CN1260920A - 用于获取卫星通信系统内点波束信标频率的方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于获取点波束信标频率的方法。该方法包括快速同步程序,其中点波束的信标频率首先通过载波获取过程而获得。然后对所获得的信标频率执行粗的时间捕获程序,接着进行细的时间和频率捕获过程。整个过程使得能在大约2.7—27秒范围内达到点波束信标获取。

Description

用于获取卫星通信系统内点波束信标频率的方法

                      发明背景

发明的技术领域

本发明涉及卫星电话通信系统，更具体地，涉及用于获取卫星通信系统内点波束(spotbeam)信标频率的方法。

相关技术描述

无线通信系统内主要进展的另一个领域多半将涉及卫星电话的使用。已经提出了各种卫星蜂窝通信系统，例如东南亚国家联盟(ASEAN)的蜂窝卫星(ACeS)系统，它被设计来通过使用地球静止卫星提供电话覆盖，它在实施时，将允许用户位于几乎任何位置时通过卫星-蜂窝通信系统进行电话通信。通过发送在位于卫星上的收发信机与无线电话之间的下行链路信号和在无线电话与位于卫星上的收发信机之间的上行链路信号，在无线电话与位于卫星上的收发信机之间的电话通信将是可能的。通过实施在位于卫星上的收发信机和地面站之间的附加通信链路，无线电话的用户将能够借助于地面站与位于卫星上的收发信机来与另一方进行电话通信。

因为数字通信技术的固有效率，许多已经安装的蜂窝通信网已被转变成、以及许多新提出的蜂窝通信系统(例如AceS系统)已经被设计成利用数字通信技术。其它通信系统同样地利用、或打算被转变成或打算利用数字通信技术。

为了正确地起作用，特别是在通信系统利用数字通信技术时，无线电话必须与蜂窝通信网的网站同步。在传统上，同步信号通过网站被发送到无线电话，以使得无线电话与网站同步。其它通信系统同样利用用于类似目的的传统的同步信号。

在TDM通信系统中，例如时分多址(TDMA)系统，通信是通过使用帧来实现的。在TDMA中，给定的频带被划分成一系列离散的帧，每个帧具有设在其中的一系列离散时隙，每个时隙由不同的用户使用。虽然许多系统利用每帧8个时隙，但AceS提供每个时隙给多个用户，实际上变成了一个16-或32-时隙系统。在每个时隙期间，信息可以按照特定的多帧结构以突发脉冲形式被发送。通常的突发是传送语音或数据信息。其它突发形式包括高功率同步突发，在此，成组的突发构成上述的同步信号，它们优选地是在一个多帧(即，在AceS系统中102个接连的帧)内的许多帧上不规则地间隔开的。然而，这样的信号中的初始高功率同步突发被放置在一个多帧中的第一帧的起始处，它以信令的形式表示多帧的边界，以及其余的同步突发(通常是三个)可构成高功率广播突发，它们是从多帧内的起始同步突发开始以已知的偏移不规则地间隔开的。

然而，很容易看到，无线电话或蜂窝电话在开始加电以后，是与从发射机发出的数字比特流不同步的，因而必须确定该比特流内的多帧边界，即，起始同步突发的开始端。一旦找到第一个同步突发和多帧边界，接收机就可快速达到与发送的同步。然而，即使在不存在干扰信号，所发送的许多个多帧也可能要被遗漏掉，并且要经过执行很多的处理步骤后才达到同步。

在传统上，要实行两种类型的同步：粗同步和细同步。粗同步目的是用来把比特流的选择缩小到希望包含有起始高功率同步突发(即多帧边界)的接连的比特的特定部分。细同步然后确定在该部分内起始同步突发的精确位置，其方法是：通过把一段所选择的接连的比特与一个比特图案进行相关或匹配，并且逐个比特地移动比特段，直到得到相关和同步为止。

通过信标信道来提供通用信息给移动台和允许进行初始载波获取，就能够实现在轨道卫星与移动台电话之间的控制信道。在卫星与移动台之间的交互作用需要移动台根据与覆盖该移动台的点波束有关的信标频率来获取定位。点波束包括从卫星发射到有限的地理区域的聚焦的天线方向性图形。点波束使信号能从卫星发射到移动台所处在的一个界限分明的区域。

由移动台对于点波束的获取使得能够始发连接程序。连接是通过一个短的或正常的点波束选择过程而发生的。对于短的点波束选择过程(该过程利用在AceS系统内预先存储的信息或用户的交互作用)，可允许多达2分钟的捕获时间。对于正常的点波束选择过程(该过程不利用任何预先存储的点波束信息或用户交互作用)，允许多达12分钟的捕获时间。

由于缺少在整个卫星通信服务区域内频率规划的协调，对于AceS系统，多达140个不同的频率(频率数目可随所使用的系统而变化)可被用作为点波束信标频率。每个点波束可以有独特的信标频率。因此，对于正常点波束信标频率选择过程，移动台必须搜索140个不同的波束频率，以便确定用于移动台的信标频率。

对现有的在AceS系统内的初始粗同步程序的评定表明，为了在加性白高斯噪声(AWGN)信道上提供28dB链路余量，需要五个多帧的同步时间，来达到优于99％的粗同步成功率。所建议的同步方案，对于短的点波束选择过程需要114秒，以及对于正常的点波束选择过程需要729秒。虽然由现有的同步方案达到的同步时间满足短的波束选择过程的要求，并接近满足正常的波束选择过程要求，但需要能显著地减小同步时间，以使得卫星和移动台更为有效。

                          发明概要

本发明通过一种用于获取无线通信系统内点波束信标频率的方法克服了上述的和其它的问题。一开始，汇编一个候选频率表。这个表可包括最近使用的频率的清单，或它可从预先确定的频率分级结构中被选出。对候选频率表进行处理以便可确定在特定的时间间隔内对于每个候选频率的最大的时隙度量。

根据对于每个候选频率确定的最大时隙度量，把候选频率划分成两个频率组。对于每个频率组的最大时隙度量(组度量)是从与该组中的每个频率有关的时隙度量中选择的。组度量被用来计算这样一个比值，其中较大的一个组度量被用作为比值内的分子以及较小的一个组度量被用作为比值内的分母。把这个比值与预定的门限值进行比较，该门限值确定了为确定信标频率是否处在当前选择的频率组内而需要的最小比值水平。如果该比值超过门限值，则在候选频率组内选择具有最大时隙度量的频率作为信标频率。否则，选择下一个候选频率组，重复进行以上的过程，直到找到一个超过预选门限值的比值。

一旦找到点波束信标频率，就在频率上进行快速的粗的时间捕获过程。最后，在信标频率上进行快速的精细时间和频率捕获过程。本发明的快速捕获过程对于处在小于现有的系统的链路余量的链路余量内的大多数用户是有效的。

                       附图简述

为了更全面地了解本发明，可参考以下结合附图所作的详细说明，其中：

图1是包含本发明的卫星通信系统的方框图；

图2是信标频率捕获过程的流程图；

图3是信标频率捕获算法的流程图；以及

图4是快速的粗的时间同步算法的性能的显示。

                      发明详细描述

现在参照附图，更具体地参照图1，图上总的显示卫星通信系统的各个部件。一个静止同步低地球轨道或中地球轨道上的卫星10提供了多个点波束15，用来提供到多个选择的位置区域的通信。每个点波束15是发射到有限的地理区域的聚焦的天线方向性图形。点波束15被卫星使用来传递信号到一个地理上界限分明的区域。在每个点波束内，发射一个信标频率20a，20b，20c，...，使得卫星10能够构成与移动台25之间的通信链路，用于发送在卫星10与移动台25之间的控制信道信息。每个信标频率20对于每个点波束是不同的。

在移动台25与卫星10之间的通信链路是在激活移动台25以后开始的。移动台25包括一个处理器30，它包括用于获取信标频率35、用于粗调整40、和用于细调整45的电路，以便把移动台调谐和同步到信标频率，以及达到移动台25与卫星之间的时间同步。候选的信标频率35的清单被存储在优先频率表50中，它包括以优先权次序排列的所有可能的信标频率。信标频率的优先权次序可以是按照预定优先权根据最近接入的频率而确定。

现在参照图2，图上显示了按照本发明的用于获取信标频率的方法。一旦在步骤70移动台被接通，在步骤75，移动台扫描从被存储在移动台内的优先权频率表50的起始端处检索的第一组的L个频率。这L个频率可包括最近发现是信标频率的频率，或可包括总是以预定次序被接入的一组表。在步骤89启动信标频率捕获程序，以便找到点波束信标频率20。询问步骤85确定是否已捕获信标频率。如果没有的话，在步骤90进行询问，以便确定是否已从优先权频率表50上搜索了所有可能的频率。如果是的话，则控制进到步骤95，对于信标频率执行标准的慢搜索处理。否则，控制返回到步骤95，检索下一组L个频率，以供信标频率捕获程序进行处理。

如果在步骤85获取到信标频率，则在步骤90，处理器30进行快速所粗的时间捕获程序，以便一般地确定起始高功率同步突发，即，多帧边界。处理扫描一个62帧滑窗以执行这个任务。一个62帧滑窗被用来确保检测至少两个高功率同步突发。如果使用除了AceS结构以外的多帧结构，则只要检测到至少两个高功率同步突发，则任何数目的帧可被扫描。在该62帧滑窗内，计算对于每个时隙的度量。使用已知技术，时隙度量和对于高功率同步突发之间的间隔的知识于是可被用来一般地确定控制信道多帧边界。

假定Si等于第i个高功率同步突发与先前的同步突发之间的间隔。例如，在AceS系统中，头四个间隔(i＝1，2，3，和4)是S₁＝168，S₂＝176，S₃＝312，和S₄＝160。对于l＝1，2，...，M和i＝1，2，3，和4，该电话计算以下的度量：

         B₁ ⁱ＝P₁ ¹+P¹ _1+Si

其中P₁ ¹是对于第一载波的时隙度量

在申请人的共同待决的申请序列号No.08/＿＿，(代理人文档号27951/131)中描述的前后测试技术可被用来从高功率寻呼告警突发中对高功率同步突发进行差分，该申请在此引用，以供参考。差分是必要的，因为在相同的载波上发射其它的具有相同功率的非同步突发(例如，高功率寻呼告警突发)的情况下，同步可能被阻止。困难是来自于：接收机不能区分高功率同步突发与其它类型的高功率突发。这样，接收机不能识别多帧边界和达到同步。然后，在步骤105，细的时间和频率获取过程可被执行，以确定起始高功率同步突发的精确位置，从而完成同步过程。

图4显示快速的粗的时间同步算法。可以看到，从优于-5dB的信号-噪声比(C/N)，可得到小于3％的同步错误率。这种情形将覆盖AceS系统的大多数用户。通过搜索包含8个频率的频率表，为得到粗的时间同步所需要的最小时间仅仅是1.757秒，或大约3.7个多帧。时间帧是.577mS长，8个时隙包括一个2.3mS的帧，102个帧包括一个0.47秒的多帧。对于其中移动台必须搜索所有140个载波频率来找到合适的信标频率的最坏的情形，仅需要26秒或大约55.3个多帧。假定移动台需要另两个多帧来完成精细时间和频率同步，对于本发明的总的同步时间是在2.7和27秒之间。这就得到大大的改进，从对于具有-8dB的C/N的先前的系统而言，为进行信标频率同步所需要的2分钟时间改进到12分钟时间。

现在参照图3，图上显示了信标频率捕获算法。信标频率捕获算法在一个40帧的滑窗上找到在每个频率上一个时隙的最大积累功率。在AceS系统中，每个控制信道多帧具有位于帧0、22、61、和81的时隙0上的四个高功率同步突发。这样，通过搜索在一个40帧的滑窗上一个时隙的最大积累功率，可以利用来自至少一个高功率同步突发的能量分布。

一开始，在步骤110，计数器i被设置为等于1。在步骤115，实行切换到第一频率。然后，在N(40)帧的滑窗上，计算对于现在的频率的最大度量。这是通过令r_i ^j是在频率f_j上在时间iT的接收信号样本，其中T是比特程序时间。在频率f_j上第1个时隙的累加能量等于： $p_l^j=\underset{i=(l-1)N+l}{\overset{\mathrm{IN}}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_i^j\right|}^2,l=\mathrm{1,2},\…,M$

其中N是每个时隙的比特数；以及

    M是在搜索滑窗中的时隙总数。

在AceS系统中，对于一个40帧的滑窗，M＝320(即，每帧8个时隙，对于一个40帧的滑窗总共为320个时隙)。在频率f_j上在一个时隙中的最大累加功率可被表示为： $A^j=\underset{l=1,\…,M}{\max }{p}_l^j$

p₁ ^j和A^J被分别称为时隙度量和载波度量。可以假定，A¹＞A²＞...＞A^L。询问步骤125确定计数值i是否等于在候选频率表内的频率数，以及如果否定的话，在步骤130，加增量i，使能在步骤115切换到下一个频率。

如果对于在候选频率表内的所有频率确定最大时隙度量，则控制进到步骤135，其中该组的L个候选频率被分成两个子集S₁和S₂，其中 $S_1=\{f_1,f_2,\…,f_{k_1}\};$

以及 $S_2=\{f_{k_1+1},f_{k_1+2}\…,f_L^1\},$

通过使用这些方程，具有最大度量的频率被放置在S₁中，以及具有较小的度量的频率被放置在S₂中。在步骤140，确定对于两个子集S₁和S₂的每个子集的组度量。与S₁和S₂有关的组度量G₁和G₂被定义为： $G_1=\underset{l=1,\…,K_1}{\max }{A}^l$ $G_2=\underset{l=K_1+1,\…,L}{\max }{A}^l$ 或在另一个实施例中： $G_2=\underset{l=K_1+1,\…,L+1}{\max }{A}^l$

在步骤145，计算组度量G₁和G₂之间的比值，它被用来确定f₁(它具有最大时隙度量)是否为由当前点波束使用的信标频率。按照下式计算比值 $\mathrm{\γ}=\frac{G_1}{G_2}$

询问步骤150确定比值γ是否大于预定的门限值。如果是的话，在步骤160，使用f₁作为信标频率，并且初始获取程序进到图1的步骤100。另一方面，如果γ小于或等于预定的门限值，则这表示信标频率不在当前的候选频率集内，必须如图1所示地接入下一个候选频率集。对于这种情况，移动台设置A^L+1＝A¹，以及得到另一个用于信标频率捕获的候选频率集。

对于使用用于判决载波频率获取的组度量的γ比值的动机，主要是对于用户是处在几个点波束的覆盖区域的边界时的情况。在这种情况下，一个以上的频率可产生具有接近相等的数值的大的载波度量。所以，如果我们仅仅取两个时隙度量A₁和A₂的比值，则将提供接近于1的比值，我们就将错过检测信标频率。

虽然本发明的方法和装置的优选实施例已经在附图中显示和在上述的详细说明中被描述，但应当看到，本发明不限于所揭示的实施例，而是能够进行多种重新安排、修改、和替换，又不背离如在由以下的权利要求所阐述和规定的本发明的精神。

Claims (26)

1.用于获取卫星通信系统内的点波束信标频率的方法，包括以下步骤：

通过载波捕获过程检测点波束信标频率，载波捕获过程使能够在小于约27秒内进行载波捕获；以及

确定在检测的点波束信标频率内多帧边界的位置。

2.权利要求1的方法，其特征在于，其中确定步骤还包括以下步骤：

对检测的点波束信标频率实行粗的时间捕获，以便选择一个包含多帧边界的比特组；以及

对检测的点波束信标频率实行细的时间捕获，以便检测比特组内多帧边界的位置。

3.权利要求1的方法，其特征在于，其中检测步骤还包括以下步骤：

a)接入至少一个候选频率集；

b)把至少一个候选频率集划分成多个组；以及

c)使用多个组的组度量，以便检测点波束信标频率。

4.权利要求3的方法，其特征在于，其中多个组包括第一和第二组。

5.权利要求3的方法，其特征在于，其中使用步骤还包括以下步骤：

计算在第一与第二组的组度量之间的比值；

把计算的比值与预定门限值进行比较；以及

如果计算的比值超过预定门限，则选择与最大时隙度量有关的频率为点波束信标频率。

6.权利要求3的方法，其特征在于，其中划分步骤包括以下步骤：

确定对于在至少一个候选频率集中的每个频率的最大时隙度量；以及

根据最大时隙度量把至少一个候选频率集划分成各个组。

7.权利要求6的方法，其特征在于，其中确定步骤包括确定在时隙上累加的接收信号的功率的步骤。

8.权利要求6的方法，其特征在于，其中确定步骤包括确定在时隙上的接收信号功率的对数值的累加的步骤。

9.权利要求6的方法，其特征在于，其中对于每个频率的最大时隙度量在所选择的滑窗上被确定。

10.权利要求9的方法，其特征在于，其中所选择的搜索滑窗覆盖至少一个高功率同步突发。

11.权利要求9的方法，其特征在于，其中所选择的搜索滑窗是40帧长。

12.权利要求3的方法，其特征在于，其中计算步骤包括以下步骤：

确定对于第一和第二组的组度量，其中组度量包括在每个组内的最大时隙度量；以及

用较小组度量除以最大组度量，以确定两种组度量之间的比值。

13.权利要求1的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

如果计算的比值没有超过预定门限值，则接入第二个候选频率集；以及

对于第二个候选频率集重复步骤a)--c)。

14.权利要求1的方法，其特征在于，其中执行快速的粗的时间捕获步骤是在包括至少两个高功率同步突发的一个帧周期上进行的。

15.用于获取卫星通信系统内的点波束信标频率的方法，包括以下步骤：

确定对于多个候选频率的组度量的比值；

把该比值与预定门限值进行比较；以及

如果该比值超过预定门限值，则选择多个候选频率中具有最大时隙度量的一个候选频率作为点波束信标频率。

16.权利要求15的方法，其特征在于，其中还包括以下步骤：

在包括不大于两个高功率同步突发的一帧长度上，对选择的点波束信标频率实行粗的时间捕获；以及

在粗的时间捕获以后，对检测的点波束信标频率实行细的时间捕获。

17.权利要求15的方法，其特征在于，其中确定步骤包括以下步骤：

a)接入至少一个候选频率集；

b)把至少一个候选频率集划分成第一和第二组。

18.权利要求17的方法，其特征在于，其中划分步骤包括以下步骤：

确定对于在至少一个候选频率集中的多个频率的每个频率的最大时隙度量；以及

根据与多个频率的每个频率有关的最大时隙度量，把至少一个候选频率集划分成第一和第二组。

19.权利要求17的方法，其特征在于，其中划分步骤包括以下步骤：

确定对于第一和第二组的组度量，其中组度量包括在一个组内的最大时隙度量；以及

用较小的组度量除以较大的组度量，以确定组度量之间的比值。

20.权利要求17的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

如果所确定的比值没有超过预定门限值，则接入第二个候选频率集；以及

对于第二个候选频率集重复步骤a)--b)。

21.用于获取卫星通信系统内的点波束信标频率的方法，包括以下步骤：

a)接入至少一个候选频率集；

b)对于在至少一个候选频率组中的每个频率，确定最大时隙度量；

c)根据与每个频率有关的最大时隙度量，把至少一个候选频率组划分成第一和第二组；

d)分别指定在第一和第二组的每个组内的最大时隙度量作为第一和第二组的组度量；

e)计算第一与第二组的组度量之间的比值；

f)把计算的比值与预定门限值进行比较；以及

g)如果比值超过预定门限值，则选择具有最大时隙度量的一个候选频率作为点波束信标频率。

22.权利要求21的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

对选择的点波束信标频率实行粗的时间捕获；以及

在粗的时间捕获以后，对检测的点波束信标频率实行细的时间频率捕获。

23.权利要求21的方法，其特征在于，其中时隙度量包括在时隙上累加的接收信号的功率。

24.权利要求21的方法，其特征在于，其中确定步骤包括确定在时隙上的接收信号功率的对数值的累加的步骤。

25.权利要求21的方法，其特征在于，其中对于每个频率的最大时隙度量在所选择的滑窗上被确定。

26.权利要求18的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

如果计算的比值没有超过预定门限值，则接入第二个候选频率集；以及

对于第二个候选频率集重复步骤a)--g)。

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