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HINTERGRUND
UND KURZE BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
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Es
wird oft gewünscht,
eine Mehrzahl von Funksignalen mit ähnlichen Modulationsformaten
auf eine Bank von Demodulatoren zum Verarbeiten zu verteilen. Zum
Beispiel kann die Verteilerstation (HS, Hub Station) eines sternförmig aufgebauten
Satellitennetzwerkes Signale aus einer Anzahl von verschiedenen
Frequenzkanälen
empfangen. Jeder dieser Kanäle
kann eine Mehrzahl von Signalen haben, die Frequenzteilungsmehrfachzugriff
(FDMA, Frequency Division Multiple Access), Zeitteilungsmehrfachzugriff
(TDMA, Time Division Multiple Access) oder Codeteilungsmehrfachzugriff
(CDMA, Code Division Multiple Access) verwenden. Darüber hinaus können die
Signale auf Mehrfachantennen empfangen werden um eine räumliche
Diversity zu schaffen. Zusätzlich
kann das Antennensystem verdoppelt werden, so daß mehr als ein Satellit gleichzeitig
empfangen werden kann.
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Der
direkte Angang, einen Demodulator für jede mögliche Verbindung, die empfangen
werden kann, eingerichtet zu haben, ist oft unpraktisch aufgrund
der großen
Anzahl von Verbindungen. Darüber hinaus
würden
Zuverlässigkeitserwägungen ganz
allgemein fordern, daß jeder
Demodulator verdoppelt wird, was sehr uneffizient ist, um die Anzahl
von erforderlichen Demodulatoren möglichst gering zu halten; es
ist wünschenswert,
verfügbare
Demodulatoren aktiven Kanälen
zuweisen zu können.
Dies ist besonders wichtig, wenn die Gesamtanzahl von unterstützten Benutzern
beträchtlich
geringer ist als die Anzahl von verfügbaren Verbindungszuweisungen. Dies
kann zum Beispiel der Fall sein, wenn ein Satellit mit einer Mehrstrahl-Antenne
in einer nicht synchronen Umlaufbahn verwendet wird, wie für verschiedene
der satellitenbasierten persönlichen
Nachrichtenverbindungssysteme (PCS, Personal Communications-Systems)
vorgeschlagen. In diesem Falle können
die Strahlen Bereiche mit sehr verschiedenen Benutzerdichten beleuchten.
Somit ist es manchmal nötig,
eine große
Anzahl Demodulatoren manchen Strahlen zuzuweisen und nur wenige
anderen. Unglücklicherweise ändert sich
die Mischung mit der Zeit während
sich der Satellit bewegt, somit wird eine dynamische Zuteilung erforderlich.
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Das
Problem des Schaltens einer großen Anzahl
von Demodulatoren über
eine große
Anzahl von Verbindungszuweisungen ist nicht trivial, und ein Kompromiß muß zwischen
der Hardware, die durch dynamische Zuweisung erspart wird, und der
Hardware, die erfordert wird, um diesen Vorgang durchzuführen, stattfinden.
Dieser Kompromiß führt häufig dazu,
daß Demodulatoren „gepoolt" werden, um in Gruppen
geschaltet zu werden, oft mit einem redundanten Pool (geringerer
Größe). Die
Wirksamkeit und Anpassungsfähigkeit
der Demodulatorverwendung steht in erster Linie in Bezug zur Größe der Minimalzahl
der Demodulatoren, die einem bestimmten Kanal zugewiesen werden
kann. Im allgemeinen erfordert größere Anpassungsfähigkeit
und Wirksamkeit ein komplexeres Schalten. Dieses Schalten verwendet
im allgemeinen Analogtechnik, was die Anpassungsfähigkeit,
die erzielt werden kann, begrenzt.
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EP-A-590
412 zeigt die Verwendung eines Bus-Systems mit addressierten Datenpaketen,
was es ermöglicht,
daß jedes
Funkfrequenzmodul mit jedem Basisbandsignalverarbeitungsmodul in
einer GSM-Basisstation verbunden werden kann.
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US-A-5
289 464 zeigt ein Funknachrichtenverbindungsnetzwerk, das eine Zelltelefon-Basisstation
auf der Zellenseite mit einem einzelnen Funksender und Funkempfänger zum
Senden und Empfangen gemultiplexter frequenzmodulierter Signale
hat. Ein Filterbank-Synthetisierer ist dem Sender zugehörig und
multiplext einzelne Signale zum Senden durch den Sender. Ein Filterbank-Analysator
ist dem Empfänger
zugehörig
und demultiplext frequenzmodulierte Signale, die durch den Empfänger empfangen
werden. EP-A-0 590 412 zeigt ein Bus-System zur Nachrichtenverbindung
und Belastung beim Mobilfunk.
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GEGENSTÄNDE DER
ERFINDUNG
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Die
unten offenbarte Erfindung soll mehreren Zielsetzungen genügen, unter
denen sich die folgenden befinden:
- 1) Schaffen
einer praktischen Einrichtung zum Zuweisen jeglichen einer Mehrzahl
von Demodulatoren zu jeglicher aus einer größeren Anzahl von empfangenen
Signalverbindungen. Die einzelnen Signale, die demoduliert werden
sollen, können
in einem Funkfrequenzkanal unter Verwendung von FDMA, TDMA oder
CDMA zusammen existieren. Das heißt, die Erfindung macht praktisch
das Äußerste an
Demodulatorzuweisungsanpassungsfähigkeit.
- 2) Das Schalten wird beinahe ausschließlich mit digitaler Hardware
durchgeführt.
- 3) Darüber
hinaus wird, im Falle daß Vorwärtsfehlerkorrektur
(FEC, Forward Error Correction)-Kodierung verwendet wird, eine neue
Technik um die Komplexität
der Dekoder-Hardware im großem Umfange
zu vermindern, beschrieben.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Funknachrichtenverbindungsnetzwerk
wie in Anspruch 1 beschrieben.
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Die
Verteilerstation des Netzwerkes empfängt eine Mehrzahl von Signalen
auf verschiedenen Frequenzkanälen
und möglicherweise
auf verschiedenen Antennen. Die einzelnen Signale, die demoduliert
werden sollen, können
auf einem Funkfrequenzkanal unter Verwendung von FDMA, TDMA oder
CDMA oder anderen Signalarten oder Kombinationen davon koexistieren.
Das empfangene Frequenzband wird in Unterbänder geteilt, die alle in das Basisband übersetzt
werden und zur rückwärtigen Ebene
eines oder mehrerer Demodulator-Grundplatten (jede von welchen viele
Demodulatoren enthält) verteilt.
Auf diese Art kann jeder beliebige Demodulator mit jedem beliebigen
Signal verbunden werden. Relativ große Abschnitte der Eingangsbandbreite werden
in das Basisband übersetzt.
Diese Abschnitte werden dann digitalisiert und die weitere Bandtrennung
wird digital durchgeführt.
Auf diese Weise werden die Digitalisierung und die Schaltfunktionen
beinahe alle mit digitaler Hardware gemacht. Dies bietet beträchtliche
Vorteile bei Hardwarekosten, Größe und Zuverlässigkeit.
Das Teilen gemeinsamer Ausrüstung
für die Übersetzung
zum Basisband bietet größere Verminderung
bei der Menge solcher Umsetzausrüstung.
Dies liefert große
Vorteile bei den Kosten, der Größe und der
Zuverlässigkeit.
Die Demodulatorausgänge
werden unter Verwendung von Massenverarbeitung dekodiert. Dies führt zu beträchtlichen
Hardwareersparnissen ohne Verminderung bei der Anpassungsfähigkeit
bei der Demodulatorteilung. Die Verwendung von Massenverarbeitung
erlaubt es, daß der
Speicher, der mit dem Dekoder verbunden ist, in einem getrennten
kostengünstigen
Standardspeicher angeordnet ist anstatt in dem teureren, besonderen
integrierten Schaltkreisspeicher. Dies führt zu weiteren Kostenersparnissen.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen und andere Gegenstände,
Vorteile und Merkmale der Erfindung werden deutlicher werden, wenn
sie mit der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen
betrachtet werden, in denen:
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1 ein
Diagramm eines sternförmig
angeordneten Satellitennachrichtenverbindungsnetzwerkes, das die
Erfindung enthält,
ist,
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2 ein
Blockdiagramm einer Ausführungsform
oder Zusammenstellung der Frequenzdemultiplex- und Demodulationshardware
ist,
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3 ein
Funktionsblockdiagramm des Frequenzteilungsdemultiplexers (FDD,
Frequency Division Demultiplexer) ist,
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4 ein
Blockdiagramm eines digitalen Abwärtskonverters ist,
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5 ein
Blockdiagramm der gedruckten Schaltung (PCB, Printed Circuit Board)
des Demodulators ist, und
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6 ein
Blockdiagramm eines „Massen"-Dekoders ist.
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INS EINZELNE
GEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Um
die Erfindung im Einzelnen zu beschreiben, wird die Ausführungsform
erörtert
werden, wie sie bei der Rückwärtsverbindung
eines sternförmig angeordneten
Spreizspektrumsatellitennetzwerkes, das in 1 gezeigt
wird, angewendet wird. Der Satellit S empfängt die Benutzersignale vom
Boden durch eine Mehrstrahlantenne (nicht gezeigt) und übermittelt
sie an eine Verteilungs-Bodenstation (GS, Ground Station). In diesem
Beispiel wird von den Signalen angenommen, daß sie von Spreizspektrum-CDMA-Natur
sind und ungefähr 2,5
MHz besetzen. Es wird weiter angenommen, für erläuternde Zwecke, daß so viele
wie 256 CDMA-Signale eines der 2,5 MHz-Teilbänder besetzen können. Die
Benutzer können
auf einem von verschiedenen Teilbändern senden. Der Satellit „stapelt" die verschiedenen Teil- oder Unterbänder aus
der Mehrzahl von Strahlen in eine geeignete Bandbreite zum Senden
auf der Abwärtsverbindung
zur GS. Für
diese Erörterung wird
angenommen, daß es
100 Teilbänder
in einer 300 MHz Abwärtsverbindungs-Bandbreite
gibt. Weiter wird angenommen, daß die GS Signale von zwei Satelliten
verarbeiten will, und daß zwei
GS-Antennen pro Satellit für
räumliche
Diversity vorgesehen sind, was eine Gesamtheit von vier Antennenausgängen, die
demoduliert werden müssen,
ergibt. Somit gibt es (100 Teilbänder) × (256 Benutzer) × (4 Antennen)
= 102.400 mögliche
Verbindungszuweisungen, die adressiert werden müssen.
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Das
zu lösende
Problem ist, wie irgendeine kleinere Anzahl von Demodulatoren, zum
Beispiel 9600, mit irgendeiner der 102.400 möglichen Verbindungen in praktischer
Weise verbunden werden kann. Der Gesamtaufbau der Signalschaltungs-
und Demodulator-Hardware ist in 2 gezeigt.
Die Antennen 11-1, 11-2, 11-3, 11-4 – Ausgänge werden verstärkt, herunterkonvertiert
zu einer Zwischenfrequenz (IF) und an die Frequenzteilungs-Demultiplexer (FDD)-Einheiten 12-1, 12-2, 12-3 und 12-4 weitergeleitet.
Ein redundanter FDD 12-5 ist enthalten, der an jede der
Antennen im Falle eines FDD-Versagens geschaltet werden kann. Jeder
FDD führt
die Funktionen des „Entstapelns" der 2,5 MHz-Teilbänder (100
davon) und des Ausgebens von digitalisierten Abtastungen jedes der
Teilbänder
auf separaten Leitungen 13-1, 13-2, 13-3, 13-4 wie
unten mehr im Einzelnen erörtert
durch. Somit gibt es eine Ansammlung von 500 getrennten FDD-Ausgangsleitungen 13,
von denen jede ein digitalisiertes Teilband trägt. Alle diese Leitungen werden
an die Rückwand
(backplane) jeder Demodulator-Grundplatte 14-1, 14-2, 14-3, 14-4, 14-5, 14-6 geliefert.
Digitales Schalten wird benutzt, um irgendeinen Demodulator 14 mit
irgendeinem der 500 Teilbänder
zu verbinden. Der Demodulator kann dann irgendeines der 256 möglichen Signale
in jenem Teilband demodulieren, indem er den passenden PN-Code auswählt.
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Eine
mehr ins einzelne gehende Betrachtung des FDD wird in 3 vorgestellt.
Die 300 MHz Eingangsbandbreite wird zuerst aufwärts- oder abwärts konvertiert
bei 15 auf eine geeignete IF-Frequenz. Zum Beispiel sei angenommen,
daß das
Eingangssignal von 100 bis 400 MHz abdeckt. Dieses Band wird aufwärtskonvertiert
auf 1100 bis 1400 MHz. Die lokalen Oszillatoren F1 bis F10 werden
auf (710 + n 30) MHz für
n = 1, ..., 10 abgestimmt und benutzt, die 300 MHz-Bandbreite zu
360 MHz in Schritten von 30 MHz abwärtszukonvertieren. Das bedeutet,
F1 übersetzt 1100
MHz bis 1400 MHz-Spektrum auf 300 bis 660 MHz. Dieses übersetzte
Spektrum wird bandpaßgefiltert
(BPF) um 360 bis 390 MHz (entsprechend 1100 bis 1130 MHz) durchzulassen.
In ähnlicher
Weise übersetzt
F10 das Spektrum auf 90 bis 390 MHz und wird von 360 bis 390 MHz
gefiltert, entsprechend 1370 bis 1400 MHz. Auf diese Weise wird
das 300 MHz-Eingangsspektrum in zehn 30 MHz-Abschnitte übersetzt,
die 360 bis 390 MHz besetzen. Die 30 MHz-Spektren werden jedes in
das Basisband (–15 bis
15 MHz) übersetzt,
mit entsprechenden In-Phase- und Quadratur-Mischern (I/Q) wo sie
abgetastet und digitalisiert werden im entsprechenden Digitalisierer
A/DI, A/DQ mit einer Rate, die ausreicht, um das Nyquist-Kriterium
(größer als
30 msps) zu erfüllen.
Die 30 MHz-Bandbreite kann nun weiter unterteilt werden in zehn
3 MHz Teilbänder.
Dies wird durch digitales Abwärtskonvertieren
im digitalen Abwärtskonverter 16 getan,
jede der 3 MHz Teilbänder
zum Basisband und Filtern mit einem Endliche Impulsantwort-(FIR,
Finite Impulse Response)-Filter 14. Die Einzelheiten dieses
Vorganges sind in 4 gezeigt.
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Die
Ausgangsabtastungen können
nun in Dezimatoren 17 auf eine Rate, die in Übereinstimmung
mit der Ausgangsbandbreite (ein Faktor 10 niedriger als die Eingangsbandbreite)
ist, dezimiert werden, falls gewünscht.
Die niedrigere Rate vereinfacht die Verteilung der digitalisierten
Signale zur Demodulatorplatte. Wir werden, für diese Erörterung, annehmen, daß die I
und Q Abtastungen für
jedes Teilband auf eine Leitung gemultiplext werden.
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Signalweiterleitung
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Die
500 Leitungen mit digitalisierten Unterbändern werden zu den Rückwänden der
Demodulatorgrundplatte geleitet. Wir werden annehmen, daß es sechs
Demodulatorgrundplatten, wie in 2 gezeigt,
gibt. Weiter wird von jeder Demodulatorgrundplatte 14 angenommen,
daß sie
bis zu zehn Demodulator-gedruckte Schaltungen (PCB) enthält und jede PCB
könnte
eine große
Anzahl von Demodulatoren enthalten (angenommen ein Maximum von 160
Demodulatoren pro PCB für
diese Erörterung).
Die 500 Signalleitungen sind jeder PCB durch den Verbinder zur Rückwand verfügbar. Die
Demodulator-PCB wird wie in 5 gezeigt
konfiguriert. Die 500 Signalleitungen werden an einen 500 × N nicht
blockierenden Digitalschalter 20 geleitet, wo N die Anzahl
der Demodulatoren 21 auf einer gedruckten Schaltung (N
= 160 in diesem Beispiel) ist. Somit kann jeder Demodulator 21 jedem
Teilband von jeder Antenne zugewiesen werden.
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Der
Demodulator 21 wird unter Verwendung herkömmlicher
Techniken, die für
die verwendete Signalmodulation und -Format verwendet werden, geeignet
ist, verwirklicht. In diesem Falle wird ein CDMA-Demodulator verwirklicht,
und ein individuelles Benutzsignal wird aus den 256 möglichen
Benutzern durch Verwendung des PN-Codes, der jenem Benutzer zugewiesen
ist, ausgewählt.
Die N Demodulator-Ausgänge
werden gepuffert 22 um kleine Unterschiede in der Datenrate
aufgrund von Dopplereffekten und Benutzeroszillatorfrequenzfehlern
aufzufangen. Die Ausgänge
werden dann zusammen gemultiplext 22 und durch einen Massendekoder 23 verarbeitet.
Der herkömmliche
Angang zum Dekodieren ist es, einzelne Dekoder mit jedem Demodulator
zu verbinden. Der Dekoder besteht aus Verarbeitungselementen, die
die notwendigen Dekoderberechnungen durchführen, und zugehörigem Speicher.
Das Vorhandensein von mehrfachen Demodulatoren 21 auf einer
einzigen gedruckten Schaltplatine PCB, in diesem Falle 160 Demodulatoren,
ist für
einen unterschiedlichen Angang zum Dekodieren günstig. Speziell kann ein einzelner
Hochgeschwindigkeitsdekoderprozessor 20 oder „Engine" mit gemeinsam benutztem
Speicher 31 verwendet werden, um die Dekoderberechnungen
für alle
Demodulatoren 21 wie in 6 gezeigt
durchzuführen.
Eingänge
von den Demodulatoren 21 werden in 22B gepuffert
und durch den Multiplexer 22M an die Hochgeschwindigkeitdekoder-„Engine" 30 angekoppelt.
Dies stellt eine sehr bedeutsame Hardwareersparnis gegenüber der
Verwendung von einzelnen Dekodern dar. Die Ausgänge des Dekoders 30 werden
demultiplext durch den Demultiplexer 20 (32) und
diese dekodierten Ausgänge werden
zu den Verwendungsgeräten
(nicht gezeigt) geliefert.
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Zusammenfassend
empfängt
die Verteilstation GS eines Netzwerkes eine Mehrzahl von Signalen auf
verschiedenen Frequenzkanälen
und möglicherweise
an verschiedenen Antennen. Die einzelnen Signale, die demoduliert
werden sollen, können
in einem Funkfrequenzkanal unter Verwendung von FDMA, TDMA oder
CDMA oder anderen Signalarten oder Kombinationen davon koexistieren.
Jedes empfangene Frequenzband wird in Teil- oder Unterbänder geteilt, die alle zum
Basisband übersetzt
werden und zur Rückwand
einer oder mehrerer Demodulatorgrundplatten (von denen jede viele
Demodulatoren enthält)
verteilt. Somit kann jeder ausgewählte Demodulator mit jedem
ausgewähltem
Signal verbunden werden. Relativ große Abschnitte der Eingangsbandbreite
werden in das Basisband übersetzt.
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Diese
Abschnitte werden dann digitalisiert und die weitere Bandunterteilung
wird digital durchgeführt.
Da die Digitalisierungs- und Schaltfunktionen beinahe alle mit digitaler
Hardware durchgeführt
werden, bietet dies beträchtliche
Vorteile bei Hardwarekosten, -größe und -zuverlässigkeit.
Das gemeinsame Benutzen gemeinsamer Ausrüstung für die Übersetzung zum Basisband bietet
größere Verminderung
in der Menge solcher Übersetzungsausrüstung, verglichen
mit herkömmlichen
Systemen, wo jeder Demodulator seine eigene zugehörige Übersetzungsausrüstung hat.
Dies liefert große
Vorteile bei Kosten, Größe und Zuverlässigkeit.
Die Demodulatorausgänge
werden unter Verwendung von Massenverarbeitung dekodiert. Dies führt zu beträchtlichen Hardwareersparnissen
ohne Verminderung bei der Anpassungsfähigkeit beim Zuteilen von Demodulatoren.
Die Verwendung von Massenverarbeitung erlaubt, daß der Speicher,
der dem Dekoder zugehörig ist,
in einem getrennten kostengünstigen
Standardspeicher angeordnet ist, statt in dem teureren speziellen
Speicher in integrierter Schaltung, was zu weiteren Kostenersparnissen
führt.
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Obwohl
eine bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung erläutert
und beschrieben worden ist, wird erkannt werden, daß verschiedene
Abwandlungen, Anpassungen und Abweichungen der Erfindung dem Fachmann
ersichtlich sein werden.