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Die
vorliegende Erfindung betrifft Telekommunikationssysteme über einen
geostationären
Satelliten, welche Systeme Informationsaustausche bzw. Kommunikationen
zwischen terrestrischen Endgeräten
(Benutzerendgeräten,
Servern, usw.) ermöglichen,
die einen sehr unterschiedlichen Bedarf an Durchlassbandbreite und Übertragungszeit
haben.
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Sie
betrifft insbesondere Systeme, die einen oder mehrere Satelliten
mit mehreren Dutzend (im Allgemeinen 20 bis 60) Strahlen verwenden,
deren Anzahl auf den Aufwärtsstrecken-
und Abwärtsstrecken-Wegen
unterschiedlich sein kann. Ein solches System wird insbesondere
verwendet, um die Telekommunikationen über Europa mit vierzig Strahlen mit
einer Apertur von je 0,6° zu
gewährleisten.
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Eine
interessante Architektur besteht darin, eine Nutzlast an dem Satelliten
anzubringen, die eine vollständige
Konnektivität
bzw. Verbindungsfähigkeit und Flexibilität sowie
eine Regenerierung der Meldungen gewährleistet, siehe beispielsweise
US-A-4 425 639 (Acampora
et al.).
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Die
Konnektivität
ermöglicht
es, den Verkehr, mit Ausnahme des lokalen (d.h. zwischen zwei Endgeräten, die
im selben Strahl angeordnet sind), von einem Strahl zu einem anderen
zu leiten. Sie erfordert beim Satelliten das Vorhandensein einer
Führungseinrichtung,
die die Kommunikationen direkt zu dem Strahl richtet, in dem sich
das Empfangsendgerät
befindet, und die Verwendung von terrestrischen Netzen, die im Falle
von Verbindungen im Anschlussmodus besonders kostspielig ist, auf
ein Minimum reduziert.
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Die
Flexibilität
ist aus der Fähigkeit
der Nutzlast gebildet, ein Durchlassband und somit Kapazität zwischen
dem Strahl auf dem Aufwärtsstrecken- und/oder
Abwärtsstrecken-Weg
auszutauschen.
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Die
Lösung,
die für
die Gewährleistung
einer hohen Kommunikationsqualität
und die Erfüllung
der oben angegebenen Bedingungen am geeignetsten zu sein scheint,
besteht darin, ein asynchrones Übertragungsprotokoll,
ATM genannt, zu verwenden und am Satelliten eine Nutzlast vorzusehen,
die eine vollständige
Regenerierung sowohl auf der Hinbewegungsbahn (von den Brücken am
Boden, die für
die Verbindung mit dem terrestrischen Netz bestimmt sind, zu Benutzerendgeräten) als
auch auf der Rückbewegungsbahn
(von den Benutzerendgeräten)
gewährleistet.
Aber dieser Ansatz verpflichtet insbesondere aufgrund der Notwendigkeit
von ATM-Umschaltern mit Speicher von einem derzeit für eine Montage am
Satelliten nicht verfügbaren
Typ dazu, eine komplexe und unzureichend ausgereifte Nutzlast zu
verwenden.
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Eine
weitere Lösung
besteht darin, die Nutzlast derart vorzusehen, dass sie dieselben
Strahlen für
die Aufwärtsstrecken-
wie die Abwärtsstrecken-Bahn
einer Verbindung verwendet. Sie beruht auf der Annahme, dass der
lokale Verkehr (im Inneren desselben Strahls) zwischen direkten
Benutzern ohne Intervention des terrestrischen Segments vorherrschend
ist.
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Die
Erfindung soll insbesondere ein System bereitstellen, das einen
zufriedenstellenden Kompromiss zwischen der Komplexität der Nutzlast
des Satelliten und der Verringerung der Verwendung der terrestrischen
Netze, d.h. dem Streben nach minimalen Führungskosten, gewährleistet.
Zusätzlich
soll die Erfindung ein System bereitstellen, dessen Endgeräte von Anfang
an derart vorgesehen sein können, dass
sie ihre spätere
Verwendung in einem System mit vollständiger Konnektivität und Flexibilität mit ATM-Umschaltern
mit Speicher an Bord des Satelliten ermöglichen.
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Zu
diesem Zweck schlägt
die Erfindung ein System vor, dass ein Raumsegment mit mindestens einem
Satelliten umfasst, der eine mehrstrahlige Telekommunikationsnutzlast
trägt,
und ein terrestrisches Segment, umfassend Zugangsbrücken zum terrestrischen
Netz, die jeweils einer unter der Reichweite jedes Strahls oder
einer Strahlengruppe zugeteilt sind, und Benutzerendgeräte, die
zur Verbindung mit der Nutzlast des Satelliten mit funkelektrischen Mitteln
versehen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzlast umfasst:
- – auf
einer Hinbewegungsbahn einer Brücke
zu einem Benutzerendgerät
ein Führungselement von
im Zeitmultiplex (TDM oder MRT genannt) übertragenen Meldungen Raster
für Raster,
und
- – auf
einer Rückbewegungsbahn
vom Benutzerendgerät
zu einer Brücke
ein Führungselement, das
Trägerfrequenzgruppe
für Trägerfrequenzgruppe,
die einem selben Strahl angehören,
funktioniert bzw. arbeitet (wobei die Gruppe eines Strahls nur eine
einzige Trägerfrequenz
haben kann, im Allgemeinen aber mindestens fünf Trägerfrequenzen in einem handelsüblichen
System hat).
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Die
beiden Elemente können
in Form eines gemeinsamen Prozessors integriert sein oder zu getrennten
Prozessoren gehören.
Ein Teil der Übertragungskapazität kann zurückbehalten
und für
die lokalen Kommunikationen reserviert werden, d.h. im Inneren eines
selben Strahls, wenn es der Umfang des lokalen Verkehrs rechtfertigt.
Auf diese Weise werden die Masse der Nutzlast und die verbrauchte Leistung
reduziert.
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In
einem System des oben angegebenen Typs ist die Rückbewegungsbahn transparent
(oder mit anderen Worten nicht regenerierend). Sie kann insbesondere
einen Übertragungsmodus
mit Trägerfrequenzvielfachzugriff
verwenden, mit einer Zuteilung jeder Meldung für jede Trägerfrequenz zu Zeitabschnitten
desselben Rangs von aufeinanderfolgenden Rastern (sogenannter F/TDMA-
oder AMRT/F-Modus). Das Fehlen einer Regenerierung der Meldungen
an Bord des Satelliten macht das System offen für Weiterentwicklungen und neue
Normen. Sie kann durch Erhöhung
der isotropen ausgestrahlten äquivalenten
Leistung des funkelektrischen Teils der Endgeräte kompensiert werden.
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Die
Hinbewegungsbahn kann hingegen regenerierend sein. Im Allgemeinen
wird ein Übertragungsmodus
durch Zeitmultiplex, TDM oder MRT genannt, mit unterbrechungsloser
Beförderung
von zu Superrastern zusammengefassten aufeinanderfolgenden Rastern
verwendet.
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Die
Nutzlast des Satelliten ist nun dazu vorgesehen, auf der Hinbewegungsbahn
nacheinander eine Demodulation, eine Umschaltung und eine erneute
Modulation durchzuführen.
Der Schalter kann von einem einfachen Typ sein und einfach Zusammenschlüsse bzw.
Verbindungen sicherstellen. Bei einer komplexeren Lösung kann
der Schalter einen Speicher für
MRT-Raster aufweisen. Es ist nun möglich, die Datenpakete der
eingehenden Raster zu jedem beliebigen Ausgangsmodulator zu führen, wobei die
Reihenfolge der Aufeinanderfolge der Pakete geändert wird.
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Die
Granulometrie des Systems (die seine Fähigkeit zum Schneiden des Durchlassbands
in mehr oder weniger kleine Abschnitte definiert) kann hoch sein.
Auf der Hinbewegungsbahn kann sie dank der Umschaltung Raster für Raster
ungefähr
1,5 Mbps betragen. Auf der Rückbewegungsbahn
kann die Granulometrie ungefähr
5 MHz betragen und unter normalen Bedingungen einer Menge von 6 × 384 kbps
entsprechen.
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Die
Erfindung schlägt
auch einen Satelliten vor, der in einem Telekommunikationsnetz mit
einem terrestrischen Netz verwendet werden kann, umfassend Zugangsbrücken zum
terrestrischen Netz, umfassend:
- – auf einer
Hinbewegungsbahn ein Führungselement
von im Zeitmultiplex MRT übertragenen
Meldungen Raster für
Raster und Mittel zur Regeneration der Meldungen,
- – auf
einer Rückbewegungsbahn
ein transparentes Führungselement,
das Trägerfrequenzgruppe für Trägerfrequenzgruppe,
die zu einem selben Strahl gehören,
im AMRT/F-Modus arbeitet.
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Die
oben angegebenen Merkmale sowie weitere gehen besser aus der Studie
der nachfolgenden Beschreibung einer besonderen Ausführungsform
hervor, die als nicht beschränkendes
Beispiel angeführt
ist. Die Beschreibung bezieht sich auf die begleitenden Zeichnungen,
wobei:
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1 die
allgemeine Architektur eines Endgeräts zeigt, wobei nur einige
der Endgeräte
dargestellt sind,
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2 und 3 Prinzip-Schemata
sind, die die Schritte zeigen, die auf den Hin- und Rückbewegungsbahnen an Bord des
Raumsegments des Systems durchgeführt werden;
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4 eine
schematische Darstellung der Verbindungs- bzw. Zusammenschlussmatrix
an Bord des Satelliten auf der Hinbewegungsbahn ist;
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5 ein
Schema ist, das die Ressourcenzuteilung zeigt, die im Bereich jeder
Brücke
erfolgt;
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6 ein
Schema ist, das eine mögliche
Bildung der Datenmenge auf der Hinbewegungsbahn zeigt;
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7 eine
Variante von 6 ist; und
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8 eine
mögliche
Art der Synchronisierung zwischen Brücken zeigt.
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Die
Architektur, von der einige Elemente in 1 gezeigt
sind, umfasst mindestens einen mehrstrahligen Satelliten 10,
der auf einer geostationären Umlaufbahn
angeordnet ist. Unter der Reichweite jedes Strahls ist mindestens
eine terrestrische Zugangsbrücke 12 zum
terrestrischen Netz 14 angeordnet. Diese Brücke umfasst
einen Umschalter 16 und Funkfrequenzverbindungsmittel mit
dem Satelliten, beispielsweise in MDP-Modulation 4, auch
QPSK genannt. Im Allgemeinen wird nur eine Brücke pro Strahl verwendet, um
die erforderlichen Synchronisationsschritte zu vereinfachen. Allerdings
können mehrere
Brücken
verteilt sein.
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Das
Netz 14, zu dem die Brücken
Zugang ermöglichen,
ist an ein Netzsteuerzentrum 18 angeschlossen. Dieses Steuerzentrum
regelt die pseudostatische Ausführung
der physischen Hin- und Rückbewegungsbahnen
auf der Basis einer Vorhersage des Bedarfs des Verkehrs oder des
tatsächlichen
Bedarfs. Es schließt
auch die Mittel zur zentralisierten Verwaltung des Netzes ein.
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Die
Brücken
steuern ihrerseits die Ressourcen mit einer Anschlussausrichtung.
Die physischen Ressourcen werden ihnen durch das Zentrum 18 zugewiesen.
Die Funktion der Brücken
umfasst insbesondere die Verwaltung der Mehrfachzugriffe, die Anzeigefunktionen
und die Knotenfunktionen für
den Verkehr ausgehend von den an das Netz angeschlossenen Endgeräten und
zu ihnen.
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Das
Netz ist auch an eine Satellitenfernsteuerungsstation 20 angeschlossen,
die die Ausführung und Überwachung
der Nutzlast des Satelliten sichert.
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Schließlich können an
das terrestrische Segment des Netzes feste 22 und transportable
Benutzerendgeräte 24 angeschlossen
werden, die von verschiedenen Typen sein können, was ihren Durchlassbandbedarf
betrifft, und die im Allgemeinen einen äußeren Teil 26 und
einen inneren Teil 28 umfassen.
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Wenn
es der Verkehrsbedarf rechtfertigt, kann ein zweiter Satellit 30 an
derselben Stelle wie der Satellit 10 auf der geostationären Umlaufbahn angeordnet
werden. Dieser zweite Satellit kann dazu vorgesehen sein, nur Verbindungen
zwischen zwei Endgeräten
und/oder Brücken
zu sichern, die sich im inneren eines selben Strahls befinden. Das
System kann sich weiterentwickeln. Der „transparente" Satellit, der ein
umfassendes Zurückgreifen
auf die terrestrischen Ressourcen erfordert, wird als erster gestartet.
Später
wird ein Satellit, der Führungsfähigkeiten aufweist,
in der Nähe
des ersten angebracht und wirkt mit diesem zusammen.
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Wie
es oben angeführt
ist, erfolgt die Rückverbindung
von einem Benutzerendgerät 22 oder 24 zu
einem Satelliten und von hier zu einer Brücke im AMRT/F-Modus, während die
Verbindungen zu den Benutzerendgeräten im Breitband-MRT, geteilt
durch alle in einem selben Strahl befindlichen Benutzerendgeräte, erfolgen.
Das Benutzerendgerät
greift auf den Satelliten zu, um Befehle auszusenden, was sich im
Allgemeinen in einem geringeren Bedarf als für die Rückinformationen zeigt. Der
Satellit wirkt als Verbindungs- bzw. Zusammenschlussschalter und
führt die Trägerfrequenzen
AMRT/F transparent zu der Bestimmungsbrücke auf der Rückbewegungsbahn
und führt
die Breitband-MRT-Meldungen Raster für Raster von den verschiedenen
Brücken
zu den Bestimmungsstrahlen. Die derzeitige Technologie ermöglicht es
ohne Schwierigkeit, eine Menge von n × 384 kbps für die Bedürfnisse,
die von einem Benutzerendgerät
kommen, und eine Menge von ungefähr 100
Mbps für
das Senden im MRT zu den Benutzern vorzusehen.
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Die
von der Nutzlast des Satelliten auf den Hin- und Rückbewegungsbahnen
durchgeführten Verarbeitungen
sind in den 2 bzw. 3 schematisch
dargestellt.
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In 2 umfasst
der Schalter 32, der sich auf der Hinbewegungsbahn befindet,
eine selbe Anzahl n von Eingängen
und Ausgängen.
Die auf einem Strahl empfangenen Kommunikationen werden an einen
Verstärker 34 angelegt,
gefolgt von einem Bandfilter 36 und einem Demodulator 38.
Der Schalter, der auf Rasterebene funktioniert, richtet die Raster
zu dem geeigneten Ausgangsstrahl aus. Jede Ausgangsmeldung wird
bei 40 neu moduliert und bei 42 verstärkt.
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Bei
einer besonderen Ausführungsform
sind die n Eingänge
in zwei Untergruppen aufgeteilt und hat jedes Signal eine Bandbreite
von 125 MHz. Um eine zufriedenstellende Übertragungsqualität zu sichern,
werden die Signale MRT (oder TDM) vorzugsweise einer Faltungscodierung
unterzogen und durch einen Algorithmus für maximale Wahrscheinlichkeit decodiert.
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In
diesem Fall ist der Schalter in einen Prozessor integriert, der
die Analog/Digital-Umwandlung und die Demodulation am Eingang vor
der Decodierung und dem flexiblen Führen der in MRT codierten binären Datenmengen
Raster für
Raster zu der entsprechenden Ausgangsmenge auf dem Abwärtsstrecken-Weg
gewährleistet.
Der Prozessor codiert erneut, moduliert und realisiert eine Analog/Digital-Umwandlung,
um die Bitmenge auf dem Abwärtsstrecken-Weg
zu bilden.
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Auf
der Rückbewegungsbahn
ist die Nutzlast transparent, wie es 3 zeigt.
Sie kann von einem Prozessor gebildet sein. Direkte Bahnen, die
gestrichelt dargestellt sind, können
zusätzlich
zu den Bahnen, die Gegenstand der Verarbeitung sind, vorgesehen
sein. Später
können
die direkten Verbindungen weggelassen werden.
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Zum
Beispiel kann jedes eingehende Signal und jedes abgehende Signal
auf der Rückbewegungsbahn
eine Bandbreite von 125 MHz, geteilt in 150 Abschnitte von 800 kHz,
aufweisen. Der Prozessor 44 führt eine Analog/Digital-Umwandlung und einen
Frequenz-Demultiplex an jedem der aktiven eingehenden Signale (Signale
auf dem Aufwärtsstrecken-Weg)
durch. Der Frequenz-Demultiplex
kann in Kanälen
von 800 kHz erfolgen. Der Prozessor führt das Führen und die Verteilung der
Kanäle
auf den entsprechenden Aufwärtsstrecken-Kanälen durch, wobei
er den Multiplex der Kanäle
von 800 kHz und die Analog/Digital-Umwandlung sicherstellt.
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4 zeigt
ein Beispiel für
das Führen
auf der Hinbewegungsbahn durch Umschaltung der Aufwärtsstrecken-Raster
nach einer besonderen Zusammenschlussmatrix für Strahlen 1 bis N. Die Raster,
die beispielsweise in einer Anzahl von 64 vorhanden sind und jedes
Aufwärtsstrecken-Superraster MRT
bilden, sind unabhängig
von einem Strahl auf dem Abwärtsstrecken-Weg
ausgerichtet, wobei eine gespeicherte Tabelle berücksichtigt
wird. Die Zusammenschlussmatrix wird durch das Netzsteuerzentrum 18 berechnet,
das jeder Brücke
Raster auf dem oder den entsprechenden Übertragungsstrahlen zuteilt.
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Auf
dem terrestrischen Segment kann der Zuteilungsmechanismus durch
die Brücken
derjenige sein, der in 5 dargestellt ist. Der vom terrestrischen
Netz kommende Verkehr, der zum Satelliten auszusenden ist und durch
den Pfeil 46 schematisch dargestellt ist, wird an einen
Demultiplexer 48 angelegt. Dieser trennt die Verkehrszellen
in Abhängigkeit von
ihrem Bestimmungsstrahl und eventuell von der Art des beförderten
Dienstes. Multiplexer 50, die den verschiedenen Strahlen
zugeteilt sind, führen
ein neuerliches Multiplexen an einer MRT-Menge 52 durch,
die mit der Struktur von Superrastern, die eventuell von der Zusammenschlussmatrix
vorgegeben ist, kompatibel ist.
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Die
Verteilung der Daten kann diejenige sein, die in 6 angeführt ist
und die ein ATM-Protokoll verwendet. Die Nutzdaten sind in Zellen 50 verteilt, die
jeweils 55 Oktette umfassen und sich aus der Information 52 und
einer Kopf zeile 54 zusammensetzen. Die Zellen sind in Blöcken von
vier Zellen zusammengefasst, denen eine Kopfzeile vorangestellt ist
und denen ein Korrekturcode folgt. Die Blöcke sind ihrerseits in Raster
von 15 Blöcken
zusammengefasst, denen eine Kopfzeile vorangestellt ist.
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Schließlich sind
die Raster zu Superrastern 50 mit einer Kopfzeile zusammengefasst.
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Auf
der Rückbewegungsbahn,
die ein ATM-Protokoll verwendet, ist die Konnektivität durch eine
Frequenzumschaltung verwirklicht, die von der Nutzlast durchgeführt wird,
wobei die Konnektivitätsmatrix
vom Steuer- bzw. Kontrollzentrum berechnet und an Bord des Satelliten
gespeichert wird.
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Eine
weitere mögliche
Verteilung der Daten auf der Rückbewegungsbahn
ist in 7 schematisch dargestellt. Die Übertragungsstruktur
ist von Rastern von 64 Salven bzw. Bursts 60 gebildet,
wobei diese Zahl als optimaler Kompromiss zwischen einer minimalen
Zugriffsrate, insbesondere für
den Verkehr und für
die Anzeige, und der Zugriffszeit gewählt wird. Jede Salve umfasst
1000 Bits mit einer Dauer von ungefähr 10 ms. Jedes Raster umfasst eine
Nutzinformation 62, eine Präambel und eine Postambel. Jede
Zelle kann ihrerseits aus 48 Oktetten von Informationen gebildet
sein, denen eine Kopfzeile von 4 Oktetten und ein Korrekturcode
von 3 Oktetten vorangestellt sind. Eine solche Struktur ermöglicht es,
eine Granularität
von einer Zelle pro Salve zu erreichen.
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Eine
solche Struktur ermöglicht
eine Faltungscodierung von halbem Niveau im Bereich der Salve und
eine Viterbi-Decodierung mit sanfter Entscheidung oder maximaler
Wahrscheinlichkeit. Zusätzlich
zu der an die Gesamtheit der Zelle angelegten Codierung wurden Maßnahmen
getroffen, um die Robustheit im Hinblick auf spezifische Fehlerkonfigurationen
auf den Satellitenverbindungen zu erhöhen, und zwar insbesondere
die Zellverlustrate und die Fehlerrate. Im Bereich der Zelle besteht
die Erhöhung
der Robustheit darin, die Korrekturfähigkeit der globalen Kopfzeile
zu vergrößern, wobei
der Korrekturcode von 1 Oktett auf 3 Oktette erhöht wird. Es kann insbesondere
ein Reed-Solomon-Code
verwendet werden.
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Eine
solche Vorrichtung ist entwicklungsfähig, wenn insbesondere die
Menge durch Erhöhung der
Anzahl von Zellen in der Salve vergrößert werden soll.
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Auf
der Hinbewegungsbahn kann die Rasteraufteilung drei hierarchische
Ebenen aufweisen, nämlich
Datenblöcke,
die aus vier Zellen und einem Fehlerkorrekturcode gebildet sind,
Raster, die aus 15 Blöcken
gebildet sind, und Superraster, die aus 64 Rastern gebildet sind.
Um die Synchronisierung zu erleichtern, kann die Dauer einer Salve
ein einfacher Bruchteil der Dauer eines Rasters auf der Rückbewegungsbahn
sein, wie beispielsweise ein Viertel dieser Dauer.
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Es
ist wünschenswert,
dass das System Synchronisierungsmittel umfasst. Der Zugriff von
einem Endgerät
beruht nämlich
auf einer Frequenz- und Zeitaufteilung bzw. einem Frequenz- und
Zeitmultiplex. Die Endgeräte
müssen
folglich mit einer gemeinsamen Zeitreferenz funktionieren, um Kollisionen
zwischen Zellen, die von verschiedenen Endgeräten ausgesendet werden, zu
vermeiden. Die Positionsänderungen
des Satelliten in Bezug zu seiner Sollposition zeigen sich in Änderungen
der Ausbreitungszeit, eventuell verstärkt durch die Bewegung der
mobilen Benutzerendgeräte.
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Dies
setzt eine Synchronisierung aller Endgeräte und eventuell aller Brücken voraus,
die sich in demselben Strahl befinden. Es wird dazu vorgeschlagen,
als gemeinsame Zeitschaltung das MRT-Signal zu verwenden, das von
den Endgeräten
auf dem Abwärtsstrecken-Weg
empfangen wird. Für
jeden Strahl sichert eine einzige Brücke 121 (8)
die Synchronisierung aller Endgeräte und der anderen Brücken 122 unter der Reichweite des Strahls.