DE19747065B4

DE19747065B4 - Verfahren zur Kommunikation mit Kommunikationsstationen, digitaler Strahlformer und Kommunikationsstation

Info

Publication number: DE19747065B4
Application number: DE19747065A
Authority: DE
Inventors: Randy Lee Tempe Turcotte; Stephen Chih-Hung Mesa Ma; Sergio Phoenix Aguirre
Original assignee: Torsal Technology Group Ltd LLC
Current assignee: CDC PROPRIETE INTELLECTUELLE SA, FR
Priority date: 1996-10-30
Filing date: 1997-10-24
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2017-10-25
Also published as: FR2755329A1; GB2318947B; CA2217805A1; GB2318947A; GB9719332D0; DE19747065A1; FR2755329B1; JPH10145275A; US5754139A; CA2217805C

Abstract

Verfahren der Kommunikation mit Kommunikationsstationen durch die Benutzung einer Matrixantenne, die angepaßt ist, um mit einem digitalen Strahlformer (DBF) zu arbeiten, wobei die Matrixantenne eine Vielzahl von Strahlungselementen zur Bereitstellung von innerhalb eines Einzugsgebietes lenkbaren Antennenstrahlen hat, wobei der DBF für jedes Strahlungselement Koeffizienten zur Steuerung der Charakteristiken der lenkbaren Antennenstrahlen bereitstellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
• Bestimmung (202, 204) von geographischen Teilen des Einzugsgebietes, die einen höheren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben;
• Bestimmung (204) von geographischen Teilen des Einzugsgebietes, die einen niedrigeren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben;
• Abstimmung (206, 208) der Koeffizienten, um eine größere Anzahl von Antennenstrahlen zu den geographischen Gebieten bereitzustellen, die einen höheren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben als zu den geographischen Gebieten, die den niedrigeren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben,
wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der Bestimmungsschritt den Schritt der Beobachtung eines Echtzeitbedarfes nach Kommunikationsleistungen in verschiedenen geographischen...

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft das Gebiet der phasengesteuerten Matrixantennen und im besonderen digitale Strahlformung.
Hintergrund der Erfindung
Satellitenkommunikationssysteme benutzen phasengesteuerte Matrixantennen, um mit Mehrfachnutzern über Mehrfachantennenstrahlen zu kommunizieren. Typischerweise werden leistungsfähige Bandbreitenmodulationsverfahren mit Mehrfachzugriffsverfahren kombiniert und Frequenztrennungsverfahren werden zur Erhöhung der Anzahl der Nutzer eingesetzt. Da jedoch mit der Verwirklichung von drahtlosen Nachrichtenverbindungsgeräten wie zellularen Telefonen und Pagern die elektronische Umwelt immer dichter wird, werden immer mehr Informationen und Modernisierungen für diese drahtlosen Kommunikationssysteme gefordert. Bei all den Nutzern zum Beispiel, die um das begrenzte Frequenzspektrum konkurrieren, ist die Verminderung von Störungen zwischen den verschiedenen Systemen ein Schlüssel zur Zuteilung im Spektrum zu den verschiedenen Systemen.
Weiterhin ist das Konzept der gemeinsamen Nutzung des Spektrums, zum Beispiel die Fähigkeit von Mehrfachsystemen zur gleichzeitigen Nutzung eines gemeinsamen Spektrums, von grösster Wichtigkeit für Staatliche Stellen wie die Bundeskommunikationskommission (FCC), die Kommunikationslizenzen an die Betreiber von Satellitensystemen bewilligt.
Deshalb wird ein Kommunikationssystem benötigt, das Störungen mit anderen Systemen vermindert, während es sich das Spektrum mit diesen anderen Systemen teilt. Deshalb werden auch eine Gerätetechnik und Verfahren benötigt, die das Spektrum teilen können und für die Spektralaufteilung mit anderen Kommunikationssystemen bereitstehen.
Obwohl eine Vielzahl von Verfahren zur Strahlformung entwickelt wurden, fehlt es gegenwärtigen digitalen Strahlformungsantennensystemen an Rechenleistung, die von viele Anwendungen von Kommunikationssystemen gefordert wird. Demzufolge gibt es einen Bedarf nach einem digitalen Strahlformungssystem, das eine hocheffiziente Rechenleistung bei niedrigen Kosten gewährleistet.
”VEEN, Van, B. D., BUCKLEY, K. M.: Beamforming: A Versatile Approach to Spatial Filtering. In: IEEE ASSP Magazine, Apr. 1988, Seiten 4 bis 24” gibt einen Überblick über Strahlformungsverfahren und diskutiert insbesondere datenunabhängige, statistisch optimale, adaptive und partiell adaptive Strahlformungsverfahren. Hier ist ein Strahlformer ein Prozessor, der einen Sensor-Array verwendet, um räumliche Filterung für separate Signale zur Verfügung zu stellen, die sich überlappende Frequenzinhalte haben, aber von räumlich getrennten Orten ausgehen, wobei die Erzeugung von Empfangsstrahlen berücksichtigt wird. Es wird beschrieben, dass es geographische Gebiete gibt, die einen großen Bedarf an guten Kommunikationsleistungen haben während andere Gebiete einen geringeren Bedarf an Kommunikationsleistungen haben können und Störquellen beinhalten können, weshalb der Einfluss von Störsignalen unterdrückt werden sollte.
In der DE 690 23 737 T2 wird ein phasengesteuertes Matrixantennensystem zur digitalen Strahlformung von mehreren unabhängigen Übertragungsstrahlen beschrieben. Das System er laubt, unabhängige Strahlen mit der selben Antennenapertur zu erzeugen.
In der US 5,059,966 wird ein Radarsystem mit einer synthetischen Apertur beschrieben, wobei eine Mehrzahl von Strahlen zum Empfang von Echosignalen erzeugt wird und wobei die Spektren der empfangenen Signale mit einer ”Seitenwinkel-Kompressionseinheit” synthetisiert werden, um die Auflösung zu verbessern. Wenn das System auf einer beweglichen Radarplattform wie beispielsweise einem Flugzeug oder ähnlichem betrieben wird, kann ein Bild eines stationären Objektes auf der Erd- oder Meeresoberfläche zur Verfügung gestellt werden. Das vorgestellte Apertur-Radar-System beinhaltet eine digitale Strahlformungsantenne, die dazu geeignet ist, simultan eine Mehrzahl von Empfangsstrahlen in verschiedene Richtungen auszurichten.
In der WO 96/00466 wird ein Verfahren zur adaptiven Sektorisierung von Kanalressourcen in einem digitalen zellenbasierten Kommunikationssystem beschrieben. Das Verfahren umfasst die Bereitstellung von separaten Strahlensätzen, um direkte und indirekte (d. h. Mehrwege-)Signalübertragungen von einer Teilnehmereinheit zu empfangen, wobei die direkte und die Mehrwegeübertragungen von einer gegebenen Teilnehmereinheit separat verfolgt werden können. Hier wird gezeigt, dass die Form und Richtung eines Antennenstrahls für ein Signal auf adaptive Weise geändert werden kann, indem Gewichtungskoeffizienten variiert werden.
In der WO 95/28015 A1 wird ein System beschrieben, bei dem für eine Kommunikation zwischen einem Satelliten und mehreren Kommunikationsstationen eine vom Verkehrsbedarf abhängige Strahlformung mittels digitaler Strahlformung vorgenommen wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bekannte Strahlformer, Strahlformungsverfahren und Kommunikationsstationen weiterzuentwickeln, um ein Strahlformungsverfahren und System zur Verfügung zu stellen, das eine verbesserte Verfügbarkeit von Kommunikationsleistungen in geographischen Teilen von Einzugsgebieten in Abhängigkeit von einem variablen Echtzeitbedarf für die Kommunikationsleistung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren, den Strahlformer und die Kommunikationsstation gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist ausführlich in den angefügten Ansprüchen ausgewiesen. Ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung kann jedoch durch Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung und die Ansprüche abgeleitet werden, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen betrachtet werden, worin sich Zahlen als Verweis auf gleiche Positionen in allen Zeichnungen beziehen und:
1 zeigt ein Blockdiagramm von Satellitenempfänger- und Senderteilen, die einen digitalen Strahlformer in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung beinhalten;
2 zeigt ein Blockdiagramm einer Bodenstation und eine Matrixantenne, die einen digitalen Strahlformer in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung enthalten;
3 erläutert einen geostationären Satelliten, der einen digitalen Strahlformer in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung benutzt und sich das Spektrum mit einem nicht geostationären Satelliten teilt.
4 erläutert einen Satelliten, der einzelne Antennenstrahlen durch die Nutzung eines digitalen Strahlformers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bereitstellt;
5 erläutert Antennenstrahlprojektionen auf die Erdoberfläche durch die Nutzung eines digitalen Strahlformers in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung, die dem Bedarf nach Kommunikationsleistungen entsprechen;
6 und 7 sind Flußdarstellungen, die eine Störungsverminderung und Antennenstrahlzuweisungsverfahren in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung erläutern;
8 ist eine Flußdarstellung, die ein Verfahren zur Bereitstellung von Antennenstrahlen für geographische Regionen entsprechend dem Bedarf an Kommunikationsleistungen erläutert;
9 zeigt ein Blockdiagramm eines digitalen Strahlformers in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
10 zeigt ein Blockdiagramm, das eine erste Ausführung einer Recheneinheit darstellt, die für den Gebrauch in dem digitalen Strahlformer der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
11 zeigt ein Blockdiagramm, das eine zweite Ausführung einer Recheneinheit darstellt, die für den Gebrauch in dem digitalen Strahlformer der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
12 zeigt ein Blockdiagramm, das eine dritte Ausführung einer Recheneinheit darstellt, die für den Gebrauch in dem digitalen Strahlformer der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
13 zeigt ein Blockdiagramm, das eine erste Ausführung eines Summierungsprozessors darstellt, der für den Gebrauch in dem digitalen Strahlformer der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
14 zeigt ein Blockdiagramm, das eine zweite Ausführung eines Summierungsprozessors darstellt, der für den Gebrauch in dem digitalen Strahlformer der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
15 zeigt ein Blockdiagramm eines digitalen Strahlformers, der in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
Die hieraus hervorgehende Veranschaulichung erläutert eine bevorzugte Ausführung der Erfindung in einer ihrer Formen, und es ist nicht beabsichtigt, daß eine solche Veranschaulichung als eine Begrenzung in irgendeiner Weise ausgelegt wird.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung stellt neben anderen Dingen einen digitalen Strahlformer bereit, der für den Gebrauch in Matrixantennen geeignet ist. In der bevorzugten Ausführung stellt der digitale Strahlformer ein Verfahren zur Verminderung von Einflüssen von Störsignalen bereit. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Verfolgung des Standortes von Störsignalen bereit und stimmt die digitalen Strahlformungskoeffizienten neu ab, um Nullen in der Antennenstruktur zu erzeugen, die gegen dieses Störungssignal gerichtet sind. Die vorliegende Erfindung stellt auch einen digitalen Strahlformer bereit, der Einflüsse von Störsignalen vermindert.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Kommunikationsverfahren mit Kommunikationseinrichtungen, Teilnehmereinheiten, Relaisstationen oder Flugzeugen bereit, die eine Matrixantenne benutzen, die einen digitalen Strahlformer hat. In einer bevorzugten Ausführung sind digitale Strahlformungskoeffizienten abgestimmt, um die Signalqualität der Kommunikationssignale, die von den Kommunikationseinrichtungen empfangen werden, zu verbessern oder zu maximieren. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung versorgt die Kommunikationseinrichtung den Satelliten mit Qualitätsanzeigen, die die Qualität des Signals anzeigen, das von der Kommunikationseinrichtung empfangen wird. In Reaktion auf die empfangenen Verbindungsqualitätsanzeigen stimmt der digitale Strahlformer an Bord des Satelliten seine Antennenstrahlstruktur dynamisch ab, um zu helfen, das Signal, das zur Kommunikationseinrichtung übertragen wird, zu optimieren. In einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung werden die digitalen Strahlformungskoeffizienten neu abgestimmt, um kontinuierlich zu helfen, die Signalqualität des empfangenen Signals aufrechtzuerhalten und zu verbessern oder zu maximieren, da die Kommunikationseinrichtung und der Satellit ihre relativen Positionen verändern.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Kommunikation mit Kommunikationseinrichtungen bereit, die an Bord einen digitalen Strahlformer einer satellitengestützten Matrixantenne nutzen. Die digitalen Strahlformungskoeffizienten werden abgestimmt, um mehr Antennenstrahlen in geographische Regionen zu gewährleisten, die einen hohen Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben und werden auch abgestimmt, um weniger Antennenstrahlen in geographische Regionen zu gewährleisten, die einen geringen Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben. Da der sich Bedarf nach Kommunikationsleistungen mit Rücksicht auf die geographische Lage ändert, weist der digitale Strahlformer in der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung dynamisch Antennenstrahlen zu oder weist zusätzliche Strahlen in Reaktion auf die Veränderungen des Bedarfs nach Kommunikationsleistungen zu. Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls eine Kommunikationseinrichtung wie eine Teilnehmereinheit bereit, die mit Satelliten, Kommunikationsstationen oder anderen Kommunikationseinrichtungen kommuniziert, die eine Matrixantenne, ausgerüstet mit einem digitalen Strahlformer, benutzen.
Analoge Matrixantennen sind in der Technik wohlbekannt. Die Antennenstrahlencharakteristiken werden durch Abstimmung der Amplitude und Phase des empfangenen oder gesendeten Signals jedes Matrixelements gesteuert. Durch diese Steuerung kann jeder Antennenstrahl geformt werden, seine Strahlungsrichtung kann definiert werden, Antennennullen können gerichtet werden, usw. Mehrfachamplituden- und Phasenabstimmung kann benutzt werden, um Mehrfachantennenstrahlen zu erzeugen. Wegen der Komplexität dieser Systeme, sind die meisten analogen Matrixantennen, die Mehrfachstrahlstrukturen erzeugen, phasengesteuerte Matrizen, die eine Hilfsmatrix benutzen, um die Signale von allen Matrixelementen zu kombinieren. Im allgemeinen bleiben die Charakteristiken von Antennenstrahlen konstant, wenn eine Hilfsmatrix und Verbindungsnetzwerk aufgebaut sind. In der vorliegenden Erfindung wird ein digitaler Strahlformer benutzt, um die Amplitude und Phase jedes der strahlenden Elemente dynamisch zu steuern, um Mehrfachan tennenstrahlen zu bilden. Charakteristiken der Strahlen wie Strahlungsrichtung des Hauptstrahls, Strahlungsrichtung jedes der anderen Strahlen, Bandbreite, Nullstellen, Korrekturen wegen Öffnungsabweichungen und andere Charakteristiken der Strahlen, werden alle durch die Benutzung der dynamischen Abstimmung der Strahlkoeffizienten gesteuert. Eine solche Flexibilität ist bei analogen phasengesteuerten Matrixrealisierungen nicht möglich.
1 zeigt ein Blockdiagramm von Satellitenempfangs- und Sendeteilen, die einen digitalen Strahlformer in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung beinhalten. Der digitale Strahlformer 10 schließt ein Empfangsnetzwerk zur digitalen Strahlformung (DBF) 32 ein, ein Empfangsstrahlsteuerungsmodul 34, Empfangs DBF Steuereinheit 36, Sender DBF Netzwerk 40, Senderstrahlsteuerungsmodul 42 und Sender DBF Steuereinheit 48. Die Empfangsteile beinhalten das Empfangsteil der Matrixantenne 20, ein oder mehrere Empfangsmodule 26 und einen oder mehrere Analog/Digital (A/D) Wandler 28.
Der Strahlformer 10 schließt Strahllenkungs- und Steuerungsfunktionen ein, die notwendig sind, um Antennenstrahlen mit den geforderten Charakteristiken zu bilden. Die digitalen Ausgänge, die der Strahlformer 10 zu jedem Strahlkanaleinteiler 35 bereitstellt, sind vorzugsweise gleich dem Ausgang des Signals eines Einzelantennenstrahls. Diese digitalen Ausgänge werden durch die Paketschaltungsbaugruppe entweder zu geeigneten Querverbindungs- oder Abwärtskommunikationspfaden geführt. Im Fall von Abwärtsverbindungen wird der Vorgang umgekehrt.
Das digitale Strahlformungs-Sendernetzwerk 40 liefert die geeigneten Strahllenkungs- und Strahlsteuerungsvektoren zu jedem dieser Signale und bildet Abwärtsverbindungsstrahlen mit den vorgeschriebenen Charakteristiken. Diese Basisband signale werden zu analogen Signalen rückgewandelt und auf Abwärtsfrequenzen übersetzt. Leistungsverstärker treiben vorzugsweise jedes dieser einzelnen Matrixelemente. Das Senderteil beinhaltet einen oder mehrere Digital/Analog (D/A) Wandler 44, eine oder mehrere Sendermodule 46 und das Senderteil der Matrixantenne 20.
Die Matrixantenne 20 beinhaltet die Elemente 22, die vorzugsweise in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind, wobei andere Matrixkonfigurationen geeignet sind. Die empfangenen Hochfrequenz (RF) Signale werden erkannt und auf Elementebene digitalisiert. Wenn Intensitätsschwankungen fehlen, haben die empfangenen Signale im allgemeinen gleiche Amplituden, aber unterschiedliche Phasen auf jedem Element. Die Signale können eine beliebige Anzahl von Kommunikationskanälen darstellen.
In Reaktion auf die empfangenen Signale erzeugen die Empfängermodule 26 analoge Signale. Die Empfängermodule 26 führen die Funktionen der Frequenzabwärtsübertragung, der Filterung und der Verstärkung auf einen Leistungspegel entsprechend dem A/D Wandler 28 durch. Die Phaseninformation des Strahlungssignals wird über eine Phasen (I) und eine Quadratur (Q) Komponente erhalten, eingeschlossen im analogen Signal. Die I bzw. Q Komponenten stellen die realen und imaginären Teile des komplexen analogen Signals dar. Es gibt vorzugsweise eine 1:1 Übereinstimmung zwischen den Elementen 22 und den Empfängermodulen 26.
Die A/D Wandler testen und digitalisieren die analogen Signale, um digitale Signale zu herzustellen. Jeder A/D Wandler ist vorzugsweise dazu bestimmt, die Signale zu verarbeiten, die durch ein entsprechendes Matrixelement erzeugt werden. Nach der A/D Umwandlung gehen die Signale an das digitale Strahlformungs-Empfangsnetzwerk 32, das gewichtete Summen gerechnet, die die inneren Produkt-Strahlen darstellen. Typischerweise stellt ein innerer Produkt-Strahl einen Kommunikationskanal dar.
Wichtungswerte werden an das digitale Strahlformungs-Empfangsnetzwerk 32 vom Empfangsstrahlsteuerungsmodul 34 geleitet. Durch die Verwendung eines geeigneten Algorithmus bestimmt das Empfangsstrahlsteuerungsmodul 34 anpassungsmässig die geeigneten Wichtungen für jedes Strahlungselement 22. Dies kann mit einer relativ geringen Rate geschehen, im Vergleich mit dem Gesamtdatendurchsatz des Antennensystems. Die Empfangs DBF Steuereinheit 36 analysiert die eingehenden Signale und führt Prozeduren und Verfahren aus, die nachfolgend erläutert werden.
Das Empfangs DBF Netzwerk 32 stellt digitale Signale, die von jedem Strahlungselement 22 empfangen werden, an den Strahlkanaleinteiler 35 bereit. Die digitalen Signale beinhalten Amplituden- und Phaseninformationen (I und Q) vom Strahlungselement. Jedes Strahlkanaleinteilermodul wandelt diese digitalen Signale in einen digitalen Datenstrom für einen bestimmten Antennenstrahl oder Kanal. Vorzugsweise entspricht jedes Kanaleinteilermodul einem Antennenstrahl. Die Strahlkanaleinteilermodule 35 liefern diesen digitalen Datenstrom zu Datenpaketschaltungselementen 38, von denen die Daten paketisiert werden und die Pakete werden entsprechend geleitet. In der bevorzugten Ausführung werden die Datenpakete über Querverbindungsantennen 39 zu anderen Satelliten geleitet, über Abwärtsverbindungen zu Leitungswegen oder Erdstationen, oder über Abwärtsverbindungen, die der Satellit bereitstellt, zu Kommunikationseinrichtungen. Vorzugsweise stellt die Matrixantenne 20 sowohl Aufwärtsverbindungen als auch Abwärtsverbindungen für die Kommunikationseinrichtungen bereit.
Die eingehenden entpaketisierten Daten von den Datenpaketschaltungselementen 38 werden an das Strahlerzeugungsmodul 45 geliefert. Die Datenpaketschaltungselemente 38 liefern einen digitalen Datenstrom, der einen einzelnen Antennenstrahl darstellt, zu jedem Strahlerzeugungsmodul 45. Die eingehenden digitalen Signale beinhalten bevorzugt Phaseninformationen (I und Q Komponenten) für jeden Kanal/Antennenstrahl. Die Strahlerzeugungsmodule 45 wandeln diese digitalen Datenströme in ein digitales Ausgangssignal, das die analogen Wellenformen für jedes Senderstrahlungselement 22 darstellt. Jedes Strahlerzeugungsmodul 45 liefert sein digitales Ausgangssignal sowohl an das digitale Strahlformer Sendernetzwerk 40 als auch an das Senderstrahlsteuerungsmodul 42. Das Senderstrahlsteuerungsmodul 42 liefert gewichtete Summen an das digitale Strahlformer Sendernetzwerk 40. Eine gewichtete Summe wird vorzugsweise geliefert, um jedem der Senderstrahlungselemente 22 der Matrixantenne 20 zu entsprechen.
Die Wichtungen werden durch das Senderstrahlsteuerungsmodul 42 zum digitalen Strahlformer Netzwerk 40 geleitet. Durch die Benutzung eines geeigneten Algorithmus bestimmt das Senderstrahlsteuerungsmodul 42 anpassungsmäßig die richtigen Wichtungen
Die D/A Wandler 44 wandeln die digitalen Ausgangssignale für jedes Strahlungselement des Strahlformer Netzwerks 40 in die entsprechenden analogen Signale für jedes Strahlungselement 22. Die Sendermodule 46 erzeugen Signale, die für die Übertragung durch die Strahlungselemente geeignet sind und führen vorzugsweise die Funktionen der Aufwärtsübertragung, der Filterung und der Verstärkung durch.
Das digitale Strahlformungsantennensystem, das in 1 gezeigt wird, hat Vorteile über herkömmlichen Feststrahlantennen, da es, neben anderen Dingen, räumlich eng begrenzte Nutzer trennen kann, Strahlstrukturen in Reaktion auf eingehende Daten anpassungsmäßig abstimmen kann, Antennenstrahlen für einzelne Nutzern bereitstellen kann, Antennenstrahlen in Reaktion auf den Bedarf nach Kommunikationsleistungen bereitstellen kann und die Strukturnullung für unerwünschte RF Signale verbessern kann. Diese Eigenschaften werden durch eine geeignete Software, die in die Steuereinheiten 36 und 48 eingebettet ist, realisiert.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer Kommunikationseinrichtung und einer Matrixantenne, die einen digitale Strahlformer in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung beinhalten. Die Kommunikationseinrichtung 90 kann ein mobiles Gerät sein, eine Basisstation, eine Relaisstation oder eine Kommunikationseinrichtung wie ein mobiles oder zellulares Telefon und kann mobil sein oder räumlich fixiert sein. Die Kommunikationseinrichtung 90 kann sich auch an Bord eines Flugzeuges befinden. Die Kommunikationseinrichtung 90 ist an die Matrixantenne 89 geschaltet. Die Matrixantenne 89 umfaßt eine Vielzahl von Strahlungselementen, vorzugsweise in einer zweidimensionalen Matrixkonfiguration angeordnet. Jedes Matrixelement dient vorzugsweise zum Empfang und/oder zur Übertragung von RF Signalen. Aufgrund der Eigenschaften von Antennen ist die vorliegende Beschreibung gleichermaßen geeignet für Übertragung und Empfang.
Die Kommunikationseinrichtung 90 beinhaltet Isolatoren 91, die die empfangenen und gesendeten Signale von der Matrixantenne 89 trennen. Der Isolator 91 liefert durch die Sendermodule 93 ein Sendesignal von den Sendemodulen 93 für jedes Matrixelement. Der Isolator 91 liefert Empfangssignale von jedem Matrixelement zu den Empfangsmodulen 92. Das Basisgerät 90 beinhaltet auch einen digitale Strahlformer 10 (DBF), der vorzugsweise das digitale Strahlformer Sendernetzwerk 94 beinhaltet, das digitale Strahlformer Empfangsnetzwerk 98 und die digitale Strahlformer Steuereinheit 99. Das digitale Strahlformer-Sendenetzwerk 94 empfängt Strahlformungskoeffizienten von der DBF Steuereinheit 99, die die Phasen- und Amplitudenkomponenten des übertragenen RF Signals auf jedem Strahlungselement der Matrixantenne 89 steuert. Das digitale Strahlformer Empfangsnetzwerk 98 empfängt von der DBF Steuereinheit 99 Strahlformungskoeffizienten, um die Phasen- und Amplitudeneinstellung der von den Matrixelementen der Matrixantenne 89 empfangenen RF Signale zu gewährleisten.
Die Sendermodule 93 sind gleich und erfüllen gleiche Funktionen wie die Sendermodule 46 von 1. Die Empfangsmodule 92 sind gleich und erfüllen gleiche Funktionen wie die Empfangsmodule 26 von 1. Die Sendermodule 93 wandeln I und Q digitale Signale, die vom digitalen Strahlformer Sendernetzwerk 94 empfangen werden, in analoge Signale, während die Empfangsmodule 92 analoge Signale in I und Q digitale Signale umwandeln und stellen diese I und Q digitale Signale an das digitale Strahlformer Empfangsnetzwerk 98 bereit. Das digitale Strahlformer Empfangsnetzwerk 98 stellt ein kanalisiertes Ausgangsdigitalsignal an den Digitalsignalprozessor (DSP) 95 bereit, das das Kommunikationskanalsignal darstellt, auf dem die Bodenstation kommuniziert. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung kann die Bodenstation 90 auf verschiedenen Kanälen zur gleichen Zeit kommunizieren. Dementsprechend liefert das digitale Strahlformungs-Empfangsnetzwerk 98 ein Signal für jeden Kommunikationskanal an den DSP 95.
In dieser Ausführung stellt der DSP 95 ebenfalls ein Kommunikationskanalsignal an das digitale Strahlformungs-Sendernetzwerk 94 für jeden Kommunikationskanal bereit, auf dem die Bodenstation kommuniziert. Im Fall eines zellularen Telefons oder eines Mobiltelefons, das auf einem Kommunikationskanal kommuniziert, stellt der Empfangs DBF einen Kommunikationskanal an den DSP 95 bereit, während der DSP 95 einen Sendekommunikationskanal an das digitale Strahlformer Sendernetzwerk 94 bereitstellt. Es gibt keine Forderung, daß die Sende- und Empfangskanäle die gleichen sein müssen. Der DSP 95 gewährleistet in Verbindung mit dem Eingabe/Ausgabeteil (I/O) und in Verbindung mit dem Speicherelement 97 alle Standardfunk tionen, die mit dem Betrieb von mobilen Bodenstationen, Kommunikationseinrichtungen wie Teilnehmereinheiten oder zellularen Telefonen verbunden sind. Im allgemeinen sind die Matrixelemente oder die Matrixantenne 89, die digitalen Strahlformer Sende- und Empfangsnetzwerke 94 und 98 und die DBF Steuereinheit gleich den entsprechenden Baugruppen von 1. Die Kommunikationseinrichtung 90 ist vorzugsweise so aufgebaut, um Daten auszutauschen, indem die Zeit-Mehrfachzugriff-(TDMA), Frequenz-Mehrfachzugriff-(FDMA) oder Kode-Mehrfachzugriff-(CDMA)Verfahren genutzt werden.
Im Falle einer Teilnehmereinheit werden weniger Matrixelemente benötigt als bei einer Satelliten-phasengesteuerten Matrixantenne. Dementsprechend haben die Empfangs-DBF- und Sende-DBF-Module, die damit verbunden sind, weniger Elemente. Zum Beispiel benutzt bei der Satelliten phasengesteuerten Matrixantenne eine bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung 64 Reihen von 8 × 8 Strahlungselementen. Diese 4096 Strahlungselemente benutzen vorzugsweise 4096 damit verbundene Empfangsmodule 26 und Sendermodule 46. Dementsprechend werden auch 4096 Analog/Digital-(A/D) oder Digital/Analog-Wandler (D/A) 28 und 44 benutzt. Jeder A/D-Wandler stellt vorzugsweise 16 I-Datenbits und 16 Q-Datenbits bereit. Das Empfangs-DBF-Netzwerk hat 4096 mal 16 Eingänge von A/D-Wandlern. Die Anzahl von I- und Q-Bits kann größer oder kleiner als 16 sein, und die Anzahl der Strahlungselemente hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich dem Verbindungsspielraum, dem Signal-Rausch-Verhältnis und den Antennenstrahlcharakteristiken. Zum Beispiel kann die Anzahl der Strahlungselemente in Teilnehmereinheiten und mobilen und zellularen Telefonanwendungen zwischen 8 und einigen hundert sein. Für mobile und Bodenstationen, die viele verschiedene Kommunikationskanäle über viele verschiedene Antennenstrahlen bedienen, kann die Anzahl der Strahlungselemente von einigen hundert bis einigen tausend betragen. Die Kommunikationseinrichtung von 2 kommuniziert mit einem Satelliten oder einer anderen Kommunikationsstation oder einer anderen Teilnehmereinheit oder Kommunikationseinrichtung durch die Benutzung des digitalen Strahlformers 88.
Der digitale Strahlformer 88 beinhaltet das digitale Strahlformungs-Sendernetzwerk 94, digitale Strahlformungs-Empfangsnetzwerk 98 und die digitale Strahlformungs-Steuereinheit 99. Der digitale Strahlformer 88 hat gleiche Funktionen und beinhaltet gleiche Hardwareelemente wie der digitale Strahlformer 10 von 1.
Durch die Benutzung des digitalen Strahlformers 88, ausgeführt in der Teilnehmereinheit oder in der Kommunikationseinrichtung 90 von 2, verfolgt die Kommunikationseinrichtung 90 in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung Störsignale und liefert eine Null in seiner Antennenstruktur in der Richtung des Störsignals. Wenn zum Beispiel die Bodenstation mit geostationären Satelliten kommuniziert, kann ein Störsignal von einem Erdsatelliten, der sich in niedriger Umlaufbahn über den Himmel bewegt, herrühren. In einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung verfolgt auch die Einrichtung 90 andere Störsignale und gewährleistet die Nullung der Antennenstruktur in der Richtung von jenen Störsignalen. In einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung versucht die Kommunikationseinrichtung 90 ihren Empfang von eingehenden Signalen durch die Abstimmung ihrer Empfangs DBF Koeffizienten für verbesserte Signalqualitäten wie Signal-Rausch-Abstand oder das Verhältnis Träger zu Rauschen plus Störung zu verbessern.
In einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung empfängt die Kommunikationseinrichtung 90 eine Verbindungsqualitätsanzeige von einer Kommunikationsstation oder einem Satelliten (oder einer anderen Kommunikationseinrichtung) mit denen es kommuniziert. Die Verbindungsqualitätsanzeige (LQI) liefert vorzugsweise 3 Datenbits, die die Qualität des Signals anzeigen, das beim Satellitenempfänger oder Bodenstationsempfänger empfangen wird. Diese Verbindungsqualitätsanzeige wird zur Bodenstation oder zum Teilnehmereinheit zurückgeliefert, die ihre digitalen Strahlformungs-Übertragungskoeffizienten dementsprechend dynamisch abstimmen, um die Qualität ihres übertragenen Signals zu verbessern. In dieser Ausführung bewertet der DSP 95 die Verbindungsqualitätsanzeige und weist die DBF Steuereinheit 99 an, den digitale Strahlformungs-Koeffizienten, der an das digitale Strahlformungs-Sendenetzwerk 94 geliefert, wird abzustimmen. Im allgemeinen verursacht dies, daß die Sende- und Empfangsantennenstrahlcharakteristiken für den speziellen Zustand, in der sich die Teilnehmereinheit oder die Kommunikationseinrichtung gerade befinden, besser optimiert werden. Der Zustand beinhaltet Störungscharakteristiken von anderen Signalen, Störungscharakteristiken, die vom Bodengebiet verursacht werden und die speziellen Empfangsantennencharakteristiken der empfangenden Bodenstation und/oder des Satelliten.
In einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung verfolgt die Teilnehmereinheit und/oder die Kommunikationseinrichtung 90 das Kommunikationssignal von der Basisstation und vom Satelliten, weil sich die Teilnehmereinheit oder das Bodenstation bewegt. Zum Beispiel suchen mobile Teilnehmereinheiten die Richtung der Bodenstation oder des Satelliten, mit denen sie kommunizieren. Dieses Suchen wird auf eine von einer Vielzahl von Arten durchgeführt, die die Benutzung des Empfangssignals und die Bestimmung des Winkels oder der Ankunftsrichtung des Empfangssignals, einschließt. Weil sich die Teilnehmereinheit bewegt, werden alternativ die Antennenstrahlen, vorzugsweise sowohl Sende- als auch Empfangsstrahlen, kontinuierlich abgestimmt, um zu helfen, die Signalqualität zu verbessern. Dementsprechend werden die resultierenden Antennenstrahlstrukturen zur Kommunikationsstation gerichtet, wobei gegen alle Störsignalquellen Nullen gerich tet werden. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Teilnehmereinheit zur Kommunikation mit Satelliten auf einer nicht geostationären Umlaufbahn angepaßt, wie Satelliten in einer erdnahen Umlaufbahn. Wenn der Satellit vorüberfliegt, werden die Antennenstrahlcharakteristiken durch die Benutzung des digitalen Strahlformers 88 abgestimmt, um eine verbesserte Kommunikation mit dem Satelliten auf erdnaher Umlaufbahn aufrechtzuerhalten und bleiben vorzugsweise auf den Satelliten gerichtet, wenn sich der Satellit über den Himmel bewegt.
Ein Beispiel der Teilnehmereinheit und der Antennenmatrix 89 von 2 würde Matrixelemente beinhalten, die auf dem Dach eines motorisierten Fahrzeuges montiert sind, angeschlossen an die Kommunikationseinrichtung 90, die sich in Inneren des Fahrzeugs befindet. Im Falle eines Bodenstation können die Matrixelemente auf dem Dach eines Hauses oder Gebäudes montiert sein und das Bodenstation kann sich woanders befinden.
3 erläutert einen geostationären Satelliten mit einem digitalen Strahlformer in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung, der sich das Spektrum mit einem nicht geostationären Satelliten teilt. 3 erläutert eine typische Situation der Spektrumsteilung, in der die vorliegende Erfindung genutzt werden kann. Wie erläutert, gibt es mehrere Sichtpfade zwischen dem geostationären (GSO) Satelliten 62 und dem nicht geostationären (NGSO) Satelliten 60, NGSO Station 68, GSO Bodenstation 66 und einer Störsignalquelle 64. Da der NGSO Satellit 60 nicht fixiert ist in Bezug auf die Erdoberfläche, kann der NGSO Satellit zu verschiedenen Zeiten in Sicht kommen. Wenn die beiden Kommunikationssysteme einen gemeinsamen Bereich des Frequenzspektrums belegen, können Störungen zwischen den beiden Systemen auftreten.
Wenn der GSO Satellit 62 einen digitalen Strahlformer der vorliegenden Erfindung beinhaltet, konfiguriert der Empfängerteil des digitalen Strahlformers die Antennenstrahlen des GSO Satelliten, damit sein Hauptkommunikationsstrahl wünschenswerterweise zur Boden GSO Station 66 zeigt, während vorzugsweise in die Richtung der NGSO Bodenstation 68 in der Antennenstruktur eine Null bereitgestellt wird. Dementsprechend werden alle Störungen von der NGSO Bodenstation wesentlich reduziert. Vorzugsweise ist eine weitere Null in der Antennenstruktur des GSO Satelliten 62 gegen den NGSO Satelliten gerichtet und verfolgt ihn. Um dies zu vervollständigen, werden die DBF Empfangs- und/oder Sendekoeffizienten kontinuierlich abgestimmt, um eine Null in Richtung des NGSO Satelliten 60 aufrechtzuerhalten, da sich der NGSO Satellit 60 bewegt. Dementsprechend werden diese Nullen dynamisch gesteuert.
Nullen werden in der Antennenstruktur gesetzt, die auf die NGSO Station gerichtet ist. Die NGSO Station 68 sendet und empfängt gewöhnlich nur zu einer Zeit, wenn der NGSO Satellit vorüberfliegt. Dementsprechend kann die Null in der Sende- und Empfangsantennenstrukturen des GSO Satelliten 62 in Übereinstimmung mit der NGSO Station 68 eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Die Einsetzung einer Null in die Sende- und Empfangsantennenstrukturen des GSO Satelliten 62 gestattet es den beiden Systemen, sich Spektren zu teilen. In der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung werden Sende- und Empfangsnullen in gleiche Richtungen plaziert. Die Richtungsinformation wird vorzugsweise zwischen Empfangs DBF Steuereinheit 36 und Sende DBF Steuereinheit 48 von 1 aufgeteilt.
In einer bevorzugten Ausführung wird die Richtung, in die die Antennennull zu richten ist, bestimmt, indem die Richtung der Eingangsinformation vom Störsignal benutzt wird. Der DBF des GSO Satelliten 62 überwacht sein Sichtfeld nach vorzugsweise zwei Klassen von Signalen, synergetische und nicht synergetische. Synergetische Signale sind Signale deren Charakteristiken wohlbekannt sind. Diese synergetischen Störsignale werden vorzugsweise im GSO Satelliten 62 auf dem Basisbandpegel demoduliert und dementsprechend werden die digitalen Sende und Empfangs Strahlformungskoeffizienten abgestimmt, um dem Empfang dieses Störsignals zu reduzieren und minimieren zu helfen. Im Fall von nicht synergetischen Signalen, d. h. Signalen, die unbekannt sind, werden grundlegende Verfahren der Ankunftsrichtung benutzt, um Störungen von diesen Signalen zu vermindern.
Der digitale Strahlformer der vorliegenden Erfindung kann auch im NGSO Satelliten 60 verwendet werden, und stellt Nullen in Richtung der GSO Station 66 und der Störsignalquelle 64 bereit.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die spektrale Teilung für eine gestiegene Dichte von geostationären Satelliten verbessert wird. Zum Beispiel können durch die Benutzung des digitalen Strahlformers, beschrieben in 1, geostationäre Satelliten in Abschnitten der Umlaufbahn plaziert werden, die um weniger als 2° geteilt sind. Wenn zum Beispiel eine Kommunikationseinrichtung mit ihrem zugewiesenen geostationären Satelliten kommuniziert, sendet jeder der geostationären Satelliten Erfassungskanalinformationen. Die Antenne der Kommunikationseinrichtung empfängt diese Informationen von allen Satelliten, die im Sichtbereich sind. Wenn die Erfassungskanäle in einer Weise wie durch die Frequenz unterscheidbar sind, empfängt die Bodenstation vorzugsweise jeden Erfassungskanal und bestimmt die Ankunftsrichtung jedes der Erfassungssignale. Der digitale Strahlformer, wenn in einer geostationären Satelliten-Bodenstation verwendet, richtet seine Sende- und Empfangsantennenstrahlcharakteristiken vorzugsweise so aus, daß seine Hauptantennenstrahlen auf den gewünschten geostationären Satelliten zeigen, während eine Null in die Richtung der anderen geostationären Satelliten gerichtet wird. Die Ankunftsrichtung kann bestimmt werden, unter anderem durch die Nutzung von Informationen, die mit dem Standort der Kommunikationseinrichtung verbunden sind.
Hochauflösungsverfahren gestatten die räumliche Auflösung dieser Signale, die sich um ungefähr ein Zehntel einer Antennenstrahlbreite unterscheiden. Um eine solche feine Unterscheidung aufrechtzuerhalten, sind hohe Werte des Signal-Rausch-Verhältnisses wünschenswert. Dementsprechend liefert eine Bodenstation mit einer geeigneten Menge von Matrixelementen 22 (1) ein annehmbares Signal-Rausch-Verhältnis und geeignete Antennenstrahlverstärkungscharakteristiken.
In einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung hält der digitale Strahlformer, der an Bord eines geostationären Satelliten eingesetzt wird, die Antennenausrichtung aufrecht. GSO Satelliten driften zum Beispiel leicht in ihren Umlaufbahnstandorten. Typischerweise ist eine An-Bord-Überwachung gefordert, um die Satellitenposition aufrechtzuerhalten. Weil ein GSO Satellit driftet, bewegen sich seine Antennenstrahlen aus ihrer beabsichtigten Zeigerichtung heraus und verschiedene Ausrichtungsverfahren, die auf der Übertragung von Frequenzklängen von den Systemsteuereinrichtungen beruhen, werden benutzt, um die Zeigerichtung der Satellitenantenne wieder auszurichten. GSO Satellitenantennensysteme, die auf Reflexions- oder Linsenantennen basieren, korrigieren diese Bewegungen durch das physische Bewegen der Antennen oder der Antennenfüße. Solche Verfahren erfordern, daß die Antennenkomponenten auf beweglichen Strukturen montiert sind. Der digitale Strahlformer der vorliegenden Erfindung eliminiert die Notwendigkeit dieser mechanischen Strukturen. Der digitale Strahlformer korrigiert die Strahlrichtung, wenn der geostationäre Satellit driftet. Diese Korrektur basiert vorzugsweise auf der Benutzung von gesendeten oder empfangenen Signalqualitätspegeln.
4 erläutert einen Satelliten, der individuelle Antennenstrahlen liefert, durch die Benutzung eines digitalen Strahlformers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Der Satellit 50 kann entweder ein geostationärer Satellit oder ein nicht geostationärer Satellit sein. Der Satellit hat ein Einzugsgebiet, das damit verbunden ist, in welcher geographischen Region der Satellit 50 Kommunikationsdienste leistet. Der Satellit 50 kann des Einzugsgebiet 53 mit einem Antennenstrahl nach Signalen von innerhalb des Einzugsgebiets absuchen, einschließlich der Bedarfsüberwachung nach Kommunikationsleistungen, Störungsüberwachung und der Überwachung von Teilnehmereinheiten, die Leistungen anfordern. Der Satellit 50 liefert auch eine Vielzahl von individuellen Antennenstrahlen 52 innerhalb des Einzugsgebiets 53. Ein digitaler Strahlformer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird vorgesehen, um diese Antennenstrahlen bereitzustellen. Individuelle Antennenstrahlen 52 werden in einer Vielfalt von Arten bereitgestellt und werden vorzugsweise für individuelle Teilnehmereinheiten bereitgestellt. Individuelle Strahlen werden auch in Reaktion auf eine Anforderung nach Kommunikationsleistungen bereitgestellt. Individuelle Antennenstrahlen 52 verfolgen die Bewegung einer Teilnehmereinheit durch das Einzugsgebiet 53. Diese sind genauer in den untenstehenden Verfahren beschrieben.
5 erläutert Antennenstrahlprojektionen auf ein Gebiet der Erdoberfläche durch die Benutzung eines digitalen Strahlformers in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführung werden Antennenstrahlen entsprechend der Anforderung von Kommunikationsleistungen bereitgestellt. Die Fähigkeit sich den Verkehrsanforderungen anzupassen, ist in jedem Satellitensystem sehr wünschenswert. Der digitale Strahlformer 10 von 1 dient zur Positionierung von Nullen in der Antennenstrahlstruktur und gewährleistet Strahlformung und andere Strahlcharakteristiken, die dynamisch durch die Benutzung dieser digitalen Strahlformungsverfahren modifiziert werden. In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung liefert der digitale Strahlformer 10 dynamisch wiederkonfigurierbare (wiederherstellbare) Antennenstrukturen wie dies in 5 gezeigt ist. Diese beispielhaften Antennenstrahlstrukturen basieren auf den gegenwärtigen Verkehrsanforderungspegeln. Zum Beispiel liefert der Antennenstrahl 74 eine weite Überdeckung über ein großes Gebiet, das einen geringen Bedarf an Kommunikationsleistungen hat, während die Antennenstrahlen 80 klein sind und eine hohe Konzentration von Kommunikationskapazität in einer Region bereitstellt, die einen großen Bedarf an Kommunikationsleistungen hat.
In einer weiteren Ausführung sind die Antennenstrahlen entsprechend dem Bedarf nach Kommunikationsleistungen geformt. Die Antennenstrahlen 74 sind zum Beispiel modifiziert und ungefähr nach der Kontur einer geographischen Region geformt, die einen hohen Bedarf an Kommunikationsleistungen hat, in der Nähe eines Gebiets, das eigentlich keinen Bedarf nach Kommunikationsleistungen hat, z. B. des Ozeans. Dementsprechend kann die Kommunikationskapazität konzentriert werden, wo sie benötigt wird. In der bevorzugten Ausführung wird der Antennenstrahl 70 im Echtzeitbetrieb in Reaktion auf den Bedarf an Kommunikationsleistungen dynamisch konfiguriert. In anderen Ausführungen der vorliegenden Erfindung jedoch werden Antennenstrahlen auf der Basis vom historischen und gemessenen Bedarf nach Kommunikationsleistungen bereitgestellt.
6 und 7 sind Flußdiagramme, die einen Störungsverminderungs- und Antennenstrahlausrichtungsablauf in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung erläutern. Obwohl in einem Folgefluß von oben nach unten gezeigt, soll der Ablauf 100 die Schritte erläutern, die durch den digitalen Strahlformer 10 von 1 ausgeführt werden. Viele der gezeigten Aufgaben und Schritte werden vorzugsweise parallel ausgeführt und der Ablauf 100 wird wünschenswerterweise für viele Teilnehmereinheiten und Störungssignale gleichzeitig durchgeführt. Fachleute sind in der Lage, Software für die Empfangs DBF Steuereinheit 36 und die Sende DBF Steuereinheit 48 zu schreiben, um die Schritte des Ablaufs 100 auszuführen. Der Ablauf 100 wird vorzugsweise durch die Empfangs DBF Steuereinheit 36 und die Sende DBF Steuereinheit 48 in Verbindung mit den Strahlsteuerungsmodulen 34 und 42 durchgeführt. Die Software ist innerhalb der DBF Steuereinheit 36, der Sende DBF Steuereinheit 48 und dem Strahlsteuerungsmodul 34 eingebettet, um die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen. Teile des Ablaufs 100 können auch gleichzeitig durch Prozessoren auf anderen Satelliten oder in Bodenstationen in Verbindung mit dem Satellitenteil ausgeführt werden, gezeigt in 1. Obwohl der Ablauf 100 für die Kommunikation zwischen einem Satelliten und einer bodengestützten Teilnehmereinheit beschrieben wird, ist der Ablauf 100 anwendbar auf jede Kommunikationsstation, einschliesslich Relaisstationen und Kommunikationseinrichtungen.
In Schritt 102 lauscht die Kommunikationsstation auf ein Signal, vorzugsweise innerhalb des Einzugsgebietes des Satelliten. Das Empfangsstrahlsteuerungsmodul 34 konfiguriert vorzugsweise Antennenstrahlen, dass zumindest ein breiter Antennenstrahl geliefert wird, der im wesentlichen ein ganzes Einzugsgebiet eines Satelliten überdeckt. Dementsprechend werden Signale von irgendeiner Stelle innerhalb dieses Einzugsgebietes auf diesem einen Antennenstrahl empfangen. Die Signale, die empfangen werden, können Signale beinhalten, die von vorhandenen Nutzern stammen, die z. B. bereits mit dem Satellitensystem kommunizieren, Signale von Nicht-Systemnutzern ein schließlich Störungssignale und Signale von Systemnutzern, die Zugriff zum System fordern.
Schritt 104 bestimmt, ob das Signal ein Signal von einem vorhandenen Nutzer ist oder nicht. Im allgemeinen ist der Standort von vorhandenen Nutzern bekannt. Wenn das empfangene Signal nicht von einem vorhandenen Nutzer ist, bestimmt Schritt 106 den Standort dieser Signalquelle. Fachleute werden verstehen, dass verschiedene Arten genutzt werden können, um den geographischen Standort einer Signalquelle zu bestimmen. Diese Arten können die Analyse des Ankunftswinkels, der Ankunftszeit, der Ankunftsfrequenz usw. beinhalten. Wenn die Signalquelle ein Nutzer ist, der Systemzugriff fordert, kann alternativ die Teilnehmereinheit die geographischen Koordinaten mit ihrem Forderungssignal nach Systemzugriff bereitstellen.
Wenn der Standort der Signalquelle bestimmt ist, bestimmt Schritt 110, ob das Signal ein Störsignal ist oder nicht. Mit anderen Worten bestimmt Schritt 110, ob sich die Signalquelle mit einem Teil des dem Satellitensystem zugewiesenen Spektrums stört oder ob das Störsignal alternativ ein Kommunikationskanal ist, der gegenwärtig benutzt wird durch eine Teilnehmereinheit, die mit dem Satelliten kommuniziert. Wenn Schritt 110 ermittelt, dass die Signalquelle kein Störsignal ist und dass die Signalquelle ein Gesuch nach einem neuen Kanal ist, weist der Schritt 112 einen Antennenstrahl zu diesem Nutzer. Schritt 112 kann verschiedene Sicherheits- und Zugriffsgesuchsverfahren beinhalten, die nicht notwendigerweise wichtig für die vorliegende Erfindung sind. In der bevorzugten Ausführung wird der Schritt dadurch begleitet, dass die Empfangs- und Sende DBF Steuereinheiten 36 und 48 die geeigneten Informationen an die Strahlsteuerungsmodule 34 und 42 liefern.
Die Strahlsteuerungsmodule 34 und 42 verursachen, dass die Empfangs- und Sendenetzwerke 32 und 40 individuelle Empfangs- und Sendeantennenstrahlen erzeugen, die zu der Teilnehmereinheit an dem Standort der Teilnehmereinheit gerichtet sind. Die Schritte 114 und 116 stimmen vorzugsweise die DBF Sende und Empfangskoeffizienten ab, um zu helfen, eine verbesserte Signalqualität, die von der Teilnehmereinheit empfangen wird, zu gewährleisten.
In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung liefert die Teilnehmereinheit eine Verbindungsqualitätsanzeige (LQI), die die Qualität des empfangenen Signals anzeigt. Die Teilnehmereinheit liefert diese Verbindungsqualitätsanzeige zum Satelliten. Die Verbindungsqualitätsanzeige wird durch die Empfangs DBF Steuereinheit 36 und die Sende DBF Steuereinheit 48 beurteilt, die das Sendestrahlsteuerungsmodul 42 veranlassen, die DBF Steuerungskoeffizienten abzustimmen, um den zur Teilnehmereinheit übertragenen Antennenstrahl optimieren zu helfen.
Wenn der Schritt 110 erkennt, dass die Signalquelle ein Störsignal ist, zum Beispiel ein Nicht-Systemnutzer, berechnen der Schritt 118 und Schritt 120 die Empfangs DBF Koeffizienten und stimmen sie ab, die an das Empfangs DBF Netzwerk 32 geliefert werden, um die Störung vom Störungssignal reduzieren zu helfen oder zu minimieren. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung plaziert der Schritt 118 eine Null in der Antennenstruktur in der Richtung des Störsignals. In der bevorzugten Ausführung werden die Schritte 118 und 120 wiederholt, bis die Störung unter einem vorbestimmten Pegel ist. In Schritt 122 wird das Störsignal kontinuierlich überwacht und verfolgt, wenn sich entweder der Satellit bewegt oder sich das Störsignal bewegt.
Wenn Schritt 104 erkannt hat, das die Signalquelle ein vorhandener Nutzer ist, bestimmt Schritt 124, wann ein Übergabesignal gefordert wird. In einigen Ausführung der vorliegenden Erfindung fordert die Teilnehmereinheit Übergabesignale, während in anderen Ausführungen der vorliegenden Erfindung das System bestimmt, wann Übergabesignal notwendig ist. Vorzugsweise werden Übergabesignale auf der Grundlage der Signalqualität bestimmt. Im allgemeinen wird ein Übergabesignal gefordert, wenn ein Nutzer nahe am Rand des Antennenstruktureinzugsgebietes oder einer ausgeschlossenen Zone ist.
In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung werden Antennenstrahlen an die Teilnehmereinheit individuell bereitgestellt und der individuelle Antennenstrahl verfolgt den Standort der Teilnehmereinheit. Demzufolge sind Übergabesignale nur zwischen Satelliten und am Rand des Satelliteneinzugsgebietes notwendig. Wenn ein Übergabesignal notwendig ist, wird Schritt 112 ausgeführt, die einen neuen Antennenstrahl von einem anderen Satelliten zum Nutzer zuweist. Wenn ein Übergabesignal nicht gefordert wird, wird Schritt 128 ausgeführt. In Schritt 128 wird die Innenbandstörung gemeinsam mit dem empfangenen Leistungspegel und Verbindungsqualitätsmessungen verfolgt.
In Schritt 132 werden die Empfangs und Sende DBF Koeffizienten abgestimmt, um zu helfen, eine verbesserte oder maximale Signalqualität aufrechtzuerhalten, um die Innenbandstörung reduzieren zu helfen oder zu minimieren und um den Empfangsleistungspegel maximieren zu helfen. Während dieses ”Verfolgungs” Modus können zusätzliche Störsignale 130 eine Verminderung der Signalqualität verursachen. Dementsprechend stimmt der Schritt 132 die DBF Koeffizienten dynamisch neu ab, um zu helfen, die Signalqualität aufrechtzuerhalten. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung werden Verbindungsqualitätsanzeigen 131 durch die Kommunikationseinrichtungen oder Teilnehmereinheiten bereitgestellt. Dementsprechend dient die Kombination der Schritte 128 bis 132 der Verfolgung der Teilnehmereinheit, wenn sich der relative Standort zwischen Teilnehmereinheit und dem Satelliten ändert. Schritt 134 bestimmt, wann ein Übergabesignal gefordert wird. Wenn ein Übergabesignal nicht gefordert wird, bleibt die Teilnehmereinheit im Verfolgungsmodus. Wenn das Übergabesignal gefordert wird, wird Schritt 136 eine Übergabe zum nächsten Satelliten ausführen. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird der nächste Satellit darüber informiert, dass ein Übergabesignal gefordert wird und der geographische Standort der Teilnehmereinheit wird bereitgestellt. Dementsprechend kann der nächste Satellit einen Antennenstrahl speziell für diese Teilnehmereinheit ausrichten und erzeugen, bevor sie von ihrem gegenwärtigen Satelliten aufgegeben wird. Wenn die Teilnehmereinheit an den nächsten Satelliten übergeben worden ist, fügt der Schritt 138 den verfügbaren Antennenstrahl in ihren Vorratsbereich ein, und gestattet, dass dieser Antennenstrahl verfügbar ist, einer anderen Teilnehmereinheit zugewiesen zu werden.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Bereitstellung von Antennenstrahlen an geographische Regionen in Reaktion auf den Bedarf nach Kommunikationsleistungen erläutert. Das Verfahren 200 soll, obwohl es in einem Folgefluss von oben nach unten gezeigt wird, die Schritte erläutern, die durch den digitale Strahlformer 10 von 1 durchgeführt werden. Viele der gezeigten Aufgaben und Schritte werden vorzugsweise parallel durchgeführt und das Verfahren wird wünschenswerterweise für viele Teilnehmereinheiten gleichzeitig durchgeführt. Fachleute sind in der Lage, Software für Empfangs DBF Steuereinheiten 36 und Sende DBF Steuereinheiten 48 zu schreiben, um die Schritte des Verfahrens 200 auszuführen. Die Schritte des Verfahrens 200 werden vorzugsweise in einer kontinuierlichen Weise durch die Empfangs und Sende DBF Steu ereinheiten 36 und 48 durchgeführt. Obwohl das Verfahren 200 für die Kommunikation zwischen einem Satelliten und einer bodengestützten Teilnehmereinheit beschrieben wird, ist das Verfahren 200 auf alle Kommunikationsstationen anwendbar, einschliesslich Relaisstationen und Kommunikationseinrichtungen.
In Schritt 202 wird der Bedarf nach Kommunikationsleistungen innerhalb des Einzugsgebietes des Satelliten beobachtet. In der bevorzugten Ausführung wird ein Antennenstrahl benutzt, um den Bedarf des gesamten Einzugsgebietes zu beobachten. In Schritt 204 wird die Lage von geographischen Regionen mit hohem Bedarf und mit niedrigem Bedarf bestimmt. Der Schritt 204 kann auf vielerlei Arten durchgeführt werden. Zum Beispiel hat jede Teilnehmereinheit, die mit dem System kommuniziert, einen damit verbundenen geographischen Standort. Weiterhin kann jede Teilnehmereinheit, die Zugriff zu dem System fordert, dem System geographische Standortdaten bereitstellen. Wenn die geographischen Orte von Gebieten mit hohem Bedarf und niedrigem Bedarf bestimmt sind, veranlasst der Schritt 206 die DBF Strahlsteuerungsmodule weniger Antennenstrahlen in Gebiete mit niedrigem Bedarf zu liefern und mehr Antennenstrahlen in Gebiete mit hohem Bedarf zu liefern. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung gewährleistet jeder Antennenstrahl eine begrenzte Menge an Kommunikationskapazität.
Bezüglich 5 werden Gebiete mit niedrigem Bedarf mit Antennenstrahlen versorgt, die eine viel grösseres Überdeckungsgebiet haben als Antennenstrahlen, die an Gebiete mit hohem Bedarf bereitgestellt werden. Zum Beispiel überdeckt der Antennenstrahl 74 von 5 ein grosses geographisches Gebiet, das gegenwärtig einen geringen Bedarf nach Kommunikationsleistungen hat. Alternativ hat der Antennenstrahl 80 eine viel kleineres geographisches Überdeckungsgebiet und gewährleistet mehr Kommunikationskapazität für ein Gebiet, das gegenwärtig einen hohen Bedarf nach Kommunikationsleistungen hat. In einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung stimmen die Schritte 206 und 208 die Form der Antennenstrahlen aufgrund des Bedarfs nach Kommunikationslei stungen ab. Zum Beispiel sind in Bezug auf 5 die Antennenstrahlen 74 lange schmale Strahlen, die geformt sind, um eine bessere Flächenüberdeckung mit Kommunikationsleistungen zu gewährleisten. Zum Beispiel werden Küstengebiete mit schmalen Strahlen versorgt, um die Kommunikationskapazität über dem Ozean, wo wesentlich weniger Kommunikationskapazität gefordert wird, zu reduzieren. In dieser Ausführung werden die Antennenstrahlen 74 vorzugsweise dynamisch in Reaktion auf den Bedarf nach Kommunikationsleistungen geformt.
Wenn sich der Bedarf nach Kommunikationsleistungen ändert, werden als Reaktion die Antennenstrahlen 70 bereitgestellt. Die 5 zeigt zum Beispiel eine kontinentale Ansicht der Kommunikationsleistungen der Vereinigten Staaten. Wenn der Tag beginnt, werden Antennenstrahlen anfangs entlang der Ostküste der Vereinigten Staaten bereitgestellt. Wenn der Tag fortschreitet, überqueren die Antennenstrahlen das Land, in Reaktion auf den Bedarf nach Kommunikationsleistungen, wenn sich die Tageszeit ändert. Für den Fall einer Naturkatastrophe, wo der Bedarf nach Kommunikationsleistungen besonders groß sein kann, können besondere Antennenstrahlen bereitgestellt werden. Eine Satellitensteuerungseinrichtung kann den digitale Strahlformer 10 des Satelliten anweisen, die Strahlen entsprechend zu plazieren. Im allgemeinen werden die Antennenstrahlen 70 vorzugsweise in Reaktion auf den sich ändernden Bedarf nach Kommunikationsleistungen ohne die Mitwirkung von Bedienkräften bereitgestellt.
9 zeigt ein Blockdiagramm des digitale Strahlformers entsprechend einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Strahlformer beinhaltet eine Vielzahl von Recheneinheiten (CUs) 160–176 und eine Vielzahl von Summierungsprozessoren 180–184. Die Recheneinheiten 160–176 bilden eine Prozessormatrix. Jede Spalte der Prozessormatrix empfängt ein entsprechendes digitales Signal. Beim Empfang eines digitalen Signals wichtet jede Recheneinheit unabhängig das Signal, um ein gewichtetes Signal zu erzeugen. Die Summierungsprozessoren 180–184 stellen Mittel für die Summierung von gewichteten Signalen dar, die von einer entsprechenden Zeile erzeugt wurden, um Ausgänge herzustellen. In der Hauptsache stellt jedes Ausgangssignal eine gewichtete Summe dar. Der Aufbau des digitalen Strahlformers gestattet ihm die Hochgeschwindigkeits-Parallelberechnung von diskreten Fouriertransformationen.
10 zeigt ein Blockdiagramm, das eine erste Ausführung einer Recheneinheit darstellt, die im digitale Strahlformer der 9 benutzt werden kann. Die Recheneinheit beinhaltet einen Multiplikator 190 und eine Speicherschaltung 192. Die Recheneinheit wichtet ein eingehendes Signal durch die Multiplikation mit einem vorberechneten Wichtungswert, der in der Speicherschaltung 192 gespeichert ist. Der Ausgang des Multiplikators 190 stellt das gewichtete Signal dar.
Die Speicherschaltung 192 kann jedes Mittel zur Speicherung von Werten sein, deren Inhalt durch die digitalen Strahlsteuerungsmodule 34, 42 (1) aktualisierbar ist, wie ein ROM (Nur-Lese-Speicher), EEPROM (elektrisch löschbarer, programmierbarer Nur-Lese-Speicher), DRAM (dynamischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff) oder SRAM (statische Speicher mit wahlfreiem Zugriff).
11 zeigt ein Blockdiagramm, das eine zweite Ausführung einer Recheneinheit darstellt, die im digitale Strahlformer der 9 benutzt werden kann. In dieser Ausführung der Recheneinheit wird ein eingehendes Signal durch die Benutzung der logarithmischen Zahlensystem (LNS) Arithmetik gewichtet. Die LNS gestützte Arithmetik stellt einen Vorteil dar, weil die Multiplikationsoperationen mit Addierern statt mit Multiplikatoren durchgeführt werden können. Digitale Addiererschaltungen tendieren dazu, viel kleiner zu sein als vergleichbare Multiplikatorschaltungen, so kann die Größe der digitalen Strahlformer Prozessormatrix durch die Verwendung von LNS gestützten Recheneinheiten reduziert werden.
Die LNS gestützte Recheneinheit beinhaltet einen Protokollwandler 210, ein Addierer 212, eine Speicherschaltung 214 und einen inversen Protokollwandler (log^–1) 216. Ein eingehendes Signal wird zuerst durch den Protokollwandler 210 in sein entsprechendes Protokollsignal gewandelt. Der Addierer 212 summiert dann das Protokollsignal und einen protokollierten Wichtungswert von der Speicherschaltung 214, um eine Summe zu erzeugen. Die Summe wird dann durch den inversen Protokollwandler 216 in das gewichtete Signal gewandelt.
Der Protokollwandler 210 und der inverse Protokollwandler 216 können realisiert werden durch die Verwendung jeder der Wandler, die in den ebenfalls schwebenden U.S. Patentanmeldungen der oben bezeichneten bezogenen Anmeldungen No. 1–4 beschrieben sind.
12 zeigt ein Blockdiagramm, das eine dritte Ausführung einer Recheneinheit darstellt, die im digitalen Strahlformer der 9 benutzt werden kann. Diese Ausführung der Recheneinheit ist dafür bestimmt, komplexe Signale zu Wichten. In vielen Anwendungen werden die I und Q Komponenten von komplexen digitalen Signalen durch ein Paar von 3-Bit Worten dargestellt. Obwohl sie nicht auf kleine Wortlängen begrenzt ist, stellt die Recheneinheit von 12 in solchen Anwendungen einen Vorteil dar, denn sie benötigt weniger Energie und Platz, wenn sie unter Verwendung einer integrierten Schaltung realisiert wird.
Die Recheneinheit beinhaltet einen ersten Schalter 220, eine erste Speicherschaltung 222, einen zweiten Schalter 224, eine zweite Speicherschaltung 226, einen Subtrahierer 228 und einen Addierer 221. Der erste Speicher 222 speichert erste vorberechnete Werte, die auf einer imaginären Wichtung basie ren. Der zweite Speicher 226 speichert zweite vorberechnete Werte, die sich auf eine reelle Wichtung beziehen. Der Zweck der Recheneinheit besteht darin, diese zwei komplexen Zahlen zu multiplizieren. Der erste Speicher 222 speichert die vorberechneten Werte I und Q für die imaginäre Wichtung, während der zweite Speicher 226 die vorberechneten Werte I und Q für die reelle Wichtung speichert. Es ist offensichtlich für einen Fachmann, daß die Verwendung von 3-Bit Worten, um die komplexen Komponenten und Wichtungen darzustellen, von jedem Speicher fordert, acht 6-Bit Worte zu speichern.
Der erste Schalter 220 stellt ein Mittel zur Adressierung der ersten Speicherschaltung durch die Verwendung von entweder der I oder Q Komponente dar, um einen der ersten vorberechneten Werte als Ausgang der ersten Speicherschaltung auszuwählen. Der zweite Schalter 224 stellt ein Mittel zur Adressierung der zweiten Speicherschaltung 226 durch die Verwendung von entweder der I oder Q Komponente dar, um einen der zweiten vorberechneten Werte als Ausgang der zweiten Speicherschaltung auszuwählen.
Der Subtrahierer 228 subtrahiert den ersten Speicherausgang vom zweiten Speicherausgang, um die gewichtete gleichphasige Komponente zu erzeugen, die dann in dem gewichteten Signal enthalten ist. Das Addierer 221 summiert den ersten Speicherausgang und den zweiten Speicherausgang, um die gewichtete Quadraturkomponente zu erzeugen, die ebenfalls in dem gewichteten Signal enthalten ist.
In einer Ausführung der Recheneinheit beinhaltet der Subtrahierer 228 einen Addierer, der in der Lage ist, 2er komplementäre Zahlen zu addieren. Die vorberechneten Werte sind entweder im Speicher als 2er Komplementwerte gespeichert oder eine zusätzliche logische Schaltung ist in die Recheneinheit eingesetzt, um die vorberechneten Werte in ihre entsprechenden 2er Komplementwerte umzuwandeln.
Vorzugsweise beinhaltet der Subtrahierer 228 einen Addierer, der einen Übertragseingang hat, der auf eins gesetzt ist und Negatoren, um den 1er Komplementwert des Ausgangs des zweiten Speichers zu bilden. Der Addierer benutzt nützlicherweise den 2er Komplementwert des Ausgangs des zweiten Speichers durch Summierung des Übertragseinganges und des 1er Komplementwertes.
13 zeigt ein Blockdiagramm, das eine erste Ausführung eines Summierungsprozessors darstellt, der im digitalen Strahlformer von 9 benutzt werden kann. Diese besondere Ausführung des Summierungsprozessors beinhaltet einen Addiererbaum 230. Der Addiererbaum 230 beinhaltet Addierer, die in einer Weise miteinander verbunden sind, die gestattet, daß drei oder mehr Eingangssignale gleichzeitig summiert werden. Wenn die Addiererbaumzusammensetzung benutzt wird, die in 13 dargestellt ist, werden N – 1 Addierer benötigt, um N Eingänge zu summieren. Das in 13 gezeigte Beispiel betreffend, können acht Eingangssignale gleichzeitig empfangen werden, deshalb werden sieben Addierer im Addiererbaum 230 benötigt. Wenn man eine größere Anzahl von Eingangssignalen summieren möchte, werden mehr Addierer benötigt. Um zum Beispiel 128 Eingangssignale zu summieren, würde der Addiererbaum 127 Addierer benötigen. Der Addiererbaum 230 ist vorteilhaft, weil er eine geringere Verzögerung bei der Bereitstellung der Ausgangssummen darstellt.
14 zeigt ein Blockdiagramm, das eine zweite Ausführung eines Summierungsprozessors darstellt, der im digitalen Strahlformer von 9 benutzt werden kann. Diese Summierungsprozessorausführung beinhaltet eine Vielzahl von Summierern 240–248, eine Vielzahl von Verzögerungsschaltungen 250–254 und einen Schnellübertragsaddierer 256. Obwohl diese Zusammensetzung des Summierungsprozessors mehr Zeit erfordern mag, eine Endsumme zu erzeugen als ein vergleichbarer Addiererbaum, benötigt sie weniger Platz, wenn sie in einer integrierten Schaltung ausgeführt ist.
Jeder der Summierer 240–248 summiert gewichtete Signale von einer Gruppe von Recheneinheiten, die in einer gleichen Zeile sind, um ein gewichtetes Summensignal zu erzeugen. Ein Summierer kann alle Mittel zur Summierung gewichteter Signale beinhalten, wie einen Addiererbaum oder einen Akkumulator (Rechenwerkregister), der Eingänge sequentiell addiert.
Die Verzögerungsschaltungen 250–254 erzeugen verzögerte Signale durch die Pufferung der gewichteten Summensignale für eine vorbestimmte Zeit. Im allgemeinen werden die gewichteten Signale an den Summiererausgängen zur ungefähr gleichen Zeit erzeugt. Um die gewichteten Signale korrekt zu addieren, ist es notwendig, die gewichteten Signale, die im Abwärtsstromteil einer Prozessorzeile erzeugt werden, zu verzögern. Die Verzögerungszeit ist eine Funktion des Standortes der Gruppe von Recheneinheiten innerhalb der Prozessorspalten.
Der Schnellübertragsaddierer 256 beinhaltet zwei oder mehr Addierer 258–264, die nacheinander geschaltet sind, um die verzögerten Signale und zwei gewichtete Summen zu summieren. Der Ausgang des Schnellübertragsaddierers 256 stellt die Gesamtsumme aller gewichteten Signale in einer gegebenen Prozessorzeile dar.
15 zeigt ein Blockdiagramm eines digitalen Strahlformers, der in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist. Diese Ausführung des digitalen Strahlformers beinhaltet einen Protokollwandler 270, eine Vielzahl von Recheneinheiten 272–288, einen inversen Protokollwandler 290 und eine Vielzahl von Summierungsprozessoren 292–296. Die Recheneinheiten 272–288 bilden eine Prozessormatrix. Die eingehenden digitalen Signale werden zuerst durch den Protokollwandler 270 in Protokollsignale gewandelt. Jede Spalte in der Prozessormatrix empfängt ein entsprechendes Protokollsignal. Beim Empfang eines Protokollsignals wichtet jede Recheneinheit unabhängig das Signal, um ein Summensignal zu erzeugen. Die Summensignale werden dann durch den inversen Protokollwandler 290 in gewichtete Signale gewandelt. Für jede Prozessorzeile werden die gewichteten Signale durch einen der Summierungsprozessoren 292–296 entsprechend summiert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen.
Der Protokollwandler 270 und der inverse Protokollwandler 290 können durch Verwendung jeder der Wandler ausgeführt sein, die in den ebenfalls schwebenden U.S. Patentanmeldungen geschrieben werden, die oben bezeichnet sind. Obwohl das Verfahren im I und Q Bereich beschrieben ist, sind gleiche Verfahren für den polaren Bereich anwendbar.

Claims

Verfahren der Kommunikation mit Kommunikationsstationen durch die Benutzung einer Matrixantenne, die angepaßt ist, um mit einem digitalen Strahlformer (DBF) zu arbeiten, wobei die Matrixantenne eine Vielzahl von Strahlungselementen zur Bereitstellung von innerhalb eines Einzugsgebietes lenkbaren Antennenstrahlen hat, wobei der DBF für jedes Strahlungselement Koeffizienten zur Steuerung der Charakteristiken der lenkbaren Antennenstrahlen bereitstellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: • Bestimmung (202, 204) von geographischen Teilen des Einzugsgebietes, die einen höheren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben; • Bestimmung (204) von geographischen Teilen des Einzugsgebietes, die einen niedrigeren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben; • Abstimmung (206, 208) der Koeffizienten, um eine größere Anzahl von Antennenstrahlen zu den geographischen Gebieten bereitzustellen, die einen höheren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben als zu den geographischen Gebieten, die den niedrigeren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der Bestimmungsschritt den Schritt der Beobachtung eines Echtzeitbedarfes nach Kommunikationsleistungen in verschiedenen geographischen Gebieten des Einzugsgebietes umfasst und das Verfahren weiter die folgenden Schritte umfasst: • Wiederholung des Beobachtungsschrittes (202), der Bestimmungsschritte (204) und des Abstimmungsschrittes (206, 208), wenn sich der Echtzeitbedarf nach Kommunikationsleistungen ändert; • Neuabstimmung der Koeffizienten, um zusätzliche Antennenstrahlen zu geographischen Teilen in Reaktion auf Steigerungen des Echtzeitbedarfes nach Kommunikationsleistungen bereitzustellen; und • Neuabstimmung der Koeffizienten, um Antennenstrahlen aus geographischen Teilen in Reaktion auf ein Absinken des Echtzeitbedarfes nach Kommunikationsleistungen zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kommunikationsstationen bodenbasiert sind und die Matrixantenne satellitenbasiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter die folgenden Schritte umfassend: • Neuabstimmung der Koeffizienten, um Antennenstrahlen bereitzustellen, die kleine Überdeckungsgebiete in den geographischen Teilen haben, die den höheren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben; und • Neuabstimmung der Koeffizienten, um Antennenstrahlen bereitzustellen, die große Überdeckungsgebiete in den geographischen Teilen haben, die den niedrigeren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Antennenmatrix zur Befestigung an einem geostationären Satelliten angepasst ist und wobei ein ausgewiesener geographischer Teil einen vorbestimmten höheren Bedarf nach Kommunikationsleistungen hat, wobei der ausgewiesene geographische Teil eine damit verbundene Form hat, wobei das Verfahren weiter den Schritt des Abstimmens der Koeffizienten umfasst, um einen Antennenstrahl bereitzustellen, der geformt ist, um im wesentlichen den ausgewiesenen geographischen Teil zu überdecken.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Matrixantenne zur Befestigung an einem nicht geostationären Satelliten angepasst ist, der eine Bewegung gegenüber der Erdoberfläche ausführt, wobei das Verfahren weiter die folgenden Schritte umfasst: Abstimmen der Koeffizienten, wenn sich der Satellit bewegt, um die größere Anzahl von lenkbaren Antennenstrahlen für die geographischen Teile, die den höheren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben, aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 3, weiter die folgenden Schritte umfassend: Umwandeln von Kommunikationssignalen, die durch jedes der Strahlungselemente empfangen werden, in digitale I und Q Signale; und Benutzen der Koeffizienten, um jedes der digitalen I und Q Signale in digitale Antennenstrahlsignale umzuwandeln, wobei jedes digitale Antennenstrahlsignal einem steuerbaren Antennenstrahl entspricht.
Digitaler Strahlformer (DBF) zur Bereitstellung digitaler Signale an eine Matrixantenne, wobei der DBF umfasst: • Eine Steuereinheit (36, 48) zur Bestimmung geographischer Teile, die einen höheren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben; • Ein Sendenetzwerkmodul (40) zur Umwandlung von digitalen Sendeantennenstrahlsignalen in digitale Sende I und Q Signale, die auf Koeffizienten basieren; und • Ein Strahlsteuerungsmodul (34, 42) zur Bereitstellung von Koeffizienten an das Sendenetzwerkmodul, wobei die Steuereinheit (36, 48) verursacht, daß das Strahlsteuerungsmodul (34, 42) durch Abstimmung der Koeffizienten eine größere Anzahl von lenkbaren Antennenstrahlen innerhalb der geographischen Teile, die einen höheren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben, bereitgestellt, und eine geringere Anzahl von lenkbaren Antennenstrahlen in den geographischen Teilen, die einen geringen Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (36, 48) beinhaltet: • Mittel zur Überwachung eines Echtzeitbedarfs nach Kommunikationsleistungen in verschiedenen geographischen Teilen des Einzugsgebietes; • Mittel zur Abstimmung der Koeffizienten, wenn sich der Echtzeitbedarf nach Kommunikationsleistungen ändert; • Mittel zur Bereitstellung von neu abgestimmten Koeffizienten, um die Matrixantenne zu veranlassen, zusätzliche Antennenstrahlen zu geographischen Teilen in Reaktion auf Erhöhungen des Echtzeitbedarfs bereitzustellen; und • Mittel zur Bereitstellung von neu abgestimmten Koeffizienten, um die Matrixantenne zu veranlassen, Antennenstrahlen von geographischen Teilen, die eine Verminderung des Echtzeitbedarfs haben, in Reaktion auf Verringerungen des Echtzeitbedarfs zu entfernen.
Digitaler Strahlformer nach Anspruch 7, wobei die Matrixantenne zur Befestigung an einem nicht geostationären Satelliten angepasst ist, der eine Bewegung gegenüber der Erdoberfläche ausführt, wobei die Steuereinheit Mittel hat zur weiteren Abstimmung der Koeffizienten, wenn sich der Satellit bewegt, um die größere Anzahl von lenkbaren Antennenstrahlen für die geographischen Teile, die den höheren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben, aufrechtzuerhalten.
Digitaler Strahlformer nach Anspruch 7, weiter umfassend: • ein Empfangsnetzwerkmodul zur Verwendung von Empfangs-Koeffizienten, um digitale Empfangs I und Q Signale in digitale Empfangs-Antennenstrahlsignale umzuwandeln, wobei jedes digitale Empfangs-Antennenstrahlsignal ei nen lenkbaren Antennenstrahl darstellt; und wobei die Empfangs-Koeffizienten von der Steuereinheit zur Verfügung gestellt werden.
Digitaler Strahlformer nach Anspruch 9, wobei die Antennenmatrix zur Befestigung an einem geostationären Satelliten angepaßt ist und wobei ein ausgewiesener geographischer Teil einen vorbestimmten höheren Bedarf nach Kommunikationsleistungen hat, wobei der ausgewiesene geographische Teil eine damit verbundene Form hat, und wobei die Steuereinheit Mittel zur Abstimmung der Koeffizienten hat, um einen Antennenstrahl bereitzustellen, der geformt ist, um im wesentlichen den ausgewiesenen geographischen Teil zu überdecken.
Kommunikationsstation, umfassend: • einen digitalen Strahlformer (DBF) (10) zur Bereitstellung von Signalen an eine Matrixantenne, die eine Vielzahl von Strahlungselementen hat, der lenkbare Antennenstrahlen bereitstellt, wobei der DBF für jedes Strahlungselement Koeffizienten zur Steuerung der Charakteristiken der lenkbaren Antennenstrahlen bereitstellt; • Empfängermodule (26, 28) zur Umwandlung von Signalen, die von jedem der Strahlungselemente empfangen werden, in digitale Empfangs I und Q Signale, und Bereitstellung der digitalen Empfangs I und Q Signale an den DBF; und • Sendemodule (44, 46) zur Umwandlung von digitalen Sende I und Q Signalen, die von dem DBF bereitgestellt werden in Signale für jedes der Strahlungselemente, wobei der DBF umfasst: • eine Steuereinheit (36, 48) zur Bestimmung der geographischen Teile innerhalb eines Einzugsgebietes, die einen höheren Bedarf nach Kommunikationsleistungen ha ben, und zur Bestimmung der geographischen Teile des Einzugsgebietes, die einen niedrigeren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben; • Strahlsteuerungsmodule (34, 42) zur Abstimmung der Koeffizienten, um eine größere Anzahl der lenkbaren Antennenstrahlen innerhalb der geographischen Teile, die den höheren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben, bereitzustellen, und eine geringere Anzahl von lenkbaren Antennenstrahlen in die geographischen Teile, die den geringeren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben; • ein Empfangsnetzwerkmodul (32) zur Verwendung der Koeffizienten, um die digitalen Empfangs I und Q Signale in digitale Antennenstrahlsignale umzuwandeln, wobei jedes digitale Antennenstrahlsignal einen lenkbaren Antennenstrahl darstellt; und • ein Sendenetzwerkmodul (40) zur Verwendung der Koeffizienten, um die digitale Sendeantennenstrahlsignale in die digitalen Sende I und Q Signale umzuwandeln, wobei die Kommunikationsstation dadurch gekennzeichnet ist, dass die Steuereinheit (36, 48) beinhaltet: • Mittel zur Überwachung eines Echtzeitbedarfs nach Kommunikationsleistungen in verschiedenen geographischen Teilen des Einzugsgebietes; • Mittel zur Abstimmung der Koeffizienten, wenn sich der Echtzeitbedarf nach Kommunikationsleistungen ändert; • Mittel zur Bereitstellung von neu abgestimmten Koeffizienten, um die Matrixantenne zu veranlassen, zusätzliche Antennenstrahlen zu geographischen Teilen in Reaktion auf Erhöhungen des Echtzeitbedarfs bereitzustellen; und • Mittel zur Bereitstellung von neu abgestimmten Koeffizienten, um die Matrixantenne zu veranlassen, Antennenstrahlen von geographischen Teilen, die eine Ver minderung des Echtzeitbedarfs haben in Reaktion auf Verringerungen des Echtzeitbedarfs zu entfernen.
Kommunikationsstation nach Anspruch 11, wobei die Steuereinheit (36, 48) die Koeffizienten neu abstimmt, um Antennenstrahlen, die kleine Überdeckungsgebiete haben für die geographischen Teile bereitzustellen, die den höheren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben, und die Koeffizienten neu abstimmt, um Antennenstrahlen, die größere Überdeckungsgebiete haben, für die geographischen Teile bereitzustellen, die den niedrigeren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben.
Kommunikationsstation nach Anspruch 12, wobei die Antennenmatrix zur Befestigung an einem geostationären Satelliten angepaßt ist und wobei das Einzugsgebiet einen ausgewiesenen geographischen Teil hat, der darin einen vorbestimmten höheren Bedarf nach Kommunikationsleistungen hat, wobei der ausgewiesene geographische Teil eine damit verbundene Form hat, wobei die Steuereinheit (36, 48) Mittel zur Abstimmung der Koeffizienten hat, um einen Antennenstrahl bereitzustellen, der geformt ist, um im wesentlichen den ausgewiesenen geographischen Teil zu überdecken.
Kommunikationsstation nach Anspruch 12, wobei die Matrixantenne zur Befestigung an einem nicht geostationären Satelliten angepasst ist, der eine Bewegung gegenüber der Erdoberfläche ausführt, wobei die Steuereinheit (36, 48) Mittel hat zur weiteren Abstimmung der Koeffizienten, wenn sich der Satellit bewegt, um die größere Anzahl von lenkbaren Antennenstrahlen für die geographischen Teile, die den höheren Bedarf nach Kommunikationsleistungen haben, aufrechtzuerhalten.
Kommunikationsstation nach Anspruch 12, wobei die Steuereinheit (36, 48) Mittel hat zur Umwandlung von Kommunikationssignalen, die durch jedes der Strahlungselemente empfangen werden, in digitale Empfangs I und Q Signale und die die Koeffizienten benutzt, um jedes der digitalen Empfangs I und Q Signale in digitale Antennenstrahlsignale umzuwandeln, wobei jedes digitale Antennenstrahlsignal einem steuerbaren Antennenstrahl entspricht.