-
Erfindungsgebiet
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der digitalen
Kommunikationssysteme.
-
Allgemeiner Stand der
Technik
-
Zur
Zuweisung des nutzbaren Funkfrequenzspektrums teilen nationale Administrationen
in aller Welt dieses in Kanäle
einer festen Bandbreite auf. In Europa sind diese zugewiesenen Kanäle für VHF und
UHF typisch 12,5 KHz breit. Ein System, welches innerhalb der zugewiesenen
Kanäle
betrieben wird, ist in der
CH
672 702 beschrieben. Ein drahtloses moduliertes Backscatter-Kommunikationssystem
mit erweitertem Bereich ist in der
EP
0670 558 beschrieben.
-
Das
Senden von Daten auf diesen Kanälen erfolgt
normalerweise in serieller Weise, wobei jede Übertragung den ganzen Kanal
verwendet. Die gewünschte
Datenrate und die nominale Toleranz der leicht produzierbaren Bezugsfrequenzen
(im Bereich von 10 Teilen pro Million) bedeutet, dass derartige Systeme
die Daten normalerweise über
eine relativ breite Bandbreite (zum Beispiel 7,5 KHz) auflösen, die
einen großen
Anteil der zugewiesenen Kanalbandbreite ausmacht (12,5 KHz).
-
Die
grundsätzliche
Empfindlichkeit dieser Systeme ist begrenzt durch diese Bandbreiten,
durch das Rauschmaß des
Empfängers
und auch durch im Empfänger
vorhandene Fremdgeräusche
(natürliche oder
künstliche
Geräusche).
-
Viele
Kommunikationssysteme sind dadurch eingeschränkt, dass die verfügbare Leistung
relativ schwach ist. Zum Beispiel sind Telemetrie-Einsätze, wie
die Überwachung
von Gaszählern,
von der Leistung her eingeschränkt
insofern, als erstens die entfernten Gaszähler keine eigenen eingebauten
Stromquellen aufweisen (und sie daher mit Strom versorgt werden
müssen),
und zweitens die Strommenge, die in der Nähe der potentiell gefährlichen
Gasversorgung zugeführt
werden kann, infolge der Sicherheitsbestimmungen eingeschränkt ist.
-
Um
einen maximalen Kommunikationsbereich mit niedriger Leistung zu
gewährleisten,
ist es notwendig mit schmaler Bandbreite zu arbeiten. (Dies reduziert
die Geschwindigkeit, mit der Information übertragen werden kann, aber
für viele
Einsätze ist
diese Reduktion akzeptabel.) Infolgedessen ist es erforderlich,
Schmalbandfiltrierung einzusetzen, wobei die gewünschten Signale in diesem Schmalband ankommen.
Um dies zu erreichen, müssen
sowohl der Sender als auch der Empfänger mit hoher Frequenzgenauigkeit
arbeiten, sonst wird das gewünschte
Signal nicht vom Empfänger
erkannt.
-
Dies
ist ein signifikantes Problem in Kommunikationssystemen (wie zum
Beispiel Fahrzeugverfolgungssystemen), in denen kostengünstige Sendeeinheiten
benötigt
werden. Da hochgenaue Komponenten benötigt werden, würden die
Kosten auf ein nicht mehr tragbares Niveau getrieben.
-
In
unserer gleichzeitig anhängigen
britischen Patentanmeldung, betitelt „DIGITAL COMMUNICATIONS", die am 31. Mai
1996 eingereicht wurde, wird ein digitales Kommunikationssystem
bereitgestellt, in welchem ein Versuch zur Vergrößerung des Bereichs eines Senders
unternommen wird, ohne seine Größe oder
seine Kosten zu erhöhen.
-
Dies
wird dadurch erreicht, dass man die Empfindlichkeit des Empfängers durch
Implementierung desselben als Bank von Schmalbandfiltern verbessert
(das heißt,
dass man den Signalempfang mit schwacher Signalstärke ermöglicht).
Jedes Filter ist effektiv ein unabhängiger Empfänger, der einen Teil des ganzen
Kanals (12,5 KHz) abhorcht. Als solches ist die Rauschleistung in jedem
Filter reduziert und demzufolge die Empfindlichkeit erhöht.
-
In
vielen Einsätzen
könnten
ausgereiftere Kommunikationsverfahren eingesetzt werden, wenn eine
Zweiweg-Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommunikation möglich wäre. Dadurch würde dann
zwar bei Einsatz des obigen Verfahrens die Empfindlichkeit des Empfängers an
der Basisstation (dem „Punkt") verbessert, das
gleiche Verfahren müsste
aber auch in jeder einzelnen Außenstation
(den „Mehrpunkten") eingesetzt werden,
wodurch wiederum die Kosten nicht mehr tragbar wären. Ferner ergibt sich ein
Problem beim Betrachten einer Übertragung
von der Basisstation, die von einer Außenstation zu empfangen ist, was
auf die Diskrepanz in den Leistungen, die an der Basisstation und
jeder Außenstation
verfügbar
sind, zurückzuführen ist,
wenn ein Pfad mit gleicher Bereichsleistung benötigt wird. Wie oben beschrieben, kann
der Bereich durch Reduzieren der Bandbreite erweitert werden, und
dies wird in der Basisstation durch die Bank von Schmalbandfiltern
erreicht. Für die
Zweiweg-Kommunikation jedoch, wo jeder Pfad mit einem ähnlichen
Leistungs- und Bereichsbudget arbeiten muss, muss auch der Außenstations-Empfänger eine
schmale Bandbreite aufweisen. Die geringe Toleranz der Bezugsfrequenz
in den gewünschten
kostengünstigen
mehreren Außenstationen
wird somit wieder zu einem Problem.
-
Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Kommunikationssystem
vorzusehen, welches optimiert ist für kostengünstige, leistungseffiziente
Zweiweg-Kommunikationen mit maximiertem Bereich zwischen einer einzelnen
Basisstation und einer Mehrzahl von kostengünstigen Außenstationen.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung, vom breitesten Gesichtspunkt aus betrachtet, ist ein Punkt-zu-Mehrpunkt-Zweiweg-Kommunikationssystem
vorgesehen, welches eine Basisstation und eine abgesetzte Station
umfasst, wobei das System durch Anspruch 1 nachstehend gekennzeichnet
ist.
-
Vorzugsweise
umfasst das System einen Basisstations-Transceiver mit einem Sender zum Übertragen
eines modulierten Datensignals und einen Empfänger mit Mitteln zum Teilen
eines empfangenen Kanals in eine Mehrzahl von schmalen Frequenzbändern; Mitteln
zum Erkennen der Anwesenheit von Datensignalen in individuellen
Bändern
der schmalen Frequenzbänder;
und Demodulationsmittel zum Demodulieren der Datensignale, wobei
die Demodulationsmittel mindestens ein Schmalbandfilter enthalten,
welches auf die erkannten Datensignal-Frequenzbänder zentriert ist;
mindestens
einen Außenstations-Transceiver
mit einem Sender zum Übertragen
eines modulierten Datensignals und einen Empfänger mit mindestens einem kanal-definierenden
Filter,
wobei im Betrieb die Basisstation das Senden an die Außenstation
auf einer Frequenz vornimmt, die durch die Basisstation aus der
Frequenz einer Übertragung abgeleitet
wird, die vorher durch die Basisstation von der Außenstation
empfangen wurde.
-
In
einer bevorzugten Form werden die Teilung, die Erkennung und die
Demodulation digital in einem digitalen Signalprozessor vorgenommen.
-
Vorzugsweise
ist die Außenstation
normalerweise zur Reduzierung des Stromverbrauchs deaktiviert, und
wird aktiviert, um nach einer vorherbestimmten Zeitverzögerung bezogen
auf ein früheres Übertragungsereignis Übertragungen
von der Basisstation zu empfangen.
-
In
einer bevorzugten Form ist der Empfänger im Außenstations-Transceiver ein
Superheterodyn-Empfänger
mit einem einzelnen kanal-definierenden Filter.
-
Die
Alternative ist, den Außenstationsempfänger durch
ein Paar von Filtern als kanal-definierende Filter zu implementieren.
In einer bevorzugten Form sind die Filter an den Ausgängen eines
direkten Doppelüberlagerungsempfängers angeordnet,
wobei in den Empfänger
Einseitenbandwahl durch ein Phaseneinstellungsverfahren eingebaut
ist.
-
Gemäß eines
zweiten Aspekts der Erfindung ist ein Verfahren zum Senden und Empfangen
von digitalen Daten vorgesehen, wobei das Verfahren die Schritte
von Anspruch 8 nachstehend beinhaltet.
-
Es
versteht sich, dass der Geltungsbereich der Erfindung ein Zweiweg-Kommunikationssystem beinhaltet,
welches weitgehend der folgenden Beschreibung und den Darstellungen
in den beigefügten
Zeichnungen entspricht, auf die in der Beschreibung Bezug genommen
wird.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
In
den beigefügten
Zeichnungen ist
-
1 ein
Blockdiagramm eines Außenstations-Transceivers;
-
2 ein
Blockdiagramm eines Basisstations-Transceivers;
-
3 ein
Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform
des Außenstations-Transceivers; und
-
4 ein
Diagramm, welches die Frequenzbeziehungen des Empfängers von 3 darstellt.
-
Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
-
Das
Funkkommunikationssystem der vorliegenden Erfindung umfasst zwei
Transceiver- oder Stationstypen. Die Basisstation 1 kann
als der „Punkt" des Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommunikationssystems
betrachtet werden. Eine Mehrzahl abgesetzter Transceiver oder Außenstationen 2 sind
ebenfalls vorgesehen, wobei ihre Anzahl von dem jeweiligen Einsatz
abhängt.
-
Es
ist denkbar, dass auch mehr als eine Basisstation 1 und/oder
nur eine Außenstation 2 vorgesehen
sein könnten,
aber zum Zwecke dieses Beispiels soll ein System, umfassend eine
einzelne Basisstation 1 und eine Mehrzahl von Außenstationen 2,
beschrieben werden.
-
Das
grundsätzliche
Erfordernis jeder Außenstation 2 besteht
darin, dass sie maximale Bereichsleistung für ein Minimum an Kosten und
Stromverbrauch bereitstellen sollte. Unter spezifischer Bezugnahme
auf 1 weist Außenstation 2 eine
Bezugsfrequenz 3 auf, die sowohl von den sendenden als auch
den empfangenden Elementen der Außenstation benutzt wird. Die
Toleranzerfordernisse der Bezugsfrequenz 3 sind nicht übertrieben
hoch. Die Summe der Schnitt-, Temperatur und Alterungstoleranzen
ist nur insoweit eingeschränkt,
als die Übertragung
die zugewiesene Frequenzkanalbreite nicht überschreiten sollte (in GB
ist dies typisch 12,5 KHz).
-
Die
nominalen Uplink- und Downlink-Frequenzen müssen nicht unbedingt gleich
sein, die Beziehung zwischen ihnen muss jedoch bekannt sein. Diese
kann festgelegt sein oder kann sich im Laufe der Zeit gemäß eines
Algorithmus ändern,
der jedem Ende der Verbindung bekannt ist (das heißt sowohl der
Basisstation 1 als auch der Außenstation 2).
-
Die
Außenstation 2 umfasst
einen Empfänger 4,
gemeinsame Elemente 5 und einen Sender 6. Der
Empfänger 4 ist
ein Superheterodyn-Empfänger („Superhet") mit einem einzelnen
kanal-definierenden Filter 7.
-
Eine
andere Ausführungsform
des Außenstations-Empfängers 4 ist
in 3 dargestellt, wo ein Filterpaar als kanal-definierendes
Filter 7 benutzt wird. Diese Anordnung eignet sich insbesondere
für die
Modulation der Basisstationsübertragung
unter Einsatz von direkt modulierter Frequenzumtastung („FSK"), wobei die Signalenenergie
weitgehend auf zwei diskreten Frequenzen innerhalb des Kanals enthalten
ist. Die Filter würden
an den Ausgängen
eines direkten Doppelüberlagerungsempfängers angeordnet,
wobei Einseitenbandwahl durch ein Phaseneinstellungsverfahren in
den Empfänger
eingebaut ist. Dieser Empfänger
ist als unabhängiger
Seitenbandempfänger
(ISB) bekannt. Im Betrieb wird aus der Empfängereingangsfrequenz ein Paar
von Frequenzen, die um den doppelten Wert der Mittenfrequenz von
Kanalfilter 7 voneinander getrennt sind.
-
Bei
diesem Verfahren kommen im Kanal ankommende Signale, die jedoch
eine höhere
Frequenz als der Frequenzgenerator 12 aufweisen (das obere
Seitenband), weitgehend an einem Ausgang an, während diejenigen, die eine
niedrigere Frequenz als der Frequenzgenerators 12 aufweisen
(das untere Seitenband), weitgehend an dem anderen Ausgang ankommen.
Bei Empfang eines direkten FSK-Signals
enthält
demnach jedes Kanalfilter nur Signalenergie bzw. Raumenergie. 4 ist
ein Diagramm der hier beschriebenen Frequenzbeziehungen.
-
Der
Außenstations-Empfänger 4 demoduliert Signale,
die in sein kanal-definierendes Filter fallen. Um das Verbindungs-Budget
(und somit den Bereich) zu maximieren, muss das kanal-definierende Filter 7 signifikant
schmaler als der zugewiesene Kanal sein. Aufgrund der Fehler zwischen
der Bezugsfrequenz 3 der Außenstation 2 und der
Bezugsfrequenz der Basisstation 1 ist jedoch die Basisstation 1 nicht
unbedingt fähig,
ein Signal innerhalb des Durchlassbereichs des kanal-definierenden
Filters 7 des Empfängers 4 zu übertragen.
-
Zur
Lösung
dieses Problems muss die Basisstation 1 fähig sein,
die Frequenz der Übertragung der
Außenstation
bis auf eine Auflösung
zu bestimmen, die fein oder feiner als die Bandbreite des kanal-definierenden
Filters 7 des Empfängers
der Außenstation
ist. Sobald die Basisstation 1 eine vorläufige Übertragung
von einer Außenstation 2 empfangen
hat, ist die Frequenz dieser Übertragung
bekannt, und somit kann die Bezugsfrequenz 3 dieser Außenstation
bestimmt werden. Sobald diese bekannt ist, kann die Basisstation 1 nach
Belieben an die Außenstation 2 übertragen.
Folglich kann die Basisstation 1 auf der Frequenz ihres
Empfängers
an die Außenstation 2 übertragen,
auch wenn die effektive Bandbreite des Empfängers 4 sehr viel
schmaler als der zugewiesene Kanal ist.
-
Der
Stromverbrauch jeder Außenstation 2 kann
auf ein Minimum reduziert werden, wenn Übertragungen von der Basisstation 1 an
individuelle Außenstationen 2 nur
zu bekannten Zeiten gesendet werden. Jeder Außenstations-Empfänger 4 kann demnach
zu jeder anderen Zeit deaktiviert werden. Dies wird dadurch erreicht,
dass der Empfänger 4 nur zu
einer festgesetzten Zeit bezogen auf eine frühere Übertragung Ausschau nach einer
Basisstations-Übertragung
hält. Gleichermaßen überträgt die Basisstation 1 Signale
nur zu dieser festgesetzten Zeit. Da die Basisstation 1 weiß, wann
die letzte Übertragung
gesendet wurde und auf welcher Frequenz genau sie gesendet wurde,
kann sie genau den Zeitpunkt der Übertragung an die jeweilige
Außenstation 2 festlegen.
Fehler in der Zeitgenauigkeit können
darauf eingerichtet werden, sich mit den Fehlern in der Bezugsfrequenz
zu decken, so dass es möglich
ist, die Zeit genau vorherzusagen und demzufolge Strom zu sparen.
-
Bezugnehmend
auf 2 umfasst die Basisstation 1 einen Sender 8,
gemeinsame Elemente 9 und einen Empfänger 10. Der Empfänger 10 wird durch
Einsatz einer Bank von Filtern 11 implementiert, von denen
jedes schmaler als der zugewiesene Kanal ist. Diese können als
individuelle Filter oder durch Signalverarbeitungsmittel realisiert
werden.
-
Der
Ausgang von Filterbank 11 muss verarbeitet werden, um die
Identität
und die Frequenz des eingehenden Signals zu ermitteln. Die Frequenz
des eingehenden Signals kann bestimmt werden durch entweder
- 1. Identifizieren, in welchem Element der Filterbank 11 das
eingehende Signal erkannt wird; oder
- 2. Verwenden des Obigen nur zum Identifizieren des eingehenden
Signals und danach Einsetzen eines agilen Filters mit eigenem Frequenzzählungsmittel,
um die Frequenz des erkannten Signals exakt zu bestimmen.
-
Anschließend wird
die Identität
des empfangenen Signals durch Demodulation erhalten.
-
Nachdem
die Frequenz eines eingehenden Signals von der Außenstation 2 identifiziert
und die Zeit notiert wurde, ist die Basisstation 1 nun
im Besitz der notwendigen Information, um anschließend an die
Außenstation 2 zurück zu übertragen.
Damit können
selbst kumulierte Zeitfehler ausgeglichen werden, da die Taktfehler
der Außenstation
auch dann bekannt sind, wenn sie von der gleichen Bezugsfrequenz 3 abgeleitet
wurden.
-
Nach
der Synchronisierung sind die signifikantesten Fehler, mit denen
in der Außenstations-Bezugsfrequenz 3 zu
rechnen ist, auf Temperaturdrift zurückzuführen. Es ist jedoch möglich, dass die
Außenstation 2 weiß, in welcher Temperaturumgebung
sie sich befindet, und daher berechnen kann, ob sie sich erneut
mit der Basisstation 1 synchronisieren muss.
-
Der
Zeitpunkt für
die Neusynchronisierung der Außenstation 2 mit
der Basisstation 1 muss individuell für jedes implementierte System
bestimmt werden. Zum Beispiel ist eine Neusynchronisierung zunehmend
wichtig, wenn die Basisstation 1 ebenfalls unter Einsatz
einer Bezugsfrequenz mit schlechter Toleranz konstruiert wurde,
oder wenn das Verhältnis
von Kanalbreite zu Außenstationsfilterempfänger-Breite sehr hoch
ist. Des Weiteren ist eine reguläre
Neusynchronisierung erforderlich, wenn die Außenstationsbandbreite als Anteil
der Mittenfrequenz sehr klein ist (weitgehend kleiner als 1 Teil
pro Million).
-
Weitere
Verbesserungen am System könnten
vorgenommen werden, wenn die Außenstation 2, nachdem
sie mit der Basisstation 1 synchronisiert und Kommunikationen
aufgebaut wurden, über
ihre eigene absolute Frequenz informiert würde. Diese könnte sie
dann zum Korrigieren anschließender Fehler
benutzen. Daran anschließend
könnte
die Außenstation 2 die
Synchronisation mit der Basisstation 1 aufrechterhalten,
indem sie die Basisstation 1 auf eine reguläre Synchronisations-Broadcast-Sendung abhorcht
(dies ist besonders für
Systeme mit einer Mehrzahl von Außenstationen 2 geeignet).
Für den Fall,
dass diese Synchronisations-Broadcast-Sendung nicht gehört wird
(entweder aufgrund von Frequenzdrift jeder Station oder aufgrund
von Störungen),
könnte
die Außenstation 2 automatisch
neu synchronisieren. Dennoch könnte
die Periode der Synchronisations-Broadcast-Sendungen darauf eingerichtet
werden, große
Stromeinsparungen in einem System zu erzielen, über das die Außenstation auf
kontinuierlicher Basis empfangen muss.
-
Das
System reagiert nicht besonders empfindlich auf das für Übertragungen
benutzte Modulationsverfahren. Amplituden-, Frequenz- oder Phaseneinstellungsverfahren
könnten
verwendet werden, vorausgesetzt dass der überwiegende Teil der Signalenergie
das oben beschriebene schmale Filter passiert. Wenn Verfahren eingesetzt
werden, bei denen Energie grundsätzlich
auf mehrere diskrete Frequenzen verteilt wird, können Filterbanktechniken sich
dies zunutze machen, um Diversität
hinzuzufügen
und Rauschen zu vermeiden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Basisstation fähig,
weitgehend gleichzeitig Übertragungen
an mehr als eine Außenstation
vorzunehmen, und ferner fähig,
Signale weitgehend gleichzeitig von mehr als einer Außenstation
zu empfangen, solange diese Signale auf Frequenzen (von den Außenstationen) übertragen
werden, die hinreichend verschieden sind, um die Signale individuell
auflösen zu
können.
-
Des
Weiteren ist die Basisstation in einem Vollduplexsystem fähig, Übertragungen
an eine oder mehrere Außenstationen
zum weitgehend gleichen Zeitpunkt, zu dem sie ein Signal oder Signale
von anderen Außenstationen
empfängt,
vorzunehmen, solange die entsprechenden Frequenzen voneinander verschieden
sind.
-
Wenn
das System auf zwei Frequenzen als Duplexsystem betrieben würde, könnte die
Implementierung mehrere Frequenzgeneratoren verwenden; es könnte sein,
dass die Basisstation 1 kontinuierlich überträgt. Dazu wäre jedoch der Einsatz einer gemeinsamen
oder verknüpften
Bezugsfrequenz erforderlich.
-
Viele
Einsätze
für das
Kommunikationssystem der vorliegenden Erfindung sind vorgesehen, zum
Beispiel:
- • Sicherheitsvorrichtungen
für Objekte
oder Personal, für
Statusverfolgungs- oder Ortungszwecke (zum Beispiel Häftlingsmarkierung,
automatische Fahrzeugortung);
- • Telemetrie-Vorrichtungen,
zum Beispiel Messen von Versorgungsleitungen;
- • Statusüberwachung
von Betriebsanlage- oder Speichersystemen;
- • Entfernte
Abfrage von Sensoren, zum Beispiel zum Überwachung des Wetters oder
der Umgebung;
- • Drahtlose
Alarmsysteme, zum Beispiel Einbrecheralarmsystem oder Brandmeldesysteme.