Настоящее изобретение относится к системам связи с множественным доступом, таким как системы радиосвязи или телефонной связи и системы связи с расширенным спектром типа спутникового ретранслятора. Более конкретно, изобретение относится к системе и способу управления мощностью сигналов совместно используемых ресурсов системы, таких как пилот-сигналы в спутниковых системах связи.
Предшествующий уровень техники
Различные системы связи множественного доступа были разработаны для передачи информации между большим числом пользователей системы. Два известных способа используемых такими системами множественного доступа, включают в себя множественный доступ с временным разделением (МДВР) и множественный доступ с частотным разделением (МДЧР), хорошо известные в технике. Однако способы модуляции с расширением спектра, такие как способ множественного доступа с кодовым разделением (МДКР), обеспечивают существенные преимущества перед другими способами модуляции, особенно при обеспечении обслуживания большого числа пользователей системы связи. Использование методов МДКР в системе множественного доступа раскрыто в патенте США 49001307 от 13 февраля 1990, на "Систему связи множественного доступа с расширенным спектром, использующую спутниковые или наземные ретрансляторы" и в заявке на патент США 08/368570 от 4 января 1995 г. на "Способ и устройство для использования полного спектра передаваемой мощности в системе связи с расширенным спектром для отслеживания фазы и энергии индивидуального приемника", переуступленных правопреемнику настоящего изобретения.
Вышеупомянутые патентные документы описывают системы связи множественного доступа, в которых каждый из большого числа, в основном мобильных или удаленных пользователей системы (далее именуемые абонентами), использует, по меньшей мере, одно абонентское устройство для связи с другими абонентами системы или пользователями других связанных систем, таких как коммутируемая телефонная сеть общего пользования. Абонентские устройства осуществляют связь через межсетевые узлы (шлюзы) и спутниковые ретрансляторы с использованием сигналов связи с расширенным спектром режима МДКР.
Спутники формируют лучи, которые подсвечивают некоторую область, формируемую направлением сигналов спутниковой связи на поверхность Земли. Типовая диаграмма направленности спутниковых лучей для подсвечиваемой области состоит из нескольких лучей, упорядоченных согласно предварительно определенной схеме перекрытия. Обычно каждый луч включает в себя несколько так называемых сублучей, охватывающих общую географическую область, при этом каждый из лучей использует различную полосу частот.
В типовой системе связи с расширенным спектром используется множество предварительно выбранных кодовых последовательностей псевдослучайного шума (ПШ) для модуляции (т.е. "расширения") информационных сигналов в предварительно определенной спектральной полосе до осуществления модуляции несущего сигнала для передачи в качестве сигналов связи. Расширение спектра с использованием ПШ, используемое для передачи с расширенным спектром, хорошо известное в технике, формирует сигнал для передачи, ширина полосы частот которого гораздо больше, чем у информационного сигнала. В линии связи от шлюза к абоненту используются коды ПШ, расширение спектра или бинарные последовательности для различения сигналов, передаваемых шлюзом в различные лучи, а также сигналов многолучевого распространения. Эти коды обычно совместно используются всеми сигналами связи в пределах луча.
В типовой системе с расширенным спектром используются коды каналов для различения сигналов абонентов, передаваемых спутниковым лучом в прямой линии связи (т.е. в линии связи от шлюза к абонентскому устройству). То есть каждое абонентское устройство имеет свой собственный ортогональный канал (далее именуемый "каналом трафика"), представляемый в прямой линии связи с использованием уникального ортогонального кода канала. Обычно используются функции Уолша для получения кодов каналов с длиной порядка 64 элемента кода для наземных систем и 128 элементов кода для спутниковых систем.
Обычные системы связи с расширенным спектром режима МДКР, такие как описываемые в патенте США 4901307 рассматривают использование когерентной модуляции и демодуляции для связи, осуществляемой абонентскими устройствами по прямой линии связи. В системах связи, использующих этот метод пилот-сигнал на несущей (далее именуемый как "пилот-сигнал") используется в качестве опорного сигнала когерентной фазы для линий связи от шлюза к абоненту. То есть пилот-сигнал, который обычно не содержит информационной модуляции, передается шлюзом на всю зону обслуживания (перекрытия). Один пилот-сигнал обычно передается каждым шлюзом для каждой используемой частоты. Эти пилот-сигналы совместно используются всеми абонентами, принимающими сигналы от этого источника.
Так как пилот-сигналы обычно не содержат информационной модуляции, они по существу состоят из разделенных кодов ПШ, которые модулируются на несущую частоту. Пилот-сигналы могут использовать один совместно используемый код ПШ в системе связи, но с различными относительными сдвигами синхронизации кодов для каждого луча. Это обеспечивает сигналы, которые могут быть легко разделены один от другого при обнаружении и отслеживании. В противоположном случае каждый пилот-сигнал может генерироваться с использованием разного кода ПШ.
Пилот-сигналы используются абонентскими устройствами для получения исходной системной синхронизации и отслеживания передаваемых сигналов по времени, частоте и фазе. Фазовая информация, получаемая в процессе отслеживания несущей пилот-сигнала, используется как эталон фазы несущей для когерентной демодуляции других систем или сигналов трафика. Этот метод позволяет многим несущим абонентских сигналов совместно использовать общий пилот-сигнал в качестве эталона фазы, обеспечивая менее дорогостоящий и более эффективный механизм слежения.
В спутниковых системах связи величина мощности, доступная для передачи сигнала ограничивается энергетическими возможностями спутника. Для оптимизации использования генерируемой спутником мощности она должна быть тщательным образом распределена между сигналами трафика и пилот-сигналами. Если слишком мало мощности выделяется пилот-сигналу, абонентские устройства не могут накопить достаточно энергии для сихронизации своих приемников с шлюзом. Наоборот, если передается пилот-сигнал слишком большой мощности, то величина мощности, доступная для сигналов трафика, и, таким образом, число обслуживаемых абонентов уменьшается. Поэтому для максимизации пропускной способности для абонентов на спутнике величина мощности передаваемого пилот-сигнала должна точно контролироваться.
В дополнение к пилот-сигналам существуют другие совместно используемые ресурсы, которые могут быть использованы в системах связи. Сигналы персонального вызова используются для передачи служебной информации системы и сообщений, предназначенных для конкретных абонентских устройств. Система связи может иметь несколько сигналов персонального вызова. Сигналы синхронизации могут также использоваться для передачи системной информации, полезной для облегчения временной синхронизации. Все эти сигналы действуют как совместно используемые ресурсы таким же образом, как и пилот-сигналы. Такие сигналы также влияют на потребление мощности спутником или на другие ограниченные по мощности или управляемые по мощности системы связи. Кроме того, желательно минимизировать величину энергии в этих сигналах для уменьшения взаимных помех и увеличения пропускной способности системы.
Поэтому существует потребность в способе и устройстве для регулирования мощности сигнала для сигналов совместно используемого ресурса, таких как пилот-сигнал в спутниковой системе связи, для максимизации числа обслуживаемых абонентов.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к системе и способу управления мощностью сигнала совместно используемого ресурса в спутниковых системах связи. Например, сигнал совместно используемого ресурса может быть сигналом персонального вызова или сигналом синхронизации. В предпочтительном варианте осуществления сигнал совместно используемого ресурса является пилот-сигналом, передаваемым по прямой линии связи через спутник, находящийся на низкой околоземной орбите (НОО). Прямая линия связи является каналом связи между шлюзом и абонентским устройством. Пилот-сигналы представляют собой совместно используемый ресурс, используемый абонентскими устройствами для временной, частотной и фазовой синхронизации.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения спутниковая система включает в себя шлюз для передачи сигналов связи, включая сигналы совместно используемого ресурса, спутниковый ретранслятор для передачи сигналов, по меньшей мере, одного абонентского устройства (т.е. телефон) и, по меньшей мере, одно абонентское устройство для приема сигналов. Способ включает этапы приема сигнала совместно используемого ресурса в каждом абонентском устройстве через спутниковый ретранслятор, измерение в каждом абонентском устройстве мощности сигнала для принимаемого сигнала совместно используемого ресурса, передачи измеренных мощностей сигналов на шлюз, и регулировки мощности сигнала совместно используемого ресурса, передаваемого спутниковым ретранслятором, на основе измеренных уровней сигналов. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения мощность принимаемого сигнала совместно используемого ресурса измеряется путем определения отношения сигнал/шум.
В другом аспекте изобретения отношения сигнал/шум используются для вычисления плотности потока сигнала для сигнала совместно используемого ресурса, принимаемого абонентскими устройствами. Определенная плотность потока сигнала используется как основа для регулировки мощности сигнала совместно используемого ресурса, чтобы излучать на выбранное абонентское устройство с предварительно определенным уровнем плотности потока. Выбранный абонент обычно упоминается как абонент свободного канала, и предварительно определенный уровень плотности потока выбирается для обеспечения абонентскому устройству требуемого запаса по качеству сигнала связи.
Одно из преимуществ предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения заключается в том, что оно обеспечивает точное управление в замкнутом контуре мощностью сигнала совместно используемого ресурса в системах спутниковой связи.
Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения, а также структура и управление различными вариантами осуществления настоящего изобретения описываются подробно ниже со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется со ссылками на чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции отражают идентичные или функционально сходные элементы. Кроме того, крайняя левая цифра ссылочной позиции относится к чертежу, на котором ссылочная позиция впервые появляется на чертежах.
Фиг.1 - схема типовой спутниковой системы связи.
Фиг. 2 - блок-схема примера осуществления приемопередатчика 200 для использования в абонентском устройстве 106.
Фиг. 3 - блок-схема примера осуществления устройства передачи и приема 300 для использования в шлюзе 102.
Фиг. 4 - блок-схема последовательно операций при работе спутниковой системы связи в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Настоящее изобретение относится к системе и способу управления уровнем мощности сигнала совместно используемого ресурса в спутниковых системах связи. Сигнал совместно используемого ресурса может представлять собой, например, сигнал персонального вызова или сигнал синхронизации. В предпочтительном варианте осуществления сигнал совместно используемого ресурса представляет собой пилот-сигнал, передаваемый в прямую линию связи через спутник, находящийся на низкой околоземной орбите (НОО). Прямая линия связи является каналом связи от шлюза к абонентскому устройству. Пилот-сигнал представляет собой совместно используемый ресурс, используемый абонентскими устройствами для временной, частотной и фазовой синхронизации. Другие совместно используемые сигналы, такие как сигналы персонального вызова, могут быть использованы для информирования абонентского устройства о желаемой связи, передачи служебной информации и обеспечения временной синхронизации.
При обсуждении конкретных этапов, конфигураций и структур следует иметь в виду, что это сделано только для целей иллюстрации. Специалисту в данной области техники ясно, что другие этапы, конфигурации и структуры могут использоваться без изменения сущности объема изобретения.
В обычных системах связи с расширенным спектром режима МДКР, таких как беспроводная система передачи данных или телефонная система, базовые станции в предварительно определенных географических районах (также известных как ячейки) используют модуляторы и демодуляторы, или модемы расширенного спектра для обработки сигналов связи для системных абонентов. Каждый модем расширенного спектра обычно использует модулятор цифровой передачи расширенного спектра, по меньшей мере, один приемник цифровых данных расширенного спектра и, по меньшей мере, один поисковый приемник. Во время обычных операций модем на базовой станции назначается для каждого абонента или абонентского устройства таким образом, чтобы обеспечить передачу сигналов связи с назначенным абонентом. Множество приемников могут использоваться для осуществления процедуры обработки с разнесением. В системах связи, использующих спутники-ретрансляторы, приемники, модуляторы и передатчики располагаются, в основном, на базовых станциях, называемых множественными узлами (шлюзами), которые связываются с абонентами с помощью передачи сигналов через спутниковые ретрансляторы. Могут быть другие соответствующие центры управления, которые осуществляют связь со спутниками или шлюзами для поддержания управления трафиком системы и синхронизации сигналов.
Системы связи с расширенным спектром, описанные в вышеупомянутых патентах, используют сигнал, основанный на прямой модуляции несущей последовательности псевдослучайного шума. То есть несущая полосы модулирующих частот модулируется с использованием бинарной последовательности псевдослучайного шума или пары последовательностей для достижения желаемого эффекта расширения спектра. Коды ПШ используются для расширения спектра всех сигналов связи, передаваемых по линии связи от шлюза до абонента, для обеспечения селекции сигналов, передаваемых шлюзом по различным лучам и для разделения сигналов многолучевого распространения. Такие последовательности ПШ иногда называют кодами расширения спектра.
Каждая последовательность ПШ состоит из серии элементарных посылок (элементов кода), следующих на предварительно выбранном интервале кода ПШ с частотой гораздо выше, чем полоса модулирующих частот сигнала связи.
Например, частота элементарных посылок для спутниковой системы составляет примерно 1,2288 МГц при длине кодовой последовательности ПШ, составляющей 1024 элемента. Однако настоящее изобретение может также использовать другие значения частот элементов и длин кодов, что очевидно для специалистов в данной области техники. Например, некоторые наземные сотовые системы используют коды расширения спектра, имеющие 215=32.768 элементов. Каждая система связи определяет тип и распределение кодов расширения спектра в системе связи в соответствии с факторами, хорошо известными в технике. Возможный пример выполнения цепи генерации таких последовательностей раскрыт в патенте США 5228054 на "Генератор псевдошумовой последовательности с длиной, определяемой как степень числа 2 с быстрой регулировкой смещения" от 13 июля 1993, переуступленном правопреемнику настоящего изобретения.
Одна последовательность псевдошумового кода или пара таких последовательностей используются в основном для функции расширения спектра в системе связи. Сигналы разных лучей различаются в принципе за счет различных временных сдвигов базовой псевдошумовой кодовой последовательности для каждого луча по отношению к соседним лучам. То есть абонентские устройства, работающие в области обслуживания данного луча, совместно используют один временной сдвиг псевдошумового кода расширения спектра, в то время как другие лучи используют другие сдвиги того же псевдошумового кода. Синхронизация базового сигнала, устанавливаемая каждым шлюзом для абонентов, обслуживаемых на данной частоте, одна и та же. И наоборот, лучи могут различаться посредством разных последовательностей псевдошумового кода для каждого луча.
Информационные сигналы, передаваемые абонентам системы, обычно преобразуются в цифровую форму так, как это необходимо, кодируются и перемещаются, если необходимо, чтобы создать базовый цифровой сигнал связи. Сигналы, адресуемые конкретным абонентам, также модулируются дополнительной отдельной ортогональной функцией расширения спектра, выделенной для прямой линии связи этого абонента. То есть, уникальная последовательность ортогонального кода используется для различения различных сигналов абонентов внутри ячейки или луча. Такие ортогональные последовательности иногда упоминаются как коды каналов и обычно применяются до псевдошумовых кодов окончательного расширения спектра, описанных выше. Такое кодирование в прямой линии связи на данной частоте несущей формирует абонентские сигналы, упоминаемые также как сигналы трафика.
Полученные расширенные по спектру и ортогонально кодированные выходные сигналы затем обычно фильтруются в полосе пропускания и модулируют радиочастотную несущую. Это обычно производится с помощью двухфазной модуляции пары синусоид в квадратуре, которые суммируются в единый сигнал связи. Полученные в результате сигналы могут усиливаться и подвергаться фильтрации до суммирования с другими сигналами линии связи и затем быть переданы антенной на наземную станцию. Операции фильтрации, усиления и модуляции хорошо известны в технике. Дополнительные детали по работе устройства этого типа передачи описаны в патенте США 5103459 от 7 апреля 1992 на "Систему и способ формирования сигналов в сотовой телефонной системе МДКР", переуступленном правопреемнику настоящего изобретения.
Одним из видов ортогонального кода каналов является код Уолша, который применяется в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения. Получение кодов Уолша описано в вышеупомянутом патенте США 5103459.
Как упоминалось выше, каждый шлюз в современных системах радиосвязи и сотовой телефонной связи МДКР с расширенным спектром передает пилот-сигнал. Пилот-сигналы используются абонентскими устройствами для получения начальной синхронизации системы. Пилот-сигналы не содержат информационной модуляции и по существу представляют собой функции или коды псевдошумового расширения спектра, используемые системой связи. Обычно каждый шлюз передает один пилот-сигнал для каждой используемой частоты. Каждый пилот-сигнал совместно используется всеми абонентами, принимающими сигналы трафика от шлюза на конкретной частоте.
Одна из ключевых проблем в спутниковых системах связи заключается в том, что величина мощности, доступная на спутнике для передачи сигнала, строго ограничена. По этой причине мощность каждого сигнала трафика индивидуально контролируется для минимизации потребляемой мощности спутника, при одновременном сохранении приемлемого качества сигнала трафика. Но при регулировании мощности сигнала совместно используемого ресурса, такого как пилот-сигнал, все пользователи, совместно использующие ресурс, должны рассматриваться совместно.
Для систем со спутниковыми ретрансляторами пилот-сигнал передается с частотой каждого луча спутника и излучается шлюзом в соответствии со спутником или спутниковым лучом, используемым для линий связи. Однако пилот-сигналы также могут передаваться как совместно используемые ресурсы по разным комбинациям лучей и сублучей с использованием различных спутников, шлюзов или базовых станций, что понятно для специалистов в данной области техники. Настоящее изобретение не ограничивается конкретной схемой передачи пилот-сигнала в системе связи или типом совместно используемого ресурса.
Обычно каждый пилот-сигнал в системе связи генерируется с использованием кода ПШ с различными временными сдвигами кодов. Как вариант каждый пилот-сигнал может генерироваться с использованием различного кода ПШ. Это обеспечивает сигналы, которые можно легко различить друг от друга, обеспечивая при этом упрощенное обнаружение и слежение. Другие сигналы используются для передачи информации, модулированной с расширением спектра, такой как идентификация шлюза, системная синхронизация, информация поискового вызова абонента и различные сигналы управления.
В системах спутниковой связи величина мощности, доступная для передачи сигнала, ограничивается возможной мощностью, генерируемой спутником. Для оптимизации использования этой мощности она должна быть точно распределена между сигналами трафика и пилот-сигналами. Если слишком мало мощности приходится на пилот-сигнал, абонентские устройства не могут накапливать достаточно энергии для сихронизации своих приемников с шлюзом. И наоборот, если передается слишком высокая мощность пилот-сигнала, то величина мощности, доступная для сигналов трафика, и, таким образом, число абонентов, которые могут обслуживаться, уменьшается. Поэтому для максимизации пропускной способности абонента на спутнике величина мощности передаваемого пилот-сигнала должна точно регулироваться.
Одним из подходов к решению этой проблемы является регулировка мощности пилот-сигнала в разомкнутом контуре. При таком подходе на шлюзе формируется оценка разомкнутой цепи коэффициента усиления канала в прямой линии связи, т. е. от модулятора шлюза через спутниковый ретранслятор к абонентскому устройству. Шлюз использует эту оценку для регулирования мощности пилот-сигнала, передаваемого шлюзом и, таким образом, для регулирования мощности пилот-сигнала, передаваемого спутниковым ретранслятором. Существенная проблема, связанная с этим подходом, заключается в том, что оценка разомкнутой цепи будет содержать погрешности из-за неточности коэффициента усиления канала, включая неточности коэффициента усиления спутникового ретранслятора, амплитуды искажений усилителей высокой мощности спутникового ретранслятора, коэффициента усиления антенны и потерь в канале из-за атмосферных воздействий, таких как ослабление сигнала из-за дождя. Ошибка из-за этих неточностей коэффициента усиления может быть очень большой.
Второй подход к управлению мощности пилот-сигнала заключается в регулировании мощности пилот-сигнала в частично замкнутом контуре. При таком подходе устройство измерения, обычно калиброванное абонентское устройство, размещается рядом с шлюзом. Калиброванное абонентское устройство измеряет мощность принимаемого пилот-сигнала и направляет его оценку в процессор управления шлюза, где эта оценка используется для регулирования мощности пилот-сигнала, передаваемого шлюзом, и, таким образом, регулирования мощности пилот-сигнала, передаваемого спутниковым ретранслятором. Однако эти измерения будут ненадежными, по меньшей мере, по двум причинам. Во-первых, если луч, облучающий шлюз, выйдет из строя, то шлюз не сможет замкнуть контур регулирования. Во-вторых, измерения, сделанные для единичного луча, обслуживающего шлюз, не могут точно отражать уровни пилот-сигналов в других лучах из-за различий между лучами, или местных условий абонента, или потерь в канале. Например, коэффициент усиления может различаться для разных лучей или луч, обслуживающий шлюз, может быть подвержен атмосферным воздействиям, что в результате может привести к существенной ошибке измерения. Таким образом, единичное измерение, осуществленное в шлюзе, не может точно прогнозировать уровень взаимных помех на других позициях, как это требуется. Для осуществления надежных измерений, предназначенных для использования в замкнутом контуре слежения за пилот-сигналом, измерения мощности пилот-сигнала должны быть распределены по всей территории зоны обслуживания спутника.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения каждое абонентское устройство измеряет мощность принимаемого пилот-сигнала или другого сигнала совместно используемого ресурса и передает эту информацию назад к шлюзу. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения мощность принимаемого сигнала совместно используемого ресурса измеряется путем определения отношения сигнал/шум. Абонентские устройства могут представлять собой как неуправляемых пользователей системы, так и стратегически размещенные калиброванные устройства или телефоны, предназначенные для выполнения измерения мощности (или качества) пилот-сигнала. Процессор управления шлюза затем использует эти измерения для определения соответствующего уровня мощности пилот-сигнала для передачи.
На фиг.1 показана обычная спутниковая система связи 100. Спутниковая система связи 100 включает в себя шлюз 102, спутниковый ретранслятор 103 и абонентские устройства 106. Абонентские устройства 106 бывают, в основном, трех типов: стационарные абонентские устройства 106А, которые обычно смонтированы в неподвижных конструкциях, мобильные абонентские устройства 106В, которые обычно устанавливаются в машинах, и портативные (переносные) абонентские устройства 106С. Шлюз 102 осуществляет связь с абонентскими устройствами 106 через спутниковый ретранслятор 103.
Пример осуществления ретранслятора 200 для использования в абонентском устройстве 106 показан на фиг.2. Ретранслятор 200 использует, по меньшей мере, одну антенну 210 для получения сигналов связи, которые передаются в аналоговый приемник 213, где эти сигналы преобразуются с использованием частоты, усиливаются и преобразуются в цифровой код. Антенный переключатель 212 обычно используется для выполнения одной и той же антенной функции и передачи и приема сигналов. Однако некоторые системы используют отдельные антенны для работы на различных частотах. Выходные цифровые сигналы связи аналогового приемника 213 передаются, по меньшей мере, к одному цифровому приемнику данных 216А и, по меньшей мере, к одному поисковому приемнику 218. Дополнительные цифровые приемники данных 216В, 216N могут использоваться для получения желаемых уровней сигналов разнесения в зависимости от приемлемого уровня сложности единицы, что очевидно для специалистов в данной области техники.
По меньшей мере, процессор управления 220 соединен с цифровыми приемниками данных 216А-216N вместе с поисковым приемником 218. Процессор управления 220, в числе других функций, обеспечивает обработку базового сигнала, синхронизацию, управление мощностью и переключение связи. Другая основная функция управления, часто выполняемая процессором 220, представляет собой селекцию или манипулирование кодовыми последовательностями ПШ или ортогональными функциями, используемыми для обработки сигналов связи. Процессор управления 220 обработки сигнала может включать в себя определение относительной мощности сигнала и вычисление различных относительных параметров сигнала. В некоторых вариантах осуществления изобретения вычисление мощности сигнала может включать использование дополнительных или отдельных схем, таких как элемент обработки принимаемой мощности 221, для обеспечения повышенной эффективности или скорости измерений, или улучшенного распределения ресурсов обработки.
Выходы приемников цифровых данных 216A-216N соединены цифровыми схемами 222 полосы модулирующих частот в абонентском устройстве. Цифровые схемы 222 полосы модулирующих частот содержат элементы обработки и представления, используемые для передачи информации к пользователю и от пользователя абонентского устройства. То есть сигнал или элементы накопления данных, такие как переходная или долговременная цифровая память, устройства ввода и вывода, такие как экраны дисплеев, громкоговорители, клавишные пульты и портативные телефоны, аналого-цифровые элементы, вокодеры и другие элементы обработки голосовых и аналоговых сигналов и другие элементы, хорошо известные в технике. Если используется обработка сигнала с разнесением, то цифровые схемы 222 полосы частот пользователя могут включать в себя сумматор сигналов с разнесением и декодер. Ряд из этих элементов также может работать под управлением или во взаимосвязи с процессом управления 220.
Когда голосовая или другая информация подготавливается в качестве выходного сообщения или сигнала связи, исходящего из абонентского устройства, цифровые схемы 222 полосы частот пользователя используются для приема, хранения, обработки и иной подготовки требуемой информации для передачи. Цифровые схемы 222 полосы частот пользователя представляют эту информацию для модулятора передачи 226, работающего под управлением процессора управления 220. Выходной сигнал модулятора передачи 226 передается к цифровому контроллеру 228 мощности передачи, который обеспечивает управление выходной мощностью для аналогового усилителя 230 передаваемой мощности для окончательной передачи выходного сигнала от антенны 210 к шлюзу. Информация об измеренной мощности сигнала для принимаемых сигналов связи или одного или более сигналов совместно используемого ресурса может быть передана к шлюзу с использованием различных способов, известных в технике. Например, информация может передаваться в виде сигнала данных или может добавляться к другим сообщениям, с формированными цифровыми схемами 222 полосы частот пользователя. Как вариант информация может быть введена в виде предварительно определенных битов управления модулятором передачи 226 или контроллером 228 мощности передачи при управлении процессором управления 220.
Аналоговый приемник 213 может обеспечивать выходной сигнал, указывающий мощность или энергию в принимаемых сигналах. Как вариант, элемент обработки 221 принимаемой мощности может определить эту величину путем выборки выходного сигнала аналогового приемника 213 и выполнения обработки сигнала, хорошо известной в технике. Эта информация может быть использована непосредственно усилителем 230 мощности передачи или контроллером 228 мощности передачи для регулировки мощности передаваемых сигналов абонентского устройства. Эта информация может быть использована также процессором управления 220.
Цифровые приемники 216 А-N и поисковый приемник 218 содержат элементы корелляционной обработки сигнала для модуляции и отслеживания конкретных сигналов. Поисковый приемник 218 используется для поиска пилот-сигналов, в то время как цифровые приемники 216 А-N используются для демодуляции других сигналов (трафика), связанных с обнаруженными пилот-сигналами. Поэтому выходные сигналы этих блоков могут контролироваться для определения мощности в пилот-сигнале или других сигналах совместно используемого ресурса. В настоящем изобретении это выполняется или с использованием элемента обработки 221 принимаемой мощности или процессора управления 220.
Пример выполнения устройства передачи и приема 300 для использования шлюза 102 показаны на фиг.3. Фрагмент шлюза 102 на фиг.3 имеет один или более аналоговых приемников 314, соединенных с антенной 310 для приема сигналов связи, которые затем преобразуются с понижением частоты, усиливаются и преобразуются в цифровые сигналы с использованием различных схем, хорошо известных в технике. В некоторых системах связи используются многоэлементные антенны 310. Цифровые сигналы с выхода аналогового приемника 314 подаются на выход, по меньшей мере, одного модуля цифрового приемника 324.
Каждый модуль цифрового приемника 324 соответствует элементам обработки сигнала, используемым для управления связью между одним абонентским устройством 106 и шлюзом 102, хотя некоторые другие варианты хорошо известны в технике. Один аналоговый приемник 314 может обеспечить входные сигналы для многих модулей цифрового приемника 324, и ряд таких модулей обычно используется в шлюзе 102 для распределения всех спутниковых лучей и возможных сигналов в режиме разнесения, обрабатываемых в любое заданное время. Каждый модуль цифрового приемника 323 имеет один или более приемников 316 цифровой информации и поисковых приемников 318. Поисковый приемник 318 в основном осуществляет поиск сигналов соответствующих режимов разнесения, отличных от пилот-сигналов. При применении в системе связи множество приемников 316A-316N цифровой информации используются для приема сигналов в режиме разнесения.
Выходные сигналы приемников 316 цифровой информации поступают на соответствующие элементы обработки 322 в полосе частот модулирующих сигналов, включающие устройства, хорошо известные в технике и не иллюстрирующиеся более подробно в настоящем описании. К устройствам полосы модулирующих частот относятся сумматоры сигналов режима разнесения и декодеры для объединения сигналов многолучевого распространения в один выходной сигнал для каждого абонента. Устройства полосы модулирующих частот включают в себя также схемы интерфейсов для выдачи выходных данных в типовом случае на цифровой коммутатор или в сеть. Другие известные элементы, такие как вокодеры, модемы данных, коммутаторы цифровых данных, запоминающие устройства и т.п. могут образовывать часть элементов обработки 322 полосы модулирующих частот. Эти элементы обеспечивают управление или передачу информационных сигналов к одному или более модулям передачи 334.
Сигналы, передаваемые к абонентским устройствам, поступают на одну или более соответствующих модулей передачи 334. Типовой шлюз использует ряд таких модулей передачи 334 для обеспечения обслуживания одновременно нескольких абонентских устройств 106 и для нескольких спутников и лучей одновременно. Число модулей передачи 334, используемых шлюзом 102, определяется факторами, хорошо известными в технике, включая сложность системы, число спутников, находящихся в зоне видимости, пропускной способностью для абонентов, уровнем выбранного разнесения и т.п.
Каждый модуль передачи 334 включает в себя модулятор передачи 326, который модулирует с расширением спектра данные для передачи. Модулятор передачи 326 имеет выход, связанный с контроллером 328 мощности цифровой передачи, который контролирует мощность передачи, используемую для исходящего цифрового сигнала. Контроллер мощности 328 цифровой передачи использует минимальный уровень мощности в целях снижения временных помех и распределения ресурсов, но использует соответствующие уровни мощности, когда необходимо компенсировать затухание в линии передачи и вследствие других характеристик передачи. Генератор ПШ 332 используется модулятором передачи 326 для расширения спектра сигналов. Этот генератор кодов может также составлять функциональную часть одного или более процессоров управления или запоминающих устройств, используемых в шлюзе 102.
Выходной сигнал контроллера 328 мощности передачи поступает на сумматор 336, где он суммируется с выходными сигналами от других схем управления мощностью передачи. Эти выходные сигналы представляют собой сигналы для передачи к другим абонентским устройствам 106 с той же частотой и внутри того же луча, что и выходной сигнал от контроллера 328 мощности передачи. Выходной сигнал сумматора 336 поступает на аналоговый передатчик 338 для преобразования из цифровых сигналов в аналоговые, преобразования на соответствующую радиочастотную несущую дополнительного усиления и выдачи на одну или более антенн 330 для излучения к абонентским устройствам 106. Антенны 310 и 330 могут быть одинаковыми антеннами в зависимости от сложности и конфигурации системы.
По меньшей мере один процессор управления 320 соединен с модулями приемника 324, модулями передачи 334 и схемами 322 полосы модулирующих частот. Эти элементы физически могут быть отделены друг от друга. Процессор управления 320 вырабатывает командные и управляющие сигналы для воздействия на такие функции, но не ограничиваясь ими, как обработка сигнала, генерирование сигнала синхронизации управления мощностью, автоматическое регулирование, разнесенный прием и сопряжение систем. Кроме того, процессор управления 320 распределяет псевдошумовые коды расширения спектра последовательности ортогональных кодов и конкретные передатчики и приемники для использования при осуществлении связи абонентами.
Процессор управления 320 также управляет формированием пилот-сигнала и его мощностью, сигналов синхронизации, поискового вызова и их соединениями с контроллером 328 мощности передачи. Канал пилот-сигнала является просто сигналом, который не модулируется данными, а может использовать входной сигнал постоянной величины или тональный сигнал для модулятора передачи 326, эффективно передающего только псевдошумовые коды расширения спектра от генератора ПШ 332.
В то время как процессор управления 320 может быть связан непосредственно с элементами модуля, такими как модуль передачи 324 и модуль приема 334, каждый модуль, в основном, содержит конкретный модуль, такой как процессор передачи 330 или процессор приема 321, который контролирует элементы этого модуля. Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения процессор управления 320 соединен с процессором передачи 330 и процессором приема 321, как показано на фиг.3. Таким образом один процессор управления 320 может управлять работой большого числа модулей и ресурсов более эффективно. Процессор передачи 330 управляет генерированием мощности сигнала для пилот-сигналов, сигналов синхронизации, сигналов поискового вызова, сигналов каналов трафика и их соответствующей связью с контроллером мощности 328. Процессор приема 321 управляет поиском, псевдошумовыми кодами расширения спектра для демодуляции и контроля принимаемой мощности.
Как описано выше, элемент приема 324 может быть использован для определения мощности в сигнале с помощью контроля мощности в выходных сигналах приемников цифровой информации 316. Эта информация о мощности подается на контроллер мощности передачи 328 для регулирования выходной мощности, чтобы компенсировать существенные изменения ослабления в канале. Таким образом, эти элементы составляют часть цепи обратной связи управления мощностью. Эта информация о мощности может также предоставляться процессору приема 321 или процессору управления 320, если необходимо. Функция управления мощностью может также частично выполняться процессором приема 321.
Для управления мощностью совместно используемого ресурса в соответствии с настоящим изобретением шлюз 102 получает информацию о мощности принимаемого сигнала или отношения сигнал/шум от абонентского устройства 106 в сигналах связи. Эта информация может быть получена из демодулированных выходных сигналов приемников данных 316 с помощью процессора приема 321, либо эта информация может быть определена как информация, появляющаяся в предварительно определенных позициях в сигналах, контролируемых либо процессором управления 320, либо процессором приема 321 с передачей процессору управления 320. Процессор управления 320 использует эту информацию (как описывается ниже) для управления величиной мощности, используемой для сигналов совместно используемого ресурса с использованием контроллеров мощности передачи 328.
На фиг.4 представлена схема работы системы спутниковой связи 100 в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Данный вариант осуществления подробно описывается со ссылками на фиг.1 и 4. Шлюз 102 передает пилот-сигнал, как показано на этапе 402. Спутниковый ретранслятор 104 принимает пилот-сигнал и транслирует пилот-сигнал абонентским устройствам 106, как показано на этапе 404. На этапе 406 абонентские устройства 106 принимают транслированный пилот-сигнал. Затем каждое абонентское устройство 106 вычисляет отношение сигнал/шум принятого пилот-сигнала, как показано на этапе 408, и передает это отношение шлюзу 102 через спутниковый ретранслятор 104, как показано на этапе 410.
Из-за затухания, блокировки или некорректной работы некоторые абонентские устройства 106 будут принимать сигнал с неадекватным качеством (как указывается их отношениями сигнал/шум). Такие абонентские устройства будут запрашивать увеличения мощности сигнала в прямой линии связи, включая пилот-сигнал, чтобы преодолеть имеющиеся проблемы с качеством сигнала связи. К сожалению, допущение неограниченных запросов увеличения мощности от таких абонентов может создать неприемлемо высокий расход ресурсов мощности. Не имея ограничений, абонентское устройство с заблокированной или сильно ослабленной прямой линией связи может обусловить чрезмерное сокращение пропускной способности системы связи без достижения желательного уровня качества сигнала. То есть для определенных абонентских устройств сигнальная обстановка не может быть улучшена простым увеличением мощности сигнала.
Так как управление мощностью пилот-сигнала не приводит к получению выхода для этих абонентских устройств 106, их отношения сигнал/шум не учитывается, если они ниже предварительно определенного порога, как показано на этапе 412. Этот порог выбирается операторами системы связи на основе выбора оптимального соотношения между предоставлением данного желаемого уровня качества обслуживания пользователей системы и минимальной обеспечиваемой пропускной способностью системы, что очевидно для специалистов в данной области техники. Для абонентских устройств 106, имеющих приемлемое качество сигнала, шлюз 102 вычисляет плотность потока пилот-сигнала, излучаемого антенной абонентских устройств, как показано на этапе 414. Это вычисление учитывает тип абонентского устройства (т. е. стационарное, мобильное или портативное) вследствие различий их характеристик, таких как характеристика приемника, диаграмма направленности антенны, потери на трассе распространения (дальность действия).
Для минимизации числа неопределенностей в вычислениях для управления мощностью пилот-сигнала эти вычисления выполняются для абонентского устройства, трасса распространения сигнала которого к спутниковому ретранслятору 104 может считаться "свободной". Предполагается, что абонентское устройство, имеющее наибольшую среднюю плотность потока пилот-сигнала, излучаемого антенной, характеризуется упомянутой "свободной" трассой распространения сигнала к спутниковому ретранслятору. Поэтому на этапе 416 шлюз 102 выбирает абонентское устройство 106, облучаемое пилот-сигналом с наибольшей средней плотностью потока. Как очевидно для специалистов в данной области техники, усреднение измерений плотности потока может выполняться как в абонентском устройстве, так и в шлюзе. Кроме того, длина интервала
усреднения выбирается при проектировании системы и может варьироваться без изменения сущности и объема настоящего изобретения.
Шлюз 102 регулирует мощность пилот-сигнала таким образом, чтобы абонентское устройство 106, выбранное на этапе 416, облучалось с предварительно определенной плотностью потока пилот-сигнала, как показано на этапе 418. Уровень пилот-сигнала регулируется медленно (т.е. временной масштаб порядка секунд) для компенсации изменений на трассе через спутник или для сохранения мощности спутника, когда все абоненты в луче имеют сигналы высокого качества или располагаются в выгодной (с более высоким усилением) позиции в луче. Изменения в трассе включают изменения в расстояниях из-за движения спутника, изменения в характеристиках окружающей среды (дождь, листва и т.д.), изменения в окружающей местности и препятствия. Однако эти изменения также включают изменения в передаточных характеристиках спутника из-за тепловой нагрузки, усиления, зависящего от управления, и других известных факторов. Эта предварительно определенная плотность потока пилот-сигнала устанавливается так, что абонент свободной трассой имеет существенный запас для обеспечения нормальных изменений сигнала из-за райсовского замирания, зеркального отражения, незначительной блокировки канала, спада луча спутника (т.е. более высокого ослабления на краях луча). Как очевидно для специалистов в данной области техники, способ, соответствующий настоящему изобретению, может быть распространен на обеспечение компенсации спада луча и различий в потерях на трассе распространения, если известно расположение абонента.
Настоящее изобретение обеспечивает высокую эффективность работы системы при всех условиях рабочей нагрузки, от высокой нагрузки (т.е. система имеет много абонентов) до низкой нагрузки (т.е. система имеет мало абонентов). Из-за того, что величина мощности, доступная для использования на спутниковом ретрансляторе 104 для передачи сигналов ограничена, шлюз должен осуществлять уравновешивание между качеством обслуживания и пропускной способностью для абонентов. Настоящее изобретение позволяет с высокой точностью управлять уровнем пилот-сигнала в условиях высокой нагрузки системы из-за большого числа доступных измерений. И наоборот, настоящее изобретение будет обеспечивать меньшую точность в условиях низкой нагрузки системы из-за малого числа доступных измерений. Однако именно в условиях высокой нагрузки системы точное управление наиболее желательно для обеспечения шлюзом необходимого компромисса между качеством обслуживания и дополнительной пропускной способностью. Это может быть выполнено, например, уменьшением мощности пилот-сигнала и увеличением мощности сигнала трафика. И наоборот, при низкой нагрузке системы шлюз может обеспечить требуемый запас по мощности для пилот-сигнала для улучшения качества обслуживания. Осуществление распределенных измерений пилот-сигнала позволяет выявить области высоких взаимных помех, обусловленных трафиком в соседних шлюзах или в конкурирующей системе. Шлюз может увеличить мощность пилот-сигнала для поддержания качества обслуживания в этих ситуациях. Таким образом настоящее изобретение обеспечивает надлежащее функционирование в любой из этих ситуаций.
В качестве дополнительной характеристики настоящего изобретения, концепция настоящего изобретения может быть распространена на статистическую оценку потребления мощности пилот-сигнала на спутнике. Например, измеренное значение пилот-сигнала абонентского устройства может быть преобразовано в плотность потока, как описано выше, и затем в измеренное значение мощности пилот-сигнала, потребляемой на спутнике, если тип абонента, диаграмма направленности спутниковой антенны и местоположение абонента известны. Наибольшей вычисленной мощностью радиочастотного пилот-сигнала на спутнике является тогда оценка мощности пилот-сигнала для сублуча.
Оценка мощности пилот-сигнала может быть средним текущим значением выборок, взятых во временном масштабе порядка секунд. Точность оценки зависит от статических данных в прямой линии связи от спутника к абоненту и работы абонентского устройства. Такие статистические данные описывают потери на трассе распространения или качество, отсутствие препятствий, характеристики приемника, тип взаимных помех и т.д. Наличие хорошо управляемых стационарных абонентских устройств в системе уменьшает неопределенность оценки, так как такие абонентские устройства не подвержены многим изменениям сигнала как мобильные и портативные абонентские устройства. Оценки также зависят от знания взаимных помех, принимаемых каждым абонентским устройством.
В качестве дополнительной характеристики изобретения эта концепция может быть распространена в будущем на оценку общей радиочастотной мощности, потребляемой на спутнике, приходящейся на сублуч. Эта радиочастотная мощность может быть оценена суммированием оценок потребления мощности для пилот-сигнала и всех сигналов трафика, приходящихся на сублуч. Мощность, потребляемая сигналами трафика, может быть оценена, так как отношение коэффициента усиления пилот-сигнала к коэффициенту усиления сигнала трафика в модуляторе шлюза или элементах управления мощностью определяет отношение мощности пилот-сигнала к мощности сигнала трафика на спутнике.
Вышеописанный способ может быть использован также в связи с другими сигналами совместно используемых ресурсов, такими как сигналы поискового вызова или сигналы синхронизации, упомянутые выше, что очевидно для специалистов в этой области техники. В этой ситуации отношения сигнал/шум этих сигналов измеряются принимающими абонентскими устройствами, и результат передается обратно к шлюзу. Информация, исходящая от абонентских устройств, показывающих низкое качество сигналов, отбрасывается для предотвращения чрезмерного расхода ресурсов. Как и раньше, плотность потока сигнала совместно используемых ресурсов вычисляется, и мощность сигнала регулируется при обслуживании абонентского устройства со свободной трассой распространения.
Из представленного описания специалистам в данной области техники очевидно, как осуществить изобретение, используя другие варианты осуществления. Хотя выше были представлены конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, должно быть ясно, что они представлены только для примера, но не в качестве ограничения. Таким образом, сущность и объем настоящего изобретения не ограничиваются каким-либо вышеописанным примером реализации, а должны определяться только в соответствии с пунктами формулы изобретения и ее эквивалентами.
Обозначения на фигурах
фиг.1
1 - система спутниковой связи
2 - станция-шлюз
3 - спутниковый ретранслятор
4 - стационарное абонентское устройство
5 - мобильное абонентское устройство
6 - портативное абонентское устройство
фиг.2
1 - антенна
2 - антенный переключатель
3 - аналоговый приемник
4 - приемник цифровых данных
5 - приемник цифровых данных
6 - поисковый приемник
7 - процессор управления
8 - принимаемая мощность
9 - схемы цифрового сигнала полосы модулирующих частот пользователя
10 - контроллер мощности цифровой передачи
11 - модулятор передачи
12 - усилитель мощности аналоговой передачи
фиг.3
1 - антенна
2 - аналоговый приемник
3 - приемник цифровых данных
4 - приемник цифровых данных
5 - поисковый приемник
6 - процессор управления
7 - процессор приема
8 - принимаемая мощность
9 - схемы цифрового сигнала полосы модулирующих частот пользователя
10 - модулятор передачи
11 - контроллер мощности цифровой передачи
12 - процессор передачи
13 - генератор ПШ
14 - сумматор
15 - аналоговый передатчик
16 - антенна
17 - другие каналы
18 - другие модули
19 - другие контроллеры мощности
фиг.4
1 - передача пилот-сигнала
2 - спутниковый ретранслятор принимает и транслирует пилот-сигнал
3 - абонентские устройства в зоне обслуживания спутника принимают пилот-сигнал
4 - каждое абонентское устройство вычисляет отношение сигнал/шум для принимаемого пилот-сигнала
5 - каждое абонентское устройство передает свое вычисленное отношение сигнал/шум на шлюз
6 - отбрасывание отношений сигнал/шум ниже предварительно определенного порога
7 - вычисление плотности потока пилот-сигнала для каждого абонентского устройства с учетом типа абонентского устройства
8 - выбор абонентского устройства, облучаемого пилот-сигналом, с наибольшей средней плотностью потока
9 - регулирование мощности пилот-сигнала для облучения выбранного абонентского устройства сигналом с предварительно определенной плотностью потока.
Предложены система и способ управления мощностью сигнала совместно используемого ресурса, передаваемого спутниковым ретранслятором в системе спутниковой связи. Система спутниковой связи содержит станцию-шлюз для передачи сигналов связи, включая сигнал совместно используемого ресурса, спутниковый ретранслятор для передачи сигналов как минимум одному абонентскому устройству (например, телефону), и как минимум одно абонентское устройство для приема сигналов. Способ включает этапы приема сигнала совместно используемого ресурса в каждом абонентском устройстве через спутниковый ретранслятор, измерение в каждом абонентском устройстве мощности сигнала для принимаемого сигнала совместно используемого ресурса, передачу информации о мощности сигнала на шлюз и регулировку мощности сигнала совместно используемого ресурса, передаваемого спутниковым ретранслятором на основе мощности сигнала, что и является достигаемым техническим результатом. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
| JP 55133147 А, 16.10.1980 | |||
| Система подвижной радиосвязи | 1987 |
|
SU1474860A1 |
| US 49901307, 17.10.1986. | |||
