DE69926343T2

DE69926343T2 - Vielfachzugriffsverfahren und -system

Info

Publication number: DE69926343T2
Application number: DE69926343T
Authority: DE
Inventors: Steven J. Shattil
Original assignee: GENGHISCOMM CORP BOULDER; Genghiscomm Corp
Current assignee: GENGHISCOMM CORP BOULDER; Genghiscomm Corp
Priority date: 1998-02-12
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2019-02-11
Also published as: CA2321748A1; ID25666A; KR20010040900A; US6888887B1; BR9907892A; IL137731A0; US7965761B2; EP1053615A1; US5955992A; US20090110033A1; US7839941B2; EA002914B1; US20050232182A1; JP4222728B2; DE69926343D1; JP2002503917A; ATE300817T1; US7010048B1; EA200000827A1; EP1053615B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neues Multiträgerfrequenz-Spreizspektrumprotokoll für die drahtlose Kommunikation, für die Wellenleiterkommunikation und für Radar.
Hintergrund der Erfindung
Multipfad-Fading ist die Fluktuation der Amplitude eines empfangenen Signals. Sie wird durch Interferenz zwischen zwei oder mehr Versionen des übertragenen Signals verursacht, die zu verschiedenen Zeiten bei einem Empfänger ankommen. Diese Interferenz resultiert aus Reflexionen vom Boden und von nahegelegenen Strukturen. Die Menge des Multipfad-Fadings hängt von der Intensität und von der Ausbreitungszeit der reflektierten Signale sowie von der Bandbreite des übertragenen Signals ab. Das empfangene Signal kann aus einer großen Anzahl von Wellen bestehen, die verschiedene Amplituden und Phasen sowie Ankunftswinkel haben. Diese Komponenten kombinieren im Empfänger vektoriell und veranlassen, dass das empfangene Signal fadet oder verzerrt wird.
Das Fading und die Verzerrung ändern sich, während sich der Empfänger und andere Objekte in der Funkumgebung bewegen. Diese Multipfad-Effekte hängen von der Bandbreite des Signals ab, das übertragen wird. Falls das übertragene Signal eine schmale Bandbreite hat (d. h., falls die Dauer der übertragenen Datenbits länger als die aus Multipfad-Reflexionen resultierende Verzögerung ist), zeigt das empfangene Signal tiefe Fadings, während sich der Empfänger in einer Multipfad-Umgebung bewegt. Dies ist als flaches Fading bekannt. Um tiefe Fadings zu korrigieren, ist ein erheblicher Betrag an Steuerleistung (z. B. Erhöhen der Übertragungsleistung und/oder der Empfängerverstärkung) erforderlich. Außerdem erfahren Signale mit niedriger Übertragungsgeschwindigkeit eine Verzerrung, falls sich die Charakteristiken der Funkumgebung während der Dauer eines empfangenen Datenbits erheblich ändern. Die Verzerrung wird verursacht, wenn die Bewegung des Empfängers oder nahegelegener Objekte in einer Dopplerfrequenzverschiebung des empfangenen Signals resultiert, die vergleichbar der Bandbreite des übertragenen Signals oder größer als sie ist.
Ein in einer Multipfad-Umgebung übertragenes Breitbandsignal resultiert in einem frequenzselektiven Fading. Die Gesamtintensität des empfangenen Signals besitzt verhältnismäßig wenig Variation, während sich der Empfänger in einer Multipfad-Umgebung bewegt. Allerdings hat das empfangene Signal bei bestimmten Frequenzen tiefe Fadings. Falls die Dauer der Datenbits kleiner als die Multipfad-Verzögerung ist, erfahren die empfangenen Signale eine Intersymbol-Interferenz, die aus verzögerten Kopien früherer Bits resultiert, die bei dem Empfänger ankommen.
Der Frequenzmehrfachzugriff (FDMA) leidet typisch an flachem Fading, während Multiträgerfrequenz-Protokolle wie etwa orthogonales Frequenzmultiplex (OFDM) an frequenzselektivem Fading leiden. CDMA leidet typisch an beidem; allerdings begrenzt die Direkt-Sequenzcodierung die Wirkungen des Multipfads auf Verzögerungen, die kleiner als die Chiprate des Codes sind. Außerdem ist die Kapazität des CDMA durch die Multi-Benutzerinterferenz begrenzt. Verbesserte CDMA-Systeme verwenden die Interferenz-Cancellierung, um die Kapazität zu erhöhen; allerdings ist der erforderliche Signalverarbeitungsaufwand zumindest proportional zur dritten Potenz der Bandbreite. Außerdem ist CDMA empfindlich für Nah-Fern-Interferenz, während seine langen pseudozufälligen Codes (PN-Codes) lange Erfassungszeiten erfordern. Aus diesen Gründen ist OFDM mit CDMA verschmolzen worden.
OFDM besitzt eine hohe spektrale Effizienz (das Spektrum der Hilfsträgerfrequenz überlappt sich) und bekämpft das frequenzselektive Fading. Allerdings wird die Amplitude jeder Trägerfrequenz durch das Rayleigh-Gesetz beeinflusst, so dass flaches Fading auftritt. Somit sind eine gute Kanalschätzung mit einem geeigneten Erfassungsalgorithmus und eine gute Kanalcodierung wesentlich, um das Fading zu kompensieren. Die Leistung der OFDM-Frequenz-Diversity ist vergleichbar mit der Leistung der Multipfad-Diversity eines optimalen CDMA-Systems (die einen Rake-Empfänger erfordert). Da die Diversity im OFDM inhärent ist, ist sie viel einfacher als in einem optimalen CDMA-System zu erzielen. Ein OFDM-System nutzt eine langsamere parallele Signalverarbeitung. Ein Rake-Empfänger in einem optimalen CDMA-System verwendet eine schnelle serielle Signalverarbeitung, die in einem größeren Leistungsverbrauch resultiert. Außerdem vereinfacht die OFDM-Technik das Kanalschätzungsproblem und vereinfacht somit den Empfängerentwurf.
Bei Multiträger-CDMA wird eine Spreizsequenz von seriell in parallel umgesetzt. Jeder Chip in der Sequenz moduliert eine andere Trägerfrequenz. Somit besitzt das resultierende Signal in der Frequenzdomäne eine PN-codierte Struktur, wobei die Verarbeitungsverstärkung gleich der Anzahl der Trägerfrequenzen ist. In der Multiton-CDMA ist das verfügbare Spektrum in eine Anzahl gleich breiter Frequenzbänder unterteilt, die zum Übertragen einer schmalbandigen Direkt-Sequenzwellenform verwendet werden.
Das Frequenzsprung-Spreizspektrum kann die Nah-Fern-Interferenz gut behandeln. Der größte Nutzen ist, dass es Abschnitte des Spektrums vermeiden kann. Dies erlaubt, dass das System Interferenz und frequenzselektive Fadings besser vermeidet. Nachteile enthalten die Anforderung komplexer Frequenzsynthetisierer und der Fehlerkorrektur.
Die Pulsdauermodulation besitzt im Vergleich zur Direkt-Sequenz und zum Frequenzsprung eine viel höhere Bandbreiteneffizienz. Ihre Realisierung ist verhältnismäßig einfach. Allerdings hat sie eine lange Erfassungszeit und erfordert eine Fehlerkorrektur.
Die US-Patente Nr. 5.519.692 und 5.563.906 beschreiben eine geometrische harmonische Modulation (GHM), in der aus mehreren Trägerfrequenzen (Tönen) Präambel- und Verkehrswellenformen erzeugt werden. Die Wellenformen umfassen Töne, die einen Binärphasencode enthalten, bei dem die Signalphasen 0 oder –π/2 sind. Die Binärphasenversätze, die auf die Töne angewendet werden, liefern die Spreizcodes. Die Orthogonalität von GHM-Signalen wird bei der Korrelation mit einem Referenzsignal in einem Empfänger realisiert. Durch Summieren der Töne wird eine Präambelträgerfrequenz-Wellenform konstruiert. Somit sind die Präambelsignale ähnlich MC-CDMA-Signalen.
Jeder Empfänger überwacht die Präambelsignale für seinen eigenen Phasencode und entspreizt und decodiert daraufhin die angehängten Verkehrswellenformen. Die Verkehrswellenformen sind Produkte der Töne. Der Empfänger erzeugt aus einem Produkt von Tönen mit Phasen-Offsets, die dem Phasencode des Empfängers entsprechen, eine Referenzwellenform. Die Referenzwellenform wird mit den empfangenen Signalen korreliert, um ein Korrelationsergebnis zu erzeugen, das über die Datenbitdauer und über alle Töne integriert wird.
GHM verwendet Binärphasen-Offsets anstelle von Differenzphasen-Offsets. Somit liefert GHM keine Trägerfrequenzen mit Phasenbeziehungen, die die Superposition der Trägerfrequenzen ermöglichen, um schmale Zeitdomänensignaturen zu haben. Folglich erfordern die empfangenen GHM-Signale die Verarbeitung durch einen Korrelator, während Signale, die zeitlich orthogonal sind, unter Verwendung einfacherer Signalverarbeitungstechniken wie etwa Zeit-Sampling und Gewichtung und Summe verarbeitet werden können. Ferner erzielt GHM nicht die Kapazitäts– und Signalqualitätsvorteile, die durch zeitorthogonale Signale ermöglicht werden.
Das US-Patent Nr. 4.628.517 zeigt ein Funksystem, das ein Informationssignal auf mehrere Trägerfrequenzen moduliert. Die empfangenen Trägerfrequenzen werden jeweils unter Verwendung einer Bank von Umsetzungsoszillatoren in die gleiche Zwischenfrequenz umgesetzt. Daraufhin werden die empfangenen Signale summiert, um die Vorteile der Frequenz-Diversity zu erzielen. In diesem Fall wird die Frequenz-Diversity auf Kosten verringerter Bandbreiteneffizienz erzielt.
Der Prozess des Umsetzens der empfangenen Signale in die gleiche Frequenz erlaubt keine Orthogonalität zwischen mehreren Informationssignalen, die auf den gleichen Trägerfrequenzen moduliert sind.
Jedes Kommunikationsprotokoll bietet verschiedene Vor- und Nachteile. Durch Verschmelzen verschiedener Protokolle können die Vorteile, allerdings nur in einem beschränkten Grad, erhöht werden. Es besteht ein Bedarf an einem Protokoll, das alle oder die meisten Probleme, insbesondere jene im Zusammenhang mit dem Fading, löst.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist, ist auf ein Verfahren zur Kommunikation zwischen zumindest einem Sender und einem Empfänger unter Verwendung von Trägerfrequenz-Interferenz-Mehrfachzugriff (carrier-interference multiple-access CIMA)-Kommunikationssignalen gerichtet, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Vorsehen der Erzeugung und Modulation (14n) einer Mehrzahl von elektromagnetischen Trägerfrequenzsignalen mit zumindest einem Informationssig nal, wobei die Trägerfrequenzsignale eine Mehrzahl von Frequenzen aufweisen und zumindest einem Benutzer zugewiesen sind,
Vorsehen von zumindest einem vorbestimmten Phasenraum (16n) für die Trägerfrequenzen, wobei jeder Phasenraum ein Datensymbol auf eine einer Mehrzahl von Pulswellenformen mappt, die durch eine Superposition der Trägerfrequenzen erzeugt werden und auf einen bestimmten zeitlichen Moment zentriert sind, wobei die Pulswellenformen zeitlich orthogonal positioniert sind,
Vorsehen der Übertragung (24) der modulierten in Phase befindlichen Trägerfrequenzsignale in einen Kommunikationskanal, um CIMA-Übertragungssignale zu erzeugen, die Trägerfrequenz-Signalkomponenten aufweisen, und Vorsehen des Empfangs (52) der CIMA-Übertragungssignale von dem Kanal, wobei die Trägerfrequenz-Signalkomponenten in Phase (62m) kombiniert werden, um zumindest einen konstruktiven Interferenzpuls zu erzeugen, der zumindest ein Informationssignal angibt.
Ferner schafft die Erfindung ein Kommunikationssystem für Trägerfrequenz-Interferenz-Mehrfachzugriff (carrier-interference multiple-access CIMA), um die Kommunikation zwischen zumindest einem Sender und einem Empfänger bereitzustellen, welches aufweist:
einen CIMA-Sender, welcher aufweist:
einen Multiträgerfrequenz-Generator und Modulator (14n) zum Erzeugen einer Mehrzahl von elektromagnetischen Trägerfrequenzsignalen, die zumindest einem Benutzer zugewiesen werden, wobei die Trägerfrequenzsignale in der Frequenz gleich angeordnet sind, sowie zur Modulation der Trägerfrequenzsignale mit zumindest einem Informationssignal,
einen Phasencontroller (16n), der angepasst ist, um für die Trägerfrequenzen zumindest einen vorbestimmten Phasenraum vorzusehen, wobei der Phasencontroller jedes Datensymbol auf eine Mehrzahl von Pulswellenformen mappt, die durch eine Superposition der Trägerfrequenzen erzeugt werden und auf einen vorbestimmten zeitlichen Moment zentriert sind, wobei die Pulswellenformen im Wesentlichen orthogonal in der Zeit angeordnet sind, und
einen Ausgangskoppler (24) zum Koppeln der modulierten, in Phase befindlichen Trägerfrequenzsignale in einen Kommunikationskanal, um CIMA-Übertragungssignale zu erzeugen, die Trägerfrequenz-Signalkomponenten aufweisen,
einen CIMA-Empfänger (52) zum Empfangen der CIMA-Übertragungssignale von dem Kanal und zum Kombinieren (62m) der Trägerfrequenz-Signalkomponenten in Phase, um zumindest einen konstruktiven Interferenzpuls zu erzeugen, der das zumindest eine Informationssignal angibt.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Protokolls, das die gemeinsamen Vorteile der zuvor erwähnten Protokolle erzielt. Eine weitere Aufgabe ist die Darstellung eines Spreizspektrumprotokolls, das spezifisch für die Mobilkommunikation konstruiert ist. Diese Aufgaben werden durch die Interferometrie mehrerer Trägerfrequenzen gelöst. Das durch die vorliegende Erfindung ermöglichte Protokoll ist der Trägerfrequenz-Interferenz-Mehrfachzugriff (CIMA). Im CIMA werden die Frequenz und die Phase jeder Trägerfrequenz so ausgewählt, dass die Superposition der Signale in einem Puls resultiert (konstruktive Interferenz, die aus einer Null-Phasen-Beziehung zwischen den Trägerfrequenzen resultiert), der in einem spezifischen Zeitintervall auftritt. Das resultierende Signal hat Nebenkeulen, deren Amplituden weit unter der Amplitude des Pulses sind. Somit wird Orthogonalität in der Zeitdomäne erzielt.
Da die Trägerfrequenzen in dem Zeitintervall existieren, in dem die Superposition einen vernachlässigbaren Signalpegel liefert, kann gefolgert werden, dass der Puls in einem anderen Phasenraum existiert. Dieser Phasenraum ist als ein Zeit(Phasen)-Offset zwischen den Trägerfrequenzen definiert. Der Offset ermöglicht, dass der Puls in einem spezifischen Zeitintervall beobachtet wird. Ein Empfänger, der auf mehrere Phasenräume abgestimmt ist, kann mehrere Samples des CIMA-Signals erzeugen. Somit ermöglicht der CIMA, dass Signale gleichzeitig sowohl als Signale mit niedriger Übertragungsgeschwindigkeit als auch als Signale mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit verarbeitet werden. Dies mildert die Multipfad-Probleme, die beiden Signalklassen inhärent sind, und ermöglicht, dass das System mit wesentlich verringerten Signalleistungspegeln funktioniert. Außerdem sind die CIMA-Signale nur für CIMA-Empfänger sichtbar, die auf eine Nicht-Null-Phasenform abgestimmt sind, falls die CIMA-Trägerfrequenzen pulsamplitudenmoduliert sind, so dass die Superposition nicht in einem Puls mit einem Null-Phasenraum resultiert. Herkömmliche Funkempfänger können diese Signale nicht er fassen.
In einem dispersiven Medium wie etwa in einer Glasfaser kann der Phasenraum einer CIMA-Übertragung so ausgewählt werden, dass er an die chromatische Dispersion entlang einer vorbestimmten Länge des Mediums angepasst ist. Die Wirkung der Dispersion ist, dass sich die Phasen der Trägerfrequenzen ausrichten, was darin resultiert, dass in dem Medium an einer vordefinierten Position ein Puls auftritt.
Außerdem ermöglicht das zeitabhängige Wesen des CIMA-Phasenraums das automatische Abtasten des Strahlmusters eines Antennen-Arrays. Falls jedes Element eines Antennen-Arrays eine CIMA-Trägerfrequenz überträgt, tastet das Strahlmuster des Arrays mit einer Periode ab, die von der Frequenzanordnung der Trägerfrequenzen und von der Separation zwischen den Antennenelementen abhängt.
Der CIMA kann verwendet werden, um irgendeines der zuvor erwähnten Protokolle zu erzeugen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Vorrichtungen zum Übertragen und Empfangen von CIMA-Signalen zu schaffen.
Zu diesem Zweck werden die folgenden Aufgaben gelöst: Eine Aufgabe der Erfindung ist das Reduzieren der Wirkungen des Multipfad-Fading und der Interferenz. Eine Folge dieser Aufgabe ist das Reduzieren der erforderlichen Übertragungsleistung.
Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung einer sicheren Kommunikation durch Erzeugen von Übertragungen, die schwer abzufangen sind, da es nahezu unmöglich ist, sie zu erfassen. Dies erreichen die niedrigen Leistungsanforderungen der Trägerfrequenzen und die Übertragung der Trägerfrequenzen in Nicht-Null-Phasenräumen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Reduzieren der Interferenz zu anderen Systemen und das Minimieren der Empfindlichkeit des Kommunikationssystems für alle Arten von Funkinterferenz.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Minimieren und Kompensieren der Gleichkanalinterferenz, die auftritt, wenn das Kommunikationssystem mehreren Benutzern dient.
Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung eines Spreizspektrum-Kommunikationsprotokolls, das nicht nur mit adaptiven Antennen-Arrays kompatibel ist, sondern auch wesentliche Vorteile in Bezug auf Antennen-Array-Technologien ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe ist es zu ermöglichen, dass ein Spreizspektrum-Kommunikationssystem die Leistungsfähigkeitsvorteile eines ressourcenbegrenzten Systems, die Kapazität und die Vorteile der kontrollierten Verschlechterung eines interferenzbegrenzten Systems und die Fähigkeit, die Vorteile beider Systeme gleichzeitig bereitzustellen, besitzt. Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden in der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sichtbar.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist ein Prinzipschaltbild eines Senders, der CIMA-Signale erzeugt.
2 ist eine zweite Ausführungsform eines Senders, der CIMA-Signale erzeugt.
3 ist ein Prinzipschaltbild eines Senders, der CIMA-Trägerfrequenzen erzeugt, die durch ein Antennen-Array emittiert werden.
4 ist eine graphische Darstellung mehrerer CIMA-Trägerfrequenzen und einer Superposition der Trägerfrequenzen.
5A ist eine graphische Darstellung von acht CIMA-Trägerfrequenzen, die die relativen Phasen zwischen den Trägerfrequenzen in Abhängigkeit von der Zeit zeigt und die Phasenräume veranschaulicht, die durch die relativen Phasen dargestellt sind.
5B ist eine graphische Darstellung in der Zeitdomäne einer Superposition der in 5A gezeigten Trägerfrequenzsignale.
6 ist ein zeitliches Polardiagramm einer Superposition der in 5A gezeigten Trägerfrequenzen.
7 ist ein Ablaufplan für einen Empfänger, der ein CIMA-Signal empfängt und das Signal in mehreren Phasenräumen samplet.
8 zeigt einen Teil eines Frequenzprofils für eine Gruppe von CIMA-Trägerfrequenzen.
9A bis 9I zeigen ein durch den Sender in 3 zu verschiedenen Zeitpunkten erzeugtes Strahlmuster.
10 ist ein Hohlraumresonator mit frequenzverschobenem Feedback, der einen Hohlraumresonator für fortschreitende Wellen und eine Frequenzverschiebungsvorrichtung, durch die optische Signale umlaufen gelassen werden, enthält.
11 zeigt verschiedene CIMA-Signale, während sie sich entlang einer Glasfaser ausbreiten, wobei die Phasen-Offsets der Trägerfrequenzen an die chromatischen Dispersionseigenschaften der Faser angepasst sind.
12A ist eine graphische Darstellung des relativen Frequenz-Amplituden-Profils von CIMA-Trägerfrequenzen, die eine Direkt-Sequenz-CDMA-Chipsequenz in der Zeitdomäne erzeugen.
12B ist eine Zeitdomänendarstellung eines durch die in 12A gezeigten CIMA-Trägerfrequenzen erzeugten Direkt-Sequenz-CDMA-Signals.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines CIMA-Senders, der ein Basisbandinformationssignal für einen einzigen Benutzer k zur Übertragung in ein CIMA-Signal umsetzt. Die von einer Eingangsdatenquelle 12 empfangenen Daten modulieren eine Anzahl N von CIMA-Trägerfrequenzen, die verschiedene Trägerfrequenzen haben. Diese Modulation findet in mehreren Trägerfrequenzmischern 14n statt. In diesem Fall sind die Frequenzen der CIMA-Signale durch eine Verschiebungsfrequenz f_s inkrementell angeordnet. Allerdings kann ebenfalls eine nicht-uniforme Anordnung der Frequenzen verwendet werden, um die in der US-Patentanmeldung Nr. 09/022.950, die hiermit durch Literaturhinweis eingefügt ist, beschriebenen spezifischen Vorteile zu erzielen. Die Trägerfrequenzen werden typisch so ausgewählt, dass sie orthogonal zueinander sind:
wobei T_c die Chipdauer, ω_i und ω_j die i-te und die j-te Trägerfrequenz und ϕ_i und ϕ_j beliebige Phasen sind. Ein Signal im j-ten Frequenzband veranlasst keine Interferenz im i-ten Frequenzband. Allerdings ist die Orthogonalität der Wellenformen nicht notwendig, wenn die übertragenen Signale ressourcenbegrenzt sind.
Die Phase jedes CIMA-Signals wird in Bezug auf ein vorbestimmtes Empfängerzeitintervall und in Bezug auf einen Phasenraum, in dem die CIMA-Signale konstruktiv kombinieren, wenn sie durch einen CIMA-Empfänger empfangen werden, eingestellt. Auf jede CIMA-Trägerfrequenz wird durch eines von einer Mehrzahl N von Benutzerintervall-Verzögerungssystemen 16n ein inkrementeller Phasen-Offset von e^inΔϕk angewendet. Die Verstärkung jeder CIMA-Trägerfrequenz wird durch ein Amplitudensteuerungssystem 18n angepasst. Die Amplitudensteuerung 18n liefert ein Verstärkungsprofil für die CIMA-Signale. Dieses Profil kann ein getapertes Amplitudenfenster in Bezug auf die Frequenzdomäne, eine Kompensation für das flache Fading von CIMA-Trägerfrequenzen in dem Kommunikationskanal und eine Pulsamplitudenmodulation der CIMA-Trägerfrequenzen (die die Existenz von Trägerfrequenzen für jede Trägerfrequenz auf Zeitgebiete in der Nähe eines vorbestimmten Empfängerzeitintervalls begrenzt) enthalten. Die verstärkungsangepassten CIMA-Signale werden durch ein Kombinationssystem 20 summiert. Um die CIMA-Signale in die geeigneten Übertragungsfrequenzen umzusetzen, die in einen Ausgangskoppler 24 übermittelt werden, kann ein Frequenzumsetzer 22 verwendet werden.
Der Ausgangskoppler 24 ist irgendeine Vorrichtung, die CIMA-Übertragungssignale in einen Kommunikationskanal koppelt, von dem die CIMA-Signale durch einen Empfänger empfangen werden. Für die Funkkommunikation kann der Ausgangskoppler 24 ein oder mehrere Antennenelemente (nicht gezeigt) enthalten. Für die optische Kommunikation kann der Ausgangskoppler 24 eine Linse oder ein einfaches Kopplungselement, das Licht in eine Glasfaser koppelt, sein. Obgleich dieses Diagramm die Erzeugung von CIMA-Übertragungssignalen als stufenweise Prozeduren veranschaulicht, ist eine bevorzugte Ausführungsform zur Ausführung dieser Prozesse die Verwendung von Digitalsignalverarbeitungstechniken wie etwa diskreter Fourier-Transformationen.
Die Reihenfolge einiger dieser Prozesse kann getauscht werden. Zum Beispiel kann die Modulation jeder CIMA-Trägerfrequenz durch die Eingangsdaten der letzte Schritt vor der Kombination sein. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erzeugen von CIMA-Signalen. Jeder dieser Prozesse ist ähnlich den in 1 gezeigten Prozessen. Der Unterschied zwischen den Diagrammen ist, dass die CIMA-Signale in 2 erst kombiniert werden, wenn sie an den Kommunikationskanal übertragen werden. Eine Darstellung davon ist in 3 gezeigt.
3 zeigt einen Datenstrom von der Datenquelle 12, die zur Modulation einer Mehrzahl von CIMA-Trägerfrequenzen in einer Mehrzahl von Mischern 25n verwendet wird. In jeden Mischer 25n wird eine CIMA-Trägerfrequenz mit einer spezifischen Frequenz, einer spezifischen Phasenbeziehung und einem spezifischen Verstärkungsprofil eingegeben. Jedes Bit von der Datenquelle 12 moduliert alle CIMA-Trägerfrequenzen. Jeder Mischer 25n ist mit einem von einer Mehrzahl von Antennen-Array-Elementen 24n verbunden; somit überträgt jedes Antennenelement 24n nur eine CIMA-Trägerfrequenz. Obgleich die Sammlung von CIMA-Trägerfrequenzen eine Datenredundanz hat, da dasselbe Bit auf mehrere Trägerfrequenzen moduliert wird, veranlassen die Frequenz- und Phasenbeziehungen zwischen den Trägerfrequenzen eine zeitliche Orthogonalität (die durch die inverse Fourier-Transformation der CIMA-Trägerfrequenz in der Frequenzdomäne veranschaulicht ist). Diese Orthogonalität negiert die typische Verringerung der Bandbreiteneffizienz, die durch die Datenredundanz verursacht wird, und behält die Vorteile der Frequenz-Diversity. Die Orthogonalität resultiert aus der konstruktiven und destruktiven Interferenz zwischen den CIMA-Trägerfrequenzen. Die konstruktive Interferenz veranlasst schmale Zeitdomänenpulse mit einer Wiederholungsrate, die proportional zum Inversen des Trägerfrequenzabstands f_s ist.
4 veranschaulicht, wie die Phasenfronten von CIMA-Trägerfrequenzen zu einer spezifischen Zeit ausgerichtet sind. Zu anderen Zeiten kombinieren die Trägerfrequenzen destruktiv, was zu nicht erfassbaren Signalpegeln führt. Aus der Summation der Trägerfrequenzen resultiert ein Verbundsignal 130. Das Verbundsignal 130 zeigt eine Pulseinhüllende, die in einem vorbestimmten Zeitintervall 135 auftritt. Falls es kein Amplituden-Tapering gibt (d. h. ein rechteckiges Fenster) und die CIMA-Trägerfrequenzen in der Frequenz uniform angeordnet sind, ist ein Verbund-CIMA-Signal:
wobei es einen Betrag von:
hat.
Die CIMA-Signale sind für eine ungerade Anzahl von Trägerfrequenzen N mit der Periode 1/f_s und für eine gerade Anzahl von Trägerfrequenz N mit der Periode 2/f_s periodisch. Die Hauptkeule hat die Dauer 2/Nf_s, während die N – 2 Nebenkeulen jeweils eine Dauer von 1/Nf_s haben. Die Amplitude der 1-ten Nebenkeule in Bezug auf die Hauptkeulenamplitude ist:
Da die Periode und die Breite der Pulseinhüllenden von der Amplitude, von der Phase und vom Frequenzabstand der CIMA-Trägerfrequenzen abhängen, kann die Frequenz jeder Trägerfrequenz geändert werden, ohne die Pulseinhüllende zu beeinflussen, solange die Amplitude, die Phase und die Frequenzseparation erhalten werden. Somit beeinflussen Frequenzsprung und Frequenzverschiebung der Trägerfrequenzen nicht die zeitlichen Charakteristiken des Verbundsignals 130. Die Bereitstellung einer getaperten Amplitudenverteilung für die CIMA-Trägerfrequenz verbreitert die Hauptkeulenbreite und reduziert die Amplitude der Nebenkeulen.
5A veranschaulicht den Phasenraum der in 4 gezeigten Trägerfrequenzen. Während die Zeit fortschreitet, ändert sich die Phasenbeziehung zwischen den CIMA-Trägerfrequenzen. Eine Gerade 113 gibt eine Null-Phasen-Beziehung zwischen den Trägerfrequenzen an. Die Summe der Trägerfrequenzen wird in einem spezifischen Phasenraum betrachtet. Ein Puls tritt auf, wenn es eine Null-Phasen-Beziehung zwischen allen Trägern gibt, wobei die Trägerfrequenzen aber auch dann in anderen Zeitdomänen existieren können, wenn kein Puls sichtbar ist. Wenn sich der Puls in den Phasenraum bewegt (was er als eine periodische Funktion der Zeit tut), wird der Puls sichtbar. Die Null-Phase ist der Phasenraum, in dem alle herkömmlichen Empfänger arbeiten. Dieser Phasenraum ist durch die Summe der Trägerfrequenzamplituden entlang irgendeiner Geraden, die sich um einen festen Punkt 112 dreht, veranschaulicht. Die Summe der Amplitude der Wellen entlang der Linie 113, während sie sich dreht, ist in 5B gezeigt und in einer Polardarstellung durch 6 veranschaulicht.
Eine gekrümmte Linie 111 veranschaulicht in 5A einen der vielen Phasenräume, in denen ein Puls beobachtet werden kann. Dieser Phasenraum 111 tritt in einem Zeitintervall auf, das durch die Linien 115 und 117 begrenzt ist. In diesem Zeitintervall ist die (in 5B gezeigte) Amplitude des Verbundsignals 130 vernachlässigbar. Allerdings kann sich ein Empfänger auf einen spezifischen Phasenraum abstimmen, indem er jede der empfangenen Trägerfrequenzen wahlweise um einen vorbestimmten Betrag verzögert, bevor er die Trägerfrequenzen summiert. Auf diese Weise kann ein Empfänger einen Puls erfassen, der ansonsten in Null-Phase unsichtbar ist.
7 zeigt einen Ein-Benutzer-Phasenraum-Empfänger, der in mehreren Phasenräumen samplen kann. Durch ein Empfangselement 52 wird aus dem Kommunikationskanal ein empfangendes CIMA-Signal erfasst und durch einen Mischer 54 abwärts umgesetzt, bevor es durch ein Frequenzfilter 56 in seine N-Komponenten-Trägerfrequenzen separiert wird. Je nachdem, wie das Übertragungssignal durch den Kommunikationskanal geändert worden sein kann, kann einer von mehreren Verstärkungskompensatoren (nicht gezeigt) eine Verstärkungskompensation auf jede Komponente n anwenden. Daraufhin wird jede verstärkungskompensierte Komponente in eine Anzahl M von Verzögerungskomponenten geteilt, von denen jede durch einen Phasenraum-Verzögerungskompensator 60mn verzögert wird. Die Ausgabe jeder durch m nummerierten Verzögerungskomponente wird in einem Kombinationsschritt 62 summiert, um die in anderen Phasenräumen beobachteten Pulse zu rekonstruieren. Jeder Puls kann in einem Verzögerungsschritt 64m verzögert werden, um die Pulse zu synchronisieren, bevor sie in einem Entscheidungsschritt 66 summiert werden, der eine Schätzung des ursprünglichen Übertragungssignals ausgibt. In der Praxis kann der Verzögerungsschritt 64m in den Entscheidungsschritt 66 integriert sein.
Da dieser Empfänger die Pulse durch verschiedene Phasenräume verfolgt, erhält er mehrere Samples des Pulses. Somit nutzt der Empfänger die verhältnismäßig niedrige Übertragungsgeschwindigkeit (d. h. Pulsperiode) der CIMA-Trägerfre quenzen, die kombiniert werden, um die Pulse zu erzeugen. Dies behebt das Multipfad-Problem der Intersymbolinterferenz. Die kurze Dauer jedes Pulses erlaubt, dass der Empfänger die Fading- und Verzerrungsprobleme, die in Systemen inhärent sind, die langsam veränderliche Signale empfangen, und das flache Fading, das schmalbandigen Signalen zugeordnet ist, vermeidet. Obgleich der Puls viele schmalbandige CIMA-Trägerfrequenzen enthält, wird das flache Fading (das sehr tiefe Fadings verursacht) vermieden, da der CIMA-Puls von dem Interferenzmuster zwischen einer großen Anzahl von CIMA-Trägerfrequenzen abhängt. Falls die Anzahl der CIMA-Trägerfrequenzen und der Abstand zwischen ihnen geeignet ausgewählt sind, ist es darüber hinaus unwahrscheinlich, dass sich mehr als eine CIMA-Trägerfrequenz in einem tiefen Fading befindet. Somit wird die Frequenz-Diversity erzielt.
Jeder Benutzer k kann die Kommunikationsressource über eine eindeutige Auswahl des Phasen-Offset (d. h. des Zeitgebungs-Offset) gemeinsam nutzen, während er die gleichen Trägerfrequenzen wie andere Benutzer verwendet. Falls von jedem Benutzer k N orthogonale Trägerfrequenzen gemeinsam genutzt werden, können N Benutzer die Ressource ohne Gleichkanalinterferenz verwenden. In diesem Fall gibt es für jeden Benutzer k bezüglich der Zeit eine eindeutige Kombination des Phasenraums. Ähnlich können Benutzer, die andere CIMA-Trägerfrequenzen verwenden, den gleichen Phasenraum bezüglich der Zeit ohne Gleichkanalinterferenz verwenden. Da die Pulscharakteristiken von den Frequenz- und Phasenbeziehungen zwischen den CIMA-Trägerfrequenzen abhängen, können die Frequenz und die Phase jedes CIMA-Signals geändert werden, ohne die Charakteristiken der Pulseinhüllenden zu ändern, solange diese Beziehungen zwischen den CIMA-Trägerfrequenzen ungeändert bleiben. Dies ermöglicht, dass ein Sender einen Frequenzsprung ausführt, um Interferenz zu vermeiden oder die Sicherheit zu erhöhen.
Wie in 8 gezeigt ist, kann die Separation f_s zwischen den CIMA-Trägerfrequenzen für jeden Benutzer so ausgewählt werden, dass sie die Kohärenzbandbreite (d. h. das Inverse der Multipfaddauer) überschreitet. Dies resultiert in einem frequenz-nichtselektiven Fading über jede Trägerfrequenz. Falls sich benachbarte CIMA-Trägerfrequenzen in der Frequenz um 50% überlappen, steigt die Systemkapazität um das Zweifache über die klassische Beschränkung, die durch nichtüberlappende Trägerfrequenzen auferlegt wird. Ein solches System hat keine unabhängigen Kanal-Fading-Charakteristiken über jeder Trägerfrequenz. Aller dings brauchen die CIMA-Trägerfrequenzen nicht benachbart in der Frequenz zu sein. Das System kann eine N-fache Frequenz-Diversity-Verstärkung dadurch erreichen, dass es für jeden Satz von Benutzern einen Teilsatz von Trägerfrequenzen verwendet, so dass die Trägerfrequenzseparation f_s für jeden Benutzer k die Kohärenzbandbreite übersteigt. Zum Beispiel kann in dem in 8 gezeigten Frequenzprofil für eine besondere Gruppe von Benutzern ein Satz nicht benachbarter Trägerfrequenzen 42, 43 und 44 ausgewählt werden. Dieses Frequenzprofil erlaubt sowohl Zeit-Offsets als auch Frequenzmultiplexierung, um die Bandbreiteneffizienz zu optimieren. Falls die Bandbreite jeder Trägerfrequenz im Vergleich zur Trägerfrequenzseparation f_s klein ist, ist ein unberechtigter Abfang des CIMA-Signals durch einen Breitbandempfänger schwieriger. Die Menge des durch einen Empfänger empfangenen Hintergrundrauschens hängt von der Bandbreite des Empfängers ab. Ein CIMA-Empfänger kann so abgestimmt werden, dass er CIMA-Trägerfrequenzen in vorbestimmten schmalen Bändern empfängt, in denen das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) verhältnismäßig groß ist. Allerdings empfängt ein Breitbandempfänger Rauschkomponenten in dem Spektrum zwischen den CIMA-Trägerfrequenzen, was in einem niedrigen SNR resultiert.
Falls die Anzahl der Benutzer k die Anzahl der CIMA-Trägerfrequenzen N übersteigt, kann der Zeitgebungs-Offset jedes Benutzers k so ausgewählt werden, dass die CIMA-Pulse so positioniert werden, dass die mittleren quadratischen Kreuzkorrelationen zwischen den Pulsen minimiert werden. Außerdem können die Benutzersignale in Bezug auf den Typ und die Priorität des Kommunikationskanals jedes Benutzers positioniert werden. Dies stellt die Qualität des Dienstes für spezifische Benutzer oder Übertragungstypen sicher. Außerdem liefert dies die Qualität eines ressourcenbegrenzten Systems, wenn die Anzahl der Benutzer am oder unter dem klassischen Grenzwert eines ressourcenbegrenzten Systems ist, während es interferenzbegrenzte Operationen liefert, wenn der Bedarf den klassischen Grenzwert übersteigt.
Obgleich der in 7 gezeigte Empfänger als ein Ein-Benutzer-Empfänger beschrieben wird, ist eine bevorzugte Betriebsart die Multi-Benutzer-Erfassung. Im Unterschied zur Direkt-Sequenz-CDMA, bei der jeder Benutzer zum Kommunikationskanal jedes anderen Benutzers Rauschen beiträgt, begrenzt der CIMA die Multi-Benutzerinterferenz auf Benutzersignale (Pulse), die in der Zeitdomäne nahe gelegen sind. In der bevorzugten Betriebsart samplet der Empfänger benachbart Benutzersignale in nicht mehr als zwei benachbarten Benutzerzeitintervallen. Dar aufhin führt er in dem Entscheidungsschritt 66 eine Gewichtung und eine Summe aus, um diese Beiträge zum Signal des beabsichtigten Benutzers zu canceln.
Die Separation d zwischen den Antenneelementen 24n des (in 3) gezeigten Senders 70 resultiert wegen der zeitabhängigen Phasenraumcharakteristik des CIMA-Signals in einer azimutalen Variation des durch das Array 24n erzeugten Strahlmusters. Mit anderen Worten, das Strahlmuster des Arrays 24n scannt, während sich der Phasenraum des CIMA-Signals mit der Zeit ändert. Die Zeitabhängigkeit der Bündelung des Strahlmusters ist durch die folgende Strahlmustergleichung gezeigt:
wobei a_n die Amplitude jeder CIMA-Trägerfrequenz, ω₀ + nω_s die Radialfrequenz der n-ten CIMA-Trägerfrequenz, λ_n die CIMA-Trägerfrequenz-Wellenlänge, θ der Azimutwinkel und d die Separation zwischen den Array-Elementen 24n ist. Diese Charakteristik des CIMA-Strahlmusters kann die Diversity-Vorteile des CIMA weiter verbessern. Der Stand der Technik zeigt, dass das Ändern des Strahlmusters einer Sendeantenne beim Diversity-Empfang hilft. In den 9A bis 9L sind für d = λ₀/2 und für inkrementelle Werte der Zeit t graphische Darstellungen der Strahlmustergleichung D(t) gezeigt. Verschiedene Werte der Separation d resultieren in Änderungen der Anzahl der Hauptkeulen und der Rate, mit denen sie scannen. Anpassung der Frequenzseparation f_s ändert die Bündelung D(t).
10 zeigt einen Hohlraumresonator mit frequenzverschobenem Feedback (FSFC) 70, der zum Erzeugen von CIMA-Signalen verwendet werden kann. Ein Basisfrequenzgenerator 72 erzeugt ein optisches Signal mit der Basisfrequenz f₀, aus dem frequenzverschobene Signale erzeugt werden. Das Basisfrequenzsignal wird in einen Hohlraumresonator 74 für fortschreitende Wellen eingegeben, der einen Frequenzschieber 76 enthält. Der Frequenzschieber 76 kann ein akustooptischer Modulator (AOM) sein. Während Licht durch den Hohlraumresonator 74 umläuft, wird es jedes Mal, wenn es durch den Frequenzschieber 76 geht, um einen Betrag f in der Frequenz verschoben. Der Hohlraumresonator 74 für fortschreitende Wellen dämpft nicht wahlweise Frequenzen. Eher sind die Oszillationen, die er unterstützt, durch eine ungewöhnliche breite spektrale Ausgabe charakterisiert, die keine Modenstruktur besitzt. Ein Teil des Lichts wird von dem Hohlraumresonator an einen Multiträgerfrequenz-Prozessor 78 ausgegeben. Zum Beispiel beugt ein AOM (nicht gezeigt) Licht, das durch ihn geht; daraufhin wird das Licht in den Hohlraumresonator 74 rückgekoppelt. Ein nicht gebeugter Teil des Strahls liefert eine zweckmäßige Ausgabe. Die Ausgabe des Prozessors 78 wird an einen (nicht gezeigten) Ausgabekoppler, z. B. an eine Antenne, an ein Fokussierelement oder an einen Verbinder zu einer Glasfaser übermittelt.
Der Ausgangsstrahl besteht aus mehreren Strahlen von inkrementell verzögertem, frequenzverschobenem Licht. Der Betrag der durch jede Ausgangsstrahlkomponente zugezogenen Verzögerung ist durch die Frequenz der Komponente identifiziert. Falls der Hohlraumresonator 74 nicht veranlasst, dass das Licht einem erheblichen Betrag chromatischer Dispersion ausgesetzt wird, ist der Betrag der Verzögerung, die durch eine Ausgabekomponente zugezogen wird, im Wesentlichen proportional zum Betrag der Frequenzverschiebung, die sich der Strahl zugezogen hat. Der Multiträgerfrequenz-Prozessor 78 kann eine Beugungsoptik enthalten, um die Ausgabekomponenten zu Wellenlängen-demultiplexieren. Falls der Basisfrequenzgenerator 72 das optische Basissignal mit einem Informationssignal moduliert, enthält die Ausgabe des Multiträgerfrequenz-Prozessors 78 mehrere verzögerte (und separierte) Versionen des modulierten Signals. Jede der verzögerten Versionen des modulierten Signals kann verwendet werden, um ein Übertragungssignal zu modulieren, das von jedem der in 3 gezeigten Antennen-Array-Elemente 24n emittiert wird. Falls jedes Array-Element 24n ein Übertragungssignal mit der gleichen Frequenzverteilung emittiert, ändert sich die Bündelung des durch das Array 24n erzeugten Strahlmusters zeitlich nicht. Eher kann die Bündelung einfach durch Ändern der Länge des Hohlraumresonators 74 für fortschreitende Wellen angepasst werden.
Außerdem kann der FSFC 70 als ein Empfänger zum Samplen empfangener CIMA-Signale in Nicht-Null-Phasenräumen verwendet werden. Dies erfordert, dass die Frequenzverschiebung f_s durch den Frequenzschieber 76 an die Frequenzseparation der empfangenen CIMA-Signale angepasst wird. Die Lichtausgabe von dem FSFC 70 wird durch die Wellenlänge separiert, um die verschiedenen Phasenraumsamples des empfangenen CIMA-Signals zu identifizieren. Falls der Hohlraumresonator 74 keine chromatische Dispersion verursacht, sind diese Phasenräume im Wesentlichen linear. Das lineare Phasenraum-Sampling passt die Phasenräume der empfangenen Signale an, wenn f_Q » N·f_s ist.
Der in 10 gezeigte FSFC 70 kann verwendet werden, um CIMA-Signale zur Übertragung über eine Glasfaser oder über einen Wellenleiter zu erzeugen. In dieser Betriebsart erzeugt der Frequenzgenerator 72 ein unmoduliertes optisches Basissignal. Die Ausgabe des Hohlraumresonators 74 für fortschreitende Wellen ist eine kollineare Superposition von CIMA-Trägerfrequenzen, die leicht an eine Glasfaser zu koppeln ist. Somit separiert der Multiträgerfrequenz-Prozessor 78 die Komponenten nicht. Der Multiträgerfrequenz-Prozessor 78 moduliert die CIMA-Signale mit einem Informationssignal, das in der Zeitdomäne eine vorbestimmte Dauer besitzt. Die Zeitgebung und die Dauer des Informationssignals können so ausgewählt werden, dass die chromatische Dispersion der CIMA-Trägerwellen, während sie sich durch die Faser ausbreiten, kompensiert wird.
Die chromatische Dispersion tritt in einer Glasfaser auf, da verschiedene Lichtwellenlängen mit verschiedenen Geschwindigkeiten laufen. Die Glasfaser hat für verschiedene Lichtwellenlängen verschiedene Brechungsindizes. Die Lichtgeschwindigkeit in dem Werkstoff ist umgekehrt proportional zum Brechungsindex. Bei der Werkstoffdispersion läuft Licht mit einer langen Wellenlänge schneller als Licht mit einer kurzen Wellenlänge. Dies verursacht eine Verzerrung (Verbreiterung) der über eine Glasfaser übertragenen optischen Pulse.
4 zeigt die Phasenbeziehung zwischen CIMA-Trägerfrequenzen, während sich ein CIMA-Signal in einem nicht dispergierenden Medium ausbreitet. Während sich die CIMA-Trägerfrequenzen durch den Raum ausbreiten, werden die CIMA-Pulse nicht verzerrt, da sich die Phasenbeziehungen zwischen den Trägerfrequenzen mit Ausnahme ihrer periodischen Beziehung nicht ändern. Zum Beispiel erfasst ein Empfänger, der sich mit der Geschwindigkeit der Trägerfrequenzen bewegt, keine Änderungen in der relativen Phase der Trägerfrequenzen. Eine andere Art, dies zu beschreiben, ist, dass zwei stationäre Empfänger durch eine ganze Anzahl von Pulsperioden voneinander beabstandet sein können, wobei sie die gleichen Phasenbeziehungen zwischen den CIMA-Trägerfrequenzen erfassen. Allerdings erfassen die zwei stationären Detektoren in einem dispergierenden Medium verschiedene Phasenbeziehungen, da einige der Trägerfrequenzen in der Phase weitergelaufen sind. Die folgende Gleichung zeigt die Wellenlängendifferenz zwischen benachbarten CIMA-Trägerfrequenzen:
Dies ist eine nichtlineare Beziehung, in der die Wellenlängendifferenz Δλ zwischen benachbarten CIMA-Trägerfrequenzen zunimmt, während die Wellenlänge jeder Trägerfrequenz abnimmt. Dies ist durch ein Phasenprofil 123 der Trägerfrequenzmaxima in 4 veranschaulicht. Die Frequenzseparation f_s wird in Bezug auf die Dispersionscharakteristiken einer Glasfaser 150 so ausgewählt, dass sie das Geschwindigkeitsprofil der Trägerfrequenzen an ihr Phasenprofil anpasst. Daraufhin werden Teile der Trägerfrequenzen ausgewählt, um konstruktiv zu kombinieren und an vorbestimmten Orten entlang der Faser 150 CIMA-Pulse zu erzeugen.
Die CIMA-Trägerfrequenzen werden in einem Zeitintervall 133, in dem das Phasenprofil 123 auftritt, pulsamplitudenmoduliert. In diesem Zeitintervall 133 ist das aus der Summe der Trägerfrequenzen resultierende Verbundsignal 130 vernachlässigbar. Während sich die Trägerfrequenzen durch die Faser 150 ausbreiten, ändern sich die relativen Phasen der Trägerfrequenzen. Während eines späteren Zeitintervalls 135 werden die Trägerfrequenz-Signalphasen zu einem spezifischen Zeitpunkt 125 in einer Reihe angeordnet, was in einer konstruktiven Interferenz resultiert, die veranlasst, dass in dem Verbundsignal 130 ein Puls auftritt. Zu späteren Zeitintervallen 127 und 129 sind die Trägerfrequenzen mit niedriger Wellenlänge etwas weiter gelaufen, was zu verzerrten Phasenprofilen 137 bzw. 139 führt. Das Verbundsignal 130 in diesen Zeitintervallen kehrt auf null zurück.
11 zeigt eine Mehrzahl von Verbund-CIMA-Signalen entlang einer dispergierenden Glasfaser 150. In ein Ende der Faser 150 werden drei Signale 160, 170 und 180 eingegeben. Doch das Phasenprofil des ersten Signals 160 wird so ausgewählt, dass die CIMA-Trägerfrequenzen konstruktiv kombinieren, um an einem ersten Knoten 151 einen Puls 161 zu erzeugen. Die ersten CIMA-Trägerfrequenzen 160 kombinieren destruktiv, um am zweiten und dritten Knoten 152 bzw. 153 Niederpegelsignale 162 und 163 zu erzeugen. Ähnlich werden die Trägerfrequenzphasen des zweiten Signals 170 so ausgewählt, dass sie an dem zweiten Knoten 152 ein konstruktiv interferierendes Signal 172 erzeugen. Die Trägerfrequenzphasen des dritten Signals 180 werden gleichfalls so ausgewählt, dass sie an dem dritten Knoten 153 eine konstruktive Interferenz 183 liefern. Unter Verwendung der nichtlinearen Dispersion des Lichts in einer Glasfaser kann es möglich sein, die nutzbare Bandbreite der Glasfaser über die klassischen Beschränkungen hinaus zu erweitern.
12A zeigt eine Amplitudenverteilung für zwanzig CIMA-Trägerfrequenzen. Diese Trägerfrequenzen erzeugen ein in 12B gezeigtes kombiniertes Signal, das aus einer Pseudozufallssequenz positiver und negativer CIMA-Pulse besteht. Somit resultiert eine besondere Verteilung von Trägeramplituden in der Frequenzdomäne in einem Direkt-Sequenz-CDMA-Code, der periodisch in der Zeitdomäne ist. Wenn CIMA-Signale als die Basis für ein CDMA-System verwendet werden, gewinnt das CDMA-System die Vorteile reduzierter Multipfad- und Intersymbolinterferenz, erhöhter Kapazität und reduzierter Gleichkanalinterferenz. Da CIMA-Signale sinc-Funktionen sind, besitzen sie eine hohe Autokorrelationseffizienz. Wenn die Synchronisation verloren geht, fällt die Autokorrelationsfunktion schnell ab.
Die bevorzugten Ausführungsformen demonstrieren einige der vielen Verfahren zum Erzeugen und Empfangen von CIMA-Signalen. Dies erfolgte, um ein Grundverständnis der Charakteristiken von CIMA zu liefern. In Bezug auf dieses Verständnis können viele Aspekte dieser Erfindung, z. B. die zum Erzeugen und Verarbeiten von CIMA-Signalen verwendeten Verfahren, variieren. Selbstverständlich liegen solche Variationen im Umfang der vorliegenden Erfindung, deren Wesen grundlegender bei den Entwurfsrealisierungen und erzielten Erkenntnissen als bei den besonderen entwickelten Entwürfen liegt.
Die vorstehende Diskussion und die folgenden Ansprüche beschreiben die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Insbesondere in Bezug auf die Ansprüche können daran selbstverständlich Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen. Diesbezüglich sollen diese Änderungen weiter im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen. In dem Umfang, in dem Überarbeitungen das Wesen der vorliegenden Erfindung nutzen, liegen sie natürlich im Schutzumfang dieses Patents. Dies trifft insbesondere für die vorliegende Erfindung zu, da ihre Grundkonzepte und Verständnisse dem Wesen nach grundlegend sind und umfassend angewendet werden können.

Claims

Verfahren zur Kommunikation zwischen zumindest einem Sender und einem Empfänger unter Verwendung von Trägerfrequenz-Interferenz-Mehrfachzugriff (carrier-interference multiple-access CIMA)-Kommunikationssignalen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Vorsehen der Erzeugung und Modulation (14n) einer Mehrzahl von elektromagnetischen Trägerfrequenzsignalen mit zumindest einem Informationssignal, wobei die Trägerfrequenzsignale eine Mehrzahl von Frequenzen aufweisen und zumindest einem Benutzer zugewiesen sind, Vorsehen von zumindest einem vorbestimmten Phasenraum (16n) für die Trägerfrequenzen, wobei jeder Phasenraum ein Datensymbol auf eine einer Mehrzahl von Pulswellenformen mappt, die durch eine Superposition der Trägerfrequenzen erzeugt werden und auf einen bestimmten zeitlichen Moment zentriert sind, wobei die Pulswellenformen zeitlich orthogonal positioniert sind, Vorsehen der Übertragung (24) der modulierten in Phase befindlichen Trägerfrequenzsignale in einen Kommunikationskanal, um CIMA-Übertragungssignale zu erzeugen, die Trägerfrequenz-Signalkomponenten aufweisen, und Vorsehen des Empfangs (52) der CIMA-Übertragungssignale von dem Kanal, wobei die Trägerfrequenz-Signalkomponenten in Phase (62n) kombiniert werden, um zumindest einen konstruktiven Interferenzpuls zu erzeugen, der zumindest ein Informationssignal angibt.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Trägerfrequenzsignale inkrementell im Frequenzraum angeordnet sind.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Vorsehens der Erzeugung einer Mehrzahl von elektromagnetischen Trägerfrequenzsignalen einschließt: Erzeugung einer Mehrzahl von Gruppen von Trägerfrequenzen, die identische Sätze von Trägerfrequenzen aufweisen, wobei jede Gruppe einem einer Mehrzahl von Benutzern zugeordnet ist, und wobei der Schritt des Vorsehens zumindest eines vorbestimmten Phasenraums für die Trägerfrequenzen einschließt: Vorsehen eines eindeutigen Phasenraums für jede Gruppe, um Pulse zu erzeugen, die zu unterschiedlichen Zeitintervallen empfangen werden.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Vorsehens der Erzeugung einer Mehrzahl von elektromagnetischen Trägerfrequenzsignalen einschließt: Erzeugung einer Mehrzahl von Gruppen von Trägerfrequenzen, wobei jede Gruppe einen eindeutigen Satz von Trägerfrequenzen aufweist und einem unterschiedlichen Benutzer zugeordnet ist.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Vorsehens der Erzeugung einer Mehrzahl von elektromagnetischen Trägerfrequenzsignalen, welche eine Mehrzahl von Frequenzen aufweisen, einschließt: Den Schritt des Vorsehens von Variationen für die Trägerfrequenzen bezüglich der Zeit, wobei die Frequenzvariationen für jede Trägerfrequenz in einer Gruppe von Trägerfrequenzen, die jedem Benutzer entsprechen, im wesentlichen identisch sind, wobei wenig oder keine Veränderung der Einhüllenden des Pulses verursacht wird.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Vorsehens der Modulation der Trägerfrequenzsignale aufweist: Anwenden von Pulsamplitudenmodulation auf eine Vielzahl der Trägerfrequenzen, wobei die Pulsamplitudenmodulation eine Dauer aufweist, die länger ist als die Pulsbreite des konstruktiven Interferenzpulses.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Vorsehens der Modulation der Trägerfrequenzsignale aufweist: Anwenden von Pulsamplitudenmodulation auf eine Vielzahl der Trägerfrequenzen, wobei die Pulsamplitudenmodulation eine Dauer aufweist, die kürzer ist als die Dauer des konstruktiven Interferenzpulses.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Vorsehens der Erzeugung einer Mehrzahl von elektromagnetischen Trägerfrequenzsignalen einschließt: Tapern des Frequenz-Amplitudenfensters des Trägerfrequenzsignals, um die Nebenkeulenenergie des konstruktiven Interferenzpulses in der Zeitdomäne zu reduzieren.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Vorsehens des Empfangs der CIMA-Übertragungssignale einschließt: Den Schritt des Vorsehens einer Anzahl von bestimmten Verzögerungen für jedes empfangene Trägerfrequenzsignal vor der Kombination zur Erzeugung des konstruktiven Interferenzpulses, wobei die Anzahl von vorbestimmten Verzögerungen gleich der Anzahl von unterschiedlichen Phasenräumen ist, in denen das empfangene CIMA-Übertragungssignal gesamplet wird.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Vorsehens der Modulation der Trägerfrequenzsignale durch ein Informationssignal in einem spezifischen Zeitintervall bezüglich der Phase der Trägerfrequenzen durchgeführt wird, und zwar so, daß die resultierenden modulierten Trägerfrequenzen eine oder mehrere Nicht-Null-Phasenräume okkupieren und nicht konstruktiv im Nicht-Null-Phasenraum zur Erzeugung eines Pulses kombinieren.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Vorsehens des Empfangs der CIMA-Übertragungssignale einschließt: Kompensieren der relativen Phasen der Trägerfrequenzen in zumindest einem der Nicht-Null-Phasenräume, um die Trägerfrequenzsignale in Phase zu kombinieren.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 9, wobei Interferenz in den unterschiedlichen Phasenräumen gesamplet wird und dann gewichtet und kombiniert mit einem Signal eines beabsichtigten Benutzers, um Beiträge der Multi-Benutzerinterferenz zu dem beabsichtigten Benutzersignal zu canceln.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Vorsehens der Erzeugung einer Mehrzahl von elektromagnetischen Trägerfrequenzsignalen durch einen Hohlraumresonator mit frequenzverschobenem Feedback durchgeführt wird.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Vorsehens des Empfangs der CIMA-Übertragungssignale durchgeführt wird durch einen Hohlraumresonator mit frequenzverschobenem Feedback.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Kommunikationskanal ein Wellenleiter ist.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 15, bei dem die elektromagnetischen Trägerfrequenzsignale optische Signale sind und der Wellenleiter eine Glasfaser ist.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 15, bei dem der Schritt des Vorsehens der Erzeugung einer Mehrzahl von elektromagnetischen Trägerfrequenzsignalen sowie das Vorsehen von zumindest einem Phasenraum für die Trägerfrequenzsignale durchgeführt wird, um die relativen Phasen zwischen den Trägerfrequenzen an das chromatische Dispersionsprofil der Trägerfrequenzen in dem Wellenleiter anzupassen, und zwar so, daß die Dispersion die Trägerfrequenzphasen verlaßt, eine vorbestimmte Phasenbeziehung aufzuweisen, nachdem sie eine vorbestimmte Entfernung in dem Wellenleiter zurückgelegt haben.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Vorsehens der Übertragung der modulierten, in Phase befindlichen Trägerfrequenzsignale einschließt: Übertragen der Trägerfrequenzsignale von einem Sendearray, wobei jede Trägerfrequenz von einem bestimmten Benutzer von einem separaten Senderelement des Arrays übertragen wird.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 18, wobei die Separation zwischen den Senderelementen ausgewählt wird bezüglich der Trägerfrequenzseparation, um die Form eines Array-Strahlmusters und die Dauer, in der das Array-Strahlmuster abtastet, zu steuern.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorsehen zumindest eines vorbestimmten Phasenraums für die Trägerfrequenzen in einer Reihe von Pulsen in der Zeitdomäne resultiert und der Schritt des Vorsehens der Modulation der Trägerfrequenzsignale resultiert in der Modulation jedes der Pulse mit einem Direktsequenz-Chip, so daß der modulierte Zug von Pulsen ein Direktsequenzcode ist.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 20, wobei der Direktsequenz-Chip das Ergebnis eines Informationssignals und eines Chips eines pseudozufälligen CDMA-Spreizcodes ist.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Vorsehens des Empfangs der CIMA-Übertragungssignale einschließt: Multi-Benutzerdetektion, wobei Benutzersignale von einem beabsichtigten Benutzer und zumindest einem interferierenden Benutzer emfpangen werden, wobei die interferierenden Benutzersignale gewichtet und dem Signal des beabsichtigten Benutzers kombiniert werden, um die interferierenden Benutzersignale zu canceln.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorsehen von zumindest einem vorbestimmten Phasenraum für die Trägerfrequenzen in zumindest zwei konstruktiven Interferenzpulsen, die zeitlich überlappen, resultiert.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorsehen von zumindest einem vorbestimmten Phasenraum für die Trägerfrequenzen einen Entscheidungsschritt einschließt, der erlaubt, daß zumindest zwei konstruktive In terferenzpulse zeitlich überlappen, wenn die Anzahl von Benutzern oder die Kanalbenutzung über ein vorbestimmtes Limit steigt.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 24, wobei der Entscheidungsschritt einschließt: einen Schritt des Identifizierens der Benutzer und des Zuweisens einer Priorität für jeden Benutzer, die verwendet wird, um zu bestimmen, welche Benutzersignale für die zeitliche Überlappung ausgewählt werden.
Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Trägerfrequenzen für jeden Benutzer durch einen Betrag separiert werden, der gleich oder größer als die Kohärenzbandbreite des Kommunikationskanals ist.
Kommunikationssystem für Trägerfrequenz-Interferenz-Mehrfachzugriff (carrier-interference multiple-access CIMA), um die Kommunikation zwischen zumindest einem Sender und einem Empfänger bereitzustellen, welches aufweist: einen CIMA-Sender, welcher aufweist: einen Multiträgerfrequenz-Generator und Modulator (14n) zum Erzeugen einer Mehrzahl von elektromagnetischen Trägerfrequenzsignalen, die zumindest einem Benutzer zugewiesen werden, sowie zur Modulation der Trägerfrequenzsignale mit zumindest einem Informationssignal; einem Phasencontroller (16n), der angepaßt ist, um für die Trägerfrequenzen zumindest einen vorbestimmten Phasenraum vorzusehen, wobei der Phasencontroller ein Datensymbol auf eine Mehrzahl von Pulswellenformen mappt, die durch eine Superposition der Trägerfrequenzen erzeugt werden und auf einen vorbestimmten zeitlichen Moment zentriert sind, wobei die Pulswellenformen orthogonal in der Zeit angeordnet sind; und einen Ausgangskoppler (24) zum Koppeln der modulierten, in Phase befindlichen Trägerfrequenzsignale in einen Kommunikationskanal, um CIMA-Übertragungssignale zu erzeugen, die Trägerfrequenz-Signalkomponenten aufweisen; einen CIMA-Empfänger (52) zum Empfangen der CIMA-Übertragungssignale von dem Kanal und zum Kombinieren (62n) der Trägerfrequenz-Signalkomponenten in Phase, um zumindest einen konstruktiven Interferenzpuls zu erzeugen, der das zumindest eine Informationssignal angibt.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 27, wobei der CIMA-Empfänger innerhalb zumindest eines vorbestimmten Zeitintervalls samplet, um zumindest einen Puls im Null-Phasenraum zu empfangen.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 27, wobei der CIMA-Empfänger ein Benutzersignal in einer Mehrzahl von Phasenräumen zu unterschiedlichen Zeiten samplet und die Samples in einem Signalabschätzer kombiniert, der das Informationssignal bestimmt.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 27, wobei der CIMA-Empfänger ein Multi-Benutzer-Detektor ist, der ein oder mehrere interferierende Benutzersignale, die mit einem Signal eines beabsichtigten Benutzers interferieren, samplet, die gesampleten interferierenden Signale gewichtet und die gesampleten interferierenden Signale mit dem Signal des beabsichtigten Benutzers kombiniert, um die Mehrfach-Benutzerinterferenz zu canceln.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 27, wobei der Multiträgerfrequenz-Generator ein Hohlraumresonator mit frequenzverschobenem Feedback ist.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 27, wobei der Kommunikationskanal ein Wellenleiter ist.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 27, wobei der Ausgangskoppler ein Array von Sendern ist.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 33, wobei jedes Element des Arrays ein separates Trägerfrequenzsignal für jeden Benutzer überträgt, wodurch ein zeitabhängiges Strahlmuster für jeden Benutzer erzeugt wird, und wobei der Multi-Trägerfrequenzgenerator die Frequenzseparation der Trägerfrequenzen steuert, um die Abtastrate jedes Strahlmusters zu steuern.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 27, wobei die Trägerfrequenzsignale nicht-uniform im Frequenzraum getrennt sind.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 27, wobei eine oder mehrere Funktionen von zumindest einem der Sender und des Empfängers durch einen digitalen Signalprozessor aufgeführt werden.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 27, wobei der Empfänger eine Verstärkungsanpassung an zumindest eine der Trägerfrequenzsignalkomponenten bereitstellt, um ein flaches Fading zu kompensieren.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 27, wobei der Multi-Trägerfrequenzgenerator eine getaperte Amplitude für die Trägerfrequenzen bereitstellt, um Nebenkeulen zu reduzieren.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 27, wobei der Trägerfrequenzmodulator eine Pulsamplitudenmodulation auf die Trägerfrequenzsignale anwendet.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 39, wobei die Pulsamplitudenmodulation in einem vorbestimmten Zeitintervall relativ zu den Phasen der Trägerfrequenzen angewendet wird, um ein oder mehrere CIMA-Übertragungssignale zu erzeugen, die ein oder mehrere Nicht-Null-Phasenräume okkupieren.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 40, wobei der Kommunikationskanal ein Wellenleiter ist und die Frequenzseparation und die relativen Phasen der Trägerfrequenzen innerhalb der pulsamplitudenmodulierten Einhüllenden ausgewählt werden, um an die chromatische Dispersion des Wellenleiters angepaßt zu sein, um zu veranlassen, daß eine vorbestimmte Phasenbeziehung zwischen den Trägerfrequenzen auftritt, nachdem sie eine vorbestimmte Entfernung in dem Wellenleiter zurückgelegt haben.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 27, wobei der Empfänger ein Hohlraumresonator mit frequenzverschobenem Feedback ist.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 27, wobei der Multi-Trägerfrequenzgenerator eine vorbestimmte Amplitude für jedes Trägerfrequenzsignal liefert, um einen Zug von Pulsen mit Direkt-Sequenzmodulation zu erzeugen.
Das CIMA-Kommunikationssystem nach Anspruch 27, wobei die Trägerfrequenzsignale inkrementell im Frequenzbereich angeordnet sind.