DE1946780A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Synchronisierung der Nachrichtenpaketuebertragung bei ueber Satellitennachrichtenuebertragungssystemen

Info

Description

Claims

DE1946780A1

Publication number: DE1946780A1
Application number: DE19691946780
Authority: DE
Inventors: Golding Leonard Sheldon
Original assignee: Comsat Corp
Current assignee: Comsat Corp
Priority date: 1968-10-30
Filing date: 1969-09-16
Publication date: 1970-05-06
Also published as: DE1946780C2; NL164441B; US3566267A; JPS524883B1; FR2022332A1; CA930082A; NL164441C; GB1293800A; NL6916236A

950 L'Enfant Plaza South, S. W,
Washington, D.C. - U S A

Priorität wird beansprucht aufgrund Patentanmeldung in den USA vom 30. Oktober 1968, Nr. 771 944.

Verfahren und Vorrichtung zur Synchronisierung der Nachrichtenpaketübertragung bei über Satellitennachrichtenübertragungssystemen<>

Ein Zeitmultiplexzugriff-Nachrichtenübertragungssystem (TDMA-System) über Satelliten besteht darin, daß jede Bodenstation ein Paket beziehungsweise einen Stoß von Informationen zu einer solchen Zeit sendet, daß die Informationspakete beziehungsweise -stoße, die von sämtlichen Stationen des Nachriehtenübertragungsnetzes gesendet werden, bei der Ankunft am Satelliten zeitlich voneinander getrennt sind. Die Informationspakete beziehungsweise -stoße erfolgen in einer solchen Reihenfolge, daß das Paket von einer Bezugsstation oder ersten Stationen zuerst ankommt, worauf ein Paket von der zweiten Station und so weiter folgt, bis die Informationspakete sämtlicher Stationen empfangen worden sind. Danach wird wiederum ein Informationspaket von der Bezugsstation empfangen und der Prozeß setzt sich in dieser Weise fort. Die Zeit zwischen den Informationspaketen beziehungsweise -stoßen von der Bezugsstation (Bezugspakete) wird als Zyklusdauer oder Rahmenzeit bezeichnet, und das erste Paket liefert auf diese Weise eine Rahmenzeit- beziehungsweise Zyklusdauerbezugsgröße, welche von allen anderen Stationen nach Empfang über den Satelliten zur Steuerung der zeitlichen

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lage der eigenen Informationspakete beziehungsweise -stoße benutzt werden kann. Die Rahmen- beziehungsweise Zykluszeit ist bekannt, da sie vorgegeben ist und die Position beziehungsweise zeitliche Stellung jedes von den Stationen gesendeten Informationspaketes, bezogen auf das Bezugspaket, ist ebenfalls bekannt» Bei TDMA-Systemen dieser Art senden sämtliche Stationen ihre Informationspakete zu dem Satelliten und der Satellit überträgt sämtliche Pakete zurück zu sämtlichen Stationen. Auf diese Weise empfängt jede Station über den Satelliten sämtliche Informationspakete einschließlich des eigenen Paketes und die Pakete werden in der jeweiligen zeitlichen Relativstellung empfangen, in der sie am Satelliten auftreffen.

Bei solchen Systemen ist es von ausschlaggebender Bedeutung, daß die Pakete von benachbarten Stationen (Stationen, welche hinsichtlich der vorgegebenen Reihenfolge, in der sie ihre jeweiligen Pakete senden, nebeneinanderliegen) sich am Satelliten nicht ü_bersehneiden. Da jede Station die genaue Zeitrelation zwischen ihrem empfangenen Paket und dem empfangenen Referenzpaket kennt, kann das genaue zeitliche Verhältnis aufrecht erhalten werden, wenn das Paket von der jeweiligen Station zu einer Zeit Rm gesendet wird, bei der das Paket genau um die Zeit T hinter dem Bezugspaket liegt» Dieses wird dadurch kompliziert, daß der Abstand zum Satelliten für jede Station anders ist und daß durch den Satelliten der Abstand ebenfalls in konstanter Weise verändert wird, wodurch eine Veränderung der Relativabstände zwischen dem Satelliten und den einzelnen Stationen hervorgerufen wird.

Das Problem der genauen zeitlichen Einstellung des Paketes einer bestimmten Station kann in zwei Bereiche aufgeteilt werden, von denen der erste in der Satelliteneinstellung beziehungsweise -erfassung und der zweite in der Informationspaketsynchronisierung besteht· Der erste Bereich ist damit

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befaßt, das Stationspaket in den geeigneten Sendeschlitz zu bringen, wenn die Station das erste Mal eingeschaltet wird₀ Der zweite Bereich ist damit befaßt, das Paket während des Betriebes der Station trotz der Bewegung des Satelliten in dem richtigen Sende- und Empfangsschlitz zu halten«,

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Satelliteneinstellung ist in der Patentanmeldung Fr. P 15 91 071 ο 1 vom 16. 11. 1967 beschrieben. Das Verfahren gemäß der obigen Patentanmeldung besteht kurz ausgedrückt darin, während der Paketsendezeit einen erkennbaren Impuls zu senden und auf einem Empfängeros zilloskop die Relativzeiten der Pakete der anderen Stationen und diesen erkennbaren Impuls nach Empfang über den Satelliten zu beobachten und dann die Sendezeit zu verändern, bis der erkennbare Impuls auf dem Oszilloskop ersichtlich in dem richtigen Sendeschlitz beziehungsweise -spalt erscheint.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Buchführung der Informationspaketsynchronisierung ist in der Patentanmeldung Nr. P 15 91 072.2 vom 16. 11.. 1967 beschrieben. Das in dieser älteren Anmeldung beschriebene Verfahren wird kurz ausgedrückt wie folgt ausgeführt:

Der tatsächliche Zeitabstand zwischen dem empfangenen Bezugspaket und dem ¥ .wiederempfangenen eigenen Paket wird festgestellt und mit dem richtigen Zeitabstand zwischen diesen Paketen verglichen. Der Unterschied stellt einen Phasenfehler dar. Der Phasenfehler wird dann dazu verwendet, die Paketsendezeit zu verändern, um den Phasenfehler auf Null zu bringen,

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Informationspaket synchr oni si erung. Die Erfindung bezieht sich nicht auf die Satelliteneinstellung beziehungsweise -erfassung, wobei jedoch darauf hinzuweisen ist, daß eine Einstellung beziehungsweise Erfassung erforderlich ist, bevor die Informations-

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-A-

paketsynchronisierung stattfinden kann.

Die Umlaufzeit oder Übertragungszeit eines Paketes, um von der Station zum Satelliten und wieder zurück zur Station zu gelangen, beträgt etwa 300 ms. Bei dem Verfahren gemäß der oben erwähnten älteren Patentanmeldung ist der nachgewiesene beziehungsweise angezeigte Phasenfehler abhängig von der Position des Satelliten etwa 150 ms vor der Anzeige beziehungsweise dem lachweis. Die bei der Informationspaketsendezeit als Ergebnis des Phasenfehlers durchgeführte Korrektur wird weiterhin von dem Satelliten etwa erst nach 150 ms nach dem Senden des Pakets wahrgenommen. Demzufolge kommt das Ergebnis der Korrektur erst 300 ms nach dem Vorhandensein des Zustandes CSatellitenposition), welcher den Phasenfehler bewirkt hat, zum Tragen und der Zustand hat sich während dieser Periode von 300 ms bereits wieder geändert. Dieses hat nur mit der Genauigkeit und nicht der Wirksamkeit des Verfahrens und der Vorrichtung zu tun.

Im Gegensatz dazu läßt sich die vorliegende Erfindung wie folgt zusammenfassen:

Erfindungsgemäß wird die Informationspaketsendezeit durch einen Korrekturfaktor </" verändert, der nicht nur auf den letzten Phasenfehlern x, sondern auch auf einem vorausgesagten Phasenfehler s basiert, der infolge der Satellitenbewegung 300 ms später auftreten wird. Es ist bekannt, daß der Erdabstand eines Synchronsatelliten sich sinusförmig verändert, und zwar gemäß einer 24-Stundenperiode, wobei der Unterschied in der Spitze in einem Pail 1000 Meilen betragen kann. Demzufolge ist, über kurze Zeiträume betrachtet, die Satellitenbewegung im wesentlichen linear. Diese kurzzeitige linearität wird erfindungsgemäß benutzt, 'um die Größe vorauszusagen beziehungsweise vorauszubestimmen, um die die Infor-

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mationspaketübertragungszeit verzögert beziehungsweise verändert werden muß, um das Informationspaket für den späteren Zeitpunkt so genau einzustellen, daß es am Satelliten ankommt. Der grundlegende Gedanke der vorliegenden Erfindung ist somit darin zu sehen, daß, da die Satellitenbewegung linear ist, der von dieser Bewegung resultierende Phasenfehler χ sieh ebenfalls zeitlinear verändert. Die "Ausgleichsgerade·¹ des Phasenfehlers über der Zeit wird unter Zugrundelegung eines kurzen Zeitraumes durch eine Vielzahl von zurückliegenden Phasenfehlermessungen bestimmt. Auf der Basis dieser "Ausgleichsgerade¹¹ wird der vorausgesagte Phasenfehler s bestimmt. Der vorausgesagte Phasenfehler s wird beispielsweise für 300 ms vorherbestimmt, und zwar im Anschluß an den zuletzt gemessenen Phasenfehler χ. Die Paketsendezeit wird dann zeitlich um einen Betrag verändert, der gleich dem vorausgesagten Phasenfehler ist.

Die "Ausgleichsgerade" ist nur eine Näherungslösung, und zwar infolge des Vorhandenseins von Fehlern in der Ausrüstung und infolge der nicht genauen Linearität der Satellitenbewegung. Um bei der Voraussage den geringstmöglichen Gesamtfehler zu liefern, wird, (begrifflich, nicht physikalisch) eine gerade Linie durch die gemessenen Phasenfehler gezogen, und zwar gemäß der statistischen Methode, welche als die Methode der "kleinsten Fehlerquadrate" beziehungsweise der kleinsten Quadrate bekannt ist₀

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung mehrere Bodenstationen, die in einem TDMA-System mit eifeem rückübertragenen beziehungsweise Transpondersatelliten zusammenwirkenj

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Pig. 2 einen Rahmen "beziehungsweise Zyklus der Stationsinformationspakete;

Pig. 3 ein Diagramm, welches die Art und Weise darstellt, gemäß der der Phasenfehler erfindungsgemäß vorausgesagt wird;

Pig. 4 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Pig. 5 ein Diagramm des vorausgesagten mittleren Quadratwurzelfehlers über einer Anzahl von für die Voraussage" benutzten Messungen und

Pig. 6 ein Diagramm, welches die Anzahl der Proben beziehungsweise Messungen und der Probenintervalle darstellt, um einen vorausgesagten Pehler zu erhalten, der gleich der Standardabeichung des Pehlers bei jeder Messung ist.

Detaillierte Beschreibung der Piguren

Pigur 1 gibt das Problem wieder, auf welches die vorliegende Erfindung sich bezieht. Drei Bodenstationen A, B/imd C sind auf der Erdoberfläche 10 dargestellt, die über den Satelliten 12 in Verbindung miteinander stehen. In der Beschreibung ist von folgenden Annahmen ausgegangen: 1.Es sind 6 Bodenstationen A bis P in dem Nachrichtenübermittlungsnetzwerk vorhanden;

2. die Rahmen- beziehungsweise Zykluszeitperiode beträgt 125u /see. und

3 ο der Informationspaketsynchronisierapparat wird für die Station C beschrieben, wobei die Apparate an allen anderen Stationen mit Ausnahme der Bezugsstation A identisch sind, ... .. 009819/1326

bei der ein Synchronisierapparat nicht erforderlich ist_e

Drei der sechs Stationen sind in Figur 1 dargestellt, während in Figur 2 die Zeitgröße der Informationspakete beziehungsweise -stoße abgebildet ist. für einen geeigneten TDMA-Betrieb löst die Bezugsstation A ihr Informationspaket periodisch alle 125,0- see. aus» Alle anderen Stationen lösen ihre Pakete beziehungsweise Stöße zu Zeitpunkten aus, die zur Folge haben, daß die jeweiligen Informationspakete am Satelliten zu den jeweiligen in Figur 2 dargestellten Zeitpositionen beziehungsweise -punkten ankommen. So löst die Station 0 ihr Paket zu der Zeit Rm+c/'aus, wobei diese Zeit so ausgewählt ist, daß die Pakete A und C durch das genaue Zeitintervall T vonein-

ac

ander getrennt sind. Die Zeit R^ wird als Hennzeit bezeichnet, und sie wird beim Empfang ermittelt. Die Zeit</* stellt die ZeitSchwankung beziehungsweise -abweichung des Sendepakets dar und wird durch Vorherbestimmung festgelegt. Wie in Figur 1 dargestellt, sendet jede Station nur je Rahmen- beziehungsweise Zykluszeit ein Paket, während sie jedoch während dieser Rahmenzeit die gesamte Formation von Paketen empfängt. Bezüglich des Zeitverhältnisses zwischen den Paketen in den Empfängern siehe die identische Formation, die im Satelliten vorhanden ist.

Wenn man eine einzelne Station betrachtet, so wird an der Station 0 das Bezugspaket A und das G-Paket empfangen. Die Art des Empfangs und der Identifizierung der Pakete ist bekannt und wird im folgenden nicht mehr im Detail beschrieben. Der Zeitabstand zwischen den beiden Paketen in einer Rahmenperiode wird gemessen. Diese Zeit wird im folgenden als der gemessene Zeitabstand T_R bezeichnete Für den unver-. besserten Phasenfehler gilt χ = T - ΐ_ρ. Dieses bedeutet, daß, wenn die Paketsendezeit für das vorangegangene Paket sich um eine Zeitgröße χ geändert hat, dann kein Phasenfehler mehr vorhanden ist.

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BAO

Der Grund, warum der Ausdruck unverbesserter Phasenfehler "benutzt wird, wird im folgenden erklärt» Als Folge des Synchronisierprozesses wird die Paketsendezeit nach jeder Messung verändert, so daß zum Beispiel nach der i-ten Messung die Paketsendezeit gleich Rm+</j_ ist. Wenn demzufolge x. .. gemessen wird, bedeutet dieses einen Fehler, der sich trotz der vorangegangenen Korrektur ergibt. Für die Berechnung ist es jedoch notwendig, den Phasenfehler zu kennen, der aufgetreten wäre, wenn keine Korrektur vorgenommen worden wäre, das heißt wenn die Paketsendezeit gleich der Nennzeit Rm gewesen wäre. Die verbesserten oder justierten Phasenfehler χ .sind die einzigen Größen, die im wesentlichen zeitlinear sind, und sie werden benutzt, um die Ausgleichsgerade nach dem Prinzip der kleinsten Fehlerquadrate zu berechnen.

Für einen bestimmten gemessenen Phasenfehler x. beträgt der korrigierte oder justierte Phasenfehler J±^=xi~^(± λ )·

Ein Verlauf einer Gruppe von Phasenfehlern ist in Figur 3 abgebildet, in der die Position der x.-Markierungen über der Ordinate die Fehleramplitude und über der Abszisse die Zeit der Messung dargestellt. Das Symbol Δ stellt den Zeitabschnitt zwischen den Messungen dar. Die Abweichung der Phasenfehler von einer geraden Linie ist in der Zeichnung aus Gründen einer besseren Übersicht stark übertrieben dargestellt. Die Linie ZO, welche durch die vorhergegangenen Phasenfehler gezogen ist, stellt vom statistischen Standpunkt die beste Anpassung an 4 eine Ausgleichsgerade dar. Bekanntlich hat eine gerade Linie folgende Gleichung

s = at + b,

wobei s der Wert entlang der Ordinate ist, t der Wert entlang der Abszisse ist und a und b Konstanten sind. Für den vorliegenden Zweck beträgt t = JOO ms und s bedeutet den vorausgesagten Phasenfehler. Um s £u erhalten genügt es demzufolge, die Werte für a und b aus der Linie, welche die "beste Aus-

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gleichsgerade" darstellt, zu erhalten. Es ist offensichtlich, daß die sogenannten Konstanten a und b nicht tatsächlich konstant sind, sondern sich jedesmal verändern, wenn eine neue
Phasenfehlermessung χ. .gemacht wird. Dieses ergibt sich
daraus, daß im Anschluß an jede neue Phasenfehlermessung eine neue "beste Ausgleichsgerade" erforderlich ist. Bs ist jedoch mathematisch ein einfaches Problem, die Werte für a und b in
Abhängigkeit von den gemessenen Werten fXjl » der Anzahl η
der zur Berechnung der besten Ausgleichsgerade verwendeten
Messungen und dem Zeitabstand Δ zwischen den Messungen zu bestimmen. Die Bestimmung der besten Ausgleichsgeraden nach dem Prinzip der kleinsten Fehlerquadrate basiert auf der Reduktion der Gleichung:

i = 1

wobei E. die Abweichung der Messung x. von der nach der
Methode der kleinsten Fehlerquadrate bestimmten Geraden ist.

Die Berechnung von a und b ergibt sich aus:

^a = ^C2 - Vl

^U2 - ^Ul² B = U₉C₁ - U₁C₀

^U2 - ^ul

₁₀
_±_£ , wobei

(n -1)

ii - t ² ΓΑ-t · U - I)] + 4

19^32

- ίο -

Es ist festzustellen, daß u-, und Up feste Größen sind, da η und Δ durch, die Auslegung eines Systems bestimmt sind und c, und Cp Funktionen der gemessenen Werte χ sind. Auf diese Weise kann man für einen "bestimmten Satz von Messungen die vorausgesagte Verzögerung bestimmen, die der Paketsendezeit beziehungsweise Paketübermittlungszeit hinzuzuaddieren ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß bei gegebenen Werten für χ es für die meisten und nahezu sämtliche Arten von Rechenanlagen ein leichtes ist, die Lösungen für c-, und Cp und demzufolge für a und b und dann für die vorausgesagte Verzögerung s zu finden.

Die mathematische Ableitung der Werte a und b wird im folgenden gleichzeitig mit der Erläuterung einer Methode zum Auswählen der Werte Δ und η beschriebene

Ein Beispiel einer Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Methode an einer Station ist in Figur 4 dargestellt. Als Werte für η und Δ werden η = 6 und Δ = 200 ms gewählt,, Die Eingänge zur Synchronisationsvorrichtung werden einer Prüfschaltung 30 zugeführt, die durch Prüfimpulse auf der Leitung 80 gesteuert wird. Ein Eingangsimpuls auf der Leitung 76 stellt das nachgewiesene beziehungsweise empfangene Referenzpaket dar und ein Eingangsimpuls auf der Leitung 78 repräsentiert das nachgewiesene C-Paket. Diese Impulse werden in bekannter Weise in Abhängigkeit von den Koden in dem empfangenen Referenzpaket beziehungsweise dem C-Paket erzeugt. Der Empfang beziehungsweise der Nachweis des reservierten C-Paketes gilt nur für die Station C. Andere Stationen würden ihre eigenen empfangenen Pakete nachweisen beziehungsweise feststellen.

Die Prüfimpulse auf der Leitung 80 werden von einem Kontrollzähler 70 und einem Dekoder 71 erzeugt. Der Zähler 70 kann ein Binärzähler sein und der Dekoder ist so eingerichtet, daß

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er Ausgangsimpulse auf den Leitungen 80, 82 und 83 in Abhängigkeit von bestimmten vorgegebenen Zählerständen des Zählers 70 lieferte Die Eingangsimpulsrate zum Zähler 70 beträgt 8jj.jj_z> wie es im folgenden noch ausführlicher beschrieben wird. Um den richtigen Abstand zwischen den PrüfSignalen (Zi = 200 ms) zu liefern, sollte der Zähler alle 1600 Eingänge rückgeführt werden. So kann der Zähler ein Zwölfstufen-Binärzähler sein, der so geschaltet beziehungsweise gestaltet sein sollte, daß er nach jeder Zählung beziehungsweise jedem Zählerstand von 1600 auf 0 zurückgestellt wird. Der Dekoder 71 erzeugt auf der Leitung 80 einmal während jedes Zyklus des Zählers, der in diesem Fall 200 ms beträgt, einen Ausgangsimpuls.

Die Zeit des Auftretens der Prüfimpulse auf der Leitung 80 kann einem Zählerstand von Null im Zähler 70 entsprechen. Die Impulse auf den Leitungen 82 und 83, die ebenfalls eine Periode von 200 ms haben, folgen den Prüfimpulsen in der Zeit.

Beim Empfang eines Prüfimpulses läßt die Prüfschaltung 30 den nächsten auf der Leitung 76 auftretenden Referenzpaket-Hachweisimpuls zur Ausgangsleitung 74 und den nächsten auf der Leitung 78 erscheinenden C-Paket-Nachweisimpuls zur Ausgangsleitung 72 hindurch. Infolgedessen repräsentieren die Ausgangsimpulse Pakete in der gleichen Rahmenzeit und der Zeitabstand der Pakete ist gleich der Zeit T™, das heißt dem gemessenen Zeitunterschied zwischen dem Referenzpaket und dem G-Paket.

Die Zeit T™ wird durch eine Flip-Flop-Schaltung 32, einen 5ü4'lHz-Oszillator 36, ein UND-Gatter 34 und einen Sechzehnstufen-Binärzähler 38 in eine Digitalnummer T„ umgeformt. Der Binärzähler 38 wird durch einen Impuls auf der Leitung 83 auf Null zurückgestellt und zählt jeden Zyklus des Oxzilla-

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BAD OWQINAL

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torausganges, der das UND-Gatter 34 passierte Die Impulse auf den Leitungen 74 und 72 werden den Stell- und den Rückstelleingängen der Flip-Flop-Sehaltung 34 zugeführt, woraus ein Ausgang Q resultiert, der eine Dauer gleich der Größe T^ hat. Der letztere Ausgang betätigt das UND-Gatter 34, um Taktimpulse vom Oszillator 36 zum Zähler 38 hindurchzulassen, woraus eine Zählung beziehungsweise ein Zählerstand resultiert, der den Wert T«, repräsentiert«,

Ein binärer Zeitabstandsselektor ist vorgeschaltet, um das binäre Äquivalent des Wertes T zu enthalten, der der genaue Zeitabstand zwischen dem empfangenen Bezugspaket und dem empfangenen C-Paket ist. Die Digitalwerte T und T™ werden einem digitalen Subtraktionswerk 42 zugeführt, das einen Digitalausgang x. liefert und einen Vorzeichenausgang, der das algebraische Vorzeichen des unverbesserten Phasenfehlers x* repräsentiert. Die Phase x. undjdas Vorzeichenbit werden einem digitalen Addierwerk 46 zugeführt. Dem digitalen Addierwerk 46 werden auch das Vorzeichen und der Wert eines Abweichungsfaktors (T Q _ .j) zugeführt. Der Abweichungsfaktor (Tt* _ ^ \ repräsentiert die Paketsendezeitkorrektur, die als Folge der Berechnungen durchgeführt worden war, welche der vorangegangenen Prüfzeit folgten. Der digitale Ausgang und das Vorzeichen vom digitalen Addierwerk 46 stellen y. und das Vorzeichen davon dar. Der zuletzt genannte Wert und dessen Vorzeichen werden einem Digitalrechner zugeführt, und zwar als Antwort auf einen Steuereingangsimpuls auf Leitung 82. Der Wert und das Vorzeichen von tf /* .. λ werden ebenfalls dem Digitalrechner zugeführt. Der Rechner beziehungsweise das datenverarbeitende Gerät 58 spricht auf die letzten sechs Messungen f x. J , (n=6), an und liefert die einfachen oben angegebenen arith"etischen Funktionen, die erforderlich sind, um für s, den vorausgesagten Phasenfehler zu lösen. Wie es sich für den Fachmann ohne weiteres ergibt, können die arithmetischen Funktionen von irgendeinem verfügbaren datenverarbeitenden Gerät

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durchgeführt werden. Wie in der Zeichnung dagestellt, enthält das datenverarbeitende Gerät 58 "beispielsweise eine Eingabe-Ausgabe-Schaltung 60, einen Speicher 62, der eine Kapazität zur Speicherung von η Werten von χ einschließlich der Vorzeichen hat, einen arithmetischen Operator 64, der die einfachen arithmetischen Funktionen zur Lösung von s durchführt, ein binäres Subtraktionswerk 66 und einen binären Impulsumwandler 68.

Vor der Erzeugung des jeweiligen Phasenfehlers x. enthält der Speicher 62 die letzten sechs Phasenfehler x^_, , x-i ρ» χ. ro Als Antwort auf den Prüfimpuls auf der leitung 80 beginnt das System den Phasenfehler χ. zu erzeugen· » Nach einer ausreichenden dem Prüfimpuls folgenden.Zeit, zur Bildung von x. erscheint ein Steuerimpuls auf der Leitung 82, der x. einschließlich Vorzeichen in den Speicher 62 einblendet und die Rechenoperation in Gang setzt. Der älteste Wert, nämlich x. (-, wird fallengelassen und alle anderen Werte von χ rücken im Speicher um eine Position nach vorn. Die in dem arithmetischen Operator 64 durchgeführten Rechenoperationen haben den binären Ausgang s^ zur Folge, der als ein Eingang dem binären Subtraktionswerk 66 zugeführt wird. Der andere Eingang des binären Subtraktionswerkes 66 ist <^i^ ^)t der in einem Sechzehnstufen-Auf/Ab-Binärzähler 54 gespeichert ist. Die in dem Zähler 54 enthaltene Zahl verändert die Paketsendezeit beziehungsweise die Paketübertragungszeit, wie es im folgenden noch ausführlicher beschrieben wird. Da der vorausgesagte Phasenfehler s. die Größe darstellt, um die die Paketsendezeit verändert werden muß, sollte der im Zähler 54 gespeicherte Wert jeweils berichtigt beziehungsweise auf den neuesten Stand gebracht sein, so daß er gleich s. ist. Dieses wird erreicht, indem B^ und cT t^ _ ^ ii Subtraktionswerk 66 subtrahiert werden, die Binärdifferenz (sj ~ <f a _ i^ *ⁿ Vielzahl von Impulsen umgeformt wird und dieee Impulse im Zähler 54 geeamm*elt werden. Wenn die den Wert (e^ - </"j_ _ repräsentierenden Impulse gezählt werden, wird die Richtung

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-H-

des Zählers durch den Vorzeichenausgang des Substraktionswerkes 66 gesteuert. Der neue Wert im Zähler 54 wird mit of . bezeichnet und ist gleich s..

Die Paketsendezeit wird von dem Zähler 54 und dem Oszillator 36 zusammen mit einem Binärzähler 48 und einer digitalen Vergleichsschaltung 52 gesteuert beziehungsweise überwacht. Da die Rahmen- beziehungsweise Zykluszeit in dem beschriebenen Zystem 125/* sec. beträgt, was einer Paketsendezeit für jede Station von 8^g entspricht, wird der Binärzähler 48, der die Zyklen^des Ausganges dea-ilissiillatars—56'S^hIt, jeweils nach 125usec. auf Hull zurückstellen, vorausgesetzt, daß er nach einem Zählerstand von 62 500 rückstellt. Wenn der Zählerstandswert im Zähler 48 gleich dem im Zähler 54 enthaltenen Wert ist, liefert der digitale Komparator 52 auf der Leitung 56 einen Ausgangsimpuls, der die Übertragung beziehungsweise Sendung des Paketes der Station C in Gang setzt. Es wird somit deutlich, daß die Paketübertragungszeit beziehungsweise Paketsendezeit durch den im Zähler 54 enthaltenen Wert cT verändert wird.

Die oben beschriebene Vorrichtung beziehungsweise Anordnung ist tätig, um das Paket einer bestimmten Station zu synchronisieren, und zwar basierend auf einem für einen in'der Zukunft liegenden Zeitpunkt vorausgesagten Phasenfehler. Es wird angenommen, daß die Einstellung bereits stattgefunden hat, und zwar gemäß irgendeiner Einstellungsmethode, wie zum Beispiel

en

der in der oben erwähnten Puente-Anmeldung beschrieben. Die bekannte Einstellmethode kann mit dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung in der folgenden Weise koordiniert werden. Wenn die Station zur Einstellung bereit ist, ist die Synchronisationsvorrichtung noch nicht eingeschaltet, mit Ausnahme des Oszillators 36, des Zählers 38, der Vergleichsschaltung beziehungsweise des Komperatora 52 und des Zählers 54. Der im Zähler 54

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gespeicherte Anfangswert ist</" = O. Auf diese Weise ist jedesmal, wenn der Zähler 48 einen Zählerstand von Null erreicht, ein Ausgangsimpuls auf der Leitung 56. Die Impulse auf der Leitung 56 würden dann die in der Puete-Anmeldung erwähnten schwachen Impulse auslösen beziehungsweise einleiten und mittels einer von Hand verstellbaren veränderlichen Verzögerungseinrichtung verzögert werden, um die empfangenen schwachen Impulse beziehungsweise Impulse niedriger Leistung in den richtigen Zeitschlitz zu bringen. Sobald dies erfolgt ist, ist die Einstellung fertig und die Synchronisatißßsvprri^htung kann eingeschaltet werden. Alle folgenden Impulse auf der ieTtung 56 würden dann den Übertragungs- beziehungsweise Sendestoß des Informationspaketes einleiten beziehungsweise in Gang setzen, nachdem diese Impulse die oben erwähnte Verzögerungseinrichtung passiert haben. Die Paketübertragungszeit wird dann von der Ausgangsoder Nennzeit durch Veränderung der Inhalte des Zählers 54 verändert.

Eine andere Methode zur Veränderung der Verzögerung während der Einstellung besteht darin, den Eingang des Zählers 48 währendjder Einstellung zu steuern beziehungsweise zu überwachen. Ein Beschleunigen der Zählung würde den Impuls niedriger Leistung zeitlich vorversetzen und ein Verlangsamen der Zählung würde den Impuls schwacher Leistung zeitlich nach hinten verstellen. Im Anschluß an das Einstellen würde der Zähler 48 zur Zählung mit der regulären Geschwindigkeit zurückkehren.

Es ist darauf hinzuweisen, daß der Wert von ei nicht geändert wird, bis die ersten sechs Messungen erfolgt sind. Bei dem speziellen angenommenen Beispiel wird dieses im Anschluß an die Einstellung 1,2 sec. in Anspruch nehmen.

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Im folgenden wird das mathematische Prinzip, auf dem die Erfindung basiert, näher beschrieben.

Das Voraussage- beziehungsweise Vorherbestimmungsproblem, dem man gegenüber gestellt ist, besteht darin,, eine erste Befehlsvoraussage der form

s (t) = at + b (2)

zu erhalten, welche in gewissem Sinne eine Ausgleichgerade beziehungsweise beste Anpassung an die gemessenen Daten darstellt, so daß eine gute Schätzung von s(t^+T) erhalten werden kann. Wenn als Kriterium für die Ausgleichsgerade das mittlere Fehlerquadrat benutzt wird, dann wäre eine Anpassung beziehungsweise Ausgleichsgerade nach dem Prinzip der kleinsten Fehlerquadrate optimal. Solch eine Anpassung nach dem Prinzip der kleinsten Fehlerquadrate wird erhalten durch Reduktion folgender Funktion auf ein Minimum

η ρ

Gesamtfehler E = f(a,b) =O (a^+b^)* (3)

wobei x. = x(t.) .

Der Wert von a und b, wodurch f (ajo) auf ein Minimum reduziert wird, muß folgenden Gleichungen genügens

3 f =0 = 2 Z5 (at,+b-x, )t. (4)

ψΤ~ il ^{x 1}

_Λ η

9 f =0=2 ΣΙΙ (at.+b-x.,) (5) "9~b~ i=l i ¹

wobei sich aus (4) und (5) folgende lineare Gleichungen zur Lösung von a und b ergeben:

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19A6780

- 17 -

t, =

(7)

wobei unter Verwendung der Beziehung t. = t-, - (i-l) Δ geschrieben werden kann:

t. = nt. -Δ ) <i = nt-, τ A . η (n-l) (8)

X 1 · η * X ·

²O i² =

i=l

Δ .t-,n(n-l)+il². η ¹Z

J-X ^ _n

(n-l)(2n-l)

(9)

Durch Einsetzen von (8) und (9) in (6) und (7) ergibt sich

[t_x ²- Δ .^

aft-,- Δ (n+1) ] + b = 1 Q χ. ¹ 2 η i=l ¹

-~2 " η χ= (10)

(11)

Wenn man definiert

U₁ « t-L - Δ (η-1)

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U₂ = t-^-f A·

(n-l)(2n-l)

C₁ = ι ΣΖΖ

η i⁼l

^C2 ⁼i

dann werden (1O) und (11) zu

(12)

au-, + b = c, ·

(13)

Bei Anwendung der Cramerschen Regel erhält man

a =

C₂U₁

«I¹

Λ°ι

und

^U2^C2

^ui^c

(H)

(15)

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Es .ergibt sich vorausgesagter Wert s (t-,₊T) = a (t-,+T)+"b, wobei a und b durch die 6-leichungen (14) und (15) gegeben sind.

Der genaue Wert ist s (t-,+Τ) = a (t-,+Τ) + b.

Das Durchschnittliche Voraussagefehlerquadrat ist gegeben durch

2 ,2

[^)Ct₁₊T) + Cb-

2 2 2 (a-a) Ct₁₊T) + (b-b) ₊2(t₁₊T)(a-a)(b-b) ,

(16)

Durch Einsetzen von c_? (gemäß Definition) läßt sich die Gleichung (12) ausdrücken als

Aus der Definition von U-, und Up erhält man

au_o+bu-, = au_o + bu-, + 1 ? < η. t. 2 -L ^ ^x η i=l ^{1 x}

(a-a)u₉ + (b-b)u-, =-1 ]Q ¹¹^h Δ ⁰^ hvl

^c η i=i ^{x x} * -* ^{K u}

Durch Einsetzen von C₁ (gemäß Definition läßt sich die Gleichung (13) ausdrücken als

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au-, + b = a
η

n , η . + b + 1 ) { n₁=au-₁+b+l > ^ n η i=l ^χ η i=l

η Δ

1-E)U₁ + (fe-b) =-1 O ⁿi =

(18)

Bei Benutzung der Cramer'-sehen Regel in Verbindung mit (17) und (18) erhält man

	C U	C -U_n C „	- u -u
	3 1	= 3	2 1
	c 1	U -U
(a-a) =	4	2 1
	U U
	2 1
	u 1
	1
	U C	UC-UC
	2 3	= 2 4 13
	U C	2
(b-b) =	1 4
	U U
	2 1
	u 1
	1
und daraus

2" 2

(a-a)(b-b) =ucc -uc -uuc +u cc 234 13 124 134

(u -u )2 2 1

009819/13 2 6

en

Aus den Definition von c~ und c, gemäß (17) und (18) ergibt

sich

C₇C

η η ² f-r 2

= ι ZU ΣΙ1 is_ z__i t =*n . u

2 i=l 3=i η η t = 2 i=l i η 1

3 in

η η

2 2 V^ Vt ^{n n} * *

c η ^{1=1 3=1} i 3 i

3'

ό

η . u η

η η

2 = I_- i=l J=I η η * η

C 2 i j η

4 η

Es ist zu beachten, daß

/ ,da die zusätzliche

i 3

Störgröße bei jeder Messung unabhängig von den bei anderen Messungen addierten Störgröße ist. Daraus folgt

U-aHb-bJ =

TL

UU -UU -UU +U 1 1 2 12 1

η η

22

(u -u ) 2

(u -u ) 2

(19)

Bs folg*

009819/1328

(a-a)

2 2· = c -2u cc +uc 3 13 4 14 =

2

(u -u ) 2 1

2

u -2u + u 2 1 1

2 2

(u -u ) 2 1

³^ 6

(u -u ) 2 (20)

2 2 2 2

u c -2u u c c +u c

2 =	CVJ	4	1	2	4	3	1	3	6	η
(b-b)										η
			(u -u 2	1

2 2

u -2u u +u u 12 12

2 ²

(u -u)

1

η η

(u -u^Z
2 1

(21)

Durch Einsetzen von (19), (20) und (21) in (16), folgt

E = [S(t +T) - s(t +T)J i

n(u -u , 1

(t +T) +u -2(t +T)u

2 \

n(u —u 2 1 2

F(t +T)-U J + (u -u ) 2 Γ 1 1 2 1

009819/1328

und daraus

t +T -u = ΐ +T-[ΐ - A (n-1)] = T + Δ (η_ι) 11112 "2

2 2 2 2 _Λ 2

u-u =t -Δ.ΐ .(η-ΐ)+Δ (n-1)(2n-i)-t +At (n-1)- Δ (_η-1) 2 111 6 11 4

λ^{2 2 2} -ία^{2 2}-,a²² ΔΓ 8n -12n+4-6n +12n-6 J = £ [2n -2 J = Δ (η -1)

~24~ TT"

	2	•η	[_Τ +	Δ	(η-1	)]	2	+	1
	η		2
E =				(η

(22)

Als Beispiel kann angenommen werden,

-6 Δ = 125 x 10_, sec.

T = 350 χ 10_Q sec. *n = 2x10 sec.

Dann wird (22) zu

-12

E = 4 x 10
η

[350 + .0625 (n-1

2 -4

(6.25) x 10

12

2 (η -1)

+ 1

(Millisekunden)^

Eine Aufzeichnung von yE über η ist in Figur 5 abgebildet. Bei einer Genauigkeit der Voraussage des Wertes s (t +T) von 2 Nanosekunden ist η = 800 oder eine Beobachtungsperiode von 100 Millisekunden erforderlich.

009819/1326

Aus (H) und (15) ist zu entnehmen, daß es zur Durchführung dieser Voraussage notwendig ist, U₁, Up, C₁ und CpZU bestimmen. Die Werte C₁ und Cp sind jedoch die einzigen Ausdrücke, die von der gemessenen Phasendifferenz abhängig sind und diese Parameter sind gegeben durch

^c = 1 O

1 η i=l

c= 1V~7x t 2 nJLA i i

β-VL

welches einfache, auf den gemessenen Wert basierende Rechenoperationen sind.

Die Vorhersage liefert eine Abschätzung der Phasendifferenz zwischen der Bezugsstation und der örtlichen Station, und zwar für einen Zeitraum von T Sekunden in der Zukunft, wobei T die Umlaufzeitverzögerung zum Satelliten ist» Wie oben beschrieben, war die Vorhersage gegeben durch

S (t +T) = a(t +T) + b (1)

11

Unter Berücksichtigung dessen, daß t = (f\ - 1)Δ » wobei Δ gleich der Zeit zwischen den Messungen ist, kann die Gleichung (1) nach Einsetzen der oben abgeleiteten Ausdrücke von a und b ausgedrückt werden durch

S (t +T) = a ) V -a > iy (2)

009819/132 6

-. 25 -

194678Q

a = 1

12

-1)Δ + (4M -2)

-D

Wie oben abgeleitet wurde, ist der vorhergesagte mittlere Quadratwurzelfehler gegeben durch

1/2

α ^{2 2}

A_ (r\ -D

(3)

Es ergibt sich aus der obigen Gleichung, daß ein feststehender mittlerer Quadratwurzelfehler für verschiedene Kombinationen von η und Δ erhalten werden kann. Figur 6 zeigt die Veränderung, welche für "n" erforderlich ist, um als Voraussage einen mittleren Quadratwurzelfehler zu erhalten, welcher gleich der Standardabweichung des Fehlers bei jeder Messung ist. Wenn zum Beispiel der Fehler bei jeder Messung eine Standardabweichung von zwei Nanosekunden hat» zeigt die (über η aufgetragene) Kureve in Figur 6 die notwendigen ^Hnⁿ-Werte, um durch Voraussage einen mittleren Quadratwurzelfehler von zwei Nanosekunden zu erhalten. Der geringste Werτ Δ beträgt 0,125 Millisekunden, was einer Messung bei jedem aufeinanderfolgenden Paket beziehungsweise Informationsstoß in dem TDMA-

009819/1320

System entspricht» Um mit einem Wert von ⁿAⁿ den spezifizierten mittleren Quadratwurzelfehler zu erhalten, sind 500 Messungen erforderlich. Bei Erhöhung von Δ auf 100 Millisekunden werden nur noch .neun Messungen "benötigt, um den gleichen mittleren Quadrawurzelfehler zu erhalten und bei Δ = 200 Millisekunden werden für den gleichen Fehler nur noch sechs Messungen benötigt.

Das gesamte Zeitintervall, während dem Messungen durchgeführt werden, um den vorausgesagten Wert zu bestimmen, ist gleich η Δ · Die in Figur 6 über "ηΛ " aufgezeichnete Kurve zeigt, wie diese Zeit sich mit den verschiedenen Kombinationen von η und Δ verändert, welche" benötigt werden, um durch Voraussage einen feststehenden mittleren Quadratwurzelfehler zu erhalten. Aus Figur 6 ist zu entnehmen, daß beim Anwachsen von "Δ" die zum Erhalten eines festen mittleren Quadratwurzelfehlers benötigten Werte für ^Mn" vermindert werden, während die dafür benötigten Werte für "ηΔ ^Η größer werden. Da angenommen wurde (siehe die obigen Ausführungen), daß die tatsächliche Phasendifferenz zwischen der Bezugsstation und den örtlichen Stationen sich linear mit der Zeit verändert, muß diese Annahme für ein Zeitintervall ηi\ + T gültig sein. Aus diesem Grunde muß die Linearitätsannahme für größere Zeitintervalle gültig sein, wenn größere Werte für Δ benutzt werden. Für synchrone Satelliten scheint diese Linearitätsannahme f über Zeitintervalle von zehn Minuten und mehr gültig zu sein, wobei kein Problem in der Verwendung von größeren Werten für "Δ " bestehen. Die Veränderung des durch Voraussage erhaltenen mittleren Quadratwurzelfehlers als eine Funktion von η für einen festen Wert Λ * 0,125 Millisekunden ist in Figur 5 dargestellt.

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1
■ΜΜΜ·
η

Patent ans pruche

ο/ Verfahren zur Veränderung der Informationspaket sende zeit einer "bestimmten Station eines Netzes von Stationen, die mit einer gemeinsamen tJbertragungseinheit (Satellit) im Zeitmultipl .zugr: fsystem zusammenarbeiten, wobei jede Station Pakete beziehungsweise Stöße von Informationen sendet, die in "bestimmte Beziehung gesetzt sind zu dem Informationspaket einer Bezugsstation, dadurch gekennzeichnet, daß

a) periodisch die Phasenfehler zwischen den Informationspaketen der Bezugsstation und den Informationspaketen der jeweiligen Station festgestellt werden,

b) diese Phasenfehler justiert werden, um die Abweichung der Paketsendezeit an der jeweiligen Station zu kompensieren, um ausgerichtete Phasenfehler zu bilden, wobei jeder Phasenfehler durch die Abweichung kompensiert wird, die zum Zeitpunkt der Anzeige beziehungsweise des Erscheinens dieses Phasenfehlers vorhanden ist,

c) der ausgerichtete Phasenfehler für einen bestimmten späteren Zeitpunkt vorausgesagt wird, wobei diese Voraussage auf einer bestimmten Anzahl von in der Vergangenheit ausgerichteten Phasenfehlern basiert, wobei diese Voraussage stets neu für jeden neuen ausgerichteten Phasenfehler durchgeführt wird, und

d) die Paketsendezeit ffer jeweiligen Station in

Tbereinstimmung mit diesen vorausgesagten aus-

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-■-:.■■■--■ :-"■ g&richieten Äaserifehilernr verandeirt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch-gekennzeichnet, daß zur periodischen !Feststellung des Phasehf ehlers "zwischen dem Bezügspaket' und dem Informations paket der einzelnen Station ' -- --■'"-

a) mindestens die tPätete der Beziigsstation und der jeweiligen ^Jin^: Betrachtung^ stenenden Station über die Übertragungseinrichtung beziehungsweise dein Transponder (Satellit) empfangen^ werden, . ' ^; : r;_^

b) anschließend periodisch die Zeitdifferenz zwischen dem Empfang des Bezugspaketes und des eigenen Informaijionspaketes gemessen wird, wobei diese beiden Pakete innerhalb 4 eines Zyklus liegen,und

c) zur Bildung der Phasenfehler jede gemessene Zeitdifferenz von einer bestimmten Standardzeitdifferenz abgezogen wird. :/
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausrichten dieser-Phasenfehler-

a) der Abweiehungsfaktor gespeichert wird, durch den die jeweilige Paketsendezeit eingestellt wird, und

b) jeder Abweiehungsfaktor von^em einzelnen Phasenfehler zur Bildung der ausgerichteten Pha-

* - ; senfehler subtrahiert wird. ...
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Voraussage des ausgerichteten Phasenfehlers

a) eine bestimmte Anzahl von zurückliegenden ausgerichteten Phasenfehlern gespeichert wird,

Π09819/132

b) die gespeicherten Werte im Anschluß an jeden neu ausgerichteten Phasenfehler auf den neuesten Stand gebracht werden und

c) der gespeicherte ausgerichtete Phasenfehler in Abhängigkeit von einer bestimmten mathematischen Formel ausgearbeitet wird, um einen als Voraussagewert dienenden ausgerichteten Phasenfehler zu erhalten.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Paketsendezeit

a) der Abweichungsfaktor verändert wird, so daß der gespeicherte Abweichungsfaktor gleich dem als Voraussagewert dienenden ausgerichteten Phasenfehler ist und

b) die Paketsendezeit durch den gespeicherten Ab

weichung sfaktor eingestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur mathematischen Aufbereitung der Werte

a) die Formel für die nach dem Prinzip der kleinsten Fehlerquadrate beziehungsweise kleinsten Quadrate errechneten Ausgleichsgeraden festgestellt wird, welche durch die gespeicherten, ausgerichteten Phasenfehler bestimmt ist und

b) auf dieser Ausgleichsgeraden der Punkt bestimmt wird, welcher der bestimmten, in der Zukunft liegenden Zeit einspricht,

FUr den Anmelder: Meissner & Bolte Patentanwälte

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Priorität wird beansprucht aufgrund Patentanmeldung in den IT S A vom 30. Oktober 1968, Ur. 771 944.

Anmelder?

COMMUlJICATIOiIS SATELLITE COEPORATION

950 L'Enfant Plaza South, S.W, Washington, D.C. - U S A

Bremen, den 8. 9. 1969 5917

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