DE69230015T2 - Kommunikationssystem mit Hilfe von Satelliten in niedriger Umlaufbahn zu Mobilstationen - Google Patents

Kommunikationssystem mit Hilfe von Satelliten in niedriger Umlaufbahn zu Mobilstationen

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DE69230015T2
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    • H01Q25/00Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • HELECTRICITY
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    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
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    • H01Q1/28Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons
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    • HELECTRICITY
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein System für die Kommunikation über Satelliten in niedriger Umlaufbahn mit mobilen Endgeräten.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, diese Nachteile zu beseitigen, indem ein Kommunikationssystem beschrieben wird, das es erlaubt, die Kapazität der Satelliten erheblich zu verbessern.
  • Sie schlägt zu diesem Zweck ein System für die Kommunikation über Satelliten in niedriger Umlaufbahn mit mobilen Endgeräten vor, wie in Anspruch 1 beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In vorteilhafter Weise können die in dem erfindungsgemäßen System verwendeten Satelliten eine Nutzlast mitführen, die umfasst:
  • - eine Verbindungsantenne zu einer ortsfesten Verknüpfungsstation zu den terrestrischen Netzen;
  • - eine Duplexschaltung, die das Senden von dem Empfang sowie die Polarisationsrichtungen trennt;
  • - eine Anordnung von Schaltungen, die den Empfang von Signalen gewährleistet, die von den
  • Verknüpfungsstationen zu den terrestrischen Netzen herrühren;
  • - 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;
  • - einen Vieltorverstärker;
  • - eine Anordnung von Antennen für die Kommunikation mit den mobilen Endgeräten;
  • - 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;
  • - eine Zeitmultiplex und/oder Frequenzmultiplexschaltung;
  • - eine Leistungsverstärkerschaltung für die Verbindung Satellit - Verbindungsstationen, die auch einen Ausgangsfilter für jede Polarisationsrichtung umfasst.
  • 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:
  • - die Fig. 1 eine Abdeckung in einem Satellitenkommunikationssystem gemäß dem Stand der Technik darstellt;
  • - die Fig. 2 das erfindungsgemäße Satellitenkommunikationssystem darstellt;
  • - die Fig. 3 und 6 schematische Ansichten sind, die den Betrieb des erfindungsgemäßen Satellitenkommunikationssystems darstellen;
  • - die Fig. 7 die Nutzlast eines Satelliten in dem erfindungsgemäßen Kommunikationssystem darstellt;
  • - die Fig. 8 die Antennenleistungen eines Satelliten in dem erfindungsgemäßen Kommunikationssystem darstellt.
  • In einem Kommunikationssystem über Satelliten gibt es zwei mögliche Klassen von niedrigen Umlaufbahnen:
  • - 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;
  • - 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.
  • 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.
  • Diese zwei Typen von Umlaufbahnen weisen die gleiche Eigenschaft auf: die Empfangszonen jedes Satelliten überdecken sich zu verschiedenen Zeitpunkten oder an verschiedenen Orten:
  • - bei polaren Umlaufbahnen überdecken sich die Empfangszonen jedes Satelliten allmählich in Richtung auf die Pole zu;
  • - bei geneigten Umlaufbahnen ist die Beschreibung des Überdeckungsphänomens komplexer, in bestimmten Zonen
  • - kann sie sogar 100% erreichen. Es gibt auch Satellitenkonstellationen, die in bestimmten Zonen eine vierfache Abdeckung erreichen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • - jedes Bündel wird dauerhaft ausgestrahlt, und die Störungsbegrenzung zwischen den Bündeln ist dank eines Frequenzwiederverwendungsschemas möglich.
  • - 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die vorteilhaftesten Zugriffsarten sind die, die kompatibel mit den in den terrestrischen zellularen Netzen verwendeten Arten sind. Es sind drei:
  • - 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.
  • 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.
  • - 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.
  • 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:
  • - 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.
  • - 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.
  • 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.
  • 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.
  • - 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Nutzlast umfasst:
  • - 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;
  • - eine Duplexschaltung 21. Sie trennt Senden und Empfang sowie die Polarisationsrichtungen;
  • - eine Anordnung 22 von Schaltungen, die den Empfang von Signalen gewährleistet, die von den Verknüpfungsstationen zu den terrestrischen Netzen herrühren;
  • - 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;
  • - 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;
  • - 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;
  • - 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;
  • - eine Schaltung 27 für den Zeitmultiplex, Frequenzmultiplex oder beides, je nach Fall. Dort werden alle Signale kombiniert, die auf einer Polarisierungsrichtung übertragen werden sollen;
  • - eine Leistungsverstärkerschaltung 28 für die Verbindung Satellit - Verknüpfungsstation Sie umfasst auch einen Ausgangsfilter für jede Polarisationsrichtung.
  • 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.
  • 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.

Claims (7)

1. Kommunikationssystem mit einer Mehrzahl von Satelliten in niedriger Umlaufbahn und einer Mehrzahl von mobilen Endgeräten, wobei jeder Satellit (15) wenigstens eine Antenne umfasst, um eine Abdeckung mit konstantem Fluss am Boden (isoflux) zu etablieren, die aus einer Mehrzahl von elliptischen Bündeln (12) aufgebaut ist, die alle in Laufrichtung des Satelliten langgestreckt sind, um die Anzahl von Ressourcenwechseln (handover) im Laufe eines Gesprächs zu minimieren.
2. Kommunikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bündel (12) jeder Abdeckung (14) gemäß einer als "beam-hopping" bezeichneten räumlichen Abtastung eingeschaltet werden und dass für jeden Satelliten und jedes mobile Endgerät Senung und Empfang synchronisiert sind.
3. Kommunikationssystem nach einem beliebigen der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Duplexierung angewandt wird und dass für jeden Satelliten und für jedes mobile Endgerät Sendung und Empfang zeitlich getrennt und synchronisiert sind.
4. Kommunikationssystem nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Sendung und Empfang unterschiedliche Frequenzbänder handen.
5. Kommunikationssystem nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugriffsmodus auf die Satelliten ein FDMA-Modus ist.
6. Kommunikationssystem nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugriffsmodus auf die Satelliten ein TDMA-Modus ist.
7. Kommunikationssystem nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugriffsmodus auf die Satelliten ein CDMA-Modus ist.
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