DE69732078T2

DE69732078T2 - Flugzeugbasiertes breitbandiges Kommunikationsnetz

Info

Publication number: DE69732078T2
Application number: DE69732078T
Authority: DE
Inventors: Arun Seatlle Ayyagari; Jeff P. Redmond Harrang; Sankar Redmond Ray
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1996-10-17
Filing date: 1997-10-14
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2017-10-15
Also published as: EP0837567A2; DE69732078D1; EP0837567B1; EP0837567A3; US6018659A; JPH10150401A; JP3841526B2

Description

Bereich der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Kommunikation von Breitbandsignalen zwischen mehreren Kunden und spezieller Verfahren und Vorrichtungen zur Kommunikation, wobei ein kostengünstiges, einfach wartbares, schnell aufstellbares Kommunikationssystem verwendet wird, welches zur Breitband- und Netzkommunikation in verschiedenen Umgebungen geeignet ist.
Hintergrund der Erfindung
Drahtlose Daten- und Telefonkommunikationssysteme ersetzen rasch herkömmliche Kommunikationssysteme. Die herkömmliche terrestrische drahtlose Fernsprechtechnik verlässt sich auf unbehinderte Sichtlinien(LOS)-Übertragungswege oder Mehrfachübertragungswege in einem dichten Bereich zwischen Sende- und Empfangsstationen. Diese Technologie ist einfach zu warten. Jedoch ist der Einsatzbereich der Kommunikation begrenzt. Die LOS-Beschränkung ist besonders für spezielle mobile Einheiten, wie z. B. Geländefahrzeuge, wichtig. Das lokale Gelände diktiert recht oft die Fahrzeugposition relativ zu den Sende- und Empfangseinheiten, damit eine ungestörte Kommunikation erfolgt. Auch Land basierte drahtlose Infrastrukturen sind teuer aufzubauen und zu warten, besonders in entfernten Bereichen.
Momentane drahtlose Kommunikationssysteme versagen, um drahtlose Breitbandkommunikation in Echtzeit über ausgedehnte Entfernungen bereitzustellen während ein LOS-Übertragungsweg zwischen Stationen aufrechterhalten wird, wobei sich eine o der beide Stationen in die Bewegung befinden. Viele Regionen der Welt haben heute eine spärliche oder keine feste Kommunikationsinfrastruktur und es mangelt an Mitteln, welche benötigt werden, um ihre existierende Einrichtung zu erweitern, um mehr entwickelte Bereiche anzupassen. Drahtlose Kommunikationssysteme sind ein effektives Werkzeug, um diesen Dienst bereitzustellen. Jedoch versagen die gegenwärtigen drahtlosen Systeme, um die Bedürfnisse von speziellen Anwendungen zu erfüllen.
Ein sich auf die herkömmlichen Infrastrukturen für drahtlose Kommunikation auswirkender Faktor ist der gewaltige Anstieg einer Nachfrage für Breitbandkommunikationsdienste, welche aus Sprache, Video und Dateninformation bestehen. Wegen inhärenten Begrenzungen bei den Übertragungsmedien, muss die drahtlose Kommunikation Rauschen, welches in den Funkweg eingeführt wird, kompensieren. Im Folgenden sind drahtlose Techniken zur Kompensierung von Rauschen aufgeführt: 1) Beschränken des Bereiches; 2) Erhöhen der Verstärkung oder der Leistung des gesendeten Signals; 3) Erhöhen der Verstärkung des empfangenen Signals; 4) Erhöhen der Effektivität der Fehlerkorrektur; 5) Verändern der Modulation oder der Frequenz des Funksignals, um die Auswirkung des Rauschens zu reduzieren; oder 6) eine Kombination von einigen oder allen diesen Techniken. Jedoch beeinflussen alle diese Techniken die Kosten und die Komplexität eines drahtlosen Systems. Außerdem wird ein Kompensieren von unzuverlässigen drahtlosen Übertragungswegen zunehmend schwierig, wenn sich die Datenrate erhöht.
Verschiedene Satelliten basierte Lösungen sind vorgeschlagen worden, um die vorab identifizierten Probleme zu adressieren, aber sind im Allgemeinen zu teuer, außer wenn sie über kontinentale oder größere geografische Bereiche angewendet werden. Systeme, welche auf einer niedrigeren Erdumlaufbahn (LEO) und einer mittleren Erdumlaufbahn (MEO) basieren, streben nach einer globalen Überdeckung, was die Kosten zum Betreiben von Satelliten nach sich zieht, wobei über zwei Drittel der Erde mit Wasser bedeckt sind. Außerdem wirkt sich der oft gewaltige Anstieg der Entfernung des drahtlosen Erde-Weltraum-Erde-Übertragungsweges zwischen terrestrischen Stationen aufgrund der Verzögerung der Ende-zu-Ende-Übertragung und des erhöhten Übertragungswegverlustes ungünstig auf Satelliten basierte Lösungen aus. Somit ist eine Echtzeitkommunikation bei höheren Umlaufbahnhöhen nicht praktikabel. Dies ist insbesondere bei den Satellitensystemen mit geostationärer Erdumlaufbahn (GEO) der Fall. Im Folgenden sind andere Nachteile oder Implementierungsschwierigkeiten von GEO-Satelliten genannt: 1) die hohen Kosten eines Starts der Satelliten in die geostationäre Umlaufbahn; 2) lange Verbindungsentfernungen zwischen den Satelliten; und 3) hohe Sendeleistungsanforderung. Weder Satelliten basierte noch feste Land basierte Systeme ermöglichen einfach vorübergehende Kommunikationsanforderungen in entfernten Bereichen. Gegenwärtig existiert keine Kommunikationsinfrastruktur, um einen wirtschaftlichen Betrieb in einem relativ abgegrenzten geografischen Bereich für einen Dienst zu ermöglichen, welcher eine schwankende Nachfrage haben kann und einen raschen Einsatz des Systems erfordert.
Ein anderes Anliegen bei einer drahtlosen Kommunikationsinfrastruktur ist eine effektive Verwaltung des Funkfrequenzspektrums. Satelliten basierte Systeme müssen sich mit einem ansteigend gedrängten verfügbaren Spektrum und komplizierten und teuren internationalen Lizenzierungsverfahren herumschlagen. Dies ist insbesondere bei LEO- und GEO-Satellitensystemen der Fall, welche weltweit arbeiten, aber gezwungen sind, eine einzelne feste Frequenzzuweisung für Verbindungen von und zu terrestrischen Stationen zu verwenden. Oft zwingt dies einen Systementwurf in nicht optimale Frequenzbänder, was sich auf die Kosten des Systems ernsthaft auswirkt.
Die LEO- und MEO-Satellitenkommunikationssysteme versuchen die GEO-Nachteile abzumildern. Jedoch erfordern LEO/MEO-Satellitennetze eine wesentlich größere Anzahl von Satelliten, um eine globale Überdeckung bereitzustellen. Zum Beispiel zielen das von Motorola Inc. vorgeschlagene LEO-Satellitennetz IRIDIUM^® und das von TRW vorgeschlagene MEO-Satellitennetz ODYSSEY^® darauf ab, weltweite, Satelliten basierte, Zellen basierte Systeme zu werden, welche primär darauf ausgerichtet sind, wirtschaftliche schmalbandige mobile Dienste über tragbare Benutzereinheiten bereitzustellen. Ähnliche LEO- und MEO-Satellitennetze sind vorgeschlagen worden, aber sie fokussieren sich zu stark auf ein Bereitstellen einer Schmalbandkommunikation für Zellen basierte Benutzer. In letzter Zeit sind mehrere "Große LEO-"Satellitensysteme zum Bereitstellen eines Breitbanddienstes hauptsächlich für stationäre Anschlüsse ausgerichtet worden. Teledesic^® (Teledesic Corp.) ist ein solches System, welches vorschlägt, ein LEO-Kommunikationssystem in den Orbit zu bringen, welches aus 840 Satelliten besteht und erdfeste Zellen und eine schnelle Paketvermittlung integriert in jedem vernetzten Satelliten aufweist. Eine große Herausforderung für diesen Ansatztyp sind die enormen Kosten des Platzierens der Satelliten in der Um laufbahn vor der Entwicklung der Teilnehmerbasis, um das anfängliche Investment wieder zu erlangen und die Netzbetriebskosten zu bestätigen.
Die US-A-5 408 237 offenbart ein Kommunikationssystem für eine drahtlose Breitbandkommunikation, welches eine Mehrzahl von Boden basierten Benutzern umfasst, wobei ein solches LEO-System verwendet wird. Bei diesem Kommunikationssystem ist jeder Satellit der Konstellation in der Lage, seine Positions- und Höheninformation zu bestimmen und kontinuierlich Strahlen einzustellen, um die Effekte der Satellitenbewegung und Höhe zu kompensieren. Dadurch werden die an Bord des Satelliten erzeugten Strahlen kontinuierlich gelenkt, um so die erdfesten Zielzellen anzustrahlen.
Dementsprechend gibt es ein Bedürfnis für ein preiswertes, einfach wartbares, schnell einsetzbares Kommunikationssystem, welches für eine Breitband- und Netzkommunikation in verschiedenen Umgebungen geeignet ist. Die vorliegende Erfindung ist darauf ausgerichtet, ein solches Kommunikationssystem bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Kommunikationssystem für eine drahtlose Breitbandkommunikation zwischen einer Mehrzahl von Benutzern zur Verfügung. Das System besitzt mindestens ein fliegendes Fortbewegungsmittel zum Senden und Empfangen von Kommunikationsdaten in einem vordefinierten Überdeckungsbereich. Das fliegende Fortbewegungsmittel besitzt weiter eine Höhenbestimmungsvorrichtung zum Erzeugen einer Höhenrefe renzinformation und eine Positionsbestimmungsvorrichtung zum Erzeugen einer Positionsinformation des fliegenden Fortbewegungsmittels relativ zu jedem der Benutzer. Das fliegende Fortbewegungsmittel besitzt auch eine Zentralprozessoreinheit zum Erzeugen von Zielsignalen gemäß der erzeugten Höhenreferenzinformation und Positionsinformation und eine Zuordnungseinheit zum Zuordnen mindestens eines Sende- und mindestens eines Empfangsdatenkanals eines vordefinierten Übertragungsschemas zu jedem Benutzer, wobei ein Senden und ein Empfang auf dem Datenkanal zu verschiedenen Zeitintervallen gemäß eines vordefinierten Zeitprotokolls auftritt. Das fliegende Fortbewegungsmittel besitzt weiter eine Empfangsrichtstrahlantenne zum Empfang von Daten gemäß der erzeugten Zielsignale, eine Vermittlungsvorrichtung zum Routen von Daten von und zu sendenden und empfangenden Benutzern und eine Senderichtstrahlantenne zum Senden der empfangenen Daten zu dem vorbestimmten Ziel auf dem zugeordneten Übertragungsdatenkanal gemäß der erzeugten Zielsignale. Jeder der Benutzer besitzt eine Höhenbestimmungsvorrichtung zum Erzeugen der Höhenreferenzinformation, eine Positionsbestimmungsvorrichtung zum Erzeugen der Positionsinformation, eine Zentralprozessoreinheit zum Erzeugen der Zielsignale gemäß der erzeugten Höhenreferenzinformation und Positionsinformation, und Sende- und Empfangsantennen zum Empfangen und Senden von Daten entsprechend der erzeugten Zielsignale und des vordefinierten Übertragungsschemas.
Gemäß anderer Aspekte dieser Erfindung weist das System weiter eine Mehrzahl von fliegenden Fortbewegungsmitteln auf, welche in geografisch eindeutigen Überdeckungsbereichen Benutzern Dienste anbieten. Jedes fliegende Fortbewegungsmittel weist weiter eine oder mehrere Netzantennen zum Austausch von Daten mit anderen fliegenden Fortbewegungsmitteln gemäß der erzeugten Höhenreferenzinformation und Positionsinformation auf. Wenn die Vermittlungsvorrichtung erkennt, dass der Zielbenutzer von empfangenen Daten durch ein anderes fliegendes Fortbewegungsmittel bedient wird, überträgt die Netzantenne die empfangenen Daten zu dem anderen fliegenden Fortbewegungsmittel, welches das Benutzerdatenziel bestimmt und die Daten in seinem Überdeckungsbereich zu dem Benutzer sendet.
Gemäß weiteren erfindungsgemäßen Aspekten weist das System weiter eine Betriebssteuerung mit einer Kommunikationsverbindung zu mindestens einem fliegenden Fortbewegungsmittel auf, um Betriebssteuerungsinformation dem fliegenden Fortbewegungsmittel zuzuführen.
Gemäß noch weiterer Aspekte dieser Erfindung weist die Betriebssteuerung weiter eine oder mehrere Verbindungen zu öffentlichen oder privaten Datennetzen auf, um Kommunikationsverbindungen zwischen Benutzern, welche von den fliegenden Fortbewegungsmitteln und von mit dem externen Datennetz verbundenen Stationen bedient werden, zu erzeugen.
Gemäß noch weiteren erfindungsgemäßen Aspekten sind die Sende- und Empfangsrichtstrahlantennen Antennen mit phasengesteuertem Feld ("Phased Array Antennas"). Die Antennen mit phasengesteuertem Feld weisen ein doppelt gepuffertes Schieberegister für jedes phasengesteuerte Feldelement auf, wobei das doppelt gepufferte Schieberegister die Zielsignale gemäß der zugeordneten Datenkanäle in dem Übertragungsschema speichert.
Gemäß noch anderen erfindungsgemäßen Aspekten ist das Übertragungsschema eine Kombination eines Zeit- und Raumvielfachzugriffes (TDMA/SDMA).
Gemäß noch anderen erfindungsgemäßen Aspekten können die fliegenden Fortbewegungsmittel unbemannt oder bemannt sein.
Wie es aus der vorab stehenden Zusammenfassung verständlich ist, stellt die Erfindung ein neues und verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Breitbandkommunikation zwischen einem Aggregat von mobilen Einheiten durch dynamisch gesteuerte fliegende Fortbewegungsmittel bereit. Wegen der vorab erwähnten Vorteile der Mehrzahl von fliegenden Fortbewegungsmitteln zum Bereitstellen einer drahtlosen Breitbandkommunikation zu mobilen Einheiten, werden die Nachteile von Satellitensystemen vermieden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorab beschriebenen Aspekte und viele damit verbundene Vorteile dieser Erfindung sind leichter verständlich, wenn es mit Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung und im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden wird, wobei gilt:
1 ist eine schematische Darstellung, welche verschiedene Komponenten des erfindungsgemäßen fliegenden Breitbandkommunikationsnetzes und welche mit diesem verbindbar sind, darstellt;
2 ist eine schematische Darstellung, welche die wichtigsten der in 1 dargestellten Komponenten darstellt;
3 ist eine schematische Darstellung, welche weiter die Komponenten der 2 darstellt, welche in einer speziellen Umgebung angewendet werden;
4 ist ein Blockdiagramm, welches die internen Komponenten der Hauptbasiskommunikationskomponenten der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ist eine schematische Darstellung, welche den erfindungsgemäßen Kommunikationszielvorgang darstellt;
6 ist ein Blockdiagramm, welches die Komponenten eines Antennensystems mit phasengesteuertem Feld darstellt, welches mit der vorliegenden Erfindung betriebsfähig ist;
7 und 8 sind Graphen, welche Antennenüberdeckungsbereiche in Abhängigkeit der Höhe darstellen;
9 ist ein Flussdiagramm von verschiedenen Verfahren zum Aufbau einer Kommunikation zwischen mobilen Einheiten und fliegenden Fortbewegungsmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung;
10 und 11 sind Punktbündel-Antennen-Überdeckungsdiagramme, welche erfindungsgemäße Verfahren zum Aufrechterhalten einer Kommunikation darstellen;
12 ist ein Flussdiagramm, welches verschiedene Zustände einer mobilen Einheit gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
13 ist ein Blockdiagramm, welches ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Frequenzwiederverwendungsschema darstellt.
14 und 15 sind Blockdiagramme, welche ein Beispiel für Vielfachzugriffsschemata, welche erfindungsgemäß verwendet werden, darstellen.
16 ist ein Blockdiagramm, welches die Vermittlungskomponente in den fliegenden Fortbewegungsmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
17–19 sind Flussdiagramme, welche verschiedene erfindungsgemäße Netzverwaltungsfunktionalitäten darstellen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Wie es durch die folgende Beschreibung besser verstanden werden wird, ist die vorliegende Erfindung auf ein fliegendes Kommunikationssystem ausgerichtet, um eine Breitband-, Mehrbenutzerkommunikation in einem Netz bereitzustellen. Breitbandkommunikation sorgt für eine effiziente Kommunikation von Sprache, Video und Daten.
Mit Bezug auf 1 verwendet ein erfindungsgemäßes System 100 eingesetzte Gruppen von fliegenden Fortbewegungsmitteln (AV) 106, um einen Transitbreitbandkommunikationsdienst zwischen mobilen und nicht mobilen Einheiten in Überdeckungsbe reichen oder Zellen 109, und fliegenden Stationen, wie z. B. einem Flugzeug 112, Satelliten 114 oder anderen AVs 106 bereitzustellen. Jedes AV 106 ist drahtlos mit einem oder mehreren Nachbar-AVs verbunden, wobei eine fliegende untereinander vernetzte Maschen-("Konstellation") 108 zum Routen von Kommunikationsverkehr zwischen mobilen und nicht mobilen Kunden, Stationen oder Einheiten ausgebildet wird. Die Konstellation 108 weist ein oder mehrere AVs 106 auf, welche eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit einem Satelliten oder einer terrestrischen Basisstation mit hoher Kapazität für eine Kommunikationsverbindung außerhalb des Überdeckungsbereichs 120 des Konstellationsverbunds aufrechterhält, wie es in 2 dargestellt ist. Unbemannte AVs werden wegen ihrer relativ geringen Betriebskosten und verlängerten Betriebszeit bevorzugt. Zur Klarstellung werden die fliegenden Transitfortbewegungsmittel jedoch als AVs bezeichnet. Die vorliegende Erfindung stellt eine schnelle und effektive Kommunikationsplattform mit minimalen Wartungs- und geringen Betriebskosten in entfernten Bereichen und Bereichen mit dichter Bevölkerung zur Verfügung. Die folgende Beschreibung beschreibt das System mit den AV-Komponenten und der Kommunikationssteuerung zwischen den Komponenten im Detail.
AV-Überdeckungsbereich – AV-feste Zellen
Mit Bezug auf 1 und 2 fliegen die AVs 106 vorzugsweise über Wetter- oder kommerziellem Transportverkehr, während sie Sichtlinien(LOS)-Strahlenübertragungswege zu mobilen Einheiten 122 (2) oder stationären terrestrischen Stationen, wie z. B. einem Betriebsteuerungszentrum (OCC) 105 (1) oder einer Netzübergangstation 110, über einen weiten geo grafischen Überdeckungsbereich 120 (2) zur Verfügung stellen. Wie in 3 dargestellt ist, können die mobilen Einheiten 122 Panzer, Helikopter, andere militärische Einheiten oder Einheiten für kommerzielle Anwendungen, wie z. B. medizinische Unterstützungseinheiten oder mobile Zellenbenutzer sein. Anfangs klettert jedes AV 106 auf eine Betriebshöhe und verbleibt an dieser Stelle, bis ein Ersatz kommt, worauf es Kommunikationsverantwortungen auf den Ersatz überträgt und zum Auftanken und zu Wartungsroutinearbeiten absteigt. Unbemannte AVs 106 können für einen oder mehrere Tage auf Höhen von ungefähr 60.000 Fuß an einer Stelle verbleiben. Bei der bevorzugten Ausführungsform verbleibt ein AV 106 über einem festen geografischen Bereich (im Folgenden Zelle genannt) 109 und bedient diese Zelle, während er auf einer konstanten Höhe entlang einer festen geschlossenen Bahn fliegt. Dies schließt eine AV-Bewegung, um die Situation zu berücksichtigen, wenn das Aggregat von mobilen Kunden sich in eine gemeinsame Richtung bewegt, nicht aus. Die Zelle 109 eines einzelnen AV 106 ist deshalb typischerweise erdfest, aber kann auch in jeder Richtung, wenn es durch die OCC 105 angewiesen wird, versetzt werden. Eine Zellengröße und AV-Überdeckungsfähigkeiten werden im Folgenden mit Bezug auf 8 im Detail beschrieben. Auch die gesamte Konstellation 108 kann angewiesen werden, die Position zu verschiedenen Zeiten zu verschieben, um eine Beeinflussung, wie z. B. die Beeinflussung von der Sonne, zu verhindern.
Drahtlose AV-Verbindungen
Die durch die AVs aufrechterhaltenen drahtlosen Verbindungen fallen in zwei Klassen: (1) kontinuierliche Punkt-zu-Punkt- Strahlen oder "starre" Funkfrequenz(RF)-Strahlen, im Folgenden starre Strahlen genannt; und (2) RF-Strahlen mit Unterbrechungen oder "springende" RF-Strahlen, im Folgenden Sprungstrahlen genannt. Die starren Strahlen werden für drahtlose Verbindungen mit hoher Kapazität verwendet, welche für eine relativ lange Zeit aufrechterhalten werden, z. B. Verbindungen zwischen AVs, Verbindungen von einem AV zum OCC, Verbindungen von einem AV zu einem Netzübergang oder Verbindungen von einem AV zu einem Satelliten. Wegen der mobilen Natur der AVs 106 bedeutet "starr" nicht, dass der Strahl bezüglich des lokalen Referenzrahmens des AV 106 stationär ist und tatsächlich kontinuierlich gelenkt werden muss, um eine gegebene Verbindung aufrecht zu erhalten. Die Sprungstrahlen werden zum Zugang einer Gruppe von mobilen Einheiten in der Zelle 109 verwendet, welche durch ein bestimmtes AV 106 bedient wird, wobei ein einzelner RF-Strahl mit hoher Verstärkung verwendet wird. Starre Strahlen und Sprungstrahlen werden im Folgenden mit mehr Details beschrieben. AVs übertragen und empfangen Daten, wobei sie starre Strahlen verwendet, wobei Breitband- oder Richtstrahlantennen verwendet werden, wie z. B. Antennen mit einem phasengesteuerten Feld (PAA). Eine PAA, welche für Sprungstrahlen verwendet wird, stellt eine Breitbanddatenverbindung mit hoher Geschwindigkeit bereit, welche auf mobile Einheiten gezielt ist. Ein Betrieb einer PAA wird mit Bezug auf 4–6 im Folgenden mit mehr Details beschrieben.
Wie in 4 dargestellt ist, können AVs 106 eine Antenne 132 für einen Sprungstrahl, Sende(TX)- und Empfangens(RX)-Richtstrahlantennen 134 und 136 zur Sprungstrahlkommunikation, eine Positionsbestimmungsvorrichtung 138, eine Höhenbe stimmungsvorrichtung 140 und eine Zentralprozessoreinheit (CPU) 130, welche mit den Komponenten des AV gekoppelt ist, aufweisen. Das AV 106 kann auch eine Funkfeuerantenne 142, welche mit der CPU 130 gekoppelt ist, aufweisen. Die Positionsbestimmungsvorrichtung 138 erzeugt eine geografische Referenzpositionsinformation, welche die Höhe einschließt. Die Positionsbestimmungsvorrichtung 138 weist einen Empfänger zum Empfangen einer Positionsinformation von einem Satelliten auf, welcher auf dem globalen Positionierungssystem (GPS) basiert, und erzeugt gemäß der empfangenen Positionsinformation Information über die Höhe, Position und Geschwindigkeit über Grund des AV. Die Höhenbestimmungsvorrichtung 140 stellt eine Höhenreferenzinformation für das AV 106 bereit. Die CPU 130 verarbeitet die durch die Höhenbestimmungsvorrichtung 140 und Positionsbestimmungsvorrichtung 138 erzeugte Information und erzeugt Lenkungssteuerungssignale für die reservierten Antennen für den starren Strahl und Sprungstrahl.
Die Antenne 132 für den starren Strahl kann eine optische Strahlantenne oder eine RF-Strahlantenne sein. Eine optische Strahlantenne im freien Weltraum verwendet Laser, um eine Kommunikation ähnlich einer terrestrischen Breitbandtelekommunikation über Lichtwellenleiter bereitzustellen. Da die AVs vorzugsweise auf Höhen oberhalb des Wetters arbeiten, ist die Dämpfung der optischen Strahlen und RF-Strahlen zwischen AVs oder zwischen einem AV und einem Satelliten dramatisch verbessert, wodurch Wellenlängen möglich sind, welche bei geringeren Höhen nicht praktikabel wären. Ein Auslenken der optischen Strahlantennen wird mittels elektrisch gelenkten Spiegeln bewerkstelligt, um die optischen Strahlen umzulenken. RF-Strahlantennen können entweder mechanisch auslenkbare An tennen oder elektronisch ausgelenkte Richtstrahlantennen, wie z. B. PAAs sein. Sendeantennen für einen starren Strahl folgen der Strahlrichtung der Empfangsantenne für einen starren Strahl für vollduplex Verbindungen. Die Sende- und Empfangsantennen für einen starren Strahl der AVs können auf dasselbe Ziel weisen, wodurch eine Plattform für eine Zweiwegkommunikation bereitgestellt ist. Damit sich ein Strahl zwischen AVs von einem Paar AVs nicht mit dem anderer beeinflusst, sind die RF-Strahlen durch ein Vielfachzugriffskommunikationsprotokoll, z. B. einer Codemultiplex-Vielfachzugriffs-(CDMA) oder einer Frequenzvielfachzugriffs-(FDMA)-Technik, welche für ein AV einzigartig ist, isoliert.
Damit die Mittelachsen der Empfangs- und Sendeantennen für starre Strahlen anfangs zu dem vorgesehenen Ziel ausgerichtet sind, muss der Zielort bestimmt sein. Beispiele für Ziele für die starren Strahlen eines AV sind ein benachbartes AV für den Fall von Querverbindungen zwischen AVs, eine Bodennetzübergangsstation 110, ein Satellit 114 oder ein fliegendes Kommandoflugzeug 112 (1). Es gibt zwei mögliche Verfahren, um eine Zielpositionsinformation zu erhalten. Bei dem ersten Verfahren werden die AVs mit der Zielpositionsinformation gestartet, um die Verbindungen aufzubauen, wenn das AV einmal auf Station ist. Bei diesem Verfahren ist implizit enthalten, dass die Antennenstrahlen breit genug ausgebildet sind, um die Verbindung sogar auch dann aufzubauen, wenn sich das Ziel etwas neben der dem zielenden AV bekannten Position befindet. Wenn die Verbindungen einmal aufgebaut sind, wird die Verbindung durch das OCC 105 verwaltet und kann dynamisch geändert werden, um sich auf Anrufverkehrsmuster oder einen Gerätefehler einzustellen. Eine OCC 105-Verbindung zu einem oder mehreren ausgewählten AVs 106 versieht die AV-Masche oder Konstellation 108 mit von dem OCC erzeugten Positions- und anderen Steuerungsinformationen.
Das zweite Verfahren, um eine anfängliche Strahllenkinformation bereitzustellen, ist eine Satellitenverbindung, zwischen dem OCC 105 und der AV-Masche 108. Das AV wird mit dem gespeicherten Ort des Satelliten 114, welcher für die OCC-Verbindung sorgt, gestartet. Wenn es einmal auf Station ist, berichtet das AV dem OCC über den Satelliten und empfängt die Zielpositionsinformation zum Aufbau jeglicher Starrstrahlverbindungen. Ein gemeinsam benutzter Steuerungskanal, wie z. B. ein Aloha-Protokollkanal oder ein ähnlicher Träger empfindlicher Vielfachzugriffsprotokollkanal, ermöglicht den AVs, das Auslenken von Strahlen zu koordinieren, indem eine Positionsinformation zu dem OCC zurück übertragen wird.
Wenn die starren Strahlen einmal geeignet ausgerichtet sind, müssen die AVs ein Nachführen der starren Strahlen aufrechterhalten und das Ausrichten des Antennenstrahls für eine optimale Signalqualität optimieren. Zwei Verfahren halten das Nachführen aufrecht, das aktive und das passive Zielnachführen. Beim aktiven Zielnachführen, wird die Zielpositionsinformation, welche durch die Positionsbestimmungsvorrichtung bestimmt wird, durch das Ziel gesendet, welches die Verbindung mit starrem Strahl zu dem AV verwendet, wobei die Verbindung aufrechterhalten wird. Wenn das AV die Positionsinformation des vorgesehenen Ziels empfängt, berechnet das AV den Vektor zum Ausrichten des Empfangs- und Sendeantennenpaares, welches diesem Ziel zugeordnet ist.
Ein passives Zielnachführen führt eine schnelle sequenzielle Suche des Empfangsantennenstrahles um die zuletzt bekannte Position des Ziels aus, um das Ziel in der Mittelachse der Antenne zu halten. Wiederum folgt die Mittelachse der Sendeantenne der Empfangsantenne, da das Ziel für beide gleich ist. Diese standardisierte Nachführtechnik ermöglicht dem AV und dem Ziel, zu manövrieren während die starren Strahlen auf dem Ziel gehalten werden. Bevorzugte passive Zielnachführtechniken, welche mit einer Richtstrahlantenne einsetzbar sind, werden mit Bezug auf 10 und 11 mit mehr Details im Folgenden beschrieben.
Optische oder RF-Strahlantennen können auch eine Sprungstrahlkommunikation bereitstellen. RF-Strahlen werden wegen der Komplexität einer Auslenkung eines optischen Strahles bei geringeren Höhen bevorzugt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden RF-Strahlen durch elektronisch steuerbare PAAs mit hoher Verstärkung erzeugt. Wie z. B. in 5 dargestellt ist, wird ein eng abgegrenzter RF-Strahl oder ein Punktbündel 156 auf ein vordefiniertes Ziel 157 gelenkt, verweilt auf diesem Ziel für eine vordefinierte kurze Zeitperiode und wird dann rasch gelenkt (springt) auf das nächste vordefinierte Ziel 158. Ein Ziel ist eine mobile Einheit, welche Kommunikation mit dem AV 106 erfordert, welches die Zelle 120, in welcher sich die mobile Einheit befindet, bedient. Die Sprungstrahl-PAAs sorgen für eine Übertragung mit einer hohen Datenrate, einer geringen Interferenz mit Nachbarkanälen und einer besseren Sicherheit, weil ein Punktbündel 156 einer PAA auf ein bestimmtes Ziel gerichtet werden kann. Außerdem benötigen die PAAs eine relativ geringe Leistung. Es folgt eine Beschreibung der PAAs der AV, welche durch die AVs zur Sprungstrahlkommunikation eingesetzt werden.
Mit Bezug auf 4 sind Sende- und Empfangs-PAAs 134 und 136 auf jedem AV 106 angebracht, um für eine Sprungstrahlkommunikation mit mobilen Einheiten 122 zu sorgen. Die PAAs sorgen für reservierte Verbindungen mit einer hohen Datenrate zur Datenübertragung und sind durch eine Phasensteuerung zum Zielen auf eine mobile Einheit elektronisch gelenkt. Wie in 6 dargestellt ist, besitzt jede PAA ein Feld 159 von Elementen 161, wobei jedes Element ein Modul 160 aufweist. Jedes Modul 160 besitzt ein doppelt gepuffertes Schieberegister 162, ein Latch 166, eine Phasensteuerung 168 und ein Verknüpfungsglied 170. Der erste Puffer des doppelt gepufferten Schieberegisters 162 empfängt seriell die Lenkungs- (Phasen-) Steuerinformation (Daten) zum Zielerfassen einer ersten mobilen Einheit von der CPU 130 entsprechend eines Taktsignals von einem AV-Systemtakt oder einem CPU-Takt. Schieberegister für alle Module in einer bestimmten Reihe werden simultan getaktet. Während die PAA auf die erste mobile Einheit zielt, wird die Lenksteuerinformation für die nächste mobile Einheit in den zweiten Puffer des doppelt gepufferten Schieberegisters 162 geladen. Die Phasensteuerdaten weisen ein Vier-Bitphasenwort, das den Phasendifferenzwinkel für das bestimmte Element anzeigt, und ein Bit auf, das die Polarisation des Strahles anzeigt. Ein Takt mit einer geringen Geschwindigkeit von 3 MHz benötigt ungefähr 25 μs, um seriell Schieberegister für eine PAA mit 256 Elementen (16 mal 16) zu aktualisieren.
Die Zeit, welche erforderlich ist, um den RF-Strahl zu bewegen, wird hauptsächlich durch die Zeit bestimmt, welche ver streicht, um seriell Schieberegister in den Modulen der Elemente der PAA zu laden. Dies kann für Anordnungen, welche weniger als ein paar tausend Elemente umfassen, in der Größenordnung von 10^–5 Sekunden bewerkstelligt werden. Wenn die Schieberegister einmal geladen sind, läuft das tatsächliche Verfahren der Umgestaltung des Strahls auf den neuen Ort in einer Größe von 10^–7 Sekunden oder weniger ab. Deshalb ist die Zeit, welche verstreicht, damit der Strahl zwischen mobilen Einheiten springt, durch die Ladezeit für die Schieberegister begrenzt. Da jedoch das Datenprotokollschema, vorzugsweise Zeitvielfachzugriff (TDMA), auf einem bestimmten Ort zwischen Sprüngen in einer zyklischen Weise verweilt, stellt eine doppelte Pufferung der Schieberegister eine ausreichende Konfiguration für die nächste Sprungphase während der Verweilzeit bei dem vorherigen angesprungenen Ort bereit. Somit ist der Overhead für ein Springen des Strahls wesentlich verringert, was einen Anstieg der Zahl von bedienten mobilen Einheiten ermöglicht. Ein schnelles Auslenken der Antennenmittelachse über große Winkel ist nicht praktikabel, wenn herkömmliche Strahlen-, Trichterantennen oder irgendwelche mechanisch ausgelenkte Antennen verwendet werden, weil mechanische Stellvorrichtungen nicht mit den vorab beschriebenen Geschwindigkeiten arbeiten können.
Ein Adressieren der mobilen Einheiten wird zufällig durchgeführt, im Gegensatz zu anderen eingeschränkteren Techniken, wie z. B. einer Rastersuche. Dies schließt die Möglichkeit eines Adressierens der mobilen Einheiten in einer gleichmäßigen Reihenfolge nicht aus, aber die bevorzugte Ausführungsform ermöglicht eine beliebige zeitliche und örtliche Anschlussansteuerung. Ein zufälliges Suchen der mobilen Einhei ten maximiert die Effizienz der Bandbreite des Sprungstrahls, weil der Strahl niemals an einem Ort ohne eine mobile Einheit verweilt.
7 ist eine Darstellung, welche ein PAA-Punktbündel oder ein Sichtfeldradius in Fuß (horizontale Achse 174) in Abhängigkeit von der PAA-Höhe in Fuß (vertikale Achse 175) und der Anzahl von Elementen in der PAA darstellt. Die Linien 178, 182 und 186 repräsentieren das Gebiet eines Sichtradius eines auf –3 dB abnehmenden Kreisbogens und die Linien 176, 180 und 184 repräsentieren das Gebiet eines Sichtradius eines auf –1 dB abnehmenden Kreisbogens entsprechend einer PAA mit 256 Elementen, 64 Elementen bzw. 16 Elementen. Der Abstand zwischen einem auf -1 dB und einem auf –3 dB abnehmenden Kreisbogen des Sichtgebiets hängt direkt von der Anzahl von Elementen in der PAA ab. Es ist gut bekannt, dass eine PAA mit gerade ein paar Elementen einen größeren Kegelwinkel des Sichtgebiets aufweist als eine PAA mit vielen Elementen. Mehr Elemente fokussieren den Antennenstrahl. Zum Beispiel weist eine PAA mit 256 Elementen in einer Höhe von 60.000 Fuß einen –1 dB-Kreisbogenradius von ungefähr 1800 Fuß und einen –3 dB-Kreisbogenradius von ungefähr 3000 Fuß auf. Deshalb hat eine mobile Einheit, welche sich mit 100 Fuß/s auf einem abgehenden Kurs auf einer radialen Linie eines Punktbündels bewegt, eine Entfernung von 1200 Fuß zwischen dem –1 dB- und dem –3 dB-Kreisbogen, um ein neues AV zu finden oder ihre Positionsinformation bei ihrer momentanen AV zu aktualisieren, bevor sie die äußere Grenze, den –3 dB-Kreisbogen, erreicht. 1200 Fuß entsprechen 12 s für die mobile Einheit, welche sich mit 100 Fuß/s bewegt. Bei einer PAA mit 64 Elementen beträgt der Abstand zwischen den Kreisbögen ungefähr 2800 Fuß bei 60.000 Fuß Höhe. Die –1 dB- und –3 dB-Kreisbögen sind die untere und obere Grenze für die mobile Einheit, um Aktualisierungen der Position bzw. ein Übergeben zwischen AVs durchzuführen.
8 stellt eine PAR-Zellengröße oder ein PAR-Gebiet eines Betrachtungsdurchmessers in Meilen (horizontale Achse 188) in Abhängigkeit von der Höhe der PAA (vertikal Achse 189) und einem vordefinierten Winkelbereich eines abwärts gerichteten Sichtkegels von der PAA dar. Eine Linie der Sichtlinie 190 repräsentiert ein Betrachtungsfeld einer PAA mit einem Winkelbereich, welcher den Horizont überdeckt, wobei ein abwärts gerichteter Sichtwinkel eines Betrachtungsfeldes einer PAA typischerweise 120° beträgt. Ein abwärts gerichteter Sichtkegelwinkel von 120° ist günstig, weil die Antennenleistung bei größeren Suchwinkeln abnimmt. Das Betrachtungsfeld entspricht der Zelle 109 (2). Das Betrachtungsfeld einer PAA eines AV hängt von einer Höhe des AV und einem abwärts gerichteten Sichtwinkel ab. Wenn, zum Beispiel, das Betrachtungsfeld 20 bzw. 40 Meilen groß ist, ist die Höhe des AV 30.000 bzw. 60.000 Fuß bei einem abwärts gerichteten Sichtkegel von 120°.
Um eine Kommunikationsverbindung zwischen einem AV 106 und einer mobilen Einheit 122 aufzubauen, muss das AV zuerst den Ort der mobilen Einheit 122 bestimmen und dann ihre Bewegung nachführen, wie auch die Bewegung des AV selbst kompensieren. Wie bei den starren Strahlen wird eine Kompensierung der Bewegung des AV ermöglicht, indem eine CPU die Höheninformation, welche durch den Höhenbestimmungsmechanismus 140 erzeugt wird, verarbeitet. Eine Erfassung des Orts der mobilen Einheit wird durch einen allseitig gerichteten Außenbandanweisungsverbindungskanal bewerkstelligt, wobei eine von zwei möglichen Techniken verwendet wird. Der allseits gerichtete Außenbandanweisungsverbindungskanal ist ein nach allen Richtungen mit geringer Datenrate arbeitender sicherer Kanal. Bei der ersten Technik (Funkfeuer-AV), welche in 9 dargestellt ist, sucht das AV periodisch nach neuen mobilen Einheiten für eine Registrierung mit dem AV, bei Block 200. Bei einer Anwendung dieses Verfahrens führt eine mobile Einheit, welche zu kommunizieren wünscht, eine hemisphärische LOS-Suche durch, wobei das stärkste Funkfeuersignal eines AV gesucht wird, bei Block 202. Eine in dem Funkfeuersignal codierte Information enthält eine periodische TDMA-Rahmenstartmarkierung und eine Positionsinformation des AV, so dass sich die mobile Einheit mit dem TDMA-Rahmen synchronisieren kann, bei Block 204. Nachdem ein LOS-Abstand bestimmt ist, stellt die mobile Einheit ihren Übertragungstaktversatz für eine geeignete Verzögerungszeit ein. Die mobile Einheit vergleicht die Position des AV mit ihrer eigenen Position, um den LOS-Abstand dazwischen zu bestimmen. Nach einem Auffinden eines AV richtet die mobile Einheit sowohl eine Strahlungsmittelachse ihrer Empfangsantenne als auch ihre Sendeantenne auf das AV aus und informiert das AV (und dabei das Netz) von ihrer Anwesenheit, wobei der allseitig gerichtete Außenbandanweisungsverbindungskanal, welcher durch das AV geschützt ist, verwendet wird, bei Block 206. Das AV meldet die mobile Einheit dann bei einem zugeordneten Netz an, bei Block 208. Die Netzanmeldung wird im Folgenden mit mehr Details mit Bezug auf 17 beschrieben. Eine allseitig gerichtete oder Funkfeuer-Antenne 142 oder die PAA 133 kann den allseitig gerichteten Außenbandanweisungsverbindungskanal erzeugen.
Bei der zweiten Technik (mobiles Funkfeuer) befeuert die mobile Einheit ein AV 106 für eine Anmeldung mit dem Netz, wobei der allseitig gerichtete Außenbandanweisungsverbindungskanal verwendet wird, bei Block 210. Das AV 106 überwacht den Anweisungsverbindungskanal mit der allseitig gerichteten Antenne oder Funkfeuerantenne 142 oder PAA 133, bei Block 212. Nach einer Erfassung eines Funkfeuers einer mobilen Einheit antwortet das AV auf demselben allseitig gerichteten Kanal mit einer Positionsinformation und mit einer TDMA-Rahmenzeitinformation, bei Block 214, wobei danach die Abfolge den Blöcken 206 und 208 der ersten Technik folgt.
Ein Nachführen einer mobilen Einheit 122 durch das AV 106 beginnt, nachdem die mobile Einheit 122 zunächst ihre Position bei dem AV registriert hat und sie gleichmäßig durch die Sprungstrahlen des AV adressiert wird. Wie bei den starren Strahlen kann ein Nachführen der mobilen Einheit durch Sprungstrahlen aktiv oder passiv sein, wie es vorab beschrieben ist. Wie in 10 dargestellt ist, wird ein passives Nachführen bewerkstelligt, indem das Empfangspunktbündel des AV sequentiell jedes Mal, wenn es in dem TDMA-Zyklus adressiert ist, um die echte Position der mobilen Einheit herum schreitet. Das AV bestimmt eine ungefähre Position der mobilen Einheit, indem die Signalstärke der mobilen Einheit nach jedem Schritt eines Empfangspunktbündels analysiert wird. Die Signalstärke wird relativ zu den –1 dB- und –3 dB-Kreisbögen der Punktbündel bestimmt. Wenn sich eine tatsächliche Position der mobilen Einheit bei einer Position 221 befindet, zeigt eine Position 1 220 an, dass sich die mobile Einheit außerhalb ihres –1 dB-Kreisbogens und innerhalb ihres –3 dB-Kreisbogens befindet, wobei eine Position 2 222 anzeigt, dass sich die mobile Einheit innerhalb ihres –1 dB-Kreisbogens befindet, und wobei Positionen 3 224 und 4 226 anscheinend dasselbe wie Position 1 220 anzeigen. Deshalb kann das System ungefähr bestimmen, wo sich die mobile Einheit befindet und kann sich entsprechend einstellen.
Ein aktives Nachführen hängt von der mobilen Einheit ab, welche ihren Ort zu dem AV kommuniziert, wann immer sich ihre Position ausreichend verändert hat, damit sich die Kommunikationsverbindung um ein vorgewähltes Ausmaß verschlechtert. Wenn zum Beispiel eine mobile Einheit, wie es in 11 dargestellt ist, eine –1 dB-Abnahme bei einer Empfangsstärke erfasst, wie es bei ihrem Ort 232 auf dem –1 dB-Kreisbogen 228 angezeigt ist, kommuniziert die mobile Einheit ihren Ort zu ihrem AV.
Drahtlose Verbindungen der mobilen Einheit
Wie in 4 dargestellt ist, weist die mobile Einheit mindestens eine starre Strahlantenne 144, eine CPU 152, einen Höhenbestimmungsmechanismus 148 und einen Positionsbestimmungsmechanismus 150 auf. Eine Arbeitsweise des Positionsbestimmungsmechanismus 150, des Höhenbestimmungsmechanismus 148, der CPU 152 und der starren Strahlantenne 144 ist ähnlich zu derjenigen, welche in dem AV ausgeführt wird. Die mobile Einheit 122 kann auch eine Funkfeuerantenne 146 aufweisen.
Die mobile Einheit 122 hält nur starre Strahlen aufrecht, welche weiterhin in allseitig gerichtete und hoch verstärkt ausgerichtete Strahlen unterteilt sind. Die hoch verstärkt ausgerichteten Strahlen sind für einen Inband-Breitband-Rufverkehr über die drahtlose LOS-Verbindung zwischen der mobilen Einheit 122 und dem bedienenden AV 106. Die allseitig gerichtete Verbindung wird für eine mobile Befeuerung verwendet.
Wenn sich die mobile Einheit einmal den Ort des AV angeeignet hat, wie es vorab mit 9 beschrieben ist, werden die Mittelachsen ihrer starren Strahlantennen 144 auf das AV ausgerichtet. Richtstrahlantennen werden bei dieser Ausführungsform bevorzugt. Es ist klar, dass die ausgerichteten Antennenstrahlen winklig bereit genug sind, um die Verbindung mit dem AV-Ziel aufzubauen, auch wenn sich das Ziel leicht versetzt zu seiner letzten bekannten Position befindet. Wenn die anfängliche Strahlenausrichtung bewerkstelligt ist, besteht normalerweise kein Bedarf für eine weitere Ausrichtung der Antenne der mobilen Einheit, außer wenn es aufgrund von Änderungen in der Position und Höhe der mobilen Einheit erforderlich ist. Die Richtstrahlantenne der mobilen Einheit ist vorzugsweise eine PAA, welche genaue und schnelle Anpassungen auf Veränderungen der Position und Höhe der mobilen Einheit ermöglicht. Anpassungen werden entsprechend der von dem Positionsbestimmungsmechanismus bestimmten Positionsinformation und der von dem Höhenbestimmungsmechanismus bestimmten Höhenreferenzinformation bewerkstelligt. Wie im AV empfängt ein Empfänger eine Positionsinformation von einem auf GPS basierenden Satelliten.
Wie in 12 dargestellt ist, weist jede mobile Einheit vier verschiedene Kommunikationszustände auf. Jeder Zustand wird angenommen, nachdem die mobile Einheit sich bei einem AV angemeldet hat. Bei dem ersten Zustand der mobilen Einheit bewegt sich die mobile Einheit nicht und kommuniziert nicht, siehe Entscheidungsblöcke 240 und 242. Bei dem ersten Zustand bei Block 246 resynchronisiert sich die mobile Einheit periodisch mit dem Kommunikationszyklus des AV, wobei der allseitig gerichtete Außenbandanweisungsverbindungskanal verwendet wird. Die mobile Einheit, welche kommuniziert, aber sich nicht bewegt, ist der zweite Zustand, siehe Entscheidungsblöcke 240 und 242. In dem zweiten Zustand führt die mobile Einheit regelmäßige Übertragungsfunktionen über die Inbandkanäle von der Richtstrahlantenne durch, bei Block 248. Den dritten Zustand weist die mobile Einheit, welche sich bewegt, aber nicht kommuniziert, auf, siehe Entscheidungsblöcke 240 und 250. In dem dritten Zustand überträgt die mobile Einheit ein Signal eines neuen Ortes zu dem AV, wobei die Außenbandsignalisierung verwendet wird, wenn sich die mobile Einheit um mehr als einen ersten vordefinierten Abstandsschwellenwert von ihrem zuletzt gemeldeten Ort weg bewegt, bei Block 252. Der erste Abstandsschwellenwert ist eine Funktion der Leistung der empfangenen Außenbandsignale von dem AV und der Geschwindigkeit der mobilen Einheit. Den letzten Kommunikationszustand der mobilen Einheit weist die mobile Einheit, welche sich bewegt und kommuniziert, auf, siehe Entscheidungsblöcke 240 und 250. In dem letzten Zustand überträgt die mobile Einheit ein Signal eines neuen Ortes zu dem AV, wobei die Inbandsignalisierung verwendet wird, wenn sich die mobile Einheit um mehr als einen vordefinierten Abstandsschwellenwert von ihrem zuletzt gemeldeten Ort weg bewegt, bei Block 254. Der zweite Abstandsschwellenwert ist eine Funktion der Leistung der empfangenen Inbandsignale von dem AV und der Geschwindigkeit der mobilen Einheit.
Frequenzverwaltung
Eine Wiederverwendung eines Funkspektrums begrenzt das gesamte Spektrum, welches erforderlich ist, um die Gruppe von AVs 106 zu betreiben. Es gibt verschiedene Verfahren, welche eingesetzt werden könnten, um eine Frequenzwiederverwendung zu erzielen, wie z. B. Frequenzvielfachzugriff (FDMA), Codemultiplex-Vielfachzugriff (CDMA), Zeitvielfachzugriff (TDMA), Raumvielfachzugriff (SDMA) oder eine Kombination von diesen. In allen Fällen verlässt sich die bevorzugte Ausführungsform auf eine Wiederverwendung von Frequenzen zwischen den Zellen 109 der AVs mit dem Ziel, das erforderliche Funkspektrum zu minimieren. Zum Beispiel benutzen bei einer Ausführungsform die AVs FDMA, wie in 13 dargestellt ist, um eine Beeinflussung zwischen nahen AVs zu verhindern, mit einem Wiederverwendungsfaktor von 1/N zwischen den AVs. N ist die Anzahl von verwendeten Frequenzen. 13 stellt den Fall für N = 4 dar. Die Verwaltung der Frequenzwiederverwendung wird systematisch und von Umgebungsanforderungen koordiniert, wie es durch das OCC 105 (1) bestimmt ist.
Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben:
Das AV und die mobilen Einheiten sind mit einer Sende- und einer Empfangs-PAA mit 64 Elementen ausgestattet. In diesem Beispiel gehen wir von der Verwendung des militärischen X-Band-DSCS-Frequenzbandes (7,25 bis 8,4 Ghz) für die drahtlosen Verbindungen aus. Aufwärtsstrecken ("Uplinks") sind Frequenzen zwischen 7,25 und 7,75 Ghz zugewiesen, während Ab wärtsstrecken ("Downlinks") Frequenzen zwischen 7,9 und 8,4 GHz zugewiesen sind. Es wird angenommen, dass das AV in einer Höhe von 60.000 Fuß mit einem Überdeckungsbereich von einem 120-Grad-Kegel unter dem AV fliegt. An den äußeren Kanten des Betrachtungsfeldes würde die Sende- und Empfangs-PAA-Antenne der mobilen Einheit einen minimalen Suchwinkel von 30 Grad außerhalb des lokalen Horizonts aufweisen, was ein vernünftiger Kompromiss zwischen der Reichweite und dem Erhebungswinkel, welcher erforderlich ist, um eine Sichtlinie aufrechtzuerhalten, darstellt. Die PAA mit 64 Elementen stellt ein TDMA-Schema mit einer Aggregat-Bandbreite von 155 Mbps mit einer Bitfehlerrate von 10^–9 bereit. Eine größere Aggregat-Bandbreite kann von einer Sende- und Empfangs-PAA mit einer größeren Anzahl von Elementen unterstützt werden. Bei diesem Beispiel versorgt ein einzelnes AV, welches einen TDMA verwendet, maximal ungefähr 100 Benutzer mit einem Minimum von 1,5 Mbps pro Benutzer pro Kanal. Höhere Bandbreiten können erzielt werden, indem einem Benutzer mehrere Kanäle zugeordnet werden. Umgekehrt könnte auch eine größere Anzahl von Benutzern aber ein geringeres Datenratenminimum gewählt werden. Im Folgenden ist die Verbindungszielvorgabenanalyse für das vorab diskutierte Beispiel dargestellt.
Anmerkung: (1) Aggregat-Bandbreite von 155 Mbps mit einer Bitfehlerrate von 10^–9; (2) Höhe des AV: 60.000 Fuß; (3) der Überdeckungsbereich ist der 120-Grad-Kegel unter dem AV; (4) es wird angenommen, dass die Sende- und Empfangs-Antenne einen minimalen Suchwinkel von 30 Grad außerhalb des lokalen Horizonts aufweisen.
Wie es für den Fachmann in dem Bereich der Datenkommunikation leicht verständlich ist, können verschiedene Modellierungsschemata verwendet werden, um für die notwendige Kommunikation durch die erfindungsgemäßen Richtstrahlantennen zu sorgen.
Multiplexschema für Sprungstrahlen
Eine Anzahl von Multiplexschemata und ihre Kombinationen können verwendet werden, um Kommunikationsdienste für mobile Einheiten innerhalb einer Zelle des AV bereitzustellen. Kommunikationsschemata, welche für eine vollduplex Breitbandverbindung zu mobilen Einheiten eingesetzt werden können, schließen TDMA, CDMA und FDMA ein. Diese Vielfachzugriffschemata können individuell verwendet werden oder eine Kombination von einem oder mehreren kann verwendet werden, wobei dies von der erwünschten Netzkapazität abhängt. Ein hoher Antennengewinn ist für eine drahtlose Verbindung mit einer hohen Datenrate und zum Aufrechterhalten der übertragenen Leistung innerhalb vernünftiger Grenzen erforderlich. Eine Minimierung der übertragenen Leistung verbessert die Sicherheit der Verbindung und ist wesentlich, um eine RF-Vorrichtungskomplexität zu verringern und der Leistungsflussdichte und den Nebenzipfeleinschränkungen zu entsprechen, welche auf Frequenzregulierungen und vordefinierten Systembe triebsvoraussetzungen beruhen. Das Punktbündel der PAA des AV ist im Vergleich zu dem Betrachtungsfeld der PAA relativ schmal. Deswegen muss die Mittelachse der PAA auf den gewünschten Ort ausgelenkt werden, um eine drahtlose Verbindung zwischen dem AV und der mobilen Einheit aufzubauen. Eine Richtstrahlantenne mit einem schmalen Sichtfeld ist für den TDMA-Ansatz sehr gut geeignet, um Kommunikationsdienste innerhalb einer Zelle des AV mobilen Einheiten bereitzustellen. Wie vorab beschrieben ist, kann eine Kombination von TDMA und anderen Multiplexschemata auch verwendet werden, um die Kapazität des Systems zu erweitern. Das Multiplexschema für die Sprungstrahlen wird beschrieben, wobei ein TDMA-Ansatz nur zum Zweck eines Beispiels verwendet wird.
Bei einer TDMA ist eine bestimmte Zeitperiode in Zeitschlitze oder Kanäle 262 unterteilt und in einen Zyklus 260 gruppiert, wie es in 14 dargestellt ist. Eine bestimmte Anzahl von Kanälen innerhalb des TDMA-Zyklus 260, welche Steuerkanäle genannt werden, ist durch das AV für Netzverwaltungsfunktionen, wie z. B. Signalisierung, Funkruf und Steuerung, reserviert. Die verbleibenden Kanäle in dem TDMA-Zyklus 260 werden Datenkanäle genannt und werden für Übertragungen von Nutzlastinformation zwischen den mobilen Einheiten verwendet. Die TDMA-Kanäle 262 werden weiter in Nutzlastinformation 266 und einen kleineren Schutz- und Zeitabschnitt 264 herunter gebrochen. Die Datenkanäle 262 können auch von den mobilen Einheiten und den Netzverwaltungsfunktionen des AV verwendet werden während eine Verbindung vorhanden ist. Eine Zuweisung und Freigabe dieser Datenkanäle für verschiedene Kommunikationsverfahren werden durch die dynamische Netzverwaltungsinformation in dem AV in Zusammenarbeit mit dem OCC verwaltet. Das AV hält auch den Zeitbezug für die Sende- und Empfangs-TDMA-Zyklen, welche periodisch wiederholt werden, aufrecht, was im Folgenden mit Bezug auf 15 beschrieben wird.
Indem die Steuerkanäle verwendet werden, wird den mobilen Einheiten, welche einen Verbindungsaufbau anfordern, ein Satz von einzigartigen Datenkanälen entsprechend der Netzverwaltungsinformation zugewiesen. Ein erfolgreicher Aufbau einer Verbindung zwischen mobilen Einheiten bedingt, dass das AV die zugewiesene Zahl von Sende- und Empfangskanälen zu den entsprechenden mobilen Einheiten kommuniziert. Wenn zum Beispiel, wie es in 15 dargestellt ist, ein TDMA-Zyklus 260a 100 Kanäle einschließt, überträgt eine mobile Einheit (mobile Einheit 1) auf Kanal 3 und eine zweite mobile Einheit (mobile Einheit 2) überträgt auf Kanal 99 des TDMA-Zyklus 260a. Δt₁ und Δt₂ sind die Übertragungsverzögerungen zwischen den mobilen Einheiten 1 bzw. 2 und dem AV. Den mobilen Einheiten ist erlaubt, nur während der zugewiesenen Sendekanalperioden zu senden. Jedoch können die mobilen Einheiten Daten zu jeder Zeit empfangen. Es gibt keine Anforderung für den Empfänger der mobilen Einheit mit der Kanalgrenze des Sende-TDMA-Zyklus des AV synchronisiert zu werden. Eine Zeit für eine Datensendung und ein Datenempfang an Bord des AV ist jedoch entsprechend der Kanalgrenzen des Sende- und Empfangs-TDMA-Zyklus festgelegt, d. h. ein Datum wird auf einer vordefinierten TDMA-Kanalgrenze übertragen und empfangen. Es ist erforderlich, dass eine Übertragung und ein Empfang von Daten an Bord des AV auf einer Kanalgrenze auftritt, weil sowohl die Sende- als auch die Empfangs-Sprungstrahlantenne auf geografisch getrennte mobile Einheiten, welche Daten während ei ner bestimmten Kanalperiode senden und empfangen, ausgelenkt sind. Andererseits sind die Sende- und Empfangsantenne bei den mobilen Einheiten normalerweise auf das AV ausgerichtet. Wenn die mobile Einheit einmal die Erfassung der Position des AV beendet hat und ein Nachführen startet, besteht deshalb keine Erfordernis für die Antennenstrahlen der mobilen Einheit sich bezüglich des AV zu bewegen.
Wenn dagegen die Antennenstrahlen der mobilen Einheit verwendet werden, um anderen Kommunikationsdiensten zu dienen, wie z. B. einem Verfolgen einer Signalstärke von anderen benachbarten AVs, wenn nicht festgelegt ist, dass sie mit der AV kommunizieren, müssten sowohl das Senden als auch der Empfang von Daten von und zu der mobilen Einheit auf ihrer Kanalgrenze des Sende- und Empfangs-TDMA-Zyklus ähnlich wie bei dem AV festgelegt werden.
Die Sende- und Empfangs-TDMA-Zyklen des AV werden miteinander synchronisiert, wie es in 15 dargestellt ist. Die Zeitsteuerung für entsprechende Sende- und Empfangskanäle wird mit einem Nullzeit-Versatz innerhalb der Sende- und Empfangs-TDMA-Zyklen koordiniert. Deshalb bezieht sich die Zeitsteuerung für die Sende- und Empfangs-TDMA-Zyklen an Bord des AV auf einen einzigen TDMA-Zyklus des AV. Alle mobilen Einheiten in dem von dem AV bedienten Bereich werden mit der Zeitsteuerung des TDMA-Zyklus synchronisiert, welcher durch das AV aufgebaut ist. Die mobilen Einheiten, welche durch das AV bedient werden, synchronisieren sich periodisch mit dem Zyklus des AV, wobei entweder die Steuer- oder Datenkanäle verwendet werden. Die Zeitsteuerung des Sende-TDMA-Zyklus der mobilen Einheit ist relativ zu der Zeitsteuerung des TDMA-Zyklus des AV im Voraus, um den Zeitversatz auf Grund der Übertragungsverzögerung zwischen der mobilen Einheit und dem AV zu kompensieren, wie es durch die um Δt₁ im Voraus befindliche Übertragung der mobilen Einheit 1 in 15 dargestellt ist. Ein Vorgehen des Sende-Zyklus der mobilen Einheit stellt sicher, dass ihre Übertragung zu dem AV auf einem gegebenen Kanal genau auf der Kanalgrenze des TDMA-Zyklus empfangen wird. Wenn die Empfangsantenne auf der mobilen Einheit für andere Kommunikationszwecke verwendet wird, wird die Zeitsteuerung für die Empfangs-TDMA-Zyklen der mobilen Einheit in ähnlicher Weise relativ zu dem TDMA-Zyklus des AV verzögert, wie es durch die Zeit Δt₂, um welche der Empfangskanal 99 der mobilen Einheit 2 verzögert ist, dargestellt ist. Die vorwärts gerichtete und verzögerte Zeitsteuerung für die Sende- und Empfangs-TDMA-Zyklen der mobilen Einheit ist eine Funktion der geschätzten Einwege-Übertragungsverzögerung zwischen der mobilen Einheit und dem AV. Alle mobilen Einheiten und die AVs in der Kommunikationsinfrastruktur sind in der Lage, ihren Ort und ihren globalen Zeitbezug zu bestimmen. Ein Ansatz, um dies zu bewerkstelligen, ist, GPS-Signale zu empfangen und von diesen Signalen einen globalen Zeitbezug und eine Positionsinformation zu bestimmen. Eine Einwege-Übertragungsverzögerung zwischen der mobilen Einheit und dem AV wird von der Positionsinformation und dem Zeitbezug bestimmt. Obwohl das AV und die mobilen Einheiten Zugang zu ihrem Ort und ihrem globalen Zeitbezug haben, bleiben Zeitunsicherheiten und eine Sicherheitszeit ist in jedem Kanal erforderlich, um eine Übertragungsbeeinflussung zwischen benachbarten Kanälen zu verhindern. Diese Sicherheitszeit basiert auf einer durch GPS bestimmten Zeit und Position und ist eine Funktion des ungünstigsten Unsicherheitsbereichs zwischen der mobilen Einheit und dem AV und jeglichem Taktfehler des AV oder der mobilen Einheit.
Das vorab beschriebene System ermöglicht eine vollduplex Breitbandverbindung zwischen mobilen Einheiten. Das System ist auch in der Lage, eine Breitband-Multipunkt-zu-Multipunkt-Kommunikation zu oder zwischen einer Gruppe von mobilen Einheiten bereitzustellen. In diesem Fall überträgt eine mobile Einheit Daten auf den Kanälen, welche für die bestimmte Verbindung zugewiesen sind, zu dem AV. Das AV überträgt die von der mobilen Einheit empfangenen Daten auf einem ihm zugewiesenen Kanal, wobei eine Antenne mit einem breiten Strahlungsmuster verwendet wird. Eine Manipulation der individuellen Phasenregister einer PAA-Sprungstrahlantenne des AV oder einer herkömmlichen Antenne mit festem Muster des AV kann dieses breite Strahlungsmuster produzieren. Eine Übertragung von Daten, wobei ein breites Strahlungsmuster verwendet wird, ermöglicht allen mobilen Einheiten an der Multipunkt-zu-Multipunkt-Verbindung, welche durch das AV betrieben wird, teilzuhaben, um die übertragenen Daten zu empfangen. Deshalb verwendet die Datenübertragung des AV für eine Multipunkt-zu-Multipunkt-Verbindung ein breites Antennenstrahlungsmuster, während ein schmales Antennenstrahlungsmuster für eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung verwendet wird. Da der Sendeantennengewinn des AV für ein breites Strahlungsmuster kleiner als für ein schmales Strahlungsmuster ist, unterstützt eine Multipunkt-zu-Multipunkt-Verbindung eine geringere Signalisierungsrate im Vergleich zu einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung, wenn dieselbe gesendete effektive isotrop abgestrahlte Leistung vorausgesetzt wird. Als ein alternativer Ansatz kann eine herkömmliche allseitig gerichtete Antenne verwendet werden, um einen Schmalbandübertragungsdienst zu einer Gruppe von mobilen Einheiten bereitzustellen. Der alternative Ansatz kann verwendet werden, um Übertragungsinformation zu mobilen Einheiten, welche nur Empfangseigenschaften aufweisen, weiterzugeben. Eine Übertragung der Schmalbandübertragungsinformation kann bewerkstelligt werden, indem einer der Kanäle in dem TDMA-Zyklus verwendet wird oder indem unabhängig von dem TDMA-Zyklus andere VHF- oder UHF-Frequenzkanäle verwendet werden.
Kanalzuweisung beim Sprungstrahl
Da die Bandbreitenanforderung für eine Kommunikation in einem mobilen drahtlosen Breitbandnetz auf Grund von zufälligen Anforderungen variiert, ist es erwünscht, Bandbreite auf Bedarf zuzuweisen. Die Grundidee hinter der dynamischen Bandbreitenzuweisung ist, dass Steuerkanäle permanent Netzverwaltungsfunktionen zugewiesen sind und Datenkanäle in einem dynamischen Kanalpool gespeichert und durch das AV verwaltet werden. Wenn es notwendig ist, z. B. wenn eine Anforderung für eine neue Verbindung auf einem Steuerkanal ankommt, weist das AV die angeforderte Anzahl von Datenkanälen basierend auf einer Benutzerberechtigung, einer angeforderten Bandbreite und einer Kanalverfügbarkeit zu. Nach dem Abschluss eines Anrufs wird die Verbindung freigegeben und das AV gibt die zugewiesenen Kanäle zu dem Pool der verfügbaren Kanäle zurück. Eine Zuweisung und eine Freigabe von Kanälen wird durch das AV gesprächsweise vorgenommen ("Call-by-Call"). Wenn keine Kanäle verfügbar sind, wenn eine Verbindungsanfrage durch das AV empfangen wird, wird der Verbindungsaufbau blockiert und der Anruf abgewiesen. Eine Verbindungsverwaltung wird durch die mobile Einheit veranlasst, indem der Steuerkanal verwendet wird, um Verbindungsaufbauinformation zu dem AV zu übertragen. Die Verbindungsaufbauinformation weist Attribute, wie z. B. Ausgangs- und Zieladresse der feststehenden oder mobilen Einheit und die erforderliche Bandbreite für eine Duplexverbindung in Vorwärtsrichtung und Rückwärtsrichtung, auf. Nach dem Empfang der Verbindungsaufbauinformation bestimmt das AV das nächste Funkfeld, um die feststehende oder mobile Zieleinheit basierend auf der angeforderten Bandbreite, den verfügbaren Datenkanälen und der optimalen Kommunikationsroute zu der mobilen Zieleinheit zu erreichen. Daran anschließend reserviert das AV die angeforderte Anzahl von Sende- und Empfangsdatenkanälen für die Verbindung und reicht die Verbindungsaufbauanforderung zu dem nächsten Funkfeld. Wenn keine Route zu der feststehenden oder mobilen Zieleinheit verfügbar ist, lehnt das AV die Anfrage ab und überträgt eine Ablehnungsanzeige zu der mobilen Ausgangseinheit entlang des bereits aufgebauten Übertragungsweges für die Verbindung. Zusätzlich werden Datenkanalzuweisungen, welche entlang des Übertragungsweges bereits aufgebaut sind, freigegeben, nachdem der Verbindungsaufbau abgelehnt ist. Dieses dynamische Kanalzuweisungsverfahren ermöglicht dem AV, den verfügbaren Pool von Datenkanälen basierend auf einem auf Grund von Nachfrage zugewiesenen Vielfachzugriffsschema effizient zu verwalten.
Schnelle Paketvermittlung
Wie in 16 dargestellt ist, verwaltet jedes AV das Routen von Paketdaten, welche durch es fließen, mittels einer schnellen Paketvermittlung (FPS) 280. Die FPS ist in der CPU 130 (4) angeordnet. Die FPS 280 untersucht den Kopf von einem ankommenden Paket und bestimmt ob das Paket Teil einer lokalen Steuernnachricht ist oder ob es in dem Netz irgendwo hin zu routen ist. Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse sind mit mobilen Einheiten, Netzübergangsverbindungen, Verbindungen zwischen AVs und OCC-Verbindungen verbunden. Datenpakete werden zu der geeigneten Antenne und dadurch zu dem Empfänger geroutet. Die Datenpakete werden in zugewiesenen Datenkanälen 262 (14) zugestellt, wenn sie durch die Richtstrahlantennen zugestellt werden. Die FPS 280 ist mit einer existierenden B-ISDN-Vermittlungstechnologie, welche entworfen ist, um drahtlose mit einem asynchronen Übertragungsmodus (ATM) arbeitende Netze zu implementieren, betriebsfähig. Deshalb ist die vorliegende Erfindung in der Lage, ATM-Zellen drahtlos zu übertragen, wodurch für eine drahtlose Kommunikation mit existierenden terrestrischen Netzen gesorgt wird.
Netzbetriebsmittelverwaltung
Eine Netzverwaltung für die AV-Konstellation wird durch das OCC 105 durchgeführt (1). Die verschiedenen Funktionen, welche durch das OCC 105 durchgeführt werden, können geografisch verteilt ausgeführt werden und können mobil oder verlagerbar sein, um einen schnellen Einsatz des Netzes zu unterstützen. Die Größe einer AF-Konstellation ist nicht festgelegt und kann sich über die Zeit, gemäß einer Verwaltung durch das OCC 105 verändern. Das OCC 105 koordiniert das Positionieren von jedem AV 106 in der Konstellation 108 und verwaltet das periodische Ersetzen von Teilen der Konstellation. Das OCC 105 hält den Überdeckungsbereich 120 der Aggregatskonstellationen stabil oder verschiebt seine Position o der seine Form über eine Zeitspanne, um sich dynamischen Verkehrsmustern der mobilen Einheiten anzupassen. Das OCC 105 verwaltet auch Netzfunktionen, wie z. B. eine Rechnungserstellung, eine Dienstberechtigung und eine Anrufberechtigung.
Es gibt zwei Typen von Schnittstellen des OCC zu dem Netz. Der erste Typ ist die Schnittstelle zu der AV-Konstellation. Dies wird mittels eines starren Strahls von zumindest einem AV in der Konstellation bewerkstelligt. Das OCC steuert typischerweise eine einzelne Konstellation, aber es muss nicht gerade auf eine beschränkt sein. Für bestimmte dichte Dienstbereiche könnten mehrere Konstellationen über eine einzelne OCC-Installation gesteuert werden. Zweitens kann ein OCC 105 eine oder mehrere Netzübergangsschnittstellen zu einem existierenden terrestrischen oder Satellitentelekommunikations-Breitbandnetz unterstützen. Dies stellt eine Verbindung für die mobilen Einheiten in der AV-Konstellation zur Außenwelt bereit. Die Netzübergangsfunktion kann bei dem OCC 105 vorhanden sein oder nicht und könnte optional bei getrennten Einrichtungen, wie z. B. einer Netzübergangstation 110, angeordnet sein. Die Netzübergangstation 110 ist mit der AV-Konstellation 108 über eine Verbindung mit einem starren Strahl mit einem oder mehreren AVs 106 verbunden.
Mobilitätsverwaltung des Netzes
Eine Verwaltung von Kommunikationsbetriebsmitteln und eine Netzanschlussmöglichkeit ist ein entscheidender Aspekt bei auf eine mobile Verbindung ausgerichteten Netzen. Die Mobilitätsverwaltung eines Netzes besteht aus zwei prinzipiellen Funktionen: einer Netzanmeldung und einer Verbindungsverwaltung.
Die Netzanmeldung ist die Zuordnung des Ortes und der Adresse der mobilen Einheit zu Anschlüssen, deren Ort und Adresse in dem gesamten Netz bekannt sind. Da sich die mobile Einheit in Bewegung befinden kann, ist es wichtig, dass der Ort der mobilen Einheit in dem System des Netzes zu jedem gegebenen Moment bekannt ist. Eine Adressierung der mobilen Einheit wird durchgeführt, indem eine einzigartige Adresse ohne eine Kenntnis ihres tatsächlichen Ortes in der Netztopologie verwendet wird. Ein Routen zu der mobilen Einheit von irgendeinem bestimmten Anschluss in dem System des Netzes ist ohne eine Information bezüglich des aktuellen Ortes der mobilen Einheit nicht möglich. Ein Netzanmeldungsverfahren bestimmt den Ort der mobilen Einheit in der Netztopologie. Jedes AV ist mit Funktionalität für die Mobilitätsverwaltung und mit Hardware für eine drahtlose Kommunikation mit den mobilen Einheiten versehen. Das AV weist zwei Datenbanken auf: ein Heimatregister (HLR) oder gleichwertig eine Heimatagenten (HA) AV-Tabelle und ein Besuchsregister (VLR) oder gleichwertig eine fremde Agenten (FA) AV-Tabelle. Alle mobilen Einheiten sind normalerweise einem einzigen HA-AV zugeordnet. Mobile Einheiten können jedoch anderen AVs in der Netztopologie, welche fremde Agenten genannt werden, zugeordnet sein. Wenn mobile Einheiten mit fremden Agenten registriert sind, führt ihr Heimatagent ihre Weiterleitungsadresse in seiner HA-AV-Tabelle. Jegliche auf mobile Einheiten gerichtete Kommunikation wird zunächst an ihren HA-AV gerichtet. Wenn die mobile Einheit momentan nicht bei dem HA-AV gemeldet ist, schlägt der HA ihre Weiterleitungsadresse nach und stellt die Adresse dem FA zur Verfügung, welchem die mobile Einheit momentan zugeordnet ist.
Um sich anzumelden, baut eine mobile Einheit zuerst eine RF-Kommunikationsverbindung mit einem AV auf (vorab mit 9 beschrieben). Wie in 17 bei Block 290 dargestellt ist, leitet die mobile Einheit, wenn einmal eine RF-Kommunikationsverbindung aufgebaut ist, ein Adressenanmeldungsverfahren ein. Nachdem die mobile Einheit die Adresse des momentan verbundenen AV_k bei Block 292 empfangen hat, wird die Adresse des AV_k bei Block 294 mit der gespeicherten Heimatagentenadresse der mobilen Einheit verglichen. Wenn die Adresse des AV_k dieselbe wie die Adresse des HA-AV der mobilen Einheit ist, entscheidet die mobile Einheit, dass sie momentan ihrem HA-AV zugeordnet ist und das AV_k aktualisiert den Ortstatus der mobilen Einheit in der HA-AV-Tabelle bei Block 296. Wenn jedoch die Adresse des AV_k nicht mit der gespeicherten Adresse des HA-AV der mobilen Einheit übereinstimmt, setzt die mobile Einheit das AV_k als den FA-AV bei Block 298. Als nächstes aktualisiert die mobile Einheit das AV_k, indem sie ihre Adresse und Information bezüglich des HA-AV zu dem AV_k bei Block 300 überträgt. Das AV_k aktualisiert seine FA-AV-Tabelle mit der Adresse der mobilen Einheit und stellt außerdem die weitergeleitete Adresseinformation dem bestimmten HA-AV der mobilen Einheit bei Block 304 zur Verfügung. Auf Empfang der Information bezüglich der Verlagerung der mobilen Einheit aktualisiert der HA-AV seine HA-AV-Tabelle mit der Information des FA-AV für die mobile Einheit bei Block 306.
Eine mobile Einheit, welche mit einem AV_k verbunden ist, kann auch ein Abmeldungsverfahren einleiten. Dies wird bewerkstelligt, indem die mobile Einheit eine entsprechende Signalisierungsinformation zu dem AV_k sendet. Eine Abmeldung wird auch automatisch eingeleitet, wenn die RF-Kommunikationsverbindung zwischen der mobilen Einheit und seinem AV_k getrennt wurde.
Netzverbindungs-Aufbau/Abbau
Wie in 18 dargestellt ist, leitet ein Anschluss, welcher einen Verbindungsaufbau zu einer mobilen Einheit anfordert, die Verbindung ein, indem eine Verbindungsaufbauanforderung bei Block 310 zu dem HA-AV der mobilen Einheit gesendet wird. Wenn die mobile Einheit momentan bei dem HA-AV angemeldet ist, wird der Verbindungsaufbau bei den Blöcken 312 und 314 direkt von dem HA-AV zu der mobilen Einheit geleitet. Wenn die mobile Einheit jedoch nicht bei dem HA-AV angemeldet ist, schlägt der HA-AV die Weiterleitungsadresse der mobilen Einheit bei Block 316 in der HA-AV-Tabelle des HA-AV nach. Zwei Ansätze stellen einen Aufbau der Verbindung zwischen dem Anschluss und der mobilen Einheit bereit. Bei dem ersten Ansatz wird jegliche Kommunikation durch den HA-AV bei Block 318 umgeleitet. Eine Umleitung der Kommunikation zu der mobilen Einheit über ihren HA-AV muss nicht einer optimalen Route folgen und kann möglicherweise den Verbrauch von Bandbreitenbetriebsmitteln erhöhen. Jedoch erfordern Anschlüsse bei dem ersten Ansatz keine zusätzliche Funktionalität bezüglich einer Mobilitätsverwaltung, wodurch eine Komplexität der Netzhardware minimiert wird. Bei dem zweiten Ansatz führt der HA-AV keine Kommunikationsweiterleitungsfunktionen, wie sie bei dem ersten Ansatz beschrieben sind, durch. Bei diesem Ansatz schlägt der bestimmte HA-AV den FA-AV, welcher momentan die Verbindung mit der mobilen Einheit aufrechterhält, bei Block 316 nach und gibt diese Information bei Block 320 zu dem rufenden Anschluss zurück. Der rufende Anschluss leitet dann eine neue Verbindungsaufbauanforderung direkt über den FA-AV, welcher eine Verbindung mit der mobilen Zieleinheit aufrechterhält, zu der mobilen Einheit bei Block 322 weiter. Bei dem zweiten Ansatz wird eine bessere Route zwischen dem rufenden Anschluss und der mobilen Einheit aufgebaut, es ist jedoch erforderlich, Funktionalität bezüglich einer Mobilitätsverwaltung bei jedem Anschluss, welcher mit einer mobilen Einheit kommuniziert, hinzuzufügen. Bei beiden Ansätzen kann die mobile Einheit nur einem AV zugeordnet werden, welches in der Lage ist, alle Mobilitätsverwaltungsfunktionen auszuführen.
Das Verbindungsaufbauverfahren in einem verbindungsorientierten Netz ist relativ einfach. Der rufende Anschluss oder die mobile Einheit kann die Verbindung abbauen. Das Verbindungsaufbauverfahren signalisiert alle Anschlüsse oder Knoten in dem Verbindungsübertragungsweg, damit sie die Verbindung abbauen und die Netzbetriebsmittel freigegeben. Der rufende Anschluss kann eine andere mobile Einheit, ein OCC, eine mit einem ATM-Netz verbundene Einheit, usw. sein.
Gesprächsweiterleitung bei einer Netzverbindung
Eine Verbindungsweiterleitung ist erforderlich, um eine anhaltende Kommunikation zwischen einer mobilen Einheit und dem rufenden Anschluss aufrecht zu erhalten, wenn die mobile Einheit AV-Überdeckungsbereiche 109 durchläuft. Das Weiterleitungsverfahren hält eine End-zu-End-Verbindung aufrecht. Die Effektivität eines auf Grund einer Weiterleitung verursachten Umroutens wird durch eine Anzahl von Kriterien bestimmt, um so die Dienststörungen, eine Wartezeit, erforderliches Puffern und eine Netzkomplexität zu minimieren. Zuerst wird eine neue Verbindung zu einem neuen AV für eine Verbindungsweiterleitung aufgebaut. Um eine Kommunikation in dem vorab erwähnten verbindungsorientierten Netz aufrecht zu erhalten, wird die neue Verbindung aufgebaut, bevor die aktuelle Verbindung abgebaut wird. Dieses Konzept einer Bereitstellung vor einem Abbau ("Make-Before-Break") ermöglicht eine weiche Weiterleitung und minimiert Dienststörungen und eine Wartezeit. Eine Einleitung der Weiterleitung und der Verbindungsaufbau zu dem neuen AV wird in einer verteilten Weise durchgeführt. Wenn das AV Verbindungsweiterleitungen einleiten muss, erhöhen zahlreiche Verbindungsweiterleitungsvorfälle auf Grund von mehreren sich schnell bewegenden mobilen Einheiten die Arbeitsbelastung und Komplexität eines AV dramatisch. Deshalb leiten mobile Einheiten eine Weiterleitung ein. Bei diesem Ansatz sind Weiterleitungsentscheidungen verteilt und jede mobile Einheit bewertet die Qualität seiner momentanen drahtlosen Verbindung unabhängig und leitet ein Verbindungsweiterleitungsverfahren ein, wenn eine geeignetere drahtlose Verbindung erfasst wird. Obwohl diese hinzugefügte Verbindungsverwaltung und das hinzugefügte Qualitätsentscheidungsverfahren einige Komplexität der mobilen Einheiten zuführt, verringert es die Komplexität bei dem AV stark und verringert auch die bei den AVs erforderliche Arbeitskapazität.
Wie in 19 dargestellt ist, überwacht eine mobile Einheit, welche bei Block 330 mit einem Zielanschluss (D) kommuniziert, kontinuierlich die drahtlose Verbindungsqualität von seiner momentanen und jedem benachbarten AV. Bei diesem Schema senden alle AVs Funkfeuersignale auf einem Funkrufkanal, um so zu ermöglichen, dass die mobilen Einheiten die drahtlose Verbindungsqualität ihres momentanen AV_j und von anderen AVs in der geografischen Nähe überprüfen können. Wenn die Messung der drahtlosen Verbindungsqualität oder ein Rauschabstand (SNR) von ihrer momentanen AV_j unter eine vordefinierte Schwellenwertgrenze oder die SNR-Messung eines benachbarten AV fällt, und es existiert ein AV_k, welches eine bessere drahtlose Verbindungsqualität aufweist, leitet die mobile Einheit das Verbindungsweiterleitungsverfahren bei Block 332 ein. Das Weiterleitungsverfahren baut eine neue Verbindung zwischen einem rufenden Anschluss und dem neuen AV_k bei Block 334 auf. Wenn die neue Verbindung zwischen dem rufenden Anschluss und dem neuen AV_k einmal aufgebaut worden ist, wird ein Hinweis bei Block 336 zu der mobilen Einheit gesendet. Bei diesem Punkt wird die Datenübertragung von dem rufenden Anschluss zu der momentanen und dem neuen AV gesendet ("multicast"). Beim Empfang einer Bestätigung einer Vollendung des Verbindungsaufbaus bei Block 338 gibt die mobile Einheit ihre momentane Verbindung mit dem AV_j bei Block 340 auf und schaltet zu dem neuen AV_k. Nach dem Aufbau der drahtlosen Verbindung zu dem neuen AV_k setzt die mobile Einheit die andauernde Kommunikation mit dem Zielanschluss fort und meldet sich auch mit dem neuen AV_k bei Block 342 an. Einen Aufbau der Verbindung zu dem neuen AV_k bevor die mobile Einheit das alte AV_j gemäß des Konzeptes der Bereitstellung vor dem Abbau für eine weiche Weiterleitung fallen lässt, verringert jegliche Verbindungsweiterleitungsstörungen.
Wenn der erste Verbindungsaufbauansatz, welcher vorab mit 18 beschrieben ist, angewendet wird, führt der Heimatagent der mobilen Einheit sowohl die Adressserver- als auch die Kommunikationsumlenkfunktionen aus. Dann wird eine Weiterleitung der Verbindung zwischen dem rufenden Anschluss und dem Heimatagenten der mobilen Einheit nicht gestört. Die neue Verbindung wird zwischen dem Heimatagenten der mobilen Einheit und dem neuen AV_k aufgebaut, und der Weiterleitung folgt, dass die Verbindung zwischen dem Heimatagenten der mobilen Einheit und dem momentanen AV_j freigegeben wird. Alternativ führt der Heimatagent der mobilen Einheit, wenn der zweite Verbindungsaufbauansatz, welcher vorab mit 18 beschrieben ist, angewendet wird, nur Addressserverfunktionen aus. Die neue Verbindung wird direkt zwischen dem rufenden Anschluss und dem neuen AV_k aufgebaut. Der Weiterleitung folgt, dass die Verbindung zwischen dem rufenden Anschluss und der momentanen AV_j freigegeben wird.
Während die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung illustriert und beschrieben worden ist, ist klar, dass verschiedene Änderungen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

Kommunikationssystem (100) für eine drahtlose Breitbandkommunikation, umfassend: – eine Mehrzahl von Boden basierten Benutzern (122); – ein fliegendes Fortbewegungsmittel (106), um Kommunikationsdaten mit mindestens einem Benutzer der Mehrzahl von Benutzern in einem vordefinierten Überdeckungsbereich (109) auszutauschen, wobei das fliegende Fortbewegungsmittel umfasst: einen Höhenbestimmungsmechanismus (140) zum Erzeugen einer Höhenreferenzinformation; ein Positionsbestimmungsmittel (138), zum Erzeugen von Positionsinformation des fliegenden Fortbewegungsmittels und Positionsinformation der Benutzer in dem Überdeckungsbereich des fliegenden Fortbewegungsmittels; Zentralprozessoreinheit (130) zum Erzeugen von Zielsignalen gemäß der erzeugten Höhenreferenzinformation und Positionsinformation; ein Zuordnungsmittel zum Zuordnen von mindestens einem Sende- und mindestens einem Empfangsdatenkanal eines vordefinierten Übertragungsschemas zu jedem Benutzer, wobei eine Datenkanalübertragung und ein Datenkanalempfang zu verschiedenen Zeitintervallen entsprechend eines vordefinierten Zeitprotokolls erfolgt; eine Empfangsrichtstrahlantenne (136) zum Empfangen von Daten gemäß dem mindestens einen zugeordneten Datenkanal und den erzeugten Zielsignalen; ein Vermittlungsmittel (280) zum Bestimmen des Zielbenutzers der empfangenen Daten; eine Senderichtstrahlantenne (134) zum Senden der empfangenen Daten zu dem bestimmten Zielbenutzer gemäß dem mindestens einen zugeordneten Sendedatenkanal und den erzeugten Zielsignalen.
System nach Anspruch 1, wobei jeder der Mehrzahl der Benutzer umfasst; – einen Höhenbestimmungsmechanismus (148) zum Erzeugen einer Höhenreferenzinformation; – ein Positionsbestimmungsmittel (150) zum Erzeugen einer Positionsinformation; – eine Zentralprozessoreinheit (152) zum Erzeugen von Zielsignalen gemäß der erzeugten Trägheitsreferenzinformation und Positionsinformation; und – Sende- und Empfangsantennen zum Empfangen und Senden von Daten gemäß den erzeugten Zielsignalen und dem vordefinierten Übertragungsschema.
System nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Mehrzahl von fliegenden Fortbewegungsmitteln, welche geografisch verschiedene Überdeckungsbereiche bedienen, wobei die Mehrzahl der fliegenden Fortbewegungsmittel weiter eine Netzantenne (142) umfassen, um Daten zu jedem anderen fliegenden Fortbewegungsmittel zu übertragen, wenn sich ein bestimmter Zielbenutzer von empfangenen Daten in einem Überdeckungsbereich befindet, welcher von einem anderen fliegenden Fortbewegungsmittel bedient wird, wobei die Netzantenne die empfangenen Daten zu dem anderen fliegenden Fortbewegungsmittel überträgt, welches den Benutzerzielort der Daten bestimmt und die Daten zu dem Benutzer in dem Überdeckungsbereich des anderen fliegenden Fortbewegungsmittels überträgt.
Mobiles Kommunikationssystem zur drahtlosen Kommunikation, umfassend: – eine Mehrzahl von Boden basierten Benutzern (122); – eine Mehrzahl von fliegenden Fortbewegungsmitteln (106), wobei jedes fliegende Fortbewegungsmittel einen vordefinierten Überdeckungsbereich bedient, wobei jedes fliegende Fortbewegungsmittel umfasst: ein Positionsbestimmungsmittel (138), zum Erzeugen von Positionsinformation des fliegenden Fortbewegungsmittels und von Positionsinformation der Benutzer in dem Überdeckungsbereich des fliegenden Fortbewegungsmittels; eine Zentralprozessoreinheit (130) zum Erzeugen von Zielsignalen gemäß der erzeugten Positionsinformation des fliegenden Fortbewegungsmittels und der Benutzerpositionsinformation; ein Zuordnungsmittel zum Zuordnen von mindestens einem Sende- und mindestens einem Empfangsdatenkanal eines vordefinierten Übertragungsschemas zu jedem Benutzer, wobei der mindestens eine Sendedatenkanal und Empfangsdatenkanal zu verschiedenen Zeitintervallen entsprechend eines vordefinierten Zeitprotokolls auftritt; eine Empfangsrichtstrahlantenne (136) zum Empfangen von Daten gemäß den erzeugten Zielsignalen und dem mindestens einen zugeordneten Datenkanal; ein Vermittlungsmittel (280), um den Zielbenutzer der empfangenen Daten zu bestimmen; eine Senderichtstrahlantenne (134) zum Senden der empfangenen Daten zu dem bestimmten Zielbenutzer auf dem mindestens einen zugeordneten Sendedatenkanal gemäß den erzeugten Zielsignalen, wenn sich der bestimmte Zielbe nutzer in dem Überdeckungsbereich des fliegenden Fortbewegungsmittels befindet; und eine Netzantenne (142) zum Übertragen von Daten zu anderen fliegenden Fortbewegungsmitteln, wenn der bestimmte Zielbenutzer der empfangenen Daten sich in einem Überdeckungsbereich befindet, welcher von einem anderen fliegenden Fortbewegungsmittel bedient wird, wobei die Netzantenne die empfangenen Daten zu dem anderen fliegenden Fortbewegungsmittel überträgt, welches den Benutzerzielort der Daten bestimmt und die Daten zu dem Benutzer in dem Überdeckungsbereich des anderen fliegenden Fortbewegungsmittels überträgt.
System nach Anspruch 4, wobei jeder der Mehrzahl der Benutzer umfasst: – ein Positionsbestimmungsmittel (150) zum Erzeugen einer Benutzerpositionsinformation jedes Benutzers der Mehrzahl der Benutzer; – eine Zentralprozessoreinheit (152) zum Erzeugen von Zielsignalen gemäß der erzeugten Benutzerpositionsinformation; und – Sende- und Empfangsantennen zum Empfangen und Senden von Daten gemäß den erzeugten Zielsignalen und dem vordefinierten Übertragungsschema.
System nach Anspruch 4 oder 5, weiter eine Betriebssteuerung (105) mit einer drahtlosen Kommunikationsverbindung zu mindestens einem fliegenden Fortbewegungsmittel umfassend, um den fliegenden Fortbewegungsmitteln Betriebssteuerinformation zuzuführen.
System nach Anspruch 6, wobei die Betriebssteuerung weiter eine Kommunikationsverbindung zu einem öffentlichen Datennetz umfasst, um Kommunikationsverbindungen zwischen Benutzern in Überdeckungsbereichen zu erzeugen, welche durch die Mehrzahl der fliegenden Fortbewegungsmittel und Stationen, welche mit dem öffentlichen Datennetz verbunden sind, bedient werden.
System nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die Sende- und Empfangsrichtstrahlantennen Antennen mit einem phasengesteuerten Feld sind.
System nach Anspruch 8, wobei die Zentralprozessoreinheit Mittel zum Erzeugen der Zielsignale aufweist, um die Sende- und Empfangsantennen mit einem phasengesteuerten Feld getrennt auf einen Benutzer auszurichten.
System nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Antennen mit phasengesteuertem Feld phasengesteuerte Feldelemente umfassen, welche ein doppelt gepuffertes Schieberegister zum Vorspeichern der Zielsignale für jedes phasengesteuerte Feldelement der Antenne mit phasengesteuertem Feld umfassen.
System nach einem der Ansprüche 1–10, wobei das Vermittlungsmittel eine schnelle Paketvermittlung (260) ist.
System nach Anspruch 11, wobei das Übertragungsschema TDMA ist.
Fliegendes Fortbewegungsmittel (106) zum Senden und Empfangen von Kommunikationsdaten von einer Mehrzahl von Benut zern in einem vordefinierten Überdeckungsbereich, wobei das fliegende Fortbewegungsmittel weiter umfasst: – einen Höhenbestimmungsmechanismus (108) zum Erzeugen einer Höhenreferenzinformation; – ein Positionsbestimmungsmittel (150) zum Erzeugen einer Positionsinformation des mindestens einen fliegenden Fortbewegungsmittels relativ zu jedem der Mehrzahl der Benutzer; – eine Zentralprozessoreinheit (152) zum Erzeugen von Zielsignalen gemäß der erzeugten Höhenreferenzinformation und Positionsinformation; – ein Zuordnungsmittel zum Zuordnen von mindestens einem Sende- und mindestens einem Empfangsdatenkanal eines vordefinierten Übertragungsschemas zu jedem Benutzer, wobei eine Datenkanalübertragung oder ein Datenkanalempfang zu verschiedenen Zeitintervallen eines vordefinierten Zeitprotokolls erfolgt; – eine Empfangsrichtstrahlantenne (136) zum Empfangen von Daten gemäß der erzeugten Zielsignale; – ein Vermittlungsmittel (280) zum Bestimmen des Ziels der empfangenen Daten; und – eine Senderichtstrahlantenne (134) zum Übertragen der empfangenen Daten zu dem bestimmten Ziel auf dem zugeordneten Übertragungsdatenkanal gemäß den zugeordneten Datenkanälen und der erzeugten Zielsignale.
Fliegendes Fortbewegungsmittel nach Anspruch 13, wobei die Sende- und Empfangsrichtstrahlantennen Antennen mit phasengesteuertem Feld sind.
Fliegendes Fortbewegungsmittel nach Anspruch 14, wobei die Zentralprozessoreinheit Mittel zum Erzeugen der Zielsig nale aufweist, um die Sende- und Empfangsantennen mit einem phasengesteuerten Feld getrennt auf einen Benutzer auszurichten.
Fliegendes Fortbewegungsmittel nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Antennen mit phasengesteuertem Feld phasengesteuerte Feldelemente umfassen, welche ein doppelt gepuffertes Schieberegister zum Vorspeichern der Zielsignale für jedes phasengesteuerte Feldelement der Antennen mit phasengesteuertem Feld umfassen.
Fliegendes Fortbewegungsmittel nach einem der Ansprüche 13–15, wobei das fliegende Fortbewegungsmittel unbemannt ist.
Verfahren zur drahtlosen Kommunikation zwischen einer Mehrzahl von Benutzern, indem ein fliegendes Fortbewegungsmittel verwendet wird, welches einen Überdeckungsbereich bedient, umfassend: – Bestimmen einer Höhenreferenzinformation und Positionsinformation jedes Benutzers der Mehrzahl der Benutzer und des mindestens einen fliegenden Fortbewegungsmittels relativ zu jedem der Mehrzahl der Benutzer und von dem mindestens einen fliegenden Fortbewegungsmittel relativ zu jedem der Mehrzahl der Benutzer in dem Überdeckungsbereich; – Erzeugen von Zielsignalen gemäß der erzeugten Höhenreferenzinformation und Positionsinformation; – Zuordnen von mindestens einem Sende- und mindestens einem Empfangsdatenkanal eines vordefinierten Übertragungsschemas zu jedem Benutzer, wobei eine Datenkanalübertragung und ein Datenkanalempfang zu verschiedenen Zeitintervallen eines vordefinierten Zeitprotokolls erfolgt; – Empfangen von Daten von jedem Benutzer auf dem zugeordneten Empfangsdatenkanal gemäß der erzeugten Zielsignale, wobei eine erste Richtstrahlantenne verwendet wird; – Bestimmen des Ziels der empfangenen Daten; und – Übertragen der empfangenen Daten zu dem bestimmten Ziel auf dem zugeordneten Sendedatenkanal gemäß den zugeordneten Datenkanälen und den erzeugten Zielsignalen, wobei eine zweite Strahlantenne verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei ein Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1–13 und/oder ein fliegendes Fortbewegungsmittel nach einem der Ansprüche 14–17 verwendet wird.