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Nachrichtenübertragungssystem mit Vielfach-
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zugriff im Zeitmultiplex (TDMA) mit dezentral synchronisiertem Zugriff
Die Erfindung betrifft ein Nachrichtenübertragungssystem nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Ein derartiges System ist bekannt aus "Frequenz", Jg. 25 (1971) Heft
10, S. 303-308. Solche Zeitmultiplex-Vielfachzugriffssysteme werden auch als TDMA-Systeme
bezeichnet (TDMA = Time Division Multiple Access), wobei die Station, zu der im
Zeitmultiplex zugegriffen wird, nicht immer ein Satellit zu sein braucht, sondern
auch eine terrestrische Einrichtung sein kann. Es kommt lediglich darauf an, daß
ein gemeinsamer Ubertragungskanal im Zeitmultiplex-Vielfachzugriff von mehreren
Stationen benutzt wird.
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Beim bekannten System wird der Rahmenanfang durch den sogenannten
Referenzburst, d. h. den Burst einer vorbestimmten Station, der Referenzstation
gekennzeichnet.
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Die Bursts der Stationen werden in der Reihenfolge ihres Erstzugriffs
vom Rahmenende her aneinandergereiht, und ihre Burstsendephasen werden ständig in
Bezug auf den Referenzburst geregelt. Besondere Probleme entstehen bei diesem System,
wenn die Referenzstation ausfällt und
eine andere Station für die
Rahmenbeginnkennzeichnung zu sorgen hat.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein System der genannten Art
anzugeben, bei dem eine Station als Referenzstation ausgezeichnet ist, d. h. bei
dem der Erstzugriff und die Burstsendephasenregelung vollkommen dezentral gesteuert
erfolgen.
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Die Aufgabe wird wie im Patentanspruch 1 angegeben gelöst.
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Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher
erläutert. Es zeigt: Fig. 1 den Rahmenaufbau des neuen TDMA-Systems und Fig. 2 ein
Blocksc-haltbild des von der Erfindung betroffenen Teiles einer Station des neuen
TDMA-Systems.
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Der in Fig. 1 gezeigte Rahmen ist in kleinste adressierbare Einheiten,
sogenannte Zeit schlitze1 gegliedert. Jeder Station des Systems ist für die Aus
sendung eines sogenannten Pilotbursts, der ausschließlich Daten zur Systemorganisation
enthält, ein Zeitabschnitt, der gleich einem oder mehreren Zeitschlitzen ist, fest
zugeteilt. Dieser Zeitabschnitt ist alLen Stationen bekannt, so daß eine Station,
welche den Pilotburst einer anderen Station empfängt, nach Identifizierung dieser
anderen Station den Rahmenanfang kennt. Alle Stationen sind damit gleichberechtigt
und es ist daher nicht notwendig, daß eine spezielle Station als
Referenzstation
ständig im Zugriff steht, um wie beim bekannten System durch ihren Referenzburst
ständig den Rahmenanfang für die anderen Stationen zu bestimmen. Beispielsweise
sind 128 Stationen und somit 128 Pilotbursts im System vorgesehen, die den Rahmenanfang
bilden, und deren festzugeteilte Zeitabschnitte im einfachsten Falle die gleiche
Numerierung wie die Stationen selbst haben.
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An die für die Pi lotbursts reservierten Zeitschlitze des Rahmens
schließen sich die Zeitschlitze an, die für die Nutzbursts der Stationen, d. h.
zur eigentlichen Informationsübertragung vorgesehen sind. Die Zuteilung von Zeitabschnitten
aus diesem Bereich für Nutzbursts an die einzelnen Stationen wird hier nicht erläutert,
da sie nicht Gegenstand der Erfindung ist.
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Jeder Pilotburst enthält, wie gezeigt, am Anfang einen Teil, in dem
keine Informationen übertragen werden, den sogenannt en Schutzabstand SAS, danach
einen Synchronisiervorlauf ein Burstbeginnkennzeichen BBK, die Stationsnummer STNR
derjenigen Station, die ihn gesendet hat, eine Belegungs- und Vorbelegungsanzeige
BVA und eine systeminterne Zeichengabe SZG, die an späterer Stelle noch ererläutert
werden. Jeder der Nutzbursts, die mit NB und einem Laufenden Index bezeichnet sind,
enthält ebenfalls einen Schutzabstand, einen Synchronisiervorlauf und ein Burstbeginnkennzeichen.
Daran schließt sich je nach der zu übertragenden Informationsmenge ein entsprechend
langer Bereich für die eigentliche Nutzinformationsübertragung an. Nachstehend wird
anhand der Fig. 2 die Synchronisation der Bursts auf den gezeigten Rahmen sowie
der Ablauf des Erstzugriffs in der Station zu diesem Rahmen erläutert. Wie bereits
erwähnt,
hat jeder Pilotburst einen fest zugeteilten Zeitabschnitt im TDMA-Rahmen. Dieser
Zeitabschnitt wird in jeder Station in Form der Pilotburst-Betriebssollphase individuell,
aber fest eingegeben. Die Pilotburst-Betriebssollphase wird unter anderem einem
Pilotburstgenerator 1 eingegeben, der als weiteres Steuersignal die laufende Zeitschlitznummer
von einem durch den Rahmenanfang wie noch erläutert gesteuerten Zeitschlitzzähler
2 erhält. Der Pilotburstgenerator 1 gibt nun die Ausgabe des erzeugten Pi lotbursts
dann frei, wenn die vom Zeitschlitzzähler 2 empfangene laufende Zeitschlitznummer
mit der Pilotburst-Betriebssollphase, d. h. mit der Zeitschlitznummer übereinstimmt,
die dieser Station für die Aussendung ihres Pilotbursts fest zugeteilt ist.
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In entsprechender Weise enthält die Station einen Nutzburstgenerator
der einen oder mehrere Nutzbursts erzeugt, die mit einer Nutzburst-Betriebssollphase,
die ebenfalls auf den Rahmen bezogen istr auszusenden sind. Die Ausgabe des Nutzburstsgenerators
2 wird also dann freigegeben, wenn die Nutzburst-Betriebssollphase gleich der vom
Zeitschlitzzähler 2 geLieferten laufendenZeitschlitznummer ist.
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Die Nutzburst-Betriebssollphase liefert ein Steuerspeicher 3, dessen
Inhalt entsprechend der gewünschten Rahmenbelegung verändert werden kann. Da die
Sendezeitpunkte des Pilotburstsgenerators und des Nutzburstgenerators jeweils auf
ein gemeinsames Steuersignal, die Zeitschlitznummer, bezogen sind, ist die Sendephase
des oder der Nutzbursts einer Station starr mit der Sendephase des Pilotbursts dieser
Station verkoppelt, so daß
die Nut zbu r staus sendung keiner eigenen
Sendephasenregelung bedarf.
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Sämtliche Bursts einer Station, Pilotburst und Nutzbursts, gelangen
nach der Ausgabe durch ihre Generatoren über einen Modulator 4 zu den Sendeeinrichtungen
der Station und werden von dort über einen gemeinsamen ubertragungskanal zu einer
zentralen Einrichtung, beispielsweise einem Satelliten gesendet.
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Im folgenden wird die Synchronisation der Pilotburst-Sendephase auf
den Rahmen anhand verschiedener Situationen erläutert.
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In der Fig. 2. sind die Verbindungsleitungen, die für den Zustand
des stationären Betriebs der Station und für die n o c h zu erLäuternde Erstzugriffsprozedur
notwendig sind, als dicke Linien gezeichnet, wogeyen Verbindungsleitungen, die lediglich
für die Erstzugriffsprozedur notwendig sind, mit dünnen Linien dargestellt sind.
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Von der zentralen Einrichtung, z. B. dem Satelliten, werden die Bursts
aller im Zugriff stehenden Stationen empfangen, wobei die Empfangseinrichtungen
nicht gezeigt sind, und in einem Demodulator 5 demoduliert. Dessen Ausgangssignal,
also sämtliche demodulierten Bursts, gelangt auf einen Pilotburstempfänger 6 und
parallel auf einen Nutzburstempfänger, der die Nutzbursts in hier nicht interessierender
Weise verarbeitet.
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Im Falle, daß andere Stationen des Systems in Betrieb sind6
d.
h. daß sie zumindest ihren Pilotburst aussenden, empfängt die hier betrachtete Station
die Pilotbursts der anderen Stationen unabhängig davon, ob sie selbst bereits ihren
Pilotburst aussendet. Wenn die anderen Stationen bereits im stationären Betrieb
sind, so ist wie oben erläutert der Rahmen dadurch bestimmt, und eine noch nicht
synchronisierte Station kann sich darauf synchronisieren.
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Um Regelschwingungen zu vermeiden, ist es notwendig, daß sich alle
Stationen auf eine gemeinsame unter den im Betrieb befindlichen Stationen synchronisieren.
Daher wählt der Pilotburstempfänger nach einer vorgegebenen Regel einen Pilotburst
unter den von den im Betrieb befindlichen Stationen empfangenen Pilotbursts aus.
Beispielsweise wird immer der Stationsburst ausgewählt, der von der Station mit
der niedrigsten Stationsnummer gesendet worden ist. (Wie in Fig. 1 gezeigt, enthält
jeder Pilotburst die Stationsnummer STNR der ihn absendenden Station). Die Zeitschlitznummer,
die dem ausgewählten Pilotburst fest zugeordnet ist, bestimmt also den Rahmen, und
die Station synchronisiert sich auf diesem Rahmen. Zu diesem Zweck wird vom Pilotburstempfänger
6 die Zeitschlitznummer des ausgewählten Pi lotbursts und dessen Burstbeginnkennzeichen
(BBK) dem Zeitschlitzzähler 2 (Eingänge b und c) zugeführt.
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Mit Empfang des ausgewählten Pilotbursts, d. h., wenn dessen Burstbeginnkennzeichen
am Eingang c des Zeitschlitzzählers 2 liegt, wird der Zählerstand auf die am Eingang
b gleichzeitig erscheinende Zeitschlitznummer des ausgewählten Pilotbursts eingestellt,
wobei noch die Anzahl der Zeitschlitze (modulo Rahmendauer) hinzuaddiert wird, die
der doppelten Signallaufzeit zwischen dem Satelliten und der Station entspricht.
Somit beziehen sich die am Ausgang des Zählers 2
erscheinenden
laufenden Zeitschlitznummern auf einen fiktiven Rahmenanfang, derart, daß ein Burst,
dessen Sendezeitpunkt wie angegeben um die Betriebssollphase gegenüber dem fiktiven
Rahmenanfang verzögert ist, am Satelliten mit der gleichen Verzögerung gegenüber
dem Beginn des am Satelliten gebildeten Rahmens eintrifft.
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Hierzu ist allerdings Voraussetzung, daß die Signallaufzeit entweder
genau bekannt und konstant ist, was bei Satellitensystemen nicht der Fall ist.
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Daher weist die Station eine Burstphasenregelung 7 auf, die eine Phasenkorrektur
der Pilotburst-Sendephase bewirkt, wenn der Abstand des empfangenen eigenen Pi lotburts
vom ausgewählten Pi lotburst vom vorgeschriebenen Abstand abweicht. Dies bedeutet
nämlich, daß der Pilotburst der Station am Satelliten zu einem Zeitpunkt eingetroffen
ist, der nicht der fest zugeteilten Pilotburst-Betriebssollphase entspricht. Zum
Zweck der Phasenkorrektur empfängt die Burstphasenregelung vom Pilotburstempfänger
das Burstbeginnkennzeichen des eigenen Pi lotbursts und das Burstbeginnkennzeichen
des ausgewählten -Pilotbursts und die Zeitschlitznummer des ausgewählten Pilotbursts
an einem Eingang g und die PiLotburst-Betriebssollphase (als Anzahl von Zeitschlitzen)
an einem Eingang f. Wenn der Abstand zwischen dem Burstbeginnkennzeichen des eigenen
Pilotbursts und dem Burstbeginnkennzeichen des ausgewählten Pilotbursts vom Abstand
zwischen der Pilotburst-Betriebssollphase und der Zeitschlitznummer des ausgewählten
Pilotbursts abweicht, so gibt die Burstphasenregelung 7 ein Phasenkorrektursignal
an den Zeitschlitzzähler 2, das dessen Zählerstand entsprechend der festgestellten
Abweichung korrigiert, wodurch der fiktive
Rahmenanfang korrigiert
wird.
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Es handelt sich somit um eine indirekte Burstphasenregelung, bei welcher
der Sendezeitpunkt nicht gegenüber einem festen Rahmenbeginn variiert wird, sondern
gegenüber einem fiktiven Rahmenbeginn eine konstante Verzögerung aufweist und dieser
fiktive Rahmenbeginn der Regelung unterliegt.
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Aus der beschriebenen Burstphasenregelung folgt, daß eine als erste
zugreifende Station keine andere Station findet, auf die sie sich synchronisieren
kann. Der Zeitschlitzzähler 2 befindet sich also in einem unbestimmten Zustand und
gibt in diesem Zustand keine Zeitschlitznummer ab.
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Dies bedeutet, daß eine als erste zugreifende Station ihren Pilotburst
mit beliebiger Burstsendephase aussendet und damit für alle weiteren zugreifenden
Stationen den Rahmen bestimmt.
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Nachstehend wird die Erstzugriffsprozedur erläutert, die in einer
Station abläuft, wenn diese sich einschalten will und zu diesem Zeitpunkt bereits
mehrere Stationen im Betrieb sind. (Unter Erstzugriff wird auch ein Wiederzugriff
einer Station verstanden, beispielsweise nach einem vorübergehenden Ausfall einer
Station).
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Wie bei der Beschreibung des Rahmenaufbaus (Fig. 1) erwähnt, enthält
ein Pilotburst eine Belegungs- und Vorbelegungsanzeige (BVA) mit der die dem Pilotburst
sendende Station allen Stationen bekannt gibt, welche Zeitabschnitte im Rahmen sie
derzeit belegt hat oder zu belegen beabsichtigt.
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Anhand dieser empfangenen Informationen ermittelt der Pilotburstempfänger
6 einer Station ständig freie Zeitabschnitte im Rahmen und überträgt die entsprechenden
Angaben zu einer Erstzugriffssteuerung 8-Diese Erstzugriffssteuerung wählt irgendeinen
der freien Zeitabschnitte aus, z. B. vom Rahmenanfang her den ersten der gefundenen
freien Zeitabschnitte, und bestimmt innerhalb dieses Zeitabschnitts eine Erstzugriffs-Sollphase,
die möglichst in der Mitte des Zeitabschnitts liegt. Diese Erstzugriffs-Sollphase,
die eine Zeitschlitznummer ist, gelangt von der Erstzugriffssteuerung gleichzeitig
auf den Zeitschlitzzähler 2 (Eingang d) und die Burstphasenregelung 7 (Eingang e).
Der Zeitschlitzzähler 2 wird nun um soviele Zeitschlitze zurückgesetzt, wie zwischen
der Pilotburst-Betriebssollphase und der Erstzugriffs-Sollphase liegen, damit der
Pilotburst während der Erstzugriffsprozedur nicht bereits mit der Pilotburst-Betriebssollphase,
sondern mit der Erstzugriffs-Sollphase ausgesendet wird. Zu diesem Zweck benötigt
der Zeitschlitzzähler die Pilotburst-Sollphase während der Erstzugriffsprozedur,
die er an einem Eingang a empfängt. Während der Erstzugriffsprozedur regelt die
Burstphasenregelung die Pilotburstsendephase auf die Erstzugriffs-Sollphase, die
sie am Eingang e erhält und nicht auf die Pilotburst-Betriebssollphase,die sie am
Eingang f erhält.
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Nachdem die Erstzugriffssteuerung 8 die gewählte Erstzugriffs-Sollphase
zum Zeitschlitzzähler 2 und zur Burstphasenregelung 7 übertragen hat, sendet sie
ein Zugriffssignal an den Pilotburstgenerator 1, das die Aussendung des Pilotbursts
mit der Erstzugriffs-Sollphase freigibt.
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Dieses Zugriffssignal bleibt während der Erstzugriffsprozedur bestehen
und bewirkt, daß der Pilotburstgenerator in den für die systeminterne Zeichengabe
(SZG) des Pi lotbursts vorgesehen Zeitschlitzen eine Kennzeichnung einfügt, daß
es sich bei der Aussendung dieses Pilotburst um einen Erstzugri ff handelt. Ohne
eine solche Kennzeichnung bestünde nämlich die Gefahr, daß dieser Pilotburst von
anderen Stationen als Bezugsburst für deren Synchronisation ausgewählt werden könnte
(wenn die Station diejenige mit der niedrigsten Stationsnummer ist).
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Sobald die Burstphasenregelung 7 den Pilotburst auf die Erstzugriffs-Sollphase
eingeregelt hat, gibt sie ein Signal an den Zeitschlitzzähler 2, das diesen wieder
um soviel Zeitschlitze vorstellt, wie zwischen der Pilotburst-Betriebssollphase
und der Erstzugriffs-Sollphase liegen, d.h. die oben genannte Zählerrückstellung
aufhebt. Gleichzeitig ersetzt die Burstphasenregelung die Erstzugriffs-Sollphase
(Eingang e) durch die Pilotburst-BetriebssollrFb phase (Eingang f). Somit sitzt
der Pilotburst nach Ablauf der Erstzugriffs-Prozedur genau an der ihm fest zugeteilten
Stelle des Rahmens. Ein direkter Erstzugriff zu diesem festgelegten Platz ohne Störung
des Systems wäre praktisch nicht möglich, weil der einem Pilotburst festzugeteilte
Platz im Rahmen verglichen zur Unsicherheit der Sendephase beim Erstzugriff zu gering
ist.
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Zum Ende der Erstzugri ffsprozedur verschwindet auch das Zugriffsignal
am Ausgang der Erstzugriffssteuerung 8,und die Station wird nunmehr von den anderen
Stationen als im stationären Betrieb befindlich betrachtet. Im Falle, daß die Station
diejenige ist, die als erste zugreift, bekommt die Erstzugriffsteuerung keine freien
Zeitabschnitte mitgeteilt, da der Pilotburstempfänger keine Pilotbursts von
anderen
Stationen empfängt, und gibt daher auch kein Zugriffssignal an den Pilotburstgenerator
ab, so daß der Pilotburst dieser Station von Anfang an als Pi lotburst einer im
stationären Betrieb befindlichen Station gilt.
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-Eine Schwierigkeit bei der beschriebenen Erstzugriffsprozedur ergibt
sich dann, wenn der von der Erstzugriffssteuerung ausgewählte freie Zeitabschnitt
zufällig gerade von einer anderen Station für deren Erstzugriff ausgewählt wird.
Damit der Pi lotburstempfänger in der Lage ist, eine solche Kollision festzustellen,
wird die ausgewählte Erstzugriffs-Sollphase von der Erstzugriffssteuerung dem Pilotburstempfänger
mitgeteilt. Stellt der Pilotburstempfänger daraufhin fest, daß im gewählten freien
Zeitabschnitt bereits eine andere Station ihre Erstzugriffsprozedur durchführt,
so gibt sie ein Korrektursignal an die Erstzugriffssteuerung, das diese veranlaßt,
einen anderen der mitgeteilten freien Zeitabschnitte auszuwählen, bevor eine Aussendung
des Pilotburst im zuerst gewählten Zeitabschnitt stattgefunden hat.
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Es ist auch möglich, daß an bestimmter Stelle des Rahmens, beispielsweise
am Ende, ein ausreichender Zeitabschnitt für den Erstzugriff aLler Stationen freigehalten
wird.
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Dies würde die ständige Ermittlung von freien Zeitabschnitten durch
den Pilotburstempfänger und den Aufwand für die Auswahl eines der freien Zeitabschnitte
durch die Erstzugriffssteuerung erübrigen, jedoch wäre dadurch die Kollisionswahrscheinlichkeit
erhöht, und eine weitere zu diesem Abschnitt zugreifende Station müßte nach Feststellung
daß dieser Zeitabschnitt bereits von einer anderen Station für deren Erst zugriff
belegt ist, abwarten bis diese andere Station ihre Erstzugriffsprozedur beendet
hat.