ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ СУБОРБИТАЛЬНАЯ ВЫСОТНАЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ СОЗДАНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ Российский патент 2004 года по МПК H04B7/185 

Данное изобретение относится к телекоммуникационной системе, в особенности к телекоммуникационной системе, которая функционирует на суборбитальном уровне и обеспечивает большую производительность и эффективность использования телекоммуникационных каналов.

Расширение сотовых телекоммуникаций привело к напряженной ситуации относительно возможности промышленности удовлетворительно поддерживать насыщенность возникшего телекоммуникационного эфира. Поэтому пользователи нынешних аналоговых сотовых телекоммуникационных систем обнаруживают, что им перед тем, как выйти на связь, приходится ожидать освобождения телекоммуникационного канала. Также имеет место ситуация, когда обработке вызова может помешать шум либо один из более интенсивных по уровню сигнала переговоров.

Иногда вызов может быть прерван в процессе обработки, если одна из сторон перемещается к ячейке сотовой сети, которая в данный момент не имеет доступного телекоммуникационного канала.

В дальнейшем эта проблема углубилась тем фактом, что имеется только ограниченное количество частот, предназначенных для сотовой связи. Так что ожидается, что эта проблема станет очень серьезной по мере расширения сотовых телекоммуникаций.

В промышленности разработано несколько улучшенных аналоговых и цифровых технологий, которые успешно используются для увеличения количества каналов связи в пределах ограниченного диапазона частот.

Наиболее важные из этих технологий - множественный доступ с разделением времени (time division multiple access, TDMA) и множественный доступ с разделением кода (code division multiple access, CDMA).

TDMA является технологией, имеющей наиболее широкое распространение. Он позволяет использовать один канал связи для нескольких вызовов. Каждый вызов размещается в отдельном дискретном временном интервале цикла телекоммуникационных сигналов, улучшая, таким образом, эффективность.

CDMA для достижения необходимой эффективности использует для телекоммуникационных сигналов широкую полосу спектра. Различение вызовов происходит с помощью наложения различающего "шумового" сигнала поверх каждого сигнала связи, так что обеспечивается его дифференциация от остальных сигналов в ячейке сотовой связи. Приемник с помощью компьютера дешифрует наложенный "шумовой" сигнал и идентифицирует вызов, после чего локализует сигнал связи.

"Частотные прыжки" являются формой CDMA, которая распределяет вызов по ряду частот. При этом для идентификации последовательности используемых частот применяется код.

Более того, была выполнена работа в аспекте разработки систем, которые могли бы идентифицировать слабые сигналы, излучаемые одной ячейкой сотовой связи, и отделять их от других сигналов, излучаемых той же ячейкой, так что при соединении их с технологией цифрового множественного доступа, такой как CDMA, число доступных каналов связи существенно увеличивается.

Попытки увеличить доступность каналов связи также включают попытки сделать ячейки меньше и сократить расходы энергии, необходимой для связи с базовой станцией. Это следует из того факта, что слабый сигнал имеет ограниченные возможности для усиления. Таким образом, поскольку его мощность быстро рассеивается, ту же частоту можно использовать в пределах соседней ячейки для других вызовов.

Однако для того, чтобы обеспечить необходимое количество ячеек, поддерживающих большой объем телекоммуникаций, следует создать очень много базовых станций. Некоторые эксперты оценивают, что нужно, по крайней мере, 100000 ячеек для того, чтобы охватить густонаселенные столичные области в Соединенных Штатах. Каждая ячейка потребовала бы собственной стационарной антенной вышки.

Кроме того, потребовалась бы неизмеримо сложная компьютерная система, обрабатывающая перемещения вызовов по мере того, как сотовые телефоны переходят из зоны одной ячейки в другую, и управляющая повторным использованием частот, предназначенных для отдельных вызовов.

Нет уверенности в том, что в рамках разумных затрат и за разумное время проблема может быть решена, исходя из системы, расположенной на поверхности земли (наземно). Так, пока типичные ограничения, связанные с такой системой, такие как препятствия на линии прямой видимости, затухание сигнала из-за помех отражения и поглощения, ограничения горизонта, снимаются путем сокращения размеров и увеличением количества ячеек, географические, политические, экологические и социальные факторы могут препятствовать размещению вышек антенн в определенных районах, тем самым делая невозможным в этих местах ячейки необходимого размера.

Спутниковая система, где каждый спутник функционирует в качестве узловой базовой станции и вносит вклад в создание сотовой сети, лишена этих проблем. Однако в такой системе требуются относительно мощные передатчики, поскольку орбиты спутников связи расположены примерно в 22500 милях от поверхности Земли. Далее, до тех пор, пока они не являются геосинхронными, требуется установить средства для передачи сигналов от одного спутника к другому по мере их прохождения над данной точкой поверхности Земли. Кроме того, как и для наземных узлов связи, необходимы средства передачи при обработке перемещений вызова от одной ячейки к другой.

Кроме того, спутниковые системы требуют огромных затрат на запуск и не подлежат ремонту.

Таким образом, учитывая сказанное выше, изобретение предлагает беспроводную телекоммуникационную сетевую систему, которая состоит из множества телекоммуникационных узлов, размещенных на суборбитальном уровне. Каждый из узлов включает средства для передачи и приема широкополосных, цифровых телекоммуникационных радиосигналов по беспроводному каналу связи. Телекоммуникационные сигналы модулируют с помощью технологии множественного доступа с разделением кода в широкополосном спектре.

Средства передачи и приема беспроводных цифровых телекоммуникационных сигналов включают множество антенн, которые приспособлены для приема относительно слабых телекоммуникационных сигналов от источника. Обеспечиваются средства для расшифровки телекоммуникационных сигналов, принятых каждой из названных антенн, так что узел способен идентифицировать источник; и антенна и средства расшифровки способны увеличить чувствительность узла, так что он способен передавать и принимать относительно слабые телекоммуникационные сигналы; при этом максимальное использование спектра делает их пригодными для использования в телекоммуникационных сигналах без интерференции.

Изобретение может быть еще лучше понято при рассмотрении прилагаемых схем (фигур) наиболее предпочтительной его формы, где показано следующее.

Фигура 1 является схематическим изображением, показывающим телекоммуникационную систему, созданную в соответствии с наиболее предпочтительной сейчас формой данного изобретения.

Фигура 2 является схематическим изображением, которое объясняет аспект средств приема и расшифровки.

Рассмотрим сейчас фиг.1. Система 10, как она описана в патентной заявке с серийным номером 08/100037, включает наземно базируемую часть 12 и воздушно базируемую часть 14. Воздушно базируемая часть 14 может быть расположена на высоте примерно от 12 до 35 миль над поверхностью Земли.

Наземно базируемая часть 12 может включать обычную телефонную сеть 16 с разветвлениями, которые соединены с наземными станциями 18, 120 и 140, имеющими достаточные средства для дальней передачи и приема, такие как антенны 20, 118 и 138. Наземно базируемая часть 12 может также включать мобильные телефоны хорошо известных типов, такие как сотовые телефоны, которые могут перемещаться индивидуумами 22 или транспортными средствами 24. Антенны 20, 118 и 138 передают и принимают телекоммуникационные сигналы на и от суборбитальной высотной ретрансляционной станции 28, которая размещена на высоте 12-35 миль над поверхностью Земли. Эта высота выбрана такой, чтобы работа станции не зависела от погодных помех, и, таким образом, ретрансляционная станция не испытывает нагрузок, связанных с резкой сменой погоды.

Желательно установить достаточно много ретрансляционных станций 28; каждая из них включает аэростат 32, который поддерживает высоту и нахождение станции на определенном месте над Земной поверхностью с помощью модуля управления 56, который соединен посредством антенны управления 58 с антенной связи 36 с поверхностью, как это описано в родительской патентной заявке с серийным номером 08/100037 от 30 июля 1993 г.

Как хорошо известно, каждая ретрансляционная станция 28 содержит средства для приема телефонного телекоммуникационного сигнала от одной из наземных станций 20, 120 и 140, индивидуумов 22 и 122 или транспортных средств 24 и 124; затем передает принятый сигнал другой наземной станции 120 и 140, индивидууму 122 или транспортному средству 124 либо непосредственно, либо с помощью другой ретрансляционной станции. Установленный таким способом канал связи монет быть симплексным, дуплексным или полудуплексным. Как только сигнал возвращается на наземно базируемую часть 12 системы 10, телекоммуникационный вызов завершается обычным способом, так, как он был бы осуществлен наземно базируемой проводной телефонной системой соответствующими переключателями 34, 134 и 144. Переключатели могут быть любого типа, обрабатывающего телекоммуникационные сигналы, включая цифровые или аналоговые.

Как хорошо известно, каждая из ретрансляционных станций 28 определяет узел в телекоммуникационной системе, при этом каждый узел определяет "ячейку" сотовой связи. Желательно, чтобы каждый из узлов включал средства для передачи и приема широкополосных цифровых, телекоммуникационных радиосигналов по беспроводному телекоммуникационному каналу. Желательно, чтобы телекоммуникационный канал имел полосу частот с шириной более чем 8 МГц. Телекоммуникационный сигнал желательно модулировать с помощью технологии множественного доступа с разделением кода в широкополосном спектре.

Чтобы сделать максимально эффективным использование доступных частот по сравнению с реализуемым в настоящее время CDMA, ячейки должны быть относительно малыми, и мощность сигнала, требуемая для осуществления телекоммуникационной связи, должна быть очень низкой. Это улучшит качество повторного использования частот и уменьшит интерференцию. Однако уменьшенная сила сигнала усложняет определение его перемещения базовыми станциями, особенно это относится к сотовым телефонам.

Следует установить систему обнаружения, включающую достаточный набор антенн 48 и декодеров 44 на каждой из ретрансляционный станций. Применяется система обнаружения типа, подобного системе пространственного обнаружения, которая описана (FORBES ASAP, 05.06.1995, стр.125-141). Система обрабатывает сигнал, принятый от каждой из антенн в ее наборе. Передатчик идентифицирует расшифрованный сигнал и его местонахождение в ячейке сотовой связи. Таким образом, как только даже очень слабый сигнал, который обычно может быть потерян, принимается системой обнаружения, он может быть опознан и обработан для завершения телекоммуникационной связи.

Преимущества комбинации CDMA в широкополосном спектре и системы обнаружения, включающей набор антенн, описанной выше, становятся еще более очевидными, благодаря размещению на суборбитальном уровне, поскольку все недостатки как наземной, так и спутниковой систем устранены, в то время как их преимущества, такие как вертикальное усиление сигнала, сохраняются с одновременным увеличением использования телекоммуникационного спектра частот. Далее требования по мощности сигнала могут быть снижены и, соответственно, может быть уменьшен вес передатчиков в узлах сети. Вдобавок, с применением техники модуляции может быть также сокращено число передатчиков.

Таким образом, в каждой ячейке, определенной отдельным узлом сотовой связи, может быть выделено большое количество телекоммуникационных каналов без побочных проблем интерференции, усиливающихся от переходных помех, отражения, повторного использования одной частоты и других.

Кроме того, не нужны относительно высокие требования к мощности, которые возникли бы в такой телекоммуникационной системе при условии ее базирования на спутниках.

Предполагается, что описанная система будет использовать технологию множественного доступа с разделением кода в широкополосном спектре, сопровождающуюся техниками прямой последовательности операций и/или частотных прыжков.

Еще, кроме того, пока расположения частот для телекоммуникационной системы не идентифицированы, следует заключить, что они могут быть такими же, как и в наземных или спутниковых телекоммуникациях. Точно так же это, будучи в сфере действия настоящего изобретения, относится к частотам, которые уже используются исключительно для целей телекоммуникации.

Несмотря на то, что это изобретение описано применительно к определенным формам и конкретным воплощениям, в соответствии с настоящим описанием специалисту в данной области очевидны и другие формы воплощения данного изобретения. Так что область действия этого изобретения ограничена только изложенной далее формулой, а не приведенным описанием.

Изобретение относится к телекоммуникационной системе. Технический результат заключается в обеспечении большей производительности и эффективности использования телекоммуникационных каналов. Заявленная беспроводная телекоммуникационная система, состоит из множества телекоммуникационных узлов, которые включают приемники и передатчики, размещенные на суборбитальном уровне. Телекоммуникационные сигналы являются широкополосными цифровыми радиосигналами, которые модулируют с помощью технологии множественного доступа с разделением кода в широкополосном спектре. Приемники включают множество антенн, которые способны принимать относительно слабые телекоммуникационные сигналы, при этом они используют пространственную обработку для идентификации их источника, так что максимальное использование спектра делает их пригодными для использования в телекоммуникационных сигналах без интерференции. 2 с. и 34 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Высокоэффективная суборбитальная высотная телекоммуникационная система, которая включает множество телекоммуникационных узлов; упомянутые узлы, размещенные в суборбитальной плоскости на высоте примерно от 12 до 35 миль от поверхности Земли; каждый из упомянутых узлов, причем каждый узел включает средства для передачи и приема широкополосных, цифровых телекоммуникационных радиосигналов по беспроводным телекоммуникационным каналам, которые модулируют при помощи технологии множественного доступа с разделением кода в широкополосном спектре, и упомянутые средства для передачи и приема упомянутых телекоммуникационных радиосигналов, в которые включено множество антенн, которая отличается тем, что указанные антенны выполнены с возможностью обеспечить прием от источника относительно слабых телекоммуникационных сигналов; средства для расшифровки телекоммуникационных сигналов, принятых каждой из упомянутых антенн, выполнены так, что упомянутый узел может идентифицировать упомянутый источник; упомянутые антенны и упомянутые средства расшифровки способны увеличить чувствительность упомянутого узла, так что он может детектировать и принимать относительно слабые телекоммуникационные сигналы, так что становится доступным максимально эффективное использование упомянутого спектра без интерференции; и упомянутый беспроводной телекоммуникационный канал имеет ширину полосы частот больше, чем 8 МГц.2. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая технология множественного доступа с разделением кода в широкополосном спектре является прямой последовательностью доступа.3. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая технология множественного доступа с разделением кода в широкополосном спектре является частотньми прыжками.4. Система по п.1, отличающаяся тем, что каждый из упомянутых узлов является стационарным относительно точки своего размещения на поверхности Земли.5. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые средства для передачи и приема широкополосных, цифровых телекоммуникационных радиосигналов в беспроводном телекоммуникационном канале включают по крайней мере, один передатчик и приемник и упомянутые передатчик и приемник переносят множество дуплексных телекоммуникационных каналов.6. Система по п.5, отличающаяся тем, что упомянутый передатчик является передатчиком малой мощности и имеет малый вес.7. Система по п.1, отличающаяся тем, что она включает наземно базируемую телекоммуникационную сеть и средства для соединения упомянутой беспроводной, телекоммуникационной сетевой системы с упомянутой наземно базируемой телекоммуникационной сетью.8. Система по п.7, отличающаяся тем, что упомянутые средства для соединения упомянутой беспроводной, телекоммуникационной сетевой системы с упомянутой наземно базируемой телекоммуникационной сетью включают переключатели.9. Система по п.8, отличающаяся тем, что упомянутые переключатели являются цифровыми.10. Система по п.8, отличающаяся тем, что упомянутые переключатели являются аналоговыми.11. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые узлы поддерживаются с помощью аэростатов.12. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые беспроводные телекоммуникационные частоты такие же, как и выделенные для наземных телекоммуникаций.13. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые средства для передачи и приема широкополосных, цифровых телекоммуникационных радиосигналов в беспроводном телекоммуникационном канале включают по крайней мере один передатчик и приемник и упомянутые передатчик и приемник переносят множество симплексных телекоммуникационных каналов.14. Система по п.13, отличающаяся тем, что упомянутый передатчик является передатчиком малой мощности и имеет малый вес.15. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые средства для передачи и приема широкополосных, цифровых телекоммуникационных радиосигналов в беспроводном телекоммуникационном канале включают по крайней мере один передатчик и приемник и упомянутые передатчик и приемник переносят множество полудуплексных телекоммуникационных каналов.16. Система по п.15, отличающаяся тем, что упомянутый передатчик является передатчиком малой мощности и имеет малый вес.17. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые беспроводные телекоммуникационные частоты такие же, как и выделенные для орбитальных телекоммуникаций.18. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые беспроводные телекоммуникационные частоты исключительно используются упомянутой телекоммуникационной системой.19. Способ создания беспроводных телекоммуникаций, который включает стадии установки множества телекоммуникационных узлов, при этом упомянутые узлы образуют сеть; размещения упомянутых узлов в суборбитальной плоскости на высоте от 12 до 35 миль над поверхностью Земли; обеспечения каждого из упомянутых узлов средствами для передачи и приема широкополосных, цифровых телекоммуникационных радиосигналов в беспроводном телекоммуникационном канале и обеспечения каждого из упомянутых узлов множеством антенн, который отличается тем, что обеспечивают способность принимать от источника относительно слабые телекоммуникационные сигналы; модулировать упомянутые телекоммуникационные сигналы с помощью технологии множественного доступа с разделением кода в широкополосном спектре; расшифровывать упомянутые телекоммуникационные сигналы, принятые каждой из упомянутых антенн, так что упомянутый узел может идентифицировать упомянутый источник, а также обеспечивать, чтобы упомянутые антенны и упомянутые средства расшифровки были способны увеличить чувствительность упомянутых узлов для возможности детектировать и принимать относительно слабые телекоммуникационные сигналы так, чтобы становилось доступным максимально эффективное использование упомянутого спектра без интерференции, а также что упомянутый беспроводной телекоммуникационный канал имеет ширину полосы частот больше, чем 8 МГц.20. Способ по п.19, отличающийся тем, что упомянутую технологию множественного доступа с разделением кода в широкополосном спектре модифицируют прямой последовательностью доступа.21. Способ по п.19, отличающийся тем, что упомянутую технологию множественного доступа с разделением кода в широкополосном спектре модифицируют частотными прыжками.22. Способ по п.19, отличающийся тем, что каждый из упомянутых узлов является стационарным относительно точки своего размещения на поверхности Земли.23. Способ по п.19, отличающийся тем, что в упомянутую стадию передачи и приема широкополосных, цифровых телекоммуникационных радиосигналов в беспроводном телекоммуникационном канале включают установку множества передатчиков и приемников, и каждый из упомянутых передатчиков переносит множество дуплексных телекоммуникационных каналов.24. Способ по п.23, отличающийся тем, что упомянутые передатчики являются передатчиками малой мощности и имеют малый вес.25. Способ по п.19, отличающийся тем, что включают стадии установки наземно базируемой телекоммуникационной сети и соединения упомянутой беспроводной телекоммуникационной сетевой системы с упомянутой наземно базируемой телекоммуникационной сетью.26. Способ по п.25, отличающийся тем, что включают установку переключателей для соединения упомянутой беспроводной телекоммуникационной сетевой системы с упомянутой наземно базируемой телекоммуникационной сетью.27. Способ по п.26, отличающийся тем, что упомянутые переключатели являются цифровыми.28. Способ по п.27, отличающийся тем, что упомянутые переключатели являются аналоговыми.29. Способ по п.19, отличающийся тем, что включают стадию поддержки упомянутых узлов с помощью аэростатов.30. Способ по п.19, отличающийся тем, что упомянутые беспроводные телекоммуникационные частоты такие же, как и выделенные для наземных телекоммуникаций.31. Способ по п.19, отличающийся тем, что в упомянутую стадию передачи и приема широкополосных, цифровых телекоммуникационных радиосигналов в беспроводном телекоммуникационном канале включают стадию установки по крайней мере одного передатчика и одного приемника и упомянутые передатчик и приемник переносят множество симплексных телекоммуникационных каналов.32. Способ по п.31, отличающийся тем, что упомянутые передатчики являются передатчиками малой мощности и имеют малый вес.33. Способ по п.19, отличающийся тем, что в упомянутую стадию передачи и приема широкополосных, цифровых телекоммуникационных радиосигналов в беспроводном телекоммуникационном канале включают стадию установки по крайней мере одного передатчика и одного приемника и упомянутые передатчик и приемник переносят множество дуплексных телекоммуникационных каналов.34. Способ по п.33, отличающийся тем, что упомянутые передатчики являются передатчиками малой мощности и имеют малый вес.35. Способ по п.19, отличающийся тем, что упомянутые беспроводные телекоммуникационные частоты такие же, как и выделенные для орбитальных телекоммуникаций.36. Способ по п.19, отличающийся тем, что упомянутые беспроводные телекоммуникационные частоты используют исключительно упомянутой телекоммуникационной системой.