CN1223760A - 用于局域覆盖区的卫星通信系统 - Google Patents

Abstract

一种通信系统,在乡村、边远,或人烟稀少地区中,或在缺乏通常的电话基础设施的地区中,或在像机场覆盖这样的专门目的的用途中提供高效率的卫星通信。在这样一些地区中的用户通过一种位于提供服务的局域地区中的简单,高度模块化的入口节点与卫星通信。用户单元提供用户到系统的接入,用户单元通过由用户单元与入口节点之间点对点的无线链路提供的局域接入回路连接到入口节点,入口节点内部交换用户间的局域通信信号并且,如果合适的话,通过无线链路,用卫星把通信信号连到外部电路,外部电路由卫星,入口节点控触器,和地球站的协同工作来提供。在卫星与入口节点之间的无线链路和局域接入回路可以工作在相同或不同的频率。如果它们工作在不同的频率,在入口节点控制器中的频率转换器匹配不同的频率,用户单元可使用以这样的方式提供用户到系统的通路,使语音压缩与解压在用户单元本身中进行以避免直通联接的编码器/解码器的影响。

Description

用于局域覆盖区的卫星通信系统

本发明涉及一种话音与数据通信系统，更具体而言，涉及一种在乡村，边远，或人烟稀少地区，在缺乏通常的电话基础设施的地区，和在像机场与会议中心这样一些国际旅行者时常聚集的地区中使用的卫星通信系统。这些地区一般可称为“局域”。

现代的电话网主要是为在人口稠密，高度发达的地市地区中提供服务的需要发展起来的。因此，在没有集中服务需要的许多欠发达国家中，不存在支持电话服务的通信基础设施。在发达国家中，一般情况下，电话服务是在要求为城市与乡村用户普遍服务的政府指令下提供的。因而今天的电话网对人口稠密地区是最佳的，当在农村，边远，或人烟稀少的地区中使用时，指令性的普遍性电话服务本身就是不经济的，为了解决这些问题已经作了几种尝试。

一种可能的解决办法是采用微波链路，将通常应用在城市地区的电话技术扩展到农村，边远，或人烟稀少的地区。这种办法对于没有支持微波链路的通信基础设施的不发达国家是不适宜的。即使对于一个有通信基础设施的国家，采用这种办法的维护工作是惊人的花费，因为要将现有的电话技术扩展到农村地区，就要将所需要的设备安放到边远的，有时是无人的地区中，因而会遭受到人为的破坏与自然灾害。由于服务人员到达遥远的，可能很不方便的安放设备的地点需要很长的路途时间，这就进一步增加了维护的费用。而且，在农村地区用户很少，将有线网扩展到这样一种地区也是不经济的。

另外一种可能的解决办法是采用高功率的地面移动无线电发射机，就像为警察，消防，和其它紧急服务所使用的那些装备，以提供局域覆盖。普遍缺乏经过良好开发的基础设施用于将地面移动无线电系统连接到公共交换电话网(PSTN)是这种解决办法的一个重大的缺陷。而且，为了提供充足的地理覆盖，必须部署许多发射机场所。

第三种可能的解决办法是采用蜂窝无线电系统。然而，像有线电话网一样，蜂窝系统是为高度发达的，人口稠密地区的需要发展起来的。因为像采用有线网一样，不发达国家缺乏支持蜂窝服务的通信基础设施。在发达国家中，在蜂窝系统中的蜂窝大小一直在逐步地减小，以便在使用频繁，人口稠密的城市环境中取得最大的经济效益。相反，在乡村，边远，或人烟稀少的地区采用蜂窝无线电系统将需要大的蜂窝；因此，如果卫星通信系统可以提供的话，蜂窝无线电系统通常一直被认为是缺乏吸引力的替代方案。

蜂窝无线电解决办法的一种变型是多线路终端，使许多用户利用通常的有线电话能够得到对一个蜂窝系统的接入。这种办法在美国专利申请No.08/505,665 to Henry et al.,entitled“Analeg Fax and ModemRequests in a D-AMPS MultiLine Terminal System”,filed on July21,1995，中有详细的解释，专诚地引入于此作为参考。虽然这种办法不需要用户用数字蜂窝电话来替换它们的模拟有线电话，但是并未消除上面指出的在将蜂窝无线技术应用到农村地区时的效率不高的问题。

图1A示出另一种可能的应用卫星通信系统的解决办法。在图1A中，许多用户单元100中的一个通过天线150与卫星系统200通信。卫星系统200包括至少一个地球静止卫星或者许多非地球静止卫星。该卫星系统200可以，例如，按当今的lnmarsat方式工作或者按所提议的lridium,Odyssey，或ACES系统的方式工作。该卫星系统200还通过天线450与地球站400通信。地球站400将通信信号从卫星发送到公共网络，例如PSTN，或者从网络通过网关交换500到卫星。

关于通常地球站与卫星系统的各个方面在文献中已有描述，包括：David Calcutt and Laurie Tetley,Satellite Communications:Principles and Applications,chapters 8 and 9(1994)；and U.S.Patents No.4,901,307 to Gilhousen et al.；No.5,446,756 toMallinckrodt；and No.5,455,823 to Noreen et al.信息按照各种调制与接入方案被发送，包括幅度，频率，和相位调制，以及频分，时分，和码分多址。

通常卫星方法的重大缺点是对卫星转发器的传输容量有很高的要求，因为用户的局域通信与信令要通过卫星发送。“局域通信”是用户单元100之间的通信。因此，这种方法主要用作现有有线或蜂窝系统的补充，而不是提供基本通信基础设施。实际上，一般情况下，这种方法限制每个卫星大约同时支持1,000到20,000个用户，相反，一个通常的中心局交换机或一个专用小交换机(PBX)可以同时支持超过100,000个用户。

通常卫星方法的其它缺点是由卫星系统工作的限制引起的，这些限制包括在卫星外可得到的有限的电功率和用于与地球站无干扰通信的有限的无线电带宽。当然，可以理解，即使某些以地球为基础的无线电信号转发器也有同样的限制，这可能是由于转发器不能达到和位置遥远引起的。

图1B示出了图1A中描述的通常的卫星通信系统的一种变型。在这种变型中，PBX 510,520分别采用宽带，高容量的卫星地球站410,420。在这样的一种系统中，PBX 510,520内部交换连接到它们上面的用户单元100之间的局域通信，并且依靠卫星系统200作为它们之间的中继站。这种变型为了与卫星通信也有或需要昂贵的，复杂的地球站410,420或需要复杂的和昂贵的用户单元100的缺点。一般的情况下，这样的系统也是对于人口稠密的环境，尤其是大的商务办公室区或大的私人公司的网络是最佳的。因为需要宽带，高容量的地球站，它的成本以及需要一个操作员照管，使这种方法应用在乡村，边远，或人烟稀少地区或者对于像机场覆盖区这样的一些专门用途的应用没有吸引力。

在以上引用过的Gilhonsen等的专利中描述的通信系统是这种变型的一个例子。该专利描述了一种有一个或多个卫星或地面转发器站和有一个或多个中心站的系统，在一些移动的或固定的，局域的或远方的用户之间传送信息。该卫星转发器站可以直接与用户通信或间接地通过一个中心站和地面转发器到达用户。该系统最好应用卫星转发器连接用户，尤其是乡村的用户，然而当用户来自地面转发器的范围内时，这些用户可以通过地面转发器链接，该专利也提到用户可以直接链接。

因此，需要一种通信系统，能够对在具有很差的远程通信基础设施的城市环境中，在乡村，边远，或人烟稀少地区中，和在专门的地区，如机场与其它运输枢纽中的用户提供高效率的服务。这样一种通信系统理想情况下将适合于各种各样的环境与人口密度，因而使它能高效率地服务于乡村与城市的需要。

依据本发明，提供一种系统，用于在乡村，边远，或人烟稀少的地区，在缺乏通常电话基础设施的地区，以及在如机场等一些特殊地区，这里通信相对来说是局域性的，在这样一些地区中的用户通过一种安放在提供服务的地区中的简易，高度模块化的入口节点与卫星系统通信。

在本发明的一个方面，本系统包括：许多用户单元，用于提供用户对系统的接入；一种入口节点，通过各自的局域接入回路与用户单元通信；一种卫星系统，通过各自的射频链路与所述入口节点通信；一种地球站，通过各自的射频链路与卫星系统通信；和一种接口，用于将地球站连接到远距离的通信网络，例如PSTN。该入口节点提供一种通信通道，通过此通道第一用户单元可与第二用户单元通信，入口节点还提供一种通信通道，通过此通道，第三用户单元可以与远距离通信网络通信。入口节点内部交换用户之间的局域通信，并且当适当时，将通信信号经具有卫星系统的无线链路连接到外部电路。将该外部电路通过卫星系统，在入口节点中的入口节点控制器，和地球站的协同工作连接到用户单元。

在本发明的一个方面，入口节点包括许多发送接收机，用于通过各自的局域接入回路与用户单元交换通信信号；在用户单元与远距离通信网络之间交换通信信号的装置；和一种入口节点控制器，用于与卫星系统交换通信信号并用于控制交换装置。

在本发明其它方面中，入口节点控制器和地球站每一个都包括控制电路和用于同卫星系统通信的许多单通道的无线发送接收机。该单通道无线发送接收机提供通过卫星系统的单独的无线链路。每个这样的链路连接在入口节点上的一个第一无线发送接收机、通过在卫星系统中的一个转发器的无线通信、在地球站上的第二无线发送接收机、和通过通信接口连接的一个远距离网络电路。

在本发明的其它方面中，该入口节点控制器将用于局域接入回路(可以是有线或无线)中的频率转换为到卫星系统的无线链路所用的频率，反过来也一样，并且解码和对呼叫信号数据作出响应。

在本发明的另一方面，将提供到系统的接入的用户单元通过局域接入回路连接到入口节点。将卫星信号按要求进行频率转换并发送到用户单元，在此将通信信号解码。将通信信号从卫星模式交换成用户模式，反过来也一样，是在用户单元内进行的，而不是在入口节点内进行的，由此避免了由于纵列的语音编码器/解码器(编解码器)引起的可能的不利影响。或者将整个的基带信号或者只将压缩后的语音数据送到用户单元处理，任何其余的处理已在入口节点上进行了。

本发明的各种目的与优点通过结合附图阅读该描述将会理解，其中：

图1A,1B示出通常的卫星通信系统；

图2示出依据本发明的一种通信系统；

图3示出一种可用在图2中描述的通信系统中的入口节点；

图4A,4B示出依据本发明的入口节点控制器的不同实施方案；

图5示出依据本发明的另一种通信系统；

图6示出一种可以应用在图5中描述的通信系统中的入口节点；和

图7示出一种可以应用在图2与5中描述的通信系统中的地球站。

图2示出了依据本发明的一种通信系统，用户单元110提供用户与通信系统的接入，每个单元110可以包括，例如，一个通常的无绳电话。用户单元110通过各自的局域接入回路连到一种简单的、高度模块化的入口节点600，示于图2中作为用户单元110与用户入口节点600的天线625之间的无线射频链路。该局域接入回路，例如，可以按照数字欧洲无绳远程通信(DECT)标准，全球移动通信系统(GSM)标准，或其它已知的或兼容的无线通信标准，例如用于专门的私人移动无线电应用的标准工作。图2示出了作为无线射频回路的局域接入回路，可以理解，局域接入回路可以包括陆地上的光纤，同轴电缆，或铜线回路。另外，可以理解，用户单元110可以包括通常的有线线路与其它的电话。

来自用户单元110的通信信号通过入口节点600传送到卫星系统200和从卫星系统200接收，该入口节点位于由该系统提供服务的局域地区中。入口节点600内部交换用户之间的局域通信信号并适当时将在局域地区中用户之间的通信信号通过卫星系统连接到外部线路。入口节点600通过合适的天线675与卫星系统200通信，卫星系统通过天线450与地球站400通信。通信接口520将地球站400连到远距离的网络，例如，PSTN，公共地面移动网络(PLMN)，公共交换数据网络(PSDN)。或者其它的远距离网络，因而便于入口节点600的局域地区中的用户与远距离网络的外部线路之间的通信。在通信系统的地面上与轨道部分之间的通信，可依据在下列参考文献中描述的系统和方法可方便地实现：U.S.Patent Application No.08/179,953 filed on Jannary 11,1994,by Paul W.Dent for“Cellular/Satellite Communications System withlmproved Frequency Re-Use”，引入于此作为参考。

在图2中所示的通信系统的一个重要的优点是局域用户通信的交换是由入口节点600实行，而不是卫星系统200，因此保存了卫星系统的通信容量。采用这样的高效率的容量利用方法，卫星系统200可以与其它应用共同使用。将会了解，卫星系统200是受到电功率与信号带宽限制的各式各样信号转发器的一个代表。因而，虽然这份描述是关于地球轨道卫星的，同样可认为是关于以地面为基础的信号转发器的说明。

图3是应用在图2中描述的通信系统中的一种入口节点600的方框图。入口节点600包括许多发送接收机610，用于为局域接入回路提供点对点的无线链路，或其它适当的装置，用于将入口节点接合到用光纤，同轴电缆，或铜线局域接入回路连接到入口节点的用户单元。发送接收机610和/或接口装置将来自与送往用户单元的通信信号提供给PBX620，将通信信号在发送接收机610与入口节点控制器630之间交换。入口节点控制器630通过天线675控制卫星系统200与入口节点600之间的通信信号的发送与接收。

图4A是依据本发明的入口节点控制器630的一种实施方案的方框图。如图4A中所示，入口节点控制器包括许多单通道发送接收机632，其中每一个可以是通常在为直接接入卫星通信设计的手持无线电话中可找到的类型的一个电子线路卡。发送接收机卡632可被方便地安放在一个合适的箱子633内，该卡在控制电路634的控制下工作。控制电路选择合适的可得到的发送接收机，用于发送与接收通信信号。一种适当的发送接收机的功能在上面引用过的Noreen等的专利中有一般性的描述。控制电路634管理发送接收机卡632并控制任何发出信号或信号格式变换，这对于建立和终止通过卫星系统200来自和发往PBX 620的呼叫可能是需要的。控制电路634也控制发送接收机610在建立和终止来自和发往用户单元110的呼叫中的操作。因此，控制电路634实现的功能类似于前面引证过的，并引入作为参考的美国专利申请No.08/505,665中描述的控制单元的功能。

每个单通道的发送接收机632通过一种到卫星的适当的无线链路提供一个贯穿卫星系统200的单独线路。每个这样的电路包括：在入口节点600上的一个单通道发送接收机632；一个在通信卫星系统200中的通过转发器的无线通信；在地球站400上的第二个无线发送接收机；和通过通信接口520连接的远距离网络。可构成一种线路，例如，可以传送常规的全双工，64kb/s，在连接到入口节点600的用户单元110和远距离网络之间的脉码调制(PCM)电话谈话。在本例中，来自用户单元的64kb/s的数据流可被压缩成4kb/s的数据流传送到卫星，而来自卫星的4kb/s的数据流可被解压成64kb/s的数据流传送到用户单元。压缩/解压由控制线路634分派到通信线路的单通道发送接收机632及地球站400中的发送接收机410中的话音编码器/解码器(话音编码器，或语音编解码器)来实现。

图4B是依据本发明的另一种入口节点控制器630′的方框图，入口节点控制器630′包括控制电路634′和发送接收机以及频率转换器636，用于将在局域接入回路中交换的信号频率变换到通过天线675到卫星系统200的无线链路中交换的信号的频率。(图4B只示出了一个发送接收机/频率转换器636，然而可以理解，典型情况下将提供许多这样的设备)。转换器636可以通过混合一个输入信号将频率下变换到基带或到中频，然后上变换到适合于输出信号的频率。理解情况下，无线链路到卫星工作所依据的通信标准是与PBX 620和局域接入回路采用的通信标准是兼容的，使控制电路634′和发送接收机以及频率转换器636可以做得简单些。控制线路634′也提供一些解码功能，这是为对地球站与用户之间发送数据消息的控制信号作出正确的响应所需要的，以便在呼叫期间执行管理功能。控制信号可由一个控制通道传送，或者是分开发送，或者用与数据消息一起多路复用来代替。

图5示出了依据本发明另一方面的一种通信系统，其中采用了一种隔开的用户单元120。单元120可以包括，例如，一个无线基站，如与在通常的PLMN中采用的那一种，在无线基站120与入口节点600′之间的局域接入回路比较方便的是点对点无线链路或通常的有线回路。到无线基站120的接入可由一种设备122控制，该设备可以接受硬币或其它的货币，信用卡，记帐卡，等等，使用户可以使用无线基站与放置呼叫不需要对通信系统单独预订。用户单元120可以方便地安放在公共场所，如机场或其它传输站。可以理解，对于一个接受货币的系统所用的通信协议可以与接受信用卡的系统所用的协议不同，后者需要一种涉及债权人授权使用信用卡的通信的协议。即当使用货币时，这样的授权是不需要的。

如示于图2的系统中那样，入口节点600′通过天线625用无线链路连到用户单元120并通过天线675用天线链路连到卫星系统200。卫星系统通过天线450与地球站400通信，一种通信接口520将地球站400连到一个远距离网络，如PSTN,PLMN,PSDN，或其它远距离网络。

图6是可应用于图5中描述的通信系统中的入口节点600′的方框图。入口节点600′包括许多发送接收机610′和许多卫星模式的发送接收机650。与示于图2,3,4A与4B中的系统不同，其中来自卫星的信号在单通道发送接收机632中的话音编码器在入口节点中被处理并从卫星模式(如4kb/s)变换为用户模式(如64kb/s)，发送接收机610′并不包括话音编码器。在本实施方案中，话音编码器位于用户单元120中，在信号到达用户单元120以前，信号未被变换。因而，例如，在用户单元120中的一种适合的信号处理电路控制对发送到和来自用户单元120的通信信号的解压与压缩，以及语音数据的解码与编码。这样就减少了需要在系统中变换的总数，并保持一种高质量的信号，避免了由直通联接的话音编解码器的操作引入的质量的下降。由直通联接的语音编解码器引入的若干问题在下列的文献中有描述：U.S.Patent Application No.08/498,410 filed on July 5,1995,by J.Lantto for“Call Forwardingin a Mobile Communication System”这也减少了在入口节点中所需要电路硬件的数量。

图7示出可应用在图2与5所示的通信系统中的一个地球站400。地球站400包括控制电路420和许多单通道发送接收机410，用于通过天线450与卫星系统200通信。另外，地球站400包括一个不间断电源430，这是有好处的。出于由地球站实现的功能明显的理由，地球站可称为“入口”。

如图4A中所示的发送接收机632那样，发送接收机410可被方便地安放在机箱412中，控制电路420控制发送到和来自发送接收机410与通信接口520的通信信号的交换，可以理解，因为通信信号连到地球站，通信接口520与控制电路420可以是一个统一的子系统或者可以是分开的但放在一起。通信接口管理信号调整与在PSTN,PLMN,PSDN,或其它如有必要通过附加的入口被连接的远距离网络上传输的协议。

可以理解，本发明并不限于以上描述的特定的实施方案，本描述意在使任何与所有的修改落在由下面的权利要求规定的本发明的实质内容中。

Claims (17)

1．一种在用户与一个远距离网络之间通信的系统，包括：

许多用户单元，用于提供用户与系统的接入；

一个入口节点，用于通过各自的局域接入回路与用户单元通信；

一个卫星系统，用于通过各自的射频链路与入口节点通信；

一个地球站，用于通过各自的射频链路与卫星系统通信；和

一个接口，用于将地球站连到一个远距离的通信网络；

其中入口节点提供一个通信通道，通过该通道第一用户单元可以与第二用户单元通信，入口节点提供又一个通信通道，通过该通道第三用户单元可以与远距离网络通信。

2．根据权利要求1的系统，其中局域接入回路是有线回路。

3．根据权利要求1的系统，其中局域接入回路是无线回路。

4．根据权利要求1的系统，其中入口节点包括：

许多发送接收机，用于通过各自的局域接入回路与用户单元交换通信信号；

用于在用户单元与远距离网络之间交换通信信号的装置；和

一个入口节点控制器，用于与卫星系统交换通信信号以及控制所述交换装置。

5．根据权利要求4的系统，其中入口节点控制器包括：

许多单通道发送接收机，用于发送与接收来自卫星系统的通信信号；和

一个控制电路，用于控制单通道发送接收机与所述交换装置。

6．根据权利要求4的系统，其中通过各自的局域接入回路交换的通信信号具有第一频率和由射频通信线路传送的信号具有第二频率。

7．根据权利要求6的系统，其中入口节点控制器包括：

许多单通道发送接收机，用于发送与接收来自卫星系统的通信信号；

一个控制电路，用于控制单通道发送接收机；和

将具有第一频率的通信信号变换成具有第二频率的信号的装置，由此，具有第一频率的信号被发送到用户单元和具有第二频率的信号被发送到卫星系统。

8．根据权利要求1的系统，其中局域接入回路依据公认的无线通信标准工作，而射频链路依据与公认的无线通信标准兼容的一种标准工作。

9．一种在用户与一个远距离网络之间交换通信信号的系统，包括：

一个用户单元，用于提供用户到系统的接入；

一个入口节点，通过局域接入回路连到用户单元；

一个卫星系统，通过射频链路连到入口节点；

一个地球站，通过射频链路连到卫星系统；和

一个接口，将地球站连到远距离网络；

其中入口节点在用户单元之间以及用户单元和远距离网络之间切换连接。

10．根据权利要求9的系统，其中局域接入回路是有线回路。

11．根据权利要求9的系统，其中局域接入回路是无线回路。

12．根据权利要求9的系统，其中用户单元将发送到卫星系统的通信信号压缩和将从卫星系统接收到的通信信号解压。

13．根据权利要求9的系统，其中入口节点包括：

许多发送接收机，用于发送与接收来自用户单元的通信信号；和

许多卫星模式发送接收机，用于发送与接收来自卫星系统的通信信号。

14．根据权利要求9的系统，其中局域接入回路依据公认的无线通信标准工作，而射频链路依据与公认的无线通信标准兼容的一种标准工作。

15．一种在用户与一个远距离网络之间交换通信信号的系统，包括：

一个用户单元，用于提供用户到系统的接入；

一个入口节点，通过局域接入回路连到用户单元；

一个卫星系统，通过RF链路连到入口节点；

一个地球站，通过RF链路连到卫星系统；和

一个接口，将地球站连到远距离网络；

其中入口节点将用于卫星传输的数字编码的通信信号中继到用户单元进行解码。

16．根据权利要求15的系统，其中该系统是在收到付款后启动。

17．根据权利要求16的系统，其中付款方式是一种政府的货币，信用卡，和记帐卡。

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