CN101356756A - 组合卫星-地面网中正交频分多路复用的定时和同步的使用 - Google Patents

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CN101356756A CNA2006800503790A CN200680050379A CN101356756A CN 101356756 A CN101356756 A CN 101356756A CN A2006800503790 A CNA2006800503790 A CN A2006800503790A CN 200680050379 A CN200680050379 A CN 200680050379A CN 101356756 A CN101356756 A CN 101356756A
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Abstract

一种在地理上散布的收发器(包括多个发射器)的网络中传递数据信号的系统和方法。至少一个发射器在卫星上。所述多个发射器与接收器无线通信。所述多个发射器中的每个发射器在多个正交的子载波频率上向所述接收器传送数据信号的副本。使所述多个发射器同步，以致所述接收器基本上同时地接收所述数据信号的副本。

Description

组合卫星-地面网中正交频分多路复用的定时和同步的使用
技术领域
本发明涉及信号传输，具体地说，本发明涉及使用正交频分多路复用的方法和传输系统。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种利用多个发射器传送数据信号的系统和方法。至少一个发射器在卫星上，所述多个发射器在地理上散布。所述多个发射器被配置成与接收器无线通信，所述多个发射器中的每个发射器在多个正交的子载波频率将数据信号的副本传给接收器。所述多个发射器还被配置成同步，以致所述接收器基本上同时地接收所述数据信号的副本。
本发明的另一方面提供了一种在包括多个接收器的收发器网络中传递数据信号的系统和方法。至少一个接收器位于卫星上，所述多个接收器在地理上散布。每个接收器被配置成从发射器接收数据信号的副本，数据信号的副本在多个正交的子载波频率上传送。接收器接收的数据信号的副本被用于重构初始数据信号。
在整个申请中，包括权利要求书，用语“收发器”意味发射器、接收器或者发射器/接收器的组合。
附图说明
图1图解说明了按照本发明的一个实施例，组合卫星和地面单元的覆盖的网络系统；
图2是频率选择性衰落的影响的示图；
图3表示从不同的信源接收的信号，一些信号具有衰落的子载波，以及在相加接收的信号之后获得的结果信号；和
图4表示按照本发明的一个实施例，上行链路配置中的网络系统的示例，其中一个或多个接收器接收不完整的信号信息。
具体实施方式
图1图解说明了按照本发明的一个实施例，组合多个收发器，比如卫星和地面单元的覆盖的网络系统。这种情况下，收发器或用户住宅设备(CPE)能够接收或传送卫星信号和地面无线信号。组合的卫星-地面网20包含多路复用器(MUX)22，编码和成帧装置24，多路分解器(DEMUX)分配单元26，单个的基站传送子系统(BTS)28A、28B和28C，收发器30A、30B和30C，和收发器32A、32B和32C。组合的卫星-地面网还包含至少一个卫星34和上行链路系统(UL)36。系统可包括任意类型的许多收发器。例如，系统可以只包括卫星收发器(即卫星上的收发器)。
多路复用器22被配置成接收数据流(1、2、3、4、...、n)。多路复用器22与编码和成帧装置24链接。多路复用器级联数据流(1、2、3、4、...、n)，并将级联的数据流传给编码和成帧装置24。传送的数据流由编码和成帧装置24编码、交织和成帧。
编码和成帧装置24与分配单元26连接。编码、交织和成帧的数据流被发给分配单元26。在分配单元26中，数据流被“复制”和向每个单个的收发器(例如，地面收发器30A、30B和30C)和卫星34上的收发器进行馈送所需的一样多的次数。分配单元36分别通过传输线路38A、38B、38C和38D将复制的传输信号分发给BTS 28A、28B和28C及上行链路系统UL 36。传输线路38A、38B、38C和38D可以是任意类型的信号传送系统，例如诸如光纤和铜线之类的地面数字载体，微波信号传输，激光信号传输等等。BTS 28A、28B和28C与收发器30A、30B和30C连接，收发器30A、30B和30C将接收的传输信号中继给收发器CPE 32A、32B和32C。
图1中，地面收发器(即，与收发器30A耦接的BTS 28A，与收发器30B耦接的BTS 28B和与收发器30C耦接的BTS 28C)在地理上散布。在地面收发器(即，与收发器30A耦接的BTS 28A，与收发器30B耦接的BTS 28B和与收发器30C耦接的BTS 28C)，参考从GPS，或者从精确的标准参考，比如铯时钟得到的主定时参考信号，缓存到来的馈送数据流。数据流被延迟一个适于补偿卫星收发器信号的往返传送时间的时间量。延迟的信号随后被处理成并行流，所述并行流被馈送给正交频分多路复用(OFDM)调制器，OFDM调制器用于调制OFDM载波上的各个子信道。OFDM载波被传给每个收发器30A、30B和30C，收发器30A、30B和30C用于向指定覆盖范围提供无线电覆盖。每个CPE 32A、32B和32C监听信道上的信号，锁定该信道并开始解码OFDM信号流。每个收发器(与收发器30A耦接的BTS 28A，与收发器30B耦接的BTS 28B和与收发器30C耦接的BTS 28C)的频率参考标准参考频率，以保证在每个传送位置，OFDM子载波的中心频率都相同。
类似地，从多路分解器分配单元26接收信号的上行链路UL 36将信号发给卫星34上的收发器。具体地说，在上行链路系统UL 36，到来的数据流被处理成并行流，并被发给OFDM调制器以便对OFDM载波进行频率调制。OFDM载波由上行链路系统36传给卫星34上的收发器，在该收发器，OFDM载波被转换成下行链路频率，并由卫星上的收发器传回在卫星收发器的天线限定的覆盖区中的地面。该覆盖区可包括例如收发器CPE 32A和CPE 32C。
本实施例可用于提供“广播”类型服务。广播类型服务是其中从网络向一个或多个用户传送相同内容的服务。内容由多路复用器22数字化和多路复用，由编码和成帧装置24编码和成帧，并通过一个或多个传送站点，例如地面站(与收发器30A耦接的BTS 28A，与收发器30B耦接的BTS 28B和与收发器30C耦接的BTS 28C)被传送。传送的内容随后由多路分解器分配单元26接收、解码和多路分解，并被转换成适当的格式以便呈递给用户，例如CPE 32A、CPE 32B和CPE 32C。在本实施例中，相同的内容还被独立地传给卫星34上的收发器。这样，地面传送站点(与收发器30A耦接的BTS 28A，与收发器30B耦接的BTS 28B和与收发器30C耦接的BTS 28C)可被定时，以便容纳为到卫星34的往返路径(即，从地面站/上行链路系统36到卫星34和卫星34到地面，以便由CPE 32A、CPE 32B和CPE 32C接收的行程)所固有的传播延迟时间。
在从发射器(例如，BTS 28A)向接收器(例如，CPE 32A)传送信号的过程中，信号可能在传输路径中遇到反射。这种情况下，接收器(CPE 32A)会收到多个信号(例如，两个信号)，每个信号携带相同的信息，但是时间上发生偏移。从而，接收器(CPE 32A)收到的信号会是时间上彼此相对偏移的两个信号的总和。例如，一个接收信号对应于非反射信号，而另一信号对应于反射信号。这两个信号间的时间差对应于由于这两个信号之间的路径差，非反射信号到达接收器的时间和反射信号到达接收器的时间之间的差值。
在这两个信号之间的时间差(时间延迟)逼近或者大于符号持续时间的情况下，接收器(CPE 32A)将收到与这两个信号的总和对应的复合信号，其中非反射信号的符号(比特)和反射信号的符号(比特)不能被区分。从而，由发射器发送的信号携带的信息不能被接收器捕捉，因为接收器会“看到”基本上平坦的信号。从而，多路径反射的存在会负面影响符号持续时间短的信号的传输，从而使信号的传输不能容忍多路径反射。
通过将信道分成多个具有较窄带宽的子信道，即子载波，每个子载波正交地重叠，正交频分多路复用(OFDM)的使用克服了多路径反射的这种不耐受性。这里，术语正交用于表示“独立”，或者按照它们互不干扰的方式被引用。信息可在并行重叠的子载波上发送，从所述子载波能够单独地提取信息。在一个实施例中，载波可具有例如(sinx)/x形状。在OFDM中，单个发射器在许多不同的正交频率(一般几十到几千)上进行传送。由于这些频率间隔很近，因此每个频率具有留给窄带信号的空间。信号也被分成相同数目的并行流，所述并行流在这些子载波上被独立调制。由于子信道具有比初始信号的带宽窄的带宽，因此每个子信道中的符号持续时间被增大。换句话说，每个子信道中的每个信号的符号持续时间大于初始信道中的信号的符号持续时间。
通过提供带宽更窄的子信道(该子信道提供更长的符号持续时间)，可使信号能更忍耐多路径反射。在符号持续相对更长的情况下，每个子信道(子载波)中的信号可能遭受多路径时间变化，而不损失信号信息。实际上，即使存在由反射引起的时间偏移(时间差)，接收器也能够区分每个子信道中的每个信号的符号。为了实现该结果，可选择子信道的带宽，以致每个子信道中的每个信号的符号持续时间大于由多路径反射引起的任何时间差。
但是，对应子信道中的这些独立的窄子载波受另一传播现象，即频率选择性衰落影响。图2是频率选择性衰落的影响的示图。当在信号的传播路径中发生反射时，发生频率选择性衰落，导致特定频率下的随机信号衰减(或者消失)。例如，如图2中所示，传送的OFDM载波10包含多个子载波12。当OFDM载波10沿传播路径14受到反射时，OFDM载波会被接收作为OFDM载波16。接收的OFDM载波16具有一些衰减的子载波17和一些遗失的子载波18。实际上，传播反射或多路径反射会使信号的某些频率不同相地以半波长(λ/2)的倍数到达接收器，这导致信号相抵消，以及某些频谱分量的损失或衰减。
从而，由于潜在的频率选择性衰落，收到的信号可能不包含所有子载波的副本，或者所有子载波的有用副本，它们以一些子载波的形式携带的信息可能被衰减或者消失。
由于如上所述的频率选择性衰落的缘故，在OFDM中，某些子载波可位于信道的衰落区中。与信道相关的频率选择性衰落为每个单个的传播路径所独有。每个发射器在每个接收器产生独特衰落的信号。于是，如果接收器相加从分别与独特的衰落子载波关联的多个发射器接收的信号，那么有可能衰减或衰落自一个发射器的子载波将不会在另一个发射器或者其它剩余发射器中被衰减。从而，通过相加或组合从不同的发射器接收的信号，接收器将能够重构初始信号。
实际上，为了受益于由每个发射器(与收发器30A耦接的BTS28A，与收发器30B耦接的BTS 28B和与收发器30C耦接的BTS 28C和/或卫星34)传送的每个信号的不同衰落特性，信号应被定时或者协调，以致信号基本上同时地，或者至少在由符号持续时间限定的时间间隔内到达覆盖区。例如，如果每个子载波为10KHz宽并传送1bit/Hz，那么符号持续时间为100μs(1/10000bps)。只要系统部件是时间同步的，以致所有数据以不大于100μs(0.1毫秒)的延迟被传给覆盖区，那么接收器(例如，CPE 32A)会收到所有传送信号的相同内容。
由于每个单个的收发器(与收发器30A耦接的BTS 28A，与收发器30B耦接的BTS 28B，与收发器30C耦接的BTS 28C和/或卫星34)都被同样地定时，并且频漂极小地工作(由于参考相同的信源)，因此，CPE(例如32A、32B、32C)将在其带通内的所有信号看作相同。从而，来自一个或多个地面收发器(与收发器30A耦接的BTS28A，与收发器30B耦接的BTS 28B，与收发器30C耦接的BTS 28C)和卫星34的信号有效地向收发器CPE(例如32A、32B、32C)提供信号分集。
信号分集使收发器CPE(例如32A、32B、32C)可以从一个信源(例如，与发射器30A耦接的基站28A)接收子信道，当从其它信源(例如从与收发器30B耦接的基站28B和从卫星34)发送时，所述子信道看起来因频率选择性衰落而衰减或消失，如图3中所示。如图3中所示，通过相加从不同的信源(与收发器30A耦接的BTS 28A，与收发器30B耦接的BTS 28B和卫星34)接收的信号，收发器(例如，CPE 32A)能够重构传输前存在于初始OFDM信号中的所有子信道。
另外，编码和交织有助于保证能够从包含在剩余子载波中的数据中，提取包含在衰减或丢失(消失)的子载波中的信息。编码可包括修改信号频谱以增大信息内容，以便通过包括相同数据的一个或多个副本，提供信息的冗余。信道编码的目的是通过向传送的数据增加冗余，以获得数据的编码比特流，改进误码率(BER)。信道编码包括向信号添加冗余比特，以实现检错和/或纠错。交织用于将冗余数据比特分散在多个子载波内，以致如果一个或多个子载波衰落或丢失，可在未遭受选择性衰落的另一子载波或者其它子载波中找到冗余数据比特。交织是一种置换，其中按照一定的方式置换比特，并在接收器进行逆置换。常见的交织方法是块交织。在块交织中，数据被逐行写入矩阵中，并被逐列读出。成帧可包括例如识别帧的开始和结尾，以及提供可被收发器(CPE)用于精确地锁定到传送的数据流的同步信号的适当定时参考。
本实施例的一个方面是为所有收发器共有的频率和时间参考的使用，所述共有的频率和时间参考使CPE可将多个信号看作单一广播，而不是看作干扰。当在具有多个卫星或者混合的卫星地面操作的系统中处理卫星传送的信号时，这是特别有用的，因为卫星信号到达的时延长，又可随照射的地球的区域而变化。
例如，当卫星和地面系统被定时，以致来自多个在地理上散布的地面发射器中的每个发射器，或者一个或多个在地理上散布的地面发射器和一个或多个卫星发射器的组合中的每个发射器的信号上的内容同时到达覆盖区，那么通过利用来自每个信源，即每个发射器的受损最小的子信道，接收器可受益于每个信号的不同衰落特性。除此之外，这还使接收器可以降低其误码率(BER)。
于是，在包括一个或多个卫星发射器和/或一个或多个在地理上散布的地面发射器的多部分系统上传送内容或信息使接收器可以接收多个独立衰落的信号，并且使接收器可以捕捉子载波，否则如果仅仅由一个发射器传送，那么所述子载波会衰落或丢失。从而，与只从一个信源(即，一个发射器)传送内容的系统的质量相比，多部分系统的质量能够被改进。另外，与只从一个信源传送内容的系统的覆盖和用户体验相比，多部分系统的覆盖和用户体验也可被增强。
在本发明的另一实施例中，上述网络系统可被优化，以在独立用户和网络之间提供双向数据通信(例如，数字化语音通信)。在该实施例中，网络可被设计成按照几乎和前述网络系统相同的方式克服频率选择性衰减。“广播”网络系统和“双向”网络系统之间的主要差别在于，就双向系统来说，每个CPE(起收发器的作用)能够接收和发送唯一的数据内容。为此，在地理上散布的地面站(BTS 28A、BTS 28B和BTS 28C)和卫星34上的接收器不提供公共的数据内容，而是提供各个用户(CPE 32A、CPE 32B和CPE 32C)可能需要的个性化数据。
类似于广播系统，在双向系统中也存在信号衰落及其相关的信号减损效应。在空间中的任意点，收发器CPE(32A、32B、32C)能够接收在某种程度上被多路径的衰落效应减损的信号。从而，类似于广播系统，如果CPE(32A、32B、32C)能够从完全不同的信源接收时间和频率对准的信号，那么能够减轻这些效应。
支持单向通信的广播系统和支持双向通信的系统之间的差别是双向通信系统额外需要监视各个通信，以确定利用多个发射器或者系统部件是否能够向特定的CPE提供改进的服务，以便提高通信信道的生存能力。如果接收器(CPE)确定从一个发射器发生过多的数据错误，那么CPE能够请求网络系统在多个在地理上散布的发射器进行传送。
从同步和频率参考的观点来看，双向网络系统的前向链路(即，BTS到CPE或卫星到CPE)的操作与上面在单向网络系统中描述的操作类似。由于除了前向链路(下向链路)之外，双向网络系统还具有反向链路，因此反向信道(上行链路)也必须被同步。
实际上，传送数据比特流的下行链路被定时并参考系统主定时和频率参考(例如，GPS或铯标准)。于是，为了接收内容(数据比特流)，收发器CPE与输入的比特流同步。具体地说，CPE使用从该比特流和载波(即，下行链路载波)得到的定时和频率参考，作为使之与系统上行链路(即，BTS到CPE或卫星到CPE)要求同步的参考。收发器CPE“监听”输入的载波(下行链路载波)，并偏移其频率，以便使其工作中心频率精确地对准输入信号(下行链路载波)的传送中心频率。该频率参考还用于得到CPE的传输频率，以便产生其上行链路载波，从而允许CPE(起发射器的作用)与接收器(例如，BTS或卫星)通信。通过使用下行链路中的同步比特精确地使接收器和发射器时间对准，同样从下行链路得到定时。
不同于其中一个接收器(例如CPE 32A)接收并相加或组合由多个发射器(例如，BTS 28A、28B、28C、卫星34)提供的信号的下行链路，在上行链路配置中，存在监听单个发射器(例如，CPE 32A)的在地理上散布的多个独立接收器(例如，BTS 28A、28B、28C、卫星34)。于是，在上行链路配置中，接收器BTS 28A、28B、28C和/或卫星34中的任意一个或多个可能收到传输的减损版本。从而，需要在接收器BTS 28A、28B、28C和/或卫星34上的接收器的网络系统下游中的公共点，完成传输信号的重构。在接收器BTS 28A、28B、28C和/或卫星34上的接收器的下游公共点，每个独立的接收器接收的数据可被缓存、比较、分析和用于最佳地重构初始的传输信号。
图4表示按照本发明的一个实施例，上行链路配置中的网络系统的示例，其中一个或多个接收器接收不完整的信号信息。如图4中所示，在网络系统40中，每个接收站点(与BTS 28A耦接的收发器30A，与BTS 28B耦接的收发器30B和卫星34)接收由发射器(CPE 32A)传送的初始传输信号的减损副本。由于频率选择性衰落引起的某些子载波的丢失，这些副本受到减损。网络系统40利用检错算法，比如循环冗余校验(CRC)码来检查每个子载波的内容的错误。无错误的子载波将它们的信息保存在帧缓存器42中。有错误的子载波在帧的适当比特中插入空字符。无错误的和具有空字符的接收帧被转发给中心控制设备44，并被保存在缓存器42中。
作为接收器参与的每个接收站点(例如，与BTS 28A耦接的收发器30A，与BTS 28B耦接的收发器30B和/或卫星34)将它收到的唯一的无错误信息转发给对应的缓存器42。在所有站点和卫星转发了它们各自的信号信息之后，比较每个缓存器42中的帧，组合单元46(例如，帧合成器)利用来自一个或多个接收站点的无错误内容，构建新的帧。如果仍然存在错误，那么使用帧级纠错来校正任何剩余的错误。
通过使用该方法，能够降低系统用于编码和纠错的开销。实际上，由于系统不再依赖于中继不完整或受损信息的单一接收点，因此系统能够依赖于多个接收点“重构”和传送错误显著减少的信号信息，而不过分地依赖于系统编码和纠错算法。此外，多个接收器的使用便于独立地接收不相关的信号。从而，每个接收器能够“看到”独特衰落的信号，并且能够比较接收的衰落信号与剩余接收器接收的其它信号。利用这种比较，每个接收器能够对重建无错误的接收帧加以改进。
尽管这里用使用七个收发器(三个BTS，一个卫星和三个CPE)的配置描述了网络系统，不过必须认识到这里也可预期具有任意数目的收发器(例如，任意数目的BTS，任意数目的卫星和任意数目的CPE)的配置，从而这样的配置落在本发明的范围内。
尽管上面描述了本发明的各种实施例，显然的是，所述各个实施例只是作为示例给出的，而不是对本发明的限制。对本领域的技术人员来说，显然能够在形式和细节方面做出各种改变，而不脱离本发明的精神和范围。事实上，在阅读上述说明之后，对本领域的技术人员来说，如何用备选实施例实现本发明是显而易见的。从而，本发明不应受任意上述例证实施例限制。
此外，类似于电信领域中使用的相关设备和方法，本发明的方法和设备性质复杂，通常通过根据经验确定操作参数的恰当值，或者通过进行计算机模拟达到给定应用的最佳设计，最好地实践本发明的方法和设备。因此，任何适当的修改、组合和等同物应被认为落在本发明的精神和范围内。
另外，应当理解的是，附图只是出于举例说明的目的给出的。本发明的体系结构十分灵活并且可配置，以致可按照除附图中所示方式之外的其它方式利用本发明的体系结构。
此外，本公开的摘要的目的是使美国专利商标局和公众，尤其是本领域的不熟悉专利或法律术语或措词的科学家、工程师和从业者能够根据粗略的检阅，很快确定本申请的技术公开的本质。本公开的摘要并不意图以任何方式限制本发明的范围。

Claims (16)

1、一种从多个发射器向接收器传送数据信号的方法，包括：
操作所述多个发射器中的每个发射器，从而在多个正交的子载波频率上向所述接收器传送数据信号，其中至少一个所述发射器在卫星上，所述多个发射器在地理上散布，所述接收器从所述多个发射器中的至少一个发射器接收所述数据信号的减损副本；和
使所述多个发射器同步，以致所述接收器基本上同时地接收所述数据的减损副本，其中所述接收器采用所述数据的减损副本来重构所述数据信号。
2、按照权利要求1所述的方法，其中所述接收器合成所述数据的减损副本，以重构所述数据信号。
3、按照权利要求1所述的方法，其中使所述多个发射器同步包括：
相对于时间参考对所述发射器定时。
4、一种从发射器向多个接收器传送数据信号的方法，包括：
操作所述发射器在多个正交的子载波频率上向所述多个接收器传送数据信号，其中至少一个所述接收器在卫星上，所述多个接收器在地理上散布，至少一些所述接收器接收所述数据信号的减损副本；
比较所述数据信号的减损副本；和
组合所述数据的减损副本，以重构所述数据信号。
5、按照权利要求4所述的方法，还包括缓存所述数据信号的减损副本。
6、按照权利要求4所述的方法，还包括分析所述数据信号的减损副本。
7、按照权利要求4所述的方法，其中接收所述数据信号的减损副本的接收器被配置成利用所述数据信号的减损副本之间的比较，重构所述数据信号的基本无错误的副本。
8、一种在收发器网络中传递数据信号的方法，包括：
接收器；和
配置成与所述接收器无线通信的多个发射器，
其中至少一个所述发射器在卫星上，所述多个发射器在地理上散布，
其中所述多个发射器被配置成在多个正交的子载波频率上向所述接收器传送数据信号，所述接收器从所述多个发射器中的至少一个发射器接收所述数据信号的减损副本，
其中所述多个发射器被配置成同步，以致所述接收器基本上同时地接收所述数据的减损副本，
其中所述接收器还被配置成采用所述数据的减损副本来重构所述数据信号。
9、按照权利要求8所述的系统，其中所述接收器还被配置成合成减损副本。
10、按照权利要求8所述的系统，其中所述多个发射器被配置成相对于时间参考而被同步。
11、一种在收发器网络中传递数据信号的系统，包括：
多个接收器，其中至少一个所述接收器在卫星上，所述多个接收器在地理上散布；
配置成与所述多个接收器无线通信的发射器，所述发射器被配置成在多个正交的子载波频率上向所述多个接收器传送数据信号，至少一些所述接收器接收所述数据信号的减损副本；和
与所述多个接收器通信的组合单元，所述组合单元被配置成组合所述数据的减损副本，以便重构所述数据信号。
12、按照权利要求11所述的系统，还包括与所述多个接收器通信的缓存装置，所述缓存装置被配置成缓存所述数据信号的减损副本。
13、按照权利要求12所述的系统，还包括与所述缓存装置通信的比较装置，所述比较装置被配置成比较所述数据信号的减损副本。
14、按照权利要求13所述的系统，其中接收所述数据信号的减损副本的接收器被配置成利用所述比较装置输出的所述数据信号的减损副本之间的比较结果，重构基本无错误的数据信号副本。
15、一种发射器网络，包括：
配置成与接收器无线通信的多个发射器；
其中至少一个所述发射器在卫星上，所述多个发射器在地理上散布，所述多个发射器中的每个发射器被配置成在多个正交的子载波频率上向所述接收器传送数据信号的副本，
其中所述多个发射器被配置成同步，以致所述接收器基本上同步地接收所述数据信号的副本。
16、一种接收器网络，包括：
多个接收器，其中至少一个所述接收器在卫星上，所述多个接收器在地理上散布，每个接收器被配置成从发射器接收数据信号的副本，所述数据信号的副本是在多个正交的子载波频率上传送的；和
与所述多个接收器通信的组合单元，所述组合单元被配置成组合所述接收器接收的所述数据信号的副本。
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