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HINTERGRUND UND KURZE
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
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Es
haben sich eine Anzahl von Konsortien gebildet, um flächendeckende,
satellitengestützte Persönliche Kommunikationssysteme
(PCS) zu entwickeln. Zu diesen Systemen gehören unter anderem Globalstar
(Anmeldung des Systems Globalstar bei der FCC durch die Local Cellular
Systems, Corp., am 3. Juni 1991), Odyssey (Anmeldung von TRW, Inc.
bei der FCC zum Aufbau des neuen Nachrichtensatellitensystems "Odyssey" am 31. Mai 1991),
Ellipso (eingereicht im November 1990) und ECCO (eingereicht durch
Constellation Communications Inc. im Juni 1991). Alle diese Systeme
arbeiten mit Mehrstrahlantennen, die eine Isolierung zwischen geographischen
Gebieten bereitstellen, so dass Spektrum wiederverwendet werden
kann.
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Mit
diesen Systemen soll es einem Teilnehmer ermöglicht werden, Telefongespräche direkt über das
Satellitennetz von fast jedem Ort der Erde mit einem tragbaren Handapparat ähnlich den
gegenwärtigen
Mobiltelefonen zu führen.
Zu diesen Systemen gehören
auch mobile und feste Teilnehmerendgeräte. Alle genannten Systeme
müssen
zwecks gemeinschaftlicher Bandnutzung mit Spreizspektrum-CDMA-Verfahren
arbeiten.
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1990
wurde von Gilhousen et al der Aufsatz "Increased Capacity Using CDMA for Mobile
Satellite Communication" (IEEE
Journal on Selected Areas in Communications, Mai 1990) veröffentlicht,
aus dem hervorging, dass die Systemkapazität in einem Mehrstrahlsatellitensystem
erhöht
wird, indem CDMA mit einem Frequenzwiederverwendungsfaktor von 1
verwendet wird (d.h. in jedem Strahl wird das gesamte Frequenzband
wiederverwendet), verglichen mit orthogonalen Systemen wie zum Beispiel
FDMA oder TDMA, die typischerweise mit einer Frequenzwiederverwen dung
im Verhältnis
1:3 oder 1:5 arbeiten würden,
je nach dem Grad der Isolierung zwischen den Strahlen.
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Die
Verwendung einer "marginalen
Isolierung" zwecks
Bereitstellung einer vollständigen
Frequenzwiederverwendung in einem quasi-orthogonalen (nichtsynchronen)
CDMA-System wird von Gilhousen, Jacobs und Weaver in dem US-Patent
Nr. 4,901,307 vorgeschlagen (13. Februar 1990).
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Die
Globalstar-Anmeldung offenbart ein Signal, das im Wesentlichen mit
dem terrestrischen zellularen Standard IS-95 identisch ist. Dieses
System nutzt orthogonalen CDMA (OCDMA) auf den Vorwärtsverbindungen
(Basis zu Mobilteil) und nichtsynchronen CDMA auf den Rückwärtsverbindungen.
Im Hinblick auf die Frequenzwiederverwendung wird jedoch nicht zwischen
OCDMA-Vorwärtsverbindung und
nichtorthogonaler CDMA-Rückwärtsverbindung unterschieden.
Bei jedem Strahl wird sowohl auf der Vorwärts- als auch auf der Rückwärtsverbindung
mit voller Frequenzwiederverwendung gearbeitet, und dies gilt als
die beste Wahl.
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Das
grundlegende Signalformat für
OCDMA wird von M.J.E. Golay in dem IDA-Report 108, Seite 110 (1965)
offenbart. Das beschriebene System ist sowohl in Richtung der Vorwärtsverbindung
als auch in Richtung der Rückwärtsverbindung
orthogonal.
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OCDMA-Vorwärts- und
-Rückwärtsverbindungen
werden für
Satelliten-PCS-Systeme in Betracht gezogen. Verwandte Patente, die
Verbesserungen offenbaren, sind zum Beispiel das US-Patent Nr. 5,375,140
von Natali mit dem Titel "Doubly
Orthogonal Code and Frequency Division Multiple Access Communications
System" und das
US-Patent Nr. 5,668,795 von Magill et al mit dem Titel "Modulation System
for Spread Spectrum CDMA Communication".
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Natali
offenbart ein Funksystem mit orthogonalem Codemultiplex-Vielfachzugriff
(OCDMA) mit mindestens einer Basisstation und mehreren entfernten
Teilnehmerendgeräten,
wobei die Empfindlichkeit des OCDMA auf Zugriffsrauschen aufgrund
eines Zeitbasisfehlers und einer Mehrwege-Relaisspreizung dadurch
verringert wird, dass (1) die Größe des auf
einem einzigen Träger
eingestellten orthogonalen Signals verringert wird und (2) zusätzliche
Träger
mit orthogonalem Frequenzabstand für zusätzliche Anschlusskapazität bereitgestellt
werden.
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Die
Kapazität
eines synchronen OCDMA-Systems kann unter gewissen Umständen erhöht werden,
indem ein anderer Frequenzwiederverwendungsfaktor als 1 verwendet
wird und indem die orthogonalen Eigenschaften der Vielfachzugriffscodes
in einem Strahl genutzt werden, wie dies in unserem US-Patent Nr.
6,317,412 mit dem Titel "Increased
Capacity in an OCDMA System by Frequency Isolation" offenbart wird.
Die Gesamtkapazität
des OCDMA-Systems kann zum Beispiel erhöht werden, indem mit einer
Frequenzwiederverwendung im Verhältnis
1:3 und nicht mit einer vollen Frequenzwiederverwendung in jedem
Strahl gearbeitet wird. In diesem Fall ist die Frequenzisolierung
wichtiger als zusätzliches
Spektrum, um die Kapazität
zu maximieren, selbst wenn eine volle Frequenzwiederverwendung möglich ist.
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Bei
einer Frequenzwiederverwendung im Verhältnis 1:3 würde das verfügbare Spektrum
typischerweise in 3 Teilbanden aufgeteilt, die den Strahlen in einem
3-Frequenzwiederverwendungsschema zugeordnet
sind. Bei derselben Leistung der Vorwärtsverbindung hat sich nun
die Leistungsflussdichte von dem Satelliten in dem einen Drittel
des verwendeten Bandes leider verdreifacht. Dies ist von Nachteil,
da in vielen Fällen
die Systemkapazität durch
die von der FCC/CTI vorgenommenen Beschränkung der maximalen Leistungsflussdichte
des auf die Erdoberfläche
auftreffenden Satellitensignals der Vorwärtsverbindung beschränkt wird.
Au ßerdem ändert sich
das Szenario der gemeinschaftlichen Bandnutzung, da das Signal nun
nur 1/3 des verfügbaren
Spektrums in jedem Strahl einnimmt, möglicherweise aber 5 dB stärker ist.
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AUFGABEN DER
ERFINDUNG
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Erhöhung der
Kapazität
in einem synchronen OCDMA-System dadurch zu erreichen, dass ein
anderer Frequenzwiederverwendungsfaktor als 1 verwendet wird, wie in
unserem US-Patent Nr. 6,317,412 mit dem Titel "Increased Capacity in an OCDMA System
by Frequency Isolation" offenbart
wird, ohne dabei die Leistungsflussdichte des Satellitensignals
der Vorwärtsverbindung
zu erhöhen.
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Eine
weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, die Erhöhung der Kapazität in einem
synchronen OCDMA-System dadurch zu erreichen, dass ein anderer Frequenzwiederverwendungsfaktor
als 1 verwendet wird und dass dennoch die Signalleistung zwecks
gemeinschaftlicher Bandnutzung gleichmäßig über das verfügbare Spektrum
verteilt werden kann.
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MERKMALE DER
ERFINDUNG
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A.
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Ein
SS-CDMA-Kommunikationssystem, bei dem eine oder mehrere Basisstationen
mit einer Vielzahl von Teilnehmerendgeräten kommunizieren, die sich
in verschiedenen Strahlen eines Mehrstrahl-Satellitenrelaissystems
befinden, wobei die Basisstation(en) ein Signal für jeden
Strahl sendet/senden, das aus Folgendem besteht: einem Satz orthogonal
beabstandeter Hilfsträger,
die jeweils durch einen Satz orthogonaler oder fast orthogonaler
Funktionen moduliert sind, die mit einer rauschähnlichen Sequenz (PN-Sequenz) überlagert
sind, die eine codierte Spreizsequenz für ein Informationssignal bildet,
wobei jede orthogonale Funktion des Satzes Daten für einen
einzelnen Benutzer in dem Strahl trägt, einer Quelle ausgewählter Trägersignale
und Mittel zum Modulieren der Informationssignale auf die Hilfsträger, um
ein Strahlsignal und die codierte Spreizsequenz auf dem Strahlsignal
zu bilden. Das verfügbare
Frequenzspektrum ist in nichtüberlappende
oder orthogonale Frequenzsegmente unterteilt, die verschiedenen
Strahlen in einem 1:Nru-Frequenzwiederverwendungsschema
zugeordnet sind. Jedes Teilnehmerendgerät hat einen Empfänger mit
Mitteln zum kohärenten
Demodulieren des Signals der Basisstation. Die Verbesserung besteht
dabei in Folgendem:
- • Ein PN-Spreizcode P2 mit einer
Chip-Rate NruχRc wird
auf alle Strahlsignale gleichzeitig angewandt, um die Signalenergie über eine
größere Bandbreite
zu streuen, um die spektrale Leistungsdichte in jedem Strahl zu
verringern.
- • Einem
Mittel in dem Empfänger
zum Korrelieren des empfangenen Signals mit einer synchronisierten
Replik von P2, um P2 aus dem eingehenden Signal zu entfernen, ohne
die Frequenzisolierung von Strahl zu Strahl zu beeinträchtigen.
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B.
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Das
obige System, bei dem die Hilfsträger des Strahlsignals über das
verfügbare
Frequenzspektrum mit einem Abstand NruχRc orthogonal beabstandet sind und Nru verschiedene Sätze von Hilftsträgerfrequenzen
gebildet werden, um in dem 1:Nru-Strahlfrequenzwiederverwendungsschema
zugeordnet zu werden.
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C.
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Das
obige System, bei dem die für
jeden Benutzer bestimmten Daten Sprachdaten sind.
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D.
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Ein
SS-CDMA-Satellitenkommunikationssystem, bei dem mehr als ein Satellit
dasselbe Gebiet auf der Erde beleuchtet und eine oder mehrere Basisstationen
mit einer Vielzahl von Teilnehmerendgeräten kommunizieren, die sich
in verschiedenen Strahlen des Mehrstrahl-Satellitenrelaissystems
befinden, wobei die Basisstation(en) ein Signal für jeden
Strahl sendet/senden, das aus Folgendem besteht: einem Satz orthogonal
beabstandeter Hilfsträger,
die jeweils durch einen Satz orthogonaler oder fast orthogonaler
Funktionen moduliert sind, die mit einer rauschähnlichen Sequenz (PN-Sequenz) überlagert
sind, die eine codierte Spreizsequenz für ein Informationssignal bildet,
wobei jede orthogonale Funktion des Satzes Daten für einen
einzelnen Benutzer in dem Strahl trägt, einer Quelle ausgewählter Trägersignale
und Mittel zum Modulieren der Informationssignale auf die Hilfsträger, um
ein Strahlsignal und die codierte Spreizsequenz auf dem Strahlsignal
zu bilden. Das verfügbare
Frequenzspektrum ist in nichtüberlappende
oder orthogonale Frequenzsegmente unterteilt, die verschiedenen
Strahlen in einem 1:Nru-Frequenzwiederverwendungsschema zugeordnet
sind. Jedes Teilnehmerendgerät
hat einen Empfänger
mit Mitteln zum kohärenten
Demodulieren des Signals der Basisstation. Die Verbesserung besteht
dabei in Folgendem:
- • Ein PN-Spreizcode P3 mit einer
Chip-Rate NruχRc wird
auf alle Strahlsignale gleichzeitig angewandt, um die Signalenergie über eine
größere Bandbreite
zu streuen, um die spektrale Leistungsdichte in jedem Strahl zu
verringern und um die Interferenz von benachbarten Satelliten zu verringern.
- • Einem
Mittel in dem Empfänger
zum Korrelieren des empfangenen Signals mit einer synchronisierten
Replik von P2, um P2 aus dem eingehenden Signal zu ent fernen, ohne
die Frequenzisolierung von Strahl zu Strahl zu beeinträchtigen.
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E.
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Das
obige System, bei dem die Hilfsträger des Strahlsignals über das
verfügbare
Frequenzspektrum mit einem Abstand NruχRc orthogonal beabstandet sind und Nru verschiedene Sätze von Hilftsträgerfrequenzen
gebildet werden, um in dem 1:Nru-Strahlfrequenzwiederverwendungsschema
zugeordnet zu werden.
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F.
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Das
obige System, bei dem die für
jeden Benutzer bestimmten Daten Sprachdaten sind.
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G.
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Ein
SS-CDMA-Satellitenkommunikationssystem, bei dem ein weiteres Satellitenkommunikationssystem
dasselbe Gebiet auf der Erde beleuchtet und eine oder mehrere Basisstationen
mit einer Vielzahl von Teilnehmerendgeräten kommunizieren, die sich
in verschiedenen Strahlen des Mehrstrahl-Satellitenrelaissystems befinden, wobei
die Basisstation(en) ein Signal für jeden Strahl sendet/senden,
das aus Folgendem besteht: einem Satz orthogonal beabstandeter Hilfsträger, die
jeweils durch einen Satz orthogonaler oder fast orthogonaler Funktionen
moduliert sind, die mit einer rauschähnlichen Sequenz (PN-Sequenz) überlagert
sind, die eine codierte Spreizsequenz für ein Informationssignal bildet,
wobei jede orthogonale Funktion des Satzes Daten für einen
einzelnen Benutzer in dem Strahl trägt, einer Quelle ausgewählter Trägersignale
und Mittel zum Modulieren der Informationssignale auf die Hilfsträger, um
ein Strahlsignal und die codierte Spreizsequenz auf dem Strahlsignal
zu bilden. Das verfügbare
Frequenzspektrum ist in nichtüberlappende
oder orthogonale Fre quenzsegmente unterteilt, die verschiedenen
Strahlen in einem 1:Nru-Frequenzwiederverwendungsschema
zugeordnet sind. Jedes Teilnehmerendgerät hat einen Empfänger mit
Mitteln zum kohärenten
Demodulieren des Signals der Basisstation. Die Verbesserung besteht
dabei in Folgendem:
- • Ein PN-Spreizcode P2 mit einer
Chip-Rate NruχRc wird
auf alle Strahlsignale gleichzeitig angewandt, um die Signalenergie über eine
größere Bandbreite
zu streuen, um die spektrale Leistungsdichte in jedem Strahl zu
verringern.
- • Einem
Mittel in dem Empfänger
zum Korrelieren des empfangenen Signals mit einer synchronisierten
Replik von P2, um P2 aus dem eingehenden Signal zu entfernen, ohne
die Frequenzisolierung von Strahl zu Strahl zu beeinträchtigen.
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H.
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Das
obige System, bei dem die Hilfsträger des Strahlsignals über das
verfügbare
Frequenzspektrum mit einem Abstand NruχRc orthogonal beabstandet sind und Nru verschiedene Sätze von Hilftsträgerfrequenzen
gebildet werden, um in dem 1:Nru-Strahlfrequenzwiederverwendungsschema
zugeordnet zu werden.
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I.
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Das
obige System, bei dem die für
jeden Benutzer bestimmten Daten Sprachdaten sind.
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J.
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Ein
SS-CDMA-Satellitenkommunikationssystem, bei dem ein weiteres Satellitenkommunikationssystem
dasselbe Gebiet auf der Erde beleuchtet und eine Vielzahl von Teilnehmerendgeräten, die
sich in verschiedenen Strahlen des Mehrstrahl-Satellitenrelaissystems befinden, mit
einer oder mehreren Basisstationen kommunizieren, wobei die Teilnehmerendgeräte ein Signal
senden, das aus Folgendem besteht: einem Satz orthogonal beabstandeter
Hilfsträger,
die jeweils durch einen Satz orthogonaler oder fast orthogonaler
Funktionen moduliert sind, die mit einer rauschähnlichen Sequenz (PN-Sequenz) überlagert
sind, die eine codierte Spreizsequenz für ein Informationssignal bildet,
wobei die orthogonale Funktion des Satzes in dem Strahl Daten zur Übertragung
zu der Basisstation trägt,
einer Quelle des ausgewählten
Hilfsträgersignals
und Mittel zum Modulieren des Informationssignals auf den Hilfsträger, um ein
Rückwärtsverbindungssignal
und die codierte Spreizsequenz auf dem Rückwärtsverbindungssignal zu bilden.
Das verfügbare
Frequenzspektrum ist in nichtüberlappende
oder orthogonale Frequenzsegmente unterteilt, die verschiedenen
Strahlen in einem 1:Nru-Frequenzwiederverwendungsschema
zugeordnet sind. Jede Basisstation hat einen oder mehrere Empfänger mit
Mitteln zum kohärenten
Demodulieren der Signale der Teilnehmerendgeräte. Die Verbesserung besteht
dabei in Folgendem:
- • Ein PN-Spreizcode P2 mit einer
Chip-Rate NruχRc wird
auf das gesendete Signal des Teilnehmerendgeräts angewandt, um die Signalenergie über eine
größere Bandbreite
zu streuen, um die gesendete spektrale Leistungsdichte zu verringern.
- • Einem
Mittel in dem Empfänger
der Basisstation zum Korrelieren des empfangenen Signals mit einer
synchronisierten Replik von P4, um P2 aus dem eingehenden Signal
zu entfernen, ohne die Frequenzisolierung von Strahl zu Strahl zu
beeinträchtigen.
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K.
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Das
obige System, bei dem die Hilfsträger in einem Strahl über das
verfügbare
Frequenzspektrum mit einem Abstand NruχRc orthogonal beabstandet sind und Nru verschiedene Sätze von Hilfsträgerfrequenzen
gebildet werden, um in dem 1:Nru-Strahlfrequenzwiederverwendungsschema
zugeordnet zu werden.
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L.
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Das
obige System, bei dem die für
jeden Benutzer bestimmten Daten Sprachdaten sind.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen und weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden
nun im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen
ersichtlich. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines satellitengestützten OCDMA-Kommunikationssystems
gemäß der Erfindung,
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2 eine
graphische Darstellung von vier orthogonalen Hilfsträgern, die
mit der Chip-Rate voneinander beabstandet sind,
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3 ein
Blockschaltbild der Erzeugung von OCDMA-Hilfsträgern,
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4 eine
graphische Darstellung von Hilfsträgern, die über das verfügbare Spektrum
um 3·Rc voneinander
beabstandet sind,
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5 eine
graphische Darstellung von drei Sätzen von Hilfsträgern, die
zueinander orthogonalen Schlitzen in verschiedenen Strahlen zugeordnet sind,
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6 ein
typisches Mehrstrahlantennenschema mit Bandsegmenten, die in einem
1:3-Frequenzwiederverwendungsschema zugeordnet sind,
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7 eine
Darstellung von Strahlsignalen, wobei der Spreizcode P2 mit der
dreifachen Chip-Rate der orthogonalen Codes angewandt wird,
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8a eine
graphische Darstellung des normalisierten Leistungsspektrums von
Strahlsignalen vor Spreizung mit dem PN-Code P2 (Nru =
3), und
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8b eine
graphische Darstellung des normalisierten Leistungsspektrums von
Strahlsignalen nach Spreizung mit dem PN-Code P2, getaktet mit der
dreifachen Chip-Rate der orthogonalen Codes.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Satellitenkommunikationssystem, bei dem der
Satellit ein OCDMA-Signal sendet, das die Vorwärtsverbindung (FL) bereitstellt,
um mit einer Vielzahl von Teilnehmerendgeräten zu kommunizieren, wie in 1 gezeigt.
Das Satellitensignal kann von einer Basisstation weitergeleitet
werden, oder es kann auf dem Satelliten erzeugt werden.
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Das
FL-OCDMR-Signal enthält
vorzugsweise die Verbesserungen des US-Patents Nr. 5,623,487 von
Natali mit dem Titel "Doubly
Orthogonal Code and Frequency Division Multiple Access Communication
System", bei dem
eine Vielzahl von Trägern
(genannt "Hilfsträger") hinsichtlich der
Frequenz mit der Chip-Rate Rc des OCDMA-Codes orthogonal beabstandet
sind, wie in 2 gezeigt. Jeder Hilfsträger ist
mit bis zu Nu orthogonalen Binärsequenzen
moduliert, die jeweils unterschiedliche Daten tragen. Typischerweise
trägt jede
orthogonale Funktion die Daten für
einen anderen Benutzer, doch kann auch eine Vielzahl von Funktionen
einem einzigen hochratigen Benutzer zugeordnet sein. Die orthogonalen
Codes sind mit einem längeren
PN-Code P1 überlagert,
den alle Benutzer in einem Strahl gemeinsam haben. Unterschiedliche
Strahlen können unterschiedliche
PN-Codes nutzen oder, falls gewünscht,
zeitversetzte Versionen desselben Codes. Um die Orthogonalität beizubehalten,
müssen
die orthogonalen Signale zeitsynchron am Empfänger ankommen (dies ist auf
der Vorwärtsverbindung
FL eine triviale Anforderung, da alle Signale von derselben Basisstation
bzw. vom Satelliten stammen). Der Prozess der Erzeugung des Hilfsträgersignals
ist in 3 als Blockdiagramm dargestellt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein System, das die in der
US-Patentanmeldung Nr. 08/989,466 mit dem Titel "Increased Capacity in an OCDMA System
by Frequency Isolation" offenbarte Verbesserung
enthält,
um die Systemkapazität
durch Bereitstellung einer Frequenzisolierung zwischen den Strahlen
einer Mehrstrahlantenne zu erhöhen. Dies
wird normalerweise dadurch erreicht, dass das verfügbare Spektrum
in Nru Teilbanden unterteilt wird und die
Teilbanden unterschiedlichen Strahlen in einem 1:Nru-Frequenzwiederverwendungsschema
zugeordnet werden. Bei dem hier offenbarten System sind die Hilfsträger jedoch über das
volle verfügbare Spektrum
in Frequenzintervallen von NruχRc voneinander beabstandet, wie in 4 für Nru = 3 gezeigt. In 5 sind somit
Nru Sätze
von disjunkten Hilfsträgerfrequenzen
verfügbar
und können
Strahlen in einem 1:Nru-Frequenzwiederverwendungsschema
zugeordnet werden, wie in 6 für Nru = 3 gezeigt. Die Frequenzisolierung wird
aufgrund des orthogonalen Abstands der Hilfsträger aufrechterhalten; die Signalleistung
wird jedoch nicht gleichmäßig verteilt.
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Das
FL-Signal ist nun mit einer zweiten PN-Sequenz P2 moduliert, die
eine Chip-Rate gleich der Nru-fachen Chip-Rate
der orthogonalen Sequenzen hat, wie in 7 gezeigt.
Diese Sequenz ist bei allen Strahlen identisch und bewirkt eine
gleichmäßige Verteilung
der Signalleistung, wie in 8a und 8b gezeigt.
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Das
empfangene FL-Signal wird mit einer synchronisierten Replik von
P2 korreliert, die es effektiv aus den eingehenden Signalen entfernt,
d.h. die resultierenden Signale können nun behandelt werden,
als ob der PN-Code P2 niemals angewandt worden wäre.
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Die
benachbarten Strahlsignale werden dank des orthogonalen Frequenzabstands
von dem in dem Strahl enthaltenen Signal isoliert. Die Anwendung
dieser Erfindung erlaubt somit eine gleichmäßige spektrale Spreizung des
FL-Signals bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Frequenzisolierung
zwischen benachbarten Strahlen.
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Die
Erfindung wurde zwar anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben, doch werden selbstverständlich auch andere Ausführungsformen,
Adaptationen und Modifikationen der Erfindung für den Fachmann offensichtlich
sein.