Die Erfindung betrifft ein Satellitenkommunikationssystem. Genauer
betrifft die Erfindung auf ein Verfahren zum Ausleuchten eines Bereiches von Interesse
auf der Erde mit einem Abwärtsstreckensignal (Downlink-Signal), das durch ein
mobiles Benutzerendgerät zu empfangen ist.
Kommunikationssatelliten, besonders auf einer geostationären
Erdumlaufbahn (GEO), stellen eine effektive Plattform bereit, um Funksignale von
einer Erdstation zu einer Vielzahl von Satellitenschüsseln direkt nach Hause
(DTH, direct-to-home) zu übermitteln. Eine kommerzielles Satellitenkommunikationssystem
besteht aus einem Raumsegment und einem Erdsegment. Im Prinzip enthält das
Raumsystem eines GEO-Systems den Satelliten, der auf einer Umlaufbahn arbeitet,
und eine Einrichtung für Verfolgung, Telemetrie und Befehl (TT&C), die die
Operation steuert und managt.
Für den tatsächlichen Empfang von Diensten der meisten existierenden
geostationären Satellitensysteme benötigt der Benutzer eine Schüssel
von 50 cm für einen praktisch fehlerfreien Empfang. Wenn diese Art einer Antenne
für ein mobiles Benutzerendgerät verwendet wird, ist eine automatische
Verfolgung notwendig. Automatische Verfolgung kann jedoch nur durch Verfolgung im
geschlossenen Kreis eines Funkleitstrahlsenders erreicht werden, das an einem Satelliten
montiert ist. Offensichtlich ist eine derartige Verfolgung im geschlossenen Kreis
sehr aufwändig und kann sogar die Verwendung einer trägheitsgesteuerten
Plattform für die mobile Antenne erfordern. Eine andere Möglichkeit zum
Erreichen von mobilen Kommunikationen mit einem geostationären Satelliten ist
die Verwendung von elektronisch gesteuerten Antennen. Im Vergleich mit einer mechanischen
Verfolgung vereinfacht diese Lösung die Montage der Antenne, benötigt
aber dennoch ein aufwändiges Verfolgungssystem im geschlossenen Kreis. Schließlich
kann in dem Fall eines hohen Erhebungswinkels des Satelliten die Verwendung von
fixierten auf den Zenit zeigenden Antennen betrachtet werden, die eine ausreichend
große Strahlbreite von 3 dB aufweisen. Dies trifft jedoch nur auf einige wenige
Gebiete von Interesse auf der Erde zu.
US 5,379,320 offenbart ein Satellitenkommunikationssystem
zwischen einem Hub-Endgerät und entfernten Endgeräten über zwei oder
mehr geostationäre Kommunikationssatelliten. Ein Spezialfall eines entfernten
Endgerätes könnte ein mobiles Endgerät sein, für das eine Antenne
mit hohem Richtfaktor betrachtet wird. Eine rasche Signalerlangung für das
Mobilendgerät wird durch die Einbeziehung eines Empfängers eines globalen
Positionierungssystems zum Herstellen von Anfangsfrequenz und Zeitbezügen erreicht.
Für diesen Zweck wird Zeitverteilung hoher Auflösung durch Verwendung
von spreizspektrumkodierten Signalen vorgesehen. Um Gesamtverlust von Kommunikation
wegen seriellen Sonnentransitausfällen zu vermeiden, werden zwei redundante
Satelliten in unterschiedlichen orbitalen Positionen vorgesehen. Das Hub-Endgerät
bezieht zwei Antennen mit hohem Richtfaktor ein, die jede einen getrennten geostationären
Satellitentransponder mit einem spreizspektrumkodierten Signal anstrahlen. Die entfernten
Endgeräte setzen eine Antenne von ausreichend kleiner Apertur ein, um gleichzeitigen
Empfang von beiden Spreizspektrum-Transpondersignalen zu ermöglichen.
Aus US 6,563,656 ist bekannt,
eine Kombination von Videobandbreitenkomprimierung, Spreizspektrum-Wellenformverarbeitung
und einer elektronisch gesteuerten phasengesteuerten Gruppenantenne zirkularer Apertur
zu verwenden, um Videokommunikationen vollständiger Rundfunkqualität mit
einem Flugzeug über eine Satellitenkommunikationsverknüpfung vorzusehen.
Für diesen Zweck wird ein konventioneller geostationärer Satellit im Ku-Band
oder C-Band angenommen.
Aus US 6 075 969 A
ist bekannt, die Größe von Empfangsantennen des C-Bandes oder des Ku-Bandes
mit existierenden Satellitenkonfigurationen zu verringern. Um unerwünschte
Interferenz mit anderen Satelliten zu vermeiden, ist die Empfangsantenne mit Nullen
in orbitalen Standorten gestaltet, wo sich potenziell störende Satelliten befinden.
Des weiteren reduziert Spreizen der Bandbreite die Leistungsdichte unter der FCC-Begrenzung.
Aus US 3 836 969 A
ist bekannt, einen Kommunikationssatelliten in einer quasi-stationären Umlaufbahn
mit einer gewählten Neigung relativ zu der Äquatorebene der Erde zu betreiben.
Die Neigung und die Ausrichtung des Satelliten sind derart, dass seine Neigung durch
den Anfangswert während der Lebensdauer des Satelliten gebunden bleibt, sodass
die Notwendigkeit eines Nord-Süd-Stationshaltungsmittels umgangen wird. Des
weiteren werden zusätzliche Satelliten in geneigten Umlaufbahnen betrieben,
wobei jede der Satellitenumlaufbahnen in Bezug auf beliebige der anderen Umlaufbahnen
progressiv geneigt sind, und wobei ein Umschaltmittel Umschalten von einem Satelliten
zu einem anderen in gewählten Zeiten des Jahres durchführt. Diese Offenbarung
betrachtet die Operation eines Satelliten in einer geneigten Umlaufbahn in Verbindung
mit den begrenzten Treibmitteln eines Satelliten, aber nicht in
Verbindung mit mobilen Kommunikationen.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Satellitenkommunikationssystem
vorzusehen, das Kommunikation mit einem mobilen Benutzerendgerät über
konventionelle Kommunikationssatelliten in einem beliebigen Gebiet von Interesse
auf der Erde ermöglicht.
Dieses Ziel wird durch ein Verfahren nach den Ansprüchen 1-10
und ein Benutzerendgerät nach den Ansprüchen 11-14 erreicht.
Das Verfahren zum Senden eines Abwärtsstreckensignals zu einer
mobilen Antenne mit einem geringen Richtfaktor innerhalb eines Gebietes von Interesse
auf der Erde umfasst die Schritte zum Betreiben eines quasi-stationären Satelliten
in einer geneigten Umlaufbahn und Senden eines gespreizten Abwärtsstreckensignals
s'(t) von dem quasi-stationären Satelliten mit einer Frequenz von über
2690 MHz, vorzugsweise von über 10 GHz zu dem Gebiet von Interesse auf der
Erde.
Ein mobiles Benutzerendgerät gemäß der Erfindung umfasst
eine mobile Antenne mit einem geringen Richtfaktor, die angepasst ist, ein gespreiztes
Abwärtsstreckensignal s'(t) mit einer Frequenz zu empfangen, die höher
als das L-Band ist, 1,5/1,6 GHz, vorzugsweise von über 10 GHz, das durch einen
quasi-stationären Satelliten emittiert wird, der in einer geneigten Umlaufbahn
betrieben wird, und eine Verarbeitungseinheit zum Demodulieren des gespreizten Abwärtsstreckensignals
s'(t) durch Spreizspektrumdemodulation.
Gemäß der Erfindung hat das Signal, das von dem Satelliten
zu der mobilen Benutzerstation übertragen wird, eine Frequenz, die höher
als das L-Band ist, 1,5/1,6 GHz, vorzugsweise von über 10 GHz. Gewöhnlich
basieren die meisten bekannten Anwendungen für mobile Kommunikationen auf dem
L-Frequenzband von 1,5/1,6 GHz. In der Tat wurde gemäß dem Stand der Technik
eine Vielfalt von Frequenzbändern innerhalb von 1525 MHz und 2690 MHz für
Zwecke mobiler Kommunikation über Satellit durch die International Telecommunication
Union (ITU) zugewiesen.
Radio Regulation WARC-92 (Malaga-Torremolinos, Januar-März 1992)
hat die Abschnitte 1980-2010 MHz und 2170-2200 MHz auf einer weltweiten Basis für
eine Verwendung durch die Satellitenkomponente von 3G-Systemen als verfügbar
identifiziert. 3G, d.h. dritte Generation, verweist auf die Generation mobiler Kommunikationssysteme
unter der Regelung International Mobile Telecommunications-2000, IMT-2000. Außerdem
hat Radio Regulation WRC-2000 (Istanbul, 8. Mai bis 2. Juni 2000) verschiedene Abschnitte
zwischen 1525 und 2690 MHz für IMT-2000 identifiziert. Der Vorteil jener Frequenzen
ist hauptsächlich die Tatsache akzeptabler Übertragungseigenschaften und
das Eignungsvermögen für Satellitenübertragung. Innerhalb dieses
Frequenzbandes ist es jedoch nicht empfehlenswert, irgendeine Spreizspektrumtechnik
einzuführen, da die resultierende Bandbreite für heutige Kommunikationszwecke
bei weitem zu gering ist.
Die Erfindung überwindet jedoch das Vorurteil, dass Frequenzen,
die höher als das L-Band von 1,5/1,6 GHz sind, und insbesondere von über
10 GHz, für mobile Kommunikationen wegen ihren schlechten Ausbreitungseigenschaften
durch Verwenden einer Spreizspektrumtechnik ungeeignet sind.
Der Begriff eines quasi-stationären Satelliten in dem Kontext
der vorliegenden Erfindung bedeutet jeden Satelliten, der im mittleren seine geostationäre
Position hinsichtlich eines spezifischen Grades der Länge auf der Erde beibehält,
der aber Gegenstand von Störungen wegen einer gewählten Neigung relativ
zu der Äquatorebene der Erde ist.
2 zeigt die Bewegung des Satelliten, wie von Erdstationen
gesehen, wegen einer Neigung von Nicht-Null, d.h. eine Operation in einer geneigten
Umlaufbahn. Die Bewegung führt insbesondere zu einer Nord-Süd-Schwingung
des Satelliten pro Tag. Mit Neigungen von einigen Graden ist diese Bewegung für
konventionelle Übertragung mit hoher Bandbreite nicht akzeptabel.
In einer ersten Sicht ist die Operation in einer geneigten Umlaufbahn
für geostationäre Satelliten nicht empfehlenswert, da die Neigung von
Nicht-Null eine Achtknoten-Tagesbewegung des Satelliten verursacht, die die Empfangseigenschaften
verschlechtert. Eine Kombination der Operation in einer geneigten Umlaufbahn mit
Spreizspektrumkommunikation führt jedoch zu dem Vorteil, dass die offensichtliche
tägliche Bewegung ermöglicht, Diversifizierungskonzepte einzusetzen. Sogar
während der ungünstigen Positionen des Satelliten hinsichtlich des Gebietes
von Interesse auf der Erde ist eine Kommunikation wegen dem erhöhten Signal-Rausch-Verhältnis
dennoch möglich, das durch Spreizspektrummodulation erreicht werden kann. Ein
anderer Vorteil wegen dem erhöhten Signal-Rausch-Verhältnis ist die Tatsache,
dass die Ausrichtung der Empfangsantenne des mobilen Benutzerendgerätes
hinsichtlich der Abwärtsstreckenantenne gegenüber Fehlausrichtungen toleranter
ist, die durch eine Bewegung des entsprechenden Fahrzeugs verursacht werden können.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Tatsache, dass die begrenzten
Umlaufbahnnischen für geostationäre Satelliten effizienter genutzt werden
können.
Spreizspektrummodulation und Demodulation ist eine Kommunikationstechnik,
wobei die übertragene Modulation in der Bandbreite vor einer Übertragung
über den Kanal gespreizt (erhöht) und dann in der Bandbreite um den gleichen
Betrag in dem Empfänger entspreizt (verringert wird). Die bei weitem verbreitetsten
Spreiztechniken sind Direktsequenz-(DS)Modulation und Frequenzsprung-(FH)Modulation.
Eine Direktsequenzmodulation wird durch lineares Modulieren der Ausgabesequenz
eines Pseudozufallszahlengenerators auf eine Kette von Impulsen, jeder mit einer
Dauer, die die Driftzeit genannt wird, gebildet. Dieser Typ von Modulation wird
gewöhnlich gemeinsam mit binären Phasenumtastungs-(BPSK)Informationssignalen
verwendet. Als solches wird das modulierte Signal durch zuerst Multiplizieren (modulo-2)
des reinen Informationsbitstroms mit der Pseudorauschsequenz und dann Modulation
der Phase eines reinen Träger mit dem resultierenden Signal gebildet.
In dem Empfänger ist entweder die Pseudorauschwellenform bereits
verfügbar oder der Empfänger muss zuerst die Pseudorauschwellenform erlangen.
D.h. der lokale Pseudorauschzufallsgenerator, der die Pseudorauschwellenform in
dem Empfänger generiert, der für Entspreizung verwendet wird, muss mit
einem Chip der Pseudorauschwellenform des empfangenen Signals ausgerichtet (synchronisiert)
werden. Dies wird durch Einsetzen einer Art eines Suchalgorithmus bewerkstelligt,
der typischerweise die lokale Pseudorauschwellenform zeitlich sequenziell einen
Anteil eines Chips (z.B. eine Hälfte eines Chips) durchschreitet und in jeder
Position nach einem hohen Grad von Korrelation zwischen den empfangenen und lokalen
Pseudorauschbezugswellenformen sucht. Die Suche terminiert, wenn die Korrelation
eine gegebene Schwelle überschreitet, was eine Anzeige ist, dass die Ausrichtung
erreicht wurde. Nach Bringen der zwei Pseudorauschwellenformen in eine Verlaufsausrichtung
wird ein Verfolgungsalgorithmus eingesetzt, um Feinausrichtung aufrechtzuerhalten.
Die populärste Form von Verfolgungsschleifen sind die kontinuierliche zeitverzögerungsverriegelte
Schleife und ihre Zeitmultiplexversion, die tao-Schwankungsschleife (tao-dither
loop).
Eine Frequenzsprungmodulation wird durch nicht-lineares Modulieren
einer Kette von Impulsen mit einer Sequenz von pseudo-zufällig generierten
Frequenzverschiebungen gebildet. Dieses Modulationssignal wird mit einem komplexen
Multi-Frequenzumtastungs-(MFSK)Informationssignal multipliziert. In dem Empfänger
wird die Summe des übertragenen Signals und der Kanalinterferenz mit der identischen
Frequenzsprungmodulation komplex multipliziert, was das übertragene Signal
zu seiner ursprünglichen MFSK-Form zurückführt. Analog zu dem Fall
von Direktsequenz muss der Empfänger das Frequenzsprungsignal erlangen und
verfolgen, sodass die De-Sprungwellenform der Sprungwellenform so nahe wie möglich
ist.
Eine wichtige Qualität von Spreizspektrumkommunikation ist die
Verarbeitungsverstärkung des Systems, die durch das Verhältnis der Spreizspektrumbandbreite
und der Bandbreite des Signals definiert ist. Die Verarbeitungsverstärkung
ist ein Maß zum Vermindern des Einflusses von Interferenz in dem Empfängerleistungsverhalten.
Selbst wenn der Satellit eine Bewegung durchführt, die von Erdstationen gemäß
2 gesehen wird, und somit die Anforderungen für
einen Empfang durch Satellitenschüsseln direkt Zuhause unter Verwendung konventioneller
Modulationstechniken nicht erfüllt, ist dadurch nun ein Empfang unter Verwendung
von Spreizspektrumtechniken möglich.
Die Fehlerwahrscheinlichkeit des empfangenen und entspreizten Nutzlastsignals
p'(t) kann durch entsprechendes Abstimmen der Spreizeinteilung oder der Spreizspektrummodulation
erreicht werden. Dies kann unter der Annahme einer gegebenen Antennenverstärkung
der Antenne des Benutzerendgerätes geschehen, sodass für typischerweise
verwendete Antennen die Fehlerwahrscheinlichkeit ausreichend gering sein wird.
Gewöhnlich umfasst die Spreizspektrummodulation die Schritte
zum Generieren eines Pseudo-Rauschsignals PN(t) und Modulieren eines Nutzlastsignals
p(t) mit dem Pseudo-Rauschsignal PN(t), um das Spreizaufwärtsstreckensignal
s(t) zu generieren. Entsprechend umfasst die Spreizspektrumdemodulation den Schritt
zum Korrelieren des Spreizabwärtsstreckensignals s'(t) mit dem Pseudo-Rauschsignal
PN(t), um das entspreizte Nutzlastsignal p'(t) zu generieren.
Effektiv wird eine derartige Korrelation des Spreizabwärtsstreckensignals
s'(t) und des Pseudo-Rauschsignals PN(t) durch Verzögern des ersten Pseudo-Rauschsignals
PN(t) und Multiplizieren des verzögerten ersten Pseudo-Rauschsignals
PN(t) mit dem Spreizabwärtsstreckensignal s'(t) erreicht. Das Pseudo-Rauschsignal
PN(t) könnte eine binäre Pseudo-Rauschsequenz sein, die mittels eines
Rückkopplungsschieberegisters oder einer Speichereinrichtung generiert wird,
worin eine Sequenz von Werten eines Pseudo-Rauschsignals gespeichert ist.
Die Spreizspektrummodulation kann in der Erdstation vor einer Übertragung
des Aufwärtsstreckensignals oder durch On-Board-Verarbeitung in dem Satelliten
ausgeführt werden.
Der erste Fall umfasst die Schritte zum Modulieren eines Aufwärtsstreckensignals
p(t) durch Spreizspektrummodulation mit einem gewissen Spreizverhältnis, um
ein Spreizaufwärtsstreckensignal s(t) zu generieren, Übertragen des Spreizaufwärtsstreckensignals
s(t) zu dem quasi-geostationären Satelliten und Wandeln des Spreizaufwärtsstreckensignals
s(t) in das Spreizabwärtsstreckensignal s'(t).
Der zweite Fall umfasst die Schritte zum Übertragen eines Aufwärtsstreckensignals
zu dem quasi-geostationären Satelliten, On-Board-Verarbeitung in dem quasi-geostationären
Satelliten des Aufwärtsstreckensignals durch Spreizspektrummodulation mit einem
gewissen Spreizverhältnis, um das Spreizabwärtsstreckensignal s'(t) zu
generieren.
Digitale On-Board-Verarbeitung unterstützt flexible On-Boardverkehrsleitung
und Nachfrage basierend auf Kapazitätszuordnung. Signale werden zu dem Satelliten
übertragen und werden durch ein oder mehr Satellitenmodule empfangen und verarbeitet.
Die digitalen On-Board-Prozessoren enthalten Demodulatoren, Demultiplexer, Switches,
Multiplexer, Modulatoren und Verkehrsmanagersoftware, um die Daten, wie sie von
den unterschiedlichen Standorten empfangen werden, neu zu generieren, zu vermitteln
und zu multiplexen. Derartige On-Board-Prozessoren werden "regenerative On-Board-Prozessoren"
oder in Verbindung mit Mehrfachstrahl-Empfangs-/Übertragungsantennen "regenerative
Mehrfachstrahl-On-Board-Prozessoren" genannt und sehen Interstrahlenleitungsfunktionalität
und schnelle Paketvermittlung (wie ATM, IP ...) vor, um Einzelsprung-Interkonnektivität
zu unterstützen. Es können die folgenden Funktionalitäten unterstützt
werden:
– Kombinieren von Signalen von unterschiedlichen Aufwärtsstreckenstationen/Standorten,
die über Mehrfachstrahl- oder Einzelstrahlantennen von einem oder mehr Satellitenmodulen
des Satelliten-Clusters empfangen werden.
– Datenregeneration, Vermittlung und Multiplexen.
– Auf Anforderung basierte Kapazitätszuordnung. Auch kann die Empfangsabdeckung
dynamisch gemanagt werden. Der On-Board-Prozessor unterstützt vollständige
vermaschte Konnektivität, was erlaubt, Kanäle/Verkehr von "einem beliebigen
Standort zu einem beliebigen Standort" zu vermitteln (Interstrahlenleitung). Vermittlung
von Kanälen und Strahlen geschieht deshalb auf einer individuellen Basis (flexibles
Routing).
– On-Board-Management und Sammlung von Abrechnungsrohdaten.
– On-Board-Prozessor unterstützt Häufung und Anwendungen konstanter
Bitrate.
– Datenformatierung kompatibel mit akzeptierten Abwärtsstreckenstandards
(MPEG, DVB, ...).
– Unterstützt Paketvermittlung, Leitungsvermittlung und Rahmenvermittlung.
Eine andere Familie von On-Board-Prozessoren sind DVB-On-Board-Prozessoren,
die unterschiedliche Aufwärtsstreckenkanäle in einen oder mehr DVB-Abwärtsstreckentransportströme
neu multiplexen. Aufwärtsstreckensignale werden empfangen und zu dem On-Board-Prozessor
für erneutes Multiplexen weitergeleitet, und die Transportströme werden
zu einem oder mehr Cluster-Satelliten für ihre anschließende Abwärtsstrecke
weitergeleitet.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Station,
die Steuerung des Satelliten unterhält, auf Längendriftkorrekturen und
Exzentrizitätskorrekturen eingeschränkt. Dieses Merkmal ermöglicht,
einen Satelliten in einer geneigten Umlaufbahn mit einem wesentlich reduzierten
Verbrauch der begrenzten Treibmittel zu betreiben. Obwohl die Kommunikationsausrüstung
in dem Satelliten eine wesentliche Investition darstellt, ist eine Satellitenbetrieblebensdauer
typischerweise nur in der Größenordnung von 12 Jahren und wird hauptsächlich
durch die Verfügbarkeit seiner Treibmittel begrenzt.
Für eine effektive Verwendung von Satelliten sind Treibmittel
für eine Stationsunterhaltung und Stabilisierung notwendig. Idealerweise sollte
ein Satellit in einer geostationären Umlaufbahn in einer fixierten Position
bleiben, da die Gravitations- und Zentrifugalkräfte in ihm gleich sind. Unglücklicherweise
sind jedoch die Gravitationskräfte in einem geostationären Satelliten
nicht konstant. Die Gravitationskräfte in der Sonne und dem Mond in einem geostationären
Satelliten bewirken eine Änderung in dem Neigungswinkel des Satelliten. Umlaufbahnkalkulationen
nehmen auch an, dass die Masse der Erde in einer perfekten Kugel gleichförmig
verteilt ist. Tatsächlich ist die Erde etwas wie ein Ei geformt.
Dieser Fehler bewirkt eine Änderung in der Länge von geostationären
Satelliten.
Das Stationsunterhaltungsteilsystem in einem Satelliten sieht kleine
Schubraketen vor, die periodisch verwendet werden, um den Satelliten zurück
zu einem Neigungswinkel von null Grad zu bewegen. Des weiteren wird das Stationsunterhaltungssystem
auch verwendet, um geostationäre Satelliten in ihren zugewiesenen Längen
zu halten. Die Schubraketen, die für Stationsunterhaltung verwendet werden,
verwenden Gas, das in Tanks in den Satelliten gelagert ist. Häufig wird Hydrazingas
für die Schubraketen in Satelliten verwendet. Die Menge von Gas, die in den
Tanks für die Schubraketen gelagert wird, ist eine der hauptsächlichen
Grenzen für die effektive Lebensdauer eines geostationären Satelliten.
Andererseits erfordern geostationäre Satelliten, die mit Engstrahlantennen
ausgerüstet sind, die zu spezifischen Seiten auf der Erde zeigen, mehr und
genauere Stationsunterhaltung, da die Strahlen eng werden. Diese Präzision
gestattet auch die Verwendung von Erdstationsantennen mit fixierter Richtung. Des
weiteren gestattet die Annahme einer strikten Stationsunterhaltungstoleranz für
Satelliten bessere Nutzung der Umlaufbahn von geostationären Satelliten und
des Funkfrequenzspektrums. Deshalb wird für Satelliten, die Satellitentransponder
mit hohem Leistungsverhalten tragen, darauf abgezielt, eine äußerst genaue
Stationsunterhaltung zu haben.
1 zeigt ein Stationsunterhaltungsfenster mit üblichen
Abmessungen für einen geostationären Satelliten. Da es in der Praxis unmöglich
ist, den Satelliten mit Bezug auf die Erde absolut unbeweglich zu halten, hat das
Volumen, das für eine relative Verlagerung des Satelliten mit Bezug auf seine
ursprüngliche zentrale Position verfügbar ist, typische Spezifikationen
von ±0,05° in der Länge und Breite und eine Variation von 4·10–4
der Exzentrizität erhalten. Um den geostationären Satelliten innerhalb
des Stationsunterhaltungsfensters zu halten, werden Geschwindigkeitsinkremente &Dgr;v
an den Satelliten in einem Punkt in der Umlaufbahn angelegt. Diese Geschwindigkeitsinkremente
sind das Ergebnis von Kräften, die in bestimmten Richtungen in dem Zentrum
der Masse des Satelliten für ausreichend kurze Perioden im Vergleich mit der
Periode der Umlaufbahn wirken, sodass diese Inkremente als Impulse betrachtet werden
können. Es kann gezeigt werden, dass ein Impuls in der ϕ-Richtung die
Neigung modifiziert, ein Impuls in der r-Richtung die Länge und die Exzentrizität
modifiziert und ein Impuls in der &lgr;-Richtung die Drift und die Exzentrizität
modifiziert. Es sind deshalb Aktuatoren in dem Satelliten montiert und sind zum
Erzeugen von Kräften senkrecht zu der Umlaufbahn fähig, um die Neigung
und tangentiale Kräfte zu steuern. Es gibt keine Notwendigkeit, Schübe
in der r-Richtung zu generieren, da eine Modifikation der Länge aus einer Drift
erhalten wird, die durch die &lgr;-Impulse erhalten wird, was auch gestattet,
dass die Exzentrizität gesteuert wird. Die Aktuatoren gestatten somit eine
unabhängige Steuerung von Bewegungen aus der Ebene der Umlaufbahn heraus, sogenannte
Nord-Süd-Stationsunterhaltung, und Bewegungen in der Ebene der Umlaufbahn,
sogenannte Ost-West-Stationsunterhaltung.
Ost-West-Stationsunterhaltung wird durch Schübe vorgesehen, die
tangential zu der Umlaufbahn in der &lgr;-Richtung gemäß 1
agieren. Es kann gezeigt werden, dass Ost-West-Stationsunterhaltung für die
Operation eines Kommunikationssatelliten absolut notwendig ist, da anderweitig natürliche
Drift zu dem Satelliten zu einer Änderung in der Exzentrizität führt,
sodass der Satellit hinsichtlich einer definierten Position in dem Äquator
nicht länger geostationär bleibt.
Nord-Süd-Stationsunterhaltung wird durch Schübe erreicht,
die senkrecht zu der Ebene der Umlaufbahn wirken, wobei dadurch ihre Neigung modifiziert
wird. Es kann gezeigt werden, dass nur Langzeitdrift des Neigungsvektors korrigiert
werden muss, da die Amplitude periodischer Störungen weniger als 0,1°
in der Länge bleibt. Der Effekt der Langzeitdrift ist eine Neigungsdrift von
ungefähr 0,8°-1° pro Jahr.
Die Gesamtkosten von Stationsunterhaltung für Nord-Süd-Steuerung
und Ost-West-Steuerung unter Betrachtung des Stationsunterhaltungsfensters gemäß
1 ist in der Größenordnung von:
– 43-48 m/s pro Jahr für Nord-Süd-Steuerung (Neigungskorrektur)
und
– 1-5 m/s pro Jahr für Ost-West-Steuerung (Längendrift und
Exzentrizitätskorrekturen).
Wenn die Treibmittel verbraucht sind, wird Stationsunterhaltung nicht
länger bereitgestellt und der Satellit driftet unter dem Effekt der verschiedenen
Störungen. Insbesondere nimmt er eine schwingende Bewegung in der Länge
um den Punkt des stabilen Beharrungszustands an, was bewirkt, ihn einen Abschnitt
von Raum nahe zu der Umlaufbahn anderer geostationärer Satelliten mitzureißen.
Deshalb wird eine spezielle Prozedur angenommen, die darauf abzielt, Satelliten
aus der geostationären Umlaufbahn in dem Ende ihrer Lebensdauer zu entfernen.
Unter Verwendung einer kleinen Menge von Treibmitteln, die für diesen Zweck
reserviert sind, wird der Satellit in einer Umlaufbahn einer höheren Höhe
als der von geostationären Satelliten platziert. Nach dieser Operation kann
der Satellit deshalb nicht länger für Kommunikationszwecke verwendet werden,
sodass alle Investitionen in der Kommunikationsausrüstung innerhalb der begrenzten
Lebensdauer des Satelliten profitabel sein müssen.
Seit der Start von Satelliten begonnen hat, seit 10 Jahren zunehmend
wichtig zu werden, werden innerhalb der nächsten Jahre eine Menge von Satellitentranspondern
wegen dem näher kommenden Ende ihrer Lebensdauer aussortiert werden müssen.
Die Kommunikationstransponder könnten jedoch dennoch für einige Jahre
mehr verwendet werden, sodass die Lebensdauer dieser Satelliten zuerst durch ihre
abnehmende Verfügbarkeit von Treibmitteln begrenzt wird.
Andererseits sind auch die verfügbaren Umlaufbahnnischen in der
geostationären Umlaufbahn begrenzt, sodass es von zunehmender Wichtigkeit ist,
die Satelliten so raumsparend wie möglich zu betreiben.
Des weiteren ist eine sehr wichtige Erkenntnis die Tatsache, dass
das Stationsunterhaltungsbudget für Nord-Süd-Steuerung viel höher
als das Budget für Ost-West-Steuerung ist. Deshalb wird vorgeschlagen, keinerlei
weitere Neigungskorrektur durch Nord-Süd-Steuerung vorzusehen, sondern die
Stationsunterhaltungssteuerung des Satelliten auf Längendrift und Exzentrizitätskorrekturen
einzuschränken. Wegen dieser Einschränkung in der Positionssteuerung gibt
es eine natürliche Drift in der negativen ϕ-Richtung, sodass sich die
Neigung des Satelliten jedes Jahr um ungefähr 0,8° verringert.
Vor einer Einschränkung der Stationsunterhaltungssteuerung des
Satelliten auf Längendrift und Exzentrizitätskorrekturen kann der Satellit
in einer maximalen zulässigen Neigung derart positioniert werden, dass der
Anfangsneigungsvektor parallel und entgegengesetzt zu der Hauptrichtung der natürlichen
Drift ist. Insbesondere wird der Moment für eine Positionierung des Satelliten
in der maximalen zulässigen Neigung in dem Ende seiner Lebensdauer vor einer
vollständigen Erschöpfung der Treibmittelreservoirs gewählt. Ohne
die Bereitstellung von Neigungskorrektur verringert sich dann die Neigung des Satelliten
ungefähr 0,8° pro Jahr und erreicht dann schließlich nach mehreren
Jahren einen Maximalwert, der schließlich das Ende der Betriebslebensdauer
des Satelliten bestimmt.
Da hingegen während der normalen Operation der Satellit in seinem
Stationsunterhaltungsfenster gemäß 1 unterhalten
wird, ist sehr genaue und Kommunikation hoher Bandbreite zu Erdstationsantennen
mit fixierter Richtung möglich. Während dieser Phase kann die Nutzung
des Kommunikationskanals optimiert werden, und die Investition in die Ausrüstung
des Satelliten amortisiert sich in einer relativ kurzen Zeit.
In dem Ende der Lebensdauer des Satelliten kann jedoch, wie oben beschrieben,
der Satellit in der maximalen zulässigen Neigung vor einer vollständigen
Erschöpfung der Treibmittel derart positioniert werden, dass der Anfangsneigungsvektor
parallel und entgegengesetzt zu der Hauptrichtung der natürlichen Drift ist,
und von dort an wird Spreizspektrumkommunikation angewendet. Daher kann in dem Ende
seiner Lebensdauer der Satellit für Mobilkommunikationsdienste effektiv verwendet
werden, die kleine und nicht-gerichtete Antennen in dem Benutzerendgerät erfordern.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung werden zusätzliche
Satelliten in Co-Lokation mit dem quasi-stationären Satelliten betrieben, wobei
ein Satelliten-Cluster gebildet wird. Daher ist es möglich, zwei oder mehr
Satelliten in der geneigten Umlaufbahn vorzusehen, die die gleiche offensichtliche
Bewegung mit einer Zeitverschiebung durchführen. Somit kann die gleiche Umlaufbahnnische
durch eine Vielzahl von Satelliten effizienter genutzt werden.
Jeder Satellit in dem Satelliten-Cluster sendet ein Spreizspektrum-Abwärtsstreckensignal.
Falls es einen transparenten Transponder in allen Satelliten gibt, könnten
alle Abwärtsstreckensignale einfach die gleichen sein, die aber unterschiedliche
Gebiete von Interesse auf der Erde wegen unterschiedlichen geneigten Umlaufbahnpositionen
anstrahlen können. Falls es eine On-Board-Verarbeitung in allen Satelliten
gibt, könnte jeder Satellit in dem Satelliten-Cluster ein getrenntes Spreizabwärtsstreckensignal
si(t) senden. Jedes Spreizabwärtsstreckensignal si(t)
könnte durch seine eigene Spreizsequenz mit geringer paarweiser Kreuzkorrelation
für Vielfachzugriff im Codemultiplex (CDMA) getrennt werden. Wenn CDMA verwendet
wird, wird jedem Signal in der Menge seine eigene Spreizsequenz gegeben. Deshalb
belegen alle Signale die gleiche Bandbreite und werden in der Zeit simultan übertragen,
in dem Empfänger aber durch den spezifischen Spreizcode unterschieden, den
sie einsetzen. Vorteilhafter Weise wird synchroner CDMA gemeinsam mit orthogonalen
Spreizsequenzen verwendet. Dies bedeutet, dass die Menge von Spreizsequenzen relativ
geringe paarweise Kreuzkorrelation zwischen beliebigen zwei Sequenzen in der Menge
hat. Falls es eine synchrone Operation gibt, ist es möglich zu erlauben, dass
orthogonale Sequenzen als die Spreizsequenzen verwendet werden, was Interferenz
von einem Benutzer zu einem anderen beseitigt. Falls sich die Abwärtsstreckensignale
si'(t) in ihrem Fußabdruck auf der Erde überlappen, kann deshalb
die verfügbare Bandbreite erhöht werden. Falls keine Anstrengung
unternommen wird, um die Sequenzen auszurichten, arbeitet das System alternativ
asynchron, was Vielfachzugriffsinterferenz zwischen den Kanälen einführt,
sodass die endgültige Kanalkapazität begrenzt ist. Der asynchrone Modus
kann jedoch mehr Flexibilität in der Systemgestaltung aufweisen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst das Benutzerendgerät
eine kleine und mobile Antenne. Ein anderer wichtiger Effekt der eingeführten
Verarbeitungsverstärkung ist die Tatsache, dass die Interferenzen auf der Empfängerseite
vermindert werden. Da die Interferenz eingeführt wird, nachdem das übertragene
Signal gespreizt ist, wohingegen die Entspreizungsoperation in dem Empfänger
das gewünschte Signal zurück zu seiner ursprünglichen Bandbreite
schrumpft, spreizt sie zur gleichen Zeit das unerwünschte Signal (Interferenz)
in der Bandbreite um den gleichen Betrag, wobei somit seine Leistungsspektraldichte
reduziert wird.
Gemäß der Erfindung wird deshalb eine vollständig neue
Anwendung eines Kommunikationssatelliten in dem Ende seiner Lebensdauer präsentiert.
Insbesondere könnte die Antenne auf der Benutzerseite eine nicht-gerichtete
flache Antenne sein, die zweckdienlich in Fahrzeuge eingebaut sein könnte,
oder in Computerendgeräte oder Laptops integriert sein könnte. Eine andere
Möglichkeit ist, auf der Benutzerseite adaptive phasengesteuerte Gruppenantennen
basierend auf einer planaren Technologie zu verwenden. Eine derartige Antenne ist
zur adaptiven Strahlenformung fähig, sodass es sogar möglich ist, den
Hauptstrahl des jeweiligen Satellitentransponders zu richten, während sich
ein Fahrzeug in Bewegung befindet, sodass die Signale, die von Umlaufbahnpositionen
von potenziell störenden Satelliten kommen, unterdrückt werden können.
Dies würde den Umfang von störenden Signalen beträchtlich reduzieren,
sodass die Verarbeitungsverstärkung verringert und eine höhere Bandbreite
des Signals geboten werden können. Eine andere Möglichkeit besteht darin,
eine Antenne mit kleiner Schüssel mit einem Durchmesser unter 10 cm zu verwenden,
die manuell zu dem Satelliten ausgerichtet werden kann.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird mindestens
ein zusätzlicher Satellit in Co-Lokation mit dem quasi-geostationären
Satelliten betrieben. Eine weitere Erkenntnis der Erfindung ist die Tatsache, dass
diese Konstellation zur Bereitstellung von GPS-Informationsdaten zu dem Empfänger
verwendet werden kann. Wegen verbesserten Aufstellungstechniken kann die Position
eines Satelliten heutzutage mit einer Genauigkeit von unter einem Meter bestimmt
werden. Hier sind diese Koordinaten der Satelliten mit der gleichen Genauigkeit
in der Erdstation bekannt. Um GPS-Informationsdaten für ein mobiles Benutzerendgerät
bereitzustellen, sendet jeder der mindestens zwei Satelliten ein Bezugssignal, wobei
jedes Bezugssignal eine Bezugszeitinformation und eine Bezugsumlaufbahninformation
hinsichtlich des sendenden Satelliten umfasst. Die Verarbeitungseinheit des mobilen
Benutzerendgerätes umfasst einen Standortprozessor zum Bestimmen der Koordinaten
des mobilen Benutzerendgerätes auf der Basis der Bezugssignale.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird das Spreizverhältnis
derart abgestimmt, dass die Fehlerwahrscheinlichkeit zwischen dem entspreizten Nutzlastsignal
p'(t) und dem Nutzlastsignal p(t) unter der erforderlichen Fehlerwahrscheinlichkeit
unter der Annahme einer gegebenen Antennenverstärkung der Antenne des Benutzerendgerätes
ist. Ein vernünftiger Wert der erforderlichen Fehlerwahrscheinlichkeit ist
in der Größenordnung von 10–8.
Um die erforderliche Fehlerwahrscheinlichkeit am effizientesten zu
erreichen, wird gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung
die Spreizspektrummodulation und Demodulation mit einer Kanalkodierung und Dekodierung
kombiniert. Ein gemeinsamer Ansatz von Kanalkodierung und Dekodierung besteht darin,
ein bekanntes Bit oder Symbol in das übertragene Signal periodisch einzufügen,
das verwendet werden kann, um das Auftreten von Zyklusfehlern zu erfassen und dann
die resultierende Trägerphasenmehrdeutigkeit aufzulösen.
Vorwärtsfehlersteuerungs-(FEC)Kodierung ist ein weiteres Werkzeug
zum Erreichen einer guten Leistungs- und Bandbreiteneffizienz. Die Wahl einer FEC-Kodierungstechnik
hängt von der Zahl von Bits ab, die als eine identifizierbare Gruppe zu kodieren
sind. Zuerst wird der Fall betrachtet, für den nur mehrere Dutzend von Bits
in ein Codewort zu kodieren sind. Diese Situation entsteht natürlich in einer
Zahl von Umständen, die kurze Datenpakete enthalten, die Signalisierungsinformation
oder Benutzerdaten enthalten, und für digitale Sprachübertragung, für
die zusätzliche Verzögerungen (wegen Kodierung) von größer als
ein paar von Sprachrahmen nicht akzeptabel ist und nur die empfindlichsten Bits
in dem Rahmen mit FEC-Kodierung geschützt werden. Für derartige Fälle
kann ein so genannter BCH-Code verwendet werden. Eine andere Möglichkeit besteht
darin, Faltungskodierung mit Punktierung zu verwenden, um die gewünschte Coderate
zu erreichen. Gewöhnlich wird vor Faltungskodierung ein Feld von bündigen
Bits an das Ende des Feldes von Datenbits angefügt, sodass die letzten Datenbits,
die zu dekodieren sind, einen ähnlichen Grad von Integrität wie der
Rest der Datenbits haben. Das Feld von bündigen Bits kann einen beträchtlichen
Overhead für die Übertragung von sehr kurzen Datenblöcken darstellen.
Deshalb ist Faltung der Blockkodierung vorzuziehen, da sie für die Verwendung
weicher Entscheidungen zugänglicher ist. Schließlich wird in dem Fall
der Übertragung eines kontinuierlichen Datenstroms (z.B. digitale Sprache)
so genannte verkettete Kodierung mit einem Faltungscode als den inneren Code und
einem Read-Salomon-Code als den äußeren Code oder Turbokodierung verwendet.
Eine geeignete Kombination von Parametern könnte ein BCH-Code
sein, wobei die Antennenverstärkung der Antenne des Benutzerendgerätes
20 dB ist, die erforderliche Fehlerwahrscheinlichkeit 10–8 ist,
die Chiprate 55 Mchip/s in einem 33-MHz-Transponder mit einer QPSK-Modulation und
einer Trägerfrequenz von 11 Gigahertz im KU-Band ist, die Verarbeitungsverstärkung
100 ist, die Kodierungsverstärkung 3,5 ist und die Informationsbitrate 400
kbit/s ist. Gemäß diesen Systemparametern können Daten und/oder Klangprogramme
von der Erdstation zu einem Benutzerendgerät übertragen werden. Falls
eine Antenne mit einer höheren Antennenverstärkung (z.B. eine adaptive
phasengesteuerte Gruppenantenne) verwendet wird, können Informationsbitraten
sogar für eine Übertragung von Fernsehprogrammen erreicht werden.
Es wird verstanden, dass alle Aspekte der Erfindung, die oben beschrieben
werden, nicht nur in der beschriebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder allein angewendet werden können.
Die Erfindung wird nun auf dem Weg eines Beispiels und mit Bezug auf
die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt ein Stationsunterhaltungsfenster mit gewöhnlichen
Abmessungen für einen geostationären Satelliten;
2 zeigt die Satellitenbewegung wegen einer Neigung
von nicht Null, wie von Erdstationen gesehen;
3 zeigt die Wahl zwischen einer Übertragung hoher
Bandbreite und einer Spreizspektrumübertragung gemäß der Erfindung;
4 zeigt eine typische Anwendung der Spreizspektrumübertragung
während des Endes der Lebensdauer eines Satelliten;
5 zeigt die Kombination von Kanalkodierung und Spreizspektrumübertragung
gemäß der Erfindung;
6 zeigt die Gesamtratenverringerung wegen der Einführung
von Kanalkodierung abhängig von der Codeeffizienz n/k;
7 zeigt den Effekt in der Bitfehlerrate wegen der Einführung
eines BCH-Codes abhängig von dem Signal-Rausch-Verhältnis pro Informationsbit;
und
8 zeigt eine Vielzahl von Satelliten, die in Umlaufbahnen
mit unterschiedlichen Neigungen betrieben werden.
1 und 2 wurden bereits
oben beschrieben.
3 zeigt die Wahl zwischen einer Übertragung mit
hoher Bandbreite und einer Spreizspektrumübertragung gemäß der Erfindung.
Solange wie es genügend Treibmittel an Bord des Satelliten gibt, um den Satelliten
innerhalb des Stationsunterhaltungsfensters gemäß 1
zu halten, kann eine Übertragung mit hoher Bandbreite durch den Satellitentransponder
durchgeführt werden. Typischerweise kann eine Bandbreite von 38 Mbit/s bereitgestellt
werden, sodass mehrere Kanäle parallel übertragen werden können.
Die Signale von mehreren Quellen 300 werden zu einem Multiplexer
302 eingespeist. Optional können die Signale einer Quelle durch einen
geeigneten Komprimierungsalgorithmus, wie MPEG2, komprimiert werden, für den
ein geeigneter Kodierer 301 vorgesehen ist. Danach werden Kanalkodierung
und Modulation 303 durchgeführt, bevor das Signal zu der Antenne
304 der Erdstation eingespeist wird. Die populärste Wahl einer Modulationstechnik
für Dienste mit höherer Rate war die Quadraturphasenumtastung (QPSK).
Auf der Empfängerseite ist eine Schüssel mit einem Durchmesser
von 50 cm vorgesehen. Entsprechend werden Kanaldekodierung und
Demodulation 306 durchgeführt, bevor das Signal zu einem Demultiplexer
307 eingespeist wird und in mehrere Empfangssignale gesplittet wird, die
durch Empfänger 309 empfangen werden können. In dem Fall von
Komprimierungstechniken ist ein Dekomprimierer 308 vorgesehen.
Sobald der Satellit das Ende seiner Lebensdauer erreicht, wird gemäß
der Erfindung der Satellit in einer maximalen zulässigen Neigung derart positioniert,
dass der Anfangsneigungsvektor parallel und entgegengesetzt zu der Hauptrichtung
der natürlichen Drift ist, und ferner wird Nord-Süd-Steuerung weggelassen.
Zur gleichen Zeit wird Übertragung zu einer Spreizspektrummodulation
310 umgeschaltet, was zu einer geringeren Bandbreite von z.B. 2 Mbit/s
führt. Wegen der Verarbeitungsverstärkung kann nur eine kleinere Bandbreite
bereitgestellt werden. Andererseits sind jedoch die Anforderungen in Stationsunterhaltung
des Satellitentransponders und Antennenverstärkung der Empfangsantenne in Proportion
beträchtlich geringer als die eingeführte Verarbeitungsverstärkung.
Folglich kann eine flache Antenne mit einer Apertur von z.B. 10 cm2311 für mobile Kommunikationen bereitgestellt werden. Entsprechendes
Entspreizen 312 findet statt, bevor das Signal zu dem Demultiplexer
307 eingespeist wird.
4 zeigt eine typische Anwendung der Spreizspektrumübertragung
während des Endes der Lebensdauer eines Satelliten. Diese Übertragung
entspricht dem Übertragungsweg 310, 311, 312 gemäß
3. Es kann eine adaptive phasengesteuerte flache Gruppenantenne
400 zum Erhöhen der Antennenverstärkung auf der Empfangsseite
verwendet werden. Andererseits kann auf der sendenden Seite ein äußerst
effizienter Komprimierungsalgorithmus, wie MPEG4, verwendet werden. Dadurch können
Informationsbitraten von bis zu 5 Mbit/s vor Spreizung, Kanalkodierung und Modulation
402 erreicht werden. Das kodierte Signal wird mit 38 Mbit/s über den
Satellitentransponder 403 übertragen, und wird durch die adaptive
phasengesteuerte Gruppenantenne 400 empfangen, die z.B. in einem Fahrzeug
404 installiert sein könnte. Auf der Empfangsseite finden Spreizung,
Kanaldekodierung und Demodulation 405 statt, und falls notwendig die Komprimierung
gemäß dem Komprimierungsalgorithmus 401.
Gemäß der Anwendung von 1 ist
es somit möglich, eine Übertragung von Fernsehprogrammen zu einem mobilen
Empfänger vorzusehen, der in einem Fahrzeug installiert sein könnte. Obwohl
die Bandbreiteneffizienz nicht akzeptabel ist, kann der Ausgleich der Investitionskosten
für die Satellitenausrüstung dennoch erreicht werden, da der vorgeschlagene
Weg der Übertragung nur in dem Ende der Lebensdauer des Satelliten vorgesehen
ist.
5 zeigt die Kombination von Kanalkodierung und Spreizspektrumübertragung
gemäß der Erfindung. Zusätzlich zum Hinzufügen von Verarbeitungsverstärkung
durch Spreizspektrumtechnik gibt es die Möglichkeit, Kodierungsverstärkung
durch Kanalkodierung einzuführen. In diesem Kontext müssen die folgenden
Raten unterschieden werden: die höchste mögliche Rate ist die Chiprate
502, die von der kodierten Bitrate 501 nach Kanalkodierung unterschieden
werden muss. Die Informationsbitrate, die durch die Quelle abgegeben wird, wird
einfach Bitrate 500 genannt.
Zum Hinzufügen von Kodierungsverstärkung zu der Verarbeitungsverstärkung
sind die folgenden Szenarien möglich:
– Zuerst wird die Information durch einen Block-(oder Faltungs-)Code
mit der Rate n/k kodiert, und nur dann wird jedes kodierte Bit durch die PN-Sequenz
gespreizt. Diese Lösung kann als eine einfache Verkettung von Spreizung als
innerer Code und Blockkodierung als äußerer Code betrachtet werden.
– Eine andere Möglichkeit besteht darin, zuerst die Informationsbits
durch einen Blockcode einer sehr großen Rate zu kodieren. Die kodierten Bits
können dann zu den Chips der PN-Sequenz hinzugefügt werden (modulo2).
In diesem Fall muss jedoch die PN-Sequenz von genau der gleichen Rate wie die kodierte
Bitrate sein.
Gemäß 5 wird der erste Fall
einer Verkettung von Kanalkodierung und Spreizspektrum betrachtet. Eine Quelle
510 gibt ein Signal mit einer Bitrate 500 ab, die als b angenommen
wird. Kanalkodierung (z.B. ein BCH-Code) gibt eine kodierte Bitrate 501
ab, die aus der Bitrate b multipliziert mit der Kodierungseffizienz n/k resultiert,
wobei n für die Zahl von kodierten Bits pro Codewort und k für die Zahl
von Informationsbits pro Codewort stehen. In dem kodierten Signal findet dann Spreizung
512 durch die Verarbeitungsverstärkung Gp statt. Während einer
Übertragung des Spreizsignals über den Satellitentransponder wird das
gespreizte Nutzlastsignal s(t) durch Rauschen und Interferenz beschädigt, sodass
das empfangene Signal s'(t) in dem Benutzerendgerät empfangen wird. Das empfangene
Signal s'(t) zeigt natürlich ein ziemlich schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis
Ec/N0. Nach Entspreizung 513 wird das gewünschte Signal zu seiner
ursprünglichen Bandbreite geschrumpft, wohingegen zur gleichen Zeit unerwünschte
Signale in der Bandbreite um den gleichen Betrag gespreizt werden, sodass ein erhöhtes
Signal-Rausch-Verhältnis Ecb/N0 erreicht werden kann. Durch
Kanaldekodierung 514 kann weitere Dekodierungsverstärkung eingeführt
werden, sodass ein weiter verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis Eb/N0 durch
den Empfänger 515 empfangen wird.
6 zeigt die gesamte resultierende Ratenreduzierung
wegen der Einführung von Kanalkodierung abhängig von der Kodierungseffizienz
n/k. Es ist zu beobachten, dass die Kodierungsverstärkung nicht wie nach Wunsch
erhöht werden kann, da mit einer steigenden Zahl von kodierten Bits pro Codewort
n auch die Wahrscheinlichkeit ansteigt, dass es Verzerrungen in den neu eingeführten
Bits gibt. Deshalb muss es eine maximale erreichbare Bandbreite oder minimale Gesamtratenreduzierung
mit Bezug auf die Kanalbandbreite geben. 6 zeigt, dass
für einen BCH-Code die minimale Ratenreduzierung für die Kombination n
= 127 und k = 92 erreicht werden kann, wohingegen für den Fall von n = 31 das
erreichbare Minimum mehr als das doppelte des Falls n = 127 ist. Ferner kann gesehen
werden, dass durch die Einführung von Kanalkodierung eine zusätzliche
Kodierungsverstärkung von nahezu 2 erreicht werden könnte.
7 zeigt den Effekt in der Bitfehlerrate wegen der Einführung
eines BCH-Codes abhängig von dem Signal-Rausch-Verhältnis pro Informationsbit
Eb/N0. Für geringe Werte von Eb/N0 ist die Steigerung nicht sehr beträchtlich,
während für große Eb/N0 die Differenz zwischen Kanalkodierung und
keiner Kanalkodierung beträchtlich ist. Unter einer gewissen Schwelle von ungefähr
4 dB ist Kanalkodierung sogar weniger effizient als überhaupt keine Kodierung.
Dieser Fall sollte jedoch durch Wahl einer ausreichenden Verarbeitungsverstärkung
vermieden werden.
8 zeigt eine Vielzahl von Satelliten, die in Umlaufbahnen
mit der gleichen Länge, aber mit unterschiedlichen Neigungen betrieben werden.
ϕ R, &lgr; sind die stationären Koordinaten innerhalb jedes Satelliten,
wobei ϕ die Breite ist, r die Exzentrizität ist und &lgr; die Länge
des entsprechenden Satelliten ist. Der Satellit 801 wird in einer normalen
Umlaufbahn A mit einer Neigung von Null betrieben. Satelliten 802,
803 werden mit geneigten Umlaufbahnen B und C in positiver Neigung betrieben,
wohingegen Satellit 804 mit einer geneigten Umlaufbahn D mit negativer
Neigung betrieben wird. Mit Hilfe von 8 werden einige
mögliche Satellitenkonfigurationen gemäß der Erfindung beschrieben.
Ausführungsform 1: ein Satellit in geneigter Umlaufbahn
Zuerst wird der Fall von nur einem Satelliten in einer geneigten Umlaufbahn
betrachtet, z.B. Satellit 802 in Umlaufbahn B. Mit dieser Neigung führt
der Satellit, wie von der Erde gesehen, eine Bewegung durch, wie in 2
gezeigt. Die Bewegung führt insbesondere zu einer Nord-Süd-Schwingung
des Satelliten pro Tag. Gewöhnlich verschlechtert diese Achtknoten-Tagesbewegung
des Satelliten die Empfangseigenschaften eines mobilen Benutzerendgerätes.
Die Erfindung macht es jedoch möglich, den Satelliten 802 für
Zwecke mobiler Kommunikationen durch Bereitstellung eines gespreizten Abwärtsstreckensignals
vollständig zu nutzen.
Eine wichtige Qualität in Verbindung damit ist die Verarbeitungsverstärkung
des Systems, die durch das Verhältnis der Spreizspektrumbandbreite und der
Bandbreite des Signals definiert ist. Die Verarbeitungsverstärkung ist ein
Maß zum Vermindern des Einflusses von Interferenz auf das Empfängerleistungsverhalten.
Selbst wenn der Satellit eine Bewegung durchführt, die von Erdstationen gemäß
2 gesehen wird, und somit die Anforderungen für
einen Empfang von Satellitenschüsseln direkt nach Hause unter Verwendung konventioneller
Modulationstechniken nicht erfüllt, ist nun ein Empfang unter Verwendung von
Spreizspektrumtechniken möglich.
Die Fehlerwahrscheinlichkeit des empfangenen und entspreizten Nutzlastsignals
p'(t) kann durch entsprechendes Abstimmen des Spreizverhältnisses oder der
Spreizspektrummodulation erreicht werden. Dies kann unter der Annahme einer gegebenen
Antennenverstärkung der Antenne des Benutzerendgerätes geschehen, sodass
für typischerweise verwendete Antennen die Fehlerwahrscheinlichkeit ausreichend
gering sein wird.
Selbst wenn eine hohe Verarbeitungsverstärkung verwendet wird,
kann jedoch niemals sichergestellt werden, dass vollständige Übertragung
stattfindet, da der Empfänger angenommen wird, ein mobiles Benutzerendgerät
zu sein. Insbesondere muss Schwund wegen hohen Gebäuden, Tunneln und hohen
Bergen betrachtet werden. Außerdem ist es wegen dem Diversifizierungseffekt
wegen der offensichtlichen Bewegung des Satelliten in der geneigten Umlaufbahn möglich,
Schwundeffekte durch Verschränkung und Pufferung zu vermindern.
Sobald ein Echtzeit-Datenstrom (z.B. Video) auf dem Monitor eines
Verbrauchers gestartet ist, müssen die Daten in einer konstanten Rate zugeführt
werden. Das System kann jedoch steuern, wann der erste Block des
Stroms zu dem Monitor des Verbrauchers abgegeben wird (Latenz). Pufferung kann effektiv
verwendet werden, um die Latenz einer Abgabe in Anwendungen für Video auf Nachfrage
zu steuern. Je mehr der Daten gepuffert sind, desto größer ist die Stromstartlatenz,
und desto länger die Zeit, um einen Anforderungsblock in dem Server zu bedienen.
Vorteilhafter Weise kann der Diversifizierungseffekt wegen der offensichtlichen
Bewegung des Satelliten in der geneigten Umlaufbahn mit einer wiederholten Übertragung
der gleichen Datenströme kombiniert werden.
Eine andere Möglichkeit, Schwundeffekte zu bewältigen, besteht
darin, ein verschränktes gespreiztes Abwärtsstreckensignal s'(t) vorzusehen,
das vor Demodulieren de-verschränkt wird. Das Verschränken trennt Häufungsfehler
und veranlasst, dass sie seltener auftreten, sodass die Wahrscheinlichkeit genauer
Dekodierung erhöht wird. Es ist allgemein ausreichend, mehrere Blocklängen
eines Block-kodierten Signals oder mehrere Beschränkungslängen eines durch
Faltung kodierten Signals zu verschränken. Blockverschränkung ist der
direkteste Ansatz nach vorn, Verzögerung und Speicheranforderungen werden aber
mit Faltungs- und spiralförmigen Verschränkungstechniken halbiert. Periodizität,
auf die Weise, wie Sequenzen kombiniert werden, wird mit pseudo-zufälligem
Verschränken vermieden. Das Prinzip von Verschränkung in Kombination mit
Spreizspektrummodulation ermöglicht mobile Kommunikationen über geostationäre
Satelliten sogar in einer sehr hohen Bandbreite. Es ist sogar möglich, Videoprogramme
auszustrahlen, falls eine gewisse Zeitverzögerung akzeptabel ist und falls
Vorwärtsspeicherung angewendet wird.
Die Vorteile der Erfindung werden nun durch die folgenden Ausführungsformen
vollständig offensichtlich, die bevorzugte Kombinationen mit der ersten Ausführungsform
zeigen.
Ausführungsform 2: Geostationärer Satellit in Kombination mit
Ausführungsform 1
Zusätzlich zu dem Satelliten 802, der auf Umlaufbahn
B betrieben wird, wird nun angenommen, dass der geostationäre Satellit
801 mit einer festen Position und fester Antennenrichtung in Umlaufbahn
A betrieben wird. Es ist offensichtlich, dass Satellit 801 auf eine konventionelle
Art und Weise mit Übertragungen hoher Bandbreite betrieben werden kann. Der
Vorteil gemäß der Erfindung ist die Tatsache, dass zusätzlich zu
dem Satelliten 801 der Satellit 802 für mobile Kommunikationen
vorgesehen werden kann, wie oben unter Ausführungsform 1 beschrieben wird.
Dies bedeutet, dass der begrenzte Umlaufbahnraum besser genutzt werden kann.
Ausführungsform 3: Mehrere Satelliten in geneigten Umlaufbahnen für
GPS
Das GPS (globales Positionierungssystem) wurde durch das US Department
of Defense koordiniert und versieht die Benutzer mit genauer Zeitsteuerungs- und
Messinformation. Das System ist für zivile Benutzer mit verringerter Genauigkeit
verfügbar.
Für spezifische Anwendungen kann es nützlich sein, ein alternatives
GPS-System verfügbar zu haben, z.B. aus Gründen von Redundanz. Ein derartiges
System kann durch Vorhandensein von mehreren Satelliten in geneigten Umlaufbahnen
einfach realisiert werden.
Die Basistechnik zum Bestimmen der GPS-Koordinaten eines Empfängers
basiert auf einer dreiseitigen (Trilateration) Lösung, wie nachstehend beschrieben
wird. Es sind z.B. drei Satelliten angeordnet, wobei die Positionen von jedem Satelliten
bekannt sind. Falls die Abstände d1, d2 und d3 von jedem Satelliten zu dem
Empfänger gemessen werden können, dann kann die unbekannte Position des
Empfängers bestimmt werden. di soll den Abstand der entsprechenden
Messung von jedem Satelliten bezeichnen, und (x, y, z) und (xi, yi,
zi) die Kartesischen Koordinaten des Empfängers bzw. jedes Satelliten
Pi. Dann trifft die folgende Relation zu:
wobei q→ = [x, y, z]T der unbekannte Positionsvektor des Empfängers
ist. Der Vektor der Abstandsmessungen wird als:
d→ = f→(q→)(2)
ausgedrückt.
Ein üblich eingesetztes Verfahren zum Lösen von q in dieser
nicht-linearen Gleichung ist das iterative Verfahren nach Gauss-Newton. Die beste
Schätzung von q→ wird als:
angenähert, wobei F→ die Jacob'sche Matrix ist:
In der Praxis kann jedoch nicht nur eine Trilaterationskonfiguration
verwendet werden, sondern eine beliebige andere Konfiguration, wie z.B. eine Bilaterations-
oder Quadrilaterationskonfiguration.
Falls die Taktvorspannung des Empfängers auch unbekannt ist,
wird eine Quadrilaterationskonfiguration benötigt. Folglich müssen alle
vier Satelliten von dem Empfänger sichtbar sein. In dem Fall, dass die Taktvorspannung
irgendwie beseitigt werden kann, ist eine Trilaterationskonfiguration ausreichend.
Es kann sogar eine Bilaterationskonfiguration angewendet werden, falls eine weitere
Koordinate des Empfängers bereits verfügbar ist, was z.B. die Höhe
über dem Meeresspiegel sein kann.
Um die Abstandsmessungen di durchzuführen, müssen
die entsprechenden Satelliten, die in die GPS-Konfiguration einbezogen sind, ein
Bezugssignal mit einer Bezugszeitinformation senden. Daraufhin können die Ausbreitungszeit
und somit die Abstände di kalkuliert werden. Im Prinzip gibt es
zwei Möglichkeiten, um das Bezugssignal bereitzustellen, nämlich entweder
durch einen transparenten Satellitentransponder oder durch On-Board-Verarbeitung.
Mit einem transparenten Transponder in allen Satelliten, die in die
GPS-Konfiguration einbezogen sind, wird ein entsprechendes Aufwärtsstreckensignal,
das die Bezugssignale enthält, gleichzeitig durch alle Transponder übermittelt.
Eine Trennung in dem Empfänger kann z.B. erreicht werden, falls die Transponder
eine unterschiedliche Frequenzverschiebung in der Abwärtsstrecke zeigen.
On-Board-Verarbeitung, wie oben beschrieben, lässt eine Vielzahl
von Optionen zum Senden der Bezugssignale zu dem Empfänger offen. Da eine Zeitsynchronisation
auf der Basis des gemeinsamen Aufwärtsstreckensignals schwierig zu realisieren
ist, ist es auch möglich, eine Zeitsynchronisation unter allen Satelliten,
die in die GPS-Konfiguration einbezogen sind, durch eine Intersatellitenkommunikation
zu erreichen. Sobald eine Zeitsynchronisation unter den Satelliten so erreicht ist,
können die Bezugssignale durch jeden Satelliten getrennt gesendet werden, indem
z.B. von einem wie oben detailliert beschriebenen CDMA-Schema Gebrauch gemacht wird.
Anspruch[de]
Verfahren zum Senden eines Downlink-Signals zu einer mobilen Antenne,
die eine geringe Richtfähigkeit aufweist und die sich innerhalb eines bestimmten
Bereichs auf der Erde befindet, umfassend folgende Schritte:
Betreiben eines quasi-geostationären Satelliten (802) in einem geneigten
Orbit (B) und
Senden eines Spreizspektrum-Downlink-Signals s'(t) von dem quasi-geostationären
Satelliten (802) zu dem bestimmten Bereich auf der Erde mit einer Frequenz
größer als die des L-Bands 1,5/1,6 GHz, vorzugsweise größer
als 10 GHz.Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend die Schritte:
Modulieren eines Uplink-Signals p(t) mittels Spreizspektrummodulation mit einem
bestimmten Spreizverhältnis, um ein gespreiztes Uplink-Signal s(t) zu erzeugen,
Übertragen des gespreizten Uplink-Signals s(t) zu dem quasi-geostationären
Satelliten (802) und
Konvertieren des gespreizten Uplink-Signals s(t) zu dem gespreizten Downlink-Signal
s'(t).Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend die Schritte: Übertragen eines Uplink-Signals zu dem 35 quasi-geostationären
Satelliten (802), On-Board-Verarbeitung des Uplink-Signals in dem quasi-geostationären
Satelliten (802) mittels Spreizspektrummodulation mit einem bestimmten
Spreizverhältnis, um das gespreizte Downlink-Signal s'(t) zu erzeugen.Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Positionskontrolle
des Satelliten auf Korrekturen der Längengradverschiebung (&lgr;) und der
Exzentrizität (r) beschränkt ist.Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei zusätzliche
Satelliten (801, 803, 804) in Nachbarschaft zu dem quasi-geostationären
Satelliten (802) betrieben werden, wodurch ein Satellitenverband gebildet
wird.Verfahren nach Anspruch 5, wobei jeder Satellit (801,
802, 803, 804) in dem Satellitenverband ein eigenes gespreiztes
Downlink-Signal si'(t) sendet.Verfahren nach Anspruch 6, wobei jedes gespreizte Downlink-Signal si'(t)
seine eigene Spreizsequenz mit einer geringen paarweisen Kreuzkorrelation zum Mehrfachzugriff
durch Code-Teilung (CDMA) besitzt.Verfahren nach einem der Ansprüche 5-7, wobei mindestens zwei Satelliten
des Satellitenverbands ein Referenzsignal senden, wobei jedes Referenzsignal eine
Referenzzeitinformation und eine Referenzumlaufbahninformation in Bezug auf den
Sendesatelliten umfasst.Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, wobei das gespreizte Downlink-Signal
s'(t) ein Spreizverhältnis 35 besitzt, das in Kombination mit einer Kanalkodierung
derart angepasst wird, dass die Fehlerwahrscheinlichkeit des zurückgewonnenen
und dekodierten Downlink-Signals unter Annahme einer gegebenen Antennenverstärkung
der adaptiven phasengesteuerten Antenne (400) ausreichend gering sein wird.Verfahren nach Anspruch 9, wobei die zu erreichende Fehlerwahrscheinlichkeit
in der Größenordnung 10 liegt.Mobile Benutzerstation, umfassend:
eine mobile Antenne (400) mit einer geringen Richtfähigkeit, geeignet
ein Spreizspektrum-Downlink-Signal s'(t) mit einer Frequenz größer als
die des L-Bands 1,5/1,6 GHz, vorzugsweise größer als 10 GHz zu empfangen,
das von einem quasi-geostationären Satelliten (802) ausgestrahlt wird,
der in einer geneigten Umlaufbahn (B) betrieben wird und
eine Verarbeitungseinheit (405) zum Demodulieren des Spreizspektrum-Downlink-Signals
s'(t) mittels Spreizspektrumdemodulation.Mobile Benutzerstation nach Anspruch 11, wobei die mobile Antenne mit
geringer Richtfähigkeit eine ungerichtete Flachantenne ist.Mobile Benutzerstation nach Anspruch 11, wobei die mobile Antenne mit
geringer Richtfähigkeit eine adaptive phasengesteuerte Antenne ist, basierend
auf Planartechnologie und geeignet zur adaptiven Strahlformung.Mobile Benutzerstation nach einem der Ansprüche 11-13, wobei die
mobile Antenne (400) geeignet ist, Referenzsignale zu empfangen, die von
dem quasi-geostationären Satelliten (802) und mindestens einem weiteren
Satelliten (801, 803, 804), der in Nachbarschaft zu dem
quasi-geostationären Satelliten (802) betrieben wird, gesendet werden,
wobei jedes Referenzsignal eine Referenzzeitinformation und eine Referenzumlaufbahninformation
in Bezug auf den Sendesatelliten umfasst, und wobei die Verarbeitungseinheit (405)
einen Positionsprozessor zum Bestimmen der Koordinaten der mobilen Benutzerstation
auf der Basis der Referenzsignale umfasst.