Настоящее изобретение относится к системам связи множественного доступа, таким как беспроводные системы передачи данных или телефонные системы, а также к системам связи с расширением спектра, использующим спутники. Более конкретно, изобретение относится к архитектуре системы связи, в которой сигналы связи передаются, используя передающие модули, применяющие соединенные наборы модуляторов и элементов расширения, привязанных к соответственным аналоговым передатчикам, для снижения требований к передаче данных.
Разнообразное множество систем связи и технологий множественного доступа уже было разработано для передачи информации между большим числом абонентов системы. Использование технологий модуляции с расширением спектра, такой как множественный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР, CDMA), в системах связи множественного доступа раскрывается в сущности патента США 4901307, который опубликован 13 февраля 1990 г. под названием "Spread Spectrum Multiple Access Communication System Using Satellite Or Terrestrial Repeaters", и патента США 5691974, который опубликован 25 ноября 1997 г. под названием "Method And Apparatus For Using Full Spectrum Transmitted Power In A Spread Spectrum Communication System For Tracking Individual Recipient Phase Time And Energy", оба из которых переданы преемнику патентовладельца настоящего изобретения и включены здесь ссылкой.
Эти патенты раскрывают беспроводные системы связи, в которых некоторое число, вообще говоря, подвижных или удаленных пользователей или абонентов системы применяют приемопередатчики для связи с абонентами других систем или желаемыми получателями сигналов, например, через коммутируемую телефонную сеть общего пользования. Приемопередатчики обычно устанавливают связь через станции сопряжения и спутники или базовые станции (также упоминаемые как активные центры сотовых зон или сотовые зоны), используя сигналы связи с множественным доступом и с кодовым разделением каналов (МДКР, CDMA) с расширением спектра.
Базовые станции охватывают ячейки, тогда как спутники имеют зону обслуживания на поверхности Земли. Увеличение пропускной способности может быть достигнуто посредством разбиения на сектора или подразделения географических областей, подлежащих охвату. Ячейки могут быть поделены на "сектора", используя направленные антенны на базовых станциях. Аналогично, зона обслуживания спутника может быть географически поделена на "лучи" посредством использования антенных систем формирования луча. Можно считать эти технологии для дополнительного деления области охвата технологиями создания изолирования, используя относительную направленность антенны и мультиплексирование с пространственным разделением каналов. Кроме того, при условии, что имеется доступная ширина полосы частот, каждому из этих подразделений - либо секторам, либо лучам могут быть присвоены множественные МДКР каналы посредством использования мультиплексирования с частотным разделением каналов (МЧР, FDM). В системах спутниковой связи каждый МДКР канал может называться "суб-лучом", поскольку на один "луч" может приходиться несколько таких каналов, или несколько каналов могут занимать территорию, охватываемую лучом.
В обычной системе связи с расширением спектра используется одна или более, как правило, или набор, или пара предварительно выбранных псевдошумовых (PN) кодовых последовательностей для того, чтобы модулировать или "расширять" абонентские информационные сигналы в пределах заданной спектральной полосы перед модуляцией на сигнал несущей частоты для передачи в качестве сигналов связи. Расширение спектра псевдошумовым кодом, который является хорошо известным в технике способом передачи сигналов с расширенным спектром, производит сигнал для передачи с такой шириной полосы, которая намного больше ширины полосы сигнала данных. В линии связи от базовой станции или от станции сопряжения к абонентскому терминалу псевдошумовые коды расширения или двоичные последовательности используются для различения сигналов, передаваемых различными базовыми станциями или по другим различным радиолучам, а также многолучевых сигналов. Эти коды обычно совместно используются всеми сигналами связи в пределах заданного МДКР канала или суб-луча.
Ортогональные канализирующие коды используются для того, чтобы уменьшить интерференцию, а также чтобы различать сигналы между различными абонентами в пределах сотовой зоны или между абонентскими сигналами, передаваемыми в пределах спутникового суб-луча по прямой линии связи. Т.е. каждый абонентский терминал имеет свой собственный ортогональный канал, обеспеченный на прямой линии связи путем использования уникального "покрывающего" ортогонального кода. Для реализации канализирующих кодов, в основном, используются функции Уолша с обычной длиной порядка 64 кодовых чипов для наземных систем и 128 кодовых чипов для спутниковых систем.
Кроме того, для уменьшения вредных эффектов замирания и дополнительных проблем, связанных с относительным перемещением абонента или спутника в пределах системы связи, используется некоторая форма разнесения сигналов. В основном, в системах связи с расширением спектра используется три типа разнесения, включая временное, частотное и пространственное разнесение. Временное разнесение достижимо посредством использования кодирования с исправлением ошибок или простого повторения или временного перемежения составляющих сигнала. Форма частотного разнесения в своей основе обеспечивается распределением энергии сигнала по широкой полосе частот. Следовательно, избирательное по частоте замирание затрагивает только малую часть ширины полосы частот МДКР сигнала. Пространственное разнесение обеспечивается использованием множественных путей прохождения сигнала обычно через различные антенны или лучи сигнала связи.
Базовые станции для наземных сотовых систем связи обычно имеют шесть антенн, две на каждый из трех секторов в подразделенной сотовой зоне. Некоторые разработки для конструкции планируются для использования дополнительных антенн и режимов поляризации, обеспечивающих дополнительные МДКР каналы. Базовые станции, используемые вместе со спутниками, также называемые как станции сопряжения или концентраторы, используют массив передатчиков порядка 32 или более, присоединенных к одной или более антеннам для аккомодирования множественных лучей на каждой несущей частоте. Станции сопряжения обеспечивают также обслуживание для многочисленных спутников, обычно порядка трех или четырех, в любой заданный момент времени. В одной из иллюстративных систем используется порядка шести спутников в каждой из восьми орбитальных плоскостей, а для некоторых систем предполагается даже большее число спутников. Кроме того, число каналов или цепей связи, приходящихся на один суб-луч, в спутнике составляет порядка 128 каналов, а не 64 канала, обычно имеющихся в наземных сотовых системах. Эти факторы существенно увеличивают по сравнению с обычными базовыми станциями объем потока данных и обработки сигналов, который должен обрабатываться в станции сопряжения системы.
Когда информация в виде цифровых данных, включая голосовую информацию, должна передаваться станцией сопряжения к пользователям или абонентам системы, она сначала кодируется или перемежается желаемым образом, а затем "покрывается" или "расширяется" с использованием подходящих ортогональных кодов или кодов расширения. Каждый сигнал данных обрабатывается по меньшей мере одним модулятором для каждого аналогового тракта сигнала, по которому он должен передаваться, для целей разнесения. Затем данные, закодированные с расширением спектра, передаются к одному или нескольким аналоговым передатчикам, где они преобразуются с повышением частоты к подходящей промежуточной частоте и используются для модуляции сигнала несущей для формирования желаемого сигнала связи.
Каждый аналоговый передатчик предоставляет для сигнала один предварительно выбранный путь прохождения разнесенного сигнала и в произвольное время через каждый аналоговый передатчик обычно передаются многочисленные абонентские сигналы. Сигналы для каждого аналогового передатчика принимаются из массива или набора элементов модуляторов, находящихся в станции сопряжения или базовой станции, каждый из которых назначается, чтобы обрабатывать сообщения для конкретных абонентов, используя конкретные пути разнесения прохождения сигнала. Сигналы из нескольких модуляторов объединяются, чтобы сформировать форму выходного сигнала для каждого аналогового передатчика. Это означает, что данные, предназначенные для каждого аналогового передатчика, должны передаваться по общим шинам и кабельным сборкам, присоединенным к выходам всех модуляторов. Т.е. все модуляторы и аналоговые передатчики соединяются между собой или соединяются посредством использования общих шин данных для того, чтобы потенциально обрабатывать (разнесенные) сигналы множественных путей прохождения для любой заданной комбинации аналогового передатчика, антенны, спутника и абонента.
Для существующих в настоящее время скоростей передачи данных канала потокообмена, имеющихся в системах связи, шины станций сопряжения, передающие сигналы между цифровыми модуляторами и аналоговыми передатчиками, должны работать на скоростях порядка нескольких гигабит в секунду (Гбит/с) или более. Выход каждого модулятора обеспечивает данные со скоростями порядка 40 мегабит в секунду (Мбит/с). Потенциально, сигналы до 128 абонентских каналов могут передаваться по каждому МДКР каналу или на каждой частоте с использованием от 2 до 64 трактов разнесения. В результате, это приводит к полным скоростям передачи шины данных, которые превышают 5-10 Гбит/с (например 40 Мбит/с•128•2). Скорости передачи данных такой величины превышают существующие в настоящее время пределы коммерческих практически осуществимых схем передающих шин в рамках разумной стоимости и надежности. Кроме того, кабельные системы или системы, основанные на использовании физических соединений, также становятся неприемлемо сложными и потенциально ненадежными. Вероятно, в будущем наземные или сотовые базовые станции с более высокой пропускной способностью также будут иметь аналогичные требования по передаче и обработке данных.
Управление, переключение, синхронизация и т.д., которые должны выполняться для этого объема передачи данных, являются также неприемлемо сложными для использования в рентабельных системах станций сопряжения. Относительная синхронизация каждого абонентского сигнала, передаваемого к заданному аналоговому передатчику, должна производиться до интервала, составляющего менее половины интервала чипов для кода расширения, используемого для всех других абонентских сигналов, передаваемых к одному и тому же аналоговому передатчику, чтобы объединить все эти сигналы для передачи общим аналоговым передатчиком. Такая синхронизация требует чрезмерно сложных и изощренных механизмов управления и влияет на гибкость обработки сигналов.
Следовательно, желательно уменьшить количество данных, которые должны передаваться от одного функционального элемента или каскада к другому в пределах архитектуры станции сопряжения или базовой станции, особенно для спутниковых систем. Также необходимо сделать более эффективным использование более дешевых модульных компонентов для обеспечения более легкого исполнения сложных структур обработки сигналов рентабельным способом.
Сущность изобретения
Ввиду вышеупомянутых и других проблем, имеющихся в уровне техники, связанных с обрабатываемыми сигналами связи в станциях сопряжения и базовых станциях в системах связи с расширением спектра, одна из целей настоящего изобретения состоит в том, чтобы распределять задачи обработки сигналов для модулируемых ортогональных каналов в пределах сигналов связи, подлежащих передаче из станции сопряжения или базовой станции.
Вторая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы уменьшить полный объем данных в единицу времени, который передается по общим сигнальным шинам между цифровым и аналоговым отделами обработки сигналов станции сопряжения в системе связи с расширением спектра.
Другая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить более рентабельное выделение ресурсов обработки в связи с каждым аналоговым передатчиком в станции сопряжения.
Одно из преимуществ настоящего изобретения состоит в том, что оно использует модуль расширения спектра и другие модули обработки цифровых сигналов, которые являются очень надежными, легко изготавливаемыми и рентабельными для распределения сигнала в параллельные массивы для использования с аналоговыми передатчиками станций сопряжения.
Другие преимущества настоящего изобретения состоят в том, что оно упрощает передачу данных, снижает требуемую пропускную способность шины и не требует специальной синхронизации сигналов, которые должны быть объединены в единый аналоговый выходной сигнал. Изобретение снижает скорости передачи данных на монтажных задних панелях, а также число кабелей, проводов или других требуемых элементов распределения.
Эти и другие цели, задачи и преимущества воплощаются в архитектуре обработки сигналов для использования в базовой станции системы связи множественного доступа с расширением спектра, такой как беспроводные телефонные системы/системы передачи данных с множественным доступом с кодовым разделением каналов (МДКР, CDMA). В этих системах пользователи или абоненты системы устанавливают связь через базовые станции или спутники и станции сопряжения, используя различные каналы закодированных сигналов связи в пределах заданных несущих частот или МДКР каналов. Каждый из сигналов цифровых данных, предназначенных для передачи к одному или более абонентам системы, передается к одному или более из множества передающих модулей, каждый из которых связан с соответствующим аналоговым выходным трактом связи, по которому должны передаваться сигналы данных. Число модулей, к которым передается сигнал данных каждого абонента, равно числу аналоговых трактов связи, по которым желательно передавать сигнал данных заданного абонента.
В каждом передающем модуле сигналы цифровых данных принимаются и кодируются, а также, вообще говоря, подвергаются перемежению для получения символов закодированных данных. Символы закодированных данных затем также расширяются или модулируются с расширением спектра, используя по меньшей мере один предварительно выбранный псевдослучайный шумовой (PN) код расширения для формирования сигналов связи с расширением спектра. Выходные данные каждого из множества модуляторов с расширением спектра в каждом модуле суммируются и передаются в единый аналоговый передатчик, связанный с передающим модулем. Аналоговый передатчик составляет часть заданного аналогового выходного тракта сигнала связи. Он создает единый сигнал связи с расширенным спектром или канал на предварительно заданной несущей частоте для каждого модуля и соответствующего аналогового передатчика.
Передающие модули задаются или каждый содержит блок кодирования и/или перемежения, а также блок модуляции или канализирования и блок расширения. Массив кодеров, а также последующих желательных соответствующих перемежителей, образует блок кодирования, тогда как массив модуляторов с расширением спектра образует блок модуляции.
В некоторых вариантах воплощения имеется эквивалентное число перемежителей и модуляторов. Однако в других вариантах воплощения может использоваться некоторая предопределенная часть времени, выделенная для этих элементов. В этих конфигурациях используется предварительно выбранное число кодеров и/или перемежителей, которое меньше полного числа абонентских каналов, подлежащих обслуживанию посредством аналогового передатчика. Число соответствующих модуляторов с расширением спектра, в основном, больше числа кодеров и/или перемежителей, но может при этом быть меньше полного числа абонентов или абонентских каналов. В некоторых конфигурациях может быть использовано мультиплексирование сигналов.
Данные абонента или информация, подлежащие передаче к одному или более абонентам, принимаются и кодируются блоком кодирования и полученные закодированные данные обрабатываются в блоке расширения для генерации символов данных расширения для каждого тракта разнесения для каждого абонента. Число обрабатывающих элементов, в первую очередь кодеров и элементов расширения, в каждом модуле таково, что доступен только один тракт обработки для каждого абонента или абонентского канала связи, по которому желательно передавать информацию, используя заданный аналоговый передатчик. Изобретение допускает большую степень интеграции модульной конструкции и интеграции схем в целях надежности и снижения стоимости.
В других вариантах воплощения изобретения символы закодированных данных для каждого аналогового тракта связи, предназначенного для заданного абонента, покрываются одной из множества ортогональных функций. Одна и та же функция используется для каждого сигнала, передаваемого по каждому аналоговому тракту связи для заданного абонента. В передающих модулях также располагаются преобразователи или схемы преобразования ортогонального кода, которые работают вместе с блоками расширения для выполнения ортогональных преобразований или отображений над символами закодированных данных. Они генерируют специфические данные ортогонального абонентского канала для каждого абонентского канала, функционирующего через соответствующий аналоговый передатчик. Для ортогональных функций, в основном, используются функции Уолша.
В других вариантах воплощения изобретения модуляционные модули расширяют каждый из цифровых сигналов связи, используя синфазные (I) и квадратурные (Q) последовательности псевдослучайного шумового кода для конкретной системы связи, с подходящими смещениями или временными сдвигами. Эти предварительно выбранные псевдошумовые последовательности также используются для демодуляции синфазной и квадратурной составляющих сигнала, когда сигналы принимаются соответствующими приемниками.
Таким образом, некоторое число сигналов связи или сигналов информации абонента передаются по одному или более передающим трактам разнесения для многочисленных абонентов системы, используя аналоговые передатчики, связанные с передающими модулями, которые кодируют, перемежают и расширяют сигналы, передающиеся по меньшей мере на одной несущей частоте. Аналоговые передатчики преобразуют цифровые сигналы связи в аналоговые сигналы связи на предопределенных частотах дискретизации.
Настоящее изобретение очень полезно для уменьшения сложности структурных схем передачи сигнала в базовых станциях типа станций сопряжения, которые устанавливают связь по меньшей мере с одним спутниковым ретранслятором для передачи сигналов канала связи от аналоговых передатчиков к абонентским терминалам в пределах системы связи. Оно особенно полезно там, где имеется по меньшей мере два спутника, имеющих связь со станцией сопряжения в любое заданное время.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает иллюстративную беспроводную систему связи,
фиг. 2 изображает иллюстративное устройство станции сопряжения для модуляции и передачи сигнала для беспроводной системы связи фиг.1,
фиг. 3 изображает иллюстративные схемы модуляции, пригодные для конструирования передающих модулей, изображенных в устройстве фиг.2,
фиг. 4а иллюстрирует типичную архитектуру станции сопряжения, использующую многочисленные независимые модуляторы данных, сумматоры и аналоговые передатчики,
фиг. 4б иллюстрирует более общую форму архитектуры станции сопряжения фиг.4а,
фиг. 5а иллюстрирует новую архитектуру станции сопряжения, использующую многочисленные распределенные модули обработки и передачи данных,
фиг. 5б иллюстрирует более общую форму архитектуры станции сопряжения фиг.5а, и
фиг. 6 иллюстрирует архитектуру многочисленных распределенных модулей передачи, использующую переключение пакетов.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения
Настоящее изобретение обеспечивает новую архитектуру обработки сигналов для базовых станций и станций сопряжения, используемых в системах связи с расширением спектра. Способ и устройство настоящего изобретения обеспечивают передачу сигналов данных, предназначенных для каждого из ряда аналоговых передатчиков, используемых для формирования цепей связи или линий связи для абонентов системы, к передающим модулям, связанным с каждым аналоговым передатчиком. Каждый передающий модуль имеет ряд или набор модуляторов сигналов, который может быть присвоен каждому из сигналов, подлежащих аккомодированию единым соответствующим аналоговым передатчиком. Сигналы сначала желаемым образом кодируются и перемежаются кодерами, соединенными последовательно с каждым модулятором, а затем модулируются, используя подходящие псевдослучайные шумовые коды расширения. Используются общие сигналы синхронизации или управления для каждого набора модуляторов в пределах каждого передающего модуля или же они присваиваются заданному аналоговому передатчику, в результате приводя к автоматически синхронизируемым модулированным сигналам данных. Эти сигналы могут легко быть суммированы и объединены. Затем окончательный объединенный сигнал вводится в соответствующий аналоговый передатчик для передачи к абонентам системы.
Из находящихся на станции сопряжения каскадов обработки цифрового сигнала на сниженной скорости передачи в битах выводятся данные, которыми можно легко манипулировать или управлять, используя известную в настоящее время технологию. Данные, обеспеченные на этом уровне обработки, более легко передаются в последовательность кодеров при более низких скоростях передачи данных, чем обычно используемые символы закодированных /подверженных перемежению/ расширенных данных для большого числа сигналов связи, ограниченных скоростью передачи данных. Это очень полезно для систем связи, основанных на использовании спутников, или для сотовых систем с более высокой пропускной способностью. Используя ряд легко изготавливаемых схемных модулей, может быть рентабельно выполнена передающая элементная база этой системной архитектуры.
На фиг.1 изображается иллюстративная беспроводная система связи, в которой используется настоящее изобретение, такая как беспроводная телефонная система. Система 100 связи, иллюстрируемая на фиг.1, использует технологии модуляции с расширением спектра при установлении связи между удаленными или подвижными абонентскими терминалами системы связи и станциями сопряжения или базовыми станциями системы. В части системы связи, иллюстрируемой на фиг.1, показаны одна базовая станция 112, два спутника 114 и 116 и две связанных станции сопряжения или концентратора 124 и 126, предназначенные для осуществления связи с двумя абонентскими терминалами 120 и 122.
Каждый из абонентских терминалов 120 и 122 имеет или содержит устройство беспроводной связи, такое как телефон сотовой связи, но не ограничивается им. Обычно, по желанию, такие терминалы бывают ручными или установленными на транспортном средстве. Также предусматриваются другие беспроводные устройства, такие как приемники сообщений и устройства передачи данных (например, переносные компьютеры, персональные базы данных, модемы, факсы). Здесь абонентский терминал 120 иллюстрируется в виде переносного ручного телефона. Хотя эти абонентские терминалы обсуждаются как мобильные, также понятно, что концепции изобретения применимы к неподвижным модулям и другим типам терминалов, где желательно наличие службы сервиса дальней беспроводной связи. Этот тип службы сервиса особенно актуален для установления линий связи на многих удаленных территориях мира, иначе говоря, там, где испытывается недостаток в коммуникационной инфраструктуре. Сюда можно включить, например, телефоны, телефоны-автоматы, беспроводные локальные замкнутые службы сервиса или удаленные устройства и аппаратуру поиска и анализа данных. Последнее полезно в тех условиях, когда вовлекаются чрезвычайно удаленные территории, суровые и жесткие условия окружающей среды.
Термины "базовая станция", "станция сопряжения" и "концентратор" иногда попеременно используются в технике, при этом станции сопряжения обычно понимаются, как содержащие специализированные базовые станции, которые направляют сообщения через спутники. В некоторых системах связи пользовательские терминалы также упоминаются как абонентские модули, подвижные станции, просто "пользователи", "мобильные абоненты" или "абоненты" в зависимости от того, что предпочтительнее.
На фиг. 1 некоторые возможные пути прохождения сигналов иллюстрируются для коммуникаций, линий связи или "цепей" связи, устанавливаемых между абонентскими терминалами 120 и 122 и базовой станцией 112, или через спутники 114 и 116 с одной или более станциями сопряжения или централизованными концентраторами 124 и 126. Участки базовая станция-абонентский терминал линии связи между базовой станцией 112 и абонентскими терминалами 120 и 122 показаны соответственно линиями 130 и 132. Участки спутник-абонент линий связи между станциями сопряжения 124 и 126 и абонентскими терминалами 120 и 122 через спутник 114 показаны линиями 134 и 136 соответственно. Участки спутник-абонент линий связи между станциями сопряжения 124 и 126 и абонентскими терминалами 120 и 122 через спутник 116 показаны линиями 138 и 140 соответственно. Участки станция сопряжения-спутник этих линий связи показаны набором линий 142, 144, 146 и 148. Острия стрелок этих линий показывают иллюстративные направления сигналов для каждой линии связи в виде либо прямой, либо обратной линии связи лишь с целью ясности, но не ограничения. В некоторых конфигурациях также может быть возможность устанавливать прямые коммуникации спутник-спутник, например, по линии связи, показанной линией 150.
Как видно на фиг.1, система 100 связи, в основном, использует один или более центров 152 управления системой или коммутирующей сети, который также называется как служба переключения мобильной телефонной связи (MTSO, СПМТ) или центр управления наземными операциями (GOCC, ЦУНО) в спутниковых системах связи. Системный контроллер 152 обычно включает интерфейс и схемы обработки для обеспечения общесистемного управления станциями сопряжения, спутниками или базовыми станциями для осуществления общесистемного управления радиообменом и синхронизации сигналов, например, для выделения псевдошумовых и ортогональных кодов и временной селекции. Системный контроллер 152 также управляет маршрутизацией телефонных звонков между коммутируемой телефонной сетью общего пользования (PSTN, КТСОП) и станциями сопряжения, а также абонентскими терминалами. Однако каждая станция сопряжения в основном имеет КТСОП или подобный интерфейс для подключения к таким сетям. Линия 154 связи, соединяющая системный контроллер 152 с различными станциями сопряжения или базовыми станциями системы, может быть установлена, используя известные методы, такие как стационарные телефонные линии, оптоволоконные линии связи, или микроволновые, или выделенные линии спутниковой связи, но не ограничиваясь ими.
Хотя на фиг.1 иллюстрируется только два спутника, система связи, в основном, использует многочисленные спутники 114 и 116, перемещающиеся по разным орбитальным плоскостям. К настоящему времени было предложено большое количество многоспутниковых систем связи с иллюстративной системой, использующей порядка 48 или более спутников, движущихся в восьми различных орбитальных плоскостях на низкой околоземной орбите (LEO). Однако специалист легко поймет, каким образом концепции настоящего изобретения применимы к разнообразным спутниковым системам и конфигурациям станций сопряжения или базовых станций, включая другие орбитальные расстояния и расположения спутников.
В этом примере предполагается, что базовая станция 112 обеспечивает обслуживание одной отдельной географической территории или "сотовой зоны", тогда как множественные лучи от спутников 116 и 118 предназначены для того, чтобы охватывать другие, вообще говоря, не перекрывающиеся географические территории. Вообще говоря, множественные лучи на различных частотах, также называемые, как МДКР каналы, "суб-лучи" или МЧР сигналы или каналы, могут направляться так, чтобы перекрывать одну и ту же область. Однако легко понять то, что зона охвата луча или зона обслуживания для различных спутников и сотовых базовых станций могут перекрыться полностью или частично в заданной области в зависимости от структуры системы связи и типа предлагаемой службы сервиса. Например, можно обеспечить обслуживание для различных групп абонентов, имеющих отличающиеся характеристики на различных частотах, и заданный абонентский терминал может использовать множественные частоты и многочисленных поставщиков услуг с перекрывающейся геофизической зоной обслуживания. Соответственно, в некоторых системах в различные моменты процесса связи может производиться перераспределение каналов связи между базовыми станциями или станциями сопряжения, обслуживающими различные области или сотовые зоны, а также может быть достигнуто разнесение между любыми из этих зон связи или устройств.
В системе 100 связи пространственное разнесение или разнесение трактов может быть получено посредством обеспечения множественных путей прохождения сигналов по текущим линиям связи с подвижной станцией или абонентским терминалом через две или более базовые станции (или сектора) - для наземных ретрансляционных систем или по двум или более спутниковым лучам или через отдельные спутники - для спутниковых систем. Т.е. разнесение трактов может быть получено посредством передачи или приема сообщений для одного абонента, используя множественные тракты связи (антенны или приемопередатчики). Кроме того, разнесение трактов может быть получено путем использования условий многолучевого распространения посредством обеспечения возможности для сигнала, проходящего по различным трактам, в каждом с различной задержкой, приниматься и обрабатываться отдельно для каждого тракта. Если доступны два или более тракта с достаточной разницей задержек, например более одной микросекунды, можно использовать два или более приемника, чтобы отдельно принимать эти сигналы.
Примеры использования разнесения трактов в системах связи множественного доступа иллюстрируются в патенте США 5101501, озаглавленном "Soft Handoff In A CDMA Cellular Telephone System", опубликованном 31 марта 1992, и в патенте США 5109390, озаглавленном "Diversity Receiver In A CDMA Cellular Telephone System", опубликованном 28 апреля 1992, оба из которых включены здесь ссылкой.
Иллюстративные системы связи типа систем с расширением спектра, такие как обсуждались в вышеупомянутых патентных документах и изображены на фиг.1, используют форму сигнала, содержащую несущую с расширением спектра посредством модуляции прямой последовательностью псевдослучайных шумовых кодов. Т.е. передаваемый сигнал модулируется с использованием псевдослучайной шумовой двоичной последовательности или пары последовательностей для достижения желаемого эффекта расширения. Псевдослучайные шумовые коды используются для расширения спектра всех сигналов связи, передаваемых по линиям связи от станции сопряжения к абоненту, для различения сигналов, передаваемых по различным суб-лучам, а также для различения многолучевых сигналов. Такие псевдослучайные шумовые последовательности обычно называются кодами "расширения".
Каждая псевдослучайная шумовая последовательность состоит из ряда "чипов", возникающих на предварительно выбранном периоде псевдослучайных шумовых кодов, на частоте, которая намного выше полосы частот, на которой расширяется сигнал связи. Примерная частота чипов для спутниковых систем составляет приблизительно 1.2288 МГц или Мчип/с (мега-чип в секунду) с длиной псевдослучайной шумовой кодовой последовательности 1024 чипа. Однако специалистам должно быть очевидно, что настоящее изобретение также применимо с другими частотами чипов и длинами кодов. Например, некоторые околоземные спутниковые системы используют коды расширения, имеющие 215=32678 чипов. Каждая структура системы связи задает тип и распределение кодов расширения в пределах системы связи согласно хорошо известному в технике критерию, например желаемой полной ширине полосы частот или допустимой интерференции сигналов. Иллюстративная схема генерации этих последовательностей раскрывается в патенте США 5228054, озаглавленном "Power Of Two Length Pseudo-Noise Sequence Generator With Fast Offset Adjustments", опубликованном 13 июля 1993, который передан преемнику патентовладельца настоящего изобретения и включен здесь ссылкой.
В системе 100 связи могут быть использованы несколько волновых форм несущей с типичным вариантом воплощения, использующим синусоидальную несущую, которая модулируется парой двоичных псевдослучайных последовательностей. В этом подходе последовательности с одинаковыми длинами генерируются парой различных генераторов псевдослучайных последовательностей. Одна последовательность двухфазно модулирует (т.е. дважды модулирует по фазе) синфазный канал (I канал) несущей, а другая последовательность двухфазно модулирует сдвинутый по фазе на 90o или просто квадратурный канал (Q канал) несущей. Результирующие сигналы суммируются, чтобы сформировать составной сигнал.
В типичных конфигурациях все сигналы, передаваемые станцией сопряжения или базовой станцией, совместно используют одни и те же псевдослучайные шумовые коды расширения для обоих I и Q каналов, причем один код сдвинут по фазе относительно другого. Сигналы также кодируются, или покрываются, ортогональным кодом, генерируемым посредством использования функций Уолша, как отмечалось выше. Используемые размер и длина функций Уолша обычно составляют порядка 128 чипов, создающих до ста двадцати восьми ортогональных сигналов связи или каналов прямой линии связи для каждой частоты несущей. Для каждого суб-луча (МДКР-канала или сигнала) могут быть выделены одна или более из этих последовательностей для функций пилот-каналов, каналов синхронизации и каналов поискового вызова (одна или более). Сигнал, адресованный конкретному абоненту, объединяется с псевдослучайным шумовым кодом или кодами расширения и конкретной последовательностью Уолша или последовательностью чипов Уолша, присвоенными станцией сопряжения или контроллером системы связи. Ортогональная функция, код Уолша, создает ортогональный канал в сигнале с расширением спектра. Для того чтобы определить место абонентского терминала на конкретном ортогональном канале на линии связи, абонентскому терминалу предписывается использовать конкретный код Уолша. Кодирование (покрытие) МДКР канала на прямой линии связи производит абонентские сигналы, также упоминаемые как сигналы потокообмена или каналы потокообмена.
В каналах "синхронизации", "пэйджинговых" каналах (поискового вызова), в каналах потокообмена или голосовых каналах или сигналах цифровые данные обязательно преобразуются в цифровую форму, обычно кодируются, обеспечиваются повторением, а затем подвергаются перемежению, чтобы обеспечить функции обнаружения и исправления ошибок. Это позволяет системе связи работать с более низкими отношением сигнал-шум и уровнем радиопомех. Процесс повторений гарантирует, что данные или символы закодированных данных передаются с предварительно выбранной скоростью. Например, чтобы получить желаемую скорость 9600 бит/с, символы данных со скоростью 4800 бит/с должны повторяться один раз, а символы данных со скоростью 2400 бит/с должны повторяться четыре раза в пределах кадра данных. Методы кодирования, повторения и перемежения хорошо известны в технике.
Символы в потоке символов, закодированных с исправлением ошибок, затем для каждого канала объединяются с присвоенной последовательностью ортогональных или канализирующих кодов, как обсуждалось выше, и с псевдослучайными шумовыми кодами расширения, создавая основные цифровые сигналы связи. В другом случае сначала могут быть объединены между собой канализирующие коды и коды расширения. Затем результирующие потоки символов с расширенным спектром складываются, чтобы сформировать составную форму сигнала.
В системе связи для функции расширения, в основном, используется одна псевдослучайная шумовая кодовая последовательность или две последовательности. Т.е. абонентские терминалы, действующие в пределах зоны обслуживания заданного луча, совместно используют один временной сдвиг псевдослучайного шумового кода расширения, тогда как другие лучи используют другие сдвиги одного и того же псевдослучайного шумового кода. Синхронизация основного сигнала, устанавливаемая каждой станцией сопряжения для абонентов, которые обслуживаются на заданной частоте (МДКР канал), является одинаковой. В другом случае лучи могут различаться посредством обеспечения различных псевдослучайных шумовых кодовых последовательностей (различные полиномы) для каждого луча или суб-луча.
Затем различные выходные сигналы, расширенные псевдослучайным шумовым кодом или ортогонально закодированные, обычно подвергаются полосовой фильтрации и модулируются на радиочастотную несущую. Обычно это осуществляется путем двухфазной модуляции квадратурной парой синусоид, которые суммируются в один сигнал связи.
Результирующие сигналы могут дополнительно усиливаться и фильтроваться, перед тем как они будут суммироваться с другими сигналами прямой линии связи и излучаться антенной для станции сопряжения. Операции фильтрации, усиления и модуляции хорошо известны в технике. Альтернативные варианты воплощения могут менять по сравнению друг с другом порядок некоторых операций для формирования сигнала, передаваемого станцией сопряжения. Дополнительные подробности об операциях передающего устройства такого типа имеются в патенте США 5103459, опубликованном 7 апреля 1992, озаглавленном "System And Method For Generating Signal Waveforms In A CDMA Cellular Telephone", который включен здесь ссылкой.
На фиг. 2 подробно иллюстрируется передающее устройство 200, предназначенное для использования в базовых станциях или станциях сопряжения, используемых для осуществления МДКР системы связи. В типичной базовой станции используются блоки или системы передатчиков, каждая из которых имеет отдельные аналоговые передатчики, а также иногда отдельную антенну для выполнения передачи с пространственным разнесением. Как обсуждалось ранее, для достижения частотного разнесения в станции сопряжения используются множественные аналоговые передатчики. Т.е. в станции сопряжения каждый аналоговый передатчик передает сигналы различных частот по различным спутниковым лучам или суб-лучам. При желании и если позволяет стоимость, для выполнения передачи некоторых сигналов могут использоваться отдельные антенны. В любом случае сигналы связи сначала обрабатываются по существу одинаково в каждом из блоков модуляторов и затем подвергаются процессу объединения.
Когда звуковые или другие данные готовятся как выходное сообщение или сигнал связи для абонентского терминала, абонентские полосовые схемы или обрабатывающие элементы 202 используются для того, чтобы принимать, запоминать, обрабатывать, а также другим способом готовить желаемые данные для передачи. Полосовые схемы 202 содержат устройство, которое хорошо известно в технике и не иллюстрируется здесь подробно. Иллюстративное полосовое устройство включает разнообразное множество известных элементов, таких как вокодеры, модемы данных, аналого-цифровые преобразователи, а также коммутаторы цифровых данных и компоненты памяти, но не ограничиваясь ими. Полосовые схемы 202 принимают входные данные, такие как голосовые (аналоговые) данные, цифровые данные или сообщения, и подают цифровые данные к одному или более модуляторов 204 передачи, действующих под управлением по меньшей мере одного управляющего процессора 206.
Управляющий процессор 206 станции сопряжения электрически присоединен к модуляторам 204 передачи и полосовым схемам 202. Управляющий процессор 206 обеспечивает командные и управляющие сигналы для выполнения, наряду с другими функциями, следующих функций: обработка сигнала, генерация сигнала синхронизации, управление мощностью и управление перераспределением каналов связи, выбор трактов разнесения, а также сопряжение системы. Кроме того, управляющий процессор 206 присваивает псевдослучайные шумовые коды расширения, последовательности ортогональных кодов и конкретные передатчики или модули для использования в абонентских сообщениях. Управляющий процессор 206 также управляет генерацией и мощностью сигналов пилот-каналов, каналов синхронизации и каналов поискового вызова. Управляющий процессор 206 выполняется с использованием известных процессоров, таких как цифровые процессоры сигналов, микропроцессоры, компьютеры и другие элементы, которые могут работать под программным и микропрограммным управлением.
Для того чтобы обеспечить сигналы синхронизации и опорной частоты для различных процессоров в станции сопряжения, может использоваться модуль 208 точного времени и частоты (TFU, МТВЧ), как показано на фиг.2. Обычно МТВЧ модуль использует приемник системы глобального позиционирования (GPS) для получения сигналов универсального времени (UT, УВ), необходимых для поддержания синхронизации в системе связи. В некоторых конфигурациях такую информацию могут также обеспечить центральные контроллеры. МТВЧ модуль 208 по желанию может конфигурироваться таким образом, чтобы работать с другими схемами или элементами схем, такими как генераторы тактовых сигналов, для того, чтобы под управлением процессора осуществлять запаздывание или опережение относительной синхронизации (тактовых) сигналов на заданные величины.
Затем сигналы, подлежащие передаче к абонентским терминалам, электрически связываются с одним или более подходящими
цифровыми передатчиками 210A-N. Типичная станция сопряжения использует набор таких передающих модулей 210 для обеспечения одновременного обслуживания многих абонентских терминалов, а также одновременно для нескольких спутников и лучей. Число передающих модулей 210A-N, используемых станциями сопряжения, определяется факторами, хорошо известными в технике, включая сложность системы, число спутников в поле зрения, пропускной способностью абонентов, выбранной степенью разнесения и т.п., что обсуждается в другой литературе.
Модулятор 204A-N передачи в каждом цифровом передатчике осуществляет модуляцию с расширением спектра данных передачи и обычно имеет выход, электрически соединенный с цифровым контроллером 212 мощности передачи, который управляет мощностью передачи, используемой для выходящего цифрового сигнала.
Выходной сигнал каждого цифрового контроллера 212 (A-N) мощности передачи передается в сумматор 220, где он суммируется с выходными сигналами других схем управления мощностью передачи. Эти выходные сигналы являются сигналами, предназначенными для передачи к другим абонентским терминалам на такой же частоте и в пределах того же луча, как у выходного сигнала контроллера 212(A-N) мощности передачи. Выходной сигнал сумматора 220 подается в аналоговый передатчик 224 для цифроаналогового преобразования, преобразования к соответствующей частоте высокочастотной несущей, дополнительного усиления, фильтрации и выведения к одной или более антеннам 230 для излучения к спутникам и/или абонентским терминалам.
Хотя управляющий процессор 206 может быть электрически подсоединен непосредственно к модулятору (204A-N) или элементам (214A-N) контроллера мощности, эти элементы иногда группируются вместе в передатчики 210A-N и каждый в основном содержит определяемый передатчиком процессор, такой как процессор 216A-N передачи, который управляет элементами цифрового передатчика. Таким образом, в предпочтительном варианте воплощения управляющий процессор 206 электрически подсоединяется к процессору 210A-N передачи, как показано на фиг.2. Таким образом, один управляющий процессор 206 может более эффективно управлять действиями большого количества цифровых передатчиков и ресурсами. Процессор 210 передачи управляет генерацией пилот-сигналов, сигналов синхронизации, сигналов поискового вызова и сигналов канала потокообмена, а также мощностью этих сигналов и их соответствующей связью с контроллером 212A-N мощности передачи.
При желании, станцией сопряжения могут использоваться один или более элементов предварительной коррекции частоты или синхронизации. Предпочтительно, такие элементы используются для настройки частоты или синхронизации сигнала на частоту модулирующих сигналов с использованием хорошо известных методов. Предварительная коррекция параметров сигналов обсуждается более подробно в патентном описании США 08/733490, зарегистрированном 30 сентября 1996, озаглавленном "Time And Frequency Precorrection For Non-Geostationary Satellite Communication Systems", которое включено здесь ссылкой.
На фиг. 3 изображена иллюстративная схема модулятора сигналов для выполнения модуляторов 204A-N передачи. На фиг. 3 также изображены кодер 302 и перемежитель 304, которые могут являться частью модуляторов 204A-N передачи или составлять другую часть цифровых передатчиков 216A-N. Как обсуждается позже, модуляция передачи обычно относится к операциям канализирования или покрытия ортогональными кодами и расширения. Перед применением ортогонального кодирования или расширения сигналы данных абонента, передаваемые каждым каналом, в основном подвергаются сверточному кодированию с повторением и перемежению для того, чтобы обеспечить функции обнаружения и исправления ошибок. Кодирование обеспечивает "символы" данных, которые затем обрабатываются, чтобы сформировать желательные сигналы связи. Методы сверточного кодирования, повторения и перемежения хорошо известны в технике.
Перемежающиеся символы данных могут умножаться на двоичную псевдослучайную шумовую последовательность PNU в логическом элементе 306. Эта последовательность подается с выхода генератора 308 длинных псевдошумовых кодов, который обычно также тактируется с частотой чипов кода расширения системы, а затем прореживается в прореживателе 310 для того, чтобы обеспечить более низкую скорость передачи, например 19200 бит/с. Выход прореживателя 310 соединен с входом логического элемента 306, в данном случае - умножителя, у которого второй вход соединен с перемежителем 304. В другом случае выход прореживателя 310 может быть последовательно соединен с другими элементами, такими как умножитель 320, чтобы умножаться на результирующие покрытые данные. Как хорошо известно, если последовательности кодов Уолша или псевдослучайные шумовые последовательности PNU состоят из двоичных значений '0' и '1' вместо '-1' и '1', умножители могут быть заменены логическими элементами, такими как логический элемент "исключающее ИЛИ".
Кодовая последовательность РNU соответствует сдвигу фазы уникального псевдослучайного шумового кода для известного длинного псевдослучайного шумового кода, используемого в системе связи. Последовательность сдвигов генерируется посредством каждого или для каждого абонентского терминала и может быть составлена с использованием разнообразного множества известных элементов, сконфигурированных для этой цели. Для обеспечения дополнительной защиты или идентификации абонентского терминала также могут быть использованы адрес модуля или идентификатор абонента. Формат псевдослучайной шумовой последовательности РNU должен быть согласован с форматом последовательности кодов Уолша, применимых к логическому элементу 306. Т.е. либо значения '-1/1', либо значения '0/1' используются вместе и для того, чтобы преобразовывать последовательность типа '0/1' в последовательность типа '1/-1', на выходе генератора кодов могут использоваться преобразующие элементы. В другом случае, по желанию, вместо генератора 308 псевдослучайных шумовых кодов может быть использован нелинейный генератор шифрования, такой как шифратор, использующий стандарт шифрования данных (DES). Кодовая последовательность PNU может присваиваться в течение длительности заданной линии связи либо постоянно к одному модулю.
Затем символы 312 перемежающихся данных из перемежителя 304 или с выхода логического элемента 306 ортогонально кодируются или покрываются присвоенной последовательностью ортогональных кодов (в данном случае - функция или код Уолша), подаваемой по меньшей мере одним генератором 322 кодов. Код из генератора 322 умножается на данные символов или объединяется с ними в логическом элементе 320. Ортогональная функция обычно тактируется на такой же частоте, как частота чипов кода расширения. Для выполнения процесса ортогонального кодирования также возможно использовать другие известные элементы, такие как быстрый преобразователь Адамара. Этот тип обработки подробно раскрывается в патенте США 08/424773, озаглавленном "Method And Apparatus For Joint Transmission Of Multiple Data Signals In Spread Spectrum Communication Systems", зарегистрированном 18 апреля 1995 и включенном здесь ссылкой.
Схемы модуляторов также включают по меньшей мере один, а обычно два генератора 330 и 332 псевдослучайных шумовых кодов, которые генерируют или обеспечивают две различные последовательности коротких кодов расширения PN1 и РNQ или кодовые последовательности для синфазного (I) и квадратурного (Q) каналов. Генерация кодов также может формировать функциональную часть одного или более управляющих процессоров или запоминающих элементов, используемых в станции сопряжения. В другом случае эти генераторы могут использоваться совместно в режиме разделения времени между несколькими приемниками с использованием нескольких элементов сопряжения. Примеры схем генерации этих последовательностей хорошо известны и раскрываются в вышеупомянутом патенте США 5228054. Эти генераторы псевдослучайных шумовых кодов могут также реагировать на входной сигнал, соответствующий лучу или сигналу идентификации сотовой зоны из управляющего процессора таким образом, чтобы обеспечить предопределенную временную задержку или сдвиг для псевдослучайных шумовых кодовых последовательностей. Хотя иллюстрируются только два генератора псевдослучайных шумовых кодов, предназначенных для генерации последовательностей PN1 и PNQ, легко понять, что в пределах сущности изобретения могут быть выполнены многие другие схемы генераторов псевдослучайных шумовых кодов.
Ортогонально покрытые символьные данные 324, выводимые логическим элементом или умножителем 320, затем объединяются с или умножаются на коды расширения с помощью пары логических элементов или умножителей 334 и 336 соответственно. Затем результирующие сигналы передаются к соответствующим схемам управления мощностью и усиления, контроллеру 212 мощности передачи и аналоговому передатчику 224. Здесь они модулируются на радиочастотную несущую обычно посредством двухфазной модуляции квадратурной парой синусоид, которые суммируются в один сигнал с другими сигналами канала потоко-обмена наряду с сигналами пилот-каналов или любых сигналов инсталляции каналов. Суммирование может выполняться в нескольких разных точках обработки сигнала, таких как частоты модулирующих сигналов или промежуточные частоты, перед или после объединения с псевдослучайной шумовой последовательностью, связанной с МДКР каналом.
На фиг. 4а и 4б изображена типичная общая схема передающей системы станции сопряжения для обработки сигналов данных для многих абонентов и трактов разнесения одновременно и для их передачи к вызываемым абонентам или получателям информации. Фиг.4а изображает частную структуру шины данных, тогда как фиг. 4б изображает более общую форму, включая аналоговый тракт передачи. На фиг. 4а и 4б данные 400 (4001-400D) абонентов, т.е. данные, предназначенные для заданного абонента, канала D (1 из 128, D=1,128) потокообмена или связи, вводятся в станцию сопряжения. Данные 400D передаются в предопределенном формате кадра данных с предварительно выбранной периодичностью к одному из последовательности элементов 402 (4021-402D) кодеров/перемежителей, где данные подвергаются перемежению и кодируются. На фиг. 4б часть перемежения опускается как необязательная для элементов 402' (402'1-402'D).
Затем данные для каждого канала потокообмена (или других) модулируются в модуляторе 404 (40411-404DK), где может быть несколько таких модуляторов для того, чтобы устанавливать желаемое число К сигналов режима разнесения, трактов сигнала или подключения цепей для заданного абонента. Т.е. желательно, чтобы была возможность передавать сигналы для заданного канала по множественным трактам сигнала (антенны, суб-лучи, тракты передатчиков и т.д.), и типичная система может обеспечить возможность до 64 таких режимов разнесения. Следовательно, обычно К может иметь величину вплоть до 64, хотя могут быть использованы другие числа модуляторов в зависимости от известных конструкционных факторов, таких как желаемая максимальная величина допустимого разнесения, сложность системы, стоимость и надежность. В этом примере имеется 64 модулятора (К= 64) для каждого из D входов каналов данных абонентов (максимальное значение D равно максимальному числу ортогональных кодов). Это ведет к существенно большому числу модуляторов и выходных сигналов для управления.
Заметим, что эти модуляторы обычно находятся в цифровых передатчиках, как обсуждалось ранее. Здесь для ясности иллюстрации опущены контроллеры передатчиков и элементы управления мощностью. Модуляторы могут содержать или использовать несколько известных элементов обработки, включая цифровые процессоры сигналов, которые используются для подготовки сигналов к передаче, но не ограничиваясь ими. Хотя с целью ясности объяснения покрытие и расширение обсуждаются ниже и в примере схемы модуляции фиг.3, следует понимать, что ортогональное покрытие и канализирование не требуется для действия изобретения и не используется в некоторых применениях. Изобретение снижает сложность посредством реорганизации способа, которым обрабатываются данные независимо от используемой схемы модуляции (МДКР, с расширением спектра или др.).
Затем выходные сигналы из каждого модулятора 404 (40411-404DK) передаются на входные каскады каждого из аналоговых передатчиков или каскадов 408 (4081-408M) передачи, используемых станцией сопряжения для передачи их соответственных сигналов. Эта передача происходит по шине данных или наборам известных кабелей, проводников сигнала, шинам данных или посредством другого механизма распределения, 406. Шина 406 в основном имеет ширину D•K слов данных, причем каждое слово представляет собой набор бит, используемых для каждого символа. Снова полное число М аналоговых передатчиков 408M зависит от известных конструктивных факторов, таких как число антенн, спутников, сложность системы, режимы разнесения, число МДКР каналов, а также пропускная способность каналов и т.п. Типичное число аналоговых передатчиков может быть равно по крайней мере 3 (М=3) и более вероятно порядка одного для каждого суб-луча (МДКР канала), в одном или более лучах (частотах), вероятно на 4 или более спутниках. Типичная спутниковая система связи могла бы использовать 13 суб-лучей на или с 1-16 лучами, передаваемыми станцией сопряжения сразу через 2-4 спутника, или в общей сложности от 32 до 832 аналоговых передатчиков (M= 32 до 832) в станции сопряжения. Как возможно известно, дополнительные режимы поляризации могут увеличивать или уменьшать число используемых аналоговых передатчиков 408M.
Каждый из аналоговых передатчиков 408 (4081-408M) использует каскад или элемент 410(4101-410M) объединения сигналов и проходной усилитель или каскад 412(4121-412M) усиления мощности, обозначенные здесь как аналоговые передатчики. Элемент 410 (4101-410M) объединения объединяет до D абонентских каналов символов модулированных данных в один сигнал для передачи по аналоговому передающему тракту 416 (4161-416M), который включает аналоговый передатчик и антенну 230 с максимальным значением D, основанным на числе используемых или доступных ортогональных кодов, как описано выше. Элементы, предназначенные для объединения или умножения сигналов в сочетании или отображении D:1 (здесь, 128: 1), хорошо известны в технике и подробно здесь не описываются. Аналоговые передатчики 412 (4121-412M) подсоединяются к антеннам 230 (2301-230M), число которых зависит от конструкционных факторов системы и станции сопряжения, хорошо известных в технике. Поскольку каждая станция сопряжения обычно имеет 4 или меньше антенн, хотя можно использовать и больше, несколько аналоговых передатчиков могут быть подсоединены к антеннам через другие (не показанные) элементы, устройства или схемы соединения и суммирования.
Как обсуждалось выше, одна из проблем, связанных с типичной конфигурацией, показанной на фиг.4а и 4б, состоит в полной величине потока данных, которые должны передаваться, чтобы генерировать или формировать выходные сигналы из аналоговых передатчиков 412 (4121-412M). Если используется типичная выборка 8 бит на символ с удвоенной (2х) частотой избыточной дискретизации и типичная частота чипов 1.288 Мчип/с (мега-чип в секунду) для псевдослучайного шумового кода расширения в модуляторе на каждом синфазном (I) и квадратурном (Q) каналах, тогда на выходе каждого модулятора 404дк режима разнесения имеется скорость передачи данных приблизительно 40 Мбит/с. Заметим, что на фиг.4б для ясности иллюстрации I и Q каналы показаны как единые общие линии. Однако имеется до 128 сигналов абонентских данных (за минусом пилот-каналов, каналов синхронизации и каналов поискового вызова со своими собственными требованиями к данным), имеющих от 2 до 64 трактов разнесения, доступных для каждого, что в результате приводит к попытке передавать по шине данных порядка 40•128•(от 2 до 64) Мбит/с (от 10 до 327 Гбит/с) данных к различным аналоговым передатчикам или между ними. Передача такого большого количества данных практически неосуществима с системами уровня техники.
Кроме того, чтобы объединить сигналы различных каналов, следует понимать, что их кадры данных или символы закодированных и расширенных данных должны быть синхронизированы с точностью до интервала, составляющего менее половины интервала чипов для используемых псевдослучайных шумовых кодов расширения. Такая синхронизация требует чрезмерно сложных и изощренных механизмов управления и влияет на гибкость обработки сигналов. Легко видеть, что в этом масштабе поддержание уровня синхронизации для такого числа сигналов и практическое прецизионное управление на протяжение передачи данных сами по себе являются чрезвычайно тяжелыми и практически неосуществимыми задачами. Это требует синхронизации большого числа динамически изменяющихся сигналов с точностью 0,4 микросекунды, что не может быть возможным в большинстве коммерчески жизнеспособных систем даже с доступными сигналами точного времени (МТВЧ).
Настоящее изобретение снижает нагрузку передачи данных, обеспечивая возможность более рентабельных и надежных каскадов передачи для станций сопряжения. Это осуществляется посредством разделения некоторых функций обработки сигналов на модульные группы, связанные с индивидуальными аналоговыми передатчиками. Посредством передачи данных к соответствующим модулям для обработки со скоростями, соизмеримыми с обработкой сигналов в модуле, скорости передачи данных намного снижаются по сравнению с требуемыми для известного способа передачи и обработки. Скорости, используемые для индивидуальных модулей или операций обработки сигналов, ниже, чем те, которые требуются для передачи обрабатываемых данных ко всем аналоговым передатчикам одновременно. Скорость передачи данных снижается посредством мультиплексирования этой передачи данных, например, путем использования пакетирования данных канала на более низких скоростях передачи данных, а затем передавая их из D входов к М элементам передатчиков для обработки.
Этот новый метод показан на фиг.5а и 5б, которые иллюстрируют новую архитектуру станций сопряжения, использующую множественные распределенные передатчики данных и модульные элементы обработки передаваемых сообщений. На фиг.5а и 5б символы данных из каждого канала 400 (4001-400D) абонентов передаются непосредственно по шине данных, кабелям или посредством другого известного механизма распределения 506 к ряду передающих каскадов, блоков, устройств или модулей 508. В каждом передатчике или передающем модуле 508 (5081-508M) имеется массив кодеров и перемежителей 502 (50211-502MR) и соответствующих модуляторов 504 (50411-504MS), которые используются для обработки сигналов способом, подобным тому, что описан ранее. Каждый передающий модуль 508, состоящий из М модулей (М такое же, как раньше), использует такое число входных каскадов или трактов обработки, которое равно числу каналов (R и S, ограниченные ортогональными кодами/длиной кодов), которое может быть обработано передающим модулем. В предположении того, что используется вышеописанная структура кодирования, должно быть максимум 128 каналов за вычетом пилот-каналов. Следовательно, значения R и S должны быть равны значению D из вышеописанного примера или меньше.
В иллюстрируемом варианте воплощения каждый тракт передачи или обработки сигналов использует кодер/перемежитель 502R и модулятор 504S. Хотя их число составляет до 128 на передающий модуль или соответствующий передатчик (здесь N= S= R= 128), они образуют более компактный взаимосвязанный модуль, чем используемый в предыдущей структуре. Однако число кодеров/перемежителей 502R и модуляторов 504S, используемых в каждом передающем модуле 508, не должно быть обязательно равно максимальному или даже постоянно фиксированным. Т.е. не требуется соответствия один к одному. На основе конструкционных характеристик системы может быть использовано несколько меньшее число элементов, что ограничивает среднее число используемых трактов разнесения или данных, подлежащих передаче по заданному аналоговому тракту. Для настройки или специального подбора этого числа могут быть использованы проверка системы или данные протокола. Кроме того, некоторые из этих элементов могут использоваться в режиме с разделением времени. В предпочтительном варианте воплощения используется несколько меньшее, чем D, число кодеров/перемежителей 502R для того, чтобы служить в качестве входных каскадов для большего числа модуляторов 504s. Например, всего от 8 до 10 перемежителей могут вмещать сигналы, обрабатываемые модуляторами числом от 32 до 64, или даже может использоваться большее соотношение. Специалистам должно быть понятно, каким образом выделить меньшее или большее число элементов для осуществления этих функций на основе схемы и пропускной способности конкретной системы связи.
Входы для кодеров/перемежителей 502RS и модуляторов 504RS могут также управляться и устанавливаться несколькими путями. Т.е. в зависимости от числа используемых элементов каждый из них может иметь предварительно присвоенный ему канал, по которому надлежит принимать входной сигнал. В этой конфигурации кодер/перемежитель 5021 всегда принимает данные из канала потокообмена или абонента, кодер/перемежитель 5022 всегда принимает данные из канала 2 потокообмена и т.д. Модуляторы 504R должны присваиваться подобным образом. Там, где число кодеров/перемежителей 502S несколько меньше числа каналов, они могут быть предварительно расположены с группами каналов. В другом случае, и более предпочтительно, кодеры/перемежители и модуляторы используются в порядке доступности. Т.е. первый канал абонентских данных или потокообмена является входом для первого доступного перемежителя, который является неиспользуемым в данный момент, и некоторого предварительно определенного порядка использования по набору элементов. Выходные сигналы перемежителей должны затем передаваться к модуляторам, используя подобную схему. Для определения порядка использования и местоположения для передачи этих сигналов должны использоваться такие элементы, как управляющий процессор или процессор передачи станции сопряжения.
Кодеры/перемежители и модуляторы могут легко конструироваться в виде недорогих модулей, которые могут легко изготавливаться и группироваться с аналоговыми передатчиками в электронных подсистемах для высокочастотных блоков обработки станций сопряжения. В некоторых конфигурациях кодеры/перемежители и модуляторы могут объединяться в единые модули, образуя кодирующие модуляторы, которые выполняют полную обработку кодирования, перемежения и модуляции в единой схеме, элементе или устройстве. В этой ситуации может потребоваться больше элементов для формирования передающего модуля, поскольку совместное использование кодеров/перемежителей в режиме с разделением времени могло бы быть существенно уменьшено или устранено.
Элементы кодеров/перемежителей и модуляторов, как показано, могут также быть способны легко перераспределяться в "границах" передающих модулей. Т.е. эти элементы группируются между собой для формирования передающих модулей на основе определения задачи элементов. Эти элементы могли бы выполняться в более крупных массивах, используя хорошо известные компоненты, такие как цифровые процессоры сигналов, микропроцессоры, кодеры, интегральные схемы модуляторов, элементы памяти и другие, которые программируются или соединяются между собой, с использованием электронных элементов переключения, хорошо известных в технике. Элементы переключения могут использоваться управляющими элементами или процессорами для того, чтобы выбирать, к какому именно аналоговому передатчику должны быть подключены элементы или устройства. Это может позволить перераспределять ресурсы так, как необходимо для конкретных аналоговых трактов. Таким образом, дополнительно снижается число элементов, требуемых в некоторых системах, основанных на использовании режимов с более низким, в среднем, разнесением. Следовательно, для использования необходимо резервировать несколько меньшее число модуляторов и т.п.
Одно из преимуществ вышеописанных компоновок состоит в том, что входные данные для каждого кодера и, следовательно, для каждого блока аналогового передатчика, передаются по шине данных или устройству 506 обычно со скоростью порядка 9600 бит/с или меньше или с любой желаемой в конкретной системе. Следовательно, основные шины данных в станции сопряжения теперь могут действовать на существенно сниженных скоростях передачи данных, являются значительно менее сложными и комплексными и гораздо более простыми для управления. Кроме того, также существенно снижается число физических взаимных соединений, необходимых для осуществления пересылки данных. Только для каждого из аналоговых передатчиков (М) может потребоваться N каналов ввода (где S меньше N), которые могут конфигурироваться как шина шириной D слов данных (здесь максимальное значение D=128). Уменьшение сложности также видно на фиг. 5б, где каждый сигнал абонентской информации передается только к некоторым из аналоговых передатчиков, т.е. R<M, и все взаимные соединения не должны сохраняться так, как показано на фиг.4а.
Как только закодированные и модулированные данные поступают на входы аналоговых передатчиков, данные для каждого из абонентских сигналов автоматически синхронизируются для объединения с данными для других абонентских сигналов для этого передатчика. Это является результатом использования общих тактовых сигналов и других сигналов, предназначенных для управления каждой из цепей обработки в пределах каждого передающего модуля, так что временная синхронизация автоматически поддерживается на протяжении обработки в передающем модуле. Это управление синхронизацией показано на фиг.5а в виде входа СИГНАЛЫ МТВЧ/ДРУГИЕ СИГНАЛЫ, команды или линии управления, которая подключается к схемам МТВЧ, процессора, которые обсуждались выше, или к другим известным элементам управления синхронизацией и тактовых сигналов.
Поскольку символы данных должны передаваться от D или N (S) элементов к М элементам, то для того, чтобы сделать более эффективным использование путей прохождения данных между этими элементами, можно использовать элемент скрещивания или мультиплексирования N-k-M. Это изображено на фиг.6, где мультиплексирующий элемент 600 используется для приема символов данных по шине или линиям 602 ввода данных и для передачи их на одну или более шин или линий 604 вывода данных, приводящих к различным передающим модулям 508. Мультиплексирующий элемент 600 может конструироваться как элемент переключения пакетов или устройство пакетирования, используя методы и устройства, хорошо известные в технике.
Как видно на фиг.6, данные из каждого абонентского канала D передаются в один или более передающих модулей 508 с использованием элемента 600 мультиплексора/устройства пакетирования. Данные, вводимые по шине 602, обычно содержат абонентские данные, передаваемые со скоростью 9600 бит/с, плюс некоторую дополнительную служебную информацию для индикации того, к какому из передающих модулей или трактов должны пересылаться данные. Следовательно, передача данных на входной стороне мультиплексора 600 могла бы происходить со скоростью приблизительно 9600•1,5 бит/с или 14400 бит/с, что по-прежнему значительно ниже предыдущих требований для передачи данных в станции сопряжения с использованием известного подхода.
Выходная сторона элемента 600 мультиплексора/устройства пакетирования пересылает сигналы или данные для каждого абонентского канала 400 (D) к соответствующим передающим модулям. Элемент 600 мультиплексора/устройства пакетирования использует служебную информацию, например, к какому из передающих модулей или трактов поступают абонентские данные, для того, чтобы формировать выходные данные. Передача абонентских данных происходит посредством одновременной пересылки к одному модулю данных от всех абонентов, предназначенных для каждого передающего модуля. В результате это приводит к скорости передачи данных с удаленной служебной информацией порядка 9600 бит/с, рассчитанной на число абонентских сигналов, подлежащих передаче к каждому передающему модулю. Максимум для последнего значения является максимумом для N в настоящем примере, в результате приводя к максимальной скорости передачи 9600•128=1.22 Мбит/с. Вероятно, в любое заданное время число абонентов, посылающих сигналы к каждому передающему модулю, должно быть значительно меньше 128, что может подразумевать разнесение, равное М для каждого абонентского сигнала (каждый следует к каждому из М передатчиков). Более низкое среднее значение D на шине 604 данных дополнительно снижает скорость передачи. Этот подход дополнительно снижает величину данных, которые должны пересылаться в любое время в пределах станции сопряжения.
Предыдущее описание предпочтительных вариантов воплощения обеспечивается, чтобы дать возможность любому специалисту использовать настоящее изобретение. Специалист легко представит различные модификации к этим вариантам воплощения, такие как число и тип антенн и аналоговых передатчиков, и определенные здесь общие принципы могут применяться к другим вариантам воплощения без использования изобретательских способностей. Таким образом, настоящее изобретение не должно ограничиваться описанными здесь вариантами воплощения изобретения, но должно согласовываться с более широкими рамками в соответствии с принципами и признаками новизны, описанными здесь.
Новая архитектура обработки сигналов для базовых станций и станций сопряжения, используемая в системах связи с расширением спектра, которая упрощает пересылку данных, снижает требуемую пропускную способность шин и не требует специальной синхронизации сигналов, которые должны быть объединены. Ряд передающих модулей используется для пересылки данных к соответствующим аналоговым передатчикам, используемым для формирования цепей связи для каждого абонента системы. Каждый передающий модуль использует ряд кодеров и модуляторов для формирования сигналов связи с расширенным спектром с использованием соответствующих псевдослучайных шумовых кодов расширения. Сигналы связи с расширенным спектром для каждого передающего модуля для каждого абонента (D) системы суммируются друг с другом и передаются в единый аналоговый передатчик, связанный с этим модулем. Сигналы, подлежащие объединению, автоматически синхронизируются общими сигналами синхронизации, используемыми для элементов в пределах каждого передающего модуля. Число элементов обработки в каждом модуле таково, что доступен только по меньшей мере один тракт обработки для каждого абонента или абонентского канала, по которому желательно передавать информацию через подсоединенный аналоговый передатчик. Данные выводятся из модулей на существенно сниженных скоростях передачи данных, которые можно более легко адаптировать, используя известную технологию. Это очень полезно для спутниковых систем связи или сотовых систем с высокой пропускной способностью; эта системная архитектура может быть рентабельно осуществлена с использованием ряда легко изготавливаемых схемных модулей, что и является достигаемым техническим результатом. 6 с. и 12 з.п.ф-лы, 8 ил.
| Пневматический амортизатор | 1978 |
|
SU748062A1 |
| Устройство для передачи и приема многопозиционных широкополосных сигналов | 1989 |
|
SU1793551A1 |
| ЕР 0755127 А, 22.01.1997 | |||
| WO 9622661 А, 25.07.1996 | |||
| US 4901307 А, 13.02.1990. | |||
