DE69920466T2

DE69920466T2 - Verfahren und vorrichtung für ein cdma-zufallszugriffskommunikationssystem

Info

Publication number: DE69920466T2
Application number: DE69920466T
Authority: DE
Inventors: E. Karl MOERDER
Original assignee: Tachyon Inc
Current assignee: Tachyon Inc
Priority date: 1998-07-21
Filing date: 1999-07-21
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: EP1097603B1; DE69920466D1; ATE277486T1; US20030133432A1; US7161928B2; EP1097603A1; US6542493B1; CA2341561C; CA2341561A1; CN1254995C; WO2000005915A1; AU5121099A; CN1322451A

Description

Hintergrund der Erfindung
I. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kommunikationssysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung Kommunikationssysteme mit Zufallszugriff.
II. Beschreibung des Stands der Technik
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Es gibt daher Bedarf für ein Zufallszugriffsystem, das die vorteilhafte Nutzung von Übertragungsressourcen sowie eine annehmbare Verzögerung ermöglicht.
Zusammenfassung der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und Anspruch 20 sowie eine abgesetzte Einheit gemäß Anspruch 33.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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:
1 ein Zeitdiagramm, das die Operation eines reinen ALOHA-Vielfach-Zufallszugriffsystems zeigt;
2 ein Zeitdiagramm, das den bekannten Spreizband-ALOHA-Zufallszugriff verdeutlicht;
3 ein Zeitdiagramm, welches das Aufprägen von Bitdaten auf das in 2 gezeigte System veranschaulicht;
4 ein Blockdiagramm, das ein System gemäß der Erfindung zeigt;
5 ein Zeitdiagramm, das beispielhaft die Operation gemäß der Erfindung zeigt;
6 ein Ablaufdiagramm, das beispielhaft die Operation einer abgesetzten Einheit zeigt; und
7 ein Ablaufdiagramm, das beispielhaft die Operation einer Hub-Station zeigt.
Genaue Beschreibung der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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... c_n
Sequenz 2 c₂ c₃ c₄... c_n c₁
Sequenz 3 c₃ c₄... c_n c₁ c₂...
Sequenz n c_n c₁ c₂ c₃ c₄
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren mit einer abgesetzten Einheit zum Zugreifen auf ein Kommunikationssystem, bei dem eine Vielzahl von abgesetzten Einheiten um begrenzte Kommunikationsressourcen konkurrieren; wobei das Verfahren von der abgesetzten Einheit (104) ausgeführt wird und die folgenden Schritte aufweist: zufallsmäßiges Auswählen einer Spreizsequenz aus einer vorbestimmten Menge von verschiedenen alternativen Spreizsequenzen; und Senden eines mit der ausgewählten Spreizsequenz modulierten Datenbitstroms, wobei das Senden an einer von einer Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen beginnt, an denen die abgesetzte Einheit (104) mit dem Senden einer Nachricht beginnen darf.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen, ob der Datenbitstrom erfolgreich an einer Hub-Station (100) empfangen worden ist; zufallsmäßiges Auswählen einer zweiten Spreizsequenz aus der Menge von Spreizsequenzen, wenn der Datenstrom nicht erfolgreich empfangen worden ist; und Senden des mit der zweiten Spreizsequenz modulierten Datenbitstroms, beginnend an einer von der Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner den Schritt aufweist: Empfangen eines Befehls von der Hub-Station (100), eine reservierte Sequenz aus der Menge von vorbestimmten Sequenzen zu entfernen und das Senden unter Nutzung der reservierten Sequenz für den Zufallszugriff vorübergehend zu unterlassen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Menge von vorbestimmten Sequenzen eine Sequenz maximaler Länge und eine Vielzahl von gedrehten Versionen der Sequenz maximaler Länge aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen mit Grenzen zwischen Datenbits innerhalb des Datenbitstroms koinzident sind.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Bestimmens, ob der Datenbitstrom erfolgreich empfangen wurde, den Schritt aufweist: Überwachen eines Kommunikationskanals, der den mit der ersten Sequenz modulierten Datenbitstrom führt, um eine Kollision mit einem anderen Signal der abgesetzten Einheit zu detektieren.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Bestimmens, ob der Datenbitstrom erfolgreich empfangen worden ist, den Schritt aufweist: Bestimmen, ob eine Quittungsmeldung über den Empfang des Datenbitstroms von der Hub-Station (100) empfangen worden ist.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner den Schritt aufweist: zufallsmäßiges Auswählen eines Frequenzkanals, über den der mit der zweiten Sequenz modulierte Datenbitstrom gesendet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner den Schritt aufweist: zufallsmäßiges Verzögern des Schritts des Sendens des mit der zweiten Sequenz modulierten Datenbitstroms.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Menge von vorbestimmten Sequenzen Walsh-Codes sind.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Menge von vorbestimmten Sequenzen Walsh-Codes sind, die mit einem zweiten Code maskiert worden sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der zweite Code spektrale Eigenschaften der Menge von vorbestimmten Sequenzen bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Menge von vorbestimmten Sequenzen eine Sequenz maximaler Länge und eine Vielzahl von gedrehten Versionen der Sequenz maximaler Länge aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mit der ersten Sequenz modulierte Datenbitstrom unter Anwendung eines Modulationsschemas höherer Ordnung gesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Modulationsschema höherer Ordnung eine Quadratur-Amplitudenmodulation ist, die mindestens 16 Werte aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt aufweist: Empfangen eines Leistungssteuerungsbefehls von einer Hub-Station (100), um einen bei dem Schritt des Sendens verwendeten Leistungspegel mit einer Präzision innerhalb von ungefähr 1 dB einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Sendens den Schritt aufweist: Senden eines Hochfrequenz-Signals an einen Satelliten (102) zur Übertragung an eine Hub-Station (100).
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den folgenden Schritt aufweist: Empfangen eines Befehls von der Hub-Station (100), eine reservierte Sequenz von der Menge von vorbestimmten Sequenzen zu nutzen; und Senden eines mit der reservierten Sequenz aus der Menge von vorbestimmten Sequenzen modulierten Datenbitstroms, beginnend an einer von der Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen mit Grenzen zwischen Datenbits innerhalb des Datenbitstroms koinzident sind.
Verfahren zum Kommunizieren zwischen abgesetzten Einheiten (104) und einer Hub-Station (100); wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Senden von Daten von einer oder mehreren der abgesetzten Einheiten (104), wobei diese Daten mit einer Spreizsequenz moduliert sind, die zufallsmäßig aus einer Menge von alternativen Spreizsequenzen ausgewählt ist; Korrelieren von einer oder mehreren der genannten alternativen Spreizsequenzen in der Hub-Station (100) mit einer Menge von ankommenden Daten-Samples, beginnend an einer von einer Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen; Detektieren eines Signalpegels oberhalb eines Detektionsschwellenwerts, der einer detektierten Sequenz aus der Menge von vorbestimmten Sequenzen entspricht; und Demodulieren eines Signals der abgesetzten Einheit unter Nutzung der detektierten einen Sequenz aus der Menge von vorbestimmten Sequenzen.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner die folgenden Schritte aufweist: Detektieren der Länge einer Nachricht der abgesetzten Einheit, die einen Grenzwert überschreitet; und Senden einer 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 Zufallszugriffs-Kommunikationen unterlassen.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner den Schritt aufweist: Senden einer Angabe über die Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen an die abgesetzten Einheiten.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner die Schritte aufweist: Demodulieren einer Serie von nichtkonkurrierenden Kanälen, die sich ein gemeinsames Frequenzspektrum mit der Menge von ankommenden Signal-Samples teilen, wobei die Serie von nichtkonkurrierenden Kanälen mit der Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen bitmäßig ausgerichtet (bit aligned) ist.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Serie von nicht-konkurrierenden Kanälen 10 % bis 25 % der Kapazität des gemeinsamen Frequenzspektrums verbraucht.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Menge von vorbestimmten Sequenzen eine Sequenz maximaler Länge und eine Vielzahl von gedrehten Versionen der Sequenz maximaler Länge aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen mit Grenzen zwischen Datenbits innerhalb des Signals der abgesetzten Einheit koinzident ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Menge von vorbestimmten Sequenzen Walsh-Codes sind.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Menge von vorbestimmten Sequenzen Walsh-Codes sind, die mit einem zweiten Code maskiert worden sind.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der zweite Code spektrale Eigenschaften der Menge von vorbestimmten Sequenzen bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Schritt des Demodulierens den Schritt aufweist: Demodulieren des Signals der abgesetzten Einheit unter Anwendung eines Modulationsschemas höherer Ordnung.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Modulationsschema höherer Ordnung eine Quadratur-Amplitudenmodulation ist, die mindestens 16 Werte aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner den Schritt aufweist: Senden eines Leistungssteuerungsbefehls an die abgesetzte Einheit, um ein Leistungsniveau einzustellen, bei dem die abgesetzte Einheit mit einer Präzision von innerhalb ungefähr 1 dB sendet.
Abgesetzte Einheit (104), die so ausgebildet ist, dass sie in einem System betreibbar ist, das eine Hub-Station (100) und eine Vielzahl von abgesetzten Einheiten umfasst, wobei die abgesetzte Einheit Folgendes aufweist: einen Prozess, der zufallsmäßig eine erste Spreizsequenz aus einer vorbestimmten Menge von alternativen Spreizsequenzen auswählt; einen Prozess, der einen mit der ersten Spreizsequenz modulierten Datenbitstrom sendet, beginnend an einer von einer Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen; einen Prozess, der bestimmt, ob der Datenbitstrom erfolgreich an einer Hub-Station empfangen worden ist; einen Prozess, der zufallsmäßig eine zweite Spreizsequenz aus der vorbestimmten Menge von alternativen Spreizsequenzen auswählt, wenn der Datenstrom nicht erfolgreich empfangen worden ist; und einen Prozess, der den mit der zweiten Spreizsequenz modulierten Datenbitstrom, beginnend an einer anderen von der Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen, sendet, wenn der Datenstrom nicht erfolgreich empfangen worden ist.
Einheit nach Anspruch 33, wobei die Menge von alternativen Sequenzen eine Sequenz maximaler Länge und eine Vielzahl von gedrehten Versionen der Sequenz maximaler Länge aufweist.
Einheit nach Anspruch 33, wobei die Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen mit Grenzen zwischen Datenbits innerhalb des Datenbitstroms koinzident ist.
Einheit nach Anspruch 33, die ferner einen Prozess aufweist, der zufallsmäßig einen Frequenzkanal auswählt, über den der mit der ersten und der zweiten Sequenz modulierte Datenbitstrom zu senden ist.
Einheit nach Anspruch 33, die ferner einen Prozess aufweist, der das Senden des mit der zweiten Sequenz modulierten Datenbitstroms zufallsmäßig verzögert.
Einheit nach Anspruch 33, die ferner Folgendes aufweist: einen Prozess, der einen Befehl von der Hub-Station dahingehend empfängt, eine reservierte Sequenz von der Menge von vorbestimmten Sequenzen zu verwenden; und einen Prozess, der einen mit der reservierten Sequenz von der Menge von vorbestimmten Sequenzen modulierten Datenbitstrom, beginnend an einer von der Menge von wiederkehrenden Zulässigkeitsgrenzen, sendet.