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Hintergrund der Erfindung
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I. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kommunikationssysteme.
Insbesondere betrifft die Erfindung Kommunikationssysteme mit Zufallszugriff.
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II. Beschreibung des Stands
der Technik
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Die
Verwendung von drahtlosen Kommunikationssystemen für die Übertragung
von Digitaldaten breitet sich immer weiter aus. Bei einem drahtlosen
System ist die kostbarste Ressource im Hinblick auf Kosten und Verfügbarkeit
typischerweise die drahtlose Übertragungsstrecke
selber. Daher besteht ein wesentliches Konstruktionsziel für das Design
eines Kommunikationssystems, das eine drahtlose Ubertragungsstrecke
aufweist, in der effizienten Nutzung der verfügbaren Kapazität der drahtlosen Übertragungsstrecke.
Außerdem
ist es auch wichtig, die mit der Datenübertragung einhergehende Verzögerung zu
minimieren.
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Bei
einem System, bei dem eine Vielzahl von Einheiten um endliche Systemressourcen
konkurrieren, muß ein
Mittel entwickelt werden, um den Zugriff auf solche Ressourcen zu
regulieren. Bei einem Digitalsystem haben abgesetzte Einheiten die
Tendenz, gebündelt
auftretende Daten zu erzeugen. Die gebündelt auftretenden Daten sind
dadurch charakterisiert, daß sie
ein großes
Spitze-Mittelwert-Verkehrsverhältnis
haben, was bedeutet, daß große Datenblöcke während kurzer
Perioden übertragen
werden, die zwischen deutlich längeren
Ruheperioden liegen. Die Dedizierung eines einzelnen Kommunikationskanals zu
jeder aktiven Einheit resultiert nicht in einer effizienten Nutzung
der Systemkapazität
bei einem System, in dem Einheiten gebündelt auftretende Daten erzeugen,
weil während
der Zeiten, in denen die abgesetzte Einheit das System nicht nutzt,
der zugewie sene Kanal frei bzw. im Ruhezustand bleibt. Die Anwendung
von dedizierten Kanälen
kann ferner die Anzahl von abgesetzten Einheiten, die das System gleichzeitig
nutzen können,
starr begrenzen, und zwar ungeachtet der Nutzungsmuster der abgesetzten
Einheiten. Außerdem
kann die Anwendung von dedizierten Kanälen zu einer inakzeptablen
Verzögerung
führen,
wenn der jeder abgesetzten Einheit zugeordnete Kapazitätsanteil
so klein ist, daß Datenübertragungsraten
erheblich gefährdet
sind.
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Die
Charakteristiken des ankommenden und abgehenden Verkehrs haben in
einem digitalen Datensystem die Tendenz, signifikant verschieden
zu sein. Beispielsweise in einem System, das drahtlose Internetdienste
bietet, ist eine typische ankommende Übertragung von einer abgesetzten
Einheit relativ kurz, etwa eine Anforderung einer Webseite. Eine
typische Übertragung
von abgehenden Daten zu einer abgesetzten Einheit tendiert jedoch
dazu, relativ groß zu
sein. Beispielsweise kann das System als Reaktion auf eine Anforderung
einer Webseite eine signifikante Datenmenge übertragen. Da die Charakteristiken
des Sammel- und des Verteilerkanals sehr verschieden sind, kann
der Wirkungsgrad des Systems gesteigert werden, indem zwei separate
Protokolle für
die Übertragungsstrecke
in Sammelrichtung und die Übertragungsstrecke
in Verteilrichtung entwickelt werden.
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Es
wurde ein ALOHA-Zufallszugriffsprotokoll verwendete zur Nutzung
in der ankommenden Übertragungsstrecke
von einer abgesetzten Einheit in einem Digitaldatensystem. Der ALOHA
zugrundeliegende Gedanke ist sehr einfach: Die abgesetzten Einheiten
senden immer dann, wenn sie zu sendende Daten haben. Wenn die abgesetzten
Einheiten eine Kommunikationsressource nutzen, auf die jeweils nur
eine abgesetzte Einheit zu einem Zeitpunkt Zugriff hat, wird die
Information von jeder abgesetzten Einheit zerstört, wenn zwei Einheiten gleichzeitig senden
und eine Kollision auslösen.
Bei einem System, bei dem die abgesetzte Einheit den Zufallszugriffskanal überwachen
kann, kann die abgesetzte Einheit den Kanal abhören, um zu bestimmen, ob ihre Übertragung
das Opfer einer Kollision ist. Bei einem System, bei dem die abgesetzte
Einheit den Zufallszugriffskanal nicht überwacht oder nicht überwachen
kann, kann die abgesetzte Einheit eine Kollision auf der Basis der
Abwesenheit einer Bestätigung
detektieren, die von einer Hub-Station
als Reaktion auf eine Übertragung
empfangen wird. Immer, wenn eine Kollision auftritt, wartet gemäß dem ALOHA-Standardbetrieb
die abgesetzte Einheit für
die Dauer eines zufälligen
Zeitabschnitts und sendet die Daten erneut. Die Wartezeit muß zufällig sein,
weil sonst die kollidierenden abgesetzten Einheiten immer und immer
wieder Kollisionen im Lockstep erzeugen.
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1 ist
ein Zeitdiagramm, das die Operation eines reinen ALOHA-Vielfach-Zufallszugriffsystems
zeigt. Wie 1 zeigt, senden fünf abgesetzte Einheiten,
die mit A, B, C, D und E bezeichnet sind, Datenpakete innerhalb
eines gemeinsamen Kommunikationskanals. Immer, wenn zwei abgesetzte
Einheiten gleichzeitig senden, findet eine Kollision statt, und
beide Übertragungen
sind verloren. Wenn bei einem reinen ALOHA-System das erste Bit
einer neuen Übertragung
nur das letzte Bit einer bereits laufenden Übertragung überlappt, werden beide Übertragungen vollständig zerstört, und
beide müssen
zu einem anderen Zeitpunkt erneut gesendet werden. In dem frequenzmodulierten
bzw. FM-Kanal, der
in 1 gezeigt ist, in dem keine zwei Pakete gleichzeitig
gesendet werden können,
kollidiert beispielsweise ein Paket 12 von der abgesetzten
Einheit B mit einem Paket 10, das von der abgesetzten Einheit
A gesendet wird, und einem Paket 14, das von der abgesetzten
Einheit C gesendet wird. Die abgesetzte Einheit A muß die Information
in dem Paket 10 erneut senden, die abgesetzte Einheit B
muß die
Information in dem Paket 12 erneut senden, und die abgesetzte Einheit
C muß die
Information in dem Paket 14 erneut senden. 1 zeigt
die abgesetzte Einheit C, die das Paket 14 erneut als Paket 14R sendet.
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Wenn
in einem reinen ALOHA-System die mittlere Paketsenderate niedrig
ist, werden die meisten Pakete ohne Kollision übertragen. Mit zunehmender
mittlerer Paketsenderate nimmt die Anzahl von Kollisionen zu, und
somit nimmt auch die Anzahl von Übertragungswiederholungen
zu. Da die mittlere Paketsenderate linear ansteigt, nimmt die Wahrscheinlichkeit
von Übertragungswiederholungen
und vielfachen Übertragungswiederholungen
exponentiell zu. Mit zunehmender mittlerer Paketsenderate fällt zu einem
bestimmten Zeitpunkt die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Übertragung
unter eine annehmbare Zahl, und das System wird praktisch nicht
nutzbar. In einem reinen ALO-HA-System
ist die beste Kanalausnutzung, die erreichbar ist, ungefähr 18 %.
Unterhalb 18 % ist die Ausnutzung des Systems zu niedrig. Oberhalb
18 % nimmt die Anzahl der Kollisionen zu, so daß der Systemdurchsatz abzunehmen beginnt.
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Die
Einführung
einer Satellitenverbindung in ein digitales Kommunikationssystem
kompliziert das Dilemma des Vielfachzugriffs. Die Verwendung eines Synchronsatelliten
führt typischerweise
eine Verzögerung
von 270 ms zwischen dem Senden eines Signals von einer abgesetzten
Einheit und dem Empfang dieses Signals an einer Hub-Station ein.
Infolge der durch eine Satellitenverbindung eingeführten Verzögerung sind
zeitlich geplante Zugriffspläne
für viele
Anwendungen nicht praktikabel, da die abgesetzte Einheit Systemressourcen
anfordern muß,
bevor sie eine Übertragung
beginnt. Daher ist eine Satellitenverbindung, die eine große Zahl
von abgesetzten Einheiten bedient, die gebündelt auftretende Daten senden,
eine aussichtsreiche Umgebung zur Implementierung eines ALOHA-Systems.
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Wenn
ein ALOHA-System in einem Satellitensystem implementiert ist, in
dem die abgesetzten Einheiten den Zufallszugriffskanal entweder
nicht überwachen
oder nicht überwachen
können,
weiß im Fall
einer Kollision die abgesetzte Einheit für mindestens 540 ms nichts
von der Kollision. Zusätzlich
zu der Verzögerung
der Mitteilung muß die
abgesetzte Einheit typischerweise eine Zufallszeit warten, bevor die
Daten erneut gesendet werden (um sich wiederholende Lockstep-Neuübertragungen
zu vermeiden). Das erneut gesendete Signal wird der zeitlichen Verzögerung von
270 ms erneut unterworfen. Die kumulative Verzögerung einer solchen Übertragung
kann ohne weiteres eine Sekunde überschreiten.
Bei einem voll ausgelasteten System kann die Verzögerung aufgrund
der erhöhten
Wahrscheinlichkeit von wiederholten Kollisionen deutlich länger sein.
Bei Verwendung einer Satellitenverbindung ist es daher vorteilhaft,
die Anzahl von erneuten Übertragungen, die
auf Kollisionen sowie andere Ursachen zurückgehen, zu begrenzen. Die
Anzahl von Neuübertragungen
infolge von Kollisionen kann verringert werden, indem einfach die
zulässige
Systembelastung verringert wird.
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Die
Satellitenverbindung führt
außerdem
Herausforderungen in bezug auf das erfolgreiche Senden von Daten über die
Verbindung ein. Infolge des hohen Grads an Störeinflüssen und der hohen Pfadverluste,
die eine Satellitenverbindung charakterisieren, muß typischerweise
eine relativ robuste physische Schnittstelle verwendet werden. Eine
physische Schnittstelle, die gewöhnlich über Satellitenverbindungen
verwendet wird, ist ein DSSS.
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Bei
einem bekannten DSSS-System ist der Kommunikationskanal durch eine
binäre
Spreizsequenz maximaler Länge
definiert. Jeder diskrete Binärwert,
der eine Spreizsequenz bildet, wird als "Chip" bezeichnet.
Die Spreizsequenz wird so gewählt,
daß die
Autokorrelation der Sequenz mit sich selbst für alle chipmäßig ausgerichteten
Offsets, die nicht Null sind, nahezu Null ist. Eine Pseudozufallsfolge-
bzw. PZF-Sequenz maximaler Länge
mit einer Länge
n hat die Eigenschaft, daß ihre
Zirkularkorrelation mit sich selber (Autokorrelation) entweder 1
oder 1/n für
jeden chipmäßig ausgerichteten
Offset ist. Die Korrelation der gewählten Spreizsequenz mit sich selber
ist gleich 1/n für
alle von dem Null-Offset verschiedenen chipmäßig ausgerichteten Offsets.
Die Korrelation ist ferner 1/n zwischen der Sequenz und ihrem Kehrwert
für alle
von dem Null-Offset verschiedenen chipmäßig ausgerichteten Offsets.
Die Korrelation der Sequenz mit sich selber zum zeitlichen Null-Offset
ist gleich 1. Während
also die Länge
n der Spreizsequenz zunimmt, nimmt auch die Orthogonalität und damit
die Trennung zwischen den entsprechenden Kanälen zu. Die Mittel, mit denen
Sequenzen maximaler Länge
identifiziert und erzeugt werden können, sind im Stand der Technik
wohlbekannt.
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Bei
einem typischen System wird jedes Datenbit, das von der abgesetzten
Einheit erzeugt wird, mit einem oder mehreren Chips moduliert, bevor
es über
die drahtlose Strecke gesendet wird. Auf diese Weise werden die
schmalbandigen Digitaldaten über eine
breitere Sendebandbreite gespreizt. Beim Empfänger werden die empfangenen
Daten mit der gleichen Spreizsequenz multipliziert, die zum Erzeugen des
Signals angewandt wurde, um die entsprechenden Digitaldaten zu extrahieren.
Da die DSSS-Signalwellenform bei Vorhandensein von Störungen robust
ist, kann die Anzahl von erneuten Übertragungen infolge von Störungen,
die nicht Kollisionen sind, durch die Einfügung der DSSS-Signalgabe verringert werden.
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In
einem DSSS-System senden die abgesetzten Einheiten in einem gemeinsamen
Frequenzband, wodurch für
andere Systemanwender ein gewisses Maß an Störungen verursacht wird. Der
Systemwirkungsgrad in einem DSSS-System wird erhöht, wenn die an der Hub-Station
von jeder abgesetzten Einheit empfangene Leistung so gesteuert wird,
daß jedes
Signal an dem Hub-Stationsempfänger
mit ungefähr
demselben Pegel empfangen wird. Wenn ein von einer abgesetzten Einheit
gesendetes Signal an dem Hub-Stationsempfänger mit
einem Leistungspegel ankommt, der relativ niedrig ist, kann die
Signalgüte
unter ein akzeptables Maß sinken. Wenn
andererseits das Signal von der abgesetzten Einheit mit einem relativ
hohen Leistungspegel ankommt, wirkt das Hochleistungssignal als
unnötige Störung für andere
abgesetzte Einheiten. Typischerweise wird die von der abgesetzten
Einheit übertragene
Leistung von der Hub-Station gesteuert. Die Hub-Station sendet Leistungseinstellbefehle
an die abgesetzte Einheit, um die an der Hub-Station empfangene
Leistung auszugleichen.
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2 ist
ein Zeitdiagramm, das eine bekannte ALOHA-Spreizspektrum-Zufallszugriffoperation
für fünf beispielhafte
abgesetzte Einheiten A', B',C', D' und E' unter Anwendung
eines identischen Codes zeigt. Für
die Zwecke der Veranschaulichung verwendet das System in 2 einen
Spreizcode, der eine Länge
von nur sieben Chips (c1 bis c7)
hat. In tatsächlichen
Systemen ist die Länge
des Spreizcodes wahrscheinlich größer als 255 Chips. In dem Zeitschlitz
t1 beginnt die abgesetzte Einheit A' eine Serie von Datenbits
zu senden, die jeweils mit der gesamten Sieben-Bit-Spreizsequenz
moduliert ist. In Systemen, die längere Spreizsequenzen verwenden, ist
es wahrscheinlich, daß jedes
Datenbit mit nur einer Untermenge der gesamten Spreizsequenz gespreizt
wird. Zum Zeitpunkt t3 beginnt die abgesetzte Einheit
E' eine Serie von
Datenbits zu senden, die mit dem gleichen Sieben-Chip-Spreizcode
moduliert sind. Zum Zeitpunkt t5 beginnt
ferner die abgesetzte Einheit C',
eine Serie von Datenbits zu senden, die mit dem gleichen Sieben-Chip-Spreizcode
moduliert sind.
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Wie
oben gesagt wird, ist die Spreizsequenz so gewählt, daß sie bei allen chipmäßig ausgerichteten
Offsets, die nicht der Null-Offset sind, nahezu orthogonal mit sich
selbst ist. Unter dem in
2 gezeigten Szenario erzeugen
daher die abgesetzten Einheiten A', C' und
E' einen niedrigen
Störpegel
miteinander, weil ihre jeweiligen Übertragungen voneinander versetzt
sind. Wenn jedoch zwei abgesetzte Einheiten während dieses gleichen Zeitschlitzes
zu senden beginnen (was in einem Null-Offset resultiert), tritt
eine Kollision auf, und beide Übertragungen sind
verloren. Da jede abgesetzte Einheit ihr Signal mit derselben Spreizsequenz
spreizt, wartet im Fall einer Kollision jede abgesetzte Einheit während eines
Zufallszeitraums, bevor sie mit dem erneuten Senden beginnt, um
wiederholte Kollisionen in Lockstep zu vermeiden. Zusätzliche
Informationen, die die Anwendung von identischen Spreizcodes in
einem ALOHA-CDMA-Kommunikationssystem betreffen, findet man in der
US-PS 5 537 397 mit dem
Titel "SPREAD ALOHA
CDMA DATA COMMUNICATIONS",
erteilt am 16. Juli 1996.
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Die
in 2 gezeigten Chipdaten werden mit den Datenbits
moduliert, die die drahtlose Verbindungsinformation wie etwa die
gesendete Nachricht tragen. 3 ist ein
Zeitdiagramm, das das Aufprägen
von Bitdaten auf das in 2 gezeigte System darstellt.
In 3 wird davon ausgegangen, daß dann, wenn eine logische "1" gesendet wird, der Spreizcode in einer
nichterweiterten Form sendet. Wenn eine logische "0" gesendet wird, wird der Kehrwert des
Spreizcodes gesendet. Die Übertragung
einer logischen "0" und die Umkehrung
der entsprechenden Chipdaten ist in 3 durch
einen Überstrich
bezeichnet. In 3 sendet die abgesetzte Einheit
A' eine logische "1", gefolgt von einer logischen "0", die abgesetzte Einheit C' sendet eine logische "1", gefolgt von einer logischen "0", und die abgesetzte Einheit E' sendet zwei aufeinanderfolgende logische "0"-Datenbits. Zur Untersuchung der Wirkung
der Bitdaten auf die Störbeeinflussung
zwischen Kanälen
wird das erste Datenbit untersucht, das von der abgesetzten Einheit
C' in den Zeitschlitzen
t5 bis t11 gesendet
wird. Aus der Untersuchung der Störbeeinflussung von der abgesetzten
Einheit E' zu der
abgesetzten Einheit C' während der
Perioden t5 bis t11 kann
geschlossen werden, daß die
Störbeeinflussung
gleich 1/n oder ein siebtel der Energie ist, die von der abgesetzten
Einheit E während
dieser Periode gesendet wird, und zwar infolge der oben beschriebenen
DSSS-Eigenschaften. Ein schwierigerer Fall ist durch die Untersuchung
der Störungen
von der abgesetzten Einheit A' zu
der abgesetzten Einheit C' während derselben
Periode veranschaulicht. Es ist zu beachten, daß die von der abgesetzten Einheit
A' während der
Zeitdauer t5 bis t11 gesendeten Daten Übergänge von
einem logischen Wert zum anderen haben. Der Übergang bricht die Spreizsequenz
auf und reduziert die Orthogonalität zwischen dem Signal von der
abgesetzten Einheit C' und
dem Signal von der abgesetzten Einheit A' während
dieser Periode. Daher ist es wahrscheinlich, daß die Störbeeinflussung von der abgesetzten
Einheit A' zu der
abgesetzten Einheit C' während der
Periode t5 bis t11 größer als
1/n ist. Dieses Phänomen
wird als Teil sequenzstörung
bezeichnet und kann das Signal-/Stör-Verhältnis, dem ein arbeitendes
System unterliegt, signifikant reduzieren. Beispielsweise in einem
System, in dem n gleich 255 ist und das in einer voll ausgelasteten
ALOHA-Situation betrieben wird, ist das resultierende Signal/Stör-Verhältnis für jede Übertragung
im Mittel zu 5,5 dB aufgrund der Teilsequenzstörung, die eher aus Datenübergängen anstatt
aus 1/255 oder ungefähr
24 dB resultiert. Das relativ niedrige Signal-Stör-Verhältnis verringert die Systemleistungsfähigkeit
und erhöht
somit die Wahrscheinlichkeit von erneuten Übertragungen aufgrund von Ursachen,
die nicht Kollisionen sind. Das Auftreten von erneuten Übertragungen
aufgrund dieser anderen Ursachen kann die Verzögerung, die von dem System
eingeführt
wird, auf einen unannehmbar hohen Wert erhöhen.
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Es
gibt daher Bedarf für
ein Zufallszugriffsystem, das die vorteilhafte Nutzung von Übertragungsressourcen
sowie eine annehmbare Verzögerung
ermöglicht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Bei
einem DSSS-Zufallszugriffsystem wählt eine abgesetzte Einheit
jedesmal, wenn sie eine zu sendende Nachricht hat, zufallsmäßig eine
von einer Menge von vorbestimmten Sequenzen aus, mit denen die verfügbaren Daten
moduliert werden. Beim Auftreten der nächsten Zulässigkeitsgrenze sendet die
abgesetzte Einheit die modulierten Daten. Wenn eine Kollision auftritt,
kann die abgesetzte Einheit die Nachricht erneut senden unter Nutzung
einer anderen zufallsmäßig ausgewählten der
vorbestimmten Sequenzen, beginnend an der Zulässigkeitsgrenze. Unter Nutzung
einer zweiten, zufallsmäßig ausgewählten Sequenz
braucht die abgesetzte Einheit das erneute Senden nicht um eine
zufallsmäßige Periode zu
verzögern,
um eine Lockstep-Kollision mit einem Signal einer anderen abgesetzten
Einheit zu vermeiden. Indem also die Notwendigkeit einer Aufschiebung
eines erneuten zufallsmäßigen Sendeversuchs beseitigt
ist, wird die mit dem Zufallszugriffsprozeß einhergehende mittlere Verzögerung verringert.
Die Nutzung der wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen erlaubt den
abgesetzten Einheiten, ihre Bitdatengrenzen auszurichten, was daher
in einer signifikanten Verringerung der Kanalinterferenzen resultiert.
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In
einem System, in dem eine Vielzahl von abgesetzten Einheiten um
begrenzte Kommunikationsressourcen konkurrieren, greift eine abgesetzte Einheit
auf das System zu durch zufallsmäßiges Auswählen einer
ersten Sequenz aus einer Menge von vorbestimmten Sequenzen und anschließendes Senden
eines mit der ersten Sequenz modulierten Datenbitstroms, wobei das
Senden an einer von einer Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen
beginnt. Wenn die abgesetzte Einheit bestimmt, daß der Datenstrom
nicht erfolgreich an einer Hub-Station empfangen worden ist, wählt sie
zufallsmäßig eine zweite
Sequenz aus der Menge von vorbestimmten Sequenzen aus und sendet
den mit der zweiten Sequenz modulierten Datenbitstrom, wobei das
Senden an einer von der Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen
beginnt. Die abgesetzte Einheit kann einen Befehl von der Hub-Station
empfangen, der sie anweist, eine reservierte Sequenz aus der Menge von
vorbestimmten Sequenzen zu entfernen. Als Antwort darauf unterläßt die abgesetzte
Einheit vorübergehend
das Senden unter Nutzung der reservierten Sequenz für Zufallszugriffskommunikationen.
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Bei
einer Ausführungsform
weist die Menge von vorbestimmten Sequenzen eine Sequenz maximaler
Länge und
eine Vielzahl von gedrehten Versionen der Sequenz maximaler Länge auf.
Bei einer anderen Ausführungsform
sind die wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen
mit Grenzen zwischen Datenbits innerhalb des Datenbitstroms koinzident.
Bei einer Ausführungsform
bestimmt die abgesetzte Einheit, ob der Datenstrom erfolgreich empfangen
worden ist, durch Überwachen
eines Kommunikationskanals, der den mit der ersten Sequenz modulierten Datenbitstrom
führt,
um eine Kollision mit einem Signal einer anderen abgesetzten Einheit
zu detektieren. Bei einer anderen Ausführungsform bestimmt die abgesetzte
Einheit, daß der
Datenstrom nicht erfolgreich empfangen worden ist, durch Bestimmen, ob
eine Quittungsmeldung über
den Empfang des Datenbitstroms von der Hub-Station empfangen worden
ist.
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Bei
einer Ausführungsform
wählt die
abgesetzte Einheit zufallsmäßig einen
Frequenzkanal aus, über
den der mit der zweiten Sequenz modulierte Datenbitstrom gesendet
werden kann. Bei noch einer anderen Ausführungsform verzögert die
abgesetzte Einheit zufallsmäßig das
Senden des mit der zweiten Sequenz modulierten Datenbitstroms.
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Die
Menge von vorbestimmten Sequenzen können Walsh-Codes sein oder
können
Walsh-Codes sein, die mit einem zweiten Code maskiert worden sind.
Der zweite Code kann spektrale Eigenschaften der Menge von vorbestimmten
Sequenzen bestimmen. Die Menge von vorbestimmten Sequenzen kann
eine Sequenz maximaler Länge
und eine Vielzahl von gedrehten Versionen der Sequenz maximaler
Länge aufweisen.
Der mit der ersten Sequenz modulierte Datenstrom kann unter Anwendung
eines Modulationsschemas höherer
Ordnung gesendet werden. Beispielsweise kann das Modulationsschema
höherer
Ordnung eine Quadratur-Amplitudenmodulation sein, die mindestens
16 Werte oder eine 8er- oder 16er-Phasenumtastung aufweist.
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Die
abgesetzte Einheit kann einen Leistungssteuerungsbefehl von einer
Hub-Station empfangen, um einen zum Senden verwendeten Leistungspegel
mit einer Präzision
innerhalb von ungefähr
1 dB einzustellen. Der Sendeweg kann eine Satellitenverbindung aufweisen.
Die abgesetzte Einheit kann einen Befehl von der Hub-Station empfangen, eine
reservierte Sequenz von der Menge von vorbestimmten Sequenzen zu
nutzen. In einem solchen Fall sendet die abgesetzte Einheit einen
mit der reservierten Sequenz aus der Menge von vorbestimmten Sequenzen
modulierten Datenbitstrom, beginnend an einer von der Menge von
wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen.
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Die
Hub-Station korreliert eine oder mehrere von der Menge von vorbestimmten
Sequenzen mit einer Menge von ankommenden Daten-Samples, beginnend
an einer von einer Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen. Wenn die
Hub-Station einen Signalpegel oberhalb eines Detektionsschwellenwerts
detektiert, der einer detektierten Sequenz aus der Menge von vorbestimmten
Sequenzen entspricht, demoduliert sie ein Signal der abgesetzten Einheit
unter Nutzung der detektierten einen Sequenz aus der Menge von vorbestimmten
Sequenzen. Bei einem Aspekt detektiert die Hub-Station die Länge einer
Nachricht der abgesetzten Einheit, die einen Grenzwert überschreitet.
Die Hub-Station
sendet eine Nachricht an andere abgesetzte Einheiten unter vorübergehendem
Entfernen der detektierten einen Sequenz aus der Menge von vorbestimmten Sequenzen,
so daß die
anderen abgesetzten Einheiten die Nutzung der detektierten einen
Sequenz aus der Menge von vorbestimmten Sequenzen für Zufallszugriffskommunikationen
unterlassen. Die Hub-Station kann eine Angabe über die Menge von wiederkehrenden
Zulässig keitsgrenzen
an eine Menge von abgesetzten Einheiten senden. Bei einer Ausführungsform
demoduliert die Hub-Station eine Serie von nicht-konkurrierenden
Kanälen,
die sich ein gemeinsames Frequenzspektrum mit der Menge von ankommenden
Signal-Samples teilen, wobei die Serie von nicht-konkurrierenden
Kanälen
10 % bis 25 % der Kapazität
des gemeinsamen Frequenzspektrums verbraucht und diese Kanäle mit der
Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen
bitmäßig ausgerichtet
sind. Die Hub-Station kann einen Leistungssteuerungsbefehl an die
abgesetzte Einheit senden, um ein Leistungsniveau einzustellen,
bei dem die abgesetzte Einheit mit einer Präzision von innerhalb ungefähr 1 dB
sendet.
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Die
Hub-Station kann eine Vielzahl von DSSS-Zufallszugriff-Kommunikationskanälen in bezug
auf Zufallszugriff-Kommunikationssignale überwachen. Die Hub-Station
kann einer bestimmten abgesetzten Einheit vorübergehend einen ausgewählten von
der Vielzahl von DSSS-Zufallszugriff-Kommunikationskanälen zuweisen.
Die Hub-Station kann einen Befehl an andere abgesetzte Einheiten
senden, welche die Vielzahl von DSSS-Zufallszugriff-Kommunikationskanälen nutzen,
vorübergehend
die Nutzung des ausgewählten
einen Kanals für die
Zufallszugriff-Kommunikation zu unterlassen.
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Eine
abgesetzte Einheit kann aufweisen: einen Prozeß, der zufallsmäßig eine
erste Frequenz aus einer Menge von vorbestimmten Sequenzen auswählt, einen
Prozeß,
der einen mit der ersten Sequenz modulierten Datenstrom, beginnend
an einem von einer Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen, sendet, einen
Prozeß,
der bestimmt, daß der
Datenbitstrom nicht erfolgreich an einer Hub-Station empfangen worden
ist, einen Prozeß, der
zufallsmäßig eine
zweite Sequenz aus der Menge von vorbestimmten Sequenzen auswählt, und
einen Prozeß,
der den mit der zweiten Sequenz modulierten Datenstrom, beginnend
an einer von der Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen, sendet. Die
abgesetzte Einheit kann ferner einen Prozeß aufweisen, der zufallsmäßig einen
Frequenzkanal auswählt, über den
der mit der ersten und zweiten Sequenz modulierte Datenbitstrom
zu senden ist. Die abgesetzte Einheit kann einen Prozeß aufweisen, der
das Senden des mit der zweiten Sequenz modulierten Datenbitstroms
zufallsmäßig verzögert. Außerdem kann
die abgesetzte Einheit einen Prozeß aufweisen, der einen Befehl
von der Hub-Station dahingehend empfängt, eine reservierte Sequenz
von der Menge von vorbe stimmten Sequenzen zu verwenden, und einen
Prozeß aufweisen,
der einen mit der reservierten Sequenz von der Menge von vorbestimmten
Sequenzen modulierten Datenbitstrom, beginnend an einer von der
Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen,
sendet.
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Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch
1 und Anspruch 20 sowie eine abgesetzte Einheit gemäß Anspruch 33.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachstehenden genauen Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen,
in denen gleiche Teile durchweg mit gleichen Bezugszeichen versehen
sind; die Zeichnungen zeigen in:
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1 ein
Zeitdiagramm, das die Operation eines reinen ALOHA-Vielfach-Zufallszugriffsystems zeigt;
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2 ein
Zeitdiagramm, das den bekannten Spreizband-ALOHA-Zufallszugriff
verdeutlicht;
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3 ein
Zeitdiagramm, welches das Aufprägen
von Bitdaten auf das in 2 gezeigte System veranschaulicht;
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4 ein
Blockdiagramm, das ein System gemäß der Erfindung zeigt;
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5 ein
Zeitdiagramm, das beispielhaft die Operation gemäß der Erfindung zeigt;
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6 ein
Ablaufdiagramm, das beispielhaft die Operation einer abgesetzten
Einheit zeigt; und
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7 ein
Ablaufdiagramm, das beispielhaft die Operation einer Hub-Station
zeigt.
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Genaue Beschreibung
der Erfindung
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Ein
DSSS-Zufallszugriffsystem gemäß der vorliegenden
Erfindung basiert funktionsmäßig auf der
Nutzung einer Menge von vorbestimmten eindeutigen Sequenzen anstelle
einer einzigen Sequenz. Jedesmal, wenn eine abgesetzte Einheit eine
zu sendende Nachricht hat, wählt
sie zufallsmäßig eine
von den vorbestimmten Sequenzen aus, mit denen die verfügbaren Daten
zu modulieren sind. Beim Auftreten der nächsten Zulässigkeitsgrenze sendet die
abgesetzte Einheit die modulierten Daten. Wenn eine Kollision auftritt,
kann die abgesetzte Einheit beim Erkennen der erfolglosen Übertragung
die Nachricht unter Nutzung einer anderen zufallsmäßig ausgewählten Sequenz
von den vorbestimmten Sequenzen, beginnend an einer Zulässigkeitsgrenze,
erneut senden. Durch die Nutzung einer zweiten zufallsmäßig ausgewählten Sequenz
braucht die abgesetzte Einheit das erneute Senden nicht um einen
zufallsmäßigen Zeitraum
zu verzögern,
um dadurch eine Lockstep-Kollision mit einem Signal einer anderen abgesetzten
Einheit zu vermeiden. Durch Eliminierung der Notwendigkeit eines
zufallsmäßigen Aufschubs
von Versuchen zum erneuten Senden wird die mit dem Zufallszugriffsprozeß einhergehende mittlere
Verzögerung
verringert. Die Nutzung der wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen erlaubt den
abgesetzten Einheiten eine Ausrichtung ihrer Bitdatengrenzen, was
somit in einer erheblichen Verringerung von Kanalbeeinflussungen
resultiert.
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Die
Zulässigkeitsgrenzen
sind eine Menge von wiederkehrenden Zeitpunkten, zu denen es der abgesetzten
Einheit erlaubt ist, mit dem Senden einer neuen Nachricht zu beginnen.
Die Zulässigkeitsgrenzen
können
so häufig
wie jede Datenbitgrenze auftreten. Um die Verzögerung zu verringern, die mit
dem Warten auf das Auftreten der nächsten Zulässigkeitsgrenze einhergeht,
ist es vorteilhaft, daß die
Zulässigkeitsgrenzen
mit einer relativ hohen Rate auftreten. Auf diese Weise ist die
Verzögerung,
die mit dem Warten auf die nächste
Zulässigkeitsgrenze
einhergeht, viel geringer als die Verzögerung, die mit der zufallsmäßigen Aufschiebung
des Sendens gemäß dem Stand
der Technik einhergeht.
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Beginnend
an jeder Zulässigkeitsgrenze sucht
die Hub-Station nach Übertragungen
von abgesetzten Einheiten durch Korrelieren der ankommenden Signal-Samples
mit einer oder mehreren der Menge von vorbestimmten Sequenzen. Bei
einer Ausführungsform
kann die Hub-Station die ankommenden Signal-Samples sammeln und
sie seriell mit der Menge von vorbestimmten Sequenzen korrelieren.
Bei einer anderen Ausführungsform
kann die Hub-Station die ankommenden Signal-Samples parallel mit
zwei oder mehr von den vorbestimmten Sequenzen korrelieren. Die
Hub-Station kann die Korrelation unter Anwendung jeder von einer
Vielzahl von bekannten Techniken zum Empfang eines Signals durchführen, das
eine Datenrate hat, die viel niedriger als die Modulationsrate ist.
Die Korrelation kann auf einem analogen Basisband, digital, bei
einer Hochfrequenz oder Zwischenfrequenz oder unter Nutzung einer
Kopie der Sequenz sowie unter Nutzung anderer Techniken ausgeführt werden.
Bei einer Ausführungsform
ist vorgesehen, daß dann, wenn
eine abgesetzte Einheit aktuell ein Signal unter Nutzung von einer
der vorbestimmten Sequenzen sendet, die Hub-Station das ankommende
Signal nicht mit dieser Sequenz zu korrelieren braucht, um eine
neue Übertragung
zu detektieren, weil jede neue Übertragung
in einer Kollision resultieren würde,
bei der sämtliche
Daten zerstört
werden würden.
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Wenn
eine Korrelation mit einer von den vorbestimmten Sequenzen einen
Energiewert ergibt, der größer als
ein Detektionsschwellenwert ist, beginnt die Hub-Station, diesen
Kanal zu demodulieren, um das Signal der abgesetzten Einheit rückzugewinnen.
Wenn zwei oder mehr abgesetzte Einheiten unter Nutzung derselben
vorbestimmten Sequenz gleichzeitig senden, kann die Hub-Station
die Anwesenheit der Signale detektieren, ist jedoch nicht fähig, eines
der Signale zu demodulieren. Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen,
daß dann,
wenn die Hub-Station ein Signal einer abgesetzten Einheit erfolgreich
demoduliert, sie eine Quittungsmeldung an die abgesetzte Einheit
sendet. Verschiedene Mittel, mit denen eine Hub-Station ein ankommendes
Signal mit einer Codiersequenz korrelieren kann, sind im Stand der
Technik wohlbekannt.
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4 ist
ein Blockbild, das ein System gemäß der Erfindung zeigt. In 4 stellt
eine Hub-Station 100 Kommunikationsressourcen für eine Vielzahl von
abgesetzten Einheiten 104A bis 104N bereit. Die Übertragungsstrecke
zwischen der Hub-Station 100 und den abgesetzten Einheiten 104 weist
einen Satelliten 102 auf. Die ankommenden Signale von den abgesetzten
Einheiten 104 werden zu dem Satelliten 102 übertragen,
wo sie an die Hub-Station weitergeleitet werden. Ebenso werden die
Signale von der Hub-Station 100 an den Satelliten 102 gesendet,
von wo sie zu den abgesetzten Einheiten 104A bis 104N weitergeleitet
werden. Die Hub-Station 100 kann Informationen an die abgesetzten
Einheiten senden, die es ihnen erlauben, das Auftreten der Zulässigkeitsgrenzen
vorherzusagen, etwa durch die Nutzung eines Pilotsignal- und Synchronisierungsprozesses
oder eine andere wohlbekannte Technik.
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Die
abgesetzten Einheiten 104 können eine Serie von einem oder
mehreren Prozessen aufweisen, die es ihnen ermöglichen, die Funktionen der
Erfindung auszuführen.
Ebenso kann die Hub-Station 100 eine Serie von einem oder
mehreren Prozessen aufweisen, die es ihr ermöglichen, die Funktionen der Erfindung
auszuführen.
Die Prozesse können
beispielsweise in einer oder mehreren integrierten Schaltungen verkörpert sein,
etwa einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung bzw. ASIC, oder
können
in Software- oder Firmware-Routinen verkörpert sein, die von einem Mikrocontroller
ausgeführt
werden.
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Unzählige Mengen
von vorbestimmten eindeutigen Sequenzen können zum Gebrauch mit der vorliegenden
Erfindung entwickelt werden. Die Menge von vorbestimmten Sequenzen
kann von den übrigen
Operationskriterien des Systems abhängig sein. Eine zweckmäßige Möglichkeit
zum Erzeugen von Sequenzen besteht darin, eine Pseudozufallsfolge- bzw. PZF-Sequenz
maximaler Länge
zu wählen und
eine Familie von Sequenzen auf der Basis der Sequenz zu erzeugen.
Beispielsweise kann eine Menge von n PZF-Sequenzen maximaler Länge aus einer
PZF-Sequenz maximaler Länge
mit der Länge n
durch Drehen der Grundsequenz wie folgt erzeugt werden:
Sequenz
1 c1 c2 c3 c4... cn
Sequenz 2 c2 c3 c4... cn c1
Sequenz
3 c3 c4... cn c1 c2...
Sequenz
n cn c1 c2 c3 c4
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Ferner
können
die eindeutigen Sequenzen Walsh-Codes sein, die unter Anwendung
wohlbekannter Techniken erzeugt werden. Walsh-Codes bieten den Vorteil,
daß sie
vollkom men orthogonal sind, wenn sie zeitlich ausgerichtet sind.
Die Nutzung von Signalen, die vollkommen orthogonal zueinander sind,
reduziert Kanalbeeinflussungen noch weiter. Die Nutzung von Walsh-Codes
im Stand der Technik ist nicht praktikabel, weil die Walsh-Codes
hohe Autokorrelationswerte für
viele Nicht-Null-Chipoffsets erzeugen.
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Ein
potentielles Problem bei Walsh-Codes ist, daß sie nicht typischerweise
gute Spreizeigenschaften ergeben. Zur Überwindung dieser Einschränkung können neue
orthogonale Sequenzmengen bestimmt werden, indem jeder Code in einer
Familie von Walsh-Codes mit einer beliebigen Binärsequenz maskiert wird. Beispielsweise
können Walsh-Codes
mit einer Sequenz maximaler Länge maskiert
werden, die dem resultierenden Signal die gewünschten Spektraleigenschaften
verleiht. Außerdem
können
entweder Walsh-Codes oder die Sequenzen maximaler Länge mit
einem langen Code überlagert
werden, der die Übertragungen
mit einer Verschlüsselung
versieht (d. h. einem zusätzlichen Hemmnis
gegen gewolltes Abfangen).
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Bei
einer Ausführungsform,
bei der die spektralen Ressourcen die Einrichtung von zwei oder mehr
parallelen Frequenzkanälen
zulassen, kann die abgesetzte Einheit auch zwischen den verfügbaren Kanälen, über die
ihr Signal zu senden ist, wählen. Beim
Auftreten einer Kollision kann die abgesetzte Einheit automatisch
die Frequenzkanäle
wechseln oder aus den verfügbaren
Frequenzkanälen
eine beliebige erneute Wahl treffen.
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5 ist
ein Zeitdiagramm, das beispielhaft die Operation von fünf abgesetzten
Einheiten A'', B'', C'', D'' und E'' gemäß der Erfindung
zeigt. In 5 sind sieben separate Sequenzen
auf der Basis einer Sieben-Chip-PZF-Spreizsequenz maximaler Länge erzeugt
worden. Jedes von der abgesetzten Einheit gesendete Informationsbit
wird bei diesem Beispiel mit der gesamten Sieben-Bit-Sequenz moduliert.
In 5 treten Zulässigkeitsgrenzen
vor den Zeitsegmenten t1, t8,
t15 und t22 auf,
wie die Schraffurmarkierungen an den entsprechenden vertikalen Zeitgrenzzeichen
in 5 zeigen. Solange keine andere abgesetzte Einheit
unter Nutzung derselben Sequenz an derselben Zulässigkeitsgrenze sendet, kann
die Hub-Station zwischen den Signalen der abgesetzten Einheiten
unterscheiden unter Anwendung wohlbekannter Spreizbanderfassungs-
und -demodulationstechniken. Wenn jedoch zwei abgesetzte Einheit unter
Nutzung derselben Sequenz an derselben Zulässigkeitsgrenze senden, tritt
eine Kollision auf und die Information von jeder abgesetzten Einheit
kann von der Hub-Station 100 nicht richtig detektiert werden.
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Ein
Vorteil der Operationsweise gemäß 5 gegenüber der
Operationsweise nach dem Stand der Technik ist, daß die Datenbitübergangsgrenzen
für jede
abgesetzte Einheit ausgerichtet sind. In 5 ist daher
die Störbeeinflussung
von der abgesetzten Einheit E'' zu dem Signal von
der abgesetzten Einheit C'' während der
Periode t8 bis t14 gleich
1/n für
alle Datenwerte. Ebenso ist die Störbeeinflussung von der abgesetzten
Einheit A'' zu dem von der abgesetzten
Einheit C'' gesendeten Signal 1/n
für alle
Datenwerte. Eine solche Operation steigert die Signalgüte, mit
der Signale von der Hub-Station 100 demoduliert werden
können,
ganz erheblich. Beispielsweise in einem System, in dem eine PZF-Sequenz
einer Länge
von 255 verwendet wird, weist ein vollständig belastetes System ein
Signal-/Stör-Verhältnis von
ungefähr
24 dB auf, was eine nahezu 80fache Verbesserung der Kanalbeeinflussung
gegenüber
dem Stand der Technik ist.
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Die
Beseitigung der partiellen Sequenzautokorrelations-Beeinflussung
wird dadurch erreicht, daß die
Zulässigkeitsgrenzen
an den Datenbitgrenzen vorgesehen sind. Zulässigkeitsgrenzen können an
jeder Bitgrenze oder an einer Untermenge von sämtlichen Bitgrenzen vorgesehen
werden. Die geringfügige
Verzögerung,
die mit dem Verzögern
des Sendevorgangs bis zum Auftreten einer Zulässigkeitsgrenze einhergeht,
fügt keine
signifikante Verzögerung
hinzu, wenn die Zulässigkeitsgrenzen
rasch aufeinanderfolgen. Die in das System eingeführte Verzögerung durch
das Warten auf die Zulässigkeitsgrenzen
ist unbedeutend und weitaus geringer als diejenige durch die zufallsmäßige Verzögerung,
die gemäß dem klassischen
ALOHA-Betrieb eingefügt werden
muß.
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Wie
oben gesagt wird, kann die mittlere Belastung eines Zufallszugriffsystems
einen vordefinierten Prozentsatz der Gesamtkapazität nicht überschreiten,
ohne daß die
Gefahr einer Verringerung des tatsächlichen Systemdurchsatzes
besteht, und zwar aufgrund des zunehmenden Auftretens von Kollisionen
und von erneuten Sendevorgängen.
Bei einem die vorliegende Erfindung verwendenden System sollte die
Zufallszugriffskanalbelastung begrenzt werden, um eine solche Erscheinung
zu vermeiden. Die durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung
gewonnene gesteigerte Leistungsfähigkeit bringt
dem System jedoch viele Vorteile.
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Wie
oben gesagt wird, funktioniert ein DSSS-System am wirkungsvollsten,
wenn jedes Signal der abgesetzten Einheit die Hub-Station ungefähr mit dem
gleichen Pegel erreicht. Wenn die Signale nicht mit dem gleichen
Pegel an der Hub-Station ankommen, nimmt das mittlere Signal-/Stör-Verhältnis des
Systems ab, und die Leistungsfähigkeit
des Systems wird negativ beeinflußt. Aufgrund der erhöhten Immunität gegen
Störbeeinflussungen
durch die Anwendung der Bitausrichtung können die Anforderungen an die
Präzision
der ausgeglichenen Leistung verringert werden. Beispielsweise in
dem oben beschriebenen bekannten System, bei dem n gleich 255 ist
und das resultierende Signal-/Stör-Verhältnis 5,5
dB bei einem vollbelasteten System ist, muß zur Bewahrung des Signal-/Stör-Verhältnisses
von 5,5 dB die von jeder abgesetzten Einheit an der Hub-Station
empfangene Leistung innerhalb von 1/4 dB gesteuert werden. Um einen
derart präzisen
Leistungspegel aufrechtzuerhalten, muß die Hub-Station häufige Leistungssteuerungsbefehle
an die abgesetzte Einheit senden, wodurch erhebliche Systemressourcen
verbraucht werden. Aufgrund der verbesserten Leistungsfähigkeit
kann bei einem System, das mit Bitausrichtung arbeitet und n = 255
hat, was in einem Signal-/Stör-Verhältnis von
24 dB bei einem voll-belasteten
System resultiert, die Anforderung an den Leistungssteuerungs-Sollwert
auf einen Wert innerhalb 1 dB verringert werden, ohne daß das resultierende
Signal-/Stör-Verhältnis eines
vollbelasteten Systems signifikant beeinträchtigt wird. Diese geringere
Anforderung an die Präzision
des Leistungsausgleichsvorgangs verringert die Menge an Leistungssteuerungsinformation,
die von der Hub-Station an die abgesetzte Einheit gesendet werden
muß, um
ungefähr
drei Auflösungsbits,
wodurch die resultierende Belastung der Systemressourcen verringert
wird.
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Zusätzlich zu
der zufallsmäßigen Signalgabe der
abgesetzten Einheit können
dem Zufallszugriffskanal eine oder mehrere nicht-konkurrierende
Verbindungen überlagert
werden. Die nicht-konkurrierenden Verbindungen können geplante oder vorher zugeordnete
Kommunikationen sein, in denen eine Systemressource eindeutig einer
bestimmten abge setzten Einheit zugewiesen wird. Um Störbeeinflussungen
zu verringern, sind die nichtkonkurrierenden Verbindungen mit den
Zufallszugriffskanälen
bitmäßig ausgerichtet
(bit aligned). Beispielsweise können die
nicht-konkurrierenden Verbindungen dahingehend eingeschränkt sein,
daß sie
mit dem Senden nur an einer Zulässigkeitsgrenze
beginnen dürfen. Die
Spreizbandeigenschaften, die der Hub-Station erlauben, zwischen
den Zufallszugriffskanälen
zu unterscheiden, erlauben der Hub-Station auch, zwischen den Zufallszugriffskanälen und
einem oder mehreren nicht-konkurrierenden Kanälen zu unterscheiden. Die für die nicht-konkurrierenden
Verbindungen genutzten Spreizsequenzen sollten so gewählt sein,
daß sie
zueinander sowie zu den Spreizsequenzen der Zufallszugriffskanäle nahezu
orthogonal sind. Aufgrund der erhöhten Immunität gegen Störungen,
die aus der Einfügung
der Bitausrichtung resultiert, können
zusätzliche
nichtkonkurrierende Verbindungen innerhalb desselben Spektrums wie die
Zufallszugriffskanäle überlagert
werden, ohne daß das
Bitfehlerrate-Verhalten des Systems merklich verschlechtert wird.
Beispielsweise können
10 %, 15 %, 20 % und sogar bis zu 25 % oder mehr des Kanals nicht-konkurrierenden
Verbindungen zugewiesen sein, und zwar zusätzlich zu der Zufallskanalnutzung,
ohne daß das
Bitfehlerrate-Verhalten des Zufallszugriffskanals signifikant verringert
wird, und zwar infolge der erhöhten
Leistungsfähigkeit
gemäß der Erfindung.
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Ein
weiterer Vorteil der erhöhten
Leistungsfähigkeit
des Systems ist, daß Modulationstechniken höherer Ordnung
angewandt werden können,
um die Daten den nichtkonkurrierenden oder Zufallszugriffskanälen aufzudrücken. Modulationsschemata
höherer
Ordnung wie etwa eine 16wertige Quadraturamplitudenmodulation (QAM)
oder eine 64wertige QAM oder 64wertige Phasensprungmodulation (PSK)
erhöhen
die Kapazität
der Zufallszugriffs- oder nicht-konkurrierenden Kanäle um das
Zwei- oder Dreifache oder mehr. Bei einer Ausführungsform arbeitet die abgesetzte
Einheit unter Anwendung eines Modulationsschemas höherer Ordnung,
das mindestens 16 verschiedene Datenwerte aufweist. Aufgrund der
erhöhten
Leistungsfähigkeit
können
diese Modulationsschemata höherer
Ordnung in das System eingefügt
werden, ohne daß das
Bitfehlerrateverhalten des Systems signifikant beeinflußt wird.
Wenn die Modulationstechniken höherer
Ordnung auf den Zufallszugriffskanal angewandt werden, wird die
mittlere Dauer, während
welcher eine abgesetzte Einheit einen der Zufallszugriffskanäle für eine gegebene Daten übertragung
nutzt, verringert, so daß der
Zufallszugriffskanal zur Nutzung durch eine andere Einheit früher frei
wird und die Anzahl von Kollisionen verringert wird.
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Außerdem entfällt durch
die erhöhte
Leistungsfähigkeit
des Systems die Notwendigkeit für
zusätzliche
Einrichtungen zum Verringern von Störungen. Beispielsweise schlägt die eingangs
genannte
US-PS 5 537
397 die Verwendung einer Störungsspeichereinrichtung vor,
die mögliche
Störsequenzen speichert.
Die Information in der Störungsspeichereinrichtung
kann dazu genutzt werden, den Wirkungsgrad des Systems zu steigern.
Solche Elemente sind in einem die vorliegende Erfindung aufweisenden
System nicht erforderlich.
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Ein
Vielfach-Zufallszugriffsystem kann außerdem ein Reservierungsschema
aufweisen, ohne daß die
Bitfehlerrate des Systems signifikant verringert wird. Bei einer
allgemeinen Ausführungsform wählt die
abgesetzte Einheit zufallsmäßig einen
der Zufallszugriffskanäle
jedesmal dann aus, wenn sie eine Nachricht zu senden hat. In manchen
Fällen kann
eine abgesetzte Einheit eine Nachricht mit Überlänge senden wollen. In einem
solchen Fall kann die Hub-Station eine Sequenz von der Menge von vorbestimmten
Sequenzen ausschließlich
zur Nutzung durch die abgesetzte Einheit für die Dauer der Nachricht reservieren.
Die Hub-Station kann der abgesetzten Einheit einfach gestatten,
einen Kanal weiterhin zu nutzen, auf dem sie mit dem Senden begonnen
hat, oder kann die abgesetzte Einheit einem anderen der Kanäle zuordnen.
Auf diese Weise wird die abgesetzte Einheit während des Sendens der langen Nachricht
nicht von anderen abgesetzten Einheiten unterbrochen, die auf das
System zuzugreifen versuchen. Außerdem wird das Auftreten von
Kollisionen bei den verbleibenden abgesetzten Einheiten verringert,
wenn sie das Senden über
den reservierten Kanal unterlassen. Die Hub-Station kann eine Nachricht rundsenden
oder eine solche speziell an jede abgesetzte Einheit senden und
den zu reservierenden Kanal bezeichnen. Als Reaktion darauf unterlassen
die anderen abgesetzten Einheiten vorübergehend die Nutzung des reservierten
Kanals für
Zufallszugriffs-Kommunikationen. Das Reservierungsschema kann in
Systeme, die Bitausrichtung aufweisen, sowie in andere DSSS-Vielfachzugriffssysteme
eingefügt
werden.
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6 ist
ein Ablaufdiagramm, das eine beispielhafte Operation einer abgesetzten
Einheit zeigt. Der Ablauf beginnt im Startblock 110. Block 112 bestimmt,
ob Daten zum Senden verfügbar
sind. Wenn nicht, wartet der Prozeß auf Daten. Wenn Daten verfügbar sind,
geht der Ablauf zu Block 114 weiter. In Block 114 wird
eine vorbestimmte Sequenz zufallsmäßig gewählt. In Block 116 wählt bei
dieser beispielhaften Ausführungsform
die abgesetzte Einheit zufallsmäßig auch
einen Frequenzkanal aus. In Block 118 pausiert die abgesetzte
Einheit bis zum Erreichen einer Zulässigkeitsgrenze. In Block 120 beginnt die
abgesetzte Einheit an einer Zulässigkeitsgrenze mit
dem Senden der Daten. Block 122 bestimmt, ob die gesendeten
Daten von der Hub-Station empfangen wurden. Der Schritt kann implementiert
werden durch Überwachen
des Kanals oder durch Warten auf eine Empfangsquittung von der Hub-Station.
Der Ablauf endet in Block 124 nach erfolgreichem Senden
der vorhandenen Daten.
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7 ist
ein Ablaufdiagramm, das die beispielhafte Operation einer Hub-Station
zeigt, die eine Reservierungseinrichtung aufweist. Der Ablauf beginnt
im Startblock 130. Block 132 bestimmt, ob die aktuelle
Zeit einer Zulässigkeitsgrenze
entspricht. Wenn das der Fall ist, beginnt die Hub-Station mit der Korrelierung
einer vorbestimmten Sequenz mit einer Menge von ankommenden Daten-Samples.
Block 136 bestimmt, ob der detektierte Energiepegel einen Detektionsgrenzwert überschreitet.
Wenn nicht, erfolgt Rücksprung
des Ablaufs zu Block 132. Wenn ja, geht der Ablauf weiter
zu Block 138. Im Block 138 beginnt die Hub-Station
mit der Demodulation des Signals von der abgesetzten Einheit, das
auf dem von der vorbestimmten Sequenz bestimmten Kanal übertragen
wird. In Block 140 sendet die Hub-Station eine Quittungsmeldung
an die abgesetzte Einheit. In Block 142 bestimmt die Hub-Station,
ob die Nachrichtenlänge
von der abgesetzten Einheit einen Grenzwert überschreitet. Wenn ja, aktiviert
die Hub-Station das Reservierungsschema. In Block 144 sendet
die Hub-Station eine Nachricht an andere abgesetzte Einheiten zum
Entfernen der vorbestimmten Sequenz aus einer Menge von nutzbaren
vorbestimmten Sequenzen. In Block 146 endet der Ablauf.
Viele alternative Ausführungsformen
zu den beispielhaften Ablaufdiagrammen der 6 und 7 sind
aus dem Studium ihrer beispielhaften Operation ohne weiteres ersichtlich,
einschließlich
einer einfachen Neuanordnung oder parallelen Ausführung der
gezeigten Schritte.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
kann das empfangene Signal vor der Detektierung von der Hub-Station
demoduliert werden. In einem solchen Fall kann die Detektierung
auf der Basis einer Fehlerkorrektur oder von Detektionsergebnissen
oder eines anderen Anzeichens für
die Signalgüte
ausgeführt werden.
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Verschiedene
Möglichkeiten
zum Auswählen von
zufallsmäßigen und
pseudo-zufallsmäßigen Zahlen
sind auf dem Gebiet wohlbekannt. Die Mechanismen, nach denen diese
Zufallszahlen in eine zufallsmäßige Entscheidung
umgewandelt werden können, sind
ebenfalls wohlbekannt. Im vorliegenden Zusammenhang umfaßt das Konzept
des "zufallsmäßigen Auswählens" die Konzepte der
rein zufälligen,
der pseudo-zufälligen,
der quasi-zufälligen
Auswahl sowie andere Techniken zum Auswählen wie etwa die Verwendung
von Streufunktionen oder Tageszeitdaten, und zwar entweder deterministisch,
auf Musterbasis oder statistisch.
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Viele
alternative Ausführungsformen
im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann auf dem Gebiet
ohne weiteres ersichtlich. Beispielsweise ist zwar das Einfügen einer
beliebigen Verzögerung
nicht notwendig, um einen Kanal auszuwählen, auf dem nach einer Kollision
erneut gesendet werden soll, aber in manchen Fällen kann es vorteilhaft sein,
eine Verzögerung
einzuführen,
um eine Systemüberlastung
zu vermeiden. Es ist ersichtlich, daß die Erfindung in vielen Arten
von Systemen zusätzlich
zu Satellitensystemen implementierbar ist, etwa in terrestrischen
Zellularsystemen, terrestrischen Systemen, die Zwischenverstärker aufweisen, nicht-synchronen
Satellitensystemen und selbst Drahtnetzsystemen.
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Die
Erfindung kann in anderen bestimmten Formen verkörpert sein, ohne von ihren
wesentlichen Charakteristiken abzuweichen. Die beschriebene Ausführungsform
ist in jeder Hinsicht nur als beispielhaft und nicht als einschränkend anzusehen,
und der Umfang der beanspruchten Erfindung ergibt sich daher aus
den beigefügten
Patentansprüchen
und nicht aus der vorstehenden Beschreibung. Alle Änderungen,
die in den Rahmen der Bedeutung und den Bereich der Äquivalenz
der Ansprüche
fallen, sind von der Erfindung umfaßt.