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HINTERGRUND
UND KURZE BESCHREIBUNG VON STAND DER TECHNIK
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Spreizspektrum(SS)-Nachrichtenverbindungen
werden gegenwärtig
für eine
Anzahl von geschäftlichen
Anwendungen genutzt und man erwartet, daß sie sich verbreiten, in dem
Maße,
als die Nachfrage nach ungehinderten Nachrichtenverbindungen sich
erhöht.
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Ein
Beispiel einer geschäftlichen
Anwendung von Spreizspektrumtechniken ist im US-Patent Nr. 5 375 140,
umgeschrieben auf Bustamante, Magill und Natali, mit dem Titel „Wireless
Direct Sequence Spread Spectrum Digital Cellular Telephone System", beschrieben. In
diesem Falle sendet die Basisstation des sternförmig aufgebauten Netzwerkes
einen Satz von orthogonalen Walsh-Funktionen, die mit einer Pseudo-Rauschen(PN)-Folge überlagert
sind. Jede orthogonale Funktion trägt Sprache oder Daten für einen
einzelnen Benutzer. S. M. J. E. Golay, IDA Report 108, S. 110 (1965),
das dieses Basissignalformat beschreibt. Diese Art der Signalgebung
wird als Orthogonales CDMA (OCDMA) in dieser Offenbarung bezeichnet.
Das System beinhaltet eine „Sound
Burst" Pseudorauschenfolge
auf der Basisstation-zur-Hör-/Sprecheinrichtung-Verbindung als
Teil jedes Datenrahmens, zu Zeit- und Frequenzsynchronisationszwecken.
Die Datendemodulierung wird mit differentiell kohärenter Fühlung durchgeführt.
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Ein
anderes Beispiel einer geschäftlichen
Anwendung von SS ist der IS-95 Standard für zellulare Telefone. Dieses
System verwendet Orthogonales CDMA (OCDMA) auf den Vorwärts-(Zelle
zum mobilen Teil)-Verbindungen und nichtsynchrones CDMA auf den
Rückwärtsverbindungen.
Kohärente
Demodulation der Zelle-zum-Mobilteil-Verbindung wird erleichtert
durch Einfügen
eines fortlaufenden „Pilotsignals", das 10–20% der
gesamten Signalleistung enthält.
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Eine
Anzahl von Konsortien wurde gebildet, um satellitenbasierte persönliche Nachrichtenverbindungssysteme
(PCS, Personal Communications Systems) mit weltweiter Abdeckung
zu entwickeln. Einige Beispiele dieser Systeme enthalten Globalstar
(Globalstar-Systemanmeldung
vor dem FCC durch Loral Cellular Systems, Corp., 3. Juni 1991) und
Odyssey (Anmeldung der TRW Inc. beim FCC um ein 'Neues Nachrichtenverbindungssatellitensystem „Odyssey"' aufzubauen, 31. Mai 1991), unter anderen.
Die Absicht dieser Systeme ist es, daß ein Teilnehmer Telefonanrufe
direkt durch das Satellitennetzwerk von beinahe überall auf der Erde anmelden
kann, unter Verwendung einer tragbaren Hör-/Sprecheinrichtung sehr ähnlich den
vorliegenden zellulären
Fernsprechgeräten.
Beide der erwähnten
Systeme beabsichtigen Spreizband-CDMA-Techniken aus einer Anzahl
von Gründen
zu verwenden.
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Die
Globalstar-Anmeldung zeigt ein Signal, das im Wesentlichen das selbe
wie der IS-95 Standard ist. Ein andauerndes Pilotsignal, das eine
beträchtliche
Menge an Leistung verwendet, wird in die Vorwärts-(Erdstation zum Mobiltelefon)-Verbindung
einfügt
um als Bezug für
eine kohärente
Demodulierung verwendet zu werden.
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Signalleistung
ist bei Satellitensystemen knapp. Die Benutzerkapazität von Satelliten-PCS-Systemen ist,
in vielen Lösungen,
durch die Vorwärtsverbindungsleistung
des Satelliten begrenzt. Folglich ist es wünschenswert, so wenig wie möglich Satellitenausgangsleistung
für Synchronisationszwecke
zu verwenden.
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Kohärente Demodulierung
wird oft in Abwesenheit eines Bezugssignals durchgeführt, indem
man eine × 2
(oder Costas-)Festphasenschleife (PLL, phase-locked loop) oder ein × 4 PLL
mit BPSK Signalen (BPSK, biphase shift keying) bzw. QPSK Signalen
(QPSK, quadriphase shift keying) benutzt (Beleg: J. J. Spillker,
jr., Digital Communications by Satellite, Prentice-Hall, Inc., New
Jersey, 1977). Jedoch erfordern diese Schleifen enge Schleifenbandbreiten
bei niedrigen Signalpegeln und können
unter Umständen
nicht angemessen für den
Mobilkanal arbeiten, wenn die Kohärenzzeit kurz ist.
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Das
US-Patent Nr. 5 414 728 zeigt eine Vorrichtung zum Übertragen
von Information über
In-Phase- und Quadratur-Phase Nachrichtenverbindungskanäle in einem
Spreizbandnachrichtenverbindungssystem. Erste bzw. zweite Informationssignale
werden über
die In-Phase und
Quadratur-Phase-Nachrichtenverbindungskanäle gesendet, unter Verwendung
von Direktfolge-Spreizbandnachrichtensignalen. In-Phase pseudo-zufälliges Rauschen-
und Quadraturphase pseudo-zufälliges
Rauschen-Signale werden verwendet, um das erste und das zweite Informationssignal
zu spreizen.
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GEGENSTÄNDE DER
ERFINDUNG
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Ein
Gegenstand dieser Erfindung ist es, ein System zum Gewinnen einer
genauen und robusten Trägerphaseschätzung für eine OCDMA-Vorwärtsverbindung
ohne ein Pilotsignal zu schaffen. Dies kann die der Synchronisation
zugewiesene Menge an Signalleistung sehr vermindern, da die Leistung,
die für
Zeit- und Frequenzsynchronisation erforderlich ist, viel kleiner
ist als die, die für
eine fortlaufende Phasenschätzung
erforderlich ist.
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Ein
anderer Gegenstand dieser Erfindung ist es, die Bandbreitenwirksamkeit
zu verbessern. Der Pilotkanal, wie er durch IS-95 beschrieben wird,
verwendet eine der orthogonalen Funktionen, die sonst für die Sendung
oder die Steuerung von Benutzerdaten verfügbar wäre. Die Beseitigung des Pilotkanals
macht den Kanal für
andere Verwendungen frei.
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Ein
weiterer Gegenstand dieser Erfindung ist es, die Störung aufgrund
des höchsten
Zugriffsrauschens zu vermindern indem man die Notwendigkeit für einen
fortlaufenden Trägerbezug
(Pilotkanal) beseitigt. OCDMA-Systeme unterliegen Zugriffsrauschen
innerhalb der Zelle – obwohl
viel weniger als asynchrones CDMA – aufgrund von nicht idealen
Bedingungen so wie Filtern und Bezugszeit des Empfängers und
Frequenzfehlern. Jede dieser Bedingungen führt dazu, daß die Signale
des Benutzers nicht länger
genau orthogonal zu dem gewünschten
Signal sind und einiges Zugriffsrauschen tritt auf. Ein fortlaufender
Pilotkanal trägt zu
diesem Zugriffsrauschen bei. Weiter trägt der Zugriffskanal zum Zugriffsrauschen
in benachbarten Zellen bei, insbesondere wenn 1:1-Frequenzwiederbenutzung
verwendet wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Das
Vorwärtsverbindungssignal,
wie es an einer Teilnehmerendstelle empfangen wird, enthält die Datensignale,
die für
alle Benutzer in diesem Strahl (oder Zelle) bestimmt sind. Benutzersignale,
die eine gemeinsame Trägerfrequenz
teilen, werden von einander isoliert, indem man jedem Benutzer ein
anderes Mitglied eines orthgonalen Codesatzes (dessen Länge gleich
einer Kanaldatensymbollänge
ist) zuweist. Es gibt typischerweise von 32 bis 256 Benutzer auf
einem einzelnen Träger.
Alle Benutzersignale werden synchronisiert und teilen einen gemeinsamen
PN-Überlagerungscode,
dessen Übergänge mit
denen der orthogonalen Codes synchronisiert sind.
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Einzelne
Benutzer arbeiten im Allgemeinen mit einem Energie-zu-Rauschenleistungsdichteverhältnis (Eb/No)
im Bereich von 3 bis 9 dB, in Abhängigkeit von der Art des FEC-Codierens
(FEC, forward error control) und der gewünschten Bitfehlerrate (BER,
bit error rate). Genaue Verfolgung per phasenverriegelter Schleifenschaltung
(PLL, phase-lock loop) eines individuellen Signals ist oft unmöglich für den beweglichen
Benutzer aufgrund der kurzen Kohärenzzeit
des beweglichen Kanals.
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In
der vorliegenden Erfindung korreliert der Benutzerempfänger das
eingehende Signal mit seiner zugeordneten orthogonalen Funktion
ebenso wie einer Anzahl orthogonaler Funktionen, die anderen Benutzern zugewiesen
sind. Der Ausgang jedes dieser Korrelatoren wird dann durch eine
passende Nichtlinearität
(z.B. eine Quadrierungseinrichtung für BPSK oder eine × 4-Einrichtung
für QPSK)
hindurchgesandt und die Ausgänge
summiert. Der Rauschabstand (SNR, signal-to-noise ratio) des summierten
Ausgangs nimmt ungefähr linear
mit der Anzahl der Korrelatoren zu, d.h. die ganze Vorwärtsverbindungssignalleistung
kann für
die Trägerphasenschätzung verfügbar gemacht
werden, falls gewünscht,
wobei keine Leistung in ein Pilotsignal verschwendet wird.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen und andere Gegenstände,
Vorteile und Merkmale der Erfindung werden ersichtlicher, wenn sie
mit der folgenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen
betrachtet werden, in denen:
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1 ein
Blockdiagramm einer terrestrischen Netzwerksanordnung, die die Erfindung
enthält,
ist,
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2 ein
Blockdiagramm einer Satellitennetzwerksanordnung, die die Erfindung
enthält,
ist,
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3 ein
Funktionsblockdiagramm des Basisstationsmodulators, der in der Erfindung
enthalten ist, ist,
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4 ein
Funktionsblockdiagramm eines Teilnehmerempfängers ist, und
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5 ein
Funktionsblockdiagramm der Trägerrückgewinnungsmerkmale
dieser Erfindung ist.
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INS EINZELNE
GEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Ausführungsform
trifft die Erfindung, wie sie in einem sternförmigen Netzwerk genutzt wird.
In diesem Falle sendet die zentrale Basisstation ein OCDMA-Signal,
das durch eine Anzahl von Benutzerendstellen empfangen werden soll,
welche tragbare Hör-/Sprecheinrichtungen
sowie durch Fahrzeuge bewegliche und feste Einheiten einschließen können. Die
Erfindung ist besonders nützlich
bei Satellitensystemen (aufgrund der Wichtigkeit, die erforderliche
Satellitenausgangsleistungen möglichst
gering zu halten), aber sie ist nicht darauf beschränkt. Typische
erdgebundene und Satellitennetzwerksanordnungen sind in 1 bzw. 2 gezeigt.
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Das
Signal wie in dieser Ausführungsform
beschrieben verwendet BPSK Pseudorauschen-Modulierung und BPSK-Datenmodulierung.
Die orthogonalen Funktionen sind ein Satz von Rademacher-Walsh (R-W)-Funktionen.
Die R-W und PN-Chips sind auf einer „Einer-nach dem Anderen"-Grundlage zeitlich
angeordnet. Die R-W-Funktionsperiode ist gleich einer Datensymbollänge, während der
PN-Überlangerungscode von
der gleichen Länge
sein kann, aber auch länger
sein kann. Jede R-W-Funktion spricht einen einzelnen Benutzer an.
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Zusätzlich wird
ein modulierter Träger-Schub
(burst) periodisch in das Signal in einer Zeitmultiplexweise (TDM,
time division multiplex) für
Zeit- und Frequenzsynchronisierungszwecke eingesetzt. Die R-W-Funktionen
werden während
dieses Schubes abgeschaltet. Der Synchronisations-PN-Code ist typischer
Weise ein kurzer Code, der mit einem Suchfilter empfangen werden
kann, obwohl dies nicht notwendig ist. Dieser Signalschub hat den
Zweck, ein schnelles Teilnehmerendstellenerfassen zu erlauben.
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Das
Funktionsblockdiagramm eines Modulartors ist in 3 gezeigt.
Digitalisierte Sprachsignale oder Datensignale, die an verschiedene
Benutzer gesendet werden sollen, werden an der Zentralstation empfangen.
Diese binären
Signale werden gepuffert 10, codiert 11, verschachtelt 12 und
dann Mod-2 13 zur zugewiesenen R-W-Funktion für jeden
Benutzer addiert und summiert 14. Ein gemeinsamer PN-Code 15 wird
dann Mod-2 hinzugefügt 16 zu
jedem der Signale, die dann auf einem gemeinsamen Träger BPSK- moduliert werden.
Die sich ergebenden Signale werden aufsummiert vor der Aufwärts-Umwandlung und Verstärkung.
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Die
Teilnehmerendstellen-Empfänger-Funktionen
sind in 4 gezeigt. Empfangene Signale
werden abwärtsumgewandelt 40 und
gemischt 41 um die I- und Q-Bestandteile zu erzeugen, die
digitalisiert 42 und weiter digital abwärtsumgewandelt werden 43.
Die Zeitgabeschleife wertet die Code-Synchronisation 44, 45 und
die Zeitgabelogik 46 aus; die abgeleiteten Zeitgabesignale
werden an den RW-Generator 47 angelegt, der eine Mehrzahl
von RW-Funktionen (siehe 5) erzeugt, den PN-Generator 48 und
den RW-Generator 49 der Station angelegt. Die Mehrzahl
von RW-Funktionen (RWm, RWn ... RW1) wird in der Trägerphasenrückgewinnungsschleife
(CPL, carrier phase recovery loop) verwendet, eine für jeden
jeweiligen Kanalprozessor 53-01, 53-2 ... 53-n.
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Die
Trägerrückgewinnungsfunktionen
sind im Einzelnen in 5 dargestellt (die Bestandteile,
die mit 4 gemeinsam sind, sind eingeklammert
gezeigt). In dieser bevorzugten Ausführungsform wird das empfangene
Signal abwärtsumgewandelt 50 auf
das Basisband, wo die In-Phase (I) und Quadratur (Q)-Signale in Binärzahlen
umgewandelt werden. Die I- und Q-Signale werden multipliziert 51 mit
dem zeitsynchronisierten PN-Code (±1) 52 und dann mit
einer Untermenge jener R-W-Funktionen 54 korreliert, die
vorhanden sind. Bemerke, daß die
Code-Zeitgabe 56 unabhängig
von den Datensignalen abgeleitet wird, indem man den Synchronisationsimpuls
(burst), der für
alle Benutzer gemeinsam ist, verfolgt. Die komplexen Korrelator-Ausgänge werden
dann quadriert 55 und die imaginären Teile genommen. Die imaginären Ausgänge werden
summiert 57 um ein unmoduliertes Trägersignal zu bilden mit verstärktem SNR
gegenüber
dem eines einzelnen Benutzers. Dieses Signal wird in eine phasenverriegelte
Schleife (PLL, phase lock loop) 58DPE, 58F eingegeben, die die Trägerphase
verfolgt. Die PLL ist eingerichtet, verbleibende Frequenzfehler
zu entfernen vor einer Codekorrelation. Das Codekorrelatorausgangssignal,
das dem gewünschten
Benutzer entspricht, wird dann in der üblichen Weise kohärent demoduliert.
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Die
Arbeitsweise der Erfindung kann weiter verstanden werden, indem
man das Folgende in Betracht zieht: Der digitale Basisbandeingang
kann im Signalraum dargestellt werden als:
Der Ausgang des
numerisch gesteuerten Oszillators (NCO, Number Controlled Oszillator)
50 wird
ausgedrückt als
vk(fk) = exp(–j(w0kT)
+ ϕ ^k) (2)wo ϕ ^
k = die Schätzung der Eingangsphase
xn(k)
= Λpk p kRWn(d1RW1 + ... + dnRWn + ... + dNRWN)exp(j(ϕk(k))) (3)wo
p k =
der Bezugs-PN-Code
ϕe(k) – ϕk – ϕ ^k und p
k p k =
1 wenn der PN-Code-Generator richtig synchronisiert ist.
der
Ausgang des nten Korrelators ist:
und das summierte Signal
in den Schleifenfilter ist:
zn = NA2sin(2ϕr)
v1(fk) = Ik + jQk = Λpk(d1RW1 +
... + dnRWn + ...
+ dNRWN)exp(j(w0kT) + ϕk) (1)wobei
- A
- Signalamplitude
- Pk
- kte Abtastung des
PN-Code
- dn
- ntes Datensymbol
- RWn
- nte Rademacher-Walsh
Funktion
- w0
- requenzversetzung
- T
- Tastperiode
- ϕk
- Eingangsphase
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Bemerke,
daß, während sich
die korrelierten Signale kohärent
addieren, das Rauschen sich nichtkohärent addiert (es wird durch
die verschiedenen RW-Funktionen dekorreliert) und somit sich SNR
linear mit N vergrößert.
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Der
Vorteil des Mehrfachkorrelator-Angangs an die Trägerrückgewinnung, der hier offenbart
wird, ist, daß jeder
Benutzer die volle Signalleistung ausnutzen kann, obwohl sie für eine Mehrzahl
von Benutzern beabsichtigt ist. Jedoch, wenn manche der RW-Codes
nicht in Benutzung sind, würden
die entsprechenden Korrelatoren nur Rauschen zu der Phasenfehlerschätzung hinzufügen und
sollten nicht verwendet werden. Die meisten Systeme werden einen
oder mehrere RW-Kanäle
haben, die Steuerdaten tragen und immer vorhanden sind. Jedoch sind
zusätzliche
RW-Funktionen gewöhnlich
als Verkehrskanäle
dynamisch zugeordnet. Diese Kanäle
werden manchmal unterbrochen, auf der Grundlage einer Datenaktivitätsfeststellung.
Ein Signal-Vorhandenseins-Detektor 58, der auf dem Realteil 60 basiert,
wird den Korrelatorausgang sperren 59 wenn kein Signal
vorhanden ist.
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Um
einen wirksamen Gebrauch von den verfügbaren Korrelatoren zu machen,
kann das System Steuer- und Verkehrskanäle bei der niedrigsten Nummer
beginnend zuordnen. Weiter kann man wählen, in jeder Lage eine Mindestanzahl
von Kanälen
zu senden. Zum Beispiel sei angenommen, daß nur wenige Benutzer auf einem
Träger
aktiv sind, der in der Lage ist, 128 Benutzer zu unterstützen. Angenommen
die RW-Kanäle #1
und #2 werden für
Steuerfunktionen benutzt und die nächsten drei Kanäle sind
dem aktiven Verkehr zugewiesen. Die Basisstation könnte die
nächsten
fünf RW-Funktionen
senden, ob oder ob nicht sie erforderlich sind, um Verkehr zu tragen,
und somit sicherstellen, daß ein
Minimum von zehn RW-Funktionen aus den insgesamt 128 vorhanden
sind.
