JPH11509378A - 個人衛星通信システム用のネット・エントリ・チャンネルを有する周波数ホップ戻りリンク - Google Patents

個人衛星通信システム用のネット・エントリ・チャンネルを有する周波数ホップ戻りリンク

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JPH11509378A JP8524421A JP52442196A JPH11509378A JP H11509378 A JPH11509378 A JP H11509378A JP 8524421 A JP8524421 A JP 8524421A JP 52442196 A JP52442196 A JP 52442196A JP H11509378 A JPH11509378 A JP H11509378A
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Abstract

(57)【要約】 スペクトラム拡散直交CDMA伝送方式を用いて、複数の加入者ハンドセット端末14がトラヒック周波数チャンネル15で地上ハブ局12と通信する衛星ネットワーク通信システム。ハブ局は、加入者のハンドセット端末に同期補正信号(タイミング、周波数および電力)を通信するネット・エントリ制御チャンネル10を生成する制御発生器と、戻りリンク受信機とを含む。各加入者ハンドセット端末は、制御チャンネル同期補正信号を受信する加入者装置制御チャンネル受信機と、全ての加入者ハンドセット端末からの信号が時間、電力および周波数の同期状態でハブ局に到達するように、同期補正信号を受信するため接続された加入者装置戻りリンク送信機とを有する。加入者装置戻りリンク送信機が、信号が同時に同じ周波数ビンを占有しないように周波数ホップ・スペクトラム拡散搬送波を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 個人衛星通信システム用のネット・エントリ・チャンネルを有する周波数 ホップ戻りリンク 背景および従来技術の簡単な説明 スペクトラム拡散(spread spectrum)通信は、多くの商業用 途に現在用いられており、止まるところのない通信要求が増加するに伴い、急増 が予測されている。 地球規模のカバーレジを有する衛星に基く「個人用通信システム(PCS)」 を開発するため、多くの連携が行われてきた。これらシステム例の一部には、と りわけ、グローバルスター(1991年6月3日のLoral Cellula r Systems社によるFCC(連邦通信委員会)提出のグローバルスター ・システムの申請)、およびオデッセイ(1991年5月31日の新規な通信衛 星システム「オデッセイ」を作るためFCC提出のTRW社の申請)を含む。こ れらのシステムの意図は、加入者が現在のセルラー電話によく似た携帯ハンドセ ットを用いて地球上の大部分の場所から衛星回路網を介して電話呼出しを直接行 うことができることである。前述の両システムは、多数の理由からスペクトラム 拡散CDMA技術を使用することを意図する。 上記の申請において堤案された如き戻りリンク(return link)信 号は、ダイレクト・シーケンス(DS)CDMAスペクトラム拡散方式である。 この信号生成形式は、幾つかの望ましい特性を有するが、衛星PCS用途の多く の短所を持つ。それらには、高速な信号捕捉の困難、電力制御エラーに対するシ ステム容量の感度、およびアクセス・ノイズによるEb/No劣化(これらシス テムは、妥当なユーザ容量を達成するためには、典型的に、BER=0.001 においてEb/No>8であることを要求する)が含まれる。 発明の目的 本発明は、幾つかの機能を供する。これらは、下記の如く要約される。即ち、 容易に捕捉され同期される堅牢な戻りリンクを提供すること。 電力効率が非常によい戻りリンク信号を提供すること。 アクセス・ノイズが実質的にない戻りリンクを提供すること。 電力制御エラーに対する感度が非常に低い戻りリンク動作を提供すること。 非常に高いユーザ容量を有する戻りリンクを提供すること。 従来の時間同期および周波数同期を必要とせず、干渉なしにCDMA回路網を 容易にアクセスするための手段を提供すること。 ハブ局が、ユーザにトラヒック・チャンネルを割当てる前にユーザを検出して 同期を取ることを可能にすること。 ネット・エントリ要求に対する高いリンク・マージンの帯域内チャンネルをユ ーザに提供すること。 発明の概要 衛星通信回路網のハブ局は、加入者端末から多数のスペクトラム拡散信号を受 信する。(特定の1つの周波数チャンネル上の)これら信号の各々は、FH搬送 波を介して送られるデータ記号からなっている。これらの信号は、時間的および 周波数の同期状態でハブ局に到達するように同期される。信号搬送波は、直交ホ ッピング(hopping)・パターンを用いる。即ち、これら信号はいずれも 同時には同じ周波数ビンを占めない。信号の直交特性は、同一チャンネル信号か らのアクセス・ノイズなしに信号を復調させる。これは、直交周波数ホッピング (OFH)と呼ばれる。このチャンネルにおける非同期的なユーザは、非直交的 なユーザに対する高レベルのアクセス・ノイズに起因して地上局で復調され得な い。ユーザの初期同期のために、別の帯域内ネット・エントリ・チャンネル(N EC)が提供される。このチャンネルにおけるスペクトラム拡散信号は、トラヒ ック・チャンネルからのアクセス・ノイズもなくハブ局により受信することがで きる。更に、NEC信号は、初期のタイミング・エラーおよび周波数エラーにも 拘わらず、トラヒック・チャンネル・ユーザとは干渉することはない。戻りリン ク信号は、GSからアウトバウンド信号上で帯域内制御データを介して各ユーザ に対して小さな時間および周波数の補正を伝送することにより、同期状態に維持 される。この補正利得および更新速度は各ユーザごとに異なり、ユーザの動的特 性が広く変動してさえも適応し得る。ブロック周波数・位相推定手法(即ち、ル ープの非直線性による予測し得ない捕捉時間を持つ位相同期ループとは対照的に フィードフォワード推定法が用いられる)の使用によって、ホップ(hop)遷 移時の位相の不連続にも拘わらず、有効なデータ復調が行われる。デコーダは、 以下に述べるように、新規な並列デコーダ構成によりホップ遷移時の位相の不連 続にも拘わらず、有効に動作する。低速ホッピングの使用は、1つの衛星に対し て同期されていても直交信号として認識される2つの異なる衛星で受信される信 号を結果として生じる。地上局GSは、同期状態にある回路網にエントリするた めに新たなユーザが用いなければならない必要な時間および周波数の補正を決定 することができる。これは、ネット・エントリ・チャンネルNECで行われ、ト ラヒック・チャンネルでユーザ‐GS間通信を確立するために必要である。NE Cは、ユーザがアウトバウンド信号を追跡することにより得られる時間的情報お よび周波数情報を用いて高い成功率でネット・エントリ要求を送るための手段を 提供する。NECにおける(トラヒック・チャンネルよりも)低いホップ速度の 使用は、タイミングの不確実性にも拘わらず、PN信号の迅速な捕捉を可能にす る。 図面の説明 本発明の上記および他の目的、利点および特徴については、以降の記述および 添付図面により考察すれば更に明らかになるであろう。 図1は、本発明を盛り込んだシステム構造の概略ブロック図、 図2は、6つのネットワーク・エントリ・チャンネル(NEC)周波数ビンを 示す信号サブバンドの概略図、 図3は、加入者装置戻りリンク送信機の機能ブロック図、および 図4は、地上局の戻りリンク受信機の機能ブロック図である。 発明の詳細な説明 本発明を詳細に記述するために、本発明を星形状のスペクトラム拡散衛星回路 網の戻りリンクに用いられるものとして実施の形態を論述する。順方向通信リン ク10は、地上の個々のユーザへトランスポンドする衛星11を介して、ハブ地 上局(GS)12から送信されるユーザ信号を含む。当該システムは、典型的に 、地上の連続的「セル」を示す多重ビーム・アンテナ13を用いる。 ハブ地上局12は、複数の制御チャンネル信号発振器16−1、16−2、、 、16−Nから、宛て先のハンドセット14が配置される地上のセルへ信号を送 信する衛星に対して順方向リンク信号10(ネット・エントリ制御チャンネルを 含む)を同報するアンテナ手段15を含んでいる。ハブ地上局12はまた、複数 の戻りリンク受信機17−1、17−2、、、17−N(詳細は図4に示される )をも含み、これら受信機は制御チャンネル発生器および順方向通信リンク10 に時間、周波数および電力の補正の諸信号を与えるためシステム・コントローラ 18に接続されている。時間、周波数および電力の補正を行うための回路は、図 4の機能ブロック図に示される。 各加入者局14は、ハブ地上局から加入者装置戻りリンク送信機20(図3の 機能ブロック図に詳細に示される)へ時間、周波数および電力の補正信号を与え る制御チャンネル受信機19を含んでいる。 開示された実施の形態においては、順方向通信リンク信号10は、本質的にス ペクトラム拡散直交CDMA(OCDMA)であり、約2.5MHzを占有する ものとされる。更に、例示目的のため、256個ものCDMA信号が2.5MH zサブバンドの1つを占有するものと仮定する。これらのCDMA信号の1つ以 上が、呼びのセットアップおよび回路網同期のために加入者のハンドセット(H S)14との通信のための「制御チャンネル」としてGSにより用いられる。更 に、各アウトバウンド信号は、HSの通話中にGS12が同期および電力の制御 データをHSへ送出することができる帯域内制御データを含むものと仮定する。 当該システムは、複数の2.5MHzサブバンドを用いることができる。 GS12は、衛星に対するアップリンクにおける伝送に適切な帯域幅へ「スタ ック」される幾つかのサブバンドで送信する。次いで、サブバンドのグループは 、地上の個々のユーザに対する伝送のため衛星上の異なるアンテナ・ビーム即ち アンテナ13へ送られる。 本文に開示された発明が主として戻りリンク15に言及しており、制御チャン ネルの存在に関することを除いてアウトバウンド・リンクの構造には依存しない ことに注目されたい。 戻りリンク信号の説明 戻りリンク15の機能的目的は、データをユーザのハンドセットHS14から 地上局GS12へ伝送することである。データ伝送速度は、例示目的のため48 00bpsとされる。この例示的な実施の形態に対する信号パラメータの要約が 、表1に示される。 戻りリンク10は、1.25MHzサブバンドで直交FH(0FH)を用いる 。ホップ・ビンは9900Hzだけ隔てられ、サブバンド中に126のビンがあ り、最大126の直交信号を収容する。 ホップ速度は150HPSで、6.7ミリ秒のホップ期間を生じる。サブバン ド中の全ての信号は、GSにおいて同期状態で受信される。これは、アウトバウ ンド信号制御チャンネルを経由してGSを通る「長い」時間および周波数の追跡 ループを閉路することによって達成される。 トラヒックの信号伝送のために使用されるホップ・ビンには、0から113の 番号が付される(以下に述べるように、更に12のビンが回路網エントリのため 用いられる)。1つの周波数サブバンドにおける全ての加入者は、同じホップ・ コード・シーケンス(h1、h2、、、hk、、、hK)を使用する。ユーザに は、0から113までのトラヒック・チャンネル番号(TCN)が割当てられる 。ユーザは、このTCNをホップ・コード・シーケンスMod(114)に加算 し、送信ホップ・ビン・シーケンスを決定する。 変調は、帯域幅効率がよく、電力効率がよく、かつ増幅器の非直線性に比較的 許容度が高い0QPSKである。データは、R=1/2畳み込みエンコーダでコ ード化される。チャンネル伝送速度は、ホップ間に1つの記号ガード時間を許容 する4950SPSである。ホップ当り33個の記号があり、そのうちの32個 がデータ記号である。データは、擬似コヒーレント・ブロック位相・周波数推定 法を用いて検出される。 ホップ遷移時の位相不連続性の存在下で動作するように、新規な方法でビタビ ・デコーダが実現される。この手法を説明するため、ビタビ・デコーダが当該ホ ップの初めまでデータを良好に復号していたものと仮定する。このホップの32 個のビットはソフト決定(soft decision)記号として復調される が、ホップ遷移時の位相不連続性と搬送波位相推定器の曖昧性とに起因して90 °の倍数の位相曖昧性を有する。ここで、搬送波位相基準の90°、180°お よび270°の回転に対応する復調データの他の3つのバージョンを形成する。 これらのデータ・セットのそれぞれは(合計4つの)独立のデコーダにより復号 されるが、その各々のデコーダは最後のホップからデータを良好に復号したデコ ーダの状態へ初期設定されている。復号後に、4つのデコーダの分岐距離(br anch metrics)を調べてどのデコーダが最も適正らしいかを見出す 。次いで、他の3つのデコーダが良好なデコーダと同じ状態にセットされ、この 手順が次のホップに対して反復される。 始動時、あるいはフェージングによるシステム断後に、復号装置は(ホップ期 間が少なくとも若干のデコーダ束縛長さである限り)若干のホップ後に初期の位 相曖昧性を解決することになる。この関係がデコーダ装置により維持される。当 システムは、透過コードか非透過コードで使用することができる。 ビタビ・デコーダ動作をホップ遷移時の位相不連続性の存在下で実現する第2 の新規な方法は、下記のとうりである。信号が0QPSKであるゆえに、2つの 直交信号成分における位相遷移が1/2記号の時間オフセットで生じる。従って 、受信信号における位相遷移に対して同期する装置は、遷移が前のホップと一致 するか、あるいは90°の回転が存在するかを識別することができる。90°の 回転が存在するならば、これは、2つの直交信号成分においてデータをスワップ したのが原因である。このため、適正に整列された信号は同相かあるいは180 °のエラーの状態に置かれる。上記と同様に、複数のデコーダが使用されるが、 この時は4つではなく2つのデコーダが使用される。前項の他の全ての論議は、 (3つではなく)1つのデコーダが良好なデコーダと同じ状態にセットされる最 後の段階以外では、2つのデコーダに妥当する。 ホップ遷移時の位相不連続性が存在する場合のビタビ・デコーダ動作を実現す るための両方の試みは、バースト信号に対する広範な応用に適用し得る。これら は、任意の形態の位相シフト・キーイング変調方式(例えば、0QPSK、QP SK、BPSK、多レベルPSK、QASM)を用いる任意の通信システムを含 み、第1の試みに対しては信号がバーストで生じ、第2の試みに対してだけは0 QPSKのみである。これらは、限定されるものではないが、時分割多重アクセ ス、ポケット・スイッチング、およびポールド(polled)回路網を含む。 これらのシステムはスペクトラム拡散であってもなくてもよい。これらの通信シ ステムは、これに限定されるものではないが、衛星、地上セルラー、地上無線ロ ーカル・エリア・ネットワークおよび屋内ローカル・エリア・ネットワークを含 む。 低速ホッピング 本発明の重要な特徴は、複数の衛星が切換え型または結合型の多重衛星ダイバ ーシティのために同じ信号を、いつ受信し中継するかである。これに限定するも のではないが1〜20ホップ/秒の付近の低速ホップ速度を用いることにより、 信号は実際には非干渉的である。同期され衛星を介して動作するユーザ・リンク について考察する。全ての信号は同じタイミングで衛星に到達し、相互に干渉す ることはない(信号は直交している)。これらの同じ信号が別の衛星で観察され る時、それらの相対的タイミングは異なり、これらの信号は、地上における異な る場所に位置するために生じる相対的なタイミングのオフセットにより重なり合 う時間中は相互に干渉する。 低速のホップ速度、例えば10ホップ/秒を用いることにより、ホップ休止時 間は長くなる(100ミリ秒であるが、150HPSの例では、6.7ミリ秒で ある)。このように、例えば、5ミリ秒の重なりで損なわれるホップ休止部分は はるかに小さくなる。各ホップ休止時間の90%を越え得る各休止の残りの(中 央)部分は、干渉のない通信のため用いることができる。重なり時間の期間、信 号は、強固な同期を生じるように各端に同期パターンを持ち、オンであり得る。 各端における重なり部がともに完全に干渉されるわけではない。両同期セクショ ンの一方または他方は、常に観察可能であって使用可能である。あるいはまた、 信号は、送信機に対する電力を保持するため重なり部でターンオフされ得る。 戻りリンクのネットワーク・エントリ・チャンネル(NEC) 先に述べた戻りリンクは、直交状態を維持するように時間および周波数の同期 状態で到達する全てのユーザHS信号に依存する。HSがネットワーク内に入る と、GSにおいてユーザ信号ごとに小さな時間および周波数のエラーを検出する ことにより、かつアウトバウンド信号における帯域内制御データにより補正を送 出することによって、同期が維持される。しかし、HSは他のトラヒック信号と 同期してGSに到達する信号を送信するための適切な情報を持たないので、呼び を行いあるいは呼びに応答するためのネットワークへのHSの初期エントリが問 題である。 この問題は、アンテナ・ビームの中心におけるユーザに対する衛星ドップラを 除去するためにGSがアウトバウンド信号を補償するものと仮定することによっ て、部分的に緩和される。ユーザHSは、アウトバウンド信号を捕捉し、制御チ ャンネルを監視してからNECを用いる。このように、HSは時間および周波数 の基準としてアウトバウンド信号を用いることができるが、HSがビーム中心か ら外れると、時間および周波数のエラーが生じることになる。この初期の不確定 性は、当該説明ではΔT=±6ミリ秒、ΔF=±8KHzと見なされる。 NECは、図2に示される如く1.25MHzのトラヒック・サブバンドにわ たり均等に隔てられた6つのホップ・スロット25−1、25−2、、、25− 6において0FHを用いる。各ホップ・スロット25は、幅が19.8KHz( 2つの連続する9.9KHzのトラヒック・ホップ・ビン)である。 ホップ速度は37.5Hz(150/4)であり、送信周波数は公称ビン中心 周波数より1KHz上で開始し、ホップの中間で中心周波数より1KHz下へ逓 減される。この遷移は、時間トラッキングのため用いられる。NEC信号パラメ ータは、表2に要約される。 ホップ・コードは、トラヒック・チャンネルに対するものと類似の方法で形成 される。即ち、NEC数をホップ・コード・シーケンスに加算することにより、 6つの直交ホップ周波数シーケンスが生成される。 NECは、呼びを行いあるいは呼びに応答するため加入者により用いられる。 NECを用いるために、ユーザHSはアウトバウンド信号を捕捉し且つ制御チャ ンネルを監視していなければならない。未占有のNECコードに対する識別子が 、制御チャンネルでHSに対して送られる。合計6個のコードがある。HSは未 占有のNECコードの1つを選択し、アウトバウンド信号に基く周波数および時 間の補正を用いて送信を開始する。 GS14は、NEC周波数ビンの各々を中心とする高速フーリエ変換FFT( 図4)を実施し、かつ 1)適宜に未占有のNECコードのリストを更新し、 2)信号衝突を検出してユーザに通知し、 3)受信信号における時間および周波数のオフセットを推定し、(NEC識別子 が付された)制御チャンネルにおいて補正を伝送し、即ち、時間および周波数の プルイン・ループがGSを介して閉路される。 4)HS14が時間および周波数の同期状態にあることをGS12が判定する時 、HS14にはトラヒック・チャンネル割当てが与えられる。 送信機の構成 加入者装置戻りリンク送信機のブロック図が図3に示される。多重化された入 力データ(制御およびトラヒック)がバッファ27され、システム・クロック2 9と同期される長い機密保護コード28でカバーされる。データはコード化30 され、インターリーブ31され、ホップされた搬送波33へQPSK変調32さ れ、その後アップコンバート34され、増幅35されてアンテナ36を介して送 信される。トラヒック37およびネット・エントリ・チャンネル38のモードで は、ホップ・タイミングは記号タイミングと同期する。 受信機の構成 戻りリンク受信機は、地上局GSに実装され、機能ブロック図が図4に示され る。受信信号は、最初にダウンコンバート40され、図示のように、局のクロッ クに同期されたホップ・シーケンスでホップ解除(dehop)される。ホップ 解除された信号は、IミクサおよびQミクサを用いてベースバンドへ変換41さ れ、次いでディジタル化42される。 サンプリングされた信号は、データ変調を除去するため4乗の非直線性43を 介して送られる。結果として生じるcw信号の周波数エラー(ゼロを基準とする )は搬送波の4倍であり、周波数弁別器44(典型的には、クロス積弁別器、ま たはFFTに基く弁別器)により計測されてシステム・コントローラへ送られる 。システム・コントローラはアウトバウンド制御リンクでユーザHS14へ送ら れる補正を計算する。 周波数エラーもまた平均化されて、数値制御発振器(NCO)45と、推定エ ラーをフィードフォワード的に除去する複素乗算器とへ送られる。補正済み出力 の位相を推定するため、ブロック位相推定器(BPE)46が用いられる。 NCO45の出力周波数もまた4で除算46されてベースバンド信号と混合4 7され、データ変調された周波数補正済みのベースバンド信号を生じる。この信 号は、BPEからの位相推定値を用いて復調49される。図示のように、必要な 記号タイミングもまたベースバンド信号から導出される。 記号シンクロナイザの出力は、ホップ・タイミング弁別器63と関連して用い られ、ホップ・タイミング・オフセットの極めて正確な推定値を計算する。この 推定値はシステム・コントローラ18へ送られ、システム・コントローラはアウ トバウンド制御リンク10でユーザHSへ送られる補正値を計算する。 ソフト決定復調されたデータは、インターリーブ解除60され、4つのデコー ダ61−1、、、61−4を用いてホップに基いて復号されて、先に述べたよう に、ホップ遷移後の位相曖昧性を解決する。選択された適正な出力64は差動的 に復号65される。機密保護コード66は該出力と混合され、多重化解除67さ れてトラヒック・データおよび制御データを与える。 本発明の望ましい実施形態について記述し図示したが、本発明の他の実施の形 態が当業者には明らかであり、他の実施の形態、応用および修正が可能であるこ とが理解されよう。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.スペクトラム拡散直交CDMA伝送方式を用いて、複数の加入者ハンドセッ ト端末がトラヒック周波数チャンネルで地上ハブ局と通信する衛星ネットワーク 通信システムにおいて、前記ハブ局が、前記加入者ハンドセット端末に(タイミ ング、周波数および電力)同期補正信号を伝えるネット・エントリ制御チャンネ ルを生成する制御発生器と、戻りリンク受信手段とを含み、各加入者ハンドセッ ト端末が、前記制御チャンネル同期補正信号を受信する加入者装置制御チャンネ ル受信手段と、全ての加入者ハンドセット端末からの信号が時間および周波数の 同期状態で前記ハブ局に到達するように、前記同期補正信号を受信するため接続 された加入者装置戻りリンク送信機とを有し、前記加入者装置戻りリンク送信機 が、信号が同時に同じ周波数ビンを占有しないように周波数ホップ・スペクトラ ム拡散搬送波を含む衛星ネットワーク通信システム。 2.前記ネット・エントリ制御チャンネルが、小さな時間・周波数補正信号を前 記複数の加入者ハンドセット端末の各々に伝送する請求項1記載の衛星ネットワ ーク通信システム。 3.各受信手段がブロック周波数および位相推定手段により制御されるデータ復 調器を含む請求項1記載の衛星ネットワーク通信システム。 4.前記戻りリンク受信手段が並列デコーダのアレイを含む請求項1記載の衛星 ネットワーク通信システム。 5.2つの衛星から同時に同じユーザ信号を受信した時に性能を強化するために 、前記周波数ホッピングが比較的低い速度である請求項1記載の衛星ネットワー ク通信システム。 6.前記地上ハブ局における前記制御チャンネルが、前記トラヒック・チャンネ ルにおいて加入者−地上ハブ局間通信を確立するのに必要な時間および周波数の 補正を加入者ハンドセット端末に対して提供する手段を含む請求項1記載の衛星 ネットワーク通信システム。 7.前記ネット・エントリ制御チャンネルにおけるホップ速度が前記トラヒック 周波数チャンネルにおけるホップ速度より低い請求項5記載の衛星ネットワーク 通信システム。 8.ハブ局と加入者ハンドセット端末の各々が直交QPSKを用いて搬送波上に 前記信号を変調する手段を含む請求項1ないし7のいずれか一つに記載の衛星ネ ットワーク通信システム。
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