卫星交换码分多址通信系统的同步方法 本发明主要涉及一个通信系统的同步和传送卫星交换的CDMA(码分多址)波束的通信系统的同步。它特别针对一个多点对点通信系统中利用卫星交换进行多地面站传输的全球同步。
卫星自始以来一直是地面通信系统的一部分。它们在通信系统中最常见的应用是作为连接地面站的接力或中继(即，一个弯曲管道式的连接)。由于重量和大小的限制，通常认为很难设计一种设备在卫星内部进行信号交换，因此信号交换一直是在地面进行的，而卫星的工作正如一个弯曲地管道，在这里地面发射的一个波束里的信号整体地以一个波束的形式重定向到地面接收机。
通过利用解扩技术分离出单个的上行业务信道，以及通过重新扩频业务信道以有选择地组合业务信道到下行波束中，卫星交换已经在CDMA信号传输系统中实现。这个技术在下文中将作讨论。为使这样一个系统有效地工作，要求CDMA波束中各个信号之间和多个CDMA波束之间保持正交。在多点对点的系统中，这样的有效性要求扩频和解扩码全系统/全球同步。这在目前，如没有广泛的基于地面的同步系统，利用已知的技术是很难实现的。而这样的系统造价昂贵，在增减地面站时，缺乏灵活性。
在通过基于卫星交换处理进行多点对点通信的通信系统中，CDMA交换处理是通过一个全球同步过程得以实现的，该过程使每一个参加的组成部分同步到一个全球共同的参考点，而不要求有广泛的基于地面的同步系统。
为了传输到第二个地面站，利用远端卫星进行解扩和重新扩频的地面发射的多个正交CDMA信号码之间的同步，是通过基于卫星的同步系统，按照所附权利要求书中的过程得以实现的。
具体地说，全球同步是在所连接的卫星控制下，让所有地面用户单元在开始发射时都与一个公共的参考时间同步而实现的。这个共同的参考时间是通过与所连接的卫星进行信号交互而为所有的地面用户单元建立的，以此对某一地面站的最初的粗同步和随后的保持以及同步的精细调整都得以形成和保持。
在一个举例性的实施方式中，用下行同步信号和上行接入信号来获得卫星交换机和地面站之间的同步的。参考传输延迟时间是根据量化时标确定的，量化时标的间隔在用于系统的CDMA扩频码的码片间隔的大小范围内。量化时标定义了一个地面站的第一个信号是何时被接收的，传输延迟就是用它来确定的。这个传输延迟被传送到起始地面用户单元，并用于调整以后的上行链路CDMA码的码片的定时。
在本发明的另一方面，连续业务信道传输用于与地面站定时设备和卫星交换机的交互，以不断地改善同步状况。
每一个地面站的同步都参考一个共同的参考点，使得所有的发射地面站共享一个共同的参考起始发射时间，从而使地面站和卫星交换机的扩频/解扩码在考虑到传输延迟后达到充分的同步。附图简介
图1：采用卫星交换机的通信系统原理图；
图2：地面发射机-卫星-地面接收机系统的原理框图；
图3：图1和图2系统中所采用的地面站框图；
图4：在通信系统中，为建立全球同步，在地面站和卫星之间的连续信令图；
图5：卫星电路框图；
图6：图3用户单元/站中的接入信道发射机单元框图；
图7：图3用户单元站中的上行业务信道发射机单元框图；
图8：图5卫星中接入信道接收机单元框图；
图9：图8接入信道接收机单元中接入信道检测电路框图；
图10：图5卫星中的卫星广播发射机单元框图；
图11：CDMA码的同步到达时序图；
图12：地面和卫星之间传输延迟校正图；
图13：双稳态过程流程图；
图14：使卫星和地面站同步的跟踪反馈连接原理图；
图15：图8接入信道接收机的平行接入信道检测阵列原理框图；
图16：图15电路中信道检测器的一种实现方式。
图17：图2中同步和导频接收机原理图；
图18：用于图14的开环同步跟踪的解扩电路原理图；
图19：开环跟踪定时图；
在举例性的实施方式中，频谱有效(所谓频谱有效是指通过正交编码，相邻的码不易相关)的CDMA上行信号按照本发明中的原理，建立一个参考标记，码信号根据这个标记从地面站发射到卫星，从而实现同步初始的上行信号利用异步延迟捕获通过接入信道传输的CDMA信号。在完全同步的系统中，所有的上行业务信道必须相对于CDMA码同步到达卫星接收机，以便满足信号之间，包括波束中的业务信道之间和波束之间的正交分离的要求。为了正交而需要产生充分的同步。系统运行的分析表明，同步的轻微偏差(10％)并不会严重干扰无阻塞系统的运行。实际上，这样的偏差被用于不断地改善和保持同步状况；来自卫星的下行信号是同步码分多路复用信号，它们是指向某一目的地的，因而不是多址(multiple access)的。
在举例性实施方式中，设想了一个对地静止的定点通信多波束交换卫星。这个通信系统提供了在多波束处理卫星内的多址和交换。在举例性的整个系统中也用了空间分割，其中，多个多波束天线，例如，32个，用来容纳众多波束并充分利用所有能得到的频谱。CDMA被用于为多个用户在多个CDMA波束中的每一个的频段内提供接入。在说明性实施中，用户CDMA数据在10Mhz的带宽上扩频。
业务信道从上行波束到下行波束的交换是用以下方式实现的：利用扩频和解扩码在上行波束中分离出单个的业务信道，并把它们组合进下行波束，其中，下行波束中的所有的业务信道相互之间以及和下行波束有相同的目的地。为了得到正常运行和为使波束和信道分离而保持正交性，扩频和解扩码必须正交和在系统的范围内充分的同步。在这里，同步的保持是通过建立传输延迟，获得初始的粗同步，然后不断地精细调整而达到下文所述的稳定状态的同步。
图1从原理上表示一个连接一个地面发射站和一个地面接收站(也被称作地面单元SU)的举例性的卫星通信系统。虽然举例中描述的是单独的发射站和接收站101，102，这些站也可以同时是电话系统中的无线发射点和无线接收点。与移动站相反，这些站在发射和接收时最好是空间/地理固定的。这些站是典型的双向收发信机，它们可以在本地接入终端中作为单个的站。
在举例性的实施方式中，站101-1包含一个卫星抛物面天线103，它使RF CDMA(码分多址)分组/波束信号指向卫星105。站102-1通过与之相配的卫星抛物面天线104从卫星105接收RF CDM(码分多路复用；下行信号不是多址的)分组/波束信号。每一个波束信号包括多个单个的信道或频段。如图所示，卫星从多个其它的发射站101-N接收RF CDMA波束信号，并且向多个接收站102-N发射RF CDM波束信号。所有的站既可以发射也可以接收信息。
连接静止用户单元和卫星的接口是公共空中接口(CAI)。CAI包含组合进波束的都在指定频段上的各种控制和业务信道。控制信道包括上行模式中的接入信道。导频、同步和寻呼信道包含在下行模式中。接入和寻呼信道承载信令消息，导频和同步信道处理初始定时。上行和下行业务信道在终端用户之间传输声音、数据和信令信息，并被进一步用于不断地改善系统用户单元的同步。业务信道的多址和调制可以基于频谱有效的CDMA处理。其中，频谱有效的传输是通过Trellis码调制和CDMA扩频得到的。如这里所述的，频谱有效处理要求定义各波束的码之间有好的正交。在本实施方式中倾向采用Turbo码调制，因为它的频谱特性与Trellis类似，而且在提高频谱效率方面更好。这两种编码技术已被熟悉这一技术的人所熟知，因此在此不作详细讨论。
业务信道在卫星中由上行波束到适当的下行波束的交换是通过解扩和随后的重新扩频的方式来完成的，这种方法将单个的业务信道分离，确定并指向到适当的下行波束中。
一个举例性的单向的上行-卫星-交换-下行过程如原理图2所示。地面/用户单元(SU)201的发射电路产生上行CDMA波束，每个波束含有多个业务信道(频段)和一个接入信道。业务信道在卫星202中进行交换，然后作为CDM下行波束发送到用户单元接收机203。如图2所示的一个初步的系统结构中，有发射用户单元SU 201中作为发射设备的终端设备(TE)211和收发信机单元(TU)213，以及接收用户单元SU 203中作为接收设备的类似的TE和TU。卫星202中的码分交换，将上行波束的业务信道交换到确定了下行业务信道目的地的下行波束中。虽然图2中所示的SU要么只有发射能力，要么只有接收能力，图3中的举例性的SU中的一个SU包含上述两个功能。
发射SU 201包含一个在TE 211中的呼叫控制单元212(CCU)和一个包括在TU 213中的业务信道发射机单元214(TCTU)。TU213还包括一个接入信道发射机单元215(ACTU)。如下文所述，接入信道传输单元提供允许在同步过程中建立参考偏置的通信，这个参考偏置用于确定传输延迟。
接入信道传送接入信号到卫星202中的接入信道接收机单元221(ACRU)。接入信道中的信号提供在发射用户SU 201和卫星202之间的产生业务信道的信息。ACRU与卫星中的控制单元222连接，控制单元给码分交换机223(CDS)提供控制信号，码分交换机通过将上行波束中的上行业务信道交换进与所包含的业务信道同目的地的下行波束中去，来连接上行波束和下行波束。
卫星广播收发信机单元(SBTU)224发射寻呼SYNC和导频信道信号到SYNC和寻呼接收机单元(S&PRU)231。由CDS 223交换的业务信道被发送到SU 203的业务信道接收机单元232。
在系统的运行中，SU 201通过接入信道发出一个消息请求到卫星202的星载CU 222。CU 222分配一个上行和下行频带或业务信道及路由信息和CDMA码供消息请求用。这个路由选择信息，指定的码和信道分配，被提供给CDS 223，使到接收用户单元的SU 203的传输得以实现，从而使SU 201和203之间可进行全双工通信。
如图3所示的SU电路包括发射机功能和接收机功能的电路，还包括跟踪和同步电路。图3中的标识数字与图2中两部分单元所标的一样。ACTU 213在呼叫控制单元(CCU212)的控制下产生接入信道请求，该请求被送到卫星203。下面还将参考图5对ACTU进行详细描述。上行信道在TCTU 214的控制下被发送。每个CDMA编码业务信道由码发生器315提供的扩频码产生。
利用SYNC控制电路316使码的产生在全系统范围内同步，其中，SYNC控制电路316响应于CCU 212和跟踪信道电路317，而跟踪信道电路317同步于所接收的、从卫星202发射到TCRU232的下行信号。跟踪电路317使码发生器318同步产生解扩码，以及通过虚线321使码发生器315同步产生扩频码，解扩码加到TCRU 232上，TCRU 232在CCU212里将码应用于所接收的信号。由S&PRU231接收的下行寻呼信道信号也被送到CCU212上。
如前所述，同步是全球或全系统范围的，并被定义为在卫星接收机中波束的扩频码片和用户码的同步。在具体的实例(见图11)中，波束码wi(t)和gi(t)和用户正交码Wki(t)同时到达卫星解扩器。卫星ACRU获得上行接入信道，地面站SYNC&PRU获得下行寻呼、导频、同步信号。参考传输延迟时间是根据量化时标建立的，其间隔在系统CDMA扩频码片间隔所定义的大小范围内。量化时标定义了一个地面用户单元的第一个信号是何时被接收的，量化时标就是用它来确定的。这个传输延迟被发送到地面用户单元，用于调整或确定上行业务信道传输的上行CDMA码片的定时。
参照信号处理图4可以得到对同步过程直观的了解。两条竖直线401、402分别代表在用户地面站和卫星上的信号目的地。正如时间箭头403所指，时间以垂直向下方向为正方向。基本上水平的有向斜线代表用于同步过程的信号传输，其方向由曲线上信号终端的箭头指明。
曲线404代表的初始信号，是异步导频信号，它由从卫星(直线400)发射并由地面站(直线401)的S&PRM接收的码片gi的PN序列组成。其后是同步信道信号和寻呼信道。地面站获取为波束i提供导频相位偏移(Δi)的同步信道(直线405)和寻呼信道(直线406)。由卫星的ACRU通过接入信道(直线407)成功地接收到来自地面站的信息分组(packet)，可以确定K地面站波束i的传输延迟差ΔTki。该延迟值Δtki，如图12所示，通过寻呼信道(直线408)从卫星传送到地面站，以达到地面站和卫星之间的粗同步。如图12所示，为了达到这个粗同步，通过调整码片发生器起始时间，由地面站到卫星的上行波束(直线409)的下一个码片被TCTU提前或滞后。这个变化通过寻呼信道410返回给地面站。
跟踪过程是利用随后的地面站业务信道的传输(直线411，412和413等)，通过在下文中将讨论的图14中系统的反馈回路控制，对同步进行细调。地面站继续向卫星发送同步的上行信号(直线401)，利用业务信道的传输在上行定时信道上插入定时抖动，精细同步不断地被更新。
在这个过程中为保持同步信号定时如图19所示。图中示出了各种传输信号在TCRC解扩器中的到达时间的关系。最上边的直线901代表卫星传输的码片的周期为τp，并且与参考直线900同步。直线902上的信号在SU中的接收被延迟。SU发射的信号的定时如直线903所示，直线904表示它到达TCRC解扩器。直线904表明对整个系统传输时间的时间偏差Δτp。
为实现业务信道全球同步，对业务信道跟踪和控制的一般原理如图14所示。同步是由用户单元201和卫星202之间的交互反馈回路实现的。卫星202接收的信号在解调器451进行解调。解调信号连接到解扩和测试电路455和457上，455和457接收在时钟453控制下的码发生器组合(方框459)中的码发生器产生的码。组合450的发生器组合将前(early)定时码WEki、gEi和WEi加到解扩电路(前(early))455。后定时码WLki、gLi和WLi加到解扩频电路(后(Late))457。
解扩器455和457各自包含用于确定对于参考传输的码片传输偏差的电路。这一功能的电路(前)在图18中所示。在端子871输入的业务信道分别被进入两个通道872和873。通道872和873的平行信号与扩频码WiE分别在门874和875中进行异或运算，然后在积分器877和878积分。在门881、882、883和884同扩频码gE(同相和正交相位的)和WkE进一步地异或运算。这两个信号在(886，887)再次积分，在888，889平方，在加法器891相加。
如图14所示，前一个和后一个扩频信号在加法器463差分相加(differentially summed)产生下行传输信号ZΔ。
信号ZΔ传送到用户单元201的回路滤波器471，经滤波后产生代表电压控制压控震荡器VCO 473，VCO 473接着控制475时钟速率。时钟475驱动码发生器477，发生器477又激发信号扩频器479。被激发的扩频器信号在调制器481调制然后上行传送到卫星202。
卫星交换电路的框图，如图5所示，它包括一些图2中的方框。还示出了方框的输入和输出，以便使信号流动指示得更清楚。CDS 223接收上行波束501-1到501-N，并把它们所包含的业务信道分配到下行波束503-1到503-N中。业务信道由上行波束到下行波束的交换是由包含在CU 222中的存储程序上行-下行业务量矩阵253控制的。业务量矩阵的输入是从与加在ACRU 221上的上行波束相关的上行接入信号511-1到511-N导出的。包含同步和寻呼信号的波束512-1至512-N通过SBTU 224被发送到接收用户单元SU，CDS中的交换是通过业务信道恢复电路(TRC)(图中没有显示出来)实现，它解扩CDMA波束，恢复单个的业务信道。单个的业务信道经再扩频并组合到下行传输到用户单元SU的波束中。
举例性的接入信道发射机单元(ACTU)的结构图如图6所示，它接收速率为16kb/s的接入信号，并且在框图601的CRC和成帧电路加入循环冗余编码并将比特组成帧。成帧信号连接到1/2卷积编码器602，让经过编码的CRC或成帧电路的输出序列通过无记忆的带有移位寄存器来的信道处理该信号。卷积编码符号信号(38,3kb/s)，实质上是将比特转换成块的有限状态机器的输出，在交织单元603中，利用符号重复(2)进行块交织。经交织的符号和发生器605产生的信道PN码ga一起加到异或门604，产生一个符号速率为9.804 Mc/s的信号，并被平行地加到异或门607和608，同相和相位正交的PN码gi(I)和gi(Q)由发生器606分别加到门607和608。门607和608的输出加到基带滤波器电路610和611。门608的输出经过一个1/2码片延迟电路609传输。两个滤波器的输出被接到混合器615和613上，同正弦信号发生器612的直接输出和经相移的输出混合。两个混合信号在被无线传输到卫星前在加法电路614相加。
经过图6ACTU的处理产生一个与寻呼信道相联系的接入信道(也可以有多于一个的接入信道与某一特定的寻呼信道相联系)。接入消息被分成时隙并且有一个时隙的长度。传输遵循随机存取协义，它利用延迟捕获原理，即信息传输被随机延迟，使每个信息之间有一个或一个以上的码片间隔以便辨认。通过进一步随机化时间间隙，信息碰撞的可能性被减小。
图3用户单元/站包括的上行业务信道发射机单元如图7所示。它结合trellis码调制和CDMA扩频，得到频谱有效信号。单元701将循环冗余编码(CRC)加入信号并将比特成帧。编码器(coder)702进行Reed-Solomon编码，调制器703对Reed Solomon编码信号进行trellis码调制。扩频电路704将信号转换成CDMA格式，CDMA信号由键控电路(keying circvitry)706键控相移，在输出端707产生RF信号。图中显示出treuis码调制，turbo码调制在这一应用中同样适用。
接入信道上的传输在星载的接入信道接收单元(ACRU)(如图8所示)中接收。上行接入信号通过端子801被接收，并被平行地加到混合器802和803上。混合器802和803分别被余弦和正弦信号激发并且分别在滤波器805和806被基带滤波然后加到维特比编码器阵列808上以恢复比特流。这些经过滤波的信号还被加到接入信道检测电路807上，并经807将信号加到维特比编码器的分配数据接收器上。
多个接入码检测电路(ACDC)平行地连接以用于一个输入信道，如图15所示。解调器851的输出平行地加到ACDC 0-N即853-0至853-n。ADC0被发生器852产生的码激发。ACDC1被经过延迟电路D1延迟的相同的码激发，ACDC2被该码经D1和D2延迟后激发。当信息到达时间与如Dn中的正确的延迟次数相一致时，实际的信息被激发。因此，信息的到达时间根据所遇到的延迟量化。
ACDC电路如图16所示包括一个与一个反馈回路相连接的双稳态测试器651，该反馈回路包括一个用于增加拒绝测试计数的更新模块652和稳态测试成功时的输出口653。从更新模块到PN发生器655的输入被更新模块的输出置前ATc，正(plus)和负(minus)码在门657和655同双稳态测试器的输入进行异或运算。如果解调器651的输出是在稳态范围内(dwell)，653的肯定输出(yes输出)指示出码的量化定位(quantum location)。
双稳态的测试程序如图13所示。图13所示的算法是导频获取中的双稳态串行搜索算法(serial dwell search algorithm)。双稳态处理过程是不断循环的。在判决模块1201中测试小数量的码片N1(如218中的500)，以确定码片的能量是否超过了门限1。如果超出了门限，更大数量的码片在判决模块1203被测试，以确定第二个门限是否被超出。如果两个测试都通过，信号被接收。这个过程的目的是，是确定在ACDC电路的窗口内计数的码片的数量，其中充分运行的电路(fully exercisedcircuit)的码片和未充满的(unfilled)电路的未完全记录的计数根据记录的码片数来决定传输时间延迟。这些测试和导频获取电路在理论上已知的，并且电路细节的说明被认为是没有必要的。
图9所示的是单个星载接入信道检测电路(ACDC)，它在输入端901和902分别接收ACRU产生的同相和正交信号。在端子901和902上的信道被分成平行的路径，每条平行的路径都有异或门903，利用它平行的信号被正交和同相的解扩码(如：ga(q)(t-ntc)；ga(I)(t-ntc)；gi(q)(t-ntc)；gi(I)(t-ntc))激发，以恢复被延时了n个码片的到达信息。被激发的同相位和正交相位的信号经过异或门904和905加到加法器906和907上。加法器906和897的输出代表检测到的信息，它加到平方电路908和909上，其输出再被加到加法器910上。结果信号加到图8所示的ACRU中的维比特解码器上。
来自卫星下行控制信号由如图10中方框所示的卫星广播发射单元(SBTU)224广播，导频、同频和寻呼信号被分别加到输入端1001，1002和1003上。导频信道不停地被发射，其码序列的偏移被用作时间参考。同步信道发射波束同步信息到用户单元，用以接收寻呼信道和发射接入信道。寻呼信道发出寻呼信息，使用户单元能响应接入信道请求。
端子1002和1003上的同步信道信号和寻呼信道信号分别被加到信号处理器1004和1005上，将比特卷积编码成块，并对块进行交织。导频信号和经处理的同步和寻呼信号在异或门1006，1007和1008被一个Walsh PN码激发，从而达到正交。这个扩频码是由码发生器1021提供的。扩频信号在异或门1011，1013，1015，和门1012，1014，1016受控于波束扩频码，这些门被发生器10022提供的PN扩频码激发。所有同相和相位正交的信道分别在加法电路1025和1026合成，并传输到基带滤波器1027和1028上。这些同相和正交的滤波输出混合产生一个IF(中频)信号，它加到加法器1030上，其输出传送到接收用户单元。
同步信道信号和寻呼信道信号在接收用户单元被同步和寻呼接收机单元(S&PRU)23接收(如图17)。IF输入信号在输入端1101被接收并被传送到导频跟踪回路1102和导频获取电路1103上。这个IF信号还被加到被导频辅助载波恢复电路(pilot aided carrier recoverycircuit)1107激发的两个混合器1104和1105上。
导频跟踪回路1102通过响应IF信号和由导频获取电路来的输入信号，保持与输入IF信号的相位完整性(phase integrity)。
导频跟踪回路1102为导频捕获电路得到的粗同步进一步进行精细同步。导频跟踪电路确定导频信号的时钟的滞后和提前。
缩写表：
ACDC：接入信道检测电路
ACRU：接入信道接收机单元
ACTU：接入信道发射机单元
CCU：呼叫控制单元
CDS：码分交换机
CU：控制单元
SBTU：卫星广播发射机单元
S&PRU：同步和寻呼接收机单元
SU：用户单元
TCRC：业务信道恢复电路
TCRU：业务信道接收机单元
TE：终端设备
TU：收发信机单元