和波束到波束的衛(wèi)星增益的任何變化。在這種情況下，在圖11A的步驟C1′，調(diào)節(jié)信號質(zhì)量，以使得在覆蓋服務區(qū)的衛(wèi)星12的每個波束中至少預定的百分數(shù)的參考終端13″接收信號質(zhì)量超過預定的門限值，而不管波束內(nèi)終端的類型和位置。另外，在圖11B的步驟C1″，至少預定的百分數(shù)的每種類型的參考終端13″接收信號質(zhì)量超過一個與每種類型的參考終端13″無關的預定的門限值組。
與給定的服務區(qū)內(nèi)的各種不同的類型的用戶終端通信的網(wǎng)關18可獨立地或組合地利用上述的功率控制方法中的任一種。例如，網(wǎng)關發(fā)射功率可以初始地被調(diào)整(仍舊根據(jù)來自參考終端13″的度量)，以使得給定的百分數(shù)的終端接收超過特定的門限值的信號質(zhì)量(圖11A的步驟C1′)。然而，如果衛(wèi)星容量不夠，則發(fā)射功率可被調(diào)整成使得給定的百分數(shù)的、具有最高獨立的門限值的終端接收超過該最小門限值的信號質(zhì)量(圖11B的步驟C1″)。如果衛(wèi)星容量仍舊不夠，則發(fā)射功率進一步被調(diào)整以便考慮從轉(zhuǎn)發(fā)器到轉(zhuǎn)發(fā)器和波束到波束的衛(wèi)星增益的變化(見圖11A、11B的步驟D1′/D1″)。
除了在步驟C1′,C1″設置的門限值進一步被動態(tài)地對于參考終端在波束中的位置進行補償(如圖11A、11B的步驟E1′、E2″所示)外，通過基本上如前所述地調(diào)節(jié)網(wǎng)關發(fā)射功率來控制信號質(zhì)量還是屬于本發(fā)明的范圍。如圖12所示，這個事例需要在步驟G由網(wǎng)關18確定終端13″的近似位置，以及還需要在步驟H獲知和估計對于饋送鏈路和用戶鏈路波束在地球上的幾乎瞬時的波束方向圖。衛(wèi)星波束方向圖可按照本發(fā)明被確定，正如下面更詳細地描述的那樣。
除了門限值進一步隨衛(wèi)星12及其相應的波束通過預定的地面區(qū)域被動態(tài)地改變外，類似于前面結(jié)合圖11-11B/12描述的方法進一步控制網(wǎng)關發(fā)射功率也是屬于本發(fā)明的范圍。在這種情況下，在任何的上述的步驟中使用的門限值被動態(tài)地改變，從而考慮到在這個預定的地面區(qū)域中的服務區(qū)的預期的地形上的預計的服務質(zhì)量的變化。例如，如果服務區(qū)是在其中服務區(qū)包含大量的叢林的地面區(qū)域中，則這個技術(shù)防止大量的容量被花費來覆蓋困難的地帶。
創(chuàng)建為了消除由于降雨和其它的信號有害分量的時間變化而自始至終所需要的網(wǎng)關功率的歷史，也是根據(jù)本發(fā)明進行的。通過消除時間變化以便提供業(yè)務給特定的地理區(qū)域所需要的下行鏈路功率可以通過使用測量的衛(wèi)星的特征(例如轉(zhuǎn)發(fā)器增益)而被確定。一個方法是記錄GW參考信號功率以作為時間的函數(shù)，從而確定為了提供想要的信號質(zhì)量所需要的最小功率。該最小值然后將提供無雨的數(shù)值。
上述的方法也可被擴展成使用參考終端來確定衛(wèi)星波束分布圖。當衛(wèi)星波束在服務區(qū)上移動時，參考終端在波束中的相對位置以及參考信號中的相對功率量或參考信號的質(zhì)量將被進行測量，而同時參考信號功率保持不變。在被確定以后，衛(wèi)星波束方向圖然后被輸入到網(wǎng)關功率控制處理過程中(例如，圖12，步驟H)，如前面討論的。
雖然已經(jīng)針對本發(fā)明的優(yōu)選實施例和處理步驟具體地顯示和描述了本發(fā)明，但本領域技術(shù)人員將會明白，本發(fā)明并不只限于在優(yōu)選實施例中描述的這些具體地方法和設備，或只限于處理步驟、處理步驟的順序，或附圖中描繪的結(jié)構(gòu)。相反，意圖覆蓋所有的可被包括在由附屬權(quán)利要求規(guī)定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的替換例、修改、和等同物。具體地，本發(fā)明的范圍希望包括例如用于地面蜂窩系統(tǒng)以及中地球軌道和地球同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)的功率控制。此外，實施本發(fā)明的其它方法和裝置可以在其它的地面的或衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)中被采用而給出相同的結(jié)果。
權(quán)利要求
1．用于運行具有至少一個衛(wèi)星、至少一個地面站、和至少一個用戶終端的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的方法，包括以下步驟測量由用戶終端接收的至少一個參考信號的質(zhì)量，參考信號是由地面站通過衛(wèi)星發(fā)送的；把由用戶終端接收的參考信號的測量質(zhì)量發(fā)送到地面站；把測量的質(zhì)量與預定的基準進行比較；以及根據(jù)預定的基準與測量質(zhì)量之間的差值調(diào)節(jié)地面站的發(fā)射功率，其中調(diào)節(jié)地面站的發(fā)射功率，以使得下行鏈路波束的能流密度在用戶終端處基本上是恒定的，與用戶終端在波束中的位置無關。
2．如權(quán)利要求1中的方法，其特征在于，還包括以下步驟當調(diào)整地面站發(fā)射功率以使得下行鏈路表示的能流密度基本上恒定時，確定可提供的衛(wèi)星容量是否足夠，以及如果衛(wèi)星容量不夠，則調(diào)整地面站發(fā)射功率來補償衛(wèi)星增益的預定的變化和保持在用戶終端處下行鏈路波束中的能流密度大于預定的門限值。
3．如權(quán)利要求1中的方法，其特征在于，其中用戶終端是具有已知的已校正性能的類型，以及被設置在下行鏈路波束中的已知位置。
4．包括至少一個衛(wèi)星和至少一個地面站的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，所述衛(wèi)星通信系統(tǒng)還包括用于發(fā)射上行鏈路參考信號的裝置；所述衛(wèi)星包括用于接收參考信號的接收機以及還包括用于發(fā)送參考信號作為轉(zhuǎn)發(fā)的下行鏈路參考信號的發(fā)射機；至少一個用戶終端，具有用于接收由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的參考信號的接收機，用戶終端具有用于測量用戶終端接收的參考信號質(zhì)量的裝置，和具有用于發(fā)送測量質(zhì)量的裝置；以及處理器，被耦合到地面站，用于根據(jù)用戶終端發(fā)送的測量質(zhì)量來調(diào)節(jié)地面站的發(fā)射功率，該處理器被編程為至少能調(diào)節(jié)發(fā)射功率以使得來自衛(wèi)星的下行鏈路波束的能流密度在用戶終端處基本上恒定而與用戶終端在波束中的位置無關，或者能調(diào)節(jié)發(fā)射功率以便補償衛(wèi)星增益的預期的變化和保持在用戶終端位置處的波束能流密度大于預定的門限值。
5．用于運行具有至少一個衛(wèi)星、至少一個地面站、和位于衛(wèi)星的下行鏈路波束中的多個用戶終端的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的方法，所述多個用戶終端包括多種類型的用戶終端，該方法包括以下步驟測量用戶終端接收的參考信號的質(zhì)量，參考信號是由地面站通過衛(wèi)星發(fā)送的；把用戶終端接收的參考信號的測量質(zhì)量發(fā)送到地面站；把測量的質(zhì)量與預定的基準進行比較；以及把地面站的發(fā)射功率調(diào)節(jié)成至少能使得在給定的下行鏈路波束內(nèi)的預定的百分數(shù)的用戶終端被提供以超過通用的預定門限值的下行鏈路信號質(zhì)量、或者能使得在波束內(nèi)的預定的百分數(shù)的每種類型的用戶終端被提供以超過與對于每種類型的用戶終端獨立地設置的相應的預定門限值的下行鏈路信號質(zhì)量。
6．如權(quán)利要求5中的方法，其特征在于，其中調(diào)節(jié)步驟包括對于具有作為在與對于每種類型的用戶終端獨立地設置的門限值中的最高門限值的相應的門限值的那種類型的、預定的百分數(shù)的用戶終端，保持下行鏈路信號質(zhì)量超過最高門限值。
7．如權(quán)利要求5中的方法，其特征在于，其中調(diào)節(jié)步驟包括考慮在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器之間和在饋送鏈路與衛(wèi)星的用戶鏈路波束之間的衛(wèi)星增益的變化。
8．如權(quán)利要求5中的方法，其特征在于，其中調(diào)節(jié)步驟包括至少設置共同的門限值、或者設置對于每種類型的用戶終端獨立的設置的門限值，以便動態(tài)地補償接收參考信號的用戶終端在給定的波束中的位置。
9．如權(quán)利要求5中的方法，其特征在于，還包括以下步驟確定在衛(wèi)星的服務區(qū)中衛(wèi)星波束方向圖分布，以及確定在其中一個波束方向圖分布內(nèi)的至少一個用戶終端的位置。
全文摘要
衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括至少一個衛(wèi)星通信信號轉(zhuǎn)發(fā)器;至少一個地面站,用于把由多個通信信號組成的饋送鏈路發(fā)送到至少一個衛(wèi)星通信信號轉(zhuǎn)發(fā)器;以及多個用戶終端,其每個從至少一個衛(wèi)星通信信號轉(zhuǎn)發(fā)器接收在用戶鏈路上的通信信號之一。一種方法包括測量由用戶終端通過衛(wèi)星接收的至少一個參考信號的質(zhì)量;把由用戶終端接收的參考信號的質(zhì)量發(fā)送到地面站;把測量質(zhì)量與預定的基準相比較;以及根據(jù)預定的基準與測量質(zhì)量間的差值調(diào)節(jié)地面站發(fā)射功率。
文檔編號H04B7/15GK1303182SQ0013199
公開日2001年7月11日 申請日期2000年11月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月2日
發(fā)明者R·A·維德曼, M·J·賽特斯 申請人:環(huán)球星有限合伙人公司