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Die Erfindung betrifft ein System für die Kommunikation
über Satelliten in niedriger Umlaufbahn mit mobilen
Endgeräten.
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Die bisher untersuchten Kommunikationen mit mobilen
Endgeräten über Satelliten verwendeten zwei Typen von
Umlaufbahnen: geostationäre Satelliten-Umlaufbahnen oder
stark geneigte, elliptische Umlaufbahnen, wobei beide die
Eigenschaft haben, im Mittel oberhalb von Zonen im Raum mit
großer Teilchenkonzentration, "Van-Allen-Strahlungsgürtel"
genannt, zu liegen. Seit kurzem sind niedrigere
Umlaufbahnen in Betracht gezogen worden. Ihre Höhe liegt
zwischen 800 und 2000 km. Eines der Merkmale von
Kommunikationssystemen über Satelliten, die solche
Umlaufbahnen verwenden, ist die Möglichkeit, mit einer
großen Anzahl von mobilen Endgeräten, beispielsweise
tragbaren Endgeräten, zu kommunizieren. Aber die schwachen
Funkleistungen dieser Endgeräte zwingen dazu, eine
Kompensation vorzusehen, die mit höheren Funkleistungen des
Satelliten erhalten wird.
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Der Unterschied zwischen den Umlaufbahnen mit einer Höhe
oberhalb des "Van-Allen-Strahlungsgürtels" und denen mit
einer geringeren Höhe liegt in der Raumdämpfung, die um so
schwächer ist, je näher der Satellit der Erde ist. Es ist
jedoch möglich, die Raumdämpfung durch Anpassen der Größe
der Satellitenantennen zu kompensieren. Diese Kompensation
hat jedoch Grenzen. Für Kommunikationen mit mobilen
Endgeräten werden diese Grenzen überschritten: die Antennen
der Satelliten auf niedrigen Umlaufbahnen liefern
schwächere Verstärkungen; bei gegebener Geometrie des
Kommunikationssystems über Satelliten, die diese
Umlaufbahnen verwenden, müssen diese Antennen
Bahnvariationen kompensieren, die weit über denen liegen,
die bei höheren Umlaufbahnen angetroffen werden.
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Ein Bericht des CCIR (Dokument Nr. US IWP 8/14-52; 01.
August 1990) mit dem Titel "Technical characteristics of a
personal communication mobile satellite system" beschreibt
ein System für die Kommunikation über Satelliten in
niedriger Umlaufbahn mit Mehrstrahl-Antennen; jede umfasst
37 konische Strahlen. Ein solches System hat den großen
Nachteil, eine große Anzahl von Strahlenkeulen oder Bündeln
aufzuweisen, die jede eine kleine Spur auf der Erde bilden.
Darüber hinaus können aufgrund der Mobilität der Benutzer
und der Satellitenlaufbahn im Laufe der Zeit Änderungen der
Bündel entstehen. Diese sind im Allgemeinen mit einem
Ressourcenwechsel ("hand-over") verbunden. Treten diese in
erhöhter Anzahl im Laufe eines Gespräches auf, ist das für
die Qualität der Verbindung und den Hörkomfort nachteilig.
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Der Artikel mit dem Titel "A novel non-geostationary
satellite communications system" von J. M. Ruddy, der in
der der "International Conference on Communications" Band
3, Juni 1981, Seiten 54.3.1 bis 54.3.4 erschienen ist,
beschreibt ein Kommunikationssystem für ortsfeste
Endgeräte. Die Antennen, die sich an Bord von umlaufenden
Satelliten befinden, sind von herkömmlicher Bauart.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, diese Nachteile zu
beseitigen, indem ein Kommunikationssystem beschrieben
wird, das es erlaubt, die Kapazität der Satelliten
erheblich zu verbessern.
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Sie schlägt zu diesem Zweck ein System für die
Kommunikation über Satelliten in niedriger Umlaufbahn mit
mobilen Endgeräten vor, wie in Anspruch 1 beschrieben.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden
die Strahlenbündel einer jeden Abdeckung gemäß eines
räumlichen Abtastverfahrens, "Beam hopping" genannt,
eingeschaltet; dabei werden das Senden und der Empfang für
jeden Satelliten und für jedes mobile Endgerät
synchronisiert.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird ein
Zeitduplexbetrieb verwendet; dabei werden das Senden und
der Empfang für jeden Satelliten und für jedes mobile
Endgerät zeitlich getrennt und synchronisiert.
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Vorteilhafterweise erlaubt ein solches System die Kapazität
eines Satelliten von ungefähr 500 kg von kaum 60 Kanälen
(geostationär) auf mehr als 5000 Kanäle in niedriger
Umlaufbahn zu erhöhen. Darüber hinaus weist dieses
Kommunikationssystem einen einfachen Aufbau auf. Es erlaubt
einen Betrieb mit polaren Umlaufbahnen und mit geneigten
Umlaufbahnen. Es erlaubt Störungen im Fall von geneigten
Umlaufbahnen unabhängig vom Zugriffstyp zu begrenzen. Es
erlaubt schließlich eine Optimierung des Betriebs der
Antennen eines jeden Satelliten.
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In vorteilhafter Weise können die in dem erfindungsgemäßen
System verwendeten Satelliten eine Nutzlast mitführen, die
umfasst:
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- eine Verbindungsantenne zu einer ortsfesten
Verknüpfungsstation zu den terrestrischen Netzen;
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- eine Duplexschaltung, die das Senden von dem Empfang
sowie die Polarisationsrichtungen trennt;
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- eine Anordnung von Schaltungen, die den Empfang von
Signalen gewährleistet, die von den
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Verknüpfungsstationen zu den terrestrischen Netzen
herrühren;
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- eine Anordnung von Filtern und Schaltungen zur
Frequenzumsetzung zu dem Frequenzband der Verbindung
Satellit - mobile Endgeräte, die auch die Verstärkung
der Sendekette zu den Mobilgeräten steuert;
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- einen Vieltorverstärker;
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- eine Anordnung von Antennen für die Kommunikation mit
den mobilen Endgeräten;
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- eine Anordnung von Empfängern und Mischern, die die
Frequenz der Verbindung mobiles Endgerät - Satellit zu
der der Verbindung Satellit - Verknüpfungsstationen zu
den terrestrischen Netzen umsetzt;
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- eine Zeitmultiplex und/oder
Frequenzmultiplexschaltung;
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- eine Leistungsverstärkerschaltung für die Verbindung
Satellit - Verbindungsstationen, die auch einen
Ausgangsfilter für jede Polarisationsrichtung umfasst.
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
außerdem aus der nun folgenden Beschreibung, anhand eines
nicht einschränkenden Beispieles, unter Bezugnahme auf die
beigefügten Figuren, von denen:
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- die Fig. 1 eine Abdeckung in einem
Satellitenkommunikationssystem gemäß dem Stand der
Technik darstellt;
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- die Fig. 2 das erfindungsgemäße
Satellitenkommunikationssystem darstellt;
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- die Fig. 3 und 6 schematische Ansichten sind, die
den Betrieb des erfindungsgemäßen
Satellitenkommunikationssystems darstellen;
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- die Fig. 7 die Nutzlast eines Satelliten in dem
erfindungsgemäßen Kommunikationssystem darstellt;
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- die Fig. 8 die Antennenleistungen eines Satelliten in
dem erfindungsgemäßen Kommunikationssystem darstellt.
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In einem Kommunikationssystem über Satelliten gibt es zwei
mögliche Klassen von niedrigen Umlaufbahnen:
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- die polaren Umlaufbahnen (oder quasi-polaren
Umlaufbahnen, um den Fall der heliosynchronen
Umlaufbahn zu berücksichtigen, d. h. der Umlaufbahn,
deren Ebene fest im Raum bleibt), deren Ebene die Pole
durchläuft. Diese Umlaufbahnen haben im Prinzip die
Eigenschaft, eine permanente und globale Abdeckung auf
der Erde zu gewährleisten;
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- die geneigten Umlaufbahnen; deren Ebene einen
gegebenen Winkel, in der Praxis unterhalb von 60º, zu
der Äquatorialebene bildet. Die permanente Abdeckung
ist dann aus zwei Bändern mit zum Äquator parallelen
und bezogen auf diesen symmetrischen Grenzen
zusammengesetzt.
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Jeder Umlaufbahntyp hat Schnittpunkte mit den
Umlaufbahnebenen. Bei den polaren Umlaufbahnen ist die
Schnittzone in der Nähe der Pole. Im Falle von geneigten
Umlaufbahnen ist diese Zone in der Nähe des Äquators.
Außerdem wird die Empfangszone eines Satelliten durch eine
geometrische Bedingung definiert: es ist die Gesamtheit der
Punkte der Erde, von denen aus der Satellit mit einer
Elevation (Winkel, den die Richtung Benutzer - Satellit mit
einer Tangentialebene auf der Erde am Ort des mobilen
Endgerätes bildet) oberhalb eines vorgegebenen Werts (in
der Praxis liegt der Wert zwischen 10 und 15º) sichtbar
ist.
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Diese zwei Typen von Umlaufbahnen weisen die gleiche
Eigenschaft auf: die Empfangszonen jedes Satelliten
überdecken sich zu verschiedenen Zeitpunkten oder an
verschiedenen Orten:
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- bei polaren Umlaufbahnen überdecken sich die
Empfangszonen jedes Satelliten allmählich in Richtung
auf die Pole zu;
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- bei geneigten Umlaufbahnen ist die Beschreibung des
Überdeckungsphänomens komplexer, in bestimmten Zonen
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- kann sie sogar 100% erreichen. Es gibt auch
Satellitenkonstellationen, die in bestimmten Zonen
eine vierfache Abdeckung erreichen.
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Eine solche Eigenschaft ist vorteilhaft, denn sie erlaubt
in den meisten Fällen, Kommunikationen mit wenigstens zwei
Satelliten zu etablieren. Die Konzeption des Systems gemäß
der Erfindung berücksichtigt diese Vielfachüberdeckungen,
um Störungen zwischen Überdeckungen zu vermeiden:
Eine Störung ist gekennzeichnet als die Überlagerung
mehrerer Signale, von denen eines das "gewünschte" Signal
ist, und die anderen Störer, die den guten Empfang des
gewünschten Signals stören oder verhindern können. Bei der
Art des Zugriffs auf diese Satelliten in niedriger
Umlaufbahn wird dieses Störungsproblem berücksichtigt.
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Bei einem bekannten Kommunikationssystem über Satelliten,
wie etwa dem oben vorgestellten, wird auf der Erde eine
Abdeckungszone mit Hilfe von mehreren Bündeln 10, wie in
der Fig. 1 dargestellt, verwirklicht; die erhaltene
Nutzabdeckung ist die Zone 11. Eine solche Abdeckung hat
mehrere Nachteile: sie weist auf der Strecke vom Satellit
zu dem mobilen Endgerät mehrere Zonen auf, in denen die
Störleistungen sehr groß sind. Diese Zonen sind, sowohl im
TDMA (Zeitmultiplexzugriff) als auch im CDMA
(Codemultiplexzugriff) dimensionierend, d. h., dass sie in
sehr starkem Maße an der Größe, am Gewicht und an den
Kosten des betrachteten Satelliten beteiligt sind. Wenn die
Umlaufbahnen außerdem geneigt sind, können die Störungen zu
Verbindungsunterbrechungen im zweistelligen Sekundenbereich
führen. Außerdem erfordert eine solche Abdeckung mit Hilfe
von kleinen Bündeln ziemlich häufigen Wechsel von
Ressourcen. In einem System, wo die Anzahl von Bündeln groß
ist, führt das dazu, dass beispielsweise alle paar Minuten
ein Wechsel der Ressourcen stattfindet. Die am Boden
induzierte Bearbeitungslast ist bei weitem nicht
vernachlässigbar.
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Außerdem ist es sowohl im CDMA, wo der Näheeffekt
("nearfar effect") stark sein kann, als auch im TDMA/FDMA, oder
im FDMA (Frequenzmultiplexzugriff), wo die verheerende
Wirkung von Trägerfrequenzen mit großen Amplituden auf die,
die weniger Leistung haben, bekannt ist, wünschenswert,
über eine Antennenverstärkung zu verfügen, die am Boden zu
einer Empfangsleistung (pro Flächeneinheit) führt, die so
gleichmäßig wie möglich ist.
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Genauso wie die terrestrischen Funkkommunikationssysteme
mit mobilen Endgeräten ist das erfindungsgemäße
Satellitensystem, beispielsweise wie in Fig. 2
dargestellt, ein zellulares System, dessen Zellen mit
großen Abmessungen aus der Erdspur der verschiedenen Bündel
12 der Abdeckung eines jeden Vielstrahlsatelliten 13
gebildet sind. Aus funktechnischer Sicht wird eine Zelle
durch eine Gesamtheit von Ressourcen (Frequenzen,
Zeitintervalle, Codierung) gekennzeichnet, aus der das
mobile Endgerät bei der Etablierung einer Kommunikation ein
Element schöpft.
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Das erfindungsgemäße System ist ein System mit
beispielsweise 6 Strahlenbündeln, anstatt 37, wie im Falle
des oben erwähnten CCIR-Berichtes beschrieben. Die Anzahl
von "hand-over" ist folglich, ipso-facto, durch die Anzahl
von Bündeln geteilt: d. h. durch einen Faktor von etwa 6.
Um eine identische globale Abdeckung 14 zu gewährleisten,
muss jedes Bündel 12 deshalb eine größere Fläche am Boden
abdecken, was zur Definierung einer einzigen Antenne 16 mit
geringen Abmessungen führt.
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Außerdem ist in diesem System die geometrische Form der
Bündel 12 verändert: wie in Fig. 3 dargestellt, sind aus
kreisförmigen längliche elliptische geworden. Auf diese
Weise ist die Kommunikationszeit ohne "hand-over" deutlich
erhöht; die große Achse der Ellipse ist parallel zur
Umlaufrichtung 15 des Satelliten angeordnet. Auf diese
Weise kann der Benutzer, so lange wie er im Sichtbereich
des Satelliten bleibt, über die gesamte Kommunikationsdauer
von dem gleichen Bündel angestrahlt sein.
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Die Verwendung einer beschränkten Anzahl von länglichen
elliptischen Bündeln führt daher zu einem bestimmten
Mehrwert auf Systemniveau: die Komplexität von mehreren
Untersystemen ist reduziert (Nutzlast, Antenne), und die
Verwaltung von bestimmten Funktionen ist auf globalem
Niveau vereinfacht (Verwaltung von Kommunikationen und
Ressourcen). Daraus ergibt sich eine größere Flexibilität
und eine größere Verfügbarkeit des Kommunikationssystems
mit den mobilen Endgeräten.
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Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße System gemeinsam
die Techniken des Zeitmultiplex (TDD) und des
"Bündelsprungs" (beam-hopping) verwenden: Die N
Bedeckungspunkte am Boden werden sukzessive und sequentiell
angestrahlt, indem Gruppen von P Punkten, die unter den N
Punkten ausgewählt werden, gebildet werden.
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In dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten Beispiel werden
aufeinanderfolgend eine Gruppe von zwei Punkten 18, die aus
den sechs Punkten des Satelliten ausgewählt worden sind,
sequentiell in 6/2 = 3 Zeitschritten angestrahlt. Diese
Operation wird sowohl beim Senden als auch beim Empfang
durchgeführt, was in einfacher Weise zu einem
Übertragungsrahmen führt, der insgesamt 6 Zeitintervalle (3
für das Senden zum mobilen Endgerät und 3 für den Empfang
des Satelliten) umfasst, wie in Fig. 6 dargestellt.
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In der Tat gibt es in einem Vielstrahlsystem zwei Mittel,
um sich von Störungen zwischen benachbarten Bündeln, die zu
dem gleichen Satelliten gehören, zu befreien:
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- jedes Bündel wird dauerhaft ausgestrahlt, und die
Störungsbegrenzung zwischen den Bündeln ist dank eines
Frequenzwiederverwendungsschemas möglich.
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- Das ganze verfügbare Band wird in einem Bündel
verwendet. Die Technik, die es erlaubt, sich von den
Störungen zwischen benachbarten Bündeln zu befreien,
ist die räumliche Abtastung oder der "Bündelsprung"
(beam-hopping). Es werden diejenigen Bündel
gleichzeitig ausgestrahlt, die so weit voneinander
räumlich entfernt sind, dass ihr Ausmaß an
gegenseitiger Interferenz akzeptabel ist.
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Was die Störungsbegrenzung zwischen den Bündeln von
verschiedenen Satelliten betrifft: wenn zwei oder mehrere
Satelliten sich kreuzen oder sich einander annähern,
überdecken sich ihre Spuren auf der Erde mehr oder weniger
teilweise. Diese Ereignisse treten in einem
Vielstrahlsystem relativ häufig auf. Andererseits können
zusätzliche Störungen aus Phänomenen der transhorizontalen
Fortpflanzung resultieren. Diese zufälligen Störungen
können nur, in diesem Fall durch die Technik des "beam-
hopping" begrenzt werden. Diese Technik des räumlichen
Abtastens in Kombination mit der Verwendung von
elliptischen, länglichen Ausleuchtpunkten ist folglich die
bestmögliche Lösung für diesen Typ von Störung. Die
längliche Form der Bündel 12 erlaubt darüber hinaus, die
Abdeckungsfläche der Spuren von verschiedenen Satelliten zu
reduzieren, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Lösung
zeichnet sich außerdem dadurch aus, dass sie kompatibel mit
den verschiedenen verwendbaren Übertragungsschemata ist und
dass sie eine große Vereinfachung der Antenne erlaubt.
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Unter allen existierenden Zugriffsarten bieten mehrere
Arten einen vernünftigen Kompromiss zwischen den Leistungen
(Anzahl der Kanäle) und der Komplexität (und folglich der
Kosten) des Demodulators. Es handelt sich um Arten, die
entweder einen Zugriff im Frequenzmultiplex (FDMA) oder im
Zeitmultiplex (TDMA) oder im Codemultiplex (CDMA) anwenden,
oder um hybride Arten: beispielsweise eine Kombination von
CDMA und TDMA.
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Die vorteilhaftesten Zugriffsarten sind die, die kompatibel
mit den in den terrestrischen zellularen Netzen verwendeten
Arten sind. Es sind drei:
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- der Frequenzmultiplexzugriff (FDMA) verwendet einen
Frequenzduplexbetrieb. Er benötigt vier
Frequenzbänder, um einen Verbindung zu etablieren:
zwei Frequenzbänder, um die Verbindungen zwischen dem
mobilen Endgerät und dem Satelliten zu etablieren, und
zwei Frequenzbänder, um die Verbindungen zwischen dem
Satelliten und den ortsfesten Stationen der
terrestrischen Netze (Verknüpfungsverbindungen) zu
etablieren.
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Man kann eine Kapazität von etwas weniger als 40 Trägern
pro MHz und pro feinem Strahlenbündel (vom Typ GSM mit
halber Rate oder mit 4800 Bits codiertes Sprachsignal)
erzielen.
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- Der Zeitmultiplexzugriff (TDMA) hat die Besonderheit,
dass er die Datenrate so erhöht, dass ein gegebener
Benutzer Zugriff auf einen Satelliten nur während
einer kurzen, ihm vorab zugeteilten Zeitspanne hat. In
dem erfindungsgemäßen System verwendet man mehrere
Trägerfrequenzen pro Frequenzband, so dass die
Datenrate nicht zu hoch ist. Die gewählte Datenrate
ist die des terrestrischen zellularen Netzes, das das
Satellitensystem vervollständigt. In Europa
beispielsweise wird vorzugsweise die Datenrate des
GSM-Netzes (europäische ETSI-Norm), in den Vereinigten
Staaten die des DAMPS-Netzes (digitale US-Norm)
verwendet.
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Bei diesem Zugriffstyp, beidem das verwendete Frequenzband
für jede Trägerfrequenz breiter als der Dopplereffekt ist,
verwendet man einen "Bündelsprung" (beam-hopping). Dieser
Bündelsprung erfordert allerdings eine Synchronisation
zwischen dem Senden und dem Empfang, sowohl für den
Satelliten als auch für das mobile Endgerät. Je nach
Frequenzbändern, die für das mobile Endgerät verfügbar
sind, sind mehrere Lösungen möglich:
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- in dem herkömmlichen Fall, wo zwei Frequenzbänder für
die Strecken mobiles Endgerät - Satellit verfügbar
sind, ist es möglich, den Aufbau des Endgerätes zu
vereinfachen, indem immer Senden und Empfang zeitlich
getrennt ausgeführt werden (diese Technik nennt sich
in der technischen Umgangssprache "Pingpong-Verfahren"
(time-division duplex, TDD). Das eingesetzte
Zugriffsprinzip ist folglich das folgende: Um eine
Kommunikation zu etablieren, wird eine
Frequenzressource (Auswahl einer Trägerfrequenz)
zugewiesen. Dann definiert man innerhalb dieser
Ressource Sendezeitpunkte. Die Synchronisation muss
von dem Endgerät und der Verknüpfungsstation
garantiert sein. Sie vollzieht sich zuerst in einem
spezifischen Kanal, dann in dem Übertragungskanal, wo
die Änderung des Sendezeitpunktes durch ein Inkrement
erfolgt.
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- In dem Fall eines einzigen Frequenzbandes für die
Verbindung mobiles Endgerät - Satellit ist der TDD-
Betrieb für die mobilen Endgeräte und den Satelliten
obligatorisch. Das führt zu einer besonders einfachen
Nutzlast des Satelliten. Die Synchronisation des
Sendens des mobilen Endgerätes geschieht unter
Verwendung zuerst eines spezifischen Kanals, dann
unter Verwendung eines Verfahrens mit geschlossenem
Regelkreis, das den Sendezeitpunkt inkrementiert oder
dekrementiert.
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In diesem Fall wie in dem vorhergehenden erlaubt eine
zentralisierte Verwaltung der Frequenzressourcen, die
Störungen zu begrenzen. Außerdem ist es nicht
ausgeschlossen, dass schnelle Ressourcenwechsel ("hand-
over") durchgeführt werden müssen. Das erfindungsgemäße
System dient aber dazu, ein terrestrisches Netz zu
vervollständigen, das schon diese Funktionalitäten besitzt.
Diese Verwaltung beruht auf dem folgenden Prinzip: ab einer
bestimmten Höhe des Satelliten sind die geographischen
Zonen, wo die Möglichkeit von Störungen besteht, begrenzt.
Nur in diesen Zonen gibt es eine Aufteilung von spektralen
Ressourcen. In allen anderen kann ein mobiles Endgerät
Zugriff auf das gesamte Spektrum haben. Dennoch ist es
möglich, ein Mittel gegen die Störungen zu finden, ohne
Zuflucht zu einer vollständig zentralisierten Verwaltung
des Systems zu nehmen, nämlich indem ein träger
Frequenzsprung verwendet wird; auf diese Weise dauert eine
Störung, wenn sie auftritt, nur kurze Zeit.
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Die Kapazität, die dann erzielt werden kann, liegt leicht
unterhalb von 35 Trägerfrequenzen pro MHz. Diese Kapazität
erscheint kleiner als die, die für FDMA erwähnt worden ist.
Aber man muss die Tatsache berücksichtigen, dass es nur ein
einziges Frequenzband gibt: dieser Systemtyp hat
tatsächlich eine praktisch doppelte Kapazität. Der
Hauptvorteil dieses Systemtyps ist, dass er erlaubt, eine
sehr einfache Satellitennutzlast zu verwenden.
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- Der Codemultiplex (CDMA), auch "Spreizspektrum"
genannt, erlaubt es, eine dezentralisierte Lösung zu
den Störungsproblemen zu geben. Die Verwendung eines
Spreizspektrums erlaubt nämlich die Überlagerung von
mehreren Trägerfrequenzen, die von einem oder mehreren
Satelliten herrühren. Dieser Modus kann entweder mit
einem Zugriff vom FDD-Typ (bei dem das Senden und der
Empfang verschiedene Frequenzbänder haben) oder mit
einem Zugriff vom TDD-Typ verwendet werden. In den
Fig. 4 und 5 sind in schematischer Weise die
Amplituden-/Frequenzkurven mit zwei TDD-
Zugriffsmöglichkeiten dargestellt; je nachdem, ob der
Zugriff mit einer zeitlichen oder einer codemäßigen
Trennung der Trägerfrequenzen stattfindet. Nichts
hindert einen daran, einen Zeitmultiplexzugriff TDMA
oder einen Codemultiplexzugriff CDMA zu verwenden.
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Im Falle von zwei Frequenzbändern für die Verbindungen
mobiles Endgerät - Satellit sind beide Zugriffsarten, FDD
oder TDD, möglich. Eine Lösung vom Typ TDD erlaubt es, die
Störungsquote zu verringern, die von den
Vielfachüberdeckungen im Falle von geneigten Umlaufbahnen
herrührt. Wenn es nämlich eine Überlagerung von
Überdeckungen gibt, gibt es lokal eine Abnahme der
Kapazität, die durch eine Leistungssteuervorrichtung
kompensiert werden kann. Eine solche Vorrichtung ist im
Wesentlichen auf der Strecke Satellit - mobiles Endgerät
nützlich. Sie erlaubt es, jedem Benutzer eine
Mindestkommunikationsqualität zu garantieren. In einer
Situation mit Vielfachabdeckung sind nämlich bestimmte
Benutzer durch eine zu große Störungsleistung
beeinträchtigt. Umgekehrt kann, wenn die Störung nicht zu
stark ist, die Satellitenleistung, die für diese Benutzer
bestimmt ist, erhöht werden. Die gesamte resultierende
Leistungserhöhung ist im Prinzip minimal. Aber sie hat eine
Einwirkung auf die Verbindungsqualität der anderen
Benutzer, die dann ihre Störungsleistung zunehmen sehen.
Die Benutzung einer Leistungssteuervorrichtung hat folglich
Grenzen, die nicht überschritten werden dürfen.
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Wie im Falle der TDMA ist es möglich, mit einem einzigen
Frequenzband zu arbeiten. In diesem Fall ist der
Zugriffsprozess vom TDD-Typ. Das Spreizspektrum wirft
jedoch spezifische Probleme auf. Die Demodulierung von
spektral gespreizten Signalen setzt voraus, dass der
Empfänger in der Lage ist, die Zeitreferenz wiederzufinden,
die beim Senden benutzt worden ist. Zwei Verfahren sind
dazu anwendbar: entweder die Wiederherstellung der
Zeitreferenz anhand der empfangenen Signale; doch macht die
Verwendung langer Codes, die aufgrund der großen Zahl von
gleichzeitig im System anwesenden Benutzern notwendig ist,
diese Technik sehr kompliziert in der Anwendung; oder die
Haltung der Zeitreferenz im Speicher und ihre
Wiederherstellung beim Empfang anhand ihrer möglichen
Änderungen zwischen dem Empfang von zwei Paketen.
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Das Hauptproblem bei TDD-Zugriffen ist der anfängliche
Erwerb der Sendesynchronisierung. Diese Synchronisierung
wird zunächst in offenem, dann in geschlossenem Regelkreis
mit Hilfe der Station durchgeführt, die das Netz steuert.
In einem ersten Schritt erfasst ein Endgerät den
Synchronisierungskanal des Netzes. Anschließend, wenn es
senden soll, schickt es eine erste Meldung, deren Empfang
es ermöglicht, den Zeitversatz zu definieren, der für eine
perfekte Synchronisierung verwendet werden muss. Nachdem
diese Synchronisierung im Regelkreis durchgeführt und das
Mobilgerät synchronisiert ist, wird die Fortsetzung und
Steuerung dieser Synchronisierung erreicht durch Messung
dieser Synchronisierung, durchgeführt in der Bodenstation,
die die Schnittstelle zu den geschalteten Fernsprechnetzen
bildet. Es gibt allerdings einen besonders einfachen Fall
der Anwendung von TDD, wo dieser Prozess nicht ausgeführt
werden muss und wo allein der Empfang der Signale durch das
mobile Endgerät ausreicht, um
Synchronisierungsinformationen zu liefern; dies ist der
Fall, wo nur das mobile Endgerät mit TDD arbeitet.
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In diesem Fall hat das mobile Endgerät einen
Zweifrequenzbetrieb, allerdings alternierend. Sobald es ein
Signal vom Satelliten empfängt, sendet es. Auf der Seite
des Satelliten ist es dank der Entfernungsunterschiede
nicht möglich, alle von den Endgeräten in einem Bündel
kommenden Signale gleichzeitig zu empfangen. Das Senden des
Satelliten ist mit Bündelsprung geschachtelt; d. h. es
erfolgt abwechselnd für jeweils eine Hälfte der Bündel,
wobei jedes sendende Bündel von einem anderen durch ein
Bündel getrennt ist, das nicht sendet. Im nächsten
Zeitschritt ist es umgekehrt. Der Empfang durch den
Satelliten kann aber wegen der von der Streuung der
Abstände herrührenden zeitlichen Streuung nur permanent
sein. Der Codezugriff ist empfindlich gegen
Amplitudenstreuung der verschiedenen Träger bei gleicher
Frequenz. Vollständig orthogonale Codes (z. B. Walsh-
Hadamard-Codes) mit perfekter Synchronisierung werden
eingesetzt, damit dieser Effekt nicht spürbar ist. Die
Synchronisierung ist bei Satelliten in niedriger Umlaufbahn
aber niemals perfekt, selbst wenn sie sehr gut sein kann.
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Die Form der Abdeckung, die mit den Satellitenantennen
erhalten wird, ist daher sehr wichtig, wenn man die unter
der Bezeichnung "nearfar-problem" bekannte Erscheinung
vermeiden will. Mit anderen Worten stören die Träger mit
hoher Amplitude wesentlich stärker als die Träger mit
geringer Amplitude. In einem korrekt arbeitenden System
werden deshalb alle Träger auf einen möglichst ähnlichen
Pegel gebracht.
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Wenn man jedoch nur ein Frequenzband zur Verfügung hat, ist
es notwendig, alternierend zu arbeiten. Diese Arbeitsweise
ist bereits beschrieben worden. Die Fig. 6, die das
Arbeitsprinzip des Einzelfrequenz-TDD für einen Abstand d
zum Satelliten als Funktion der Zeit t mit einer
Sendeperiode T1 und einer Empfangsperiode T2 angibt,
beschreibt die Arbeitsweise des Systems in Verbindung mit
einem Bündelsprung; die Abdeckung wird hier mit Hilfe von
sechs elliptischen Bündeln 12 erreicht, wobei zwei Bündel
18 gleichzeitig strahlen. Der Rahmen ist so konstruiert,
dass die maximale Laufzeit die ist, die dem Senden eines
Bündels entspricht, doch ist dies keine besondere
Anforderung. Es kann allerdings gezeigt werden, dass diese
Laufzeit (auf ungefähr das Doppelte der maximalen Laufzeit)
beschränkt ist, wenn der Rahmen optimal ausgenutzt werden
soll.
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In dem erfindungsgemäßen System kann die Nutzlast in sehr
vorteilhafter Weise so realisiert werden, wie in der Fig.
7 in Form eines Blockdiagramms dargestellt ist. Diese
Figur zeigt die zwei Möglichkeiten einer Ein- oder
Zweifrequenznutzlast für die Verbindungen Mobilgerät-
Satellit.
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Diese Nutzlast umfasst:
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- eine Antenne 20 der Verknüpfungsverbindung zu einer
ortsfesten Verknüpfungsstation zu den terrestrischen
Netzen. Meist ist dies eine Hornantenne, andere
Antennentypen können verwendet werden, wenn sich die
Notwendigkeit ergibt;
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- eine Duplexschaltung 21. Sie trennt Senden und Empfang
sowie die Polarisationsrichtungen;
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- eine Anordnung 22 von Schaltungen, die den Empfang von
Signalen gewährleistet, die von den
Verknüpfungsstationen zu den terrestrischen Netzen
herrühren;
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- eine Anordnung 23 von Filtern und Schaltungen zur
Frequenzumsetzung zu dem Frequenzband der Verbindung
Satellit - mobile Endgeräte. Diese Anordnung steuert
auch die Verstärkung der Sendekette zu den mobilen
Endgeräten. Wenn ein Bündelsprung notwendig ist,
findet die Umschaltung in dieser Anordnung statt. Sie
kann auch die ultrastabile Zeitbasis enthalten, die
für den Betrieb des Systems notwendig ist. Diese
Zeitbasis steuert die Versorgung der
Leistungsverstärker, die, wenn der Satellit unter TDD
arbeitet, zu geeigneten Zeitpunkten unter Spannung
gesetzt und ausgeschaltet werden, um Energie zu
sparen;
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- einen Vieltorverstärker 24. Er umfasst
herkömmlicherweise N Eingänge, eine Matrix von Teilern
vom Buttler-Typ o. dgl., P Verstärker und eine zur
Eingangsmatrix inverse Kombinierermatrix;
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- eine Anordnung 25 von Kommunikationsantennen. Dies
sind Antennen in einem ebenen Quellennetz, z. B. mit
direkter Abstrahlung zu den mobilen Endgeräten. Vor
jedem Eingang sind ein Filter und ein Verteilerglied
angeordnet, die es erlauben, die Antenne zum Senden
und zum Empfang zu gebrauchen, wenn sie in dem
gleichen Frequenzband arbeiten soll. Wenn dies nicht
der Fall ist, ist entweder die Antenne doppelt oder
ihre strahlenden Elemente sind für Zweifrequenzbetrieb
ausgelegt;
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- eine Anordnung 26 von Empfängern und Mischern, die die
Frequenz der Verbindung mobiles Endgerät - Satellit zu
der der Verbindung Satellit - Verknüpfungsstationen zu
den terrestrischen Netzen umsetzt;
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- eine Schaltung 27 für den Zeitmultiplex,
Frequenzmultiplex oder beides, je nach Fall. Dort
werden alle Signale kombiniert, die auf einer
Polarisierungsrichtung übertragen werden sollen;
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- eine Leistungsverstärkerschaltung 28 für die
Verbindung Satellit - Verknüpfungsstation Sie umfasst
auch einen Ausgangsfilter für jede
Polarisationsrichtung.
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Die in der Fig. 8 dargestellten Kurven zeigen die
Antennenleistungen aus der Sicht des Satelliten (für eine
Abdeckung wie in der Fig. 3 dargestellt), diese Kurven
sind als Linien gleichen Flusses (isoflux) mit dem
Erdmittelpunkt als gemeinsamem Bezugspunkt angegeben; die
(in dB) dargestellte Verstärkung (3,0; 5,0; 7,0) ist um die
abstandsbedingte Dämpfung vermindert. In dieser Figur sind
nur drei Bündel dargestellt, die anderen drei, die nicht
dargestellt sind, können durch Symmetrie in Bezug zu einer
vertikalen Symmetrieachse erhalten werden.
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Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nur in
Form eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben
ist, und dass ihre Bestandteile durch äquivalente Elemente
ersetzt werden können, ohne dadurch den Rahmen der
Erfindung zu verlassen.