DE69534375T2

DE69534375T2 - Praktische einrichtung zur dynamischen zuteilung einzelner demodulatoren zu einer vielzahl von rf-empfangssignalen

Info

Publication number: DE69534375T2
Application number: DE69534375T
Authority: DE
Inventors: John Ohlson; William Slivkoff
Original assignee: Alcatel USA Sourcing Inc
Current assignee: Alcatel USA Sourcing Inc
Priority date: 1994-12-16
Filing date: 1995-12-18
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2015-12-19
Also published as: EP0797898A2; US5533023A; CA2206813A1; CA2206813C; AU4639696A; EP0797898A4; ATE301907T1; WO1996019903A3; EP0797898B1; DE69534375D1; WO1996019903A2

Description

HINTERGRUND UND KURZE BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Es wird oft gewünscht, eine Mehrzahl von Funksignalen mit ähnlichen Modulationsformaten auf eine Bank von Demodulatoren zum Verarbeiten zu verteilen. Zum Beispiel kann die Verteilerstation (HS, Hub Station) eines sternförmig aufgebauten Satellitennetzwerkes Signale aus einer Anzahl von verschiedenen Frequenzkanälen empfangen. Jeder dieser Kanäle kann eine Mehrzahl von Signalen haben, die Frequenzteilungsmehrfachzugriff (FDMA, Frequency Division Multiple Access), Zeitteilungsmehrfachzugriff (TDMA, Time Division Multiple Access) oder Codeteilungsmehrfachzugriff (CDMA, Code Division Multiple Access) verwenden. Darüber hinaus können die Signale auf Mehrfachantennen empfangen werden um eine räumliche Diversity zu schaffen. Zusätzlich kann das Antennensystem verdoppelt werden, so daß mehr als ein Satellit gleichzeitig empfangen werden kann.
Der direkte Angang, einen Demodulator für jede mögliche Verbindung, die empfangen werden kann, eingerichtet zu haben, ist oft unpraktisch aufgrund der großen Anzahl von Verbindungen. Darüber hinaus würden Zuverlässigkeitserwägungen ganz allgemein fordern, daß jeder Demodulator verdoppelt wird, was sehr uneffizient ist, um die Anzahl von erforderlichen Demodulatoren möglichst gering zu halten; es ist wünschenswert, verfügbare Demodulatoren aktiven Kanälen zuweisen zu können. Dies ist besonders wichtig, wenn die Gesamtanzahl von unterstützten Benutzern beträchtlich geringer ist als die Anzahl von verfügbaren Verbindungszuweisungen. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn ein Satellit mit einer Mehrstrahl-Antenne in einer nicht synchronen Umlaufbahn verwendet wird, wie für verschiedene der satellitenbasierten persönlichen Nachrichtenverbindungssysteme (PCS, Personal Communications-Systems) vorgeschlagen. In diesem Falle können die Strahlen Bereiche mit sehr verschiedenen Benutzerdichten beleuchten. Somit ist es manchmal nötig, eine große Anzahl Demodulatoren manchen Strahlen zuzuweisen und nur wenige anderen. Unglücklicherweise ändert sich die Mischung mit der Zeit während sich der Satellit bewegt, somit wird eine dynamische Zuteilung erforderlich.
Das Problem des Schaltens einer großen Anzahl von Demodulatoren über eine große Anzahl von Verbindungszuweisungen ist nicht trivial, und ein Kompromiß muß zwischen der Hardware, die durch dynamische Zuweisung erspart wird, und der Hardware, die erfordert wird, um diesen Vorgang durchzuführen, stattfinden. Dieser Kompromiß führt häufig dazu, daß Demodulatoren „gepoolt" werden, um in Gruppen geschaltet zu werden, oft mit einem redundanten Pool (geringerer Größe). Die Wirksamkeit und Anpassungsfähigkeit der Demodulatorverwendung steht in erster Linie in Bezug zur Größe der Minimalzahl der Demodulatoren, die einem bestimmten Kanal zugewiesen werden kann. Im allgemeinen erfordert größere Anpassungsfähigkeit und Wirksamkeit ein komplexeres Schalten. Dieses Schalten verwendet im allgemeinen Analogtechnik, was die Anpassungsfähigkeit, die erzielt werden kann, begrenzt.
EP-A-590 412 zeigt die Verwendung eines Bus-Systems mit addressierten Datenpaketen, was es ermöglicht, daß jedes Funkfrequenzmodul mit jedem Basisbandsignalverarbeitungsmodul in einer GSM-Basisstation verbunden werden kann.
US-A-5 289 464 zeigt ein Funknachrichtenverbindungsnetzwerk, das eine Zelltelefon-Basisstation auf der Zellenseite mit einem einzelnen Funksender und Funkempfänger zum Senden und Empfangen gemultiplexter frequenzmodulierter Signale hat. Ein Filterbank-Synthetisierer ist dem Sender zugehörig und multiplext einzelne Signale zum Senden durch den Sender. Ein Filterbank-Analysator ist dem Empfänger zugehörig und demultiplext frequenzmodulierte Signale, die durch den Empfänger empfangen werden. EP-A-0 590 412 zeigt ein Bus-System zur Nachrichtenverbindung und Belastung beim Mobilfunk.
GEGENSTÄNDE DER ERFINDUNG
Die unten offenbarte Erfindung soll mehreren Zielsetzungen genügen, unter denen sich die folgenden befinden:

1) Schaffen einer praktischen Einrichtung zum Zuweisen jeglichen einer Mehrzahl von Demodulatoren zu jeglicher aus einer größeren Anzahl von empfangenen Signalverbindungen. Die einzelnen Signale, die demoduliert werden sollen, können in einem Funkfrequenzkanal unter Verwendung von FDMA, TDMA oder CDMA zusammen existieren. Das heißt, die Erfindung macht praktisch das Äußerste an Demodulatorzuweisungsanpassungsfähigkeit.
2) Das Schalten wird beinahe ausschließlich mit digitaler Hardware durchgeführt.
3) Darüber hinaus wird, im Falle daß Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC, Forward Error Correction)-Kodierung verwendet wird, eine neue Technik um die Komplexität der Dekoder-Hardware im großem Umfange zu vermindern, beschrieben.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft ein Funknachrichtenverbindungsnetzwerk wie in Anspruch 1 beschrieben.
Die Verteilerstation des Netzwerkes empfängt eine Mehrzahl von Signalen auf verschiedenen Frequenzkanälen und möglicherweise auf verschiedenen Antennen. Die einzelnen Signale, die demoduliert werden sollen, können auf einem Funkfrequenzkanal unter Verwendung von FDMA, TDMA oder CDMA oder anderen Signalarten oder Kombinationen davon koexistieren. Das empfangene Frequenzband wird in Unterbänder geteilt, die alle in das Basisband übersetzt werden und zur rückwärtigen Ebene eines oder mehrerer Demodulator-Grundplatten (jede von welchen viele Demodulatoren enthält) verteilt. Auf diese Art kann jeder beliebige Demodulator mit jedem beliebigen Signal verbunden werden. Relativ große Abschnitte der Eingangsbandbreite werden in das Basisband übersetzt. Diese Abschnitte werden dann digitalisiert und die weitere Bandtrennung wird digital durchgeführt. Auf diese Weise werden die Digitalisierung und die Schaltfunktionen beinahe alle mit digitaler Hardware gemacht. Dies bietet beträchtliche Vorteile bei Hardwarekosten, Größe und Zuverlässigkeit. Das Teilen gemeinsamer Ausrüstung für die Übersetzung zum Basisband bietet größere Verminderung bei der Menge solcher Umsetzausrüstung. Dies liefert große Vorteile bei den Kosten, der Größe und der Zuverlässigkeit. Die Demodulatorausgänge werden unter Verwendung von Massenverarbeitung dekodiert. Dies führt zu beträchtlichen Hardwareersparnissen ohne Verminderung bei der Anpassungsfähigkeit bei der Demodulatorteilung. Die Verwendung von Massenverarbeitung erlaubt es, daß der Speicher, der mit dem Dekoder verbunden ist, in einem getrennten kostengünstigen Standardspeicher angeordnet ist anstatt in dem teureren, besonderen integrierten Schaltkreisspeicher. Dies führt zu weiteren Kostenersparnissen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und andere Gegenstände, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden deutlicher werden, wenn sie mit der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden, in denen:
1 ein Diagramm eines sternförmig angeordneten Satellitennachrichtenverbindungsnetzwerkes, das die Erfindung enthält, ist,
2 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform oder Zusammenstellung der Frequenzdemultiplex- und Demodulationshardware ist,
3 ein Funktionsblockdiagramm des Frequenzteilungsdemultiplexers (FDD, Frequency Division Demultiplexer) ist,
4 ein Blockdiagramm eines digitalen Abwärtskonverters ist,
5 ein Blockdiagramm der gedruckten Schaltung (PCB, Printed Circuit Board) des Demodulators ist, und
6 ein Blockdiagramm eines „Massen"-Dekoders ist.
INS EINZELNE GEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um die Erfindung im Einzelnen zu beschreiben, wird die Ausführungsform erörtert werden, wie sie bei der Rückwärtsverbindung eines sternförmig angeordneten Spreizspektrumsatellitennetzwerkes, das in 1 gezeigt wird, angewendet wird. Der Satellit S empfängt die Benutzersignale vom Boden durch eine Mehrstrahlantenne (nicht gezeigt) und übermittelt sie an eine Verteilungs-Bodenstation (GS, Ground Station). In diesem Beispiel wird von den Signalen angenommen, daß sie von Spreizspektrum-CDMA-Natur sind und ungefähr 2,5 MHz besetzen. Es wird weiter angenommen, für erläuternde Zwecke, daß so viele wie 256 CDMA-Signale eines der 2,5 MHz-Teilbänder besetzen können. Die Benutzer können auf einem von verschiedenen Teilbändern senden. Der Satellit „stapelt" die verschiedenen Teil- oder Unterbänder aus der Mehrzahl von Strahlen in eine geeignete Bandbreite zum Senden auf der Abwärtsverbindung zur GS. Für diese Erörterung wird angenommen, daß es 100 Teilbänder in einer 300 MHz Abwärtsverbindungs-Bandbreite gibt. Weiter wird angenommen, daß die GS Signale von zwei Satelliten verarbeiten will, und daß zwei GS-Antennen pro Satellit für räumliche Diversity vorgesehen sind, was eine Gesamtheit von vier Antennenausgängen, die demoduliert werden müssen, ergibt. Somit gibt es (100 Teilbänder) × (256 Benutzer) × (4 Antennen) = 102.400 mögliche Verbindungszuweisungen, die adressiert werden müssen.
Das zu lösende Problem ist, wie irgendeine kleinere Anzahl von Demodulatoren, zum Beispiel 9600, mit irgendeiner der 102.400 möglichen Verbindungen in praktischer Weise verbunden werden kann. Der Gesamtaufbau der Signalschaltungs- und Demodulator-Hardware ist in 2 gezeigt. Die Antennen 11-1, 11-2, 11-3, 11-4 – Ausgänge werden verstärkt, herunterkonvertiert zu einer Zwischenfrequenz (IF) und an die Frequenzteilungs-Demultiplexer (FDD)-Einheiten 12-1, 12-2, 12-3 und 12-4 weitergeleitet. Ein redundanter FDD 12-5 ist enthalten, der an jede der Antennen im Falle eines FDD-Versagens geschaltet werden kann. Jeder FDD führt die Funktionen des „Entstapelns" der 2,5 MHz-Teilbänder (100 davon) und des Ausgebens von digitalisierten Abtastungen jedes der Teilbänder auf separaten Leitungen 13-1, 13-2, 13-3, 13-4 wie unten mehr im Einzelnen erörtert durch. Somit gibt es eine Ansammlung von 500 getrennten FDD-Ausgangsleitungen 13, von denen jede ein digitalisiertes Teilband trägt. Alle diese Leitungen werden an die Rückwand (backplane) jeder Demodulator-Grundplatte 14-1, 14-2, 14-3, 14-4, 14-5, 14-6 geliefert. Digitales Schalten wird benutzt, um irgendeinen Demodulator 14 mit irgendeinem der 500 Teilbänder zu verbinden. Der Demodulator kann dann irgendeines der 256 möglichen Signale in jenem Teilband demodulieren, indem er den passenden PN-Code auswählt.
Eine mehr ins einzelne gehende Betrachtung des FDD wird in 3 vorgestellt. Die 300 MHz Eingangsbandbreite wird zuerst aufwärts- oder abwärts konvertiert bei 15 auf eine geeignete IF-Frequenz. Zum Beispiel sei angenommen, daß das Eingangssignal von 100 bis 400 MHz abdeckt. Dieses Band wird aufwärtskonvertiert auf 1100 bis 1400 MHz. Die lokalen Oszillatoren F1 bis F10 werden auf (710 + n 30) MHz für n = 1, ..., 10 abgestimmt und benutzt, die 300 MHz-Bandbreite zu 360 MHz in Schritten von 30 MHz abwärtszukonvertieren. Das bedeutet, F1 übersetzt 1100 MHz bis 1400 MHz-Spektrum auf 300 bis 660 MHz. Dieses übersetzte Spektrum wird bandpaßgefiltert (BPF) um 360 bis 390 MHz (entsprechend 1100 bis 1130 MHz) durchzulassen. In ähnlicher Weise übersetzt F10 das Spektrum auf 90 bis 390 MHz und wird von 360 bis 390 MHz gefiltert, entsprechend 1370 bis 1400 MHz. Auf diese Weise wird das 300 MHz-Eingangsspektrum in zehn 30 MHz-Abschnitte übersetzt, die 360 bis 390 MHz besetzen. Die 30 MHz-Spektren werden jedes in das Basisband (–15 bis 15 MHz) übersetzt, mit entsprechenden In-Phase- und Quadratur-Mischern (I/Q) wo sie abgetastet und digitalisiert werden im entsprechenden Digitalisierer A/DI, A/DQ mit einer Rate, die ausreicht, um das Nyquist-Kriterium (größer als 30 msps) zu erfüllen. Die 30 MHz-Bandbreite kann nun weiter unterteilt werden in zehn 3 MHz Teilbänder. Dies wird durch digitales Abwärtskonvertieren im digitalen Abwärtskonverter 16 getan, jede der 3 MHz Teilbänder zum Basisband und Filtern mit einem Endliche Impulsantwort-(FIR, Finite Impulse Response)-Filter 14. Die Einzelheiten dieses Vorganges sind in 4 gezeigt.
Die Ausgangsabtastungen können nun in Dezimatoren 17 auf eine Rate, die in Übereinstimmung mit der Ausgangsbandbreite (ein Faktor 10 niedriger als die Eingangsbandbreite) ist, dezimiert werden, falls gewünscht. Die niedrigere Rate vereinfacht die Verteilung der digitalisierten Signale zur Demodulatorplatte. Wir werden, für diese Erörterung, annehmen, daß die I und Q Abtastungen für jedes Teilband auf eine Leitung gemultiplext werden.
Signalweiterleitung
Die 500 Leitungen mit digitalisierten Unterbändern werden zu den Rückwänden der Demodulatorgrundplatte geleitet. Wir werden annehmen, daß es sechs Demodulatorgrundplatten, wie in 2 gezeigt, gibt. Weiter wird von jeder Demodulatorgrundplatte 14 angenommen, daß sie bis zu zehn Demodulator-gedruckte Schaltungen (PCB) enthält und jede PCB könnte eine große Anzahl von Demodulatoren enthalten (angenommen ein Maximum von 160 Demodulatoren pro PCB für diese Erörterung). Die 500 Signalleitungen sind jeder PCB durch den Verbinder zur Rückwand verfügbar. Die Demodulator-PCB wird wie in 5 gezeigt konfiguriert. Die 500 Signalleitungen werden an einen 500 × N nicht blockierenden Digitalschalter 20 geleitet, wo N die Anzahl der Demodulatoren 21 auf einer gedruckten Schaltung (N = 160 in diesem Beispiel) ist. Somit kann jeder Demodulator 21 jedem Teilband von jeder Antenne zugewiesen werden.
Der Demodulator 21 wird unter Verwendung herkömmlicher Techniken, die für die verwendete Signalmodulation und -Format verwendet werden, geeignet ist, verwirklicht. In diesem Falle wird ein CDMA-Demodulator verwirklicht, und ein individuelles Benutzsignal wird aus den 256 möglichen Benutzern durch Verwendung des PN-Codes, der jenem Benutzer zugewiesen ist, ausgewählt. Die N Demodulator-Ausgänge werden gepuffert 22 um kleine Unterschiede in der Datenrate aufgrund von Dopplereffekten und Benutzeroszillatorfrequenzfehlern aufzufangen. Die Ausgänge werden dann zusammen gemultiplext 22 und durch einen Massendekoder 23 verarbeitet. Der herkömmliche Angang zum Dekodieren ist es, einzelne Dekoder mit jedem Demodulator zu verbinden. Der Dekoder besteht aus Verarbeitungselementen, die die notwendigen Dekoderberechnungen durchführen, und zugehörigem Speicher. Das Vorhandensein von mehrfachen Demodulatoren 21 auf einer einzigen gedruckten Schaltplatine PCB, in diesem Falle 160 Demodulatoren, ist für einen unterschiedlichen Angang zum Dekodieren günstig. Speziell kann ein einzelner Hochgeschwindigkeitsdekoderprozessor 20 oder „Engine" mit gemeinsam benutztem Speicher 31 verwendet werden, um die Dekoderberechnungen für alle Demodulatoren 21 wie in 6 gezeigt durchzuführen. Eingänge von den Demodulatoren 21 werden in 22B gepuffert und durch den Multiplexer 22M an die Hochgeschwindigkeitdekoder-„Engine" 30 angekoppelt. Dies stellt eine sehr bedeutsame Hardwareersparnis gegenüber der Verwendung von einzelnen Dekodern dar. Die Ausgänge des Dekoders 30 werden demultiplext durch den Demultiplexer 20 (32) und diese dekodierten Ausgänge werden zu den Verwendungsgeräten (nicht gezeigt) geliefert.
Zusammenfassend empfängt die Verteilstation GS eines Netzwerkes eine Mehrzahl von Signalen auf verschiedenen Frequenzkanälen und möglicherweise an verschiedenen Antennen. Die einzelnen Signale, die demoduliert werden sollen, können in einem Funkfrequenzkanal unter Verwendung von FDMA, TDMA oder CDMA oder anderen Signalarten oder Kombinationen davon koexistieren. Jedes empfangene Frequenzband wird in Teil- oder Unterbänder geteilt, die alle zum Basisband übersetzt werden und zur Rückwand einer oder mehrerer Demodulatorgrundplatten (von denen jede viele Demodulatoren enthält) verteilt. Somit kann jeder ausgewählte Demodulator mit jedem ausgewähltem Signal verbunden werden. Relativ große Abschnitte der Eingangsbandbreite werden in das Basisband übersetzt.
Diese Abschnitte werden dann digitalisiert und die weitere Bandunterteilung wird digital durchgeführt. Da die Digitalisierungs- und Schaltfunktionen beinahe alle mit digitaler Hardware durchgeführt werden, bietet dies beträchtliche Vorteile bei Hardwarekosten, -größe und -zuverlässigkeit. Das gemeinsame Benutzen gemeinsamer Ausrüstung für die Übersetzung zum Basisband bietet größere Verminderung in der Menge solcher Übersetzungsausrüstung, verglichen mit herkömmlichen Systemen, wo jeder Demodulator seine eigene zugehörige Übersetzungsausrüstung hat. Dies liefert große Vorteile bei Kosten, Größe und Zuverlässigkeit. Die Demodulatorausgänge werden unter Verwendung von Massenverarbeitung dekodiert. Dies führt zu beträchtlichen Hardwareersparnissen ohne Verminderung bei der Anpassungsfähigkeit beim Zuteilen von Demodulatoren. Die Verwendung von Massenverarbeitung erlaubt, daß der Speicher, der dem Dekoder zugehörig ist, in einem getrennten kostengünstigen Standardspeicher angeordnet ist, statt in dem teureren speziellen Speicher in integrierter Schaltung, was zu weiteren Kostenersparnissen führt.
Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert und beschrieben worden ist, wird erkannt werden, daß verschiedene Abwandlungen, Anpassungen und Abweichungen der Erfindung dem Fachmann ersichtlich sein werden.

Claims

Ein Funk-Nachrichtenverbindungsnetz mit einer Verteilungsstation (GS) zum Empfangen einer Mehrzahl modulierter Funksignale mit ähnlichen Datenmodulationsformaten und auf einer Mehrzahl von verschiedenen Frequenzkanälen, Einrichtungen (12) um jeden Frequenzkanal in eine Mehrzahl von Teilbandsignalen zu teilen, Einrichtungen, um jedes Teilbandsignal in Basisbandsignale zu übersetzen, Einrichtungen (A/D) um jedes besagter Basisbandsignale zu digitalisieren und eine Mehrzahl von digitalisierten Basisbandsignalen zu schaffen, und Demodulatoreinrichtungen zum Gewinnen von Daten aus besagten modulierten Funksignalen, gekennzeichnet durch: Einrichtungen (17) um jedes der digitalisierten Basisbandsignale in eine Mehrzahl von digitalisierten Teilbandsignalen zu teilen, wobei besagte Demodulatoreinrichtungen eine Mehrzahl von Demodulator-Grundplatten (14) aufweisen, wobei jede Demodulator-Grundplatte eine Mehrzahl von Demodulatoren (21) hat, wobei die Gesamtzahl besagter Demodulatoren auf allen besagten Demodulator-Grundplatten geringer ist als die Anzahl besagter Mehrzahl von modulierten Funksignalen ist, Einrichtungen (20) um selektiv jegliches ausgewählte besagter digitalisierter Teilbandsignale mit jeglichen ausgewählten besagter Mehrzahl von Demodulatoren jeweils zu koppeln, wobei besagte Einrichtungen zum selektiven Koppeln einen nichtblockierenden digitalen Schalter (20) aufweisen, Massen-Dekodierer-Verarbeitungseinrichtungen (23), und Multiplexereinrichtungen (22) zum Koppeln von Ausgängen besagter Demodulatoreinrichtungen an besagte Massen-Dekodierer-Verarbeitungseinrichtungen (23) um die dekodierten Ausgänge an ein Verwertungsgerät zu liefern.
Das in Anspruch 1 angegebene Funknachrichtenverbindungsnetz, weiter gekennzeichnet dadurch, daß einzelne Trägerfunksignale, die demoduliert werden sollen, auf einem Funkfrequenzkanal, der Frequenzteilungsmehrfachzugriff (FDMA, Frequency Division Multiple Access), Zeitteilungsmehrfachzugriff (TDMA, Time Division Multiple Access) oder Codeteilungsmehrfachzugriff (CDMA, Code Division Multiple Access) und Kombinationen davon benutzt, koexistieren.