DE102020131988A1

DE102020131988A1 - Kommunikationssystem mit erhöhtem Durchsatz

Info

Publication number: DE102020131988A1
Application number: DE102020131988.6A
Authority: DE
Inventors: Damini Gera
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2022-06-02
Also published as: US11990984B2; EP4009533A1; US20220173803A1

Abstract

Ein Kommunikationssystem (1) zum Bereitstellen von Kommunikation zwischen Senderempfängern (2) über einen drahtlosen Kommunikationskanal (CH) durch eine Mehrzahl N von Einzeleingangs-Einzelausgangs-Verbindungen (SISO-Verbindungen), die für eine entsprechende Anzahl N von Datenfolgen vorgesehen sind,wobei jeder Senderempfänger (2) einen Sender (3) umfasst, der mehrere Spreizungseinheiten (SPR) aufweist, die jeweils dafür ausgelegt sind, in einer Betriebsart des Kommunikationssystems (1) eine Datenfolge mit einer zugeordneten vorgegebenen eindeutigen Spreizcodefolge (SPRC) zu spreizen, um eine gespreizte Datenfolge zu erzeugen, die zu einer Antenneneinheit (5) des jeweiligen Senderempfängers (2) gemultiplext wird, der dafür ausgelegt ist, die gespreizten Datenfolgen über den drahtlosen Kommunikationskanal (CH) zu den Antenneneinheiten (5) anderer Senderempfänger (2) des Kommunikationssystems (1) zu übertragen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kommunikationssystem zum Bereitstellen von Kommunikation zwischen Senderempfängern über einen drahtlosen Kommunikationskanal mit einem erhöhten Datendurchsatz und insbesondere auf ein Kommunikationssystem, das im Kontext der Luftfahrt verwendet wird.
In der Luftfahrt gibt es mehrere Kommunikationssysteme, die eine Kommunikation zwischen verschiedenen Entitäten, insbesondere Luftfahrzeugen, Satelliten und/oder Basisstationen, erfordern. Ein Kommunikationssystem bildet einen integralen Teil eines Luftfahrzeugs, insbesondere von Flugzeugen oder Hubschraubern oder anderen Flugobjekten, wie z. B. Flugtaxis. Diese Kommunikationssysteme können einen weiten Bereich unterschiedlicher Funktionen ausführen. Eine Anwendung dieser Kommunikationssysteme ist die Datenkommunikation, um Sprachdaten, Bilddaten oder irgendeine andere Art von Daten, die zwischen verschiedenen Entitäten des Kommunikationssystems ausgetauscht werden, zu transportieren. Ein in ein Luftfahrzeug integriertes Kommunikationssystem kann z. B. die Kommunikation mit einem weiteren Luftfahrzeug, mit einem Satellitensystem und/oder mit einer Zellenbasisstation wie einem Tower, einem Gate oder einem Flughafenterminal bereitstellen. Diese Systeme können Rücktransport-Verbindungen für Steuer- und Befehlsfunktionen, die Kommunikation innerhalb der Kabine und/oder die Verbindungsfähigkeit der Passagiere während des Fluges unterstützen. Die Kommunikationssysteme können außerdem für die Positionsschätzung oder Lokalisierung eines Luftfahrzeugs verwendet werden. Andere mögliche Anwendungen eines in der Luftfahrt verwendeten Kommunikationssystems umfassen Wetterradare oder andere Flugsicherheitssysteme.
Infolge des begrenzten Frequenzspektrums und der Einschränkung hinsichtlich des räumlichen Multiplexing für die Verwendung in der Luftfahrt gibt es einen Bedarf, den Datendurchsatz des eingesetzten Kommunikationssystems zu vergrößern. Ein Datendurchsatz kann durch die Anzahl der über den Kommunikationskanal pro Sekunde übertragenen Bits definiert sein.
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System bereitzustellen, das den Datendurchsatz der zwischen den Senderempfängern des Systems übertragenen Daten erhöht.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Kommunikationssystem gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
Die Erfindung stellt gemäß einem ersten Aspekt ein Kommunikationssystem zum Bereitstellen von Kommunikation zwischen Senderempfängern über einen drahtlosen Kommunikationskanal durch eine Mehrzahl N von Einzeleingangs-Einzelausgangs-Verbindungen, SISO-Verbindungen, bereit, die für eine entsprechende Anzahl, N, von Datenfolgen bereitgestellt sind, wobei jeder Senderempfänger einen Sender mit mehreren Spreizungseinheiten umfasst, die jeweils dafür ausgelegt sind, in einer Betriebsart des Kommunikationssystems eine Datenfolge mit einer zugeordneten vorgegebenen eindeutigen Spreizcodefolge zu spreizen, um eine gespreizte Datenfolge zu erzeugen, die zu einer Antenneneinheit des jeweiligen Senderempfängers gemultiplext wird, der dafür ausgelegt ist, die gespreizten Datenfolgen über den drahtlosen Kommunikationskanal zu den Antenneneinheiten anderer Senderempfänger des Kommunikationssystems zu übertragen.
In einer möglichen Ausführungsform des Kommunikationssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Datenfolgen durch den Sender des Senderempfängers in parallelen Datenströmen empfangen.
In einer weiteren möglichen alternativen Ausführungsform des Kommunikationssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Datenfolgen durch den Sender des Senderempfängers in einem seriellen Datenstrom empfangen.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kommunikationssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst jeder Senderempfänger einen Empfänger mit mehreren Entspreizungseinheiten, die jeweils dafür ausgelegt sind, die über den drahtlosen Kommunikationskanal durch die Antenneneinheit des jeweiligen Senderempfängers empfangenen gespreizten Datenfolgen mit den zugeordneten vorgegebenen Spreizcodes zu entspreizen, um die entsprechenden ursprünglichen Datenfolgen wiederzugewinnen.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kommunikationssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Sender eines Senderempfängers eine Mehrzahl N von Codierungseinheiten, die dafür ausgelegt sind, die in parallelen Datenströmen empfangenen Datenfolgen zu codieren, um codierte Datenfolgen bereitzustellen, und eine entsprechende Anzahl von Modulationseinheiten, die dafür ausgelegt sind, die codierten Datenfolgen zu modulieren, um modulierte codierte Datenfolgen bereitzustellen, die den Spreizungseinheiten des Senders des jeweiligen Senderempfängers zugeführt werden.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kommunikationssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Sender eines Senderempfängers
eine Codierungseinheit, die dafür ausgelegt ist, die in einem einzigen Datenstrom empfangenen Datenfolgen zu codieren, um codierte Datenfolgen bereitzustellen, und
eine Modulationseinheit, die dafür ausgelegt ist, die codierten Datenfolgen zu modulieren, um modulierte codierte Datenfolgen bereitzustellen, und eine Seriell-Parallel-Umsetzungseinheit, die dafür ausgelegt ist, die modulierten codierten Datenfolgen in parallele Datenfolgen umzusetzen, die den Spreizungseinheiten des Senders des jeweiligen Senderempfängers zugeführt werden.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kommunikationssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Empfänger des Senderempfängers
eine Mehrzahl N von Demodulationseinheiten, die dafür ausgelegt sind, die durch die Entspreizungseinheiten des Empfängers ausgegebenen entspreizten Datenfolgen zu demodulieren, um demodulierte Datenfolgen bereitzustellen, und eine entsprechende Anzahl N von Decodierungseinheiten, die dafür ausgelegt sind, die demodulierten Datenfolgen zu decodieren, um decodierte demodulierte Datenfolgen bereitzustellen, die durch den Empfänger des Senderempfängers in parallelen Datenströmen ausgegeben werden.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kommunikationssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Empfänger des Senderempfängers eine Parallel-Seriell-Umsetzungseinheit, die dafür ausgelegt ist, die durch die Entspreizungseinheiten des Empfängers ausgegebenen entspreizten Datenfolgen in eine einzige serielle Datenfolge umzusetzen,
eine Demodulationseinheit, die dafür ausgelegt ist, die serielle Datenfolge zu demodulieren, um eine demodulierte Datenfolge bereitzustellen, und eine Decodierungseinheit, die dafür ausgelegt ist, die demodulierte Datenfolge zu decodieren, um eine decodierte demodulierte Datenfolge bereitzustellen, die durch den Empfänger des Senderempfängers in einem einzigen Datenstrom ausgegeben wird.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kommunikationssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Kommunikationssystem ein synchrones Kommunikationssystem unter Verwendung von orthogonalen Spreizcodefolgen oder anderen.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kommunikationssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Kommunikationssystem ein asynchrones Kommunikationssystem unter Verwendung von Pseudozufalls-Spreizcodefolgen oder anderen.
In einer noch weiteren Ausführungsform des Kommunikationssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist jede Codierungseinheit des Senders eines Senderempfängers dafür ausgelegt, eine Vorwärtsfehlerkorrektur, eine Faltungscodierung, eine Turbocodierung, eine Polarcodierung und/oder andere Codierungstechniken der Datenfolgen auszuführen, um codierte Datenfolgen bereitzustellen.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kommunikationssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist jede Modulationseinheit des Senders eines Senderempfängers dafür ausgelegt, eine binäre Phasenumtastung, eine Quadraturphasenumtastung, eine M-Quadraturamplitudenmodulation und/oder andere Modulationstechniken auszuführen, um die codierten Datenfolgen zu modulieren.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kommunikationssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Durchsatz des Kommunikationssystems gegeben durch: $T = N \cdot B (1 + SNR),$
wobei

B die Bandbreite des Kommunikationskanals ist,
SNR der Rauschabstand ist und
N die Anzahl der parallelen SISO-Verbindungen ist.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kommunikationssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Senderempfänger des Kommunikationssystems in Luftfahrzeuge, Satelliten und/oder Basisstationen und/oder in Entitäten von Kraftfahrzeugsystemen oder Industriesystemen integriert.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kommunikationssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Senderempfänger des Kommunikationssystems dafür ausgelegt, mittels Zeitduplex, Frequenzduplex oder anderen Duplextechniken Datenfolgen gleichzeitig zu senden und zu empfangen.
Die Erfindung stellt ferner gemäß einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Erhöhen eines Durchsatzes eines Kommunikationssystems bereit, das die Merkmale des Anspruchs 15 umfasst.
Die Erfindung stellt gemäß diesem Aspekt ein Verfahren zum Erhöhen eines Durchsatzes eines Kommunikationssystems unter Verwendung von mehreren, N, Einzeleingangs-Einzelausgangs-Verbindungen, SISO-Verbindungen, für eine entsprechende Anzahl, N, von Datenfolgen bereit,
wobei jede Datenfolge mit einer zugeordneten vorgegebenen Spreizcodefolge gespreizt wird, um eine gespreizte Datenfolge zu erzeugen, die über einen gemeinsamen drahtlosen Kommunikationskanal des Kommunikationssystems übertragen wird.
Im Folgenden werden mögliche Ausführungsformen der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung bezüglich der beigefügten Figuren ausführlicher beschrieben.

1 zeigt einen Blockschaltplan einer möglichen beispielhaften Ausführungsform eines Kommunikationssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt einen Blockschaltplan einer möglichen beispielhaften Ausführungsform eines Senders innerhalb eines Senderempfängers eines Kommunikationssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt einen Blockschaltplan einer möglichen beispielhaften Ausführungsform eines Empfängers innerhalb eines Senderempfängers eines Kommunikationssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt einen Blockschaltplan einer möglichen weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Senders innerhalb eines Senderempfängers eines Kommunikationssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt einen Blockschaltplan einer weiteren möglichen beispielhaften Ausführungsform eines Empfängers innerhalb eines Senderempfängers eines Kommunikationssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt eine graphische Darstellung zum Veranschaulichen des Datendurchsatzes und einer Bitfehlerrate bei einem Kommunikationssystem mit einer einzelnen CDMA-basierten SISO-Verbindung im Vergleich zu einem Kommunikationssystem mit mehreren CDMA-basierten SISO-Verbindungen, um die Vorteile des Kommunikationssystems gemäß der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen.

Wie in dem schematischen Blockschaltplan nach 1 gesehen werden kann, umfasst das Kommunikationssystem 1 gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Senderempfänger 2, die über einen gemeinsamen drahtlosen Kommunikationskanal CH miteinander kommunizieren. In dem veranschaulichten Beispiel kommuniziert ein erster Senderempfänger 2A über den drahtlosen Kommunikationskanal CH mit einem zweiten Senderempfänger 2B. Die Kommunikation zwischen den verschiedenen Senderempfängern 2 des Kommunikationssystems 1 kann bidirektional ausgeführt werden. Jeder Senderempfänger 2 des Kommunikationssystems 1 umfasst einen Sender 3, einen Empfänger 4 und eine Antenneneinheit 5, wie außerdem in 1 veranschaulicht ist. Wie in 1 gesehen werden kann, umfasst der Senderempfänger 2A einen Sender 3A, einen Empfänger 4A und eine Antenneneinheit 5A. Ferner umfasst der Senderempfänger 2B eine Sendereinheit 3B, eine Empfängereinheit 4B und eine Antenneneinheit 5B. Die Senderempfänger 2A, 2B sind dafür ausgelegt, durch das Implementieren von Duplextechniken Datenfolgen gleichzeitig zu senden und zu empfangen. Um Daten sowohl in der Vorwärts- als auch in der Rückwärtsrichtung gleichzeitig zu senden und zu empfangen, können Duplextechniken, wie z. B. Zeitduplex (TDD), Frequenzduplex (FDD) oder andere, implementiert sein. Die im Blockschaltplan nach 1 veranschaulichten Senderempfänger 2A, 2B können in verschiedene Entitäten eines Luftfahrtsystems, wie z. B. Luftfahrzeugen, Satelliten oder Basisstationen, integriert sein. Die Luftfahrzeuge können z. B. Flugzeuge oder Hubschrauber umfassen. Das Kommunikationssystem 1 kann für den Austausch verschiedener Arten von Daten, insbesondere Steuerdaten, Sprachdaten oder Bilddaten, bereitgestellt sein. Ein in ein erstes Luftfahrzeug integrierter Senderempfänger 2A kann z. B. mit einem in ein weiteres Luftfahrzeug integrierten Senderempfänger 2B kommunizieren. Ferner kann der in ein Luftfahrzeug integrierte Senderempfänger 2A mit einem weiteren Senderempfänger 2B kommunizieren, der in eine Basisstation, wie z. B. ein Tower-Terminal, ein Gate-Terminal oder ein Flughafen-Terminal, integriert ist. Die Menge und der Typ der Daten, die in der Aufwärtsstrecken- (UL-) und der Abwärtsstrecken- (DL-) Richtung übertragen werden, können sowohl im Typ als auch im Datenvolumen variieren. Die diskontinuierliche Übertragung, die im Zeitduplex TDD über eindeutige Aufwärtsstrecken- (UL-) und Abwärtsstrecken- (DL-) Zeitschlitze ausgeführt wird, kann durch eine Schutzperiode getrennt sein. Der Aufwärtsstrecken- und der Abwärtsstrecken-Kanal können reziprok sein, wobei aber eine Synchronisation zwischen den Senderempfängern 2A, 2B erforderlich ist. Beim Frequenzduplex FDD kann eine kontinuierliche Übertragung über ein gepaartes Aufwärtsstrecken- und Abwärtsstrecken-Frequenzspektrum, die durch ein Schutzband getrennt sind, verwirklicht sein. Der drahtlose Kommunikationskanal CH ist nicht reziprok, wobei die zeitliche Synchronisation nicht so entscheidend ist. Das Verhältnis der Aufwärtsstrecken- zur Abwärtsstrecken-Kapazität kann nur im Zeitduplex TDD und nicht im Frequenzduplex FDD dynamisch modifiziert werden. Basierend auf den Systemanforderungen und den Eigenschaften des drahtlosen Kommunikationskanals 3CH kann eine geeignete Zeitduplex-, TDD-, oder Frequenzduplex-, FDD-, Technik in dem Kommunikationssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung implementiert sein.
Das Kommunikationssystem 1, wie es in 1 veranschaulicht ist, stellt die Kommunikation zwischen den Senderempfängern 2 über den drahtlosen Kommunikationskanal CH über mehrere, N, Einzeleingangs-Einzelausgangs-Verbindungen, SISO-Verbindungen, bereit, die für eine entsprechende Anzahl, N, von Datenfolgen oder Datenkanälen bereitgestellt sind.
Ein Einzeleingangs-Einzelausgangs-System, SISO-System, ist ein Kommunikationssystem, bei dem eine Antenne am Sender verwendet wird und eine Antenne am Empfänger verwendet wird. Für eine gegebene Bandbreite B und einen gegebenen Rauschabstand SNR ist eine Obergrenze des Datendurchsatzes T für ein herkömmliches SISO-Kommunikationssystem durch T = B . (1 + SNR) gegeben. In dem Kommunikationssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie es in den Ausführungsformen nach den 1 bis 5 veranschaulicht ist, ist der Durchsatz T des Kommunikationssystems 1 signifikant erhöht und durch: T = N . B (1 + SNR) gegeben, wobei B die Bandbreite des Kommunikationskanals CH ist, SNR der Rauschabstand ist und N die Anzahl der parallelen SISO-Verbindungen ist. In dem Kommunikationssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst jeder Senderempfänger 2 einen Sender 3 mit mehreren Spreizungseinheiten SPR, die dafür ausgelegt sind, in einer Betriebsart des Kommunikationssystems 1 eine Datenfolge mit einer zugeordneten vorgegebenen eindeutigen Spreizcodefolge SPRC zu spreizen, um eine gespreizte Datenfolge zu erzeugen, die zu einer Antenneneinheit 5 des jeweiligen Senderempfängers 2 gemultiplext wird, die dafür ausgelegt ist, die gespreizten Datenfolgen über den drahtlosen Kommunikationskanal 3 zu den Antenneneinheiten 5 anderer Senderempfänger des Kommunikationssystems 1 zu übertragen. Das Kommunikationssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung weist mehrere parallel arbeitende SISO-Verbindungen auf. In einer ersten Betriebsart können diese SISO-Verbindungen eine Mehrfachzugriffstechnik, wie z. B. einen Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff (TDMA), einen Frequenzmultiplex-Mehrfachzugriff (FDMA), einen Raummultiplex-Mehrfachzugriff (SDMA) usw., verwenden, um die verfügbaren Betriebsmittel gemeinsam zu benutzen. Dies impliziert, dass entweder die Zeitschlitze oder das Frequenzspektrum oder der Raumbereich durch die mehreren SISO-Verbindungen des Kommunikationssystems 1 in der ersten Betriebsart gemeinsam benutzt werden. Das Kanalzugriffsschema des Zeitmultiplex-Mehrfachzugriffs (TDMA) basiert auf dem Zeitmultiplex (TDM). Das TDMA stellt verschiedenen Sendern in einer sich zyklisch wiederholenden Rahmenstruktur unterschiedliche Zeitschlitze bereit. Im Gegensatz ist der Frequenzmultiplex-Mehrfachzugriff (FDMA) ein Kanalzugriffsverfahren, das in Mehrfachzugriffsprotokollen verwendet wird. Das FDMA ermöglicht durch das Aufteilen der Bandbreite des Kommunikationskanals in separate nicht überlappende Frequenzunterkanäle, Daten durch einen einzigen Kommunikationskanal zu senden. Ferner ist der Raummultiplex-Mehrfachzugriff (SDMA) ein Kanalzugriffsverfahren basierend auf dem Erzeugen paralleler räumlicher Rohre (fokussierter Signalstrahlen). In der zweiten Betriebsart des Kommunikationssystems 1 können die SISO-Verbindungen außerdem gleichzeitig im selben Frequenzspektrum und im selben Raumbereich arbeiten. Dies kann zu einer Störung und Datenpaketkollisionen zwischen den parallelen SISO-Verbindungen führen. Dies wird jedoch in dem Kommunikationssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung durch den Entwurf eines integrierten Codemultiplex-Mehrfachzugriffs-, (CDMA-) Systems mit parallelen SISO-Verbindungen abgeschwächt. Mehrere SISO-Verbindungen können durch das Spreizen der modulierten Datenströme mit vorher zugewiesenen jeweiligen eindeutigen Spreizcodefolgen gleichzeitig und asynchron arbeiten.
Der Sender 3 des Senderempfängers 2 kann die Datenfolgen entweder in parallelen Datenströmen, wie in 2 veranschaulicht ist, oder in einem einzigen seriellen Datenstrom, wie im Blockschaltplan nach 4 veranschaulicht ist, empfangen.
Die 2, 3 veranschaulichen eine erste Variante A eines Senderempfängers 2 des Kommunikationssystems 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Variante erhält der Senderempfänger 2 die Datenfolgen in IN parallelen Datenströmen DSTR von verschiedenen Datenquellen oder einer gemeinsamen Datenquelle. Bei der in den Blockschaltplänen nach den 4, 5 veranschaulichten Variante II des Senderempfängers 2 erhält der Senderempfänger 2 im Gegensatz die Datenfolgen in einem einzigen Datenstrom DSTR-IN, wobei er einen einzigen Datenstrom DSTR-OUT ausgibt.
In der ersten Variante I des Senderempfängers 2 ist der Sender 3 konfiguriert, wie in 2 veranschaulicht ist, während der Empfänger 4 konfiguriert ist, wie in 3 veranschaulicht ist. Der Sender 3 umfasst mehrere, N, Codierungseinheiten ENC-1 bis ENC-N, die dafür ausgelegt sind, die in parallelen Datenströmen empfangenen Datenfolgen zu codieren, um codierte Datenfolgen bereitzustellen, wie in 2 gezeigt ist. Der Sender 3 umfasst ferner eine entsprechende Anzahl, N, von Modulationseinheiten MOD-1 bis MOD-N, die dafür ausgelegt sind, die codierten Datenfolgen zu modulieren, um modulierte codierte Datenfolgen bereitzustellen, die den Spreizungseinheiten SPR-1 bis SPR-N zugeführt werden, die dafür ausgelegt sind, die Datenfolgen mit zugeordneten vorgegebenen eindeutigen Spreizcodefolgen zu spreizen, um gespreizte Datenfolgen zu erzeugen, die zu der Antenneneinheit 5 des jeweiligen Senderempfängers 2 gemultiplext werden (MUX). Die durch die Spreizungseinheiten SPR-1 bis SPR-N ausgegebenen gespreizten Datenfolgen werden für die Übertragung durch die Antenneneinheit 5 des jeweiligen Senderempfängers 2 gemultiplext oder überlagert. 2 veranschaulicht entsprechend einen integrierten Einzelanwender-CDMA-Sender 3 mit mehreren SISO-Verbindungen.
3 zeigt einen entsprechenden Empfänger 4, der dafür ausgelegt ist, N parallele Datenströme DSTR zu erzeugen. Der Empfänger 4 umfasst mehrere Entspreizungseinheiten DSPR-1 bis DSPR-N, die jeweils dafür ausgelegt sind, die über den drahtlosen Kommunikationskanal CH durch die Antenneneinheit 5 des jeweiligen Senderempfängers 2 empfangenen gespreizten Datenfolgen mit den zugeordneten vorgegebenen Spreizcodes zu entspreizen, um die entsprechenden ursprünglichen Datenfolgen wiederzugewinnen. Wie in der Ausführungsform nach 3 gesehen werden kann, umfasst der Empfänger 4 ferner mehrere, N, Demodulationseinheiten DMOD-1 bis DMOD-N, die dafür ausgelegt sind, die durch die Entspreizungseinheiten DSPR-1 bis DSPR-N des Empfängers 4 ausgegebenen entspreizten Datenfolgen zu demodulieren, um demodulierte Datenfolgen bereitzustellen. Der Empfänger 4 umfasst ferner eine entsprechende Anzahl, N, von Decodierungseinheiten DEC-1 bis DEC-N, die dafür ausgelegt sind, die demodulierten Datenfolgen zu decodieren, um decodierte demodulierte Datenfolgen bereitzustellen, die durch den Empfänger 4 des Senderempfängers 2 in N parallelen Datenströmen ausgegeben werden, wie in 3 veranschaulicht ist.
Entsprechend veranschaulicht 3 einen integrierten Einzelanwender-CDMA-Empfänger 4 mit mehreren SISO-Verbindungen.
Die 4, 5 veranschaulichen eine zweite Variante II eines Senderempfängers 2, der in einem Kommunikationssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. In der veranschaulichten zweiten Variante II empfängt der Sender 3 die Datenfolgen in einem einzigen seriellen Datenstrom, wie in den 4, 5 gezeigt ist. Ferner gibt der Empfänger 4 einen einzigen Datenstrom aus, wie in 5 gezeigt ist. Wie in 4 gesehen werden kann, wird der einzelne Datenstrom einer einzelnen Codierungseinheit ENC zugeführt, die dafür ausgelegt ist, die in dem einzelnen Datenstrom empfangenen Datenfolgen zu codieren, um codierte Datenfolgen bereitzustellen. Ferner umfasst der Sender 3 eine Modulationseinheit MOD, die dafür ausgelegt ist, die codierten Datenfolgen zu modulieren, um modulierte codierte Datenfolgen bereitzustellen, die einer Seriell-Parallel-Umsetzungseinheit SPC zugeführt werden, die dafür ausgelegt ist, die modulierten codierten Datenfolgen in parallele Datenfolgen umzusetzen, die den Spreizungseinheiten SPR-1 bis SPR-N des Senders 3 des jeweiligen Senderempfängers 2 zugeführt werden. Die Spreizungseinheiten sind dafür ausgelegt, die Datenfolgen mit zugeordneten vorgegebenen eindeutigen Spreizcodefolgen zu spreizen, um gespreizte Datenfolgen zu erzeugen, die zu der Antenneneinheit 5 des jeweiligen Senderempfängers 2 gemultiplext werden.
5 veranschaulicht den entsprechenden Empfänger 4 mit einer Parallel-Seriell-Umsetzungseinheit PSC, die dafür ausgelegt ist, die durch die Entspreizungseinheiten des Empfängers 4 ausgegebenen entspreizten Datenfolgen in eine einzige serielle Datenfolge umzusetzen. Der Empfänger 4 umfasst ferner eine Demodulationseinheit DMOD, die dafür ausgelegt ist, die durch die Parallel-Seriell-Umsetzungseinheit PSC ausgegebene serielle Datenfolge zu demodulieren, um eine demodulierte Datenfolge bereitzustellen, die einer Decodierungseinheit DEC zugeführt wird, wie in 5 gezeigt ist. Die Decodierungseinheit ist dafür ausgelegt, die demodulierte Datenfolge zu decodieren, um eine decodierte demodulierte Datenfolge bereitzustellen, die durch den Empfänger 4 des Senderempfängers 2 in einem einzigen Datenstrom ausgegeben wird, wie in 5 gezeigt ist.
Das integrierte CDMA-Senderempfänger-System, das durch das Kommunikationssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, kann den Datendurchsatz des Systems um fast das N-fache vergrößern, wobei N die Anzahl der parallelen SISO-Verbindungen ist. Das Kommunikationssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Vergleich zu den TDMA-, FDMA- und SDMA-Techniken widerstandsfähiger gegen Interferenzen, Störungen und Mehrwegeausbreitungseffekte. Für ein asynchrones Kommunikationssystem 1 kann ein Pseudozufallscode oder ein Goldcode als die gespreizten Datenfolgen verwendet werden. Ein Goldcode ist ein Satz von Zufallsfolgen, die oft als Pseudorauschfolgen bezeichnet werden, die statistisch unkorreliert sind. Für ein synchrones System können orthogonale Codes, wie z. B. Hadamard-Codes oder orthogonale Codes mit variablem Spreizfaktor, durch das Kommunikationssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
Jede Codierungseinheit des Senders 3 des Senderempfängers 2 kann dafür ausgelegt sein, eine Codierungstechnik auszuführen, die eine Vorwärtsfehlerkorrektur FEC, eine Faltungscodierung, eine Turbocodierung und/oder eine Polarcodierung usw. enthält. Ferner können Techniken wie Verschachteln und Datenredundanz (Codierung) auf der Senderseite und zur Wiedergewinnung auf der Empfängerseite (Decodierung) verwendet werden, so dass der Datenverlust minimiert werden kann. Jede Modulationseinheit des Senders 3 eines Senderempfängers 2 kann verwendet werden, um Modulationstechniken anzuwenden, die von der binären Phasenumtastung BPSK und der Quadraturphasenumtastung QPSK bis zur M-Quadraturamplitudenmodulation M-QAM und anderen reichen.
In dem Kommunikationssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung wird jeder Datenstrom oder jede Datenfolge mit einer entsprechenden orthogonalen Codefolge verarbeitet, wobei er bzw. sie dann nach dem Multiplexieren übertragen werden kann. Auf der Empfängerseite werden die einzelnen Datenströme nach dem Verarbeiten mit den jeweiligen Codefolgen, die dem Empfänger 4 bereits bekannt sind, wiedergewonnen. Für einen erhöhten Durchsatz können verschiedene Variationen des Kommunikationssystems 1 eingesetzt werden.
Nach dem Multiplexieren der codierten Datenströme können die Informationen entweder unter Verwendung eines einzelnen Trägers oder über mehrere Träger (orthogonales Frequenzmultiplexverfahren oder OFDM) übertragen werden. Die Mehrträgertechniken können Mehrträger-CDMA (MC-CDMA), Mehrträger-Direktfolgen-CDMA und Mehrton-CDMA (MT-CDMA) umfassen.
In einer möglichen Ausführungsform kann der Sender 3 des Senderempfängers 2 eine Leistungssteuerung ausführen, um sicherzustellen, dass die Betriebsmittel gleichmäßig unter allen SISO-Verbindungen gemeinsam benutzt werden und dass die Systemkapazität maximiert werden kann. Die relativen Pfadverluste und die Abschattungseffekte können in einer möglichen Implementierung unter Verwendung einer logarithmischen Normalverteilung modelliert werden, wobei dann die relativen Leistungspegel geschätzt werden können.
Bei den Senderempfängern 2 des Kommunikationssystems 1 kann die Datenverarbeitung in einer möglichen Implementierung mit einem einzigen Prozessor ausgeführt werden. Als eine Alternative kann die Verarbeitung außerdem durch verschiedene unabhängige Prozessoren ausgeführt werden, wobei dann die Daten (durch eine Verarbeitung der physikalischen Schicht) gemultiplext werden können oder (durch eine Verarbeitung der Netzschicht) weitergeleitet werden können, um sie an die richtige Zieladresse zu liefern.
Die Antenneneinheiten 5 können in einer möglichen Implementierung ein einzelnes Antennenelement (wie einen Monopol oder Dipol) umfassen. In einer alternativen Implementierung kann die Senderempfänger-Antenneneinheit 5 aus mehreren Antennenelementen (wie eine Antennenanordnung) bestehen. Die Antenneneinheiten 5 können außerdem zum Steuern der Sendeleistung verwendet werden und können Modulations- und Demodulationsschaltungen auf der Sender- bzw. Empfängerseite umfassen.
Das Kommunikationssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie es in 1 veranschaulicht ist, kann in einer bevorzugten Ausführungsform für ein Luftfahrtsystem verwendet werden, bei dem die Senderempfänger 2 in Luftfahrzeugen, Basisstationen oder Satelliten integriert sind. Der Begriff Luftfahrzeug bezieht sich hier auf ein bemanntes Luftfahrzeug, wie z. B. ein Flugzeug, einen Hubschrauber oder ein Flugtaxi, aber außerdem auf ein unbemanntes Luftfahrzeug, wie z. B. eine Drohne. Das Kommunikationssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung kann außerdem in der Weltraumkommunikation, in Kraftfahrzeugsystemen, in Zügen und/oder in Zellenanwendungen für elektronische Vorrichtungen verwendet werden. Diese Systeme können für die zivile oder militärische Kommunikation geeignet sein.
Das Kommunikationssystem 1 und die Senderempfänger können selbstständig oder in Kombination mit bereits vorhandenen Zellensystemen (2G, 3G, 4G, 5G oder anderen) oder jeder anderen Art von Kommunikationssystemen (wie z. B. Bluetooth, WiFi, WiMax, LDACS, etc.) verwendet werden. Das Kommunikationssystem 1 kann verwendet werden, um die Kommunikation zwischen verschiedenen Entitäten, wie z. B. Luftfahrzeugen oder Basisstationen, bereitzustellen. Das System 1 kann Rücktransport-Verbindungen für Steuer- und Befehlsfunktionen, Kommunikationen innerhalb der Kabine und/oder die Verbindungsfähigkeit der Passagiere während des Fluges unterstützen. Ferner kann das Kommunikationssystem 1 zur Positionsschätzung oder Lokalisierung verwendet werden. Ein Globales Positionierungssystem (GPS), um die absolute Höhe über dem Meeresspiegel zu berechnen, oder ein Radarhöhenmesser (RALT) um die Höhe über dem Bodenniveau zu schätzen, können z. B. das Kommunikationssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden. Andere Beispiele möglicher Anwendungen enthalten z. B. das Instrumentenlandesystem ILS und das Verkehrskollisions- und -ausweichsystem TCAS. Weitere mögliche Anwendungen enthalten Wetterradare (WXR) oder andere Systeme. Die ferngesteuerten Luftfahrzeugsysteme (RPAS) und Außerhalb-der-Sichtlinie-Systeme (BVLoS-Systeme) können das Kommunikationssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden, um einen erhöhten Datendurchsatz bereitzustellen. Weitere Beispiele enthalten unbemannte Luftsysteme UAS und fliegende Passagierfahrzeuge für die Fernsteuerung oder sogar autonome Flugoperationen.
Die durchgehende Dienstqualität QoS ist für den Entwurf eines zuverlässigen, sicheren und effizienten Kommunikationssystems für diese verschiedenen Arten von Anwendungen vorrangig. Die relevantesten QoS-Metriken des Kommunikationssystems 1 gemäß der vorliegenden Erfindung sind die durchgehende Latenzzeit, der Paketverlust, der Jitter, die Zustellung außerhalb der Reihenfolge und der Datendurchsatz. Durch das Kombinieren einer Codemultiplex-Mehrfachzugriffs-, CDMA-, Technik mit einem SISO-Kommunikationssystem kann der Datendurchsatz T signifikant vergrößert werden, wie außerdem in der schematischen graphischen Darstellung nach 6 veranschaulicht ist. 6 veranschaulicht den Datendurchsatz und die Bitfehlerraten BER, die sich für ein Kommunikationssystem 1 mit einer einzelnen CDMA-basierten SISO-Verbindung im Vergleich zu einem Kommunikationssystem 1 mit mehreren CDMA-basierten SISO-Verbindungen ergeben. Wie aus 6 gesehen werden kann, nimmt der Durchsatz T des Kommunikationssystems 1 mit jeder neuen parallelen SISO-Verbindung, die hinzugefügt wird, signifikant zu.
Bezugszeichenliste

1: Kommunikationssystem
2: Senderempfänger
3: Sender
4: Empfänger
5: Antenneneinheit
CH: Kanal
SPR: Spreizungseinheit
DSPR: Entspreizungseinheit
SPRC: Spreizcode
MOD: Modulationseinheit
DMOD: Demodulationseinheit
ENC: Codierungseinheit
DEC: Decodierungseinheit
DSTR: Datenstrom
MUX: Multiplexer

Claims

Kommunikationssystem (1) zum Bereitstellen von Kommunikation zwischen Senderempfängern (2) über einen drahtlosen Kommunikationskanal (CH) durch eine Mehrzahl N von Einzeleingangs-Einzelausgangs-Verbindungen (SISO-Verbindungen), die für eine entsprechende Anzahl N von Datenfolgen bereitgestellt sind, wobei jeder Senderempfänger (2) einen Sender (3) umfasst, der mehrere Spreizungseinheiten (SPR) aufweist, die jeweils dafür ausgelegt sind, in einer Betriebsart des Kommunikationssystems (1) eine Datenfolge mit einer zugeordneten vorgegebenen eindeutigen Spreizcodefolge (SPRC) zu spreizen, um eine gespreizte Datenfolge zu erzeugen, die zu einer Antenneneinheit (5) des jeweiligen Senderempfängers (2) gemultiplext wird, der dafür ausgelegt ist, die gespreizten Datenfolgen über den drahtlosen Kommunikationskanal (CH) zu den Antenneneinheiten (5) anderer Senderempfänger (2) des Kommunikationssystems (1) zu übertragen.
Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei die Datenfolgen durch den Sender (3) des Senderempfängers (2) in parallelen Datenströmen oder in einem seriellen Datenstrom empfangen werden.
Kommunikationssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder Senderempfänger (2) einen Empfänger (4) mit mehreren Entspreizungseinheiten (DSPR) umfasst, die jeweils dafür ausgelegt sind, die über den drahtlosen Kommunikationskanal (CH) durch die Antenneneinheit (5) des jeweiligen Senderempfängers (2) empfangenen gespreizten Datenfolgen mit den zugeordneten vorgegebenen Spreizcodes (SPRC) zu entspreizen, um die entsprechenden Datenfolgen wiederzugewinnen.
Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sender (3) eines Senderempfängers (2) eine Mehrzahl N von Codierungseinheiten (ENC), die dafür ausgelegt sind, in parallelen Datenströmen (DSTR) empfangene Datenfolgen zu codieren, um codierte Datenfolgen bereitzustellen, und eine entsprechende Anzahl von Modulationseinheiten (MOD), die dafür ausgelegt sind, die codierten Datenfolgen zu modulieren, um modulierte codierte Datenfolgen bereitzustellen, die den Spreizungseinheiten (SPR) des Senders (3) des jeweiligen Senderempfängers (2) zugeführt werden, umfasst.
Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sender (3) eines Senderempfängers (2) Folgendes umfasst: - eine Codierungseinheit (ENC), die dafür ausgelegt ist, in einem einzelnen Datenstrom empfangene Datenfolgen zu codieren, um codierte Datenfolgen bereitzustellen, und - eine Modulationseinheit (MOD), die dafür ausgelegt ist, die codierten Datenfolgen zu modulieren, um modulierte codierte Datenfolgen bereitzustellen, und - eine Seriell-Parallel-Umsetzungseinheit (SPC), die dafür ausgelegt ist, die modulierten codierten Datenfolgen in parallele Datenfolgen umzusetzen, die den Spreizungseinheiten (SPR) des Senders (3) des jeweiligen Senderempfängers (2) zugeführt werden.
Kommunikationssystem nach Anspruch 3, wobei der Empfänger (4) des Senderempfängers (2) Folgendes umfasst: eine Mehrzahl N von Demodulationseinheiten (DMOD), die dafür ausgelegt sind, die durch die Entspreizungseinheiten (DSPR) des Empfängers (4) ausgegebenen entspreizten Datenfolgen zu demodulieren, um demodulierte Datenfolgen bereitzustellen, und eine entsprechende Anzahl N von Decodierungseinheiten (DEC), die dafür ausgelegt sind, die demodulierten Datenfolgen zu decodieren, um decodierte demodulierte Datenfolgen bereitzustellen, die durch den Empfänger (4) des Senderempfängers (2) in parallelen Datenströmen (DSTR) ausgegeben werden.
Kommunikationssystem nach Anspruch 3, wobei der Empfänger (4) des Senderempfängers (2) eine Parallel-Seriell-Umsetzungseinheit (PSC), die dafür ausgelegt ist, die durch die Entspreizungseinheiten (DSPR) des Empfängers (4) ausgegebenen entspreizten Datenfolgen in eine einzige serielle Datenfolge umzusetzen, eine Demodulationseinheit (DMOD), die dafür ausgelegt ist, die serielle Datenfolge zu demodulieren, um eine demodulierte Datenfolge bereitzustellen, und eine Decodierungseinheit (DEC), die dafür ausgelegt ist, die demodulierte Datenfolge zu decodieren, um eine decodierte demodulierte Datenfolge bereitzustellen, die durch den Empfänger (4) des Senderempfängers (2) in einem einzigen Datenstrom ausgegeben wird, umfasst.
Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei das Kommunikationssystem (1) ein synchrones Kommunikationssystem unter Verwendung orthogonaler Spreizcodefolgen oder anderer umfasst.
Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei das Kommunikationssystem (1) ein asynchrones Kommunikationssystem unter Verwendung von Pseudozufalls-Spreizcodefolgen oder anderen umfasst.
Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Codierungseinheit (ENC) des Senders (3) eines Senderempfängers (2) dafür ausgelegt ist, eine Vorwärtsfehlerkorrektur, eine Faltungscodierung, eine Turbocodierung, eine Polarcodierung oder andere Codierungstechniken der Datenfolgen auszuführen, um codierte Datenfolgen bereitzustellen.
Kommunikationssystem nach Anspruch 10, wobei jede Modulationseinheit (MOD) des Senders (3) des Senderempfängers (2) dafür ausgelegt ist, eine binäre Phasenumtastung (BPSK), eine Quadraturphasenumtastung (QPSK), eine M-Quadraturamplitudenmodulation (M-QAM) oder andere Modulationstechniken der codierten Datenfolgen auszuführen.
Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, wobei der Durchsatz, T, des Kommunikationssystems (1) gegeben ist durch: T = N . B (1 + SNR), wobei B die Bandbreite des Kommunikationskanals ist, SNR der Rauschabstand ist und N die Anzahl der parallelen SISO-Verbindungen ist.
Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, wobei die Senderempfänger (2) des Kommunikationssystems (1) in Luftfahrzeuge, Satelliten und/oder Basisstationen und/oder in Entitäten von Kraftfahrzeugsystemen oder Industriesystemen integriert sind.
Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, wobei die Senderempfänger (2) des Kommunikationssystems (1) dafür ausgelegt sind, Datenfolgen mittels Zeitduplex (TDD), Frequenzduplex (FDD) oder anderen gleichzeitig zu senden und zu empfangen.
Verfahren zum Erhöhen eines Durchsatzes, T, eines Kommunikationssystems unter Verwendung von einer Mehrzahl N von Einzeleingangs-Einzelausgangs-Verbindungen, SISO-Verbindungen, für eine entsprechende Anzahl N von Datenfolgen, wobei jede Datenfolge mit einer zugeordneten vorgegebenen Spreizcodefolge (SPRC) gespreizt wird, um eine gespreizte Datenfolge zu erzeugen, die über einen gemeinsamen drahtlosen Kommunikationskanal (CH) des Kommunikationssystems (1) übertragen wird.