CN1215262A - 在卫星通信系统中降低波束间干扰和多径衰减的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

在卫星通信系统中形成和处理通信链路的方法和系统。它们能够消除上行线路发射导致的多径衰落和干扰影响,该上行线路发射被耦合进使用同一频率和偏振的相邻的上行波束,并且被下行线路发射到同一陆地网关接收机,或者与使用相同代配集的其它信号一起发射到其它陆地网关接收机。

Description

在卫星通信系统中降低波 束间干扰和多径衰减的方法和系统
本申请涉及1997年10月17日提出申请的申请序列号为08/953020的“在弯管卫星通信系统中降低多径衰减的方法和系统”的申请(Matthew J.Sherman)，其与本申请一起提出申请，并且在此共同参考。
本发明涉及电信领域。更为特别地，本发明涉及消除在弯管卫星通信系统中耦合的多上行波束(multiple uplink beam)导致的波束间干扰和多径衰减的方法和系统。
在结合了四个空间上相邻的上行波束的弯管卫星通信系统中，每个波束使用用于波束分离的扩展频谱技术，如果两个或多个相邻上行波束在卫星上被发送到同一目的地球站接收机，例如用于陆地网关(gateway)通信系统的地球站，那么会出现多径衰减。虽然与特定上行波束一起使用的扩展频谱代码集可能不同于相邻上行波束上使用的代码集，但是从一波束边沿发射的上行线路信号一样能很好地耦合到相邻波束。如果携带上行线路信号的两个相邻波束被发送到同一网关接收机，那么存在多径条件，因为同样信号已经被有效地在两个相邻波束上发射并且在被网关接收机接收之前被结合。也就是，由于两个相邻上行波束的转发机(transponder)的RF相位能够变化，所以在两个RF路径之间可能出现破坏性的干扰，而导致网关接收机处信号功率的实际损失。结果，通过相邻上行波束间上行线路信号的彼此耦合，网关接收机接收来自两个不同源的同一信号。另外，在使用相同代码集的其它波束中发射机可能引发第二层(second tier)干扰。
图1显示了一示意性的多波束弯管卫星通信系统10，该系统示意了由耦合到两个相邻上行波束的上行波束信号导致的多径衰减和第二层干扰。卫星通信系统10使用四个基于同步沃尔什代码的扩展频谱代码集，以众所周知的方式来分离上行波束12、13、17和18，其中每个使用频率F1接受发射的信号。示意性的代码集在此称为W1-W4。地面站11使用上行波束12发射上行线路通信信号。虽然仅地面站11显示在波束12覆盖的地理区域内，但在波束12覆盖的地理区域内存在多个地面站，只是没有显示。地面站11在地理位置上接近波束12的边沿，使得发射的信号也耦合到相邻的上行波束13。由卫星14接收的波束12和13被彼此结合(和波束17及18)并且越过下线波束15发射到共同的地球站接收机16，例如陆地网关。系统10包括多个网关接收机站，但仅显示了网关接收机16。多径衰减出现在网关接收机16处，其原因是来自地面站11的信号的多个版本从两个不同的路径被(有效地)接收并且在被网关接收机16接收之前被潜在地破坏性地结合。象12那样使用相同代码集(并且象地面站11那样潜在地使用相同代码集)的其它波束，如波束19，耦合到与波束12相邻的波束，如波束13和18，当卫星进行结合以及网关接收机16接收到时，这些波束导致第二层干扰。
图2和图3分别显示了用于重用四个上行波束的传统上行波束划分模式，这些上行波束能够在卫星通信系统中使用。图2和图3中显示的每个六边形表示被相应的上行波束所覆盖的不同的地理区域。六边形内的数字表示地理区域组之间的资源(例如频率、偏振(polarization)或代码集)的划分。地理区域中标记为1的所有用户使用相同的资源，而它们不同于区域2、3和4中使用的资源。类似描述能够用于区域2、3和4。图2和图3中显示的模式是具有代表性的，并且在3、7、8等区域组之间共享资源的其他划分模式也存在。在这些图的轮廓区域中显示的六边形组在此称为“波束组”(BG)。波束组的每个成员被分配不同的资源集。通过多次复制波束组，能够产生完全划分模式。对于此例子，假设每个波束组由不同网关接收机提供服务，虽然这并非本发明所要求的。例如，参考1997年10月17日提出申请的申请序列号为08/953020的申请。
图4显示了图2的划分模式，该模式应用于使用四个不同上行线路频率组F1、F2、F3和F4的常规频分多址(FDMA)系统。再次，轮廓部分指示了一个波束组。图5显示了图2的划分模式，该模式应用于使用上行线路频率组F1和F2以及两个偏振P1和P2的不同结合的频分多址系统。图6显示了用于码分多址(CDMA)系统的常规上行波束频率划分模式。对于此系统的不同波束中用户间的隔离通过波束间的代码集的恰当分配来提供。图7显示了图2的划分模式，该模式应用于典型CDMA系统的代码，该系统使用代码集W1-W4以用于波束间的隔离。
图2-7的每个划分模式遭受多径衰减，当两个相邻的上行波束通过下行线路发射到同一陆地网关接收机时，出现该多径衰减。同样，经过引入信号，它们也遭受第二层干扰，该信号从使用同样资源的所指波束中两次移去，并且通过相邻波束耦合。在更为先进的划分方案(如在1997年10月17日提出申请的申请序列号为08/953020的申请中描述的和图8中的显示的那样)中，此“第二层”干扰仍然存在，虽然并非严格来源于第二层波束。在FDMA系统中，经过卫星上合适的滤波的应用，易于校正此多径条件和干扰。但是对于相邻波束使用同一频率和偏振的CDMA系统，在FDMA系统中应用的滤波技术却不能使用。因此，需要的是一种方法和系统，它们能够消除上行线路发射导致的多径衰减和干扰影响，该上行线路发射被耦合进入使用同一频率和偏振的相邻的上行波束，并且被下行线路发射到同一陆地网关接收机，或者与使用相同代码集的其它信号一起发射到其它陆地网关接收机。
本发明提供了一种方法和系统，用于消除上行线路发射导致的多径衰减和干扰影响，该上行线路发射被耦合进入相邻的上行波束，并与其自身的拷贝或来自使用相同代码集的其它波束的信号相结合，并且被下行线路发射到同一陆地网关接收机。本发明的优点在于在卫星通信系统中处理通信链路的方法和系统。该卫星通信系统包括多个发射机组(TG)，卫星和多个目的接收机。发射机组根据卫星上行线路通信波束的分配来确定。TG的所有成员被分配给同一波束。每个TG被分配给不同的波束和相应的上行线路资源。每个发射机发射一通信信号并且仅与一个发射机组相关。每个各自的通信信号是一从预定代码集中选择出来的CDMA信号，该预定代码集与发射机组的发射机相关。每个各自的代码集不同于与所选的发射机组的发射机相关的其它代码集，使得形成为每个波束组重复使用的重用模式。卫星接收通信信号并且将所有接收到的在波束上具有相同预定代码集的通信信号共同分组。接收到的通信信号组中的所选上行线路通信信号的代码集被解释为其它代码集(包括被解释回其原代码集的可能性)并且与来自其它波束的信号结合，使得通信信号组包括每个具有不同代码的通信信号。在此解释过程中，每个信号被滤波以消除不希望的多径和来自其它波束的干扰。实施整体转换和滤波(bulk translation and filtering)来简化卫星上的处理。接着，卫星发射每个通信信号组到不同的目的接收机。
本发明通过例子说明并且不限于相应的附图，图中相同参考数字指示类似的部件，并且其中：
图1显示了示意性的弯管卫星通信系统，其中如果两个相邻的上行波束被下行线路发射到同一陆地网关接收机，那么本发明消除出现的多径衰减和第二层干扰；
图2显示了陆地和卫星通信系统使用的常规上行波束划分模式；
图3显示了陆地和卫星通信系统使用的另一常规上行波束划分模式；
图4显示了频分多址系统的常规上行波束划分模式，该系统利用四个不同的上行线路频率组F1-F4；
图5显示了频分多址系统的常规上行波束划分模式，该系统利用上行线路频率F1和F2以及两个偏振P1和P2的不同结合；
图6显示了码分多址系统的常规上行波束划分模式；
图7显示了码分多址系统的常规上行波束划分模式，该系统使用沃尔什功能W1-W4以进行子扩展(subspreading)；
图8显示了根据1997年10月17日提出申请的申请序列号为08/953020的申请所描述的本发明的码分多址系统的上行线路/网关划分模式的示意性实施方式；
图9显示了根据本发明的方便CDMA信号的整体处理的编码技术；
图10显示了根据本发明的卫星的一部分的示意性框图，该卫星是卫星通信系统的一部分；并且
图11显示了根据本发明的子-解扩展/子-再扩展的电路的示意性框图，该电路可能用于替代图10的示意性框图中使用的解扩展/再扩展。
当上行线路信号附带其它干扰信号一起被耦合进两个空间上相邻的上行波束时，本发明消除出现在弯管卫星通信系统中的多径衰减和波束间干扰。反过来，上行波束接着被下行线路发射到同一目的接收机。为消除耦合的相邻波束导致的影响，本发明提供了方法和系统来确保在下行线路发射到目的接收机之前消除潜在的多径和相同代码集干扰。也就是，卫星接收的通信信号被充分地解扩展(虽然没有解调)并且被充分地滤波以确保消除多径和干扰影响。通信信号(可能在用于上行线路发射的不同代码集上)被再扩展，与其它波束上接收到的发射结合(使用其它下行线路代码集以避免干扰)，并且接着被下行线路发射到目的接收机。在此方式中，卫星通信系统的效率和性能得到巨大的改善。
图7和图8显示了用于与本发明一起使用的码分多址系统的波束划分模式的示意性实施方式。参考图1到图8，四个不同代码集W1-W4被用于以众所周知的方式分离相邻上行波束12和13。
图9显示了与本发明一起使用的示意性的编码技术，该编码技术用于允许CDMA信号的部分整体解扩展和过滤的实现。在图9中，四个同步正交沃尔什代码W11、W12、W21和W22被用于“子扩展”每个波束组中的四个不同的代码集，由于每个波束使用对波束中所有信号公用的不同子扩展代码。子扩展代码也被称为术语“波束”代码。也能够使用其它周知的正交代码，如正交二次残余(quadratic residue)代码，或者非正交代码，如Gold代码。在异步系统中，能够使用基于循环移位码的编码方案。接着，这些“子扩展”代码被用作较长扩展频谱代码的构造块，该扩展频谱代码由单个发射地球站使用。通过使用各种编码技术(如已经提到的)与子扩展代码一起形成发射代码。子扩展代码允许波束中的所有信号的部分使用一个信号操作进行整体部分解扩展。解扩展出现使得来自其它相邻波束的信号被消除或变成由带通滤波器(IF或RF)消除的带外响应。接着，使用相同的或(如果需要的话)不同的子扩展代码的信号被再扩展为其原来的带宽。接着，信号与来自使用不同下行线路代码集的其它波束的信号结合，使得不被干扰，并且被下行线路发射到共同的陆地网关接收机。在本发明的一个实施方式中，波束中接收到的每个单独信号能够被完全解扩展、过滤和再扩展，通过信号处理器整体以RF或IF操作波束中的信号。关键是在将它们与来自其它波束的信号结合以下行线路发射到共同的陆地网关接收机之前，消除了扩展频谱信号中的来自其它波束的干扰和多径。
图10显示了卫星1000的一部分的示意性框图，该卫星是使用四个上行波束代码集(WV、WX、WY和WZ)的卫星通信系统的一部分。所有接收到的来自同一代码集的上行波束信号以众所周知的方式被分别共同分组。根据本发明，每个代码集WV、WX、WY和WZ可以是单个代码(当使用子扩展时)，或者是单独的代码集。每组上行波束载波信号分别经过第一带通滤波器1001a-1001d，并且接着由低噪声放大器LNA 1002a-1002d分别放大。在低噪声放大之后，每个各自上行波束信号在混频器1003a-1003d处被降频为四个单独的IF信号，这些信号使用第一本地振荡器LO1。接着，在分别被混频器1005a-1005d解扩展之前，四个IF信号分别通过第二带通滤波器1004a-1004d。在输入到IF合并器1008以形成单个IF信号之前，解扩展的IF信号分别在带通滤波器(BPF)1006a-1006d处带通过滤并且在混频器1007a-1007d处使用不同代码集(W1、W2、W3和W4)被分别再扩展。IF合并器1008是标准4∶1 IF合并器。从IF合并器1008中输出的IF信号由混频器1009升频为使用第二本地振荡器LO2的所选RF频率。接着，在功率放大器PA1011放大以下行线路发射到陆地网关之前，RF信号经过第四带通滤波器1010。
可选地，由1012指示的混频器1003a-1003b和BPF 1004a-1004d所执行的降频和滤波处理能够省略，使得整体解扩展和再扩展以RF频率出现。因此，带通滤波器1006a-1006d的中心频率是每个各自上行线路发射信号的中心频率，IF合并器1008由标准4∶1 RF合并器替换并且本地振荡器LO2将RF合并器输出的RF信号以众所周知的方式转换为合适的下行线路频率。
当图10中显示的每个代码集WV、WX、WY和WZ是代码的集合时，每个子扩展代码因此被解扩展。图11显示了子-解扩展/子-再扩展电路的示意性框图，该电路可以替换解扩展/再扩展功能块1013。虽然图11的电路仅替换1013指示的解扩展/再扩展功能块，但是类似图11的电路将被用于每个代码集WV-WZ。
在图11中，BPF2 1004d输出的IF信号由多个混频器1101a-1101n解扩展，其中n是形成子扩展代码的代码数目。每个子-解扩展信号被带通滤波器BPF4 1002a-1002n分别带通滤波，并且被混频器1003a-1003n分别子-再扩展。混频器1003a-1003n的输出由标准n∶1 RF合并器结合以形成输入到IF合并器1008的单个IF(图10)。
当图10中1012所指示的降频和滤波处理没有使用时，图11中显示的子-解扩展和子-再扩展功能以RF频率出现，并且IF合并器因此被标准n∶1 RF合并器替换。
为了方便无线电处理，四组上行波束信号在图10中显示和形成，因为四个不同的波束代码集被使用，但能够形成任何数目的组，只要形成的组数等于卫星通信系统中使用的不同波束代码集的数目。本发明中此方法的优点在于根据定义，使用相同代码集的所有接收到的上行波束相对使用相同代码集的其它上行波束必须至少是第二层。因此，通过使用此方法，特定目的接收机处不存在实际的多径和/或波束间干扰情况。
虽然已经使用示意性的正交代码方案来描述本发明，但是本发明同样能够用于任何卫星通信系统，该系统中卫星接收到的两个相邻波束被发送到同一目的接收机。进一步地，应该认识和理解的是：只要是不偏离本发明的真实含义和范围的修改均是允许的。

Claims (22)

1、在卫星通信系统中形成通信链路的方法，该方法包括以下步骤：
在卫星处接收多个通信信号，每个各自的通信信号从多个发射机组的一个发射机中发射，该发射机组是多个发射机组之一，每个发射机仅与一个组相关，每个各自的通信信号是码分多址信号，该信号具有与发射通信信号的发射机相关的预定代码，从分配给与发射机相关的发射机组的第一预定代码集中选择出来的预定代码被分组，每个各自的代码集不同于与所选的发射机组相关的其它代码集，使得代码集安排在代码集模式中，代码集模式被反复用于每个所选的发射机组；
将在具有相同预定代码集的波束上接收到的通信信号组在一起；
解扩展通信信号；并且
使用第二预定代码集再扩散通信信号。
2、根据权利要求1的方法，其中解扩展步骤部分解扩展通信信号，和再扩展步骤部分再扩展通信信号。
3、根据权利要求2的方法，其中部分解扩展通信信号的步骤整体部分解扩展通信信号，并且整体部分再扩展通信信号。
4、根据权利要求1的方法，其中完全解扩展通信信号的解扩展步骤，和完全再扩展通信信号的再扩展步骤。
5、根据权利要求4的方法，其中完全解扩展通信信号的步骤整体完全解扩展通信信号，并且整体完全再扩展通信信号。
6、根据权利要求1的方法，其中第二预定代码集与第一预定代码集相同。
7、根据权利要求1的方法，其中第二预定代码集不同于第一预定代码集。
8、根据权利要求1的方法，进一步包括从使用相邻波束上的代码集的通信信号中消除信号的步骤。
9、根据权利要求8的方法，其中消除步骤包括滤波通信信号的步骤。
10、根据权利要求1的方法，进一步包括分别发射每组通信信号到不同目的接收机的步骤。
11、根据权利要求1的方法，进一步包括发射每组通信信号到同一目的接收机的步骤。
12、根据权利要求1的方法，其中发射机组中的发射机的数目等于每个代码集中不同代码的数目。
13、一种卫星通信系统，包括：
多个发射机组，每个发射机发射一通信信号，每个发射机仅与一个组相关，每个各自的通信信号是码分多址信号，该信号具有与发射机相关的预定代码，从分配给与发射机相关的发射机组的第一预定代码集中选择出来的预定代码被分组，每个各自的代码集不同于与其它所选的发射机组的发射机相关的其它代码集，使得代码集安排在代码集模式中，代码集模式被反复用于每个所选的发射机组；并且
卫星接收通信信号，卫星将具有相同预定代码集的波束上接收到的通信信号共同分组，解扩展通信信号，再扩展使用第二预定代码集的通信信号，并且发射每组通信信号到目的接收机。
14、根据权利要求13的卫星通信系统，其中卫星部分地解扩展和部分地再扩展通信信号。
15、根据权利要求14的卫星通信系统，其中卫星整体部分解扩展和整体部分再扩展通信信号。
16、根据权利要求13的卫星通信系统，其中卫星完全解扩展和完全再扩展通信信号。
17、根据权利要求16的卫星通信系统，其中卫星整体完全解扩展和整体完全再扩展通信信号。
18、根据权利要求13的卫星通信系统，其中第二预定代码集与第一预定代码集相同。
19、根据权利要求13的卫星通信系统，其中第二预定代码集不同于第一预定代码集。
20、根据权利要求13的卫星通信系统，其中卫星从使用相邻波束上的代码集的通信信号中滤波信号。
21、根据权利要求13的卫星通信系统，其中发射机组中的发射机的数目等于每个代码集中不同代码的数目。
22、根据权利要求21的卫星通信系统，其中代码集模式由四个代码集形成。
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