DE4223995A1

DE4223995A1 - Verfahren und Schaltung zur Netzsteuerung in Nachrichtenübertragungssystemen

Info

Publication number: DE4223995A1
Application number: DE19924223995
Authority: DE
Inventors: Dan Pupeza
Original assignee: Hans Kolbe and Co; Fuba Hans Kolbe and Co
Current assignee: FUBA COMMUNICATIONS SYSTEMS GMBH, 31162 BAD SALZDE
Priority date: 1992-07-21
Filing date: 1992-07-21
Publication date: 1994-02-03

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Nachrichtenübertragungssystemen insbesondere von satellitengestützten Kommunikationsnetzen zur Nachrichten- und Datenübertragung, und eine Schaltungsanordnung zur Realisierung des Verfahrens, wie sie gattungsgemäß im Oberbegriff des Hauptanspruchs dargestellt sind.

Bei der als Dienstleistung betriebenen Nachrichten übertragung, z. B. mit VSAT-Systemen, hat ein Netzbetreiber eine Lizenz für ein bestimmtes Frequenzband mit mehreren Nutzsignalkanälen, auf denen die über Mietverträge angeschlossenen Teilnehmer Daten, Sprache, Text, Bilder, Fernwirkinformationen usw. übertragen können. Dabei sind neben festgeschalteten Verbindungen, z. B. zwischen zwei Teilnehmer-Endstellen, wahlweise und in zeitlicher Begrenzung - nach Bedarf - Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-Multipunkt- Verbindungen als Einweg-Kommunikation (Simplex) und als bidirektionale Kommunikation (Duplex) möglich.

Aufgabe des Netzbetreibers ist es im weitesten Sinne, jederzeit jede beliebige Verbindung zwischen beliebigen angeschlossenen Teilnehmern herzustellen und für die Übertragungsdauer stabil zu halten. Das schließt die Schaltung der optimalen Verbindungswege, die ständige Netzüberwachung und das schnelle Schalten von Ersatzwegen - bei Havarien und Unterbrechungen - ein. Im einzelnen sind verschiedene Netzbetriebs-Parameter zu steuern, wie Sende- und bzw. oder Empfangsfrequenzen, Sendeleistung, Übertragungsraten, Übertragungscodes, das ferngesteuerte Ein- oder Zu- und das Abschalten von Verteilerstationen und von Netzteilnehmern usw.

Die Netzbetriebs-Parameter werden gesteuert

- von einer Station im Netz oder über eine Teilnehmer- Endstelle, die zumindest für den Konfigurationsintervall als "Master" definiert sein muß (während die anderen Stationen bzw. Teilnehmer gleichzeitig die "Slaves" bilden), oder
- von einer am Kommunikationsnetz nicht teilnehmenden Netzkontroll- oder Zentralstation, die verantwortlich für die Netzfunktionen ist oder mit dem Netzbetreiber selbst identisch ist.

Zur Übertragung der Steuersignale parallel zu den Nutz signalen sind bis dato zwei Prinzipe bekannt:

a) Das Steuersignal wird mit eigener Trägerfrequenz, innerhalb eines Nutzsignalkanals oder auf einem zusätzlichen schmalbandigen Steuersignalkanal, gesendet.
b) Das Steuersignal wird in das Nutzsignal "eingebaut", z. B. durch Zeitmultiplex in das Datenpaket eines virtuellen Containers bei digitalen Übertragungssystemen oder im Unterträgerverfahren, oder es wird den zu sendenden Daten im NF-Bereich hinzugefügt.

Der Eingriff an den Modems der empfangenden Stationen und Endstellen kann dann direkt erfolgen, indem das Steuersignal nach der Modulation die gesamte gemietete Bandbreite belegt, oder durch Zwischenschaltung der Multiplexer, die den anlangenden Datenstrom Teilnehmer-seitig in die einzelnen Kanäle aufteilen. Mit den Steuersignalen werden dadurch entweder alle Modems des Netzes oder, bei entsprechender Adressierung, einzelne Modems programmiert.

In jedem Fall wird bei den Lösungen des bekannten Stands der Technik für das Steuersignal Übertragungskapazität in Anspruch genommen, die eigentlich für das Nutzsignal zur Verfügung stehen sollte, bzw. es muß zusätzliche Kapazität gebunden werden. Bei Einrichtung eines separaten Steuersignal-Kanals sind außerdem noch spezielle Sende- und Empfangseinheiten für das Steuersignal erforderlich. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Informationsfluß zur Steuerung der Netzbetriebsparameter im allgemeinen sehr gering ist. Andererseits kann die Bandbreite des Kanalanteils für die Steuersignale oder des zusätzlich zu mietenden Kanals nach dem erstgenannten Prinzip nicht in beliebiger Weise reduziert werden; so wird der für die Steuersignale festgelegte Frequenzbereich auch nicht ständig und effektiv genutzt, und es ist ein im Vergleich zum Ergebnis überhöhter Aufwand unumgänglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Nachrichten- und Datenübertragungssysteme mit variablen Netzstrukturen und einem zentralen Netzmanagement eine Möglichkeit zu finden, daß die Steuerbefehle für den Netzbetrieb ohne Beeinträchtigung der Nutzsignal-Übertragung und ohne Inanspruchnahme zusätzlicher Übertragungskapazität gesendet werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs und des Nebenanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. In dem weiteren Anspruch wird eine Alternativ-Lösung für die Schaltung aufgezeigt.

Wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, daß das neue Prinzip ganz allgemein für den Zusatz eines im Vergleich zum Nutzsignalstrom niedrig-bitratigen weiteren Datenstroms gilt, also nochmals eine Erweiterung der Übertragungskapazität erlaubt. Wenn die jeweils möglichen Höchstwerte für die Übertragungsgeschwindigkeit des zusätzlichen Signals - die in Abhängigkeit von der Bitrate des Nutzdatenstroms und dem vorgegebenen Signal/Rausch-Verhältnis terminierbar sind - eingehalten werden, kann jeder beliebige Informationsgehalt mit übertragen werden, ohne daß eine unzulässige Qualitäts minderung oder Störung des Hauptsignals festgestellt wird oder nachweisbar ist. Das zusätzliche Signal "verschwindet" im Rausch. Ein weiterer Vorteil resultiert aus der Codierung des Signals - sie unterstützt den Effekt der Nicht- Erkennbarkeit. Der Datenschutz ist perfekt.

Soweit nur die Übertragung von Steuersignalen bezweckt wird, bietet das erfindungsgemäße Prinzip den großen Vorteil, daß der dabei anfallende Informationsfluß vergleichsweise so gering ist, daß in jedem Fall ausreichend Übertragungs kapazität zur Verfügung steht. Das zusätzliche Signal braucht nur in seiner spektralen Leistungsdichte in einem der Bitrate entsprechenden Maß gespreizt zu werden. Der mögliche Spreizungsbereich umfaßt das Band eines Kanals oder einer Frequenzlücke zwischen zwei Kanälen bis hin zum gemeinsamen Frequenzbereich aller Kanäle.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungs beispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 Netz mit Steuerung der Netzparameter über eine Station mit zeitweiliger Masterfunktion,

Fig. 2 Netz mit Steuerung der Netzparameter über eine am Nutzdaten-Transfer nicht teilnehmende Station (Netzkontrollstation),

Fig. 3 Erfindungsgemäße Schaltungen

a) für die Zentral- oder Netzkontrollstation oder eine Master-Station,
b) für eine Verteilerstation (als "Slave") bzw. eine Teilnehmer-Endstation,

Fig. 4 Erfindungsgemäße Anordnung für eine Teilnehmer- Endstation mit reduziertem Schaltungsaufwand.

In Fig. 1 und 2 wird in starker Vereinfachung der Aufbau zweier Kommunikationsnetze für Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu- Multipunkt-Betrieb auf der Grundlage des Einzelkanal- Trägerprinzips (SCPC) mit Sternverteilung dargestellt, wie er z. B. bei VSAT-Systemen (mit "Very Small Aperture Terminals") bekannt ist.

Dabei sind:
1 eine beliebige Station im Nutzdaten-Übertragungssystem, über die zeitweilig oder langzeitig die Steuerungssignale parallel zum Nutzsignalstrom mit eigenem Träger in das Netz eingespeist werden (Master),
2 Verteilerstationen und Teilnehmer-Endstationen,
3 eine Netzkontroll- oder Zentralstation, die nicht an den Nutzdaten-Transfer angeschlossen ist,
4 Zusatz-Einheit für Empfang und Aufbereitung des Steuersignals,
E Nutzdaten Eingang,
A Nutzdaten Ausgang,
T_x Sendefrequenz,
R_x Empfangsfrequenz,
S Steuersignal.

Bei der Variante nach Fig. 1 werden die Steuersignale S innerhalb eines Teils der für die Nutzsignal-Übertragung zur Verfügung stehenden Bandbreite, z. B. als schmales Band innerhalb eines dafür festgelegten Kanals, gesendet. Die verfügbare Nutzsignal-Bandbreite in diesem Kanal wird damit eingeschränkt. Die Steuersignale können über jede beliebige angeschlossene Station gesendet werden.

Bei dem System nach Fig. 2 werden die Steuersignale S auf einer zusätzlichen Sendefrequenz T_xS, d. h. über einen eigenen Datenkanal, übertragen. Dazu sind bei der Station 3 der Sender und - je nach Netzstruktur - zumindest bei einer der Stationen 2 zusätzliche Empfangseinrichtungen 4 für die Frequenz T_xS erforderlich.

Der Dateneingriff an den Modems kann direkt erfolgen, d. h. durch einen Steuersignal-Datenstrom S, der nach der Modulation beim Sender z. B. die ganze gemietete Bandbreite belegt. Das Steuersignal S kann jedoch auch über die Multiplexer/Demultiplexer Muldex geführt werden, die nutzerseitig mehrere Datenkanäle zur Verfügung haben. In jedem Fall darf die Gesamt-Bandbreite am Modem-Ausgang nicht die insgesamt zur Verfügung stehende Bandbreite überschreiten.

Eine Rückmeldung, die den Empfang der Steuersignale bestätigt, ist nicht unbedingt erforderlich und darum nicht eingezeichnet. Die Modems der teilnehmenden Netzstationen sind sämtlich über den Steuersignalfluß S programmmierbar. Ein besonderer Nachteil der Variante nach Fig. 2 besteht darin, daß die Station 3 für das Steuersignal S unbedingt eine eigene Trägerfrequenz benötigt. Das Steuersignal kann nicht auf einer Frequenz innerhalb der Nutzsignal-Bandbreite im Netz gesendet werden und muß immer in zumindest einer der Stationen 2 umgesetzt werden - für die Weitergabe an eventuell andere Stationen 2, bei denen die zusätzlichen Empfangseinrichtungen nicht vorhanden sind.

In Fig. 3a wird eine Station nach der Erfindung gezeigt, die man sich als Zentral- oder Netzkontrollstation oder als Verteilerstation bzw. Teilnehmer-Endstelle mit zeitweiliger - oder ständiger - Masterfunktion denken kann. Im ersten Fall, d. h. wenn die Station nicht am Nutzdatentransfer im Netz teilnimmt, fehlt die Einheit 5 für Empfang und Senden des hochbitratigen Nutzdatenstroms. Fig. 3b zeigt eine Teilnehmer-Endstelle mit der erfindungsgemäßen Schaltung zum Empfangen und Verarbeiten der Steuersignale.

Die vom Netzmanagement der Station in Fig. 3a generierten Steuersignale S haben eine im Vergleich zum Nutzdatenstrom des Netzes minimale Bitrate (Low Bit Rate Data LBRD), z. B. 50 bis 300 bit/s gegenüber mindestens 32 kbit/s des Nutz datenstroms bei VSAT-Systemen. Der Codegenerator 6 erzeugt eine quasi zufällige Bitfolge PRBS (Pseudo Random Bit Sequence), die höchstens die gleiche Bitrate wie der Nutzdatenstrom hat. Die LBRD und die PRBS werden dann z. B. EXOR-verknüpft. Mit diesem Signal wird anschließend der HF- Träger mit der Frequenz T_x quasi-zufällig moduliert.

Die dieses Verfahren realisierende Schaltungsanordnung wird als "Tunable Spread Spectrum Modulator" 7 bezeichnet. Der Modulator 7 kann auch als Phasenmodulator mit einer festen Ausgangsfrequenz (gleich der Modem-Zwischenfrequenz) ausgebildet sein, der mit dem Modem zusammengeschaltet ist. Das Ausgangssignal der Anordnung nach Bild 3a hinter dem Modulator 8 ist dann entweder die nur mit dem Steuersignal modulierte Netz-Trägerfrequenz T_x (z. B. bei einer Zentralstation ohne die Einheit 5) oder der Nutzdatenstrom mit der Frequenz T_x oder in einem oder mehreren Kanälen in diesem Bereich, mit dem auf summierten Steuersignal (Anordnung mit Einheit 5).

Die zu übertragende Energie des LBRD/PRBS-Signals ist in ein breites Frequenzband gespreizt, so daß die steuernde Station sie mit entsprechend reduzierter Leistung senden kann. Die Sendeleistung ist im Vergleich zu der des Nutzdatenstroms so gering, daß das Signal/Rausch-Verhältnis C/N des Nutzdatenstroms nur unmerklich beeinträchtigt wird. Die maximale Steuersignal-Bitrate und die Spreizung können in Abhängigkeit von der Nutzsignal-Bitrate so vorbestimmt werden, daß die zulässigen bzw. vorgegebenen C/N-Toleranzen nicht überschritten werden.

Das Steuersignal, das die Teilnehmer-Endstation 2 mit R_x empfängt, wird dort entweder mit dem gemäß Fig. 3b zum Modem-Eingang parallel geschalteten "Tunable Spread Spectrum Demodulator" 9 oder, gemäß Fig. 4, mit dem an den ZF-Ausgang des Modems (wenn vorhanden) angeschlossenen "Spread Spectrum Demodulator" 10 verarbeitet. Das demodulierte Signal enthält das LBRD-Steuersignal, mit dem das Modem programmiert wird.

Claims

1. Verfahren zur Netzsteuerung, insbesondere für satelliten gestützte Nachrichtenübertragungssysteme mit einer Netzkontrollstation und bzw. oder einer Zentralstation und einer Zahl zugehöriger Teilnehmer-Endstellen, die vorzugsweise auf der Grundlage des Einzelkanalträger- Prinzips (SCPC) in den Betriebsweisen Punkt-zu-Punkt, Punkt- zu-Multipunkt oder Broad casting und Simplex- oder Duplex- verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß der niedrig-bitratige Steuersignalstrom oder ein zusätzliches Signal mit niedriger Bitrate

a) senderseitig durch Codemultiplex einer spektralen Spreizung unterworfen und anschließend der Nutzsignalleistung
- - auf der Trägerfrequenz T_x eines oder mehrerer Nutzsignalkanäle des Kommunikationssystems oder
- - lückenlos über die gesamte zur Verfügung stehende Bandbreite
aufaddiert oder auf einen Träger in einer Frequenzlücke innerhalb des zur Verfügung stehenden Frequenzbands aufmoduliert wird und
b) empfängerseitig durch Codedemultiplex und Demodulierung aus dem anlangenden Signalstrom R_x abgezweigt und für die Konfiguration von Netzparametern, insbesondere durch Steuerung. bzw. Programmierung des Nutzsignal-Modems, oder für andere Bestimmungsfunktionen aufbereitet wird.

2. Schaltungsanordnung für das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) bei Broad casting oder nur-Simplex-Betrieb
- - bei der sendenden bzw. einer Zentral-Station (3) ein Spread-Spectrum-Modulator (7) als ZF-Ausgang bzw. parallel zum Nutzsignal- oder Modem-Ausgang und
- - bei den Empfängern jeweils ein Spread-Spectrum- Demodulator (9) parallel zum HF-Eingang oder an den ZF- Ausgang des Nutzsignal-Modems
geschaltet ist und
b) bei Duplex-Betrieb bei der Zentral- oder Netzkontroll station (3) und bei jeder Teilnehmer-Endstelle (1; 2) ein Spread-Spectrum-Modem für Senden und Empfangen von niedrig-bitratigen Zusatzsignalen, inbesondere Steuersignalen, in gleicher Weise wie unter a angegeben, geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spread Spectrum Modulator (7) und der Spread Spectrum Demodulator (9) direkt mit dem Nutzsignal zusammengeschaltet sein und mit einer festen Ausgangs- bzw. Eingangsfrequenz arbeiten kann, die gleich der ZF des Systems ist, oder die Modulatoren (7) und Demodulatoren (9) sind abstimmmbar und als Tunable Spread Spectrum Modulator und -Demodulator parallel zum HF-Ausgang bzw. -Eingang des Nutzsignals geschaltet.