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Diese
Erfindung bezieht sich auf Kommunikationen mit einem mobilen Benutzer
und insbesondere auf derartige Kommunikationen, bei denen die Verbindung
zu einem mobilen Benutzer über
einen Satellit oder Satelliten erfolgt.
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Es
sind mobile Satellitenkommunikationssysteme bekannt, die eine globale
Abdeckung bereitstellen. Eines davon ist das System Iridium®,
andere das System ICO®, das System Globalstar® und
das System Teledisc®.
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Da
derartige Systeme global arbeiten (oder wenigstens über einen
Großteil
der Erdoberfläche), müssen sie
ein Band von Frequenzen benutzen, die um die ganze Erde verfügbar sind.
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In
den vergangenen Jahren wurden Pläne
für die
nächste
Generation von Mobilfunknetzen entworfen (die sogenannten "Dritte Generation"- oder 3G-Mobilfunknetze).
Diese werden das Codemultiplexzugriffsverfahren (CDMA) verwenden.
Der Codemultiplexzugriff ist ein sogenanntes "Spreizspektren"-System, bei dem eine bestimmte Mobilfunkvorrichtung
unter Nutzung eines relativ breiten Bandes kommuniziert, das durch
Multiplizieren des Digitalsignals mit einer hohen Bitraten- ("Chipraten"-) Codesequenz erzeugt
wird. Jede Codesequenz definiert einen separaten Codekanal.
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Im
Idealfall könnten
den terrestrischen Kommunikationssystemen und den Satelliten-Kommunikationssystemen
vollständig
getrennte Frequenzbereiche zuwiesen sein, wodurch sie sich nicht
gegenseitig stören
würden.
Bekannte Systeme erfordern jedoch noch mehr Bandbreite.
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US 5.394.561 beschreibt
einen Mechanismus für
einen in einem Netz arbeitenden Satelliten und terrestrische Netze,
bei dem die Leistungspegel der Satelliten kommunikation und der terrestrischen Kommunikation
derart gesteuert sind, dass eine Co-Kanalstörung minimiert ist.
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EP 0597225 beschreibt ein
hierarchisches Satellitenkommunikationsnetz, bei dem alle drei Pegel
(Satellit, terrestrisch und in Gebäuden) gemeinsame FDM-Kanäle verwenden
und Satellitenkanäle von
Zellen in Gebäuden
wiederverwendet werden, wo sie sich nicht stören können.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, verbesserte Möglichkeiten
für die
Wiederverwendung eines Frequenzspektrums zwischen terrestrischen
Mobilkommunikationssystemen und Satellitenkommunikationssystemen
bereitzustellen.
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Das
Ziel wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.
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Wenn
lediglich eine geringe Zahl von Downlink-Sendungen stattfinden,
ist ihre Auswirkung auf jedes CDMA-Signal begrenzt, da sie einen
nur kleinen Teil des CDMA-Spektrums beanspruchen. Die Störung vom
Satelliten ist somit weniger gravierend.
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Weil
das terrestrische Netz die Satellitenfrequenzen lediglich in abgeschatteten
Bereichen (wie etwa in Stadtbereichen) verwendet, wird diese Ausführungsform
insbesondere bevorzugt, viel der Satelliten-Downlink-Effekt weiter
verringert wird, da das Satellitensignal normalerweise abgeschattet
ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
gibt die vorliegende Erfindung ein Satellitensystem an, das das
Funkspektrum mit einem terrestrischen Kommunikationsnetz wiederverwendet,
wobei sich der Satelliten-Uplink das Spektrum mit dem terrestrischen Uplink
teilt und sich der Satelliten-Downlink das Spektrum mit dem terrestrischen
Downlink teilt. In diesem Fall, und insbesondere wenn dieser Aspekt mit
dem ersten kombiniert ist, verursacht der Satelliten-Uplink eine
relativ geringe Störung
am Handgerät.
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Zudem
ist es bei dieser oder anderen Ausführungsformen insbesondere zweckmäßig, ein
Dualmodus-Benutzerendgerät
mit einer gemeinsamen Hochfrequenz-Sende- und Empfangseinheit anzugeben,
mit denen ein separater terrestrischer CDMA- sowie Satelliten-FDMA-Decoder
und -demodulator gekoppelt sind.
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Andere
Aspekte und bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind derart beschaffen, wie es beschrieben oder im
Anschluss beansprucht ist, wobei die Vorteile aus der nachfolgenden
Beschreibung hervorgehen werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
werden nun Ausführungsformen
der Erfindung lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
ein Blockschaltbild, das schematisch die Elemente eines ersten Kommunikationssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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2a ist
ein Diagramm, das schematisch die Elemente eines mobilen Endgerätes zeigt,
das sich zu Verwendung mit der vorliegenden Erfindung eignet; und
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2b ist
ein entsprechendes Blockschaltbild;
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3 ist
ein Blockschaltbild, das schematisch die Elemente eines Bodenstationsknotens
darstellt, der einen Teil der Ausführungsform von 1 bildet;
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4a zeigt
schematisch die Strahlen, die von einem Satelliten in der Ausführungsform
von 1 erzeugt werden;
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4b zeigt
schematisch die Anordnung von Satelliten, die Teil von 1 sind,
in Umlaufbahnen um die Erde;
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5 zeigt
die Anordnung von terrestrischen Basisstationen in der ersten Ausführungsform;
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6 zeigt
die Frequenzzuordnung in der ersten Ausführungsform;
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7 zeigt
die Frequenzzuordnung in der zweiten Ausführungsform;
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8 ist
ein Blockschaltbild, das das Benutzerendgerät der zweiten Ausführungsform
darstellt;
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9 zeigt
die Frequenzzuordnung in der dritten Ausführungsform; und
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10 zeigt
die Uplinks und Downlinks, die bei der Erfindung vorhanden sind.
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ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter
Bezugnahme auf 1 enthält ein Satellitenkommunikationsnetz
gemäß dieser
Ausführungsform
mobile Satellitenendgeräte 2a, 2b (wie etwa
Handgeräte 2a und 2b),
umlaufende Relaissatelliten 4a, 4b, Satelliten-Bodenstationsknoten 6a, 6b,
Satellitensystem-Gatewaystationen 8a, 8b, terrestrische
(z.B. öffentlich
geschaltete) Telekommunikationsnetze 10 sowie eine unbewegliches
Telekommunikationsendgerät 12a und
terrestrische (z.B. Public Land) mobile Telekommunikationsnetze (PLMNs) 110 sowie
ein terrestrisches mobiles Endgerät 112.
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Die
Verbindung der Satellitensystem-Gateways 8a, 8b mit
den Bodenstationsknoten 6a, 6b und die Verbindung
der Knoten 6a, 6b untereinander bilden ein dediziertes
bodengestütztes
Netz, das die Kanäle 14a, 14b und 14c enthält. Die
Satelliten 4, die Bodenstationsknoten 6 und die
Leitungen 14 bilden die Infrastruktur des Satellitenkommunikationsnetzes für die Kommunikation
mit den mobilen Endgeräten 2 und
sind durch die Gatewaystationen zugänglich.
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Eine
Endgeräte-Datenbankstation 15 (äquivalent
zu einem GSM HLR) ist über
eine Signalisierungsverbindung 60 (beispielsweise innerhalb
der Kanäle 14 des
dedizierten Netzes) mit der Gatewaystation und den Bodenstationen 6 verbunden.
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Die
PSTNs 10 enthalten normalerweise lokale Austauscheinrichtungen 16a,
mit denen das unbewegliche Endgerät 12a über lokale
Schleifen verbunden ist, und internationale Schaltzentren 20a, 20b, die
miteinander über
transnationale Verbindungen 21 (wie etwa Satellitenverbindungen
oder optische Hochseekabelverbindungen) verbunden werden können. Die
PSTNs 10a und das unbewegliche Endgerät 12a (wie etwa Telefongeräte) sind
hinlänglich bekannt
und heutzutage beinahe universell verfügbar.
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Die
PLMNs 110 enthalten normalerweise mobile Schaltzentren
(MSCs) 116 mit denen die terrestrischen mobilen Endgeräte 112 über lokale
Funkwege 118 verbunden werden, sowie Basisstationen 119 und
internationale Gateways 20b.
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Für eine Sprachkommunikation über das
Satellitennetz kommuniziert jedes mobile Endgerät
2 mit einem Satelliten
4 über einen
Vollduplexkanal, der (in dieser Ausführungsform) einen Downlink- (Zu-Mobil-)
Kanal und einen Uplink- (Von-Mobil-)
Kanal enthält,
wie etwa (in diesem Fall) einen TDMA-Zeitschlitz auf einer bestimmten
Frequenz, die bei Initiierung eines Anrufes zugeordnet wird, wie
es in den GB-Patenanmeldungen
GB
2288913 und
GB 2293725 beschrieben
ist. Die Satelliten
4 in dieser Ausführungsform sind nicht geostationär, weshalb
es periodisch eine Weiterleitung (Handover) von einem Satelliten
4 zu
einem weiteren gibt.
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Für eine Sprachkommunikation über das PLMN
kommuniziert jedes mobile Endgerät 2 mit
einem mobilen Schaltzentrum 116 über eine Basisstation 119 unter
Nutzung eines Uplink-Frequenzbandes und eines Downlink-Frequenzbandes,
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Mobiles Endgerät 2
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Unter
Bezugnahme auf 2a und 2b ist
ein mobiles Dualmodus-Handendgerät 2a von 1 dargestellt.
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Es
enthält
eine Kombination aus einem Satellitenhandgerät, ähnlich jenen, die derzeit für die Verwendung
mit dem GSM-System zur Verfügung stehen,
und einem terrestrischen Handgerät,
das für CDMA-Kommunikation
der dritten Generation (3G) geeignet ist.
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Die
Benutzerschnittstellenbestandteile (Mikrofon 36, Lautsprecher 34,
Anzeigeeinrichtung 39 (wie etwa eine Flüssigkristallanzeige) und Tastaturbestandteile 38) sowie
die Stromversorgung (Batterie 40) werden gemeinsam genutzt,
d.h. in beiden Betriebsarten verwendet.
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Abgesehen
von derartigen gemeinsamen Bestandteilen enthält das Endgerät eine CDMA-Funktionseinheit 200a und
eine Satellitenfunktionseinheit 200b. Jede enthält einen
Niederraten-Digitalcodierer/-decodierer 30a, 30b,
ein Modem 32a, 32b, eine Steuerschaltung 37a, 47b,
eine Hochfrequenz- (HF-) Schnittstelle 32a und 32b sowie
Antennen 31a und 31b, die sich für satellitengestützte bzw. terrestrische
mobile Kommunikationen eignen.
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Ein "Smart-Card"-Lesegerät 33,
das eine Smart-Card (Teilnehmeridentitätsmodul oder SIM) 35 aufnimmt,
die Benutzerinformationen speichert, ist ebenfalls vorgesehen und
angeschlossen, um mit der Satellitensteuereinheit 37b zu
kommunizieren. Insbesondere enthält
das SIM 35 einen Prozessor 35a und einen Permanentspeicher 35b.
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Die
Steuerschaltungen 37a, 37b (die in der Praxis
im entsprechenden Codec 30 integriert sind) bestehen aus
einem in geeigneter Weise programmierten Mikroprozessor-, Mikrocontroller-
oder Digitalsignalprozessor- (DSP-) Chip. Jede Steuerschaltung 37 führt unterschiedliche
Funktionen aus, einschließlich
des Framing (Datenblockbildung) von Sprache und Daten zu DTMA-Zeit-Frames
für die Sendung
(und in ähnlicher
Weise das Demultiplexieren empfangener TDMA-Frames) bzw. CDMA-Sequenzen
und der Ausführung
der Verschlüsselung sowie
der Chiffrierung.
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Es
können
separate Chipsätze
vorgesehen sein, die jeweils die Funktionalität 200a, 200b des terrestrischen
oder satellitengestützten
Systems ausführen.
Alternativ kann ein einziger Prozessor programmiert sein, um die
Codierung und die Steuerung für
beide Funktionalitäten
auszuführen.
In jedem Fall sind in dieser Ausführungsform separate HF-Komponenten
vorgesehen, wobei jedoch die Komponenten der Benutzerschnittstelle
gemeinsam genutzt werden.
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Der
Codierer/Decodierer (Codec) 30, 30b in dieser
Ausführungsform
enthält
einen Niederraten-Bitcodierer, der einen Sprachbitdatenstrom von etwa
3,6 Kilobits pro Sekunde erzeugt, zusammen mit einem Kanalcodierer 30b,
der eine Fehlerkorrekturcodierung ausführt, um einen codierten Bitstrom zu
erzeugen.
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Ein
Einzelmodus-Satellitenhandgerät 2 wäre beschaffen,
wie es beschrieben wurde, hat jedoch nicht die Sektion 200b,
und ein terrestrisches Handgerät 112 wäre beschaffen,
wie es beschrieben wurde, hat jedoch nicht die Sektion 200a.
In dieser Ausführungsform
gibt es mehr Dualmodus-Endgeräte
als Einzelmodus-Satellitenendgeräte.
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Bodenstationsknoten 6
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Die
Bodenstationsknoten 6 sind für die Kommunikation mit den
Satelliten angeordnet.
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Jeder
Bodenstationsknoten 6 enthält, wie es in 3 gezeigt
ist, eine herkömmliche
Satellitenbodenstation 22, die aus wenigstens einer Satellitenverfolgungsantenne 24,
die wenigstens einen sich bewegenden Satelliten 4 verfolgt,
HF-Leistungsverstärkern 26a,
die der Antenne 24 ein Signal zuführen, und 26b, die
ein Signal von der Antenne 24 empfangen, und einer Steuereinheit 28 besteht,
die Satelliten-Ephemeriedendaten speichert, die Antenne steuert 24 und
jede erforderliche Steuerung des Satelliten 4 (durch Signalsendung über die
Antenne 24 zum Satelliten 4) ausführt.
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Der
Bodenstationsknoten 6 enthält zudem ein mobiles Satellitenschaltzentrum 42 mit
einem Netzwerkschalter 44, der mit den Stammverbindungen 14 verbunden
ist, die Teil des dedizierten Netzwerks sind. Ein Multiplexer 46 empfängt geschaltete Anrufe
vom Schalter 44 und multiplexiert sie in ein Kompositsignal
für die
Zuleitung zu einem Verstärker 26 über einen
Sprachcodec 50 geringer Bitrate. Schließlich enthält der Bodenstationsknoten 6 einen lokalen
Speicher 48, der Details jedes mobilen Endgerätes 2a innerhalb
des Bereiches speichert, der vom Satelliten 4 versorgt
wird, mit dem der Knoten 6 kommuniziert.
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Gateway 8
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Die
Gatewaystationen 8a, 8b enthalten in dieser Ausführungsform
kommerziell verfügbare
mobile Schaltzentren (MSCs) des Typs, der bei digitalen Mobilfunksystemen,
wie etwa GSM-Systemen, Verwendung findet.
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Die
Gatewaystationen 8 enthalten einen Schalter, der eintreffende
PSTN-Leitungen vom PSTN 10 mit
dedizierten Serviceleitungen 14 verbindet, die an einen
oder mehrere Bodenstationsknoten 6 angeschlossen sind.
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Datenbankstation 15
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Die
Datenbankstation 15 enthält einen Digitaldatenspeicher,
eine Signalisierungsschaltung, einen Prozessor, der mit der Signalisierungsschaltung
und dem Speicher verbunden ist, sowie eine Signalisierungsverbindung 60,
die die Datenbankstation 15 mit den Gatewaystationen 8 und
den Bodenstationen 6 verbindet, die das Satellitensystemnetz bilden,
um Daten- oder Nachrichtenkommunikationen zu signalisieren.
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Sie
speichert Daten für
das Endgerät 2,
wie etwa Positionsdaten, Rechnungsdaten, Authentisierungsdaten und
dergleichen, wie etwa das Heimatortregister (HLR) eines GSM-Systems.
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Somit
verhält
sich bei dieser Ausführungsform
die Datenbankstation 15 so, dass sie die Funktionen eines
Heimatortregisters (HLR) eines GSM erfüllt, und kann auf kommerziell
verfügbaren GSM-Produkten
basieren.
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Die
Bodenstationsknoten messen periodisch die Verzögerung und Dopplerverschiebung
der Kommunikationen von den Endgeräten 2 und berechnen die
grobe terrestrische Position des mobilen Endgerätes 2 mit Hilfe der
unterschiedlichen Ankunftszeiten und/oder Dopplerverschiebungen
im empfangenen Signal. Diese Position wird anschließend in
der Datenbank 48 gespeichert.
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Die
Bodenstationen 6 sind auf der Erde derart verteilt, dass
für jede
Orbitalposition wenigstens eine Erdstation 6 im Blick eines
Satelliten 4 ist.
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Satelliten
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Die
Satelliten
4a,
4b enthalten im allgemeinen herkömmliche
Kommunikationssatelliten-Busse, wie etwa den HS601, der von Hughes
Aerospace Corp. in Kalifornien, USA vertrieben wird, wobei die Nutzlast
so sein kann, wie es in
GB 2288913 beschrieben
ist. Jeder Satellit
4 erzeugt eine Anordnung von Strahlen,
die eine Bahn unter dem Satellit abdecken, wobei jeder Strahl eine
Anzahl unterschiedlicher Frequenzkanäle und Zeitschlitze enthält, wie
es in
GB 2293725 beschrieben
und in
4a dargestellt ist.
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Mit
jedem Strahl sendet der Satellit somit einen Satz von Downlink-Frequenzen.
Die Downlink-Frequenzen auf benachbarten Strahlen unterscheiden
sich, so dass eine Wiederverwendung der Frequenzen zwischen den
Strahlen möglich
ist. Jeder Strahl verhält
sich somit in gewisser Weise wie eine Zelle eines herkömmlichen
terrestrischen Mobilfunksystems. Es können beispielsweise 61, 121
oder 163 Strahlen sein.
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Bei
dieser Ausführungsform
trägt jede
Downlink-Frequenz mehrere Zeitmultiplexkanäle, so dass jedes mobile Endgerät 2 auf
einem Kanal kommuniziert, der einen bestimmten Zeitschlitz in einer
bestimmten Frequenz enthält.
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Die
Satelliten 4a sind in einer Konstellation ausreichender
Anzahl und geeigneter Umlaufbahnen angeordnet, um einen wesentlichen
Bereich des Globus abzudecken (um vorzugsweise eine globale Abdeckung
zu erzeugen).
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Es
können
sich beispielsweise zehn (oder mehr) Satelliten in zwei (oder mehr)
zueinander orthogonalen mittleren kreisförmigen Umlaufbahnen in einer
Höhe von
etwa 15.000 km (6-Stunden-Umlaufbahnen) befinden, wie es in
4b gezeigt
ist. In gleicher Weise kann jedoch eine größere Zahl tieferer Satelliten
ver wendet werden, wie es beispielsweise in
EP 0365885 oder Veröffentlichungen
beschrieben ist, die sich auf das System Iridium oder Teledisc beziehen.
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Das
Mobiltelefon arbeitet dann entweder als Satellitentelefon oder als
terrestrisches Telefon, wobei die relevante Funktionseinheit 200a oder 200b im wesentlichen
unabhängig
und so arbeitet, wie sie in einem Einzelmodus-Telefon arbeiten würde.
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Unter
Bezugnahme auf 3 ist eine Globalabdeckungs-Konstellation
von Satelliten angegeben, die aus zwei Orbitalebenen besteht, die
jeweils 45° zur Äquatorebene
geneigt und 90° um
die Äquatorebene
beabstandet sind, wobei jede zehn Paare von Satelliten 4a, 4b enthält (d.h.
eine Gesamtzahl von 20 arbeitenden Satelliten), die Paare im Orbit gleichmäßig verteilt
sind und das Phasenintervall zwischen den Ebenen 0° (d.h. eine
10/2/0-Konstellation in der Wagner-Notation) in einer Höhe von 10.000
km beträgt.
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Somit
kann unter Vernachlässigung
von Blockaden ein UT an einer beliebigen Stelle auf der Erde immer über einen
Kommunikationsweg zu wenigstens einem Satellit 4 im Orbit
verfügen
("Globalabdeckung").
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Basisstation 119
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Die
Basisstation 119 enthält
eine CDMA-Basisstation mit Sende- und Empfangsantennen, die Signale
auf Downlink-CDMA-Kanälen
zu mobilen Endgeräten
senden und Signale von mobilen Endgeräten auf Uplink-CDMA-Kanälen empfangen.
Die Downlink-Kanäle
befinden sich in dieser Ausführungsform in
einem Downlink-Frequenzband und die Uplink-Signale in einem Uplink-Frequenzband.
An der Basisstation 119 befindet sich weiterhin ein herkömmlicher Demodulator
zum Demodulieren der Uplink-Signale, um Digitaldaten zu erzeugen,
und zum Modulieren von Digitaldaten auf die Downlink-Signale. Jeder
Codekanal kann sich über
das gesamte Uplink- oder Downlink-Spektrum in bekannter Weise spreizen.
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Die
Basisstationen 119 dieser Ausführungsform umfassen erste Basisstationen 119a,
die jeweils eine Empfangszelle um sich herum definieren, die in Vororten
und ländlichen
Bereichen wie auch in städtischen
Bereichen verwendet werden. In derartigen Fällen liegen die wirkungsvollen
Seiten der Zelle im Bereich einiger Kilometer oder sogar im Zehnfachen von
Kilometern, abhängig
von der Linie der freien Sicht.
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Diese
Ausführungsform
sieht zudem einen zweiten Satz von Basisstationen 119b vor,
die sich in städtischen
oder hoch bebauten Bereichen befinden. Jede definiert eine "Mikrozelle" oder eine "Picozelle", um für eine Abdeckung
in stark abgeschatteten oder hoch bebauten städtischen Bereichen zu sorgen. Beispielsweise
gibt es in einem Gebäude,
wie etwa einem Flughafen oder einem Bahnhof, oder entlang einer
Untergrundbahnstrecke eine Reihe diese Picozellen-Basisstationen 119b.
Es gibt somit eine Abdeckung in Bereichen, in denen die Basisstationen 119a normalerweise
nicht kommunizieren können
und Satelliten 4 beinahe nie kommunizieren werden.
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Die
Sende- und Empfangsantennen an der Basisstation 119a sind
im allgemeinen darauf eingeschränkt,
vorzugsweise in der Azimutebene rundzusenden; die Sende- und Empfangsantennen
der terrestrischen Handgeräte 112 sind
normalerweise omnidirektional, um es dem Handgerät zu gestatten, in jeder Ausrichtung
verwendet zu werden.
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Frequenzzuweisung
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6 zeigt
die Frequenzzuweisungen in dieser Ausführungsform. Die Zuführverbindungsfrequenzen
werden in den folgenden Ausführungsformen
nicht weiter erläutert,
und die Begriffe "Satelliten-Uplink" und "Satelliten-Downlink" beziehen sich im
folgenden auf mobile Verbindungen.
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Es
wird sich zeigen, dass das Satelliten-Uplink-Frequenzband ein Spektrum
in Anspruch nimmt, das vom terrestrischen Netz mitbenutzt wird. Somit
stört die
(relativ leistungsstarke) Sendung von den terrestrischen Basisstationen
(und Endge räten) nicht
die (relativ schwachen) Uplink-Signale, die im Satelliten von den
mobilen Satellitenendgeräten empfangen
werden.
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Die
Basisstationen 119a haben zugewiesene Uplink- und Downlink-Bänder, die
die Satelliten-Uplink- oder -Downlink-Bänder nicht stören. Wie es
bei Mobilfunksystemen üblich
ist, wird dieses Spektrum in geographisch separaten Zellen wiederverwendet.
In städtischen
Bereichen besteht das Erfordernis zusätzlicher Kapazität, da pro
Quadratkilometer eine größere Zahl
von Benutzern vorhanden ist.
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In
dieser Ausführungsform
wird die zusätzliche
Kapazität
erzeugt, indem der Satelliten-Downlink wiederverwendet wird, wie
es in 6 gezeigt ist, um zusätzliche terrestrische Uplink-
und Downlink-Bänder
zu erzeugen. Diese werden von der Basisstation 119b in
Mikrozellen und Picozellen verwendet; zu Zwecken dieser Ausführungsform
sind dies Zellen, die sich in Innenräumen oder in Tunneln befinden. (Aus
Gründen,
die unten weiter erläutert
werden, sind zusätzliche
Frequenzen innerhalb des Satelliten-Downlink-Bandes vorhanden, die
von den zusätzlichen
terrestrischen Uplink- und Downlink-Frequenzen nicht belegt werden.)
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In
derartigen Bereichen ist der Satelliten-Downlink normalerweise durch
Decken oder Wände
blockiert. Da die Leistung, die vom Satelliten abgestrahlt wird,
relativ gering klein und die Weglänge relativ groß ist und
die Antenne, die beim terrestrischen Benutzerendgerät Verwendung
findet, eine relativ geringen Gewinn (oder G/T-Maß) hat,
ist der Störungspegel
vom Satelliten minimal.
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Unter
Bezugnahme auf 5 können bei dieser Ausführungsform
eine oder mehrere der Basisstationen 119a, die sich in
städtischen
Bereichen befinden, zudem die zusätzlichen Frequenzbänder benutzen,
die von den Pico-Basisstationen 119b verwendet werden.
Der Grund dafür
ist, dass, wie in 5 gezeigt, der Pegel der Abschattung
von Gebäuden
die Kommunikation mit den Satelliten 4a, 4b erschwert;
lediglich in den seltenen Fällen,
in denen ein Satellit 4c eine unbehinderte Sichtlinie zu
einem Benutzerendgerät
hat, wird das Benutzerendgerät
in städtischen
Bereichen vom Satelliten-Downlink beeinflusst.
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Somit
sind, um es zusammenzufassen, in dieser Ausführungsform die Frequenzen,
die von den terrestrischen Basisstationen 119 benutzt werden, derart
zugeordnet, dass in städtischen
oder anderen abgeschatteten Bereichen die zusätzlichen terrestrischen Uplink-
und Downlink-Bänder
verwendet werden, die im Satelliten-Downlink-Band liegen.
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Da
bei dieser Ausführungsform
der Satellit mit jedem Benutzer auf einem schmalen Frequenzkanal
kommuniziert, wird, selbst wenn die Kommunikation mit einer relativ
geringen Zahl von Satellitenbenutzern im städtischen Bereich fortgesetzt
wird, die Störung
der terrestrischen Uplink- und Downlink-Frequenzen gering sein,
da infolge der Spektrenspreizung des CDMA, die Störung auf
einer speziellen Frequenz (bis zu einem bestimmten Pegel) bei der
CDMA-Fehlerkorrektur-Codierung
absorbiert wird. Somit heben geringe Zahlen von (an sich wenigen)
Satellitenkanälen
lediglich geringfügig
des Grundrauschen an.
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Bei
dieser Ausführungsform
werden jedoch die Auswirkungen derartiger Reststörungen noch weiter dadurch
verringert, dass die Rundsendung von den Satelliten 4 gesteuert
wird. Die Umlaufbahnen der Satelliten 4 sind von einem
hohen Genauigkeitsmaß gekennzeichnet,
und ihre Inklinationen werden aktiv gesteuert, um ihre Strahlenrichtungen präzise auf
die Erde zu richten. Jeder der Satelliten-Punktstrahlen hat einen Radius in Bereich
von einigen zehn oder hundert Kilometern. Die Punktstrahlen jedes
Satelliten überlappen
sich, wobei jene des einen Satelliten mit jenen eines weiteren Satelliten
in den meisten Bereichen der Erde in der Regel überlappen.
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In
dieser Ausführungsform
hält die
Datenbankstation 15 eine Datenbank aufrecht, die die Positionen
des Basisstationen 119b mit Hilfe der zusätzlichen
Frequenzbänder
aufzeichnet, die innerhalb des Satelliten-Downlink liegen. Die Frequenzen,
die einem bestimmten Punktstrahl zugeordnet sind (die durch eine
Routing-Tabelle
diktiert werden, die in jedem Satelliten vorhanden ist, und in der
Datenbankstation 15 neuprogrammiert wird), werden derart
gesteuert, dass die Frequenzen, die zuerst zugeordnet werden (d.h.
vorzugsweise zugeordnet werden, sofern sie vorhanden sind), jene
aus dem Bereich des Satelliten-Downlink sind, der nicht durch terrestrische Frequenzen
oder Downlink-Frequenzen beansprucht wird. Somit kann eine geringe
Zahl von Satelliten-Handgeräten
betrieben werden, ohne dass die Möglichkeit einer Störung des
terrestrischen Netzes besteht.
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Wenn
derartige Frequenzen erschöpft
sind, können
die nächsten,
die Anrufen zugeordnet werden sollen, jene sein, die mit dem terrestrischen Uplink-Band überlappen,
da jede Basisstation 119b mit hochentwickelten Störungs-Verringerungsfiltern ausgestattet
sein kann, um die Auswirkung einer derartigen Störung zu verringern.
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Die
Verwendung von Frequenzen, die das terrestrische Downlink-Frequenzband überlappen,
ist bei einem Punktstrahl, der den Bereich abdeckt, der eine der
Basisstationen 119b überlagert,
nicht gestattet.
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Somit
werden bei der bevorzugten Anordnung dieser Ausführungsform die Satelliten-Downlink-Signale
für Abdeckungsbereiche
wahlweise abgeschaltet, die Basisstationen 119b beinhalten,
die die Satelliten-Downlink-Frequenz wiederverwenden, um somit die
Störung
der terrestrischen Stationen zu vermindern.
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Man
könnte
daran denken, dass der Verlust der Satellitenkapazität den wirtschaftlichen
Betrieb eines Satellitensystems in dieser Ausführungsform ausschließen würde. Gemäß dieser
Ausführungsform
wird jedoch in Betracht gezogen, dass die überwiegende Mehrheit der Satellitenbenutzerendgeräte 2 Dualmodus-Endgeräte sein
werden, wie es in 2 dargestellt ist.
Demzufolge wird in Bereichen, in denen der Satellit seinen Dienst
abgeschaltet hat, die Abdeckung durch die terrestrischen Basisstationen 119 verfügbar sein.
Es ist bekannt, dass der Satellit 4 einen begrenzten Abdeckungsumfang
für jene Satellitenbenutzerendgeräte 2 aufrechterhalten muss,
die entweder nur über
den Satellitenmodus verfügen,
oder die (aus einem bestimmten Grund) blockiert oder von der Kommunikation
mit den terrestrischen Basisstationen 119 abgeschattet
sind, aber dennoch in Kommunikation mit den Satelliten 4 bleiben.
Durch Bereitstellen einer geringen Zahl von Frequenzen innerhalb
des Satelliten-Downlink-Bandes, die nicht vom terrestrischen Uplink
und Downlink verwendet werden, kann der Kontakt mit dieser geringen Zahl
von Benutzerendgeräten
aufrechterhalten werden.
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ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter
Bezugnahme auf 7 wird bei dieser Ausführungsform
der Satelliten-Uplink
vom zweiten Satz Basisstationen 119b in städtischen
Bereichen als terrestrischer Uplink wiederverwendet und der Satelliten-Downlink
von diesen Basisstationen als terrestrischer Downlink wiederverwendet.
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Wie
bei der vorangehenden Ausführungsform
ist die Störung
des terrestrischen Downlinks vom Satelliten-Downlink infolge der
Blockade durch Gebäude
und der vorwiegenden Verwendung der Basisstationen 119b in
Gebäuden
minimal. Wie bei der vorangehenden Ausführungsform werden die Frequenzkanäle, die
von jedem Satellit verwendet werden, so gesteuert, das die überlappenden
Frequenzen nicht vom Satelliten-Downlink bei Strahlen verwendet
werden, die die Basisstationen 119b überlappen.
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Eine
Störung
des Satelliten durch den terrestrischen Uplink ist infolge der Blockade
und der Abschattungswirkung von Gebäuden in ähnlicher Weise gering.
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Bei
dieser Ausführungsform
werden zusätzliche
Maßnahmen
ergriffen, um die Störung
der terrestrischen Basisstationen durch die Satellitenbenutzerendgeräte (des
terrestrischen Uplinks durch den Satelliten-Uplink) zu begrenzen,
indem es eingerichtet wird, dass die Satellitenbenutzerendgeräte ein Signal erfassen,
das die Möglichkeit
einer Störung
anzeigt, und in Reaktion darauf die Sendung von Satellitensignalen
auf dem Satelliten-Uplink beenden.
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Auch
bei dieser Ausführungsform
wird in Erwägung
gezogen, dass die meisten Satellitenbenutzerendgeräte Dualmodus-Endgeräte sind.
Unter Bezugnahme auf 8 kann im Gegensatz zur vorhergehenden
Ausführungsform,
da die Satelliten-Uplink- und
Downlink-Spektren dieselben sind, wie die zusätzlichen terrestrischen Uplink-
und Downlink-Spektren, ein einziger HF-Empfänger, Modulator und Demodulator
verwendet werden, der Digitalsignale im Basisband für die Modulation
auf die Uplink-Frequenz akzeptiert und die Downlink-Frequenz zum Basisband
demoduliert. Somit müssen
die kostenintensiven HF-Komponenten nicht zweifach hergestellt werden,
was zu geringeren Kosten, Gewicht und Energieverbrauch führt. Bei
den Einzelmodus-Satellitenhandgeräten 2 würde auf
den CDMA-Codecabschnitt,
der in 8 gezeigt ist, verzichtet werden.
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In
dieser Ausführungsform
ist ein spezieller Code für
die Sendung auf dem gemeinsamen Rundsendesteuerkanal bei jedem Punktstrahl
definiert. Wenn ein Punktstrahl eine Basisstation 119b überlagert,
die die Satellitenfrequenzen wiederverwendet, wird der Code rundgesendet.
Wenn er von einem beliebigen Satellitenbenutzerendgerät 2 empfangen wird,
reagiert das Benutzerendgerät 2 durch
Beenden sämtlicher
Uplink-Sendungen durch den Satellitencodec, bis ein Steuerkanal
einen Satelliten-Downlink-Punktstrahl erfasst hat, auf dem das Steuersignal
nicht rundgesendet wird (was anzeigt, dass sich das Benutzerendgerät nun innerhalb
der Abdeckung eines Punktstrahls befindet, der die terrestrischen Basisstationen 119b nicht überlappt).
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Die
oben beschriebene Ausführungsform
hat den Effekt, dass sie sämtliche
Satellitenbenutzerendgeräte 2,
die den Downlink auf einem Strahl empfangen können, der eine der Basisstationen 119b überlagert,
veranlasst, die Erzeugung von Satellitensignalen auf dem Satelliten-Uplink
zu beenden. Da jedoch der Strahl einen größeren Bereich abdecken kann,
als die Zelle, die die Basisstation 119b umgibt, werden
zunächst
viele Satellitenbenutzerendgeräte 2,
die andernfalls mit dem Satelliten kommunizieren könnten, ohne
die terrestrische Basisstation 119 zu stören, nachteilig
beeinflusst. Zweitens könnten
Satellitenbenutzerendgeräte 2,
die das betreffende Signal (beispielsweise in Folge einer Abschwächung oder
Blockade) nicht empfangen können,
trotzdem auf dem Satelliten-Uplink-Kanal rundsenden und somit die
terrestrisch Basisstation 119 stören.
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Um
das erste dieser Probleme zu lösen, wird,
anstelle ein Rundsende-Steuersignal
zu senden, auf das alle Satellitenbenutzerendgeräte 2 innerhalb des
Strahls reagieren müssen,
die Position jedes Satellitenbenutzerendgerätes 2 in der Datenbankstation 15 registriert
(entweder durch Einbauen eines GPS-Empfängers
in jedem Benutzerendgerät, der
seine Daten periodisch dem Satelliten mitteilt, oder durch Verwenden
einer Bereichs- und Dopplerpositionserfassungstechnik, wie es oben
beschrieben wurde). Die Datenbankstation 15 ver gleicht
die Position jedes Endgerätes
mit Daten, die den Abdeckungsbereich jeder Basisstation 119b definieren, und
wenn erfasst wird, dass sich ein Satellitenbenutzerendgerät 2 innerhalb
eines der Abdeckungsbereiche befindet, wird ein Steuersignal des
oben beschriebenen Typs speziell zu diesem Satellitenbenutzerendgerät 2 auf
einem dafür
bestimmten Steuerkanal oder auf einem Rundsendekanal mit einer Adresse
des Benutzerendgerätes
gesendet, die von diesem decodiert werden kann. Somit enden lediglich jene
Endgeräte,
von denen erfasst wird, dass sie mit Wahrscheinlichkeit eine Störung verursachen,
damit auf diese Weise das Satellitensystem verwendet werden kann.
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Wenn
alternativ den Handgeräten
ihre eigenen Positionen bekannt sind (wie etwa wenn jedes mit einem
GPS-Empfänger
ausgerüstet
ist), kann das Steuersignal die Koordinaten des Abdeckungsbereichs
der Basisstation 119b angeben, und jedes Satellitenbenutzerendgerät 2 kann
so eingerichtet sein, dass es die Uplink-Sendung nur dann beendet, wenn es innerhalb
des Abdeckungsbereichs liegt.
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Um
das oben genannte zweite Problem zu beherrschen, sind in einer alternativen
Ausführungsform
die terrestrischen Basisstationen 119b, die den Satelliten-Uplink und -Downlink
wiederverwenden, mit einem Sender versehen, der dazu eingerichtet
ist, das Steuersignal zu senden, anstatt die Satellitenbenutzerendgeräte auf eine
Steuersignal-Rundsendung im Downlink vom Satelliten für die Beendigung der
Satellitenmodussendungen ansprechen zu lassen.
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Der
Satellitencodec innerhalb eines jeden Satellitenbenutzerendgeräts 2,
das Sendungen von der Basisstation 119b empfangen kann
(und daher Uplink-Sendungen
erzeugen kann, die den Empfang durch diese Basisstation stören könnten),
ist so eingerichtet, dass er bei Empfang des Steuersignals die Sendung
durch den Satellitencodec auf dem Satelliten-Uplink beendet, wenn
das Steuersignal empfangen wird.
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Das
Steuersignal kann in einfacher Form eine Bake sein, die mit einer
vorbestimmten Frequenz gesendet wird. Alternativ kann es einen der Satellitenrundsendekanäle emulieren.
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Somit
werden bei dieser Ausführungsform mit
einer geringen Abänderung
an den Basisstationen 119b lediglich jene Satellitenbenutzerendgeräte 2,
die sich tatsächlich
innerhalb des Bereiches des Basisstation 119b befinden,
außer
Kraft gesetzt, mit dem Satelliten 4 zu kommunizieren, wobei
dies unabhängig
davon erreicht wird, ob der Satelliten-Downlink von ihnen empfangen
werden kann oder nicht. Der terrestrische mobile Codec eines Dualmodus-Endgerätes in dieser
Ausführungsform
bedarf (wie bei der letzen) keiner Modifikation. Diese Ausführungsform
ist nicht nur bei Dualmodus-Endgeräten wirkungsvoll, sondern auch
bei Satellitenbenutzerendgeräten,
die keinen terrestrischen mobilen Codec haben, da das Rundsendesignal
von der Basisstation 119b vom Satellitensystemcodec empfangen wird
und er darauf reagiert.
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Schließlich ist
es anstelle der Modifikation der Basisstationen 119b möglich, die
terrestrischen mobilen Codecs der Dualmodus-Satellitenbenutzerendgeräte 2 derart
zu modifizieren, dass die Endgeräte
fortwährend
den Downlink auf Signale von einer terrestrischen Basisstation 119b überwachen.
Bei Erfassen eines CDMA-Downlink-Signals sendet der terrestrische
Codec ein Steuersignal zum Satellitensystemcodec, um seine Sendung
auf dem Satelliten-Uplink zu beenden. Bei Verlust des Signals von der
Basisstation gibt nach einer bestimmten Zeit ohne Signal von der
Basisstation 119 der terrestrische Systemcodec ein Steuersignal
an den Satellitensystemcodec aus, der eine Sendung ein weiteres Mal
auf dem Satelliten-Uplink zulässt,
wenn dies erforderlich ist.
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Diese
Ausführungsform
hat daher den Vorteil, dass minimale Modifikationen an der terrestrischen
Basisstation 119 erforderlich sind. Sie ist jedoch nur
mit Dualmodus-Satellitenbenutzerendegeräten 2 verwendbar,
da es notwendig ist, Signale von den terrestrischen Basisstationen 119b korrekt
zu erfassen.
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Es
wird sich zeigen, dass diese Ausführungsform, bei der das Satelliten-Uplink-Spektrum ebenfalls
für den
terrestrischen mobilen Uplink zur Verfügung steht und das Satelliten-Downlink-Spektrum
ebenfalls für
den terrestrischen mobilen Downlink zu Verfügung steht, für das terrestrische
Netz mehr Bandbreite zur Verfügung
stellt, als die vorherige Ausführungsform,
und es gemeinsamen HF-Bestandteilen
ermöglicht,
im Satelliten-Benutzerendgerät 2 verwendet
zu werden.
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Es
besteht die Möglichkeit
einer Störung
auf dem Satelliten-Uplink und dem terrestrischen Uplink, wobei die
erstgenannte dadurch vermindert wird, dass die Satellitenbenutzerendgeräte derart
gesteuert werden, dass sie ihre Nutzung des Satelliten-Uplinks verringern.
Da sich die Satelliten-Uplink-Kanäle auf schmalen Frequenzbändern befinden,
besteht die Auswirkung verbleibender Satelliten-Uplink-Sendungen auf die breitbandigen
terrestrischen CDMA-Uplink-Kanäle
lediglich darin, dass das wahrzunehmende Grundrauschen leicht erhöht wird.
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DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter
Bezugnahme auf 9 ist bei dieser Ausführungsform
die Frequenzwiederverwendung der vorherigen Ausführungsform umgekehrt. Das heißt, der
Satelliten-Uplink wird vom terrestrischen Downlink wiederverwendet
und umgekehrt. Somit beeinflussen die Sendungen im Downlink vom
Satelliten nicht die terrestrischen Handgeräte, sondern können von
den terrestrischen Basisstationen 119b empfangen werden.
Jede dieser Basisstationen kann jedoch vor einer Sendung von oben
durch eine aufliegende Metallplatte geschützt werden. Wenngleich es für die reflektierten
Satelliten-Downlink-Sendungen möglich
wäre, die
Basisstationen zu erreichen, haben derartige Reflexionen eine wesentlich
geringere Leistung aufgrund einer Störung des direkten Downlink-Strahls
und der Dämpfung
an der Reflexionsoberfläche.
Zusätzlich
zur Abschattung und der Blockade, die durch die Verwendung der Basisstationen 119b in
Gebäuden
und in städtischen
Bereichen verursacht werden, verringert eine derartige Abschirmung
somit wesentlich die Amplitude des Satelliten-Downlinks, der die
Basisstationen 119b erreicht.
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Aus ähnlichen
Gründen
und weil die Antennen der Basisstationen 119b vorwiegend
in der Azimutebene rundsenden sollen, ist der Einfluss des terrestrischen
Downlinks auf den Satelliten-Uplink minimal.
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Wenngleich
die Signale, die auf dem terrestrischen Uplink und dem Satelliten-Uplink von den Benutzerendgeräten gesendet
werden, infolge der geringeren Leistung, die in den Benutzerendgeräten zu Verfügung steht,
eine geringere Amp litude haben, wird darauf hingewiesen, dass die
terrestrischen Uplink-Signale, die von den terrestrischen Handgeräten gesendet
werden, die Satelliten-Downlink-Signale,
die von den Satellitenmodus-Handgeräten empfangen werden, stören könnten und
umgekehrt, wenn sich aktive terrestrische Handgeräte (112)
und Satellitenmodus-Handgeräte
(2) in dichter Nähe
zueinander befinden.
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Demzufolge
werden bei dieser Ausführungsform,
vorzugsweise die Techniken verwendet, die in der oben genannten
ersten und zweiten Ausführungsform
bei der Verringerung der Satellitensendungen auf dem Satelliten-Downlink
und der Handgerätesendung
auf dem Satelliten-Uplink erläutert
wurden.
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Anstelle
die Uplink-Sendungen des Satellitenbenutzerendgerätes in Reaktion
auf die Erfassung einer terrestrischen Basisstation 119b oder
in Reaktion auf einen Befehl vom Satelliten zu unterdrücken, kann
alternativ jedes Dualmodus-Handgerät 2 dieser
Ausführungsform
derart eingerichtet sein, dass es CDMA-Sendungen auf dem terrestrischen Uplink
durch den Satelliten-Uplink-Empfänger
erfasst, indem der CDMA-Codec parallel zum Satellitensystemcodec
gekoppelt wird, um Sendungen auf der Downlink-Frequenz des Satellitensystems
(d.h. der terrestrischen Uplink-Frequenz, die von anderen terrestrischen
Handgeräten
verwendet wird) zu empfangen. Bei Erfassung von Sendungen von einem terrestrischen
Handgerät 112 wird
der Satellitensystemcodec angewiesen, die Sendungen auf dem Satelliten-Uplink
zu beenden. Wenn sich ein Dualmodus-Endgerät 2 dicht genug an
einem Endgerät 122 für terrestrischen
Modus befindet, um dessen Sendung zu erfassen (und demzufolge eine
Störung
desselben wahrscheinlich ist), werden somit potentiell störende Sendungen
vom Dualmodus-Handgerät 2 beendet.
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Diese
Ausführungsform
hat den Vorteil, dass die relativ leistungsstarken Sendungen des
Satelliten-Downlinks und des terrestrischen Downlinks im Satelliten
und in der Basisstation 119 anstelle in den Benutzerendgeräten 2, 112 empfangen
werden, wodurch eine Störung
an den Benutzerendgeräten
weniger wahrscheinlich gemacht wird, als eine Störung am Satelliten 4 und
an der Basisstation 119. Da es einfacher ist, hochentwickelte
Störungsverminderungs-
und Abbrechtechniken des Typs, der zuvor beispielsweise in den Anmeldungen
WO 00/48333, WO 00/49735 oder WO/35126 dargelegt wurde, auf der
Seite des Netzes anstelle in den Benutzerengeräten bereitzustellen, können die
Auswirkungen dieser Störungen
auf einfachere Weise vermindert werden.
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ANDERE AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es
versteht sich, dass andere Möglichkeiten der
Wiederverwendung des Satellitenspektrums durch das terrestrische
Netz existieren, bei denen die oben beschriebenen Beobachtungen
und Techniken genutzt werden. Weiterhin können die oben beschriebenen
Techniken kombiniert werden.
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Als
ein Beispiel ist es möglich,
dass die erste Ausführungsform
derart abgeändert
ist, dass der terrestrische Uplink und Downlink den Satelliten-Uplink in
Anspruch nehmen. Weiterhin versteht es sich, dass jede der oben
beschriebenen Techniken für
das Verringern der Sendung vom Satelliten und/oder dem Handgerät oder für Erfassungstechniken,
die in dieser Art verfahren, getrennt von den anderen in anderen ähnlichen
Störungsszenarien
verwendet werden kann.
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Aus
dem Vorangegangenen wird deutlich, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen
lediglich einige Arten darstellen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen.
Dem Fachmann werden zahlreiche Alternativen verständlich sein,
die innerhalb des Geltungsbereiches der vorliegenden Erfindung liegen.
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Wenngleich
bei den oben beschriebenen Ausführungsformen
ein Dualmodus-Benutzerendgerät ein gemeinsames
Gehäuse
und Benutzerschnittstelle enthält,
die separate Satellitensystemcodes und terrestrische Codecs umfassen,
sind andere Konstruktionen möglich;
beispielsweise könnte
es separate Einzelmodus-Endgeräte
beinhalten, die durch einen Draht oder eine drahtlose Schnittstelle verbunden
sind.
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Der
CDMA kann ein Breitband-CDMA (W-CDMA) der dritten Generation oder
ein CDMA 2000 sein.
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Die
angegebene Zahl der Satelliten und Satellitenumlaufbahnen ist lediglich
beispielhaft. Es können
eine geringere Zahl von geostationären Satelliten oder Satelliten
in höheren
Umlaufbahnen verwendet werden; oder es kann eine größere Zahl
von Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen (LEO) Verwendung finden.
In gleicher Weise kann eine andere Zahl von Satelliten in mittleren
Umlaufbahnen zur Verwendung gelangen.
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Es
versteht sich, dass sich Bestandteile der Ausführungsformen der Erfindung
in unterschiedlichen Einflussbereichen oder im Weltraum befinden können. Um
Zweifel auszuräumen,
erstreckt sich der Schutzumfang des folgenden Ansprüche auf
einen beliebigen Teil eines Telekommunikationsgerätes oder
-systems oder ein beliebiges Verfahren, das durch einen derartigen
Teil ausgeführt
wird, der zur Umsetzung des Konzeptes der Erfindung beiträgt.