DE60114360T2

DE60114360T2 - Mikrozellulare architektur für mobilteilnehmerverfolgung in einen kommunikationssystem

Info

Publication number: DE60114360T2
Application number: DE60114360T
Authority: DE
Inventors: C. Donald CHANG; Ying Feria; Weizheng Wang; Alan Cha; Ming Chang; A. Frank HAGEN; W. Kar YUNG
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2021-06-02
Also published as: EP1230748A2; DE60114360D1; ES2248343T3; WO2001095520A3; US6388615B1; WO2001095520A2; US6914557B2; EP1230748B1; US20020126042A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Kommunikationssysteme. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Architekturen von Daten/Sprach-Diensten für mobile Benutzer, indem Plattformen in der Stratosphäre verwendet werden.
Beschreibung des allgemeinen Standes der Technik
Ein Satellitensystem zur Erhöhung der Verwendbarkeit von Satellitenkommunikationssystemen ist beispielsweise in US-A-6,020,845 offenbart.
Plattformen in der Stratosphäre werden für Daten/Sprach-Kommunikationsanwendungen in Betracht gezogen werden. Aktuelle Vorschläge umfassen das Anbringen von Sendern/Empfängern und Antennen auf Flugzeugen, die in einer Höhe von 20–30 Kilometern von der Erde fliegen und Strahlen auf Zellen projizieren werden, die auf der Erde liegen.
Die parallele anhängige US-Patentanmeldung Nr. 09/588,395, angemeldet am 6. Juni 2000, von D. Chang et al., mit dem Titel "STRATOSPHERIC PLATFORM BASED MOBILE COMMUNICATIONS ARCHITECTURE" spricht das Bedürfnis im Stand der Technik nach stratosphärischen Plattformen an, basierend auf einem Kommunikationssystem, das maximalen Durchsatz bietet bei Beachtung der Gewichtsbeschränkungen, der Leistungs- und der Spektrumsbeschränkungen. Gemäß der Lehre der in Bezug genommenen Patentanmeldung wird die Kommunikation zwischen Benutzern und externen Netzwerken durch die stratosphärische Plattform und einen Hub erleichtert, der am Boden angeordnet ist. Das Strahlformen wird an dem Hub ausgeführt. Signale zu und von dem Benutzer werden mittels gerichteter Strahlen über eine phasengesteuerte Gruppenantenne auf der Plattform unter der Richtungssteuerung des Hubs übertragen.
Obgleich dieses System eine vielversprechende Lösung für das Bedürfnis im Stand der Technik nach einem stratosphärischen Plattform-basierten Kommunikationssystem und einem Verfahren zum Projizieren von Strahlen auf variierende Zellstrukturen liefert, um die Systemkapazität innerhalb der Beschränkungen bezüglich Gewicht, Leistung und Bandbreite zu maximieren und damit die Projektion der Strahlen mit einer adäquaten Verbindungsreserve für zahlbare Sprach- und Datenübertragungen zu optimieren, besteht weiterhin ein Bedürfnis im Stand der Technik nach einem System und einem Verfahren zum Verfolgen der Position oder dem Ort eines Benutzers.
Bei bestimmten Anwendungen würde die Fähigkeit, die Position oder den Ort des Benutzers zu verfolgen, weniger strenge Plattformstabilitätserfordernisse ermöglichen und damit geringere Gesamtkosten des Systems. Eine solche Anwendung wird als mobiles Kommunikationssystem der dritten Generation bezeichnet. Als eine stratosphärische Plattformanwendung (SPA) würde dieses System eine hohe Datenratenkommunikation an einen Benutzer bereitstellen, was gleichzeitige Sprach-, Daten- und Entertainmentkommunikation zuließe. Für eine leichtgewichtige Plattformnutzlast können sowohl die Sendeleistung als auch die Antennenapertur begrenzt werden. Um eine Kommunikationsverbindung zu schließen, ist eine größere Apertur für das Empfangsende an Bord der Plattform und eine größere Apertur und Hochleistungsverstärker mit höherer Leistung für das Sendeende erforderlich. Diese Anforderungen stehen in direktem Konflikt mit der Aufgabe einer leichtgewichtigen Nutzlast. Bei Strahlen, die die mobilen Benutzer verfolgen, so dass die Benutzer immer in der Antennen-Spitzenrichtwirkung liegen oder innerhalb eines Gebiets von 1 dB der Spitze, hätte die Verbindung einen Vorteil von 3 bis 4 dB gegenüber festen Strahlen.
Zusätzlich, da Strahlen die Benutzer verfolgen würden, gäbe es keine Notwendigkeit, Strahlen zu formen, wo keine Benutzer vorhanden sind, mit Ausnahme eines Neuerfassungsstrahls, der abtasten kann, oder einem breiten Strahl, der benutzt werden kann, um hineinzuzoomen. Diese Anordnung kann ebenfalls Berechnungen per Strahlformung einsparen, abhängig von der Verteilung der Benutzer.
Wenn Strahlen um jeden Benutzer herum gebildet werden, kann es zusätzlich mehr Möglichkeiten geben, entweder dessen Codemehrfachzugriff- (CDMR) Codes oder deren Trägerfrequenz wieder zu benutzen. Dies würde für ein begrenztes Spektrum zu einer höheren Systemkapazität führen.
Das Wissen über den Ort des Benutzers würde ebenfalls weniger CDMA-Codeübergaben ermöglichen. In einem System mit fester Zellenstruktur muss eine CDMA-Codeübergabe geschehen, wenn ein Benutzer die Grenze zweier Zellen überschreitet, um somit Interferenzen zu vermeiden. Bei einem Strahl, der einem Benutzerschema folgt, müsste der Benutzer nicht seinen CDMA-Code ändern, solange er nicht nahe genug an einen anderen Benutzer kommt, der den gleichen CDMA-Code benützt. (Ein Codezuordnungsalgorithmus ist Thema einer parallelen anhängigen US-Anmeldung Nr. 09/735,861 mit dem Titel "Dynamic Cell CDMA CODE ASSIGNMENT System and Method", angemeldet am 12. Dezember 2000, von Ying Feria et al.).
Folglich besteht ein Bedürfnis im Stand der Technik nach einem System und einem Verfahren zum Nachverfolgen bzw. Verfolgen der Position oder dem Ort eines Benutzers in einem stratosphärischen Plattform-basierten Kommunikationssystem.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Bedürfnis im Stand der Technik wird von einem System und einem Verfahren zum Verfolgen eines Benutzers gemäß der vorliegenden Erfindung angesprochen. Das erfindungsgemäße System ist zur Verwendung in einem drahtlosen Kommunikationssystem angepasst und erzeugt eine Vielzahl von Strahlen innerhalb eines Überstreichungs- bzw. Ausleuchtungsgebiets. Ein erster Strahl wird auf einen Benutzer in einer ersten Mikrozelle gerichtet, und eine Anzahl von zusätzlichen Strahlen beleuchten Mikrozellen direkt benachbart der ersten Mikrozelle. Das System ist mit einem Mechanismus ausgerüstet, um die Bewegung des Benutzers von der ersten Mikrozelle zu einer der direkt benachbarten Mikrozellen zu erfassen. Bei der Erfassung der Bewegung des Benutzers lenkt das System den ersten Strahl von der ersten Mikrozelle zu einer zweiten Mikrozelle um, wobei die zweite Mikrozelle eine der benachbarten Mikrozellen ist.
Bei der beispielhaften Ausführungsform ist das System mit einem stratosphärischen Plattform-basierten Kommunikationssystem implementiert, das einen Hub umfasst, der an die Kommunikation mit einer stratosphärischen Plattform angepasst ist. Ein Sender/Empfänger und eine phasengesteuerte Gruppenantenne sind auf der Plattform angeordnet, um mit dem Hub und mit den Benutzern zu kommunizieren. Eine zweite Antenne ist auf der Plattform vorgesehen, um mit dem Hub zu kommunizieren. Die Strahlformung und die Strahlausrichtung sind auf dem Hub implementiert und kommunizieren mit der Plattform. Die Position des Benutzers wird mit einem Global Positioning System-Empfänger erfasst, indem die Stärke eines von dem Benutzer empfangenen Signals gemessen wird, oder von einem geeigneten Mittel. Bei Erfassung der Benutzerbewegung von der ersten Mikrozelle lenkt das Strahlformungssystem den Strahl neu aus, um dem Benutzer in eine zweite Mikrozelle zu folgen. Zusätzliche Strahlen um die Mikrozelle des Benutzers werden abgestrahlt, um die Erfassung der Bewegung der Benutzer zu erleichtern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das das stratosphärische Kommunikationssystem der vorliegenden Erfindung mit einer einzelnen stratosphärischen Plattform zeigt.
2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Flugzeugplattform-basierten Sender/Empfängersystems, das entsprechend den vorliegenden Lehren implementiert ist.
3 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Hubs gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein funktionales Blockdiagramm, das die Vorwärts- bzw. Weiterleitungsverarbeitung des Hubs entsprechend den vorliegenden Lehren darstellt.
5 ist ein funktionales Blockdiagramm, das die Weiterleitungsverarbeitung der Plattform entsprechend den vorliegenden Lehren zeigt.
6 ist ein funktionales Blockdiagramm, das die Verarbeitung am Benutzerort entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist ein funktionales Blockdiagramm, das die Rückpfadverarbeitung zeigt, die auf der Plattform entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
8 ist ein funktionales Blockdiagramm, das die Rückpfadverarbeitung an einem Hub entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist ein Diagramm, das zeigt, wie nicht-gleichmäßige Zellen mit einer festen Plattform-Antennenapertur erzeugt werden.
10 ist ein Satz von Kurven, die den Spreizungswinkel als Funktion der Entfernung von dem projizierten Plattformort zu einem Benutzer eines erhöhten Strahlprojektionssystems zeigt.
11 ist ein Blockdiagramm einer erläuternden Implementierung eines Codezuordnungsalgorithmus zur Benutzung in Verbindung mit dem Kommunikationssystem, das in 1 gezeigt ist.
12 ist ein Diagramm, das eine Farbcodezuordnung basierend auf der Anzahl von Benutzern entsprechend dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zeigt.
13 zeigt eine Farbe 1-Codezuordnung (Blau) entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung.
14 zeigt eine Farbe 2-Codezuordnung (Rosa) entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung.
15 zeigt eine Farbe 3-Codezuordnung (Orange) entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung.
16 zeigt eine Farbe 4-Codezuordnung (Lila) entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung.
17 zeigt eine Gesamtcodezuordnung.
18 ist ein Diagramm, das die Verteilung von Benutzern, die den Mehrfachcode-Zugriffs- (CDMA-) Code entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung teilen, zeigt.
19 ist ein Diagramm, das eine erläuternde Mikrozellenarchitektur zur Verwendung in dem mobilen Benutzernachführungssystem der vorliegenden Erfindung zeigt.
20 ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs des Diagramms von 19, die eine Überlappung zwischen Mikrozellen entsprechend den vorliegenden Lehren zeigt.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Erläuternde Ausführungsformen und beispielhafte Anwendungen werden nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, um die vorteilhaften Lehren der vorliegenden Erfindung zu offenbaren.
Während die vorliegende Erfindung hier mit Bezug auf erläuternde Ausführungsformen für bestimmte Anwendungen beschrieben wird, versteht sich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Der Fachmann mit Zugang zu den hier bereitgestellten Lehren wird zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der Erfindung und zusätzliche Gebiete, in denen die Erfindung von signifikanter Nützlichkeit sein kann, erkennen.
1 ist ein Diagramm, das das stratosphärische Kommunikationssystem der vorliegenden Erfindung mit einer einzelnen stratosphärischen Plattform darstellt. Das erfindungsgemäße System 10 umfasst ein Sender/Empfänger-System 20, das auf einer Flugzeug gestützten Plattform (nicht gezeigt) angebracht ist. In der Praxis könnte die Plattform ein Flugzeug sein, das in einer Umlaufbahn von 20–30 Kilometern (km) über dem Boden fliegt.
Der Fachmann erkennt, dass diese Höhe das Zwei- bis Dreifache der Höhe von kommerziellen Flugzeugen (d.h. 10 km) ist und viel geringer als die Höhe eines Satelliten in einer niederen Erdumlaufbahn (1000 km). Der Sender/Empfänger 20 ist ausgelegt, mit einem Hub 30 und einer Vielzahl von Benutzern 40 und 50 zu kommunizieren, die sich in Zellen 60 bzw. 70 auf der Erdoberfläche befinden. Das System ist in der parallel anhängigen Anmeldung mit dem Titel "Stratospheric Platform Based Mobile Communications Architecture", Anmeldenummer 09/588,395, angemeldet am 6. Juni 2000, von D. Chang et al., offenbart und beansprucht.
2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm des Flugzeug-gestützten Plattform-basierten Sender/Empfänger-Systems, das entsprechend den vorliegenden Lehren implementiert ist. Das System 20 umfasst eine Einspeisungsantenne 22, die ausgelegt ist, um ein Signal von dem Hubsystem 30 zu empfangen. Die Einspeisungsantenne arbeitet im C-, X- oder einem anderen geeigneten Frequenzband. Die Antenne 22 ist mit einer Schaltung 24 zur Abwärtswandlung einer Hochfrequenz (RF) verbunden. Der Abwärtswandler 24 ist ausgelegt, um Signale abwärtszuwandeln, die von der Antenne empfangen werden. Folglich wäre eine C-Band-Antenne mit einem C-Band-RF-Abwärtswandler 24 gekoppelt. Der Abwärtswandler 24 gibt ein Signal am Basisband aus, das von einem Code-Multiplexer 26 in mehrere separate Signale gedemultiplext wird, von denen 192 in der Figur gezeigt sind. Der Multiplexer 26 ist bidirektional und dient dazu, mehrere Signale in ein einzelnes Signal zu multiplexen, wenn das System 20 als Empfänger arbeitet. Der Fachmann wird erkennen, dass das in 2 gezeigte System nur zur Erläuterung gedacht ist. Entsprechend sind die vorliegenden Lehren weder auf die Anzahl der Kanäle oder der gezeigten Elemente beschränkt; noch ist das System auf die gezeigte spezifische Schaltungskonfiguration beschränkt. Andere Schaltungskonfigurationen können verwendet werden, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
Die gedemultiplexten Signale speisen einen RF-Aufwärtswandler 28. In der beispielhaften Ausführungsform arbeitet der Aufwärtswandler 28 im S-Band. Der Aufwärtswandler steuert eine phasengesteuerte Gruppenantenne 29 an. Wie nachfolgend ausführlicher diskutiert, ist die Antenne 29 eine Antenne mit einzelner Apertur, die mehrere Ausgangsstrahlen sendet und empfängt. Die Strahlen werden von einem Strahlformungsnetzwerk geformt und ausgerichtet, das sich am Boden in dem Hubsystem 30 befindet. Jeder Strahl erzeugt auf der Erde eine Überstreichungsfläche bzw. Fußspur, die eine Zelle bereitstellt, wie die Zellen, die in 1 bei 60 und 70 gezeigt sind.
Wie nachfolgend detaillierter diskutiert, erlaubt die vorliegende Erfindung, dass die Zellgröße nicht gleichförmig ist. D.h., dass die Zelle in der Mitte der Ausleuchtung bzw. Bedeckung oder am Fußpunkt bzw. Nadir kleiner sein kann. Wenn der Abtastwinkel erhöht wird, steigen die Zellgrößen an. Die Erfindung ermöglicht ein sehr leicht bauendes Nutzlastdesign und eine volle Ausnutzung der Ressourcen, die eine leichtgewichtige Nutzlast bieten kann. Die vorliegende Erfindung formt Strahlen, wo Benutzer vorhanden sind, mit Strahlformen und -größen, die nicht notwendigerweise gleichförmig sind. Ein oder mehrere breitere Strahlen werden ausgebildet, um Verbindungen bereitzustellen, die geringere Datenraten unterstützen. Diese Verbindungen mit geringerer Datenrate werden eingesetzt, um neue Benutzer aufzunehmen, die versuchen, in das System zu gelangen.
Dies ermöglicht, dass die Bedeckungsfläche bzw. die Ausleuchtungsfläche größer ist bei beschränkten Empfangsstrahlen. Zusätzlich kann der Code- oder Frequenz-Wiederverwendungsabstand reduziert werden, indem die Strahlgröße in der Mitte der Ausleuchtung (Nadir der Plattform) kleiner ist, um damit die Gesamtsystemkapazität zu verbessern.
3 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Hubs entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung. Das Hub-Sender/Empfänger-System 30 umfasst eine Antenne 32, die ausgelegt ist, mit der Antenne 22 auf einer Flugzeug-gestützten Plattform zu kommunizieren. Die Antenne 32 verbindet ein RF-Teilsystem 34, das eine Aufwärtswandlung und Abwärtswandlung in einer herkömmlichen Art und Weise bereitstellt. Das Teilsystem 24 empfängt ein Basisbandsignal von einem Code-Multiplexer/Demultiplexer 36. Der Multiplexer 36 empfängt Eingangssignale von einem digitalen Strahlformer 38, der von herkömmlichen Multiplexern/Demultiplexern, Routern und Formatierern 39 gespeist wird. Die Multiplexer/Demultiplexer, Router und Formatierer 39 sind mit einem externen Netzwerk, wie beispielsweise dem Internet oder dem World Wide Web, verbunden.
Die in 2 und 3 gezeigten Systeme können entsprechend den Lehren des US-Patents Nr. 5,903,549, veröffentlicht am 11. Mai 1999, von Von Der Embse, mit dem Titel "Ground Based Beam Forming Utilizing Synchronized CDMA" implementiert sein. Die Anzahl der Strahlen (oder gleichzeitigen Benutzer) "n" ist am Gateway skalierbar.
Entsprechend den vorliegenden Lehren erzeugt die Strahlformungsschaltung 38 Phaseneinstellungen, Gewichtungen und Codes für jeden der Vielzahl von Strahlen. Diese Strahlen werden in einen einzelnen Strom gemultiplext, der zu der Flugzeug-gestützten Plattform 20 über die Verbindung, die von den Einspeisungen 22 bzw. 32 der 2 und 3 bereitgestellt wird, aufwärts gesendet wird. Wenn der Strom auf der Flugzeug-gestützten Plattform empfangen wird, wird er in getrennte Einspeisungen für die Gruppenantenne 29 gedemultiplext. Die Phaseneinstellungen und Gewichtungen der Signale, die von der Strahlformungsschaltung 38 bereitgestellt werden, werden bewirkt, um die vielen Strahlen zu erzeugen und um jeden Strahl in eine gewünschte Richtung zu lenken.
4 bis 8 zeigen den Betrieb der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Weiterleitungsverarbeitung, d.h. von einem externen Netzwerk zu einem Benutzer, und die Rückverarbeitung von dem Benutzer zu dem externen Netzwerk.
4 ist ein funktionales Blockdiagramm, das die Weiterleitungsverarbeitung des Hubs entsprechend den vorliegenden Lehren zeigt. In der beispielhaften Ausführungsform des Hub-Verarbeitungssystems 30 werden Benutzerdaten von einem oder mehreren Internet-Service-Providern (ISPs) empfangen und zu der mit jedem Benutzer verknüpften Schaltung von einem Multiplexer 39 gelenkt. 4 bis 8 wurden vereinfacht, um die mit einem einzelnen Benutzer verknüpften Schaltungen zu zeigen. Es versteht sich, dass Daten, die zu jedem Benutzer gerichtet werden, in einer ähnlichen Weise verarbeitet werden, wie sie in den 4 bis 8 gezeigt ist.
Zurückkommend auf 4 ist der Multiplexer 39 ausgelegt, um Signale zu verarbeiten, die zu dem Hub 30 zurückkehren, wie nachfolgend detaillierter diskutiert werden wird. Das Signal für einen einzelnen Benutzer wird von dem Multiplexer 39 ausgewählt und zu einem Code-Mehrfachzugriff- (CDMA-) Codierer/Decodierer 41 gelenkt. Während der Codierer/Decodierer in Software implementiert sein kann, ist der Codierer/Decodierer 41 in der beispielhaften Ausführungsform ein digitaler Signalprozessor, der ein gut bekanntes CDMA-Codierungsschema verwendet, wie beispielsweise einen orthogonalen (Walsh-) Code, einen Gold-Code und/oder Viterbi-Code, um die eingehenden Daten mit einem Benutzer-Code zu spreizen. Dies erhöht die Bandbreite des eingehenden Signals und ermöglicht eine Superposition bzw. Überlagerung der Signale ohne Interferenz. Der Benutzercode wird von einer dynamischen Datenbank 43 geliefert, die eine Abfrage eines Benutzercodes in Antwort auf das Eingangssignal einer Benutzer-ID ausführt. Die Benutzer-ID kann von einem System-Controller 45 geliefert werden, der verschiedene Organisationsfunktionen ausführt, in Antwort auf das Eingangssignal von einer Systemmanager-Schnittstelle 47. Beispielsweise wird der Controller 45 programmiert, um neue Benutzer zu initialisieren und die Verbindungen dafür aufzubauen. Zusätzlich entsprechend den vorliegenden Lehren wird der Controller 45 programmiert, um Konflikte zu erkennen und Codes für bestimmte Benutzer neu zuzuweisen, wenn dies erforderlich ist, in der Art und Weise, wie sie nachfolgend detaillierter beschrieben werden wird.
Ein gespreiztes Benutzersignal wird von dem Codierer/Decodierer 41 zu einem digitalen Strahlformer 38 ausgegeben. Der Strahlformer 38 ist ein herkömmliches Strahlformungssystem, das Element-Phasen-Einstellungsinformation bereitstellt, um einen Strahl zu lenken, der das gespreizte Benutzersignal enthält, und Amplitudeninformation bereitstellt, um jeden Strahl für jeden Benutzer zu formen. Diese strahlgeformten Benutzersignale werden von einem Addierer 37 summiert und einem CDMA-Antennenelement-Spreizungscodierer 36 zugeführt. Bei der beispielhaften Ausführungsform benutzt der Element-Spreizungscodierer 36 orthogonale Codes, um das Signal für jedes Element in Antwort auf einen Elementcode zu spreizen, der von einem Register oder Speicher 35 geliefert wird. Die Benutzersignale können im Bereich von 144 Kilobit pro Sekunde Bandbreite liegen, auf 5 Megahertz von dem Codierer 41 gespreizt sein und auf weitere 0,5–1 Gigahertz von dem Element-Spreizungscodierer 36 gespreizt sein. Diese Signale von den Elementen werden von einem zweiten Addierer 31 summiert und der Hochfrequenzstufe 34 zugeführt. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist die RF-Stufe ein RF-Sender/Empfänger, der ein rechtsdrehendes (RHC-) Signal im C-Band oder X-Bandbereich ausgibt. In der Praxis würde eine zweite identische Schaltung 30' (nicht gezeigt) ebenfalls ein linksdrehendes (LHC-) Signal ausgeben. Diese Signale werden an einer Antenne 32 kombiniert und zu der Plattform 20 aufwärts gesendet, wie in 1 gezeigt.
5 ist ein funktionales Blockdiagramm, das die weiterleitungsbearbeitung der Plattform entsprechend den vorliegenden Lehren erläutert. Wie in 5 gezeigt, wird das aufwärts gesendete Signal von einer Einspeisungsantenne 22 empfangen und den LHC- und RHC-Verarbeitungsschaltungen 20 und 20' eingespeist, von denen nur die LHC-Schaltung 20 gezeigt ist. Jede Verarbeitungsschaltung 20 umfasst einen RF-Sender/Empfänger 24, der die (C-Band-) Aufwärtsverbindungseinspeisung einer Polarisation abwärtswandelt und Einspeisungssignale für jedes Antennenelement ausgibt. Die Elementsignale werden von einem Elementdecodierer 26 entspreizt bzw. gestaucht gemäß einem Code, der jedem Element zugeordnet ist und in einem Speicher 51 gespeichert ist. Ein Signal für ein vorgegebenes Element wird in der beispielhaften Ausführungsform in das S-Band aufwärtsgewandelt und mit dem entsprechenden Signal, das von der Verarbeitungsschaltung 20' für das RHC ausgegeben wird, von einem Summierer 27 kombiniert, der ein Element-Abwärtsverbindungssignal zu einer phasengesteuerten Gruppenantenne 29 ausgibt. Die phasengesteuerte Gruppenantenne 29 bildet einen oder mehrere Strahlen in Antwort auf die Phaseneinstellungen und Gewichte, die dem Element-Abwärtsverbindungssignal von dem Hub-basierten Strahlformungsprozessor 38 von 4 aufgedrückt wurden. Die Strahlen werden dadurch zu einem zugeordneten Benutzer gelenkt. 6 ist ein funktionales Blockdiagramm, das die Verarbeitung an einem Benutzerort entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Signal, das von der Plattform gesendet wurde, wird von einer Antenne 52 empfangen und in das erste und das zweite Band von einem S-Band-RF-Sender/Empfänger 54 abwärtsgewandelt. Ein Band wird von dem Benutzer über eine Schnittstelle 53 ausgewählt. Das ausgewählte Signal wird entspreizt von einem CDMA-Decodierer 56, der ausgelegt ist, um das Signal entsprechend dem Codierungsschema, das vom Codierer 41 von 4 verwendet wird, zu decodieren. Der Decodierer 56 gibt ein Benutzersignal in Antwort auf einen Benutzercode aus, der von einem Speicher 55 geliefert wird.
Die Rückpfadverarbeitung beginnt mit Benutzerdaten, die von einem Summierer 64 geliefert werden, der die Benutzerdaten mit Ortsdaten kombiniert, die von einem herkömmlichen Global Positioning System- (GPS-) Empfänger 62 geliefert werden. Das kombinierte Signal wird von einem CDMA-Codierer 58 gespreizt, der in der beispielhaften Ausführungsform entworfen ist, um gemäß dem Codierungsschema zu arbeiten, das vom Codierer 41 von 4 verwendet wird. Das codierte Signal für das ausgewählte Band wird aufwärtsgewandelt (in das S-Band in der beispielhaften Ausführungsform) und zu der Plattform 20 über eine Antenne 68 gesendet.
7 ist ein funktionales Blockdiagramm, das die Rückpfad-Verarbeitung darstellt, die auf der Plattform entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird. Das Signal von dem Benutzer wird von der phasengesteuerten Gruppenantenne 29 empfangen und von dem RF-Sender/Empfänger 28 abwärtsgewandelt. Der Sender/Empfänger 28 gibt ein Element-Rücksignal an einen Codierer 26 aus. Der Codierer 26 spreizt das Signal, um Interferenz mit dem Aufwärtssignal zu vermeiden, und gibt ein gespreiztes Elementrücksignal aus. Das gespreizte Element-Rücksignal wird mit Plattform-Ortsdaten kombiniert, die von einem anderen herkömmlichen GPS-Empfänger 55 geliefert werden, das von einem Codierer 56 in Antwort auf einen Code gespreizt wird, der in einem Speicher 59 gespeichert ist. Das gespreizte Element-Rücksignal und die gespreizten GPS-Ortsdaten werden mit den jeweiligen Signalen von anderen Elementen von einem Summierer 53 kombiniert und in das C-Band abwärtsgewandelt, bevor es zu dem Hub 30 über die Antenne 22 abwärts gesendet wird.
8 ist ein funktionales Blockdiagramm, das die Rückpfadverarbeitung am Hub entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Signal, das von der Plattform abwärts gesendet wurde, wird von der Antenne 32 empfangen und in RHC und LHC-Abwärtsverbindungseinspeisungen getrennt. Jede Einspeisung wird von dem C-Band-RF-Sender/Empfänger 34 in das IF-Signal abwärtsgewandelt. Das abwärtsgewandelte Signal wird von dem CDMA-Decodierer 36 entspreizt. Die Element-Rücksignale für jeden Benutzer werden von dem Strahlformungsprozessor 38 in Antwort auf die gespeicherten Phaseneinstellungen und Gewichte verarbeitet, die von der Datenbank 47 geliefert werden. Die gespreizten Benutzerdaten werden dann dem CDMA-Decodierer 41 zugeführt, der die Daten in Antwort auf einen Benutzercode decodiert, der von der Datenbank 47 geliefert wird. Der Decodierer 41 gibt die Benutzerdaten aus, die zur Übertragung über das Netzwerk, das mit dem Multiplexer 39 verbunden ist, geeignet sind.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist jeder Strahl einem Benutzer oder einer Zone zugeordnet. Falls einem Benutzer zugeordnet, ist der Strahl ausgelegt, um sich mit dem Benutzer zu bewegen, um die Anzahl von Codeübergaben zu minimieren und damit die Antennenausrichtungseffektivität in Benutzerverbindungen zu erhöhen. Statische Strahlen werden gebildet, wo keine Benutzernachführungsstrahlen bzw. Verfolgungsstrahlen für eine neue Benutzererfassung vorhanden sind.
Üblicherweise wären die Strahlen, die von der Antenne 29 von 2 ausgestrahlt werden, darauf beschränkt, feste, gleichmäßige Fußspuren oder Zellen am Boden bereitzustellen. Falls die Benutzerverteilung gleichmäßig ist, ist die gleich große Zellenstruktur optimal. Allerdings führt die gleiche Zellengröße zu gewissen Kosten bezüglich der Hardware. Um die Notwendigkeit nach einem mechanischen Nachführungssystem für die Antennen zu vermeiden, was kostspielig und unzuverlässig sein kann, sind die Antennen phasengesteuerte Gruppen von Abstrahlungselementen und elektronisch gelenkt. In einer gewissen Höhe über dem Boden, wo sich eine Nutzlast-tragende Plattform befindet, erfor dern gleich große Bodenprojektionszellen Strahlen mit kleinerem Winkel, da der Abtastwinkel sich erhöht. Um kleinere Strahlen auszubilden, werden mehr Antennengruppenelemente benötigt. Für eine leichtgewichtige Nutzlast kann die Anzahl der Elemente begrenzt sein, so dass kleinere Strahlen am Rand der Ausleuchtung gebildet werden, was teuer ist.
Entsprechend den vorliegenden Lehren werden jedoch die Strahlen ohne Rücksicht auf ein festes gleichmäßiges Muster von dem digitalen Strahlformungsnetzwerk 38 gebildet. Das System 10 ist ausgelegt, um ein Servicegebiet mit so vielen Benutzern wie möglich auszuleuchten. Falls die Zellgröße am Boden gleichmäßig ist, wäre dann die erforderliche Anzahl von Elementen in der phasengesteuerten Gruppenantenne so hoch, dass eine leichtgewichtige Nutzlast nicht möglich wäre. Andererseits, falls einige Elemente nicht benutzt werden, um breitere Strahlen in der Mitte der Ausleuchtung (oder Nadir der Plattform) zu bilden, wäre der Ressourcen- (Frequenz- oder Code-) Wiederbenutzungsabstand größer. Dies würde zu weniger Benutzern im System und zu einer geringeren Gesamtsystemkapazität führen.
Folglich ist das System 10 der vorliegenden Erfindung mit einer dynamischen Zellenstruktur ausgelegt, das all die Ressourcen nutzt, die auf einer leichtgewichtigen Nutzlast verfügbar sind, um Strahlen so klein wie möglich zu formen und die Frequenz- oder CDMA-Codes so oft wie möglich wiederzuverwenden, um die Gesamtsystemkapazität zu verbessern. D.h., das System 10 ermöglicht es, dass die Zellengrößen ungleichmäßig sind. In der Mitte der Ausleuchtung, oder Nadir, kann die Zelle kleiner sein. Wenn sich der Abtastwinkel erhöht, vergrößert sich die Zellgröße. Zusätzlich ist die Zellenform nicht darauf be schränkt, perfekt kreisförmig zu sein. Die Zellenform kann länglich sein, wenn der Abtastwinkel sich erhöht. Dies ist in 9 nachfolgend gezeigt.
9 ist ein Diagramm, das zeigt, wie ungleichmäßige Zellen erzeugt werden mit einer festen Plattform-Antennenapertur. Das in dieser Figur dargestellte Szenario geht von einer nominal kreisförmigen Antennengruppe aus, die bei "A" angeordnet ist und senkrecht zu der lokalen Vertikalen ausgerichtet ist. Die Antenne liegt in einer Höhe "h" über dem Bodenpunkt "O", der in der Mitte des Ausleuchtungsgebiets ist. Es sei nun der Strahl betrachtet, der von dieser Antenne mit maximaler Richtwirkung in Richtung eines Benutzers, der sich am Punkt "C" befindet, geformt wird. Es sei angenommen, dass das unterschiedliche Spreizen der Antennenverstärkung über die Strahlbreite vernachlässigt werden kann; die Kontur der konstanten Antennenverstärkung in der Bodenebene, die in der Figur als "BDEF" bezeichnet ist, wird elliptische Form haben. Ferner wird der Spreizungswinkel an der langen Seite (∠CAD und ∠CAB) gleich sein, wie die Spreizungswinkel an der kurzen Seite (∠CAE und ∠CAF). Die Abstände CB, CD, CE und CF können leicht berechnet werden zu
Es sei angenommen, dass die Antennenapertur konstant ist, so dass die Spreizungswinkel dann eine Funktion des Abstands zwischen einem Benutzer und dem projizierten Plattformort am Boden (OC) sind. Je größer OC ist, desto größer sind die Spreizungswinkel, wie in 10 gezeigt.
10 ist ein Satz von Kurven, die den Spreizungswinkel als Funktion des Abstands von dem projizierten Plattformort zu einem Benutzer in einem erhöhten Strahlprojektionssystem zeigen. Es sei angemerkt, dass der kurze-Seite-Spreizungswinkel unterschiedlich sein kann zu dem lange-Seite-Spreizungswinkel.
In der Praxis ruft eine optimale Verwendung der Systemressourcen nach mehreren (beispielsweise 200) Strahlen, die zu erzeugen sind. Wie zuvor erläutert, würde in der bevorzugten Ausführungsform jeder Strahl einem Benutzer folgen, falls ein Benutzer vorhanden sein würde. Um die Systemkapazität zu maximieren, werden die Frequenzen wiederverwendet, indem jedem Strahl Codes zugeordnet werden.
Bei der beispielhaften Implementierung wird eine Gruppe von 64 Codes in vier Untergruppen unterteilt. Jede Untergruppe von Codes wird als eine Farbe eines Codes bezeichnet und besitzt 16 individuelle Codes. Bei der beispielhaften Ausführungsform gibt es vier Farben von Codes. Die Zuordnung einer Farbe der Codes ist unabhängig von den anderen Farben der Codes. Die gleiche Farbe der Codes kann außerhalb eines Kriteriums wiederbenutzt werden. Bei der beispielhaften Ausführungsform wird ein 20 Dezibel (dB) Seitenkeulenkontur-Kriterium verwendet. Gemäß diesem Kriterium wird eine Strahlkollision erfasst, wenn sich der Benutzer in eine andere Zelle bewegt und ein Signal darin mit einem Pegel von 20 dB unterhalb des Maximums oder höher empfängt. Die 20 dB Seitenkeulenkonturen können unterschiedliche Größen und Formen über einem Ausleuchtungsgebiet haben.
11 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Implementierung eines Codezuordnungsalgorithmus zur Verwendung in Verbindung mit dem Kommunikationssystem, das in 1 gezeigt ist.
12 ist ein Diagramm, das die Farbcodezuordnungen basierend auf der Anzahl der Benutzer entsprechend dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Verfahren 100 umfasst den Schritt des Zuordnens von Codes mit so vielen Farben wie möglich (110). Als nächstes werden die Codefarben mit der Anzahl der Benutzer in absteigender Folge sortiert (Schritt 120). Somit müsste, wie in 12 gezeigt, Lila 122 für 5 Benutzer verwendet werden, Orange 124 müsste für 10 Benutzer verwendet werden, Rosa 126 müsste für 25 Benutzer verwendet werden, und Blau 128 müsste für 30 Benutzer verwendet werden.
Es wird nun wieder Bezug genommen auf 11. Falls ein neuer Benutzer in eine Zelle gelangt, prüft in Schritt 130 das System, um zu bestimmen, ob dem neuen Benutzer die erste Codefarbe zugeordnet werden kann, indem das 20 dB Seitenkeulenkonturkriterium verwendet wird. Falls nicht, probiert das System 10 in Schritt 140 die nächste Farbe. In Schritt 150 bemüht sich das System, einen Code in der Codefarbe zu finden, und in Schritt 160 wird der Code dem Benutzer zugeordnet.
Beispielhafte Codezuordnungen sind in 13–17 gezeigt.
13 zeigt eine Farbe 1 Code-Zuordnung (Blau) entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung.
14 zeigt eine Farbe 2 Code-Zuordnung (Rosa) entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung.
15 zeigt eine Farbe 3 Code-Zuordnung (Orange) entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung.
16 zeigt eine Farbe 4 Code-Zuordnung (Lila) entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung.
17 zeigt eine Gesamtcodezuordnung. Wie in 13 gezeigt, wird jede Zelle 70 von einem Strahl erzeugt, der auf einen jeweiligen Benutzer 50 gerichtet wird. Es ist anzumerken, dass, obgleich die Strahlen sich überlappen, keine zwei Strahlen einen Benutzer überlappen. Dies ist in 18 gezeigt.
18 ist ein Diagramm, das eine Verteilung von Benutzern zeigt, die sich einen Codemultiplex- (CDMA-) Code entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung teilen. Zu keinem Zeitpunkt befindet sich ein Benutzer innerhalb der Kontur eines anderen Benutzers, der den gleichen Code benutzt. In 18 sind die Sterne die Benutzer. Die ovalen Konturen sind die Isolationsverbotszone. D.h., jeder andere Benutzer, der den gleichen Code benutzt, darf sich nicht innerhalb dieser Verbotszone befinden. Wie in der Figur, gibt es für jede ovale Kontur nur einen Benutzer, der sich in der Mitte der Kontur befindet. 18 zeigt das Teilen des Codes für einen der CDMA-Codes. Für jeden anderen Code kann eine ähnliche Figur gezeichnet werden.
Zurückkommend auf 8 verwendet der Strahlformungsprozessor 38 die GPS-Ortsdaten in dem Rücksignal mit Bezug auf die Koordinaten der Plattform und die Koordinaten des Benutzers, um die Strahlrichtungssteuerungssignale für jeden Benutzer zu erzeugen. Entsprechend den vorliegenden Lehren wird jedes Ausleuchtungsgebiet oder Zelle in eine Vielzahl von Mikrozellen unterteilt. Dies ist in 19 gezeigt.
19 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Mikrozellenarchitektur zur Verwendung in einem mobilen Benutzernachverfolgungssystem der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 19 gezeigt, ist die Architektur innerhalb einer Zelle 200 implementiert mit einer Vielzahl von Mikrozellen # 1–61 mit vorberechneten Strahlgewichten. Bei der beispielhaften Ausführungsform entsprechen die Mikrozellen einer Absenkung des Spitzenwerts der Antennenrichtwirkung von < 1 dB. Die vorliegenden Lehren sind nicht auf die Größe und die Form der gezeigten Mikrozellen beschränkt. Eine Vielzahl von Formen und Größen können verwendet werden, um gleichmäßige oder ungleichmäßige Muster zu erzeugen, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
Entsprechend den vorliegenden Lehren wird für einen Benutzer, der sich in der Mikrozelle # 7 befindet, eine endliche Anzahl von Strahlen um den Benutzer (beispielsweise bei Mikrozellen # 1, 2, 6, 7, 8, 13 und 14) gebildet. Solange der Benutzer in der Mikrozelle # 7 bleibt, bleibt die Strahlrichtung unverändert. Falls sich jedoch der Benutzer zur Mikrozelle # 8 bewegt, wird dann das Signal, das von der Mikrozelle # 8 empfangen wird, größer sein als das Signal, das von der Mikrozelle # 7 empfangen wird. Dann werden schmale Strahlen von den Mikro zellen # 1, 2, 6, 7, 8, 13 und 14 zu Mikrozellen # 2, 3, 7, 8, 9, 14 und 15 verschoben. Kurz gesagt, wird entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Lehren ein schmaler Strahl auf die Zelle gerichtet, in der sich der Benutzer befindet, basierend auf dem stärksten Rücksignal, dem GPS-Ort oder einer anderen Information, und zu einem Gebiet, das den Benutzer umgibt, definiert als Mikrozellen in der bevorzugten Ausführungsform. Das System führt die Verfolgung des Benutzers fort, wenn der Benutzer von der Mikrozelle # 7 zur Mikrozelle # 59 reist, wie in 19 dargestellt.
Bei mobilen Benutzern müssten die Strahlgewichte auf einer bestimmten Basis aktualisiert werden. Wird angenommen, dass sich ein Benutzer mit einer Geschwindigkeit unter 120 km/h bewegt und die Strahlgröße (bei einer 4-dB-Absenkung) 8 km ist, müsste eine Strahlgewichtungs-Aktualisierungsrate von beispielsweise etwa einmal pro Minute geeignet sein. Wenn sich der Benutzer entlang einer Grenze zwischen Mikrozellen bewegt, kann er in einer Zelle registriert sein, dann mit einer anderen, dann wiederum mit der ursprünglichen Zelle. Dieser "Ping-Pong"-Effekt kann abgeschwächt werden, indem die Zellen sich überlappen, wie in 20 gezeigt.
20 ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs des Diagramms von 19, die ein Überlappen zwischen Mikrozellen entsprechend den vorliegenden Lehren zeigt. Mit einem Überlappen zwischen benachbarten Zellen wird ein Benutzer nicht sofort einer neuen Mikrozelle zugeordnet, wenn er an die Grenze einer neuen Mikrozelle gelangt. Im Gegenteil wird eine neue Mikrozellenzuordnung erst vorgenommen, wenn der Benutzer das Gebiet der alten Zelle vollständig verlassen hat.
Die vorliegende Erfindung wurde hier mit Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform für eine bestimmte Anwendung beschrieben. Die vorliegenden Lehren ermöglichen eine sehr leichtgewichtige Nutzlast mit voller Verwendung der Ressourcen, die eine leichtgewichtige Nutzlast bieten kann. Der Fachmann, der Zugang zu den vorliegenden Lehren hat, wird zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen erkennen, die innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen.
Es ist deshalb mit den angehängten Ansprüchen beabsichtigt, dass jegliche und alle solche Anwendungen, Modifikationen und Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung abgedeckt sind.
Demgemäß wird beansprucht:

Claims

Benutzerverfolgungssystem für ein drahtloses Kommunikationssystem mit: einem ersten Mittel (20–29, 30) zur Erzeugung einer Vielzahl von Strahlen innerhalb eines Abdeckungsgebiets, wobei das erste Mittel ferner ausgelegt ist, um einen ersten Strahl zu einem Benutzer (40, 50) in einer ersten Mikrozelle (60, 70) zu lenken und eine Anzahl von zusätzlichen Strahlen, die die direkt neben der ersten Mikrozelle liegenden Mikrozellen ausleuchten; einem zweiten Mittel (55, 57, 89) zum Erfassen der Bewegung des Benutzers (40, 50) von einer ersten Mikrozelle in eine der direkt benachbarten Mikrozellen; und einem dritten Mittel (30–39) zum Umleiten des ersten Strahls, bei der Erfassung der Bewegung, von der ersten Mikrozelle zu einer zweiten Mikrozelle, wobei die zweite Mikrozelle eine der benachbarten Mikrozellen ist.
System nach Anspruch 1, wobei das erste Mittel ein Kommunikationssystem (20, 30) basierend auf einer Plattform in der Stratosphäre ist, das einen Hub (30) umfasst, der ausgelegt ist, um mit der Plattform in der Stratosphäre zu kommunizieren.
System nach Anspruch 2, ferner mit einem Sender/Empfänger (28) und einer phasengesteuerten Gruppenantenne (29), die auf der Plattform angeordnet ist.
System nach Anspruch 3, ferner mit einem Mittel (38), das an dem Hub (30) angeordnet ist, um ein Strahlformungssignal für die Benutzung durch die phasengesteuerte Gruppenantenne (29) zu erzeugen.
System nach Anspruch 4, wobei der Hub (30) das dritte Mittel umfasst.
System nach Anspruch 5, wobei das dritte Mittel (30–39) ein Mittel aufweist, das auf das zweite Mittel anspricht, um das Mittel zum Erzeugen eines Strahlformungssignals zu veranlassen, den ersten Strahl umzuleiten.
System nach Anspruch 1, wobei das dritte Mittel (30–39) ein Mittel zur Umleitung der zusätzlichen Strahlen umfasst, um die Mikrozellen direkt benachbart der zweiten Mikrozelle auszuleuchten bei einer Erfassung der Bewegung des Benutzers (40) aus der ersten Mikrozelle in eine der benachbarten Mikrozellen.
System nach Anspruch 1, wobei das erste Mittel einen Hub (30) aufweist, der ausgelegt ist, um mit einer Plattform in der Stratosphäre zu kommunizieren, wobei die Plattform einen Sender/Empfänger (20) und eine phasengesteuerte Gruppenantenne (29) aufweist, wobei der Hub (30) ein Mittel (32–39) zur Erzeugung eines Strahlformungssignals für die Nutzung durch die phasengesteuerte Gruppenantenne aufweist; das dritte Mittel ein Mittel aufweist, das auf das zweite Mittel anspricht, um das Mittel zum Erzeugen eines Strahlformungssignals zu veranlassen, den ersten Strahl umzulenken, und Mittel zum Umlenken der zusätzlichen Strahlen, um die Mikrozellen direkt benachbart der zweiten Mikrozelle auszuleuchten bei einer Bewegungserfassung des Benutzers aus der ersten Mikrozelle in eine der benachbarten Mikrozellen.
System nach Anspruch 4 oder 8, wobei das zweite Mittel ein Global-Positioning-System-Empfänger (55) ist.
System nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 8, wobei das zweite Mittel ein Mittel zum Messen der Stärke eines Signals aufweist, das von dem Benutzer empfangen wird.
Verfahren zum Verfolgen eines Benutzers in einem drahtlosen Kommunikationssystem mit den Schritten: Erzeugen einer Vielzahl von Strahlen innerhalb eines Abdeckungsgebiets, wobei der erste Strahl auf einen Benutzer in einer ersten Mikrozelle gerichtet ist und eine Anzahl von zusätzlichen Strahlen die Mikrozellen direkt benachbart der ersten Mikrozelle ausleuchten; Erfassen einer Bewegung des Benutzers aus der ersten Mikrozelle in eine der direkt benachbarten Mikrozellen; und Bei der Erfassung der Bewegung Umlenken des ersten Strahls von der ersten Mikrozelle in eine zweite Mikrozelle, wobei die zweite Mikrozelle eine der benachbarten Mikrozellen ist.