CN1137554C - 扩频通信系统用于解决接入信道获取中频率和定时不确定性的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种减少卫星通信系统中获取接入发送所需频率和时间假设数的方法。通过减少所需假设数可减少获取接入发送所需硬件数。本发明的方法通过减小接入发送的可能频率和定时值范围来减少所需假设数。通过在各卫星波束而非在整个卫星波束覆区确定频率和时间不确定性来减小频率和定时可能值范围。

Description

扩频通信系统用于解决接入信道获取中 频率和定时不确定性的系统和方法

发明背景

I.发明领域

本发明一般涉及无线通信领域。本发明尤其涉及扩频通信系统解决接入信道发送中的频率和定时不确定性。

II.相关技术

基于卫星的无线通信系统通常包含称为网关的基站和一个或多个在网关与一个或多个用户终端间中继通信信号的卫星。网关提供通信链路，用于连接用户终端与其它用户终端或公用电话交换网等的其它通信系统的用户。用户终端可是固定的或移动的，例如移动电话或便携式电话等。这些终端可位于网关附近或远离网关。

有些卫星通信系统应用码分多址(CDMA)扩频信号，这种系统在例如1990年2月13日公告的题为“应用卫星或地面中继器的扩频多址通信系统”的美国专利USP4901307及1998年11月25日公告的题为“扩频通信系统中使用全频谱发射功率跟踪各接收相位时间和能量的方法和设备”的美国专利USP5691974中已经揭示，这两个专利转让给本发明的受让人并在此通过引用与本发明结合。

在应用CDMA的卫星通信系统中，使用独立的通信链路从网关或基站发送或者向其发送通信信号，包含寻呼、接入、消息或业务信号。前向通信链路指在网关或基站始发通信信号并向用户终端发送。反向通信链路指在用户终端始发通信信号并向网关或基站发送。

反向链路包含至少两个独立信道：接入信道和反向业务信道。接入信道用于用户终端“接入”网关。用户访问网关以在系统登记、设置呼叫或确认网关发送的寻呼请求。通过向网关发送称为“接入探查”(access probe)的信号，用户终端在接入信道上与网关通信。接入探查是在接入信道上发送包含接入消息的数据。接入消息的内容取决于用户终端是始发呼叫、登记系统还是响应寻呼。

在一个典型的扩频通信系统中，在信息信号调制至载波信号用于作为通信信号发送前，使用一个或多个预选的伪随机噪声(PN)码序列在预定频谱带上“扩展”接入探查等信息信号。PN码扩频(扩频发送方法是本领域熟知的)产生带宽远大于数字信号带宽的信号用于发送。

为使网关获取用户终端发送的接入探查(即恢复接入探查中的接入消息)；网关必然首先解调通信信号，以恢复PN调制的接入探查，然后对接入探查的消息部分进行去扩频。网关为解调载波，必须调谐至通信信号的载频。没有合理的频率调谐精度，就不能适当地解调载波。而且，因为对接入探查施加PN扩频码，从而必须确定接入探查的到达时间，以对接入探查进行适当的去扩频来恢复其中的信息。没有合适的系统定时或信号同步，不能精确去除PN扩频码。如果以不正确的时间同步应用该码，则通信信号将仅仅作为噪声出现而不递交信息。

使用非对地静止轨道的卫星的通信系统呈现与用户终端和卫星运动高度相关。相对运动在通信链路的信号载频中产生相当显著的多普勒分量或频移。由于这些多普勒分量随用户终端与卫星运动而变化，它们产生载波信号的频率不确定范围或者称为频率不确定性。例如在高速列车或其它机车上使用用户终端高速移动时，在地面系统中可观察到类似影响。

卫星运动也对PN扩频码引入多普勒效应。该多普勒效应称为码多普勒效应。更具体而言，码多普勒效应是卫星运动对基带信号产生的影响。码多普勒效应对在PN扩频码序列中相邻码间传输的信号产生频移。从而，相邻码不能以正确的码定时到达接收机。

除码多普勒效应外，卫星运动也对通信链路中的信号产生大量传播延迟不确定性或定时不确定性。对到达网关的信号，传播延迟从卫星位于网关正上方时的最小值变化至卫星相对于网关位于水平线时的最大值。

如上所述，为获取接入探查，网关必须调谐至通信信号的载频并与该信号定时同步。把网关调谐至通信信号载频并与之同步定时的一种方式是在发送该通信信号前确定载频和定时，然后适当地调谐网关。但因多普效应和传播延迟引入通信信号的频率和时间不确定性，网关不能在接收信号前确定载频或信号到达时间。尽管如此，网关可通过确定多普勒效应和传播延迟引入的不确定量而确定载频和到达时间的可能范围。因此，网关可通过在各自可能范围内把接收的通信信号与各频率和定时进行比较，对正确的频率和定时进行“索搜”而获取接入探查。

这些不同的频率和定时值分别称为频率和定时假设。对接收的通信信号具有高于预定阈值的最高相关的频率和定时假设，提供的频率和定时值可用于解调和去扩频该信号，从而使网关能恢复接入探查中的消息。

在固定时间中搜索正确频率和定时所需的硬件量正比于要求的假设数，而要求的假设数是时间和频率不确定性范围的函数。由于搜索器硬件昂贵且不希望增加搜索时间，希望得到可减小时间和频率不确定性范围的系统和方法。

发明概要

本发明针对在因卫星中继器和用户终端的相对运动而产生多普勒效应和传播延迟的通信系统中获取信号。多普勒效应和传播延迟在用户终端和卫星间及卫星和网关间传播的信号中引入大范围的频率不确定性和定时不确定性。本发明的目的是减少通信系统中的频率和定时不确定性。通过在个别卫星波束而不是在整个卫星波束覆盖区确定频率和时间不确定性，本发明减小频率和定时不确定性的范围。

本发明的一个方面提供一种用户终端向卫星发送并由卫星由网关中继的信号的获取方法。该方法包括下述步骤：(1)根据通信波束的预定波束覆盖范围，确定与卫星关联的通信波束的到达时间和频率搜索空间；(2)搜索该搜索空间解决与该信号关联的定时和频率不确定性；(3)根据作为解决定时和频率不确定性的结果获得的频率增量和定时偏移解调该信号的消息部分。

最好是通信波束的预定覆盖区域相应于包含波束额定覆盖区域的方位和俯仰范围确定的区。

最好是用户终端发送的信号包含前置部分和消息部分。在一个实施例中，前置部分包含空数据。最好，前置部分具有第1信号调制的第1级和第1信号与第2信号调制的第2级。在一个实施例中，该第1信号和第2信号是伪随机噪声(PN)码对。

根据第1实施例中，搜索搜索空间的步骤包含：(1)进行该搜索空间的粗搜索以解决与信号并联的频率不确定性；(2)进行精搜索以解决与信号关联的定时不确定性。

最好是由频率范围和到达时间范围确定搜索空间。

本发明的另一方面提供一种在网关恢复用户终端发送并由卫星中继至网关的信号的消息部分的方法。该方法包括下述步骤：(1)向与卫星关联的波束分配网关中的接入信道接收机；(2)向该接入信道接收机分配搜索空间，其中搜索空间相应于与分配接入信道接收机的波束相关的频率和定时不确定性；(3)搜索该搜索空间以获取信号；(4)如果在搜索该搜索空间后获得该信号，则解调信号的消息部分以恢复其中包含的信息。

本发明还提供一种系统，用于在网关恢复用户终端向卫星发送并由卫星中继至网关的信号的消息部分中的信息。该系统包括分配给与卫星关联的波束的网关中的接入信道接收机。该系统还包括分配给接入信道接收机的搜索空间。该搜索空间相应于与分配接入信道接收机的波束关联的频率和定时不确定性。最后，该系统包括网关解调器，用于搜索该搜索空间以获取信号并用于解调获取信号的消息部分以恢复其中包含的信息。

最好是网关解调器包括进行搜索空间粗搜索以解决与信息相关的频率不确定性的装置和进行精搜索以解决与信号相关的定时不确定性的装置。

本发明进一步的特定和优点以及本发明的各实施例的结构和运作，参照附图详述如下。

附图概述

构成说明书一部分的附图说明本发明并与说明书一起用于说明本发明的原理，使本领域技术人员可实施和利用本发明。在附图中，相同的标号表示相同或功能类似的部件。此外，标号最左的数字表示该标号最早出现的图。

图1说明本发明第1实施例的示范性无线通信系统构成和动作。

图2说明在通信系统中网关和用户终端间所用的通信链路的示范性实施方案。

图3说明示范性反向上行链路波束覆盖区。

图4示意说明构成反向上行链路的信道。

图5示意说明时间/频率搜索空间。

图6说明卫星波束覆盖区各点与卫星的距离。

图7说明卫星波束覆盖区各点与卫星的距离及内外波束边界。

图8示意说明3dB波束覆盖范围。

图9示意说明接入探查结构。

图10示意说明获取接入探查的过程。

图11是本发明一个实施例的网并解调器的说明框图。

图12是说明图11的本发明一个实施例的网关解调器动作的状态图。

较佳实施例的详细叙述I.引言

本发明尤其适用于应用低地球轨道(LEO)卫星的通信系统。本发明也可用于卫星以非LEO轨道运行的卫星系统中，或如果在网并或基站与用户终端间有足够的相对运动从而影响接收信号的频率，或者在信号传播延迟中有足够的不确定性时，也可用于非卫星中继器系统。

下文详细讨论本发明的较佳实施例。本发明可用于各种无线信息和通信系统，包括定位和卫星及地面蜂窝式电话系统。一个较佳的应用是用于移动、便携或固定电话业务的CDMA无线扩频通信系统中。II.典型的卫星通信系统

本发明可使用的示范无线通信系统示于图1。可以设想该通信系统使用CDMA型通信信号，但这并非本发明所要求的。在示于图1的通信系统100部分中，显示1个基站112、2个卫星116和188及2个有关网关或集线器120和122与3个远处用户终端124、126和128通信。虽然不是必须的，通常基站和卫星/网关是称为地面和卫星通信系统的独立通信系统的部件。在这种系统中，基站、网关或卫星的总数取决于期望的系统容量和其它因数，这在本领域中是熟知的。

术语基站和网关有时可互换使用，都是一种固定中央通信站，本领域把网关理解为经卫星中继器进行通信的高度专门化基站，而基站(有时也称为区站)使用地面天线在其周围地理区中进行通信。网关具有较多“内务处理”任务和相关设备以保持卫星通信链路，而中央控制中心与网关和移动卫星交互作用时，通常要执行较多功能。但是，本发明无论在使用网关或基站作为通信站的系统中均可应用。

用户终端124、126和128各包含诸如(但不限于)蜂窝式电话、数据收发信机、寻呼或定位接收机等无线装置且可根据要求手持、车载或固定。这里，用户终端分别说明为手持、车载和固定电话124、126和128。取决于喜好，用户终端有时也称为用户单元或在某些通信系统中简称为“用户”。

通常来自波束源(例如基站112或卫星116和118)的波束以预定图型覆盖不同地理区。不同频率的波束(也称为CDMA信道或“子波束”)可在同一区域重叠。本领域技术人员易于理解，多个卫星的波束覆盖区或服务区域，或多个基站的天线方向图，可取决于通信系统设计、提供服务的类型和是否获得空间分集而进行设计以在给定区域完全或部分重叠。

为清楚起见仅显示2个卫星，已经提出各种多卫星通信系统，有一种示范系统应用48个或更多的以低地球轨道(LEO)的8个不同轨道平面运行的卫星，以服务于大量用户终端。但是，本领域技术人员易于理解，本发明的技术如何用于各卫星系统和网关配置。这包括其它轨道距离和星座，例如使用对地静止卫星，其中波束切换大部分由用户终端运行引起。此外，可使用各种基站配置。

图1说明在用户终端124、126和128与基站112间，或经卫星116和118与网关120和122建立通信的一些可能路径。线130、132和134表示基站—用户终端通信链路。线138、140、142和144表示卫星116和118与用户终端124、126和128间的卫星—用户终端通信链路。线146、148、150和152表示网关120和122与卫星116和118间的网关—卫星通信链路。网关120和122及基站122可用作单向或双向通信系统的一部分或仅用于向用户终端124、126和128传输消息/信息或数据。III.通信链路和信道

图2说明网关202和卫星204及卫星204与用户终端206间所用通信链路的实施例子。如图2所示，实施例子用4种无线电频率链路。用户终端206与卫星204间的链路是反向上行链路214和前向下行链路216。网关202与卫星204间的链路是前向上行链路210和反向下行链路212。

在前向上行链路210上从网关202以“前”向进行通信，然后在反向下行链路216上从卫星204向用户终端206下行进行通信。在“反”向，在反向上行链路214从用户终端206向卫星204上行进行通信，然后，在反向下行链路上从卫星204向网关202下行进行通信。

在示范通信系统中，反向上行链路214的频率在1610MHz与1026.5MHz范围中，反向上行链路214具有波束覆盖区302，该覆盖区如图3所示，在空间分成16个波束。反向上行链路波束覆盖区302分成1个内波束(波束1)和15个外波束(波束2～16)。但本领域技术人员应理解，有多种同样有效的方式划分反向上行波束覆盖区302，图3所示仅是一个例子。

反向上行链路214和反向下行链路212具有至少两个信道：接入信道402和反向业务信道404，如图4所示。用户终端206使用接入信道402向网关202发送短消息。短消息包含始发呼叫的信息、对网关202发送至用户终端206的寻呼的响应、登记网关202。在接入信道上从用户终端20各发送至网关202的短消息承载在用户终端206广播的信号410中。该信号410称为“接入探查”。

用户终端206广播接入探查410时，可在反向上行链路波束覆盖区302中的任一波束中发现用户终端206，并且网关202不跟踪用户终端206的位置，因而网关202必须监测所有波束以发现接入探查410到末。因而，网关202向反向链路波束图案302的每1波束分配一个接入信道接收机420。每个接入信道接收机420对其分配的波束连续“搜索”，以发现接入探查410或来自其它用户终端的其它接入探查的到来。IV.接入信道接收机搜索空间

因传播延迟和众所周知的多普勒效应，在网关202接收的接入探查具有到达时间和频率的不确定性。即，在接入探查410到达网关202中的接入信道接收机420时，接入信道接收机420不知道接入探查410的精确频率或定时。为避免该到达时间和频率不确定性，接入探查410可各有前置部分，使接入信道接收机420能在分配的“搜索空间”(也称为“不确定性空间”)中对接入探查410进行“搜索”，由此达到时间和频率对准。

搜索空间由至少两部分限定，即到达接入探查410的到达时间和频率的可能范围。搜索空间是两维的，到达时间是一维而频率是另一维。图5说明一个示范性搜索空间502。垂直轴504代表接入探查410的到达时间，水平轴506代表其频率。接入探查410的到达时间定界于最小到达时间(Tmin)和最大到达时间(Tmax)。类似地，接入探查410的频率定界于最低频率(Fmin)和最高频率(Fmax)。如图5所示，搜索空间502是由点Fmin、Fmax、Tmin和Tmax所界定的范围。

通过把接入探查410与不同时间和频率假设对相关，接入信道接收机420“搜索”搜索空间502。其中所有的不同时间和频率假设对限定搜索空间502中的一点。时间和频率假设对510的一个例子示于图5。产生与接收的接入探查410最高相关的搜索空间502中的假设对是接入探查410到达时间和频率的最佳估值。一旦以这种方法解析到达时间和频率的不确定性，即表明获得接入探查410且可恢复其中所含信息。

确定搜索空间并向各接收信道接收机420分配的过程讨论如下。V.到达时间搜索空间

可由下式确定网关202的接入探查410的到达时间(T)：T＝T_SU+T_US+T_Sg。T_SU表示通信信号从处理寻呼信号转移(未图示)的卫星传输至用户终端206所需时间；T_US表示通信信号410从用户终端206传输至接入信道卫星204所需时间；T_Sg表示通信信号410从接入信道卫星204传输至网关202所需时间。

为确定T值的可能范围，需确定最小和最大可能到达时间(分别为Tmin和Tmax)。到达时间不确定空间是Tmin和Tmax间所有的到达时间(包括Tmin和Tmax)。T_US＝T_SU时产生T的最大和最小值，从而，为确定不确定性，我们假设等式：T＝2T_US+T_Sg。由于网关202以合理的确定性得知接入信道卫星204对于其自身位置的相对位置，因而网关202可预先确定T_Sg。从而，时间不确定性范围是可能值2T_US。即，到达时间不确性是2(T_US-max-T_US-min)。

接入探查410从用户终端206到达接入信道卫星204所需时间T_US正比于用户终端206与卫星204间的距离。为使卫星204从用户终端206接收接入探查410后中继至网关202，用户终端206必须在卫星204的波束覆盖区302中。由此，我们可以确定用户终端206与卫星204间的最小和最大距离(分别为d_min和d_max)。进而，接入探查410的传播速度是已知常数，因而，一旦得知d_min和d_max，可导出T_US-min和T_US-max。

图6说明卫星204和用户终端206(已知在卫星204的波束覆盖区302中)间的最大和最小距离。如图6所示，在卫星204位于用户终端206正上方时，用户终端206和卫星204间的距离为最小，而在用户终端206位于波束覆盖区302边缘时(即用户终端位于最小仰角时)，两者距离最大，这里假设地球表面602是平坦的。在一个实施例中，例如使用LEO卫星时，在卫星204位于用户终端206的正上方时T_US是4.72ms，在用户终端206相对于卫星为10度仰角时，T_US是14.57mS，对该实施例，时间不确定性是2(14.57-4.72)＝19.7mS。该不确定性代表在整个卫星波束覆盖区302上的时间不确定性。

但因对波束覆盖区302中的每个波束分配一个接入信道接收机420，因而接入信道接收机420不需顾及整个波束覆盖区302上的不确定性。接着信道接收机420仅需顾及分配该该接收机的波束上的不确定性。与波束覆盖区302中任何给定波束相应的不确定性必然小于与整个波束覆盖区对应的不确定性。

例如，参见图7，其中示出在假定平坦地球表面602时，卫星204的波束覆盖区中不同点与卫星204间的距离。如果用户终端206在波束覆盖区302的内波束(即波束1)中，则用户终端206与卫星204间的距离至少是dmin，至多是d1。d1小于dmax，因而对内波束，时间不确定性(与d1-dmin成比例)小于整个波束覆盖区302上的时间不确定性(与dmax-dmin成比例)。

相似地，如果用户终端206在波束覆盖区302的外波束(例如波束2-16)中，则用户终端206与卫星204间的距离至少为d1，至多为dmax。从而，因d1大于dmin，外波束的时间不确定性小于整个波束覆盖区302的时间不确定性。因此，为缩小分配给接入信道接收机420的搜索空间，接入信道接收机420分配的搜索空间不是与整个波束覆盖区302相关的不确定性对应，而是与分配接入信道接收机420的波束相关的不确定性对应。VI.频率搜索空间

类似于时间不确定性，整个波束覆盖区302上的频率不确定性大于各波束上的频率不确定性。因而，为尽可能减小搜索空间并从而减少所需假设数，分配给特定接入信道接收机420的频率搜索空间仅对应于分配该接收机的波束的不确定性。

频率不确定性由多普勒效应和UT的本振频率不确定性产生。单波束中的多普勒效应的潜在范围取决于相对于卫星204位置的波束覆盖范围，预计UT本振产生的频率不确定性可大至+/-10ppm。

在反向下行链路212和反向上行链路214中均会引起多普勒不确定性。网关202跟踪卫星204的位置，因而网关202可确定反向下行链路多普勒效应对接入探查410的影响。但网关202不跟踪或未足够精确认识用户终端206对卫星204的位置，网关202不能确定反向上行链路多普勒效应对接入探查410的影响。但是，用下式可明确确定卫星波束覆盖区302中所有位置的多普勒效应。 $\stackrel{.}{d}=-\mathrm{Rv}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\left\{\frac{\sqrt{1-{\left(\frac{R}{R+h}\cos \left(\mathrm{\η}\right)\right)}^2}}{R\sin \left(\mathrm{\η}\right)-(R+h)\sqrt{1-{\left(\frac{R}{R+h}\cos \left(\mathrm{\η}\right)\right)}^2}}\right\}(\frac{R\sin \left(\mathrm{\η}\right)\cos \left(\mathrm{\η}\right)}{\sqrt{h(2R+h)}+{\left(R\sin \left(\mathrm{\η}\right)\right)}^2}-\mathrm{con}\left(\mathrm{\η}\right)).$

上式提供对以仰角η观察到卫星204且相对于卫星运行方向的方位角为θ的用户终端206的用户终端与卫星间距d(d)的变化率，其中，R是地球半径，V是卫星204的速度，h是卫星204在地面上的高度。从而，可确定任何给定接入探查410的频率偏移可能范围，该范围提供可用频率搜索空间的估算边界。

最好，是按照人们的期望，不根据标称波束覆盖区域确定与波束覆盖区302中每个波束相关的频率不确定性。而代之以根据标称波束覆盖区域所包含的方位角(θ)和仰角(η)的范围确定的区域确定各波束的频率不确定性。例如，在一个实施例中，根据“3dB”波束覆盖区域的凸包，确定各波束的频率不确定性。3dB波束覆盖区域的凸包是包含该3dB区域的方位/俯仰空间的矩形确定的最小区域。

不希望使用内波束仰角从10°延伸至60°且方位角超过24°的波束标称边界，因为波束形状预期会随卫星硬件老化而变化。3dB覆盖区域方法导致搜索区域重叠，从而避免波束变形问题并带来分集的优点。3dB波束覆盖是用户以0dB发送的信号在网关202的波束上可获得至少3dB的Eb/Nt(即信噪比)，其中，Eb是信号的每比特能量，Nt是总噪声。应注意，本发明决非限定于3dB波束覆盖区。3dB波束覆盖区仅是标称波束覆盖区所含的方位和俯仰范围限定的区域的一个例子。

图8说明3dB波束边界802的一例。如图8所示，波束10的3dB覆盖区802大于波束10的标称覆盖区并重叠在波束1、9和11上。以这种方式重叠波束，不能检测发送用户终端206的概率可大大减小。

使用3dB波束边界的凸包和上述关系，假设各接入信道接收机420得知正搜索波束的精确标称方位，可确定各波束的最大和最小多普勒效应。在一较佳实施例中，各接入信道接收机420从网关202的卫星几何尺寸单元(未图示)接收正在搜索的波束的标称方位。以1分钟间隔接收该信息，结果，存在+/-5度方位不确定性，这是1分钟中最大偏航转向影响。

通过把UT本振引入的频率不确定性与多普勒不确定性(包括因偏航转向引起的方向不确定性引入的不确定性)相加，可确定与各波束相关的总频率不确定性。一旦对各波束确定总频率不确定性，即可向各接入信道接收机420分配频率搜索空间。分配给接入信道接收机420的频率搜索空间与分配该接入信道接收机420的波束的总频率不确定性相当。

根据一个实施例，整个卫星波束覆盖区302上的频率不确定性是95KHz，内波束上的频率不确定性是68KHz，外波束的频率不确定性是57KHz。外波束的频率不确定性远小于整个卫星波束覆盖区302上的频率不确定性。从而，通过考虑各波束而非整个卫星波束覆盖区302的频率和时间不确定性搜索，搜索较小的空间。较小搜索空间意味需与接入探查410比较的假设较少，也即指可用较少硬件获得接入探查。VII.接入探查详况

图9表示接入探查结构900。接入探查410包含接入探查前置部分(前置部分)920和接入探查消息(接入消息)930。接入探查前置部分920包含空数据(例如，全为“1”或“0”)。接入探查消息930包含有意义的信息。

根据本发明，以两级发送前置部分920：第1级前置部分960和第2级前置部分970。第一级前置部分960仅由短PN码对940调制。第2级前置部分970由短PN码对940和长PN码950两者调制。用户终端206发送第2级前置部分970后，用户终端发送消息级980。消息级980由接入消息930调制，而接入消息930由短PN码对940和长PN码950调制。通过逐级发送前置部分920，可减少解决频率和定时不确定性并获得接入探查410所需的假设数。

根据一个实施例，在发送和接收第1级前置部分960期间解决频率不确定性，而在发送和接收第2级前置部分970期间，完全解决定时不确定性。在上述待批美国专利申请(代理人档案号NO.PA277)中叙述了发送接入探查410的系统。VIII.获取接入探查

图10表示根据本发明一个实施例，在网关202获取接入探查的过程。在步骤1002过程开始。在步骤1002，各接入信道接收机420分配给卫星204投射的特定波束。接着，向各接入信道接收机420分配搜索空间(步骤1004)。分配给特定接入信道接收机420的搜索空间与分配该特定接入信道接收机420的波束相应的频率和定时不确定性对应。如上文参照图6～8所述那样，确定频率和定时不确定性。接着，接入信道接收机420搜索其所分配的搜索空间以解析与该接入探查410相关的定时和频率不确定性(步骤1006)。即，使接入探查410与不同时间和频率假设对相关，其中，所有时间和频率假设对确定分配的搜索空间中的一点。搜索过程参照图12在后文详述。最后，使用解析与接入探查410关联的定时和频率不确定性获得的频率增量和定时偏移，解调接入探查410的消息部分(步骤1008)。IX.接入信道接收机

在一个实施例中，每个接入信道接收机420包含8个网关解调器(GDM)，在分配的搜索空间对接入探查进行搜索。在该实施例中，搜索空间对应于整个卫星波束覆盖区302引入的频率和时间不确定性。在一个较佳实施例中，搜索空间对应于各波束而非整个卫星波束覆盖区302的频率和时间不确定性。从而，通过考虑各波束而非整个波束覆盖区302的频率和定时不确定性并保持搜索时间常数，只需较少CDM即可进行搜索。

图11是根据本发明一个实施例的示范性GDM1000的框图。GDM1100包含模—数(A/D)变换器1110、旋转器1120、第1存储器1125、快速阿达玛(Hadamard)变换器(FHT)1130、第2存储器1135、延时电路1140、加法器1145和1150、相干积分器1160、平方运算器1165、信道加法器1170和非相干积分器1180。

A/D变换器1110接收来自天线203的IQ信道信号并量化接收信号。旋转器1120调节接收信号的频率以去除接收信号中因多普勒效应及其它已知影响产生的频率不确定性。

旋转器1120的输出存储在存储器1125中。FHT1130根据熟知的技术执行快速阿达玛变换(FHT)运算。FHT1130输出存储在存储器1135。存储器1125和1135根据熟知的过程工作，在FHT运算前后排列数据。该过程根据可能的定时不确定性，快速且有效地确定短PN码对的可能偏移数。存储器1125、FHT1130和存储器1135的输出是短PN码对940的周期性自动相关。

GDM1100的剩余部分根据熟知的通信技术计算接收信号的能量。延迟器1140和加法器1145、1150计算接收信号的同相与正交分量的估算。相干积分器1160在预选期间累加各同相与正交分量。通常，该期间相当于码元周期。平方运算器1165通过对分量求平方确定各累加分量的幅值。这些幅值称为相干和。信道加法器1170组合同相和正交信道的两个相干和。非相干积分器1180在以沃尔什(walsh)码边界开始和结尾的间隔中累加组合的相干和，提供组合和1190。沃尔什码是用于形成接收信号的是正交信道化码。沃尔什码允许多个用户共用一个频带(CDMA信道)。非相干和1190与用短PN码对940的特定定时偏移取相关或去扩频的通信信号的纯能量有关。非相干和1190的值依据短PN码对940的定时偏移是否相当于所获取通信信号的该定时偏移而变化。

非相干和1190与一个或多个阈值(未图示)比较以建立最小能量电平，用于确定适当的信号相关并由此对准频率和定时。非相干和超一个或多个阈值时，短PN码对940的定时偏移是选定的定时偏移，该偏移随后用于跟踪和解调通信信号。若非相干和1190不超过阈值，则测试新定时偏移(即另一假设)。并重复上述累加和阈值运算。X.搜索过程

图12是说明GDM1100的一个实施例工作的状态图。状态图包含粗搜索状态1210、精搜索状态1220和解调消息状态1230。

GDM1100以粗搜索状态1210开始动作。在粗搜索状态1210期间，GDM1100对接入探查410执行粗搜索。根据较佳实施例，粗搜索包含在分配给GDM1100的搜索空间按时间搜索和按频率搜索。在一个较佳实施例中，分配给GDM1100的搜索空间相应于各波束而非整个卫星波束覆盖区302上的时间和频率不确定性。

按时间搜索试图锁定接入探查410所用的短PN码对940。具体而言，该搜索试图确定短PN码对940的定时偏移。按频率搜索试图解决接入探查410的频率不确定性。按时间搜索和按频率搜索可串行进行或并行进行。由于预期定时不确定性大于频率不确定性，一个实施例执行按时间并行搜索和按频率串行搜索。在GDM1100中可获得FHT1130时，该实施例特别有用。在该实施例中，根据频率不确定性的预定范围，旋转器1120把频率增加一预定量。在各频率增量，FHT1130对短PN码对940的定时执行并行搜索。短PN码对940的特定频率增量和特定定时使非相干积分器1180的输出1190最大。如果最大输出1180超过预定阈值，则粗搜索检测接入探查410。这时，特定频率增量解决频率不确定性且短PN码对940的定时部分解决定时不确定性。

如果最大输出1190不超过预定阈值，粗搜索未检测到接入探查410。在这种情况下，GDM1100保持粗搜索状态1210。

一旦检测到接入探查410，GDM1100从粗搜索状态1210变为精搜索状态1220。在从粗搜索状态1210变成精搜索状态1220时，GDM1100改变特性以获取长PN码950。具体而言，存储器1125、1135和FHT1130对长PN码950与对短PN码对940是不同的。根据一个实施例，存储器1125、1135和FHT1130重构以搜索长PN码950。

在精搜索状态1220期间，GDM1100执行精搜索。根据较佳实施例，精搜索由在预定到达时间不确定空间按时间搜索构成。该精搜索试图锁定在接入探查410所用的长PN码950上。在精搜索相间，在粗搜索状态1210期间获得的短PN码对940的特定频率增量和定时用于完全解决接入探查410的定时不确定性。

与上述对粗搜索相似的过程用于获得或锁定在第PN码950。长PN码的特定定时使非相干积分器1180的输出1190最大。如果最大输出1190超过预定阈值，则精搜索已获取接入探查410。这时，长PN码950的特定定时完全解决定时不确定性。

如果最大输出1190不超过预定阈值，则精搜索不能获取接入探查410。在这种情况下，GDM1100从精搜索状态1220变成粗搜索状态1210试图检测接入探查410。

一旦获取接入探查410，GDM1100从精搜索状态1220变成解调消息状态1230。在解调消息状态1230期间，GDM1100使用在精搜索状态1120期间获得的特定频率增量和定时解调接入探查410中包含的消息930。通过解调该消息930，恢复其中所含的信息。

如果在解调消息状态1230期间输出1190低于预定阈值，则GDM1100未获取接入探查410。发生这种结果有各种情况，包含完成接入探查410的发送或某些故障。不管何种原因，GDM1100从解调消息状态1230改变至粗搜索状态1210试图检测接入探查410。XI.结论

上述较佳实施例使本领域的任何技术人员可实施或使用本发明。本发明已参照其较佳实施例作了具体陈述，本领域技术人员理解，不脱离本发明的精神和范围，可在形式和细节上作出各种变化。

Claims (17)

1.一种获取由用户终端发送至卫星并由该卫星中继至网关的信号的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

根据通信波束的预定波束覆盖范围，对与所述卫星关联的通信波束确定到达时间和频率搜索空间；

搜索所述搜索空间以解决与所述信号关联的定时和频率不确定性；

根据解决所述定时和频率不确定性获得的频率增量和定时偏移，解调所述信号的消息部分。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定波束覆盖范围相当于所述波束标称覆盖区域所含方位和俯仰范围所限定的区域。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括下述步骤：

向所述到达时间和频率搜索空间分配网关中的接入信道接收机。

4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述搜索所述搜索空间的步骤包括下述步骤：

进行所述搜索空间的粗搜索以解决与所述信号关联的频率不确定性；

进行精搜索以解决与所述信号关联的定时不确定性。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号包含前置部分和消息部分。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述前置部分包含空数据。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述前置部分具有第1级和第2级，所述第1级具有第1信号调制的数据，所述第2级具有第2信号调制的数据。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第1信号和第2信号是伪随机码噪声序列。

9.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述搜索空间由频率和到达时间范围限定。

10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述信号具有前置部分，该部分在发送消息部分前发送。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述前置部分包含第1级和第2级。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述网关接收所述前置部分的第1级时，执行所述精搜索步骤。

13.一种在网关恢复由用户终端发送至卫星并由卫星中继至网关的信号的消息部分中的信息的系统，其特征在于，它包括：

所述网关中的接入信道接收机，所述接收机分配给与所述卫星关联的波束；

分配给所述接入信道接收机的搜索空间，所述搜索空间相应于分配所述接入信道接收机的波束关联的频率和定时不确定性；

搜索所述搜索空间以获取所述信号的装置；

解调搜索所述搜索空间后获取的信号的消息部分以恢复其中所含信息的装置。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述搜索所述搜索空间的装置包括：

进行所述搜索空间的粗搜索以解决与所述信号关联的频率不确定性的装置；

进行精搜索以解决与所述信号关联的定时不确定性的装置。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述信号具有前置部分，该前置部分在发送消息部分前发送。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述前置部分包含第1级和第2级。

17.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述搜索空间由频率和到达时间范围限定。

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