[发明专利]多波束宽度相控阵

说明书

发明的领域

本发明涉及增容的无线通信系统，更具体地涉及到使用具有天线单元的相控阵列的中继站的卫星通信系统，天线的每个单元有选择性地从地面站处理单元接受信号以重新发选。

发明的背景

对使用多波束天线阵列的卫星和陆地移动通信系统的完全描述在美国专利申请No.08/179,953中已给出，在此处全部给出以供参考。简短地说，参考图1描述了一个卫星移动通信系统。图1说明了多个便携站12通过卫星10与中心站14通信。中心站通过例如一个本地交换机和公众交换电话网(PSTN)相连以提供便携电话和世界范围内的任何电话用户间的呼叫以及便携电话之间的呼叫。卫星从便携电话以相对低的微波频率，例如1600MHz接收信号。在该频率，以电池工作的电话的发射机效率比较高而且它们的天线可以小而且是全向性的。卫星把接受的信号从1600MHz转换到更高频率以中继到中心站。

在该系统中，复数瞬时波形取样被发送到一颗卫星，以被不同的天线单元重新发送。不同天线单元的取样有选择地时分复用到馈线链路的I和Q成分，从地面站发射到多单元中继天线，反之类似。例如，复数的天线单元信号的实部复用到I信道，虚部复用到Q信道。任何由于馈线链路的带宽限制导致的取样信号间的干扰在地面站处理单元产生取样信号时已计算在内了，或反过来，在地面站处理单元通过处理去掉了。在两种情况中，使用同样的数字运算即波形生成，波形生成系数选择时要根据传输中的符号间干扰。

在所知以前的系统中，卫星处理接受的信号，并以粗的或宽的波束将其重发到地球。为什么尽管总容量和创造性地综合使用粗细波束两种方式相同，这些仅使用粗波束的系统不总是有效，有两个原因。当使用具有500个信道的多个粗波束，其中每个波束复用同样的频谱时，使用同样信道频率的信号必须大约分开一个粗波束宽度，以避免相互干扰。仅使用粗波束的第二个不利之处是，当使用粗波束时需要更高的发射机功率以提供通信。采用较窄波束的主要原因是以比粗波束以较少的总卫星或终端发射机功率获得高容量。然而，当仅使用窄波束，必须有更大数量的波束覆盖服务区，因此，如果总容量在波束间平分，每波束的容量低。不管怎样，通信的发射机功率降下来了。当话务量分布不平均，例如在主要城市包括高话务量集中区，窄波束的容量可能是不够的。因此，本发明的目标是既提供窄波束的低功率优势，又具有大波束的高的点容量以克服当前系统的不足。

发明概述

根据本发明，卫星通信系统使用天线单元的相控阵列，每个天线单元有选择地接收来自地面站处理单元的信号以重新发送。从地面站处理单元到每个单元的路径具有已知的相位关系，这样地面站处理单元可以确定由不同单元重新转发的信号的相对相位和幅度。被重发的信号包括许多独立的信号，这些信号或是时分复用(TDM)频分复用(FDM)或使用不同扩频码(CDMA)或以上的组合。每个独立信号对来自每个天线单元的幅射的作用的相对相位可以被地面处理控制，这样每个独立信号在所需的方向幅射。

本发明要解决的问题是如何最好地使用有限的带宽使用所谓的“馈线链路”，从地面站到相控阵卫星天线转发器传送复合天线单元信号。如果每个独立信号的带宽是F₀MHz，则每个复合单元信号和带宽是M·F₀MHz，其中M是向同一方向幅射的复用的信号的数目。从地面提供全部阵列控制灵活性所需的馈线链路带宽是N·M·F₀，其中N是阵列单元的数目。这种灵活性允许M个独立信号在N个不同的方向幅射，达到总容量为N·M个信号。

在任何方向的信号数自然而限制在M。在任何一方向处理超过M个信号的簇时，本发明提供另一方案，具有N1个方向，每方向有M1个信号，其中：

M1＞M但N1·M1＝M·N这样同样的馈线链路带宽对每一种情况都足够。而且，本发明容许同时使用N·M模式和N1·M1模式，并通过在两种模式间共享(N·M＋N1·M1)F₀的馈线链路带宽，因此对均匀分布的信号业务量及话务量集中区同时均能处理。