DE60126792T3 - Aufbau einer zurückverbindung mit begrenzter leistungspektrumsdichte für mobiles satelliten kommunikationssystem - Google Patents

Aufbau einer zurückverbindung mit begrenzter leistungspektrumsdichte für mobiles satelliten kommunikationssystem Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft Systeme zum Übermitteln von Fernsehprogramm- und Datendiensten an mobile Plattformen, wie bspw. Flugzeuge, und insbesondere ein Verfahren zum Verwalten der Funk- bzw. Hochfrequenzübertragungen einer Vielzahl von mobilen Plattformen, wie bspw. Flugzeuge, die einen satellitengestützten Funkfrequenztransponder teilen, und ein System zum Überwachen und Steuern einer Leistungsspektraldichte, um zu gewährleisten, dass eine Gesamt-Leistungsspektraldichte der Funkfrequenzübertragungen vorbestimmte Regel-Leistungsspektraldichte Grenzen für Interferenz mit geostationären und nicht-geostationären Satelliten nicht überschreiten, die das Frequenzband teilen.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • EP-A-0 805 568 (TRW) offenbart ein Leistungs-Steuerungsverfahren für ein Satellitensystem.
  • Breitbanddaten und Videodienste, von denen unsere Gesellschaft und Ökonomie immer stärker abhängen, sind bis heute allgemein nicht einfach für Benutzer an Bord von mobilen Plattformen verfügbar, wie bspw. Flugzeuge, Schiffe, Züge, Automobile, etc. Während die Technologie existiert, um solche Dienste an alle Formen von mobilen Plattformen zu übermitteln, waren frühere Lösungen im Allgemeinen ziemlich teuer, hatten niedere Datenraten und/oder waren nur für sehr begrenzte Markte von Regierungs-/Militärbenutzern verfügbar und einige High-End-Marineanwendungen (d. h. Kreuzfahrtschiffe).
  • Aktuell sind eine breite Vielzahl von Rundsendefernseh(TV-)Dienste für terrestrische Benutzer über Satellitenverbindungen verfügbar. Solche Dienste umfassen kommerzielle Direct-Broadcast-Satelliten(DBS)-Dienste (wie bspw. DirecTV und EchoStar) und Kundenvideo, wie bspw. rebroadcast video, über private feste Satellitendienste (FSS) oder Broadcast-Satellite-Services(BSS-)Satelliten. Die Datendienste, die über Satellitenverbindung bereitgestellt werden können, umfassen alle herkömmlichen Internet-Dienste (bspw. E-Mail, Web Browsing, NetMeeting, etc.) sowie virtuelle private Netzwerke (VPNs) für Firmen- und Regierungskunden.
  • Früher entwickelte Systeme, die versucht haben, live TV und Datendienste an mobile Plattformen zu übermitteln, haben dies nur mit begrenztem Erfolg getan. Ein Haupthindernis waren die hohen Zugangskosten zu Broadbanddaten und Videodiensten. Ein anderes Problem ist die begrenzte Kapazität der früher entwickelten Systeme, die nicht ausreichend für mobile Plattformen ist, die Dutzende oder sogar Hunderte von einzelnen Personen tragen, die gleichzeitig unterschiedliche Programmkanäle oder unterschiedliche Datendienste anfordern können. Ferner sind momentan existierende Systeme allgemein nicht einfach skalierbar, um den Anforderungen der reisenden Öffentlichkeit Rechnung zu tragen.
  • Gewisse Dienste, die momentan verfügbar sind, stellen eine begrenzte Teilmenge der zuvor beschriebenen Dienste bereit. Ein solcher Dienst liefert eine schmalbandige Internet-Verbindung für Benutzer auf einer mobilen Plattform. Ein anderer Dienst liefert entweder TV-Broadcast-Dienste von verfügbaren Direct-Broadcast-Signalen (d. h. EchoStar und DirectTV) oder liefert ein Kunden-TV-Broadcast-Signal über zugeordnete Satellitenverbindungen (d. h. Airshow). Allerdings existiert momentan kein System oder Verfahren, um Hochgeschwindigkeitsdaten-Netzwerkdienste (nämlich größer als 64 Kbps) an Benutzergruppen auf mobilen oder entfernten Plattformen bereitzustellen, um solche Hochgeschwindigkeits-Netzwerkdienste zusammen mit Videodiensten anzubieten.
  • Es gibt verschiedene Betriebssysteme, die begrenzte Internet-Datendienste auf kommerziellen Fluglinien und Kreuzfahrtschiffen bereitstellen. Diese Systeme sind bezüglich ihrer Verbindungsfähigkeit (hauptsächliche Benutzung von Kommunikationsverbindungen, die für die Telefonie entwickelt wurden) sehr begrenzt, und der Dienst ist sehr teuer (mehr als etwa $ 1,00 pro Minute für die Sprachverbindung). Aus diesen Gründen und im Hinblick auf zugehörige Beschränkungen bezüglich der Kapazität solcher Systeme, haben solche Systeme nur begrenzten kommerziellen Erfolg und Akzeptanz gefunden.
  • Momentane Betriebssysteme benutzen allgemein Inmarsat Satelliten-Kommunikationsverbindungen oder terrestrische drahtlose Kommunikationsverbindungen (d. h. the National Air Telephone System „NATS”), um eine 2-Wege-Verbindung zu mobilen Plattformen zu erzielen. Diese Verbindungsformen haben mehrere Nachteile:
    • 1) eine begrenzte Verbindungsbandbreite (typischerweise weniger als 64 Kbps);
    • 2) begrenzte Gesamt-Systemkapazität (Grund eines begrenzten Frequenzspektrums); und
    • 3) hohe Kosten.
  • Inmarsat arbeitet im L-Band-Frequenzspektrum, wo eine sehr kleine Bandbreite und Kapazität zum Bereitstellen von Broadband-Diensten an die reisende Öffentlichkeit zur Verfügung steht. NATS-basierte Lösungen (nämlich GTE Airfone, AT&T Claircom), mit denen die Reisenden auf Inlandsflügen vertraut sind, die Sitzlehnenmontierte Telefone benutzen, liefern ebenfalls eine sehr begrenzte Kapazität, da der Betrieb im L-Band ist. Diese Systeme leiden ebenfalls an dem zusätzlichen Problem, dass die Verbindung nur über Land verfügbar ist.
  • Aktuelle mobile Plattform-Verbindungsverfahren sind inhärent schmalbandig und beschränken den Datenfluss auf den Punkt, wo allgemeine Netzwerkaufgaben unmöglich sind. Typischerweise wird diese Konnektivität durch Verwendung von Standard-Computer-Telefonmodems zwischen dem Computer des Benutzers und dem bodengestützten oder schiffgestützten Telefonsystem erzielt. In diesem Szenario bekommt jeder Benutzer exklusive Nutzung eines vollen Kommunikationskanals für die Dauer seiner Netzwerksession und hindert wirksam andere daran, den Teil des Telefonsystems zu nutzen.
  • Bei den heutigen Datensystemen, die versuchen, ein Mittel bereitzustellen, mit dem eine Vielzahl von mobilen Plattformendaten zu einem geteilten satellitenbasierten Transponder senden, wurde ein bestimmtes Problem, wie eine Vielzahl von mobilen Sende-Endgeräten mit schmaler Apertur betrieben und verwaltet werden können, die geographisch gesehen über ein breites Gebiet verteilt sind, wobei jedes mobile Endgerät mit einem unterschiedlichen Leistungsspektraldichte(PSD)-Pegel entsprechend seiner spezifischen Aperturgröße sendet, entsprechend dem Ort der mobilen Plattform und der Datenrate, mit der die Daten gesendet werden. Es versteht sich, dass luftgestützte Antennen, wie bspw. elektronische phasengesteuerte Gruppenantennen (PAAs), dazu neigen, hinsichtlich ihrer Aperturgröße kleiner zu sein als herkömmliche terrestrische Antennen. Dies liegt daran, dass eine wichtige Anforderung ein niedriger aerodynamischer Widerstand der Antenne ist. Deshalb neigen mobile plattformgestützte Sendeantennen dazu, breitere Antennenstrahlen zu haben als herkömmliche terrestrische Antennen mit sehr kleiner Apertur (VSAT; Very Small Aperture) (typischerweise eine Apertur von etwa einem Meter Durchmesser). Als Ergebnis strahlen sie mehr Leistung zu benachbarten Satelliten entlang der geostationären Umlaufbahn(GSO)-Ebene aus. Ebenfalls können mobile Sendeantennen mit Kommunikation auf Satelliten in nicht-geostationären Umlaufbahnen (NGSOs) interferieren. Anders ausgedrückt, können solche mobile Sendeantennen leicht Signale erzeugen, die mit dem Betrieb von GSO- und NGSO-Satelliten interferieren, die benachbart zu dem Zielsatelliten sind.
  • Es gibt strenge Durchführungsanforderungen, die von der Durchführungsagentur, wie bspw. die Federal Communications Commission (FCC) und der International Telecommunications Union (ITU) bezüglich der maximale Leistungsspektraldichte (PSD) gesetzt werden, die zu benachbarten GSO- und NGSO-Satelliten abgestrahlt werden darf. Wenn eine Vielzahl von mobilen Plattformen RF- bzw. HF-Signale an einen gemeinsamen Transponder innerhalb eines vorgegebenen Abdeckungsgebiets senden, wird es sehr schwierig, die PSD einzelner mobiler Plattformen zu verwalten, um zu gewährleisten, dass die „Gesamt-”PSD nie über die vorgeschriebenen Grenzen hinausgeht, während gleichzeitig versucht wird, die Gesamtzahl von mobilen Plattformen zu maximieren, die Zugriff auf den Transponder haben.
  • Eine früher entwickelte Lösung, um mit dem zuvor beschriebenen Problem des Verwaltens der Übertragungen einer Vielzahl von Sendern umzugehen, die auf einen einzelnen Transponder zugreifen, besteht darin, Mehrkanal-pro-Träger(MCPC; multi-channel-per-carrier)-Betrieb zu verwenden. Bei diesem Verfahren, das von Intelsat entwickelt wurde, ist jeder VSAT-Antenne ein Bereich der Satelliten-Transponderbandbreite zugeteilt. Mit anderen Worten benutzt dieses Verfahren einen Frequenz-gemultiplexten Mehrfachzugriff (FDMA; frequency division multiple access), um mehreren Endgeräten zu ermöglichen, gleichzeitig Zugriff auf den Transponder zu haben. Indem diese Technik eingesetzt wird, sendet nur ein Endgerät (Träger) in jedem Kanal mit einer PSD unterhalb der vorgeschriebenen Grenze. Dieses Betriebsverfahren geht verschwenderisch mit PSD um, da die nicht benutzte PSD in jedem Kanal nicht genutzt werden kann. Ferner kann MCPC nicht an einen effizienten PSD-Betrieb angepasst werden, da die Kanalverwaltung prohibitiv komplex wird, insbesondere für Anwendungen, die mobile Endgeräte benutzen. Diese Erfindung liefert eine einfache Verbindungsverwaltungslösung für mobile Plattformen mit zeitvariierenden PSDs. Gleichzeitig haben zeitgemultiplexte Mehrfachzugriffs(TDMA; time division multiple access)-Verfahren nur ein Endgerät, das einen Kanal oder einen Zeitschlitz zu einem Zeitpunkt zugreift, so dass die verfügbare Kanal-PSD fest ist und üblicherweise die Anforderungen der Kanalbenutzer überschreitet. Deshalb wird PSD verschwendet und kann nicht wiederverwendet werden. Bei diesem früher entwickelten Verfahren treten gewöhnlicherweise die einzelnen Zugriffe nicht bei maximal zulässiger PSD auf, so dass es gewöhnlich einen bestimmten Betrag von PSD gibt, der unbenutzt oder verschwendet in jedem Kanal ist. Dies ist der Hauptnachteil aller früher entwickelten Verfahren.
  • Die zuvor beschriebenen Szenarien, wo nur ein Endgerät innerhalb eines Kanals oder Zeitschlitzes zu einem beliebigen Zeitpunkt sendet, stellt somit das klassische Problem der Zuordnung einer Ressource fester Größe (nämlich PSD) an Benutzer mit variabler Größe dar. Die Ressource mit fester Größe muss dann für den schlechtesten Fall (nämlich maximale PSD) bemessen werden, so dass es immer bei diesen Lösungswegen Ineffizienz gibt. Falls die Variationen zwischen den Benutzern klein ist, kann dann die Ineffizienz angemessen niedrig sein, aber für jede andere Anwendung, wo es große Unterschiede bezüglich der Benutzer-PSD-Anforderungen gibt, ist die Ineffizienz wesentlich.
  • Ein anderes früher entwickeltes Verfahren, um mehreren Endgeräten Zugriff auf einen einzelnen Transponder zu geben, ist Codemultiplex-Mehrfachzugriff (CDMA; code division multiple access), wobei ein einzelner Kanal von mehreren Benutzern geteilt wird. Ein effizienterer Betrieb kann mit CDMA erreicht werden, da ein großer Pool von Benutzern eine gemeinsame Ressource (nämlich den Transponder) teilen. Die meisten CDMA-Systeme arbeiten ohne Beschränkung der Gesamt-PSD (wie bspw. Zellphonsysteme). Typischerweise senden Benutzer-Endgeräte oder Handgeräte mit einem Leistungspegel, der erforderlich ist, um Interferenz zu überwinden ohne jegliche vorgeschriebenen Beschränkungen der Gesamt-PSD. Bei diesem Betriebsverfahren gibt es statistische Variationen der PSD-Pegel und Interferenz zwischen Benutzern, die für Satelliten-Datenkommunikationssysteme hoher Qualität nicht erreichbar wären. Im Gegenteil, müssen satellitenbasierte Kommunikationssysteme häufig innerhalb strenger vorgeschriebener Grenzen der Gesamt-PSD arbeiten. Dies ist insbesondere kritisch im Bereich des Ku-Bands von Fixed Satellite Services (FSS), wo Mobile Satellite Services (MSS) eine Sekundärfrequenzbelegung durch die ITU erhalten und garantieren müssen, dass keine Interferenz mit den Haupt-FSS-Systemen auftritt. Somit erfordert das Verwalten von CDMA-Satellitensystemen in einer PSD-beschränkten Umgebung neue Verfahren zum Verwalten der Gesamt-PSD, die von allen Benutzer-Endgeräten erzeugt wird, insbesondere, wenn die Endgeräte auf mobilen Plattformen, wie bspw. Flugzeugen, vorgesehen sind.
  • Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zum Verwalten der Gesamt-PSD vorzusehen, die von einer Vielzahl von mobilen Endgeräten erzeugt wird, die innerhalb eines vorgegebenen Abdeckungsgebiets arbeiten und die Zugriff auf einen geteilten satellitenbasierten Transponder haben, so dass die gesamte PSD nicht die vorgeschriebenen PSD-Grenzen für Interferenz mit GSO- und NGSO-Satelliten übersteigt.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zum Benutzen eines zentralen Steuerungssystems bereitzustellen, um die PSD jedes mobilen Endgeräts einer Vielzahl von mobilen Endgeräten bereitzustellen, die innerhalb eines vorgegebenen Abdeckungsgebiets arbeiten und Zugang auf einen geteilten satellitenbasierten Transponder haben, und um zu gewährleisten, dass die Gesamt-PSD der HF-Signale, die von den mobilen Endgeräten gesendet werden sollen, eine vorbestimmte Regel-PSD-Grenze nicht übersteigen und die eingesetzt wird, um HF-Übertragungen durch jedes mobile Endgerät zu autorisieren.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen und Autorisieren von Übertragungen von einer Vielzahl von mobilen Endgeräten bereitzustellen, die jeweils HF- bzw. RF-Signale mit unterschiedlichen PSDs erzeugen, und die arbeiten, um Zugriff auf satellitenbasierte Transponder über die mobilen Endgeräte zu verwalten, so dass die Gesamt-PSD der Übertragungen von allen mobilen Endgeräten eine vorbestimmte Regel-PSD-Grenze nicht übersteigt. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuerungssystem anzugeben, das einen Zugriff auf den satellitenbasierten Transponder aufweist, falls ein solcher Zugriff dazu führen würde, dass die Gesamt-PSD die vorbestimmte Regel-PSD-Grenze überschreiten würde, und um einen Zugriff auf den Transponder zuzulassen, falls die Gesamt-PSD unter der Regel-Grenze liegt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorherigen und andere Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen von Fernseh- und Datendiensten für mobile Plattformen wie in Ansprüchen 1 bzw. 3 definiert. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verwalten der Gesamt-PSD einer Vielzahl von mobilen Endgeräten, die innerhalb eines vorgegebenen Abdeckungsgebiets arbeiten und auf einen gemeinsamen satellitengestützten Transponder zugreifen, so dass die axiale und außer-axiale Gesamt-PSD die vorbestimmten Regel-PSD-Grenzen für GSO- und NGSO-Interferenz nicht überschreiten. In einer bevorzugten Ausführungsform macht das System der vorliegenden Erfindung Gebrauch von einem bodengestützten Segment mit einem zentralen Controller.
  • Jedes mobile Endgerät sendet ein „Request-for-Authorization-to-Transmit” („Anforderung-zur-Autorisierung-zum-Senden”)-Signal an den satellitengestützten Transponder, das dann von dem Transponder zu der Bodenstation weitergeleitet wird, die die Anforderung empfängt und sie an den zentralen Controller weiterleitet. Dieses Signal umfasst eine Vielzahl von Informationen, die es dem zentralen Controller ermöglicht, die axiale und außer-axiale PSD des RF- bzw. HF-Signals zu bestimmen, die dann von dem jeweiligen mobilen Endgerät gesendet wird, falls ihm eine Autorisierung zum Senden gegeben wurde. Diese Information umfasst typischerweise den Ort des mobilen Endgeräts (d. h. der Ort als Länge und Breite der mobilen Plattform, die mit dem mobilen Endgerät in Verbindung steht), den Ort des satellitengestützten Transponders, an den es sendet, den Typ und das Design der Sendeantenne, die von dem mobilen Endgerät benutzt wird, die Sendeleistung (Pi) des mobilen Endgeräts und die Ausrichtungskoordinaten der mobilen Sendeantenne (d. h. Azimut- und Elevationswinkel). Optional können der Richtungswinkel, Nick- und Rollwinkel der mobilen Plattform anstelle der Antennenkoordinaten gesendet werden. Der zentrale Controller benutzt die zuvor genannten Informationen, um die PSD des HF-Signals zu bestimmen, das gesendet werden soll von dem mobilen Endgerät, und fügt sie zu der axiale und außer-axiale Gesamt-PSD der anderen mobilen Plattformen hinzu, die den Transponderkanal teilen. Der zentrale Controller vergleicht dann die neue Gesamt-PSD mit einer vorgegebenen Regel-PSD-Grenze, um zu gewährleisten, dass die PSD-Grenze nicht überschritten wird, falls das mobile Endgerät senden darf. Falls die PSD-Grenze nicht überschritten werden wird, sendet dann der zentrale Controller ein „Authorization-to-Transmit”(„Autorisierung-zum-Senden”)-Signal über den satellitengestützten Transponder zu dem mobilen Endgerät und autorisiert die HF-Übertragung durch das mobile Endgerät.
  • Jedes mobile Endgerät, das innerhalb des Abdeckungsgebiets arbeitet, sendet ein Request-to-Transmit- bzw. Anforderung-zum-Senden-Signal an den zentralen Controller über den satellitenbasierten Transponder. Der zentrale Controller bestimmt die axiale und außer-axiale PSD jedes mobilen Endgeräts und summiert die PSDs zusammen, um die axiale und außer-axiale Gesamt-PSD zu erzeugen. Nur falls die axiale und außer-axiale Gesamt-PSD unterhalb der Regel-PSD-Grenze liegt, autorisiert dann der zentrale Controller ein bestimmtes mobiles Endgerät zu senden. Falls die PSD von irgendeinem nachfolgenden mobilen Endgerät, das eine Sendeautorisierung anfordert, von dem zentralen Controller bestimmt wird, um eine axiale und außer-axiale Gesamt-PSD zu erzeugen, die die vorbestimmte Regel-PSD-Grenze überschreiten würde, wird dann der zentrale Controller die Autorisierung zum Senden dem mobilen Endgerät, das die Anforderung abgibt, verweigern. Auf diese Weise wird es einer Vielzahl von mobilen Endgeräten ermöglicht, auf dem satellitengestützten Transponder zuzugreifen unter der Voraussetzung, dass die axiale und außer-axiale Gesamt-PSD der HF-Übertragungen von jeder mobilen Plattform die vorbestimmte Regel-PSD-Grenze nicht überschreitet. Auf diese Weise wird die Effizienz des Systems auch maximiert durch einen Betrieb nahe der Regel-PSD-Grenze (mit einem ausreichenden Abstand für Fehler beim Abschätzen der PSD). Die vollständige Nutzung der Kapazität der teuren Satellitentransponder ist notwendig, um die Betriebskosten des Systems zu reduzieren und die Profitabilität zu maximieren.
  • Um den zuvor beschriebenen Betrieb zu erreichen, wird das HF-Sendesignal von jedem mobilen Endgerät bzgl. der Frequenz gespreizt, um die PSD an jeder vorgegebenen Frequenz zu reduzieren. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die PSD jedes mobilen Endgeräts über die gesamte Bandbreite (B) des Satellitentransponders gespreizt. Mehrere mobile Endgeräte teilen gleichzeitig den Zugriff auf den Rückverbindungstransponder, in dem dieses Verfahren benutzt wird. Typischerweise können mehrere zehn oder sogar Hunderte von mobilen Endgeräten gleichzeitig einen Transponder teilen, während der zentrale Controller die axiale und außeraxiale Gesamt-PSD unterhalb der Regel-Grenzen hält.
  • Bei einer bevorzugten alternativen Umsetzung wird die PSD jedes mobilen Endgeräts über einen vorbestimmten Frequenzkanal innerhalb der Transponderbandbreite gespreizt, so dass die Transponderbandbreite in eine Vielzahl von N-Frequenzkanälen geteilt wird und die Kanalbandbreite B/N ist (wobei „B” die volle Transponderbandbreite darstellt). Jedes mobile Endgerät wird einem bestimmten Kanal zugeordnet und spreizt sein Signal über die volle Kanalbandbreite. Mehrere mobile Endgeräte werden zu einem Betrieb in jedem Kanal zugeteilt, während das zentrale Steuerungssystem die Gesamt-PSD in jedem Kanal unterhalb der Regel-Grenzen hält.
  • In beiden zuvor genannten Ausführungsformen der Erfindung wird ein Mittel zum Spreizen des Sendesignals bezüglich der Frequenz benötigt. Während eine Anzahl von unterschiedlichen gemeinsam genutzten Spreizverfahren bei dieser Erfindung eingesetzt werden kann, ist das bevorzugte Spreizverfahren das direkte Sequenzspreizspektrum (direct sequence spread spectrum), das einen Pseudorausch(PN)-Code einsetzt, um die Signalenergie über ein vorbestimmtes Frequenzband zu verteilen. Mehrer mobile Endgeräte können gleichzeitig auf einen einzelnen Transponder oder Transponderkanal zugreifen, indem unterschiedliche PN-Spreizcodes verwendet werden. Nachdem die Signale von den mobilen Endgeräten von dem Satellitentransponder empfangen sind und an die Bodenstation zurückübertragen sind, trennt ein Empfänger in der Bodenstation die Signale von jedem mobilen Endgerät, indem ein Filter verwendet wird, das an den jeweiligen PN-Code angepasst ist, der jedem mobilen Endgerät zugeordnet ist. Interferenz zwischen mehreren mobilen Endgeräten kann durch Zeitsynchronisation der PN-Code-Übertragungen von mehreren mobilen Endgeräten minimiert werden, aber in der Praxis ist dies schwierig zu erreichen bei mobilen Endgeräten, so dass die bevorzugte Ausführungsform asynchrone Code-Übertragungen benutzt.
  • Ein Schlüsselmerkmal der Erfindung besteht darin, dass sie einen Anfrage zugeordneten Mehrfachzugriff der mobilen Endgeräte bereitstellt. Mobile Endgeräte fordern Datenraten entsprechend dem momentanen Bedarf nach Datenrate von Benutzern der mobilen Endgeräte an und geben sie wieder frei. Die Sendeleistung, die von dem mobilen Endgerät zum Senden zu dem Satelliten und zurück zu der Bodenstation erforderlich ist, ist proportional zu der Datenrate. So verarbeitet der zentrale Controller Anfragen nach unterschiedlichen Datenraten von den mobilen Endgeräten als Änderungen der Sendeleistung und damit der PSD. Folglich sind Anforderungen nach erhöhter Datenrate tatsächlich Anfragen nach mehr PSD und der zentrale Controller muss prüfen, ob die axiale und außer-axiale Gesamt-PSD geringer ist als die PSD-Regel-Grenze vor der Erfüllung der Anfrage in der Weise wie zuvor beschrieben. Alternativ, falls das mobile Endgerät eine nicht genutzte Datenrate freigibt, wird dann der PSD-Anteil von der Gesamt-PSD subtrahiert, so dass diese PSD für andere mobile Endgeräte, die den Transponder oder den Kanal teilen, zur Verfügung steht.
  • Die NOC fragt periodisch alle inaktiven luftgestützten Endgeräte ab, indem eine Vorwärtsverbindung benutzt wird. Die Anfrage- bzw. Polling-Nachricht spezifiziert einen Rückverbindungstransponder, für den das NOC ausreichend Kapazität reserviert hat im Hinblick auf EIRP-Spektraldichte im geostationären Bogen („GSO-arc”), um Übertragungen des luftgestützten Endgeräts zu erlauben. Wenn ein luftgestütztes Endgerät die Polling-Nachricht empfängt, sendet es eine Antwort an das NOC über den zugeordneten Rückverbindungstransponder, und das NOC weist dem luftgestützten Endgerät einen „Aktiv”-Status zu.
  • Die bevorzugten Umsetzungen der vorliegenden Erfindung machen ferner Gebrauch von einem dualen Leistungssteuerungs- bzw. Regelungsverfahren mit geschlossener Schleife, durch das der zentrale Controller mit jedem der mobilen Endgeräte innerhalb des Abdeckungsgebiets kommuniziert, entsprechend einer ersten geschlossenen Regelschleife, und instruiert jedes der mobilen Endgeräte durch Senden von Befehlen, um die Sende-EIRP zu erhöhen oder zu reduzieren wie dies benötigt wird, basierend auf einem Empfangs-Signalrauschverhältnis („Eb/No”) des überwachten Signals, um die Geschlossenheit der Kommunikationsverbindung aufrecht zu erhalten. Mit diesem Verfahren misst die Bodenstation das Eb/No der empfangenen HF-Signale und sendet periodisch Befehle zurück zu den mobilen Endgeräten, um die Sendeleistung von jedem mobilen Endgerät zu erhöhen oder zu reduzieren, um die Eb/No innerhalb eines gewünschten Regelbereichs zu halten.
  • In dem Intervall zwischen Leistungs-Regelungsbefehlen wird eine zweite Regelschleife von dem mobilen Endgerät verwendet, um die Sende-EIRP auf dem Sollpegel zu halten. Die zweite geschlossene Regelschleife wird zum Stabilisieren der Sende-EIRP während Schneller-Bewegungen und/oder Lageänderungen der mobilen Plattform benötigt. Die zweite geschlossene Regelschleife reduziert somit die Leistungs-Regelungsfehler, die durch die Laufzeitverzögerung zwischen dem bodengestützten zentralen Controller und dem mobilen Endgerät verursacht wird, wobei die Verzögerung etwa im Bereich von 0,5 Sekunden Laufzeit liegt.
  • Bei einer alternativen Leistungs-Regelungsimplementierung mit offener Schleife bestimmt jedes mobile Endgerät dessen Position auf der Erde und dessen Lage. Es wird ebenfalls versorgt mit gespeicherter Information, die den Ort des satellitengestützten Transponders betrifft, mit dem es kommunizieren wird. Aus dieser Information schätzt das mobile Endgerät die Rückverbindungsverluste, die auftreten werden während der Übertragung der HF-Signale zu dem Satelliten und stellt dessen Sendeleistung entsprechend ein. Mit diesem Verfahren muss das mobile Endgerät periodisch den zentralen Controller von dessen Sendeleistung, Position und Lage informieren, so dass dessen PSD-Beitrag überwacht werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung nutzt ebenfalls ein „umgekehrtes Berechnungs”-(reverse calculation-)Verfahren für eine genauere Bestimmung des PSD-Beitrags jedes mobilen Endgeräts. Das „Reverse-Calculation”-Verfahren ist ein noch genaueres Verfahren zum Bestimmen der Flugzeug-PSD als die „Vorwärtsberechnung” der mobil-Endgeräte-PSD, in dem eine Schätzung der Sende-EIRP vorgenommen wird, die von dem mobilen Endgerät gemacht wird. In der Praxis ist es für das mobile Endgerät sowohl schwer als auch teuer, die Sende-EIRP genau zu schätzen. Die Erfindung benutzt so ein neues Verfahren zur „umgekehrten Berechnung” der EIRP des mobilen Endgeräts, indem die Empfangs-Eb/No an der Bodenstation bekannt ist und sich rückwärts durch die Verbindung gearbeitet wird, um die entsprechende Sende-EIRP des mobilen Endgeräts zu bestimmen. Sobald die Sende-EIRP bestimmt ist, kann die PSD längs der GEO-Ebene und abseits der GEO-Umlaufbahnebene in der nachfolgend beschriebenen Weise bestimmt werden.
  • In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Rückverbindung zwischen dem mobilen Endgerät und der Bodenstation hinsichtlich der Leistung durch den Teil der Verbindung zwischen dem Flugzeug und dem Satelliten begrenzt. Der Teil der Rückverbindung zwischen dem Satelliten und dem Boden verschlechtert nicht die Leistung der Rückverbindung in der bevorzugten Ausführungsform. In der Praxis wird dies durch Auswahl einer Bodenstationsantenne erreicht, die eine ausreichende Ruheverstärkung gegenüber der Rauschtemperatur (G/T) besitzt. Unter diesen Bedingungen ist die Empfangs-Eb/No an der Bodenstation gleich der Empfangs-Eb/No am Satelliten, und die Gleichung für die umgekehrte Berechnung der EIRP des mobilen Endgeräts ist wesentlich vereinfacht, indem die Benutzung dieses Verfahrens in praktischen Systemen möglich gemacht wird.
  • Sobald die EIRP des mobilen Endgeräts von der NOC bestimmt ist, indem das umgekehrte Berechnungsverfahren verwendet wird, besteht der nächste Schritt darin, den Beitrag der axialen und außer-axialen PSD des mobilen Endgeräts zu berechnen. Um dies zu erreichen, fordert das NOC den Ort und die Lage der mobilen Endgeräte an. Die mobilen Endgeräte müssen deshalb periodisch diese Parameter an das NOC über die Vorwärtsverbindung berichten. Jedes Mal, wenn ein Positions-/Lagebericht von der NOC empfangen wird, wird der Beitrag der axialen und außer-axialen PSD von diesem Endgerät neu berechnet und dessen PSD-Beitrag wird der Gesamt-PSD hinzugefügt. Das Verfahren zur Berechnung der PSD eines mobilen Endgeräts umfasst das Projizieren der EIRP auf die GEO-Ebene, indem ein genaues Antennen-Verstärkungsmodell verwendet wird und die Geometrie bekannt ist, die von dem berichteten Ort und Lage des mobilen Endgeräts definiert wird, und in dem der bekannte Ort des Satelliten benutzt wird.
  • Ein bevorzugtes System zur Umsetzung der Leistungssteuerung über das Rückverbindungssignal von dem mobilen Endgerät ist ebenfalls offenbart. Dieses System macht Gebrauch von einem Abtastwinkel-Kompensator zum Bestimmen des Kompensationssignals, das der Sendeantenne des mobilen Endgeräts zugefügt werden muss, um Leistungsvariationen im Signal Rechnung zu tragen, das von dem mobilen Endgerät gesendet wird, wenn sich die Lage der mobilen Plattform, die das mobile Endgerät trägt, ändert. Eine getrennte Regelungsschleife, die einen Boden-Controller umfasst, und ein Bericht-Algorithmus werden eingesetzt, um die Leistungsvariationen zu prüfen, die an einer Boden- oder Basisstation kommend von einem satellitenbasierten Transponder empfangen werden und um Leistungskorrekturbefehle zurück zu der mobilen Plattform zu liefern, die noch genauer den Leistungspegel des Signals steuern, das von dem mobilen Endgerät gesendet wird. Der Abtastwinkel-Kompensator bildet im Wesentlichen eine Steuerungsschaltung mit offener Schleife, die in Verbindung mit vorgespeicherter Information, die Auswirkungen der Lageänderung der mobilen Plattform auf die Leistungspegel des Signals betrifft, das von dem mobilen Endgerät der mobilen Plattform gesendet wird. Der Abtastwinkel-Kompensator ist in der Lage, die Abtastwinkelmessungen zu analysieren oder auf die benötigte Abtastwinkel-Messungsinformation aus Lageinformation zu schließen, die bspw. von einer Trägheitsreferenzeinheit (IRU) der mobilen Plattform geliefert wird, und um schnell notwendige Änderungen des Leistungspegels des Signals zu bestimmen, das von dem mobilen Endgerät gesendet werden soll, um Interferenz mit Satelliten aus dem Zielsatelliten zu verhindern.
  • Der Bodenschleifensteuerungsabschnitt des Systems arbeitet, um das Eb/No des Signals zu prüfen, das von dem satellitenbasierten Transponder empfangen wird, und um die passenden Leistungspegel-Korrekturbefehle zu bestimmen, die auf das Signal von dem mobilen Endgerät angewendet werden müssen, um Interferenz mit Satelliten in der Nähe des Zielsatelliten zu verhindern. Die Bodenschleifensteuerung sendet Leistungspegel-Korrekturbefehle an das mobile Endgerät über den satellitengestützten Transponder, die dazu dienen, das mobile Endgerät über den benötigten Grad der Leistungspegelkorrektur zu informieren. Vorteilhafterweise, da die Leistungspegel-Korrekturbefehle lediglich einen Wert darstellen, der die inkrementale Veränderung zeigt, die bei dem Leistungspegel des gesendeten Signals erforderlich ist, und da sie nur gesendet werden, wenn die Bodenschleifensteuerung bestimmt, dass eine bedeutende Korrektur angewendet werden kann, erfordern diese Befehle weniger Bandbreite zum Senden als ein Signal, das einen spezifischen Leistungspegel betrifft, der in regelmäßigen Intervallen gesendet wird unabhängig von der Leistungspegelkorrektur, die es beeinflussen würde. Der Abtastwinkel-Kompensator und die Bodenschleifensteuerung liefern somit zwei unabhängige Regelschleifen für eine genauere Steuerung des Leistungspegels des Signals, das von dem mobilen Endgerät gesendet wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die verschiedenen Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für einen Fachmann durch Lesen der nachfolgenden Beschreibung und der angefügten Ansprüche und durch Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen, in denen:
  • 1 eine vereinfachte Blockdiagrammzeichnung ist, die drei Hauptkomponenten des Systems der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 2 ein Blockdiagramm des mobilen Systems ist, das von jeder mobilen Plattform getragen wird;
  • 3 eine Vielzahl von Satelliten zeigt, die entlang eines geostationären Bogens benachbart zu einem Zielsatelliten angeordnet sind, und die mögliche Interferenz zeigt, die durch HF-Übertragungen verursacht werden kann, die für den Zielsatelliten bestimmt sind;
  • 4 ein Abdeckungsgebiet zeigt, das durch das kontinentale USA dargestellt wird, wobei eine Referenz-VSAT-Antenne etwa in der geographischen Mitte des Abdeckungsgebiets angeordnet ist;
  • 5 eine Kurve der maximalen EIRP-Spektraldichte entlang eines geostationären Bogens ist, die unter den heutigen FCC-Regeln für die Referenz-VSAT-Antenne, die in Wichita, Kansas, stationiert ist, erlaubt ist, und den Zielsatelliten in 93° westliche Länge, wie in 4 gezeigt;
  • 6 ein vereinfachtes Diagramm ist, das die Summe der PSD von einer Vielzahl von mobilen Endgeräten darstellt, deren Signale über die gesamte Transponderbandbreite gespreizt sind, und das ebenfalls die Regel-PSD-Grenze zeigt, die nicht überschritten werden darf;
  • 7 ein Diagramm ist, das einen bevorzugten Signal-/Rausch(Eb/No)-Kontrollbereich darstellt, der von dem Leistungs-Regelungsverfahren der vorliegenden Erfindung benutzt wird;
  • 8 eine vereinfachte Darstellung des Elevations-Abtastwinkels einer Antenne eines mobilen Systems zu einem Zielsatelliten darstellt;
  • 9 ein Flussdiagramm der Basisschritte des Betriebs ist, die von dem System der vorliegenden Erfindung zum Verwalten der Zugriffs- und Datenratenanforderungen auf einen geteilten Satellitentransponder ausgeführt werden;
  • 10 eine Darstellung von drei Flugzeugen an unterschiedlichen Orten innerhalb eines gemeinsamen Abdeckungsgebiets ist, die alle Zugriff auf einen einzelnen satellitengestützten Transponder haben;
  • 11–13 Kurven der PSD entlang des GEO-Bogens der HF-Signale sind, die von jedem der drei Flugzeuge gesendet werden, die in 10 gezeigt sind; und
  • 14 ein Diagramm ist, das darstellt, wie die Gesamt-PSD der Signale von den drei Flugzeugen, die in 10 gezeigt sind, unterhalb der Regel-PSD-Grenze an allen Punkten entlang des GEO-Bogens bleibt; und
  • 15 ein Blockdiagramm eines Rückverbindungsleistungs-Controllers entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 16 ein detailliertes Blockdiagramm der Abtastwinkel-Kompensators der vorliegenden Erfindung ist;
  • 17 ein Blockdiagramm des Boden-Schleifen-Controller-Bereichs des Rückverbindungsleistungs-Controllers von 15 ist; und
  • 18 ein detailliertes Blockdiagramm der Komponenten des Steuerungsfilterblocks von 17 ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Bezug nehmend auf 1 ist dort ein System 10 entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, um Dateninhalte zu und von einer Mehrzahl von sich bewegenden Plattformen 12a–12f in einem oder mehreren unterschiedlichen Abdeckungsgebieten 14a und 14b zu übertragen. Das System 10 umfasst allgemein ein Bodensegment bzw. Bodenabschnitt 16, eine Vielzahl von Satelliten 18a–18f, die ein Weltraumsegment 17 bilden, und ein mobiles System 20, das auf jeder sich bewegenden Plattform 12 angeordnet ist. Die sich bewegenden Plattformen können Flugzeuge, Kreuzfahrtschiffe oder andere sich bewegende Fahrzeuge umfassen. Somit soll die Darstellung der sich bewegenden Plattformen 12 als Flugzeuge hier in den Figuren und die Bezugnahme auf die mobilen Plattformen als Flugzeuge in der nachfolgenden Beschreibung nur beispielhaft verstanden werden und soll die Anwendbarkeit des Systems 10 nicht nur auf Flugzeuge beschränken.
  • Das Weltraumsegment 17 kann eine Anzahl von Satelliten 18 in jedem Abdeckungsgebiet 14a und 14b umfassen, die benötigt werden, um für jedes Gebiet eine Abdeckung bereitzustellen. Satelliten 18a, 18b, 18d und 18e sind bevorzugt Ku- oder Ka-Band Satelliten. Satelliten 18c und 18f sind Broadcast-Satellite-Services(BSS; Rundsendesatellitendienste)-Satelliten. Jeder der Satelliten 18 ist in einer geostationären Umlaufbahn (GSO) oder einer nicht-geostationären Umlaufbahn (NGSO) platziert. Beispiele von möglichen NGSO-Umlaufbahnen, die bei dieser Erfindung benutzt werden könnten, umfassen eine niedere Erdumlaufbahn (LEO), eine mittlere Erdumlaufbahn (MEO) und eine sehr elliptische Umlaufbahn (HEO). Jeder der Satelliten 18 umfasst zumindest einen Funkfrequenz- bzw. Hochfrequenz(RF)-Transponder, und insbesondere eine Vielzahl von RF-Transpondern. Beispielsweise ist der Satellit 18a mit vier Transpondern 18a1–18a4 gezeigt. Es versteht sich, dass jeder andere dargestellte Satellit 18 eine größere oder geringere Zahl von RF-Transpondern besitzen könnte, wie dies zum Handhaben der vorhergesagten Anzahl von Flugzeugen 12 benötigt wird, die in dem Abdeckungsgebiet arbeiten. Die Transponder liefern eine „bent-pipe”(gebogene Röhre)-Kommunikation zwischen dem Flugzeug 12 und dem Bodensegment 16. Die Frequenzbänder, die für diese Kommunikationsverbindungen benutzt werden, können jedes Funkfrequenzband von etwa 10 MHz bis 100 GHz umfassen. Die Transponder umfassen bevorzugt Ku-Band-Transponder in dem von der Federal Communications Commission (FCC) und der International Telecommunications Union (ITU) für FSS- oder BSS-Satelliten mit festen Satellitendiensten bestimmt ist. Es können ebenfalls unterschiedliche Transpondertypen eingesetzt werden (d. h. jeder Satellit 18 muss nicht eine Vielzahl von identischen Transpondertypen aufweisen), und jeder Transponder kann mit unterschiedlicher Frequenz arbeiten. Jeder der Transponder 18a1–18a4 umfasst ferner eine breite geographische Abdeckung, eine hohe äquivalente isotrope Abstrahlleistung (EIRP) und eine hohe Verstärkungs-/Rauschtemperatur (G/T).
  • Mit weiteren Bezug auf die 1 umfasst das Bodensegment 16 eine Bodenstation 22 in bidirektionaler Kommunikation mit einem Content-Center 24 und einem Netzwerk-Betriebscenter (NOC) 26. Eine zweite Bodenstation 22a, die in dem Abdeckungsgebiet 14b platziert ist, kann verwendet werden, falls mehr als ein unterschiedliches Abdeckungsgebiet für den Dienst erforderlich ist. Bei diesem Beispiel wäre die Bodenstation 22a ebenfalls in bidirektionaler Kommunikation mit dem NOC 26 über eine terrestrische Bodenverbindung oder ein anderes geeignetes Mittel zum Aufbau einer Kommunikationsverbindung mit dem NOC 26. Die Bodenstation 22a würde ebenfalls in bidirektionaler Kommunikation mit einem Content-Center 24a stehen. Aus Beschreibungsgründen wird das System 10 mit Bezug auf die Abläufe beschrieben, die in dem Abdeckungsgebiet 14a auftreten. Es versteht sich jedoch, dass identische Abläufe relativ zu den Satelliten 18d–18f in dem Abdeckungsgebiet 14b auftreten. Es versteht sich ebenfalls, dass die Erfindung auf jede Anzahl von Abdeckungsgebieten 14 skaliert werden kann, in der Weise, wie sie gerade beschrieben wurde.
  • Die Bodenstation 22 umfasst eine Antenne und eine zugeordnete Antennen-Steuerungselektronik, die zum Senden von Dateninhalten an die Satelliten 18a und 18b benötigt wird. Die Antenne der Bodenstation 22 kann ebenfalls benutzt werden, um Dateninhalt zu empfangen, der von den Transpondern 18a1–18a4 gesendet wurde und der von dem mobilen System 20 jedes Flugzeugs 12 innerhalb des Abdeckungsgebiets 14a stammt. Die Bodenstation 22 kann sich irgendwo innerhalb des Abdeckungsgebiets 14a befinden. In gleicher Weise kann sich die Bodenstation 22a, falls mit umfasst, irgendwo innerhalb des zweiten Abdeckungsgebiets 14b befinden.
  • Das Content-Center 24 steht in Kommunikation mit einer Vielzahl von externen Daten-Content bzw. Inhalte-Providern und steuert die Übertragung von Video- und Dateninformation, die von hier empfangen wird, zu der Bodenstation 22. Vorzugsweise ist das Content-Center 24 in Kontakt mit einem Internet-Serviceprovider (ISP) 30, einer Videoinhalte-Quelle 32 und einem öffentlichen Telefonnetz (PSTN) 34. Optional kann das Content-Center 24 ebenfalls mit einem oder mehreren virtuellen privaten Netzwerken (VPNs) 36 kommunizieren. Der ISP 30 stellt einen Internet-Zugang jedem der Insassen jedes Flugzeugs 12 zur Verfügung. Die Videoinhalte-Quelle 32 liefert Live-Fernsehprogramme, bspw. Cable News Network (CNN) und ESPN. Die NOC 24 führt herkömmliche Netzwerkverwaltung-Benutzerauthentifizierungs-, Buchhaltungs-, Kundenservice- und Abrechnungsaufgaben aus. Das Content-Center 24a, das mit der Bodenstation 22a in dem zweiten Abdeckungsgebiet 14b verknüpft ist, würde ebenfalls bevorzugt in Kommunikation mit einem ISP 38, einem Videoinhalte-Provider 40, einem PSTN 42 und optional einem VPN 44 stehen. Ein optionales Flugzeugtelefonsystem 28 kann ebenfalls als Alternative zu der Satellitenrückverbindung umfasst sein.
  • Es wird nun auf die 2 Bezug genommen. Das mobile System 20, das in jedem Flugzeug 12 vorgesehen ist, wird nun in größerem Detail beschrieben. Zur Erleichterung wird eine spezifische Bezugnahme auf das Flugzeug 12a vorgenommen, wo dies geeignet ist, um die Beschreibung der Komponenten und/oder dem Betrieb des Systems 10 zu unterstützen. Jedes mobile System 20 umfasst ein Dateninhalt-Managementsystem in Form eines Routers/Servers 50 (nachfolgend „Server”) genannt, der in Kommunikation mit einem Kommunikations-Teilsystem 52, einer Kontrolleinheit und einem Displaysystem 54 und einem Verteilungssystem in Form eines Local-Area-Netzwerkes (LAN) 56 steht. Optional kann der Server 50 ebenfalls zum Betrieb mit einem nationalen Flugzeugtelefonsystem (NATS) 58, einem Flugzeugbesatzungs-Informations-Dienstesystems 60 und/oder einem In-Flight-Entertainment-System (IFE) 62 konfiguriert sein.
  • Das Kommunikations-Teilsystem 52 umfasst ein Sender-Teilsystem 64 und ein Empfänger-Teilsystem 66. Das Sender-Teilsystem 64 umfasst einen Codierer 68, einen Modulator 70 und einen Aufwärts-Konvertierer 72 zum Codieren, Modulieren und Aufwärtswandeln der Dateninhalt-Signale von dem Server 50 zu einer Sendeantenne 74. Das Empfänger-Teilsystem 66 umfasst einen Decodierer 76, einen Demodulator 78 und einen Abwärts-Wandler 80 zum Decodieren, Demodulieren und Abwärtswandeln der Signale, die von einer Empfangsantenne 82 empfangen wurden, in Basisband-Video- und Audiosignale, sowie Datensignale. Während nur ein Empfänger-Teilsystem 66 gezeigt ist, versteht sich, dass bevorzugt eine Vielzahl von Empfänger-Teilsystemen 66 typischerweise umfasst sind, um den gleichzeitigen Empfang von HF-Signalen von einer Vielzahl von HF-Transpondern zu ermöglichen. Falls eine Vielzahl von Empfänger-Teilsystemen 66 gezeigt sind, wird dann eine entsprechende Vielzahl von Komponenten 76–80 ebenfalls benötigt.
  • Die Signale, die von dem Empfänger-Teilsystem 66 empfangen werden, werden dann dem Server 50 eingegeben. Ein System-Controller 84 wird verwendet, um alle Teilsysteme des mobilen Systems 20 zu steuern. Der System-Controller 84 stellt insbesondere Signale einem Antennen-Controller 86 bereit, der eingesetzt wird, um die Empfangsantenne 82 elektronisch auszurichten, um die Empfangsantenne auf den jeweiligen Satelliten 18 auszurichten, der nachfolgend als „Ziel”-Satellit bezeichnet wird. Die Sendeantenne 74 ist abhängig von der Empfangsantenne 82 derart, dass sie den Ziel-Satelliten 18 ebenfalls verfolgt. Es versteht sich, dass einige Typen von mobilen Antennen aus der gleichen Apertur senden und empfangen können. In diesem Fall sind Sendeantenne 74 und Empfangsantenne 82 in eine einzelne Antenne kombiniert.
  • Mit weiterem Bezug auf die 2 wird ein Local-Area-Netzwerk (LAN) 56 eingesetzt, um eine Schnittstelle mit dem Server 50 zu einer Vielzahl von Zugriffsstationen 88 bereitzustellen, die mit jedem Sitzplatz an Bord des Flugzeugs 12a verknüpft sind. Jede Zugriffsstation 88 kann als Schnittstelle zu dem Server 50 direkt mit einem Laptop-Computer des Benutzers, einem Personal Digital Assistant (PDA) oder einer anderen persönlichen Rechnereinrichtung des Benutzers als Schnittstelle dienen. Die Zugriffsstationen 88 können ebenfalls jeweils einen Computer/Display umfassen, die an der Sitzlehne angebracht sind. Das LAN 56 ermöglicht eine bidirektionale Kommunikation von Daten zwischen der Rechnervorrichtung des Benutzers und dem Server 50 derart, dass jeder Benutzer in der Lage ist, einen gewünschten Fernsehprogrammkanal, Zugang auf eine gewünschte Webseite, Zugang zu seiner/ihrer E-Mail zu ermöglichen oder eine breite Vielzahl von anderen Aufgaben auszuführen, die unabhängig von den anderen Benutzern an Bord des Flugzeugs 12a sind.
  • Die Empfangs- und Sendeantennen 82 bzw. 74 können jede Form von ausrichtbarer Antenne umfassen. Bei einer bevorzugten Form umfassen diese Antennen elektronisch abgetastete phasengesteuerte Gruppenantennen. Phasengesteuerte Gruppenantennen sind insbesondere für Flugzeuganwendungen gut geeignet, wo der aerodynamische Luftwiderstand von besonderer Bedeutung ist. Eine bestimmte Form von elektronisch abgetasteten phasengesteuerten Gruppenantennen, die zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind, ist in US-Patentnummer 5,886,671 offenbart, die der Firma Boeing Company gehört.
  • Es wird weiter auf die 1 Bezug genommen. Im Betrieb des Systems 10 wird der Dateninhalt vorzugsweise in Internet-Protokoll(IP)-Pakete formatiert, bevor sie entweder von der Bodenstation 22 oder von der Sendeantenne 74 jedes mobilen Systems 20 gesendet werden. Zum Zwecke der Beschreibung wird eine Übertragung von Dateninhalt in Form von IP-Paketen von der Bodenstation 22 als „Vorwärtsverbindungs”-Übertragung bezeichnet. Ein IP-Pakete-Multiplexing wird ebenfalls bevorzugt eingesetzt derart, dass Dateninhalt gleichzeitig zu jedem der Flugzeuge 12 gebracht werden kann, die innerhalb des Abdeckungsgebiets 14a betrieben werden, in dem Unicast-, Multicast- und Broadcast-Übertragungen verwendet werden.
  • Die IP-Dateninhalts-Pakete, die von jedem der Transponder 18a1–18a4 empfangen werden, werden dann von den Transpondern zu jedem Flugzeug 12 weitergeleitet, die innerhalb des Abdeckungsgebiets 14a betrieben werden. Während mehrere Satelliten 18 über dem Abdeckungsgebiet 14a dargestellt sind, versteht sich, dass momentan ein einzelner Satellit in der Lage ist, ein Gebiet, das die gesamte kontinentale USA umfasst, abgedeckt werden kann. Somit ist es abhängig von der geographischen Größe des Abdeckungsgebiets und dem Verkehr der mobilen Plattform, der innerhalb des Gebiets vorhergesagt wird, möglich, dass nur ein einzelner Satellit mit einem einzelnen Transponder benötigt wird, um eine Abdeckung für das gesamte Gebiet bereitzustellen. Andere unterschiedliche Abdeckungsgebiete neben der kontinentalen USA umfassen Europa, Süd-/Zentralamerika, Ostasien, Mittlerer Osten, Nordatlantik, etc. Es versteht sich, dass für Service- bzw. Dienste-G, die größer als das kontinentale USA sind, eine Vielzahl von Satelliten 18 erforderlich ist, deren jeder jeweils ein oder mehrere Transponder enthält, um eine vollständige Abdeckung des Gebiets bereitzustellen.
  • Die Empfangsantenne 82 und die Sendeantenne 74 sind jeweils vorzugsweise oben auf dem Rumpf des zugeordneten Flugzeugs 12 angeordnet. Die Empfangsantenne 74 jedes Flugzeugs 12 empfängt die gesamte RF-Übertragung der codierten RF-Signale, die IP-Dateninhalts-Pakete von zumindest einem der Transponder 18a1–18a4 repräsentieren. Die Empfangsantenne 82 empfängt horizontal polarisierte (HP) und vertikal polarisierte (VP) Signale, die in zumindest einen der Empfänger 66 eingegeben werden. Falls mehr als ein Empfänger 66 enthalten ist, wird man dann jenen zur Benutzung mit einem bestimmten Transponder 18a1–18a4 benennen, der von dem Zielsatelliten 18 getragen wird, auf den er ausgerichtet ist. Der Empfänger 66 decodiert, demoduliert und wandelt die codierten RF-Signale abwärts, um Video- und Audiosignale sowie Datensignale zu produzieren, die dem Server 50 eingegeben werden. Der Server arbeitet als Filter und verwirft jeden Dateninhalt, der nicht für die Benutzer im Flugzeug 12a bestimmt ist und leitet dann die übrigen Dateninhalte über das LAN 56 zu den passenden Zugriffsstationen 88 weiter. Auf diese Weise empfängt Benutzer nur den Bereich der Programm- oder anderen Information, die von dem Benutzer zuvor angefordert wurde. Entsprechend steht es jedem Benutzer frei, gewünschte Programmkanäle anzufordern und zu empfangen, Zugriffs-E-Mail, Zugriff auf das Internet und andere Datenübertragungsoperationen auszuführen, die unabhängig von allen anderen Benutzern im Flugzeug 12a sind.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das System 10 ebenfalls in der Lage ist, DBS-Übertragungen von Live-Fernsehprogrammen (bspw. Nachrichten, Sport, Wetter, Unterhaltung) zu empfangen. Beispiele von DBS-Dienste-Providern umfassen DirecTV und Echostar. DBS-Übertragungen finden in einem Frequenzband statt, die für Broadcast Satellite Services (BSS) bestimmt sind, und sind typischerweise in Nordamerika zirkular polarisiert. Deshalb kann ein linearer Polarisationswandler optional der Empfangsantenne 82 hinzugefügt werden, um die Broadcast Satellite Services in Nordamerika zu empfangen. Das FSS-Frequenzband, das die Datendienste und das BSS-Frequenzband unterstützt, das DBS-Übertragungen trägt, sind benachbart zueinander im Ku-Band. Bei einer optionalen Ausführungsform des Systems 10 kann eine einzelne Ku-Band-Empfangsantenne verwendet werden, um entweder DBS-Übertragungen vom DBS-Satelliten 18c und 18f im BSS-Band zu empfangen oder Datendienste im FSS-Band von einem der FSS-Satelliten 18a oder 18b, oder beide gleichzeitig, indem die gleiche Empfangsantenne 82 verwendet wird. Der gleichzeitige Empfang von mehreren Satelliten 18 wird erreicht, indem eine Mehrfachstrahl-Empfangsantenne 82 verwendet wird, oder indem eine Einzelstrahl-Empfangsantenne 82 verwendet wird, wobei Satelliten parallel platziert in dem gleichen geostationären Umlaufbahnschlitz sind.
  • Die neu rundgesendeten fernseh- und kundenangepassten Videodienste werden empfangen und von dem mobilen System 20 in exakt der gleichen Weise verarbeitet. Der neu gesendete und kundenangepasste Videoinhalt wird von der Videoinhaltsquelle 32 bereitgestellt und über die Bodenstation 22 zu den FSS-Satelliten 18a und 18b gesendet. Der Videoinhalt ist passend codiert zur Übertragung über das Content-Center 24, bevor es über die Bodenstation 22 rundgesendet (broadcast) wird. Eine gewisse Anpassung des neu gesendeten Inhalts kann am Server 50 (2) des mobilen Systems 20 auftreten, um Werbung und andere Informationsinhalte an bestimmte Märkte oder Interessen der Benutzer im Flugzeug 12a zuzuschneiden.
  • Die Menge an Dateninhalt, der den Benutzern in jedem Flugzeug 12 bereitgestellt wird, wird geliefert, indem ein privater Portal Data Content verwendet wird. Dies wird als Menge von HTML-Seiten implementiert, die im Server 50 jedes mobilen Systems 20 enthalten sind. Der Inhalt wird aktuell gehalten, indem periodisch aktualisierte Abschnitte von einem bodengestützten Server, der sich im Content-Center 24 befindet, und entsprechend einer Zeitplanfunktion, die von dem NOC 26 des Bodensegments 16 gesteuert wird, gesendet werden. Der Server 50 kann sehr leicht konfiguriert werden, um Benutzer Log-on-Information zu akzeptieren, um die Authentifizierung und Autorisierung von Benutzern zu unterstützen und Benutzer und Netzwerk-Abrechnungsinformation zu verfolgen, um ein Abrechnungssystem zu unterstützen. Das Autorisierungs- und Berechnungssystem kann konfiguriert werden, um mit dem Bodensegment 16 zu kommunizieren, um gesammelte Daten in passenden Intervallen an das NOC 26 zu übertragen.
  • Das System 10 der vorliegenden Erfindung liefert ebenfalls eine direkte Internet-Verbindung über Satellitenverbindungen für eine Vielzahl von Zwecken, bspw. dann, wenn ein Benutzer an Bord des Flugzeugs 12a Dateninhalt erhalten möchte, der nicht auf dem Server 50 zwischengespeichert ist, oder als eine Reihe für Inhaltsquellen, um frischen Inhalt für die privaten Portale bereitzustellen. Der Server kann verwendet werden, um die häufigst angefragten Webseiten zwischenzuspeichern sowie ein Domainnamesystem (DMS) Look-up-Tabelle der am häufigsten zugegriffenen Domains zu führen. Die DMS Look-up-Tabelle wird vorzugsweise von dem Content-Center 24 gepflegt und wird periodisch von dem mobilen System 20 aktualisiert. Ein Auffrischen des zwischengespeicherten Inhalts des Portals kann erreicht werden durch eine während des Flugs periodisch „gepushte” in-flight Zwischenspeicherauffrischung oder am Gate eines Flughafenterminals, indem irgendeine Form von drahtgebundener oder drahtloser Verbindung zu dem Flugzeug 12a verwendet wird, oder über einen manuellen Zwischenspeicher, der von einem Kabinenmitglied des Flugzeugs 12 aufgefrischt wird, wobei das Flugzeug eine bordeigene CD ROM hat und in den Zwischenspeicherserver eingeschoben wird. Die Erfindung 10 implementiert die Aktualisierungen während des Flugs in periodischen Abständen und zum Auffrischen des Zwischenspeichers über die Satellitenverbindungen. Vorzugsweise tritt das Auffrischen des Zwischenspeicherinhalts während Perioden mit geringer Anfrage auf den Satellitenverbindungen auf.
  • Das optionale Flugzeug-Telefonsystem 28 kann ebenfalls mit dem System 10 eingesetzt werden, wenn Verbindungen mit optischer Sicht zu den Bodensegmenten 16 aufgebaut werden, um eine physische Infrastruktur bereitzustellen. Beispielsweise kann eine optionale Implementierung, die ein Flugzeug-Telefonsystem umfasst, für Rückverbindungen mit geringer Datenrate (2,4 kbps bis 9,6 kbps) verwendet werden. Es zeigt sich, dass andere Gebiete, wie bspw. Europa und Asien, ähnliche Flugzeug-Telefonsysteme haben, die mit Flugzeugen kommunizieren, indem terrestrische zellulare Kommunikationsverbindungen verwendet werden. Flugzeug-Telefonsysteme (bspw. NATS in Nordamerika) wurden zur Unterstützung von Telefonverkehr entworfen, wurden aber angepasst, um analoge Modem-Daten von Punkt zu Punkt über einen einzelnen Benutzeranruf weiterzugeben. Bei der vorliegenden Erfindung wird der gesamte Rückverbindungsverkehr von dem mobilen System 20 im Server/Router 50, einem Switch oder einem PBX (nicht gezeigt) kombiniert und dann in die Flugzeug-Telefonrückverbindung über ein analoges Modem oder direkt über eine digitale Schnittstelle (bspw. CEPT-E1) eingekoppelt. Eine ausgedehnte Kapazität kann durch Errichten mehrerer gleichzeitiger Verbindungen von dem Router/Switch in das Flugzeug-Telefonsystem bereitgestellt werden. Mehrverbindungs-Punkt-zu-Punkt(PPP)-Datenkapselung kann eingesetzt werden, um das Aufsplitten (Neukombinieren) der Datenströme zwischen dem flugzeuggestützten und den NOC-Routern zu erreichen. Zusätzlich zu der Ausdehnung der Kapazität wird die Toleranz gegenüber einem einzelnen Verbindungsfehler bei mehreren Verbindungen über das Flugzeug-Telefonsystem erhöht. Die Übergabe zwischen getrennten Flugzeug-Telefonsystem-Antennentürmen wird von dem Flugzeug-Telefonsystem verwaltet, und die Verbindung zwischen dem jeweiligen Flugzeug und Bodenroutern wird automatisch aufrechterhalten, wenn die mobile Plattform mehrere Abdeckungsgebiete überquert.
  • Eine wesentliche vorhergesagte Anwendung der vorliegenden Erfindung besteht in der Verbindung mit einem Flugzeug, das ausgedehnte Zeitperioden über Wasser oder entfernten Gebieten (einschließlich Polargebieten) über der Erde fliegt, wo es nur wenig oder gar keine Satelliten-Transponderabdeckungen gibt. Die vorliegende Erfindung kann mit GSO-Satelliten arbeiten, die in der Zukunft in eine Umlaufbahn über Ozeanen geschossen werden, oder in neuen Konstellationen von NGSO-Satelliten, die eine volle Erdabdeckung (einschließlich der Pole) bereitstellen.
  • Es wird weiter Bezug auf 1 genommen. Eine Übertragung von Dateninhalt von dem Flugzeug 12a zu der Bodenstation 22 wird nun beschrieben. Die Übertragung wird als „Rückverbindungs”-Übertragung bezeichnet. Der Antennen-Controller 86 bringt die Sendeantenne 74 dazu, den Antennenstrahl auf den Zielsatelliten 18a gerichtet zu halten. Die Kanäle, die für die Kommunikation von jedem mobilen System 20 zurück zu der Bodenstation 22 verwendet werden, stellen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen dar, die individuell zugewiesen und dynamisch verwaltet werden von der NOC 26 des Bodensegments 16. Um mehreren hundert oder mehr Flugzeugen 12 gerecht zu werden, wird für das System 10 jedem Transponder mehrere Flugzeuge zugeordnet werden müssen, die von einem vorhandenen Satelliten 18 getragen werden. Die bevorzugten Mehrfach-Zugriffsverfahren für die Rückverbindung sind Codemultiplex-Mehrfachzugriff (CDMA), Frequenzmultiplex-, Mehrfachzugriff (FDMA), Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff (TDMA) oder Kombinationen davon. Somit können mehrere mobile Systeme 20 einem einzelnen Transponder 18a1–18a4 zugeordnet werden. Wo eine größere Anzahl von Flugzeugen 12 mit einem mobilen System 20 innerhalb des Abdeckungsgebiets 14a betrieben werden, muss die Anzahl der Transponder entsprechend erhöht werden.
  • Die Empfangsantenne 82 kann ein Nachführungssystem mit geschlossener Schleife zum Ausrichten des Antennenstrahls und zum Einstellen der Polarisation der Antennen basierend auf der Empfangssignal-Amplitude implementieren. Die Sendeantenne 74 ist abhängig von der Punktausrichtung und Polarisation der Empfangsantenne 82. Eine alternative Implementierung könnte ein Nachführungsverfahren mit offener Schleifen benutzen, wobei die Ausrichtungsrichtung und Polarisation durch Kenntnis der mobilen Plattformposition und der Lage bestimmt wird, in dem eine bordeigene Trägheitsreferenzeinheit (IRU) und die Kenntnis des Orts des Satelliten 18 verwendet werden.
  • Codierte HF-Signale werden von der Sendeantenne 74 zu dem mobilen System 20 eines gegebenen Flugzeugs 12 zu einem zugeordneten Transponder der Transponder 18a1–18a4 gesendet und von dem bestimmten Transponder zu der Bodenstation 22 weitergegeben. Die Bodenstation 22 kommuniziert mit dem Content-Center 24, um die passenden Daten zu bestimmen und bereitzustellen, die von dem Benutzer angefordert werden (bspw. Inhalte vom Word Wide Web, E-Mail oder Information des VPN des Benutzers).
  • Zusätzlich muss bei dem System 10 berücksichtigt werden, dass die Möglichkeit von Interferenz besteht, die sich aus kleinen Aperturgröße der Empfangsantenne 82 ergeben kann. Die Aperturgröße der Empfangsantenne 82 ist typischerweise kleiner als herkömmliche „very small aperture terminal” (VSAT; Endgeräte mit sehr kleiner Apertur) Antennen. Entsprechend kann der Strahl von der Empfangsantenne 82 benachbarte Satelliten entlang des geostationären Bogens erfassen. Dies kann zu Interferenz mit Satelliten neben dem Zielsatelliten führen, die von einem bestimmten mobilen System 20 empfangen wird. Um dieses mögliche Problem zu überwinden, benutzt das System 10 vorzugsweise eine gegenüber der normalen Datenrate geringere Vorwärtsverbindungsdatenrate, die die Interferenz mit benachbarten Satelliten überwindet. Das System 10 arbeitet bspw. mit einer bevorzugten Vorwärtsverbindungsdatenrate von zumindest etwa 5 Mbps pro Transponder, indem ein typischer FSS-Ku-Band Transponder (bspw. Telstar-6) und eine Antenne mit einer aktiven Apertur von 17 inches auf 24 inches (42,18 cm auf 60,96 cm) benutzt werden. Zu Vergleichszwecken arbeitet ein typischer Ku-Band Transponder üblicherweise mit einer Datenrate von etwa 30 Mbps und benutzt herkömmliche VSAT-Antennen.
  • Indem eine digitale standard Video Broadcast(DVB)-Wellenform benutzt wird, belegt das Vorwärtsverbindungssignal typischerweise weniger als 8 MHz aus einer Gesamt-Transponderbreite von 27 MHz. Allerdings könnte die Konzentration der Transponderleistung auf weniger als die gesamte Transponderbandbreite ein Regel-Problem erzeugen. FCC-Regeln regulieren momentan die maximale effektive isotrope abgestrahlte Leistungs(EIRP)-Spektraldichte von einem Transponder, um Interferenz zwischen nahe beabstandeten Satelliten zu verhindern. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind deshalb Modulationstechniken mit Spreizung des Spektrums im Modulator 70 eingesetzt, um das Vorwärtsverbindungssignal über die Transponderbandbreite „zu spreizen”, indem gut bekannte Signalspreizungstechniken verwendet werden. Dies reduziert die spektrale Dichte des weitergeleiteten Signals und beseitigt somit die Gefahr von Interferenz zwischen zwei oder mehreren mobilen Systemen 20.
  • Es ist ebenfalls gleich wichtig, dass die Sendeantenne 74 die Regel-Anforderungen erfüllt, um Interferenz mit Satelliten zu vermeiden, die benachbart zu dem Zielsatelliten 18 sind. Die Sendeantennen, die in den meisten mobilen Anwendungen verwendet werden, neigen ebenfalls dazu, kleiner zu sein als herkömmliche VSAT-Antennen (typische Reflektorantennen, die 1 Meter im Durchmesser haben). Mobile Sendeantennen, die in aeronautische Anwendungen verwendet werden, sollten einen geringen Luftwiderstand haben, sollten leicht sein und sollten einen geringen Leistungsverbrauch haben und relativ klein sein. Aus all diesen Gründen ist eine Antennenapertur der Sendeantenne 74 vorzugsweise kleiner als die einer herkömmlichen VSAT-Antenne. VSAT-Antennen sind dimensioniert, um einen Antennenstrahl zu erzeugen, der schmal genug ist, um einen einzelnen FSS-Satelliten entlang des geostationären Bogens zu beleuchten. Dies ist wichtig, da FSS-Satelliten in 2°-Intervallen entlang des geostationären Bogens beabstandet sind. Die Antennenapertur der Sendeantenne 74, die kleiner als normal ist und bei der vorliegenden Erfindung benutzt wird, kann in einigen Fällen einen Antennenstrahl erzeugen, der breit genug ist, um Satelliten, die benachbart zu dem Zielsatelliten entlang des geostationären Bogens sind, mit HF-Energie mit einer spektralen Leistungsdichte zu bestrahlen, die Interferenzprobleme erzeugen könnte.
  • Das zuvor erwähnte mögliche Problem wird bei einer bevorzugten Umsetzung der vorliegenden Erfindung beseitigt, durch ein Verfahren zum Betreiben und Verwalten mehrerer Satellitenrückverbindungen über einen gemeinsamen geteilten Transponder (bspw. Satellitentransponder 18a1), und insbesondere zum Verwalten der maximalen ausgestrahlten PSD der HF-Signale, die von jedem der mobilen Systeme 20 gesendet werden, so dass die Gesamt-PSD eine maximale Regel-PSD-Grenze nicht überschreitet. Diese Umsetzung der vorliegenden Erfindung ermöglicht somit eine effiziente Rückverbindungssystem-Kapazitätsverwaltung in einem Kommunikationssystem, das eine große Anzahl (Hunderte oder Tausende) von Flugzeugen 12 umfasst, deren jedes ein mobiles System 20 aufweist, und die mit einer breiten Vielzahl von unterschiedlichen Antennen arbeiten. Die vorliegende Erfindung berücksichtigt ebenfalls unterschiedliche Datenraten, mit denen die mobilen Systeme 20 senden können sowie die Auswirkungen des Orts jedes Flugzeugs 12 über einem breiten geographischen Abdeckungsgebiet, bspw. der kontinentalen USA.
  • Das zuvor beschriebene Interferenzproblem ist in 3 dargestellt. Das mobile System 20 strahlt Leistung in Richtung eines „Ziel”-Satelliten 18a ab. Wegen der Sendeantenne mit kleiner Apertur 74, die bei dem mobilen System 20 benutzt wird, trifft die abgestrahlte Energie jedoch nicht nur den Zielsatelliten 18a, sondern mögliche Satelliten 18g bis 18j, die benachbart dem Zielsatelliten 18a entlang des geostationären Bogens 90 liegen. Dies kann Interferenz beim Betrieb der Satelliten 18g bis 18j verursachen, so dass die Durchführungs-Agenturen, wie die FCC und die ITU streng die PSD der HF-Signale regulieren, die rundgesendet werden. Die Regel-Anforderungen zum Betrieb der mobilen Satellitensysteme in dem Ku-Frequenzband sind so, dass die gesamte Interferenzgefahr benachbarter Satelliten zu irgendeinem Zeitpunkt nicht jene überschreitet, die von einer einzelnen Bodenstation verursacht werden würde, die mit einer Leistung in ihrer Antenne von 14 dBW/4 KHz betrieben wird, und eine Antenne, die mit den Seitenkeulen-Anforderungen des Abschnitts 25.209(a) der FCC-Funkregeln für alle Winkel längs des sichtbaren Abschnitts der geostationären Satellitenumlaufbahn erfüllt. Ähnliche Regel-Grenzen sind auf dem Betrieb in Europa und andere Regionen der Welt anzuwenden. Die FCC fordert ferner, dass die HF-Übertragungen von einer beliebigen Zahl von mobilen Endgeräten nur erlaubt werden, um eine deterministische Gesamt-Interferenz benachbarter Satelliten zu liefern, die zu irgendeinem Zeitpunkt nicht jene überschreitet, die von einer einzelnen VSAT-Bodenstation verursacht werden würde. Weiter fordert die FCC, dass unabhängige mobile Einheiten nur auf Befehl eines zentralen Hub-Endgeräts über die Vorwärtsverbindung senden dürfen. Entsprechend darf der Betrieb mehrerer unabhängiger mobiler Endgeräte keine Gesamt-PSD erzeugen, die zu beliebigem Zeitpunkt eine vorbestimmte PSD-Grenze überschreitet, und ferner, dass jedes der mobilen Endgeräte nur auf Befehl von einem zentralen Hub-Endgerät senden kann.
  • Ein Beispiel einer Umsetzung der Erfindung ist in 4 gezeigt, wo das Abdeckungsgebiet als die kontinentale USA („CONUS”) gezeigt ist. Die Referenz-Bodenstation 22 des Bodensegments 16 ist in Wichita, Kansas, stationiert. Der Satellit 18' ist ein geostationärer Satellit (in diesem Beispiel Telestar 6 bei 93 Grad West). Wenn innerhalb CONUS betrieben, ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, dass die Gesamt-Interferenz, die von allen mobilen Endgeräten erzeugt wird, die einen Transponder bspw. auf dem Telstar-6-Satellitenteilen, die maximal erlaubte EIRP spektrale Dichte nicht überschreitet, die entlang des geostationären 90°-Bogens von einer Referenz-Bodenstation 22 abbestrahlt wird, die in der Mitte des CONUS-Abdeckungsgebiets liegt, wie in 4 gezeigt. Das EIRP spektrale Dichtemuster von einem einzelnen mobilen System 20 wird bestimmt durch seine gesendete Leistung, das Antennen-Verstärkungsmuster und die belegte Signalbandbreite. Bei einer vorgegebenen bestimmten Antenne (mit einer festen Verstärkung), sind die einzigen verfügbaren Parameter, um die PSD zu steuern, die Sendeleistung (P) und die Signalbandbreite (B). Mobile Antennen sind notwendigerweise Antennen mit geringer Verstärkung, so dass höhere Sendeleistung notwendig ist, um die EIRP zu erreichen, die notwendig ist, um die Kommunikationsverbindung mit dem Satellitentransponder 18a1 zu schließen. Die EIRP kann als Produkt der Verstärkung (G) und der Sendeleistung (P1) ausgedrückt werden. Falls eine bestimmte gewünschte EIRP gefordert wird, um die Kommunikationsverbindung zu schließen, ist dann folglich die einzige Variable, die zur Verfügung steht, um die EIRP-Dichte zu steuern, die Signalbandbreite (B). Die EIRP Spektraldichte kann somit ausgedrückt werden als: EIRP/B.
  • Für Antennen mit geringer Verstärkung (kleiner Apertur), die mit moderaten oder hohen Datenraten (größer als 16 Kbps) arbeiten und typischerweise FSS-Transponder benutzen, ist in der Praxis die Bandbreite (B) des Signals unzureichend, um die Regel-Anforderungen ohne „Spreizen” des Signals hinsichtlich der Frequenz zu erfüllen. Während es viele früher entwickelte Verfahren zum Frequenzspreizen gibt, ist die spezifische genutzte Spreiztechnik für den Vertrieb der vorliegenden Erfindung nicht kritisch; es ist nur zu berücksichtigen, dass gewisse Spreizverfahren verwendet werden sollen, um die Bandbreite (B) zu steuern, um die EIRP Spektraldichte des gesendeten Signals ausreichend zu reduzieren, um die Regel-Anforderungen zu erfüllen, und das Spreizverfahren mehreren mobilen Endgeräten einen Zugriff auf einen gemeinsamen Frequenzkanal erlaubt, ohne unakzeptable Interferenz mit den anderen zu verursachen. Ein solches existierendes Spreizverfahren, das das bevorzugten Verfahren zur Benutzung bei dieser Erfindung ist, ist das direkte Sequenzspreizspektrum, wie zuvor erwähnt. Jedem der mobilen Systeme 20 wird ein eindeutiger Pseudorausch-Spreizcode von dem zentralen Controller 26 zugeordnet, um dieses Spreizen zu erleichtern.
  • Das Aufrechterhalten der EIRP spektralen Gesamtdichte unterhalb der bekannten Regel-Grenze erfordert, dass jedes mobile System 20, das einen Rückverbindungs-Satellitentransponder (bspw. Transponder 18a1) teilt, unter strenger Sendeleistungskontrolle ist. Das System 10 verwendet ein Doppelschleifen-Steuerungssystemverfahren, wobei das Bodensegment 16 die Empfangs-„Eb/No” für jedes mobile System 20 misst, das auf das System mit diesem Verfahren zugreift oder versucht, zuzugreifen, eine erste geschlossene Regelschleife über das Bodensegment 16 verwendet wird, um die Empfangs-Eb/No von jedem Flugzeug 12 zu empfangen, und um dann die EIRP-Steuerungsbefehle an das mobile System 20 zu senden, um damit die Eb/No des Empfangssignals von dem mobilen System innerhalb eines engen vordefinierten Bereichs zu halten. Eine zweite Regelschleife, die in dem mobilen System 20 auf dem Flugzeug 12 implementiert ist, wird zum Halten der Sende-EIRP auf einem Pegel benutzt, der von dem Bodensegment 16 vorgegeben wird, indem die erste Regelschleife verwendet wird, während einer schnellen Bewegung des Flugzeugs. Die zweite Regelschleife auf dem Flugzeug wird häufig für mobile Sendeantennen benötigt, wie bspw. phasengesteuerte Gruppenantennen, die Änderungen in der Ausrichtung (verursacht Änderungen in der EIRP), bei dem Abtastwinkel erfahren. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfasst die zweite Regelschleife, aber die Erfindung kann optional ohne die zweite Regelschleife implementiert werden, wenn eine Sendeantenne mit „konstanter Apertur” benutzt wird, wie bspw. Reflektor- und Linsenantennen, die keine Richtvermögen-Änderungen mit dem Abtastwinkel erfahren, oder für mobile Plattformen, die keine schnellen Lageänderungen erfahren. Die Flugzeug-zu-Boden-Regelschleife (d. h. die erste Regelschleife) hat eine 0,5 Sekunden GEO-Laufzeitverzögerung, so dass sie nicht so schnell auf Flugzeugbewegung reagieren kann.
  • Das zuvor beschriebene Regelverfahren mit Doppelregelschleife kann die Empfangssignal-Eb/No von jedem Flugzeug 12 innerhalb eines engen Regelbereichs von etwa +/–0,5 dB mit einer etwa 99,7%igen Wahrscheinlichkeit für den vollen Bereich einer typischen Flugzeugbewegung halten. Dieses Leistungsregelsystem erreicht zwei wichtige Aufgaben: das Aufrechterhalten der Empfangs-Eb/No für alle Flugzeuge 12 über einem Schwellenwert-Eb/No-Pegel, der einer gewünschte Bit-Fehlerrate (d. h. 1E-9) entspricht; und das Halten der Zeitvariation der Eb-No innerhalb eines engen Regelbereichs (d. h. +/–0,5 dB). Das Ziel für die mobilen Endgeräte besteht darin, die minimale Sende-EIRP (und damit PSD) zu benutzen, um die Kommunikationsverbindung mit einer gewünschten Bit-Fehlerrate (BER) zu schließen. Der Schwellenwert-Eb/No-Pegel für eine 1E-9 HER ist abhängig von dem Vorwärtsfehlerkorrektur(FEC)-Code, der ausgewählt ist (d. h. eine Rate von 1/3, eine Rate, etc.), und anderer Wellenformparameter. Ein bevorzugter Eb/No-Regelbereich, der von dem System 10 benutzt wird, ist in 7 dargestellt. Die Leistung der Regelschleife wird bestimmt durch viele Designparameter, aber der Schlüssel aus diesen Parametern ist der Fehler beim Messen der Empfangs-Eb/No am Boden. Der Bodenempfänger (nicht gezeigt), der mit der Bodenstation 22 verknüpft ist, hat typischerweise einen festen oder sich langsam ändernden Fehler zusammen mit einem zufälligen (schnell ändernden) Fehler, der durch das Rauschen in dem Messwert verursacht wird. Bei diesem Beispiel erfordert der feste Fehlerterm, dass der Regelbereich um 0,25 dB aufwärts verschoben wird, wie in 7 gezeigt, so dass die aktuelle Eb/No überhalb des Schwellenwertpegels bleibt.
  • EIRP-Befehle werden von der Bodenstation 22 zu dem Flugzeug 12 gesendet, indem Delta-Pegel und keine absoluten Pegel verwendet werden. Dies liegt daran, da absolute EIRP-Pegel typischerweise nicht zu genau am Flugzeug 12 gesetzt werden können, aber Änderungen von einem Pegel zum anderen sehr genau sein können. Da eine absolute EIRP auf einem Flugzeug nicht genau gesetzt werden kann, machen die neuen mobilen Systeme 20, die einen Zugriff auf das System 10 versuchen, und die nicht unter der Rückverbindungs-Leistungsregelung sind, ihre anfängliche Übertragung mit einem EIRP-Pegel, der oberhalb des Leistungsregelungsbereichs ist. Das Leistungsregelungssystem bringt diese schnell in den Regelungsbereich innerhalb einiger weniger Sekunden. Das System 10 berücksichtigt die zusätzliche PSD, die von dem neuen Flugzeug 12 beigetragen wird, das in die Kommunikationsverbindung zugelassen wird, in dem streng kontrolliert wird, wann und wie viele neue Flugzeuge in die Verbindung gelangen können, indem ein Polling-Verfahren benutzt wird sowie durch Festschreiben eines Worst-Case-PSD-Beitrags für alle Flugzeuge, die eine Rückverbindung anfordern.
  • Die Bewegung des Flugzeugs 12a verursacht die größten und schnellsten Störungen der Regelschleife. Die Sendeantenne 74 des Flugzeugs 12a richtet ihren Strahl immer auf den Zielsatelliten 18a, so dass Änderungen bezüglich Neigen und Rollen des Flugzeugs dazu führt, dass der Elevations-Abtastwinkel der Antenne 74 (oder der Antenne 82) seines mobilen Systems 20 variiert, wie in 8 gezeigt. Eine Eigenschaft einer phasengesteuerten Gruppersendeantenne, falls eine solche auf dem mobilen System 20 eingesetzt wird, besteht darin, dass die EIRP proportional zum cos1/2 θ ist, wobei θ der Elevations-Abtastwinkel zu dem Satelliten 18a ist. Deshalb können Nick-/Roll-Störungen des Flugzeugs eine Änderung des Antennen-Elevations-Abtastwinkels verursachen, die eine Änderung der Antennenausrichtung verursachen können, was zu einer Änderung des EIRP führt. Änderungen der EIRP führen zu proportionalen Änderungen der Empfangs-Eb/No am Boden, was von dem Empfänger in der Bodenstation 22 gemessen wird. Das Leistungsregelungssystem sendet dann einen Befehl zurück zu dem Flugzeug, um die EIRP einzustellen, entweder aufwärts oder abwärts. In der Praxis minimiert die Regelschleife, die vom mobilen System 20 auf jedem Flugzeug 12 verwaltet wird, die EIRP-Variationen, die durch Flugzeugstörungen verursacht werden. Indem die Änderung des Antennen-Elevations-Abtastwinkels gemessen wird und der Ansteuerungspegel in die Antenne (und damit die Sendeleistung) eingestellt wird, um diese Änderung der Antennenausrichtung zu kompensieren, wird die EIRP auf dem neuesten vorgegebenen Pegel gehalten.
  • Das NOC 26, wie zuvor erwähnt, wird ebenfalls benutzt, um den PSD-Beitrag jedes mobilen Systems 20 zu bestimmen, das auf das System zugreift (oder versucht zuzugreifen). Das Bestimmen der PSD jedes mobilen Systems 20 wird erreicht, indem ein „Rückwärts-Berechnungs”-Verfahren eingesetzt wird. Der erste Schritt beim Bestimmen der Flugzeug-PSD besteht darin, die EIRP des Signals des Sender-Teilsystems 64 auf dem Flugzeug 12a zu bestimmen. Statt das jedes Flugzeug 12 das EIRP direkt an das NOC 26 berichtet, benutzt das System 10 ein sehr viel genaueres Verfahren, um von einer bekannten Empfangs-Eb/No der Bodenstation 22 über den Zielsatelliten 18 rückwärts zu arbeiten, um die Sende-EIRP des Signals von dem mobilen System 20 zu bestimmen. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Leistung der Rückverbindung vollständig durch die Verbindung zwischen dem Flugzeug 12a und dem Zielsatelliten 18a erbracht. Unter dieser Bedingung ist die Empfangs-Eb/No an der Bodenstation 22 bekannt als identisch zu der Eb/No am Ausgang des Satellitentransponders. Indem die ersten Prinzipien benutzt werden, wird die nachfolgende Gleichung für die Flugzeug-EIRP projiziert in Richtung des Zielsatelliten 18a als eine Funktion der Empfangs-Eb/No an der Bodenstation 22 einfach über die nachfolgende Gleichung 1 erhalten: EIRPt = 16π2d2R(Eb/No)(kT + 1o)/(LGrλ2) (Gleichung 1) wobei:
    • d
    = Neigungsbereich vom Flugzeug zum Satelliten
    R
    = Rückverbindungsdatenrate
    Eb/No
    = Empfangs-Eb/No an der Bodenstation
    K
    = Boltzmann-Konstante
    T
    = Rauschtemperatur des Transponders
    Io
    = Spektrale Dichte des Interferenzrauschens
    L
    = Atmosphärische und Regendämpfung auf der Aufwärtsverbindung vom Flugzeug zum Satelliten
    Gr
    = Transponder-Empfangs-Antennenverstärkung
    λ
    = Wellenlänge der Übertragung
  • Sobald die EIRP, die auf den Zielsatelliten gerichtet ist, durch Verwendung der Gleichung 1 berechnet ist, wird die EIRP, die die GEO-Ebene erreich, als eine Funktion des Versatzwinkels θ entlang des GEO-Bogens berechnet, wobei das Antennen-Richtverstärkungsmuster, G(θ) für die luftgestützte Sendeantenne 74 bekannt ist, wie durch die Gleichung 2 nachfolgend gezeigt ist: EIRPt(θ) = L EIRPt G(θ)/Gt (Gleichung 2), wobei EIRPt durch Gleichung 1 vorgegeben ist und Gt, die Sendeantennenverstärkung zu dem Zielsatelliten 18a, einfach aus dem Antennenmodell berechnet wird. Wenn Gleichung 1 in Gleichung 2 eingesetzt wird, löscht sich der Verlust L aus und gibt die aktuelle EIRP an, die den GEO-Bogen erreicht.
  • Die Parameter d, R, Gr, Eb/No und λ sind dem NOC 26 bekannt. Die Empfangs-Eb/No für jedes Flugzeug 12 wird konstant überwacht und gesteuert. Der Term (kT + Io)/Gr wird unabhängig von der Bodenstation 22 für jeden Rückverbindungstransponder gemessen. Der Term Io ist gleich der spektralen Leistungsdichte des Interferenzrauschens von anderen Satellitensystemen und von anderen mobilen Endgeräten 20, die den Transponder teilen.
  • Die Geometrie zwischen dem mobilen Endgerät 20 und dem Zielsatelliten 18 muss genau bekannt sein, um die Gleichungen (1) und (2) zu lösen. Deshalb umfasst die Erfindung ein Verfahren, bei dem alle mobilen Endgeräte 20 periodisch ihren Ort und ihre Lage an das NOC 26 berichten, indem die Rückverbindung benutzt wird.
  • Um die Regeln zu erfüllen, kann die Gesamt-PSD durch die nachfolgenden Formeln bestimmt werden: n Σ; EIRPi(θ)/Bs ≤ Regelmaske (θ) i = 1 für alle θ
    wobei:
    • EIRPi(θ)
    = EIRP des iten mobilen Systems 20 in Richtung θ.
    Bs
    = Spreizbandbreite
    N
    = Anzahl der mobilen Systeme 20, die gleichzeitig auf das System zugreifen.
  • Eine beispielhafte PSD-Regelmaske ist in Tabelle 1 definiert und graphisch in 5 dargestellt. Diese Regelmaske stellt eine PSD-Grenze dar, unterhalb der die Erfindung die spektrale Leistungsdichte verwalten muss. Die beispielhafte Regelmaske basiert auf der FCC-Vorgabe 25.209 für Endgeräte mit sehr kleiner Apertur (VSATs) mit –14 dBW/4 KHz spektraler Leistungsdichte in der Antenne.
    Figure 00370001
    Tabelle 1 Beispielhafte PSD-Regelmaske (θ = Versatzwinkel gegenüber der Hauptstrahlmitte)
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung erfordert, dass alle mobilen Systeme 20 ihr Sendesignal über eine feste Bandbreite (B) spreizen, wobei B groß genug gewählt wird, so dass mehrere Benutzer-Endgeräte gleichzeitig auf das System zugreifen können, ohne dass die Regel-Grenzen der gesamten EIRP spektralen Dichte überschritten werden. Bei einer bevorzugten Umsetzung wird B gleich gesetzt mit der Bandbreite des Transponders (bspw. des Satellitentransponders 18a1). Typische Ku-Band Transponder haben eine Bandbreite von 27 MHz, 36 MHz oder 54 MHz. Diese Bandbreiten sind typischerweise breit genug, um einen gleichzeitigen Zugriff mehrerer mobiler Systeme 20 auf einen einzelnen Rückverbindungstransponder zu erlauben, ohne die Regel-Grenzen zu überschreiten. 6 zeigt, wie die EIRP von mehreren mobilen Endgeräten 201–20n über die gesamte Transponderbandbreite gespreizt wird, und die sich daraus ergebende Gesamt-PSD wird unterhalb der Regel-Grenze gehalten.
  • Ein zweites wichtiges Merkmal der Erfindung besteht in der Benutzung eines einzelnen zentralen Controllers 26a, der bevorzugter Teil des NOC 26 (1) ist, der die Benutzung der Kommunikationsressourcen (d. h. der satellitengestützten Transponder 18a1-4) verwaltet und den Zugriff auf die Rückverbindung von den vielen mobilen Systemen 20, die innerhalb des Abdeckungsgebiets arbeiten, steuert. Die Erfindung umfasst ebenfalls ein Regelungsschema für „Demand Assigned Multiple Access” (DAMA; auf Anforderung zugewiesener Mehrfachzugriff), durch den jedes mobile System 20 Kapazität (Datenrate) anfordert und freigibt über den zentralen Controller 26a. Der zentrale Controller 26a reguliert die Benutzung des satellitengestützten Transponders, um maximale Effizienz zu erreichen, während die Regel-Vorgaben eingehalten werden.
  • Da der PSD-Anteil von jedem mobilen System 20 abhängt von dessen Ort (und dem Abtastwinkel im Falle von PAA-Antennen), und der Ort des Flugzeugs 12 sich mit der Zeit ändert, wird der PSD-Anteil von jedem mobilen System 20 zeitlich variieren. Folglich erfordert das System 10, dass jedes mobile System 20 periodisch seine Position und den Antennen-Ausrichtungswinkel dem zentralen Controller 26a berichtet, so dass der PSD-Anteil jedes mobilen Systems an der Summe aktualisiert werden kann. Die PSD des HF-Signals von jedem vorgegebenen mobilen System 20 wird sich jedoch zeitlich langsam ändern, selbst für relativ schnell bewegte mobile Plattformen, wie bspw. kommerzielle Düsenflugzeuge. Entsprechend wird der zentrale Controller 26a typischerweise die mobilen System-PSD-Muster nicht mehr als einmal alle paar Minuten berechnen müssen. Die Ausnahme zu dieser Aussage tritt für mobile Antennen ein, die Verstärkungsmuster haben, die sehr empfindlich auf den Abtastwinkel sind (bspw. phasengesteuerte Gruppenantennen). Mobile Systeme 20 mit diesen Antennen müssen ihre Parameter (Position und Antennen-Abtastwinkel) öfter berichten, wenn das Flugzeug oder das mobile System 20 schnell die Richtung oder Lage verändert.
  • Es wird Bezug genommen auf die 9. Zuerst wird in Schritt 100 bestimmt, ob eine Kapazitätsanforderung von einem mobilen System 20n durch den zentralen Controller 26a empfangen wurde, oder ob das mobile System 20n Kapazität freigibt. Falls eine Kapazitätsfreigabe vorliegt, subtrahiert dann der zentrale Controller 26a die PSD des mobilen Systems 20n, das Kapazität freigibt, von der Gesamt-PSD, wie in Schritt 102 angegeben.
  • Das mobile System 20n muss eine Anforderung für Datenrate (Leistung) an den zentralen Controller 26a machen, falls es Zugriff auf den satellitengestützten Transponder 18a1 mit einer höheren Datenrate als die zuvor autorisierte machen möchte, oder falls es eine Anfangsautorisierung möchte, um mit einer spezifischen Datenrate (Leistung) zu arbeiten. Diese Anforderung liefert dem zentralen Controller 26a die Information, die zuvor beschrieben wurde und die für den zentralen Controller notwendig ist, um die PSD des HF-Signals zu bestimmen, dass von dem mobilen System 20n gesendete werden soll. In Schritt 104 bestimmt dann der zentrale Controller 26a die PSD sowohl für die PSD auf der Achse (entlang des geostationären Bogens) als auch der PSD versetzt zu der Achse des Sendesignals. In Schritt 106 addiert der zentrale Controller 26a diese PSD der Gesamt-PSD aller anderen mobilen Systeme 20, die momentan auf den Satelliten 18a zugreifen. Der zentrale Controller 26a vergleicht dann die neue Gesamt-PSD mit der Regel-PSD-Grenze, wie in Schritt 108 angegeben. Falls dieser Vergleich anzeigt, dass die PSD des mobilen Endgeräts 20n, das momentan Zugriff fordert, dazu führen würde, dass die neu Gesamt-PSD die vorgegebene Regel-PSD-Grenze bei jedem Offset-Winkel auf der Achse oder versetzt zu der Achse überschreiten würde, wird dann der Zugriff auf das System 10 verweigert, wie in Schritt 110 angezeigt. Optional könnte die Anforderung für zusätzliche Kapazität in eine Warteschlange gesetzt werden, bis der zentrale Controller 26a erkennt, dass zusätzliche Kapazität verfügbar ist, wie in Schritt 112 angegeben. Nur wenn ausreichend PSD (d. h. heißt Kapazität) verfügbar wird (bspw. durch Freigabe von Datenratenleistung durch ein andere mobiles System 20), wird der zentrale Controller 26a eine Autorisierung senden, um ein Signal zu dem mobilen System 20n zu senden, wie in Schritt 114 angegeben.
  • In gleicher Weise wird, wenn ein mobiles System 20 nicht länger Datenrate (d. h. Leistung) benötigt, diese von dem zentralen Controller 26a freigegeben, so dass sie von anderen mobilen Systemen 20 benutzt werden kann, die den Transponder teilen. Keine Autorisierung von dem zentralen Controller 26a ist notwendig, bevor ein mobiles System 20 Kapazität freigibt. Wenn der zentrale Controller 26a eine Datenrate-Freigabe-Nachricht von einem beliebigen mobilen System 20 empfängt, subtrahiert dieser die PSD der freigegebenen Datenrate von der Gesamt-PSD, um eine neue Gesamt-PSD zu bilden.
  • In der Praxis wird sich die Gesamt-PSD, die von dem zentraler Controller 26a überwacht wird, konstant ändern, da verschiedene mobile Systeme 20, die innerhalb des Abdeckungsgebiets arbeiten, Kapazität anfordern und freigeben (d. h. Datenrate) von bzw. an das System 10, sowie ihre Kommunikationssessions mit dem System 10 starten und beenden. Falls eine Anforderung zur Autorisierung des Sendens von einem bestimmten mobilen System 20 durch den zentralen Controller 26a verweigert wird, könnte optional das System 10 das fordernde mobile System einem anderen Transponder zuweisen, der PSD-Kapazität verfügbar hat. Keine Autorisierung zum Senden wird an ein mobiles System 20 gesendet, das Zugriff auf das System 10 versucht, solange nicht der zentrale Controller 26a bestimmt hat, dass dessen HF-Übertragungen nicht dafür sorgen, dass die Gesamt-PSD aller mobilen Systeme 20, die momentan auf das System 10 zugreifen, die Regel-PSD-Grenze überschreiten.
  • Alle mobilen Systeme 20, die innerhalb des Abdeckungsgebiets arbeiten, fordern periodisch Leistung an und geben sie frei, da deren Datenrate, Orte, Ausrichtungen etc. sich während einer Kommunikationssession ändern. Jedes mobile System 20 sendet nur mit so viel Leistung wie erforderlich, um die Kommunikationsverbindung mit dem Transponder 18a1 des Satelliten 18a zu schließen. Diese Sendeleistung ist eine Funktion der Datenrate und vieler anderer Parameter (d. h. Neigungsbereich, Antennen-Abtastwinkel, etc.). Der Ablauf des Einstellens der Sendeleistung, um die Kommunikationsverbindung geschlossen zu halten, kann als „Leistungsregelung” bezeichnet werden.
  • Das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung können mit jedem Leistungs-Regelungsverfahren benutzt werden, das dem zentralen Controller 26a ermöglicht, über Leistungsänderungen (bspw. durch periodische Nachrichten) in Kenntnis zu setzen. Das bevorzugte Verfahren zum Regeln der Leistung ist ein Leistungs-Regelungsverfahren mit Schleife, wie zuvor beschrieben.
  • Ein anderes Leistungs-Regelungsverfahren ist ein Lösungsweg mit offener Schleife, bei dem jedes mobile System seine bekannte Position auf der Erde (üblicherweise über GPS bereitgestellt) und seine Lage benutzt zusammen mit der Kenntnis des Orts des Satelliten, mit dem kommuniziert werden soll, um die passende Sendeleistung zu bestimmen. Wiederum ist die gewählte Sende-EIRP nur der Betrag, der es erlaubt, die Kommunikationsverbindung mit dem Satelliten zu schließen. Bei dem Lösungsweg mit offener Schleife muss das mobile System 20 periodisch seine Sendeleistung an den zentraler Controller 26a berichten. Bei jedem Lösungsweg ist es wichtig, dass der zentrale Controller 26a über die Sendeleistung jedes mobilen Systems 20 in Kenntnis gesetzt wird, dass auf das System 10 zugreift.
  • Es wird nun auf die 10 Bezug genommen. Ein Beispiel des Betriebs des Systems und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Bei diesem Beispiel stehen drei Flugzeuge 12a, 12b und 12c in Kommunikation mit dem Satellitentransponder 18a1. Das Flugzeug 12a ist über Seattle, Washington, das Flugzeug 12b ist über Houston, Texas, und das Flugzeug 12c ist über Bangor, Maine.
  • Für dieses Beispiel wird ferner angenommen, dass jedes Flugzeug 12 eine unterschiedlich dimensionierte phasengesteuerte Gruppenantenne (PAA) besitzt, und dass jedes auf den Transponder des Satelliten 18a1 mit unterschiedlichen Datenraten zugreift. Das Flugzeug 12a benutzt eine aktive phasengesteuerte Gruppenantenne mit 256 Elementen (16 × 16) und sendet mit 64 Kbps, indem eine EIRP von 34 dBW benutzt wird. Das Flugzeug 12b benutzt eine größere PAA mit 512 Elementen und sendet innerhalb eines EIRP von 39 dBW und einer Datenrate von 256 Kbps. Schließlich hat das Flugzeug 12c eine PAA mit noch größerer Apertur und 1024 Elementen, die mit 128 Kbps und 37 dBW arbeitet. Jedes der mobilen Systeme 20 jedes Flugzeugs 12a, 12b und 12c richtet seine Antenne auf den Satellitentransponder 18a1, der bei 93° östliche Länge liegt.
  • Die spektrale EIRP-Dichte des HF-Signals vom Flugzeug 12a ist in 11 gezeigt und durch Bezugszeichen 112 gekennzeichnet. Die spektrale EIRP-Dichte des HF-Signals vom Flugzeug 12b ist in 12 gezeigt und mit Bezugszeichen 114 gekennzeichnet. Die spektrale EIRP-Dichte des HF-Signals vom Flugzeug 12c ist in 13 gezeigt und durch Bezugszeichen 116 gekennzeichnet. 14 zeigt die gesamte PSD, die vom zentralen Controller 26a bestimmt wird. Die Gesamt-PSD von allen drei Flugzeugen ist durch die Wellenform 118 gekennzeichnet. Aus 14 ist ersichtlich, dass die Gesamt-PSD 118 unterhalb der Regel-PSD-Grenze in Achsrichtung (d. h. „Maske”) 120 bei allen Punkten entlang des geostationären Bogens bleibt. Eine gleiche Überprüfung kann für die außeraxiale PSD durchgeführt werden.
  • Wie zuvor beschrieben, nutzt das System 10 ein Modell, dass es dem zentralen Controller 26a ermöglicht, das Strahlenmuster der Sendeantennen exakt zu berechnen basierend auf der Flugzeug-zu-Satelliten-Strahlausrichtungsgeometrie. Im aktuellen Betrieb wird dieses Antennenmodell von dem zentralen Controller 26a verwendet, so dass die Antennen-Verstärkungsmuster für jeden Antennentyp berechnet werden können, der eingesetzt werden wird, um auf das System 10 zuzugreifen. Kennt man die Sendeleistung, das Verstärkungsmuster und die Spreizbandbreite, kann ein PSD-Muster für jedes mobile System 20 berechnet werden, wie in 11–13 angegeben. Es wird eine gewöhnliche Additionsaufgabe, um die PSD-Anteile von jedem mobilen System 20 zu summieren, um die Gesamt-PSD zu berechnen, wie in 14 gezeigt. Bei diesem Beispiel ist die Gesamt-PSD geringer als die Regel-PSD-Grenze, so dass zwischen mobilen Systemen 20 der Zugriff auf das System 10 erlaubt werden kann, oder existierende Benutzer ihre Sendeleistung (d. h. Datenrate) erhöhen können. Da die Datenrate proportional zur Sendeleistung ist, die proportional zum PSD ist, kann gesagt werden, dass die vorliegende Erfindung die Leistung, PSD, Datenrate oder Kapazität verwaltet.
  • Es wird nun auf die 15–18 Bezug genommen. Eine detailliertere Beschreibung des Systems 10 zum Überwachen und Regeln der Gesamt-PSD aller Flugzeuge 12 wird nun geliefert. Die vorliegende Erfindung 10 umfasst einen Rückverbindungs-Leistungsregler (RLPC) 130. Der RLPC 130 umfasst einen Abtastwinkel-Kompensator 132 und ein bordeigenes Empfangs-/Sendeteilsystem (ARTS) 134. Der Abtastwinkel-Kompensator 132 umfasst ein Software-Programm, das eine wichtige Komponente des RLPC 130 ist. Diese Komponente wird in größerem Detail in den nachfolgenden gezeichneten Figuren diskutiert werden, aber es ist im Wesentlichen als Software implementiert, die an Bord des Flugzeugs 12 ist und Schnittstellen zu anderer Hardware im Flugzeug besitzt. Sie kompensiert die relativ schnellen Roll- und Nickbewegungen des Flugzeugs 12. Insbesondere kompensiert sie die Änderungen des Abtastwinkels der Sendeantenne 74, die ein direktes Ergebnis der Flugzeugbewegung sind. Er wird als „schneller” Abtastwinkel-Kompensator bezeichnet, da er Korrekturbefehle mit einer Rate von etwa 10 Befehlen pro Sekunde erzeugt, die, wenn mit anderen Abschnitte der RLPC 130 verglichen, etwa zehnmal schneller ist als solche anderen Bereiche. Das Eingangssignal des Abtastwinkel-Kompensators 132 ist der aktuelle Sendeantennen-Abtastwinkel. Das Ausgangssignal des Abtastwinkel-Kompensators 132 stellt eine zeitliche Reihe von Korrekturbefehlen in Form von ARTS-134-Antennen-Leistungspegeln dar.
  • Das ARTS 134 ist eine Hardware-Komponente, die in Verbindung mit dem Kommunikationsteilsystem 52 (2) steht. Die ARTS 134 akzeptiert Befehle entweder von der Bodenstation 22 oder von dem bordeigenen Abtastwinkel-Kompensator 132, um die Leistungspegel der Antenne 74 einzustellen und einen Ausgangs-Leistungspegel zu erzeugen, der so nahe wie möglich an dem vorgegebenen Leistungspegel liegt. Die Eingangssignale des ARTS 134 sind der aktuelle Antennen-Abtastwinkel, die Leistungsbefehle von dem Abtastwinkel-Kompensator 132 und die Leistungsbefehle von dem bodengestützten zentralen Controller 26a. Das Ausgangssignal des ARTS 134 ist einfach ein simulierter Wert des Eb/No. Das ARTS 134 kann mehr als nur den Wert Eb/No ausgeben, aber für die vorliegende Diskussion ist der Eb/No alles, was benötigt wird.
  • Der Block 136 stellt einen Eingangspegel des Eb/No dar, das das System 10 regeln soll. In der momentanen Praxis der RLPC 130 wird dieser Wert typischerweise von einer externen Einheit eingestellt und von einer Bodenkomponente des RLPC 130 akzeptiert. Der Ausgang des Blocks 136 stellt eine Zeitreihe der vorgegebenen bzw. angewiesenen Eb/No-Werte dar.
  • Das RLPC 130 umfasst ferner eine Summierkomponente 138 und einen Berichts-Algorithmus 140. Die Summierkomponente 138 nimmt die Differenz zwischen dem vorgegebenen (gewünschten) Eb/No, der durch Block 136 dargestellt ist, und dem Wert, der gemessen wurde und vom Berichts-Algorithmus 140 berichtet wurde (der aktuell diskutiert wird), und damit einen Fehler zu erzeugen, der benutzt wird, um das RLPC-System 130 anzusteuern. Die Summierkomponente 138 liegt in der Software, die auf einem oder mehreren Computern eines Datenzentrums 155 abläuft, das in 1 gezeigt ist, welches einen Bereich bzw. Abschnitt der Bodenstation 22 bildet. Das Ausgangssignal der Summierkomponente 138 stellt eine Zeitreihe von Fehlerwerten dar, die vollständig in Software liegen.
  • Der Berichts-Algorithmus 140 umfasst einen Hauptabschnitt der RLPC 130. Der stellt ein Software-Programm dar, das in einem Computer liegt, der mit dem Daten-Center 155 verknüpft ist. Sie wird eingesetzt, um die Eb/No-Messungen abzutasten, die von einem Bodenempfangs-/Sendesystem (GRTS) 143 erzeugt werden. Das GRTS 143 ist nicht Teil des RLPC 130. Der Berichts-Algorithmus 140 begrenzt die Größe der Eb/No-Messungen, um zu gewährleisten, dass zufällig unerwünschte Messdaten von dem RLPC-System 130 benutzt werden. Der Ausgang des Berichts-Algorithmus 140 ist einfach eine Wiederholung der Eingangs-Eb/No-Messung mit der Ausnahme, dass der Ausgang nur zu spezifischen und regelmäßigen Zeitintervallen genommen wird.
  • Der Ausgang der Summierkomponente 138 ist der Eingang in einen Boden-Controller 142 mit langsamer Schleife, der ebenfalls eine wichtige Komponente des RLPC-Systems 130 bildet. Der Boden-Controller 142 mit langsamer Schleife umfasst viele Teilkomponenten, die gleich diskutiert werden. Er ist in Software implementiert, die in Computern des Daten-Centers 155 (1) liegt.
  • Der Boden-Controller 142 mit langsamer Schleife kompensiert jede Form von Störung des Eb/No, die von den Computern des Daten-Centers 155 gemessen werden können. Er wird mit „langsam” bezeichnet, da er im Wesentlichen nur Leistungskorrekturen etwa einmal pro Sekunde erzeugen kann. Das Eingangssignal in den Boden-Controller 142 mit langsamer Schleife ist ein Fehlersignal und dessen Ausgang sind die berechneten Leistungspegel-Befehle, die an das Flugzeug 12 gesendet werden.
  • Es wird nun auf die 16 Bezug genommen. Der Abtastwinkel-Kompensator 132 ist in größerem Detail gezeigt. Der Abtastwinkel-Kompensator 132 umfasst ein „Abtastwinkel-Messungsintervall”-Teilsystem 144, das als Software an Bord des Flugzeugs in dem ARTS 134 enthalten ist. Das Teilsystem tastet in der Hauptsache die Abtastwinkel-Messung in regelmäßigen Intervallen ab. Das momentan bevorzugte Abtastintervall beträgt 100 Millisekunden. Somit wird alle 100 Millisekunden eine neue Abtastung des Abtastwinkels genommen. Während dem Zeitintervall, in dem keine Abtastung genommen wird, wird der zuletzt abgetastete Wert am Ausgang des Teilsystems 144 gehalten, bis die nächste Abtastung vorgenommen wird.
  • Der Block 146 stellt eine „Hysterese” dar. Dieser Block ist in der Software enthalten, die mit der ARTS 134 an Bord des Flugzeugs 12 verknüpft ist. Sie wird eingesetzt, um dessen Eingangssignal mit einer Hysterese zu versehen. Das heißt, dass der Ausgang des Blocks 146 sich nicht ändert, solange der Eingang sich nicht um einen bestimmten Wert ändert. Wenn dies passiert, ändert sich der Ausgang soviel wie sich der Eingang verändert hat. Falls das Eingangssignal die Richtung ändert, wird sich der Ausgang nicht ändern, bis sich der Eingang um eine vorbestimmte Größe geändert hat. Diese Funktion ist hilfreich um sicherzustellen, dass das RLPC-System 130 nicht auf sehr kleine Rauschspitzen reagiert. Momentan ist die bevorzugte Hysterese „Totzone”, Null; deshalb besitzt der Block 146 keine Auswirkung auf den Eingang. Es ist jedoch als ein optionales Element dargestellt, dass für eine Feinabstimmung der Leistung des Systems RLPC 130 verfügbar ist.
  • Der „Cosinus”-Block 148 ist ebenfalls in der Software des ARTS 134 an Bord des Flugzeugs 12 enthalten und wird verwendet, um nur den Cosinus seines Eingangs auszugeben. Der „Cosinus-Leistungs”-Block 150 ist ebenfalls in der Software an Bord des Flugzeugs 12 enthalten. Der Block 150 gibt einen konstanten Wert aus (vorzugsweise einen Wert von 1,2), der eingesetzt wird, um den Ausgang des Blocks 148 auf eine bestimmte Leistung zu bringen. Seine Funktion besteht darin, das momentane Verhalten der Sendeantenne 74 anzunähern, da seine eigene Verstärkung durch den Abtastwinkel in Form des cos(θ)1.2 beeinflusst wird, wobei „θ” der Abtastwinkel ist. Deshalb kann der Abtastwinkel-Kompensator 132 vorhersehen, was die Antenne 74 tut, um diesen Auswirkungen des Verhaltens entgegenzuwirken.
  • Die Ausgangssignale der Blocke 148 und 150 sind Eingangssignale für einen „Anheben-auf-Leistung”-Block 152, der ebenfalls ein wichtiger Teil des Abtastwinkel-Kompensators 132 ist. Block 152 ist in der Software im ARTS 134 an Bord des Flugzeugs enthalten und wird verwendet, um den Wert des Ausgangs vom Cosinus-Block 148 auf den des Ausgangs des Cosinus-Leistungsblock 150 anzuheben. Block 152 wird ebenfalls benutzt, um den Abtastwinkel-Kompensator 132 zu unterstützen, vorherzusagen, was die Antenne 74 tun wird, um den Wirkungen dieses Verhaltens entgegenzuwirken.
  • Der Ausgang aus dem „Anheben-auf-Leistung”-Block 152 ist das Eingangssignal zu einem „reziproken” Block 154, einem wichtigen Teil der Erfindung. Block 154 ist in der Software in dem ARTS 134 an Bord des Flugzeugs 12 enthalten und gibt das Reziproke seines Eingangs aus. Dies wird getan, weil der Ausgang des schnellen Abtastwinkel-Kompensators 132 möglicherweise den momentan gewünschten Leistungspegel von dem ARTS 134 (15) multiplizieren wird. Wenn dieser Wert (1/x) mit dem aktuellen Wert (der nahe an x sein sollte, was die Blöcke 148–152 versuchen vorherzusagen) multipliziert wird, sollten die Ergebnisse nahe an 1 sein. Das bedeutet, dass egal welcher Abtastwinkel vorliegt, das End-Ausgangssignal immer nahe 1 sein wird. Dieser Wert wird benutzt, um andere Werte innerhalb des Systems 130 damit zu multiplizieren, so dass, falls er nahe 1 gehalten wird, dann der Endwert des Gesamt-Systems sich nicht so sehr ändern wird.
  • Block 156 ist ein Dezibel-Umwandlungsblock, der in der Software des ARTS 134 an Bord des Flugzeugs 12 enthalten ist. Block 156 wandelt das Signal an seinem Eingang in Dezibel (dB) um, was die allgemeine Einheit der Messung in den meisten Kommunikationssystemen ist. Abhängig von der genauen Architektur des RLPC 130 wird der Block 156 nicht benötigt.
  • Block 158 führt eine „Aggregations-” bzw. „Zusammenfassungs”-Funktion auf das Ausgangssignal des Blocks 156 aus. Block 156 wird aktuell mit einem „Quantisierer” 158a und einem „diff1”-Block 158b kombiniert. Zu jedem Abtastzeitpunkt ist das Ausgangssignal des diff1-Blocks 158b die Differenz zwischen dem Eingang des vorhergehenden Abtastwerts und dem Eingang der aktuellen Abtastung. Der Aggregationsblock 158 dient zur Ausgabe der Änderung seines Eingangs mit jedem Zeitschritt. Wegen der 100 Millisekunden-Abtastung des Blocks 144 kommt in diesem Fall ein Zeitschritt alle 100 Millisekunden. Alle 100 Millisekunden berechnen die Blöcke 158a und 158b die Änderung ihres Eingangs aus der vorhergehenden 100 Millisekunden-Periode und geben diese Änderung aus. Der Quantisierer 158a gewährleistet, dass die Änderungen zumindest einen bestimmten Pegel (aktuell 0,1 dB) haben, bevor eine Änderung berichtet wird. Der Ausgang des Aggregationsblocks 158 ist der Eingang für das ARTS 134.
  • Es wird nun auf 17 Bezug genommen. Der Boden-Controller 142 mit langsamer Schleife von 15 wird nun in größerem Detail beschrieben. Es wird anfänglich auf Block 160 Bezug genommen, der in der Software in dem Daten-Center 155 enthalten ist. Er empfängt das Eingangsfehlersignal von der Summierkomponente 138 (15) und erzeugt ein Ausgangssignal abhängig davon.
  • Der Ausgang des Blocks 160 wird einem Fehlerrauschfilter 162 eingegeben und ebenfalls einem Kontrollfiltersystem 164. Block 162 ist in der Software im Daten-Center 155 enthalten. Block 162 filtert seinen Eingang, um die Wirkungen von Rauschen zu reduzieren. Er umfasst einen diskreten Tiefpassfilter erster Ordnung mit einer Abtastrate von vorzugsweise 10 Hz. Der Ausgang des Blocks 162 stellt eine gefilterte Version seines Eingangs dar.
  • Das Ausgangssignal des Fehlerrauschfilters 162 wird einem symmetrischen Relais mit Hysterese 166 eingegeben. Block 166 ist ebenfalls in der Software enthalten, die mit den Computern verknüpft ist, die in dem Daten-Center 155 benutzt werden. Block 166 gibt entweder eine „1”, „0” oder „–1” aus abhängig von der Historie des Eingangs. Falls der Eingang größer ist als ein vorgegebener Wert (oder kleiner als das Negative dieses Werts), wird dann der Ausgang 1 (oder –1). Falls der Eingang kleiner ist als ein anderer vorgegebener Wert (oder als das Negative dieses Werts), wird dann der Ausgang 0. Falls der Eingang zwischen diesen zwei Werten liegt, ist das Ausgangssignal das vorherige Ausgangssignal. Die Werte, die in Block 162 benutzt werden, können modifiziert werden, falls notwendig, um eine Feinabstimmung des RLPC-Systems 130 zu bewirken. Block 166 wird eingesetzt, um zu testen, ob das Ausgangssignal des gefilterten Fehlers von Block 162 zu groß ist (so in positiver als auch negativer Richtung). Falls dies der Fall ist, wird ein Wert ungleich Null ausgegeben, der dem Rest des RLPC-Systems 130 anzeigen wird, dass Leistungskorrekturen benötigt werden.
  • Block 168 ist in der Software am Boden enthalten. Der Ausgang des Blocks 168 ist der absolute Wert seines Eingangs, der entweder „1”, „0” oder „–1” ist. Es wird so gemacht, dass der Endausgang der drei Blöcke 162, 166 und 168 entweder „1” oder „0” ist. Eine „1” zeigt einen zu großen Fehler an. Eine „0” zeigt an, dass der Fehler momentan akzeptabel ist.
  • Der Kontrollfilterblock 164 ist ebenfalls in der Software am Boden enthalten und stellt ein wichtiges Teilsystem der Erfindung dar. Der Kontrollfilterblock 164 ist im Detail in 18 gezeigt und wird noch beschrieben werden. Die Funktion dieses Blocks 164 besteht jedoch im Wesentlichen darin, die notwendige Leistungskorrektur zu berechnen, sobald der Fehler als zu groß erkannt wird. Der Ausgang ist ein Leistungskorrekturbefehl, der an das Flugzeug 12 zu senden ist.
  • Block 170, der optional ist, dient dazu, Befehlsinkremente aus absoluten Befehlen zu erzeugen, und ist ebenfalls in der Software der Computer des Daten-Centers 155 enthalten. Block 172 führt die identische Funktion des Blocks 158 von 16 aus. Dieser Block 172 ist ebenfalls optional für den Boden-Controller 142 mit langsamer Schleife.
  • Block 172 empfängt das Ausgangssignal von Block 172 (oder vom Block 164, falls der Block 170 weggelassen ist). Block 172 ist ebenfalls in der Software enthalten, die mit den Computern des Daten-Centers 155 verknüpft ist. Er gibt seinen Eingang in den ARTS 134 in 15 aus. Bei der aktuellen Implementierung wird die Übertragung des Korrekturbefehls wahrscheinlich über mehrere eingreifende Elemente gehen, bevor es zu dem Satellitentransponder und zurück zu dem Flugzeug 12 laufen wird, dass die Hauptquelle jeder Zeitverzögerung ist, die bei der Übertragung des Korrekturbefehls erfahren wird. Diese eingreifenden Elemente sind nicht Teil der Erfindung. Sie werden Elemente sein, die typischerweise mit dem Inter-Netzwerk der Bodencomputer (wie Ethernet Cards, Routers, Switches, Firewalls etc.) verknüpft sind, sowie Elemente, die mit dem Kommunikationssystem 52 verknüpft sind (wie bspw. Modulatoren, Aufwärtswandler, Codierer, Antennen, etc.). Sie alle arbeiten gemeinsam, um die Leistungsbefehle vom Block 172 zu der ARTS 134 zu routen und zu senden. Deshalb ist Block 172 einfach eine Schnittstelle zu allen restlichen dieser eingreifenden Elemente, und deren Details werden innerhalb der endgültigen Implementierung des Systems 10 versteckt.
  • Es wird nun auf 18 Bezug genommen. Der Kontrollfilterblock 164 ist in größerem Detail gezeigt. Im Wesentlichen stellt dieser Block ein typisches diskretes Filter zweiter Ordnung mit Anti-Windup und einer Abtastrate (T), die einer Sekunde entspricht. Ein Freigabeschalter 174 ist in der Software der Computer des Daten-Centers 155 enthalten und ermöglicht, dass der Kontrollfilterblock 164 nur ausgeführt wird, wenn der Ausgang des ABS-Blocks 168 (17) größer oder gleich eins ist. Durch Nachführen des Signalflusses in diesem Diagramm ist ersichtlich, dass der Freigabeschalter 174 eine Ausführung des Kontrollfilterblocks 164 nur ermöglicht, wenn der gefilterte Eingangsfehler zu groß ist. Dies ist ein wichtiger Teil des RLPC 130, der dabei hilft, die Anzahl von Befehlen zu reduzieren, die von dem zentralen Controller 26a gesendet werden, um die Benutzung einer ansonsten verkaufbaren Bandbreiten zu reduzieren.
  • Block 176, der optional ist, ist ebenfalls in der Software in dem zentralen Controller 26a enthalten. Block 176 dient dazu, das Messfehlersignal zu dem Kontrollfilterblock 164 (17) zu senden. Er zeigt einen Referenzpunkt an, der zeigt, wo innerhalb des Inhaltsblocks (Block 142) das Signal in den Block gelangt.
  • Der Ausgang des Blocks 176 ist ein Eingang für einen Verstärker mit proportionaler Verstärkung 178. Der Verstärker 178 ist ebenfalls in der Software in dem zentralen Controller 26 enthalten. Der Verstärker 178 mit proportionaler Verstärkung gibt den Eingang aus, den er empfängt multipliziert mit einem vorgegebenen Wert. Dieser Wert ist wichtig im Hinblick auf das Design des RLPC-Systems 130, obgleich es in Antwort auf Abstimmungsbedürfnisse geändert werden kann.
  • Ein zweiter Verstärker mit proportionaler Verstärkung 180 empfängt das Ausgangssignal des Verstärkers 178. Der Verstärker 180 mit proportionaler Verstärkung ist ebenfalls in der Software im zentralen Controller 26a enthalten. Dieser Verstärker 180 führt die gleiche Funktion wie der Verstärker 178 aus, aber multipliziert seinen Eingang mit einem unterschiedlichen Wert.
  • Block 182 stellt einen „begrenzten diskreten Zeitintegrator” dar, der in der Software am Boden enthalten ist. Block 182 erzeugt die Zeitintegrale seines Eingangs als Ausgangssignal. Die Integration wird ausgeführt im diskreten Zeitbereich, indem ein sog. „Vorwärts-Euler”-Verfahren benutzt wird. Die Abtastperiode dieses Integrators ist eine Sekunde. Der Integrator ist begrenzt (sog. „Anti-Windup”) dahingehend, dass er die Integration beendet, wenn der Ausgang über einen vorgegebenen Wert (oder unter das Negative dieses Werts) geht. Er wird die Integration wieder starten, wenn der Eingang dieses Vorzeichen umdreht und damit den Ausgang seines begrenzten Werts reduziert.
  • Block 184 ist ein Multiplizierer, der in der Software des GRTS 143 enthalten ist. Dieser Block führt die gleiche Funktion wie Block 178 aus, multipliziert aber seinen Eingang mit einem anderen Wert.
  • Die Ausgänge der Multiplizierer 180 und 182 werden in einem Summierübergang 186 geführt, der diese Werte summiert und den summierten Wert an den Verstärker mit proportionaler Verstärkung 188 ausgibt. Der Verstärker mit proportionaler Verstärkung 188 ist in der Software des Daten-Centers 155 enthalten und führt die gleiche Funktion wie der Verstärker 178 aus, aber multipliziert seinen Eingang stattdessen mit einem unterschiedlichen Wert.
  • Es wird nun weiter Bezug genommen auf 18. Ein diskreter Zeitintegrator 190 empfängt das Ausgangssignal vom Verstärker mit proportionale Verstärkung 188. Der diskrete Zeitintegrator 190 ist in der Software der Rechner des Daten-Centers 155 enthalten. Dieser Integrator 190 führt die gleiche Funktion wie der Integrator 182 aus (wobei die gleiche Abtastzeit und das Integrationsverfahren benutzt werden), aber ist nicht wie Block 182 begrenzt. Ein Schnittstellenblock 192 empfängt das Ausgangssignal aus dem diskreten Zeitintegrator 190. Der Ausgangs des Blocks 192 ist der Eingang des Blocks 170 in 17.
  • Der Boden-Controller 142 mit langsamer Schleife implementiert Filter anstelle eines bekannten „Dead-Bang”-Regelungsverfahren, das sehr rauscharme und/oder eine extensive Kenntnis verschiedener Systemparameter erfordert. Der Boden-Controller 142 mit voller Schleife stellt ebenfalls eine sehr starke Stabilität und analytische Nachprüfbarkeit bereit. Er reagiert ebenfalls besser auf Modellunwegbarkeiten und Veränderungen, auf die einfach online für optimale Leistung abgestimmt werden kann. Vorzugsweise erzeugt der Boden-Controller 142 mit langsamer Schleife „Befehlsinkremente”, die weniger Bandbreite benötigen als eingesetzt werden würde, wenn diese Inkremente an das Flugzeug 12 gesendet werden. Der Freigabeschalter 174 begrenzt ferner die Erzeugung von Befehlen durch alleiniges Ausführen von Filtern, wenn der Fehler oberhalb einer einstellbaren Grenze ist. Der Freigabeschalter 174 wirkt ferner, um jeden und alle Blöcke innerhalb des Blocks 163 freizugeben oder zu sperren. Der Boden-Controller 142 mit langsamer Schleife macht ferner Gebrauch von einer Hysterese, die innerhalb des Blocks 166 enthalten ist, um Jitter und „Hunting” (Regelschwingungen) zu verhindern.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung stellen somit ein Mittel zum Verwalten und Überwachen der Kommunikation von einer Vielzahl von mobilen HF-Sendeplattformen bereit, um zu gewährleisten, dass die Gesamt-PSD aller mobilen Plattformen vorgegebene Regel-Grenzen nicht überschreitet. Es ist ebenfalls ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass ein zentraler Controller eingesetzt wird, um Anforderungen für einen Zugriff auf das System 10 von jedem der mobilen Systeme 20 zu empfangen und zu überwachen, so dass eine nahe Kontrolle auch im Hinblick auf die axiale und außeraxiale Gesamt-PSD aufrechterhalten wird. Indem jedes mobile System 20 nur mit jenem Leistungsbetrag senden darf, der erforderlich ist, um die Kommunikationsverbindung aufrechtzuerhalten, wird die Effizienz des Systems 10 maximiert und damit wird eine große Anzahl von mobilen Systemen ermöglicht, die auf das System 10 zugreifen, ohne dass die Gesamt-PSD die Regel-Grenzen überschreitet.
  • Der Fachmann in diesem Bereich wird aus der vorhergehenden Beschreibung erkennen, dass die Breite Lehre der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Formen implementiert werden kann. Während diese Erfindung in Verbindung mit bestimmten Beispielen beschrieben wurde, sollte der wirkliche Rahmen der Erfindung nicht darauf begrenzt werden, da andere Modifikationen für den Fachmann bei einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der nachfolgenden Ansprüche nahe liegen.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Bestimmen einer spektralen Leistungsdichte (PSD) eines HF-Signals von einer mobilen Plattform (12) mit einem HF-Sender/Empfänger, der auf einen weltraumgestützten Transponder (18) gerichtet ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Messen einer Signalqualität des Signals, wenn das Signal von dem weltraumgestützten Transponder an einer Bodenstation empfangen wird, – Bestimmen einer außer-axialen und axialen PSD der mobilen Plattform (12); und – Erzeugen eines Leistungskorrektur-Befehlssignals auf der Basis der bestimmten außer-axialen und axialen PSD, wobei das Leistungskorrektur-Befehlssignal zurück zu der mobilen Plattform (12) über den weltraumgestützten Transponder gesendet wird, um damit die spektrale Leistungsdichte des Signals und die Gesamt-PSD der mobilen Plattformen zu regeln und die außer-axiale und axiale Gesamt-PSD der mobilen Plattformen innerhalb einer vorbestimmten Grenze zu halten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, mit den Schritten: Verwenden eines zentralen Controllers (26), um das HF-Signal, das von dem weltraumgestützten Transponder (18) übertragen wird, zu empfangen und dessen Signal-Rausch-Verhältnis zu bestimmen; Annehmen, dass das Signal-Rausch-Verhältnis des HF-Signals, das von dem zentralen Controller empfangen wird, ungefähr identisch zu dem Signal-Rausch-Verhältnis eines HF-Signals am Ausgang des weltraumgestützten Transponders (18) ist; Bestimmen einer äquivalenten isotropen Abstrahlleistung (EIRP) eines HF-Signals, das auf den weltraumgestützten Transponder (18) von der mobilen Plattform (12) gerichtet ist, als Funktion des Signal-Rausch-Verhältnisses des HF-Signals, das von dem zentralen Controller (26) empfangen wird, und Kennzeichnen des EIRP-Wertes als eine Ziel-EIRP; Benutzen der Ziel-EIRP und eines Antennenmusters der mobilen Plattform (12), um eine aktuelle EIRP zu bestimmen, die einen GEO-Bogen erreicht, in dem sich der weltraumgestützte Transponder befindet; und Benutzen der aktuellen EIRP, die den GEO-Bogen erreicht, um die außer-axiale und axiale PSD des HF-Signals zu bestimmen, das von der mobilen Plattform (12) gesendet wird.
  3. System zum Überwachen und Steuern einer axialen und außer-axialen spektralen Leistungsdichte (PSD) eines HF-Signals von einer mobilen Plattform (12) mit einem HF-Sender/Empfänger, der auf einen weltraumgestützten Transponder gerichtet ist, wobei das System aufweist: einen Boden-Schleifen-Controller zum Messen einer Signalqualität des Signals, wenn das Signal an einer Bodenstation von dem weltraumgestützten Transponder kommend empfangen wird, und zum Erzeugen eines Leistungskorrektur-Befehlssignals, das zurück zu der mobilen Plattform (12) über den weltraumgestützten Transponder gesendet wird, um dadurch die axiale und außer-axiale spektrale Leistungsdichte des Signals zu regeln und die axiale und außer-axiale Gesamt-PSD der mobilen Plattformen innerhalb einer vorbestimmten Grenze zu halten, wobei eine zentrale Steuerung (26a) vorgesehen ist, um eine außer-axiale und eine axiale PSD der mobilen Plattform (12) zu bestimmen.
  4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden-Schleifen-Controller ein System mit geschlossener Schleife aufweist, das eine Signalqualität des Signals vergleicht, das an der Bodenstation empfangen wird, mit einem vorbestimmten Wert, und das Leistungskorrektur-Befehlssignal basierend auf einem Unterschied der Signalqualität zwischen dem empfangenen Signal und dem vorbestimmten Wert erzeugt.
  5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden-Schleifen-Controller nur die Leistungskorrektur-Befehlssignale sendet, wenn ein Signal-Qualitätswert des Signals sich von einem gewünschten vorbestimmten Wert um einen vorbestimmten Betrag unterscheidet.
  6. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungskorrektursignal einen inkrementalen Wert darstellt, durch den der Leistungspegel des Signals modifiziert werden soll.
  7. System nach Anspruch 3, ferner gekennzeichnet durch: ein Abtastwinkel-Kompensationssystem (132) zum Überwachen eines Leistungspegels eines Signals, das von dem HF-Sender/Empfänger der mobilen Plattform (12) gesendet wird, wobei der Leistungspegel aufgrund von Änderungen der Lage der mobilen Plattform variiert, und zum Einstellen des Leistungspegels des Signals, das von dem HF-Sender übertragen wird, um Schwankungen des Leistungspegels zu minimieren, wenn das Signal von dem weltraumgestützten Transponder empfangen wird.
  8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastwinkelkompensator ein System mit offener Schleife aufweist, das Antennenausrichtungsinformation, die von einem bordeigenen Referenzsystem erzeugt wird, oder Lageinformation, die von einem bordeigenen Trägheitsreferenzsystem erzeugt wird, mit Information vergleicht, die in einer vorgespeicherten Tabelle enthalten ist, und den Leistungspegel des Signals entsprechend der in der vorgespeicherten Tabelle enthaltenen Information modifiziert.
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