DE69825567T2

DE69825567T2 - Mehrbenutzernachrichtenübertragungssystemarchitektur mit verteilten sendern

Info

Publication number: DE69825567T2
Application number: DE69825567T
Authority: DE
Inventors: S. David MILLER
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1997-03-04
Filing date: 1998-03-04
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2018-03-05
Also published as: CA2283164A1; FI19991875A; DE69825567D1; CN1252189A; KR100807993B1; KR20000075978A; RU2195771C2; ATE273586T1; EP0965177A2; HK1025689A1; JP4162721B2; JP2001514811A; WO1998039858A2; CA2283164C; WO1998039858A3; EP0965177B1; CN100391116C; ID24916A; BR9808170A; US6510172B1

Description

Hintergrund der Erfindung
I. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Mehrfachzugriffskommunikations- oder Nachrichtensysteme wie beispielsweise drahtlose Daten- oder Telefonsysteme und auf Spreizspektrumnachrichtensysteme unter Verwendung von Satelliten. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Nachrichtensystem- oder Kom-munikationssystemarchitektur in der Nachrichten- oder Kommunikationssignale unter Verwendung von Sendemodulen übertragen werden und zwar unter Verwendung verbundener Sätze von Modulatoren und Spreizelementen gekoppelt an entsprechende Analogsender, um die Datenübertragungserfordernisse zu vermindern. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Redistribution oder Wiederverteilung bestimmter Signalmodulationsfunktionen in einem CDMA Spreizspektrumnachrichtensystem zur Verminderung der Datenübertragungsraten.
II. Beschreibung von mit der Erfindung in Beziehung stehender Technik
Es wurden bereits verschiedene Mehrfachzugriffsnachrichtensysteme und Verfahren entwickelt, und zwar zur Übertragung von Information an eine große Anzahl von Systemnutzern. Die Verwendung von Spreizspektrummodulationstechniken, wie beispielsweise CDMA in Mehrfachzugriffs- oder Kommunikationsnachrichtensystemen ist in den Lehren der Folgenden U.S. Patente erläutert: U.S. Patent Nr. 4,901,307 ausgegeben am 13. Februar 1990 mit dem Titel „Spread Spectrum Multiple Acces Communication System Using Satellite Or Terrestrial Repeaters", und U.S. Patent Nr. 5,691,974 ausgegeben am 25. November 1997 unter dem Titel „Method And Apparatus For Using Full Spectrum Transmitted Power In A Spread Spectrum Communication System For Tracking Individual Recipient Phase Time And Energy". Beide Patente sind auf den Inhaber des vorliegenden Patentes übertragen.
Die genannten Patente offenbaren drahtlose Kommunikations- oder Nachrichtensysteme in denen eine Anzahl von im allgemeinen mobil oder entfernt gelegenen Benutzern oder Teilnehmern Transceiver verwenden, um mit anderen Systemnutzern gewünschten oder Signalempfängern in Verbindung zu treten, wie beispielsweise durch ein öffentliches Telefonnetz. Die Transceiver stehen typischerweise durch Gateways and Satelliten oder Basisstationen (auch als Zellenplätze oder Zellen bezeichnet) in Verbindung und zwar unter Verwendung von CDM – Spreizspektrumnachrichten – oder Kommunikationssignalen.
Die Basisstationen decken Zellen ab, wohingegen die Satelliten auf der Erdoberfläche so genannte „footprints" bzw. „Fußabdrücke" besitzen. In jedem System können Kapazitätsgewinne dadurch erreicht werden, dass man die abzudeckenden geographischen Sektoren aufteilt oder unterteilt. Zellen können in „Sektoren" unterteilt werden und zwar unter Verwendung von Richtungsantennen an der Basisstation. In ähnlicher Weise kann der Fußabdruck eines Satelliten graphisch in „Strahlen" unterteilt werden und zwar durch Verwendung von Strahlformungsantennensystemen. Diese Techniken zur Unterteilung eines Abdeckgebietes oder einer Abdeckerregion können als das Schaffen von Trennung oder Isolation angesehen werden und zwar unter Verwendung relativer Antennendirektionalität oder Raumunterteilungsmultiplexing (space division multiplexing). Zudem kann vorausgesetzt dass es verfügbare Bandbreite gibt, jeder dieser Unterteilungen (sub divisions) entweder Sektoren oder Strahlen Mehrfach-CDMA-Kanälen zugewiesen werden und zwar durch Verwendung von Frequenzteilungsmultiplexen (FDM = frequency division multiplexing). In Satellitennachrichtensystemen kann jeder CDMA-Kanal als ein „Sub-Strahl" bezeichnet werden, da mehrere dieser Kanäle pro „Strahl" vorhanden sein können oder eine durch einen Strahl abgezwickte Fläche einnehmen können.
In einem typischen Spreizspektrumnachrichtensystem wird eine oder mehrere im Allgemeinen ein Satz oder ein Paar von vorgewähltem Pseudonoise (PN) Codesequenzen verwendet, um Benutzerinformationssignale über ein vorbestimmtes spektrales Band vor der Modulation auf ein Trägersignal zum Sen den als Nachrichtensignale zu Modellieren oder „Spreizen". Das PN-Spreizen, ein Verfahren der Spreizspektrumübertragung oder Sendung ist auf diesem Gebiet der Technik wohl bekannt, wobei ein Signal zur Übertragung erzeugt wird, dass eine Bandbreite besitzt, die viel größer ist als die des Datensignals. In der Basisstations- oder Gateway-zu-Benutzer Nachrichtenverbindung (communication link) werden PN-Spreizcodes oder binäre Sequenzen verwendet, um zwischen Signalen zu unterscheiden und zwar Signalen übertragen durch unterschiedliche Basisstationen oder über unterschiedliche Strahlen, wie auch zwischen Mehrfachpfadsignalen. Diese Codes werden typischerweise durch alle Nachrichtensignale mit einem gegebenen CDMA-Kanal oder Subkanal geteilt.
Orthogonale Kanalisierungscodes werden verwendet zur Verminderung der Interferenz und zur Diskriminierung zwischen unterschiedlichen Benutzern innerhalb einer Zelle oder zwischen Benutzersignalen übertragen innerhalb eines Satellitensubstrahls auf einem Vorwärtslink, d. h., jedem Nutzeranschluss hat seinen eigenen orthogonalen Kanal vorgesehen auf dem Vorwärtslink oder der Vorwärtsverbindung und zwar unter Verwendung eins einzigartigen „Abdeck" (covering) orthogonalen Codes. Walsh Funktionen werden im Allgemeinen dazu verwendet Kanalisierungscodes zu implementieren und zwar mit einer typischen Länge von in der Größenordnung 64 Code Chips für terrestrische Systeme und 128 Code Chips für Satellitensysteme.
Zudem wird irgendeine Form der Signaldiversität dazu verwendet, schädlichen Effekte des Fading und zusätzliche Probleme assoziiert mit dem relativen Nutzer, oder dem Satelliten, der Bewegung innerhalb des Nachrichtensystems zu reduzieren. Im Allgemeinen werden in Spreizspektrumnachrichtensystemen drei Typen von Diversität verwendet und zwar einschließlich Zeit-, Frequenz-, und Raumdiversität. Die Zeitdiversität ist dadurch erhältlich, dass man Fehlerkorrekturcodierung oder einfach Wiederholung und Zeitinterleaving (Verschachtelung) von Signalkomponenten verwendet. Eine Form der Frequenzdiversität ist in Innewohnenderweise durch das Spreizen der Energie über eine große Bandbreite vorgesehen. Daher beeinflusst das frequenzse lektive Fading nur einen kleinen Teil der CDMA Signalbandbreite. Raumdiversität wird vorgesehen durch Verwendung von Mehrfachsignalpfaden, typischerweise durch unterschiedliche Antennen oder Kommunikationssignalstrahlen. Dies ist in EP-A-0748 062 beschrieben.
Basisstationen für terrestrische zelluläre Kommunikations- oder Nachrichtensysteme verwenden typischerweise sechs Antennen und zwar zwei für jeden der drei Sektoren in einer unterteilten Zelle. Einige Konstruktionen planen die Verwendung zusätzlicher Antennen und Polarisationsmodes wodurch zusätzliche CDMA-Kanäle vorgesehen werden. Mit Satelliten verwendete Basisstationen, die auch als Gateways oder Hubs, d. h. Naben bezeichnet werden, verwenden eine Anordnung von Sendern oder Transmittern in der Größenordnung von 32 oder mehr und zwar verbunden mit einer oder mehreren Antennen um Mehrfachstrahlen auf jeder Trägerfrequenz unterzubringen. Gateways sehen auch Service für Mehrfachsatelliten vor und zwar typischerweise in der Größenordnung von 3 oder 4 zu jeder gegebenen Zeit. In einem exemplarischen Ausführungsystem werden in der Größenordnung von sechs Satelliten in jeder der acht Orbitalebenen verwendet und selbst mehr Satelliten werden für einige Systeme ins Auge gefasst. Zudem liegt die Anzahl der Kommunikations- oder Nachrichtenkanäle oder Schaltungen pro Substrahl in einem Satelliten in der Größenordnung von 128 Kanälen und nicht 64 Kanälen wie dies typischerweise bei terrestrischen Zellsystemen der Fall ist. Diese Faktoren erhöhen die Menge oder Größe der Daten- und Signalverarbeitung beträchtlich, die innerhalb eines Systemgateways verglichen oder entgegengesetzt zu typischen Basisstationen ausgeführt werden muss.
Wenn Information, einschließlich Sprache in der Form von digitalen Daten zu Systembenutzern oder Teilnehmern durch ein Gateway übertragen werden muss, so wird die Information als erstes codiert und nach Wunsch interleaved und sodann „abgedeckt" (covered) und „gespreizt" (spread) und zwar unter Verwendung geeigneter orthogonaler Codes und Spreizcodes. Jedes Datensignal wird durch mindestens einen Modulator für jeden Analogsignalpfad über den es übertragen werden soll verarbeitet und zwar für die Zwecke der Diversität. Die spreizcodierten Daten werden sodann zu einem oder mehreren analogen Sender übertragen, wo sie auf eine geeignete Zwischenfrequenz hinauf konvertiert werden und verwendet werden eine Trägerwellenform zu modulieren, um das gewünschte Kommunikations- oder Nachrichtensignal zu erzeugen.
Jeder Analogsender repräsentiert einen vorgewählten Diversitätssignalpfad für ein Signal und Mehrfachbenutzersignale werden typischerweise durch jeden Analogsender zu jeder beliebigen Zeit übertragen. Die Signale für jeden Analogsender werden von einer Anordnung oder Anzahl von Modulatorelementen empfangen und zwar innerhalb des Gateway oder Basisstation, die jeweils zugewiesen sind um Kommunikationen oder Nachrichten für bestimmte Benutzer unter Verwendung bestimmter Signalpfaddiversitäten zu verarbeiten. Die Signale von mehreren Modulatoren werden zur Bildung einer einzigen Ausganswellenform für jeden Analogsender kombiniert. Dies bedeutet, dass Daten die für jeden Analogsender vorgesehen sind entlang gemeinsamer Busse oder Kabelanordnungen verbunden mit den Ausgängen sämtlicher Modulatoren übertragen werden müssen. Das bedeutet, alle Modulatoren und Analogsender sind miteinander verbunden unter Verwendung eines Satzes von gemeinsamen Datenbussen, um potenzielle oder möglicherweise Mehrfachpfad (Diversitäts) Signale für jede gegebene Kombination von Analogsender, Antenne, Satellit und Benutzer zu verarbeiten.
Für derzeitige Verkehrskanaldatenraten wie sie in Nachrichtensystemen auftreten, müssten die Gatewaybusse Signale zwischen den digitalen Modulatoren und den Analogsendern in der Größenordung von mehreren Gigabit pro Sekunde (Gbps) oder mehr verarbeiten. Der Ausgang jedes Modulators liefert Daten mit Raten in der Größenordnung von 40 Megabit pro Sekunde (Mbps). Potenziell können Signale bis zu 128 Benutzerkanäle auf jedem CDMA-Kanal oder Frequenz unter Verwendung von 2 bis 64 Diversitypfaden oder Bahnen übertragen werden. Dies ergibt Gesamtdatenbustransferraten von mehr als 5 bis 10 Gbps (beispielsweise 40 Mbps × 128 × 2). Datentransferraten dieser Größenordung übersteigen die derzeitigen Grenzen kommerziell einsetzbarer Bustransferstrukturen innerhalb vernünftiger Kosten und Zuverlässigkeitseinschränkungen. Zudem werden Verkabelungs- und körperliche Verbindungsstrukturen für den Transfer dieses Datenvolumens zwischen verschiedenen Verarbeitungsschaltungsstrukturen verhältnismäßig kompliziert und unzuverlässig. Terrestrische oder Zellenbasisstationen mit höherer Kapazität werden auch ähnliche Verarbeitungs- oder Datentransferanforderungen in der Zukunft besitzen.
Die Steuerung, die Schaltung, die Zeitsteuerung und so fort, die für dieses Datentransfervolumen implementiert werden muss ist ebenfalls prohibitiv komplex zur Verwendung in kosteneffektiven Gatewaysystemen. Die relative Zeitsteuerung jedes Benutzersignals welches zu einem gegebenen Analogsender übertragen wird, muss auf weniger als eine Hälfte des Chipintervalls für den verwendeten Spreizcode synchronisiert werden und zwar für alle anderen Benutzersignale, die zu dem gleichen Analogsender übertragen werden, um zur Sendung durch einen gemeinsamen Analogsender kombiniert zu werden. Eine solche Synchronisation erfordert ungemein Komplexe und komplizierte Steuermechanismen und beeinflusst die Signalverarbeitungsflexibilität.
WO-A-9622638 beschreibt ein Nachrichtensystem mit orthogonalem Code division multiple access mit einer Multiträgermodulation. Der ankommende Eingangsdatenstrom wird in eine Vielzahl von parallelen Strömen aufgebrochen, wobei jeder dieser Ströme seinen eigenen Frequenzdivision-Multiplexträger moduliert. Dies vermindert die Chippingrate derart, dass die Verzögerungsspreizung kein übermäßiges Zugriffs- oder Accessrauschen hervorruft. Ein besonders robustes Verzögerungsverriegelungsschleifencode mit einem höchsten Elevations- oder Höhenwinkel nachführen und besonders robuste automatische Frequenzsteuerung werden bei Anwesenheit von frequenzselektiven Fading vorgesehen.
EP-A-0 748 062 beschreibt ein Nachrichtensystem und ein Verfahren welches durch dieses ausgeführt wird zum Zuweisen von Nachrichtenverkehr durch eine Vielzahl von Satelliten einer Konstellation von niedrigumlaufenden Erdsatelliten. Jede der Vielzahl von Satelliten ist zu jeder gegebenen Zeit mit einem bestimmten Höhenwinkel bei Sicht einer Erdstation orientiert. Das Verfahren weist hier Folgende Schritte auf: Vorsehen jedes der Vielzahl von Satelliten mit einem Empfänger zum Empfang von Nachrichtenverbindungen oder Links von der Erdstation und einen Sender zum Senden von Nachrichtenlinks oder Nachrichtenverbindungen zu Benutzeranschlüssen oder Terminals; ansprechend auf eine Anforderung für Service, bestimmen ob einem Satellit ein neues Nachrichtenlink oder Nachrichtenverbindung zugewiesen werden kann; wenn ja, zuweisen eines neuen Nachrichtenlinks zu dem Satelliten mit höchstem Höhenwinkel; wenn nein, bestimmen ob einem Satellit mit einem zweiten höchsten Höhenwinkel ein neues Nachrichtenlink zugewiesen werden kann; und, wenn ja, zuweisen eines neuen Nachrichtenlinks, dem Satelliten mit zweithöchstem Höhenwinkel. Vorzugsweise wird das Nachrichtenlink oder die Nachrichtenverbindung gleichzeitig durch mindestens zwei der Satelliten aufgebaut, um Diversitätsempfang an dem Anschluss des Benutzers vorzusehen.
Es ist erwünscht die Datenmenge zu reduzieren, die von einem Funktionselement oder einer Stufe zu einem anderen innerhalb der Architektur eines Gateways oder einer Basisstation übertragen werden muss und zwar insbesondere bei Satellitensystemen. Es ist auch erwünscht eine effizientere Ausnutzung der niedrigere Kosten besitzenden Modularkomponenten vorzusehen, um eine leichte Implementierung komplexer Signalverarbeitungsstrukturen kosteneffektiv zu erreichen.
Zusammenfassung
Im Hinblick auf obiges wie weitere Probleme des Standes der Technik bezüglich der Verarbeitung von Nachrichtensignalen in Gateways oder Basisstationen in Spreizspektrumnachrichtensystemen besteht ein Zweck der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darin, die Signalverarbeitungserfordernisse zum Modulieren orthogonaler Kanäle zu verteilen und zwar inner halb Nachrichtensignalen, die von einem Gateway oder einer Basisstation gesendet werden.
Ein zweiter Zweck besteht darin, das Gesamtvolumen von Daten pro Zeiteinheit zu vermindern, d. h. das Datenvolumen, das entlang gemeinsamer Signalbusse übertragen wird und zwar zwischen eine digitalen und analogen Signalverarbeitungsabschnitten eines Gateway in einem Spreizsprektrumnachrichtensystem.
Ein weiterer Zweck besteht darin eine Technik vorzusehen, die eine kosteneffektivere Zuweisung von Verarbeitungsressourcen vorsieht und zwar in Verbindung mit jedem Analogsender in einem Gateway.
Ein Vorteil der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie Spreizsprektrum und andere digitale Signalverarbeitungsmodule verwenden, die sehr zuverlässig sind, leicht herzustellen sind und kosteneffektiv sind, um die Verteilung in parallele Anordnungen zur Verwendung mit Gatewayanalogsendern zu bewirken.
Andere Vorteile bestehen darin, dass der Datentransfer oder die Datenübertragung vereinfacht wird, dass die erforderliche Busskapazität reduziert wird und dass keine spezielle Synchronisation der Signale erforderlich ist, die in eine einzige Analogausgangsgröße kombiniert werden müssen. Datentransferraten auf den Schaltungsrückplatten werden reduziert und die Anzahl von Kabeln, Leitern und anderen Verteilungselementen, die erforderlich sind, wird reduziert.
Diese und weitere Zwecke, Ziele und Vorteile werden in einer Signalverarbeitungsarchitektur realisiert und zwar zur Verwendung innerhalb einer Basisstation in einem Spreizsprektrummehrfachzugriffsnachrichtensystem wie beispielsweise einem Code Division Multiple Zugriffs (CDMA) Typsystem für drahtlose Telefon/Datenübertragung. In diesen Systemen stehen Benutzer oder Systemteilnehmer über Basisstationen oder Satelliten und Gateways in Verbindung und zwar unter Verwendung unterschiedlicher codierter Nachrichtensignalkanäle innerhalb gegebener Trägerfrequenzen oder CDMA-Kanäle. Digitale Datensignale vorgesehen für die Übertragung oder Sendung zu einem oder mehreren Systembenutzern werden jeweils zu einer Vielzahl von Sendemodulen übertragen, wobei jedes mit einem entsprechenden Analogausgangsnachrichtenpfad assoziiert ist über den Datensignale transferiert und übertragen werden sollen. Die Anzahl der Module zu denen Benutzerdatensignale übertragen werden, ist gleich der Anzahl der analogen Nachrichtenpfade über die der Transfer eines gegebenen Benutzerdatensignals gewünscht wird.
Innerhalb jedes Sendemoduls werden die Digitaldatensignale empfangen und codiert und im Allgemeinen auch verschachtelt (interleaved) um codierte Datensymbole zu erzeugen. Die codierten Datensymbole werden sodann auch gespreizt oder Spreizspektrum moduliert unter Verwendung von mindestens einem vorgewählten Pseudorandum (Pseudozufalls)-Rausch (PN) Spreizcode um Spreizkommunikations- oder Nachrichtensignale zu bilden. Die Ausgangsgrößen für jede einer Vielzahl von Spreizspektrummodulatoren in jedem Modul werden mit einander summiert und zu einem einzigen Analogsender assoziiert mit dem Sendemodul übertragen. Der Analogsender bildet Teil eines gegebenen Analognachrichtensignalausgangspfades. Dies erzeugt ein einziges Spreizkommunikations- oder Nachrichtensignal oder einen Kanal mit einer vorgewählten Trägerfrequenz für jedes Modul und entsprechenden Analogsender.
Die Sendemodule werden definiert durch oder weisen jeweils Folgendes auf:
Einen Codier- und/oder Verschachtelungsabschnitt, und einen Modulations- oder Kanalisier- und Spreizabschitt. Eine Anordnung von Codierern und, wenn gewünscht, entsprechenden Interleaven bildet den Codierabschnitt, während in eine Anordnung von Spreizspektrummodulatoren den Modulationsabschnitt bilden.
In einigen Ausführungsbeispielen gibt es eine äquivalente Anzahl von Interleaven und Modulatoren. In anderen Ausführungsbeispielen jedoch ist ein gewisses vorbestimmtes Ausmaß an "time-sharing" für diese Elemente vorgesehen. In diesen Konfigurationen wird eine vorgewählte Anzahl von Kodieren und/oder Interleavern verwendet, die kleiner ist als die Gesamtzahl der Benutzerkanäle, die durch den Analogsender untergebracht werden müssen. Die Anzahl der entsprechenden Spreizspektrummodulatoren ist im Allgemeinen größer als die Anzahl der Kodier- und/oder Interleaver kann aber immer noch kleiner sein als die Gesamtzahl der Benutzer oder Benutzerkanäle. Das Multiplexen der Signale kann in einigen Konfigurationen verwendet werden.
Zu sendende oder zu übertragende Benutzerdaten oder Information für einen oder mehrere Benutzer wird empfangen und codiert durch den Codierabschnitt, und die sich ergebenden Daten werden in dem Spreizabschnitt verarbeitet, um Spreizdatensymbole für jeden Diversitätspfad für jeden Benutzer zu Erzeugen. Die Anzahl von Verarbeitungselementen, in erster Linie Kodierer- und Spreizelemente innerhalb jedes Moduls ist derart vorgesehen, dass mindestens ein Verarbeitungspfad für jeden Benutzer oder Benutzernachrichtenkanal verfügbar ist über den es erwünscht ist Information unter Verwendung eines gegebenen Analogsenders zu übertragen. Ausführungsbeispiele der Erfindung gestatten ein großes Ausmaß an modularer Konstruktion und Schaltungsintegration für die Zwecke der Kostenreduktion und Zuverlässigkeit.
In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung werden die codierten Datensymbole für jeden der Vielzahl von analogen Nachrichtenpfaden vorgesehen für einen gegebenen Benutzer mit einer von einer Vielzahl von orthogonalen Funktionen abgedeckt. Die gleiche Funktion wird für jedes Signal übertragen auf jedem analogen Nachrichtenpfad für einen gegebenen Benutzer verwendet.
Orthogonale Code Transformer oder Transformationsschaltungen sind ebenfalls in dem Sendemodul angeordnet und arbeiten mit Spreizabschnitten zusammen, um orthogonale Transformationen oder Abbildungen (mappings) auf codierten Datensymbolen vorzusehen. Dies erzeugt repräsentative orthogonale Benutzerkanaldaten für jeden Benutzerkanal der durch einen entsprechenden Analogsender arbeitet. Walsh Funktionen werden im Allgemeinen für die orthogonalen Funktionen verwendet.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung spreizen die Modulationsmodule jedes der digitalen Nachrichtensignale unter Verwendung vorgewählter "in-phase" (I) und Quadratur (Q) Phasen Pseudozufallsrausch (PN) Codesequenzen für das spezielle Nachrichtensystem mit Versetzungen oder Zeitverschiebung je nach Bedarf. Die vorgewählten Pseudonoise (PN) Sequenzen werden auch zum Demodulieren der In-phase und Quadratursignalkomponenten verwendet, wenn die Signale durch die beabsichtigten Empfänger empfangen werden.
Auf diese Weise wird eine Anzahl von Nachrichten- oder Benutzerempfangssignalen über eine Vielzahl von Diversity-Transferpfaden über Mehrfachsystembenutzer übertragen und zwar unter Verwendung analoger Sender assoziiert mit den Sendemodulen, die das Signal codieren, interleaven (verschachteln) und spreizen, die auf mindestens einer Trägerfrequenz übertragen werden. Die Analogsender wandeln die digitalen Nachrichtensignale in analoge Nachrichtensignale mit vorbestimmten Tastraten um.
Ausführungsbeispiele vorliegender Erfindung sind außerordentlich nützlich zum Reduzieren der Komplexität der Signaltransferstrukturen in Basisstation des Gatewaytyps, die mit mindestens einem auf einem Satelliten vorgesehenen Repeater zusammenarbeiten, um die Nachrichtenkanalsignale zu Benutzeranschlüssen zu übertragen und zwar innerhalb des Nachrichtensystems von Analogsendern. Dies ist insbesondere zweckmäßig wo mindestens zwei Satelliten in Verbindung mit dem Gateway zu irgendeiner gegebenen Zeit stehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale, Ziele und Vorteile der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden deutlicher durch die vorliegende Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, wobei in diesen die gleichen Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. In der Zeichnung zeigt:
1 ein beispielhaftes drahtloses Nachrichtensystem;
2 eine beispielhafte Gatewaymodulations- und Signalsendevorrichtung für das drahtlose Nachrichtensystem der 1;
3 eine beispielhafte Modulationsschaltung brauchbar zum Aufbau der Sendemodule gezeigt in der Vorrichtung der 2;
4a eine typische Gatewayarchitektur unter Verwendung von mehrfachen unabhängigen Datenmodulatoren, Kombinierern und Analogsendern;
4b eine allgemeinere Form der Gatewayarchitektur der 4a;
5a eine neue Gatewayarchitektur unter Verwendung mehrfacher verteilter Datenverarbeitungs- und Sendemodule;
5b eine allgemeinere Form der Gatewayarchitektur der 5a und
6 eine mehrfach verteilte Sendemodularchitektur unter Verwendung des Packetschaltens.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen eine neue Signalverarbeitungsarchitektur für Basisstationen und Gateways vor und zwar verwendet in Spreizspektrumkommunikations- oder Nachrichtensystemen. Das Verfahren und die Vorrichtung übertragen Datensignale die für jeden eine Serie von Analogsendern vorgesehen sind und zwar verwendet zur Bildung von Nachrichtenschaltungen oder -verbindungen (Links) für Systembenutzer, zu Sendemodulen assoziiert mit jedem Analogsender. Jedes Sendemodul besitzt eine Serie oder ein Satz von Signalmodulatoren, die jedem der Signale zugewiesen werden können und zwar Signalen die durch einen einzigen entspre chenden Analogsender aufgenommen werden. Die Signale werden als erstes wie gewünscht codiert und verschachtelt (interleaved), und zwar durch Codierer die mit jedem Modulator in Reihe geschaltet sind und sodann folgt die Modulation unter Verwendung entsprechender geeigneter PN-Spreizcodes. Gemeinsame Zeitsteuersignale oder Steuerungen werden für jeden Satz von Modulatoren innerhalb jedes Sendemoduls verwendet oder einem gegebenen Analogsender zugewiesen, was automatisch synchronisierte modulierte Datensignale zur Folge hat. Diese Signale können leicht summiert oder kombiniert werden. Das fertige oder schließlich kombinierte Signal wird sodann in den assoziierten Analogsender zur Übertragung oder Sendung zu Systembenutzern bzw. Systemnutzern eingeführt.
Daten werden von den Digitalsignalverarbeitungsstufen innerhalb eines Gateways abgegeben und zwar mit einer verminderten Bitrate, die leichter accommodiert oder manipuliert werden kann und zwar unter Verwendung der derzeitigen Technologie. Von diesem Verarbeitungsniveau oder Pegel gelieferte Daten sind einfachen zu einer Reihe von Codieren mit niedrigeren Datenraten zu transferieren, als traditionelle codierte verschachtelte (Interleaved)/gespreizte Datensymbole für eine große Anzahl von abgehenden Nachrichtensignalen. Dies ist nützlich für satellitenbasierte Nachrichtensysteme oder Zellensysteme oder Zellensysteme mit höherer Kapazität. Die Sendelagen bzw. -schichten dieser Systemarchitektur können in kosteneffektiver Weise erreicht werden und zwar unter Verwendung einer Reihe von leicht herstellbaren Schaltungsmodulen.
Ein beispielhaftes drahtloses Nachrichtensystem wie beispielsweise ein drahtloses Telefonsystem in dem die Ausführungsbeispiele vorliegender Erfindung verwendet werden, ist in 1 gezeigt. Ein in 1 gezeigtes Nachrichtensystem 100 verwendet, die Spreizspektrummodulationstechniken in der Kommunikation oder Verbindung zwischen Nachrichtensystemen oder Mobilnutzeranschlüssen und Systemgateways oder Basisstationen. In dem Teil des Nachrichtensystems veranschaulicht in 1 ist eine Basisstation 112 und zwei Satelliten 114 und 116 und zwei assoziierte oder dazugehörige Gate ways oder Naben bzw. Hubs 124 und 126 dargestellt und zwar zum Bewirken von Verbindungen mit zwei Benutzeranschlüssen 120 und 122.
Jeder der Benutzeranschlüsse 120 und 122 besitzt eine drahtlose Nachrichtenvorrichtung wie beispielsweise ein Zellentelefon, wobei dieses aber nicht einschränkend zu verstehen ist. Typischerweise sind derartige Einheiten entweder in der Hand zu halten oder nach Wunsch im Fahrzeug angebracht. Andere drahtlose Vorrichtungen können auch ins Auge gefasst werden, wie beispielsweise Nachrichtenempfänger und Datentransfervorrichtungen (beispielsweise tragbare Computer, PDA's, Modems und Faxmaschinen). Hier ist der Benutzeranschluss 120 als ein tragbares in der Hand zu haltendes Telefon veranschaulicht. Obwohl diese Benutzeranschlüsse als mobil diskutiert werden, ist verständlich, dass Ausführungsbeispiele der Erfindung bei festen Einheiten oder anderen Typen von Anschlüssen verwendet werden können, wo ein drahtloser Fernservice erwünscht ist. Diese Serviceart ist besonders relevant zum Aufbau von Nachrichtenverbindungen in vielen entfernten Gebieten der Welt, die ansonsten eine Nachrichtenverbindungsinfrastruktur nicht besitzen. Dies umfasst beispielsweise feste Stationen oder Telefone, Telefonzellen (pay phones), drahtlose Ortsdienstleistungen, oder ferne Datenfernentnahme oder Analysevorrichtungen oder Ausrüstungen. Die letzt genanten sind dort nutzbar wo es sich um eine außerordentlich entfernte unbewohnbare oder unangenehme Umgebungsverhältnisse besitzen Umgebung handelt.
Die Ausdrücke Basisstation, Gateway und Nabe oder Hub werden gelegentlich auf diesem Gebiet der Technik austauschbar verwendet, wobei Gateways im Allgemeinen spezialisierte Basisstationen sind, die Verbindungen über Satelliten leiten. Benutzeranschlüsse werden auch als Teilnehmereinheiten, Mobilstationen oder einfach als "Nutzer" bzw. "Benutzer", "Mobiles" oder "Teilnehmer" in einigen Nachrichtensystemen abhängig vom bevorzugten Gebrauch verwendet.
In 1 sind einige mögliche Signalpfade für Kommunikationen, Kommunikationsverbindungen oder Kommunikationslinks oder "Schaltungen" gezeigt und zwar zwischen Benutzeranschlüssen 120 und 122 und Basisstationen 112 oder über Satelliten 114 und 116 zu einer oder mehreren Gateways oder zentralisierten Hubs 124 oder 126. Die Basisstationsnutzeranschlussteile der Nachrichtenverbindungen oder Nachrichtenlinks zwischen Basisstation 112 und Benutzeranschlüssen 120 und 122 sind durch Leitungen bzw. Linien 130 bzw. 132 veranschaulicht. Die Satellitenbenutzerteile der Nachrichtenverbindungen oder -links zwischen den Gateways 124 und 126 und den Benutzeranschlüssen 120 und 122 durch Satellit 114 sind durch Linien 134 bzw. 136 veranschaulicht. Die Satellitenbenutzerteile der Verbindung der Nachrichtenverbindung zwischen den Gateways 124 und 126 und Benutzeranschlüssen 120 und 122 durch Satellit 116 sind durch Linien 138 bzw. 140 veranschaulicht. Die Gatewaysatellitenteile dieser Nachrichtenverbindungen sind durch eine Reihe von Linien 142, 144, 146 und 148 veranschaulicht. Die Pfeilköpfe dieser Linien veranschaulichen beispielhafte Signalrichtungen für jede der Nachrichtenverbindungen (communication link) und zwar entweder als Vorwärts- oder Rückwärtsverbindung, wobei dies nur für Zwecke der Klarheit und nicht in einschränkenderweise geschieht bzw. zu verstehen ist. In einigen Konfigurationen kann es möglich sein direkte Satellit – Satellitenkommunikationen vorzusehen, wie beispielsweise über eine Verbindung oder einen Link angedeutet durch die Linie 150.
Wie man in 1 erkennt, verwendet das Nachrichtensystem 100 im Allgemeinen eines oder mehrere Systemsteuerzentren mit Schaltungsnetzwerk 152 auch als ein "Mobile Telephone Switching Office (MTSO)" bei Zellularsystemen, oder als ein "Ground Operations and Control Center (GOCC)" bei Satellitennachrichtensystemen bezeichnet. Die Systemsteuervorrichtung bzw. System Controller 152 weist typischerweise eine Interface- und Verarbeitungsschaltung auf und zwar zum Vorsehen einer Systemweitensteuerung für die Gateways, die Satelliten oder Basisstationen, um eine Systemweite Verkehrsteuerung und Signalsynchronisation Aufrecht zu erhalten, wie beispielsweise für eine PN oder Orthogonalcodezuweisung und Zeitsteuerung. Die Systemsteuerung (System controller) 152 steuert auch das allgemeine Routen oder Leiten der Telefonanrufe zwischen öffentlichen Telefonnetzwerken (pub lic switched telephone networks PSTN) und Gateways und Benutzeranschlüssen. Jedes Gateway hat jedoch im Allgemeinen eine PSTN oder ähnliches Interface zur Verbindung mit derartigen Netzwerken. Nachrichtenverbindungen 154 die den Systemcontroller (Systemsteuerung) 152 mit verschiedenen Systemgateways oder Basisstationen koppeln, können aufgebaut werden und zwar unter Verwendung bekannter Techniken wie beispielsweise (aber nicht begrenzt darauf), zugewiesener (gewidmeter; dedicated) Telefonleitungen, optischer Faserverbindungen oder Mikrowellen sowie gewidmete Satellitennachrichtenverbindungen.
Obwohl nur zwei Satelliten in 1 gezeigt sind, verwendet das Nachrichtenkommunikationssystem im Allgemeinen Mehrfachsatelliten 114 und 116 die unterschiedliche Orbitalebenen durchlaufen. Eine Verschiedenheit von Mehrfachsatelliten und Nachrichtensystemen wurde in einem beispielhaften System vorgeschlagen und zwar unter Verwendung von 48 oder mehr Satelliten, die in acht unterschiedlichen Orbitalebenen nahe der Erde, d.h. Low Earth Orbit (LEO) laufen. Der Fachmann erkennt jedoch ohne Weiteres, wie die Lehren der vorliegenden Erfindung auf eine Verschiedenheit von Satellitensystemengateways oder Basisstationskonfigurationen anwendbar sind und zwar einschließlich anderer Orbitalabstände und Konstellationen.
Es wird für dieses Beispiel ins Auge gefasst, dass die Basisstation 112 Service oder Betrieb über eine individuelle geographische Zone oder eine "Zelle" liefert, während Mehrfachstrahlen von Satelliten 114 und 116 zur Abdeckung anderer im Allgemeinen nicht überlappender entsprechender geographischer Zonen gerichtet sind. Im Allgemeinen können Mehrfachstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen, auch als CDMA-Kanäle, "sub-beams" (Unter-Strahlen) oder FDM-Signale oder Kanäle bezeichnet zum Überlappen der gleichen Zone oder dergleichen Region gerichtet sein. Es ist jedoch ohne Weiteres zu verstehen, dass die Strahlabdeckung- oder der Servicegebiete in unterschiedliche bzw. Betriebsgebiete oder Flächen für unterschiedliche Satelliten und Zellenbasisstationen sich vollständig überlappen können oder auch partiell und zwar in einer gegebenen Zone abhängig von dem Nachrich tensystemdesign und der Art der Dienstleistung oder des Services, die offeriert wird. Beispielsweise kann Service für unterschiedliche Sätze von Benutzern mit unterschiedlichen Merkmalen bei unterschiedlichen Frequenzen bereitgestellt werden und ein gegebener Benutzeranschluss kann Mehrfachfrequenzen und Mehrfachservicebereitsteller mit überlappender geophysikalischer Abdeckung verwenden. Demgemäß können an verschiedenen Punkten des Nachrichtenprozesses hand-offs oder Übergaben zwischen Basisstationen oder Gateways durchgeführt werden, die verschiedene Regionen oder Zellen bedienen und Diversität kann auch erreicht werden zwischen irgendeiner dieser Nachrichtenzonen oder Regionen oder Vorrichtungen in einigen Systemen.
Die Raum- oder Pfaddiversität wird innerhalb des Nachrichtensystems 100 dadurch erhalten, dass man Mehrfachsignalpfade durch gleichzeitige Verbindungen oder Links mit einer Mobilstation oder einem Benutzeranschluss vorsieht und zwar durch zwei oder mehr Basisstationen oder Sektoren für der erdebasierte Repeater oder Wiederholersysteme, oder aber zwei oder mehr Satellitenstrahlen oder individuelle Satelliten für Satellitensysteme. Das heißt, die Pfaddiversität kann dadurch erhalten werden, dass man eine Nachrichten sendet oder empfängt für einen einzigen Benutzer unter Verwendung von Mehrfachnachrichtenpfaden (Antennen oder Transceiver). Ferner kann Pfaddiversität dadurch erhalten werden, dass man Mehrfachpfadumgebung ausnutzt und zwar durch gestatten dass ein Signal über unterschiedliche Pfade ankommt und zwar jedes mit einer unterschiedlichen Ausbreitungsverzögerung und zwar zum Empfang und zur Verarbeitung gesondert für jeden Pfad. Wenn zwei oder mehr Pfade oder Wege verfügbar sind mit hinreichender Verzögerungsdifferenz, beispielsweise größer als eine Mikrosekunde, so können zwei oder mehr Empfänger verwendet werden, um diese Signale gesondert zu empfangen.
Beispiele der Verwendung von Pfaddiversität in Mehrfachzugriffskommunikationssystemen sind in dem U.S. Patent Nr. 5,101,501 beschrieben; dieses Patent hat den Titel „Soft Handoff In A CDMA Cellular Telephone System" aus gegeben am 31. März 1992 und U.S. Patent Nr. 5,109,390 mit dem Titel „Diversity Receiver In A CDMA Cellular Telephone System" ausgegebenen am 28. April 1992.
Beispielhafte Nachrichtensysteme des Spreizspektrumtyps wie beispielsweise diejenigen, die in den zuvor genannten Patentdokumenten und in 1 gezeigt sind, verwenden eine Wellenform basierend auf einem Direktsequenzpseudorandom noise (PN) Spreizspektrumträger. Das heißt ein zu sendendes oder übertragenes Signal wird moduliert und zwar unter Verwendung einer Pseudozufallsrauschbinärsequenz (pseudorandum noise (PN) binary sequence) oder einem Paar von Sequenzen, um einen gewünschten Spreizeffekt zu erreichen. PN-Codes werden dazu verwendet, dass Spektrum sämtlicher Nachrichtensignale die über die Gateway zu Benutzer Verbindungen übertragen werden zu spreizen um zwischen Signalen zu unterscheiden, die über unterschiedliche Substrahlen gesendet werden und um zwischen Mehrfachpfadsignalen zu unterscheiden bzw. zu diskriminieren. Derartige PN Sequenzen werden im Allgemeinen als „Spreizcodes" bezeichnet.
Jede PN-Sequenz besteht aus einer Reihe von „Chips", die über eine vorgewählte PN-Codeperiode mit einer Frequenz auftreten, die viel höher ist als das Basisbandnachrichtensignal, welches gespreizt ist. Eine beispielhafte Chiprate für Satellitensysteme beträgt ungefähr 1,2288 MHz oder Mcps (Mega-chips per second) mit einer PN-Code Sequenzlänge von 1024 Chips. Ausführungsbeispiele vorliegender Erfindung sind jedoch auch brauchbar mit anderen Chipraten und Codelängen was sich für den Fachmann ergibt. Beispielsweise benutzen einige terrestrische Zellensysteme Spreizcodes mit 2¹⁵ = 32678 Chips. Jede Konstruktion eines Nachrichtensystems spezifisiert den Typ und die Verteilung der Spreizcodes innerhalb eines Nachrichtensystems gemäß auf dem Gebiet der Technik bekannten Kriterien wie beispielsweise der gesamten gewünschten Bandbreite oder der zulässigen Signalinterferenz. Eine beispielhafte Erzeugungsschaltung für diese Sequenzen ist im U.S. Patent Nr. 5,228,054 beschrieben, wobei dieses Patent den Folgenden Titel trägt: „Power Of Two Length Pseudo-Noise Sequence Generator With Fast Offset Adjustments" ausgegeben am 13. Juli 1993 und übertragen auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung.
Mehrere Trägerwellenformen können innerhalb des Nachrichtensystems 100 verwendet werden, wobei ein typisches Ausführungsbeispiel einen sinusförmigen Träger verwendet, der durch ein Paar von binären Sequenzen moduliert ist. Bei dieser Möglichkeit werden die Sequenzen durch zwei unterschiedliche PN-Generatoren mit der gleichen Sequenzlänge erzeugt. Eine Sequenz "bi-phasen moduliert" einen in-phase-Kanal (I-Kanal) des Trägers und die andere Sequenz "bi-phasen moduliert" eine Quadraturphase oder den Quadraturkanal (Q-Kanal) des Trägers. Die sich ergebenden Signale werden zur Bildung eins zusammengesetzten Signals summiert.
In einer typischen Konfiguration haben sämtliche Signale gesendet durch eine Gateway oder Basisstation den gleichen PN-Spreizcode für sowohl die I und Q-Kanäle wobei ein Code vom anderen phasenversetzt ist. Die Signale werden auch codiert oder mit einem Orthogonalcode erzeugt, unter Verwendung von Walshfunktionen abgedeckt wie oben bemerkt. Die Walshfunktionsgröße oder -länge die verwendet wird ist typischerweise in der Größenordnung von 128 Chips was bis zu einhundertachtundzwanzig unterschiedliche orthogonale Nachrichtensignale oder Vorwärtsverbindungskanäle für jede Trägerfrequenz erzeugt. Eine oder mehrere dieser Sequenzen kann Pilot-, Synchronisations- und Paging-Kanalfunktionen (eine oder mehere) gewidmet sein und zwar für jeden Substrahl (CDMA-Kanal oder Signal). Ein an einen bestimmten Benutzer adressiertes Signal wird mit dem PN-Spreizcode oder Codes und der speziellen Walshsequenz kombiniert oder eine Sequenz von Walshchips kombiniert und zwar zugewiesen durch die Gateway- oder Nachrichtensystemsteuervorrichtung. Eine orthogonale Funktion, ein Walshcode, erzeugt einen orthogonalen Kanal in dem Spreizspektrumsignal. Ein Benutzeranschluss ist angewiesen nur einen bestimmten Walshcode zu verwenden, um den Benutzeranschluss auf einem speziellen Orthogonalkanal für eine Nachrichtenverbindung zu platzieren. Dieses CDMA Kanalcodieren (abdecken) auf der Vor wärtsverbindung erzeugt Benutzersignale, die auch als Verkehrssignale oder Verkehrskanäle bezeichnet werden.
Bei der Synchronisation von Paging- oder Sprach- oder Verkehrskanälen oder Signalen werden Eingangsdaten nach Notwendigkeit digitalisiert, typischerweise codiert, mit Wiederholung (repetition) versehen und sodann zur Lieferung von Fehlerdetektions- und Korrekturfunktionen verschachtelt (interleaved). Dies gestattet, dass das Nachrichtensystem mit niedrigeren Signal-zu-Rausch und Interferenzverhältnissen arbeitet. Der Wiederholungsprozess stellt sicher, dass die Daten oder codierten Datensymbole mit einer vorgewählten Rate übertragen werden. Beispielsweise könnten 4800 bps Datensymbole einmal wiederholt werden und 2400 bps Datensymbole könnten viermal innerhalb eines Datenrahmens wiederholt werden, um eine gewünschte oder eine Soll 9600 bps Rate zu erreichen. Techniken zum Codieren, zum Wiederholen und zum Verschachteln sind auf dem Gebiet der Technik bekannt.
Die Symbole in dem fehlercodierten Symbolstrom für jeden Kanal werden sodann mit einer zugewiesenen (assigned) Orthogonalcodesequenz oder einem Kanalisierungscode wie oben beschrieben, und mit den PN-Spreizcodes kombiniert, was grundlegende digitale Nachrichtensignale erzeugt. Alternativ können die Kanalisier- und Spreizcodes miteinander zuerst kombiniert werden. Die sich ergebenden Spreizsymbolströme für jedes Signal werden sodann zusammen addiert, um eine zusammengesetzte Wellenform zu bilden.
Eine einzelne PN-Codesequenz oder ein Paar von Sequenzen wird im Allgemeinen für die Spreizfunktion in einem Nachrichtensystem verwendet. Signale für unterschiedliche Strahlen werden im Allgemeinen differenziert oder unterschieden durch vorsehen unterschiedlicher Zeitversetzungen der grundlegenden PN-Codesequenz für jeden Strahl relativ zu seinen Nachbarn. Das heißt, die Benutzeranschlüsse, die in dem Betriebs- oder Leistungsgebiet eines gegebenen Strahles arbeiten, teilen oder haben gemeinsam eine einzige PN-Spreizcodezeitversetzung, während andere Strahlen unterschiedliche Verset zungen des gleichen PN-Codes verwenden. Die grundlegende Signalzeitsteuerung etabliert durch jedes Gateway für Benutzer, die auf einer gegebenen Frequenz (CDMA-Kanal) bedient werden, ist die gleiche. Alternativ können die Strahlen unterschieden werden durch vorsehen unterschiedlicher PN-Codesequenzen (unterschiedliche Polynome) für jeden Strahl oder Unterstrahl.
Die sich ergebenden PN gespreizten und Orthogonalcodierten Ausgangssignale werden sodann typischerweise bandpassgefiltert und auf einen HF-Träger moduliert. Dies wird typischerweise durch Bi- oder Zweiphasenmodulation eines Quadraturpaars von Sinuswellen erreicht, die in ein einziges Nachrichtensignal summiert werden. Die resultierenden Signale können ferner verstärkt und gefiltert werden, bevor sie mit anderen Vorwärtsverbindungssignalen summiert werden und durch eine Antenne für die Gateway abgestrahlt werden. Die Filterung, das Verstärken und die Modulationsoperationen sind dem Fachmann bekannt. Alternative Ausführungsbeispiele können die Ordnung einiger dieser Operationen oder Vorgänge zur Bildung eines von einem Gateway gesendeten Signals austauschen. Zusätzliche Details hinsichtlich des Betriebs dieses Typs einer Sendevorrichtung finden sich in U.S. Patent Nr. 5,103,459 ausgegeben am 7. April 1992 mit dem Titel „System and Method For Generating Signal Waveforms in a CDMA Cellular Telephone".
Eine beispielhafte Sendevorrichtung 200 zur Verwendung in Basisstationen oder Gateways verwendet zur Implementierung eines CDMA-Nachrichtensystems ist im Einzelnen in 2 veranschaulicht. In einer typischen Basisstation werden Senderabschnitte oder -syteme verwendet, wobei jeder Abschnitt gesonderte Analogsender aufweist und manchmal gesonderte Antennen zur Bewirkung einer Raumdiversitätssendung oder -übertragung. In einem Gateway werden Mehrfachanalogsender verwendet, um Frequenzdiversität wie oben diskutiert, zu erreichen. Das heißt, in einem Gateway sendet jeder Analogsender unterschiedliche Frequenzsignale durch unterschiedliche Satellitenstrahlen oder Substrahlen aus. Wenn gewünscht und die Kosten es gestatten, können auch gesonderte Antennen verwendet werden, um einige dieser Signalübertragungen zu bewirken. In jedem Falle werden die Nachrichtensignale im Wesentlichen in gleicher Weise in jedem der Modulatorabschnitte verarbeitet und erfahren dann einen Kombinationsprozess.
Wenn Sprachdaten oder andere Daten als eine Ausgangsnachricht oder Kommunikationssignal für einen Benutzeranschluss hergestellt werden, werden Benutzerbasisbandschaltungen oder Verarbeitungselemente 202 verwendet, um die gewünschten Daten für die Sendung zu empfangen, zu speichern, zu verarbeiten und in andere Weise herzustellen. Die Basisbandschaltung 202 weist eine in der Technik bekannte Vorrichtung auf die hier im Einzelnen nicht dargestellt ist. Die beispielhafte Basisbandvorrichtung umfasst verschiedene bekannte Elemente wie beispielsweise Vocoder, Datenmodems, Analog-zu-Digitalwandler und digitale Schalt- und Speicherkomponenten, wobei dies aber nicht darauf beschränkt ist. Die Basisbandschaltung 202 empfängt Eingangsgrößen wie beispielsweise Sprache (Analog), digitale Daten oder Nachrichten und liefert Digitaldaten an einen oder mehrer Sendemodulatoren 204, die unter der Steuerung von mindestens einem Steuerprozessor 206 arbeiten.
Der Gateway Steuerprozessor 206 ist elektrisch an die Sendemodulatoren 204 und die Basisbandschaltung 202 gekoppelt. Der Steuerprozessor 206 liefert Befehls- und Steuersignale zur Bewirkung von Funktionen, wie beispielsweise den Folgenden, wobei aber keine Beschränkung darauf erfolgt: Signalverarbeiter, Zeitschaltsignale, Zeitsteuersignale, Leistungssteuerung, handoff oder Übergabesteuerung, Diversitätpfadauswahl und Systeminterfacing. Zudem weist der Steuerprozessor 206 PN-Spreizcodes, orthogonale Codesequenzen und spezielle Sender oder Module zur Verwendung Nutzerkommunikationen zu. Der Steuerprozessor 206 steuert auch die Erzeugung und Leistung der Pilotsignale, der Synchronisationssignale und der Pagingkanalsignale. Der Steuerprozessor 206 wird unter Verwendung bekannter Verarbeitungselemente implementiert, wie beispielsweise Digitalsignalprozessoren, Mikroprozessoren, Computer und anderen Elementen, die unter der Steuerung von Software oder Firmware arbeiten.
Wie in 2 gezeigt, kann eine Zeit- und Frequenzeinheit (TFU) 208 verwendet werden, um Zeitsteuerungs- und Frequenzreferenzsignale für die verschiedenen Verarbeitungselemente in dem Gateway zu erzeugen. Eine TFU verwendet üblicherweise einen (nicht gezeigten) GPS-Empfänger um Universal Time (UT) Signale zu erfassen, um die Synchronisation über das Nachrichtensystem hinweg zu erhalten. Zentrale Steuervorrichtungen können auch eine derartige Information in einigen Konfigurationen vorsehen. Die TFU 208 kann konfiguriert sein, um mit anderen Schaltungen oder Schaltungselementen zu arbeiten, wie beispielsweise Taktsignalgeneratoren, um die relative Zeitsteuerung der (clock bzw. Takt) Signale zu verzögern oder vorzuschieben und zwar unter Prozessorsteuerung durch vorbestimmte Größen wenn erwünscht.
Zu den Benutzeranschlüssen gesendete Signale können dann jeweils elektrisch mit einem oder mehreren geeigneten Digitalsendern 210 A-N gekoppelt werden. Ein typisches Gateway verwendet eine Anzahl derartiger Sendetransmitter 210 um Service für viele Benutzeranschlüsse gleichzeitig vorzusehen und für mehrere Satelliten und Strahlen gleichzeitig. Die Anzahl der Sendetransmitter 210 A-N, die in einem Gateway verwendet wird, wird bestimmt durch Faktoren die in der Technik bekannt sind und zwar der Systemkomplexität, der Anzahl der Satelliten die üblicherweise im Gesichtsfeld liegen, der Benutzerkapazität, des Ausmaßes der gewählten Diversität und der gleichen wie dies anderswo diskutiert ist.
Ein Sendemodulator 204 A-N innerhalb jedes digitalen Sendersspreizspektrums moduliert Daten zur Sendung und hat im Allgemeinen eine Ausgangsgröße oder einen Ausgang elektrisch gekoppelt mit einem digitalen Sendeleistungsregler oder Controler 212, der die Sendeleistung verwendet für das nach außen gehende Digitalsignal steuert oder regelt.
Die Ausgangsgröße jedes Sendeleistungscontrollers 212 (A-N) wird zu einem Summierer 220 transferiert, wo die Summierung mit Ausgangsgrößen von anderen Leistungssteuerschaltungen erfolgt. Die Ausgangsgrößen sind Signale zur Übertragung zu anderen Benutzeranschlüssen mit der gleichen Frequenz innerhalb des gleichen Strahls wie die Ausgangsgröße des Sendeleistungscontrollers 212 (A-N). Die Ausgangsgröße des Summierers 220 wird an einen Analogsender 224 geliefert zur Digital-zu-Analogumwandlung, zur Umwandlung auf die geeignete HF Trägerfrequenz und zur weiteren Verstärkung, Filterung und Ausgabe an eine oder mehrere Antennen 230 zum Abstrahlen zu Satelliten und/oder Benutzeranschlüssen.
Während der Steuerprozessor 206 elektrisch direkt mit dem Modulator 204 A-N oder Leistungssteuerelementen 212 A-N gekuppelt sein kann, sind diese Elemente manchmal in Sendern 210 A-N zusammengruppiert und jedes weist im Allgemeinen einen senderspezifischen Prozessor auf wie beispielsweise einen Sendeprozessor 216 A-N der die Elemente des digitalen Senders steuert. Auf diese Weise ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Steuerprozessor 206 elektrisch mit einem Sendeprozessor 216 A-N wie in 2 gezeigt, gekoppelt. Auf diese Weise kann ein einziger Steuerprozessor 206 die Betriebsweisen einer großen Anzahl von digitalen Sendern steuern und die Ressourcen effizienter nutzen. Der Sendeprozessor 216 A-N steuert die Erzeugung von und die Signalleistung für die Pilot-, Synchronisations-, Paging- und Verkehrskanalsignale und ihre entsprechende Kopplung an einen Leistungscontroller 212 A-N.
Wenn erwünscht, können eines oder mehrere Frequenz- oder Zeitsteuervorkorrekturelemente (nicht gezeigt) durch das Gateway verwendet werden. Vorzugsweise werden derartige Elemente verwendet, um die Signalfrequenz oder die Zeitsteuerung bei der Basisbandfrequenz einzustellen und zwar unter Verwendung bekannter Verfahren. Die Vorkorrektur (precorrection) der Signalparameter wird im Einzelnen im U.S. Patent Nr. 5,713,288 ausgegeben am 3. Februar 1998 diskutiert, wobei das Patent den Titel "Time And Frequency Precorrection For Non-Geostationary Satellite Communication Systems" trägt.
Ein beispielhaftes Signalmodulatordesign zur Implentierung der Sendemodulatoren 204 A-N ist in 3 veranschaulicht. In 3 ist ein Codierer 302 und ein Interleaver 304 gezeigt, die Teil eines Sendemodulators 204 A-N sein können oder einen anderen Teil von Digitalsendern 210 A-N bilden. Wie später diskutiert bezieht sich die Sendemodulation typischerweise auf die Orthogonalcodeabdeckung oder -kanalisierung oder Spreizoperationen. Vor der Anwendung der Orthogonalcodierung oder -spreizung werden Benutzerdatensignale geführt durch jeden Kanal im Allgemeinen faltungsmäßig codiert, mit Wiederholung und Verschachtelung, um Fehlerdedektions- und Korrekturfunktionen vorzusehen. Die Codierung liefert Daten "Symbole" die sodann verarbeitet werden, um gewünschte Kommunikations- oder Nachrichtensignale zu bilden. Techniken für die Faltungscodierung, die Wiederholung und das Verschachteln (interleaving) sind in der Technik bekannt.
Die verschachtelten Datensymbole können durch eine binäre PN_u Sequenz in einem Logikelement 306 multipliziert werden. Diese Sequenz wird durch die Ausgangsgröße eines langen PN-Code Generators 308, (typischerweise auch getaktet) geliefert und zwar mit der Systemspreizcodechiprate, sodann erfolgt dann eine Dezimierung in einem Dezimator 310 um eine niedrigere Rate wie beispielsweise 19200 bps vorzusehen. Die Ausgangsgröße des Dezimators wird mit einem Eingang vom Logikelement 306, hier einem Multiplizierer, verbunden wobei ein zweiter Eingang mit dem Interleaver 304 verbunden ist. Alternativ könnte der Ausgang des Dezimators 310 in Serie mit anderen Elementen wie beispielsweise einem Multiplizierer 320 geschaltet sein, um mit den sich ergebenden abdgedeckten Daten multipliziert zu werden. Wenn der Walshcode und die PN_U Sequenzen aus binären "0" und "1" Werten bestehen an Stelle von "-1" und "1" können die Multiplizierer durch Logikelemente wie beispielsweise Exklusiv-ODER-Gatter ersetzt werden wie dies bekannt ist.
Die Codesequenz PN_U entspricht einer einzigartigen PN-Phasenversetzung für einen bekannten langen PN-Code vewendet in dem Nachrichtensystem. Diese versetzte Sequenz wird erzeugt durch oder für jeden Benutzeranschluss und kann unter Verwendung einer Verschiedenheit von bekannten Elementen für diesen Zweck konfiguriert und aufgebaut sein. Eine Einheitsadresse oder eine Benutzer ID kann auch verwendet werden um zusätzliche Be nutzeranschlussidentifikation oder Sicherheit vorzusehen. Das Format der PN_U Sequenz sollte dem der Walshcodes entsprechen die an das Logikelement 306 angelegt sind. Das heißt entweder "-1/1" oder "0/1" Werte werden gemeinsam verwendet und Konversions- oder Umwandlungselemente können am Ausgang des Codegenerators verwendet werden, um eine "0/1" Typsequenz in eine "1/-1" Typsequenz nach Erfordernis umzuwandeln. Alternativ kann ein nichtlinearer Verschlüsselungs- (encryption) generator verwendet werden wie beispielsweise eine Verschlüsseler (encrypter) unter Verwendung des Datenverschlüsselungsstandards (DES = data encryption standard), und zwar anstelle des PN-Generators 308, wenn gewünscht. Die PN_U Sequenz kann entweder für die Dauer einer gegebenen Verbindung, oder permanent, einer Einheit zugewiesen sein.
Die verschachtelten Datensymbole 312 vom Interleaver oder Verschachteler 304 oder vom Ausgang des Logikelements 306 werden sodann orthogonal codiert oder abgedeckt mit einer zugewiesenen Orthogonalcodesequenz, hier eine Walshfunktion oder ein Code und zwar geliefert durch mindestens einen Codegenerator 322. Es Code vom Codegenerator 322 wird multipliziert mit oder kombiniert mit den Symboldaten in einem Logikelement 320. Die orthogonale Funktion wird typischerweise mit der gleichen Rate getacktet wie die Spreizcodechiprate. Das ist auch möglich bekannte Elemente zu verwenden wie beispielsweise einen schnellen Hadamard Transformer um den orthogonalen Codierprozess durchzuführen. Diese Art der Verarbeitung ist im Einzelnen im U.S. Patent Nr. 5,757,767 beschrieben, welches den Titel "Method and Apparatus for Joint Transmission Of Multiple Data Signals in Spread Spectrum Communication Systems" trägt und am 26. Mai 1998 ausgegeben wurde.
Die Modulatorschaltung weist auch mindestens einen im Allgemeinen zwei PN-Generatoren 330 und 332 auf, die zwei unterschiedliche kurze PN_I und PN_Q Spreizcodes oder Codesequenzen für die In-Phase (I) und Quadratur (Q) Kanäle zu erzeugen. Diese Codeerzeugung kann einen funktionellen Teil von einem oder mehreren Steuerprozessoren oder Speicherelementen verwendet in der Gateway bilden. Alternativ können diese Generatoren durch mehrere Empfänger auf Timesharebasis auf zeitlich geteilter Basis verwendet werden und zwar unter Verwendung geeigneter Interfaceelemente. Beispielhafte Erzeugungsschaltungen für diese Sequenzen sind bekannt und in U.S. Patent Nr. 5,228,054, oben erwähnt, offenbart. Diese PN-Generatoren können auch auf ein Eingangssignal ansprechen, entsprechend einem Strahl oder einem Zellenidentifikationssignal von dem Steuerprozessor um so eine vorbestimmte Zeitverzögerung oder -versetzung für PN-Sequenzen vorzusehen. Obwohl nur zwei PN-Generatoren zur Erzeugung der PN_I und PN_Q Sequenzen veranschaulicht sind, erkennt man ohne Weiteres, dass viele andere PN-Generatorschemata implementiert werden könnten.
Die orthogonal abgedeckten Symboldaten 324 ausgegeben durch Logikelement oder Multiplizier 320 werden sodann mit den PN_I und PN_Q Spreizcodes kombiniert oder multipliziert und zwar unter Verwendung eins Paars von Logikelementen oder Muliplizierern 334 bzw. 336. Die sich ergebenden Signale werden sodann zu einer entsprechenden Leistungssteuer- und Verstärkungsschaltung übertragen, sowie zu einem Sendeleistungscontroller 212 und Analogsender 224. Hier erfolgt die Modulation auf einen HF-Träger typischerweise durch Bi- oder Zweiphasenmodulation eines Quadraturpaares von Sinuskurven, die in ein einziges Signal summiert werden mit anderen Verkehrskanalsignalen und zwar zusammen mit dem Pilot und irgendwelchen "setup" bzw. Einstell-Kanalsignalen. Die Summierung kann an mehreren unterschiedlichen Punkten in der Signalverarbeitung erreicht werden, wie beispielsweise bei der Basisband- oder Zwischenfrequenz und zwar entweder vor oder nach der Kombination mit der PN-Sequenz in Beziehung stehend bzw. assoziiert mit dem CDMA-Kanal.
Ein typisches Gesamtgatewaysendesystemdesign zur Verarbeitung von Datensignalen für viele Benutzer und Diversitätspfade zu einer Zeit zur Übertragung desselben zu angepeilten oder gezielten Benutzern oder Empfängern ist in den 4a und 4b gezeigt. 4a zeigt eine spezielle Datenbusstruktur wohingegen 4b eine verallgemeinerte Form zeigt, einschließlich ei nes analogen Tranfer- und Übertragungspfades. In den 4a und 4b werden Benutzerdaten 400 (400₁ -400_D ), d. h. Daten vorgesehen für einen gegebenen Nutzer-, Verkehrs- oder Nachrichenkanal D (1 aus 128, D=1128) in das Gateway eingegeben. Die Daten 400_D werden in einem vorbestimmten Datenrahmenformat übertragen und zwar mit einer vorgewählten Perioditzität zu einem aus einer Serie von Codier/Interleaver (Verschachtelungs) Elementen 402 (402₁ -402_D ) wo die Daten verschachtelt und codiert werden. In 4b ist der Interleaving oder Verschachtelungsteil, als otional, für die Elemente 402' (402'₁ -402'_D ) weggelassen.
Die Daten für jeden Verkehrs (oder anderen) Kanal werden sodann in einem Modulator 404 (404₁₁ -404_DK ) moduliert, wobei mehrere der Modulatoren vorhanden sind, um eine gewünschte Anzahl von K Diversitätsmodesignalen festzulegen und von Signalpfaden oder Schaltungen für ein gegebenen Benutzer. Das heißt, es ist zweckmäßig bzw. erwünscht in der Lage zu sein die Signale für einen gegebenen Kanal über Mehrfachsignalpfade (Antennen, Substrahlen, Senderpfade usw.) zu übertragen und ein typisches System könnte beispielsweise bis zu 64 derartige Diversitätsmoden oder Betriebsarten gestatten. Daher würde K typischerweise so groß wie 64 sein, obwohl andere Zahlen von Modulatoren verwendet werden können und zwar abhängig von bekannten Konstruktionsfaktoren wie beispielsweise einer gewünschten oder Sollmaximalmenge an zulässiger Diversität, Systemkomplexität, Kosten und Zuverlässigkeit. In diesem Beispiel gibt es 64 Modulatoren (K=64) für jeden Benutzerdatenkanal D Eingang auf (maximaler Wert für D ist maximale Zahl von orthogonalen Codes). Dies ergibt eine beträchtlich große Zahl von Modulatoren und Ausgangsgrößen zur Steuerung.
Es sei bemerkt, dass diese Modulatoren typischerweise in digitalen Sendern wie oben diskutiert vorhanden sind. Hier wurden die Sendercontroller oder Steuervorrichtungen und die Leistungssteuerelemente wegen der Klarheit der Veranschaulichung weggelassen. Die Modulatoren können mehrere Verarbeitungselemente aufweisen oder verwenden und zwar einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, von digitalen Signalprozessoren, die dazu verwendet wer den, um das Signal für die Sendung vorzubereiten. Die Abdeckung und das Spreizen sind unten diskutiert und in der beispielhaften Modulationsschaltung der 3 für die Zwecke der Klarheit für die Erläuterung sollte es klar sein, dass die orthogonale Abdeckung oder Kanalisierung nicht für den Betrieb von Ausführungsbeispielen der Erfindung erforderlich ist und auch in einigen Anwendungen nicht verwendet wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung reduzieren die Komplexität durch Reorganisation der Art und Weise in der die Daten verarbeitet werden unabhängig von dem Modulationsschema welches verwendet wird (CDMA, Spreizspektrum, andere).
Die Ausgangsgrößen von jedem Modulator 404 (404₁₁ -404_DK ) werden sodann zu den Eingangsstufen jedes der Analogsender oder Senderstufen 408 (408₁ -408_M ) übertragen und zwar verwendet durch die Gateway zum Senden der entsprechenden Signale. Dieser Transfer oder diese Übertragung erfolgt über einen Datenbus oder eine Serie von bekannten Kabeln, Signalleitern, Datenbussen oder anderen bekannten Verteilungsmechanismen 406. Der Bus 406 ist im Allgemeinen DxK Datenworte breit, wobei jedes Wort die Anzahl der Bits ist, die für jedes Symbol verwendet wird. Die Gesamtzahl M der Analogsender 408_M hängt wiederum von bekannten Systemkonstruktionsfaktoren ab, wie beispielsweise der Anzahl der Antennen, Satelliten, der Systemkomplexität, den verarbeiteten Diversitätsbetriebsarten, den CDMA-Kanälen und der Kanalkapazität usw. Eine typische Anzahl von Analogsendern 408_M würde mindestens 3 (M=3) sein und wahrscheinlicher in der Größenordnung von 1 für jeden Substrahl (sub-beam) (CDMA-Kanal) in einer oder mehreren Strahlen (Frequenzen) oder möglicherweise 4 oder mehr Satelliten liegen. Ein typisches Satellitennachrichtensytem könnte 13 Substrahlen verwenden auf oder mit 1 bis 16 Strahlen, die durch das Gateway durch 2 bis 4 Satelliten zu jeder Zeit übertragen werden oder eine Gesamtzahl von 32 bis 832 Analogsendern (M=32 bis 832) in dem Gateway. Zusätzliche Polarisationsmodes oder Betriebsarten und andere Faktoren können die Anzahl der Analogsender 408_M die verwendet wird, erhöhen oder vermindern, wie dies bekannt sein würde.
Jeder der Analogsender 408 (408₁ -408_M ) verwendet eine Signalkombinationsstufe oder Element 410_M (410₁ -410_M ) und einen Senderverstärker oder eine Leistungsstufe 412 (412₁ -412_M ) was hier als Analogsender bezeichnet ist. Der Combiner oder Kombinierer 410 (410₁ -410_M ) kombiniert bis zu D Benutzerkanäle der modulierten Datensymbole in ein einziges Signal zu Sendung über einen analogen Übertragungspfad 416 (416₁ -416_M ) der einen analogen Sender und eine Antenne 230 aufweist, wobei der Maximalwert von D basierend auf der Anzahl der orthogonalen Codes verwendet oder verfügbar wie oben ist. Elemente zur Kombination oder zum Multiplexen der Signale in eine D:1 (hier 128:1) Kombination oder Abbildung ("mapping") sind bekannt und werden hier im Einzelnen nicht weiter beschrieben. Analogsender 412 (412₁ -412_M ) sind mit Antennen 230 (230₁ -230_M ) verbunden, wobei die Anzahl von der Systemkonstruktion oder dem Systemdesign abhängt und von Gateway-Designfaktoren, die bekannt sind. Da jedes Gateway typischerweise 4 oder weniger Antennen besitzt, obwohl weniger verwendet werden können, könnten mehrere Analogsender mit einer Antenne durch eine andere Kopplungs- und Summierelemente, Vorrichtungen oder Schaltungen, nicht gezeigt, verbunden sein.
Wie oben diskutiert, besteht ein Problem bei der typischen Konfiguration gemäß der 4a und 4b darin, das die Gesamtgröße der Daten, die Übertragen wird um die Ausgangssignale zu erzeugen oder zu bilden die Ausgangssignale von Analogsendern 412 (412₁ -412_M ) sind. Wenn eine typische 8 Bit pro Symbol-Tastung verwendet wird, mit einer zweifachen (2x) Übertastrate und einer typischen 1,288 Mcps Chiprate für den PN Spreizcodemodulator auf jedem eines In-Phase (I) und einer Quadratur (Q) Kanals, dann gibt es ungefähr 40 Mbps Daten am Ausgang jedes Diversitäts-Mode-Modulators 400_DK Deshalb sei bemerkt, dass in 4b die I und Q Kanäle als einzelne gemeinsame Linien aus Gründen der Klarheit gezeigt sind. Es gibt jedoch bis zu 128 Benutzersignale (minus Pilot-, Paging- und Synchronisationskanäle mit ihren eigenen Datenerfordernissen), die von zwei bis zu 64 Diversitätsmodes verfügbar für jeden besitzen, was die Folge hat, dass die Daten-Busse versuchen eine Übertragung vorzunehmen in der Größenordnung von 40 × 128 × (2 bis 64) Mbps (10 bis 327 Gbps) von Daten unter den oder zu den verschiedenen Analogsendern. Der Transfer von zuviel Daten ist mit den derzeitigen Systemen nicht praktikabel.
Zusätzlich, um die verschiedenen Kanalsignale zu kombinieren, erkennt man, dass ihre Datenrahmen oder kodierten und gespreizte Datensymbole auf innerhalb weniger als ein halb des Chiptiming für die PN Spreizcodes, die verwendet werden, synchronisiert werden muss. Man erkennt ohne weiteres, dass auf diesem Maßstab, das Aufrechterhalten des Pegels für der Synchronisation diese Anzahl von Signalen und die Ausübung einer präzisen Steuerung über die Übertragung der Daten selbst außerordentlich aufwendig ist und zu nicht praktikablen Aufgaben führt. Das macht die Synchronisierung einer großen Anzahl von dynamisch sich ändernden Signale mit 0,4 Mircosekunden Genauigkeit erforderlich, was in den meisten kommerziell effektiven Systemen nicht möglich ist, selbst nicht mit den verfügbaren TFU Signalen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung vermindern die Bürde der Datenübertragung und machen kosteneffizientere und zuverlässigere Sendestufen für die Gateways möglich. Dies wird erreicht dadurch, dass man bestimmte Signalverarbeitungsfunktionen trennt und zwar in Modulargruppen assoziiert mit den individuellen Analogsendern. Durch Übertragen der Daten zu entsprechenden Modulen zur Verarbeitung mit Raten die mit der Signalverarbeitung mit einem Modul übereinstimmen, können die Datentransferraten stark reduziert werden, und zwar gegenüber dem was für die konventionellen Verarbeitungsübertragungen erforderlich ist. Die für die individuellen Module verwendeten Raten oder die Signalverarbeitungsoperationen werden niedriger sein, als die für den Transfer verarbeiteter Daten zu sämtlichen der Analogsender zu einer Zeit erforderlich sind. Durch muliplexen dieses Datentransfers wie beispielsweise durch die Verwendung von packetisierten Kanaldaten zusammen mit einer niedrigeren Datenrate und sodann durch die Übertragung derselben von den D Eingängen zu den M Senderelementen im Zuge der Verarbeitung, wird die Übertragungsrate reduziert.
Dieses neue Verfahren bzw. diese neue Technik ist in 5a und 5b gezeigt, die eine neue Gateway-Architektur veranschaulichen und zwar unter Verwendung von mehrfach verteilten Datensendern und modularen Sendeverarbeitungselementen. In den 5a und 5b werden die Datensymbole von jedem Benutzerkanal 400 (400₁ -400_D ) direkt über einen Datenbus, Kabel oder andere bekannte Verteilungsmechanismen 506 übertragen und zwar zu einer Serie von Sendestufen, Abschnitten, Vorrichtungen oder Modulen 508. Innerhalb jedes Sender- oder Übertragungsmoduls 508 (508₁ -508_M ) gibt es eine Anordnung von Codierer/Interleavern 502 (502₁₁ -502_MR ) und entsprechende Modulatoren 504 (504₁₁ -504_MS ), die dazu verwendet werden die Signale in einer Weise zu verarbeiten ähnlich wie dies zuvor diskutiert wurde. Jedes Sendemodul 508 der M Module (M ist wie zuvor) verwenden eine Anzahl von Eingangsstufen oder Verarbeitungspfaden gleich der Anzahl von Kanälen (R und S begrenzt durch die orthogonale Codes/Codelänge), d.h. es kann eine Verarbeitung durch das Sendemodul durchgeführt werden. Nimmt man an, dass die Codestruktur wie oben beschrieben ist, so ergibt sich ein Maximum von 128 Kanälen minus dem Pilotkanal. Daher wäre R und S gleich D oder kleiner, was sich aus obigen Beispiel ergibt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet jeder Signaltransfer- oder Verarbeitungspfad einen Codierer/Interleaver 502_R und einen Modulator 504_S . Obwohl es bis zu 128 Module pro Übertragung oder entsprechende Transmitter (hier N = S = R = 128) gibt, bilden diese ein kompakteres verbundenes Modul als das in der vorhergehenden Struktur verwendete Modul. Die Anzahl der Codierer/Interleaver 502_R und der Modulatoren 504_S verwendet in jedem Sendemodul 508 muss nicht gleich dem Maximum sein oder dauernd fixiert sein. Das heißt eine eins zu eins Korrespondenz ist nicht erforderlich. Basierend auf den Systemkonstruktionscharakteristika können wenige Elemente benutzt werden, die die durchschnittliche Anzahl der Diversitätspfade begrenzt die verwendet werden oder Daten werden entlang eines gegebenen Analogpfades übertragen. Systemtestung oder historische Daten können dazu verwendet werden, diese Zahl zuzuschneiden oder einzustellen. Zudem können einige dieser Elemente gemäß den Prinzipien des „Time Sharing" ver wendet werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden weniger als D Codierer/Interleaver 502_R verwendet, um als Eingangsstufen für eine größere Anzahl von Modulatoren 504_S zu dienen. Beispielsweise können nur 8 bis 10 Interleaver die durch die 32 bis 64 Modulatoren verarbeitenden Signale berücksichtigen, oder es könnte ein selbst noch größeres Verhältnis verwendet werden. Der Fachmann erkennt, wie weniger oder wie mehrere Elemente zugewiesen werden können, um diese Funktionen zu erreichen und zwar basierend auf einer speziellen Nachrichtensystemkonstruktion und -kapazität.
Die Eingangsgröße für die Codierer/Interleaver 502_R und der Modulatoren 504_S können ebenfalls gesteuert werden oder auf unterschiedliche Weisen zugewiesen werden. d.h. abhängig von der verwendeten Zahl von Elementen kann jedes einen zuvor zugewiesenen Kanal besitzen über den eine Eingangsgröße empfangen wird. In dieser Konfiguration empfängt der Codierer/Interleaver 502₁ immer Daten vom Benutzer- oder Verkehrskanal 1, 502₂ empfängt vom Verkehrskanal 2 usw. Modulatoren 504_R könnten in ähnliche Weise zugewiesen sein. Wenn es weniger Codierer/Interleaver 502_S als Kanäle gibt, so können sie in Gruppen von Kanälen vorarrangiert werden. Alternativ und bevorzugterweise werden Codierer/Interleaver und Modulatoren in der Reihenfolge ihrer Verfügbarkeit verwendet. d.h. der erste Verkehrs- oder Benutzerdatenkanal wird in den ersten verfügbaren Interleaver eingegeben und zwar basierend darauf dass dieser nicht in Benutzung ist und aufirgendeiner vorbestimmten Ordnung der Benutzung über den Satz von Elementen hinweg. Die Interleaverausgangsgrößen werden sodann zu Modulatoren übertragen und zwar unter Verwendung eines ähnlichen Schemas. Elemente wie beispielsweise der Steuer- oder Kontrollprozessor oder Gateway-Sendeprozessoren können dazu verwendet werden, um die Ordnung und Lage für die Übertragung dieses Signals zu bestimmen.
Die Codierer/Interleaver und Modulatoren können als preiswerte Module konstruiert sein, die leicht hergestellt und mit Analog-Sendern in elektronischen Subsystemen gruppiert werden können und zwar für die Gateway HF Verarbeitungsabschnitte. In einigen Konfigurationen können die Codie rer/Interleaver und Modulatoren in einzige Module kombiniert werden wobei Codiermodulatoren gebildet werden, die das gesamte Codieren, Interleaven und Modualtionsverarbeiten in einer einzigen Schaltung, einem einzigen Element oder einer Vorrichtung ausführen. Dies kann mehr Elemente zur Bildung eines Sendemoduls in dieser Situation erforderlich machen, da das Timesharing der Codierer/Interleaver im Wesentlichen reduziert oder eliminiert würde.
Die Codierer/lnterleaver und Modulatorelemente können auch in der Lage sein, dass sie erneut zugewiesen werden und zwar über die „Grenzen" der Sendemodule wie gezeigt hinaus. D.h. diese Elemente sind zusammen zur Bildung von Sendemodulen gruppiert und zwar basierend auf Elementenaufgabezuweisungen, aber nicht auf der örtlichen Lage innerhalb eines Gateways. Diese Elemente könnten in größeren Anordnungen implementiert werden und zwar unter Verwendung bekannter Komponenten wie beispielsweise, aber nicht darauf begrenzt den Folgenden: digital Signalprozessoren, Mikroprozessoren, Codierer, modulatorintegrierte Schaltungen, Speicherelemente usw., und wobei diese Komponenten programmiert sind oder miteinander verbunden sind und unter Verwendung von elektronischen Schaltelementen wie dies in der Technik bekannt ist. Die Schaltelemente können durch Steuerelemente oder Prozessoren verwendet werden, um auszuwählen mit welchem Analogsender die Elemente oder Vorrichtungen verbunden sind. Dies kann die erneute Zuweisung von Ressourcen nach Bedarf für jeden speziellen Analogpfad gestatten. Auf diese Weise wird die Anzahl der Elemente weiter vermindert, die in einigen Systemen benötigt werden und zwar basierend auf einer niedrigeren durchschnittlichen Diversitätsmodusbenutzung. D.h. weniger Modulatoren müssen für die Benutzung reserviert sein.
Ein Vorteil der obigen Anordnungen besteht darin, dass die Eingangsdaten für jeden Codierer und infolgedessen für jeden analogen Sendeabschnitt über Bus oder Mechanismus 506 übertragen werden und zwar typischerweise mit einer Rate in der Größenordnung von 9600 bps oder weniger; oder aber was auch immer in dem speziellen System erforderlich ist. Daher können die Hauptdatenbusse in einem Gateway nunmehr mit starkreduzierten Datenüber tragungsraten arbeiten, wobei sie weniger kompliziert oder komplex sind und viel einfacher zu steuern sind. Zudem kann die Anzahl der physikalischen oder körperlichen Zwischenverbindungen, die benötigt werden um diesen Datentransfer oder diese Datenübertragung zu Erzeugen ebenfalls stark reduziert werden. Es sind nur die N Kanäle des Eingangs (S kleiner als N) zu jedem der Analogtransmitter (M) erforderlich, die als ein D Datenwort breiter Bus (hier, max D=128) konfiguriert sein können. Die Komplexitätsreduktion kann man auch in 5b sehen, wo jede Benutzereingangsinformation nur zu einigen der Analogsender übertragen wird, d.h. K<M und sämtliche Verbindungen oder Zwischenverbindungen müssen nicht wie in 4a gezeigt, gehalten werden.
Sobald die codierten und modulierten Daten für jeden Kanal am Eingang zu den Analogsendern empfangen wurden, werden die Daten für jedes der Benutzersignale automatisch synchronisiert und zwar zur Kombination mit den Daten für andere Benutzersignale für diesen Sender. Dies ist das Ergebnis der Verwendung gemeinsamer Clocks oder Takte und anderer Signale zur Steuerung jeder der Verarbeitungsketten innerhalb jedes Sendemoduls derart, dass die Zeitsynchronisation automatisch über die Sendemodulverarbeitung beibehalten wird. Diese Zeitsteuerung ist als die TFU/OTHER Eingangsgröße gezeigt, als Befehl oder Steuerleitung in 5a und zwar verbunden mit TFU, Prozessorschaltungen wie oben diskutiert, oder andere bekannte Zeitsteuer- und Clocksignalelemente.
Da die Datensymbole von D oder N (S) Elementen zu M Elementen übertragen oder gesendet werden kann ein N-zu-M Multiplex- oder Datentranspositionselement verwendet werden, um eine effizientere Nutzung der Datenpfaden zwischen diesen Elementen vorzusehen. Dies ist in 6 gezeigt, wo ein Multiplexelement 600 verwendet wird, um Datensymbole auf einen Datenbus oder Eingangsleitungen 602 zu empfangen und dann diese zu einem oder mehreren Ausgangsdatenbussen oder Leitungen 604 zu Übertragen, die zu verschiedenen Sendemodulen 508 führen. Das Multiplexemement 600 kann als ein Paketschaltelement oder Packetierer (Packetizer) ausgebildet sein und zwar unter Verwendung von bekannten Techniken und Vorrichtungen.
Wie man in 6 erkennt, werden Daten von jedem Benutzerkanal D zu einem oder mehreren Sendemodulen 508 übertragen und zwar durch Verwendung des Multiplexers-/Packetelements 600. Die Dateneingabe über Bus 602 weist typischerweise 9600 bps Benutzerdaten auf und zwar plus einige zusätzliche allgemeine (Overhead) Information um anzugeben zu welchen Sendemodulen oder -Pfaden die Daten übertragen werden sollten. Ein Ausführungsbeispiel würde eine annähernd 50 Prozent Datenrate zur Berücksichtigung der Overhead-Information zuweisen. Daher würden die Übertragungen auf der Eingangsseite des Multiplexers 600 bei grob gesagt 9600 × 1.5 bps oder 14400 bps erfolgen, was noch immer weit unterhalb der früheren Erfordernisse für die Datenübertragung in Gateways war, die einen konventionellen Lösungsvorschlag verwenden.
Die Ausgangsseite des Multiplexers-/Packetelements 600 überträgt Signale oder Daten für jeden Benutzerkanal 400 (D) zu den entsprechenden Sendemodulen. Das Muliplexer-/Packetelement 600 verwendet die Overhead-Information hinsichtlich des Sendemoduls oder -Pfades, das bzw. der Benutzerdaten empfängt um die Ausgangsdaten zu konfigurieren. Der Benutzerdatentransfer oder die Benutzerdatenübertragung erfolgt durch Transfer der Daten von sämtlichen Benutzern die für jedes Sendemodul vorgesehen sind, zu einem Modul in jedem Zeitpunkt. Dies hat eine Datentransferrate in der Größenordnung von 9600 bps zur Folge, wobei die Overhead-Information entfernt ist, und zwar multipliziert mit der Anzahl von Benutzersignalen, die zu jedem Sendemodul übertragen wird. Das Maximum für diesen letztgenannten Wert ist das Maximum für N in dem vorliegenden Beispiel, was eine maximale Transferrate von 9600 × 128 = 1.22 Mbps ergibt. Die Anzahl der Benutzer die Signale zu jedem Sendemodul schicken ist mit Wahrscheinlichkeit beträchtlich kleiner als 128 zu irgendeinem beliebigen Zeitpunkt, da dies eine Diversität von M für jedes Benutzersignal (jedes geht zu jedem der M Sender) bedeuten würde. Der untere Durchschnittswert für D auf dem Datenbus 604 reduziert die Übertragungs- oder Transferrate weiter. Diese Lösungsmöglichkeit reduziert die Datenmenge weiter, die aus irgendeinem Zeitpunkt innerhalb des Gateways übertragen werden muss.
Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele setzt jeden Fachmann in die Lage die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zu verwenden. Die verschiedenen Modifikationen dieser Ausführungsbeispiele ergeben sich dem Fachmann ohne weiteres wie beispielsweise die Zahl und die Bauart der Antennen des Analogsenders. Somit ist die folgende Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele, die hier gezeigt sind beschränkt, sondern die Erfindung ist durch den breitesten der Ansprüche definierten Bereich beschrieben.

Claims

Ein Verfahren zum Senden von Signalen in einem Kommunikationssystem (100), in dem separate Benutzinformationssignale mittels gemeinsamer Trägerkommunikationssignale (carrier communication signals) kommuniziert werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Empfangen von digitalen Benutzerdatensignalen (400), die für die Übertragung zu einem oder mehreren Benutzern in dem System bestimmt sind, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Transferieren (506) eines jeden Benutzerdatensignals (400) zu einer Vielzahl von Übertragungsmodulen (508, 502, 504) wobei jedes Modul (508, 502, 504) einem entsprechendem Analogkommunikationspfad einer Vielzahl von Analogkommunikationspfaden (416), über die Datensignale transferiert werden sollen, zugeordnet ist, wobei die Gesamtanzahl der Module (508, 502, 504), an die jedes Benutzerdatensignals (400) transferiert wird, ein Modul (508, 502, 504) für jeden der Vielzahl von Analogkommunikationswegen (416), über den es erwünscht ist das Benutzerdatensignal (400) zu transferieren, ist; Verarbeiten (502, 504) eines jeden Benutzerdatensignals (400) in jedem Übertragungsmodul (508, 502, 504), an den es transferiert wird, um ein jeweiliges Benutzerkommunikationssignal zu erzeugen; für jedes Übertragungsmodul (508, 502, 504), Summieren (410, 510) der Benutzerkommunikationssignale, die über den zugeordneten Analogkommunikationspfad (416) transferiert werden sollen, um ein einzelnes gemeinsames Kommunikationssignal für das Übertragungsmodul (508, 502, 504) zu bilden; und Transferieren eines jeden gemeinsamen Kommunikationssignals an einen jeweiligen einzelnen Analogsender (412), das dem Übertragungsmodul (508, 502, 504) zugeordnet ist; wobei der Analogsender (412) einer einer Serie von Analogsendern ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedes Übertragungsmodul (508, 502, 504) einen vorausgewählten Satz von Kodierern (502) gekoppelt an einen vorausgewählten Satz von Modulatoren (504) aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Analogsender (412) innerhalb einer Basisstation des Gateway-Typs (124, 126) vorgesehen wird und zumindest ein satellitengestützter Repeater (114, 116) verwendet wird, um die Kommunikationskanalsignale an Benutzerendgeräte bzw. -terminals (120, 122) innerhalb des Kommunikationssystems (100) von dem Analogsender (412) aus zu transferieren.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei zumindest zwei Satelliten (114, 116) sich in Kommunikation mit dem Gateway (124, 126) zu einem beliebigen Zeitpunkt befinden.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin das Anlegen eines gemeinsamen Timingsignals an jedes Element innerhalb eines gegebenen Übertragungsmoduls (508, 502, 504) aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin das Anlegen einer N-zu-M Multiplexier-Funktion von bis zu N Digitaldatensignalen vor dem Trans-ferieren dieser zu dem M Übertragungsmodul (508, 502, 504) aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das Kommunikationssystem (100) ein Spektrumspreizkommunikationssystem (spread spectrum communication system) ist und wobei die Benutzerinformationssignale mittels orthogonal kodierter Kanäle auf den gemeinsamen Trägerkommunikationssignalen kommuniziert werden; wobei das Benutzerkommunikationssignal ein gespreiztes Kommunikationssignal ist; und wobei jedes erwähnte gemeinsame Kommunikationssignal ein einzelnes Spektrumspreizkommunikationssignal ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das Kommunikationssystem (100) ein Spektrumspreizkommunikationssystem ist, in dem die Benutzerinformationssignale mittels orthogonal kodierter Kanäle auf den gemeinsamen Trägerkommunikationssignalen kommuniziert werden; und die Verarbeitung (502, 504) ein Modulieren (504) der Benutzerdatensignale (404) mittels vorausgewählter Codesequenzen des Pseudozufallrauschtyps (pseudorandom noise type) aufweist.
Eine Vorrichtung zum Senden von Signalen in einem Kommunikationssystem (100), in dem separate Benutzerinformationssignale (400) mittels gemeinsamer Trägerkommunikationssignale kommuniziert werden, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: Mittel zum Empfang digitaler Benutzerdatensignale (400), die für die Übertragung zu einem oder mehreren Benutzern in dem System (100) bestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin Folgendes aufweist: eine Vielzahl von Übertragungsmodulen (508, 502, 504), wobei jedes Modul (508, 502, 504) einem entsprechenden Analogkommunikationsweg aus einer Vielzahl von Analogkommunikationswegen (416), über die Datensignale transferiert werden sollen, zugeordnet ist, wobei die Gesamtzahl der Module (508, 502, 504), zu denen jedes Benutzerdatensignal (400) transferiert wird, ein Modul (508, 502, 504) für jeden Analogkommunikationsweg (416), über den es erwünscht wird das Benutzerdatensignal (400) zu transferieren, ist; Mittel (506) zum Transferieren eines jeden Benutzerdatensignals zu der Vielzahl von Übertragungsmodulen (508, 502, 504); Mittel (502, 504) zum Verarbeiten eines jeden Benutzerdatensignals (400) in jedem Übertragungsmodul (508, 502, 504), zu dem es transferiert wird, um ein jeweiliges Benutzerkommunikationssignal zu erzeugen; für jedes Übertragungsmodul (508, 502, 504), Mittel (410, 510) zum Summieren von Benutzerkommunikationssignalen, die über den zugewiesenen Analogkommunikationsweg (416) transferiert werden sollen, um eine einzelnes, gemeinsames Kommunikationssignal für das Übertragungsmodul (508, 502, 504) zu bilden; und Mittel zum Transferieren eines jeden gemeinsamen Kommunikationssignals zu einem jeweiligen, einzelnen Analogsender (412), der dem Übertragungsmodul (508, 502, 504) zugeordnet ist; wobei der Analogsender (412) einer einer Serie von Analogsendern ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 9, die weiterhin Mittel (208) zum Anlegen eines gemeinsamen Timingsignals an jedes Signalverarbeitungselement (502, 504) innerhalb eines gegebenen Übertragungsmoduls (508, 502, 504) aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei jeder Analogübertragungsweg (416) einen entsprechenden Analogsender (412) aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 9, die weiterhin Mittel aufweist zum Abdecken kodierter Datensymbole für jeden Analogkommunikationsweg (416), die für einen bestimmten Benutzer bestimmt sind, und zwar mit einer orthogonalen Funktion aus einer Vielzahl von orthogonalen Funktionen, wobei dieselbe Funktion für jeden Analogkommunikationsweg (416) für einen bestimmten Benutzer verwendet wird, um repräsentative Orthogonalbenutzerkanaldaten für einen Benutzerkanal, der durch einen entsprechenden Analogsender (412) operiert, zu generieren.
Die Vorrichtung nach Anspruch 9, die weiterhin einen N-zu-M Multiplexer aufweist, der verbunden ist, um bis zu N Digitaldatensignale vor der Transferierung dieser zu M Übertragungsmodulen (508, 502, 504) zu empfangen.
Die Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Analogsender (412) vorgesehen werden innerhalb einer Basisstation des Gateway Typs (126, 124) in einem drahtlosen Kommunikationssystem (100) mit zumindest einem satellitengestützten Repeater (114, 116) und dazu eingesetzt werden die Kommunikationskanalsignale zu Benutzerendgeräten (120, 122) innerhalb des Kommunikationssystems (100) zu transferieren.
Die Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei es zumindest zwei Satelliten (114, 116) in Kommunikation mit dem Gateway (124, 126) zu einem beliebigen Zeitpunkt gibt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei: das Kommunikationssystem (100) ein Spreizspektrumkommunikationssystem ist; jedes Übertragungsmodul (508, 502, 504) Folgendes aufweist: eine Serie von Kodierern (502) zum Kodieren digitaler Datensignale, die von jedem Übertragungsmodul (508, 502, 504) empfangen werden, um kodierte Datensymbole zu erzeugen; Modulationsmittel (504) zum Spektrumspreizen von kodierten Datensymbolen, die Benutzersignale bilden, und zwar mittels zumindest einem vorausgewählten Pseudozufallrauschspreizcodes in dem Übertragungsmodul (508, 502, 504); und die Mittel (410) zum Summieren, wobei die Mittel (410) zum Summieren die gespreizten Signale empfangen und zusammensummieren um ein einzelnes Spreizkommunikationssignal zu bilden; und die Mittel zum Transferieren jedes Spreizkommunikationssignal transferieren.
Die Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Kommunikationssystem (100) ein Spektrumspreizkommunikationssystem ist und die Benutzerinformationssignale über orthogonal kodierte Kommunikationssignalkanäle in den Kommunikationssignalen gesendet durch Systembasisstationen (112), Gateways (124,126) und Satelliten (114, 116) zu Sys tembenutzerendgeräten (120, 122) kommuniziert werden, wobei die Vorrichtung weiterhin Folgendes aufweist: Mittel (400, 506) zum Segmentieren der Benutzerinformationssignale in Diversity- bzw. Vielseitigkeitsbenutzersignale auf der Basis von zumindest einem Diversity-Teilnehmersignal für jeden der Vielzahl von Analogkommunikationswegen, über den die Benutzerinformationssignale an die Benutzerendgeräte (120, 122) transferiert werden sollen; wobei die Benutzerdatensignale, die über die Übertragungsmodule (508, 502, 504) empfangen werden, die Diversity-Benutzersignale sind; und die Mittel (502, 504) zur Verarbeitung Mittel (504) zum Modulieren der empfangen Diversity-Benutzersignale aufweist, und zwar unter Verwendung von vorausgewählten Codesequenzen des Pseudozufallrauschtyps (Pseudorandom noise (PN)-type); und die Mittel (410) zum Summieren angeordnet sind, um die modulierten Signale zu summieren.