DE60309792T2

DE60309792T2 - Steuerung der Aufwärtsfrequenz für DOCSIS Satelliten Anordnungen

Info

Publication number: DE60309792T2
Application number: DE60309792T
Authority: DE
Inventors: Mark Dale; David Hartman; Dorothy Lin; Jr. Rocco J. Brescia; Alan Gin; Ravi Bhaskaran; Jen-Chieh Chien; Adel Fanous
Original assignee: Broadcom Corp
Current assignee: Broadcom Corp
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2023-09-04
Also published as: US20040042574A1; US7463707B2; DE60309792D1; EP1396948A3; EP1396948B1; EP1396948A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Breitband-Kommunikationssysteme. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung Breitband-Kommunikationssysteme, die die DOCSIS-Spezifikation (Date Over Cable Service Interface Specification) oder irgendeine ihrer Ableitungen verwenden.
Stand der Technik
In DOCSIS-bezogenen Breitband-Kommunikationsarchitekturen werden Daten zwischen einer zentralen Stelle und vielen fernen Teilnehmern transferiert. Die zentrale Stelle kann als eine Kopfstelle für Kabelsysteme, ein drahtloses Zugriffsterminierungssystem (WATS; wireless access termination system) für terrestrische feste drahtlose Breitbandsysteme oder als ein Satelliten-Gateway für Zweiwege-Satelliten-Systeme bezeichnet werden. Teilnehmergeräte können als ein Kabelmodem (CM) für Kabelsysteme, ein drahtloses Modem (WM) für terrestrische feste drahtlose Breitbandsysteme oder als ein Satelliten-Modem (SM) für Zweiwege-Satelliten-Systeme bezeichnet werden.
In einem Zweiwege-Satelliten-System wird der Kommunikationspfad von dem Satelliten-Gateway zu dem SM "Downstream" genannt, und der Kommunikationspfad von dem SM zu dem Satelliten-Gateway wird "Upstream" genannt. Satelliten-Modems teilen sich einen kontinuierlichen Downstream unter Verwendung eines Zeitbereichs-Multiplexverfahrens (TDM). Einzelne Satelliten-Modems nutzen einen gegebenen Upstream Kanal unter Verwendung von Zeitbereichs-Mehrfachzugriff-(TDMA)-Techniken gemeinsam.
In standardmäßigen DOCSIS-basierten Systemen wird die Upstream Frequenzregelung jeweils als ein Teil der anfänglichen und Stations-Wartungs-DOCSIS-Mechanismen ausgeführt und verwaltet. Als ein Teil des Registrierungsprozesses überträgt ein Kabelmodem einen Bereichsanforderungs-Burst während eines anfänglichen Wartungsfensters. Die Kopfstelle misst den anfänglichen Frequenz-Offset des Kabelmodems und sendet Frequenz-Offset-Einstellungsinformationen zurück zu diesem als ein Teil einer Bereichsantwortnachricht. In DOCSIS-basierten Kabelanwendungen befindet sich die Upstream Sendefrequenz in dem Bereich von 5–65 MHz. Die Upstream Kanalbandbreiten können so klein wie 200 KHz sein (DOCSIS-Bandbreitenoptionen sind 200, 400, 800, 1600 und 3200 KHz). Die Verwendung von relativ niedrigen Sendefrequenzen gewährleistet, dass der anfängliche Frequenz-Offset relativ zu der Kanalbandbreite klein ist. Dies erlaubt es der Kopfstelle, die anfängliche Bereichsanforderungsnachricht zu empfangen und zu verarbeiten. Zum Beispiel hat eine anfängliche Frequenzunsicherheit von 10 Teilchen pro Million einen 650 Hz Fehler in einem 65 MHz Träger zur Folge. Somit liegen die 650 Hz durchaus innerhalb der kleinsten DOCSIS-Upstream-Kanalbandbreite von 200 KHz.
Die US 6356740 offenbart ein Verfahren und System zur Stabilisierung von Übertragungsfrequenzen in einem mobilen Satelliten-Kommunikationssystem, das das Einstellen der Sendefrequenz des Gateway beinhaltet, um eine Frequenzverschiebung von der Referenzfrequenz auf der Verbindung zwischen dem Gateway und dem Satelliten auszugleichen. Dieses System umfasst eine Vielzahl von mobilen Endgeräten, einen Satelliten, der mit den mobilen Endgeräten kommunizieren kann, und einen Gateway in Kommunikation mit dem Satelliten. Jedes mobile Endgerät weist einen mobilen Endgerät-Referenzoszillator auf, und der Satellit weist einen Satelliten-Referenzoszillator auf. Der Gateway weist einen Referenzoszillator mit einer hohen Stabilität und einen digitalen Prozessor auf. Der digitale Prozessor umfasst eine Routine zur Berechnung eines Frequenz-Offset, wie etwa eine Referenzoszillator-Frequenzabweichung. Der Gateway überträgt den Frequenz-Offset zu wenigstens einem der mobilen Endgeräte über den Satelliten. Wenigstens eines der mobilen Endgeräte empfängt den Frequenz-Offset und stellt den mobilen Endgerät-Referenzoszillator ein, um den empfangenen Frequenz-Offset auszugleichen. Gemäß der US 6356740 umfasst das Verfahren zur Stabilisierung der Übertragungsfrequenz eines mobilen Endgeräts in einem mobilen Satelliten-Kommunikationssystem das Empfangen der Frequenz-Offset-Informationen, die von dem Gateway in dem mobilen Satelliten-System übertragen werden, und das Einstellen eines Referenzoszilla tors in einem mobilen Endgerät auf der Grundlage der Frequenz-Offset-Informationen.
Bei Satelliten-Anwendungen sind die Upstream Sendefrequenzen aber viel höher. Typische Anwendungen können ein Ku-Band (etwa 14 GHz) oder ein Ka-Band (etwa 30 GHz) verwenden. Die Verwendung von Hochfrequenz-Komponenten führt höhere anfängliche Frequenzunsicherheiten ein. So hat zum Beispiel eine anfängliche Frequenzunsicherheit von 20 Teilchen pro Million (PPM) einen 280 KHz Fehler in einem 14 GHz Träger und einen 600 KHz Fehler in einem 30 GHz Träger zur Folge. Diese Fehler können dazu führen, dass ein Signal in einem benachbarten Kanal für die kleineren DOCSIS-Upstream-Kanalbandbreiten empfangen wird. Solche Fehler sind viel zu groß für die Verwendung von standardmäßigen DOCSIS-basierten Techniken für die anfängliche Frequenzerfassung und die Korrektur an dem Gateway.
Somit besteht ein Bedarf nach einem Mechanismus, durch den ein anfänglicher Frequenzfehler des Satelliten-Modems mit einer ausreichenden Genauigkeit gesteuert und berichtigt werden kann, um es dem Gateway zu erlauben, anfängliche Wartungs-Bursts von den Satelliten-Modems mit kleinen Offsets von der gewünschten Frequenz zu empfangen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung löst die oben erwähnten Probleme, indem sie ein System und ein Verfahren zur Minimierung des Frequenzfehlers von Satelliten-Modem-Signalen an einem Satelliten-Gateway bereitstellt. Der Satelliten-Gateway-Downstream-Baud-(Symbol-)Takt und die Elemente, die die Upstream Frequenz steuern (d.h., lokale Oszillatoren in der Konvertierungskette, A/D-Abtasttakte) werden auf eine gemeinsame Frequenzreferenz festgelegt. Der Satelliten-Gateway sendet Upstream Satelliten-Frequenz-Offset-Informationen, wie etwa zum Beispiel Satelliten-Ephemeriden-Daten, aus denen der Doppler-Abstand berechnet wird, zu dem Satelliten-Modem. Das Satelliten-Modem legt die Frequenz jedes Hauptoszillators jedes Satelliten-Modems auf die wiederhergestellte Baudrate unter Verwendung einer Frequenz- oder Phasenregelschleife fest. Das Satelliten-Modem verwendet seinen eigenen Hauptoszillator als die Trägerreferenz für die Upstream Frequenz-Upconversion (-Aufwärtskonvertierung). Das Satelliten-Modem verwendet oder berechnet den Upstream Satelliten-Frequenz-Offset und gleicht diesen Offset durch das Verschieben seiner Mittenfrequenz aus.
Weitere Ausführungsbeispiele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie auch die Struktur und die Operation der verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN/FIGUREN
Die beigefügten Zeichnungen, die hier aufgenommen sind und einen Teil der Patentschrift bilden, veranschaulichen die vorliegende Erfindung, und zusammen mit der Beschreibung dienen sie außerdem dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern und einen Fachmann auf diesem Gebiet in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und zu verwenden.
1 ist ein grobes Blockdiagram eines beispielhaften Zweiwege-Satelliten-Breitband-Kommunikationssystems gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Blockdiagramm, das die Verarbeitungsblöcke für einen Satelliten-Gateway veranschaulicht.
3 ist ein Blockdiagramm, das einen Satelliten-Kanal veranschaulicht.
4 ist ein Blockdiagramm, das die Verarbeitungsblöcke für ein Satelliten-Modem veranschaulicht.
5 ist ein Blockdiagramm, das den Prozess veranschaulicht, wie eine Satelliten-Modem-Frequenz eine Satelliten-Modem-Hauptfrequenz auf einen wiederhergestellten Takt festlegt.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Minimierung des Frequenzfehlers von Satelliten-Modem-Signalen an einem Satelliten-Gateway veranschaulicht.
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung, die unten dargelegt ist, noch offensichtlicher, wenn diese zusammen mit den Zeichnungen betrachtet wird, und gleiche Bezugszeichen identifizieren in der ganzen Beschreibung entsprechende Elemente. In den Zeichnungen geben ähnliche Bezugszeichen im Allgemeinen identische, funktionell ähnliche und/oder strukturell ähnliche Elemente an. Die Zeichnungen, in denen ein Element das erste Mal erscheit, wird durch die Zahlen ganz links in dem entsprechenden Bezugszeichen angegeben.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Obwohl die vorliegende Erfindung hier unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsbeispiele für bestimmte Anwendungen beschrieben wird, sollte es klar sein, dass die Erfindung nicht darauf begrenzt ist. Die Fachleute auf diesem Gebiet mit Zugang zu den hier bereitgestellten Lehren werden zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsbeispiele innerhalb des Schutzbereichs davon und zusätzliche Gebiete erkennen, in denen die vorliegende Erfindung von signifikanter Nützlichkeit wäre.
Überblick
1 ist ein grobes Blockdiagramm eines beispielhaften Zweiwege-Satelliten-Breitband-Kommunikationssystems 100 in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Obwohl die vorliegende Erfindung unter Verwendung eines Zweiwege-Satelliten-Breitband-Kommunikationssystems beschrieben wird, ist die vorliegende Erfindung auch auf andere Breitband-Kommunikationssysteme anwendbar. Solche Systeme können Breitband-Kabelsysteme und terrestrische feste drahtlose Breitband-Systeme umfassen, sind aber nicht auf diese beschränkt. Das Zweiwege-Satelliten-Breitband-Kommunikationssystem 100 ermöglicht Sprachkommunikationen, Video- und Datendienste auf der Grundlage eines bidirektionalen Transfers von paketbasiertem Verkehr zwischen einem Satelliten-Gateway 102 und einem oder mehreren Satelliten-Modems (SM), wie etwa den Satelliten-Modems 104 und 106, über einen Satelliten 112. Der Satellit 112 ist ein Vehikel oder eine Plattform, das/die zur Umkreisung der Erde entworfen worden ist. Der Satellit 112 enthält elektronische Vorrichtungen zum Absenden und/oder Weiterleiten von Telekommunikationen, Daten, etc. zwischen dem Satelliten-Gateway 102 und einem oder mehreren Satelliten-Modems, wie etwa den SMs 104 und 106. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung empfängt der Satellit 112 zum Beispiel paketbasierten Verkehr von dem Satelliten-Gateway 102 und leitet diesen Verkehr zu einem oder mehreren Satelliten-Modems, wie etwa den Satelliten-Modems 104 und 106, weiter. Der Satellit 112 empfängt auch paketbasierten Verkehr von den Satelliten-Modems, wie etwa den Satelliten-Modems 104 und 106, und sendet diesen Verkehr zu dem Satelliten-Gateway 102. Obwohl das Zweiwege-Satelliten-Breitband-Kommunikationssystem 100 mit nur zwei Satelliten-Modems gezeigt ist, kann jede Anzahl von Satelliten-Modems in dem Zweiwege-Satelliten-Breitband-Kommunikationssystem 100 der vorliegenden Erfindung enthalten sein.
Der bidirektionale Transfer des paketbasierten Verkehrs wird erreicht, indem Antennen, zum Beispiel die Antennen 108, 109, 110 und 111, und Transceiver 114, 116 und 118 verwendet werden. Der Satellit 112 ist mit den Antennen 111 zum Empfangen und Übertragen von Informationen gekoppelt. Die Antenne 108 ist mit dem Satelliten-Gateway 102 über den Transceiver 114 für das Übertragen/Empfangen von paketbasiertem Verkehr jeweils zu/von den SMs 104 und 106 über den Satelliten 112 gekoppelt. Die Antennen 109 und 110 sind mit den SMs 104 und 106 jeweils über die Transceiver 116 und 118 zum Übertragen/Empfangen von paketbasiertem Verkehr zu/von dem Satelliten-Gateway 102 über den Satelliten 112 gekoppelt. Der Kommunikationspfad von dem Satelliten-Gateway 102 zu den Satelliten-Modems 104 und 106 wird "downstream" genannt. Der Kommunikationspfad von den Satelliten-Modems 104 und 106 zu dem Satelliten-Gateway 102 wird "upstream" genannt.
Der Satelliten-Gateway 102 ist ein zentraler Verteilungspunkt für das Zweiwege-Satelliten-Breitband-Kommunikationssystem 100. Der Satelliten-Gateway 102 managt den Upstream und Downstream Transfer von Daten zwischen dem Satelliten-Gateway 102 und den Satelliten-Modems, wie etwa den Satelliten-Modems 104 und 106, über den Satelliten 112. Der Satelliten-Gateway 102 sendet Informationen downstream zu den Satelliten-Modems 104 und 106 als ein kontinuierliches übertragenes Signal in Übereinstimmung mit einem Zeitmultiplex-(TDM)-Verfahren. Der Satelliten-Gateway 102 steuert auch die Upstream Übertragung von Daten von den Satelliten-Modems 104 und 106 zu dem Satelliten-Gateway 102, indem er jedem Satelliten-Modem (104 und 106) Zeitschlitze zuweist, innerhalb derer die Daten in Übereinstimmung mit einem Zeitbereichs-Mehrfachzugriff-(TDMA)-Verfahren übertragen werden. Somit sendet jedes Satelliten-Modem (104 und 106) Informationen upstream als kurze Burst-Signale während einer Übertragungsmöglichkeit, die von dem Satelliten-Gateway 102 zugewiesen worden ist.
Jedes Satelliten-Modem 104 und 106 arbeitet als eine Schnittstelle zu einer Benutzervorrichtung (nicht gezeigt). Benutzervorrichtungen können Personal Computer, Datenendeinrichtungen, Telefoniegeräte, Breitband Media Player, persönliche digitale Assistenten, netzwerkgesteuerte Geräte oder andere Vorrichtungen sein, die in der Lage sind, Daten zu übertragen oder zu empfangen, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Satelliten-Modems 104 und 106 führen die Funktionen durch, die notwendig sind, um die Downstream Signale, die über das Zweiwege-Satelliten-Breitband-Kommunikationssystem 100 empfangen werden, in Datenpakete für den Empfang durch eine angeschlossene Benutzervorrichtung zu konvertieren. Satelliten-Modems 104 und 106 führen die Funktionen durch, die notwendig sind, um die Datensignale, die von den Benutzervorrichtungen empfangen werden, in Upstream Burst-Signale zu konvertieren, die für den Transfer über ein Zweiwege-Satelliten-Breitband-Kommunikationssystem 100 geeignet sind.
In dem beispielhaften Zweiwege-Satelliten-Breitband-Kommunikationssystem 100 arbeiten die Satelliten-Modems 104 und 106 in Formaten, die die Protokolle, die in der DOCSIS-Spezifikation dargelegt sind, sowie auch proprietäre bzw. anwendereigene Protokolle beachten, die über die DOCSIS-Spezifikation hinausgehen. Außerdem arbeitet der Satelliten-Gateway 102, um die Daten, die zu ihm übertragen werden, in Übereinstimmung mit den Protokollen zu übertragen, empfangen und zu verarbeiten, die in der DOCSIS-Spezifikation dargelegt sind, und er kann auch so arbeiten, dass er Datenpakete überträgt, empfängt und verarbeitet, die unter Verwendung von proprietären Protokollen formatiert sind, die über diejenigen hinausgehen, die von der DOCSIS-Spezifikation bereitgestellt werden.
Ein Mechanismus zur Minimierung des Frequenzfehlers von Satelliten-Modem-Signalen an dem Satelliten-Gateway
Die vorliegende Erfindung ist ein System und ein Verfahren zur Minimierung des Frequenzfehlers von Satelliten-Modem-Signalen an einem Satelliten-Gateway, wie etwa dem Satelliten-Gateway 102. Die Erfindung erreicht dies, indem sie den Satelliten-Gateway 102 und die Satelliten-Modems, wie etwa die Satelliten-Modems 104 und 106, in einem Standard-DOCSIS-System modifiziert. Der Prozess zur Erzielung der vorliegenden Erfindung wird nun im Hinblick auf die 2–5 beschrieben. Der Downstream Prozess wird zuerst beschrieben, gefolgt von einer Beschreibung des Upstream Prozesses.
2 ist ein Blockdiagramm 200, das die Verarbeitungsblöcke für den Satelliten-Gateway 102 veranschaulicht. 2 veranschaulicht auch die relevanten Upstream und Downstream Frequenzen, die mit jedem Verarbeitungsblock assoziiert sind. Die Verarbeitungsblöcke für den Satelliten-Gateway 102 umfassen einen Verarbeitungsblock 202 einer höheren Schicht, eine Gateway-Medienzugangskontroll-(GW MAC)-Schicht 204, einen Oszillator 206, einen Downstream Modulator 208, einen Innen-Einheit-Upconverter (IDU U/C; indoor unit upconverter) 210, einen Außen-Einheit-Upconverter (ODU U/C; outdoor unit upconverter) 212, ein Downstream Filter 214, einen Orthomode Transducer 216, eine Antenne 108, ein Upstream Filter 218, einen Außen-Einheit-Downconverter (ODU D/C) 220, einen Innen-Einheit-Downconverter (IDU D/C) 222 und einen Burst-Demodulator 224.
Der Oszillator 206 erzeugt eine Hauptreferenzfrequenz. Die Hauptreferenzfrequenz agiert dahingehend, eine Zeitreferenz zu definieren sowie auch eine Definition der Frequenz für das System bereitzustellen. Der Oszillator 206 ist mit dem Downstream Modulator 208, dem Außen-Einheit-Downconverter 220, dem Innen-Einheit-Downconverter 222 und dem Burst-Demodulator 224 gekoppelt, um alle diese Komponenten auf die Hauptreferenzfrequenz festzulegen. In einem alternativen Ausführungsbeispiel könnte eine externe Quelle verwendet werden, um die Hauptreferenzfrequenz bereitzustellen.
Der Verarbeitungsblock 202 höherer Schicht kann einen Netzwerkschicht-Verarbeitungsblock zum Errichten, Verwalten und Terminieren von logischen und physischen Verbindungen zwischen einem externen Netzwerk 230 enthalten, ist aber nicht darauf beschränkt. Somit agiert der Verarbeitungsblock 202 höherer Schicht als eine Schnittstelle zu dem externen Netzwerk 230. Der Verarbeitungsblock 202 höherer Schicht ist auch mit der GW MAC-Schicht 204 verbunden. Der Verarbeitungsblock 202 höherer Schicht empfängt Daten von dem GW MAC-Schicht-Block 204 über die Satelliten-Modems 104 und 106 zur Übertragung zu dem externen Netzwerk 230. Der Verarbeitungsblock 202 höherer Schicht empfängt auch Daten von dem externen Netzwerk 230 zur Übertragung zu den Satelliten-Modems 104 und 106 über den GW MAC-Schicht-Block 204. Das externe Netzwerk 230 kann ein paketvermitteltes Netzwerk sein, ist aber nicht darauf beschränkt.
Die GW MAC-Schicht 204 verarbeitet ankommende Daten von dem externen Netzwerk 230 für die Downstream Übertragung zu einem oder mehreren Satelliten-Modems, wie etwa die Satelliten-Modems 104 und 106. Der GW MAC-Schicht-Block 204 verarbeitet auch abgehende Daten, die von einem oder mehreren Satelliten-Modems (104 und 106) während der Upstream Übertragungen zu dem Netzwerk 230 empfangen werden.
Die Downstream Daten von dem GW MAC-Schicht-Block 204 werden unter Verwendung des Modulators 208 moduliert. Die Modulation für die Downstream Übertragung in einem DOCSIS-basierten Kommunikationssystem, das für Kabelanwendungen verwendet wird, ist typischerweise 64-QAM mit 6 Bits pro Symbol oder 256-QAM mit 8 Bits pro Symbol. Satelliten-Anwendungen verwenden typischerweise eine QPSK-, 8-PSK- oder 16-QAM-Modulation. Modulationstechniken sind den Fachleuten in den relevanten Fachgebieten allgemein bekannt. Obwohl diese Modulationstypen typisch für die jeweiligen Anwendungen sind, ist die Erfindung für jeglichen Typ von Modulation relevant. Eine Symboltaktfrequenz, die von dem Modulator 208 verwendet wird, wird auf die Hauptreferenzfrequenz festgelegt. Das Festlegen der Symboltaktfrequenz auf die Hauptreferenzfrequenz (f_{GW_reference} genannt) hat zur Folge, dass die Symbolfrequenz, die in 2 mit f_baud angegeben ist, zu allen Zeiten gleich Folgendem ist:
K₁·f_{GW_reference}, wobei K₁ eine feste Zahl ist.
Die modulierten Basisbanddaten, die von dem Modulator 208 erzeugt werden, werden auf eine nominelle gewünschte Downstream Frequenz aufwärtskonvertiert (upconverted). Wie in 2 gezeigt ist, wird der Upconversions-Prozess in zwei Stufen implementiert, indem der Innen-Einheit-Upconverter 210 und der Außen-Einheit-Upconverter 212 verwendet werden. Die Erfindung ist nicht auf zwei Stufen für die Upconversion (Aufwärtskonvertierung) beschränkt. In einem alternativen Ausführungsbeispiel können eine oder mehrere Stufen verwendet werden. Die erste Stufe, die den Innen-Einheit-Upconverter 210 verwendet, konvertiert das modulierte Basisbandsignal auf eine Zwischenfrequenz aufwärts. Die zweite Stufe, die den Außen-Einheit-Upconverter 212 verwendet, konvertiert die Zwischenfrequenz auf eine nominelle Downstream Trägerfrequenz aufwärts, die als f_d gezeigt ist. Die Frequenzen, die verwendet werden, um die modulierten Basisbandsignale aufwärts zu konvertieren, müssen nicht auf die Hauptreferenzfrequenz festgelegt werden. Dies kann dazu führen, dass ein Downstream Signal eine Trägerfrequenz aufweist, die Offset-Frequenzen enthält. Diese Offset-Frequenzen werden als f_{GW_IF}, die sich aus der ersten Aufwärtskonvertierung ergibt, und pf_GWd bezeichnet, die sich aus der zweiten Aufwärtskonvertierung ergibt.
Das Downstream Filter 214 und der Orthomode Transducer 216 agieren zusammen, um die Signale, die über die Antenne 108 empfangen werden, von den Signalen zu isolieren, die von der Antenne 108 übertragen werden. Der Orthomode Transducer 216 wird verwendet, um Signale mit unterschiedlichen Polarisationen zu übertragen und zu empfangen. Somit ermöglichen das Downstream Filter 214 und der Orthomode Transducer 216, dass die Downstream Trägerfrequenz und die Symbolfrequenz gefiltert und über die Antenne 108 übertragen werden können, wobei eine andere Polarisation verwendet wird als diejenige, die für das Empfangen von Signalen über 108 verwendet wird. (Orthomode Transducer werden in Satellitenanwendungen allgemein verwendet, aber die Erfindung wird ungeachtet des Mechanismus des Koppelns der Sende- und Empfangssignale an dem Gateway verwendet). Somit überträgt die Antenne 108 die Downstream Mittenfrequenz (die als f_d + pf_GWd angegeben ist) und die Symbolfrequenz (die als f_baud angegeben ist) zu einem oder mehreren Satelliten-Modems (104/106) über den Satelliten 112.
3 ist ein Blockdiagramm, das einen Satelliten-Kanal 300 veranschaulicht. Der Satelliten-Kanal 300 umfasst auch die relevanten Upstream und Downstream Frequenzen, die mit dem Satelliten-Kanal 300 assoziiert sind. Der Satelliten-Kanal 300 umfasst unter anderem den Satelliten-Gateway 102, die Antenne 108, den Satelliten 112, die Antenne 110 und das Satelliten-Modem 106. Die Downstream Mittenfrequenz und die Symbolfrequenz werden von der Antenne 108 zu dem Satelliten 112 übertragen. Der Satellit 112 verschiebt die Downstream Mittenfrequenz. Dies ergibt eine Frequenz, die durch f_d' + pf_GWd repräsentiert wird. Da der Satellit auch nicht wirklich stationär ist, sondern sich hin und her bewegt, kann auch eine Doppler-Verschiebung auftreten. Diese Doppler-Verschiebung wird durch pf_doppler(d) angegeben. Es sei angemerkt, dass die Symbolfrequenz grundsätzlich unverändert bleibt. Die Mittenfrequenz und die Symbolfrequenz werden dann downstream von dem Satelliten 112 zu dem Satelliten-Modem 106 übertragen.
4 ist ein Blockdiagramm, das die Verarbeitungsblöcke für ein Satelliten-Modem veranschaulicht. 4 veranschaulicht auch die relevanten Upstream und Downstream Frequenzen, die mit einem Satelliten-Modem, wie etwa dem Satelliten-Modem 104 oder 106, assoziiert sind. Die Verarbeitungsblöcke für das Satelliten-Modem 106 umfassen die Antenne 110, einen Orthomode Transducer 402, ein Downstream Filter 404, einen rauscharmen Block-Downconverter (LNB) 406, einen Tuner 408, einen Demodulator 410, einen Oszillator 412, eine Satelliten-Modem-Medienzugangskontroll-(MAC)-Schicht 414, einen Prozessblock 416 höherer Schicht, einen Upstream Modulator 418, einen Innen-Einheit-Upconverter 420, einen Außen-Einheit-Upconverter 422 und ein Upstream Filter 424.
Der Oszillator 412 erzeugt eine Hauptreferenzfrequenz für das Satelliten-Modem. Der Oszillator 412 ist mit dem Demodulator 410, dem Upstream Modulator 418, dem Innen-Einheit-Upconverter 420, und dem Außen-Einheit-Upconverter 422 gekoppelt, um jede dieser Komponenten auf die Satelliten-Modem-Hauptreferenzfrequenz frequenz- und/oder phasenstarr zu verriegeln bzw. festzulegen. Alternativ dazu kann eine externe Quelle verwendet werden, um die Satelliten-Modem-Hauptreferenzfrequenz bereitzustellen.
Das Signal, das von dem Satelliten 112 heruntergesendet wird, wird über die Antenne 110 empfangen und zu dem Orthomode Transducer 402 und dem Downstream Filter 404 weitergeleitet. Der Orthomode Transducer 402 arbeitet zusammen mit dem Downstream Filter 404 dahingehend, das ankommende Downstream Signal von einem über die Antenne 110 abgehenden Upstream Signal zu isolieren. Der Orthomode Transducer 402 empfängt die Downstream Signale mit einer anderen Polarisation als ein Signal, das in dem Upstream übertragen wird. Somit werden die Mittenfrequenz und die Symbolfrequenz von dem Satelliten 112 über die Antenne 110 empfangen und durch den Orthomode Transducer 402 und das Downstream Filter 404 weitergeleitet, wobei eine andere Polarisation verwendet wird als diejenige, die für die Übertragung von Signalen upstream über die Antenne 110 verwendet wird. Es sei angemerkt, dass Orthomode Transducer allgemein in Satelliten-Anwendungen verwendet werden, aber die Erfindung ungeachtet des Mechanismus zum Koppeln der gesendeten und empfangenen Signale an dem Satelliten-Modem verwendet wird.
Das Downstream Signal wird durch den rauscharmen Block-Downconverter 406 geleitet, bei dem das Signal verstärkt und zu einer Zwischenfrequenz abwärtskonvertiert (downconverted) wird. Der rauscharme Block-Downconverter 406 umfasst einen Kristall, was zu der Addition einer Offset-Frequenz während der Block-Abwärtskonvertierung führt. Diese Offset-Frequenz wird in 4 als pf_{LNB_LO} angegeben. Somit wird die Mittenfrequenz nun folgendermaßen dargestellt: c.f. = fd_IF + pfGWd + pfdoppler(d) + pfLNB_LO
Das Downstream Signal wird durch den Tuner 408 geleitet. Das Ziel des Tuners 408 ist, das Downstream Signal auf Basisband herunterzubringen. Aber in Wirklichkeit enthält die Mittenfrequenz nach dem Einstellen, wie in 4 gezeigt ist, immer noch verschiedene Offset-Frequenzen, einschließlich einer Offset-Frequenz, die von dem Tuner 408 beigesteuert wird (pf_tuner). Obwohl die Mittenfrequenz Offset-Frequenzen enthält, bleibt die Symbolfrequenz unverändert.
Das Downstream Signal wird dann unter Verwendung des Demodulators 410 demoduliert. Das Satelliten-Modem stellt die Symbolfrequenz f_baud als einen Teil des Demodulationsprozesses wieder her. Die Satelliten-Modem-Frequenz oder -Phase legt eine Satelliten-Modem-Hauptreferenz auf diesen wiederhergestellten Takt fest. 5 ist ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte Implementierung einer Frequenzregelschleife 500 zur Festlegung der Satelliten-Modem-Hauptreferenz auf die Downstream Symbolrate veranschaulicht.
Wenn eine Frequenzregelschleife anstatt einer Phasenregelschleife verwendet wird, umfassen die typischen Frequenzregelschleifenelemente des Demodulators 410 unter anderem einen Frequenzdetektor 506, ein Schleifenfilter (oder digitales Filter) 508, einen Digital-Analog-(D/A)-Wandler 510, und einen Baudtaktgenerator 512. Der Frequenzdetektor 506 ist mit dem Schleifenfilter 508 gekoppelt. Das Schleifenfilter 508 ist mit dem D/A-Wandler 510 gekoppelt. Der D/A-Wandler 510 ist mit dem Filter 502 gekoppelt. In der Frequenzregelschleifen-Implementierung ist der Ausgang des Filters 502 eine Fehlerspannung, die proportional zu dem wiederhergestellten Baudtaktfehler ist. Dieses Signal wird mit dem spannungsgesteuerten Referenzoszillator 504 gekoppelt. Der spannungsgesteuerte Referenzoszillator 504 ist mit dem Baudtaktgenerator 512 gekoppelt. Und der Baudtaktgenerator 512 ist mit dem Frequenzdetektor 506 gekoppelt.
Das Downstream Signal f_baud wird in den Frequenzdetektor 506 eingegeben. Dem Frequenzdetektor 506 wird auch ein geschätztes f_baud oder f ^_baud eingegeben. Zu anfangs, wenn die Schleife noch nicht festgelegt ist, wird f ^_baud von der Satelliten-Modem-Referenz abgeleitet. Der Frequenzdetektor 506 stellt eine Detektorverstärkung bereit und gibt das Signal K_dpf_baud aus, wobei K_d repräsentativ für den Verstärkungsfaktor ist und pf_baud gleich pf_baud – f ^_baud ist. Dieses Signal wird unter Verwendung des Schleifenfilters 508 gefiltert, um den Rauscheffekt zu reduzieren, und wird unter Verwendung des D/A-Wandlers 510 in ein analoges Signal umgewandelt, um eine analoge Steuerspannung pf ~_baud zu erzeugen. Die analoge Steuerspannung wird verwendet, um den Frequenzausgang des spannungsgesteuerten Referenzoszillators 504 zu steuern. Der Baudtaktgenerator 512 wird verwendet, um den wiederhergestellten Baudtakt aus der Hauptfrequenzreferenz des Satelliten-Modems zu erzeugen. Der Baudtaktgenerator 512 verwendet die Ausgangsfrequenz von dem spannungsgesteuerten Referenzoszillator 504, um die geschätzte Symbolrate f ^_baud zu erzeugen. Wenn die Steuerspannung pf ~_baud ansteigt, wird die Ausgangsfrequenz ansteigen. Die Ausgangsfrequenz der Hauptfrequenzreferenz wird von der Steuerspannung erhöht oder verringert, bis die geschätzte Symbolrate f ^_baud etwa gleich der Gateway-Baudrate f_baud ist (in äquivalenter Weise wird f_baud auf etwa Null gesteuert). An diesem Punkt wird die Satelliten-Referenzfrequenz auf die Gateway-Referenzfrequenz festgelegt.
Nun kehren wir zu 4 zurück. Nachdem das Signal demoduliert ist, verarbeiten die MAC-Schicht 414 und die Verarbeitungsblöcke 416 höherer Schicht das Signal für die Übertragung zu einem Gerät auf Kundengebiet (CPE; customer premises equipment) 430. Damit ist der Downstream Pfad vollendet.
Beim Upstream wird ein Signal von dem CPE 430 zu dem Satelliten-Modem gesendet und wird von Prozessen 416 höherer Schicht und der MAC-Schicht 414 für die Upstream Übertragung zu dem Satelliten-Gateway 102 in einer ähnlichen Art und Weise verarbeitet, wie dies oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben worden ist. Upstream Daten von der MAC-Schicht 414 werden unter Verwendung des Upstream Modulators 418 moduliert. Der Upstream Modulator 418 ist auf die Hauptfrequenzreferenz des Satelliten-Modems frequenzverriegelt, folglich enthält die Ausgangsfrequenz des Modulators keinen unbekannten Frequenz-Offset. Aber das System kann eine Offset-Einstellung pf_offset hinzufügen. Diese Offset-Einstellung basiert auf Daten, die von dem Satelliten-Gateway 102 empfangen werden. Zum Beispiel kann der Satelliten-Gateway 102 Satelliten-Ephemeriden oder andere äquivalente Daten senden, um es dem Satelliten-Modem zu ermöglichen, den pf_offset zu berechnen, der notwendig ist, um jegliche Upstream Doppler-Verschiebung aufgrund der Satelliten-Bewegung relativ zu dem Satelliten-Modem auszugleichen.
Das Upstream Signal wird unter Verwendung von zwei Stufen aufwärtskonvertiert. In der ersten Stufe wird das Upstream Signal auf eine Zwischen-Upstream-Frequenz f_{u_IF} aufwärtskonvertiert, wobei der Innen-Einheit-Upconverter 420 verwendet wird. In der zweiten Stufe wird die Zwischen-Upstream-Frequenz weiter auf f_u' aufwärtskonvertiert, wobei der Außen-Einheit-Upconverter 422 verwendet wird. Während des Aufwärtskonvertierungsprozesses werden keine Offset-Frequenzen erzeugt, weil die Upconverter-Einheiten 420 und 422 auf die Hauptreferenzfrequenz des Satelliten-Modems festgelegt sind.
Das aufwärtskonvertierte Signal bei f_u' plus pf_offset wird gefiltert und zu dem Satelliten 112 über das Filter 424, den Orthomode Transducer 402 und die Antenne 110 übertragen.
Nun kehren wir zu 3 zurück. Das Upstream Signal wird zu dem Satelliten 112 mit einer Mittenfrequenz von f_u' + pf_offset übertragen. Der Satellit 112 verschiebt das Upstream Signal von f_u' + pf_offset zu f_u + pf_offset + pf_sat(u), wobei pf_sat(u) ein Fehler- oder Doppler-Offset sein kann, der von dem Satelliten 112 erzeugt wird. Damit wird beabsichtigt, dass pf_offset gleich –pf_sat(u) ist, damit sich die beiden Signale gegenseitig aufheben. Das Upstream Signal von dem Satelliten 112 wird dann upstream zu dem Satelliten-Gateway 102 übertragen.
Nun kehren wir zu 2 zurück. Das Upstream Signal wird von dem Satelliten-Gateway 102 mit einer Mittenfrequenz von f_u + pf_offset + pf_sat(u) über die Antenne 108 empfangen und upstream über den Orthomode Transducer 216 übertragen, wobei eine andere Polarisation verwendet wird als diejenige, die verwendet wird, um Signale von dem Satelliten-Gateway 102 zu einem Satelliten-Modem zu übertragen. Das Upstream Signal wird unter Verwendung des Filters 218 gefiltert. Das gefilterte Upstream Signal wird auf eine Zwischenfrequenz abwärtskonvertiert, wobei der Außen-Einheit-Downconverter 220 verwendet wird, und dann auf Basisband abwärtskonvertiert, wobei der Innen-Einheit-Downconverter 222 verwendet wird. Dies lässt nur die Offset-Terme zurück, die sich gegenseitig ungefähr aufheben sollen. Keine anderen Offset-Terme werden in den Upstream Pfad eingeführt, weil sowohl der Außen-Einheit-Downconverter 220 als auch der Innen-Einheit-Downconverter 222 beide auf die Hauptreferenzfrequenz des Satelliten- Gateway festgelegt sind. Das Basisbandsignal wird unter Verwendung des Burst-Demodulators 224 demoduliert, der ebenfalls auf die Hauptreferenzfrequenz des Satelliten-Gateway frequenzverriegelt ist.
6 ist ein Flussdiagramm 600, das ein Verfahren zur Minimierung des Frequenzfehlers von Satelliten-Modem-Signalen an einem Satelliten-Gateway veranschaulicht. Die Erfindung ist nicht auf die hier gegebene Beschreibung im Hinblick auf das Flussdiagramm 600 beschränkt. Stattdessen wird es den Fachleuten in dem/den relevanten Fachgebiet(en) nach dem Lesen der hier bereitgestellten Lehren offensichtlich sein, dass andere funktionelle Flussdiagramme im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung liegen. Der Prozess beginnt bei Schritt 602, bei dem der Prozess sofort zu Schritt 604 weitergeht.
Beim Schritt 604 werden der Satelliten-Gateway-Downstream-Baud-(Symbol)-Takt und die Elemente, die die Upstream Frequenz steuern, auf die Hauptreferenzfrequenz eines Satelliten-Gateway festgelegt. Die Elemente in dem Satelliten-Gateway 102, die die Upstream Frequenz steuern, umfassen den Außen-Einheit-Downconverter 220, den Innen-Einheit-Downconverter 222 und den Daten-Burst-Modulator 224. Der Downstream Baudtakt ist Teil des Modulators 208. Der Prozess geht dann zu Schritt 606 weiter.
Beim Schritt 606 sendet der Satelliten-Gateway 102 die Upstream Satelliten-Frequenz-Offset-Informationen zu Satelliten-Modems, wie etwa den Satelliten-Modems 104 und 106. Solche Informationen können Satelliten-Ephemeriden umfassen, die verwendet werden können, um den Doppler-Abstand zu berechnen, sind aber nicht auf diese beschränkt. Es sei angemerkt, dass der Schritt 606 nicht benötigt wird, wenn bekannt ist, dass die Doppler- oder andere Frequenzfehler aufgrund des Satelliten in dem Upstream Pfad genügend klein sind. Der Prozess geht dann weiter zu Schritt 608.
Im Schritt 608 wird es jedem Satelliten-Modem ermöglicht, die Frequenz des Hauptoszillators jedes Satelliten-Modems auf eine wiederhergestellte Baudrate festzulegen. Dies kann erzielt werden, indem eine Frequenz- oder Phasenregelschleife verwendet wird. Der Prozess geht dann weiter zu Schritt 610.
Im Schritt 610 wird es jedem Satelliten-Modem ermöglicht, einen Upstream Satelliten-Frequenz-Offset zu berechnen. Es sei angemerkt, dass der Schritt 610 nicht implementiert wird, wenn nicht der Schritt 606 implementiert ist. Dieser Offset wird dazu verwendet, Upstream Frequenz-Offsets auszugleichen, indem die Mittenfrequenz jedes Satelliten-Modems verschoben wird. Jedes Satelliten-Modem verwendet seinen eigenen Hauptoszillator, um die Trägerfrequenz für die Upstream Frequenz-Upconversionen zu erzeugen.

Claims

Verfahren, das in einem Zweiwege-Satelliten-Kommunikationssystem (100) mit einem Satelliten-Gateway (102) und wenigstens einem Satelliten-Modem (104, 106) durchgeführt wird, wobei das Verfahren zur Minimierung von Frequenzfehlern von Satelliten-Modem-Signalen an dem Satelliten-Gateway (102) dient, wobei das Verfahren umfasst: Festlegen der Satelliten-Gateway Downstream Baudzahl und aller Elemente, die die Upstream Frequenz steuern, auf eine Satelliten-Gateway-Hauptfrequenz-Referenz in dem Satelliten-Gateway (102), wobei der Downstream Kommunikationspfad von dem Satelliten-Gateway (102) zu dem wenigstens einen Satelliten-Modem (104, 106) und der Upstream Kommunikationspfad in entgegengesetzter Richtung verläuft; Senden von Satelliten(112)-Ephemeriden oder anderen äquivalenten Daten einschließlich Informationen über Upstream Frequenz-Offset an das wenigstens ein Satelliten-Modem (104, 106) durch den Satelliten-Gateway (102), wobei der Satellit (112) Kommunikationsverkehr zwischen dem Satelliten-Gateway (102) und dem wenigstens einen Satelliten-Modem (104, 106) überträgt; Ermöglichen, dass jedes Satelliten-Modem (104, 106) seinen eigenen Satelliten-Modem-Hauptoszillator (412) auf eine wiederhergestellte (recovered) Baudzahl festlegt; und Ermöglichen, dass jedes wenigstens eine Satelliten-Modem (104, 106) einen Upstream Frequenz-Offset berechnet, wobei der Upstream Frequenz-Offset durch Verschieben einer Mittenfrequenz jedes des wenigstens einen Satelliten-Modems (104, 106) ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedes Satelliten-Modem (104, 106) seinen eigenen Hauptoszillator (412) verwendet, um Trägerreferenzen für Upstream Frequenz-Upconversionen zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Satelliten-Modem (104, 106) seinen eigenen Satelliten-Modem-Hauptoszillator (412) unter Verwendung eines Phasenregelkreises (Phase Locked Loop) (500) auf die wiederhergestellte (recovered) Baudzahl festlegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Upstream Frequenzfehler aufgrund von Frequenzumsetzung an Bord des Satelliten (112) genügend klein ist, um zu verhindern, dass Satelliten(112)-Ephemeriden oder andere äquivalente Daten gesendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Upstream Frequenzfehler aufgrund von Frequenzumsetzung an Bord des Satelliten (112) genügend klein ist, um eine Korrektur des Upstream Frequenz-Offsets zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die von dem Satelliten-Gateway (102) gesendeten Satelliten(112)-Ephemeriden oder anderen äquivalenten Daten verwendet werden, um einen Doppler-Abstand zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hauptoszillator (412) des Modems die Hauptreferenzfrequenz für das Satelliten-Modem (104, 106) erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine externe Quelle verwendet wird, um die Hauptreferenzfrequenz für das Satelliten-Modem (104, 106) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein von dem Satelliten-Modem (104, 106) empfangenes ankommendes Downstream Signal zu einem Orthomode Transducer (402) und einem Downstream Filter (404) weitergeleitet wird, um das ankommende Downstream Signal von einem ausgehenden Upstream Signal zu isolieren.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Orthomode Transducer (402) die Downstream Signale mit einer anderen Polarisation empfängt als das Upstream Signal.