DE60121846T2

DE60121846T2 - Geostationäres Kommunikationssystem mit minimaler Verzögerung

Info

Publication number: DE60121846T2
Application number: DE60121846T
Authority: DE
Inventors: Harold Santa Monica Rosen; Donald C.D. Thousand Oaks Chang; Ming U. Rancho Palos Verdes Chang; Weizheng Rancho Palos Verdes Wang; John I. III West Hills Novak; Wah L. Santa Ana Lim
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2001-03-03
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2021-03-04
Also published as: JP2001308770A; EP1139583B1; EP1139583A2; EP1139583A3; CN1319954A; US7027769B1; DE60121846D1; CN1206819C

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kommunikationssystem, welches eine Vielzahl von Kommunikationsplattformen aufweist, wobei jede Kommunikationsplattform auf einem Weg wandert, der sich an einer stratosphären-basierten, im Wesentlichen geostationären Stelle befindet, wobei jede Kommunikationsplattform einen Transponder aufweist, der zum direkten Kommunizieren mit einem Benutzer-Terminal bzw. -Anschluss, zum Empfangen einer Information von dem Benutzer-Anschluss und zum Senden einer Information an den Benutzer-Anschluss angepasst ist, und ein Gateway aufweist, das zum Kommunizieren mit einer der Kommunikationsplattformen und zum Koppeln des Benutzer-Anschlusses an ein terrestrisch basiertes Netzwerk durch die Kommunikationsplattform angepasst ist.
Ein solches Kommunikationssystem ist aus der WO 95/04407 bekannt.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein entsprechendes Kommunikationssignal sowie ein Verfahren zum Kommunizieren zwischen einem Benutzer-Anschluss und einem terrestrisch basierten Netzwerk.
Die Erfindung betrifft allgemein Kommunikationssysteme und insbesondere ein geostationäres Kommunikationssystem mit minimaler Verzögerung.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Kommunikationssatelliten werden üblicherweise bei vielen Kommunikationsdienstleistungsarten, wie z.B. bei einem Datentransfer, bei Sprachkommunikationen, bei einer Punktbündelabdeckung für das Fernsehen und bei anderen Datentransferanwendungen, verwendet. Satelliten als solche senden und empfangen große Signalmengen, wobei sie entweder in einer „Bent Pipe"- oder „Spot Array"-Konfiguration verwendet werden, um Signale an gewünschte geographische Stellen auf der Erdoberfläche zu senden.
Aufgrund des Anstiegs einer Verwendung von Satelliten, wurden die auf einem vorgegebenen Satelliten zur Verfügung stehenden Ressourcen vollständig verwendet, ohne eine ausreichende Signalabdeckung an ein gewünschtes geographisches Gebiet zu liefern. Benutzer am Boden, als solche, müssen entweder ohne den Satellitendienst leben, eine reduzierte Dienstqualität („Quality of Service, QoS") für den Satellitendienst akzeptieren oder sich den Satellitendienst mit anderen Benutzern zeitlich teilen, wovon keine Lösung für Benutzer akzeptabel ist, die einen Zugriff auf den Satellitendienst zu jeder beliebigen gegebenen Zeit benötigen. Des Weiteren beträgt die Verzögerung beim Senden von Signalen an einen geosynchronen Satelliten ungefähr zwei Sekunden Laufzeit, was die Verzögerungen in einem satellitenbasierten Kommunikationssystem erhöht.
Es ist somit einzusehen, dass es im Stand der Technik ein Bedürfnis nach einem Kommunikationssystem gibt, das einen Hochgeschwindigkeitszugriff auf das Internet und andere terrestrische Netze ermöglicht. Es ist auch einzusehen, dass es im Stand der Technik ein Bedürfnis nach einem Hochgeschwindigkeitszugriff auf solche Netze für eine große Anzahl von Benutzern gibt. Es ist auch einzusehen, dass es im Stand der Technik ein Bedürfnis nach einem Hochgeschwindigkeitszugriff auf solche Netze mit minimalen Verzögerungen in der Systemarchitektur gibt.
Die WO 99/23769 offenbart eine drahtlose Kommunikation unter Verwendung eines in der Luft befindlichen Vermittlungsknotens. Ein Kommunikationssystem umfasst ein Flugzeug, welches einen im Flugzeug eingebauten Vermittlungsknoten trägt, der Kommunikationsdienste an eine Vielzahl von bodenbasierten Vorrichtungen liefert, die sich in dem Dienstgebiet befinden. Die Vorrichtungen umfassen Teilnehmervorrichtungen, wie z.B. ein Kundenraumgerät und ein Geschäftsraumgerät sowie Gateway-Vorrichtungen.
Das System zum Bereitstellen einer Kommunikation an ein Dienstgebiet, welches eine Anzahl von Zellen aufweist, umfasst ein Flugzeug, das über dem Dienstgebiet fliegt. Der luftgestützte Vermittlungsknoten, der an das Flugzeug gekoppelt ist, umfasst eine phasengesteuerte Antenne, die elektronisch eine Anzahl von Strahlen bzw. Bündel an die Zellen in dem Dienstgebiet richtet. Der luftgestützte Vermittlungsknoten umfasst auch eine Vermittlungseinrichtung, die von einer ersten Zelle empfangene Daten an die Antenne zur Übertragung an eine zweite Zelle (oder an einen anderen Teilnehmer in der gleichen Zelle) koppelt. Eine Anzahl von Vorrichtungen, die sich in den Zellen des Dienstgebietes befinden, kommuniziert Daten mit dem luftgestützten Vermittlungsknoten.
Gateway-Vorrichtungen werden betrieben, um den luftgestützten Vermittlungsknoten mit einem öffentlichen Telefonnetz („Public Switched Telephone Network, PSTN"), einem Internet-Dienstleister („Internet Service Providers, ISPs"), Kabeldienstleistern oder Videodienstleistern oder anderen Netzen innerhalb oder außerhalb des Dienstgebietes des ASN zu verbinden.
Das Flugzeug hält eine Position in einer Höhe von zwischen 52.000 und 60.000 Fuß, indem es in einem Kreis mit einem Durchmesser von ungefähr fünf bis acht Meilen fliegt.
Die WO 98/51568 offenbart ein in der Luft befindliches Kommunikationsnetz. Ein globales Kommunikationsnetz weist eine Vielzahl von in der Luft befindlichen Plattformen oder Fahrzeugen auf, die in einer Höhe in oder nahe der Stratosphäre eingesetzt werden und die auf eine derart gesteuerte Weise treiben dürfen, dass jede Plattform ihre Position relativ zu anderen in der Luft befindlichen Plattformen anpasst. Jede in der Luft befindliche Plattform weist ein Antriebssystem und Steuerflächen auf und umfasst vorzugsweise eine Komponente, die leichter als Luft ist, um einen Auftrieb auf eine ökonomische Weise beizubehalten. Jede in der Luft befindliche Plattform umfasst auch eine Nutzlast, Mittel zum Kommunizieren mit anderen in der Luft befindlichen Plattformen und ein Steuersystem einschließlich einem Ortungsgerät und einem Prozessor, der zum Ausrichten des Antriebssystems der Plattform und der Steuerflächen angepasst ist, um Änderungen hinsichtlich der Position der in der Luft befindlichen Plattform relativ zu anderen in der Luft befindlichen Plattformen basierend auf einer Positionsinformation zu bewirken. Das Kommunikationsnetz stellt ein sich selbst einstellendes Netz zum Schaffen und Beibehalten einer globalen Kommunikationsverbindung bereit, die optional mit einem oder mehreren umlaufenden Kommunikationssatelliten oder mit dem Boden-, Luft- oder See-basierten Gerät zusammenarbeiten kann.
Um die Beschränkungen im oben beschriebenen Stand der Technik zu überwinden und um weitere Beschränkungen zu überwinden, die beim Lesen und Verstehen der vorliegenden Beschreibung ersichtlich werden, offenbart die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kommunizieren und eine Kommunikationssystemvorrichtung. Die Vorrichtung weist eine Kommunikationsplattform und ein Gateway auf. Die Kommunikationsplattform befindet sich an einem Ort in der Stratosphäre und kommuniziert direkt mit einem Benutzeranschluss, empfängt eine Information von dem Benutzeranschluss und sendet eine Information an den Benutzeranschluss. Das Gateway kommuniziert mit der Kommunikationsplattform und koppelt den Benutzeranschluss über die Kommunikationsplattform an ein terrestrisch basiertes Netz. Die Entfernung zwischen zwei benachbarten Plattformen beträgt das 8,6-fache des Radius des Flugwegs.
Das Verfahren umfasst: Senden eines ersten Signals von dem Benutzer-Terminal an eine stratosphären-basierte Kommunikationsplattform, Senden des ersten Signals von der stratosphären-basierten Kommunikationsplattform an eine Gateway-Bodenstation, und Senden des ersten Signals von der Gateway-Bodenstation an das terrestrisch basierte Netz.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Kommunikationssystem, das einen Hochgeschwindigkeitszugriff auf das Internet und andere terrestrische Netze ermöglicht. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch einen Hochgeschwindigkeitszugriff auf solche Netze für eine große Anzahl von Benutzern. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch einen Hochgeschwindigkeitszugriff auf solche Netze mit minimalen Verzögerungen in der Systemarchitektur.
Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen durchweg entsprechende Teile darstellen, veranschaulicht:
1 ein Systemdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein typisches Nutzlastblockdiagramm, welches bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
3 eine typische Plattformkonfiguration, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
4 stellt ein Flussdiagramm dar, das exemplarische Schritte veranschaulicht, die zum Umsetzen der vorliegenden Erfindung in die Praxis verwendet werden.
In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil davon bilden und in denen im Wege einer Veranschaulichung eine spezifische Ausführungsform gezeigt ist, bei der die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann. Es versteht sich auch, dass andere Ausführungsformen verwendet können und dass strukturelle Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Überblick über den Stand der Technik
Kommunikationssysteme wurden durch die Verwendung von Satellitensendeverbindungen verbessert. Kommunikationssatelliten werden typischerweise bei einem „Bent Pipe"-Szenario verwendet, bei dem die Daten von einer Bodenstation an den Satelliten aufwärts gesendet („uplinked") werden und der Satellit die Uplink-Daten zu einer anderen, geographisch entfernten Bodenstation nach unten schaltet („Downlinks"). Kommunikationssatelliten können auf eine ähnliche Weise in einem Telefonsystem betrieben werden, wobei der Kommunikationssatellit Punktbündel an spezifische, geographisch verschiedene Orte liefert. Dies ermöglicht es jedem Ort, falls gewünscht, eine andere Information zu empfangen, ein Ort kann z.B. ein lokales Ereignis für diese Region empfangen, während ein anderer Ort gleichzeitig ein lokales Ereignis für diese Region empfangen kann.
Jedoch befinden sich Kommunikationssatelliten üblicherweise in einer geosynchronen Umlaufbahn um die Erde, was sie in einer Entfernung von 35.788 Kilometern über der Erdoberfläche platziert. Obwohl sich elektromagnetische Signale mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, müssen diese Signale von der Bodenstation aufwärts gesendet werden, vom Satelliten verarbeitet werden und an eine andere Bodenstation und/oder eine Benutzerantenne abwärts gesendet werden. Da die Entfernung zwischen einer ursprünglichen Übertragung und einem Endziel zweimal 35.788 km (71.576 km) plus die Verarbeitungszeit an Bord des Satelliten beträgt, wird bei der Systemsendezeit eine bedeutende Verzögerung eingeführt. Solche Verzögerungen sind insbesondere bei Duplex-Kommunikationssystemen bemerkbar.
Da mehr Daten zwischen geographisch entfernten Plätzen gesendet werden, werden die Datendurchsatzfähigkeiten des Satelliten strapaziert. Des Weiteren verringert die Verzögerung beim Senden solcher Daten, aufgrund der größeren Entfernung, die von den Daten zurückgelegt werden müssen, zusammen mit der Erhöhung einer Verarbeitungszeit an Bord des Satelliten die Wirksamkeit des Satellintensendeschemas.
Die vorliegende Erfindung minimiert die Verzögerung im System, indem eine kürzere Entfernung zwischen dem „Satelliten" und der Bodenstation bereitgestellt wird sowie indem eine Datenmenge verringert wird, die durch jeden „Satelliten" läuft. Die vorliegende Erfindung verwendet eine „geostationäre" aeronautische Plattform, die für Mikrowellen, und andere Nutzlastplattformen geeignet ist, ähnlich denen, die in Satellitenkommunikationssystemen verwendet werden. Da die Entfernung zwischen der Bodenstation und der Plattform lediglich zwanzig Kilometer beträgt, verringert sich die Verzögerung zwischen einer Übertragung und einem Empfang auf weniger als 0,06% einer Verzögerung eines geosynchronen Satellitensendesystems.
Überblick über die Erfindung
Es ist schwierig, eine Konnektivität hoher Bandbreite bereitzustellen, wie z.B. eine solche, die bei Internet- und/oder Multimedia-Anwendungen benötigt wird, und zwar vom Anfang eines Systems direkt zu den Anschlüssen von Endnutzern. Geosynchrone (GEO-)Satelliten sind hinsichtlich einer Bandbreiteneffizienz begrenzt und versorgen dicht besiedelte Gebiete unter. Satelliten einer mittleren Erdumlaufbahn („Middle Earth Orbit, MEO") und einer niedrigen Erdumlaufbahn („Low Earth Orbit, LEO)" sind komplexer Natur und die Benutzeranschlüsse müssen die Satelliten verfolgen. Des Weiteren benötigen MEO/LEO-Systeme ein Datenmanagement und Datenvermittlungsverfahren zwischen Satelliten, wenn die Satelliten geographische Dienstgebiete überfliegen. Terrestrische Systeme werden durch die infrastrukturelle Ausbeuterate und Kosten begrenzt.
Das System der vorliegenden Erfindung kann schnell eingesetzt werden, ist auf Markt und Marktgrößen skalierbar und kann mit einer neuen Technologie bedient und aufgerüstet werden. Das System der vorliegenden Erfindung kann auch entwickelt werden, um transportablen und/oder mobilen Nutzern bzw. Benutzern zu dienen.
1 veranschaulicht ein Systemdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 veranschaulicht ein System 100, welches ein zelluläres Muster 102 aufweist, das geographische Orte auf der Erdoberfläche aufteil. Die Ränder der Zellen 104 stellen keine physikalischen Grenzen innerhalb des zellulären Musters 102 dar; jede Zelle 104 stellt ein geographisches Gebiet dar, das ein Signal mit einer vorbestimmten Signalstärke empfangen kann oder das einen Antennenstrahlungspunkt in einem Punktbündelmuster empfängt, das von der Plattform 106 erhältlich ist und durch sie bereitgestellt wird.
Die Plattform 106 kommuniziert mit einer Gateway-Antenne 108, Benutzer-Anschlüssen 110–114 und einer Kontrollstation 116. Jede Kommunikationsverbindung zwischen der Plattform 106 und der Gateway-Antenne 108, den Benutzer-Anschlüssen 110–114 und der Kontrollstation 116 liefert eine Information an die Plattform 106 und/oder die Gateway-Antenne 108, die Benutzer-Anschlüsse 110–114 oder die Kontrollstation 116, wie oben beschrieben.
Die Plattform 106 ist eine stratosphären-basierte Plattform, die relativ zu einer geographischen Region auf der Erde im Wesentlichen stationär bleibt. Die Plattform 106 wird durch die Kontrollstation 116 gesteuert, um auf einen Flugweg 118 mit kleinem Radius, typischerweise einem Kreis, der aber auch elliptisch oder anders geformt sein kann, über einem gegebenen Punkt („spot") auf der Erde zu fliegen. Jede Plattform 106 wird als Kommunikationsknoten für die Gateway-Antenne 108 verwendet, und Antennen der Benutzer-Anschlüsse 110–114 sind in Richtung der Plattform ausgerichtet. Jede Gateway-Antenne 108 und Antenne des Benutzer-Anschlusses 110–114, die auf die Plattform gerichtet ist, weist eine Bandbreite auf, die breit genug ist, um Kommunikationsverbindungen mit der Plattform 106 über dem gesamten Flugweg 118 aufrechtzuerhalten.
Das Gateway 108 ist auch an das terrestrische Netz 120 gekoppelt, das mit landbasierten Leitungen verbunden ist, die mit dem Internet zusammengeschaltet sind sowie die Fähigkeit zum Zusammenschalten mit anderen Netzen aufweisen. Dies ermöglicht den Benutzer-Anschlüssen 110–114 einen Zugriff auf das Netz 120, ohne dass eine direkte Verbindung durch einen Server vorliegt, sowie das Vermeiden von mehreren Servern, Routern etc., die physisch zwischen den Benutzer-Anschlüssen 110–114 und dem terrestrischen Netz 120 liegen können.
Die Bodenstation 116 wirkt als Kontrollstation für die Plattform 106 und andere Plattformen 106 des gesamten Systems 100. Die Bodenstation 116 liefert Steuerfunktionen, wie z.B. eine Lagesteuerung, ein Höhenmanagement und einen Austausch von Teilen und/oder Plattformen 106 im gesamten System 100. Die Bodenstation 116 bestimmt, wenn und ob eine spezifische Plattform 106 repariert, ersetzt oder Wartungsfunktionen durchgeführt werden müssen, indem der Status einer oder mehrerer Plattformen 106 im System 100 überwacht wird.
Die von der Plattform 106 verwendeten Antennen sowie die Antennen der Benutzer-Anschlüsse 110–114 sowie die Gateways 108 lassen einen großen Datendurchsatz bei der vorliegenden Erfindung zu. Da eine kürzere physikalische Entfernung zwischen Benutzer-Anschlüssen 110–114 und Datenquellen, z.B. anderen Benutzer-Anschlüssen 110–114, Datenlagern, etc., vorliegt, ermöglicht es das System 100 Benutzern, auf große Datenmengen mit großen Raten zuzugreifen, da die Benutzer nun direkte Kommunikationsverbindungen höherer Frequenz zu der Plattform 106 verwenden können, und zwar ohne Bedenken für Benutzer in anderen geographischen Gebieten, die Zugriff auf die gleichen Daten zur gleichen Zeit wünschen könnten.
Der Benutzer-Anschluss 110 kann z.B. auf Daten eines Datenlagers zugreifen, das durch die Plattform 106 und das Gateway 108 mit dem Netz 120 verbunden ist, ohne durch einen lokalen Server, lokalen Router und andere physikalische Hardware gehen zu müssen, die die Datenlieferung durch das Netz 120 an den Benutzer-Anschluss 110 verzögern könnten. Des Weiteren ermöglicht dies dem Benutzer-Anschluss 110 auf das Netz 120 und andere Datenquellen zuzugreifen, die mit dem Netz 120 verbunden sind, ohne Rücksicht auf andere lokale und/oder geographisch entfernte Benutzer, und zwar aufgrund der direkten Verbindung, die der Benutzer-Anschluss 110 mit der Plattform 106 hat.
Plattformarchitektur
Die Plattformen 106 werden mit elektrischer Energie, die durch Hybridzellen aus Solarenergie und Wasserstofftreibstoff hergestellt wird, die sich auf der Plattform 106 befinden, in der gewünschten Umlaufbahn auf aerodynamische Weise gehalten. Nutzlastmodule auf der Plattform 106 halten eine Lage und werden von Bewegungen der Plattform 106 mittels kardanischer Aufhängung oder anderen Entkopplungsverfahren entkoppelt. Sowohl die Nutzlast 106 als auch die Antennen der Benutzer-Anschlüsse 110–114 sind konstruiert, um sich an die Kraft zum Positionsstabilisieren der Plattform 106 anzupassen.
Die Benutzerdaten werden durch das Gateway 108 verarbeitet. Die Plattformen 106 befinden sich einer Nennhöhe von 20 Kilometern. Da die Plattformen 106 in einer solch niedrigen Höhenumlaufbahn, verglichen mit der 35.788 Kilometer-Umlaufbahn für geosynchrone Satelliten, sind, weist das Kommunikationssystem 100 eine Verzögerungslatentzeit auf, die äquivalent oder besser als für terrestrische Netze für das gleiche geographische Gebiet ist.
Das System 100 kann auch Frequenz-, Polarisations- und/oder räumliche Verschiedenheiten ausnutzen, um eine Bandbreitendichte zu bringen, die effektiv so groß wie 222 MHz/Kilometer² in dicht besiedelten Stadtgebieten ist. Die eng gepackte räumliche Verschiedenheit („diversity") ist analog zu Umlaufslots für geosynchrone Satelliten, wird jedoch in zwei Dimensionen angewendet, was es ermöglicht, dass miteinander konkurrierende Systeme existieren.
Das Positionsstabilisierungserfordernis der Plattform 106 ist derart gestaltet, dass die Plattform 106 innerhalb eines 600 Meter großen Wenderadius und einer +/– 30 Meter großen vertikalen Höhe in Bezug auf alle Umgebungsbedingungen bleiben sollte. Dies ermöglicht es den Benutzer-Anschlüssen 110–114 am Boden, Antennen zu verwenden, die Bandbreiten aufweisen, die breit genug sind, um eine Verbindung mit der Plattform 106 zu halten, ohne die Plattform 106 zu verfolgen, wie es bei einer Satellitenkonstellation mit niedrigen Erdumlaufbahnen (LEO) und mittleren Erdumlaufbahnen (MEO) erforderlich wäre. Das Kommandozentrum 116 steuert die Plattformen 106 und liefert, falls erforderlich, Ersatzplattformen 106, um eine hohe Rate an Gesamtsystemverfügbarkeit, typischerweise 99,9%, sicherzustellen.
Die Kommunikationsnutzlast auf der Plattform 106 kann eine einfache Transponderkonstruktion sein, die die Benutzer-Anschlüsse 110–114 mit den Gateways 108 verbindet, und kann auch eine komplexere Kommunikationssystemkonstruktion sein. Die Antennen des Gateway 108 verfolgen die Antennen der Bodenstation 116 wechselseitig automatisch. Um die Bandbreitendichte bei den Verbindungen der Benutzer-Anschlüsse 110–114 zu erzielen, werden Mehrfachbündel in einer herkömmlichen Vier-Zellen-Wiederverwendungskonfiguration angeordnet, andere Wiederverwendungskonfigurationen können jedoch bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
Die Größe der Zelle 104 kann mit Verschlüsselungsschemata kombiniert werden, wie z.B. mit Code Division Multiple Access (CDMA), Time Division Multiple Access (TDMA), Frequency Division Multiple Access (FDMA) oder Kombinationen dieser Schemata, um eine durch die schlimmsten Plattformbewegungen hervorgerufene Interferenz zu überwinden. Des Weiteren können Verbindungen der Benutzer- Anschlüsse 110–114 für jedes Frequenzband konstruiert werden, einschließlich Ka- und Ku-Bändern.
Die Plattformen 106, die das in 1 gezeigte GEO-stationäre Erfordernis erfüllen, sind Abkömmlinge des Patents US 5,810,284 , welches durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist.
2 veranschaulicht ein typisches Nutzlastblockdiagramm, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Das Blockdiagramm zeigt Gateway-Antennen 200A–200D, die als Sende- und Empfangsantennen für die Plattform 106 wirken. Jede Antenne 200A–200D ist an Diplexer-Einrichtungen 202 und Verstärker 204 gekoppelt. Die durch die Antennen 200A–200D empfangenen Signale, werden unter Verwendung von Abwärtswandlern 206 abwärtsgewandelt, und die abwärtsgewandelten Signale werden durch Verstärker 208 verstärkt. Jedes Signal wird dann in Subbänder 210 getrennt, und die Subbänder 210 werden des Weiteren in Benutzersignale 212 geteilt. Die Benutzersignale 212 werden dann durch einen Verstärker 214 und eine Diplexer-Einrichtung 216 an Benutzerantennen 218A–218B zur Übertragung an Benutzer-Anschlüsse 110–114 gesandt.
Die Rückverbindungssignale der Benutzer-Anschlüsse 110–114 werden bei den Benutzerantennen 218A–218B empfangen und durch die Diplexer-Einrichtungen 216 an einen Aufwärtswandler 220 gediplext. Jedes Signal wird in einem Kombinierer 222 kombiniert, wobei zwölf Benutzersignale auf fast die gleiche Weise kombiniert werden, wie sie in Subbänder 210 getrennt werden. Die Signale werden bei einem Aufwärtswandler 224 wieder aufwärtsgewandelt und über die Antennen 200A–200D an das Gateway 108 zurückgesandt.
Die Frequenz der durch die Benutzerantennen 218A–218B empfangenen Signale, kann verschieden von der eines GEO-Satelliten sein, z.B. kann, wenn ein typischer GEO-Satellit ein 29,5–30 GHz-Signal als Aufwärtssignal verwendet, das Signal an die Plattform 106 ein 19,7–20,2-GHz-Signal sein, um eine Interferenz mit existierenden GEO-Satelliten zu vermeiden. Des Weiteren können die durch die Benutzerantennen 218A–218B übertragenen Signale eine zu existierenden Abwärtssignalen eines GEO-Satelliten verschiedene Frequenz haben, das Signal kann z.B. ein 29,5–30-GHz-Signal anstatt des typischen 19,7–20,2-GHz-Signals sein, welches von den GEO-Satelliten verwendet wird, um wiederum eine Interferenz zu vermeiden.
Die zur Verfügung stehende Bandbreite des durch die Gateway-Antennen 200A–200D empfangenen Signals beträgt üblicherweise 500 MHz, die von den Diplexer-Einrichtungen 202A und 202B in zwei Subbänder von 250 MHz geteilt werden. Jedes 250-MHz-Subband trägt zwölf Benutzersignale 212, und es gibt acht Subbänder, weshalb die Nutzlast der Plattform 106 96 Benutzersignale 212 unterstützen kann. Diese Konfiguration kann eine Bandbreite von 6 MHz/km² erzielen, falls die Größe der entsprechenden Zelle 104 acht km hexagonal beträgt.
Gateway-Eigenschaften
Das Gateway 108 verwendet Kommunikationsverbindungen hoher Frequenz, üblicherweise ein 92–95-GHz-Aufwärtssignal zu der Plattform 106 und ein 81–84-GHz-Abwärtssignal von der Plattform 106. Die Frequenzbänder innerhalb der Aufwärts- und Abwärtssignale können für jedes Gateway 108 im System 100 polarisiert wiederverwendet („polarization reused") werden. Somit kann jede Plattform 106 mit einem oder mehreren Gateways 108 kommunizieren. Die Gateways 108 sind räumlich getrennt und können Antennen automatisch zielverfolgen, um einen Datendurchsatz zu den Plattformen 106 zu maximieren. Durch Verwenden eines Frequenz-/Polarisations-Wiederverwendungsschemas kann ein Wiederverwendungsfaktor von acht erzielt werden, was einen Bandbreitendurchsatz von 24 GHz pro Plattform 106 ergibt. Die Gateways 108 verarbeiten und leiten die Benutzerdaten entweder extern durch terrestrische Netze 120 oder andere Netze weiter, wie z.B. Satellitennetze, oder sie können Daten von der Plattform 106 direkt an die Benutzer-Anschlüsse 110–114 innerhalb des Versorgungsbereichs 102 weiterleiten. Die Verbin dungen des Gateways 108 können auch Auslöschungsverfahren mit Kreuzpolarisation verwenden, um eine Verbindungsleistung bei schlimmsten Wetterszenarien, wie z.B. Regen, aufrechtzuerhalten.
Benutzeranschluss-Eigenschaften
Die Antenne des Benutzer-Anschlusses 110–114 sollte eine ausreichende Bandbreite aufweisen, um sich an den Flugweg 118, wie er z.B. zur Positionsstabilisierung verwendet wird, der Plattform 106 anzupassen. Gleichzeitig muss die Bandbreite des Benutzer-Anschlusses 110–114 eng genug sein, um es mehreren Plattformen 106 zu ermöglichen, über dem gleichen Versorgungsbereich 102 zu operieren, um die Bandbreitendichte weiter zu erhöhen, falls ein Bedarf steigt. Entsprechend zu der Nutzlast der 2 können Antennen mit einem Durchmesser von 30 cm für Zellen 104 verwendet werden, die direkt unter der Plattform 106 liegen, und Antennen mit einem Durchmesser von 45 cm werden für Zellen 104 benötigt, die am Rand des Versorgungsbereichs liegen, um Kommunikationsverbindungen für die nominelle E1-Datenrate (2.048 MBPS) aufrechtzuerhalten.
Der Nebenkeulenpegel für diese Antennen der Benutzer-Anschlüsse 110–114 bei einem Ka-Band ermöglicht ein hexagonales Packen von 37 Plattformen 106, wie in 3 gezeigt, mit minimaler wechselseitiger Interferenz. Jede Plattform wandert entlang eines Flugwegs 118, der einen Radius 300 mit einem Abstand D aufweist. Der Abstand 302 zwischen Plattformen beträgt 8,6 mal D. Diese Konfiguration erhöht eine Bandbreitendichte in dem Überlappungsbereich auf 222 MHz/km². Die Interferenz zwischen den GEO-Ka-Band-Anschlüssen und dem System der vorliegenden Erfindung kann mit räumlichen Trennungen gemildert bzw. gemäßigt werden.
Systemoptimierung
Das System der vorliegenden Erfindung kann auf viele Weisen skaliert und optimiert werden, wenn es in verschiedenen Märkten eingesetzt wird. Die Nutzlast kann durch Durchsatzstufen der Größe 6 GHz entsprechend einem einzelnen Gateway 108 konstruiert werden. Die Antennenbündel können selektiv bestückt sein, um wichtige Zellen 104 zu versorgen. Die Nutzlast kann aufgerüstet und erneut konfiguriert werden, wenn die Plattformen 106 für eine Wartung zurückgeholt werden. Die Plattform 106 kann für eine engere Positionsstabilisierung bei kleineren Nutzlasten optimiert werden. Entsprechend kann die Größe der Zelle 104 für eine höhere Bandbreitendichte verringert werden. Die Kapazität des Gesamtsystems 100 kann wiederum mit mehreren Plattformen 106 über einem Versorgungsbereich 102 aufrechterhalten werden.
Ablaufdiagramm
4 stellt ein Flussdiagramm dar, das exemplarische Schritte veranschaulicht, die zum Umsetzen der vorliegenden Erfindung in die Praxis verwendet werden.
Ein Block 400 veranschaulicht ein Durchführen des Schritts eines Sendens eines ersten Signals von dem Benutzer-Anschluss an eine stratosphären-basierte Kommunikationsplattform.
Ein Block 402 veranschaulicht eine Durchführung des Schritts eines Sendens des ersten Signals von der stratosphären-basierten Kommunikationsplattform an eine Gateway-Bodenstation.
Ein Block 404 veranschaulicht ein Durchführen des Schritts eines Sendens des ersten Signals von der Gateway-Bodenstation an das terrestrisch-basierte bzw. erdbasierte Netz.
Schlussfolgerung
Dies schließt die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ab. Die folgenden Absätze beschreiben einige alternative Verfahren zum Erzie len gleicher Aufgaben. Die vorliegende Erfindung kann, obwohl sie in Bezug auf Funk- und elektrische Systeme beschrieben wurde, auch bei optischen Systemen verwendet werden, um die gleichen Ziele zu erreichen. Des Weiteren können die Plattformen in verschiedenen Höhen stationiert sein, unterschiedliche Packdichten aufweisen oder verschiedene Nutzlasten verwenden, um im Wesentlichen die gleichen Funktionen, wie hier beschrieben, zu erzielen.
Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kommunizieren und eine Kommunikationssystemvorrichtung. Die Kommunikationsplattform befindet sich an einem Ort in der Stratosphäre und kommuniziert direkt mit einem Benutzer-Anschluss, empfängt eine Information von dem Benutzer-Anschluss und sendet eine Information an den Benutzer-Anschluss. Das Gateway kommuniziert mit der Kommunikationsplattform und koppelt den Benutzer-Anschluss über die Kommunikationsplattform an ein erdbasiertes Netz.
Das Verfahren weist ein Senden eines ersten Signals von dem Benutzer-Anschluss an eine stratosphären-basierte Kommunikationsplattform, ein Senden des ersten Signals von der stratosphären-basierten Kommunikationsplattform an eine Gateway-Bodenstation und ein Senden des ersten Signals von der Gateway-Bodenstation an das erdbasierte Netz auf.
Die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde lediglich zu Illustrations- und Beschreibungszwecken dargestellt. Es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die präzise offenbarte Form zu beschränken, noch erschöpft sie diese. Viele Modifikationen und Abwandlungen sind im Lichte der obigen Lehre möglich. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung nicht durch diese detaillierte Beschreibung beschränkt ist, sondern vielmehr durch die hier beigefügten Ansprüche.

Claims

Kommunikationssystem (100), mit: einer Vielzahl von Kommunikationsplattformen (106), wobei sich jede Kommunikationsplattform entlang eines Weges bewegt, der sich an einem stratosphären-basierten, im Wesentlichen geostationären Ort befindet, wobei jede Kommunikationsplattform (106) einen Transponder aufweist, der zum direkten Kommunizieren mit einem Benutzer-Terminal (110–114), zum Empfangen einer Information von dem Benutzer-Terminal (110–114) und zum Senden einer Information an das Benutzer-Terminal (110–114) angepasst ist; und einem Gateway (108), das zum Kommunizieren mit einer der Kommunikationsplattformen (106) und zum Koppeln des Benutzer-Terminals (110–114) über die Kommunikationsplattform (106) an ein terrestrisches Netzwerk (120) angepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Bewegungsweg einen Radius D aufweist, und die Entfernung zwischen zwei benachbarten Plattformen das 8,6-fache von D ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gateway (108) zum Kommunizieren mit mehr als einer Kommunikationsplattform (106) angepasst ist.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Benutzer-Terminal (110–114) für eine Kommunikation mit lediglich einer Kommunikationsplattform (106) angepasst ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Benutzer-Terminal (110–114) für eine Kommunikation mit der Kommunikationsplattform (106) in einem ersten Frequenzband angepasst ist, und dass die Kommunikationsplattform (106) für eine Kommunikation mit dem Gateway (108) in einem zweiten Frequenzband angepasst ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der stratosphären-basierte, im Wesentlichen geostationäre Ort der Kommunikationsplattform (106) innerhalb einer vorbestimmten Entfernung zum Benutzer-Terminal (110–114) liegt, um eine Kommunikation zwischen der Kommunikationsplattform (106) und dem Benutzer-Terminal (110–114) aufrecht zu erhalten.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Kommunikationsplattformen (106) hexagonal gepackt ist.
Kommunikationssignal, welches durch ein Durchführen der folgenden Schritte erzeugt wird: Senden eines ersten Signals von einem Benutzer-Terminal (110–114) an eine Plattform einer Vielzahl von stratosphären-basierten, im Wesentlichen geostationären Kommunikationsplattformen (106), wobei sich diese auf einem Weg mit einem Durchmesser D bewegen und wobei jede um 8,6 D von einer benachbarten Plattform entfernt ist; Empfangen/Senden des ersten Signals von einer der Vielzahl von stratosphären-basierten, im Wesentlichen geostationären Kommunikationsplattformen (106) zu einer Gateway-Bodenstation (108); und Senden des ersten Signals von der Gateway-Bodenstation (108) an ein terrestrisches Netzwerk (120).
Kommunikationssignal nach Anspruch 7, wobei die Vielzahl von stratosphären-basierten, im Wesentlichen geostationären Kommunikationsplattformen (106) hexagonal gepackt ist.
Verfahren zum Kommunizieren zwischen einem Benutzer-Terminal (110–114) und einem terrestrischen Netzwerk (120), mit den Schritten: Senden eines ersten Signals von dem Benutzer-Terminal (110–114) zu einer Vielzahl von stratosphären-basierten, im Wesentlichen geostationären Kommunika tionsplattformen (106), wobei sich jede auf einem Weg mit einem Radius D bewegt und um 8,6 D von einer benachbarten Plattform entfernt ist; Senden/Empfangen eines ersten Signals von einer Plattform der stratosphären-basierten, im Wesentlichen geostationären Kommunikationsplattform (106) zu einer Gateway-Bodenstation (108); und Senden des ersten Signals von der Gateway-Bodenstation (108) an das terrestrische Netzwerk (120).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Vielzahl von stratosphären-basierten, im Wesentlichen geostationären Plattform (106) hexagonal gepackt ist.