改进频率复用的一个蜂窝/卫星通信系统技术方案

本文公开了减少同信道干扰的无线通信系统及方法。该系统和方法应用于，例如，陆地移动通信（４２０）、卫星通信系统（４１０）以及二者的混合型。使用接收和发射信号矩阵模型的信号处理用于减少干扰。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
背景本专利技术涉及增加容量的无线通信系统。该系统可以包括多个漫游的、移动车载的或手持的电话机，由固定的地面基站或轨道卫星或二者混合的方式为之服务。这样的系统容量按照为业务分配了多少无线频谱以及使用的效率来对大量的用户提供服务。频率使用的效率以每平方公里每兆赫兹同时通话数(erlangs)为单位来衡量。一般来说，频谱的效率可由寻找使可用的带宽复用的方法来提高，而不是试图将多个通话塞入同一带宽内，因为缩小带宽一般会产生在各通话之间增加频段间隔的需要，因而抵消了容量上的增益。所以，较好的方法是为每个通话增加带宽。以便使较近的频率复用成为可能。扩频通信系统(即CDMA系统)，用高冗余编码来增加信号带宽，使信号能在其它用户干扰的情况下被读出，提供了较高的频谱效率。使用这样的系统，同一网眼内的多个用户可以在同一频段内共存，频率和时间上都是重迭的。如果可以容忍同一网眼内的同频干扰，一个或多个网眼以外的同频干扰也就可以容忍了，因为距离将减弱干扰的作用，所以所有网眼内的所有频率都可能复用。扩频系统容量具有自干扰的限制，因为与所需信号同时接收下来的不需要的信号在同一频率上贡献了一个干扰成分。仅管如此，一些系统，例如卫星通信系统，已经受到自然噪声的限制，因此宽带扩频方法就不一定是增加容量的最好技术。结果就需要在不遭受宽带扩频的自干扰的不利后果的条件下，在每个邻近的蜂窝或区域内复用整个频谱。附图说明图1表示了一个典型的使用地面基站的蜂窝电话网络的构成。这张图只是表示了这样的网络，例如网眼不总是如此规则的大小和形状，并且做为一个一般定义的网眼可以描述为一个由特定信号激励的区域。网眼可以从它们的地理中心激励，但一般地由三个网眼组的连接处的公共点来激励，因为地点的房产地价是主要的经济考虑。网眼的中心激励的天线辐射方位图一般在方位角上是全方向的。缩小在垂直平面上的辐射方位图使能量集中于陆地上的电话机，避免能量向天空辐射的浪费也是共同的。当出于经济考虑三个网眼的发射器和天线集中在同一位置时，天线的角度只需激励120度扇区；而且所得的方向增益对网眼远边的双倍距离做了很大的补偿。适当塑造天线形状可以用在每个方向上所需的最大范围提供增益补偿，每一个相对于中心面等分为±60度。因此一个扇面化的天线方位图可以在±60°上减小到-12dB，提供中心扇面增益大约8-9dB，以使该方向上实现最大范围。使用中心激励，U.S.AMPS蜂窝移动电话系统不能在环绕给定网眼的21个网眼区域内复用相同的频率。这称做21网眼频率复用方式，其结果是当所有信道同时使用时(一般称为最大负荷)同信道干扰低于所需信号大约18dB。这样一个21网眼复用模式在图2中表示。某个复用模式大小例如3、4、7以及它们的乘积(即9、12、21…)产生了与所需信号相同距离的同信道干扰，并定位在六角形的边缘，由多个等于方位图大小的平方根的网眼所隔开。实际上，激励从三个网眼的邻接处产生。尽管复用模式是一个21网眼模式，它也可描述成7地点，每个有3频率复用的模式环绕着三个120度的扇区。从这种激励方式产生的信号同信道干扰特性，不精确地与从中心激励产生的那些特性相等。(由于天线的方向性，可以看到对于特定信号的干扰主要产生于天线在正对方向上发射的两个其它地点，并且不来自于在共同频率上发射的六个等距离的网眼，类似中心激励的情况)。3扇区、7地点的激励方法一般称为扇面化，它可能给人以错误印象即由于使用了方向性天线，原来较大的网眼被分成3个较小的网眼或扇区。这种印象却是不准确的，因为从同一个地点用于激励三个网眼的结构仅是经济上的安排，实际上考虑到技术性能比中心激励稍有缺陷，但这种缺陷是很小的。网眼分割完全是另一个概念，它是通过在地面上更密集地提供基站以得到每平方公里更高的容量的一种方法。在一个已有系统中引入网眼分割时常需要完全修改频率复用方案，因为一般不可能简单地分割一个网眼，例如，分成三个网眼，并三次复用原来的频率。这会使三个新的网眼工作在没有间隔的相同频率上，产生一个问题，即在两个网眼边界上的一个移动电话从两个网眼的相同频率上接收相等强度(但内容不同)的信号。因此，需要使一个网眼分成具有相同频率的扇面，并在每个当中不带上述的干扰问题。在设计用于车载或手持话机的卫星通信系统时也会产生类似的容量问题。对手持机，不同性能的全向天线实际上是大多数消费者乐意接受的。必须定向到卫星或较大的、较笨重天线的定向天线现在在市场上不受欢迎，所以卫星必须给地面提供足够高的信号强度，以便能与这样的设备进行通信。地面上从卫星接收的信号强度一般用每平方米瓦为单位或以对数尺度每平米dBW为单位进行计量。例如，每平方米-123dBW量级的流密度，在下行链路频率使用2GHz时用于给话音通信提供足够的链路容限以抵抗多径衰落、阳影效应、极化失调等。卫星辐射的总瓦数就等于这个所需的流密度乘以它激励的地理区域的面积。例如，在全美国任意地方提供这样一个话音信道，在9百万平方公里的面积上需要的总辐射功率为10-12.3×9×1012＝4.5瓦从卫星上来的一个话音信道当然不能提供有用的容量。5千到1万Erlangs是比较合理的为全美国服务的目标。增加容量的一个方法是在其它的频道上也产生4.5瓦特功率，每个频道带一路话音信道；但是，一个4.5千瓦的卫星将是很大而且发射费用昂贵，不是提供10000Erlangs容量的经济的方法。因此更有效的是，使用4.5瓦的卫星RF功率在美国的所有地方产生一个足够流密度的话音信道，想办法允许在不同的地方使用不同的流传输话音，这样就不用更多的功率或频带就能支持很多不同的通话。卫星在不同方向上不同地调制相同的辐射流密度的能力依赖于由它的天线孔径提供的角分辨率。一个天线(在辐射中)的角分辨率的量级是波长与天线直径之比。使用一个示范性的下行链路频率2GHz(波长15cm)，直径1.5米的天线，理论上角分辨率是1/10半径或5.7度的量级，这个量级，例如从10000公里的轨道高度，允许的分辨率在美国覆盖区域内可达到分辨37个不同方向的能力。因此，卫星辐射功率的同一个4.5瓦也支持不只一个，而是37个不同的通话。产生37个不同波束的方法如图3中所示。一个抛物面反射镜将从一个带37个不同的馈源的方位图中聚集无线电波能量下达地面。馈源的映像被投射到地面，形成所需的分离的激励区域。不幸的是，使用这种技术存在从一个区域到另一个区域的泄露，并且无论如何两个或三个网眼边界处的一个移动电话从两或三个馈源接收相等的信号。如果这些信号是分别调制的，电话接收到不能辨认的三个通话的混合。因此，传统的系统不能开发使用分辨率来实现的潜在的容量增加。总结在传统的天线通信系统、卫星通信系统以及二者的混合中遇到的这些以及其它的缺陷和困难将按照本专利技术得到克服。按照本专利技术的一个示范实施例，矩阵处理用来形成多个数据采样流的数值混合。选择矩阵系数，并可周期性地调整，使多个接收器中的每一个实际上不带干扰地接收所需的信号。按照本专利技术的另一个示范实施例，信号处理不适于移动电话的移动或新通话的建立以及终止，但是可用确定方法操作，而流量适于使用动态流量信道分配算法的信号处理的确定特性。附图简单描述前面所述以及其它的本专利技术的目的、特性、以及优点通过结合图阅读相关的如下的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一个关于移动站的无线通信的方法包括以下步骤：从上述移动站发射代表话音和数据通信的信号到一个具有多元天线的轨道卫星；在每一个上述的天线元接收上述信号的组合，并相干地转发上述信号组合到一个地面站；在上述的地面站接收上述相干转发的信号 并将上述相干转发的信号模数转换产生相应的数值取样流；在一个数值矩阵处理器中处理上述数值取样流，分离出上述发射的信号－该信号分别由上述每一个移动站发出－以产生分离的取样流；以及数值化地处理上述分离的取样流以恢复上述代表语音或数据的信号 并发送该恢复的信号到一个电话交换网络。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：PW登特，
申请(专利权)人：艾利森公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]