CN1148296A - 独立的基于卫星的共享公共频谱的通信系统及其操作的方法 - Google Patents

Abstract

多个不同独立星座(10，20)的卫星(2，21-23)共享公共频谱的一部分诸如单个载波频率。卫星的天线(11)可以是多波束的，也可以是非定向的，而地球站(13，14)的天线是定向的，当干扰在第一星座的卫生(31)与第二星座的卫星(41)之间的通信中发生时，可以利用几种减少干扰的任选方案中的任一种，诸如从第一卫星(31)把通信越区切换到同一星座的第二卫星(32)，或暂时中断通信。响应预测的或检测到干扰，采取补救行动。

Description

独立的基于卫星的共享公共频谱的 通信系统及其操作的方法

本发明涉及卫星通信，特别涉及一种由多个独立的卫星星座或配置结构来共享公共频谱(典型地为一个公共频带或载频)的一个部分的方法。

卫星通信系统可直接经用户持有单元或经基于陆地的或基于车载的基站(例如，在汽车、卡车、飞机、轮船等中)往和从用户发送和接收信息。

这些信息可以包括话音、寻呼信息、声频-视频信息、FAX数据等。

数量不断增加的独立卫星通信系统正处在计划、投资、实施或运行的阶段，每种系统正与其他系统竞争，以从合适的地理政治管辖区获得构成一个非常有限数量的射频频谱的运营执照。

据此，现在实际需要提供一种可使两个或多个独立的基于卫星的通信系统共享公共频谱的途径。

实际还需要提供一种操作两个或多个共享公共频谱诸如公共频带或载频的独立的基于卫星的通信系统的方法。

实际还需要一种卫星通信系统地球站，能够在其与两个或多个不同的卫星之间或在至少另一地球站与两个或多个不同的卫星之间的通信中预测或检测干扰并采取适当的措施报告和/或减轻这种干扰。

本发明特别在所附权利要求书中具体地限定。然而，通过下面的详细描述并参考附图，将会对本发明有更好的理解，并且本发明的其他特征也将会变得更清楚。

图1示出按照本发明的两个不同的、独立的通信卫星星座的示意图。

图2示出按照本发明的一个方面由一个给定的卫星星座的相邻卫星在地球表面上投射通信波束形成的、表示一种典型情况的蜂窝图形的示意图。

图3示出本发明的通信系统的一个卫星或地球站的部件的方框图。

图4示出按照本发明的一个方面表示处于两个不同高度的卫星的示意图，其中处于第一高度的多个卫星中的一个卫星正在与一地面站进行通信。

图5示出按照本发明的一个方面表示处于两上不同高度的卫星的示意图，其中来自工作在第一高度的多个卫星中的一个卫星的发射暂干扰工作在第二高度的多个卫星中的一个卫星的发射。

图6示出按照本发明用于执行一组规则的脱机计算的方法或用于预测在公共频谱共享的多星座通信环境内通信中干扰的时间表(schedule)的流程图。

图7示出按照本发明用于执行实时计算以确定在公共频谱共享的多星座通信环境内通信中当前干扰的方法的流程图。

图8示出按照本发明用于检测和减轻在公共频谱共享的多星座通信环境内通信中当前干扰的方法的流程图。

图9示出按照本发明用于检测和报告在公共频谱共享的多星座通信环境内通信中当前干扰的方法的流程图。

图1示出了按照本发明的两个不同的、独立的通信卫星星座的示意图。图1示出了两个分开的星座10和20，每个星座的特征在于多个环绕地球的卫星。任何给定的星座20将极有可能例如在卫星的高度或它们的轨道倾角方面(即，它们的轨道与地球的赤道成的角度)与另一星座10不同。

本领域的普通技术人员理解，当所有卫星都处于同一高度和轨道倾角时，和当各卫星的轨道相对于赤道被定相以提供充分的空间分集、以使来自不同星座的临近卫星的干扰最小化时，本发明可能是比较容易实施的。

星座10和20仅通过举例的方式示出了处于极地轨道(90度倾角)中的卫星，星座20的卫星是处在比星座10的卫星更高的高度。星座10的卫星可以发射与星座20发射的信息相同或不同的信息。

在图1中，各卫星的天线在地球的表面上投射多波束天线图形。基于地球的基站13和14的天线是无方向性的，以便当一卫星越过时，地球站天线跟踪该所需的卫星。这在图4中示出，其中当卫星31在其轨道中相对于地球9以箭头33所示的方向运动时，地球站15的天线对该卫星31跟踪。当卫星31在地球站15的给定水平角内移动时，此时地球站15将转变以跟踪可能正发射与卫星31相同或不同信息的卫星32。这例如可通过转换到天线17或使用另一个合适的技术、诸如转换到一个多段天线阵的一个不同段来实现。

图2示出了按照本发明的一个方面由一个给定卫星星座的相邻卫星在地球表面上投射通信波束形成的、表示一种典型情况的蜂窝图形的示意图。可以理解，相邻的卫星无须将相邻各网孔的图形投射到地球上；即，由一个卫星投射的网孔可被相邻卫星的网孔所点缀。

卫星1和2(卫星2可以与卫星1相同)利用频谱重复使用技术。这些技术包括投射波束宽度的蜂窝分割。卫星1和2分别产生波束集投射18和18’。波束集投射18和18’是与卫星1和2上的天线有关的双向增益区域(网孔)。这些天线可以是单独的定向天线，也可以是具有相干波束投射能力的相控阵天线。

网孔110-128可以采用很多种形状，这要根据天线的增益特性而定，为了说明的目的，网孔110-128在图2中被表示为六角形。

如任何给定的卫星的星座使用的，在网孔110-128内生成信道分集的特定方案对于本发明不是决定性的，它可以使用时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)、窄波束定向天线图和其它分集方案，或它们的组合。

可以理解，当卫星1或2在方向19上绕轨道运行时，网孔110-128可以在轨道方向19上前进，或当它们越过时，卫星天线波束可被暂时固定在地球的特定地理区域上。

再参考图1，在本发明中，卫星1可经使用多频率信道的链路与地球站13和14通信。换句话说，当整个频谱在每个网孔中可用时，相邻网孔被指定了在可使用所述频谱的不同时隙。在一个实施例中，帧被定义为包括至少7个不同的时隙，以与7个网孔重复使用图形相对应。图2的标号“110”的网孔被指定一个时隙，标号“111”的网孔被指定另一个时隙，依此类推。以这种方式，在同一时刻利用相同频率的网孔在地理上相互分开。

虽然图2示出了一种7网孔、7时隙的设置，但本领域的技术人员理解，也可使用多些或少些的重复使用图形。本领域的技术人员理解，这样的一种TDMA通信方案是建立在卫星1上。此外，当卫星1以高达30，000km/hr的速度移动时，地球站13和14与卫星1之间的多普勒频移和时隙同步参数经常变化。

图3示出了本发明的通信系统的卫星1或地球站13-15的部件方框图。

作为一个例子，每个卫星包括一个控制器25、一个存储器26、一个定时器29和经天线27或27’与每个地球站通信的地球站链路收发信机28。

同样，每个地球站可以包括类似于由卫星使用的如下形式的设备：一个或多个合适的天线27、27’、干扰检测器24、控制器25、存储器26、定时器29和天线选择器34。地球站13还可以包括经天线27或27’(取决于选择哪个用于通信)与每个地球站通信的地球站链路收发信机28。

可以理解，基于地球的基站通过改变设备的组合和性能等级，可以设想出几种不同的结构。例如，一个地面控制地球站典型地在控制器25中具有多个强力的处理器和在存储器26中具有比系统用户地球站更大的存储容量。

本领域的技术人员理解，天线27、27’可实施成为单个多波束的相控阵天线，也可实施成为离散的无方向性的天线组。

控制器25耦合到收发信机28以及一个有关的存储器26和一个定时器29。控制器25可以用一个或多个处理器实现。控制器25使用定时器29保持当前的数据和时间，以及对事件定时。存储器26存储数据和控制器25的指令。当控制器25执行指令时，使卫星1执行下文讨论的程序。此外，存储器26含有由于卫星1的操作而使用的变量、表格和数据库。

图3所示的卫星或地球站的设备还包括一个干扰检测器24，它耦合到地球站链路收发信机28和控制器25。干扰检测器24其特征在于，任何合适的、公知的电子电路或软件算法，来检测干扰射频信号的存在。当干扰检测器24检测到这样的干扰时，它把一个信号输出到控制器25，该控制器25可以采用合适的行动例如图7和8中所示和下文所述的流程图来减轻或消除该干扰。

减轻行动的一个形式是选择一个不同的天线27、27’，以便与通信系统中的不同卫星通信。天线选择器34响应来自控制器25的合适的控制信号，选择天线27或27’，以与相应的卫星进一步通信。

有关系统用户的地球站的减轻行动的一个形式是经地球站链路收发信机28和任何一个现用的天线单元27、27’向该地球站正与之进行通信的卫星报告干扰的存在。然后，该卫星向一个地面控制地球站报告干扰状态，以记录这些与上述卫星和系统用户地球站有关的状态。地面控制地球站响应这种干扰状态，可以启始一个合适的减轻选择，下文将结合图7进一步叙述。

图4示出按照本发明的一个方面表示处于两个不同高度的卫星的示意图，图中多个卫星中的一个卫星处于第一高度正在与一个地面站通信。在图4中，在轨道40中存在同一频率发送不同信息，另一星座的卫星41正以不干扰卫星运行轨道30中星座的卫星31和32发送的信息，因为卫星41是在无方向性天线16和17的接收波束角35(典型地是2-5度)的外侧。

图5示出按照本发明的一个方面表示处于两个不同高度的卫星的示意图，其中多个卫星中的一个卫星工作在第一高度上，其发射暂时干扰工作在第二高度的多个卫星中的另一个卫星的发射。

在图5中，正在轨道40中运行的卫星星座的卫星41发送在某些时刻在大些或小些的程度上与卫星31到天线16的发射相重叠，而在卫星31和41在同一频率上发送的信息之间发生干扰。当干扰发生时，地球站15转换到天线17并开始侦听卫星32。可以理解，天线16和17不必是离散的天线，而且它们可采取相控阵天线子系统中的不同阵列形式。

如下所述，如果该通信系统现在知道两星座卫星的卫星轨道路径的当前情况，则它能预测何时干扰发生，并在干扰发生之前采取合适的措施加以避免，诸如转换到不同的卫星。这是最佳的方法，因为干扰可以避免而不影响系统用户。

在不同星座的卫星之间发生的干扰的可能性可被计算，因为在任何时刻每个星座的卫星的位置能使用已知的技术进行计算；地球站15的数量是已知的和地球站天线的天线波束角是已知的。

本领域的普通技术人员理解，本发明及其操作方法在有关星座方面基本上比较成功，对于这些星座，地球的任何给定区域由该星座的多个卫星所覆盖，以便切换到不同的卫星，以避免可能发生的干扰。

图6示出按照本发明用于执行一组规则的脱机计算的方法或用于预测在公共频谱共享的多星座通信环境内通信中干扰的时间表的流程图。

首先，过程在步骤36开始。然后，在步骤37，系统以普通技术人员公知的方式部分地利用当前公知的与卫星的轨道路径有关的信息、所有地球站的位置和星座内的其他条件来执行计算，以便预测来自不同卫星的发射之间何时发生干扰。作为该计算的结果，在系统中为每个卫星确定干扰次数。

在步骤38，利用前一步骤执行的计算，产生一组定时间表的过区切换的规则。这个时间表包含每个卫星关于干扰的开始和停止时间的项(entry)和可能过区切换通信以避免干扰的过区切换卫星候选者的标识符。

接着，在步骤39将前一步骤中生成的时间表分配到各个系统节点的存储器。系统节点指的是一个卫星或一个地球站。这个时间表例如被分配到诸如存储器26(图3)的卫星处理器和/或分配到该系统內诸如地球站13和14内的其他处理器存储器。

最后，该程序在步骤43结束。

图7示出按照本发明用于执行实时计算以确定在公共频谱共享的多星座通信环境内通信中当前干扰的方法的流程图。图7描述的方法例如可由一个给定的卫星或地球站使用，以预测和避免对其他临近的卫星或地球站的干扰。

首先，过程在步骤44开始。然后，在步骤45，卫星或地球站控制器按照图6的步骤37描述的方式部分地利用卫星的轨道路径的当前知识、所有地球站的位置和星座内的其他条件来执行计算，以便预测在来自不同卫星的发射之间何时发生干扰。作为该计算的结果，正如步骤45中所示的，为该特定的卫星或地球站确定所预测的干扰次数。

接着，在步骤46，对任选进行确定和估计，为该卫星或地球站选择一个合适的任选，以减轻预测的干扰的影响。如图7示例性说明的(但并不限于此)，各种任选包括过区切换到不同的卫星(任选步骤47)、暂时中止通信(步骤48)，或某些其他的合适的行动(步骤49)，诸如进到不同的信道(即，转换到正被使用的频谱的频率外侧)，使用具有较高编码的较低信息速率等等。

最后，该程序在步骤50结束。

图8示出按照本发明用于检测和减轻在公共频谱共享的多星座通信环境内通信中当前干扰的方法的流程图。

首先，过程在步骤51开始。然后，在步骤53，系统检查以确定在自不同星座的两个卫星的发送之间是否检测到干扰。在步骤55，如果检测到这种干扰，则该方法进到步骤57；否则它返回到步骤53。

在步骤57，系统确定转换地面站天线以接收自同一星座的不同卫星的发送是否可行。如果可行，该方法进到步骤59，在该步骤中执行转换，并且在步骤65程序结束。反之，该方法进到步骤61，该系统中止与正被干扰卫星进行的通信。虽然在图8中表明程序在步骤59之后终止，但可以理解，在实际的实践中，该程序无限地重复，并在步骤59之后经虚线66返回到步骤53。

从步骤61，方法进到步骤63，做出检查以确定干扰是否减少。如果“是”，方法进到步骤64，与同一卫星的通信恢复，然后该方法返回到步骤57。

图9示出按照本发明用于检测和报告在公共频谱共享的多星座通信环境内通信中当前干扰的方法的流程图。

首先，过程从步骤90开始。然后，在步骤91，一个系统用户的地球站检测由不同星座的卫星产生的对在上述用户的自己星座内的卫星通信的干扰。在步骤92，该系统用户的地球站向其自己的星座内的节点或向与每个星座耦合的监督节点报告干扰，所述监督节点负责做出和改变卫星通信的指配。根据这些信息，监督节点能够在卫星之间做出过区切换请求，以减轻干扰的影响。

总之，本发明能够使独立的基于卫星的通信系统共享公共频谱，并提供一种改进的操作该系统的方法。

本领域的技术人员理解，本文公开的本发明可以多种方式改进，和可采用除了上文特别提出和叙述的最佳形式以外的许多实施例。

例如，本领域的普通技术人员理解，来自卫星的发送可以是非定向性的或窄波束的，在这种情况下，它们将不以图2所示的多波束图形发送。

本发明还可以用于避免对单一星座内的卫星内的干扰，在该单一的卫星星座中卫星是处在不同的高度和倾角，例如在一个加入了替换的或附加的卫星的星座中。

本发明的一个重要优点是，在两个不同的、独立的通信系统之间无需特别的协调，每个系统都利用可以设置在不同高度和轨道倾角的卫星的星座。该系统可以利用不同的信道分集方案进行通信，但它们被认为使用频谱的相同部分。

虽然可以假设一个系统的网孔图以多种不同方式中的任意一种方式至少偶然地干扰着另一系统的网孔图，但是本发明提供了一种减轻这种干扰的影响同时保持射频频谱的方案。

为此，所附权利要求书意旨覆盖了落入本发明的真正精神和范围内的所有改进。

Claims (10)

1.一种减轻发生在两个不同的通信系统之间的干扰的方法，每个系统具有一个绕地球飞行的通信卫星的星座和多个基于地球的基站，每个所述的卫星具有发射和接收信息的卫星天线，每个所述的基于地球的基站都具有至少一个基于地球的天线，用于往和从一个或多个所述卫星发送和接收信息，所述的卫星和基于地球的天线利用相同的频谱发送信息，

其特征在于，该方法包括如下步骤：

(A)在地球之上的同一高度设置所述卫星；和

(B)相对于地球的赤道以同一轨道倾角设置所述卫星。

2.一种减轻在至少两个不同的通信系统之间发生的干扰的方法，每个系统具有一个绕地球飞行的通信卫星的星座，每个所述的卫星具有发射和接收信息的卫星天线，

每个星座具有一个基于地球的基站，每个的所述基于地球的基站都具有至少一个基于地球的天线，用于向和从其各自星座的一个或多个所述的卫星发送和接收信息，

所述的卫星和基于地球的天线在频谱的相同部分上发送信息，

其特征在于，该方法包括如下步骤：

(A)预测一个条件何时将在所述的卫星与所述的基于地球的基站之间产生干扰；和

(B)采用合适的行动来减轻所述的预测的干扰，直到所述条件改变了为止。

3.一种减轻在至少两个不同的通信系统之间发生的干扰的方法，每个系统具有一个绕地球飞行的通信卫星的星座，每个所述的卫星具有发射和接收信息的卫星天线，

每个星座具有至少一个基于地球的基站，每个所述的基于地球的基站都具有至少一个基于地球的天线，用于向和从其各自星座的一个或多个所述卫星发送和接收信息，

所述的卫星和基于地球的天线在频谱的相同部分上发送信息，

其特征在于，该方法包括如下步骤：

(A)检测一种条件何时将在所述的卫星与所述的基于地球的基站之间产生干扰；和

(B)采用合适的行动以减轻所述的干扰，直到所述的条件改变了为止。

4.一种预测可能在至少两个不同的通信系统之间发生的干扰的方法，每个系统具有一个绕地球飞行的通信卫星的星座，每个所述的卫星具有发射和接收信息的卫星天线，

所述的系统还具有多个基于地球的基站，每个所述的基于地球的基站都具有至少一个基于地球的天线，用于向和从一个或多个所述卫星发送和接收信息，所述的系统具有用于处理信息的多个控制器和多个相应的存储器，所述的卫星中的至少一个卫星具有一个控制器和一个存储器，在所述系统中的至少一个存储器存储所述系统中所有卫星的轨道路径的当前知识，

所述卫星和基于地球的天线在频谱的相同部分上发送信息，

其特征在于，该方法包括如下步骤：

(A)所述控制器其中之一利用所述的知识计算用于预测相对于所述系统中的每个卫星的干扰次数的一组规则；和

(B)所述的一个控制器把所述的规则组发送到至少一个所述其它的存储器。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

(C)与所述至少一个存储器相关联的控制器利用所述的规则组减少对所述卫星与所述系统内另一卫星之间的通信干扰的发生率。

6.一种预测和减轻可能发生在至少两个不同的通信系统之间的干扰的方法，每个系统具有一个绕地球飞行的通信卫星的星座，所述的每个卫星都具有一个卫星天线，用于通信信息，一个控制器用于处理信息，和一个存储器，用于存储所述系统中所有卫星的轨道路径的当前知识，

所述的系统具有多个基于地球的基站，每个所述的基于地球的基站都具有基于地球的至少一副天线，用于与一个或多个所述卫星进行通信，

所述卫星和基于地球的天线利用频谱的相同部分传送信息，

其特征在于，该方法包括如下步骤：

(A)至少一个所述的控制器利用所述知识计算相对于与所述至少一个控制器相关联的卫星的干扰预测；和

(B)所述的至少一个控制器在预测到干扰的时刻选择一个合适的任选，以减轻所述预测的干扰。

7.一种地面控制地球站，与第一和第二基于卫星的通信系统一起使用，每个所述的通信系统都具有多个绕地球飞行的卫星，每个所述的卫星都具有一个卫星天线，用于与多个系统用户地球站通信，其中每个所述的地面控制和系统用户地球站都包括一个天线子系统，能与一个或多个所述卫星通信，所述的地面控制地球站的所述天线子系统和所述多个所述系统用户地球站中的一部分与所述第一基于卫星通信系统的所述卫星天线在频谱的相同部分上通信，

所述地面控制地球站其特征在于：

一个存储器，含有所述卫星的轨道路径的当前知识；和

一个控制器，利用所述知识计算相对于正与所述系统用户地球站的所述部分通信的一个卫星的干扰的预测。

8.根据权利要求7所述的地面控制地球站，其特征在于，所述的控制器为所述第一基于卫星通信系统计算用于卫星切换的时间表，和其中所述的地面控制地球站将所述的传送到所述第一基于卫星通信系统的所述的各卫星。

9.根据权利要求7所述的地面控制地球站，其特征在于，所述的地面控制地球站使用所述地面控制地球站天线子系统将所述时间表传送到所述第一基于卫星通信系统的所述各卫星。

10.一种系统用户地球站，与基于卫星通信系统一起使用，在所述基于卫星通信系统中多个卫星绕地球飞行，每个所述的卫星都具有一个卫星天线，用于与所述地球站通信，所述通信系统具有一个节点负责做出和改变卫星通信分配，

所述地面控制地球站其特征在于：

一个天线子系统，用于与一个或多个所述卫星进行通信，所述天线子系统与所述卫星天线在频谱的相同部分上通信；和

一个干扰检测器，用于检测对来自正与所述天线子系统通信的卫星的通信的干扰，所述系统用户地球站向所述节点报告该所述干扰。

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