Данное изобретение относится к спутниковым системам связи и касается, в частности спутниковых систем связи, в которых спутники используются в качестве ретрансляторов сигналов связи.
Обзор известных технических решений
Экранирование и замирания сигнала в системах связи с подвижными объектами хорошо известны. Как правило, вследствие значительно более длинных трасс распространения, к спутниковым системам предъявляют более жесткие требования, чем к наземным системам. В спутниковых системах связи с подвижными объектами экранирование и замирания на абонентских станциях из-за зданий, деревьев и рельефа местности могут быть уменьшены путем использования нескольких передатчиков орбитальных спутниковых ретрансляторов для передачи нескольких копий сигнала через некоторые или все из передатчиков спутниковых ретрансляторов, находящихся в зоне видимости абонента, который потенциально испытывает экранирование и замирания сигнала. Эти методы, особенно при использовании систем с расширенным спектром, включают применение разнесения трасс нескольких сигналов (ниже называемого просто "разнесением трасс") как средство поддержания связи в таких условиях, когда отдельные подвижные абоненты испытывают экранирование и замирания сигналов. В частности, системы связи через спутники на низких околоземных орбитах могут использовать разнесение трасс, так как в них имеется несколько спутников и, следовательно, несколько различных трасс для передачи сигнала к абоненту и от него.
В большинстве известных или предложенных систем этого типа в дополнение к использованию многостанционного доступа с кодовым разделением каналов обычно организуют несколько каналов с частотным уплотнением. Кроме того, разнесение трасс оказывает и неблагоприятное воздействие, так как система требует использования нескольких спутников. Это увеличивает суммарную потребность в мощности для каждого спутника и требует также, чтобы каждый спутник делал одни и те же радиочастотные каналы доступными для передачи с разнесением трасс для каждого пользователя. Результатом этого может быть уменьшение суммарной пропускной способности системы из-за неэффективности назначения радиочастотных каналов.
Один из подходов к разнесению трасс заключается в предоставлении разнесения трасс всем абонентам без различия. Однако фактически имеется много различных типов абонентских терминалов и много различных типов окружающей среды, в которой данный абонент может находиться временно или постоянно. Например, некоторые абоненты используют абонентские терминалы, установленные на подвижных объектах, которые могут передвигаться через окружающую среду довольно быстро. Другие абоненты могут использовать переносные или стационарные абонентские терминалы, которые могут вообще не перемещаться. Кроме того, имеются разные ландшафты, где могут размещаться абоненты, такие как океаны, пустыни, леса, пригороды, города, сельхозугодья и т.д.
Понятно, что не все условия связи требуют разнесения трасс в одинаковой степени и, кроме того, не все абонентские терминалы в определенных условиях требуют одного и того же уровня разнесения трасс.
Сущность изобретения
Вышеописанные и другие проблемы преодолеваются в спутниковой системе связи, которая построена и работает в соответствии с данным изобретением.
Ниже описываются способы и устройства для улучшения и оптимизации разнесения трасс в системе связи со спутниковыми ретрансляторами, экономящие как каналы частотного уплотнения, так и мощность спутника. Когда один или несколько передатчиков орбитальных спутниковых ретрансляторов (12) экранируются или подвергаются сильным замираниям, прием сигналов связи улучшается с помощью распознавания необходимости приема с разнесением в реальном или почти в реальном времени. Таким образом, абонентский терминал (13) принимает сигнал с достаточной интенсивностью для того, чтобы избежать автоматического завершения связи, благодаря оптимизации разнесения спутниковых трасс (образуемых несколькими радиолиниями) применительно (а) к классам (типам) абонентских терминалов и/или (b) к отдельным абонентским терминалам в зависимости от их местоположения, а также от локальных условий распространения радиочастот для абонентского терминала. Кроме того, изобретение предлагает учитывать ресурсы спутника, имеющиеся в распоряжении в некоторый данный момент времени, и запрещать или ограничивать возможность разнесения спутниковых трасс, увеличивая те самым общую пропускную способность системы.
Также отдельный абонент может иметь запись предыстории работы, или "сигнатуру", в некоторых условиях. Запись предыстории может использоваться для того, чтобы оптимизировать типичное использование системы абонентом и благодаря этому еще более улучшить возможности для достижения более высокой эффективности работы системы.
Данное изобретение предлагает способ работы спутниковой системы связи, который включает следующие операции: (а) начало связи между абонентским терминалом и наземной станцией через по меньшей мере один спутниковый ретранслятор сигнала связи; (b) классификацию абонентского терминала по его типу и/или определение местоположения абонентского терминала в пределах зоны обслуживания наземной станции; и (с) выбор числа спутниковых ретрансляторов сигналов связи, чтобы ретранслировать сообщения между абонентским терминалом и наземной станцией, причем выбранное число является функцией по меньшей мере типа и/или местоположения абонентского терминала и других характеристик, которые могут храниться в базе данных. Операция выбора может включать определение характеристики распространения радиочастотной энергии, которая связана с определенным местоположением абонентского терминала. Для этой цели может быть использована карта распространения радиочастот в зоне обслуживания. Эта карта формируется, например, на основании спутниковых изображений естественных и искусственных особенностей местности в пределах зоны обслуживания. Операция выбора может также включать анализ предыстории регулирования мощности абонентского терминала. Это полезно при различении, например, абонентского терминала подвижного типа, который находится в движении, от абонентского терминала подвижного, типа, который неподвижен. Операция выбора может также включать анализ текущей доступности радиочастотных каналов спутниковой связи на спутниковых ретрансляторах и физической загрузки блоков радио частотных каналов и спутниковых ретрансляторов.
В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения связь между абонентским терминалом и наземной станцией осуществляется с помощью сигнала многостанционного доступа с кодовым разделением каналов и расширением спектра. В этом случае способ включает следующие дополнительные операции: (d) прием сигнала связи абонентским терминалом, причем сигнал принимается через различные трассы связи, связанные с индивидуальными ретрансляторами из выбранного числа спутниковых ретрансляторов сигналов связи; (е) выравнивание по меньшей мере фазовых сдвигов и временных задержек сигналов, принимаемых по каждой из различных трасс, чтобы получить множество выровненных сигналов связи; и (f) объединение выровненных сигналов связи в составной принимаемый сигнал связи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изложенные выше и другие признаки изобретения будут более ясны при рассмотрении подробного описания вместе с приложенными чертежами, на которых:
фиг. 1 представляет собой блок-схему системы спутниковой связи в соответствии с предпочтительной формой осуществления данного изобретения;
фиг. 2 представляет собой блок-схему одной из земных узловых станций, показанных на фиг. 1;
фиг. 3А представляет собой блок-схему бортовой аппаратуры связи одного из спутников, показанных на фиг. 1;
фиг. 3В иллюстрирует часть диаграммы направленности луча одного из спутников, показанных на фиг. 1;
фиг. 4 представляет собой блок-схему наземного оборудования для обеспечения функций спутниковой телеметрии и управления;
на фиг. 5 показана блок-схема подсистемы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов, приведенной на фиг. 2;
на фиг. 6 показана блок-схема системы предоставления разнесения трасс для прямой линии связи в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 7 показана блок-схема части системы, показанной на фиг. 6, вместе с системой выбора разнесения трасс в соответствии с данным изобретением;
на фиг. 8 показана блок-схема, поясняющая обратную линию связи от абонентской станции до земной узловой станции;
на фиг. 9 показана блок-схема варианта разнесения трасс для обратной линии в соответствии с данным изобретением;
на фиг. 10 показан образец карты, используемой для связи окружающей среды, такая карта является отличительным признаком данного изобретения;
на фиг. 11 показана блок-схема алгоритма, поясняющая способ согласно данному изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 иллюстрирует предпочтительную форму осуществления системы спутниковой связи 10, которая пригодна для использования с предпочтительной формой осуществления настоящего изобретения. Перед подробным описанием данного изобретения для его более полного понимания сначала будет приведено описание системы связи 10. Система связи 10 может быть концептуально разделена на множество сегментов 1, 2, 3 и 4. Сегмент 1 называется здесь космическим сегментом, сегмент 2 - абонентским сегментом, сегмент 3 - наземным (земным) сегментом и сегмент 4 - сегментом инфраструктуры телефонной системы.
В предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения имеется всего 48 спутников, например, на низкой околоземной орбите высотой 1414 км. Спутники 12 распределены в восьми орбитальных плоскостях, по шесть одинаково разнесенных спутников в плоскости ("созвездие" Уолкера). Орбитальные плоскости наклонены на 52o относительно экватора и каждый спутник проходит по орбите за 114 минут. Такой подход обеспечивает почти глобальную зону обслуживания, предпочтительно по меньшей мере с двумя спутниками, находящимися в любое данное время в пределах видимости абонента, расположенного между приблизительно 70o южной широты и приблизительно 70o северной широты. По существу пользователю предоставляется возможность осуществлять радиосвязь с почти любым или из почти любого пункта на земной поверхности в пределах зоны обслуживания земной узловой станции (наземного "шлюза") 18 с другими или из других пунктов на земной поверхности (посредством телефонной сети общего пользования) через одну или несколько земных узловых станций 18 и один или несколько спутников 12, возможно также с использованием части сегмента 4 телефонной инфраструктуры.
Здесь уместно заметить, что предыдущее и нижеследующее описание системы 10 представляет лишь одну из подходящих форм осуществления системы связи, в рамках которой может найти применение концепция данного изобретения. То есть, специфические подробности системы связи не должны пониматься или рассматриваться с точки зрения ограничения практического применения этого изобретения.
Продолжим далее описание системы 10 и процесса плавной передачи (переключения) линий связи между спутниками 12, а также между отдельными узкими лучами 16, передаваемыми каждым спутником (фиг. 3В), которые обеспечивают непрерывную связь путем многостанционного доступа с кодовым разделением каналов и сигналами с расширенным спектром. Данный предпочтительный способ многостанционного доступа с кодовым разделением каналов путем расширения спектра сигналов подобен рассмотренному в промежуточном стандарте TIA/EIA "Mobile Station-Base Station Compatibility Standard for Dual-Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System" TIA/EIA/IS-95, July 1993, ("Стандарт совместимости подвижных станций-базовых станций для двухрежимной широкополосной сотовой системы с расширением спектра" IS-95 Ассоциации промышленности средств связи /Ассоциации электронной промышленности, июль 1993), хотя могут быть использованы и другие способы и протоколы расширения спектра сигналов и доступа с кодовым разделением каналов.
Низкие околоземные орбиты позволяют маломощным стационарным или подвижным абонентским оконечным станциям (терминалам) 13 осуществлять связь через спутники 12, каждый из которых согласно предпочтительной форме осуществления этого изобретения работает только как ретранслятор типа "изогнутая труба". Такой ретранслятор принимает сигнал трафика связи (типа речи и/или данных) от абонентской станции 13 или от земной узловой станции 18, преобразует полученный сигнал трафика связи в другую частотную полосу, а затем переизлучает преобразованный сигнал. То есть, никакой бортовой обработки принимаемого сигнала трафика связи не происходит и спутник 12 не узнает никакой информации, которую могут транспортировать полученный или переданный сигнал трафика связи.
Кроме того, не требуется никакого прямого канала или каналов связи между спутниками 12. То есть, каждый из спутников 12 получает сигнал только от передатчика, размещенного в абонентском сегменте 2, или от передатчика, размещенного в надземном сегменте 3, и передает сигнал только на приемник, размещенный в абонентском сегменте 2, или на приемник, размещенный в наземном сегменте 3.
Абонентский сегмент 2 может включать множество типов абонентских станций 13, которые приспособлены для связи со спутниками 12. Абонентские станции 13 включают, например, множество различных типов стационарных и подвижных абонентских терминалов, включая, но не ограничиваясь ими, карманные радиотелефоны 14, радиотелефоны 15, установленные на транспортных средствах, пейджинговые устройства передачи сообщений 16 и стационарные радиотелефоны 14a. Абонентские станции 13 предпочтительно обеспечиваются ненаправленными антеннами 13а для двусторонней связи через один или большее число спутников 12. Следует заметить, что стационарные радиотелефоны 14а могут использовать направленные антенны. Это выгодно тем, что дает возможность уменьшить взаимные помехи и в результате увеличить число пользователей, которые могут одновременно обслуживаться одним или большим числом спутников 12.
Кроме того, следует отметить, что абонентские станции 13 могут быть устройствами двойного использования, которые содержат также и схемы для связи стандартным способом с наземной сотовой системой.
Обратимся также к фиг. 3А. Абонентские станции 13 должны быть способны работать в полном дуплексном режиме и осуществлять связь через, например, линии радиосвязи диапазона L (1000-2000 МГц) (линия "Земля- спутник" или обратный канал 17b) и линии радиосвязи диапазона S (2-4 ГГц) (линия "спутник-Земля" или прямой канал 17а) через обратный и прямой спутниковые ретрансляторы (транспондеры) 12а и 12b, соответственно. Обратные линии 17b радиосвязи диапазона L могут работать в полосе частот от 1,61 ГГц до 1,625 ГГц с шириной полосы 16,5 МГц и модулироваться пакетными цифровыми речевыми сигналами и/или сигналами данных в соответствии с предпочтительным методом расширения спектра. Прямые линии 17а радиосвязи диапазона S могут работать в полосе частот от 2,485 ГГц до 2,5 ГГц с шириной полосы 16,5 МГц. Прямые линии радиосвязи 17а также модулируются в земной узловой станции 18 пакетными цифровыми речевыми сигналами и/или сигналами данных в соответствии с методами расширения спектра.
Полоса частот шириной 16,5 МГц прямой линии связи разбита на 13 каналов с числом пользователей, назначаемых на канал, например, до 128. Обратная линия может иметь различную ширину полосы частот и данной абонентской станции 13 может назначаться или не назначаться канал, отличный от канала, назначенного по прямой линии. Однако при работе в режиме разнесенного приема на обратной линии (прием от двух или более спутников 12) абоненту назначаются одинаковые радиоканалы прямой и обратной линии для каждого из спутников.
Наземный сегмент 3 содержит по меньшей мере одну, но как правило множество земных узловых станций 18, которые осуществляют связь со спутниками 12, например, через полнодуплексную радиолинию 19 диапазона С (4-8 ГГц) (прямая линия связи 19а (на спутник), обратная линия 19b (со спутника)), которая как правило работает в диапазоне частот выше 3 ГГЦ и предпочтительно - в диапазоне С. Радиоканалы диапазона С передают в обе стороны сигналы фидерных каналов связи, а также передают команды спутникам и телеметрическую информацию со спутников. Прямой фидерный канал 19а связи может работать в диапазоне от 5 ГГц до 5,25 ГГц, в то время как обратный фидерный канал 19b может работать в диапазоне от 6,875 ГГц до 7,075 ГГц.
Спутниковые антенны 12д и 12h фидерных каналов предпочтительно являются антеннами с широким покрытием, которые охватывают максимальную наземную область, если смотреть со спутника 12 на низкой околоземной орбите. В предпочтительной форме осуществления данной системы связи 10 угол, охватываемый из данного спутника 12 на низкой околоземной орбите (при угле возвышения 10o от поверхности земли) составляет приблизительно 110o. Это дает зону покрытия, которая имеет приблизительно около 6000 км в диаметре.
Антенны диапазона L и диапазона S являются многолучевыми антеннами, которые обеспечивают покрытие в пределах соответствующей наземной зоны обслуживания. Антенны 12d и 12с диапазона L и диапазона S, соответственно, предпочтительно являются конгруэнтными одна с другой, как показано на фиг. 3В. То есть, лучи, передаваемые от космического корабля и принимаемые им, покрывают одну и ту же область на поверхности Земли, хотя эта особенность и не принципиальна для работы системы 10.
Например, несколько тысяч полнодуплексных соединений может осуществляться через один из спутников 12. В соответствии с особенностью системы 10, одно и то же сообщение между данной абонентской станцией 13 и одной из земных узловых станций 18 может передавать каждый из двух и более спутников 12. Этот режим работы, как подробно описано ниже, обеспечивает комбинирование разнесенных сигналов в соответствующих приемниках, обеспечивая повышенную устойчивость к замираниям и облегчая реализацию плавного переключения.
Следует обратить внимание на то, что все частоты, полосы частот и т.п., которые описаны здесь, характерны лишь для одной конкретной системы. Другие частоты и полосы частот могут использоваться без изменения рассматриваемых принципов. В качестве лишь одного примера, фидерные каналы между земными узловыми станциями и спутниками могут использовать частоты в диапазоне, отличном от диапазона С (приблизительно от 3 ГГц до 7 ГГц), например в диапазоне Ku (приблизительно от 10 ГГц до 15 ГГц) или в диапазоне Ka (выше приблизительно 15 ГГц).
Функцией земных узловых станций 18 является связь бортовой аппаратуры связи или стволов транспондера 12а и 12b (фиг. 3А) спутников 12 с сегментом 4 телефонной инфраструктуры. Стволы транспондера 12а и 12b содержат приемную антенну 12с диапазона L, передающую антенну 12d диапазона S, усилитель 12е мощности диапазона С, малошумящий усилитель 12f диапазона С, антенны 12g и 12h диапазона С, блок 12i преобразования частоты диапазона L в диапазон С и блок 12j преобразования частоты диапазона С в диапазон S. Спутник 12 содержит также задающий генератор 12k и аппаратуру 12l управления и телеметрии.
В связи с этим можно сослаться также на патент США N 5422647, озаглавленный "Бортовая аппаратура связи спутника связи с подвижными объектами".
Сегмент 4 телефонной инфраструктуры состоит из существующих телефонных систем и включает шлюзы 20 сети связи общего пользования для связи с наземными подвижными объектами, городские (местные) автоматические телефонные станции 22, такие как станции региональных телефонных сетей общего пользования или других местных поставщиков телефонных услуг, национальные сети дальней связи 24, международные сети 26, частные сети 28 и другие региональные телефонные сети 30 общего пользования. Система связи 10 работает так, чтобы обеспечивать двустороннюю передачу речи и/или данных между абонентским сегментом 2 и телефонами 32 телефонной сети общего пользования, а также телефонами 32 сегмента 4 телефонной инфраструктуры, не относящимися к телефонной сети общего пользования, или другими абонентскими станциями различных типов, которые могут относиться к частным сетям.
На фиг.1 (а также на фиг. 4) как часть наземного сегмента 3 показан также центр 36 управления полетами спутников и наземный центр 38 управления. Тракт связи, который включает наземную сеть 39 передачи данных (см. фиг. 2), предусмотрен для соединения земных узловых станций 18 и блоков 18а управления и телеметрии, центра 36 управления полетами спутников и наземного центра 38 управления, относящихся к наземному сегменту 3. Эта часть системы связи 10 обеспечивает общие функции управления системой.
На фиг. 2 одна из земных узловых станций 18 показана более подробно. Каждая земная узловая станция 18 имеет до четырех под систем с двойной поляризацией радиодиапазона С, каждая из которых содержит параболическую антенну 40, привод антенны 42 и основание 42а, малошумящие приемники 44 и усилители 46 большой мощности. Все эти компоненты могут быть размещены внутри структуры обтекателя антенны, чтобы обеспечить защиту от окружающей среды.
Кроме того, земная узловая станция 18 содержит преобразователи 48 с понижением частоты и преобразователи 50 с повышением частоты для обработки соответственно получаемых и передаваемых сигналов радиочастотной несущей. Преобразователи 48 с понижением частоты и преобразователи 50 с повышением частоты соединены с подсистемой 52 многостанционного доступа с кодовым разделением каналов, которая, в свою очередь, соединена с телефонной сетью общего пользования через интерфейс 54 телефонной сети общего пользования. В качестве необязательного варианта телефонная сеть общего пользования может параллельно использовать межспутниковую линию.
Подсистема 52 многостанционного доступа с кодовым разделением каналов содержит блок 52а суммирования/коммутации сигналов, подсистему 52b приемопередатчика земной узловой станции, контроллер 52с приемопередатчика земной узловой станции, подсистему 52d соединения на основе многостанционного доступа с кодовым разделением каналов и подсистему 52е селекторного каналообразующего оборудования. Подсистема 52 многостанционного доступа с кодовым разделением каналов управляется устройством 52f управления базовой станцией и работает аналогично аппаратуре базовой станции, совместимой с многостанционным доступом с кодовым разделением каналов (например, совместимой со стандартом IS-95). Подсистема 52 многостанционного доступа с кодовым разделением каналов содержит также необходимый синтезатор 52g частоты и приемник 52h глобальной системы определения местоположения.
Интерфейс 54 коммутируемой телефонной сети общего пользования включает пункт 54а коммутации служб телефонной сети общего пользования, процессор 54b управления вызовом, регистр 54с посетителей и регистр 54d местоположения абонентов. Регистр положения абонентов может быть размещен в шлюзе 20 сотовой сети (фиг. 1) или, по выбору, в интерфейсе 54 телефонной сети общего пользования.
Земная узловая станция 18 соединена с сетями дальней связи через стандартный интерфейс, реализуемый с помощью пункта 54а коммутации служб. Земная узловая станция 18 обеспечивает интерфейс и соединяется с телефонной сетью общего пользования через интерфейс первичной скорости. Кроме того, земная узловая станция 18 способна обеспечивать прямое соединение с центром коммутации системы связи с подвижными объектами.
Земная узловая станция 18 обеспечивает передачу в процессор 54b сигнализации по выделенному каналу сигналов цифровой сети с интеграцией служб на основе системы сигнализации N 7. На стороне земной узловой станции этого интерфейса процессор 54b управления вызовом стыкуется с подсистемой 52d соединения на основе многостанционного доступа с кодовым разделением каналов и, следовательно, с подсистемой 52 многостанционного доступа с кодовым разделением каналов. Процессор 54b управления вызовом обеспечивает функции преобразования протокола для системного интерфейса со средствами радиосвязи, который может быть аналогичен промежуточному стандарту IS-95 для связи на основе многостанционного доступа с кодовым разделением каналов.
Блоки 54с и 54d в основном обеспечивают интерфейс между земной узловой станцией 18 и внешней сотовой телефонной сетью, совместимой, например, с сотовыми системами IS-41 (Североамериканский стандарт AMPS) или GSM (Европейский стандарт, MAP) и, в частности, с определенными методами для обработки заказов "роумеров", то есть абонентов, которые заказывают разговор по телефону, находясь за пределами той системы, где они обычно расположены. Земная узловая станция 18 обеспечивает идентификацию абонентских станций для телефонов системы 10/AMPS и для телефонов системы 10/GSM. В зонах обслуживания, где нет существующей инфраструктуры дальней связи, регистр местоположения абонентов может быть добавлен к земной узловой станции 18 и сопряжен с интерфейсом сигнализации N 7.
Абонент, делающий вызов за пределами своей обычной зоны обслуживания ("роумер"), обслуживается системой 10, если он имеет на это право. Так как роумер может быть найден в любом месте, абонент может использовать одно и то же оконечное устройство (терминал), чтобы делать вызов из любой точки в мире, а необходимые преобразования протокола выполняются прозрачно земной узловой станцией 18. Интерфейс 54d протокола не используется, если протокол не требуется преобразовывать, например, из GSM в AMPS.
В рамках этого изобретения обеспечивается выделенный универсальный интерфейс к шлюзам 20 сотовых систем, в дополнение к стандартному интерфейсу "А", определенному для центров коммутации подвижных абонентов системы GSM, или вместо него, и интерфейсам с центрами коммутации подвижных абонентов системы IS-41, которые определяют производители оборудования. Кроме того, в пределах объема этого изобретения, обеспечивается интерфейс непосредственно с телефонной сетью общего пользования (ТФОП), как показано на фиг. 1 в виде пути сигнала, обозначенного PSTN-INT.
Общее управление земной узловой станцией обеспечивается контроллером 56 земной узловой станции, который содержит интерфейс 56а с вышеупомянутой наземной сетью 39 передачи данных и интерфейс 56b с центром 60 управления предоставлением услуг. Контроллер 56 земной узловой станции как правило взаимодействует с земной узловой станцией 18 через устройство 52f управления базовой станцией и через радиочастотные контроллеры 43, связанные с каждой из антенн 40. Кроме того, контроллер 56 земной узловой станции подключен к базе 62 данных, например, базе данных абонентов, эфемеридных данных спутников и т.д., и к модулю 64 ввода-вывода, который дает возможность обслуживающему персоналу получать доступ к контроллеру 56 земной узловой станции. Наземная сеть 39 передачи данных двунаправленно состыкована также с модулем 66 телеметрии и управления (фиг. 1 и 4).
Как показано на фиг. 4, функцией наземного центра 38 управления является планирование и управление использованием спутников земными узловыми станциями 18, а также координация этой эксплуатации с центром 36 управления полетами спутников. В общем, наземный центр 38 управления анализирует тенденции, создает планы трафика, распределяет спутник 12 и ресурсы системы (например, но не ограничиваясь только ими, мощность и распределение каналов), контролирует эффективность всей системы 10 и выдает команды использования через наземную сеть 39 передачи данных на земные узловые станции 18 в реальном времени или заранее.
Центр 36 управления полетами спутников функционирует для того, чтобы поддерживать и контролировать орбиты, ретранслировать информацию об использовании спутников на земную узловую станцию для ввода в наземный центр 38 управления через наземную сеть 39 передачи данных, контролировать общее функционирование каждого спутника 12, включая состояние спутниковых батарей, устанавливать коэффициент усиления для трактов радиосигнала внутри спутника 12, гарантировать оптимальную ориентацию спутника относительно поверхности земли.
Как описано выше, каждая земная узловая станция 18 функционирует так, чтобы соединять данного пользователя с телефонной сетью общего пользования как для передачи информации сигнализации, так и для передачи речи и/или данных, а также создавать с помощью базы данных 62 (фиг. 2) данные для расчета за предоставленные услуги. Выбранные земные узловые станции 18 содержат модуль телеметрии и управления 18а для приема данных телеметрии, которые передаются спутниками 12 через обратную линию 19b, и для передачи команд на спутники 12 через прямую линию 19а связи. Наземная сеть 39 передачи данных функционирует для связывания между собой земных узловых станций 18, наземного центра 38 управления и центра 36 управления полетами спутников.
Вообще, каждый спутник 12 из группы спутников на низких околоземных орбитах функционирует так, чтобы ретранслировать информацию от земных узловых станций 18 к абонентам (из прямого канала 19а диапазона C в прямой канал 17а с диапазона S) и ретранслировать информацию от абонентов на земные узловые станции 18 (из обратного канала 17b диапазона L в обратный канал 19b диапазона C). Эта информация содержит, в дополнение к сигналам управления мощностью, сигналы синхронизации системы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов и сигналами с расширенным спектром и сигналы служебных каналов. Могут также использоваться различные пилот-каналы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов, чтобы контролировать помехи в прямой линии связи. Данные для коррекции спутниковых эфемеридных данных также передаются на все абонентские станции 13 с земной узловой станции 18 через спутники 12. Спутники 12 выполняют также функцию ретрансляции информации сигнализации от абонентских станций 13 на земную узловую станцию 18. Эта информация включает в себя запросы на доступ, запросы на изменение мощности и запросы о регистрации. Спутники 12 также ретранслируют сигналы связи между абонентами и земными узловыми станциями 18 и могут применять защиту информации, чтобы предотвратить ее несанкционированное использование.
Во время работы спутники 12 передают данные телеметрии космического корабля, которые включают результаты измерения состояния спутника. Поток телеметрической информации со спутников, команды из центра 36 управления полетами спутников и фидерные каналы 19 связи совместно используют антенны 12g и 12d диапазона С. Те земные узловые станции 18, которые содержат аппаратуру 18а телеметрии и управления, могут немедленно посылать принятые спутниковые данные телеметрии в центр 36 управления полетами спутников или же данные телеметрии могут сохраняться и позже посылаться в центр 36 управления полетами спутников, обычно по его запросу. Данные телеметрии, передаваемые немедленно или сохраняемые и посылаемые впоследствии, передаются через наземную сеть 39 передачи данных как пакетные сообщения, каждое пакетное сообщение содержит одиночный малый кадр телеметрии. Если поддержку спутников должен обеспечивать более чем один центр 36 управления полетами спутников, то данные телеметрии направляются во все центры управления полетами спутников.
Центр 36 управления полетами спутников выполняет несколько функций взаимодействия с наземным центром 38 управления. Одна из этих функций касается информации о положении орбиты, причем центр 36 управления полетами спутников предоставляет орбитальную информацию в наземный центр 38 управления так, что каждая земная узловая станция 18 может точно прослеживать до четырех спутников, которые могут быть в зоне радиовидимости земной узловой станции. Эти данные включают таблицы данных, которые являются достаточными для того, чтобы позволить земным узловым станциям 18 разработать свои собственные списки контактов со спутниками, используя известные алгоритмы. Центру 36 управления полетами спутников не требуется знать планы слежения земной узловой станции. Аппаратура 18а телеметрии и управления ищет диапазон телеметрии линии "спутник-Земля" и уникально идентифицирует спутник, отслеживаемый каждой антенной, перед прохождением команд.
Другая функция взаимодействия касается информации о состоянии спутника, которая сообщается из центра 36 управления полетами спутников в наземный центр 38 управления. Эта информация о состоянии спутника содержит сведения о готовности спутника/транспондера, состоянии батареи и орбитальную информацию и включает, как правило, любые ограничения, связанные со спутником, которые могли бы препятствовать использованию всего спутника 12 или его части для задач связи.
Важным аспектом системы 10 является использование многостанционного доступа с кодовым разделением каналов и расширением спектра сигналов вместе с комбинированием разнесенных сигналов в приемниках земных узловых станций и в приемниках абонентских станций. Комбинирование разнесенных сигналов использовано для того, чтобы смягчить эффекты замирания, поскольку сигналы приходят на абонентские станции 13 или земную узловую станцию 18 с нескольких спутников по нескольким путям с различной длиной. Приемники с обработкой сигналов по методу RAKE используются в абонентских станциях 13 и земных узловых станциях 18 для того, чтобы принимать и комбинировать сигналы от нескольких источников. Например, абонентская станция 13 или земная узловая станция 18 обеспечивает комбинирование разнесенных сигналов для прямой линии связи или обратной линии связи, которые одновременно принимаются и передаются через многие лучи спутников 12.
В связи с этим описание патента США N 5233626 озаглавленного "Система связи с расширенным спектром и разнесением ретрансляторов", включено в данное описание путем ссылки на соответствующий документ. Рабочие характеристики в непрерывном режиме разнесенного приема превосходят характеристики приема одного сигнала через один спутниковый ретранслятор и, кроме того, не происходит никакого перерыва связи, если один канал связи будет потерян из-за затенения деревьями или другими преградами, оказывающими неблагоприятное воздействие на принимаемый сигнал.
Антенны 40 с возможностью ориентации диаграммы направленности по нескольким направлениям из определенной земной станции 18 способны передавать сигнал прямой линии связи (от земной узловой станции на абонентскую станцию) через различные лучи одного или нескольких спутников 12, чтобы обеспечивать комбинирование разнесенных сигналов в абонентских станциях 13. Ненаправленные антенны 13а абонентских станций 13 передают через лучи всех спутников, которые могут быть "видны" из местоположения абонентской станции 13.
Каждая земная узловая станция 18 поддерживает функцию управления мощностью передатчика, чтобы подавлять медленные постепенные замирания, а также обеспечивает перемежение блоков, чтобы подавлять средние и быстрые замирания. Управление мощностью выполнено на обеих, прямой и обратной, линиях связи. Время реагирования функции управления мощности подстраивается, чтобы обеспечивать для наихудшего случая задержку двусторонней передачи сигнала через спутник на 30 мс.
Устройства перемежения блоков (53-d, 53е, 53f, фиг. 5) работают с длиной блока, которая связана с пакетными кадрами вокодера 53g. Оптимальная длина в устройстве перемежения является результатом компромисса между большей длиной и, следовательно, улучшенным исправлением ошибок, и увеличением полной задержки сквозной передачи. Предпочтительная максимальная общая сквозная задержка составляет 150 мс или менее. Эта задержка включает все задержки, включая задержки из-за выравнивания полученного сигнала, выполняемого устройствами комбинирования разнесенных сигналов, задержки обработки в вокодере 53g, задержки в устройствах 53d-53f перемежения блоков и задержки в декодерах Витерби (не показанных), которые образуют часть подсистемы 52 многостанционного доступа с кодовым разделением каналов.
Фиг. 5 представляет собой блок-схему модуляционной части прямой линии для подсистемы 52 многостанционного доступа с кодовым разделением каналов, показанной на фиг. 2. Выходной сигнал блока 53а суммирования подается на быстродействующий преобразователь 53b частоты с повышением частоты, выходной сигнал которого в свою очередь подается на блок 52а суммирования и коммутации.
Информация телеметрии и управления (Т&С) также подается на вход блока 52а.
Немодулированный сигнал пилот-канала с расширением спектра прямой последовательностью формирует код Уолша со всеми нулями с необходимой битовой скоростью передачи. Этот поток данных объединяется с коротким псевдошумовым кодом, который используется, чтобы разделить сигналы от различных земных узловых станций 18 и различных спутников 12. Если используется сигнал пилот-канала, то он суммируется по модулю 2 с коротким кодом и затем расширяется по спектру с помощью четырехпозиционной фазовой манипуляции или двухпозиционной фазовой манипуляции до ширины полосы частот канала системы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов и частотным уплотнением радиоканалов. Обеспечиваются следующие различные смещения псевдошумового кода: (а) смещение псевдошумового кода, чтобы позволить абонентской станции 13 уникально идентифицировать станцию 18; (b) смещение псевдошумового кода, чтобы позволить абонентской станции 13 уникально идентифицировать спутник 12; и (с) смещение псевдошумового кода, чтобы позволить абонентской станции 13 уникально идентифицировать определенный луч из 16 лучей, которые передаются со спутника 12. Псевдошумовым кодам пилот-каналов от различных спутников 12 назначаются различные смещения по времени/фазе относительно одного и того же исходного псевдошумового кода пилот-канала.
Каждый пилот-канал, который передается земной узловой станцией 18, если он используется, может передаваться с более высоким или низким уровнем мощности, чем другие сигналы. Пилот-канал дает возможность абонентской станции 13 войти в синхронизм с прямым каналом многостанционного доступа с кодовым разделением каналов, обеспечивает опорную фазу для когерентной демодуляции и обеспечивает механизм для выполнения сравнения интенсивности сигнала, чтобы определить, когда начинать переключение. Однако использование пилот-канала не является обязательным и для этой цели могут быть использованы другие методы.
Канал синхронизации формирует поток данных, который включает следующую информацию: (а) время дня; (b) идентификацию передающей земной узловой станции; (с) эфемериды спутника; и (d) назначенный служебный канал. Данные синхронизации подаются на сверточный кодер 53i, где данные кодируются сверточным кодом и впоследствии перемежаются по блокам, чтобы бороться с быстрыми замираниями. Результирующий поток данных суммируется по модулю два с синхронизирующим кодом Уолша и расширяется по спектру с помощью четырехпозиционной или двухпозиционной фазовой манипуляции до ширины полосы частот канала системы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов и частотным уплотнением радиоканалов.
Сигнал служебного канала подается на сверточный кодер 53i, где он кодируется сверточным кодом и затем перемежается по блокам. Результирующий поток данных объединяется с выходным сигналом генератора 53j длинного кода. Длинный псевдошумовой код используется для разделения полос различных абонентских станций 13. Сигнал служебного канала и длинный код суммируются по модулю два и подаются на устройство кодирования символов, где результирующий сигнал суммируется по модулю два с кодом Уолша. Результат затем расширяется по спектру с помощью четырехпозиционной фазовой манипуляции или двухпозиционной фазовой манипуляции до ширины полосы частот канала системы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов при частотном уплотнении радиоканалов.
Как правило, служебный канал передает сообщения нескольких видов, которые включают: (а) сообщение о параметрах системы; (b) сообщение о параметрах доступа; и (с) сообщение о списке каналов многостанционного доступа с кодовым разделением каналов.
Сообщение о параметрах системы включает информацию о конфигурации служебного канала, параметры регистрации и параметры, способствующие вхождению в синхронизм. Сообщение о параметрах доступа включает информацию о конфигурации канала доступа и скорости передачи данных канала доступа. Сообщение о списке каналов многостанционного доступа с кодовым разделением каналов, если оно используется, передает соответствующую идентификацию пилот-сигнала и данные о назначении кода Уолша.
Вокодер 53g кодирует речевой сигнал, преобразуя его в поток данных прямого трафика с импульсно-кодовой модуляцией. Этот поток данных прямого трафика подается на сверточный кодер 53l, где он кодируется сверточным кодом, и затем перемежается по блокам в блоке 53f. Формируемый в результате поток данных объединяется с выходным сигналом блока 53k длинного кода абонента. Длинный код абонента используется для разделения различных абонентских каналов. Возникающий в результате поток данных затем регулируется по мощности в перемножителе 53m, складывается по модулю два с кодом Уолша, а затем расширяется по спектру с помощью четырехпозиционной или двухпозиционной фазовой манипуляции до ширины полосы частот канала системы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов при частотном уплотнении радиоканалов.
Земная узловая станция 18 работает так, чтобы демодулировать обратный канал (каналы) многостанционного доступа с кодовым разделением каналов. Имеются два различных кода для обратной линии связи: (а) код с нулевым смещением; и (b) длинный код. Они используются двумя различными типами каналов обратной линии связи системы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов, а именно каналом доступа и каналом обратного трафика.
Для канала доступа земная узловая станция 18 принимает и декодирует пакет в канале доступа, который запрашивает доступ. Сообщение канала доступа заключено в длинной преамбуле, за которой следует относительно малое количество данных. Преамбулой является длинный псевдошумовой код абонентской станции. Каждая абонентская станция 13 имеет уникальный длинный псевдошумовой код, сформированный уникальным смещением по времени в общем псевдошумовом порождающем полиноме.
После получения запроса на доступ, земная узловая станция 18 посылает по служебному каналу прямой линии связи (блоки 53е, 53i, 53j) сообщение, подтверждающее получение запроса на доступ и назначающее код Уолша абонентской станции 13, чтобы установить канал трафика. Земная узловая станция 18 назначает также частотный канал абонентской станции 13. И абонентская станция 13, и земная узловая станция 18 переключаются на назначенный элемент канала и начинают дуплексную связь, используя назначенный (расширяющий) код(ы) Уолша.
Обратный канал трафика формируется на абонентской станции 13 сверточным кодированием цифровых данных от местного источника данных или вокодера абонентской станции. Затем данные поблочно перемежаются в определенных интервалах и подаются на 128-ичный модулятор и на генератор последовательности импульсов со случайными интервалами между импульсами для рандомизации пакетов данных, чтобы уменьшить число конфликтов. Затем данные суммируются с псевдошумовым кодом с нулевым смещением и передаются через один или несколько спутников 12 на земную узловую станцию 18.
Земная узловая станция 18 обрабатывает сигнал обратного канала связи, используя, например, быстрое преобразование Адамара, чтобы демодулировать 128-ичный код Уолша, и подает демодулированную информацию на устройство комбинирования разнесенных сигналов.
Выше было приведено описание предпочтительного в настоящее время варианта осуществления системы связи 10. Теперь приведем описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.
Это изобретение основано на изобретении, описанном в вышеупомянутом патенте США N 5223626, который озаглавлен "Repeater Diversity Spread Spectrum Communication System."
В описанной в этом патенте системе множество сигналов может одновременно передаваться от нескольких независимых передатчиков и антенн на отдельный приемник абонента через несколько спутниковых ретрансляторов, формируя таким образом несколько прямых трасс 19а, 17а от земной шлюзовой станции 18 до абонентского терминала 13. Обратные трассы идут от отдельного терминала абонента 13 к нескольким независимым антеннам и приемникам земной шлюзовой станции через несколько спутниковых ретрансляторов.
В настоящем изобретении передача сигналов от нескольких независимых передатчиков и антенн оптимизируется и выбирается под управлением земной шлюзовой станции 18 в соответствии с информацией, предоставляемой обслуживаемым абонентским терминалом или для него, а также информацией, хранимой на земной шлюзовой станции 18. Выбор одного или нескольких спутниковых ретрансляторов основывается на этой информации.
Концепция данного изобретения касается прежде всего прямой линии связи 19а, 17а; то есть направления от земной шлюзовой станции 10 к абонентскому терминалу 13 через один или более спутниковых ретрансляторов 12. Однако концепция этого изобретения применима также и к трассе обратной линии 17b, 19b, если в распоряжении абонентского терминала 13 имеются направленные антенны. Эти обе формы осуществления изобретения (то есть прямой линии связи и обратной линии связи) будут подробно описаны ниже.
Обратимся теперь к фиг. 6, на которой показана система 60 предоставления разнесения трасс в соответствии с данным изобретением. Блок 43 определения частоты земной шлюзовой станции передает одиночные входные сигналы трафика через один или несколько независимых путей на один или несколько передатчиков 46а, 46b, 46с, которые усиливают сигналы с одной и той же частотой и подают усиленный сигнал на одну или несколько соответствующих направленных антенн 40а, 40b, 40с земной шлюзовой станции для передачи одновременно или по существу одновременно на одной и той же частоте радиочастотного канала на спутниковые ретрансляторы 12. Однако при соответствующей обработке и объединении сигналов в абонентском терминале 13 могут иметь место произвольные задержки передачи. Приемные антенны 12h выбранных спутниковых ретрансляторов принимают (не обязательно одновременно) сигналы линии "Земля-спутник" (прямой путь 19а) и передают сигналы на Землю через антенны 12d. Хотя здесь изображены три спутника, привлеченных к передаче сообщений на абонентский терминал 13, должно быть понятно, что может использоваться от одного до "n" спутниковых ретрансляторов 12, где "n" равно или больше двух.
Выбранные один или несколько передаваемых сигналов принимаются антенной абонентского терминала 13а и подаются на приемник для объединения разнесенных сигналов. Приемник абонентского терминала 13 может быть построен и работать по способу, описанному в вышеупомянутом патенте США N 5223626, который включен в данное описание путем ссылки. В пределах объема данного изобретения можно использовать также и другие методы объединения разнесенных сигналов.
Фиг. 7 поясняет часть системы 60 предоставления разнесения трасс, показанной на фиг. 6, и также систему 70 выбора разнесения трасс, которая построена и работает в соответствии с данным изобретением.
Система 70 выбора разнесения трасс принимает входные сигналы от внешних источников информации, включающей местоположение 72 абонентского терминала, активность 74 абонента по мощности и тип 76 абонентского терминала. Данные о предыстории 77 использования системы собираются и организуются системой 95 базы данных предыстории абонентов и сохраняются в базе 86 данных. Данные 77 предыстории использования системы могут, например, содержать данные об окружающей среде, в которых абонентский терминал 13 наиболее часто используется (например, городской район, сельский район), а также типичном или среднем отрезке времени, который абонентский терминал использует для вызовов или соединений. Земная шлюзовая станция 18 имеет доступ к такой информации, которая прежде всего касается управления соединениями для отдельного абонента и сбора информации, связанной с оплатой, для отдельных абонентских терминалов.
Система 70 выбора разнесения трасс содержит блок 78 управления передатчиком, который подает команды 78а управления на блок 43 определения частоты системы 60 предоставления разнесения трасс. Команды 78а управления определяют, какая пара передатчика и антенны (46а, 40а и т.д.) должна использоваться для направления сигналов 62 трафика абонента по определенным прямым линиями 19а связи к выбранному одному из спутниковых ретрансляторов 12. Блок 78 управления передатчиком принимает команды от командного интерфейса 80, который соединен с вычислительной подсистемой 82. Вычислительная подсистема 82 определяет число трасс разнесения, которые нужно предоставить, и вид разнесения. Вид разнесения может включать информацию о том, какой спутниковый ретранслятор или ретрансляторы должен использоваться. Вычислительная подсистема 82 может также определять другие параметры управления, например, уровни мощности для передачи. Вычислительная подсистема 82 работает согласно набору 84 правил, или набору алгоритмов. Вычислительная подсистема 82 получает и обрабатывает следующие сигналы: (а) информацию, хранящуюся в базе 86 данных, (b) информацию, предоставляемую из подсистемы 88 загрузки спутника и доступности ресурсов, (с) положение абонента, выдаваемое подсистемой 90 определения положения, (d) предысторию использования системы абонентом и (е) другие источники информации об абоненте, которые могут использоваться, чтобы определить потребность или отсутствие потребности в разнесении трасс. Местоположение абонентского терминала 13 указывается на карте 92 прохождения радиоволн в зоне обслуживания, называемую здесь также картой окружающей среды, в которой осуществляется связь, которая также может храниться в базе 86 данных.
Вычислительная подсистема 82, которая обрабатывает выходной сигнал подсистемы определения положения абонентского терминала 90 и данные из карты 92 прохождения радиоволн в зоне обслуживания, хранящейся в базе 86 данных, дает возможность определить окружающую среду абонентского терминала 13. Эта информация об окружающей среде используется для дальнейшей обработки и принятия решений относительно выбора разнесения трасс. Использование 74 мощности абонентским терминалом может контролироваться и/или измеряться подсистемой 94 активности абонента и подаваться, в вычислительную подсистему 82 через базу 86 данных, как описано ниже.
Командный интерфейс 80 подает команды также и на блок 96 управления обратной линией, который, в свою очередь, подает команды 96а на устройство 64 управления частотой абонентского терминала, являющееся частью системы 60 предоставления разнесения трасс.
Во время эксплуатации абонентский терминал 13 регистрируется в системе 10 связи и ему назначается зона обслуживания, находящаяся под управлением земной шлюзовой станции 18, имеющей антенны 40а-40с и передатчики 46а-46с, которые устанавливают разнесение сигналов трафика абонента. При входе в систему и/или в другие определенные моменты, включая время установления соединения, тип абонентской станции передается на земную шлюзовую станцию 18 вместе с электронным порядковым номером абонентского терминала 13. Информация о типе абонентского терминала может передаваться при каждом телефонном вызове или же информация о типе абонентского терминала может сохраняться, например, в базе данных о пользователях, в регистре местоположения абонентов или в регистре посетителей зоны, который находится в земной шлюзовой станции 18 или в наземной сети, с которой соединена земная шлюзовая станция 18. В любом случае информация о типе абонентского терминала может быть обнаружена и передана некоторым способом в базу 86 данных. В результате тип абонентского терминала становится известен земной шлюзовой станции 18. Например, как показано на фиг. 1, могут иметься речевые терминалы 15, установленные на автомобиле, переносные речевые терминалы 14, переносные терминалы данных, переносные терминалы 16 пейджинга и передачи сообщений, стационарные абонентские терминалы 14а или ряд других типов абонентских терминалов.
Каждый из этих типов абонентских терминалов может предъявлять различные требования к разнесению. Например, установленный на автомобиле абонентский терминал 15, который перемещается с высокой скоростью в лесистой местности, может требовать разнесения с использованием трех спутников 12, чтобы гарантировать непрерывность обслуживания, в то время как переносной абонентский терминал 14, размещенный на прогулочной лодке на озере или в открытой пустынной местности, может не требовать никакого разнесения.
Поскольку типы абонентских терминалов 13 известны земной шлюзовой станции 18, разнесение может определяться и применяться ко всем терминалам одного типа, как к группе. В качестве альтернативного и более сложного способа, вычислительная подсистема 82 может динамически назначать разнесение абонентам, получающим доступ к спутниковой системе 10, с различными типами абонентских терминалов, выдавая команды управления на блок 78 управления передатчиком через командный интерфейс 80.
Дальнейшие усовершенствования управления разнесением могут выполняться для каждой группы абонентских терминалов определенного типа, если известен тип рельефа местности, в пределах которой размещен абонентский терминал 13. Чтобы определить тип местности, в которой расположен абонент, может быть необходимо знать местоположение абонентского терминала и характеристику окружающей среды в месте нахождения абонента.
Местоположение абонентского терминала может быть определено несколькими способами. Например, абонентский терминал 13 может посылать системе 10 информацию о местоположении посредством вводимого оператором кода (например, 01 = город, 02 = сельская местность, 03 = на воде и т.д.). В качестве другого примера, местоположение абонентского терминала может быть получено с выхода подсистемы 90 определения местоположения типа глобальной навигационной спутниковой системы GPS, радионавигационной системы дальнего действия LORAN или некоторого другого устройства, которое вычисляет местоположение абонента. В качестве еще одного примера, система может определять местоположение абонентской терминала gentv измерения дальности или триангуляции с использованием сигналов от группы ("созвездия") спутников 12.
В любом случае, местоположение абонентского терминала предполагается известным подсистеме 90 определения местоположения. Информация о местоположении абонентского терминала объединяется с данными карты 92 прохождения радиоволн в зоне обслуживания, хранящейся в базе данных 86, обрабатывается вычислительной подсистемой системой 82, чтобы определить и выбрать уровень или степень разнесения трасс для данного абонентского терминала. Например, установленный на автомобиле абонентский терминал 15, который перемещается в лесистой местности, может требовать разнесения с использованием трех спутников 12 (как показано на фиг. 6), в то время как тот же самый установленный на автомобиле абонентский терминал 15, который перемещается по открытой местности, например, по равнине или пустыне, может быть способен достигнуть того же качества обслуживания с помощью только одного спутника 12 (то есть вообще без разнесения). Аналогично, переносной терминал 14, размещенный в городском районе, может требовать разнесения с использованием трех спутников, в то время как переносной терминал того же самого типа, расположенный на озере или в океане, чтобы получить то же самое качество соединения, может использовать только один спутник 12.
Карта 92 прохождения радиоволн в зоне обслуживания (см., например, фиг. 10), которая хранится в базе данных 86, может быть сформирована различными способами, например, с помощью базы географических данных. В качестве альтернативы, спутниковые изображения зоны обслуживания земной шлюзовой станции могут определять особенности областей местности на основании значений их отражательной способности. Кроме того, известно, что спутниковые изображения, полученные в различных спектральных диапазонах, могут использоваться для определения местоположения и идентификации районов с определенными видами растительности, например, лесов. Такие изображения тоже могут быть включены в базу 86 данных. В этом отношении сезонные изменения в растительном покрове также могут быть учтены как фактор при определения разнесения. Например, абонентскому терминалу, размещенному в пределах области, идентифицированной как лиственный лес, может быть назначено разнесение через три спутника в течение летних месяцев, чтобы компенсировать ослабление из-за листьев, в то время как этому же абонентскому терминалу в той же самой лесистой местности в зимние месяцы может быть назначено разнесение только через два спутника.
В объем изобретения входит также использование в реальном времени или по существу в реальном времени информации о погоде, например, обеспечиваемой доплеровской радиолокационной станцией, при определении разнесения для данного абонентского терминала. Например, в зависимости от используемых радиочастот, абонентским терминалам, которые находятся в дождевых ячейках в зоне обслуживания земной шлюзовой станции 18, что определяется из полученных доплеровской радиолокационной станцией изображений зоны обслуживания земной шлюзовой станции 18, уровень разнесения может быть повышен по сравнению с абонентскими терминалами, которые в настоящее время не находятся в пределах дождевой ячейки.
Вообще, используются известные виды компьютерных методов разработки подробных карт условий окружающей среды, которые включают растительность, естественные особенности ландшафта, развитие пригородов и городов, а также дороги, сельхозугодья, промышленные районы и другие искусственные объекты. Эти карты при объединении с другой информацией базы данных, например, о типе абонентского терминала, обеспечивают подробную информацию об окружающей среде, в которой происходит прием и/или передача абонентского терминала. Вычислительная подсистема 82, используя набор 84 правил и информацию из базы данных 86, а также известное местоположение абонентского терминала, полученное от подсистемы 90 определения местоположения, дает возможность таким образом обеспечить отдельный абонентский терминал такими индивидуальными командами для блока 78 управления передатчиком, чтобы управлять числом пар антенн/передатчиков земной шлюзовой станции, которые осуществляют передачу сигналов (19а, 17а) трафика на приемник абонентского терминала через выбранное число спутниковых ретрансляторов 12.
Дальнейшее усовершенствование управления разнесением трасс обеспечивается сведениями о предыстории использования мощности абонентскими терминалами 13. Например, в большинстве спутниковых систем связи с подвижными объектами сигналы индивидуального трафика абонентского терминала активно управляются по мощности так, что обеспечивается достаточный запас для преодоления экранирования и замираний на основе поочередного рассмотрения каждой линии связи. Такие контуры регулирования мощности действуют в прямой и обратной линиях и могут быть или не быть замкнутыми. В любом случае, контуры регулирования мощности могут контролироваться земной шлюзовой станцией 18 и извлекать из нее данные. Эта станция 18 используется, чтобы определить предысторию использования мощности и, следовательно, окружающую среду абонентского терминала. Обычным способом можно определить тип экранирования или затенения, которое испытывают сигналы. Например, для линии связи с переносным абонентским терминалом 14, который экранируется (имеет чрезвычайно глубокие замирания) в течение минут, можно сделать вывод, что это экранирование вызвано зданием или некоторым другим непроницаемым для радиочастот объектом. С другой стороны, последовательность замираний, быстро изменяющихся почти от нулевого до глубокого замирания, может означать, что автомобиль движется по сильно лесистой местности. Эти данные, связанные с предысторией регулирования мощности, используются для принятия решения о предоставлении разнесения трасс. Аналогично, некоторые абоненты могут в предыстории использовать большую величину мощности на разговор, чем другие, что приводит к необходимости или предоставить разнесение или лишить такой абонентский терминал разнесения. Эти данные предыстории регулирования мощности могут иметь усредненный характер за длительный или краткосрочный период.
Описанные выше способы выбора разнесения трасс могут использоваться по отдельности или объединяться различными способами и могут назначаться динамически или полудинамически. Например, для абонентских терминалов 13 первоначально может быть выбрано разнесение в равной степени "всеми доступными спутниками", фактически в обход системы 70 выбора разнесения трасс. В качестве альтернативы, по командам от подсистемы 88 загрузки и распределения ресурсов спутников, вычислительная подсистема 82, управляемая набором 84 правил, может определить, что требуется выборочное разнесение трасс, чтобы сберечь мощность или управлять распределением частот частотно уплотненных каналов спутников 12. Тогда вычислительная подсистема 82 под управлением набора 84 правил решает на основании последовательного рассмотрения линий связи или, в качестве альтернативы, на основании групп абонентских терминалов, в каком режиме разнесения трасс следует работать. Различные режимы и усовершенствования управления разнесением трасс, как описано выше, могут использоваться по отдельности или в любых комбинациях, когда необходимо достичь целей, задаваемых командами подсистемы 88 загрузки и распределения ресурсов спутников.
Отличительной особенностью этого изобретения является то, что разнесением абонентских терминалов 13 активно управляют в значительной степени тем же самым способом, которым осуществляется управление мощностью абонентских терминалов, через контур управления разнесением трасс, открытый или с обратной связью, который используется, чтобы в ответ на принятую информацию внести почти мгновенные изменения в разнесение линий связи. Пропускная способность спутниковых систем связи обычно ограничена как шириной полосы частот, так и мощностью, имеющейся в распоряжении на спутниках. Использование полосы частот и доступной мощности зависит частично от разнесения, обеспечиваемого в системе абонентским терминалам 13. В то время как вышеприведенное рассмотрение в основном касается улучшения приема сигналов абонентскими терминалами 13, в описанном здесь изобретении может быть получен также и другой эффект. Например, управление разнесением трасс отдельных абонентских терминалов 13, подгрупп абонентских терминалов 13 или целых групп абонентских терминалов 13 может быть использовано, чтобы динамически увеличивать пропускную способность системы и/или воздействовать на использование мощности системы. Команды от подсистемы 88 загрузки и распределения ресурсов спутников, действуя согласно набору 84 правил в вычислительной подсистеме 82, могут применяться также и для управления использованием отдельных спутниковых ресурсов.
До сих пор в основном рассматривалась прямая линия связи, то есть трасса связи от земной шлюзовой станции 18 до абонентского терминала 13 через один или более спутниковых ретрансляторов 12. Вместо этого приводимое ниже рассмотрение будет касаться обратной линии. Обратная линия определяется приводимым ниже образом и показана на фиг. 8. Абонентский терминал 13 получает одиночный входной сигнал подает его на передатчик, который усиливает сигнал и подает усиленный сигнал на антенну 13а для одновременной передачи на одной и той же частоте на спутниковые ретрансляторы 12. Приемные антенны 12с спутниковых ретрансляторов принимают сигналы, не обязательно одновременно, и передают сигналы на Землю через передающие антенны 12g (см. также фиг. 3A). Переданные сигналы принимаются на земной шлюзовой станции 18 тремя независимыми приемными антеннами 40a-40c и подаются на соответствующие им приемники 44a-44c. Принятые сигналы могут затем обрабатываться и комбинироваться, например, как описано в патенте США N 5233626, который включен в данное описание путем ссылки.
Обратная линия может использоваться для определения активности абонентского терминала 74 по мощности (фиг. 7), хотя для этой цели может использоваться также и активность управления мощностью в прямой линии связи. Обратная линия может также использоваться для передачи данных о типе 76 абонентского терминала (фиг. 7), хотя эта информация может быть получена и из базы данных неактивных или активных абонентов системы, например, с помощью сравнения электронного порядкового номера абонентского терминала с соответствующим и заранее заданным типом абонентского терминала. Обратная линия может также применяться для передачи данных 72 о местоположении абонента (фиг. 7), используемых при принятии решений о разнесении вычислительной подсистемой 82. В этом случае абонентский терминал 13 передает по этой обратной линии сигнал, несущий информацию, которая может использоваться земной шлюзовой станцией 18 для определения местоположения абонентского терминала 13. В качестве альтернативы, абонентский терминал 13 может передавать данные о своем местоположении с использованием некоторого кода. В другой форме осуществления данного изобретения для определения местоположения абонентского терминала 13 может использоваться какая-либо из известных видов радиосистем определения местоположения (типа различных устройств определения местоположения системы GPS), после чего которая информация 72 о местоположении абонентского терминала передается по обратной линии на земную шлюзовую станцию 18 и отсюда на подсистему 90 определения местоположения (фиг. 7).
Как было упомянуто выше, обратная линия может также иметь избирательное разнесение трасс в соответствии с концепциями данного изобретения, поскольку абонентский терминал 13 имеет возможность направлять свои сигналы одновременно на один или большее количество спутниковых ретрансляторов 12. В этом случае, работа системы включает взаимодействие земной шлюзовой станции 18 и абонентской станции 13 следующим способом.
Как было подробно описано выше, тип 76 абонентского терминала, местоположение 72 абонента и активность 74 абонентского терминала по мощности определяются и обрабатываются вычислительной подсистемой 82 и команды выдаются на командный интерфейс 80. Командный интерфейс 80 декодирует команды и формирует подходящие сигналы управления для блока 78 управления передатчиком и блока 96 управления обратной линией. В этом случае сигнал управления, поданный в блок 96 управления обратной линией, приводит к формированию сигнала 96а, который форматируется и подается в блок 64 управления частотой станции в системе 60 предоставления разнесения трасс. В свою очередь, блок 64 управления частотой станции формирует сигнал управления, содержащий информацию, которая необходима для управления комбинацией антенна/усилитель в абонентском терминале 13. Этот сигнал передается на приемник абонентского терминала 13 по прямой линии связи.
Как показано на фиг. 9, сигнал 102 управления принимается абонентским терминалом 13 и направляется на антенный переключатель 104, который затем управляет антеннами 13а, 13а', 13а'' и т.д., чтобы достигнуть необходимых результатов. То есть, в этой форме осуществления изобретения управление антеннами 13а-13а'' абонентской станции 13 и, следовательно, управление разнесением трасс в обратной линии, осуществляется с помощью дистанционного управления с земной шлюзовой станции 18, при этом прямая линия связи используется как канал управления.
Теперь обратимся к фиг. 10, на которой показан пример карты 92 прохождения радиоволн или окружающей среды в зоне обслуживания. На этом примере цифровой карты, которая может быть получена из спутниковых изображений зоны обслуживания земной шлюзовой станции, располагаются район озера, район леса, сельский район и городской район. Эти различные районы могут быть классифицированы на три основных типа районов ER окружающей среды в соответствии с уровнем разнесения трасс, который, как ожидается, обеспечит стационарному абонентскому терминалу 13 адекватное и допустимое качество связи. Например, район озера обозначен как ERI, что соответствует отсутствию разнесения (то есть одному спутниковому ретранслятору). Сельский район обозначен как ER2, что соответствует промежуточному уровню разнесения трасс. Район леса и городской район оба обозначены как ER3, что может соответствовать максимальному доступному уровню разнесения трасс (то есть линия связи устанавливается через максимально возможное число спутников 12, которое зависит от загрузки системы и других критериев).
На карту 92 нанесены текущие местоположения 14 активных абонентских терминалов (UT1-UT14). Предположим в качестве простейшего случая, что в настоящее время эту зону обслуживают три спутниковых ретранслятора 12, что все абонентские терминалы 13 относятся к одному типу и что другие факторы типа информации о предыстории регулировании мощности, сезонные изменения, локальные погодные условия и т.д. не рассматриваются. Тогда терминалу UT1 назначается один спутниковый ретранслятор 12, терминалам UT3 и UT4 назначаются два спутниковых ретранслятора 12 и каждому из терминалов UT2 и UT5-14 назначаются три спутниковых ретранслятора 12. Таким образом должно быть ясно, что отказ от автоматического назначения максимально доступного разнесения трасс абонентским терминалам UT1, UT3 и UT4 обеспечивает значительную экономию потребляемой мощности на спутнике, а также экономию числа необходимых радиочастотных каналов и общее увеличение суммарной пропускной способности системы.
Описываемая до сих пор относительно статическая система может быть расширена в соответствии с изобретением до более типичного динамического случая при сохранении оптимизации разнесения трасс, предоставляемого абонентским терминалам 13. Например, если UT2 является подвижным и установленным на автомобиле терминалом 15, то тогда обнаружив, что местоположение UT2 изменилось из ER3 в ER2, назначенное разнесение трасс можно уменьшить в реальном времени или фактически в реальном времени от трех спутников до двух при сохранении нормального качества линии связи для абонента. И наоборот, если местонахождение терминала UT4 изменяется из ER2 в ER3, то назначенное разнесение трасс может быть увеличено от двух спутников до трех. Кроме того, если известно, что некоторые из станций UT5-14 являются стационарными абонентскими терминалами 14а, для которых предполагается, что они имеют антенны, размещенные в области без экранирующих сигнал преград, то тогда этим абонентским терминалам может быть назначен только один спутник, хотя они и размещены в части ER3 зоны обслуживания земной шлюзовой станции 18. В качестве еще одного примера, лесистая область может быть обозначена как район ER3 в период с мая по октябрь и как район ER2 - в период с ноября по апрель.
Набор 84 правил (фиг. 7) определяет уровень разнесения трасс для абонентских терминалов UT1-UT14, как было описано ранее. Набор 84 правил может быть выполнен в виде множества логических утверждений типа условного перехода (ЕСЛИ-ТОГДА-ИНАЧЕ). Например, ниже приведена часть одной из подходящих форм осуществления набора 84 правил для определения уровня разнесения (DL) для абонентских терминалов 13:
ЕСЛИ ТИП UTj = РУЧНОЙ и
ЕСЛИ МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ UTj = ERI
ТОГДА DL = МИНИМАЛЬНЫЙ
ИНАЧЕ ЕСЛИ МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ UTj = ER2
ТОГДА DL = ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ИНАЧЕ ЕСЛИ МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ Utj = ER3
ТОГДА DL = МАКСИМАЛЬНЫЙ
ИНАЧЕ
ЕСЛИ ТИП Utj = СТАЦИОНАРНЫЙ
ТОГДА DL = МИНИМАЛЬНЫЙ
ИНАЧЕ
ЕСЛИ ТИП Utj = ТЕРМИНАЛ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ и
ЕСЛИ МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ Utj = ERI
ТОГДА DL = ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ
ИНАЧЕ ЕСЛИ МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ Utj = ER2 ИЛИ ER3
ТОГДА DL = МАКСИМАЛЬНЫЙ
и т.д.
Терминал передачи данных в качестве абонентского терминала 13 иллюстрирует полезность изобретения при назначении уровня разнесения, исходя из типа терминала и местоположения. Например, может быть желательным автоматически назначать более высокую степень разнесения абонентскому терминалу, который идентифицирован как терминал передачи данных, или речевому терминалу, который идентифицирован как используемый для передачи данных, чтобы обеспечить дополнительный запас во избежание ошибок при передаче данных.
Как описано выше, при определении уровня разнесения в наборе 84 правил могут использоваться другие критерии, например, информация о предыстории управления мощностью, данные 77 предыстории использования, локальные погодные условия и любые другие факторы, которые связаны с качеством линии связи или могут влиять на него.
Следует отметить, что определяемый уровень разнесения для данного абонентского терминала может отличаться от фактического уровня разнесения, предоставляемого абонентскому терминалу, например, если в настоящее время только два спутника 12 находятся в зоне видимости из зоны обслуживания земной шлюзовой станции, то тогда минимальным уровнем разнесения может быть один спутник, в то время как оба, промежуточный и максимальный, уровни разнесения могут соответствовать двум спутникам. Далее, даже если только один спутник находится в зоне видимости абонентского терминала 13, земная шлюзовая станции 18 и абонентский терминал 13 могут быть способны использовать сигналы от двух перекрывающихся средств. Так как геометрия спутников известна, то согласно данному изобретению можно управлять и использовать передачу более чем одним лучом. В качестве еще одного примера, если зону обслуживания земной шлюзовой станции обслуживают три спутника, то в течение периодов высокого спроса абонентов и промежуточный, и максимальный уровни разнесения могут быть оставлены соответствующими двум спутникам. Преобразование определяемого уровня разнесения в фактическое назначение уровня разнесения для данного абонентского терминала 13 или класса абонентских терминалов выполняется вычислительной подсистемой 82 во взаимодействии с подсистемой 88 загрузки и распределения ресурсов спутника.
На фиг. 11 показана блок-схема алгоритма способа согласно данному изобретению. В блоке А абонентский терминал 13 регистрируется в системе или, если он уже зарегистрирован ранее, инициирует или получает вызов. В блоке В определяется тип 76 абонентского терминала, а в блоке С - местоположение 72 абонентского терминала. В необязательном блоке D определяются другие параметры абонентского терминала, такие как информация 74 о предыстории управления мощностью, предыстория использования 77, погодные условия в определенном месте положения абонентского терминала и т. д. В блоке E вычислительная подсистема 82 посредством базы 86 данных и подсистемы 90 определения местоположения определяет уровень разнесения для абонентского терминала 13. Уровень разнесения определяется в соответствии с набором 84 правил, местоположением 72 абонента, типом 76 абонентского терминала, необязательной информацией, касающейся абонентского терминала, такой как активность 74 абонентского терминала по мощности, картой 92 прохождения радиоволн в зоне обслуживания, и во взаимодействии с системой 88 загрузки и распределения ресурсов спутников. В блоке F устанавливается соединение с выбранным уровнем разнесения через командный интерфейс 80, блок 78 управления передатчиком, систему 60 предоставления разнесения трасс и, факультативно, через блок 96 управления обратной линией, и блок 64 управления частотой станции. В блоке J система воспринимает увеличение/уменьшение активности управления мощностью и сообщает о нем и, после подходящей задержки, в блоке К соответственно увеличивает или уменьшает уровень разнесения трасс. В блоке G определяется, завершен ли разговор. Если НЕТ, то для абонентского терминала, способного к перемещению, управление возвращается в блок С, чтобы уточнить положение абонентского терминала и модифицировать уровень разнесения трасс (блок Е), когда это возможно. Если ДА в блоке G, то выполняется необязательный шаг (блок Н), чтобы сохранить или зарегистрировать выбранные параметры абонентского терминала, такие как активность по мощности, последнее местоположение абонентского терминала и т.д. В блоке 1 выполнение способа для данного абонентского терминала завершается.
Можно видеть, что это изобретение обеспечивает ряд значительных преимуществ для системы связи любого типа, использующей разнесенный прием с объединением сигналов, передаваемых через промежуточные ретрансляторы. То есть использование концепции этого изобретения не ограничивается только применением в системе 10 связи через спутники на низких околоземных орбитах с многостанционным доступом с кодовым разделением каналов и расширением спектра сигналов, которая в общих чертах показана на фиг. 1-5. Напротив, концепция этого изобретения применима к другим типам систем связи, которые используют, например, наземные ретрансляторы, исключительно или в комбинации со спутниковыми ретрансляторами (на низких околоземных орбитах или геостационарных). Концепция этого изобретения применима также к другим видам доступа, например, к многостанционному доступу с временным разделением каналов, которые используют разнесенный прием аналогичным образом.
Таким образом, хотя изобретение описано в связи с предпочтительными в настоящее время вариантами его осуществления, специалистам будет понятно, что в форме и деталях данного изобретения могут быть сделаны изменения в пределах его сущности и объема.
Изобретение относится к спутниковым системам связи. Достигаемый технический результат - улучшение в оптимизации разнесения трасс в системе связи со спутниковыми ретрансляторами при экономии как каналов частотного уплотнения, так и мощности спутника. Система связи содержит множество ретрансляторов сигнала связи, передатчик и приемник сигналов связи, средства управления, реагирующие на информацию, определяющую местоположение упомянутого приемника, и дополнительную информацию, описывающую хранимую карту окружающей среды для определения числа ретрансляторов сигнала связи. Согласно способу работы спутниковой системы связи инициируют связь между абонентским терминалом и наземной станцией через спутниковый ретранслятор, определяют местоположение абонентского терминала, выбирают число спутниковых ретрансляторов, которое определяется местоположением и информацией, описывающей хранимую карту окружающей среды. 6 с. и 33 з.п. ф-лы, 12 ил.
| US 5233626 A, 03.08.1993 | |||
| Способ изготовления сварных трубчатых панелей | 1974 |
|
SU536921A1 |
| US 5303286 A, 12.04.94 | |||
| СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ "КИБОЛ" | 1992 |
|
RU2033693C1 |
| US 5138631 A, 11.08.1992 | |||
| US 3866121, 11.02.1975 | |||
| US 5161248 A, 03.11.1992 | |||
| US 5268694 A, 07.12.1993 | |||
| US 5301354 A, 05.04.1994 | |||
| Сухой безалкогольный напиток | 1974 |
|
SU523687A1 |
| Литейный сплав на основе алюминия | 1975 |
|
SU519487A1 |
