DE69626404T2

DE69626404T2 - Drahtloses verteiltes datenpaketübertragungssystem

Info

Publication number: DE69626404T2
Application number: DE69626404T
Authority: DE
Inventors: Hans-Christian Ottawa HAUGLI; Robert William SEED
Original assignee: Vistar Telecommunications Inc
Current assignee: Transcore Link Logistics Corp
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2016-11-30
Also published as: CA2238753C; EP0865691B1; KR19990071875A; BR9611890A; DE69608464T2; AU709791B2; CA2238753A1; NO982564L; WO1997021282A3; CN1207838A; ATE193169T1; WO1997021282A2; AU709958B2; EP0865691A2; CN1130855C; ATE233449T1; AU7688096A; EP0865690A2; EP0865690B1; NO982565L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine drahtlose Kommunikationstechnik und insbesondere ein System zur Herstellung einer Zweiweg-Datenpaket-Kommunikation, vorzugsweise über Satelliten, zwischen einer Leitstation, der Erdfunkstelle in einem satellitengestützten System, und einer Reihe von weit verteilten Fernterminals. Das System kann verwendet werden, um eine Kommunikationsleitung zwischen einer fernen Informationsquelle und/oder -senke und einer Leit- und/oder Überwachungsfeststation bereitzustellen.
Satelliten auf einer geostationären Umlaufbahn, welche sich etwa ungefähr 22.000 Meilen über dem Äquator befindet, können verwendet werden, um Einweg- oder Zweiwegkommunikation mit einem Bestand von weit verteilten Fernterminals, von welchen einige an mobilen Einrichtungen angebracht sind. Es gibt zahlreiche bestehende Satellitensysteme, welche eine Vielfalt von Sprach- und Datendiensten bereitstellen. Kommunikationssendungen von der Erdfunkstelle der vorliegenden Erfindung an die Reihe von Terminals werden hierin im Folgenden als Vorwärtsverbindung bezeichnet, während Kommunikationssendungen vom Terminal an die Erdfunkstelle hierin im Folgenden als die Rückverbindung bezeichnet werden.
Für viele bestehende Kommunikationssysteme, wie beispielsweise zellulare Systeme, senden und/oder empfangen individuelle Terminals durch ihre Kommunikationskanäle nur sporadisch und sind normalerweise für weniger als 1% der Zeit aktiv. Während der kommunikationsinaktiven Zeiträume funktionieren viele dieser Terminals bei Leistungsverbrauchsniveaus weiter, welche sich auf Grund der Notwendigkeit, Systemverwaltungsdaten mit einer Basisstation auszutauschen, nicht merklich von den Zeiträumen aktiver Kommunikation unterscheiden. Wenn die Kapazität der Leistungsquelle des Terminals in Bezug auf den Nominalleistungsverbrauch des Terminals groß ist, wie dies beispielsweise der Fall sein kann, wenn das Terminal durch einen AC-Anschluss gespeist wird, kann die ineffiziente Verwendung von Leistung tolerierbar sein. Für jene Fälle jedoch, bei welchen die Terminalleistungsquelle von begrenzter Kapazität ist, wie beispielsweise wenn Batterien die Leistungsquelle bereitstellen, sind erhöhte Wirkungsgrade im Leistungsverbrauch wünschenswert, um die Häufigkeit von Kommnunikationsausfallzeiten der Terminals und/oder die Unannehmlichkeiten, welche damit verbunden sind, seine Batterien austauschen oder neu aufladen zu müssen, zu verringern.
Es gibt zahlreiche Beispiele Kmmunikationssystemen, bei welchen Terminals, welche innerhalb eines Systemnetzwerks funktionieren, für die Kommunikation mit ihrem Netzcontroller leicht verfügbar sein müssen. Für ein solches System kann es sein, dass das Terminal seinen Empfangskanal kontinuierlich überwachen und infolgedessen einen bedeutenden Leistungsverbrauch während der kommunikationsinaktiven Zeiträume überdauern muss.
Ein Verfahren zum Verringern des durchschnittlichen Leistungsverbrauchs bei einem Fernterminal, das den Fachleuten bekannt ist, ist das Terminal zyklisch durch aktive und inaktive Zustände laufen zu lassen. Der aktive Zustand umfasst normalerweise eine Empfangsbetriebsatr, bei welcher das Terminal den Kommunikationskanal für die Vorwärtsverbindung überwacht, eine Sendebetriebsart, bei welcher das Terminal ein Rückverbindungssignal durch den Rückkommunikationskanal sendet, und eine Terminalverarbeitungsbetriebsart, bei welcher die Verarbeitungsmaschine des Terminals, wie beispielsweise ein Mikrocontroller oder Mikroprozessor, aktiv ist. Der inaktive Zustand wird oft als die Ruhebetriebsart bezeichnet, bei welcher einer oder mehreren Terminalkomponenten die Leistung entzogen wird, und weist normalerweise einen Leistungsverbrauch auf, welcher bedeutend geringer als für jede der aktiven Betriebsarten ist. Die Einsparungen im Leistungsverbrauch gehen jedoch auf kosten der Verfügbarkeit der Terminalkommunikation. Zum Beispiel werden die Sendungen von einer Erdfunkstelle durch das Fernterminal nicht empfangen und verarbeitet, wenn es während des Sendungszeitraums inaktiv ist. Für einen solchen Fall spricht man von einem Terminal mit einer geringen Verfügbarkeit. Eine Lösung für die reduzierte Verfügbarkeit des Terminals liegt darin, die Erdfunkstelle zu veranlassen, dieselbe Nachricht mehrmals an das Terminl zu senden. In diesem Fall geht der geringe Leistungsverbrauch, welcher durch das Terminal bei Verwenden der Ruhebetriebsart erreicht wird, auf Kosten der Bandbreiteneffizienz.
Der Hauptzweck eines Kommunikationskanals ist es, zwei oder mehr Berechtigte zu befähigen, zu kommunizieren, wie beispielsweise zwischen einem Fernterminal und einem Endkunden. Die Vorwärts- und Rückverbindungssignale können Hilfen umfassen, wie beispielsweise Pilotsignale, um Termina1s zu helfen, mit der Erdfunkstelle sowohl in der Zeit als auch der Frequenz synchronisiert zu werden, und eine geringe Menge Kommunikationsverwaltungsdaten zwischen einem Terminal und seinem Netzcontroller, um den Netzzugang durch das Terminal zu erleichtern. Die Kommunikationsverwaltungsdaten zwischen dein Netzcontroller und den Terminals kann die Identifikation eines Terminals oder eine periodische Aktualisierung von Netzparametern umfassen.
Die Fachleute bestätigen, dass es wünschenswert ist, die Kommunikationsverwaltungsdaten auf ein Minimum herabzusetzen und dadurch den Wirkungsgrad der Nutzung des Kommunikationskanals zu maximieren. Obligatorische periodische Kommunikation zwischen jedem Terminal und einer Basisstation, wie sie beispielsweise bei zellularen Systemen vorkommt, führt zur unwirksamen Verwendung des Kommunikationskanals, insbesondere für jene Anwendungen, bei welchen der Nominalzeitraum für die Kommunikation zwischen einem Terminal und einem Endbenutzer bedeutend länger als der Zeitraum der obligatorischen Kommunikation ist.
Das US-Patent 5,392,287 offenbart ein Verfahren zum Verringern des Empfangsleistungsverbrauchs für ein Kommunikationssystem mit einer Anzahl von Fernterminals. Das System befähigt die Empfänger von jedem der Fernterminals, periodisch in einen aktiven Zustand versetzt zu werden, während welcher Zeit sie Nachrichten empfangen können, welche in einem Rufkanal an sie adressiert sind. Die Periodizität des aktiven Zustands des Standes der Technik ist auf einen Bereich von 2 bis 128 Sekunden begrenzt. Es gibt eine Anzahl von Anwendungen, bei welchen Kommunikation zwischen einem Fernterminal und der Erdfunkstelle auf einer Basis von viel geringerer Häufigkeit, beispielsweise auf einer monatlichen oder täglichen Basis, erforderlich ist. Für solche Anwendungen wäre die Batterielebensdauer der Termi nals, welche das Konzept des US-Patents 5,392,287 verwenden, übermäßig begrenzt.
Außerdem muss der Sender der Erdfunkstelle des Standes der Technik, we1cher hierin als die Basisstation bezeichnet wird, bei jedem Auftreten seines aktiven Zustands eine oder mehrere Nachrichten an jedes Terminal senden. Dies führt zu einer erheblichen Leistungsaufnahme, da das Terminal einen Block von Daten empfangen muss. Während es außerdem wünschenswert sein kann, dass ein Terminal den Kommunikationskanal periodisch überwacht, um zu bestimmen, ob irgendwelche Nachrichten oder Pakete vorhanden sind, ist es hinsichtlich der Bandbreiteneffizienz nicht wünschenswert, dass die Erdfunkstelle bei jedem Auftreten eines aktiven Zustands eines Terminals eine Nachricht sendet, welche diesem Terminal gewidmet ist. Die Kommunikationsverwaltungsdaten in Verbindung mit dem Erfordernis, während seines aktiven Zustands eine eigene Nachricht an jedes Terminal zu senden, begrenzt die Kapazität des Systems stark.
Satellitenkommunikation wird oft als die Kommunikationsleitung zwischen Fernsensoren, welche selten abtasten können, und einer Überwachungsstation verwendet. Für eine Anzahl dieser Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Frequenz, mit welcher die Sensoren abgetastet werden, fernändern zu können, ohne physischen Zugang zum Terminal zu benötigen oder zu bewirken, dass das Fernterminal während der Rekonfigurationszeiträume unerreichbar wird.
WO A-95 12931 offenbart ein Kommunikationssystem für zellulare Telefone, bei welchem Information in aufeinander folgenden Zeitschlitzen, welche zu einer Reihe von Überrahmen gruppiert sind, gesendet wird. Obwohl dieses System die Verwendung einer Ruhebetriebsart offenbart, betrifft es zellulare Telefone, bei welchen die Lebensdauer der Batterien eher in Stunden als in Monaten oder Jahren gemessen wird, und ist im Allgemeinen nicht zur Verwendung in Fernbereichen geeignet, wie dies beispielsweise auf die Satellitenkommunikation zutreffen würde.
Der Artikel im IEEE-Journa1 (Institut der Elektrotechnik- und Elektronikingenieure (USA) nach engl. Institute of Electrical and Electronical Engineers) über „Selected areas in communications", Bd. 13, Nr. 2, 1. Februar 1995, Seite 382 bis 388, vergleicht CDMA-Techniken (Codemultiplex-Vielfachzugriff für engt. Code Division Multiple Access) mit synchronisiertem ALOHA und zeigt, dass das CDMA-Verfahren eine wesentliche Verbesserung bieten kann, wenn die Chipzeit kürzer als die Ausdehnung der Verzögerung ist. Dieser Artikel, welcher hochmathematischer Natur ist, geht auf das Problem der Lebensdauer der Batterien bei Fernstandorten nicht ein.
Der Artikel in Communications Technology für die 90ziger Jahre und darüber hinaus, Dallas, 27. bis 30. November 1989, Seite 1613 bis 1617, beschreibt synchronisierte Spreizspektrum-Direktzugriffsnetzwerke und erörtert Leistungsfaktoren. Dieser Artikel geht auf die zuvor erwähnten Probleme nicht ein.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die zuvor erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu mindern.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem bereitgestellt, welches eine Leitstation und eine Reihe von weit verteilten Fernterminals mit einer aktiven Betriebsart, während der sie imstande sind, Datenpakete zu senden und zu empfangen, und einer Ruhebetriebsart, während der sie inaktiv sind, wobei die Leitstation und jedes der Fernterminals imstande sind, durch eine TDM-Vorwärtsverbindung (Zeitmultiplex für engl. Time Division Multiplex) von der Leitstation zu den Terminals und eine synchronisierte Vielfachzugriffs-Rückverbindung von den Terminals zu der Leitstation an der Datenpaket-Kommunikation teilzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Fernterminals eine Adresse hat und ihm spezifische Zeitschlitze in der Vorwärtsverbindung zugeordnet sind, während der es von der Leitstation adressiert werden kann, und jedes der Terminals einen Taktgeber umfasst, der in der Ruhebetriebsart so betrieben werden kann, dass das Terminal während seines zugeordneten Zeitschlitzes periodisch in seine aktive Betriebsart versetzt wird und abhört, ob an das Terminal adressierte Datenpakete von der Leitstation ankommen, und einen Prozessor zur Auswertung der durch die Vorwärtsverbindung empfangenen Pakete, und die Leitstation eine Datenbank umfasst zur Speicherung von Information über die den verschiedenen Fernterminals zugeordneten Zeitschlitze, Mittel zur Auf-Nachfrage-Sendung von Datenpaketen an die spezifischen Terminals in den ihnen zugeordneten Zeitschlitzen durch die Vorwärtsverbindung, und Mittel zum Empfang der Datenpakete von den Terminals in den Zeitschlitzen durch die synchronisierte Rückverbindung.
Die Erfindung stellt auch ein Fernterminal bereit zur Verwendung in einem drahtlosen Datenpaket-Kommunikationssystem mit einer Leitstation und einer Reihe von weit verteilten Fernterminals mit einer aktiven Betriebsart, während der sie imstande sind, Datenpakete zu senden und zu empfangen, und einer Ruhebetriebsart, während der sie inaktiv sind, wobei die Leitstation und jedes der Fernterminals imstande sind, durch eine TDM-Vorwärtsverbindung von der Leitstation zu den Terminals und eine synchronisierte Vielfachzugriffs-Rückverbindung von den Terminals zu der Leitstation an der Datenpaket-Kommunikation teilzunehmen, wobei jedes der Fernterminals eine Adresse hat und ihm spezifische Zeitschlitze in der Vorwärtsverbindung zugeordnet sind, während welcher es von der Leitstation adressiert werden kann, wobei das Terminal eine elektronische Einheit zum Senden und Empfangen der Signale zu und von der Leitstation durch die Rück- und Vorwärtsverbindungen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Taktgeber in der Ruhebetriebsart so betrieben werden kann, dass das Terminal während seiner zugeordneten Zeitschlitze periodisch in seine aktive Betriebsart versetzt wird und abhört, ob an das Terminal adressierte Datenpakete von der Leitstation ankommen, sowie einen Prozessor zur Auswertung der während der zugeordneten Zeitschlitze empfangenen Daten und zur Formatierung der durch die Rückverbindung abgehenden Daten und Mittel vorgesehen sind, die den Taktgeber in Reaktion auf die durch die Vorwärtsverbindung empfangenen Pakete zurückstellen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zur Herstellung der Kommunikation in einem drahtlosen Datenpaket-Kommunikationssystem mit einer Leitstation und einer Reihe von weit verteilten Fernterminals mit einer aktiven Betriebsart, während der sie imstande sind, Datenpakete zu senden und zu empfangen, und einer Ruhebetriebsart, während der sie inaktiv sind, wobei die Leitstation und jedes der Fernterminals imstande sind, durch eine TDM-Vorwärtsverbindung von der Leitstation zu den Terminals und eine synchronisierte Vielfachzugriffs-Rückverbindung von den Terminals zu der Leitstation an der Datenpaket-Kommunikation teilzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Fernterminals eine Adresse hat und ihm spezifische Zeitschlitze in der Vorwärtsverbindung zugeordnet sind, während welcher es von der Leitstation adressiert werden kann, und das Verfahren die Schritte umfasst, die Terininals während ihrer zugeordneten Zeitschlitze periodisch in ihre aktive Betriebsart versetzt werden, um abzuhören, ob an die Terminals adressierte Datenpakete von der Leitstation ankommen, wobei Information bezüglich der den verschiedenen Fernterminals zugeordneten Zeitschlitze in einer Datenbank in der Leitstation gespeichert werden, auf Anforderung den spezifischen Terininals zugeordnete Datenpakete während ihrer zugeordneten Zeitschlitze durch die Vorwärtsverbindung gesendet werden, und Datenpakete von den Terminals in den Zeitschlitzen durch die synchronisierte Rückverbindung empfangen werden.
Auch wenn jedes Terminal eine Gruppenadresse haben kann, so dass mehrere Terminals auf einmal adressiert werden können, hat es normalerweise auch eine eindeutige Adresse, so dass Daten an dieses spezifische Terminal gesendet werden können.
Das System ist normalerweise ein satellitengestütztes System, in welchem Fall die Leitstation eine Erdfunkstelle zum Abwickeln aller Kommunikationsvorgänge mit dem Satelliten und eine Paketverarbeitungsstelle umfassen kann. Letztere, welche von der Erdfunkstelle geografisch getrennt sein kann, formatiert und verarbeitet die ankommenden und abgehenden Daten gemäß dem gewünschten Protokoll.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die Rahmenstruktur für die in Schlitze eingeteilte Rückverbindung dieselbe wie die und synchronisiert mit der Vorwärtsverbindung, wobei sie innerhalb des Terminals um eine vorgegebene Anzahl von Unterrahmen versetzt ist. Die Rahmenstruktur ist vorzugsiveise eine hierarchische Rahmenstruktur, in welcher die Datenpakete in der Vorwärtsverbindung in Unterrahmen übertragen werden, welche Bestandteil einer Hierarchie bestehend aus Unterrahmen, Rahmen, Mehrfachrahmen und Überrahmen mit jeweiligen Längen von 0,5 Sekunden, 60 Sekunden, 1 Stunde und 24 Stunden sind. Jeder Unterrahmen, welcher durch seine Position in der Hierarchie identifiziert ist, überträgt Zeitmultiplexpakete, welche ein Adressenfeld zum Identifizieren des Terminals, für welchen das Paket bestimmt ist, übertragen. In der Rückverbindung nehmen die Datenpakete einen ganzen Unterrahmen ein und werden innerhalb des Unter rahmens normalerweise unter Verwendung von Codemultiplextechniken multiplexiert, obwohl andere Vielfachzugriffstechniken verwendet werden könnten.
In einer derartigen hierarchischen Struktur werden die „Rahmen" der niedrigsten Ordnung als „Unterrahmen" bezeichnet. Es versteht sich von selbst, dass sich die Verwendung des Begriffs „Zeitschlitz" in den Patentansprüchen auf alle „Rahmen" bezieht, welche zum Beispiel einen Unterrahmen in einer hierarchischen Struktur umfassen, der imstande ist, eine Reihe von Paketen zu übertragen. In der Vorwärtsverbindung werden die Pakete innerhalb des Zeitschlitzes in einzelne Zeitscheiben zeitmultiplexiert, und in der Rückverbindung werden sie innerhalb eines einzigen Zeitschlitzes oder Unterrahmens codemultipleziert.
Die Rückverbindung ist vorzugsweise eine Systemerbindung, welche ein CDMA-Verfahren (Codemultiplex-Vielfachzugriff) einsetzt, aber ein FDMA-Verfahren (Frequenzmultiplet-Vielfachzugriff nach engl. Frequency Division Multiple Access) oder Frequenzsprung-Vielfachzugriffsverfahren könnten ebenfalls eingesetzt werden. Die Schlitzgrenzen der Rückverbindung sollten normalerweise mit der TDM-Vorwärtsverbindungsstruktur synchronisiert werden, wie beim Terminal empfangen.
Die Verwendung von TDM in der Vorwärtsverbindung stellt genügend Kapazität bereit, um den Vorwärtsverkehr zu übertragen, und erlaubt für einen Mehrstrahlsatelliten die Reduktion der Satellitenkosten durch Hin- und Herspringen des einzigen TDM-Trägers zwischen den Satellitenstrahlen, in welchen sich die Kundenterminals befinden. Sie stellt auch eine gemeinsame Zeit- und Frequenzreferenz für alle Fernterminals bereit, ohne eine eigene Nachricht an, jedes Terminal senden zu müssen.
Jeder Vorwärtsunterrahmen umfasst Synchronisations/Netzpakete und Datenpakete. Die Synchronisations/Netzpakete befähigen das Terminal, das Vorhandensein einer Vorwärtsverbindungssendung zu erkennen, die Schätzung der Takt- und Empfangsfrequenz des Unterrahmens des Terminals mit jener der Vorwärtsverbindungssendung zu synchronisieren und den Netzzustand, wie beispielsweise die aktuelle Netzversion und die Terminalzugangsbedingungen, zu bestimmen. Die Datenpakete folgen den Synchronisations/ Netzpaketen) und enthalten Terminalidentifikationsinformation und Daten für das identifizierte Terminal, wie beispielsweise eine Anfrage für die Positionsfeststellung. Die Terminalidentifikationsinformation befähigt die Terimnals, welche aktiv sind, zu bestimmen, für wen die Kominunikationen beabsichtigt sind. jedes Terminal weist wenigstens einen Identifikationscode auf und kann mehrfache Identifikationscodes aufweisen, um die Datenkommunikation mit einer Gruppe von Terminals zu ermöglichen.
Die zeitgeschlitzte Rücksendung ist kompatibel mit dem Konzept des Weckens von spezifischen Terminals, um spezifische TDM-Vorwärtsunterrahmen zu empfangen und anschließenden Sendens jedes Rücksignals in einem spezifischen Rückunterrahmen, um den Batteriestromverbrauch des Terminals auf ein Minimum herabzusetzen. Da die Vorwärts- und Rückrahmen synchron sind, weiß die Erdfunkstelle, wann sie ein Empfangssignal von einem bestimmten Terminal zu erwarten hat und in welchem Satellitenaufwärtsstrahl das Signal erscheint. Dieser letztere Faktor erlaubt es dem Erdfunkstellenempfänger, synchron mit, aber leicht verzögert vom Strahlensprung in der Vorwärtsverbindung strahlenzuspringen. Das CDMA-Verfahren scheint den besten Kompromiss hinsichtlich Geräte/Softwarekomplexität und -leistung bereitzustellen, wenn mehr als die 10 Nominalzugänge vorhanden sind.
Die Terminals enthalten vorzugsiveise zwei Oszillatoren, einen, welcher die Terminaloperationen taktet, und einen anderen zum Steuern der Empfangsund Sendefrequenzen des Terminals. Jedes Mal wenn das Terminal aufwacht und einen Unterrahmen empfängt und verarbeitet, misst es die Differenz zwischen der berechneten und aktuellen Ankunftszeit des Unterrahmens. Aus der Zeitdifferenz kann es seine lokale Tageszeit korrigieren, was dann ermöglicht, das Rücksignal genau zu takten, und einen genauen Startpunkt für den anschließenden Ruhezeitraum bereitstellt. Alternativerweise kann das Terminal die Zeitdifferenz verwenden, um den Fehler in der Taktfrequenz zu berechnen und dann ein Taktrückwärtszählen zu modifizieren, um den Frequenzfehler auszugleichen. Dieser letztere Lösungsweg verbessert die Zeitgenauigkeit aller nachfolgenden Terminaloperationen.
Jedes Mal wenn das Terminal aufwacht und einen Unerrahmen empfängt, stellt es auch die Diskrepanz zwischen seinem lokalen Empfangsoszillator und der hochgenauen Abwärtsempfangsfrequenz fest. Die Frequenzdiskrepanz des lokalen Oszillators wird auf zwei Arten und Weisen verwendet. Kurzfristig stellt sie eine Oszillatorkorrektur bereit, so dass alle nachfolgenden Terminalsendungen oder -empfänge auf einer genaueren Frequenz sind. Langfristig wird die Diskrepanz gemittelt, und die Resultante wird verwendet, um den lokalen Oszillator- für Langzeitdrift auf Grund von Kristallalterung zu korrigieren.
Die Zeit- und Frequenzresynchronisation erlaubt es, preiswertere Komponenten in den Terminaloszillatoren zu verwenden, und vermeidet die Notwendigkeit von Strom verbrauchenden Kristallöfen, während die Terminalleistung innerhalb der Spezifikationen gehalten wird.
In einem anderen allgemeinen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem bereit, welches eine Leitstation und eine Reihe von weit verbreiteten Fernterminals, Mittel zum Herstellen einer TDM-Vorwärtsverbindung von der Leitstation zu den Terminals und Mittel zum Herstellen einer synchronisierten Spreizspektrum-Vielfachzugriffs-Rückverbindung von den Terminals zu der Leitstation, um selektive Datenpaketkommunikation zwischen der Leitstation und jedem der Fernterminals zu erlauben, umfasst. Die synchronisierte Rückverbindung wird an den Terminals vorzugsiveise mit der Vorwärtsverbindung synchronisiert und um eine vorgegebene Anzahl von Zeitschlitzen versetzt.
Der geringere Leistungsverbrauch, welcher durch die Erfindung erlaubt wird, bedeutet, dass die Terminals, welche an entfernten oder unzugänglichen Standorten sein können, Zeiträume von Jahren zwischen dem Batteriewechsel aufweisen können. Es gibt vier Hauptzustände für das Terminal hinsichtlich des Leistungsverbrauchs von der internen Batterie: Sendung, Empfang, Messung und Ruhe. Im Sendezustand verbraucht das Terminal sein größtes Leistungsniveau, im Bereich von mehreren Watt. Beim Empfang oder der Vornahme einer Messung (wie beispielsweise einer GPS-Standortbestimmung) ist der Verbrauch zwar geringer als beim Senden, aber immer noch bedeutend. Wenn das Terminal „ruht", fällt der Leistungsverbrauch auf das Mikrowattniveau, hauptsächlich um eine interne Uhr zu unterhalten.
Die verlängerte Lebensdauer der Batterie wird durch Minimieren der Länge aller Sende-, Empfangs- und Messzeiträume, Minimieren des gesamten Wacharbeitszyklus und infolgedessen Maximieren der Ruhezeit des Termina1s ermöglicht. Ein Schlüsselelement beim Minimieren von Leistung ist, den Speicher des Terminals mit spezifischen leiten, wann Nachrichten in der Vorwärtsverbindung zu ihm gesendet werden könnten, vorzuprogrammieren. Diese Zeiten können durch ferngeladene Nachrichten vom Netzcontroller geändert werden. Das Terminal wacht auf, kurz bevor sein vorprogrammierter Vorwärts-„Unterahmen" ankommt. Es empfängt und verarbeitet den kurzen Unterrahmen, aktualisiert seine interne Uhr und lokalen Oszillator, sucht nach irgendwelchen Nachrichten, die seine Adresse enthalten, und entscheidet, ob irgendeine Maßnahme erforderlich ist. Falls nicht, kehrt das Terminal bis zur nächsten Weckzeit in den Ruhezustand zurück. Wenn eine Maßnahme erforderlich ist, z. B. eine Messung vorzunehmen und die Ergebnisse zu senden, wird sie in einem kurzen Intervall durchgeführt, und das Terminal kehrt wieder in den Ruhestand zurück. Jede Rücksendung erfolgt in spezifischen kurzen Zeitschlitzen.
Die sehr lange Lebensdauer der Batterie kann gemäß der Erfindung erreicht werden, indem das Terminal nur kurze vorprogrammierte Zeiträume im Wachzustand gelassen wird, um Vorwärtsnachrichten zu empfangen, Messungen vorzunehmen oder Rücknachrichten zu senden. Dieses Konzept ist besonders wirksam, wenn mit dem einer TDM-Strahlensprung-Vorrvärtsverbindung und einer synchronisierten Strahlensprung-Rückverbindung gekoppelt.
Raumsegmentkosten sind formelbasiert auf der Nutzung der Satellitenbetriebsmittel. Die Betriebsmittel, welche bei einem L-Band-Mobilfunk-Satelliten am schwersten zu bekommen sind und infolgedessen den Hauptkostenfaktor darstellen, sind die L-Band-Aufwärts- und Abwärtsbandbreite und die L-Band-Abwärts-EIRP (äquivalente Strahlungsleistung bezüglich isotropem Kugelstrahler nach engt. Equivalent Isotropically Radiated Power). Das System gemäß der Erfindung kann in mehreren L-Band-Mobilfunk-Satellitenstrahlen arbeiten. Anbieter von Satelliten-Mobilfunkdiensten verrechnen die durchschnittliche Abwärts-L-Band-EIRP. Das System lässt einen einzigen Träger in TDM zwischen den Satellitenstrahlen hin- und herspringen. Außerdem wird der Vorwärtsträger nur dann aktiviert, wenn Pakete zu sen den sind. Daher sind die EIRP-Kosten für das System, insbesondere wenn zum ersten Mal eingesetzt, bedeutend niedriger als die normalen Kosten für einen Vorwärtskanal. Außerdem gleicht das datenaktivierte Signal dem sprachaktivierten Signal, mit welchem die Anbieter von Satelliten-Mobilfunkdiensten vertraut sind und sich sicher fühlen.
Für die Vorwärtssendung wird ein einziger Schmalbandträger, welcher alle Nachrichten im Zeitmultiplexformat enthält, erzeugt. Dieser einzige Träger kann durch einfaches Andern seiner Aufwärtsträgerfrequenz und infolgedessen -strahls zwischen den Satellitenstrahlen hin- und hergeschaltet werden, um zu erlauben, dass alle Fernterminals unter Verwendung der Vorwärts-Abwärts-EIRP nur eines Kanals versorgt werden.
Normalerweise sind für ein periodisches Datenübertragungssystem nicht alle Zeitschlitze des TDM-Basisbandsignals belegt. Der Vorwärtsträger für die Datenpakete und infolgedessen die Abwärts-EIRP können gedämpft werden, wenn keine Daten zu senden sind.
Die beiden zuvor beschriebenen Maßnahmen sind möglich, da das System mit einem derart wirksamen Terminalsteuerschema entwickelt wurde, dass viele Hunderttausende von Terminals mit einem einzigen Vorwärtsdatenstrom von weniger als 1200 Bits/Sekunde im Schnitt gesteuert werden können, welcher leicht in einen einzigen Satellitensprachkanal von 5 kHz passt.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung, welches ein Ergebnis des Vorwärtsstrahlensprungs ist, ist, dass in der Rückrichtung ein einziger Empfangskanal ebenfalls wirksam zwischen den Rückstrahlen hin- und herspringen gelassen werden kann. In diesem Fall wird eine einzige Kanaleinheit in der Erdfunkstelle über ihre Betriebsfrequenz gesteuert, um von nur einem der Satellitenstrahlen zu einem bestimmten Zeitpunkt zu empfangen. Der Strahl welcher verarbeitet wird, folgt dem Strahl, zu dem das Vorwärtssignal gesendet wurde, aber mit einer Verzögerung von etwa 2 Sekunden. Die Verwendung eines Strahlensprungempfängers stellt nur dann eine wirksame Kommunikationsleitung bereit, wenn die Rückverbindungssendungen des Terminals mit den Vorwärtsverbindungssendungen zeitsynchron sind und die Erdfunkstelle zum richtigen Zeitpunkt erreichen. Dieses Rückstrahlspringen hat keinen Einfluss auf die Satellitenmietkosten, erlaubt es aber, dass die Rückverbin dung eher mit einem einzigen Gerätesatz in der Erdfunkstelle als einem für jeden Satellitenstrahl empfangen und verarbeitet werden kann.
Das System ist aufgebaut, um viele Hunderttausende von Terminals mit einer mittleren Systemdatenrate von nur wenigen kbps zu versorgen. Was dies möglich macht, sind der sehr kurze Kommunikationsarbeitszyklus des Terminals und ein sehr wirksames Mittel zum Steuern der Terminalzustände von Empfang, Messung, Sendung und Ruhe. Der Terminalspeicher wird mit zeitbezogenen Befehlen für Terminaloperationen programmiert. Die Termina1s können ihren programmierten Schritten folgen, wobei minimale Information vom Netzcontroller erforderlich ist.
Wie bereits erwähnt, ist die Vorwärtsverbindung des Systems ein einziges TDM-Signal, welches in Rahmen und Unterrahmen unterteilt ist. Jedes Terminal ist programmiert, nur bei spezifischen Unterrahmen unter den zehntausenden, welche jeden Tag auftreten, nachzusehen; infolgedessen würde nur eine kleine Untergruppe von allen Terminals bei einem bestimmten Unterrahmen nachsehen. Jedes Terminal hat eine eindeutige Adresse und möglicherweise eine oder mehr Gruppenadressen. Ein Terminal prüft die ihm zugeordneten Unterrahmen und verarbeitet nur Nachrichten, welche an ihn adressiert sind. Es ist wichtig, zu erwähnen, dass, obwohl viele Terminals im Wachzustand sein können, um einen bestimmten Unterrahmen zu empfangen und zu verarbeiten, nur ein paar zu diesem Zeitpunkt an sie adressierte Datenpakete haben. Mittels der Zuordnung einer Untergruppe aller Terminals an einen Unterrahmen und Adressierens von spezifischen Terminals innerhalb dieser Untergruppe kann der Netzcontroller durch einen einzigen Kanal genügend Information bereitstellen, um diese vielen Hunderttausende von Terminals zu steuern. Die geografische Verteilung unter den Satellitenstrahlen ist kein Problem auf Grund des Vorwärtsverbindungsstrahlenspringens, welches die Unterrahmen nach Bedarf unter den Strahlen verteilt.
Die Rückkommunikation von diesen Terminals wird multiplexiert, um Überlastung auf ein Minimum herabzusetzen. Den Terminals werden durch einen gespeicherten Befehl oder eine Vorwärtsnachricht spezifische Rückunterrahmen zur Sendung zugeordnet. Nur ein Tei1 der Terminals, welche einem Unterrahmen zugeordnet sind, verwendet diese Zuordnung wahrscheinlich tatsächlich. Jene, die es tun, teilen sich den Rückkanal in CDMA, wobei jede Nachricht mit der Terminaladresse gekennzeichnet wird.
Da die Kommunikation mit einem Terminal nicht für jeden der ihm zugeordneten Vorwärtsunterrahmen obligatorisch ist, kann das System eine unbegrenzte Anzahl von Terminals aufweisen, welche sich denselben Unterrahmen teilen. Diese Merkmale zusammen mit dem Vorwärts- und Rückstrahlenspringen erlauben es, eine große Anzahl von Fernterminals, welche über einen Kontinent verteilt sind, mit einer Kommunikationsverbindung mit einer sehr niedrigen Rate zu steuern.
Verkehrsmanagement ist das Mittel, durch welches das System auf wirksame Weise Kapazität zuordnen kann, um die Kommunikation mit mehreren Hunderttausenden von Terminals unter Verwendung eines Vorwärts- und Rückkanals mit einer Datenrate von nur ein paar kbps aufrechtzuerhalten. Die Netzleitzentrale (NOC für engl. Network Operations Center) weist drei Hauptbetriebsarten in ihren Verkehrsmanagementzuständigkeiten auf: normalen Datenfluss, Verkehrsüberlastung und Systemwiederherstellung nach Ausfall. Der Kunde gibt den Zeitraum zwischen den Terminalweckungen und das Rückverbindungszugriffs-Nennverfahren (z. B. abfragen, periodisch, ereignisgesteuert) an. Die NOC kontrolliert die aktuelle Zeit, wann ein Terminal aufwacht, wodurch sie die Weckungen gleichmäßig über den Tag verstreuen kann. Die NOC kontrolliert die Verzögerung zwischen der Zeit des Empfangs eines Befehls durch das Terminal und wann es seine Antwort sendet. Dies wiederum reduziert eine potenzielle Überlastung durch statistisches Verteilen der Zeit innerhalb eines Unterrahmens und/oder des aktuellen Unterrahmen, welcher durch ein Terminal verwendet wird. Dies ist besonders wirksam nach einer Abfragenachricht an eine große Gruppe von Terminals, wobei die Rückverbindungspakete dann über einen genügend langen Zeitraum verteilt werden, um eine hohe Wahrscheinlichkeit von Sendeerfolg sicherzustellen.
Wenn in der Vorwärtsrichtung Überlastung auftritt, verfügt die NOC über eine Anzahl von Steuermitteln, um das Problem zu minimieren. Wenn die Überlastung sehr kurzfristig ist, wobei nur ein einziger Unterrahmen überlastet ist, kann die NOC die Nachrichten über zwei Unterrahmen spreizen und einen Vorwärtsüberlastungshinweis setzen. Dieser Hinweis zeigt den Termi nals an, dass die Nachrichten für sie im ersten Unterrahmen, welchen sie empfangen, nachdem sie aufgewacht sind, oder im nächsten verfügbaren Unterrahmen sein können. Für langfristige Überlastungen, welche Nachrichten zu einem spezifischen Strahl einbeziehen, verfügt die NOC über die Option, die Anzahl von Unterrahmen und infolgedessen die Kapazität zu einem Strahl durch Andern der Netzversionsnummer zu erhöhen. Andere Alternativen, welche der NOC offen stehen, sind, Verkehrspriorität aufzuerlegen, wobei nur Nachrichten mit höherer Priorität zur Vorwärtssendung zugelassen werden, oder Zuordnen von einigen Terminals an einen anderen Unterrahmen in demselben Strahl, welcher ein geringeres Verkehrsaufkommen hat.
Überlastung in der Rückrichtung kann durch Aferlegen von Rückpriorität oder durch Zuordnen mehrer Rückunterrahmen durch eine Änderung in der Netzversion direkt gesteuert werden. Indirekte Steuerung kann durch Reduzieren der Anzahl von Terminals, welche zu einem bestimmten Zeitpunkt abgefragt werden, erreicht werden. Die Überlastungssteuerungstechniken werden auch eingesetzt, um einen stufenweisen Aufbau von Verkehr nach der Wiederherstellung aus einem Systemausfall zu bewirken. Außerdem können Terminals vorübergehend gedämpft werden, wobei die NOC eine langsame Freigabe aus der Dämpfung durch Verteilen des Verkehrs durch Priorität und/oder Zeitverzögerung auferlegt.
Ein wichtiger Aspekt einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kombination von Verkehrsmanagementtechniken, welche die Wahrscheinlichkeit von Informationsverlust infolge von Überlastung der schmalen Kommunikationskanäle durch Nachrichten zu oder von einer sehr großen Anzahl von Fernterminals auf ein Minimum herabzusetzen. Diese Techniken umfassen:
Für die Vorwärtsverbindung:

– Steuerung durch Weckzeiten des Terminals
– Steuerung durch Verteilung von Vorwärtskapazität unter den Satellitenstrahlen
– (hinsichtlich des Leistungsverbrauchs des Terminals) wirksames Verfahren zum Ausdehnen der effektiven Dauer eines Wachzustandsunter rahmens des Terminals, um eine gelegentliche Unterrahmenüberlastung zu bearbeiten
– Verwendung von Priorität für verlängerte Vorwärtskanalüberlastung

– Steuerung des Rückverbindungszugriff, um Terminalsendungen zu aktivieren/deaktivieren
– Verwendung von Rückverbindungsnachrichtenpriorität
– Zeitstreuung von Terminalsendungen
– Steuerung durch Verteilung von Rückkapazität unter den Satellitenstrahlen

Da das System eine sehr geringe Bandbreite für seine Vorwärts- und Rückkanäle aufweist, ist es unbedingt notwendig, den Nachrichtenverkehr, welcher zu übertragen ist und keine Einkünfte erzeugt, auf ein Minimum herabzusetzen. Wenn ein Terminal aufwacht und auf einen vorgesehenen Unterrahmen horcht, diesen Unterrahmen aber nicht empfängt, wird es in eine „Kontaktverlust"-Betriebsart versetzt, welche die möglichen Gründe für den Kontaktverlust prüft, wobei sie bei dem am ehesten wahrscheinlichen beginnt, welcher die Blockierung des Ausbreitungswegs ist. Das Terminal kann auch prüfen, ob das Terminal zwischen Satellitenstrahlen bewegt wurde, während es im Ruhezustand war. Im Speicher speichert es einen Unterrahmen- und Weckzeitplan für jeden der Satellitenstrahlen, in welchen es sich selbst befinden könnte. Das Terminal prüft, ob es Unterrahmen an Rahmenstandorten empfängt, welche für andere Satellitenstrahlen reserviert sind. Falls dem so ist, erkennt es, in welchem Strahl es ist, ruft den gespeicherten Weckzeitplan für diesen Strahl ab und sendet eine kurze Nachricht an die PPC/NOC (Paketverarbeitungsstelle/Netzleitzentrale nach engl. Packet Processing Center/Network Operations Center), welche diesen Strahl registrieren. Diese Nachricht wird von der PPC bestätigt. Es ist keine weitere Nachricht mit Verwaltungsdaten notwendig, da sowohl das Terminal als auch die PPC/NOC die ganze Information haben, die sie benötigen.
Es ist ein wichtiges Merkmal, dass das Terminal, wenn es aufwacht, selbst erkennen kann, dass es eine Strahlengrenze überquert hat, und nach einer einzigen Registriernachricht an die PPC/NOC den Betrieb im neuen Strahl wieder voll aufnehmen kann. Bei herkömmlichen Systeme, wie beispielsweise zellularen Wander-Terminals, ist es erforderlich, neue Zeitschlitzzuordnungen an das Terminal zu senden, nachdem es eine Zellengrenze überschritten und den Zollcontroller benachrichtigt hat, was bedeutende Verwaltungsdaten mit sich bringt, ohne Einkünfte zu erzeugen.
Die Fernterminals verwenden vorzugsweise eine L-Band-Mikrostreifen-Steckantenne, um nahezu Rundumversorgung, flaches Profil, Robustheit und niedrige Kosten zu erhalten. Zurzeit werden getrennte Antennen zum Senden und Empfangen verwendet, obwohl das Konzept einer einzigen Antenne sowohl zum Senden als auch Empfangen als eine zukünftige Produktverbesserung bewertet wird. Das Terminal wird im Halbduplexbetrieb betrieben. Die aktuelle Antennenempfangsbandbreite ist sowohl für die Empfangsbandbreite von 1525 bis 155) MHz, welche Satelliten-Mobilfunkoperationen zugeordnet ist, als auch von 1575,42 MHz, welche für die Satelliten-Abwärtsstrecke des globalen Navegationssystems GPS verwendet wird, ausreichend.
Die Verwendung eines einzigen Antennenelements und eines rauscharmen Verstärkers, um nicht nur das Terminal-Abwärtssignal von seinem Kommunikationssatelliten zu empfangen, sondern auch das GPS-Satelliten-Abrvärtssignal, welches das Terminal zur Positionsfeststellung verwendet, reduziert die Packungsgröße und kosten.
Die Erfindung ist insbesondere auf die Kommunikation von einem einzigen Standort mit einer großen Anzahl von geografisch weit verbreiteten Terminals ohne Vorkenntnis über den ungefähren Standort der Terminals innerhalb des Versorgungsbereichs anwendbar. Die Erfindung könnte auf breitflächige terrestrische Versorgungssysteme angewendet werden.
Es gibt viele Aneendungen, bei welchen eine kleine Terminalgröße und ein geringes Terminalgewicht wünschenswert sind, um die Auffälligkeit der Terminals auf ein Minimum herabzusetzen. Es ist zum Beispiel oft vorzuziehen, zur Verwendung bei Sicherheitsanwendungen über kleine unauffällige Terminals zu verfügen. Das Netzzugangsprotokoll oder -system der vorliegenden Erfindung kann eine lange Batterielebensdauer bereitstellen und führt dazu, dass weniger Batterien erforderlich sind, und infolgedessen zu einer kleine ren Terminalgröße, da die Batterien von batteriebetriebenen Terminals einen bedeutenden Teil des Volumens und des Gewichts des Terminals darstellen.
Da die Rückverbindung der vorliegenden Erfindung durch eine Viele-zueinem-Verbindung gekennzeichnet ist, wobei die Vielen in einem geografischen Sinn weit verbreitet sind, was zu Unterschieden in den Ausbreitungsverzögerungen in den Rückverbindungen führt, ist eine wirksame Nutzung des Satellitenkanals schwieriger. CDMA (Codemultiplex-Vielfachzugriff)-Spreizspektrum-Techniken ermöglichen die gleichzeitige Sendung durch eine Reihe von Terminals, welche dasselbe Spektrum belegen. Wie bereits erwähnt, ist in der vorliegenden Erfindung jede Rückverbindung vorzugsweise eine CDMA-Sendung, welche aus einem codierten Datensignal besteht, das durch eine binäre Pseudozufallsrausch-Wellenform (PN für engl. pseudonoise) moduliert wird. Wie den Fachleuten bekannt ist, besteht die PN-Wellenform aus mehrfachen binären Elementen, welche hierin im Folgenden als Chips bezeichnet werden, wobei jeder Chip eine Dauer aufweist, welche vie1 kürzer als die für ein codiertes Datenbit ist. Die Wirkung der Modulation der codierten Daten durch ein PN-Codewort ist eine Zunahme in der Bandbreite des Datensignals und eine Reduktion in seiner spektralen Leistungsdichte.
Die PN-Codes für CDMA-Systeme sind ausgelegt im Allgemeinen, um rauschälinliche Charakteristiken aufzuweisen, was bedeutet, dass sie gute Autokorrelations- und Kreuzkorrelationseigenschaften besitzen. Solange sich jede der Terminalsendungen, welche bei der Erdfunkstelle empfangen wird, in ihrer Taktgebung um einen oder mehr Chips unterscheiden, kann jede Sendung erfolgreich decodiert werden. Die Codelänge, welche die Anzahl von Chips im PN-Code ist, bevor er wiederholt wird, wird oft so gewählt, dass sie in der Länge gleich einem codierten Datensymbol ist, kann aber von weniger als einem codierten Symbol zu vielfachen codierten Symbolen reichen. Für eine PN-Codelänge von N Chips kann es ebenso viele N simultane Sendungen geben, welche diesen Code verwenden, wie untereinander nicht stören. Wenn das System auch M verschiedene Codes umfasst, kann es M Mal N simultane nichtstörende Sendungen geben.
Obwohl die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform keine getrennte Antenne einsetzt, gibt es einige Anwendungen, bei welchen es wünschenswert ist, die Terminalantenne aus ihrer elektronischen Haupteinheit zu verlagern. In diesen Anwendungen würde die Antenne normalerweise eine oder mehr Antennen zum Empfangen und Senden von RF-Signalen, einen Hochleistungsverstärker zum Senden, einen rauscharmen Verstärker für den Empfang und eine Schaltungsanordnung zum Steuern der Sende- und Empfangsi-erstärker umfassen. Eine Verbindung muss dann zwischen der Antenneneinheit und den elektronischen Haupteinheiten bereitgestellt werden, um die Sende- und Empfangssignale und DC-Signale weiterzugeben. Vom Gesichtspunkt der Kosten, Installation und Wartung ist es wünschenswert, die Anzahl von Kabeln, welche die verschiedenen Einheiten verbinden, zu minimieren. Die vorliegende Erfindung würde vorzugsweise ein einziges Koaxialkabel verwenden, um die RF- und DC-Signale von der elektronischen Haupteinheit an die Antenneneinheit weiterzugeben, und eine Steuerschaltungsanordnung auf beiden Einheiten, um die Sende-, Empfangs- oder Ruhebetriebsarten zu aktivieren.
Die Terminals können an einer Vielfalt von Plattformen, wie beispielsweise Fahrzeugen, Flugzeugen, Triebwagen, sowie festen Einrichtungen, angebracht werden. Der Datenkommunikationsweg erstreckt sich normalerweise über das Terminal und die Erdfunkstelle hinaus. Zum Beispiel kann das Terminal mit einem Sensor verbunden werden, welcher die Quelle von Daten für eine Terminalsendung bereitstellt, während die Erdfunkstelle als eine Überleiteinrichtung agieren kann, welcher die Empfängersensordatenpakte an die Endkunden umleitet.
Die Paketverarbeitungsstelle unterhält eine Datenbank der aktiven Zeiträume des Terminals und kann daher sicherstellen, dass die Vorwärtskommunikationen mit den Terminals in den geeigneten Unterrahmen bereitgestellt werden. Außerdem kann die Paketverarbeitungsstelle die Unterrahmen ändern, während der die Terminals kommunizieren können. Eine Änderung im aktiven/inaktiven Arbeitszyklus des Terminals kann durch einen Endkunden bei dieser Paketverarbeitungsstelle angefordert werden, welche dann diese Unterrahmen der aktiven Terminalbetriebsart zuordnen kann. Die Rahmenund Überrahmenstrukturen befähigen das Terminal, mit einem sehr kurzen aktiven Arbeitszyklus zu arbeiten.
Die Vorwärtsverbindungsdaten werden paketiert, unter Verwendung von Vorwärtsfehlerkorrektur-Codierungstechniken codiert, unter Verwendung von Binärphasenumtastungstechniken (BPSK für engl. binary phase-shift keying) moduliert, durch eine agile Trägerfreguenz aufwärts gemischt und gesendet. Für die vorliegende Erfindung kann die Trägerfrequenz auf einer Unterrahmenbasis geändert werden und ermöglicht daher die Nutzung von Mehrfachsatellitenkanälen oder Satellitenpunktstrahlen. Außerdem stellt das System der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit für die Erdfunkstelle bereit, die Vorwärtsverbindungssendungen auf einer Paketbasis zu dämpfen.
Das Vorwärtsverbindungssignal der vorliegenden Erfindung wird durch einen geostationälen Satelliten an die Fernterminals weitergesendet. Die empfangene Sendung wird abwärts gemischt, demoduliert, verarbeitet und beeinflusst durch das Terminal.
Für die vorliegende Erfindung verwendet die Rückverbindung vorzugsweise synchronisierte CDMA-Spreizspektrum-Techniken, bei welchen die CDMA-Sendungen des Terminals innerhalb eines einzigen Zeitschlitzes beginnen und enden. Die Rückverbindung verwendet einen Unterrahmen, welcher in der Länge gleich wie der und synchron mit dem Vorwärtsverbindungsunterrahmen ist. Die Rückverbindungsdaten werden paketiert, unter Verwendung einer Vorwärtsfehlerkorrekturtechnik codiert, verschachtelt, um die Wirkung von Bündelfehlern zu verringern, in zwei Datensequenzen gleicher Länge getrennt, wobei jede durch verschiedene PN-Codes codiert wird, unter Verwendung von Quadraturphasenumtastungstechniken (QPSK für engl. quadrature phase-shift keying) moduliert, durch eine Trägerfrequenz aufwärts gemischt und gesendet.
Für die vorliegende Erfindung wird das CDMA-Spreizspektrumsignal der Rückverbindung, welches durch eine Reihe von Terminals simultan gesendet werden kann, durch einen geostationären Satelliten an die Erdfunkstelle weitergesendet und anschließend auf Basisband abwärts gemischt und digitalisiert. Das digitalisierte Signal wird zur Erkennung von Benutzersendungen, zur Zeit- und Frequenzsynchronisation von erkannten Benutzersendungen, zur Demodulation des Spreizspektruinsignals in getrennte phasengleiche und um 90° phasenverschobene Signale, zum Entspreizen und Entschachteln der phasengleichen und um 90° phasenverschobenen Signale, sowie zum Deco dieren der entspreizten phasengleichen und um 90° phasenverschobenen Signale einem Digitalsignalprozessor zugeführt. Rückverbindungssendungen, wlche durch die Erdfunkstelle decodiert wurden, werden an eine Paketverarbeitungsstelle zur Umleitung und anschließenden Verteilung an die Endkunden gesendet. Ein Rückverbindungspaket aus der Paketverarbeitungsstelle umfasst die Identifikation des Sendeterminals, die Endkundenadresse, Daten, Zeit und Satellitenstrahl der Sendung.
Die Fernterminals der vorliegenden Erfindung verfügen über Mittel, um unter Verwendung der zuvor erwähnten drahtlosen Techniken mit der Erdfunkstelle in einer Halbduplexbetriebsart zu kommunizieren, mit einer extern verbundenen digitalen Kommunikationsquelle über einen seriellen Kommunikationsanschluss zu kommunizieren, eine analoge Sensoreingabe zu digitalisieren, digitale I/O (Eingaben/Ausgaben nach engl. Inputs/Outputs) anzunehmen oder bereitzustellen, Standortmessungen durchzuführen, wie beispielsweise geografische Breite, geografische Länge und Geschwindigkeit, und eine Ruhebetriebsart zu verwenden, um Batterieleistung zu erhalten.
Die Erdfunkstelle der vorliegenden Erfindung verfügt über Mittel, um durch einen oder mehr Satellitenkanäle oder Satelliten oder Mehrfachsatelliten mit Mehrfachstrahlen unter Verwendung von drahtlosen Techniken, wie zuvor beschrieben, mit einer Reihe von mobilen Terminals zu kommunizieren und unter Verwendung einer Drahtverbindung mit einer Paketverarbeitungsstelle zu kommunizieren.
Die Erfindung wird nun lediglich im Sinne eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei:
1 eine Übersicht eines Satellitenkommunikationssystems gemäß der Erfindung ist;
2 ein Blockschaltbild eines Fernterminals ist,
3 ein Blockschaltbild einer Erdfunkstelle ist;
4 ein Diagramm ist, welches die TDM-Vorwärtsverbindungsstruktur darstellt;
5a ein Diagramm ist, welches die synchronisierte CDMA-Rückverbindungsstruktur darstellt;
5b ein Diagramm ist, welches die Taktgebungssynchronisation der Rahmenstrukturen der Vorwärts- und Rückverbindungen darstellt;
6 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Fernterminals ist;
7 ein Blockdiagramme einer zweiten Ausführungsform einer Erdfunkstelle ist;
8 den Synchronisationsalgorithmus des Ruhetakts für das Fernterminal veranschaulicht;
9 den Synchronisationsalgorithmus des lokalen Oszillators für das Fernterminal darstellt;
10 ein Diagramm ist, welches eine Strahlsprunganordnung veranschaulicht, die in Kommunikationssystemen wahlweise eingesetzt wird; und
11 ein Blockdiagramm einer Paketverarbeitungsstelle ist.
Unter Bezugnahme auf 1 besteht das Satellitenkommunikationssystem aus einer zentralen Erdfunkstelle 11, welche durch eine Drahtverbindung 12, zum Beispiel ein öffentliches Wählnetz, mit einer Paketverarbeitungsstelle 13 verbunden, welche normalerweise durch einen Diensteanbieter betrieben wird, welche wiederum durch einen Drahtverbindungsweg mit einem Mehrwertwiederverkäufer 14 und schließlich mit einem oder mehreren Endkunden 15 verbunden ist. Die Paketverarbeitungsstelle 13 umfasst eine Datenbank 21, welche Information, welche die Unterrahmen betrifft, die einzelnen Terminals zugeordnet sind, auf eine Weise speichert, welche im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Die PPC 13 speichert auch Strahleninformation, wenn Mehrstrahlensatelliten eingesetzt werden.
Die Erdfunkstelle 11 ist durch Satellitenverbindungen 16, 17 auch mit einem geostationären Mehrstrahlsatelliten 18 gekoppelt, welcher die Signale über erbindungen 19 zu und von einer Reihe von Fernterminals 20, welche normalerweise auf Fahrzeugen, wie beispielsweise Hubschraubern, Lastkraftwagenzügen, Personenkraftwagen und Triebwagen, angebracht sind, weitersendet. Der Satellit 18 ermöglicht eine Versorgung über einen weiten geografischen Bereich, wie zum Beispiel über ganz Nordamerika. Der Satellit 18 kann über den ganzen Versorgungsbereich rundsenden, obwohl Strahlenrichttechniken erlauben, diesen zu unterteilen, falls genwünscht. Es versteht sich von selbst, dass die Verbindungen 19, welche in 1 dargestellt sind, Punkt-zu-Punkt-Kommunikation auf Grund des zu beschreibenden Netzzugangsprotokolls darstellen. Die verbundenen Signale werden über einen weiten geografischen Bereich rundgesendet.
Die Satellitenkommunikationsverbindung 17, 19, welche an der Erdfunkstelle 11 ihren Ursprung hat und durch einen Satelliten 18 an die Terminals 20 weitergeleitet wird, wird als die Vorwärtsverbindung bezeichnet. Die Satellitenkommunikationsverbindung 19,1 6, welche an den Termls ihren Ursprung hat und durch einen Satelliten 18 an die Erdfunkstelle 11 weitergeleitet wird, wird als die Rückverbindung bezeichnet. Die Fachleute werden bestätigen, dass die Schlüsselelemente der vorliegenden Erfindung sowohl mobile als auch feste Terminals, sowie Satelliten auf nichtgeostationären Umlfbahnen und terrestrische Kommunikationssysteme betreffen.
Die Art und Weise, auf welche die Vorwärtsverbindungssendung der vorliegenden Erfindung durch das Fernterminal empfangen und verarbeitet wird, wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Ein Teil der Übertragungsenergie, welche durch den geostationären Satelliten weitergeleitet wird, wird durch eine Antenne 40 der Antenneneinheit 47 aufgefangen und an ein Bandpassfilter 41 angelegt, welcher Signale außerhalb der gewünschten Frequenz zurückweist. Die Sendungen, welche das Bandpassfilter 41 passieren, werden an einen Verstärker 42 angelegt, welcher durch ein Tx/Rx-Abtastmodul (T für engl. Transmission/R für engt. Receive) 46 aktiviert wird und über ein Koaxialkabel 48 mit einem Bandpassfilter 52 der elektronischen Haupteinheit 50 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Bandpassfilters 52 wird einem Mischer 53 zugeführt zur Abwärtsmischung auf eine geeignete Zwischenfrequenz (IF für engl. Intermediate Frequency) durch einen Frequenzsynthesizer 55, wlcher mit einem lokalen Oszillator 64 phasensynchron ist und dessen Frequenz durch eine Frequenzsteuerung 65 bestimmt wird.
Die Funktion der Frequenzsteuerung 65 wird durch einen Mikroprozessor 57 bereitgestellt. Die Ausgabe aus dem Mischer 53 wird an ein IF-Bandpassfilter 54 angelegt, um das Rauschen und die elektromagnetische Störung nahe dem Frequenzband von Interesse weiter zu verringern. Die Ausgabe aus dem Bandpassfilter 54 wird zur Abwärtsmischung auf Basisband durch eine andere Ausgabe des Frequenzsynthesizers 55 an einen Quadraturdetektor 56 angelegt.
Die phasengleichen (I für engl. in-phase) 58 und um 90° phasenverschobenen (Q für engl. quadrature-phase) Ausgaben 59 des Quadraturdetektots 68 werden einem Analog-Digital-Wandler (ADC für engl. analog-to-digital converter) 60 zugeführt. Die digitalisierten Signale vom ADC 60 werden durch einen Demodulator 61 in codierte Binärsignale umgewandelt und dann durch einen Decodierer 62 zu Binärdaten decodiert. Die Funktionen von ADC 60, Demodulator 61 und Decodierer 62 werden durch einen Mkroprozessor 57 bereitgestellt. Die Ausgabe des Decodierers 62 wird in einen Ausgabepufferspeicher 77 geschrieben, welcher anschließend die digitalen Signale für externe Datensenken, wie beispielsweise Rechner und Relaisfunkstellen, bereitstellen kann.
Die Taktgeberlogik 79 im Mikroprozessor 57 ermöglicht es, dass das Terminal in einem Ruhebetrieb arbeitet und periodisch aufwacht, um zu bestimmen, ob er in die Sendebetriebsart, Empfangsbetriebsart oder Verarbeitungsbetriebsart zu versetzen ist. DC-Leistung wird auf einem Minimum gehalten, wenn der Mikroprozessor 57 in Ruhebetriebsart ist. Die Taktgeberlogik 79 weckt das Terminal während zuvor zugeordneter Zeitschlitze, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird.
Das Tx/Rx-Abtastmodul 46 tastet das DC-Signal, welches auf dem Koaxialkabel 48 durch das Tx/Rx-Steuermodul 51 bereitgestellt wird, ab. Das Tx/ Rx-Abtastmodul schaltet den Sendeverstärker 45 oder den Empfangsverstärker 42 ein oder keinen, wie bestimmt durch den abgetasteten DC-Pegel auf dem Koaxialkabel 48. Das Tx/Rx-Steuermodul 51 wiederum wird durch den Mikroprozessor 57 gesteuert, um gemäß seiner gegenwärtigen Netzzugangsstruktur, welche in einer späteren Figur beschrieben wird, aktiv oder inaktiv zu sein.
2 veranschaulicht auch die CDMA-Spreizspektrum-Rückverbindungssendung, welche am Fernterminal getätigt wird. Die Quelle der Sendung kann analog 67 sein, wie beispielsweise durch einen Umgebungssensor, und wird durch einen ADC 68, welcher auf dem Mikroprozessor 57 vorgesehen ist, digitalisiert. Alternatieerweise könnte die Quelle der Sendung ein digitales Signal 63 sein, wie beispielsweise von einem Rechner, das in einen Eingabepufferspeicher 78 geschrieben werden würde. Die Ausgabe des Eingabepufferspeichers 78 wird anschließend an einen Datenformatierer 69 angelegt, welcher das Rückverbindungsdatensignal paketiert und solche Information wie Paketart, das Ziel und den Paketurheber hinzufügt. Die Ausgabe aus dem Datenformatierer 69 wird an einen Kanalcodierer 70 geliefert, welcher sowohl eine robuste Vorwärtsfehlerkorrektur bereitstellt als auch die Symbole der Rückverbindungspakete verschachtelt. Die Ausgabe des Kanalcodierers 70 wird dann an einen PN-Codierer 71 angelegt, welcher auch als ein CDMA-Spreizspektrumcodierer bezeichnet werden kann. Die Ausgabe aus dem PN-Codierer 71 wird an einen Rahmenprozessor 72 gesendet, welcher das codierte Spreizspektrumpaket in die Unterrahmenstruktur der Rückverbindung einbettet.
Der Rahmenprozessor 72 führt das codierte PN-Binärsignal 73 einem Modulator 74 zu, welcher das Signal in eine QPSK-Wellenform umwandelt. Ein Frequenzsynthesizer 55 wird verwendet, um die Basisbandausgabe des Modulators 74 an einem Mischer 75 aufwärts zu mischen. Die Ausgabe des Mischers 75 wird unter Verwendung eines Bandpassfilters 76 gefiltert und über das Koaxialkabel 48 an die Antenneneinheit 47 vermittelt, wo sie an einen Hochleistungsverstärker 45, wiederum an einen Bandpassfilter 44 und schließlich an eine Antenne 43 zur Sendung geliefert wird. Der Hochleistungsverstärker 45 wird durch das Tx/Rx-Abtastmodul 46 unter der Kontrolle des Tx/Rx-Steuermoduls 51 aktiviert.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 3 werden die Daten, welche an ein oder mehrere Fernterminals zu senden sind, an die Erdfunkstelle geliefert, indem eine Drahtverbindung 116 durch einen Router 115 zu einer Paketverarbeitungsstelle 13 verwendet wird. Die Paketverarbeitungsstelle 13 leitet die Pakete dann an einen Datenformatierer 102 weiter. Jedes Datenpaket, welches an die Erdfunkstelle geliefert wird, umfasst die Adresse des mobilen Zielterminals oder mehrer Gruppen von Terminals. Da das mobile Terminal sowohl eine individuelle und eine von Gruppenadressen haben kann, unterhält die Vorwärtsverbindung der vorliegenden Erfindung simultane Kommunikation mit mehrfachen mobilen Terminals.
Der Datenformatierer 102 gibt die Datenpakete in Unterrahmen innerhalb einer Rahmenstruktur, was unter Bezugnahme auf 4 ausführlicher beschrieben wird. Die Ausgabe des Datenformatierers 102 wird zur Anwendung einer Vorwärtsfehlerkorrektur an einen Kanalcodierer 103 weitergegeben, um zu helfen, Bitfehler auszugleichen, welche durch den Satellitenkommunikationskanal verursacht werden können. Die Ausgabe des Kanalcodierers 103 wird an einen Rahmenprozessor 104 weitergegeben, welcher die codierten Pakete einer TDM-Vorrvärtsverbindungsstruktur hinzufügt. Der Rahmenprozessor 104 dämpft die Datenpakete der Vorwärtsverbindung, wenn während des ganzen oder eines Teils eines Vorrvärtsverbindungsunterrahmens keine Daten zu senden sind. Die Funktionen von Datenformatierer 102, Kanalcodierer 103 und Prozessor 104 werden innerhalb eines Digitalsignalprozessors 101 bereitgestellt.
Die Ausgabe aus dem Rahmenprozessor 102 wird an einen Modulator 105 vermittelt, welcher die codierten Binärdaten zur anschließenden Aufrvärtsmischung an einem Mischer 106 durch ein Trägerfrequenzsignal, welches durch einen Frequenzsynthesizer 109 geliefert wird, in eine modulierte BPSK-Wellenform umwandelt. Der Digitalsignalprozessor 101 und der Frequenzsynthesizer 109 werden durch ein Taktgebungs- und Steuermodul 108 mit demselben Unterrahmen zeitlich synchronisiert. Taktgebungssteuersignale werden durch eine Taktgebungs- und Steuereinheit 108 bereitgestellt, um den Frequenzsynthesizer 109 zum richtigen Zeitpunkt zu übergehen. Die Taktgebungs- und Steuereinheit 108 stellt auch Taktgebungssignale für den Digitalsignalprozessor 101 bereit, um sicherzustellen, dass das codierte Da tensignal aus dem Rahmenprozessor 104 mit der Trägerfrequenz, welche durch den Frequenzsynthesizer erzeugt wird, zeitsynchron ist.
Die Ausgabe des Mischers 106 wird an ein Bandpassfilter 110 angelegt, um Radiofreguenz (RF)-Emissionen außerhalb des gewünschten Satellitenkommunikationsspektrums zu minimieren. Die Ausgabe aus dein Bandpassfilter 110 wird dann an einen Verstärker 111 geliefert, welcher das RF-Signal wiederum an einen Diplexer 112 und weiter an eine Antenne 80 zur Sendung an einen geostationären Satelliten liefert, wo es an das Fernterminal weitergesendet wird.
Für die Rückverbindung fängt eine Antenne 80 einen Teil des Rückverbindungssignals auf und gibt ihn an einen Diplexer 112 und dann an ein Bandpassfilter 81 weiter, welches die spektrale Energie außerhalb des gewünschten Rückverbindungsfrequenzbands unterdrückt. Die Ausgabe des Bandpassfilters 81 wird unter Verwendung eines rauscharmen Verstärkers (LNA für engl. low noise amplifier) 82 verstärkt und anschließend zur Abwärtsmischung auf eine geeignete Zwischenfrequenz durch einen Frequenzsynthesizer 85 einem Mischer 84 zugeführt. Die Ausgabe des Mischers 84 wird an ein Schmalbandpassfilter 86 weitergegeben, welches die spektrale Energie um das Spreizspektrumsignal der Rückverbindung weiter begrenzt. Die Ausgabe des Bandpassfilters 86 wird zur Umsetzung auf Basisband durch einen lokalen Oszillator 90 an einen Quadraturdetektor 87 geliefert. Phasengleiche 88 und um 90° phasenvrschobene 89 Basisbandsignale werden durch den Quadraturdetektor 87 zur Digitaluwandlung durch einen ADC 91 bereitgestellt.
Die digitalisierte Ausgabe aus dem ADC 91 wird an einen Pufferspeicher 93 und einen Spreizspektrumprozessor 94 geliefert. Eine Taktgebungs- und Steuereinheit 92 versorgt den ADC 91 mit einem Umrvandlungsauslöser, den Frequenzsynthesizer 85 mit einem Frequenzsteuerwort und den digitalen Spreizspektrumprozessor 95 mit Taktsignalen. Der Pufferspeicher 93 speichert durch einen Unterrahmen von Abtastwerten des Spreizspektrumsignals für einen Digitalsignalprozessor 95. Der Spreizspektrumprozessor 94 verarbeitet das digitalisiert Signal für das Vorhandensein von CDMA-Sendungen aus den Fernterminals der vorliegenden Erfindung. Der Spreizsprektrumprozessor 94, welcher aus mehrfachen Digitalsignalprozessoren besteht, stellt für alle Zeitversetzungsannahmen und CDMA-Codemöglichkeiten simultanes Verarbeiten des digitalen Signals bereit.
Der Spreizspektrumprozessor 94 erkennt das Vorhandensein von CDMA-Fernterminalsendungen und liefert eine Meldung der Erkennung der CDMA-Sendung, des verbundenen CDMA-Codes und des ungefähren Beginns der Sendung an den Digitalsignalprozessor 95.
Zum Zweck unserer ebenfalls anhängigen Patentanmeldung Nr. ........, welche am selben Tag hiermit eingereicht wird, den Titel „METHOD OF IMR-POVING THE EFFICIENCY OF RADIO CHANNEL USAGE IN OVER-LAPPING COVERAGE AREAS" trägt und deren Inhalte hierin zur Bezugnahme aufgenommen sind, wird ein Störungsdetektor 130 bereitgestellt, um das digitalisierte Signal für das Vorhandensein von Srörung von bestehenden Satellitenkanälen zu verarbeiten.
Die Feinsynchronsationseinheit 96 stellt dann Feinzeit- und -frenuenzschätzungen in den erkannten CDMA-Sendungen bereit. Die Ausgabe aus der Feinsynchronisationseinheit 96 besteht aus entspreizten QPSK-Signalen, welche dann zur Umwandlung in ein codiertes binäres Datensignal einem Demodulator 97 und zum Entschachteln und zum Decodieren der Vorwärtsfehlerkorrektur wiederum einem Decodierer 98 zugeführt werden. Die Ausgabe aus dein Decodierer 98 wird zur Umwandlung in ein geeignetes Format für die Paketverarbeitungsstelle 13 an einen Datenformatierer 99 geliefert. Die Paketverarbeitungsstelle 13 sendet die Rückverbindungspakete dann an einen Router, welcher die Pakete unter Verwendung von verdrahteten 116 Mitteln an die Endkunden liefert.
Die TDM-Vorwärtsverbindungsstruktur der vorliegenden Erfindung ist in 4 als eine Funktion der Zeit dargestellt. Vorwärtsverbindungskommunikationen können bis zu Überrahmen 120 mit einer Wiederholungsfrequenz von etwa einem Tag zwischengespeichert werden. Jeder Überrahmen 120 besteht aus I gleich langen Mehrfachrahmen 121 mit einer Länge von ungefähr einer Stunde. Jeder Mehrfachrahmen 121 wiederum besteht aus J gleich langen Rahmen 122 mit einer Länge von ungefähr einer Minute. Jeder Rahmen 122 besteht aus K gleich langen Unterrahmen mit einer Länge von 0,5 Se kunden, wobei jeder in Zeitscheiben unterteilt ist, welche L Zeitmultiplexpakete 124, 125, welche alle von gleicher Dauer sind, übertragen.
Die ersten und letzten q Pakete 124 werden als Synchronisations/Netzpakete oder einfach als Sync/Netzpakete bezeichnet. Die Sync/Netzpakete 124 versorgen die Fernterminals mit Synchronisations- und Netzzustandshilfen. Bis zu L-q Pakete 125 können durch den Rest eines Unterrahmens gesendet werden. Wenn während eines Unterrahmens oder Abschnitten darin keine Datenkommunikationen bereitzustellen sind, wird das Vorwärtsverbindungssignal gedämpft. Eine Anzahl von Datenpaketen 125 wird zur Bereitstellung einer Netzmailbox, welche solche Infnrmationen wie Unterrahmen zur Satellitenkanalabbildung enthält, auf einer Rahmenbasis reserviert.
Jedes Paket 125 kann eine Anzahl von getrennten Feldern enthalten, wie beispielsweise ein Adressenfeld, ein Zugangskontrollfeld oder einen Überlaufmerker, welcher verwendet wird, um anzuzeigen, dass mehr Daten in einem nachfolgenden Unterrahmen folgen. Die Datenmenge, welche in einem Unterrahmen gesendet werden kann, ist auf N Datenpakete begrenzt. In Abhängigkeit von der Anzahl von Terminals, welche zu adressieren gewünscht wird, und von der Menge zu sendender Daten kann es sein, dass es nicht möglich ist, alle gewünschten Daten in einem Unterrahmen zu senden, wonach die Zielterminals normalerweise in die Ruhebetriebsart zurückkehren würden. Der Überlaufmerker kann gesetzt werden, um dem Terminal mitzuteilen, dass er wach bleiben soll, da in einem nachfolgenden Unterrahmen, welcher normalerweise nicht diesen Terminals zugeordnet wäre, mehr Daten für ihn folgen. Wenn der Überlaufmerker gesetzt wird, nehmen die folgenden Pakete im nächsten Unterrahmen, welcher normalerweise anderen Terininals zugeordnet werden würde, natürlich Schlitze auf, so dass ein Kompromiss zwischen Systemkapazität und -zugänglichkeit besteht.
Eine potenziell unbegrenzte Anzahl von Terminals kann sich einen gemeinsamen aktiven Empfangsunterrahmen teilen. Die Anzahl von Terminals, welche sich praktisch einen gemeinsamen aktiven Empfangsunterrahmen teilen können, hängt von der Menge zu übertragender Daten und der Frequenz, mit welcher gewünscht wird, die Daten an einen bestimmten Terminal zu senden, ab.
Die L-q Datenpakete 125 können an ein oder mehrere dieser Terminals adressiert werden oder können gedämpft werden, wenn keine Vorwärtsverbindungspakete zu senden sind. Jedes Terminal, welches eine eindeutige Adresse aufweist und das während bestimmten Unterrahmens aktiv ist, verarbeitet alle Datenpakete 125 und bestimmt anschließend die Terminal(s), an welche jedes Paket adressiert ist. Wenn ein Terminal unter keinem der L-q Datenpakete 125 seine Adresse erkennt, wird es in die Ruhebetriebsart versetzt und bleibt bis zu seinem nächsten aktiven Empfangsunterrahmen inaktiv oder, wenn es für externe Unterbrechung imstande ist, bis es durch eine lokale Quelle unterbrochen wird. Wenn ein Terminal seine Adresse nicht unter den Datenpaketen 125 erkennt, verarbeitet es die jeweiligen Pakete) weiter und antwortet dementsprechend.
Die Rückverbindungsrahmenstruktur, welche in 5(a) dargestellt ist, ähnelt jener der Vorwärtsverbindung, welche unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wurde. Rückverbindungsdaten können durch Unterrahmen 130 mit einer Wiederholungsfrequenz von einem Tag zwischengespeichert werden. Jeder Unterrahmen 130 besteht aus I Mehrfachrahmen 131 mit einer Wiederholungsfrequenz von einer Stunde, und jeder Mehrfachrahmen 131 besteht aus J Rahmen 132 mit einer Länge von einer Minute und bestehend aus K Unterrahmen 133 mit einer Länge von 0,5 Sekunden.
Im Gegensatz zur Vorwärtsverbindung sind die Unterrahmen 132 in der Rückverbindung nicht unterteilt. Jeder Unterrahmen überträgt Datenpakete, welche über den ganzen Unterrahmen gespreizt sind und unter Verwendung von CDMA-Multiplextechniken multiplexiert werden.
Wie in 5(b) dargestellt, werden die Rückverbindungsunterrahmen 133 an den Fernterminals mit den Vorwärtsverbindungsunterrahmen 123 zeitlich synchronisiert, wobei sie um eine diskrete Anzahl von Unterrahmen A versetzt sind. Die Vorwärtsverbindungsunterrahmen 123 enthalten bis zu L-q Datenpakete, welche verwendet werden können, um eine Sendung von einem oder mehr Fernterminals anzufordern. Zum Beispiel kann eine Anforderung für eine Fernterminalsendung in einem bestimmten Vorwärtsverbindungsunterrahmen bereitgestellt werden. Das Vorwärtsverbindungspaket wird dann durch das Terminal(s) verarbeitet und führt zu einer Terminalsendung während einer anschließenden Rückverbindung, welche um A Unterrahmen zeit lich vom Vorwärtsverbindungsunterrahmen, welcher die Anforderung überträgt, versetzt ist.
6 zeigt eine zweite Ausführungsform des Fernterminals. Signale von der Empfangsantenne 300 werden durch den rauscharmen Verstärker 301 an den Mischer 303 und den herkömmlichen GPS-Empfänger 320 weitergegeben, welcher die gegenwärtigen Positionskoordinaten an den Mikrocontroller 310 sendet. Die synthetisierten lokalen Oszillatoren 320, welche durch den Referenzoszillator 319 gesteuert werden, dessen Frequenz durch den Mikrocontroller 310 über den Digital-Analog-Wandler 318 auf eine zu beschreibende Art und Weise eingestellt wird, erzeugen im Mischer 303 ein IF-Signal, welches in einem ersten IF-Verstärker 304 verstärkt wird und im Mischer 305 gemischt wird, um eine zweite IF-Frequenz zu erzeugen, welche dann in einem zweiten IF-Verstärker 306 verstärkt wird, von wo sie dann durch die Mischer 307, 316 und die Abtast-Halte-Schaltungen 308, 317 an den Mikrocontroller 310 weitergegeben wird.
Der Ausgang des Referenzoszillators 319 ist durch den 90°-Phasenschieber 309 verbunden, dessen Ausgänge mit den zweiten Eingängen der Mischer 307, 316 verbunden sind, um die phasengleichen I und um 90° phasenverschobenen Q Komponenten des Signals zu erzeugen.
Der Mikrocontroller 310, zum Beispiel ein Phillips P80CL580, ist mit den externen I/O-Anschlüssen 311, Speicher 312 und Weckuhr 314, welche das Terminal periodisch weckt, um ankommende Signale zu empfangen, verbunden.
Der Mikrocontroller ist mit den Leistungssteuer- und -überwachungsleitungen 315 verbunden.
Sendeseitig werden die I- und Q-Komponenten des Signals vom Mikrocontroller 310 getrennt an den QPSK-Modulator 321, welcher durch den synthetisierten lokalen Oszillator 320 gesteuert wird, weitergegeben.
Die Ausgabe des QPSK-Modulators wird durch den Treiber 322 und den Leistungsverstärker 323 an die Sendeantenne 324 weitergegeben.
Die zweite Ausführungsform der Erdfunkstelle ist in 7 dargestellt. Daten aus der PPC/NOC 13 werden über das Modem 400 empfangen und an den Datenwandler 401 weitergegeben, welcher sie in ein Format umwandelt, das für die Satellitenübertragung geeignet ist. Von hier. werden sie durch den Pufferspeicher 402 und eine FFC-Einheit für die Vorwärtsfchlerkorrektur (FEC für engl. forward error correction), Fenstereinheit 40, einen Digital-Analog-Wandler 405 und den BPSK-Modulator 406 geschickt. Von hier werden sie durch das RF-Gerät 407 der Erdfunkstelle an den Satelliten weitergegeben.
Auf dein Rückweg wird das ankommende CDMA-Signal vom RF-Gerät 407 durch den Mischer 410 und den IF-Verstärker 411 zum Isolieren der phasengleichen und um 90° phasenverschobenen Komponenten an die Mischer 412 und 414 weitergegeben. Diese werden in den Einheiten 415 und 416 digitalisiert und dem CDMA/QPSK-Demodulator 417, Symbolentschachtler 418 und Viterbi-Decodieren 419 zugeführt. Nach einer CRC-Prüfung 420 werden die Signale durch den Datenwandler 410 und das Modem 400 an die PC/NOC 13 weitergegeben.
Die Uhr 422 ist mit dem Prozessor 421 verbunden, welcher die Funktionen ausführt, welche innerhalb des punktierten Rahmens enthalten sind. Die Frequenzsteuereinheit 409 innerhalb des Prozessors steuert den Synthesizer 408, welcher den IF-Mischer 410 und phasengleich um 90° phasenverschoben und die Mischer 412, 414 durch die 90°-Gabelschaltung 413 und den BPSK-Modulator 406 steuert.
Wie bereits erwähnt, weckt die Taktgeberlogik oder Uhr 79, 314 das Fernterminal periodisch, um auf ankommende Daten zu horchen. Um die Kosten des Terminals zu minimieren, ist es wünschenswert, einen preiswerten Oszillator zu verwenden, welcher anfällig ist, zu driften. Um dies zu korrigieren, kann der Oszillator das Terminal zum Zwecke der Resynchronisation der Uhr für eine kurze Zeit öfter als das Auftreten des ihm zugeordneten Unterrahmens wecken. Wenn zum Beispiel einem bestimmten Terminal nur ein Unterrahmen in der hierarchischen Rahmenstruktur zugeordnet ist, wiederholt sich dieser nur einmal alle vierundzwanzig Stunden, doch es kann sein, dass die Uhr öfter als dies zurückgestellt werden muss. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Terminal zum Beispiel einmal pro Stunde nur zu Synchronisationszwecken aufgeweckt werden, um sicherzustellen, dass die Uhr, wenn der nächste Abhörzeitraum kommt, mit der Erdfunkstelle angemessen synchronisiert ist. 8 zeigt den Algorithmus, um dies zu erreichen.
Bei Schritt 200 zum Beispiel endet der Ruhezeitraum des Terminals nach einer Stunde und der Taktgeber 79, 314, normalerweise ein Rückwärtszähltakrgeber, welcher in der Ruhebetriebsart einen Mindeststrom zieht, weckt das Terminal genau vor dem Beginn eines erwarteten ankommenden Unterrahmens in der Vorwärtsverbindung. Das empfangene Signal wird bei Schritt 201 durch ein Empfangsfenster von 0,625 Sekunden digitalisiert, um sicherzustellen, dass das Fenster einen vollständigen Unterrahmen von 0,5 Sekunden umfasst. Das empfangene Fenster wird bei Schritt 202 verarbeitet, um ein eindeutiges Synchronwort, welches durch den Unterrahmen übertragen wird, zu identifizieren. Bei Schritt 205 wird die Differenz zwischen der aktuellen und vorhergesagten Ankunftszeit des eindeutigen Wortes festgestellt. Der Entscheidungsschritt 206 bestimmt, ob die Differenz größer als eine vorgegebene Anzahl von Taktzyklen, normalerweise 30, ist, und korrigiert, wenn dem so ist, die Taktsynchronisation durch Eingeben einer neuen Anzahl in das interne Register des Rückzähltaktgebers.
Der Prozess wird bei Schritt 208 verlassen, und das Terminal kehrt bis zum nächsten Weckzeitraum in den Ruhezustand zurück. Nach Verarbeiten des Empfangsfensters können bei Schritt 203 andere Maßnahmen, wie beispielsweise die Synchronisation der Frequenz des lokalen Oszillators vorgenommen werden. Dieser Prozess wird unter Bezugnahme auf 7 ausführlicher beschrieben.
Normalerweise läuft die Weckuhr 79, 314 bei 32 KHz und wird auf 8 Hz hinuntergeteilt, um alle 125 Millisekunden einen Impuls zu erzeugen. In einer Ausführungsform kann der aktive Zustand in zwei Unterzustände unterteilt werden, einen vollaktiven Zustand, in dem die Empfangsschaltordnung eingeschaltet ist, und einen teilweise aktiven Zustand, bei dem nur der Mikrocontroller eingeschaltet ist. Alle 125 Millisekunden kann die Uhr nur den Mikrocontroller 310 wecken, wodurch sie das Terminal in den teilweise aktiven Zustand versetzt. Der Mikrocontroller prüft, um zu sehen, ob es an der Zeit ist, auf einen ankommenden Unterrahmen zu horchen, oder ob eine Schwelle an einem seiner Eingänge überschritten wurde. Falls nicht, schaltet er die Empfangsschaltungsanordnung ein, um einen ankommenden Unterrahmen zu erfassen, wonach er die Empfangsschaltungsanordnung ausschaltet, welche neben der Sendeschaltungsanordnung die größte Leistungsaufnahme aufweist. Er digitalisiert dann den Unterrahmen, prüft die Taktsynchronisation und sucht Daten, die an ihn adressiert sind.
Im vollaktiven Zustand kann eine Unterscheidung zwischen Synchronisationsweckungen und Datenempfangsweckungen gemacht werden. Zum Beispiel könnte das System normalerweise alle sechs Minuten aufwachen, um einen ankommenden Unterrahmen zu erfassen und lange genug an bleiben, um das Synchronwort zu entnehmen, um den Taktgeber zu resynchronisieren. Dann kann das Terminal zum Beispiel alle zwei Stunden oder möglicherweise bis zu einem Monat oder mehr lange genug aufwachen, um die Daten zu entnehmen, um zu sehen, on eine Nachricht an dieses Terminal adressiert ist. Es wird im Wesentlichen mehr Leistung benötigt, um alle Daten im Unterrahmen zu entnehmen, als benötigt wird, und das Synchronwort allein zu entnehmen. Auf diese Weise kann die Taktgebersynchronisation aufrechterhalten werden, während das Terminal nur in die volle Einpfangsund Verarbeitungsbetriebsart versetzt werden muss, wenn tatsächlich notwendig. Dies könnte so selten wie Stunden, Tage, Wochen oder sogar Monate sein.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 9 erfolgt bei Schritt 210 eine erste grobe Frequenzschätzung mit einem FFT-Filter und werden bei Schritt 212 die digitalen Abtastwerte für grobe Fehler korrigiert. Bei Schritt 213 erfolgt unter Verwendung eines digitalen Phasenregelkreises eine Frequenzfeinschätzung. Die Summe der Fehlerschätzungen wird bei Schritt 211 erhalten, und die digitalen Abtastwerte für den Gesamtfehler werden bei Schritt 218 korrigiert. Schritt 219 entscheidet, ob das eindeutige Synchronwort erkannt wird, und falls nicht, wird der Unterrahmen zurückgewiesen. Wenn das eindeutige Wort erkannt wird, wird die Gesamtfehlerschätzung an eine zweidimensionale Nachschlagetabelle 215 zur Spannungskorrektur 216 des spannungsgesteuerten Referenzoszillators 64, 319 übertragen.
Ein Temperaturfühler 214 ist mit der Nachschlagetabelle verbunden, um sicherzustellen, dass der Kristalloszillator 64, 319 für Änderungen in der Temperatur korrigiert wird.
Obwohl es möglich ist, einen Satelliten mit weiträumiger Versorgung, wie beispielsweise Kontinent umfassender Versorgung, einzusetzen, können Strahlsprungtechniken verwendet werden, um den Wirkungsgrad der Satellitennutzung zu erhöhen. Wie in 10 dargestellt, wird eine Reihe von Aufwärtsstrecken und Abwärtsstrecken mit den Frequenzen F_up...F_up + NΔ, F_dn...F_dn + NΔ verwendet, um die Daten zwischen der Erdfunkstelle und dein Satelliten zu übertragen, welcher einen Frequenzumsetzer aufweist, um die Daten auf irgendeinen von N Punktstrahlen 19¹...19ⁿ mit verschiedenen, üblicherweise sich teilweise überlappenden Versorgungsbereichen zu übertragen.
Die Verwendung von Satellitenpunktstrahlen erlaubt es, dem Terminaladressenschema eine zusätzliche Protoknllschicht von Hochwertigkeit hinzuzufügen. Außer einem bestimmten Terminal oder Terminals einen Unterrahmen zuzuordnen, welcher mit anderen Terminals geteilt werden kann, kann das System auch ein Terminal einem bestimmten Punktstrahl identifizieren.
Obwohl sich eine Reihe von Terminals ohne Verwendung von Strahlsprungtechniken einen Unterrahmen teilen kann, ist die Anzahl derartiger Terminals, welche sich einen Unterrahmen teilen können, durch die Anzahl von Terminals, auf welche das System unabhängig, aber gleichzeitig zuzugreifen wünschen kann, und die Menge zu sendender Daten begrenzt. Wenn zum Beispiel N Datenpakete in einem bestimmten Unterrahmen sind, können N individuelle Terminals im Unterrahmen unabhängig adressiert werden, vorausgesetzt, dass gewünscht wird, nur ein Paket an jedes Terminals zu senden. Natürlich kann in einigen Fällen gewünscht werden, mehrere Terminals durch eine einzige Gruppenadresse zu adressieren, in welchem Fall dasselbe Paket durch jedes Terminal der Gruppe empfangen werden kann. Mit der Verwendung von Strahlsprungtechniken und in einer Ausführungsform, welche mehrfache TDM-Vorrvärtsträger verwendet, kann einem Terminal ein bestimmter Strahl zusätzlich zum Unterrahmen zugeordnet werden, so dass ein anderes Terminal in einem anderen Strahl, vorzugsweise nicht benachbarten Strahl, genau denselben Zitschlitz innerhalb eines Unterrahmens ohne Störung belegen kann. Die Strahlenkennung für jedes Terminal wird in einer Datenbank an der Erdfunkstelle gespeichert.
Die Paketverarbeitungsstelle und Netzleitzentrale (allgemein abgekürzt mit PPC) 1 3, welche in 11 ausführlicher dargestellt ist, ist ein integraler Bestandteil des Datenerfassungsystems (DGS für engl. Data Gathering System). Die PPC 13 stellt die Kommunikations- und Verarbeitungsknoten zwischen den VARs (Mehrwertnwiederverkäufer nach engl. Value Added Resellers) und Fernterminals über die Erdfunkstelleneinrichtung 11 bereit.
Die PPC 13 weist eine modulare Bauweise auf, um Entwicklung, Hochrüstung, kundenspezifische Anpassung und Skalierbarkeit zu erleichtern. Ihre benutzerdefinierbaren Zugriffsdiensteinheiten 501 berücksichtigen eine Vielfalt von Kommunikationsbetriebsarten (synchron, asynchron), Schnittstellen, Protokollen, Fernzugriff und Nachrichtenleitweglenkung. Sie weist eine hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit über Doppelung, Datenbanknachbildung und Datensicherung, Reservebetrieb und unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS für engl. uninterruptible power supplies) 508. Sie verwendet ein internes Hochgeschwindigkeits-LAN, um Sendeverkehrsüberlastung zu vermeiden. Sie setzt Software-fernladbare Bedienstationen und kundenspezifische Software zur Anpassung auf spezifische Anwendungen ein und berücksichtigt zukünftige Verbesserungen und Entwicklungen.
Die PPC stellt die folgenden Funktionen bereit:

– Paketverarbeitung (Erkennung, Codierung, Decodierung, Formatierung und Auswertung)
– Nachrichtenübermittlungsschnittstellen zu VAR, um die Steuerung und Üerwachung von Fernterminals zu ermöglichen.
– Paketzeitplanung zum Synchronisieren mit der Terminalweckfrequenz und Zeitschlitzzuordnung
– Verteilung der Paketverkehrsbelastung
– Paket- und Nachrichtenleitweglenkung
– Sicherheit (Echtheitsprüfung, Zugriffsberechtigung und Kontoführung)
– Rechenschaftsbericht über Pakete und Nutzung (für Rechnungszwecke)
– Datenbankverwaltungssystem für bereitgestellte Daten, umfassend:
– VAR-Information
– Terminalparameter
– Terminalgruppeninformation
– Kommunikationsverbindungsparameter
– Datenbanksicherungsvorrichtungen und Schnittstelle zu externem Speichermedium (Band).
– Betreiberschnittstelle für Netzüberwachung und -steuerung.
– Betreiberschnittstelle für Bereitstellung des Zugriffs auf Datenbanken.

Das Paketleitweglenkungsmodul 505 stellt die Paket- und Nachrichtenverabeitungsfunktionen bereit. Pakete, welche von Fernterminals empfangen werden, werden über. die Zugriffsdiensteinheiten 502 zu diesem Modul umgeleitet, wo sie decodiert, ausgewertet, registriert und berechnet werden. Wenn infolge des Empfangs eines Pakets eine Nachricht an den entsprechenden VAR 14 weiterzusenden ist, wird diese Nachricht in diesem Modul zusammengestellt und formatiert. VAR-Nachrichten werden dann über die Zugriffsdiensteinheiten 501 und Kommunikationsleitungen 502 an ihren entsprechenden Bestimmungsort weitergesendet.
In der Vorwärtsrichtung werden Pakete, welche für Terminals bestimmt sind, durch dieses Modul 505 zusammengestellt und formatiert. Dieses Modul stellt auch die Paketzeitplanungsfunktion bereit, um sicherzustellen, dass die Pakete weitergesendet werden, um mit den Terminalweckzeiten synchron zu sein.
Das Paketleitweglenkungsmodul 505 unterhält auch eine Speicherung der Pakete in der Vorwärtspackungsspeichereinheit 515, welche an die Terminals zu senden sind. Diese Pakete werden zum geeigneten Zeitpunkt gesendet, um mit den Terminalweckzeiten synchron zu sein.
Die Zugriffsdiensteinheiten 501 steuern die Kommunikation zu und von der PPC 13. Die Zugriffsdiensteinheiten bearbeiten auch die unteren Schichtprotokolle und physikalische Schnittstellen, welche für die verschiedenen Kommunikationsverbindungen benötigt werden.
Die Zugriffsdiensteinheiten 501 stellen auch Sicherheitsdienste für die PPC 13 bereit. Sicherheitsdienste sind Echtheitsprüfung, Zugriffsberechtigung und Kontoführung.
Die Zugriffsdiensteinheiten 501 sind zur Zuverlässigkeit gedoppelt. Diese Module sind erweiterungsfähig und benutzerdefinierbar, um sie af spezifischen Anwendungen und Schnittstellen abzustimmen.
Das Netzbetriebsmodul 506 stellt die Hauptschnittstelle zum Systembetreiber 509 bereit. Der Verfassungs- und Betriebszustand des Systems werden durch dieses Modul aufrechterhalten. Durch dieses Modul wird auch eine Schnittstelle bereitgestellt, um den Betreiber 509 zu befähigen, Wartungsund Prüfungsarbeiten am System durchzuführen. Die Netzverwaltung, Netzkonfiguration und Fehlerprotokolle werden ebenfalls hier abgewickelt.
Das Bereitstellungsmodul 507 wickelt die Datenbankverwaltung für die PPC 13 ab. Dies ist der Hauptspeicher für alle bereitgestellten und Rechnungsinformationen. Die Datenbanken, welche durch das Bereitstellungsmodul 507 unterhalten werden, enthalten Informationen über VARs und Terminals, deren Charakteristiken und wie und wann mit ihnen zu kommunizieren ist. Die Terminaldatenbank führt eine aktuelle Liste der aktiven Terminalzeiträume und kann daher sicherstellen, dass die Kommunikationen mit den Terminals zum geeigneten Zeitpunkt bereitgestellt werden.
Jede Schnittstelle, welche für ein Empfangsrechnungssystem erforderlich ist, wird durch dieses Modul bereitgestellt.
Die Fähigkeit, bereitgestellte Information zu sichern und wiederherzustellen, wird durch die Datensicherungseinheit 511 bereitgestellt. Die Sicherung erfolgt auf ein Hartmedium (DAT-Band) zur externen Speicherung.
Das Bereitschaftsmodul 505 wird zu Zuverlässigkeitszwecken bereitgestellt. Dieses Modul wird im Falle von Ausfällen aktiv. Eine Datenbanknachbildung wird regelmäßig aktualisiert.
Die Asynchronkommunikationsleitungen 500 werden zur Kommunikation mit externen Einheiten, wie beispielsweise der Erdfunkstelle 11, bereitgestellt.
Unterbrechungsfreie Leistungsversorgung 508 wird bereitgestellt, wo Schutz gegen kurzfristige Stromausfälle notwendig ist.
Die PPC 13 ist normalerweise von der Erdfunkstelle geografisch getrennt und durch die Zugriffsdiensteinheiten 501 über Modempools damit verbunden. Die Zugriffsdiensteinheiten 501 sind über X.25-Frame-Relay- oder SMDS-Netzwerke auch mit den VARs verbunden.
Zur Veranschaulichung des Betriebs der Erfindung betrachten wir ein Beispiel, bei dein ein Transportunternehmen eine große Flotte von Lastkraftwagen hat, unter denen sich zehn Kühlwagen befinden, welche im „zentralen" Satellitenstrahl operieren. Bis zum heutigen Tag hat sich das Unternehmen damit zufrieden gegeben, die Temperatur der Kühleinheiten einmal alle vier Stunden zu überprüfen; es ist jedoch zu einer Hitzewelle gekommen, und das Unternehmen möchte die Temperatur jetzt stündlich wissen.
Es wird angenommen, das jeder der zehn LKW-Terminals vorher programmiert wurde, um bei denselben spezifischen Unterrahmen, welche um vier Stunden getrennt sind, gleichzeitig aufzuwachen, um nach Nachrichten mit Gruppenadressen für die Kühlwagen des Unternehmens suchen. Wenn sie aufwachen, werden die Terminals programmiert, um die analoge Spannung, welche der Temperatur der Kühleinheit entspricht, einzulesen, sie in ein digitales Wort umzuwandeln und in Form einer Rücknachricht zu speichern.
Das Transportunternehmen, ein Endkunde 15, kommuniziert (sagen wir) über eine drahtgebundene Wählleitung mit dem Mehrwertwiederverkäufer (VAR) 14 und verlangt, dass eine spezifische Gruppe seiner Terminals ihren Weckzeitplan von einmal alle vier Stunden auf einmal jede Stunde geändert bekommt und dass sie zyklisch abgefragt werden soll, um zu jeder Weckzeit mit der Spannung, welche an ihrem analogen Eingang gemessen wird, zu antworten. Der VAR braucht nicht zu wissen, welche Lastkraftwagen abgefragt werden oder welche Information zurückgesendet wird. Der VAR 14 gibt dann diese Information unter Verwendung der Kommunikationsleitungen 502 an die Paketverarbeitungsstelle 13 weiter.
Die Nachricht vom VAR wird von der Zugriffsdiensteinheit 501 entgegengenommen und an das Bereitstellungsmodul 507 weitergegeben. Das Bereitstel lungsmodul bestätigt, dass die VAR-Anfrage gültig ist, gibt die Zeitplanänderungsinformation in seine Datenbank 21 ein und gibt die Nachricht an das Paketleitweglenkungsmodul 505 weiter. Das Paketleitweglenkungsmodul nimmt die Anfrage für häufigeres Terminalwecken auf und wandelt diese in einen neuen Zeitplan von Terminallveckzeiten für die spezifizierte Gruppe von Terminals um. Es verfasst dann eine Nachricht mit dem neuen Weckzeitplan an die Terminalgruppe, welche zum Senden bei der alten Weckzeit von vier Stunden zeitprotokolliert ist, und gibt die Nachricht in den Vorwärtspaketspeicher 515 ein. Zu einem geeigneten Zeitpunkt erzeugt das Paketleitweglenkungsmodul eine Abfragenachricht für die spezifizierten Terminals. Das Paketleitweglenkungsmodul 505 speichert diese Nachricht im Vorwärtspaketspeicher 515 in demselben Vorwärtsunterrahmen 123 wie die vorherige Nachricht.
Ein paar Sekunden bevor der identifizierte Unterrahmen 123 zu senden ist, wird der Inhalt des Unterrahmens, einschließlich der beiden Nachrichtenpakete 125, vom Vorwärtspaketspeicher 515 abgerufen und durch die Zugriffsdiensteinheiten 501 in die Leitung 500 gegeben, welche die Kommunikation mit der Erdfunkstelle 11 bereitstellt. Das Adressenfeld der beiden Nachrichtenpakete 125 für die spezifizierten Lastkraftwagen enthält die Gruppenadresse der zehn Lastkraftwagen. Der Unterrahmen wird an der Erdfunkstelle 11 durch das Modem 400 empfangen. Er wird zusammen mit einem Wort, welches die Übertragungsfrequenz spezifiziert, durch den Datenwandler 401 und den Rahmenpufferspeicher 402 gelesen und gespeichert. Wenn die Zeit zur Sendung des Unterrahmens 123 in der hierarchischen Rahmenstruktur 120, 121, 122 gekommen ist, wird der Unterrahmen 123 aus dem Rahmenpufferspeicher 402 ausgelesen, wird in der FEC 403 fehlercodiert, verschachtelt und mit Fenstern versehen im Fenster 404, im D/A 405 in ein analoges Signal umgewandelt und verwendet, um im Modulator 406 einen Träger mittels BPSK zu modulieren. Die Trägerfrequenz, welche auf dem Wort basiert, welches zusammen dein Unterrahmen 123 im Rahmenpufferspeicher 402 gespeichert worden war, wird durch den Synthesizer 408 erzeugt. Die Ausgabe des Modulators 406 wird gefiltert und an das RF-Gerät (RFE für engl. radio frequency equipment) 407 der Erdfunkstelle weitergegeben, wo sie aufwärts gemischt und an den Satelliten 18 gesendet 17 wird. Der Satellit 18 setzt die empfangene Frequenz um und sendet das Signal je nachdem, in welchem der verschiedenen Aufwärtsfrequenzbändern es gesendet wurde 17(2) (z. B.), in einem der Satellitenstrahlen 19(2) abwärts, wo es durch die Terminals 20 dieses Strahls empfangen wird.
Die identifizierten Terminals 20 wurden programmiert, um genau vor dem Zeitpunkt aufzuwachen, zu dem der identifizierte Unterrahmen 123 soll. Die Terminals 20 empfangen das Abwärtssignal 19(2) auf ihrer Antenne 300, verstärken es im rauscharmen Verstärker 302 und mischen es in den Mischern 307 und 316 abwärts auf eine erste IF-Frequenz, eine zweite IF-Frequenz 305 und schließlich ein Quadraturbasisband. Die Quadraturbasisbandsignale werden in den S/H 308 und 317 abgetastet und gehalten umd an den Mikrocontroller 310 weitergegeben, wo sie A/D-umgervandelt werden 201, 60. Die beiden Serien von digitalen Abtastwerten wird unter Verwendung des Algorithmus von 9 frequenzkorrigiert, und der Referenzoszillator 216, 319, 64 des Terminals wird unter Verwendung dieses Algorithmus korrigiert. Die korrigierten digitalen Abtastwerte werden demoduliert 61, decodiert 62 und zur Auswertung gespeichert 77. Eine Maßnahme ist, dem Algorithmus von 8 zu folgen, um die Terminalzeitgebung zu korrigieren. Eine zweite Maßnahme für jedes Terminal ist, in jedem der zehn Datenpakete 125 im Unterrahmen 123 nach seiner Adresse zu suchen.
Vorausgesetzt, dass jedes der zehn identifizierten Terminals 20 den Unterrahmen 123 erfolgreich demoduliert und decodiert hat, erkennt es, dass zwei der Datenpakete 125 seine Adresse enthalten. Es liest das Datenpaket 125 bezüglich der Weckzeit und ändert seinen gespeicherten Weckzeitplan. Es liest das Datenpaket 125, welches eine Abfragenachricht enthielt, und erkennt, dass von ihm verlangt wird, mit einer Rücknachricht, welche die letzte Ablesung seines analogen Eingangsanschlusses 67 enthält, zu antworten. Die Rücknachricht wird im Datenformatierer 69 formatiert und für den geeigneten Rückunterrahmen 133, der Bestandteil der Rückhierarchie 130, 131, 132 ist, gehalten und vom identifizierten Vorwärtsunterrahmen 123 um eine ganzzahlige Anzahl von Unterrahmenzeiträumen zeitverzögert, wie in 5b dargestellt, wobei der identifizierte Unterrahmen 123 Vorwärtsunterrahmen 0 genannt wird und der verbundene Rückunterrahmen 133 Rückunterrahmen 0 genannt wird. Wenn der geeignete Rückunterrahmen 133 ankommt, wird das Rückdatenpaket, welches den Rückunterrahmen 133 füllt, aus dem Datenformatierer 69 gelesen, im Kanalcodierer 70 codiert und verschachtelt, im PN-Codierer 71 spektrumgespreizt und dem QPSK-Modulator 74, 321 zugeführt, welcher den Träger vom Synthesizer 55, 320 moduliert. Der modulierte Träger wird verstärkt 322 und 323 und an die Sendeantenne 324 des Terminals zur Sendung 19(2) an den Satelliten 18 weitergegeben. Der Satellit 18 setzt die Aufwärtssignalfrequenz vom L-Band ins Ku-Band um und sendet das Signal abwärts 16(2) an die Erdfunkstelle 11.
Für dieses Beispiel wird angenommen, dass alle zehn Terminals ihre Rücknachricht unter Verwendung des Codemultiplex-Vielfachzugriffsverfahren in demselben Rückunterrahmen 133 sendeten. Das empfangene zusammengesetzte Signal wird im RF-Gerät 407 der Erdfunkstelle und erneut im Mischer 410 abwärts gemischt und schließlich in den Mischern 412 und 414 auf Quadraturbasisband abwärts gemischt. Die analogen I- und Q-Kanäle werden digitalisiert 415 und 416 und an den Prozessor 421 weitergegeben, wo bei paralleler Verarbeitung aller der zehn Ruckpakete Demodulation 417, Entschachtelung 418, Decodierung 419 und CRC-Codierung 420 bestätigt werden. Die zehn Rücknachrichten werden dann an den Datenwandler 401 weitergegeben, welcher sie zur Sendung durch, das Modem 400 über die Drahtleitung 12, 500 an die Paketverarbeitungsstelle 13 formatiert.
In der Paketverarbeitungsstelle 13 empfängt die Zugriffsdiensteinheit 501 die zehn Nachrichten und sendet sie an das Paketleitweglenkungsmodul 505. Das Paketleitweglenkungsmodul 505 bestimmt den VAR 14, an welchen die zehn Nachrichten gerichtet sind, und bereitet die Daten zur Sendung an den VAR 14 vor. Die Daten werden durch die Zugriffsdiensteinheit 501 entlang der Drahtleitung 502 zum VAR 14 gesendet. Der VAR identifiziert den Kunden 15, für den die Daten bestimmt sind, und sendet die Daten weiter.
Außer einem möglichen Warten auf die Ankunft des nächsten Weckzeitraums des Terminals ist dieser Prozess in weniger als 20 Sekunden abgeschlossen, und das Transportunternehmen verfügt über den ersten seiner stündlichen Temperaturberichte.
Wie für die Fachleute zu erkennen ist, erfordert das beschriebene Netzzugangsschema keine periodischen Kommunikationen zwischen der Erdfunkstelle und den Fernterminals, wodurch es einem Terminal erlaubt, über einen willkürlich langen inaktiven Zeitraum zu verfügen. Während dieses Zeitraums braucht das Terminal nur selten vollständig aufzuwachen, sagen wir dreimal pro Tag für einen kurzen Zeitraum, um abzuhören, um zu bestimmen, ob ein Signal während des ihm zugeordneten Zeitschlitzes an es adressiert ist. Dieses Schema führt zu einer verlängerten Batterielebensdauer.
Das beschriebene System stellt auch die Fähigkeit bereit, die Terminalparameter auf dem Luftweg zu ändern und die interne Uhr des Terminals einzustellen. Außerdem erlaubt es die wirksame Verwendung einer verfügbaren Satellitenbandbreite.

Claims

Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystemmit einer Leitstation (11, 13) und einer Reihe von weit verteilten Fernterminals (20) mit einer aktiven Betriebsart, während der sie imstande sind, Datenpakete zu senden und empfangen, und mit einer Ruhebetriebsart, während der sie inaktiv sind, wobei die Leitstation und jedes der Fernterminals imstande sind, durch eine TDM-Vorwärts-Verbindung (17) von der Leitstation zu den Terminals und eine synchronisierte Vielfachzugriffs-RÜckverbindung (16) von den Terminals zu der Leitstation an der Datenpaket-Kommunikation teilzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Fernterminals eine Adresse hat und ihm spezifische Zeitschlitze in der Vorwärtsverbindung zugeordnet sind, während der es von der Leitstation adressiert werden kann, und jedes der Terminals einen Taktgeber (314) umfasst, der in der Ruhebetriebsart so betrieben werden kann, dass das Terminal während seiner zugeordneten Zeitschlitze periodisch in seine aktive Betriebsart versetzt wird und abhört, ob an das Terminal adressierte Datenpakete von der Leitstation ankommen, und einen Prozessor (310) zur Auswertung der durch die Vorwärts-Verbindung empfangenen Pakete, und die Leitstation eine Datenbank (21) umfasst zur Speicherung von Information über die den verschiedenen Fernterminals zugeordneten Zeitschlirze, Mittel (101, 105) zur Auf-Nachfrage-Sendung von an die spezifischen Terminals adressierten Datenpakete in den ihnen zugeordneten Zeitschlitze durch die Vorwärtsverbindung, und Mittel (87, 97) zum Empfang der Datenpakete von den Terminals in den Zeitschlitzen durch die synchronisierte Rückverbindung.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Terminal (20) eine eindeutige Adresse besitzt.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Untergruppe der Terminals jedem Zeitschlitz in der Vorwärtsverbindung zugeordnet ist, und jeder Zeitschlitz eine Reihe von Zeitmultiplex-Datenpakte (125) übermittelt, wobei jedes Paket ein Adressenfeld umfasst, dass individuell an ein beliebiges Terminal oder an alle dem Zeitschlitz zugeordneten Terminals adressiert werden kann.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstation Mittel umfasst zur Sendung der Synchronisationspakete (124) in mindestens einigen der Zeitschlitze der Vorwärtsverbindung.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (57) in jedem Terminal während der aktiven Betriebsart für die durch die Vorwärtsverbindung gesendeten und der Resynchronisation dienenden Pakete ansprechempfindlich ist.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärts- (17) und die Rückverbindungen (16) eine hierarchische Rahmenstruktur verwenden und die Zeitschlitze Unterrahmen sind, wobei sie die Rahmen der niedrigsten Ordnung darstellen.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitschlitze in der Rückverbindung (16) multiplexierte Pakete mit dem Code-Vielfachzugriffsverfahren-Format übertragen.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitschlitze in der Rückverbindung (16) um eine vorgegebene Zeit mit Bezug auf die zugeordneten Zeitschlitze in der Vorwärtsverbindung versetzt sind.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeit eine ganze Zahl der Zeitschlitze ist.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass der Prozessor (37) in jedem Terminal eine lokale Unterbrechung hervorrufen kann, um das Terminal in seine aktive Betriebsart zu versetzen, so dass es auf lokale Anforderung Daten zur Leitstation durch die Rückverbindung mit synchronisiertem und wahlfreiem Zugriff senden kann.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außer der aktiven Betriebsart jedes Terminal auch eine halbaktive Betriebsart besitzt, während der der Prozessor lange genug aktiv ist, um die Synchronwörter den Eingangssignalen zu entnehmen ohne alle Begleitdaten zu extahieren.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (57) ein Bestandteil eines Mikrocontrollers ist, der den Betrieb des Terminals steuert.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystern nach Anspruch 12, wobei der Taktgeber (314) den Mikrocontroller periodisch und öfter als das Terminal zur Aufnahme der aktiven oder halbaktiven Betriebsart programmiert ist, weckt, und der Mikrocontroller (310) bestimmt, ob es an der Zeit ist, das Terminal gemäß einem in dem Terminal gespeicherten Programm in die aktive oder halbaktive Betriebsart zu versetzen.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (310) ansprechempfindlich für die durch die Vorwärtsverbindung empfangenen Befehle ist, die Zeiten zu verändern, wenn er sich in der aktiven Betriebsart befindet.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Weck-Betriebsart mehrere Male per Sekunde stattfindet.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärts- (17) und Rückverbindungen (16) durch einen Satelliten zustande kommen, und die Leitstation eine Erdfunkstelle (11) zur Kommunikation mit dem Satelliten umfasst.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstation auch eine Paketverarbeitungsstelle zur Formatierung der zum Satelliten gesendeten Daten und zur Deformatierung der vom Satelliten empfangenen Daten umfasst.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenbank (21) sich in der Paketverarbeitungsstelle befindet.
Ein drahtloses Datenpaket-Kommunikationssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Satellit ein Mehrstrahlsatellit (18) ist, und die Leitstation Daten bezüglich des Strahls, in dem sich jedes Terminal befindet, speichert, wobei das Sendemittel Daten zu einem Terminal (20) sendet, und zwar in ihm zugeordnetem Zeitschlitz und auf dem Strahl (19(1), 19(2)), in dem es sich befindet.
Ein Fernterminal zur Verwendung in einem drahtlosen Datenpaket-Kommnunikationssystem mit einer Leitstation und einer Reihe von weit verteilten Fernterminals mit einer aktiven Betriebsart, während der sie imstande sind, Datenpakete zu senden und empfangen, und mit einer Ruhebetriebsart, während der sie inaktiv sind, wobei die Leitstation und jedes der Fernterminals imstande sind, durch eine TDM-Vorwärts-Verbindung von der Leitstation zu den Terminals und eine synchronisierte Spreizspektrum-Vielfachzugriffs-Rückverbindung von den Terminals zu der Leitstation an der Datenpaket-Kommunikation teilzunehmen, wobei jedes der Fernterminals eine Adresse hat und ihm spezifische Zeitschlitze zugeordnet sind, während welcher es von der Leitstelle adressiert werden kann, wobei das Terminal eine elektronische Einheit (50) zum Senden und Empfangen der Signale zu und von der Leitstation (11, 13) durch die Rück- (16) und Vorwärtsverbindungen (17) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Taktgeber (314) in der Ruhebetriebsart so betrieben werden kann, dass das Terminal während seiner zugeordneten Zeitschlitze periodisch in seine aktive Betriebsart versetzt wird und abhört, ob an das Terminal adressierte Datenpakete von der Leitstation ankommen, sowie einen Prozessor (57) zur Auswertung der während der zugeordneten Zeitschlitze empfangenen Daten und zur Formatierung der durch die Rückverbindung abgehenden Daten, und Mittel (57) vorgesehen sind, die den Taktgeber in Reaktion auf die durch die Vorwärtsverbindung empfangenen Pakete zurückstellen.
Ein Fernterminal nach Anspruch 20, das ferner einen lokalen Oszillator (64) zur Erzeugung der erforderlichen Frequenzen im Rahmen des Terminals umfasst, um Pakete durch die Rück- und Vorwärtsverbindungen zu senden und empfangen, wobei der lokale Oszillator in Reaktion auf Synchronisationspakete resynchronisiert wird.
Ein Fernterminal nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (57) die abgehenden Pakete zum Senden im Code-Vielfachzugriffsformat durch die synchronisierte Rückverbindung vorbereitet.
Ein Fernterminal nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass dass der Prozessor (57) Mittel zum Versetzen des Terminals in die aktive Betriebsart in Reaktion auf eine lokale Anforderung umfasst, um Daten zu der Leitstation mit wahlfreiem Zugriff durch die Rückverbindung zu senden.
Ein Fernterminal nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (57) ein gespeichertes Programm (312) zur Steuerung des Termialbetriebs umfasst, zur Minimierung des Netzverkehrs durch die Verzögerung von abgehenden Paketen im Falle einer Netzüberlastung.
Ein Fernteminal nach einem der Ansprüche 20 bis 24, das ferner eine Antenneneinheit (47) mit einer L-Band-Mikro-streifenantenne mit der Fähigkeit, Signale mindestens auf 1575.42 MHz und im Bereich von 1525 bis 1559 MHz zu empfangen, umfasst.
Ein Fernterminal nach einem der Ansprüche 20 bis 25, das ferner eine mit der Antenneneinheit verbundene GPS-Einheit (302) zur Erzeugung von die Position des Terminals bestimmenden Daten zur Rücksendung an die Leitstation durch die Rückverbindung umfasst.
Ein Fernterminal nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (57) ansprechempfindlich auf die von der Leitstation (11, 13) durch die Vorwärtsverbindung (16) empfangenen Befehle ist, um die Zeitschlitze zu verändern, in denen das Terminal in seine aktive Betriebsart versetzt wird.
Ein Fernterminal nach einem der Ansprüche 20 bis 27, das außer der aktiven Betriebsart auch eine halbaktive Betriebsart besitzt, wobei der Prozessor (57) sich lange genug in der halbaktiven Betriebsart befindet, um die Synchronpakete den Eingangssignalen in der Vorwärtsverbindung zu entnehmen und das Terminal zu resyn-chronisieren.
Ein Fernterminal nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (57) ein Mikrocontroller (310) ist, und der Taktgeber (314) den Mikrocontroller öfter weckt, als das Terminal in die aktive oder halbaktive Betriebsart versetzt wird, damit der Mikrocontroller bestimmen kann, ob es an der Zeit ist, sich in die aktive oder halbaktive Betriebsart zu versetzen.
Verfahren zur Herstellung der Kommunikation in einem drahtlosen Datenpaket-Kommunikationssystem mit einer Leitstation und einer Reihe von weit verteilten Fernterminals mit einer aktiven Betriebsart, während der sie imstande sind, Datenpakete zu senden und empfangen, und mit einer Ruhebetriebsart, während der sie inaktiv sind, wobei die Leitstation und jedes der Fernterminals imstande sind, durch eine TDM-Vorwärts-Verbindung von der Leitstation zu den Terminals und eine synchronisierte Vielfachzugriffs-Rückverbindung von den Terminals zu der Leitstation an der Datenpaket-Kommunikation teilzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Fernterminals eine Adresse hat und ihm spezifische Zeitschlitze in der Vorwärtsverbindung zugeordnet sind, während welcher es von der Leitstation adressiert werden kann, und das Verfahren Schritte umfasst, in denen die Terminals während ihrer zugeordneten Zeitschlitze periodisch in ihre aktive Betriebsart versetzt werden um abzuhören, ob an die Terminals adressierte Datenpakete von der Leitstation ankommen, wobei Informationen bezüglich der den verschiedenen Fernterminals zugeordneten Zeitschlitze in einer Datenbank in der Leitstation gespeichert werden, auf Anforderung den spezifischen Terminals zugeordnete Datenpakete während ihrer zugeordneten Zeitschlitze durch die Vorwärtsverbindung gesendet werden, und Datenpa kete von den Terminals in den Zeitschlitzen durch die synchronisierte Rückverbindung empfangen werden.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Terminals auch eine halbaktive Betriebsart besitzen, während der sie lange genug aktiv werden, um die Synchronwörter den Eingangssignalen zu entnehmen.
Ein Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass ein CDMA-Verfahren in der Rückverbindung verwendet wird.