CN1207839A

CN1207839A - 无线数据包分布式通信系统

Info

Publication number: CN1207839A
Application number: CN96199777A
Authority: CN
Inventors: H·C·豪格利; W·R·西
Original assignee: Vistar Telecommunications Inc
Current assignee: Transcore Link Logistics Corp
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 1999-02-10
Anticipated expiration: 2016-11-29
Also published as: CA2238753C; EP0865691B1; KR19990071875A; BR9611890A; DE69608464T2; AU709791B2; DE69626404T2; CA2238753A1; NO982564L; WO1997021282A3; CN1207838A; ATE193169T1; WO1997021282A2; AU709958B2; EP0865691A2; CN1130855C; ATE233449T1; AU7688096A; EP0865690A2; EP0865690B1

Abstract

一种双向卫星通信系统,包括使用便于终端低功耗的进网协议与一组远程终端进行通信的地面站。该地面站在一个或多个卫星信道上产生TDM前向通路数据包传输,并对在一个或多个卫星信道上多路并行回程通路插入CDMA包传输进行检测,去扩展和译码。它通过导线连接与包处理中心通信,后者主要是将回程通路数据包送给终端用户并接收来自终端用户的前向通路数据包。该远程终端当一个或多个卫星信道上前向通路TDM传输时进行接收、处理和动作,并产生在一个或多个卫星信道的回程通路上插入扩展谱CDMA传输。根据系统进网协议,该远程终端与本地数字数据源和/或通路进行通信,进入睡眠模式以减少终端的功率损耗,和进入卫星通信网络。

Description

无线数据包分布式通信系统

本发明涉及无线通信，更具体而言，涉及在一个控制站，基于卫星的系统中的地面站，与许多广泛分散的远程终端之间，最好用卫星来建立双向数据包通信的一种系统。该系统可用于在远程信息源和/或转发器及固定的控制和/或监测站之间提供通信渠道。

位于赤道上空约22,000英里的地球静止轨道上的卫星，可用来提供与广泛分散的远程终端用户，其中一些可加装移动式装置的单向或双向通信。大量现有的卫星系统提供了各种各样的语音与数据服务。从本发明的地面站到多种终端的通信传输在下文中称为前向通路，而从终端到地面站的通信传输在下文中称为回程通路。

对于许多现有的通信系统，如蜂窝系统，各个终端在它们的通信通道上发送和/或接收只是时有时无的，典型的情况下只在小于1％的时间内有动作。在通信不动作期间，许多终端仍然继续工作在功率消耗水平与通信动作期间无显著差别的状况下，这是由于需要和基站交换管理数据。当终端的功率源的容量相对于终端的额定功率消耗是足够大时，这就象终端是通过联到AC供电的情况，功率利用效率不高是可以容忍的。然而，对于终端的功率源的容量是有限的情况，譬如由电池提供电源的场合，提高功率消耗的效率是所希望的，这样可以降低终端通信中断期的频率或/和必须更换或对电池重复充电造成的不方便。

有许多通信系统的例子，其中工作在系统网中的终端为了和其网络的控制器通信，必须准备好随时可用，对于这样的系统，要求终端连续监测其接收通道，因此，就要忍受在通信不动作的时期内有较大的功率消耗。

一种本领域的技术人员熟知的，在远程终端降低平均功率的方法是让终端在动作与不动作的状态之间循环。典型的动作状态包括：接收模式，其中终端监测前向通路通信信道；发送模式，其中终端通过回程通信信道发送回程通路信号；以及终端处理模式，其中终端的处理机，如微控制器或微处理器是工作着的。不动作状态通常称为睡眠模式，其中电源从一个或一个以上的终端组分中撤去，这样，典型的情况下，功率消耗是大大小于任何一种动作模式。然而，功率消耗的节省是以终端通信的可用性为代价的，例如，从地面站的发送将不能被远程终端所接收和处理，如果在发送期间，该终端是不动作的话。对于这种情况，大家就认为终端的可用性低。对于终端可用性低的一种解决办法是让地面站多次发送同样消息到终端，在这种情况下，终端采用睡眠模式获得的低功率消耗是以带宽效率为代价的。

通信通道的主要目的是能让两个或两个以上的机构通信，如在远程终端与终端用户之间。向前和回程通路信号可以包括帮助信号，如监控信号，帮助终端与地面站在时间与频率上同步，还包括在终端与其网络控制器之间适当数量的通信管理开销以便于网络让终端信号进出。在网络控制器与终端之间的通信管理开销可以包括终端的识别或周期性地调整网络参数。

本领域的技术人员承认，使通信管理开销最少是十分希望的，这样可以最大限度地提高通信通道的利用效率。在每个终端与基站之间强制性的周期性通信，如在蜂窝系统中那样，导致通信通道的低效率使用，尤其是对于那些应用场合，其中在终端与终端用户间通信的额定的睡眠周期比强制性通信的周期要大得多。

美国专利5,392,287公开了一种方法，用于降低具有大量远程终端的通信系统的接收机功率消耗。该系统使每个远程终端的接收机周期性地进入动作状态，在这段时间内它们可以接收在查询通道上寻址的消息，使用现有技术的动作状态的周期限于2到128秒的范围内，有许多应用，其中在远程终端和地面站之间的通信是不经常的，如以每月或每天为基数。对于这些应用，采用美国专利5,392,287的构思的终端的电池寿命被过分的限制了。

而且，现有技术的地面站的发射机，以下称为基站，在每次动作状态期间，要向每个终端发送一个或一个以上的消息，这就导致相当大的功率消耗，因为终端必须接收一个数据块。再者，虽然这可能是希望的，即有一个终端监测器，周期性地监测通信通道以确定是否有任何消息或数据包，然而，在每次指定的终端动作状态时，地面站都要发送一个消息，从带宽效率的角度看，这是不希望的。在终端的动作状态期间要发送一个专门的消息至每个终端，与这种要求有关的通信管理开销严重地限制了系统的容量。

卫星通信经常用作为，它们可能不经常动作的远程传感器和监测站之间的通信渠道。对于许多这样的应用，可能希望远距离改变传感器的动作频率而不需要实际出入终端或引起远程终端在重新配置期间成为不可用了。

本发明的一个目的就是要减轻上面提到的现有技术的一些不足。

按照本发明的一个方面，提供一种无线数据包通信系统，它包括一个控制站，和许多广泛分散的远程终端，这些终端具有：动作模式，在此期间它们能够发送与接收数据包；和睡眠模式，在此期间它们是不动作的，所述的控制站与每一个所述的远程终端能够从事数据包通信，在TDM前向通路上从所述的控制站到所述的终端和在插入的多重出入口回程通路上从所述的终端到控制站，每个所述的终端有一个地址，并且在前向通路上分配有专门的时隙，在此期间可被所述的控制站寻址，每个所述的终端包括一个可工作在睡眠模式的定时器，使所述的终端在分配到它的时隙期间周期性地进入动作模式，以及一个对在前向通路上接收到的数据包进行解释的处理器，所述的控制站包括贮存分配给各个远程终端的时隙的数据库，根据需要再发送的装置，在分配到的时隙期间在前向通路上发送寻址到特定终端的数据包，以及在插入的回程通路上，在时隙期间接收来自终端的数据包的装置。

尽管每个终端可以有一组地址，以致几个终端可以同时被寻址，然而，在正常情况下，每个终端也可有唯一的地址，这样，数据可被送至特定的终端。

该系统是一种典型的基于卫星的系统，在这种情况下，控制站可包括管理所有与卫星通信的地面站和一个数据包处理中心。后者可以在地理上与地面站是分开的，它将根据所希望的协议对进出的数据进行格式化及处理。

在该最佳实施方案中，插入的回程通路的帧结构是与前向通路相同并同步的，在终端内存在有预先规定的子帧数的偏移。帧结构最好是等级式的帧结构，其中前向通路中的数据包是在子帧中传送，形成等级的部分由子帧，帧，多重帧，和超帧组成，时间长度分别为0.5秒，60秒，1小时，和24小时，每个子帧由其在等级中的位置来辨认，传递时分多路复用的数据包，其中包括辨认数据包将发往的终端的地址区。在回程通路中，数据包占据了一个完整的子帧，典型的做法是在子帧内采用码分多路复用技术进行多路复用，虽然其它的多路复用技术也可以采用。

在这样的等级式结构中，最低级的“帧”称为“子帧”可以理解的是在权利要求中的术语“时隙”是归属于任何“帧”的。例如，在一种等级结构中的子帧，它是能够携带许多数据包的，在前向通路中，数据包在时隙中是被时分多路复用进入时隙中的各个时间片的，而在回程通路中，它们在一个单个的时隙或子帧中被码分多路复用。

回程通路最好是采用CDMA(码分多址)的系统通路，但FDMA或频率跳跃式MA也可采用。

回程通路的时隙边界通常应该同步到在终端上接收到的前向通路TDM结构上。

在前向通路中使用TDM提供了足够的容量去传送前向通信量，对于多重波束的卫星来说，在用户终端所在的卫星波束中采用单个TDM载频跳跃的办法可降低卫星成本，对于所有的远程终端也提供了共同的时间和频率标准，而不需要发送专门的消息到每个终端。

每个前向子帧包括同步/网络包和数据包。同步/网络包使终端能检测出存在前向通路传送。使终端子帧定时和接收频率的估值与前向通路传送同步，并确定网络状态，如当前网络的版本及终端的出入条件。数据包跟随着同步/网络包，并包括终端辨认信息及被辨认的终端的数据，如位置定位的请求。终端辨认信息使正在动作的终端能确定打算与谁通信，每个终端至少有一个识别码，可以有多重识别码，使其便于与一组终端进行数据通信。

时间插入的回程传送是与唤醒特定的终端去接收特定的前向TDM子帧然后在特定的回程子帧中发送任何回程信号以便使终端电池消耗最小的概念是一致的。因为前向和回程帧是同步的，地面站知道何时能指望从一个给定的终端接收到信号，以及信号将出现在那一个卫星的上行通路波束中，后一个因素允许地面站接收机在同步状态下作波束跳跃，但稍稍滞后于前向通路上的波束跳跃。当额定出入口多于10个的情况下，CDMA看来提供了设备/软件复杂性与性能的最好折衷方案。

终端最好包含两个振荡器，一个定时终端操作，另一个用于控制终端的接收与发送的频率，每次终端唤醒，接收与处理一个子帧，测量子帧的计算值与实际到时的差。由这时间差可以校正它的当地时间，然后可让回程信号精确地定时，并且为后续的睡眠周期提供精确的起始点。另一种办法是，终端可以利用该时间差去计算在定时频率中的误差，然后修改钟的倒计数用以补偿频率误差，后一种方法改进了所有后续终端操作的定时精度。

每次终端唤醒并接收一个子帧，它还记下接收本地振荡器与高精度下行通路接收频率之间的差异。将该本地振荡器频率的差异用于两种方法，在短的时间内，它可对振荡器校正，这样任何后续的终端传送或接收将在更精确的频率上进行，在长的时间内，该差错已被平均，合成的结果用于校正本地振荡器由于晶体老化引起的长时间漂移。

时间与频率的再同步允许低成本元件应用于终端振荡器，并且免除了大功率消耗的晶体炉。同时维持终端性能在技术指标之内。

在其它比较宽的范围内，本发明提供了一种无线数据包通信系统，包括；控制站及许多广泛分散的远程终端；建立从所述的控制站到所述的终端的前向TDM通路的装置；和建立从所述的终端到所述的控制站的插入式多址扩谱回程通路的装置，允许在所述的控制站与任何所述的终端之间进行选择性的数据包通信。插入的回程通路最好同步到终端上的前向通路上，并偏移预先规定的时隙数。

本发明允许低的功率消耗，这就表明终端可位于遥远的或不能接近的位置上，可具有以年计的电池更换周期，依据内部电池的功率消耗情况，终端有四种主要状态：发送，接收，测量与睡眠，在发送状态，终端将消耗其最大的功率，在几瓦的范围以内，在接收或测量时(例如GPS定位调整)，功率消耗将比发送时小，但仍然是大的，当终端处于睡眠状态时，功率消耗将落到微瓦的水平，主要用于维持内部时钟。

使任何发送，将接收和测量周期的长度减至最小，使整个工作循环最小，因此使终端的睡眠时间最长，就可能延长电池寿命。使功率最小的关键要素是将消息可能在前向通路上发送到终端的特定时间预先编程在终端的存贮器中。这些时间可通过将消息从网络控制器上下载而改变。终端在它的预先编程的前向“子帧”到达以前不久唤醒，接收与处理短的子帧，调整它的内部时钟与本地振荡器，寻找包含在它的地址中的任何消息，并决定是否需要有任何动作。如果没有，终端返回到睡眠状态直到下一次唤醒的时刻。如果需要有动作，例如，测量和发送此结果，则在短的时间内实施，然后，终端又回到睡眠状态，任何回程发送是在特定的，很短的时隙中发生的。

非常长的终端电池寿命是可以达到的，即根据本发明，使终端只在预先编程的很短的周期内唤醒去接收前向消息，做测量，或发送回程消息。当成对使用波束跳跃式前向TDM通路和波束跳跃式插入回程通路时，这种概念尤其有效。

空间段的成本是基于卫星资源的利用方式。在L频段上的移动卫星最缺乏的资源，因此也就是成本的主要因素是L频段的上行和下行通路的带宽及L频段下行通路的EIRP。根据本发明，系统可以工作在几个移动卫星L频段的波束上，移动卫星服务提供者是按平均下行通路L频段EIRP收费的。系统跳过在卫星波束中的一个单个TDM的载波。另外，前向载波只在数据包要发送时激活。因此，系统的EIRP成本，尤其是当第一次部署时，是远远小于一个前向通道的正常成本。此外，数据激活信号将与语音激活信号相似，而这种信号对移动卫星服务提供者来说是熟悉的和可以接收的。

对于前向发送，要产生一个单个的窄带载波，它包含了按时分多路复用格式的全部消息。这个单个载波可以采用简单改变其载波上行通路频率，因而改变波束的办法在卫星的波束间换接，使得利用仅一个通道的前向下行通路EIRP就可以对所有远程终端提供服务。

通常对于一个周期性的数据传输系统，不是所有TDM基带信号的时隙都被占用了。数据包的前向载波，因而下行通路的EIRP，在没有数据要发送时可以静音。

以上所述的两种动作是可能的，因为系统是按这样一种有效的终端控制方案设计的，成千上万个终端可以用一个平均速率低于1200比特/秒的前向数据流来控制。在一个5KHZ的卫星语音通道内，这是很容易配合的。

本发明的另一个特点，作为前向波束跳跃的结果，是在回程方向中，一个接收通道也可以在回程波束中有效地跳跃，在这种情况下，地面站中的一个通道单元是这样被控制的，即通过其工作频率在任何给定的时间上只从一个卫星波束接收信号。被处理的波束跟随着发送前向信号的波束，但时间上滞后大约2秒钟。如果终端的回程通路发送是与前向通路发送在时间上是同步的，并且在准确的时间到达地面站，则波束跳跃式接收机的使用只是提供了一种有效的通信渠道。这种回程波束跳跃并不影响卫星的租用成本，但是可使回程通路利用地面站上的一套装备来接收和处理信号，而不是每个卫星波束要一套。

该系统是设计成服务于成千上万个终端而平均系统数据速率仅为几kbps。使其成为可能的因素是非常低的终端通信工作周期以及一种非常有效的装置去控制终端的接收，测量，发送及睡眠状态，编程在终端存贮器中的是有时间标记的终端操作指令，终端可以按照它们的编程步骤运行而只需要网络控制器最少的信息。

正如上面指出的，到系统终端的前向通路是单一的被分成帧与子帧的TDM信号。每个终端编程为在每天发生的成千上万的信号中只查看特定的一些子帧；因此，所有终端中只有一个很小的子集正在查看任何给定的子帧。每个终端有唯一的地址和可能一个或一个以上的组地址。终端查看分配给它的子帧并只处理对它寻址的消息。指出这点是重要的，虽然许多终端可以唤醒后接收和处理给定的子帧，只有少数在此时有对它们寻址的数据包。采用将全部终端中的一个子集分配给一个子帧，并且在此子集中对特定的终端寻址的办法，网络控制器可以在一个通道上提供足够的信息去控制这些成千上万个终端，在卫星波束间终端的地理分布不是一个问题，这是由于前向通路波束跳跃，可以根据需要在波束中分配子帧。

从这些终端的回程通信是多路复用的，这样可最大限度地减少拥挤。终端是通过一个存贮的命令或一个前向消息分配到一个用于发送的特定的回程子帧，分配到子帧的终端中只有一部分可能实际使用它，这样做的那些终端将和标有终端地址的每个消息共同使用CDMA中的回程通路。

因为，对于每一个分配有前向子帧的终端来说，和一个终端通信并不是强制性的，系统可以有无限数量的终端分享同一个子帧。这些特点，以及前向与回程波束的跳跃，使大量横贯大陆分布的远程终端可以由相当低速率的通信通路来控制。

通信管理就是这样的装置，它使系统能够以有效的方式分配容量，利用仅有几kpbs数据速率的前向和回程通道来维持与几个成千上万终端的通信。网络运行中心(NOC)在其通信管理职能上有三个主要模式：正常数据流，通信过载，和系统出错恢复。用户将指明终端唤醒的周期及额定的回程通路的进出方法(例如，巡查，周期性，事件驱动)。NOC控制终端唤醒的实际时间，采用这种方法可将唤醒操作均匀散布在一天里，NOC控制终端接收命令的时间与发送响应之间的延时，这样再一次减少由于子帧和/或终端使用的实际子帧之间时间上的随机性引起的潜在阻塞现象。对于大的终端组，跟随一个查巡消息是特别有效的，其中回程通路数据包将分布在足够长的周期上以保证高的消息成功概率。

当在前向方向发生阻塞时，NOC有许多控制方法使问题降至最小。如果阻塞时间非常短，只是一个子帧过载，NOC可将消息扩展到两个子帧上并设置一个前向过载标志，此标志告诉终端，此消息可能在它们唤醒后的第一个接收到的子帧中，或者在下一个可得到的子帧中。对于较长时间的阻塞，包括一些对特定波束的消息，NOC有一种可选择的办法是增加子帧数目，因此也就是增加波束的容量，这是通过改变网络版本数来实现的。其它可为NOC所用的变更方案是利用通信优先权，仅接收对于前向传输有较高优先权的消息，或者指定一些终端使用同一波束中的别的子帧，因为那儿通信量比较小。

在回程方向的阻塞可直接利用回程优先权或者通过改变网络版本来分派更多的回程子帧来解决。非直接控制可通过减少在任何给定时间上要巡查的终端数目来实现。

阻塞控制技术也可用来影响在一个系统出错恢复后的通信逐渐建立过程。另外，终端可以临时静音，NOC可从由优先权或/和时间延时分配的通信静音中缓慢释放出来。

本发明的优选实施方案的一个重要方面是通信管理技术的组合，这将最大限度地降低了由于发往和来自大量远程终端的消息造成的窄通信通道过载引起的信息损失的可能性。这些技术包括：

对于前向通路：

·终端唤醒时间控制

·在卫星波束之间前向容量分配的控制

·扩展终端唤醒子帧的有效持续时间用以处理偶然的子帧过载的有效(在终端的功率消耗方面)方法

·使用优先权来解决已扩展的前向通道的过载

对于回程通路：

·使终端能/不能发送的回程通路的出入控制

·回程通路消息优先权的使用

·终端发送的时间分散

·在卫星波束间回程容量分配的控制

因为对于前向及回程通道来说，系统带宽很低。最大限度地降低对产生必须传送的消息的通信的非收益部分是至关重要的。当一个终端唤醒后等着听预先安排好的子帧，但未收到该子帧的情况下，就进入一种“失去接触”模式，它将测试失去接触的各种可能原因，从最可能的开始，即传播途径的阻挡。终端也可测试，是否在睡眠状态时，终端已在卫星波束之间移动过。在存贮器中，存有子帧及可以找到自己的每个卫星波束的激活时间表。终端测试是否它接收到为其它卫星波束保留的帧位置的子帧。如果是这样，它辨认出在那个波束中，调用已存的为该波束用的激活时间表，发一个短消息到PPC/NOC(包处理中心/网络运行中心)，将该波束注册。该消息由PPC确认，不需要更多的过载消息，因为终端及PPC/NOC有全部它们需要的信息。

这是一个重要的特点，在激活阶段，终端自己可以辨认已经穿过了波束的边界，给PPC/NOC一个注册消息以后，能重新开始全部操作，传统的系统，譬如像蜂窝式漫游终端，在它已穿过一个蜂窝的边界并通知蜂窝控制器以后，需要新的时隙分配传送到终端，这就包含了很大的产生过载的无益部分。

远程终端最好使用L频段的微带拼接天线，这样可获得接近全方位的覆盖，小的外形，坚固耐用以及低成本。目前，发送与接收采用分开的天线，然而，单根天线既用于发送又用于接收的概念，作为将来产品的一种提高而将予以评估。终端运行在半双工方式下，目前天线接收带宽对于分配给卫星移动运行的1525至1559MHZ带宽是足够的，对于用于全球定位系统卫星下行通路的1575.42MHZ也是够用的。

使用单个天线部件及低噪声放大器，不仅接收来自通信卫星的终端下行通路信号，也接收终端用作位置定位的GPS卫星下行通路信号，这样可大大减小尽寸及降低成本。

本发明尤其适用于从一个位置与大量的地理上分布很广的终端进行通信而无端先知在覆盖区内终端的近似位置。本发明可用于宽覆盖的地面系统。

有许多应用场合，其中终端尺寸小及重量轻是特别希望的，这样可使终端不突出显眼。例如，在保安系统应用中，通常宁愿要小的，难以觉察的终端。网络进出的协议或本发明的系统有助于延长电池寿命，结果就使得需要的电池比较小，因此也就是使终端尺寸比较小，因为电池供电的终端的电池可以代表终端的体积和重量的很大部分。

因为，本发明的回程通路的特征是多道对一道的通路，而所述的多道在地理意义上讲是广泛分散的，因而导致回程通路传播延时有差别，这样，有效利用卫星通道是比较困难的，CDMA(码分多址)扩谱技术使占据相同频谱的许多终端可同时传送。在本发明中，正如上面指出过，每个回程通路是CDMA传输，是由用二进制伪噪声(PN)波形调制的编码数据信号组成。正如本领域的技术人员熟知的，PN波形包括多个二进制元素，以下称为片，每片的持续时间是远小于编码数据位的持续时间，PN码字对编码数据调制的影响是增加数据信号的带宽及降低其功率谱密度。

用于CDMA系统的PN码一般设计或类似噪声的特性，意思就是它们有良好的自相关与互相关特性。只要在地面站接收到每个终端的发送信号在它们的定时方面有一个或一个以上片的差别，每个发送信号都可成功地被解码。码的长度，也就是重复以前PN码中片的数目，通常是选择成在长度上等于一个编码数据符号，但是可在小于一个编码符号到多个编码符号的范围内变动。对于一个长度为N片的PN码，可以像是使用互不干扰的码的N个同时发送。如果系统也包括M个不同的码，可象是M次N个同时无干扰的发送。

虽然，目前的优选实施方案并未使用分开的天线，不过有些应用场合希望将终端天线与它的主要电子部件离开，在这些应用中，天线部件一般包括：一个或多个天线，用于接收与发送RF信号；用于发送的高功率放大器；用于接收的低噪声放大器及控制发送与接收放大器的线路。然后，在天线部件与主要电子部件之间要联接起来用以通过发送与接收信号及DC信号。从成本，安装与维护的观点希望联接不同部件的电缆数目尽可能的少。本发明最好采用单根同轴电缆将RF及DC信号从主电子部件送到天线部件以及两个部件的控制电路，使其可激活发送，接收，或睡眠的任一种模式。

终端可以安放在各种各样的平台上，如车辆，飞机，有轨车以及固定的设施，数据通信的路径在终端及地面站都可扩展。例如，终端可以联到一个传感器上，这个传感器提供终端传输的数据源，而地面站可作为发送接收传感器数据包到终端用户的通路。

数据包处理中心维持一个终端动作周期的数据库，能够保证提供适当的子帧用于与终端的前向通信，而且，数据包处理中心可在终端可通信期间改变子帧。终端动作/不动作工作循环的改变可由终端用户提出要求，然后包处理中心可分配给终端动作模式子帧。帧及超帧结构使终端可工作在非常低的有效工作周期下。

将前向通路数据打包，用前向误差校正编码技术编码，用二进制相移键控技术(BPSK)调制，由一个灵活的载波频率升频变频然后发送出去。对于本发明来说，载波频率可以子帧为基础改变，因此能够利用多个卫星通道或卫星的点波束。另外，本发明的系统为地面站提供了能力，可在数据包的基础上对前向通路发送进行静音操作。

本发明的前向通路信号由一个地球静止卫星中继至远程终端，接收到的发送信号被终端降频变频，解调，处理后动作。

对于本发明来说，回程通路最好采用插入式扩谱CDMA技术，其中终端CDMA发送是在一个时隙之中开始与结束的。回程通路采用子帧，它与前向通路子帧长度相等并与之同步。将回程通路数据打包，用前向误差校正技术编码，进行交插处理以降低突发误差的影响，被分离成两个相等长度的数据序列，每个序列用不同的PN码编码，用正交相移键控(QPSK)技术调制，用一个载波频率升频变频，然后发送出去。

对于本发明来说，回程通路扩谱CDMA信号可以同时用许多终端发送，由地球静止卫星中继至地面站，顺序地降频变频至基带且数字化。数字化的信号加到数字信号处理器检出用户发送信号，将检出的用户发送信号进行时间与频率的同步，将扩谱信号解调或同相与正交相位的信号，将同相与正交相位信号去扩谱及去交插，并对去扩谱的同相和正交相位的信号解码，由地面站解码的回程通路发送信号被送至包处理中心按规定路径发送及按次分配到终端用户。来自包处理中心的回程通路包包括发送终端的识别标志，终端用户的地址，数据以及发送的时间及卫星波束。

本发明的远程终端具有若干装置用于采用以上的无线技术与地面站按半双工模式进行通信，通过一个串行通信口与外部联接的数字通信源进行通信，将模拟传感器输入数字化，接收或提供数字化I/O作定位测量，如纬度，经度，速度，以及应用睡眠模式去保存电池功率。

本发明的地面站具有若干装置，用于在一个或多个卫星通道或卫星上，或有多个波束的多个卫星上采用上述的无线技术与许多移动终端进行通信，以及用有线联接与包处理中心进行通信。

下面仅参考附图用举例的方法更详细的描述本发明，其中：

图1是按照本发明的一个卫星通信系统的概观；

图2是一个远程终端的功能性方框图；

图3是一个地面站的功能性方框图；

图4是表示前向通路TDM结构的简图；

图5a是表示回程通路插入式CDMA结构的简图；

图5b是表示前向和回程通路帧结构的定时同步简图；

图6是一个远程终端的第二种实施方案的方框图；

图7是一个地面站的第二种实施方案的方框图；和

图8表示远程终端的睡眠钟同步算法；

图9表示远程终端的本地振荡器同步算法；

图10表示在通信系统中可选择应用的波束跳跃安排图；和

图11是包处理中心的方框图。

参照图1，卫星通信系统由以下部分组成：中心地面站11，由有线线路12，如通过公用交换网，联到包处理中心13，通常由服务提供者管理操作，然后通过有线联接线路依次接到加值转送器14上，最后接到一个或多个最终用户15。包处理中心13包括数据库21，其中贮存有关子帧的信息，这些子帧是以下要更详细描述的方式分配到特定的终端。当多重波束卫星采用时，PPC13也贮存波束信息。

地面站11也由卫星通路16，17联到静地多波束卫星18，通过通路19将信号中继至许多远程终端20上，典型的是装在车辆上，譬如直升飞机，载重拖车，载客汽车，以及有轨车。卫星18允许覆盖很广的地理范围，如整个北美。卫星18可以广播至整个覆盖区，虽然如果希望的话，波束定向技术可将它分为子区。可以明白，示于图1的通路19根据将描述的网络出入协议的功能代表点对点通信，有关的信号是在宽地理范围上的广播。

卫星通信通路17，19由地面站11开始，通过卫星18中继至终端20，称为前向通路，卫星通信通路19，16由终端20开始，通过卫星中继至地面站11，称为回程通路。本领域的技术人员了解，本发明的关键部分是属于移动式及固定终端，非静地轨道的卫星及陆地通信系统。

本发明前向通路的发送由远程终端接收与处理的方式将参考图2予以描述。由静地卫星中继的部分发送能量为天线单元47的天线40接收，加到带通滤波器41上，在其中排除在所希望频带以外的信号。通过带通滤波器41的发送信号加到放大器42上，由Tx/RX自动检测模块使能，通过同轴电缆48联到主电子单元50的带通滤波器52上。带通滤波器52的输出信号送到混频器53，在其中由频率合成器55将其降频变频到合适的中频(IF)，频率合成器被相位锁定于本地振荡器64，其频率由频率控制器65确定。

频率控制器65的功能由微处理器57提供。混频器53的输出加到IF带通滤波器54，以进一步降低靠近感兴趣频带的噪声及电磁干扰。带通滤波器54的输出送至正交检波器56，由另一个频率合成器55的输出将其降频变频至基带。

正交检波器68的同相(I)58和正交相位(Q)59输送至模数变换器(ADC)60。来自ADC60的数字化信号由解调器61变换成二进制编码符号，然后由解码器62解码成二进制数据。ADC60，解调器61及解码器62的功能由微处理器57提供。解码器62的输出被写入输出缓存器77，接着可提供数字信号至外部数据转发器，如计算机和继电器。

在微处理器57中的定时器逻辑单元79使终端能工作在睡眠单元，周期性地激活以确定是否进入发送模式，接收模式或处理模式。当微处理器57处于睡眠模式时DC功率最小。定时器逻辑单元79在预先分派的时隙期间激活终端，这将在以下作更详细的描述。

TX/RX自动检测模块46检测同轴电缆48上提供的DC信号。由TX/RX控制模块51提供。TX/RX自动检测模块将接通发送放大器45或接收放大器42或者全不接通，这将由检测到的同轴电缆48上的DC电平来决定。TX/RX控制模块51依次由微处理器57控制，根据当前网络出入结构使其动作或不动作，这将在以后的图中描述。

图2也说明了在远程终端上运行回程扩谱CDMA发送的情形，发送源可以是模拟的67，如可由环境传感器提供，由在微处理器57上提供的ADC68数字化。另外的情形，发送源可是数字信号63，如来自计算机，可写入输入缓存器78。输入缓存器78的输出接着加到数据格式器69上，将回程数据信号打包，并加入些信息，如包的类型，目的地及包的来源。由数据格式器69来的输出发往通道编码器70，提供突发前向误差校正及交叉插入回程包的符号。通道编码70的输出加到PN编码器71上，它也可称为CDMA扩谱编码器。PN编码器71的输出送到帧处理器72，将已编码的扩谱包放入回程子帧结构。

帧处理器72将二进制PN编码信号73送往调制器74，在其中将信号变换为QPSK波形。频率合成器55用于在混频器75将调制器74的基带输出升频变频。混频器75的输出被带通滤波器76滤波，通过同轴电缆48联到天线单元47，其中有高功率放大器45，依次到带通滤波器44，最后到发送天线43。高功率放大器45在TX/RX控制单元51的控制下，由TX/RX自动检测模块46使能。

现在参看图3，发往一个或多个远程终端的数据是用有线联接116送到地面站，通过路由器115送往包处理中心13。然后，包处理中心13将数据包送到数据格式器102。每个发往地面站的数据包包括目标移动终端或多个终端组的地址。因为移动终端既可以有单独的地址，也可有一个或多个组地址，本发明的前向通路支持与多个移动终端同时通信。

数据格式器102将数据包放入帧结构中的子帧内，这将参看图4作详细描述。数据格式器102的输出送往通道编码器103，应用前向误差校正帮助补偿由卫星通信通道引起的位误差、通道编码器103的输出送往帧处理器104，将已编码的包加到TDM前向通路结构上，当在全部或部分前向通路子帧期间没有数据发送，帧处理器104将前向通路数据包静音。数据格式器102，通道解码器103及处理器104的功能是在数字信号处理器101中提供的。

帧处理器104的输出联到调制器105，将二进制编码数据变换成受调制的BPSK波形，在混频器106中由频率合成器109提供的载波频率信号对其进行升频变频。数字信号处理器101及频率合成器109对同一子帧在时间上是同步的，这是由定时及控制模块108实现的。定时控制信号由定时与控制单元108提供，使频率合成器109在正确的时间上变换。定时与控制单元108也给数字信号处理器101提供定时信号，保证来自帧处理器104的编码数据信号与频率合成器109产生的载波频率在时间上是调准的。

混频器106的输出加到带通滤波器110上使希望的卫星通信谱以外的射频(RF)发射最小。然后，带通滤波器110的输出送往放大器111，依次提供RF信号到双工器112及天线80上，，发送到静地卫星，然后中继到远程终端。

对于回程通路，天线80接收一部分回程通路信号，将它送往双工器112，然后送往带通滤波器81，压制掉所希望的回程通路频带以外的谱能量。带通滤波器81的输出用低噪声放大器(LNA)82放大，接着送到混频器84，由频率合成器85将其降频变频到合适的中频。混频器84的输出送往窄带通滤波器86，进一步限制在回程通路扩谱信号附近的谱能量。带通滤波器86的输出被供给正交检波器87，由本地振荡器90将其变换到基带。同相88与正交相位89基带信号由正交检波器提供，由ADC91进行数字变换。

ADC91的数字化输出提供给缓存器93及扩谱处理器94。定时与控制单元92为ADC91提供变换触发信号，为频率合成器85提供频率控制字，为数字扩谱处理器95提供定时信号。缓存器93为数字信号处理器95存贮超过一个子帧的扩谱信号样本。当本发明的远程终端的CDMA发送存在时扩谱处理器94处理数字化信号。扩谱处理器94由多个数字信号处理器组成，提供同时处理具有全部定时偏置假定的数字化信号及CDMA码的可能性。

扩谱处理器94检测远程终端CDMA发送的存在，给数字信号处理器95提供检出CDMA发送，有关的CDMA码及发送近似开始的指示。

当存在来自现在的卫星通道的干扰时，干扰检测器130用来处理数字化信号，这也是我们刚好要提交的一份共同未决申请的意图，这份申请号是＿＿＿，标题是：“在重叠覆盖区中无线电通道使用效率的改进方法”，它的内容在此引入作为参考。

精细同步单元96提供检测到的CDMA发送的精细时间与频率的估值。精细同步单元96的输出由去扩谱QPSK信号组成，然后这些信号送到解调器97，变换成二进制，解码的数据信号，依次送到解码器98，进行去交叉插入及前向误差校正解码，解码器98的输出供给数据格式器99，变换成对包处理中心13合适的格式。然后，包处理中心13将回程通路包发往路由器，再从路由器使用有线116装置将包发往最终用户。

本发明的前向通路TDM结构作为时间的函数示于图4中，前向通路通信可以缓存，最多可达超帧120，重覆频率大约为一天，每个超帧120包括I等长度多重帧121，长度大约是一小时，每个多重帧121由J等长度帧122组成，长度大约是一分钟。帧122包括K等长度子帧123，长度是0.5秒，每个再往下分成时间片，传送L时分多路复用包124，125，它们的持续时间全都相等。

第一个与最后一个q包124称为同步/网络包，或简称为同步/网络包。同步/网络包124提供远程终端同步及网络状态帮助。最多L-q个数据包125可在子帧的剩余部分上发送。当在一个子帧或子帧的部分期间，无数据通信，则前向通路信号将被静音，许多数据包125以帧为基础保留着用作网络公告板，包括这样的信息，如卫星通道映象的子帧。

每个包125可包含许多分开的区，如地址区，出入控制区，或溢出标志，用以指明跟随在后续的子帧中的数据较多，可在一个子帧中发送的数据量限于N数据包。希望能依据终端的数目来寻址，安排发送数据的量，在一个子帧中发送所有希望的数据是不可能的，然后，目标终端通常返回睡眠模式，固溢出标志可被设置，告诉终端停留在唤醒状态，在后续的子帧中有较多的数据，而通常是未分配给那些终端的，当然，如果溢出标志被设置，跟随的包将插入下一个通常是分配给不同终端的子帧中，因此，这就是系统容量与可达性的一种交易。

许多潜在的，没有限制的终端可以分享一个公共的有效接收的子帧，可以灵活地分享一个公共的有效接收子帧的终端数量取决于传送的数据量及希望将数据发往任何特定终端的频率。

L-q数据包125可被寻址到这些终端中的一个或多个，或者如果没有前向通路数据包要发送的话可以被静音。每个终端有一个唯一的地址，在特定的子帧期间是有效的，它将处理所有的数据包125，并顺序确定每个数据包是否对它寻址，如果一个终端在任何L-q数据包125中并未检测到它的地址，就进入睡眠模式，并将保持非激活状态直到它的下一个有效接收子帧到来，或者在被本地源中断前被外部中断所使能。如果一个终端在数据包125中检测到它的地址，它将进一步处理各自的包并相应地作出响应。

回程通路帧结构示于图5(a)中，它与参照图4描述的前向通路的帧结构是类似的。回程通路数据可在重覆频率是一天的超帧130上缓存。每个超帧130由I个重覆频率是一小时的多重帧131组成，每个多重帧131由J个长度是一分钟的帧132组成，每个帧132包括K个子帧133，其长度是0.5秒。

与前向通路不同，在回程通路中的子帧132并不再往下分，每个子帧传送数据包遍布用CDMA多路复用技术多路复用的整个子帧。

正如图5(b)所示，在远程终端上的回程通路子帧133在时间上是与前向通路子帧123同步的，存在一个离散个数子帧的偏置A。前向通路子帧123包括最多L-q个数据包可用来请求发送来自一个或多个远程终端的包。例如，在一个特定的前向通路子帧中可提供对一个远程终端发送的请求。然后，前向通路包可被终端处理，结果是在一个后续的回程通路期间实现；一个终端发送，在时间上偏置了传送该请求的前向通路子帧A个子帧。

图6示出了远程终端的第二种实施方案。来自接收天线300的信号通过低噪声放大器301送往混频器303以及常规的GPS接收机302，它将把当前的位置坐标送到微控制器310。合成的本地振荡器320由参考振荡器319控制，其频率由微控制器310通过数模变换器318按将描述的方式调节，在混频器305中混频以产生IF信号，然后在第一IF放大器304中放大，在混频器305中混频产生第二IF频率，然后在第二IF放大器306中放大，通过混频器307，316及采样保持电路308，317送往微控制器310。

参考振荡器319的输出联到90°相移器309，其输出联到混频器307，316的第二个输入以产生信号的同相I和正交Q组分。

微控制器310，例如Philips P80CL580联到外部I/O口311，存贮器312及唤醒钟314，它将周期性地唤醒终端去接收到来的信号。

将该微控制器联到功率控制电路315。

在发送一侧，信号的I和Q组分分别从微控制器送往由合成本地振荡器320驱动的QPSK调制器321。

QPSK调制器的输出通过驱动器322及功率放大器323送到发送天线324。

地面站的第二种实施方案示于图7中。来自PPC/NOC 13的数据通过调制解调器400接收，并送往数据变换器401，在其中将它变换成适于卫星发送的格式。由此送往缓存器402，用于前向误差校正的FEC单元403，窗单元404，数模变换器405，及BPSK调制器406。由此通过地面站RF设备407发往卫星。

在回程支路，来自RF设备407的CDMA信号通过混频器410，IF放大器411送往混频器412及414，用来将同相与正交组分分开，它们将在单元415和416中数字化，送到CDMA/QPSK解调器417，符号去插入器418及Viterbi解码器419。在CRC检验420以后，信号通过数据变换器410及调制解调器400返回到PPC/NOC 13。

钟422联到处理器421，在其中执行包含在虚线框内的功能，在处理器内的频率控制单元409控制合成器408，它将驱动IF混频器410及通过90°混合电路413的同相与正交混频器412，414，和BPSK调制器406。

如上所述，定时器逻辑电路或钟79，314周期性地唤醒远程终端去监听到来的数据，为了使终端的成本最低，希望采用低成本的振荡器，这种振荡器容易漂移，为了校正这一点，振荡器可在较短的时间内唤醒终端，为了对钟再同步，要比它所分配的子帧出现得更频繁些。例如，若一个特定的终端在等级式帧结构中仅分配到一个子帧，这样，每二十四小时仅重覆一次，而钟可需要被重置比这种频率频繁些。在一种优良的实施方案中，终端可以，譬如，仅为了同步的目的，每小时唤醒一次，这就保证了当下一个监听周期到来时，钟将被适当地同步到地面站。图8示出了实现这种功能的算法。

在步骤200，例如，在一小时后，终端睡眠周期结束，定时器79，314，典型的是减数定时器，在睡眠模式中吸收最少的电流，在前向通路上预期到来的子帧刚刚开始以前将终端唤醒。接收到的信号在步骤201中的0.625秒接收窗上被数字化。这样保证该窗包围完全的0.5秒子帧。被接收窗在步骤202被处理，辨认由子帧携带的唯一的同步字。在步骤205，该唯一的同步字到达的实际时间与预示的时间的差值被记下了。判决步206确定是否该差值是大于预先规定的钟周期数，典型值是30，如果是这样，就用一个新数加载到减数定时器的内部寄存器中，用以校正钟的同步。

在步骤208处理退出，终端返到睡眠模式，直到下一个唤醒周期的到来。在接收窗处理以后，别的动作，例如本地振荡器频率的同步也可在步骤203上取得。该过程将参考图7予以描述。

典型的情况是，唤醒钟79，314将运行在32KHZ上，往下分到8HZ，产生每125毫秒1个脉冲。在一种实施方案中，动作状态可分成两个子状态，一个是全动作状态，在其中接收电路是接通的；另一个是部分动作状态，其中只有微控制器是接通的。每125毫秒，钟唤醒的仅仅是微控制器310，使终端处于部分动作状态。微控制器检验，看看是否是监听到来子帧的时间或是否在其输入端阈值已超过。如果不是，返回到睡眠模式。如果是，就去接通接收电路接收到来的子帧，在此以后断开接收电路，该电路接下来就是需要最大功率消耗的发射机电路。然后，将子帧数字化，检验钟同步及寻找对自己寻址的数据包。

在完全动作状态中，在同步唤醒与数据接收唤醒之间是有区别的。例如，典型情况下，系统可以每六分钟唤醒一次去捕捉到来的子帧，停留足够长的时间去提取同步字来使定时器再同步。然后，例如，每两小时，或可能最多一小时或更多，终端可以唤醒足够长去提取数据，看看是否有寻址此终端的消息。实际上，在子帧中提取所有数据需要的功率要比单独提取同步字需要的多。当有实际需要时，终端仅需要安置在全接收和处理模式，用这种方法，可以维持定时器的同步。这可能是不经常的，如小时，天，星期或甚至月。

现在参看图9，第一层的频率估值是用FFT滤波器在步骤210完成的，数字样本粗略的误差校正在步骤212进行的。在步骤213精细的频率估值是用数字锁相环实现的。在步骤211，得到误差估值的和，在步骤218是数字样本总误差校正。步骤219是判决是否唯一的同步字已被检出，如果不是，该子帧就被排除。如果唯一同步字已检出，总误差估值传送到二维的查寻表215，用于电压控制参考振荡器64，319的电压校正216。

温度传感器214被联到查寻表上，这样保证晶体振荡器64，319的校正是随温度变化进行的。

虽然可能应用具有宽覆盖面的卫星，例如大陆宽度的覆盖，但波束跳跃技术可用来增加卫星利用的效率。如图10所示，许多频率为F_up…，F_up+NΔ，F_dn…F_dn+NΔ的上行通路及下行通路可用于传送地面站与卫星之间的数据，频率转换器将数据转换到N个点波束19¹…19ⁿ中任意一个上，这些点波束具有不同的，通常是部分重叠的覆盖区。

卫星点波束的使用允许有一个附加的采用先进技术的层加到终端寻址方案中。除了分配一个子帧到特定的终端或可与其它终端共享的终端外，系统也可对一个特定的点波束识别一个终端。

尽管许多终端可以共同使用一个子帧而不采用波束跳跃技术，但可以分享一个子帧的终端数是受限于系统可独立进出的终端数，同时，也受限于要发送的数据量。例如，在一个给定的子帧中有N个数据包，N个单独的终端可被在该子帧中独立地寻址，假定对每个终端发送一个包，当然，在某些情况下，希望由一个单独的组地址对几个终端寻址，在这种情况下，同样的包可由该组的每一个终端接收。使用波束跳跃技术，在一种使用多重TDM前向载波的实施方案中，一个终端除了分配到子帧外，也可被分配到一个特定的波束，这样。在不同波束中的另一个终端，最好是不相邻的波束，可准确地占用一个子帧中的同一个时隙而没有干扰。每个终端的波束识别器存贮在地面站的数据库中。

包处理及网络运行中心(通常缩写为PPC)13，详细地示于图11中，是数据收集系统(DGS)的组成部分。PPC13通过地面站设备11，在VARs(加值转送器)与远程终端之间提供通信与处理的活动中心。

PPC13是按模块化设计的，这样便于发展，升级，定做和按比例缩放。可按用户要求制作的出入口服务器501允许使用各种各样的通信模式(同步，异步)，接口，协议，远程出入口，和消息的路径。通过复制双份，数据库的复制及备份，备份运行，及不间断电源(UPS)508，使它具有高可靠性及可达性，它使用内部的高速LAN以避免消息通信冲突。它应用软件可下载的工作站及定做的软件以适应特定的应用，允许将来的性能增强和发展。

PPC提供以下的功能：

·包处理(辨认，编码，解码，编格式，和解释)

·与VAR的通信接口，使其能控制与监测远程终端，

·包的调度，用以调整终端的唤醒频率与时隙分配。

·包通信负载的分配

·包与消息的路径

·安全(证明，授权，记帐)

·包及使用记帐(用于开帐单)

·提供数据的数据库管理系统，包括：

·VAR信息

·终端参数

·终端组信息

·通信通路参数

·数据库后备设施及脱机存贮媒介(磁带)的接口

·网络监测与控制的操作员接口

·提供对数据库存取的操作员接口

包的路由模块505提供包及消息的处理功能。由远程终端接收到的包通过出入口服务器501送到此模块，在其中它们被解码，解释，记日志及记帐。如果一个消息被要求在适当的VAR14上作为接收一个包的结果发送出去，该消息在此模块中被编辑及格式化。然后VAR消息将通过出入口服务器501及通信线路502送到它们适当的目的地。

在前向方向，预定要送往终端的包由此模块505编辑及格式化。该模块也提供包的调度功能，保证与终端唤醒时间一致的情况下发送数据包。

包的路由模块505也在发往终端的前向包存贮单元515中保持大量的包。这些包在与终端唤醒时间一致的适当时间发送出去。

出入口服务器501控制来自与送往PPC13的通信。出入口服务器也处理较低层的协议及为各种通信通路需要的物理接口。

出入口服务器501也提供PPC13的安全服务。安全服务是证明，授权和记帐。

出入口服务器501为可靠起见是双份的。这些模块为了增加服务是可扩展的，并可按用户定做以适应特定的应用和接口。

网络操作模块506提供对系统操作员509的主要接口。由该模块来维持系统的健康状态及运行状态。能使操作员509执行对系统的维护及测试操作的接口也由该模块提供。网络管理，网络配置，加故障标签的工作也在此进行。

供应模块507进行PPC13的数据库管理。对于所有可供应信息及帐单信息来说，这是主要的存贮地。由供应模块507维护的数据库包含VARs及终端的信息，它们的特性，以及如何与何时与它们通信，终端数据库维持一个终端动作周期的当前目录，因此能够保证在适当的时候与终端通信。

对下游帐单系统要求的接口也由本模块提供。

做备份及重新存贮所供应的信息的能力由备分单元511提供。备份是用于脱机存贮的硬件媒介(DAT带)。

备用模块505是为了可靠而提供的。在出故障的时候，这种模块成为有效。数据库备份是经常地更新的。

为了与外部单元，如地面站11通信，提供了异步通信线路500。

必须要防范短时间电源中断的场合，提供有不间断电源508。

PPC13通常在地理上是与地面站分开的，通过出入口服务器501经调制解调器与它联结。出入口服务器501也联到VARs，经过X.25，帧中继或SMDS网络。

作为本发明的一种操作说明，考虑一个例子，一个有很大的卡车队的运输公司，其中有十辆冷藏车是运行在“中心”卫星波束。到目前为此，每四小时一次监测冷藏单元的温度。对此该公司是满意的，然而热浪发生了，公司现在想要每小时保持卡车的温度。

假定，十辆卡车的终端中每个预先都编程为在相同的，特定的相隔4小时的子帧上唤醒，以便寻找具有公司的冷藏车的组地址的消息。当他们唤醒时，终端被编程为读入相应于冷藏单元温度的模拟电压，将它变换成数字字，并以回程消息的形式存贮。

运输公司，一个最终用户15，将通过(譬如说)拨号地面线路与加值转送器(VAR)14通信，要求他们的终端中的一个特定的组应该修改它们的唤醒时间表从每四小时一次改变为每小时一次，它们应被查询，以在它们的模拟输入上测得的电压作为每个唤醒的响应。VAR不需要知道哪辆卡车被查询，或什么信息正被返回。然后，VAR14利用通信线路502将该信息送到包处理中心13。

来自VAR的消息由出入口服务器501接收，并送往供应模块507。供应模块将检验VAR请求是否有效，然后将此重新编排日程的信息放入它的数据库21，并将此消息送往包路由模块505。包路由模块将接受该更频繁的终端唤醒的请求，将它变换到一个新的特定终端组的终端唤醒时间的时间表中。然后，将消息加到具有新的唤醒时间表的终端组，对在老的，四小时一次唤醒时间上的发送打上时间标记，并将消息放入前向包存贮器515。在适当的时候，包路由模块505将产生对特定的终端的查询消息。包路由模块505将此消息存入前向包存贮器515，在与前面的消息同样的前向子帧123中。

在被识别的子帧123被发送前几秒钟，子帧的内容，包括两个消息包125，将从前向包存贮器515中取出，通过出入口服务器501，放在线路500上，提供到地面站11的通信。对于特定卡车的两个消息包125的地址区将包含十辆卡车的组地址。子帧通过调制解调器400在地面站11被接收。它将藉助于数据变换器401及帧缓存器402，和规定发送频率的字一起被读出与存贮。当在等级式帧结构120，121，122中，子帧123的发送时间来到时，子帧123从帧缓存器402中读出，在FEC403中进行纠错编码，在窗404中被交叉插入及加窗，在D/A405中变换为模拟信号，在调制器406中用于BPSK调制一个载波。载波频率，基于与子帧123一起存入帧缓存器402的字，由合成器408产生。调制器406的输出被滤波，并送往地面站RF设备(REF)407，在其中，被升频变频，被发送17到卫星18。卫星18转换接收频率，这是利用已经发送的17(2)几个上行通路频带实现的，将此信号在卫星波束19(2)中的一个波束中下行通路发送，在其中将由该波束的终端20接收。

被识别的终端20被编程为刚好被识别的子帧123该到达的时间前唤醒。终端20将在它们的天线300上接收下行通路信号19(2)，在低噪声放大器301中将它们放大，将它们降频变频为第一IF频率304，第二IF频率305以及最后在混频器307和316变换成正交基带。正交基带信号在S/H308和317中被采样与保持，送到微控制器310，在其中它们被A/D变换201，60。两个序列的数字样本利用图9的算法被频率校正218，终端参考振荡器216，319，64也用此算法校正。被校正的数字样本被解调61，解码62及存贮，用于解释77。一种动作就是遵循图8的算法校正终端定时。对每个终端20的第二种动作就是在子帧123中的十个数据包125的任意一个包中寻找它的地址。

假定十个被识别的终端20中每一个已成功地对子帧123解调及解码，它将辨认出包含它的地址的数据包125中的二个包。它将读有关唤醒时间的数据包125’并改变它的已存贮的唤醒时间表。它将读包含查询消息的数据包125，并辨认出是否要求用包含它的模拟输入口67的最近读数的回程消息作为响应。回程消息将在数据格式器69中格式化，占据合适的回程子帧13，回程等级的部分130，131，132，相对于被识别的前向子帧123的时间延迟，用子帧周期的整数个来表示，如图5b所示，其中所识别的子帧123称为前向子帧0，有关的回程子帧133称为回程子帧0。当合适的回程子帧133到达时，充满回程子帧133的回程数据包将由数据格式器69中读出，在通道编码器70中编码及交叉插入，在PN编码器71中扩谱，送到QPSK调制器74，321，它将由合成器55，320调制载波。受调制的载波将被322和323放大，送到终端发送天线324发送19(2)到卫星18。卫星18将上行通路信号频率从L-频段移到Ku-频段，将信号下行通路发送16(2)到地面站11。

对于此例，假定，所有的十个终端使用码分多址技术在相同的回程子帧133中发送它们的回程消息。所接收到的组合信号在地面站RF设备407，再有混频器410中降频变频，最后在混频器412及414中降频变频到正交基带。模拟I和Q通道被数字化415和416，送到处理器421，其中解调417，去插入418，解码419及CRC编码被检验420，所有十个终端的回程包是并行处理的。然后，十个回程消息被送到数据变换器401，将对它们格式化，以便通过调制解调器400，在地面线路12，500上送到包处理中心13。

在包处理中心13，出入口服务器501将接收此十个消息，将它们发往包路由模块505，包路由模块505将确定十个消息所预定的VAR，准备发往VAR的数据。数据将通过出入口服务器501，沿地面线路502送到VAR14。VAR将辨认数据打算送往的用户并送出数据。

除了可能要等待终端下一个唤醒周期的到来外，本过程将在20秒以内完成，该运输公司将得到第一份每小时的温度报告。

本领域的技术人员将会发觉，所描述的网络出入方案并不需要在地面站与远程终端之间周期性进行通信，这样就允许终端可以有任意长的不动作周期。在此周期内，终端只需要不经常地完成唤醒，譬如说，在一个短的周期内一天三次去监听，确定在分配给它的时隙中，是否有个信号对它寻址，这种方案的结果是延长了电池的寿命。

所描述的系统也提供在空中改变终端参数以及调节终端内部时钟的能力。此外，它也允许有效利用可得的卫星带宽。

Claims

1.一种无线数据包通信系统，包括：

一个控制站，和许多广泛分散的远程终端，这些终端具有动作模式，在此期间它们能够发送与接收数据包，还具有睡眠模式，在此期间它们是不动作的，所述的控制站及每个所述的远程终端能够从事数据包通信，在TDM前向通路上是从控制站到终端，在插入式多址回程通路上是从终端到控制站。

每个远程终端有一个地址及在前向通路上预先分配的特定时隙，在此期间可由控制站寻址，每个所述终端包括：

一个可工作在睡眠模式的定时器，使终端可在其预先分配的时隙期间周期性地进入动作模式，和

一个处理器，用以解释在前向通路上接收到的数据包，和

所述的控制站包括：

一个数据库，用以存贮分配给各种远程终端的时隙，

根据需要发送的装置，将数据包编址到在前向通路上在它们所分配的时隙中的特定终端和

在插入式回程通路上，在时隙中从终端接收数据包的装置：

2.根据权利要求1中所述的无线数据包通信系统，其中每个终端有一个唯一的地址。

3.根据权利要求2中所述的无线数据包通信系统，其中将一个子集的终端分配到前向通路上的每一个时隙，每个时隙携带许多时分多路复用的数据包，每个包括一个地址段，它可被单独编址到指定该时隙的任何一个或全部终端。

4.根据权利要求1至3中任一个所述的无线数据包通信系统，其中所述的控制站包括在所述的前向通路的至少几个时隙中发送同步包的装置。

5.根据权利要求4中所述的无线数据包通信系统，其中在每个终端的处理器在动作模式期间，对在前向通路上被发送的包作出响应，用以对终端再同步。

6.根据权利要求1至5中任一个所述的无线数据包通信系统，其中所述的前向和回程通路应用等级式帧结构，所述的时隙是组成最低阶的帧的子帧。

7.根据权利要求1至5中任一个所述的无线数据包通信系统，其中，在所述的回程通路中的时隙携带应用码分多址格式多路复用的包。

8.根据权利要求1至7中任一个所述的无线数据包通信系统，其中在所述的回程通路中的时隙相对于在前向通路中所分配的时隙有预先规定的时间偏移。

9.根据在权利要求8的无线数据包通信系统，其中所述的预先规定的时间是整数个所述时隙。

10.根据权利要求1至9中任一个所述的无线数据包通信系统，其中，每个所述终端的处理器有一个本地的中断，用于将所述的终端置入动作模式，这样，它就能响应本地的请求，用随机存取的方式在所述的插入式回程通路上钭数据发往所述的控制站。

11.根据权利要求1至10中任一个所述的无线数据包通信系统，其中，除了所述的动作模式外，每个所述的终端有一个半动作模式，在此期间，处理器是动作的，动作时间长度刚好够从到来的信号中提取同步包，用来对终端再同步。

12.根据权利要求11所述的无线数据包通信系统，其中所述的处理器组成控制终端运行的微控制器的一部分。

13.根据权利要求12所述的无线数据包通信系统，其中所述的定时器周期性地唤醒所述的微控制器，要比所述的终端被编程进入动作或半动作模式更频繁些，按照在终端中存贮的程序所述的微控制器被确定，是否是该将终端进入动作或半动作模式的时间。

14.根据权利要求13所述的无线数据包通信系统，其中所述的微控制器对在所述的前向通路上接收到的命令作出响应，改变它在动作模式中的次数。

15.根据权利要求13中所述的无线数据包通信系统，其中所述的唤醒模式每秒出现几次。

16.根据权利要求1至15中任一个所述的无线数据包通信系统，其中所说的前向与回程通路是通过卫星行进的，所说的控制站包括一个与所述的卫星通信的地面站。

17.根据权利要求16所述的无线数据包通信系统，其中所述的控制站还包括一个包处理中心，用于对发往卫星的数据格式化和对从卫星接收到的数据去格式化。

18.根据权利要求17所述的无线数据包通信系统，其中所述的数据库位于所述的包处理中心。

19.根据权利要求16所述的无线数据包通信系统，其中所述的卫星是多重波束卫星，所述的控制站存贮每个终端所在的波束的数据，所述的发送装置在它所分配到的时隙中和它所在的波束上将数据发送到终端。

20.一种在无线数据包通信系统中使用的远程终端包括一个控制站和许多广泛分散的远程终端，它具有动作模式，在此期间它们能够发送和接收数据包，具有睡眠模式，在此期间它们是不动作的，所述的控制站及每个所述的远程终端能够从事数据包通信，在控制站与终端之间是在前向TDM通路上进行，在终端与控制站之间是在插入式扩谱多址回程通路上进行通信，每个所述的远程终端有一个地址及预先分配的时隙，在此期间可被所述的控制站寻址，所述的远程终端包括：发送与接收信号的电子单元，可在各自的回程与前向通路上向控制站发送和接收来自控制站的信号；一个定时器，可工作在所述的睡眠模式周期，使所述的终端在预先分配的时隙期间周期性地进入动作模式，一个处理器，用于解释在所述分配的时隙期间所接收到的数据及对在所述的回程通路上发送的发出数据进行格式化；以及对在前向通路上接收到的包作出响应，对定时器复位的装置。

21.根据权利要求20所述的远程终端，进一步包括一个本地振荡器，用于在所述的回程与前向通路上发送与接收包的终端中产生必需的频率，所述的本地振荡器按着所述的同步包而被重新同步。

22.根据权利要求20或21所述的远程终端，其中所述的处理器准备在插入式回程通路上以CDMA格式传送的发出包。

23.根据权利要求20中所述的远程终端，其中所述的处理器包括将所述的终端放入动作模式的装置，以响应在回程通路上用随机存取方式将数据送往控制站的一种本地的请求。

24.根据权利要求23中所述的远程终端，其中所述的处理器包括一种贮存的程序，用于控制终端的运行，在网络有冲突的情况下将发出包延时，使网络通信量降至最低。

25.根据权利要求20至24中任何一个所述的远程终端，还包括一个天线单元，它包括一个L-频段的微带天线，能接收至少1575.42MHZ的信号，和在1525至1559MHZ范围内的信号。

26.根据权利要求20至25所述的远程终端，还包括一个联到所述的天线单元上的GPS单元，产生指明终端位置的数据，在回程通路上返送到控制站。

27.根据权利要求20至26任一个中所述的远程终端，其中所述的处理器对在前向通路上接收到来自控制站的命令作出响应，改变处于动作模式的终端所在的时隙。

28.根据权利要求20至27的任一个所述的远程终端，除了所述的动作模式外，还有一种半动作模式，所述的处理器在所述的半动作模式中动作的有效的时间长度刚好足够提取在前向通路上到来的信号中的同步包，并将所述的终端重新同步。

29.根据权利要求20至28的任何一个所述的远程终端，其中所述的处理器是微控制器，所述的定时器唤醒所述的微控制器要比终端进入动作或半动作模式更频繁些，以便所述的微控制器可确定是否是该进入动作或半动作模式的时间。

30.一种用于无线数据包通信系统的控制站，所述的数据包通信系统包括：所述的控制站及许多广泛分散的远程终端，这些终端具有一种动作模式，在此期间它们能够发送和接收数据包，还具有一种睡眠模式，在此期间它们是不动作的，所述的控制站及每个远程终端能够从事数据包通信，在控制站与终端之间是在TDM前向通路上进行，在终端与控制站之间是在插入式扩谱多址回程通路上通信，每个所述的远程终端有一个地址及可与所述的控制站通信的分配时隙，所述的控制站包括：一个数据库，用来贮存分配到各种远程终端的时隙；根据需要发送数据包的装置，能在它们所分配的时隙中以TDM格式编址到特定的终端；和解释数据包的装置，这些数据包是在插入式扩谱回程通路的时隙中接收到的。

31.根据权利要求30中所述的控制站，包括：一个地面站，用于通过卫星建立所述的前向和回程通路；及一个包处理中心，用于对在前向TDM通路上传送的包格式化及对在回程插入式扩谱通路上收到的包进行去格式化。

32.根据权利要求30中所述的控制站，其中所述的数据库是位于所述的包处理中心。

33.根据权利要求30中所述的控制站，进一步包括一个CDMA处理器，用于接收在回程通路的时隙中来自终端的CDMA格式的数据包。

34.根据权利要求31中所述的控制站，其中所述的包处理中心包括产生数据包的装置，以通知被寻址的终端改变参数，如它所分配的时隙。

35.一种无线数据包通信系统，包括：一个控制站及许多广泛分散的远程终端；建立从控制站到终端的前向TDM通路的装置；和建立从终端到控制站的插入式多址扩谱回程通路的装置，以便在控制站和任何终端之间进行选择性的数据包通信。

36.根据权利要求35中所述的无线数据包通信系统，其中所述的TDM通路和所述的插入式多址扩谱回程通路具有相同的帧结构，在回程通路上的包是用扩谱技术多路复用的，在时隙方面与在前向通路上传送时分多路复用的时隙是相对应的。

37.根据权利要求36中所述的无线数据包通信系统，其中所述的插入式多址回程通路是CDMA通路。

38.根据权利要求37中所述的无线数据包通信系统，其中在回程的时隙是与TDM前向通路的帧结构同步的。

39.根据权利要求38中所述的无线数据包通信系统，其中所述的回程时隙相对于相应的TDM前向通路的帧有一个预先规定的偏移。

40.根据权利要求35至39的任何一个的无线数据包通信系统，其中所述的前向与回程通路具有等级式帧结构，所述的时隙构成子帧，形成在等级式结构中最低阶的帧。

41.根据权利要求40所述的无线数据包通信系统，其中所述的等级式帧结构包括超帧，多重帧，帧，和子帧，其长度是逐渐减少的。

42.根据权利要求35至41的任何一个的无线数据包通信系统，其中所述的前向通路中的时隙包含同步包，所述的远程终端包括对所述的同步包作出响应的装置，以便将它们的内部钟重新同步。

43.一种无线数据包通信系统，包括：一个控制站及许多广泛分散的远程终端；通过多重波束点覆盖卫星建立从控制站到终端的前向TDM通路的装置；建立从终端到控制站的插入式多址扩谱回程通路的装置，以允许在控制站与任何终端之间进行选择性的数据包通信，所述的终端组在所述的帧结构中分配有特定的时隙，在此期间它们可被所述的控制站寻址，所述的控制站包括用于存贮关于所述的时隙分配的数据以及用于辨认每个终端预计要被安置的波束的装置。

44.根据权利要求43所述的无线数据包通信系统，其中每个终端包括确定终端所安置的波束以及如果它的波束改变了可对控制站注册的逻辑电路。

45.根据权利要求43或44中所述的无线数据包通信系统，其中控制站包括控制其工作频率的装置，这样它在任何给定的时间仅从一个卫星波束接收，被处理的波束跟随着前向信号所发往的波束有一个延时，这取决于前向与回程通路帧结构之间的偏置量。

46.一种无线数据包通信系统，包括：一个控制站及许多广泛发散的远程终端；通过多重波束点覆盖卫星，建立从控制站到终端的前向TDM通路的装置；建立从终端到控制站的插入式多址扩谱回程通路的装置，以允许在控制站与任何终端之间进行有选择性的数据包通信。

47.一种无线数据包通信系统，包括：一个控制站及许多广泛分散的远程终端；建立从控制站到终端的前向TDM通路的装置；和建立从终端到控制站的插入式多址扩谱回程通路的装置，以允许在控制站与任何终端之间进行有选择性的数据包通信，所述终端的组被分配有特定的时隙，在此期间它们可被所述的控制站寻址，所述的控制站分配所述的时隙，这样可将动作周期扩展到一整天。

48.根据权利要求47中所述的无线数据包通信系统，进一步包括控制终端接收命令的时间与发送其响应返回控制站的时间之间的延时的装置。

49.根据权利要求48中所述的无线数据包通信系统，其中在所述的前向通路上发送的数据包有一个溢出标志，用来指明在后继的时隙中有附加数据正被发送，所述的控制站进一步包括对终端寻址的消息扩谱在两个或两个以上子帧上，并设置所述的溢出标志，以通知终端，消息可被扩谱在几个子帧上，以便缓和系统中的冲突的装置。

50.根据在权利要求47至49的任何一个的无线数据包通信系统，包括一种装置，用于对回程通路的特定终端加上回程优先权或分配更多的回程子帧以缓和回程通路中的冲突。