DE69608464T2

DE69608464T2 - Verfahren zur verbesserung der effizienz der verwendung eines funkkanals in überlappenden bedeckungszonen

Info

Publication number: DE69608464T2
Application number: DE69608464T
Authority: DE
Inventors: Hans-Christian Haugli; Robert Seed
Original assignee: Vistar Telecommunications Inc
Current assignee: Transcore Link Logistics Corp
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 2001-01-25
Anticipated expiration: 2016-11-30
Also published as: CN1207839A; EP0865691A2; NO982565D0; ATE233449T1; US20020089956A1; DE69626404D1; DE69626404T2; IL124771A; EP0865690A2; JP2000502222A; AR004894A1; CA2238753C; BR9611890A; CA2238722C; EP0865690B1; CA2238753A1; NO982564D0; ATE193169T1; CA2238722A1; AU1026197A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbessern der Leistungsfähigkeit bei der Verwendung von Funkkanälen in überlappenden Sendegebieten (mit überlappender Reichweite), zum Beispiel überlappenden Satellitenstrahlen.
Bei dem Trend zu zunehmend kleinen Zellen in zellularen Kommunikationssystemen und der Verwendung von Punktstrahlen bei Satellitensystemen treten unvermeidbar Flächen mit Bedeckungsüberlappung auf. In solchen Flächen kann eine Frequenzneunutzung nicht auftreten, wenn die Systeme empfindlich auf Interferenz sind. Zum Beispiel sei ein Hauptsystem mit vielen Benutzern betrachtet, die über eine Servicefläche verteilt sind, wobei die Information zurück auf einem einzigen Kanal zu einer gemeinsamen zentralen Empfangsstation übertragen wird. Es sei angenommen, daß es auch ein Nebenkommunikationssystem gibt, das den gleichen Kommunikationskanal verwenden möchte, wiederum von vielen Benutzern zu einer gemeinsamen zentralen Empfangsstation, mit einem Sendegebiet, das wenigstens teilweise das Hauptsystem überlagert. Damit das Nebensystem nicht mit dem Hauptsystem interferiert, würden unter solchen Umständen herkömmlicherweise die beiden Systeme unterschiedliche Kanalfrequenzen zugewiesen bekommen. Es ist gegeben, daß in dem Fall von Satellitenkanälen die jährlichen Kosten einer Bandbreite von 20 kHz über eine Millionen Dollar hinausgehen können, so ist dies eine ineffiziente Lösung, wenn die Auslastung der Kanäle nicht hoch ist.
Das Anwachsen der Nachfrage nach drahtlosen Kommunikationssystemen hat den Spektrenraum zu einer extrem wertvollen Einrichtung gemacht. Für Mobilsatellitenservices (MSS) hat diese Nachfrage Vorschläge für zahlreiche mobile Satellitensysteme der zweiten und dritten Generation angetrieben. Der Zuwachs an Nachfrage nach Spektrum, das die verschiedenen drahtlosen Services unterstützen können, hat zu dem Wunsch geführt, das vorliegende Spektrum effektiver zu nutzen. Es ist klar, daß die Wiederverwendung zuvor zugewiesenen Spektrums ohne das nachteilige Beeinflussen vorliegender Systeme einen. Zuwachs in der Ausnutzung und Leistungsfähigkeit des Spektrums darstellt.
Kompromisse bei der Systemgestaltung für den mobilen Nutzer haben zum Einsatz von Satellitenkommunikationssystemen geführt, die das Merkmal von Terminals mit geringer Antennenverstärkung aufweisen, und, mit der zweiten und dritten Generation von Satellitensystemen, hochverstärkte Satellitenpunktstrahlen. Als eine Konsequenz der Mobilität der Terminals kann sich die Ausrichtung zwischen dem Terminal und dem Satelliten beträchtlich und über kurze Zeitdauern ändern.
Eine weitere Konsequenz des Nutzens einer Antenne mit geringer Verstärkung am Terminal ist, daß die Frequenzneunutzung durch andere Satelliten und Systeme streng eingeschränkt ist. Die Übertragung von einem Terminal mit geringer Antennenverstärkung kann von irgendeinem Satelliten empfangen werden, der dasselbe Frequenzband und dasselbe Sendegebiet wie ein vorliegendes Satellitensystem abdeckt.
Satelliten und Satellitensysteme, die ein Spektrum gemeinsam nutzen, brauchen nicht dieselbe geographische Bedeckung zu nutzen, wenn sie Terminals mit niedriger Antennenverstärkung bedienen. Übertragungen von Benutzern eines ersten Satellitensystems, obwohl durch Verwendung einer niedrigen Antennenverstärkung übertragen, brauchen nicht von einem zweiten Satellitensystem empfangen zu werden, das im selben Frequenzband arbeitet, wenn es Unterschiede in der Erdbedeckung der Satellitenantenne gibt, und müssen daher nicht mit Benutzern des zweiten Satellitensystems interferieren. Als eine Konsequenz der nur teilweisen Überlappung in der geographischen Bedeckung zwischen einem vorliegenden Satellitenkommunikationssystem und einem zweiten Satellitenkommunikationssystem, kann ein Satellitenkommunikationskanal bei einem existierenden Satellitensystem, das stark benutzt wird, in dem Sinn, daß der Kanal für einen beträchtlichen Bruchteil der Zeit besetzt ist, für ein zweites Satellitensystem so erscheinen, daß es leicht belastet ist, in dem Sinne, daß Übertragungen von Benutzern des existierenden Systems nur gelegentlich von dem zweiten System empfangen werden.
Um die Leistungsfähigkeit bei der Verwendung der Transponderbandbreite zu vergrößern, arbeiten viele Satellitenkommunikationssysteme in einer Umgebung mit Mehrfachzugriff auf Anfrage hin. Zugriffsanfragekanäle werden von einem Kommunikationsystem benutzt, um für Teilnehmer zu ermöglichen, daß ihnen für die Kommunikation Satellitenkanalkapazität zugewiesen wird. Für einen Anforderungskanal mit wahlfreiem Zugriff, so wie dem slotted ALOHA, nimmt der Nachrichtenverlust schnell zu, wenn die Anzahl angebotener Nachrich ten so ist, daß sie sich an die volle Auslastung des Kanals annähert. Als ein Ergbenis wird die nominale Belastung eines slotted ALOHA-Kanals üblicherweise auf ungefähr 20% der Vollast gehalten.
Für einen unslotted ALOHA-Zugriffsanforderungskanal ist es aus ähnlichen Gründen wie JUr den Fall des slotted ALOHA wünschenswert, eine angebotene Belastung von weniger als 0.1 zu haben.
Beispiele von Satellitenkommunikationssystemen sind in der US-Re 32 905, der US-A-4 985 706 und der US-A-4 319 353 offenbart.
Das US-Patent Re 32 905 offenbart ein Satellitenkommunikatiossystem, in das eine Spread- Spectrum-(SpreizSpektrum)Einrichtung eingebaut ist, um einer Vielzahl von Terminals, die das Merkmal niedriger Antennenverstärkung haben, zu ermöglichen, gleichzeitig Spreiz- Spektrum-CDMA-Übertragungen über dasselbe Spektrum zu erzeugen, wie es von existierenden Systemen benutzt wird, ohne mit Benutzern des existierenden Systems zu interferieren. Weiterhin bietet das System ausreichend Spreiz-Spektrum-Verarbeitungsverstärkung mit seinem CDMA-Spreiz-Spektrumsignal, um im wesentlichen die Interferenz zu unterdrücken, die durch Übertragungen des existierenden Systems hervorgerufen werden. Als eine Konsequenz der Verarbeitungsverstärkung ist das System in der Lage, die CDMA-Spreiz-Spektrumübertragungen zu verarbeiten, die gleichzeitig von einer Vielzahl von Terminals bei Vorliegen von Interferenz von Benutzern existierender Systeme erzeugt werden, welche dasselbe Spektrum besetzen, mit einer akzeptablen Bitfehlerrate und ohne nachteilig die Benutzer des existierenden Systems zu beeinflussen. Die in dem genannten Patent offenbarten Techniken sind für solche Situationen anwendbar, in denen eine ausreichend große Spreiz-Spektrum-Verarbeitungsverstärkung erreicht werden kann, um im wesentlichen vorliegende Systemübertragungen zu unterdrücken.
Bei Fehlen ausreichender Spreiz-Spektrum-Verarbeitungsverstärkung, um im wesentlichen Interferenz zu entfernen, die durch die Übertragungen von Benutzern eines existierenden Systems hervorgerufen wird, ist der Ansatz, der in dem genannten Patent gegeben ist, ineffektiv. Eine Verarbeitungsverstärkung, die unzureichend ist, Interferenz zu beseitigen, die durch Benutzer existierender Systeme hervorgerufen wird, kann aufgrund einer Beschränkung in der Bandbreite auftreten, die für das Spreiz-Spektrumsignal verfügbar ist, oder durch eine relativ hohe Informationsdatenrate, so daß das Verhältnis von Spreiz-Spektrum-Bandbreite zu Informationsrate zu klein ist, um akzeptable Bitfehlerraten beim Vorliegen von Übertragungen von einem existierenden System zu ermöglichen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, dieses Problem in einer Weise zu mildern, die nicht mit den Hauptnutzern interferiert, aber noch akzeptablen Service für die Nebennutzer zur Verfügung stellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Übertragen eines Signals über einen drahtlosen Nachrichtenkanal zur Verfügung gestellt, wobei der Nachrichtenkanal gemeinsam für Haupt- und Nebenkommunikationssysteme besteht, die zumindest teilweise sich überlappende Reichweite haben, wobei das Hauptsystem einen kurzen Arbeitszyklus hat und Pakete in Zufallbursts mit einer charakteristischen ersten Zeitdauer überträgt, wobei das Verfahren die Übertragung von Paketen in Bursts in dem Nebensystem umfaßt, wobei diese Bursts in dem zweiten System eine Zeitdauer von mindestens dem Dreifachen der ersten Zeitdauer aufweisen und die Pakete Vorwärtsfehlerkorrekturcodes enthalten, um die Wiederherstellung der beinhalteten Daten im Falle einer Kollision mit einem Burst in dem Hauptsystem zu ermöglichen, wobei die Bursts in dem Nebensystem dabei eine genügend niedrigere Intensität als die Bursts in dem Hauptsystem besitzen, um eine Interferenz mit ihnen zu verhindern.
Die Leistung kann weiter verbessert werden, wenn Verschachtelung und Kanalzustandsinformation verwendet werden.
Verschachtelung ist ein Prozeß, der in einer vorbestimmten Weise den Ort von Datensymbolen in einer übertragenden Sequenz vermischt und die Symbole zurück zu ihrer richtigen Reihenfolge am Eingang des FEC-Decodierers oder des Empfängers entmischt. Wenn ein aufeinanderfolgender Block empfangener Symbole aufgrund von Interferenz verdorben wird, wird er Entmischer bewirken, daß diese fehlerhaften Systeme in der Zeit am Eingang des FEC- Decodierers aufgeweitet werden. Zeitliche aufgeweitete Symbole sind für den FEC-Codierer weit mehr tolerierbar als ein Block aus Fehlern.
Die Qualität eines empfangenen Signals (oder der "Kanalzustand") kann mit großem Vorteil von dem FEC-Decodierer genutzt werden. Ohne Kanalzustandsinformation verschlechtert sich der FEC schnell, wenn die Eingangsfehlerrate 1% übersteigt. Mit Kanalzustandsinfor mation und dem Streuen von Fehlern durch den Entschachteler kann der FEC-Decodierer bis zu 30% Eingangsfehlerrate tolerieren. In dem Fall, daß das empfangende (störende) Hauptsignal viel stärker ist als das (gewünschte) Nebensignal, kann ein einfacher Leistungsdetektor am Empfängerausgang die Kanalzustandsinformation für den FEC zur Verfügung stellen, da ein großes Signal äquivalent zur geringen gewünschten Signalqualität ist.
Die überlappenden Sendegebiete können durch überlappende Satellitenstrahlen gebildet sein, obwohl die Erfindung bei anderen Situationen anwendbar ist, wo überlappende Sendegebiete auftreten, zum Beispiel im zellularen Funk.
Die Dauer der Nebenbursts sollte typischerweise das Dreifache der Dauer des Hauptburst betragen und möglicherweise bis zum Zehnfachen oder mehr. Die Nebenbursts werden vorteilhaft übertragen, indem Spreiz-Spektrumtechniken an einem Leistungspegel unterhalb des Rauschbodens des Hauptsystems verwendet werden.
Es sei angenommen, daß das Haupt- und das Nebensystem jeweils ihre eigene Servicefläche haben, und daß es wenigstens eine teilweise Überlappung dieser Serviceflächen gibt. Benutzer dieser Systeme sind über ihre jeweiligen Serviceflächen verteilt. Das Hauptsystem hat viele Übertrager, jedoch ist der Gesamtarbeitszyklus (oder die Belastung) der Übertragungen auf dem ausgewählten Kanal gering. Sowohl die Haupt- als auch die Nebennutzer übertragen in Bursts auf dem ausgewählten Kanal.
Mit Hilfe der Vorwärtsfehlerkorrektur und bevorzugt Verschachtelung und Kanalzustandsinformation kann das erfolgreiche Decodieren eines Bursts eines Nebennutzers selbst dann erfolgen, wenn 1/3 des Bursts durch den gleichzeitigen Empfang eines Hauptbursts verdorben ist.
Obwohl das System vorteilhaft für den Fall des 100%igen Überlappens der Überdeckung benutzt werden kann, arbeitet das System am besten im Falle des teilweisen Überlappens. Man betrachtet zunächst die Fähigkeit des Nebensystems, in Anwesenheit von Hauptnutzern zu arbeiten. Der Arbeitszyklus von Hauptbursts in dem Kanal ist gering. Da die Serviceflächen der beiden Systeme sich nur teilweise überlappen, wird nur ein Bruchteil dieser Bursts von Hauptnutzern am Nebenempfänger empfangen werden, entsprechend dem Bruchteil der Hauptnutzer, die für den Nebenempfänger "sichtbar" sind. Es wird angenommen, daß, wann immer ein Hauptburst von dem Nebenempfänger empfangen wird, er das empfangene Signal dominieren (und somit verderben) wird. Der Nebenempfänger kann bis zu 1/3 zeitlicher Überlappung von Hauptbursts über irgendeinem Nebenburst tolerieren, somit wird die Wahrscheinlichkeit des nicht wiederherstellbaren Verderbens eines Nebenbursts gleich der Wahrscheinlichkeit, daß ausreichend Hauptbursts in einer Zeitdauer für den Nebenburst auftreten, so daß mehr als 1/3 der Periode überlappt wird.
Es sei angenommen, daß es K Hauptbursts pro Sekunde mit L Sekunden Länge gibt. Der Kanal "Ein" des Leistungszyklus für das Hauptsystem wird K · L. Es sei weiter angenommen, daß ein Bruchteil M der Hauptbursts sich in den Fußstapfen des Nebenempfängers befinden, so daß K · L · M den Bruchteil der Zeit darstellt, zu dem Hauptbursts von dem Nebenempfänger empfangen werden. Für die Nebenbursts wird angenommen, daß sie eine Länge von N · L haben, wobei N > 3. Die Wahrscheinlichkeit, daß mehr als N · L/3 des Nebenbursts durch die Hauptbursts überlappt wird, ist gegen durch:
Als ein Beispiel sei angenommen, daß Hauptbursts mit einer Länge von L = 28 ms mit K · L · M = 0.02 vorliegen und eine Länge des Nebenburst von N · L = 0.5 Sekunden. Die Wahrscheinlichkeit, daß mehr als 167 ms eines Nebenburst von Hauptbursts überlappt wird, ist 3 · 10&supmin;&sup6;.
Der zweite Faktor bei gemeinsamer Nutzung des Kanals ist Interferenz von den Nebennutzern in den Empfänger des Hauptsystems. Es wird angenommen, daß die Nebennutzer an einem effektiven Leistungspegel arbeiten, der ausreichend unterhalb dem der Hauptnutzer liegt, so daß alle Interferenz gut unterhalb des Rauschpegels des Hauptsystems liegen würde. Zusätzlich wird nur ein Bruchteil der Nebennutzer vom Hauptempfänger empfangen werden, aufgrund der beschränkten Überlappung von Serviceflächen.
Um das Beispiel fortzuführen, wobei das Hauptsystem Inmarsat B, Atlantic Beam, sei, und das Nebensystem den AMSC Eastern Beam benutzt. Das für das gemeinsame Nutzen gewählte Spektrum ist einer der Zugriffsanfragekanäle von Inmarsat, der im slotted ALOHA betrieben wird (d. h. wahlfreier Zugriff auf die Kanäle der Anfragebursts, wobei die Bursts synchronisiert sind, damit sie zu festgelegten Zeiten beginnen). Die praktische Grenze für die Kanalausnutzung im slotted ALOHA ist ungefähr 20% der Kanalkapazität. Die Übertragungsstation (Satellitenempfang) des AMSC Eastern Beam überlappt ungefähr 10% des Inmarsat Atlantic Beam, so daß das AMSC-System eine Übertragungsstation-Interferenz von ungefähr 10% der Übertragungen von der Inmarsat-Übertragungsstation her erfahren würde. Somit ist der Bruchteil der Zeit, in dem Hauptbursts von dem Nebenempfänger in diesem Kanal empfangen werden, 0.2 · 0.1 = 0.02 oder 2% der Zeit im Mittel. Die Anfragebursts bei Inmarsat B sind 28 ms lang, während die Bursts des Nebensystems 0.5 s lang sind. Die Wahrscheinlichkeit des nicht wiederherstellbaren Verderbens des Nebenburst aufgrund der empfangenen Hauptbursts ist, wie oben berechnet, 3 · 10&supmin;&sup6;.
Die Übertrager bei Inmarsat B arbeiten mit einem EIRP, das 34 dB höher ist als der der Übertrager des Nebensystems; da jedoch das Nebensystem Spreiz-Spektrum-Mehrfachzugriff mit nominal zehn gleichzeitigen Benutzern verwendet, wird die gesamte Leistung des Nebenbursts (im Mittel) 24 dB unterhalb der des Hauptbursts liegen, was gut unterhalb des Rauschpegels des Hauptempfängers liegt.
Die Erfindung stellt auch ein drahtloses Nachrichtensystem zur Verfügung, das im Stande ist, die Bandbreite mit einem Hauptsystem zu teilen, wobei die Systeme zumindest teilweise sich überlappende Reichweite aufweisen, wobei das Hauptsystem einen kurzen Arbeitszyklus hat und Pakete in Zufallsbursts mit einer charakteristischen ersten Zeitdauer überträgt, wobei dieses Nachrichtensystem eine Mehrzahl von verteilten Terminals zur Übertragung von Paketen in Bursts umfaßt, wobei diese Bursts in diesen Nachrichtensystemen die Zeitdauer von mindestens dem Dreifachen der ersten Zeitdauer aufweisen und die Pakete Vorwärtsfehlerkorrekturcodes enthalten, um die Wiederherstellung der beinhalteten Daten im Falle einer Kollision mit einem Burst in dem Hauptsystem zu ermöglichen, und wobei die Bursts in dem Nachrichtensystem dabei eine genügend niedrigere Intensität als die Bursts in dem Hauptsystem besitzen, um eine Interferenz mit ihnen zu verhindern.
Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten beispielhaft nur mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 ein Schaubild ist, das Bereiche überlappender Satellitenbedeckung zeigt;
Fig. 2 einen übertragenen Hochfrequenzpuls zeigt;
Fig. 3 ein funktionales Blockschaubild eines Satellitensystems ist;
Fig. 4 ein funktionales Blockschaubild eines entfernten Terminals ist;
Fig. 5 ein funktionales Blockschaubild einer Erdstation ist;
Fig. 6 ein Schaubild ist, das die Vorwärtsverbindungsstruktur der TDM zeigt;
Fig. 7a ein Schaubild ist, das die slotted CDMA-Struktur der Rückführverbindung zeigt;
Fig. 7b ein Schaubild ist, das die Zeitsynchronisation der Vorwärts- und Rückführverbindung zeigt;
Fig. 8 ein Blockschaubild einer zweiten Ausführungsform eines entfernten Terminals ist;
Fig. 9 ein Blockschaubild einer zweiten Ausführungsform einer Erdstation ist;
Fig. 10 den Schlaftakt-Synchronisationsalgorithmus für das entfernte Terminal veranschaulicht; und
Fig. 11 den Synchronisationsalgorithmus für den lokalen Oszillator für das entfernte Terminal zeigt.
Mit Bezug nun auf Fig. 1 deckt das INMARSAT-System eine große Fläche 1 ab und überlappt teilweise in der schattierten Fläche 2 mit AMSC-Strahlen 3. Herkömmlicherweise, wegen des Überlappens, würde für die AMSC- und INMARSAT-Satelliten erforderlich sein, auf unterschiedlichen Frequenzen zu arbeiten, um Interferenz zu vermeiden. Dies ist eine Verschwendung von Bandbreite, insbesondere, wenn der Arbeitszyklus des INMARSAT- Systems gering ist, wie es auf den Anforderungskanälen der Fall ist. Das INMARSAT- System benutzt getrennte Anfragekanäle mit wahlfreiem Zugriff, die benutzt werden, wenn ein Kunde einen Anruf einrichten möchte. Der Anruf selbst wird auf Nachrichtenkanälen ein gerichtet, die einen viel höheren Arbeitszyklus haben und im allgemeinen nicht für die Kanalnutzungsanordnung geeignet sind, die hierin vorgeschlagen ist.
Der effektive Arbeitszyklus der INMARSAT-Anfragekanäle, der für das AMSC-System sichtbar ist, wird noch weiter aufgrund der Tatsache verringert, daß Anforderungen, die weit weg von der Überlappungsfläche herrühren, nicht mit Nachrichten kollidieren, die aus dem AMSC-System herrühren. Kollisionen werden nur auftreten, wenn Anfragen aus der Überlappungs-fläche oder nahe dabei herrühren, was somit die Wahrscheinlichkeit der Kollision auf einen Wert viel geringer als dem reduzieren würde, wie es in dem Fall eines 100%igen Überlappens wäre, wenn alle Anfragen, die aus dem INMARSAT-System herrühren, von dem AMSC-System gesehen würden.
Das vorliegende System überträgt Daten in Basiseinheiten, die als Unterrahmen bekannt sind, wie es in weiteren Einzelheiten unten diskutiert wird. Die Unterrahmen, die CDMA-codiert sind, erscheinen als 0.5 s lange Bursts aus Hochfrequenzenergie. Die INMARSAT-Bursts auf dem Anfragekanal sind viel kürzer, in der Größenordnung von 28 ms. Wegen des geringen Arbeitszyklus auf dem Anfragekanal in dem INMARSAT-System und des teilweisen Überlappens, was weiter den effektiven Arbeitszyklus verkleinert, wie er dem AMSC-System sichtbar wird, ist die Wahrscheinlichkeit, daß ein INMARSAT-Burst mit einem AMSC-Burst kollidiert, gering, so daß die Chancen so sind, daß der AMSC-Unterrahmen ohne Interferenz empfangen wird. Im Fall einer einzelnen Kollision jedoch, wegen der unterschiedlichen Längen der Pakete, wird nur ein kleiner Teil des Unterrahmens verloren sein (siehe schattierte Fläche in Fig. 2), und dieser kann wiederhergestellt werden, wenn man bekannte Vorwärtsfehlerkorrekturtechniken verwendet. Die Wahrscheinlichkeit, daß das Paket wegen einer Kollision mit INMARSAT-Bursts so weit verloren geht, daß eine Wiederherstellung mit Hilfe von FEC-Techniken nicht möglich ist, ist extrem gering.
Um zu verhindern, daß die AMSC-Signale mit den INMARSAT-Signalen interferieren, wird die Signalstärke typischerweise mehr als 30 dB unter der Intensität der INMARSAT-Signale gehalten. Bei einer Ausführungsform wird dies erreicht, indem Spreiz-Spektrumtechniken verwendet werden, obwohl andere Schemata möglich sind. Es sollte erkannte werden, daß Spreiz-Spektrumtechniken als solche das Interferenzproblem nicht lösen, da der INMARSAT B-Anfragekanal nur 20 kHz breit ist, und der Hochfrequenz-Burst, wenn er vorliegt, den Kanal ausfüllt. Somit ist es nicht möglich, eine ausreichende Verarbeitungsverstärkung durch die Verwendung von Spreiz-Spektrumtechniken allein zu erhalten, um Daten beim Vorliegen des INMARSAT-Signals zu übertragen. Verarbeitungsverstärkung wird nur mit Spreiz-Spektrum erreicht, wenn ein Nachrichtenkanal eine begrenzte Anzahl von Signal-Spikes enthält, nicht wenn das interferierende Signal die gesamte Breite des Kanals abdeckt. Jedoch erlaubt die Verwendung von Spreiz-Spektrumtechniken, daß ein Signal mit niedriger Leistungsdichte benutzt werden kann, das durch Entspreizen am Empfänger wiedergewonnen werden kann. Dieser niedrige Signalpegel stellt sicher, daß in dem Fall einer Kollision mit einem INMAR- SAT-Signal das INMARSAT-Signal nicht verschlechtert wird, obwohl während der Kollision das Spreiz-Spektrumsignal tatsächlich verlorengeht. Somit wird das Spreiz-Spektrumsignal nicht verwendet, um die Verarbeitungsverstärkung zu erreichen, da dies in dem Szenario, das bei der Erfindung betrachtet wird, nicht möglich ist, sondern um sicherzustellen, daß der Signalpegel ausreichend niedrig ist, so daß Interferenz mit dem INMARSAT-Signal nicht auftritt.
Das Satellitenkommunikationsystem, das in Fig. 3 gezeigt ist, besteht aus einer zentralen Erdstation 11, das über eine Drahtverbindung 12, zum Beispiel durch ein öffentliches Schaltnetzwerk, mit einem Paketverarbeitungszentrum 13 verbunden ist, normalerweise von einem Serviceprovider betrieben, das wiederum über einen verdrahteten Verbindungsweg mit einem Zwischenhändler 14 und schließlich mit einem oder mehreren Endverbrauchern 15 verbunden ist. Das Paketverarbeitungszentrum 13 umfaßt eine Datenbank 21, welche Information speichert, die zu den Unterrahmen gehört, die speziellen Terminals in einer Weise zugewiesen sind, die in weiteren Einzelheiten unten beschrieben wird. Das PPC 13 speichert auch Strahlinformation, wenn Vielstrahl-Satelliten benutzt werden.
Die Erdstation 11 ist auch über Satellitenverbindungen 16, 17 mit einem geostationären Vielstrahl-Satelliten 18 gekoppelt, der die Signale über Verbindungen 19 zu und von einer Vielzahl entfernter Terminals 20 schaltet, die typischerweise auf Fahrzeugen angebracht sind, so wie Hubschraubern, Lastzügen, Kraftfahrzeugen und Schienenfahrzeugen. Der Satellit 18 erlaubt das Überdecken einer weiten geographischen Fläche, zum Beispiel das ganze Nordamerika. Der Satellit 18 kann in das gesamte Sendegebiet senden, obwohl Strahlrichttechniken es erlauben, daß dieses unterteilt wird, wenn es gewünscht ist. Es wird verstanden werden, daß die in Fig. 3 gezeigten Verbindungen 19 mittels des Netzwerkzugriffsprotokoll, das beschrieben wird, Punkt-zu-Punkt-Kommunikationen darstellen. Die zugeordneten Signale werden über eine weite geographische Fläche gesendet.
Die Satellitenkommunikationsverbindung 17, 19, die von der Erdstation 11 ausgeht und durch einen Satelliten 18 zu den Terminals 20 geschaltet wird, wird als die Vorwärtsverbindung bezeichnet. Die Satellitenkommunikationsverbindung 19, 16, die von den Terminals 20 ausgeht und durch einen Satelliten 18 zur Erdstation 11 geschaltet ist, wird als die Rückführverbindung bezeichnet. Die Fachleute werden erkennen, daß die Schlüsselelemente der vorliegenden Erfindung sowohl für mobile als auch für feste Terminals gelten, für Satelliten in nicht-geostationären Umlaufbahnen und für Nachrichtensystem auf der Erde.
Die Art und Weise, auf die die Vorwärtsverbindungsübertragung der vorliegenden Erfindung von dem entfernten Terminal empfangen und verarbeitet wird, ist mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben. Ein Teil der Übertragungsenergie, die von dem geostationären Satelliten geschaltet wird, wird von einer Antenne 40 der Antenneneinheit 47 eingefangen und an einen Bandpaßfilter 41 gegeben, welcher Signale außerhalb des gewünschten Frequenzbandes zurückweist. Übertragungen, die durch den Bandpaßfilter 41 gelaufen sind, werden an einen Verstärker 42 gegeben, der durch ein Tx/Rx-Abfühlmodul 46 freigegeben wird und über ein Koaxialkabel 48 mit einem Bandpaßfilter 52 der Hauptelektronikeinheit 50 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 52 wird an einen Mischer 53 zum Herunterwandeln auf eine zweckmäßige Zwischenfrequenz (IF) durch einen Frequenzsynthesizer 55 gegeben, der zu einem lokalen Oszillator 64 phasenverriegelt ist und dessen Frequenz durch einen Frequenzcontroller 65 festgelegt ist.
Die Funktion des Frequenzcontrollers 65 wird durch einen Mikroprozessor 57 gegeben. Die Ausgabe vom Mischer 53 wird an einen IF-Bandpaßfilter 54 gegeben, um das Rauschen und elektromagnetische Interferenz nahe dem interessierenden Frequenzband weiter zu verringern. Die Ausgabe vom Bandpaßfilter 54 wird auf einen Quadraturdetektor 56 zum Herunterwandein auf das Grundband durch einen anderen Ausgang des Frequenzsynthesizers 55 gegeben.
Der phasige (I) 58 und quadraturphasige (Q) 59 Ausgang des Quadraturdetektors 68 werden an Analog-Digital-Wandler (ADC) 60 gegeben. Die digitalisierten Signale von dem ADC 60 werden in binärcodierte Symbole durch einen Demodulator 61 umgewandelt und dann von einem Decodierer 62 in binäre Daten decodiert. Die Funktionen des ADC 60, des Demodulators 61 und des Decodierers 62 werden von einem Mikroprozessor 57 geliefert. Die Ausgabe des Decodierers 62 wird in einen Ausgabepuffer 77 geschrieben, der anschließend die Signale an externe Datensenken, so wie Computer und Übertrager, geben kann.
Die Zeitgeberlogik 79 in dem Mikroprozessor 57 ermöglicht es, daß das Terminal in einem Schlafinodus arbeitet und periodisch aufwacht, um festzustellen, ob es in den Übertragungsmodus, den Empfangsmodus oder den Verarbeitungsmodus eintreten soll. Die Gleichstromleistung wird auf einem Minimum gehalten, wenn der Mikroprozessor 57 im Schlafinodus ist. Die Zeitgeberlogikeinheit 79 weckt das Terminal während vorab zugewiesener Zeitschlitze, wie es in weiteren Einzelheiten unten beschrieben wird.
Das Tx/Rx-Abfühlmodul 46 fühlt das Gleichstromsignal, das auf dem Koaxialkabel 48 bereit gehalten wird, wie es von dem Tx/Rx-Steuermodul 51 geliefert wird. Das Tx/Rx-Abfühlmodul wird den Übertragungsverstärker 45 oder den Empfangsverstärker 42 oder keinen anschalten, wie es durch den abgefühlten Gleichstromwert auf dem Koaxialkabel 48 festgelegt ist. Das Tx/Rx-Steuermodul 51 wird wiederum durch den Mikroprozessor 47 gesteuert, so daß es aktiv oder inaktiv ist, entsprechend der gegenwärtigen Netzwerkzugriffsstruktur, was in einer späteren Figur beschrieben wird.
Fig. 4 veranschaulicht auch die CDMA-Spreiz-Spektrums-Übertragung auf der Rückführverbindung, die an dem entfernten Terminal abgearbeitet wird. Die Quelle der Übertragung kann analog 67 sein, beispielsweise durch einen Umgebungssensor vorgegeben, wird von einem ADC 68 digitalisiert, der in dem Mikroprozessor 57 vorgesehen ist. Als Alternative könnte die Quelle der Übertragung ein digitales Signal 63 sein, beispielsweise von einem Computer, das in einen Eingabepuffer 78 geschrieben werden würde. Die Ausgabe des Eingabepuffers 78 wird anschließend an einen Datenformatierer 69 gegeben, welcher das Rückführverbindungs-Datensignal zu Paketen umwandelt und solche Information wie den Pakettyp, das Ziel und den Ursprung des Pakets hinzufügt. Die Ausgabe vom Datenformatierer 69 wird an einen Kanalcodierer 70 geliefert, der sowohl robuste Vorwärtsfehlerkorrektur liefert und auch die Symbole der Rückführverbindungspakete verschachtelt. Die Ausgabe des Kanalcodierers 70 wird dann an einen PN-Codierer 71 gegeben, der auch als ein Codierer für das CDMA-Spreiz-Spektrum bezeichnet werden kann. Die Ausgabe von dem PN-Codierer 71 wird an einen Rahmenprozessor 52 geschickt, der das codierte Spreiz-Spektrumpaket in die Unterrahmenstruktur der Rückführverbindung einbettet.
Der Rahmenprozessor 72 liefert das binäre, PN-codierte Signal 73 an einen Modulator 74, der das Signal in eine QPSK-Wellenform umwandelt. Ein Frequenzsynthesizer 55 wird verwendet, um die Basisbandausgabe des Modulators 74 an einem Mischer 75 aufwärts zu wandeln. Die Ausgabe des Mischers 75 wird durch Verwendung eines Bandpaßfilters 76 gefiltert und über ein Koaxialkabel 48 mit der Antenneneinheit 47 verbunden, wo sie an einen Hochleistungsverstärker 45 gegeben wird, wiederum zu einem Bandpaßfilter 44 und schließlich zu einer Antenne 43 für die Übertragung. Der Hochleistungsverstärker 45 wird durch das Tx/Rx- Abfühlmodul 56 unter der Steuerung der Tx/Rx-Steuereinheit 51 freigegeben.
Mit Bezug nun auf Fig. 5 werden die Daten, die zu einem oder mehreren entfernten Terminals gesendet werden sollen, zur Erdstation geliefert, wobei eine Drahtverbindung 116 durch einen Router 115 zu einem Paketverarbeitungszentrum 13 benutzt wird. Das Paketverarbeitungszentrum 13 schickt dann die Datenpakete an einen Datenformatierer 102. Jedes Datenpaket, das zu der Erdstation geliefert wird, umfaßt die Adresse des mobilen Ziel-Terminals oder einer Gruppe mobiler Terminals. Da das mobile Terminal eine individuelle und eine oder mehrere Gruppenadressen haben kann, unterstützt die Vorwärtsverbindung der vorliegenden Erfindung gleichzeitige Kommunikationen mit mehreren mobilen Terminals.
Der Datenformatierer 102 bringt die Datenpakete in Unterrahmen innerhalb einer Rahmenstruktur, was in Einzelheiten mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben wird. Die Ausgabe des Datenformatierers 102 wird an einen Kanalcodierer 103 für die Anwendung der Vorwärtsfehlerkorrektur geleitet, um dabei zu helfen, Bitfehler zu kompensieren, die durch den Satellitenkommunikationskanal hervorgerufen werden können. Die Ausgabe des Kanalcodierers 103 wird an einen Rahmenprozessor 104 gegeben, welcher die codierten Pakete zu einer TDM- Vorwärtsverbindungsstruktur hinzufügt. Der Rahmenprozessor 104 schaltet die Vorwärtsverbindungs-Datenpakete stumm, wenn es keine Daten gibt, die während des gesamten oder eines Teils eines Vorwärtsverbindungs-Unterrahmens übertragen werden sollen. Die Funktionen des Datenformatierers 102, des Kanaldecodierers 103 und des Prozessors 104 werden innerhalb eines digitalen Signalprozessors 101 zur Verfügung gestellt.
Die Ausgabe vom Rahmenprozessor 104 wird mit dem Modulator 105 verbunden, der die binärcodierten Daten in eine modulierte BPSK-Wellenform für die anschließende Heraufwandlung an einem Mischer 106 umwandelt, durch ein Trägerfrequenzsignal, das von einem Frequenzsynthesitzer 109 geliefert wird. Der digitale Signalprozessor 101 und der Frequenz synthesizer 109 sind zeitlich auf denselben Unterrahmen durch ein Zeitgebungs- und Steuermodul 108 synchronisiert. Zeitgebungssteuersignale werden von einer Zeitgebungs- und Steuereinheit 108 zur Verfügung gestellt, damit der Frequenzsynthesizer 109 zur richtigen Zeit umschaltet. Die Zeitgebungs- und Steuereinheit 108 stellt auch Zeitgebungssignale für den digitalen Signalprozessor 101 zur Verfügung, um sicherzustellen, daß das codierte Datensignal von dem Rahmenprozessor 104 zeitlich mit der Trägerfrequenz ausgerichtet ist, die von dem Frequenzsynthesizer 109 erzeugt wird.
Die Ausgabe des Mischers 106 wird an einen Bandpaßfilter 111 gegeben, um Hochfrequenz (RF)-Emission außerhalb des gewünschten Satellitenkommunikationsspektrums zu minimieren. Die Ausgabe von dem Bandpaßfilter 110 wird dann an einen Verstärker 111 geliefert, der wiederum das RF-Signal an einen Diplexer 112 und weiter an eine Antenne 80 für die Übertragung an einen geostationären Satelliten gibt, wo es zum entfernten Terminal geschaltet wird.
Für die Rückführverbindung fängt eine Antenne 80 einen Teil des Rückführverbindungssignals und leitet es an einen Diplexer 112 und dann zu einem Bandpaßfilter 81, der spektrale Energie außerhalb des gewünschten Rückführverbindungs-Frequenzbandes unterdrückt. Die Ausgabe des Bandpaßfilters 81 wird durch Verwendung eines Niederrauschen-Amplers (LNA) 82 verstärkt und anschließend an einen Mischer 84 zum Herunterwandeln auf eine zweckmäßige Zwischenfrequenz durch einen Frequenzsynthesizer 85 geliefert. Die Ausgabe des Mischers 84 wird an einen engen Bandpaßfilter 86 gegeben, der weiter die spektrale Energie um das Rückfübrverbindungs-Spreiz-Spektrumsignal begrenzt. Die Ausgabe des Bandpaßfilters 86 wird an einen Quadraturdetektor 87 zum Umwandeln auf das Grundband durch einen lokalen Oszillator 90 gegeben. Phasige 88 und quadraturphasige 89 Grundbandsignale werden von dem Quadraturdetektor 87 für die digitale Wandlung durch einen ADC 91 zur Verfügung gestellt.
Die digitalisierte Ausgabe von dem ADC 91 wird an einen Puffer 9 : 3 und an einen Spreiz- Spektrumprozessor 94 gegeben. Eine Zeitgebungs- und Steuereinheit 92 versorgt den ADC 91 mit einem Konversionstrigger, den Frequenzsynthesizer 85 mit einem Frequenzsteuerwort und den Spreiz-Spektrumprozessor 94 mit Zeitgebungssignalen. Der Puffer 93 speichert über einen Unterrahmen von Testwerten des Spreiz-Spektrumsignals für einen digitalen Signalprozessor 95. Der Prozessor 95 für das gestreute Digitalsignal verarbeitet das digitalisierte Signal für das Vorliegen an CDMA-Übertragungen von entfernten Terminals der vorliegenden Erfindung. Der Spreiz-Spektrumprozessor 94, der aus mehreren digitalen Signalprozessoren besteht, liefert gleichzeitige Verarbeitung von digitalisierten Signalen für alle Zeitversetzungshypothesen und Möglichkeiten für den CDMA-Code.
Der Spreiz-Spektrumprozessor 94 erfaßt das Vorliegen von CDMA-Übertragungen eines entfernten Terminals und liefert eine Angabe für den digitalen Signalprozessor 95 über das Erfassen einer CDMA-Übertragung, den zugeordneten CDMA-Code und den ungefähren Beginn der Übertragung.
Ein Interferenzdetektor 130 ist vorgesehen, um das digitale Signal für das Vorliegen von Interferenz von existierenden Satellitenkanälen zu verarbeiten. Man betrachtet zum Beispiel das gemeinsame Nutzen der INMARSAT B-Rückführanfragekanäle, die slotted ALOHA-Kanäle mit vielleicht 20% nominaler Belegung sind, wobei die Rückführverbindung des Systems über den Eastern Beam des AMSC-Systems arbeitet. Wegen der begrenzten Überlappung der Antennenbereiche der beiden Systeme wird der AMSC-Satellitenempfänger weniger als 10% der INMARSAT-Anfragepakete empfangen. Somit wird die Rückführverbindung nur 2% der Zeit mit Cokanal-Interferenz zu kämpfen haben. Verschlungenes Codieren, Verschachteln und Kanalzustandsinformation können 30% Blockierung pro Paket behandeln. Die Hochfrequenzsignale sind 34 dB unterhalb der INMARSAT-Träger, somit wird das vorliegende System das INMARSAT-System nicht verschlechtern, wenn es auf INMARSAT-Träger gelegt wird.
Die Feinsynchronisationseinheit 96 liefert dann feine Zeit- und Frequenzabschätzungen über die erfaßten CDMA-Übertragungen. Die Ausgabe aus der Feinsynchronisationseinheit 96 besteht aus entspreizten QPSK-Signalen, die dann an einen Demodulator 97 für die Umwandlung in ein binäres codiertes Datensignal gegeben werden und wiederum an einen Decodierer 98 zum Entschachteln und für die Vorwärtsfehlerkorrektur-Decodierung. Kanalzustandsinformation kann auf einer Basis pro Probe aus der Probenamplitude im Puffer 93 erhalten werden und an den Decodierer 98 gegeben werden. Die Ausgabe von dem Decodierer wird an einen Datenformatierer 99 für die Umwandlung in ein geeignetes Format für das Paketverarbeitungszentrum 13 gegeben. Das Paketverarbeitungszentrum 13 sendet dann die Rückführverbindungspakete an einen Router, der die Pakete an Endverbraucher liefert, wobei verdrahtete Einrichtungen 116 benutzt werden.
Die TDM-Struktur der Vorwärtsverbindung bei der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 6 als eine Funktion der Zeit gezeigt. Vorwärtsverbindungs-Nachrichten können bis zu Superrahmen 120 gepuffert werden, die eine Länge von etwa einem Tag haben. Jeder Superrahmen 120 besteht aus I Multirahmen 121 gleicher Länge, die eine Länge von ungefähr einer Stunde haben. Jeder Multirahmen 121 wiederum besteht aus J Rahmen 122 gleicher Länge, die eine Länge von ungefähr einer Minute haben. Ein Rahmen 122 besteht aus K Unterrahmen 123 gleicher Länge mit einer Wiederholfrequenz von 0.5 s, wobei jeder in Zeitschlitze unterteilt ist, die L zeitgeteilte, gemultiplexte Pakete 124, 125 tragen, die alle die gleiche Dauer haben.
Die ersten und letzten q Pakete 124 werden als Synchronisations/Netzwerk-Pakete oder einfach als sync/network-Paket bezeichnet. Die sync/network-Pakete 124 versorgen die entfernten Terminals mit Statushilfen zur Synchronisation und für das Netzwerk. Bis zu L - q Datenpakete 125 können über den Rest eines Unterrahmens übertragen werden. Wenn es keine Nachrichten gibt, die während eines Unterrahmens oder Teilen darin zur Verfügung gestellt werden sollen, wird das Vorwärtsverbindungssignal stumm geschaltet. Eine Anzahl Datenpakete 125 wird auf einer Rahmenbasis für das Vorsehen einer Netzwerkberichtskarte reserviert, die solche Information umfaßt, wie das Abbilden von Unterrahmen auf Satellitenkanäle.
Jedes Paket 125 kann eine Anzahl getrennter Felder enthalten, so wie ein Adreßfeld, ein Zugriffssteuerfeld oder einen Überlaufmerker, der verwendet wird, um anzugeben, daß es mehr Daten gibt, die in einem anschließenden Unterrahmen folgen. Die Menge Daten, die in einem Unterrahmen verschickt werden können, ist auf N Datenpakete begrenzt. Abhängig von der Anzahl der Terminals ist es gewünscht, zu adressieren und die Menge Daten zu schicken, es mag nicht möglich sein, alle die gewünschten Daten in einem Unterrahmen zu senden, wonach das Ziel-Terminal normalerweise in den Schlafinodus zurückkehren würde. Der Überlaufmerker kann gesetzt werden, um dem Terminal zu sagen, daß es wach bleiben soll, da es mehr Daten gibt, die diesen in einem anschließenden Unterrahmen folgen, die normalerweise diesen Terminals nicht zugewiesen würden. Natürlich, wenn der Überlaufmerker gesetzt ist, nehmen die folgenden Pakete Zeitschlitze in dem nächsten Unterrahmen, die normalerweise unterschiedlichen Terminals zugewiesen würden, so daß es einen Kompromiß zwischen Systemkapazität und Zugriffsmöglichkeiten gibt.
Eine potentiell unbeschränkte Anzahl Terminals kann sich einen gemeinsamen aktiven Empfangsunterrahmen teilen. Die Anzahl von Terminals, die machbar einen gemeinsamen aktiven Empfangsunterrahmen teilen, ist abhängig von der Datenmenge, die getragen werden soll, und der Frequenz, mit der es gewünscht ist, daß die Daten zu irgendeinem bestimmten Terminal geschickt werden.
Die L-q Datenpakete 125 können an eines oder mehrere dieser Terminals adressiert werden oder können stumm geschaltet werden, wenn es keine Vorwärtsverbindungspakete gibt, die übertragen werden sollen. Jedes Terminal, das eine eindeutige Adresse hat, die während eines bestimmten Unterrahmens aktiv ist, verarbeitet alle Datenpakete 125 und bestimmt anschließend das bzw. die Terminal(s), an die jedes Datenpaket adressiert wird. Wenn ein Terminal seine Adresse nicht unter allen L-q Datenpaketen 125 entdeckt, tritt es in den Schlafmodus ein und wird bis zu seinem nächsten aktiven Empfangsunterrahmen inaktiv bleiben, oder, wenn es für externe Unterbrechung freigegeben ist, bis es von einer lokalen Quelle unterbrochen wird. Wenn ein Terminal seine Adresse unter den Datenpaketen 125 entdeckt, bearbeitet es weiter das/die jeweilige(n) Paket(e) und antwortet entsprechend.
Die Rückführverbindungs-Rahmenstruktur, die in Fig. 7 (a) gezeigt ist, ist ähnlich der der Vorwärtsverbindung, die mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben worden ist. Rückführverbindungsdaten können über Superrahmen 130 mit einer Wiederholfrequenz von einem Tag gepuffert werden. Jeder Superrahmen 130 besteht aus I Multirahmen 131 mit einer Wiederholfrequenz von einer Stunde, und jeder Multirahmen 131 besteht aus J Rahmen 132 mit einer Länge von einer Minute und besteht aus K Unterrahmen 133 mit einer Länge von 0.5 s.
Anders als bei der Vorwärtsverbindung sind die Unterrahmen 132 bei der Rückführverbindung nicht unterteilt. Jeder Unterrahmen trägt Datenpakete, die über den gesamten Unterrahmen verstreut sind, die gemultiplext sind, wobei CDMA-Multiplextechniken verwendet werden.
Wie in Fig. 7 (b) gezeigt, werden die Rückführverbindungs-Unterrahmen 133 an den entfernten Terminals zeitlich zu den Vorwärtsverbindungs-Unterrahmen 123 synchronisiert, wobei sie um eine ganze Zahl Unterrahmen A versetzt sind. Die Vorwärtsverbindungs- Unterrahmen 123 umfassen bis zu L-q Datenpakete, die benutzt werden können, um eine Übertragung von einem oder mehreren entfernten Terminals anzufordern. Zum Beispiel kann eine Anforderung für eine Übertragung eines entfernten Terminals in einem bestimmten Vorwärtsverbindungs-Unterrahmen vorgesehen sein. Das Vorwärtsverbindungs-Paket wird dann von dem bzw. den Terminal(s) verarbeitet und führt zu einer Terminalübertragung während einer anschließenden Rückführverbindung, zeitlich durch A Unterrahmen von dem Vorwärtsverbindungs-Unterrahmen versetzt, der die Anfrage trägt.
Fig. 8 zeigt eine zweite Ausführungsform des entfernten Terminals. Signale von der Empfangsantenne 300 werden durch einen Niederrauschenverstärker 301 an einen Mischer 303 und einen herkömmlichen GPS-Empfänger 302 geliefert, der die gegenwärtigen Positionskoordinaten an den Mikrocontroller 310 schickt. Synthetisierte lokale Oszillatoren 320, die durch den Referenzoszillator 319 gesteuert werden, dessen Frequenz durch den Mikrocontroller 310 über einen Digital-Analog-Wandler 318 in einer Weise, die beschrieben wird, anpaßt, erzeugen im Mischer 303 ein IF-Signal, das in einem ersten IF-Verstärker 304 verstärkt, im Mischer 305 gemischt wird, um eine zweite IF-Frequenz zu erzeugen, die dann in dem zweiten IF-Verstärker 304 verstärkt wird, von wo sie durch Mischer 307, 316 und Probennahme und Halteschaltungen 308, 317 zum Mikrocontroller 310 geleitet werden.
Die Ausgabe des Referenzoszillators 319 wird durch den 90º-Phasenschieber 309, dessen Ausgänge mit den zweiten Eingängen der Mischer 307, 316 verbunden sind, verbunden, um die phasige I und quadratur Q-Komponente des Signals zu erzeugen.
Der Mikrocontroller 310, zum Beispiel ein Philipps P80CL580 ist mit externen I/O-Ports 311, dem Speicher 312 und dem Wecker 314 verbunden, der periodisch das Terminal weckt, um einlaufende Signale zu empfangen.
Der Mikrocontroller ist mit der Leistungssteuerschaltung 31 S verbunden.
Auf der Übertragungsseite werden die I- und Q-Komponenten des Signals getrennt vom Mikrocontroller 310 zum QPSK-Modulator 321 geleitet, der durch die synthetisierten lokalen Oszillatoren 320 getrieben wird.
Die Ausgabe des QPSK-Modulators wird durch den Treiber 320 und den Leistungsverstärker 323 zur Übertragungsantenne 324 geleitet.
Die zweite Ausführungsform der Erdstation ist in Fig. 9 gezeigt. Daten vom PPC/NOC 13 werden über das Modem 400 empfangen und zum Datenwandler 401 geleitet, der sie in ein Format umwandelt, das für die Satellitenübertragung geeignet ist. Von dort werden sie durch einen Puffer 402 und eine FEC-Einheit 403 für die Vorwärtsfehlerkorrektur, eine Fenstereinheit 404, einen Digital-Analog-Wandler 405 und einen BPSK-Modulator 406 geleitet. Von dort werden sie durch die Hochfrequenzausstattung 407 der Erdstation zum Satelliten gegeben.
Auf dem Rückführweg wird das einlaufende CDMA-Signal von der Hochfrequenzausstattung 407 durch den Mischer 410, den IF-Verstärker 411 zu Mischern 412 und 414 zum Isolieren der phasigen und Quadratur-Komponente geschickt. Diese werden in Einheiten 41 S und 416 digitalisiert und in den CDMA/QPSK-Demodulator 417, den Symbolentschachtler 418 und den Viterbi-Decodierer 419 eingespeist. Kanalzustandsinformation kann auf einer Basis pro Probe von der Probenapmplitude von den Digitalisierern 415, 416 erhalten und zu dem Decodierer 419 gegeben werden. Nach einem CRC-Check 420 werden die Daten durch einen Datenwandler 410 und das Modem 400 zurück zu dem PPC/NOC 13 gegeben.
Die Uhr 422 ist mit dem Prozessor 421 verbunden, der die Funktionen ausführt, die in der gestrichelten Box enthalten sind. Die Frequenzsteuereinheit 409 innerhalb des Prozessors steuert den Synthesizer 408, der den IF-Mischer 410 und die Phasen- und Quadratur-Mischer 412, 414 durch das 90º-Hybrid 413 treibt, und den BPSK-Modulator 406.
Wie oben angegeben weckt die Zeitgeberlogik oder Uhr 79, 314 periodisch das entfernte Terminal auf, damit es auf einlaufende Daten hört. Um die Kosten des Terminals zu minimieren, ist es wünschenswert, einen billigen Oszillator zu verwenden, der wahrscheinlich driften wird. Um dieses zu korrigieren, kann der Oszillator das Terminal für eine kurze Zeit häufiger aufwecken als das Auftreten seines zugewiesenen Unterrahmens, zu dem Zweck des Resynchronisierens der Uhr. Wenn zum Beispiel ein bestimmtes Terminal nur einem Unterrahmen in der hierarchischen Rahmenstruktur zugewiesen ist, wird dieser nur einmal in 24 Stunden wiederholen, jedoch kann es sein, daß die Uhr öfter rückgesetzt werden muß. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Terminal beispielsweise einmal pro Stunde aufgeweckt werden, nur für den Synchronisationszweck, um sicherzustellen, daß, wenn die nächste Lauschperiode kommt, die Uhr adäquat zur Erdstation synchronisiert sein wird. Fig. 10 zeigt den Algorithmus, mit dem dieses erreicht wird.
Im Schritt 200, zum Beispiel nach einer Stunde, endet die Schlafdauer des Terminals, und der Zeitgeber 79, 314, typischerweise ein Countdown-Zeitgeber, der im Schlafmodus minimal Strom zieht, weckt das Terminal unmittelbar vor dem Beginn eines erwarteten einlaufenden Unterrahmens auf der Vorwärtsverbindung auf. Das empfangene Signal wird über ein 0.625 s Empfangsfenster im Schritt 201 digitalisiert, um so sicherzustellen, daß das Fenster einen kompletten 0.5 s Unterrahmen umfaßt. Das Empfangsfenster wird im Schritt 202 bearbeitet, um ein eindeutiges Synchronisationswort zu identifizieren, das von dem Unterrahmen getragen wird. Im Schritt 205 wird die Differenz zwischen der tatsächlichen und der vorausgesagten Ankunftszeit des eindeutigen Wortes notiert. Der Entscheidungsschritt 206 bestimmt, ob diese Differenz größer ist als eine vorbestimmte Anzahl von Taktzyklen, typischerweise 30, und, falls dies der Fall ist, korrigiert er die Taktsynchronisation, indem eine neue Zahl in das innere Register des Countdown-Zeitgebers geladen wird.
Der Algorithmus hört im Schritt 208 auf, und das Terminal geht bis zur nächsten Aufwachperiode zum Schlafen zurück. Nach dem Verarbeiten des Empfangsfensters können andere Aktionen, so wie die Synchronisation der Frequenz des lokalen Oszillators, auch im Schritt 203 vorgenommen werden. Dieser Prozeß wird mit Bezug auf Fig. 11 beschrieben.
Typischerweise wird der Wecker 79, 314 mit 32 kHz laufen und auf 8 Hz hinunterdividiert werden, um alle 125 ms einen Puls zu erzeugen. Bei einer Ausführungsform kann der aktive Zustand in zwei Unterzustände aufgeteilt werden, einen voll aktiven Zustand, indem die Empfangsschaltung eingeschaltet ist, und einen teilweise aktiven Zustand, in dem nur der Mikrocontroller eingeschaltet ist. Alle 125 ms kann die Uhr nur den Mikrocontroller 310 aufwecken, wobei das Terminal in den teilweise aktiven Zustand gebracht wird. Der Mikrocontroller prüft, um zu sehen, ob es Zeit ist, nach einem einlaufenden Unterrahmen zu hören. Wenn nicht, geht er zum Schlafen zurück. Wenn ja, schaltet er die Empfangsschaltung ein, um sich einen einlaufenden Unterrahmen zu greifen, wonach er die Empfangsschaltung ausschaltet, die nach der Übertragungsschaltung den größten Energieverbrauch hat. Er digitalisiert dann den Unterrahmen, überprüft die Taktsynchronisation und hält Ausschau nach Datenpaketen, die an ihn adressiert sind.
Mit Bezug nun auf Fig. 11 wird zunächst eine grobe Frequenzabschätzung mit einem FFT- Filter im Schritt 210 gemacht, und die digitalen Probenwerte werden im Schritt 212 auf Grob fehler korrigiert. Im Schritt 213 wird eine feine Frequenzabschätzung gemacht, wobei eine digitale Schleife verwendet wird. Die Summe der Fehlerabschätzungen wird im Schritt 211 erhalten, und die digitalen Proben werden auf den Gesamtfehler hin im Schritt 218 korrigiert. Der Schritt 219 entscheidet, ob das eindeutige Synchronisationswort erfaßt worden ist, und wenn nicht, wird der Unterrahmen zurückgewiesen. Wenn das eindeutige Wort erfaßt ist, wird die Gesamtfehlerabschätzung in eine zweidimensionale Nachschlagetabelle 215 für die Spannungskorrektur 216 des spannungsgesteuerten Referenzoszillators 64, 319 übertragen.
Ein Temperatursensor 214 ist mit der Nachschlagetabelle verbunden, um sicherzustellen, daß der Kristalloszillator 64, 319 auf Temperaturänderungen hin korrigiert wird.
Das beschriebene System kann zusammen mit einem Hauptsystem existieren, ohne daß ein System Interferenz bei dem anderen hervorruft, selbst wenn gemeinsame Frequenzen benutzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Datenübertragung durch einen drahtlosen Nachrichtenkanal, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachrichtenkanal gemeinsam für Haupt- und Nebenkommunikationssysteme besteht, die zumindest teilweise sich überlappende Reichweite haben, daß das Hauptsystem einen kurzen Arbeitszyklus hat und Pakete in Zufallsbursts mit einer charakteristischen ersten Zeitdauer überträgt, daß das Verfahren die Übertragung von Paketen in Bursts in dem Nebensystems umfaßt, wobei diese Bursts in dem zweiten System eine Zeitdauer von mindestens dem Dreifachen der ersten Zeitdauer aufweisen und die Pakete Vorwärtsfehlerkorrekturcodes enthalten, um die Wiederherstellung der beinhalteten Daten im Falle einer Kollision mit einem Burst in dem Hauptsystem zu ermöglichen, daß die Bursts in dem Nebensystem dabei eine genügend niedrigere Intensität als die Bursts in dem Hauptsystem besitzen, um eine Interferenz mit ihnen zu verhindern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pakete Symbolverschachtelungen anwenden, um den Verlauf der Fehlerkorrektur zu verbessern.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Burstdauer in dem Nebensystem dem Drei- oder Mehrfachen der Burstdauer in dem Hauptsystem gleicht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragenen Bursts in dem Nebensystem Spreiz-Spektrum-Multiplexmethoden anwenden, um den Leistungspegel des Hauptempfängers unter den Rauschpegel des Hauptsystems zu senken.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Nebenbursts Vielfachzugriff im CDMA-Multiplexverfahren (Code Divison Multiple Access) anwenden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis S. dadurch gekennzeichnet, daß das Haupt- und Nebensystem satellitenbasierte Systeme mit sich überlappenden Strahlen darstellen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Empfang die Pakete entschachtelt und etliche Fehler - unter Gebrauch von Kanalzustand-Informationenbehoben werden.

8. Drahtloses Nachrichtensystem, das imstande ist, die Bandbreite mit einem Hauptsystem zu teilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Systeme zumindest teilweise sich überlappende Reichweite aufweisen, daß das Hauptsystem einen kurzen Arbeitszyklus hat und Pakete in Zufallsbursts mit einer charakteristischen ersten Zeitdauer von mindestens dem Dreifachen der ersten Zeitdauer aufweisen und die Pakete Vorwärtsfehlerkorrekturcodes enthalten, um die Wiederherstellung der beinhalteten Daten im Falle eine Kollision mit einem Brust in dem Hauptsystem zu ermöglichen, und daß die Bursts in dem Nachrichtensystem dabei eine genügend niedrigere Intensität als die Bursts in dem Hauptsystem besitzen, um eine Interferenz mit ihnen zu verhindern.

9. Drahtloses Nachrichtensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner Mittel zur Symbolverschachtelung in den Paketen aufweist, um den Verlauf der Fehlerkorrektur zu verbessern.

10. Drahtloses Nachrichtensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das System ferner Mittel zur Überwachung des Kanalzustands und einen Prozessor zur Entschachtelung und zur Fehlerkorrektur der eingehenden Pakete umfaßt, wobei dieser Prozessor so programmiert ist, daß er bei der Fehlerkorrektur die Kanalzustands- Information berücksichtigt.

11. Drahtloses Nachrichtensystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Burstdauer in diesem Nachrichtensystem wenigstens dem Dreifachen der Burstdauer in dem Hauptsystem beträgt.

12. Drahtloses Nachrichtensystem nach einem der Anspruche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner Mittel zur Übertragung von Bursts in dem Nachrichtensystem unter Anwendung von Spreiz-Spektrum-Methoden umfaßt, um den Leistungspegel des Empfängers unter dem Rauschpegel des Hauptsystems zu senken.

13. Drahtloses Nachrichtesystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bursts in dem Nachrichtensystem Vielfachzugriff im CDMA-Multiplexverfahren (Code Divisional Multiple Access) anwenden.

14. Drahtloses Nachrichtensystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Systeme satellitenbasierte Systeme mit sich überlappenden Strahlen darstellen.

15. Terminal zur Anwendung in einem drahtlosen Nachrichtensystem, das imstande ist, die Bandbreite mit einem Hauptsystem zu teilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Systeme zumindest teilweise sich überlappende Reichweite aufweisen, daß das Hauptsystem einen kurzen Arbeitszyklus hat und Pakete in Zufallsbursts mit einer charakteristischen ersten Zeitdauer überträgt, daß dieses Terminal Mittel zur Übertragung von Paketen in Bursts in diesem Nachrichtensystem umfaßt, wobei diese Bursts eine Zeitdauer von mindestens dem Dreifachen der ersten Zeitdauer haben und die Pakete Vorwärtsfehlerkorrekturcodes enthalten, um die Wiederherstellung der beinhalteten Daten im Falle einer Kollision mit einem Burst in dem Hauptsystem zu ermöglichen, und daß die Bursts in dem Nachrichtensystem dabei eine genügend niedrigere Intensität als die Bursts in dem Hauptsystem besitzen, um eine Interferenz mit ihnen zu verhindern.

16. Terminal nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Pakete Symbolverschachtelung anwenden, um den Verlauf der Fehlerkorrektur zu verbessern.

17. Terminal nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Terminals Bursts übertragen, deren Zeitdauer mindestens dem Dreifachen der ersten Zeitdauer beträgt.

18. Terminal nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Kommunikation durch einen Satelliten adaptiert ist.