CN1092875C - 使用tdma格式转换的移动站卫星通信 - Google Patents

Abstract

提供了一种在使用非对称TDMA格式的移动卫星通信系统中的用于移动站到移动站通信的方法和设备。根据本发明，第一移动站使用第一TDMA格式将第一信号广播到轨道卫星。该卫星接收到第一信号，将第一TDMA格式变换到第二TDMA格式并将具有第二TDMA格式的第二信号广播到第二移动站。

Description

使用TDMA格式转换的移动站卫星通信

                      发明领域

本发明涉及时分多址(TDMA)通信系统，而且更特别地涉及带有非对称TDMA帧结构的TDMA通信系统。

                      发明背景

蜂窝电信是有史以来发展最快而且需求最多的电信应用之一。今天，它代表了全球所有新电话用户中的一个大而持续增长的百分比。

在欧洲和北美，存在几个正在运行的大模拟蜂窝系统，例如北欧国家的NMT(Nordic Mobile Telephone)，英国的TACS(Total AccessCommunication System)、以及美国的AMPS(Advanced Mobile PhoneSystem)。质量、容量以及覆盖区域的差别都很大，但是需求几乎普遍超过了预计。为了强调已有模拟蜂窝系统的容量限制，很多经营者转移到了数字蜂窝系统。数字蜂窝系统一般归类为TDMA、CDMA(Code-Division Multiple Access码分多址)、或其混合。TDMA系统，例如全欧GSM(Groupe Special Mobile，或G1obal System for Mobilecommunication)系统以及美国的D-AMPS(Digital Advanced MobilePhone System)，都通过将每个频段划分成时隙、在相同频率上为多个用户分配不同时隙来提供增加的容量。在另一方面，CDMA系统是通过使用正交扩频码允许多个用户在相同的频率范围内同时工作来提供增加的容量的。从长期前景来看，使用某种形式的数字技术的蜂窝系统将成为通信的一般方式。

TDMA系统，例如GSM和D-AMPS，都是目前最广泛发展的数字蜂窝系统。例如GSM，将每个频率分成8个时隙。如图1所示，基站100将频率F1上的信号在时隙2中广播到移动站120a并在时隙5中广播到移动站120b。单个频率上可以容纳多至8个移动站。从基站100发射到移动站120a、120b的信号称为下行链路信号，或更简单地称为下行链路。对于双向通信，在相反方向上也必须有一组对应的频率和时隙，称为上行链路信号，或更简单地称为上行链路。一般，TDMA系统使用对称的帧格式，也就是，TDMA帧结构(即，带宽、时隙数、数据率等)在上行链路和下行链路上是一致的。

目前，已经提议建立使用轨道卫星的移动卫星通信系统，取代、或补充地面基站的覆盖。一般，移动卫星通信系统使用低地球轨道(LEO)、中圆形轨道(ICO)、或同步地球轨道(GEO)卫星。地面站用作为在卫星和公共交换电话系统(PSTN)、或地面蜂窝系统之间的网关。理想地，卫星作为一个“弯管”，也就是说，卫星是一个转发器，将从移动站接收的信号向下中继到地面站，并类似地将从地面站接收的信号中继到移动站。通常，需要在卫星中做频率转换，因为地面站和卫星之间的通信(例如，C-波段、Ku-波段)是在与卫星和移动站之间的通信(例如，L-波段)不同的频率范围内进行的。一般希望设计能使卫星结构很简单的系统。

可使用TDMA来增加卫星和移动站之间通信的容量。如所提到的，TDMA格式一般是对称的，也就是说，上行链路和下行链路具有相同的TDMA时隙结构。但是，由于性能的因素，上行链路TDMA结构可能与下行链路TDMA结构不同，即，带宽、时隙数、以及数据率在上行链路和下行链路可能有显著差别。

在需要移动站到移动站通信的地方，通过地面站完成非对称TDMA格式之间的变换会导致不能接受的时延。一般在ICO系统中，PSTN或地面蜂窝网络和与卫星通信的移动站之间的连接经过的时延为400毫秒的量级，这是用户可以察觉的，但是不是正常通话的很大障碍。当两个移动站之间的链路通过地面站完成时，延迟可能达到1.2秒之多，这是正常通话所不能接受的障碍。TDMA通信系统中的一些卫星转发器处理接收的以一种TDMA格式的信号并以另一种TDMA格式发射信号。例如，EP-A-0 139 034公开了一种通过卫星发射通信业务的方法，其中卫星配备了多个接收和发射单元，这些单元可以通过一个交换矩阵选择性地彼此连接。卫星中的每个发射单元配有一个解调器，首先解调从交换矩阵收到的接收信号，并在存储器中存储那些信息。此后，用低于解调信号信息写入存储器的比特率将解调信息从存储器中连续读出。从存储器中读出的较低比特率信息在调制器中再调制，然后上变频并通过天线重新发射。GB 2 221 368使用双端口RAM重排输入TDMA帧的时隙，在输出帧中产生一个序列。

这种方法的困难是每个信道或载波频率需要单独的解调器和调制器。从很多理由来说这都是不希望出现的，包括成本增加、硬件增加、复杂性增加、在卫星中所占的空间增加，以及给卫星增加重量。所需要的是一种将具有第一TDMA格式的上行链路信号变换到具有第二TDMA格式的下行链路信号、而不需要解调、存储及再调制的方法。

                      发明内容

前述的在移动卫星通信系统中降低时延的问题根据本发明可以得到解决。

提出一种方法，其中卫星被控制为将收自移动站的具有第一TDMA格式的上行链路信号变换到具有第二TDMA格式的下行链路信号，以便发送到另一个移动站。

第一移动站发射第一信号到卫星，第一信号具有第一TDMA格式。卫星接收第一信号并将第一信号下变频以产生具有第一带宽BW的第一IF信号。第一IF信号通过模数转换器以N×BW的速率抽样，这里N是大于或等于2的整数，以便产生输入比特流。输入比特流被耦合到一个缓冲器中，该缓冲器接收并存储输入比特流。缓冲器以M×N×BW的速率将比特流按时钟节拍输出，这里M是比1大的整数值，以便产生带宽等于M×BW且具有第二TDMA格式的输出比特流。输出比特流被耦合到低通滤波器，被上变频并作为具有第二TDMA格式的第二信号再广播到第二移动站。

当结合附图阅读如下所写的描述时，本发明的这些以及其它特性和优势对本领域的一般技术人员是很显然的，图中相同的参考号是指相同的器件。

                   附图的简要描述

现在将参考所附的图更详细地描述本发明的示范实施例，其中：

图1说明地面TDMA蜂窝通信系统的下行链路；

图2说明可以很好地使用本发明的移动卫星通信系统；

图3说明移动卫星通信系统中移动站到移动站的通信链路；

图4是卫星200的框图，详细说明用于将第一TDMA格式转换到第二TDMA格式的电路；以及

图5是更详细地说明弹性缓冲器功能的框图。

                    发明描述

在如下描述中，为了阐述而非限制的目的，提出了一些特定细节，例如特定电路、电路元件、技术等，以便提供对发明的透彻理解。但是，对本领域的一般技术人员很显然的是本发明可以在背离这些特定细节的其它实施例中实现。除此之外，忽略熟知方法、设备、以及电路的详细描述，以避免以不必要的细节混淆本发明的描述。

在图2中表示了一个移动卫星通信系统。在本发明中，卫星200位于中圆形轨道(ICO)(即，地球以上大约10,000公里)。馈电链路205a和205b通过作为地面站220一部分的抛物面天线215向卫星200发射，或从卫星200接收。地面站220作为在卫星200和公共交换电话网(PSTN)225、或移动电话交换局(MTSO)235之间的网关。接入MTSO 235可以通过PSTN 225或直接到地面站220通过专用链路240来完成。PSTN 225对于到陆线电话网的呼叫用通常方式进行路由选择，而到蜂窝电话的呼叫则通过MTSO 235以通常方式完成。

卫星200用于对处于地面蜂窝网络100的覆盖区域以外的移动用户120提供覆盖。移动站120可能是图2中所示的车载蜂窝电话、手持蜂窝电话、膝上型计算机中所安装的无线调制解调器、或一般的任何无线通信设备。

在下文中，电话呼叫、通信链路、呼叫、数据链路、链路以及通话，都涉及通信链路的建立，在这样的通信链路上可以交换话音、数据、视频、或任何其它信息。呼叫的发起者是指启动呼叫的设备，而呼叫的接收者是指发起者希望与之通信的设备。对于呼叫过程中的信息流，前向上行链路是指从呼叫发起者到卫星的上行链路；前向下行链路是指从卫星到呼叫接收者的下行链路；反向上行链路是指从呼叫接收者回到卫星的上行链路；而反向下行链路是指从卫星回到呼叫发起者的下行链路。

从PSTN 225或MTSO 235发起的电话呼叫被路由选择到地面站220，在那里根据已知技术进行处理并随后通过前向上行链路205a发射到卫星200。卫星200接收前向上行链路205a并将前向上行链路频率转换到另一个频率/格式，后者可以通过前向下行链路210b发射到移动站120。频率转换一般是需要的，因为前向上行链路和前向下行链路通常工作在不同的频率范围。例如在这个实施例中，前向上行链路205a在C-波段发射到卫星200；前向下行链路210b在L-波段从卫星发射；反向上行链路210a在L-波段从移动站120发射；而反向下行链路205b在C-波段从卫星200发射。从移动站120通过反向上行链路210a发射的信号被卫星200接收，同前面一样，进行频率转换并将反向上行链路信号重新格式化，以便通过反向下行链路205b发送到地面站200。对于ICO卫星，地面站220和移动站120之间(反之亦然)的传播延迟在400毫秒的量级。对本领域技术人员显然的是图3中所说明的移动卫星通信系统可以包括几个地面站220，一个以上的卫星200，以及成百上千的移动站120。

移动卫星通信系统可以使用类似图1中所示的TDMA格式。确实，为了可以再用已有的硬件，最好是使用与现有数字蜂窝系统兼容的TDMA格式。例如，在前向下行链路210b上使用了GSM格式，就允许移动站120再用已有的IF(中频)接收机电路和A/D(模数)转换器，对于与卫星200的通信只要做很小的修改。对于本发明，使用了具有200kHz的信道间隔以及每个TDMA帧32或16个时隙的GSM格式。通过具有可变的时隙结构，前向下行链路210b可以容纳两种不同的语音编码器速率(即，4kbps，或半速率GSM)，或替换地，容纳两种不同的信道编码速率(即，1/3，或2/3)。

在反向上行链路210a上，由于移动站、特别是使用电池的手持移动站的最大发射功率限制不能使用下行链路TDMA格式。为了用户安全性以及延长电池寿命的原因，反向上行链路210a上发射的最大功率希望小于2瓦，最大功率为2瓦时平均功率大约250毫瓦到500毫瓦，很容易计算出实现上述平均功率所需的忙闲度分别是0.125到0.25，产生8/4时隙的TDMA帧结构。因此，在本发明中最好使用非对称的TDMA格式。为有助于前向下行链路210b和反向上行链路210a之间的同步，以及为了将整个系统的复杂性维持到尽可能的低，反向上行链路210a的带宽是前向下行链路210b带宽的整数分之一。本发明因此在反向上行链路210a上使用50kHz的带宽。在下文中，下行链路TDMA格式是指200kHz信道间隔、32/16时隙的TDMA帧，而上行链路TDMA格式是指50kHz信道间隔、8/4时隙的TDMA帧。

除了起始于、或终结于PSTN 225或MTSO 235的呼叫，移动卫星通信系统也必须能够提供移动站到移动站的通信。在移动卫星通信系统中使用非对称TDMA格式提供移动站到移动站通信的一种方法需要使用地面站220来实行从上行链路TDMA格式到下行链路TDMA格式的变换。例如，参考图3，如果移动站300b是发起者而移动站300a是呼叫的接收者，移动站300b使用上行链路TDMA格式通过前向上行链路310a发射。卫星200对前向上行链路310a进行频率转换并广播到前向下行链路305b。地面站220接收前向下行链路305b，在那里将上行链路TDMA格式变换到下行链路TDMA格式并通过反向上行链路305a广播回卫星200。卫星200对反向上行链路305a进行频率转换并使用下行链路TDMA格式将反向下行链路310d广播到移动站300a。移动站-到卫星-到地面站-回到卫星-下到移动站之间的累积传播延迟可能多达1秒，包括通过地面站220的处理和传播延迟。这样长的延迟对于双向话音通信来说是不能接受的。

在本发明中，从上行链路TDMA格式到下行链路TDMA格式的变换是在卫星200中完成的。例如，如果移动站300b是发起者而移动站300a是呼叫的接收者，移动站300b使用上行链路TDMA格式向卫星200广播前向上行链路310a；卫星200处理前向上行链路信号，如图4所示将上行链路TDMA格式转换成下行链路TDMA格式并使用下行链路TDMA格式将前向下行链路310d广播到移动站300a。类似地，移动站300a使用上行链路TDMA格式将反向上行链路310c广播到卫星200，卫星200处理反向上行链路，如图4所示将上行链路TDMA格式转换成下行链路TDMA格式并使用下行链路TDMA格式将反向下行链路310b广播到移动站300b。通过在卫星200中上行链路TDMA格式到下行链路TDMA格式的变换，往返延迟可能比前述的通过地面站220提供移动站到移动站通信的方法削减一半以上。

将上行链路TDMA格式变换到下行链路TDMA格式的设备示于图4，该图是对卫星200的更详细说明。除其它东西以外，卫星200包括天线400，在这个例子中是一个L-波段天线，以及处理电路，用于实现上行链路TDMA格式到下行链路TDMA格式的转换。卫星200也可以有单独的C-波段天线(未表示)用于与地面站220的通信、姿态控制电路(未表示)，太阳能板及/或电池(未表示)，以及多种其它的飞行器管理电路。

参考图3所示的移动站到移动站通信链路，这里移动站300b是发起者而移动站300a是呼叫的接收者，在卫星200上通过天线400接收前向上行链路310a。正如前面所提到的，前向上行链路是一个L-波段信号，具有50kHz(即，BW为50kHz)的信道间隔和8/4时隙。参考图4，接收的前向上行链路信号被耦合到下变频器405，根据已知技术将接收的信号滤波、放大、并混频，以产生第一IF信号。第一IF信号通过50kHz的防混迭低通滤波器410并被耦合到A/D变换器415，在那里第一IF被以N×BW的抽样速率抽样。优选地，整数N大于2，这样第一IF可以被过抽样。IF的抽样被耦合到可以是移位寄存器的弹性缓冲器425。然后以N×M×BW的速率将IF抽样按时钟节拍移出弹性缓冲器425，成为输出的抽样，这里M是一个整数。在本实施例中M＝4，这是上行链路TDMA格式(8/4时隙)和下行链路TDMA格式(32/16时隙)之间的比率。输出的抽样被耦合到控制处理器430，给输出比特流添加附加的开销比特，以产生下行链路比特流。下行链路比特流被耦合到A/D变换器440并在低通滤波器445中低通滤波，产生模拟的下行链路信号。模拟下行链路信号在上变频器450中根据已知技术被上变频到L-波段并作为前向下行链路310d广播到移动站300a。

弹性缓冲器425的功能在图5中做更详细的说明。在下变频器405中下变频之后，50kHz信号被耦合到防混迭低通滤波器410，其输出被耦合到A/D变换器415。A/D变换器对50kHz信号以N×50kHz速率抽样，这里N大于或等于2。A/D变换器415输出的时间和频率谱被显示在图解510中。可以是简单的移位寄存器的弹性缓冲器接收输出的抽样，将其存储并以(例如)4倍于输入的速率(即，M＝4)将其按时钟节拍移出。弹性缓冲器输出的时间和频率谱被显示在图解520中，该输出被耦合到控制处理器430。控制处理器允许卫星200给比特流添加附加信息，例如SACCH消息。控制处理器430的输出被耦合到D/A变换器440，进行低通滤波、上变频、并通过天线400广播。移位寄存器、或弹性缓冲器425的使用允许卫星200将上行链路TDMA格式变换到下行链路TDMA格式，而不需要解调和再调制。

虽然本发明是参考特定实施例加以描述的，但那些本领域的技术人员将会认识到本发明不限于在这里所描述并说明的特定实施例。除了所显示和描述的那些以外的不同TDMA格式、实施例和改进型以及很多变化、修改和等效装置现在都能通过前面的说明和附图被合理地提出，而不背离发明的实质或范围。虽然本发明已经在这里针对其优选实施例而被详细描述，但应该理解这个公开只是本发明的说明和范例而且只是为了提供对本发明完全的及授予权利的公开的目的。因此，所要指出的是该发明只受这里所附的权利要求的构思和范围限制。

Claims (9)

1.在移动卫星通信系统中，一种在被设定为发射第一TDMA信号格式的第一移动站(300b)和被设定为接收第二TDMA信号格式的第二移动站(300a)之间通过轨道通信卫星中继站提供通信的方法，该方法包括从第一移动站向卫星(200)发射具有第一TDMA格式和第一带宽的第一信号，并在卫星中使用适配于接收该带宽的接收机接收第一信号，其特征在于如下步骤：

以第一速率对第一接收信号抽样，产生每秒具有第一个抽样数的第一比特流；

在缓冲器(425)中存储第一比特流；

以第二个不同的速率将第一比特流按时钟节拍移出缓冲器，以产生每秒具有第二个抽样数的第二比特流，第一和第二比特流中的抽样都代表接收的第一信号；

将第二比特流滤波，以产生具有第二个不同带宽的输出信号；并

藉使用第二TDMA格式将输出信号从卫星发射到第二移动站。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于第一带宽小于第二带宽。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于接收的第一信号被抽样的第一速率小于第一比特流被按时钟节拍移出缓冲器的第二速率。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于第一TDMA格式和第二TDMA格式中的多个时隙随不同帧而变化。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于第一速率是N×BW，这里N是大于或等于2的整数，BW是带宽，以及第二不同速率是M×N×BW，这里M是大于或等于2的整数。

6.一种移动卫星通信系统，用于在被设定为发射第一TDMA格式的第一移动站和被设定为接收第二TDMA格式的第二移动站之间提供通信，包括被设定为发射具有第一TDMA格式和第一带宽BW的第一信号的第一移动站(300b)，被设定为接收具有第二TDMA格式和第二带宽M×BW的第二信号的第二移动站(300a)，卫星(200)中接收第一信号的接收机，以及一个藉使用第二TDMA格式从卫星向第二移动站发射输出信号的发射机，其特征还在于：

模数转换器(415)，用于以速率N×BW对接收的第一信号抽样，这里N是大于或等于2的整数，以产生每秒至少具有N×BW个抽样的第一比特流；

缓冲器(425)，用于接收第一比特流并以速率M×N×BW将第一比特流按时钟节拍移出，这里M是大于或等于2的整数，以产生每秒至少具有M×N×BW个抽样的第二比特流，第一和第二比特流中的抽样都代表接收的第一信号；以及

低通滤波器(445)，用于将第二比特流滤波，以产生具有M×BW带宽的输出信号。

7.根据权利要求6的移动卫星通信系统，其特征在于所述缓冲器是移位寄存器。

8.根据权利要求6的移动卫星通信系统，其特征在于所述第二TDMA格式是GSM格式。

9.根据权利要求6的移动卫星通信系统，其特征在于第一TDMA格式和第二TDMA格式中的多个时隙随不同帧而变化。

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