DE69628382T2

DE69628382T2 - Mehrbenutzer-kommunikationssystemarchitektur mit verteilten empfänger

Info

Publication number: DE69628382T2
Application number: DE69628382T
Authority: DE
Inventors: S. David MILLER
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1995-04-03
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2016-03-30
Also published as: RU2156033C2; KR100387277B1; EP0763290B1; CA2191882A1; JP3043425B2; AU698946B2; BR9606291A; FI114594B; EP0763290A1; FI964820A0; US5608722A; CN1149947A; AU5529996A; HK1015200A1; CN1096159C; ATE241875T1; FI964820A; WO1996031960A1; DE69628382D1; CA2191882C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vielfachzugriffskommunikationssysteme, wie z. B. drahtlose Daten- oder Telefonsysteme, und Spektrumspreizkommunikationssysteme des Satelliten-Repeater-Typs. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Kommunikationssystemarchitektur, in der Digitalsignaldemodulation mittels mehrerer Digitalempfängermodule, die an jedem einer Vielzahl von Analogempfängern gekoppelt sind, um Datentransferanforderungen zu senken, durchgeführt wird. Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren um bestimmte Signaldemodulationsfunktionen in einem Kommunikationssystem des Codemultiplex-Vielfachzugriffsspreizspektrumtyps umzuverteilen, um die Datentransferrate, die benötigt wird um Einzelbenutzerdatensignale zu erzeugen, zu senken.
II. Beschreibung des Standes der Technik
Eine Vielfalt von Vielfachzugriffskommunikationssystemen ist für den Transfer von Information zwischen einer großen Anzahl von Systembenutzern entwickelt worden. Die Techniken, die von solchen Vielfachzugriffskommunikationssystemen eingesetzt werden, umfassen Zeitmultiplex-Vielfachzugriff (time division multiple access (TDMA)), Frequenzmultiplex-Vielfachzugriff (frequency division multiple access (FDMA)), und AM Modulationsschemata, wie z. B. amplitude companded single side band (ACSSB), deren Grundlagen auf dem Fachgebiet bekannt sind. Bandspreizmodulationstechniken, wie z. B. Bandspreiztechniken mit Codemultiplex-Vielfachzugriff (code division multiple access (CDMA)) sehen jedoch signifikante Vorteile gegenüber anderen Modulationsschemata vor, insbesondere wenn eine Versorgung von einer großen Anzahl von Kommunikationssystembenutzern vorgesehen werden soll. Die Verwendung von CDMA Techniken in einem Vielfachzugriffs-Kommunikationssystemen wird in den Lehren der U.S. Patentschrift Nr. 4,901,307 offenbart, die am 13. Februar 1990 unter dem Titel „SPREAD SPECTRUM MULTIPLE ACCESS COMMUNICATION SYSTEM USING SATELLITE OR TERRESTRIAL REPEATERS" erteilt wurde.
Das 4,901,307 Patent offenbart eine Vielfachzugriffs-Kommunikationssystemtechnik, in der eine große Anzahl von im Allgemeinen mobilen oder entfernten Systembenutzern jeder einen Transceiver einsetzt, um mit anderen Systembenutzern oder gewünschten Signalempfängern zu kommunizieren, wie z. B. durch ein öffentliches Telefonwählnetz. Die Transceiver kommunizieren durch Satellitenrepeater und Gateways oder terrestrische Basisstationen (auf die manchmal auch als Zellstationen oder Zellen Bezug genommen wird) mittels Kommunikationssignalen des Codemultiplex-Vielfachzugriffsspektrumspreiztyps (code division multiple access (CDMA) spread spectrum type). Solche Systeme erlauben den Transfer von verschiedenen Arten von Daten und Sprachkommunikationssignalen zwischen Systembenutzern und anderen, die mit dem Kommunikationssystem verbunden sind.
Kommunikationssysteme, die Signale des Spektrumspreiztyps und Modulationstechniken, wie sie in dem U.S. Patent Nr. 4,901,307 offenbart sind, verwenden, sehen eine erhöhte Systembenutzerkapazität gegenüber anderen Techniken vor, und zwar aufgrund der Art und Weise, wie das Frequenzspektrum viele Male „wieder verwendet" werden kann, und zwar über verschiedene Regionen, die von dem System versorgt werden hinweg, und gleichzeitig zwischen Systembenutzern innerhalb einer Region. Die Verwendung von CDMA resultiert in einer höheren Effizienz hinsichtlich des Einsatzes eines gegebenen Frequenzspektrums im Vergleich zu der, die mittels anderer Vielfachzugriffstechniken erlangt wird. Zusätzlich erlaubt der Einsatz von breitbandigen CDMA-Techniken Probleme wie Mehrweg-Fading leichter zu überwinden, insbesondere bei terrestrischen Repeatern.
Pseudorauschmodulationstechniken (pseudo noise (PN) modulation techniques), die in Breitbandkommunikationen verwendet werden, sehen eine relativ hohe Signalverstärkung vor, die es erlauben, spektralähnliche Kommunikati onskanäle oder -signale schneller zu differenzieren. Dies erlaubt es, Signale, die sich entlang unterschiedlicher Ausbreitungswege bewegen, einfacher zu unterscheiden, vorausgesetzt, dass vorhandene Weglängenunterschiede relative Ausbreitungsverzögerung bewirken, die die PN-Chipdauer, d. h. das Inverse der Bandbreite, überschreiten. Wenn ein PN-Chiprate von angenommen ungefähr 1 MHz verwendet wird, kann die volle Spektrumspreizverarbeitungsverstärkung, die gleich des Verhältnisses der Spreizbandbreite zu der Systemdatenrate ist, für die Diskriminierung zwischen Signalpfaden, die sich um mehr als eine Mikrosekunde hinsichtlich der Pfadverzögerung oder Ankunftszeit unterscheiden, verwendet werden.
Die Fähigkeit zwischen Mehrwegsignalen zu unterscheiden reduziert den Schweregrad von Vielwegfading in großem Maße, obwohl es typischerweise nicht eliminiert wird aufgrund von Wegverzögerungsunterschieden von weniger als einer PN-Chipdauer. Die Existenz von Niedrigverzögerungswegen ist insbesondere für Satellitenrepeater oder gerichtete Kommunikationsverbindungen gegeben, da Mehrwegreflektionen von Gebäuden und anderen terrestrischen Oberflächen in großem Maße reduziert sind und der Gesamtweg so lang ist. Daher ist es wünschenswert eine Art von Signal-Diversity bzw.– Vielseitigkeit vorzusehen als ein Ansatz, um die nachteiligen Effekte des Fadings und andere zusätzliche Probleme, die der relativen Benutzer- oder Satellitenrepeaterbewegung zugeordnet werden, zu reduzieren.
Im allgemeinen werden drei Arten von Diversity in Spektrumspreiztypkommunikationssystemen verwendet oder produziert, wobei es sich hier um Zeit-, Frequenz-, und Raum-Diversity handelt. Zeit-Diversity ist mittels Wiederholung und zeitlicher Verschachtelung bzw. Interleaving von Signalkomponenten erreichbar. Eine Form von Frequenz-Diversity wird inhärent durch spreizende Signalenergie über eine weite Bandbreite vorgesehen. Daher beeinflusst frequenzselektives Fading nur einen kleinen Teil der CDMA Signalbandbreite. Raum-Diversity wird mittels mehrerer Signalwege typischerweise durch verschiedene Antennen oder Strahlen erlangt.
Die Strahlen, die in Satellitenrepeaterkommunikationssystemen verwendet werden, sind typischerweise so konfiguriert, dass sie größere geographische Regionen abdecken und daher möglicherweise eine größere Anzahl von Benutzern zu jedem gegebenen Zeitpunkt adressieren als terrestrische Repeatersysteme. Jeder Satellit verwendet im allgemeinen mehrere Strahlen (multiple beams) und zwar im Bereich von elf bis sechzehn, um mehrere zusammenhängende, geographische Regionen zu einem Zeitpunkt zu erreichen und Diversity bzw. Vielseitigkeit vorzusehen. Die relative Größe des anvisierten Teilnehmerpublikums in jedem Strahl ist im Allgemeinen groß, sogar dort wo die Flächendichte von Teilnehmern gering ist. Dies bedeutet, dass obwohl Versorgungsgebiete Landregionen mit niedriger Bevölkerungsdichte umfassen können, die Gesamtgröße einer jeden Region impliziert, dass sich noch immer eine signifikant große Anzahl von Teilnehmern innerhalb eines gegebenen Satellitenstrahlmusters befindet. Zusätzlich werden Satelliten in einigen geographischen Regionen eingesetzt, um einen Mangel von landgestützten Telefonsystem zu überwinden, und solche Regionen können relativ hohe Bevölkerungsdichten besitzen.
Das Vorsehen einer Versorgung einer größeren Anzahl von Teilnehmern mittels Satelliten bedeutet effektivere Sender oder Antennen pro Repeater bis zu 16 Strahlen pro Satelliten, sowie mehr Kommunikationskanäle pro Satellitenstrahl. Typischerweise wird die Anzahl von Kommunikationskanälen oder – schaltungen pro Strahl in einem Satelliten auf 128 Kanäle von den 64, die typischerweise in terrestrischen Repeatern gefunden werden, erhöht. Diese Faktoren erhöhen die Datenmenge und Signalverarbeitung, die innerhalb eines Systemgateways untergebracht werden muss im Gegensatz zu Basisstationen, in hohem Maße.
Terrestrische Basisstationen verwenden im Allgemeinen nicht mehr als sechs Antennen, und zwar beliebig in einem Bereich von einer Antenne für eine gesamte Zelle bis zu zwei für einen jeden von drei Sektoren in einer unterteilten Zelle, wobei jede Kommunikationssignale auf einer Trägerfrequenz empfängt. Satellitengateways handhaben auf der anderen Seite Kommunikationssignale mittels einer Anordnung von Empfängern im Bereich von 32 oder mehr, wobei eine oder möglicherweise mehrere, je nach Wunsch, Antennen, 16 oder mehr Strahlen oder Spots auf verschiedenen Trägerfrequenzen unterbringen. Gateways sehen außerdem eine Versorgung von mehreren Satelliten, die sich „im Sichtfeld" befinden vor, typischerweise in der Größenordnung von vier, an einem beliebigen Zeitpunkt. In einem Beispielsystem werden die Größenordnungen von sechs Satelliten in jeder von acht Orbitalebenen verwendet, und sogar mehr Satelliten werden für bestimmte Systeme vorgesehen.
Die große Anzahl von Kommunikationssignalen, die in Repeatersystemen des Satellitentyps aufgenommen werden, führt zu großen Datenmengen, die durch jedes Gateway transferiert und in ihnen verarbeitet werden müssen. Wenn Signale, die von jeder Antenne empfangen werden, auf eine geeignete Basisbandfrequenz abwärts umgesetzt werden und der Träger entfernt wird um Digitalsamples vorzusehen, bewegen sich die Datenraten in der Größenordnung von 80 Megabits pro Sekunde (Mbps) pro Trägerfrequenz (Strahl). Die Signale von jedem Analogempfänger werden in ein Array von Modems innerhalb des Gateways, die für die Verarbeitung von Kommunikationen von bestimmten Teilnehmern zugewiesen sind, transferiert. Dies bedeutet, dass Daten von jedem Empfänger entlang gemeinsamer Busse, die mit allen Modems verbunden sind, transferiert werden müssen, damit jeder von ihnen Mehrwegsignale detektieren und verarbeiten kann. Für die momentanen Datenraten innerhalb von Kommunikationssystemen müssten die Gateway-Busse, die Signale zwischen Analogempfängern und Modemabschnitten eines Gateways transferieren, die Größenordnung von mehreren Gigabits pro Sekunde (Gbps) oder mehr, handhaben. Die Steuerung, Schaltung, Timing etc. für solche Daten überschreitet die Grenzen von kosteneffektiven Gatewaysystemen. Bustransferstrukturen werden bis über die Grenzen der momentanen Technologie innerhalb vernünftiger Kosten und Zuverlässigkeitsbeschränkungen belastet. Zusätzlich werden die Verkabelungsanforderungen für das Transferieren eines solchen Volumens von Daten zwischen verschiedener Verarbeitungsschaltungsstrukturen ebenfalls unerschwinglich komplex.
Daher ist es wünschenswert, die Datenmenge, die von einem funktionalen Element oder Stufe zu einem anderen innerhalb der Architektur eines Gateways transferiert werden muss, zu reduzieren. Es ist ebenso wünschenswert eine effizientere Verwendung von modularen Komponenten, die niedrigere Kosten verursachen, vorzusehen und eine einfache Erweiterung des Systems, wenn die Kapazität erhöht wird oder eine Aktualisierung benötigt wird, herbeizuführen.
Weiterhin wird auf die „Proceedings of the IEEE 1992 Custom Intergrated Circuits Conference", Boston (U.S.A.), Mai 1992, KERR et al.: „The CDMA digital cellular system – an ASIC overview", Seiten 10.1/1–7 verwiesen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Empfangen von Signalen in einem Spektrumspreizkommunikationssystem gemäß Anspruch 1 vorgesehen. Weiterhin wird einen Vorrichtung zum Empfangen von Signalen in einem Spektrumspreizkommunikationssystem gemäß Anspruch 11 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
ZUSAMMENFASSUNG
Angesichts der obigen und anderer Probleme die im Stand der Technik hinsichtlich der Verarbeitung von Kommunikationssignalen in Gateways und Basisstationen in Spektrumspreizkommunikationssystemen aufgefunden wurden, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kommunikationsverarbeitungsanforderungen hinsichtlich des Demodulierens von orthogonalen Kanälen in empfangenen Signalen in einem Gateway zu verteilen bzw. aufzuteilen.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist es, das Gesamtvolumen der Daten pro Zeiteinheit, das entlang eines gemeinsamen Signalleiters zwischen Analogund Digitaldatenverarbeitungselementen in einem Gatewayteil eines Kommunikationssystems des Spektrumspreiztyps transferiert werden muss, zu senken.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Technik vorzusehen, die es erlaubt, eine kosteneffektivere Zuordnung von Verarbeitungsressourcen in Zusammenhang mit jedem Analogempfänger in einem Gateway vorzusehen.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass Spektrumspreiz- und andere Digitalsignalverarbeitungsmodule verwendet werden, die sehr zuverlässig, einfach in der Herstellung und kosteneffektiv sind, und zwar für eine Aufteilung in parallele Anordnungen für die Verwendung mit analogen Empfängern des Gateways.
Weitere Vorteile umfassen eine Reduktion in den Datentransferraten auf Schaltungsbackplanes bzw. Busleiterplatten und hinsichtlich der Anzahl von Kabeln und Leitern, die benötigt werden, zusammen mit der Reduktion des zugeordneten Verarbeitungsausrüstungsvolumens.
Diese und andere Zwecke, Ziele und Vorteile werden in einer Signalverarbeitungsarchitektur realisiert, die innerhalb einer Basisistation des Gatewaytyps in einem Spektrumspreiz-Vielfachzugriffskommunikationssystem, wie z. B. drahtlose Telefon/Datenkommunikationssysteme des Codemultiplex-Vielfachzugriffstyps (code division multiple access (CDMA)), verwendet wird. In diesen Systemen kommunizieren Benutzer oder Systemteilnehmer durch Basisstationen oder Satellitenrepeater und Gateways unter Verwendung von verschiedenen codierten Kommunikationssignalkanälen innerhalb gegebener Trägerfrequenzen. Eine Anzahl von Spektrumspreizkommunikationssignalen wird über einen oder mehrere Diversity-Transferwege von mehreren Systemteilnehmern mittels Analogempfängern empfangen, von denen jeder konfiguriert ist, um Signale auf zumindest einer Trägerfrequenz zu empfangen. Die Analogempfänger konvertieren Kommunikationssignale zu digitalen Kommunikationssignalen mit vorbestimmten Abtast- bzw. Samplingraten. Die digitalen Kommunikationssignale werden zu einem entsprechenden Satz bzw. Serie von Demodulationsmodulen ausgegeben, die mit den Ausgängen jedes Analogempfängers verbunden sind. Die Anzahl der Module, die an jeden Analog empfänger gekoppelt sind, ist so bestimmt, dass zumindest ein Modul für jeden Diversity-Kommunikationspfad, über den es erwünscht wird, Information von jedem Teilnehmer durch den entsprechenden Analogempfänger zu empfangen, zur Verfügung steht.
Die demodulierenden Module entspreizen jedes der digitalen Kommunikationssignale mittels vorausgewählter In-Phasen-(I)- und Quadratur-(Q)-Phasencodesequenzen des Pseudorausch-(PN)-Typs (in-phase (I) und quadrature (Q) phase pseudorandom noise (PN) type code sequences) für das bestimmte Kommunikationssystem mit geeigneten Offsets oder Zeitverschiebungen, um codierte Datensymbole zu produzieren. Diese vorausgewählten Pseudorausch-(PN)-Sequenzen werden ebenfalls verwendet, um In-Phasen- und Quadratur-Komponenten der Digitaldatensignale zu modulieren, und zwar vor der Übertragung an die bestimmungsgemäßen Rezipienten.
Die Module akkumulieren ebenfalls im Allgemeinen die codierten Datensymbole in vordefinierte Gruppen von Symbolen und legen zumindest eine vorausgewählte Anzahl dieser an einen Orthogonalfunktionstransformer an, wo sie in Symbolenergiemetriken für Symboldaten abgebildet bzw. konvertiert werden. Die Energiemetriken sind anzeigend für Energiewerte, die einer Hypothese für codierte Daten für einen Kanal, der durch einen entsprechenden Analogempfänger operiert, zugeordnet sind.
Die demodulierenden Module weisen jeweils eine Entspreizstufe oder – schaltung in einem Teil des Moduls auf, um die codierten Datensymbole für jeden Diversity-Weg für jeden Teilnehmer zu generieren und weisen einen Orthogonalcodetransformer bzw. -transformationsschaltung in einem weiteren Teil auf, um die codierten Datensymbole zu empfangen und um orthogonale Transformationen oder Abbildungen auf diesen auszuführen, um Symbolenergiemetriken zu generieren. Beispielhafte Transformer bzw. Tranformierer sind Fast Hadamard Transformierer bzw. schnelle Hadamard Transformierer mit einer Ordnung entsprechend der Gruppengröße der Eingabesymbole. Daher stellt die Ausgabe eines jeden Transformierers Metriken für einen Kanal dar, der durch einen entsprechenden Empfänger operiert.
Die demodulierenden Module können als Demodulator-Front-Ends (DFE) und Demoldulator-Back-Ends (DBE) mit einem gemeinsamen dazwischengeschalteten Transferbus hergestellt werden. Dieser erlaubt in großem Maße die Verwendung eines modularen Aufbaus und Schaltungsintegration zum Zwecke der Kostenreduktion und Verbesserung der Funktionssicherheit. Typischerweise gibt es so viele Transformiererstufen, DBEs, wie es Entspreizerstufen, DFEs, gibt, obwohl ein gewisses Maß von Zeit-Sharing oder Signalauswahl eine ungleiche Anzahl von Stufen, je nach Wunsch, erlauben kann.
Die Metrikdaten, die in jedem der demodulierenden Module bzw. DBEs generiert werden, werden an zumindest eine Serie von Metrikdatenempfängern, von denen jeder einem Teilnehmer vorzugewiesen wird, transferiert. Jeder der Metrikempfänger korrespondiert zu einem einzelnen codierten Signalkanal, den es zu verarbeiten gilt, und jede Transformationsschaltungsausgabe korrespondiert zu einem Kanalmetrikempfänger.
Jede der Vielzahl von Metrikdatenempfängern ist verbunden, um Energiemetriksignale von einem oder mehreren der Demodulationsmodule, die jedem Analogempfänger zugewiesen sind, zu empfangen. Die Erfindung kann weiterhin die Verwendung von Summierungselementen an den Eingängen eines jeden der Metrikempfänger vorsehen um Symbolenergiemetriken, die von den mehreren Modulen oder Transformierern empfangen werden, zu einer einzelnen Kanalsymbolenergiemetrik zu summieren, und zwar zum Herleiten von Kanaldaten.
Gemäß weiterer Aspekte der Erfindung wird eine relative Zeitdifferenz zwischen empfangenen Kommunikationssignalen und einer Phase der PN-Sequenzen erfasst, und ein Timinganpassursgssignal wird vorgesehen um Vorzeichen und Betrag einer jeglichen Differenz anzuzeigen. Die Digitalsignale werden ebenfalls nach der Erstspreizung dezimiert, wobei der Dezimie rungspunkt ebenfalls ansprechend auf einen Wert für ein Timingsteuerungssignal eingestellt bzw. angepasst wird.
Die vorliegende Erfindung ist sehr nützlich zum Reduzieren der Komplexität von Signaltransferstrukturen in Basisstationen des Gatewaytyps, die mit zumindest einem satellitengestützten Repeater kommunizieren um die Kommunikationskanalsignale von Teilnehmereinheiten in dem Kommunikationssystem zu Analogempfängern zu transferieren. Dies ist insbesondere dann nützlich, wo es mindestens zwei Satelliten in Kommunikation mit dem Gateway zu einem beliebigen Zeitpunkt gibt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
Die Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der unten folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlicher, wenn diese in Zusammenhang mit den Zeichungen gesehen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente durchgängig bezeichnen, und wobei die Figuren Folgendes zeigen:
1 stellt eine schematische Übersicht über ein beispielhaftes drahtloses Kommunikationssystem dar;
2 stellt ein Blockdiagramm einer beispielhaften Gateway-Demodulations/Modulationsvorrichtung für das drahtlose Kommunikationssystem der 1 dar;
3 stellt eine Analogschaltung dar, die bei der Konstruktion von Analogempfängern der 2 nützlich ist;
4 stellt ein Blockdiagramm einer Mehrfingerdemodulationsarchitektur für einen Modemabschnitt des Gateways der 2 mittels einer großen Anzahl von Empfängern dar;
5 stellt eine mögliche Demodulationsschaltung dar, die nützlich bei der Konstruktion von Digitaldatenempfängern, gezeigt in der 2, ist;
6 stellt eine zweite mögliche Demodulationsschaltung dar, die bei der Konstruktion von Digitaldatenempfängern, gezeigt in der 2, nützlich ist;
7 stellt eine neue Gatewayarchitektur, die mehrere verteilte Datenempfänger verwendet, dar;
8 stellt einen Eingabeteil eines beispielhaften FHT-Moduls für die Verwendung in der Gateway Archtiktur der 7 dar; und
9 stellt einen Ausgabeteil des beispielhaften FHT-Moduls der 8 dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die vorliegende Erfindung sieht eine neue Signalverarbeitungsarchitektur für Basisstationen und Gateways, die in Kommunikationen des Spektrumspreiz-Vielfachzugrifftyps verwendet werden, vor. Ein neues Digitalempfänger- und Demodulationsschema wird eingesetzt, das eine effektivere Nutzung der zur Verfügung stehenden Signalbuskapazität vorsieht. Das Verfahren und Vorrichtung der vorliegenden Erfindung konvertiert Kommunikationssignale empfangen durch jeden einer Serie von Empfängern in digitale Form und demoduliert dann jedes der Signale um äußere PN-Codes zu entfernen und Signaldatenenergiemetriken für die Daten, die zu allen Systembenutzern auf jeder der verschiedenen Frequenzen transferiert werden, zu berechnen. Die Datenmetriken für jeden bestimmungsgemäßen Benutzer innerhalb eines jeden empfangenen Signals werden dann zu Signaldecodierern und Diversity-Kombinierern, die individuellen Kommunikationsschaltungen oder – empfängern zugeordnet sind, transferiert.
Anfängliche Layers dieser Systemarchitektur beinhalten Analogsignalverarbeitung und Entspreizung von Digitalkommunikationssignalen und können kosteneffektiv erreicht werden mittels einer Serie von Schaltmodulen, die als „FHT-Module" bezeichnet werden. Daten werden von den FHT-Modulen mit einer reduzierten Bitrate ausgegeben, die einfacher mittels momentanen Technologien aufgenommen bzw. manipuliert werden kann. Energiemetrikdaten, die auf diesem Level vorgesehen werden, werden einfacher mit niedrigeren Datenraten als herkömmliche A/D-Datensamples für eine große Anzahl von empfangenen Signalen zu einer Serie von Benutzer-Decodern transferiert. Dies ist sehr nützlich für satellitengestützte Repeatersysteme.
In gegenwärtigen Designs für CDMA Kommunikationssysteme, wie z. B. drahtlose Daten- oder Telefonsysteme, befinden sich Basisstationen innerhalb vordefinierter geographischer Regionen bzw. Zellen und verwenden jeweils mehrere Modulator-Demodulator-Einheiten oder Spektrumspreizmodems, um Kommunikationssignale für Systembenutzer zu verarbeiten. Jedes Spektrumspreizmodem verwendet im Allgemeinen einen digitalen Spektrumspreizübertragungsmodulator, zumindest einen digitalen Spektrumspreizdemodulator und zumindest einen Sucherempfänger. Während einem typischen Betrieb wird ein Modem in einer Basisstation jeder Fern- bzw. Mobilbenutzereinheit je nach Bedarf zugewiesen um den Transfer von Kommunikationssignalen mit der zugewiesenen Benutzereinheit aufzunehmen. Für Kommunikationssysteme, die Satellitenrepeater verwenden, werden diese Modems im Allgemeinen in Basisstationen, auf die als Gateways oder Hubs Bezug genommen wird, und die mit Benutzern mittels dem Transfer von Signalen durch die Satelliten unter Verwendung von speziellen Antennen und Steuersystemen kommunizieren, angeordnet. Es kann weitere zugewiesene Steuerzentren geben, die mit den Satelliten oder den Gateways kommunizieren, um eine systemweite Verkehrssteuerung und Signalsynchronisation zu erlangen.
Ein beispielhaftes drahtloses Kommunikationssystem, das gemäß den Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert und betrieben ist, ist in der Gesamtansicht der 1 dargestellt. Ein Kommunikationssystem 10, das in der 1 dargestellt ist, verwendet Spektrumspreizmodulationstechniken für das Kommunizieren zwischen den Fern- oder Mobilteilnehmereinheiten, die drahtlose Datenendgeräte oder Telefone besitzen, und Systembasisstationen. Systeme des Zellen-Telefontyps können in großen städtischen Gebieten hunderte von solchen terrestrischen Basisstationen, die Tausende von mobilen Benutzern bedienen, besitzen. Kommunikationssysteme, die Satellitenrepeater verwenden, benutzen typischerweise weniger Repeater um mehr Benutzer pro Repeater zu bedienen, sind jedoch über größere geographische Regionen verteilt.
Wie es in der 1 zu erkennen ist, verwendet 10 einen Systemcontroller und Schalter bzw. Switch 12, worauf auch als Mobilvermittlungsstelle (mobile telephone switching office (MTSO)) Bezug genommen wird, die typischerweise Interface- und Verarbeitungsschaltungen zum Vorsehen einer systemweiten Steuerung für Basisstationen bzw. Gateways beinhaltet. Der Controller 12 steuert ebenfalls das Lenken bzw. Routen von Telefonanrufen von einem öffentlichen Fernsprechnetz (public switch telephone network (PSTN)) zu einer geeigneten Basisstation oder Gateway für die Übertragung zu gewünschten oder zugewiesenen Teilnehmereinheiten, sowie auch durch Lenken von Anrufen, die von Teilnehmereinheiten durch eine oder mehrere Basisstationen empfangen wird, zu dem PSTN. Der Controller 12 bringt im Allgemeinen Teilnehmereinheiten in Kommunikation miteinander durch Verbinden von Anrufen zwischen Benutzern durch geeignete Basisstationen und PSTNs, da die Teilnehmereinheiten in den meisten Kommunikationssystemen typischerweise nicht für eine Kommunikation direkt miteinander konfiguriert sind. Die Kommunikationsverbindung, die Controller 12 zu verschiedenen Systembasisstationen koppelt, kann mittels bekannter Vorrichtung (nicht abschließende Liste) durch zugewiesene Telefonleitungen, optische Faserverbindungen oder Mikrowellen oder zugewiesene Satellitenkommunikationsverbindungen erreicht werden. In dem Teil des Kommunikationssystems, das in der 1 dargestellt ist, sind zwei beispielhafte Basisstationen 14 und 16 für terrestrische Repeaterkommunikationen zusammen mit zwei Satellitenrepeatern 18 und 20 und zwei zugewiesenen Gateways oder Hubs 22 und 24 dargestellt. Diese Elemente werden verwendet um Kommunikationen mit zwei oder mehreren entfernten Teilnehmereinheiten 26 und 28 zu bewirken, wobei diese jeweils eine drahtlose Kommunikationsvorrichtung, wie z. B., jedoch nicht hierauf beschränkt, ein Mobiltelefon, besitzen. Während diese Teilnehmereinheiten als „mobil" diskutiert werden, ist anzumerken, dass die Lehren der Erfindung ebenso auf feste Einheiten, bei denen drahtlose Ferndienste (remote wireless service) erwünscht ist, anwendbar sind. Dieser letztere Typ von Dienst ist ins besondere für die Verwendung von Satellitenrepeatern relevant, um Kommunikationsverbindungen in viele entlegene Gebiete der Welt aufzubauen.
Die Teilnehmereinheiten werden oft auch als Benutzerterminals bzw. Benutzerendgeräte oder einfach „Benutzer" in manchen Kommunikationssystemen, je nach Vorliebe, bezeichnet. Außerdem würde ein typisches Kommunikationssystem eine größere Anzahl von Satelliten als die zwei in der 1 dargestellten verwenden, nämlich in der Größenordnung von 48 oder mehr, die sich in mehreren verschiedenen Orbitalebenen in niedrigen Erdumlaufbahnen (low earth orbit (LEO)) bewegen, sowie eine größere Anzahl von Teilnehmereinheiten. Der Fachmann wird jedoch leicht verstehen, wie die Lehren der vorliegenden Erfindung auf eine Vielzahl von Satellitsystemkonfigurationen und -gateways angewendet werden können.
Die Begriffe Strahlen (spots) und Zellen oder Sektoren sind durchweg austauschbar, da auf sie im Fachgebiet auf diese Weise Bezug genommen wird, und die geographischen Regionen, die versorgt werden, sind von ähnlicher Natur und unterscheiden sich nur in den physikalischen Charakteristiken der verwendeten Repeaterplattformbauart und deren Anordnung. Obwohl sich jedoch bestimmte Charakteristiken der Übertragungswege und Beschränkungen hinsichtlich der Frequenz und Kanalwiederverwendungen zwischen diesen Plattformen unterscheiden können. Eine Zelle wird durch die effektive „Reichweite" der Basisstationssignale definiert, während ein Strahl ein Spot ist, der durch Projizieren von Satellitenkommunikationssignalen auf die Erdoberfläche bedeckt ist. Außerdem decken Sektoren im Allgemeinen verschiedene geographische Regionen innerhalb einer Zelle ab, während Satellitenstrahlen mit verschiedenen Frequenzen, auf die hin und wieder als FDMA Signale Bezug genommen wird, ein gemeinsames geographisches Gebiet abdecken können.
Die Begriffe Basisstation und Gateway werden ebenfalls manchmal austauschbar verwendet, wobei auf dem Fachgebiet Gateways als spezialisierte Basisstationen wahrgenommen werden, die Kommunikationen über Satellitenrepeater lenken und mehr „Haushaltungs-Aufgaben" mit hierfür zugeordneter Ausrüstung ausführen müssen, um solche Kommunikationsverbindungen durch sich bewegende Repeater zu pflegen, während Basisstationen terrestrische Antennen verwenden, um Kommunikationen innerhalb einer umgebenden geographischen Region zu lenken. Zentrale Steuerungscenter werden ebenfalls typischerweise mehr Funktionen ausführen müssen, wenn sie mit Gateways und sich bewegenden Satelliten interagieren.
Für dieses Beispiel wird in Erwägung gezogen, dass die Basisstation 14 und 16 jeweils eine Versorgung über individuelle geographische Regionen oder „Zellen" versorgt mit Übertragungsmustern von deren jeweiligen Antennen vorsehen, während Strahlen von Satelliten 18 und 20 dafür ausgerichtet sind, andere jeweilige geographische Regionen abzudecken. Es ist jedoch einfach ersichtlich, dass sich die Strahlabdeckungs- oder Versorgungsgebiete für Satelliten und die Antennenmuster für terrestrische Repeater komplett oder teilweise in einer gegebenen Region überlappen können, und zwar in Abhängigkeit von dem Kommunikationssystemaufbau und der Art des angebotenen Dienstes. Demgemäß können an verschiedenen Punkten in dem Kommunikationsprozess Übergaben zwischen Basisstationen oder Gateways, die verschiedene Regionen oder Zellen versorgen, durchgeführt werden, und Diversity kann ebenfalls zwischen beliebigen dieser Kommunikationsregionen oder Vorrichtungen erlangt werden.
Der Signalgewinn, der durch CDMA Modulationstechniken möglich ist, erlaubt ein „Soft Handoff" bzw. „weiches Übergabeschema", wenn eine Teilnehmereinheit seine Position in ausreichender Weise verändert, und in eine Region, die von einer neuen Basisstation, Gateway oder Satellitenstrahlmuster versorgt wird, gelangt. Eine Kommunikationsverbindung kann durch zwei Modems gleichzeitig, eines für jedes der zwei Gateways, beibehalten werden, oder zwischen Modems transferiert werden, und zwar gemäß empfangener Signalstärke und Frequenzverfügbarkeit. Auf diese Art und Weise verwendet eine Teilnehmereinheit mehrere Gatewaymodems in dem Übergabeprozess, was ebenfalls die Datenmenge erhöht, die für die Verarbeitung innerhalb des Gateways transferiert werden muss.
In der 1 sind einige der möglichen Signalpfade für Kommunikationsverbindungen oder „Schaltungen" zwischen Basisstation 14 und Teilnehmereinheiten 26 und 28 durch eine Serie von Linien 30 bzw. 32 dargestellt. Die Pfeilspitzen auf diesen Leitungen zeigen beispielhafte Signalrichtungen für die Verbindungen, und zwar entweder als Vorwärts- oder Rückwärtsverbindungen. Dieses wird jedoch nur aus Zwecken der Klarheit angezeigt und nicht, um Einschränkungen auf tatsächliche Signalmuster oder benötigte Kommunikationswege zu repräsentieren. Auf ähnliche Art und Weise sind mögliche Kommunikationsverbindungen zwischen Basisstation 16 und Benutzereinheiten 26 und 28 durch Linien 24 bzw. 36 dargestellt.
Zusätzliche mögliche Signalwege sind für Kommunikationen, die durch Satelliten 18 und 20 aufgebaut sind, und zwar zwischen einem oder mehreren Gateways oder zentralisierten Hubs 22 und 24 und Teilnehmereinheiten 26 und 28 dargestellt. Die Satelliten-Benutzerteile dieser Kommunikationsverbindungen werden durch eine Serie von Linien 40, 42 und 44 und die Gateway-Satellitenteile durch Linien 46, 48, 50 und 52 dargestellt. In einigen Konfigurationen kann es ebenfalls möglich sein, direkte Satelliten-Satellitenkommunikationen wie z. B. über eine Verbindung angezeigt durch Leitung 54, aufzubauen. Aus Zwecken der Übersichtlichkeit ist Satellit 20 so dargestellt, als ob er nicht mit Teilnehmereinheit 26 kommuniziert, obwohl dies sicherlich möglich ist in Abhängigkeit von der spezifischen Systemkonfiguration und der Satellitenstrahlmusterverteilung.
In momentanen CDMA drahtlosen oder zellularen Telefonsystem sendet jede Basisstation oder Gateway ebenfalls ein „Pilotträger"-Signal, das durchweg in dessen Abdeckungsgebiet keine Datenmodulation beinhaltet. Im Allgemeinen haben Sektoren jeweils ihre eigenen bestimmten Pilotsignale. Dieses Pilotsignal wird von Teilnehmereinheit verwendet, um eine anfängliche Systemsynchronisation sowie eine Zeit-, Frequenz- und Phasenerfassung von gesendeten Signalen vorzusehen. Für Satellitensysteme wird dieses Signal innerhalb eines jeden Satellitenstrahls transferiert und rührt von bestimmten Gateways, die den Satelliten verwenden, her. Ein einzelnes Pilotsignal wird typischerweise durch jedes Gateway oder Basisstation für jede verwendete Frequenz gesendet und von allen Benutzern, die Signale von dieser Quelle empfangen, gemeinsam verwendet. Andere Signale werden verwendet um spektrumspreizmodulierte Information, wie z. B. Gatewayidentifikation, Systemtiming, Benutzerpaginginformation, und verschiedene andere Steuersignale zu senden.
Jedes Gateway verwendet typischerweise ein einzigartiges bzw. eindeutiges Pilotsignal (was jedoch einer systemweiten Wiederverwendung unterliegt), das mittels des selben PN-Codes mit verschiedenen Codephasenoffsets generiert wird. Dies erlaubt es PN-Codes, dass sie auf einfache Weise voneinander unterschieden werden können sowie eine Unterscheidung zwischen absendenden Basisstationen und Gateways, während eine vereinfachte Akquirierung und Erfassung vorgesehen wird. Die Verwendung einer Pilotsignalcodesequenz durchweg in einem Kommunikationssystem erlaubt es Teilnehmereinheiten, die Systemtimingsynchronisation durch eine einzelne Suche über alle Pilotsignalcodephasen mittels eines Korrelationsprozesses für jede Codephase zu finden.
In einer Alternative wird eine Serie von PN-Codes innerhalb des Kommunikationssystems verwendet, wobei verschiedenen PN-Codes für jedes Gateway und möglicherweise für jede Satellitenebene verwendet werden. Es wird für den Fachmann auf einfache Weise offensichtlich sein, dass so viele oder so wenige PN-Codes wie erwünscht, zugewiesen werden können um spezifische Signalquellen oder Repeater innerhalb des Kommunikationssystems zu identifizieren. Dies bedeutet, dass Codes eingesetzt werden können, um jeden Repeater oder Signalabsender innerhalb des Systems nach Wunsch zu differenzieren, und zwar in Abhängigkeit der Gesamtzahl der möglichen Kommunikationskanäle und einem Wunsch, die Zahl der Benutzer, die innerhalb des Systems adressierbar sind, zu maximieren.
Ein weiteres Signal auf das als das Paging-Signal oder -Kanal Bezug genommen wird, kann ebenfalls von dem Kommunikationssystem verwendet werden um Nachrichten an Teilnehmereinheiten zu senden, die anzeigen, dass ein Anruf oder andere Form von Kommunikationsinformation „angekommen" ist oder an dem Gateway vorliegt und für sie „bereit liegt". Das Paging-Signal liefert typischerweise geeignete Kanalzuweisungen, die benutzt werden, wenn ein Benutzer eine Kommunikationsverbindung initiiert und ersucht eine Antwort von der genannten Teilnehmereinheit.
Die geographischen Gebiete, die von Basisstationen versorgt werden, sind im Wesentlichen in Formen, die sich nicht überlappen und nicht schneiden konstruiert und wobei normalerweise ein Benutzer oder eine Teilnehmereinheit näher an einer Basisstation als an einer anderen angeordnet ist, oder innerhalb eines Zeltsektors, wenn die Zelle weiter unterteilt ist. Dies ist im Wesentlichen ebenfalls so für Satellitenkommunikation, obwohl hier der bestimmende Faktor die Präsenz innerhalb eines bestimmten Strahlmusters von einem Satelliten, der sich im Sichtfeld einer Teilnehmereinheit befindet, und dessen Signalstärke ist, jedoch nicht die relative Nähe zu einem Satelliten. Zusätzlich können sich Strahlen innerhalb einer gegebenen Region überlappen, können jedoch mittels bestimmter Übertragungscharakteristiken, wie z. B. Frequenz, voneinander unterschieden werden. In der 1 kann die Benutzereinheit 28 als zu der Basisstation 16 am nächstenliegend für terrestrische Versorgungszwecke, jedoch innerhalb der Abdeckung von Satelliten 18 oder 20 hinsichtlich Gatewayversorgungszwecken angesehen werden.
Beim Initiieren von Anrufen sendet die Teilnehmereinheit 28 Steuernachrichten an die nächstliegende Basisstation oder das geeignete Satellitengateway, hier 16 oder 22. Beim Empfangen der Anrufanforderungsnachricht, transferiert die Basisstation 16 die angerufene Nummer an den Systemcontroller 12, der dann den Anruf durch ein PSTN an den beabsichtigten Empfänger verbindet. Alternativ wird eine Kommunikationsverbindung über Gateway 22 durch Satellit 18 aufgebaut, das bzw. der die Anrufanforderungsnachricht empfängt und an Systemcontroller 12 für die Verarbeitung wie zuvor transferiert.
Wenn eine Anruf oder Nachrichtenverbindungsanforderung für eine Teilnehmereinheit aus dem PSTN oder von einer anderen Teilnehmereinheit herrührt, sendet der Controller 12 im Allgemeinen Anrufinformation an alle Basisstationen oder Gateways in einem vordefinierten Gebiet, von dem entweder bekannt ist, das sich dort die anvisierte Einheit befindet, z. B auf Grund von vorhergehenden Nachrichteninformationen, oder von dem angenommen wird, dass sie sich dort befindet, wie z. B. in einer „Heimat"-Region.
Gateway und Basisstationen wiederum senden Pagingnachrichten innerhalb ihrer jeweiligen Abdeckungsgebiete für den beabsichtigten Empfängerbenutzer. Nach der Detektierung einer Pagenachricht antwortet die Teilnehmereinheit mit der Steuernachricht an die nächstliegende Basisstation oder durch den geeigneten Satelliten an ein Gateway. Diese Steuernachricht informiert den Systemcontroller 12, welches bestimmte Gateway, Satellit oder Basisstation sich in Kommunikation mit der Teilnehmereinheit befindet. Der Controller 12 lenkt dann die eingehende Nachricht oder Anruf durch die Gatewayverbindung an die Teilnehmereinheit. Sollte die Teilnehmereinheit, hier 28, sich aus dem Abdeckungs- bzw. Versorgungsgebiet des anfänglich ausgewählten Satelliten 18 oder Gateway 22 oder 24 bewegen, wird ein Versuch unternommen, die Kommunikationsverbindung durch Lenken der Kommunikationssignale durch andere Satelliten fortzusetzen, bis entweder ein unterschiedliches Gateway oder eine Basisstation verwendet werden muss. Wiederum stellt das Beibehalten von zusätzlichen Kommunikationsverbindungen und Suchkanälen für diese Art von Kommunikation für Gateways zusätzliche zu verarbeitende Signale dar.
Eine Raum- bzw. Weg-Diversity wird mittels mehrerer Signalwege durch gleichzeitige Verbindung mit einem mobilen Benutzer erlangt, und zwar durch zwei oder mehr Basisstationen für terrestrisch gestützte Repeatersysteme oder zwei oder mehr Satellitenstrahlen oder individuelle Satelliten für weltraumgestützte Repeatersysteme. Dies bedeutet, dass in der Satellitenkommunikationsumgebung oder für Indoor-drahtlose Kommunikationssysteme ei ne Weg-Diversity erlangt werden kann durch absichtliches Senden oder Empfangen von Kommunikationen für einen einzelnen Teilnehmer mittels mehrerer Kommunikationswege oder Antennen. Weiterhin kann Weg-Diversity erlangt werden durch Ausnutzen der Mehrwegumgebung, und zwar dadurch, dass es ermöglicht wird, dass ein Signal, das über verschiedene Wege, die jeweils eine unterschiedliche Ausbreitungsverzögerung haben, separat für jeden Weg empfangen und verarbeitet wird. Wenn zwei oder mehr Wege mit einem ausreichenden Verzögerungsunterschied, der angenommen größer als eine Mikrosekunde ist, zur Verfügung stehen, können zwei oder mehrere Empfänger eingesetzt werden um diese Signale separat zu empfangen. Da diese Signale typischerweise ein unabhängiges Fading und andere Ausbreitungscharakteristiken aufzeigen, können die Signale separat durch die Empfänger verarbeitet werden und die Ausgaben mittels eines Diversity-Kombinierers kombiniert werden, um die abschließenden Ausgabeinformationen oder Daten vorzusehen und so Probleme, die anderenfalls bei einem einzelnen Weg existieren, zu überwinden.
Beispiele für die Verwendung von Weg-Diversity in Vielfachzugriffskommunikationssystemen sind in dem U.S. Patent Nr. 5,101,501, betitelt „SOFT HANDOFF IN A CDMA CELLULAR TELEPHONE SYSTEM", erteilt am 31. März 1992 und dem U.S. Patent Nr. 5,109,390, betitelt „DIVERSITY RECEIVER IN A CDMA CELLULAR TELEPHONE SYSTEM", erteilt am 28. April 1992, die beide dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung zugewiesen sind, dargestellt.
Während terrestrisch gestützte Repeater und Basisstationen überwiegend verwendet wurden, werden zukünftige Systeme eine größere Betonung auf die Verwendung von satellitengestützten Repeatern für eine größere geographische Abdeckung, die eine größere Anzahl von „entfernten" Benutzern erreichen, legen, um so eine wahre „globale" Kommunikationsversorgung vorzusehen. Die Ausdehnung von Kommunikationssystemen hin zu der Struktur des Globalnetzwerktyps und die fortgeschrittene Vewendung von Satellitenrepeatern führt jedoch leider zu zusätzlichen Problemen für zentrale Stationen und Gateways, die die große Anzahl von Kommunikationsverbindungen verarbeiten.
Kommunikationssysteme des Spektrumspreiztyps, wie z. B. das in der 1, verwenden eine Wellenform basierend auf einem Direktsequenzpseudorausch-(PN)-Spektrumspreizträger (direct sequence pseudo noise (PN) spread spectrum carrier). Dies bedeutet, dass ein Basisbandsignal mittels einer Pseudorauschsequenz moduliert wird, um den gewünschten Spreizeffekt zu erreichen. Die PN-Sequenz besteht aus einer Serie von „Chips", die eine Frequenz haben, die viel höher ist als das Basisbandkommunikationssignal, das gespreizt wird. Eine typische Chiprate liegt im Bereich von 1,2288 MHz und wird gemäß einer gewünschten Gesamtbandbreite oder zulässiger Signalintereferenz sowie anderer Kriterien bezüglich der Signalstärke und Qualität, die dem Fachmann bekannt sind, gewählt. Dem Fachmann wird es ersichtlich sein, wie die Chiprate gemäß dem zugewiesenen Spektrum und hinsichtlich von Kosteneinschränkungen und Kommunikationsqualitätsberücksichtigungen modifiziert wird.
In der Basisstations- oder Gateway-zu-Teilnehmer-Verbindung werden die binären Sequenzen, die für das Spreizen des Spektrums verwendet werden, von verschiedenen Typen von Sequenzen, die jeweils verschiedene Eigenschaften haben, und einer unterschiedlichen Funktion dienen, konstruiert. Ein „äußerer" Code wird verwendet, um zwischen Signalen, die von verschiedenen Basisstationen gesendet wurden und zwischen Mehrwegsignalen zu unterscheiden. Der äußere Code wird von allen Signalen in einer Zelle oder Strahl geteilt und ist im Allgemeinen eine relativ kurze PN-Codesequenz. Ein „innerer" Code wird verwendet, um zwischen verschiedenen Benutzern innerhalb einer Region oder zwischen Benutzersignalen, die von einer einzelnen Basisstation, Gateway oder Satellitenstrahl auf der Vorwärtsverbindung ge sendet werden, zu unterscheiden. Dies bedeutet, dass jede Teilnehmereinheit ihren eigenen orthogonalen Kanal hat, der auf der Vorwärtsstrecke bzw. – verbindung mittels einer eigenen Abdeckungs-PN-Codesequenz vorgesehen wird. Auf der Rückwärtsverbindung sind die Signale nicht vollständig orthogo nal, können jedoch aufgrund der Art und Weise, wie sie codesymbolmoduliert werden, unterschieden werden.
Auf dem Fachgebiet ist es bekannt, dass ein Satz von n orthogonalen, binären Sequenzen der Länge n, wobei n eine Potenz von 2 ist, konstruiert werden kann. Dies wird in der Literatur, wie z. B. in „Digital Communications with Space Applications", S. W. Golomb et al., Prentice-Hall, Inc., 1964, Seiten 45– 64 diskutiert. Tatsächlich sind Sätze von orthogonalen binären Sequenzen für die meisten Sequenzen mit Längen, die ein Vielfaches von vier, jedoch kleiner als zweihundert sind, ebenfalls bekannt. Eine Klasse von solchen Sequenzen, die relativ leicht zu generieren ist, wird als die Walsh-Funktion, auch bekannt als Hadamard-Matrizen, bezeichnet.
Eine Walsh-Funktion der Ordnung n kann rekursiv wie folgt definiert werden:
wobei W* das logische Komplementär von W bezeichnet und W(1) = 0 ist. Eine Walshsequenz ist dann einfach eine der Zeilen einer Walshfunktionsmatrix und eine Walshfunktion der Ordnung n enthält n Sequenzen, von denen jede n Bits lang ist.
Eine Walsh-Funktion der Ordnung n (so wie auch andere orthogonale Funktionen) haben die Eigenschaft, dass über ein Intervall von n Codesymbolen in einer Symbolkette die Kreuzkorrelation zwischen all den verschiedenen Sequenzen innerhalb des Satzes Null ist, vorausgesetzt dass die Sequenzen zeitlich ausgerichtet sind. Dies ist einfach zu verstehen durch die Beobachtung, dass genau die Hälfte der Bits in jeder Sequenz sich von denen in jeder anderen Sequenz unterscheiden. Eine weitere nützliche Eigenschaft ist die, dass eine Sequenz immer nur aus Nullen besteht, während alle anderen Sequenzen zur Hälfte aus Einsen und zur Hälfte aus Nullen besteht. Daher sind die Walshfunktionen gut dafür geeignet, als orthogonale Codes oder Codesequenzen in Kommunikationssystemen verwendet zu werden.
Es ist ebenfalls auf dem Fachgebiet bekannt, dass Walshfunktionen durch 1en und -1en durch Realform ausgedrückt werden können, wobei die Digitalwerte in brauchbare Spannungsübergänge für die Signalverarbeitung konvertiert werden. Bei diesem Ansatz wird die Nur-Nullen-Funktion eine Nur-Einsen-Funktion, oder negative Einsen, und alle anderen Sequenzen bestehen zur Hälfte aus Einsen und zur anderen Hälfte aus negativen Einsen.
Mehrere Trägerwellenformen können innerhalb des Kommunikationssystems 10 verwendet werden, wobei ein typisches Ausführungsbeispiel einen sinusförmigen Träger verwendet, der Quadraphasen-(Vierphasen)-moduliert wird, durch ein Paar von binären PN-Sequenzen. In diesem Ansatz werden die Sequenzen durch zwei verschiedene PN-Generatoren derselben Sequenzlänge generiert. Eine Sequenz biphasenmoduliert einen In-Phasen-Kanal(I Kanal) des Trägers und die andere Sequenz biphasenmoduliert einen Quadraturphasenkanal bzw. nur "Quadraturkanal" (Q Kanal) des Trägers. Die resultierenden Signale werden summiert um einen zusammengesetzten Vierphasenträger zu bilden.
Bei einer typischen Konfiguration teilen sich alle Signale, die durch ein Gateway oder eine Basisstation gesendet werden, dieselben äußeren PN-Codes für beide I und Q Kanäle, wobei einer der Codes um 90° von dem anderen verschoben ist. Die Signale werden ebenfalls mit einem inneren Code, der mittels Walsh-Funktionen, wie oben erklärt, generiert wird, gespreizt. Die Walsh-Funktionsgröße n, die typischerweise verwendet wird, liegt in der Größenordnung von 64 oder 128 für die Gateway-zu-Teilnehmer-Verbindung, was bis zu einhundertachtundzwanzig verschiedene orthogonale Kommunikationssignale oder Vorwärtsverbindungkanäle für jede Trägerfrequenz erzeugt. Bis zu drei dieser Sequenzen können Pilot-, Sync- und Pagingkanalfunktionen für eine einzelne Frequenz innerhalb eines Strahls zugewiesen werden. Ein Signal, das an einen bestimmten Benutzer adressiert ist, wird durch die äußeren PN-Sequenzen und durch die bestimmte Walshsequenz oder Sequenz von Walshchips, die dem Gateway oder einem Kommunikationssystemcontroller für die Dauer der Vorwärtsverbindung des Benutzers oder den Informationstransfer zugewiesen ist, multipliziert.
Benachbarte Zellen, Vektoren oder andere vordefinierte geographische Abdeckungsregionen können innere Walshfunktionen wieder verwenden, da die äußeren PN-Codes, die in solchen Regionen verwendet werden, sich voneinander unterscheiden. Verschiedene Ausbreitungszeiten für Signale, die an einer bestimmten Teilnehmerposition von zwei oder mehreren Satellitenstrahlen (Gateways) ankommen, bedeuten, dass es nicht möglich ist, eine absolute Zeitausrichtung für Signale, wie es für die Beibehaltung der Walshfunktionsorthogonalität nötig ist, für mehrere Zellen zur gleichen Zeit zu bewahren. Das Vertrauen wird auf die äußeren PN-Codes gesetzt um zwischen Signalen, die von verschiedenen Gateways empfangen werden, zu unterscheiden. Alle Signale, die von einem Gateway über einen einzelnen Satellitenstrahl gesendet werden, sind jedoch orthogonal zueinander und tragen im Wesentlichen keine Interferenz gegenüber einander bei. Dieses eliminiert einen Großteil der Differenz in den meisten Gebieten, was es ermöglicht, eine höhere Kapazität zu erlangen.
In den Sync-, Paging- und Sprach- oder Verkehrskanalsignalen werden Eingabedaten, wie z. B. digitalisierte Sprache typischerweise codiert, mit Wiederholung versehen und dann verschachtelt, um Fehlerdetektions- und Korrekturfunktionen vorzusehen. Dies erlaubt es dem Kommunikationssystem mit niedrigeren Signal-zu-Rausch-und Interferenzverhältnissen zu operieren. Der Wiederholungsprozess stellt sicher, dass die Daten mit einer vorausgewählten Rate übertragen werden. Z. B. können 4800 bps Daten einmal wiederholt werden, und 2400 bps Daten viermal innerhalb eines Datenrahmens wiederholt werden, um eine gewünschte 9600 bps Rate zu erlangen. Techniken zum Codieren, Wiederholen und Verschachteln sind auf dem Fachgebiet bekannt. Die Symbole in dem fehlerkorrigierten, codierten Symbolstrom für jeden Kanal werden dann mit einer zugewiesenen Walshcodesequenz, wie oben diskutiert, multipliziert und dann mit den äußeren PN-Codes multipliziert. Die resultierenden gespreizten Symbolströme für jedes Signal werden dann zusammenaddiert um eine zusammengesetzte Wellenform zu bilden.
Die resultierende zusammengesetzte Wellenform wird dann auf einen sinusförmigen Träger moduliert, bandpassgefiltert, auf die gewünschte Betriebsfrequenz umgesetzt, verstärkt und durch ein Antennensystem abgestrahlt. Alternative Ausführungsbeispiele können die Reihenfolge einiger dieser Operationen zum Bilden eine gatewaygesendeten Signals vertauschen. Z. B. kann es bevorzugt werden, jedes Sprachkanalsignal durch die äußere PN-codierte Wellenform zu multiplizieren und eine Filterungsoperation vor der Summierung von allen Kanalsignalen, die gesendet werden sollen, durchzuführen. Eine Summierung kann an einigen verschiedenen Punkten in der Verarbeitung erreicht werden, wie z. B. bei der ZF-Frequenz (IF frequency) oder bei der Basisbandfrequenz entweder vor oder nach der Multiplizierung mit der PN-Sequenz. Es ist auf dem Fachgebiet bekannt, dass die Reihenfolge von linearen Operationen vertauscht werden kann, um verschiedene Implementierungsvorteile und verschiedene Designs zu erlangen.
Ein beispielhaftes Design für eine Basisstation oder Gatewayvorrichtung, die verwendet wird um ein CDMA Kommunikationssystem zu implementieren, ist im weiteren Detail in der 2 dargestellt. In einer typischen Basisstation werden mindestens zwei Receiverabschnitte oder Systeme eingesetzt, wobei jedes einen separaten Analogempfänger und typischerweise separate Antennen um einen Raum-Diversityempfang zu bewirken, besitzt. In einem Gateway werden mehrere Analogempfänger eingesetzt, um Frequenz-Diversity, wie es weiter oben diskutiert wurde, zu erlangen. Dies bedeutet, dass in einem Gateway jeder Analogempfänger verschiedene Frequenzsignale von verschiedenen Satellitenstrahlen oder Teil-Strahlen empfängt. Je nach Wunsch und wenn es die Kosten erlauben, werden separate Antennen ebenfalls verwendet um einen Teil des Signalempfangs zu bewerkstelligen. In jedem Fall werden die Kommunikationssignale im Wesentlichen auf die gleiche Weise in jedem der Empfängerabschnitte verarbeitet und unterlaufen dann einen Diversity- Kombinierungsprozess. Die Elemente innerhalb der gestrichelten Linie entsprechen Elementen, die verwendet werden, um Kommunikationen zwischen einer Basisstation oder Gateway und einer Teilnehmereinheit zu verwalten. Die Ausgabe der Analogempfänger oder Empfängerabschnitte wird ebenfalls an andere Elemente geliefert, die verwendet werden, um Kommunikationen mit anderen Teilnehmereinheiten zu bewirken.
Der Transceiver oder Demodulator/Modulatorteil des Gateways, das in der 2 dargestellt ist, hat einen ersten Empfängerabschnitt, der eine Antenne 60 zum Empfang von Kommunikationssignalen, verbunden mit einem Analogempfänger 62 verwendet, in dem die Signale abwärts umgesetzt, verstärkt und digitalisiert werden. Die digitalisierten Signale werden von Analogempfänger 62 an zumindest einen Sucherempfänger 64 und zumindest einen Digitaldatendemodulator 66_A ausgegeben. Jeder Demodulator bildet einen Finger in einem Signalempfänger des Rake-Typs. Zusätzliche Digitaldatendemodulatoren 66_B –66_N werden verwendet um Signal-Diversity für jede Teilnehmereinheit oder Kommunikationsschaltung, die unterhalten wird, zu erlangen, was für manche Systemkonstruktion optional sein könnte. Jeder Finger oder Demodulator ist zum Erfassen (track) und Demodulieren von Teilnehmerkommunikationssignalen, die entlang möglicher alternativer Wege sich fortsetzen, zugewiesen. Diese Demodulatoren verwenden leicht unterschiedliches Timing in dem Demodulationsprozess mit einer Phasendifferenz von zumindest einer PN-Chipperiode. Dies liefert Diversity-Modi, die extrem nützlich in Situationen sind, in denen viele Möglichkeiten für Vielwegsignale existieren. Zusätzlich erlaubt es die mutwillige Erzeugung von Vielwegsignalen durch das Kommunikationssystem, wenn dies erwünscht ist, um die Kommunikationsverbindung zu verbessern.
Das Gateway hat im Allgemeinen zusätzliche Empfängerabschnitte zum Aufnehmen von Kommunikationssignalen mit verschiedenen Trägerfrequenzen oder unter Verwendung von anderen charakteristischen Parametern. Dies ist in der 2 mit einem zweiten solchen Abschnitt, der eine zweite Antenne 70, einen zweiten Analogempfänger 72, einen zweiten Sucherempfänger 74 und einen zweiten Satz von Digitaldatendemodulatoren 76_A –76_N beinhaltet, dargestellt. Viele solcher Abschnitte werden typischerweise jedoch in Gateways verwendet, um alle Satellitenstrahlen und Teilstrahlen, die zu einem gegebenen Zeitpunkt gehandhabt werden, aufzunehmen. Zumindest ein Gatewaysteuerprozessor 78 ist an die Demodulatoren 66_A –66_N und 76_A –76_N zusammen mit Sucherempfängern 64 und 74 gekoppelt. Der Steuerprozessor 78 liefert Befehls- und Steuersignale, sowie einige Datenwege, um Funktionen wie die folgenden (nicht abschließende Liste) zu realisieren: Signalverarbeitung, Timingsignalgenerierung, Leistungs- und Übergabesteuerung, Diversity, Diversity-Kombinierung, und Syteminterfacing mit der MTSO. Eine weitere Hauptsteueraufgabe, die durch den Steuerprozessor 78 ausgeführt wird, ist die Walsh-Sequenz-Sender- und -Demodulator-Zuweisung für Teilnehmerkommunikationen.
Die Signalausgaben von den Datendemodulatoren 66_A –66_N und 76_A –76_N sind an einen oder mehrere Diversity-Kombinierer und Decoder 80 gekoppelt, die zum logischen Kombinieren von Signalen dienen, die von Empfängern, die eine gemeinsame Teilnehmereinheit versorgen, ausgegeben werden, und weiter ein kombiniertes Signal auf eine Digitalverbindung 82 vorsehen. Die Digitalverbindung 82 ist ebenfalls an den Steuerprozessor 78, einen Sendemodu- lator 84 und typischerweise an einen MTSO-Digitalswitch oder -Netzwerk gekoppelt. Die Digitalverbindung 82 dient zur Steuerung oder Lenkung des Transfers von decodierten, nicht codierten und codierten Datensignalen zwischen Diversity-Kombinierer und Decoder 80, dem MTSO-Netzwerk und einem oder mehreren Gatewaysendemodulatoren 84, je nach Wunsch, und zwar unter der Steuerung des Steuerprozessors 78.
Analogempfänger 62 ist im größeren Detail in der 3 dargstellt. Wie in der 3 zu erkennen ist, werden Signale, die von Antenne 60 empfangen werden, an einen Abwärtsumsetzerteil 100 gekoppelt, wo die Signale auf der Eingabe-HF-Frequenz (input RF frequency) je nach Bedarf in einem HF-Verstärker 102 verstärkt und dann mit der Ausgabe einer Referenzsignalquelle 104 in einem Mischer 106 gemischt wird um die verstärkten HF-Signale auf eine gewünschte ZF-Frequenz umzusetzen. Die resultierenden ZF-Signale werden durch einen Tiefpassfilter (LPF) 108 zu einem ZF-Verstärker 112 für die weitere Verstärkung in einem weiteren Umsetzerteil 110 transferiert. Der Abwärtsumsetzer bzw. Downconverter 110 setzt die verstärkten ZF-Signale auf eine gewünschte Basisbandfrequenz um, bevor sie zu einem Analog-zu-Digital-(A/D)-Wandler 122 transferiert werden, wo sie mit einer geeigneten Taktrate digitalisiert werden. Für das vorliegende Beispiel wird im Allgemeinen eine Taktrate in der Größenordnung von 9,8304 MHz verwendet, die das Achtfache der PN-Chiprate ist. Der Abwärtsumsetzer 110 verwendet eine Referenzfrequenzsignalquelle 114 und einen Mischer 116 und ihm folgt ein Bandpassfilter (BPF) 118 und ein Bandpassverstärker 120. Obwohl der A/D-Wandler 122 als ein Teil des Empfängers 62 dargestellt ist, könnte er leicht anders in der Demodulationsschaltung angeordnet sein, z. B. einen eng angekoppelten Teil eines der beiden Digitaldatendemodulatoren 66, 76 oder Sucherempfänger 64, 74 bilden.
Die digitalisierten Signale, die durch A/D-Wandler 122 an Demodulatoren und Sucherempfänger 66 und 74 ausgegeben werden, bestehen aus kombinierten I und Q Kanalsignalen in diesem Beispiel. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass der A/D-Wandler 122 so konstruiert werden kann, dass eine Kanalaufspaltung mit zwei separaten A/D-Wandlerwegen vor der Digitalisierung der I und Q Kanäle vorgesehen wird, und zwar an Stelle einer Aufspaltung der digitalisierten I und Q Kanalsignale nach der Umwandlung. Diese Aufspaltung ändert lediglich die Beschaffenheit der Datenbusse, die verwendet werden um die Daten zu anderen Empfängerelementen zu transferieren sowie die Anzahl von Eingaben bzw. Eingangsgrößen, die jedem Empfänger zugeordnet sind. Verschiedene Schemata für die HF-zu-ZF-zu-Basisbandfrequenzumwandlung und Analog-zu-Digital-Umwandlung der I und Q Kanalsignale sind auf dem Fachgebiet bekannt. Der zweite Empfängerabschnitt verarbeitet empfangene Kommunikationssignale auf eine ähnliche Art und Weise, wie die, die hinsichtlich des ersten Empfängerabschnitts der 2 diskutiert wurde.
Die gewichteten Symbole werden von den Demodulatoren 66_A-N und 76_A-N ausgegeben und als Eingaben bzw. Eingangsgrößen an die Diversity-Kombinierer- und Decoderschaltung 80 geliefert. Der Kombierer und Decoder 80 beinhaltet einen Addierer, der die zwei Sätze von gewichteten Koeffizienten für die Symbole von den Demodulatoren 66_A-N und 76_A-N addiert. Die Entsprechung bzw. Übereinstimmung wird bestimmt, und zwar dadurch, an welchen Benutzer die Signale gerichtet sind oder hinsichtlich der Kommunikationsverbindung bzw. -schaltung, für die sie zumindest einen Weg bzw. Pfad darstellen. Die daraus resultierenden kombinierten Koeffizienten werden dann untersucht oder verglichen miteinander um den größten Koeffizientenwert unter den Koeffizienten zu bestimmen, der verwendet wird, um einen Satz von Decodergewichten und Symbolen für die Verwendung durch einen Decoder, der in der Schaltung 80 implementiert ist, zu bestimmen. Z. B. kann diese Information durch einen Viterbi-Algorithmus-Decodierer verwendet werden, um die wahrscheinlichste Informationsbitsequenz zu bestimmen.
Die Signale von der MTSO, innerhalb des Kommunikationssystems oder von anderen Kombinierern, werden an einen geeigneten Sendemodulator für die Übertragung an einen Empfängerteilnehmer mittels der Digitalverbindung 82 gekoppelt. Die Schaltung, die verwendet wird, um die Digitalverbindung 82 zu konstruieren ist bekannt und beinhaltet typischerweise verschiedene Digitaldatenschalt- und Speicherkomponenten. Der Sendemodulator 84 spektrumspreizmoduliert Daten für die Übertragung an eine beabsichtigte Empfängerteilnehmereinheit und liefert das daraus resultierende Signal an einen Sendeleistungscontroller 86, der eine Steuerung, für die Übertragungsleistung, die für das abgehende Signal verwendetet wird, vorsieht. Weitere Details hinsichtlich des Aufbaus und des Betriebes eines beispielhaften Sendemodulators 84 werden in dem U.S. Patent Nr. 5,103,459, betitelt „SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING SIGNAL WAVE FORMS IN A CDMA CELLULAR TELEPHONE", was dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung zugewiesen ist, diskutiert.
Die Ausgabe des Leistungscontrollers 86 wird mit der Ausgabe von andaren Sehdemodulator/Leistungssteuerungsschaltungen bzw. -schaltkreisen summiert, deren Ausgaben an andere Teilnehmereinheiten auf der selben Übertragungsfrequenz gelenkt werden, und zwar in einem Summierelement oder – mittel 88. Die Ausgabe des Summierers 88 wird an einen Analogsender 90 zur weiteren Verstärkung auf eine gewünschte Frequenz geliefert und an Antenne 92 ausgegeben für die Abstrahlung an Teilnehmereinheiten über Satellitenrepeater. Der Steuerprozessor 78 steuert ebenfalls die Generierung und die Leistung der Pilot-, Sync-, Kanal- und Pagingkanalsignale und deren Kopplung an Leistungscontroller 86, und zwar vor der Summierung mit den anderen Signalen und deren Ausgabe an Antenne 92.
Sucherempfänger 74 wird in den Gateways verwendet, um die 0Zeitdomain (time domain) um das empfangene, vom Teilnehmer herrührende Signal zu scannen um sicherzustellen, dass die zugeordneten Digitaldatenempfänger 66 und 76, wenn sie verwendet werden, das stärkste zur Verfügung stehende Zeitdomainsignal erfassen und verarbeiten. Die Sucherempfänger werden typischerweise von dem Steuerprozessor dafür verwendet, um zu bestimmen, welche Demodulatoren den Analogausgaben zugewiesen werden sollen. Sucherempfänger 74 liefert ein Signal an den Gatewaysteuerprozessor 78, der wiederum Steuersignale an die Digitaldatendemodulatoren 66 und 76 vorsieht, um die geeigneten empfangenen Signaleingaben bzw. – eingangsgrößen (timing) für die weitere Verarbeitung auszuwählen. Jeder Demodulator ist dann verantwortlich für das Erfassen des Timings der Signale, die er empfängt, und zwar mittels einer von mehreren bekannten Techniken.
Eine bekannte Tracking- bzw. Erfassungstechnik ist die „Früh/Spät"-Technik, wo ein empfangenes Signal mit frühen (early) und späten Lokalreferenz-PN-Sequenzen korreliert wird. Die Differenz zwischen diesen Korrelationen mittelt sich auf Null, wenn kein Timingfehler existiert. Umgekehrt, wenn Timingfehler vorliegen, zeigt die Differenz den Betrag und Vorzeichen von solchen Fehlern an und das Timing der Demodulatoren wird entsprechend angepasst. Eine Früh/Spät-Timingschleife dient dazu, die Frequenz und Phase des Trägersignals mithilfe eines Lock- bzw. Verriegelungsdetektors zu verriegeln bzw. sie zu tracken.
Die Signalverarbeitung in den Gatewayempfängern unterscheidet sich in einigen Aspekten von der Signalverarbeitung, die von ähnlichen Elementen in der Teilnehmereinheit durchgeführt wird. Wie zuvor diskutiert wurde, sendet ein Gateway im Allgemeinen ein Pilotsignal und verwendet einzelne orthogonale Codesequenzen, um die Datensymbole, die zu jeder Teilnehmereinheit transferiert werden, abzudecken. Die Teilnehmereinheit andererseits sendet nicht typischerweise ein separates Pilotsignal, das zu Kohärenzreferenzzwecken in der Signalverarbeitung in dem Gateway verwendet werden könnte, obwohl wenn es Kosten und Technologie zulassen, könnte dies auch vorgesehen werden. Daher ist die Teilnehmer-zu-Gateway oder -Zellverbindung im Allgemeinen durch ein nicht-kohärentes Modulations- und Demodulationsschema charakterisiert. In diesem Schema codiert die Teilnehmereinheit die zu sendenden Datensymbole mittels mehrerer orthogonaler Funktionen für Gruppen von Codesymbolen, hier 64 Walsh-Codesequenzen für jede 6 Codesymbole. Dies bedeutet, dass die binären Werte von jeder Gruppe von 6 Datensymbolen verwendet werden um eine von 64 Walsh-Funktionen oder -Codes auszuwählen, die für diesen Zweck vorzugewiesene Indexwerte sind. Auf der Empfangsseite wird jeder Walsh-Code detektiert und auf dessen entsprechende Symbolsequenz gemäß dem vorausgewählten Indexmuster abgebildet, um die ursprünglichen 6 Symbole hervorzubringen, die wiederum weiter verarbeitet werden, um die Daten zu liefern.
Die Kommunikationssignalempfangsteile der Gateways 22 und 24, wie sie teilweise in der 2 dargestellt sind, werden in der 4 präsentiert. Wie in der 4 zu erkennen ist, gibt es eines Anordnung von „M" Analogempfängern 62, die mit zumindest einer entsprechenden Antenne 60 verbunden ist, die entsprechende A/D-Wandler 122_M , nicht gezeigt, verwendet. Mehrfachantennen können nach Wunsch verwendet werden, insbesondere um mehrere Satelliten oder Satellitenkonstellationen zu versorgen. Jeder A/D-Wandler lie fert Daten in digitaler Form oder Ströme von Datensymbolen an einen Datenbus 160 und zwar für eine Serie von Demodulationseinheiten 66_MN . Auf die Verwendung der Zahl 76, um einen zweiten Satz von Demodulatoren zu bezeichnen, wurde verzichtet, und zwar zugunsten des M-Index, der anzeigt, dass es bis zu M Analogeingabewege bzw. Analogsignale gibt, die von dem Gateway zu jedem gegebenen Zeitpunkt empfangen werden, und zwar mittels einer Anordnung von Antennen mit zugeordneten Signalverarbeitungselementen. Der Wert von M hängt von spezifischen Kommunikationssystemdesignparametern, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, ab, wobei Beispielwerte in einer Größenordnung von 32 aber weniger als oder gleich 64 pro Frequenzkanal gemäß der Anzahl von Empfängern, wie es zuvor diskutiert wurde, liegen. Die Anzahl der verwendeten Analogempfänger hängt zum größten Teil wiederum von der Anzahl der Satelliten und Strahlkommunikationssignalen (Frequenzen und Wege) ab, die von dem Gateway aufgenommen werden sollen.
Der Wert von N hängt von der Anzahl von Kommunikationskanälen bzw. Teilnehmereinheitssignalen ab, die von jedem Trägersignal, das durch einen Analogempfänger verarbeitet wird, aufgenommen werden sollen. Diese Anzahl nähert sich typischerweise einem momentanen Limit in der Größenordnung von 128 (die Walsh-Codelänge n) an, da es zumindest 128 Informationskanäle, die von 125 Teilnehmern erfasst werden, gibt, sowie Pilot-, Sync- und Pagingsignale für jeden Analogsignalweg bzw. –eingangsgröße. Wenn N kleiner ist als 128, d. h. N ist kleiner als n, ist ein sinnvoller Grad von Diversityverarbeitung nur während durchschnittlicher oder geringer Benutzerzugriffsperioden möglich, jedoch ist keine Diversity möglich, wenn sich das System der vollen Kapazität annähert, wie wenn alle N für jedes M für verschiedene Benutzer verwendet werden. Dies bedeutet, dass Diversity nur für eine Anzahl von Benutzern für jeden M-ten analogen Weg möglich ist, solange es wesentlich weniger als n aktive Benutzer für den Analogweg gibt. Sobald die Anzahl von aktiven Benutzern pro M-ten Analogempfangsweg N erreicht oder überschreitet, ist Diversity nicht länger möglich.
Daher hat für Systeme, wo eine hohe durchschnittliche Verkehrsdichte erwartet wird, N Werte im Bereich von 128 um einen Diversity-Empfang für jedes Teilnehmereinheitssignal über alle M Analogeingabekanäle sicherzustellen. Gleichzeitig nähert sich der Wert bzw. das Produkt NM, die Gesamtzahl der Kanäle mal die Gesamtzahl der Analogempfänger, 4096 oder mehr Demodulatoren bei dieser oberen Grenze an. Solch eine übermäßige große Anzahl von Demodulatoren verschwendet im allgemeinen Ressourcen und liefert ein sehr komplexes System hinsichtlich der Konstruktion und Verwaltung. Es wurde festgestellt, dass im Allgemeinen ein Vorsehen von ungefähr 4 bis 6 Demodulatoren für jeden einer durchschnittlichen Zahl von erwarteten Benutzern für jeden der M Analogempfänger eine mehr als ausreichende Systemkapazität vorsieht. Daher kann NM generell auf ungefähr 256–384 Demodulationselemente für die meisten Systeme beschränkt werden.
Es ist, ausgehend von der Zahl von Analogempfängern und Demodulatoren, die verwendet werden, leicht ersichtlich, dass der Datenbetrag, der zwischen Elementen über interne Datenbusse 160 transferiert werden muss, sehr groß ist und die Steuerfunktion für solche Busse sehr komplex ist. Z. B. sind typische Datenraten innerhalb von Kommunikationssystem 10 rund 9600 bps. Sogar dann wenn Daten, wie z. B. Daten oder Sprache mit niedriger Dichte mit einer geringeren Rate abgesendet werden, werden die Daten im Allgemeinen wiederholt, um Datenrahmen mit festgelegtem Timing mit der 9600 bps Rate vorzusehen, da es vorteilhaft ist, Signale mit festgelegter Rate zu verwenden. Die Daten werden im Allgemeinen codiert und verschachtelt um 9600 codierte Symbole pro Sekunde zu bilden, die wiederum durch die Spreizsequenzen moduliert werden, um 1,2288 Mbps Kommunikationssignale zu werden.
Jede Antenne 60 bzw. Antenneneingabe und entsprechende Analogempfänger bzw. Empfänger 62_M liefern Daten von empfangenen Kommunikationssignalen auf den Datenbus 160, wenn Daten über jeden analogen Signalpfad von jedem Satelliten, der aufgenommen wird, ankommen. Daher, bei 30 oder mehr Empfängern, die Signale von jedem von 4 oder mehr Satelliten zu einem gegebenen Zeitpunkt empfangen, nähert sich die Datentransferrate 5 oder mehr Gigabits pro Sekunde (Gbps) an. Diese Rate wird von der System-PN-Codechiprate, hier 1,2288 Mbps bestimmt, und zwar mittels achtfachem Oversampling (x8) der empfangenen Signale für beide I und Q Kanäle (x2) und ebenfalls unter Verwendung von 4 Bits pro Sample (x4). Diese Parameter resultieren in einer Datenrate von ungefähr 80 Megabits pro Sekunde (Mbps) pro Träger oder Satellitenstrahl (so z. B. 1,2288 × 8 × 2 × 4 = 78,64 Mbps). Wenn angenommen 16 Strahlen pro Satellitenrepeater (x16) verwendet werden und mit bis zu 4 Satelliten in dem Kommunikationssystem zu einem gegebenen Zeitpunkt (x4) kommuniziert wird, nähert sich die gesamte Datenrate für Daten, die auf dem Bus 160 durch alle M Analogempfängern innerhalb eines Gateways transferiert werden, 5 Gbps oder mehr (78,64 × 16 × 4 = 5,033 Gbps) an.
Weiterhin wird bei einer großen Anzahl von Demodulatoren, die Verdrahtung oder Verkabelung in einem Gateway, die benötigt wird um den Schaltungsaufbau zu implementieren und die Signale zu allen möglichen Demodulatoren, die mit jedem der Analogempfänger verwendet werden, zu lenken, sehr kompliziert. Dies führt zu erhöhten Konstruktionsausgaben und einer gesenkten Funktionssicherheit. Es wird geschätzt, dass sogar eine einfache Gatewayarchitektur mindestens 2000–3000 solcher Leitungen für Signaltransfer einsetzen würde. Um die Spektrumspreizsignale, die zu einem bestimmten Gatewaydemodulator, durch den eine Teilnehmereinheit kommuniziert, gesendet werden, zu decodieren, müssen geeignete PN-Sequenzen generiert und angewendet werden. Es gibt mehrere Techniken, die innerhalb eines jeder der Demodulatoren 66_MN (66_N oder 74_N ) angewendet werden können, von denen zwei in den 5 und 6 dargestellt sind. Der Fachmann wird jedoch leicht erkennen, dass diese Techniken nur für den Zweck verwendet werden, um die Komplexität der Datenstrukturen auf dem Bus 160 darzustellen, und zwar wenn momentane Kommunikationssystemarchitekturkonstruktionen verwendet werden. Andere Demodulationstechniken könnten innerhalb der Lehre der vorliegenden Erfindung verwendet werden, und solche, die dargestellt sind, sind nicht als einschränkend in jeglicher Art und Weise auf den Betrieb der Erfindung anzusehen.
Wie in der in 5 gezeigten Technik dargestellt, werden die digitalisierten I und Q Kanalsignale oder Datensamples von einem A/D-Wandler in einen PN QPSK Korrelator 124 eingegeben, und zwar zusammen mit geeigneten PN_Iund PN_Q-Sequenzen, die innerhalb des Demodulators 66 produziert werden. QPSK Korrelator oder Entspreizer 124 entspreizt die zusammengesetzten I und Q Komponentsignalsamples um so die gesendeten I und Q Kanaldatensymbole zu extrahieren. Bei diesem Ansatz beinhaltet jeder Demodulator zwei PN-Generatoren 114, 116, die die zwei PN_I- bzw. PN_Q-Sequenzen als die In-Phasen (I) und Quadratur (Q) Kanal-PN-Sequenzen generiert. Der Steuerprozessor 78 liefert Timing- und Sequenzsteuersignale an diese Generatoren. Diese zwei PN-Sequenzen stellen die kurzen äußeren PN-Codesequenzen dar, die für alle Gatewaymodems und alle Teilnehmereinheiten in dem oben diskutierten Modulationsschema gelten. Solch eine PN-Generatorschaltung ist in dem U. S. Patent Nr. 5,228,054 betitelt „POWER OF TWO LENGHT PSEUDO-NOISE SEQUENCE GENERATOR WITH FAST OFFSET AJDUSTMENTS", erteilt am 13. Juli 1993 und dem Rechtsnachfolger der fol- genden Erfindung zugewiesen, offenbart.
In der Vorrichtung der 5 können die Demodulatoren 66_MN einen Langcode-PN-Generator 118 beinhalten, der eine lange teilnehmer- oder benutzerspezifische PN-Codesequenz PN_U für die Verwendung in der Kommunikation mit der Teilnehmereinheit während einer gegebenen Kommunikationsverbindung generiert. Der PN-Generator 118 kann mittels einer Vielzahl von bekannten Elementen, die für diesen Zweck konfiguriert sind, konstruiert sein. Z. B. kann ein Maximallinearsequenzgenerator verwendet werden, der einen sehr langen PN-Code generiert, und zwar zeitlich verschoben gemäß einem zusätzlichen Faktor, wie z. B. der Adresse der Teilnehmereinheit oder der elektronischen ID bzw. Identifikation der Einheit. Der verwendete, spezifische PN-Code wird unter Steuerung des zentralen Prozessors 78 ausgewählt, und zwar mittels Setup-Information, die durch das Gateway oder MTSO 12 an die Teilnehmereinheit in dem Synchronisationssignal geliefert wird. Diese Sequenz kann dynamisch nach Wunsch geändert werden und kann schon trun cated bzw. abgeschnitten werden, um einen gewünschte Länge zu erreichen. Alternativ kann ein nicht linearer Verschlüsselungsgenerator, wie z. B. ein Verschlüsseler, der den Datenverschlüsselungsstandard (data encription standard (DES)) verwendet, eingesetzt werden anstelle des PN-Generators 118, wenn dies erwünscht ist.
Die Walsh-Codesequenz des Generators 118 wird logisch kombiniert, wie z. B. mittels einer Multiplikation, oder in bestimmten Konfigurationen mittels einer Exklusiv-Oder-Operation, mit den PN_I- und PN_Q-Sequenzen in einem Paar von logischen Elementen 120 bzw. 122, um die Sequenzen PN_I' und PN_Q' vorzusehen. Die Sequenzen PN_I und PN_Q werden dann wiederum an den PN QPSK Korrelator 124 transferiert, der die I und Q Kanaldaten mit diesen Sequenzen korreliert und korrelierte I und Q Kanalausgaben an ein Paar von Akkumulatoren 126A und 126B ausgibt. Die (digitalisierten) Kommunikationssignale, die von dem Gateway von den Teilnehmereinheiten empfangen werden, werden daher mit beiden, den benutzerspezifischen PN-Codesequenzen und den Kurzcode-PN_I- und -PN_Q-Sequenzen, demoduliert. Die Akkumulatoren 126A und 126B sammeln und speichern temporär Symboldaten über ein vordefiniertes Zeitintervall, z. B. ein Walsh-Symbol oder eine 256-Chipperiode. In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel entspricht dies 1/4800 Sekunden, d. h. 4800 Symbolen pro Sekunde, wobei jedoch andere Raten verwendet werden können. Grundsätzlich werden Daten von einem seriellen Symbolstrom in parallele Symbolsätze durch die Akkumulatoren konvertiert. Die Ausgabe von Akkumulatoren 126A und 126B sind die jeweiligen Symboldaten für I und Q Signalkomponenten oder -kanäle und werden mit der Symbolrate von 4800 Symbolen/Sekunde in eine Vorrichtung zur schnellen Hadamard Transformation 128 (fast Hadamard tranformation (FHT)) eingegeben. Die Akkumulatoren 126A und 126B werden nach der Datenausgabe gelöscht bzw. zurückgesetzt, um so einen neuen Satz von Samples aufzunehmen.
Die FHT-Vorrichtung 128 dient als ein Walsh-Code-Transformierer, der jeden Satz oder Sequenz von 64 Walsh-Chips konvertiert und zwar in ein Maß oder Schätzung für die Wahrscheinlichkeit, dass die Energie in einem empfange nen Signal einer der 64 Walshfunktionen oder Codesequenzen, die originalcodierte Daten von den Teilnehmereinheiten darstellen, entspricht. Die tatsächliche Ausgabe von FHT 128 weist eine Metrik hinsichtlich des möglichen gesendeten Codes auf, die weiter verarbeitet werden muss, um den Übertragungsinhalt in einem nicht-kohärenten Demodulationsschema zu bestimmen. Die resultierenden Kanaldaten werden von (FHT)-Vorrichtung 128 an einen Diversity-Kombinierer und Decoder ausgegeben, wo sie mit Daten von anderen Signalwegen kombiniert, entschachtelt und decodiert werden. Gemäß einem zweiten Ansatz sind die Demodulatoren so konfiguriert, dass sie die Signale über einen zugewiesenen Kommunikationskanal empfangen, das Signal entspreizen und Gruppen von Samples des Signals transformieren, und zwar in Gruppen von Maßen eines Vertrauens, das bestimmte Samples bestimmten orthogonalen Codes entsprechen. Das größte Vertrauensmaß und ein entsprechendes Indexdatensymbol werden dann verwendet „soft decision"-bzw. weiche Entscheidungsdaten zu generieren. Die „soft decision"-Daten in einem empfangenen Rahmen von Daten werden dann entschachtelt bzw. deinterleaved und verwendet, um „soft decision"-Übergangsmetriken (soft decision transition metrics) zu generieren, die wiederum verwendet werden, um geschätzte Datenbits mittels bekannter Decodierungstechniken zu generieren.
Eine beispielhafte Struktur für die Implementierung dieser Schritte ist in der 6 gezeigt, wo ein Dualmaximametrikgenerator eingesetzt wird, um „soft decision"-Übergangsmetriken für Maximawahrscheinlichkeitsdecodierungstechniken zu bilden. Diese Struktur erlaubt es einem einzelnen Dualmaximametrikgenerator mehrere Demodulatoren zu überspannen (bridge across). Diese Technik wird in größerem Detail in dem U.S. Patent Nr. 5442627, betitelt „NONCOHERENT RECEIVER EMPLOYING A DUAL MAXIMA METRIC GENERATION PROCESS", das dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung zugewiesen ist, beschrieben.
Das Eingabesignal wird mittels eines Signalteilers 130 in I und Q Komponenten seperiert und dann mit den PN_I- und PN_Q-Codesequenzen der zwei PN-Generatoren 132 bzw. 134 in Multiplizierern 136 bzw. 138 multipliziert. Das Produkt aus diesem Multiplikationsprozess wird dann im Allgemeinen in Akkumulatoren 140 bzw. 142 akkumuliert und dann nachfolgend an einen Satz von Orthogonalcodetransformieren 144 und 148 ausgegeben, wo die Walsh-Codes, die durch die Datensymbole repräsentiert werden, bestimmt werden.
Eine vorbestimmte Anzahl von gesampelten Signalen, wie z. B. 64 Samples bzw. Abtastwerte werden unabhängig voneinander in Orthogonalcodetransformierer 144 und 148 eingegeben, die schnelle Hadamard Transformierer aufweisen, die eine Vielzahl von Ausgabesignalen, 64 wenn Gruppen mit Samplelänge 64 eingegeben werden, generieren. Jedes Transformiererausgabesignal entspricht einem Maß des Vertrauens, das eine bestimmte Gruppe von abgetasteten Signale einem bestimmten orthogonalen Code entspricht. Zusätzlich hat jedes Transformiererausgabesignal ein zugeordnetes Indexdatensymbol, und zwar entweder explizit oder implizit, das anzeigt, welchem bestimmten orthogonalen Code das Transformiererausgabesignal entspricht (Gruppen mit Samplelänge 64 verwenden 6 Bit lange Indizes).
Jedes I und Q Transformiererausgabesignal wird durch Multiplikation oder Quadrierungsmechanismus 150 bzw. 152 quadriert. Nachfolgend wird eine Gruppe von Entscheidungswerten generiert mittels Summierungselement oder Addierungsmechanismus 154 um jedes Paar von quadrierten Signalen zusammenzuaddieren. Dies bedeutet, ein quadriertes Signal von jedem Signalquadrierungsmechanismus wird gepaart mit anderen quadrierten Signalen, die einen zugeordneten Index, der eine Entsprechung zu demselben orthogonalen Code anzeigt, haben. Diese Summierung erzeugt einen Energiepegel, der jedem bestimmten Orthogonalcode zugeordnet ist.
Jede Gruppe von Decision- bzw. Entscheidungswerten von separaten Demodulatoren 66_N kann zu einem Summierungselement 156, das in Serie mit jedem der jeweiligen Ausgänge verbunden ist, transferiert um eine zusammengesetzte Summierung von Entscheidungswerten für mehrere Diversity-Empfängerkanäle zu bilden, und zwar gemäß zugeordneter Symbolindizes. Die kombinierten Entscheidungswerte werden in einem Dualmaximametrikgenerator 158 eingegeben, wo ein einzelner Satz von nerator 158 eingegeben, wo ein einzelner Satz von aggregierten „soff decision"-Daten produziert wird. Wie zuvor, können die kombinierten Ausgabedaten und die aggregierten bzw. angesammelten „soff decision"-Daten ebenfalls entweder in Serie oder in paralleler Form transferiert werden.
Die aggregierten Soft-Decision-Daten werden dann in einen Deinterleaver- bzw. Entschachteler- und Decodiererschaltung eingegeben, die die aggregierten Soft-Decision-Daten auf dem individuellen Datenlevel deinterleaven. Der Betrieb des Deinterleaving ist im Fachgebiet bekannt und wird hier nicht weiter diskutiert. Die entschachtelten Soft-Decision-Daten werden in einen Decoder eingegeben, der eine von mehreren bekannten Decodierungstechniken verwendet, wie z. B. Maximalwahrscheinlichkeitsdecodierung (maximum likelihood decoding), um geschätzte Verkehrskanaldatenbits für die ursprünglich gesendeten Datensignale zu generieren.
Wie jedoch oben beschrieben verwenden diese oder andere gegenwärtige Ansätze zur Signaldemodulation den Transfer von übermäßig großen Datenmengen auf dem Bus 160. Daher wurde eine neue Gatewayarchitektur durch die Erfinder entwickelt, die den Datenbetrag, der zu mehreren Demodulatoren zu Zwecken der Diversity-Signalverarbeitung transferiert wird, senkt. Durch Neuzuweisung von Ressourcen und Anwenden bestimmter Ressourcen direkt auf die Ausgabe von jedem Analogempfänger vor dem Datentransfer auf internen Datenbussen oder Leitern, wird die Datenrate im großen Maße reduziert, und zwar bevor sie in Benutzerkanäle kombiniert werden. In diesem Schema können die Transferbusse oder -leiter innerhalb eines Gateways leicht die gewünschten großen Datenbeträge und resultierenden Datentransferraten unter Verwendung von momentanen Technologien aufnehmen.
Dies wird erreicht durch Verwendung einer Serie von A/D-Wandlern, wie zuvor, an den Ausgaben bzw. Ausgängen eines jeden Analogabschnitts und zusätzliches Anwenden bzw. Anlegen der PN_I- und PN_Q-Sequenzen über alle empfangenen Signale für jeden Analogempfänger. Das heißt, alle Signale, die von jedem Analogabschnitt empfangen und verarbeitet werden, werden mit tels der geeigneten Kurz-PN-Sequenzen entspreizt bevor sie zu anderen kanalisierten Elementen für die weitere Verarbeitung transferiert werden. Dies bedeutet, dass die Entspreizung bis zu N mal parallel für jeden der M Analogempfänger erreicht wird. Die Kanäle werden im Wesentlichen unabhängig voneinander entspreizt um Differenzen in dem Timing zu berücksichtigen bzw. aufzunehmen, die für die verschiedenen Signale relativ zu dem festen Gatewaytiming auftreten können. Die Entspreizung reduziert automatisch die Datenrate für die Eingaben an die Gatewaydemodulatoren. Bei einer Verwendung in Kombination mit anderen Ressourcenzuweisungsschritten resultiert dies in eine effizientere Gatewaysignalverarbeitungsarchitektur.
Eine neue Gatewaysignalempfangsarchitektur, die gemäß der Prinzipien der vorliegenden Erfindung betrieben wird, ist in Blockdiagrammform mit Beginn in 7 dargestellt. In 7 werden eine oder mehrere Antennen 60_M und Analogempfänger 62_M wie zuvor in 4 beschrieben, verwendet. Die Ausgaben der A/D-Wandler 122_M (nicht in 62 dargestellt) werden zu einer Serie von entsprechenden FHT-Modulen 164_MN , die einem jeden Signalempfangsabschnitt 62_M zugeordnet sind, transferiert und nicht einfach an einen Demodulator 66_N . Hier wird N verwendet, um die Anzahl der FHT-Module, die pro Analogempfänger verwendet werden, anzuzeigen und entspricht der Gesamtanzahl von Kanälen n, die durch das Gateway durch jeden Analogempfänger verarbeitet werden. Die FHT-Module 164_MN werden verwendet, um Signalmetriken zu generieren, die dann zu einer Serie von N Metrikempfängern 166_N transferiert werden, wobei N typischerweise in der Größenordnung von 6–8 liegt, jedoch gleich „n" (Walsh-Funktionslänge) liegen kann, und zwar für die weitere Verarbeitung, um die Ausgabedaten zu generieren. Metrikempfänger 166_N weisen Schaltungen ähnlich zu dem Dualmetrikempfänger, der oben beschrieben wurde, auf, um Energiemetrikdaten in eine geeignete Form für die Decodierung umzuwandeln, und können mittels einer von mehreren auf dem Fachgebiet bekannten Vorrichtungen hergestellt werden.
Eine detailliertere Ansicht der FHT-Module 164_MN wird in den 8 und 9 vorgestellt. Ein empfangener/entspreizender Teil, der auch Demodulator- Front-End (DFE) bezeichnet wird, ist in der 8 gezeigt und ein Ausgabe/Metrikgenerierungsteil, der auch als Demodulator-Back-End (DBE) bezeichnet wird, ist in der 9 gezeigt. Wie in 8 dargestellt, werden die von Antennen 60 empfangenen Kommunikationssignale in dem Analogempfänger 62, wie zuvor, verarbeitet und digitalisierte I und Q Kanalsignale von A/D-Wandlern werden in I und Q Komponenten mittels eines Signalteilers (signal splitter) 170 separiert. Die I und Q Komponenten werden dann mittels geeigneter Gateway-PN_I- und -PN_Q-Codesequenzen von zwei PN-Generatoren 172 und 174 in Multiplizierern oder logischen Elementen 176 bzw. 178 multipliziert. Die Produkte aus dieser Multiplikation werden im Allgemeinen in Akkumulatoren 184 bzw. 186 akkumuliert und dann an einen Satz von Orthogonalcodetransformierern ausgegeben, wo Energiemetriken bestimmt werden, und zwar zum Schätzen der Wahrscheinlichkeit der von den empfangenen Datensymbolen repräsentierten Walsh-Codes. Daher werden die digitalisierten Kommunikationssignale, die von Teilnehmereinheiten durch jeden Gatewayanalogempfänger von einer Antenne empfangen werden demoduliert oder entspreizt mittels der PN_I- und -PN_Q-Codesequenzen, bevor eine weitere Verarbeitung oder ein Signaltransfer auftritt.
Typischerweise werden zwei PN-Generatoren 172 und 174 verwendet, um die zwei PN_I- und PN_Q-Codesequenzen jeweils zu generieren. Diese zwei PN-Sequenzen stellen die äußeren PN-Codesequenzen, die zuvor diskutiert wurden dar, und können wie ebenfalls zuvor diskutiert, generiert werden. Der Steuerprozessor 78 liefert Timing- und Sequenzsteuersignale an diese Generatoren. Zusätzliche Skewing- oder Deskewing-Schaltungen oder andere Timingelemente, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, jedoch hier aus Gründen der Klarheit nicht dargestellt sind, können verwendet werden, um das Timing des Anwendens von PN-Codes der PN-Generatoren 172 und 174 zu bewirken.
Akkumulatoren 184 und 186 sammeln und speichern Temporärsymboldaten, die von Multiplizierern oder Gattern 176 bzw. 178 vorgesehen werden, über ein vordefiniertes Zeitintervall, z. B. über eine oder mehrere Symbol- oder 128- Chip-Perioden. Wenn die Akkumulatoren 184, 186 die Symboldaten relativ lange Perioden speichern, in der Größenordnung von vielen Symbolperioden, dann haben die nachfolgenden Verarbeitungselemente mehr Zeit, diese Signale nach möglichen Teilnehmereinheitssignalen oder -kanälen von Daten auf dem empfangenen Träger zu durchsuchen bzw. zu scannen. Typischerweise ist ein Satz von Dezimierern 180 und 182 in Serie mit Akkumulatoren 184 bzw. 186 verbunden, die eine Abtast- bzw. Samplingrate für die Daten festlegt, und zwar wie sie in nachfolgenden Verarbeitungselementen gegenüber präsentiert wird. Dies dient auch dazu, den Datenbetrag, der durch die Akkumulatoren transferiert wird, zu reduzieren, was weiter die Datenrate, die von den Metrikempfängern gehandhabt werden muss, reduziert. Die Ausgaben der Akkumulatoren 184, 186 werden zu nachfolgenden Verarbeitungsstufen über einen Modulbus 188 transferiert.
Die entspreizten Signale werden dann weiter verarbeitet um gewünschte Symbolenergiemetriken zu generieren. Dies wird typischerweise erreicht mittels einer FHT-Vorrichtung, um die Datenwerte zu interpretieren oder die Walsh-Codierung zu decodieren, die für die rückwärtige Kommunikationsverbindung verwendet wurde. Dieser Prozess trifft keine Vermutungen, an welche Teilnehmer das Signal gerichtet wurde, sondern spürt einfach die Daten, die innerhalb der Signale eingebettet sind, auf. Eine Vorrichtung zum Implementieren des DBE-Teils des FHT-Moduls oder deren Funktion und die Realisierung der Metrikgenerierungsausgabe ist im weiteren Detail in der 9 dargestellt. Ein Satz von Elementen, der in 9 gezeigt ist, wird in Zusammenhang mit jedem Satz von Elementen, das in 8 (DFE) dargestellt ist, verwendet, um ein FHT-Modul für jeden analogen Finger zu vervollständigen. Wenn jedoch eine Art von Timesharing oder Hypothesenauswahl verwendet wird, könnten weniger DBE-Elemente oder Vorrichtungen verwendet werden, um die Ausgaben bzw. Ausgänge für jeden Satz von DFE-Vorrichtungen in dem Gesamt-FHT-Modul zu versorgen. Das bedeutet, dass die Auswahl von nur bestimmten der DFE-Ausgaben für die weitere Verarbeitung erreicht werden könnte, basierend auf Faktoren wie Minimalwahrscheinlichkeit oder einige Daten könnten vor der Verarbeitung kombiniert werden.
In 9 werden die Symboldaten, die in den Akkumulatoren 184, 186 gespeichert sind, zu einem „On Time"-Walsh-Chipakkumulator oder Puffer 190 transferiert bzw. zu „Früh/Spät"- und „Langsam/Schneller"-Chippuffern oder Akkumulatoren 194 bzw. 196. Diese Puffer weisen Schaltelemente auf, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, um Signalinformation oder Bits zu speichern, wenn sie in diesen Teil der FHT-Module 164_MN transferiert werden. Eine Serie von Puffern, Registern oder vordefinierten Speicherelementen, die unter der Steuerung von Befehlseinheiten oder Steuerprozessor 78 betrieben werden, kann verwendet werden, um diese Aufgabe erfüllen. In Abhängigkeit von der durchschnittlichen Benutzung innerhalb der Gateways, können einige dieser Elemente zwischen Verarbeitungsfingern geshared bzw. geteilt werden. Diese Puffer empfangen und sammeln die Symboldaten, so dass sie auf geeignete Weise verarbeitet werden können.
Der Früh/Spät-Puffer 194 wird verwendet, um Daten eine Chipperiode später und eine Periode früher, als die Daten, die von dem „On Time"-Puffer 190 vorgesehen werden, vorzusehen. Dies wird typischerweise durch Verzögern der Ausgabe des „On Time"-Puffers 190 um eine Chipperiode erreicht, so dass nicht-verzögerte Daten die relativ dazu einen Chip „frühere" Daten vorsehen, und wobei die Daten im Puffer 194 um eine weitere Chipperiode verzögert werden, um die „Spät"-Daten vorzusehen. Die Ausgabe der Früh/Spät-Puffer-194-Daten wird in eine Zeittrackingschleife (time tracking loop (TTL)) 198 eingegeben, in der das Timing der Chipsequenzen erfasst bzw. verfolgt wird, um das Timing für die PN-Sequenzentspreizung und andere Verarbeitung innerhalb der FHT-Module 164_MN einzustellen. Eine Ausgabe der Zeittrackingschleife 198 wird entweder direkt oder über Bus 188 an andere Elemente, wie z. B. PN-Generatoren 172, 175 transferiert, die die Kommunikationssignaltiminginformation, die von diesem Element zur Verfügung steht, verwenden.
Gleichzeitig empfängt der Langsamer/Schneller-Chippuffer 276 Daten und transferiert Daten an eine Frequenztrackingschleife 200, wo die Frequenz und Phase des Trägersignals für die, durch entsprechenden Analogempfänger 62_M empfangenen Daten, bestimmt wird. Diese Information wird von anderen Elementen innerhalb des Gateways, wie z. B. Analogempfängern 62_M und Steuerprozessor 78_M verwendet, um das Tracking von Analogverarbeitungselementen einzustellen, um korrekt auf die empfangenen Kommunikationssignale einzulocken.
Die im Puffer 190 gespeicherten Daten werden an eine schnelle Hadamard Transformationsvorrichtung 192 (FHT) transferiert, wo die Energiemetriken für die Symboldaten bestimmt werden. Die Struktur und der Betrieb von solchen FHT-Vorrichtungen werden von dem Fachmann verstanden und sind ebenfalls in den oben Bezug genommenen Patenten beschrieben. Die Ausgabe der FHT-Vorrichtung 192 wird an ein Ausgabesteuergatter oder Schaltelement 202 und einen Maximalenergiepegeldetektor 204 transferiert. Ein beispielhaftes Ausgabesteuerelement ist in der 9 als ein Zwei-Eingangs-UMD-Gatter gezeigt. Die Metrikdaten werden als eine Eingabe an Gatter 202 geliefert und ein Ausgabesteuersignal von einem Signal-Lock-Detektor 206 wird als die zweite Eingabe, und zwar zur Ausgabesteuerung, vorgesehen.
Die FHT-Vorrichtung 192 hat gemeinsame Eigenschaften über alle Signale, die von diesem Gateway verarbeitet werden, oder sicherlich innerhalb eines gegebenen Strahls/Teilstrahls. Daher könnte, je nach Wunsch, ein kleinerer Satz von FHT-Vorrichtungen die Gesamtzahl von Kanälen und Empfängern versorgen, und zwar mittels zeitlich aufgeteilter (shared) Hardware und Speicherelementen gemäß den Versorgungsanforderungen des Kommunikationssystems. Zusätzlich könnte ein programmierbares FHT-Element verwendet werden, um dynamisch die gewünschten Veränderungen innerhalb des Kommunikationssystems 10 oder des Gateways einzustellen.
Die Ausgabe des Maximumenergiepegeldetektors 204 wird durch den Lock-Detektor 206 verwendet um zu bestimmen, wann die FHT-Vorrichtung 102 die Symboldaten korrekt decodiert. Dies bedeutet, dass der Lock-Detektor 206 bestimmt, wann die Timing- und Frequenztrackingelemente im FHT-Modul 164_MN ein Teilnehmersignal korrekt erfassen und FHT-Vorrichtung 192 geeignet gruppierte Symboldaten, entsprechend der gesendeten Symboldaten, decodiert. An diesem Punkt gibt der Lock-Detektor bzw. Verriegelungsdetektor 206 ein Ausgabesignal aus, das die Zeittracking- bzw. Erfassungsschleife und die Frequenztrackingschleifen in ihren jeweiligen momentanen Einstellungen verriegelt, um die Erfassung der Frequenz zumindest für eine vorbestimmte Zeitperiode wie z. B. 7 Symbolperioden fortzusetzen und gibt den Ausgang von Gatter 202 frei.
Wie deutlich zu erkennen ist, gibt es, wenn jedes dieser Elemente 170–206N mal pro M Empfänger dupliziert wird, eine größere Anzahl von verwendeten Grundschaltelementen, als es zuvor hinsichtlich einer typischen terrestrischen Repeaterbasisstation beschrieben wurde. Diese Schaltelemente sind jedoch auf dem Fachgebiet weit entwickelt und bekannt und können mittels momentaner integrierter Schaltkreistechnologien kostengünstig dupliziert werden. Solche Elemente nehmen wenig Raum ein und sind sehr zuverlässig, was zu einer sehr zuverlässigen Gatewayarchitektur beiträgt.
Die Ausgabe des Gatters 202 wird an Metrikempfänger 166_N geliefert, die als Post- bzw. Nach-Prozessoren für jede Kommunikationsschaltung oder Teilnehmereinheitskanal innerhalb des Gateways dienen. Die Ausgabe von jedem DBE-Teil eines jeden FHT-Moduls wird an einen einzelnen Kanalmetrikempfänger gelenkt. Dies bedeutet, jedes FHT-Modul lenkt seine Ausgabe an ein Metrikverarbeitungselement, entsprechend einem einzelnen Benutzerkanal, und zwar im Gegensatz zu dem vorherigen Ansatz, bei dem eine digitalisierte Empfängerausgabe an jeden Kanalempfänger gelenkt wurde. Die Ausgaben von den FHT-Modulen, die jedem Analogempfänger 62_M zugeordnet sind, und die Signale darstellen, die für denselben Kommunikationskanal bestimmt sind, jedoch über verschiedene Analogwege ankommen, werden zu den geeigneten Kanalmetrikempfängern geleitet, wo Signale von verschiedenen Modulen ebenfalls kombiniert werden.
An diesem Punkt ist die Datenrate dramatisch auf die 4800 bps Datenrate für codierte Symboldaten gesunken. Die Metrikempfänger 166_N führen jeder eine Diversity-Kombinierung aus, sowie andere Verarbeitungsschritte, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, um die Energiemetriken in eine Schätzung der empfangenen Daten zu kombinieren, was zuvor diskutiert wurde, und wobei weitere Details einer solchen Schaltung hier nicht vorgesehen werden. Die Datenausgabe der Metrikempfänger 166_N kann dann auf dieselbe Art und Weise, wie es im Fachgebiet bekannt ist, verarbeitet werden.
Was nun also beschrieben wurde ist ein neues Verfahren und Vorrichtung zum Demodulieren von Kommunikationssignalen, so dass die Datenrate, die innerhalb späterer Signalverarbeitungsstufen einer Gatewayarchitektur aufgenommen werden muss, reduziert wird, und die Komplexität der Signaltransferzwischenverbindungen ebenfalls reduziert wird. Anstatt das alle Analogempfängerausgaben an alle Demodulatoren für die Verarbeitung relativ zu einem Benutzer in jedem Demodulator präsentiert werden, wird jedes Analogsignal relativ zu mehreren Benutzern, unabhängig von anderen Analogsignalen, demoduliert. Mittels dieses Ansatzes werden Metrikdaten produziert, die mit einer niedrigeren Datenrate transferiert werden, und dann kombiniert und auf einer Benutzer- oder Einzelkanalbasis decodiert werden. Dieses sieht eine größere Effizienz in der Signalverarbeitung vor und senkt Kosten und Komplexität bei einer erhöhten Funktionszuverlässigkeit.
Die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele ermöglicht es einem Fachmann, die vorliegende Erfindung herzustellen oder sie zu verwenden. Die verschiedenen Modifikationen dieser Ausführungsbeispiele werden einem Fachmann leicht offensichtlich, wie z. B. die Anzahl oder Art der Antennen und Analogempfänger, und die Grundsätze, die hierherin definiert wurden, können auf andere Ausführungsbeispiele ohne den Einsatz einer erfinderischen (15441) Tätigkeit angewendet werden.

Claims

Ein Verfahren zum Empfangen von Signalen in einem Spektrumspreizkommunikationssystem (10) in welchem Informationen durch orthogonal kodierte Kanäle in Kommunikationssignalen kommuniziert werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Empfangen von Kommunikationssignalen über einen oder mehr Vielseitigkeits- bzw. Diversitytransferwege von einem oder mehreren Systemteilnehmern (26, 28) mittels einem oder mehreren Analogempfängern (62, 72) und Konvertieren dieser zu digitalen Kommunikationssignalen; Anwenden der digitalen Kommunikationssignale auf einen entsprechenden Satz von demodulierenden Modulen (164_MN ), die mit jedem Analogempfänger (62_M ) verbunden sind, wobei die Zahl der Module so angelegt ist, dass zumindest ein Modul für jeden Diversitykommunikationsweg, über den Signale von jedem Teilnehmer (26, 28) empfangen werden sollen, zur Verfügung steht; Entspreizen eines jeden der digitalen Kommunikationssignale mittels einer oder mehrerer vorausgewählten Codesequenzen des pseudostatistischen Rausch- bzw. pseudorandom noise (PN)-Typs in einem ersten Teil eines jeden der demodulierenden Module (164_MN ); Transformieren einer zumindest vorausgewählten Anzahl der entspreizten Kommunikationssignale jeweils in Energiemetriksignale, die anzeigend sind für Energiewerte, die codierten Daten zugeordnet sind, und zwar in einem zweiten Teil eines jeden der demodulierenden Module (164_MN ) und Transferieren eines jeden der resultierenden Energiemetriksignale, die den Signalen, die für einen Teilnehmer bestimmt sind, entsprechen, als eine Eingabe für zumindest einen einer Vielzahl von Metrikempfängern (166_N ), die dem Teilnehmer (26, 28) vorzugewiesen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entspreizen codierte Datensymbole generiert und das Transformieren den Schritt des Transferierens der codierten Datensymbole für jeden Diversity-Weg zu einem einer Vielzahl von Orthogonalfunktionstransformierer (192) für ein Erzeugen von Symbolenergiemetriken beinhaltet, wobei die Ausgabe eines jeden Wandlers bzw. Transformierers (192) repräsentativ ist für Kanalmetriken für einen Kanal, der durch einen entsprechenden Analogempfänger (62_M ) operiert.
Verfahren nach Anspruch 2, das weiterhin den Schritt aufweist, dass Symbolenergiemetriken, die an Eingängen eines jeden der Metrikempfänger (166_N ) empfangen werden, von mehreren Transformierern summiert werden um eine Einzelkanalsymbolenergiemetrik zum Herleiten von Kanaldaten zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Orthogonalfunktionstransformierer (192) Fast-Hadamard-Transformierer aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder der Metrikempfänger (166_N ) einem einzelnen codierten Signalkanal, der zu verarbeiten ist, entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Analogempfänger (62_M ) konfiguriert sind zum Empfangen von Signalen von zumindest einer Trägerfrequenz und die Signale zu digitalen Kommunikationssignalen mit einer vorbestimmten Abtastrate konvertieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Analogempfänger (62_M ) innerhalb einer Basisstation des Gateway-Typs (22) vorgesehen sind und zumindest ein satellitengestützter Repeater (18, 20) eingesetzt wird um die Kommunikationskanalsignale von Teilnehmereinheiten (26, 28) innerhalb des Kommunikationssystems zu den erwähnten Analogempfängern (62_M ) zu transferieren.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei es mindestens zwei Satelliten (18, 20) gibt, die in Kommunikation mit dem Gateway (22, 24) zu einem beliebigen Zeitpunkt stehen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorausgewählten Pseudorausch (Pseudonoise(PN))-Sequenzen ebenfalls eingesetzt werden, um In-Phasen- und Quadraturkomponenten der Digitaldatensignale vor der Übertragung zu den beabsichtigten Empfängern bzw. Rezipienten zu modulieren.
Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin folgende Schritte aufweist: Verfolgen bzw. Tracken einer relativen Zeitdifferenz zwischen empfangenen Kommunikationssignalen und einer Phase der PN-Sequenzen, die für das Entspreizen eingesetzt werden, und Vorsehen eines Timing-Einstellsignals um Vorzeichen und Betrag einer jeglichen Differenz anzuzeigen.
Vorrichtung zum Empfangen von Signalen in einem Spektrumspreizkommunikationssystem (10), in dem Informationen über orthogonal kodierte Kommunikationskanäle in Kommunikationssignalen, die von Systemteilnehmern (26, 28) gesendet werden, kommuniziert werden, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: einen oder mehrere Analogempfänger (62_M ), die verbunden sind um Spektrumspreizkommunikationssignale zu empfangen, wobei jeder Empfänger (62_M ) konfiguriert ist um Signale mit zumindest einer Trägerfrequenz zu empfangen und diese Signale zu Digitalkommunikationssignalen, die an Ausgängen vorgesehen werden, zu konvertieren; eine Vielzahl von demodulierenden Mitteln (164_MN ), die mit den Ausgängen eines jeden der Analogempfänger (62_M ) verbunden sind um jedes der digitalen Kommunikationssignale mittels einer oder mehrerer vorausgewählten Codesequenzen des pseudostatistischen Rausch(Pseudorandom Noise(PN))-Typs um codierte Datensymbole zu erzeugen, zu entspreizen, und weiter zum Transformieren von zumindest ei ner vorausgewählten Anzahl der entspreizten Kommunikationssignale in Energiemetriksignale, die anzeigend sind für Energiewerte, die den codierten Daten zugeordnet sind, wobei die Mittel konfiguriert sind zum Aufnehmen bzw. Übernehmen eines jeden Diversity-Kommunikationsweges, über den Informationen von jedem Teilnehmer (24, 28) durch den entsprechenden Analogempfänger (62_M ) empfangen werden soll; und eine Vielzahl von Metrikdatenempfängern (166_N ), wobei jeder verbunden ist um Energiemetriksignale von einem oder mehreren der Demodulationsmodule, die jedem Analogempfänger (62_M ) zugeordnet sind, zu empfangen, wobei die Module Signalmetriken für einen vorzugewiesenen, einzelnen, codierten Kommunikationskanal vorsehen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die demodulierenden Mittel (164_MN ) demodulierende Module (164_MN ) aufweisen, wobei die Anzahl der Module so ausgelegt ist, dass zumindest ein Modul für jeden Diversity-Kommunikationsweg, über den Information von jedem Teilnehmer (24, 28) durch den entsprechenden Analogempfänger (62_M ) empfangen werden soll, zur Verfügung steht, wobei jedes Folgendes aufweist: Entspreizungsmittel zum Generieren von codierten Datensymbolen; und Transformationsmittel zum Empfangen der codierten Datensymbole und zum Ausführen von Orthogonalfunktionstransformationen um Symbolenergiemetriken repräsentativ für Kanalmetriken für einen Kanal der durch einen entsprechenden Analogempfänger (62_M ) operiert, zu generieren.
Vorrichtung nach Anspruch 12, der weiterhin Summierungsmittel aufweist zum Summieren von Symbolenergiemetriken, die an Eingängen eines jeden der Metrikempfänger von mehreren Modulen empfangen werden, um eine einzelne Kanalsymbolenergiemetrik zum Herleiten von Kanaldaten zu generieren.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Transformationsmittel (192) Fast-Hadamard-Tranformierer bzw. schnelle Hadamard-Transformierer aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei jeder der Metrikempfänger (166_N ) einem einzelnen codierten Signalkanal, der zu verarbeiten ist, vorzugewiesen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Analogempfänger (62_M ) konfiguriert sind zum Empfangen von Signalen auf zumindest einer Trägerfrequenz und zum Konvertieren der Signale zu Digitalkommunikationssignalen mit vorbestimmten Abtast- bzw. Samplingraten.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Analogempfänger (62_M ) innerhalb einer Basisstation des Gatewaytyps (22, 24) vorgesehen sind und zumindest ein satellitengestützter Repeater eingesetzt wird um die Kommunikationskanalsignale von Teilnehmereinheiten (26, 28) innerhalb des Kommunikationssystems zu den Analogempfängern (62_M ) zu transferieren.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei es zumindest zwei Satelliten (18, 20) gibt, die zu einem beliebigen Zeitpunkt mit dem Gateway (22, 24) in Kommunikation stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die vorausgewählten pseudostatistischen-(PN)-Sequenzen ebenfalls eingesetzt werden um In-Phasenund Quadraturkomponenten von Digitaldatensignalen vor der Übertragung zu den beabsichtigten Rezipienten zu modulieren.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Kommunikationssystem ein drahtloses Telefon/Datenkommunikationssystem aufweist, in dem Fernbenutzer (26, 28) innerhalb einer Vielzahl von Zellen plaziert sind und Informationssignale zu zumindest einem Gateway (22, 24) mittels Kommunikationssignalen des Codemultiplexvielfachzugriffs-(Code Division Multiple Access (CDMA))-Spektrumspreiztyps kommunizieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zahl der Module gleich dem Produkt einer vorbestimmten maximalen Anzahl von Teilnehmern (26, 28), die durch einen Empfänger (62_M ) versorgt werden sollen, und der maximal erwarteten Anzahl von Signalwegen, über die Signale von jedem Teilnehmer (26, 28) empfangen werden sollen, ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Zahl der demodulierenden Mittel (164_MN ) gleich dem Produkt einer vorbestimmten maximalen Anzahl von Teilnehmern (26, 28), die von einem Empfänger (62_M ) versorgt werden sollen, und der maximal erwarteten Anzahl von Signalwegen, über die Signale von jedem Teilnehmer (26, 28) empfangen werden sollen, ist.