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Dokumentenidentifikation DE102005007465A1 24.08.2006
Titel System und Verfahren zur Optimierung des Empfangs von Datensignalen, insbesondere von Satellitensignalen
Anmelder Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 Köln, DE
Erfinder Steingass, Alexander, 82205 Gilching, DE;
Bischl, Hermann, 94501 Aldersbach, DE;
Scalise, Sandro, 81245 München, DE
Vertreter Mitscherlich & Partner, Patent- und Rechtsanwälte, 80331 München
DE-Anmeldedatum 18.02.2005
DE-Aktenzeichen 102005007465
Offenlegungstag 24.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.08.2006
IPC-Hauptklasse H04B 7/15(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H04B 7/26(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung In einem Kommunikationssystem (1) mit einer Sendeeinrichtung (30) zum Übermitteln von Datensignalen sowie einem Kommunikationsgerät (20, 21, 22) zum Empfangen dieser Datensignale stimmt das Kommunikationsgerät (20, 21, 22) sein Verhalten zum Empfangen der Datensignale auf Basis von ergänzenden Informationen ab, welche dem Kommunikationsgerät (20, 21, 22) getrennt von den Datensignalen übermittelt werden.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kommunikationssystem mit einer zentralen Sendeeinrichtung, insbesondere einem Satelliten zum Übermitteln von Datensignalen sowie einem Kommunikationsgerät zum Empfangen dieser Signale. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Kommunikationsgerät zur Nutzung in einem derartigen System sowie ein Verfahren zur Optimierung des Empfangs von Datensignalen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur Verwendung in einem globalen Notruf-/Warnsystem vorgesehen sein.

Die Übermittlung von Textinformationen im Rahmen des Short Message Service (SMS) hat als Bestandteil der allgemeinen Kommunikation in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Ursache hierfür ist, dass mit Hilfe von SMS-Nachrichten in einfacher Weise unterschiedlichste Informationen sehr schnell übermittelt werden können.

Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von SMS-Nachrichten legen es auch nahe, diese Art der Informationsübermittlung in den Bereichen des Notrufs bzw. der Warnung von Personen vor bevorstehenden Gefahren zu nutzen. Da Mobilfunktelefone allgemein verbreitet sind, wäre es durchaus überlegenswert, im Falle eines Unfalls oder dergleichen mit Hilfe einer SMS-Nachricht Hilfe anzufordern. Ferner könnten SMS-Nachrichten auch dazu benutzt werden, eine Vielzahl von Personen vor bevorstehenden Gefahren zu warnen.

Die Anforderungen an ein effektives Notruf-/Warnsystem sind extrem hoch, da nur im Fall einer absolut zuverlässigen Datenübermittlung die angestrebten Ziele erreicht werden können, nämlich eine schnelle und zuverlässige Anforderung von Hilfe bzw. eine umfassende Warnung betroffener Personen oder Gebiete sicherzustellen. Bislang existierende Kommunikationssysteme bieten eine derart hohe Betriebssicherheit nicht, da eine generelle Kommunikationsverbindung zwischen einem einzelnen Gerät und einer zentralen Einrichtung nicht grundsätzlich gewährleistet ist. Insbesondere decken bereits existierende Mobilfunknetze die Erdoberfläche noch nicht lückenlos ab.

Zur Vermeidung dieses Problems wäre gegebenenfalls der Einsatz von Satelliten als zentrale Sendeeinrichtungen oder Relais-Stationen denkbar. In diesem Fall müsste allerdings sichergestellt werden, dass auch tatsächlich ein zuverlässiger und fehlerfreier Empfang der Signale gewährleistet ist. Bereits jetzt zur Verfügung stehende Kommunikationssysteme auf Basis von satellitengestützter Datenübermittlung machen den Einsatz sehr spezieller und teurer Endgeräte erforderlich, was allerdings zur Bildung eines globalen und damit für möglichst viele Personen nutzbaren Notruf-/Warnsystems nicht sinnvoll ist.

Das zuvor geschilderte Problem stellt sich selbstverständlich nicht nur bei der Übermittlung von SMS- oder Textnachrichten über einen Satelliten sondern allgemein bei jeder Art von Datenübertragung. Grundsätzlich ist man bestrebt, den Empfang der Signale möglichst zu optimieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zu Grunde, Lösungen anzugeben, den Empfang von Datensignalen weiter zu optimieren. Insbesondere soll auch bei der Übermittlung von Satellitensignalen sichergestellt sein, dass die an den Endgeräten eintreffenden Signale möglichst genau und zuverlässig erkannt werden können.

Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen definierte Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es, mit Hilfe eines Hilfssystems das Empfangsverhalten der Kommunikationsgeräte zu optimieren, um einen zuverlässigen Empfang der Datensignale sicherzustellen. Erfindungsgemäß wird dementsprechend ein Kommunikationssystem mit einer zentralen Sendeeinrichtung – insbesondere einem Satelliten – zum Übermitteln von Datensignalen sowie einem Kommunikationsgerät zum Empfangen dieser Datensignale vorgeschlagen, wobei erfindungsgemäß das Kommunikationsgerät sein Verhalten zum Empfangen der Datensignale auf Basis von ergänzenden Informationen abstimmt, welche dem Kommunikationsgerät getrennt von den Datensignalen übermittelt werden.

Ferner wird ein Kommunikationsgerät zur Nutzung in einem entsprechenden Kommunikationssystem vorgeschlagen, wobei das Kommunikationsgerät zunächst Empfangsmittel zum Empfangen der Datensignale aufweist, welche von einer zentralen Sendeeinrichtung übermittelt werden. Erfindungsgemäß sind ferner Mittel zum Empfangen von ergänzenden Informationen vorgesehen, welche Auskunft hinsichtlich bestimmter Eigenschaften der zu empfangenden Datensignale beinhalten, wobei die Empfangsmittel des Kommunikationsgeräts ihr Empfangsverhalten auf Basis der ergänzenden Informationen abstimmen. Schließlich wird auch ein Verfahren zum Übermitteln und Empfangen von Datensignalen vorgeschlagen, wobei erfindungsgemäß ein zum Empfangen der Signale vorgesehenes Kommunikationsgerät sein Verhalten zum Empfangen der Datensignale auf Basis von ergänzenden Informationen abstimmt, welche getrennt von den Datensignalen übermittelt werden.

Bei diesen – beispielsweise in einem getrennten Frequenzband – ergänzend zur Verfügung gestellten Informationen kann es sich insbesondere um Information hinsichtlich der Positionen und/oder Bewegungen des Kommunikationsgeräts und/oder der Sendeeinrichtung handeln. Beispielsweise kann also vorgesehen sein, dass das Kommunikationsgerät zusätzlich einen Navigationsempfänger aufweist bzw. einen Navigationsempfänger dem Kommunikationsgerät zugeordnet ist, mit dessen Hilfe Navigationsdaten über das Gerät selbst sowie über den Satelliten bzw. die Sendeeinrichtung erhalten werden. Auf Basis dieser Informationen kann dann beispielsweise das Kommunikationsgerät die Frequenz des eintreffenden Datensignals besser abschätzen, da der aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Satelliten und dem Gerät auftretende Dopplereffekt berücksichtigt werden kann. Auch eine verbesserte Abschätzung der Phase des Datensignals, welche für einen zuverlässigen Empfang des Signals unerlässlich ist, wird hierdurch gewährleistet.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die ergänzenden Informationen zur Optimierung des Empfangs der Datensignale zwar von der gleichen Sendeeinrichtung, allerdings unabhängig von den Datensignalen mit einer anderen Frequenz übertragen werden. Es könnte in diesem Fall beispielsweise ein Satellit eines Navigationssystems gleichzeitig auch als Sendeeinrichtung für das Kommunikationssystem genutzt werden, um sowohl die Datensignale als auch die Navigationsinformationen bereit zu stellen. In diesem Fall wird in besonders einfacher und effektiver Weise ein optimierter Datenempfang durch das Kommunikationsgerät ermöglicht. Die Maßnahmen zur Erweiterung des Funktionsumfangs des Navigationssatelliten gemäß dieser vorteilhaften Weiterbildung halten sich in Grenzen, so dass hierdurch in besonders einfacher und effektiver Weise die Grundlagen für ein tatsächlich global zur Verfügung stehendes und zuverlässig arbeitendes Notruf-/Warnsystem geschaffen werden könnten.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

1 schematisch die Bestandteile eines Notruf-/Warnsystems;

2 den Ablauf eines Verfahrens zur Übermittlung eines Notrufs von einem Kommunikationsgerät aus;

3a eine denkbare Struktur eines Datenpakets zur Übermittlung einer Anfrage bei dem Verfahren nach 2;

3b die Struktur einer von einem Kommunikationsgerät übermittelten Textnachricht;

4 die Struktur einer Antwortnachricht bei dem Verfahren nach 2;

5 ein zeitliches Ablaufschema zur Übermittlung eines Notrufs; und

6 schematisch die Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Systems zum optimierten Datenempfang.

1 zeigt zunächst schematisch die Bestandteile eines allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehenen erfindungsgemäßen Kommunikationssystems, welches insbesondere zur Realisierung eines globalen Notruf-/Warnsystems genutzt werden kann. Wie später noch näher erläutert wird, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum optimierten Datenempfang in besonderer Weise für den Datenaustausch bei einem derartigen System.

Die Zentrale des Notruf-/Warnsystems 1 wird entsprechend der Darstellung durch eine zentrale Einrichtung 10, bspw. eine Telefonleitzentrale gebildet, welche eingehende Notrufe von Teilnehmern des Systems empfängt, auswertet und – sofern erforderlich – geeignete Hilfsmaßnahmen einleitet. Im Falle des Unfalls eines Teilnehmers kann durch die Zentrale 10 bspw. ein Rettungswagen oder ein Rettungshubschrauber informiert und zu der Unfallstelle beordert werden. Eine weitere Aufgabe der Zentrale 10 besteht auch darin, eingehende Notrufe zu bestätigen und entsprechende Antworten zu übermitteln. Schließlich kann die Zentrale 10 auch als Leitstelle eines Warnsystems genutzt werden und für den Fall einer bevorstehenden Gefahr Informationen an die Teilnehmer des Systems 1 senden.

Schematisch dargestellt in 1 sind drei Teilnehmer des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems welche im Hinblick auf ihre Ausgestaltung und Positionierung sehr unterschiedlicher Natur sein können. Ein erster Teilnehmer 20 wird bspw. durch ein Fahrzeug gebildet, wobei das in dem Fahrzeug angeordnete Kommunikationsgerät dazu ausgestaltet ist, im Falle eines Unfalls und bspw. der Auslösung eines Airbags Hilfe anzufordern. Dies kann manuell durch den Benutzer des Fahrzeugs initiiert werden, es wäre allerdings durchaus denkbar, dass das Kommunikationsgerät automatisch bei Auftreten eines schwereren Unfalls einen Notruf sendet.

Ein zweiter Teilnehmer 21 wird durch ein tragbares Kommunikationsgerät gebildet, welches insbesondere auch durch ein Mobiltelefon gebildet sein kann. Dieses Telefon 21 weist dementsprechend neben den normalen Möglichkeiten zur Mobilfunktelephonie Erweiterungen auf, welche das Übermitteln eines Notrufs bzw. das Empfangen einer entsprechenden Antwort oder einer Warnmeldung ermöglichen.

Ein dritter Teilnehmer ist beispielhaft durch ein Elektrogerät, bspw. einen Fernseher 22, gebildet. Eine Besonderheit dieses dritten Teilnehmers besteht darin, dass der Fernseher 22 innerhalb eines Gebäudes 23 angeordnet ist, was Auswirkungen auf die Möglichkeiten zur Datenkommunikation hat. Das stationär genutzte Gerät 22 kann in diesem Fall deshalb ausschließlich für den Empfang von Warninformationen durch das System 1 vorgesehen sein, nicht allerdings zum Übermitteln von Notrufen.

Anzumerken ist, dass die Endgeräte des erfindungsgemäßen Systems 1 sehr vielfältig ausgestaltet sein können und unterschiedlichste Funktionen aufweisen können. Auch die Nutzung innerhalb des erfindungsgemäßen Systems 1 kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. So kann – wie bereits erläutert – vorgesehen sein, dass gewisse Geräte ausschließlich für den Empfang von Warnmeldungen durch das System 1 geeignet sind, während hingegen andere Geräte sowohl Notrufe (ggf. unter bestimmten Voraussetzungen automatisch) übermitteln und ergänzend hierzu auch Warninformationen empfangen können. Auch die im Rahmen des Systems ergänzend von den verschiedenen Teilnehmern 20, 21 und 22 genutzten Informationen können je nach Ausgestaltung der Geräte unterschiedlicher Art sein.

Für die Kommunikation zwischen den verschiedenen Teilnehmern 20, 21 und 22 und der Zentrale 10 werden als Verbindungselemente Satelliten 30, 30-1, 30-2 eingesetzt, über welche die Datenverbindung aufgebaut wird. Die Verbindung zur Zentrale 10 wird hierbei mit Hilfe einer Sende-/Empfangsstation 11 ermöglicht, welche in Verbindung mit der Zentrale 10 steht. Die Anordnung der Satelliten und deren Anzahl ist vorzugsweise derart gewählt, dass weltweit ein Verbindungsaufbau zwischen den Teilnehmern 20, 21, 22 und einem der Satelliten 30 ermöglicht wird, wobei vorzugsweise jeweils zumindest drei Satelliten 30 sich innerhalb des Sende- und Empfangsbereichs eines Kommunikationsgerätes 20, 21, 22 befinden sollten, um Alternativverbindungen im Falle des Ausfalls einer Datenverbindung zu ermöglichen.

Die zwischen den verschiedenen Komponenten des erfindungsgemäßen Systems 1 ausgetauschten Signale können entsprechend ihrer Nutzung innerhalb des Notruf-/Warnsystems unterschieden werden. Eine erste Funktion des Systems 1 stellt wie bereits erwähnt die Abgabe eines Notrufs durch die Teilnehmer sowie die entsprechende Beantwortung dieses Notrufs durch die Zentrale 10 dar. Die hierbei entstehenden Kommunikationsverbindungen können nach Richtung der übermittelten Daten sowie entsprechend den verschiedenen Komponenten, zwischen denen eine Kommunikationsverbindung besteht, wie folgt unterschieden werden.

So sind zunächst zwei sog. Forward-Verbindungen vorgesehen, welche für die Übermittlung von Informationen von der Zentrale 10 zu den Empfängern 20 und 21 genutzt werden. Diese Forward-Verbindungen werden ferner noch danach unterschieden, ob sie in Richtung auf den Satelliten 30 gerichtet sind oder von diesem wegführen. Dementsprechend erfolgt eine Übermittlung von Informationen von der Zentrale 10 bzw. der Sende-/Empfangsstation 11 also über einen sog. Forward-Uplink IU zum Satelliten 30 sowie über einen Forward-Downlink ID von dem Satelliten 30 zu den Kommunikationsgeräten 20, 21. Die Übermittlung von Informationen von den Endgeräten 20, 21 zu der Zentrale 10 hin hingegen erfolgt über sog. Reverse-Verbindungen, genauer gesagt über einen Reverse-Uplink IIU von den Geräten 20, 21 zu dem Satelliten 30 und einen Reverse-Downlink IID von dem Satelliten 30 zu der Sende-/Empfangsstation 11 der Zentrale 10. Die verschiedenen Vorgehensweisen zur Datenübermittlung insbesondere im Rahmen des Reverse-Uplinks IIU und des Forward-Downlinks ID werden später noch ausführlich erläutert, die Kommunikation zwischen dem Satelliten 30 und der Sende-/Empfangsstation 11 hingegen kann im Rahmen üblicher Verfahren erfolgen, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.

Weitere Kommunikationsverbindungen, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Notruf-/Warnsystems aufgebaut werden, dienen entsprechend der zweiten Funktion des Systems 1 dazu, Warninformationen zu übermitteln. In diesem Fall, der nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist nur eine Kommunikation in Richtung von der Zentrale 10 zu den Endgeräten 21 und 22 vorgesehen, es wird also wiederum ein (in üblicher Weise aufgebauter) Forward-Uplink IIIU zu dem Satelliten 30 sowie ein Forward-Downlink IIID von dem Satelliten 30 zu den Endgeräten 21, 22 gebildet.

Die zum Aufbauen der verschiedenen Kommunikationsverbindungen genutzten Frequenzbereiche können unter Berücksichtigung von Regulierungsbestimmungen prinzipiell in gewünschter Weise gewählt werden. Wie allerdings bereits eingangs erläutert wurde, sollten die Endgeräte weitestgehend auf bereits zum Einsatz kommenden Technologien basieren. Es hat sich dementsprechend als vorteilhaft herausgestellt, für den Forward-Downlink Frequenzen im sog. L-Band im Bereich zwischen 1,6455 und 1,6465 GHz und für den Reverse-Uplink Frequenzen wiederum im L-Band im Bereich zwischen 1,544 und 1,545 GHz einzusetzen. Der Vorteil dieser Auswahl liegt darin, dass diese Frequenzbereiche nahe an den von bereits existierenden Mobilfunknetzen genutzten Frequenzen liegen und darüber hinaus auch die im Rahmen von Navigationssystemen genutzten Frequenzbereiche einschließen. Sende- und Empfangsmittel zur Nutzung derartiger Frequenzen sind somit bereits vielfach in Verwendung und können dementsprechend auch bei Geräten im Rahmen des erfindungsgemäßen Systems 1 eingesetzt werden. Für den Forward-Uplink werden vorzugsweise Frequenzen im sog. Ku-Band zwischen 14 und 14,25 GHz und für den Reverse-Downlink Frequenzen im X-Band im Bereich zwischen 10,7 und 11,7 GHz eingesetzt werden. Der Verteil der Wahl dieser Frequenzen liegt darin, dass die hierzu genutzten Antennen geometrisch klein gestaltet werden können. Nochmals sei allerdings darauf hingewiesen, dass auch andere Frequenzen für die verschiedenen Signalwege zum Einsatz kommen könnten.

Im folgenden soll der Datenaustausch zwischen einem Endteilnehmer 20, 21 und dem Satelliten 30 im Rahmen eines Notrufs näher besprochen werden. Hierbei soll der Benutzer des Geräts in der Lage sein, mittels einer SMS- oder Textnachricht Hilfe anzufordern. Ferner soll für die Zentrale 10 feststellbar sein, wo genau sich der Benutzer des Geräts aufhält.

Kritisch ist in diesem Fall die Übermittlung der Informationen von den Geräten 20, 21 zu dem Satelliten 30, was auf die geringe Sendeleistung der Geräte 20, 21 einerseits sowie den hohen Datenverkehr andererseits zurückzuführen ist. Hierbei ist zunächst zu berücksichtigen, mit welcher Häufigkeit die Abgabe eines Notrufs zu erwarten ist. Dabei haben statistische Erhebungen gezeigt, dass die Hauptursache für die Initiierung von Notrufen Verkehrsunfälle sein werden. In Deutschland bspw. übersteigt die Anzahl von Verkehrsunfällen die Anzahl denkbarer anderer Ereignisse bei weitem. Geht man davon aus, dass die statistische Häufigkeit für das Auftreten eines Verkehrunfalls in Europa – was etwa dem Einzugsgebiet eines Satelliten entspricht – in etwa gleich ist, so ergibt sich eine ungefähre Frequenz von 0,36 Notrufen/s für einen einzelnen Satelliten. Da die Übermittlung einer Notrufnachricht mehrere Sekunden in Anspruch nimmt, besteht also die Gefahr, dass mehrere Endteilnehmer gleichzeitig versuchen, einen Notruf an den Satelliten zu übermitteln. Die Überlappung dieser Signale führt aufgrund der niedrigen Sendeleistungen der Geräte allerdings letztendlich dazu, dass der Satellit nicht mehr in der Lage ist, die Informationen zu trennen und eindeutig zu identifizieren. Die Übermittlung beider Notrufe würde in diesem Fall also fehlschlagen.

Um derartige Konfliktsituationen zu vermeiden, wird für die Übermittlung eines Notrufs von einem Endteilnehmer und die Beantwortung dieses Notrufs durch die Zentrale 10 des Systems 1 ein spezielles Reservierungsverfahren vorgeschlagen, welches nachfolgend anhand des Ablaufdiagramms von 2 näher erläutert werden soll.

Grundgedanke des schematisch in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Reservierungsverfahrens ist, dass im Rahmen einer Initialisierungsprozedur das Kommunikationsgerät, welches einen Notruf übermitteln möchte, zunächst eine kurze Meldung an den Satelliten übermittelt und die Übertragung eines Notrufs bzw. allgemein einer Nachricht ankündigt. Dem Gerät wird dann ein entsprechender Übermittlungszeitraum reserviert, in dem ausschließlich das entsprechende Gerät zur Übertragung einer Nachricht befugt ist. Durch später noch näher erläuterte Maßnahmen stellt das Gerät dann sicher, dass die Nachricht zeit- und frequenzgenau an dem Satelliten eintrifft, so dass selbst bei niedrigen Sendeleistungen ein zuverlässiger Empfangs ermöglicht wird.

Voraussetzungen für diese erfindungsgemäße Vorgehensweise sind, dass das Endgerät zusätzlich einen Navigationsempfänger aufweist, der ebenfalls in Kontakt mit dem Satelliten steht. Dem Gerät ist somit einerseits seine eigene Position, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung sowie andererseits die Position des Satelliten, dessen Geschwindigkeit sowie dessen Bewegungsrichtung bekannt. Darüber hinaus können entsprechend der vorliegenden Erfindung die von dem Navigationsempfänger als zusätzliche Hilfestellung erhaltenen Informationen dazu genutzt werden, das Gerät nahezu perfekt hinsichtlich Zeit und Frequenz auf den Satelliten zu synchronisieren, so dass allenfalls Abweichungen im Nanosekundenbereich auftreten. Diese Informationen helfen einerseits zur Optimierung des Datenempfangs und können andererseits dazu genutzt werden, frequenz- und zeitrichtig Informationen an den Satelliten zu übermitteln. Das in 2 dargestellte Verfahren stellt sich dementsprechend wie folgt dar.

Nach dem Auftreten eines Notfalls in Schritt S100 wählt das Gerät zunächst auf Basis der von dem Navigationsempfänger zur Verfügung gestellten Informationen hinsichtlich der Positionen und Bewegungen des Kommunikationsgeräts und der Satelliten einen geeigneten Satelliten aus, der aufgrund seiner aktuellen Position eine bestmögliche Datenübertragung gewährleistet. Es wird also derjenige Satellit gewählt, bei dem die beste Empfangsleistung im Hinblick auf die zu übermittelnden Signale zu erwarten ist.

Darüber hinaus ist dem Gerät bekannt, auf welcher Frequenz der gewählte Satellit Informationen empfangen kann. Es wird dementsprechend zunächst über die Sendemittel des Kommunikationsgeräts eine erste Sendefrequenz fs1 ausgewählt, welche unter Berücksichtigung der Relativbewegung zwischen Satellit und Kommunikationsgerät ermittelt wird, um die während der Übermittlung zu dem Satelliten auftretende Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffekts auszugleichen. Auf diese Weise ist also sichergestellt, dass an dem Satelliten das Signal exakt mit der von ihm „bevorzugten" Empfangsfrequenz eintrifft. Vorzugsweise nutzt der Satellit mehrere Empfangsfrequenzen parallel, wobei dann eine dieser Frequenzen nach dem Zufallsprinzip ausgewählt wird und auf Basis dieser zufällig gewählten Empfangsfrequenz sowie der Navigationsinformationen die erste Sendefrequenz fs1 bestimmt wird.

Desweiteren ist im Rahmen des Reservierungsverfahrens vorgesehen, dass der Satellit nur in bestimmten Zeitabschnitten Signale empfangen kann, mit denen die Übertragung einer Textinformation angekündigt wird. Im Rahmen dieses sog. Slotted-Aloha-Verfahrens ist also vorgesehen, dass nur innerhalb bestimmter Zeiträume derartige Anfragen an dem Satelliten eintreffen. Zwar besteht auch hier nach wie vor das Problem, dass beim gleichzeitigen Eintreffen zweier Anfragen keines der Signale von dem Satelliten ausgewertet werden kann, die Wahrscheinlichkeit einer Datenkollision bei einem derartigen Verfahren, bei denen die Zeiträume für Anfragen fest vorgegeben sind, wird allerdings deutlich reduziert. Auf Basis der Navigationsinformationen wird also in Schritt S101 desweiteren noch ein Startzeitpunkt ts1 ausgewählt, zu dem die Anfrage von dem Gerät aus gesendet wird. Auch dieser Zeitpunkt wird nach dem Zufallsprinzip gewählt werden, jedoch mit der bereits genannten Einschränkung, dass das Signal letztendlich zu einem „zulässigen" Zeitpunkt am Satelliten eintrifft.

Anzumerken ist, dass anstellte fest vorgegebener Zeiträume, innerhalb derer jeweils eine Anfrage an dem Satelliten angenommen wird, auch ein größerer Zeitraum für die Übermittlung derartiger Anfragen zur Verfügung gestellt werden könnte. Die Wahrscheinlichkeit einer Datenkollision wäre in diesem Fall allerdings etwas höher.

Nach Auswahl der Sendefrequenz fs1 und des Sendezeitpunkt ts1 wird dann im darauffolgenden Schritt S102 eine Anfrage an den Satelliten übermittelt, in der – wie bereits erwähnt – die Übermittlung einer längeren Textnachricht angekündigt bzw. beantragt wird.

Ein mögliches Format für eine derartige Anfrage ist in 3a dargestellt, der entnommen werden kann, dass das Datenpaket aus insgesamt drei Bereichen besteht.

Ein erster Bereich 40-1 des gesamten Datenpakets 40 dient dabei der Übermittlung einer Kennnummer (ID) des Kommunikationsgeräts, über welches dieses eindeutig identifizierbar ist. Entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist dieser Bereich eine Länge von 64 Bit auf. Der zweite Block 40-2 wird dazu genutzt, bereits die Position des Geräts sowie dessen aktuelle Bewegung zu übermitteln. Dieser Block weist eine Länge von 88 Bit auf, die sich wie folgt zusammensetzen:

Ein dritter Block 40-3 dient dazu, bereits im Rahmen einer Kurznachricht Informationen über die Art des Notruf anzukündigen. Bspw. könnte hierdurch die Schwere des Notfalls sowie die Art der benötigten Hilfe kodiert werden. Insgesamt ergibt sich damit eine Länge von 160 Bit für dieses Anfrage-Datenpaket 40.

Anzumerken ist, dass die Ausgestaltung und Länge dieses ersten Datenpakets 40 auch anders gewählt werden könnte. Wesentlich allerdings ist, dass dieses zur Anfrage an den Satelliten genutzte Datenpaket deutlich kürzer ist als die eigentliche Nachricht, die noch zu einem späteren Zeitpunkt übermittelt wird. Auch die Verwendung eines Datenblocks zur Identifizierung des Kommunikationsgeräts ist erforderlich.

Entsprechend der Darstellung in 2 wird das im Rahmen der Anfrage gesendete Signal dann im Schritt S103 von dem Satelliten an die Bodenstation weitergeleitet, wobei im darauffolgenden Schritt S104 von der Bodenstation überprüft wird, ob die Anfrage einzeln am Satelliten eingetroffen ist und dementsprechend das weitergeleitete Signal von der Bodenstation eindeutig ausgewertet werden kann oder ob ggf. eine Überlappung mit anderen Signalen – beispielsweise Anfragen von anderen Teilnehmern des Kommunikationssystems – stattfand. Der Satellit selbst ist also transparent, d.h. er leitet die Signale in beide Richtungen weiter, ohne sie näher zu analysieren bzw. auszuwerten. Lediglich eine Umsetzung in die verschiedenen Frequenzbereiche für die Uplinks und Downlinks wird durch den Satelliten vorgenommen.

Konnte an der Bodenstation bzw. der Zentrale 10 des Notrufsystems eine einzelne Anfrage empfangen werden, so wird diese inhaltlich ausgewertet, wobei dann in einem darauffolgenden Schritt S105 über den Satelliten eine Bestätigungsnachricht an das Kommunikationsgerät übermittelt wird, deren Struktur 4 entnommen werden kann. Konnte hingegen keine Anfrage empfangen werden, so wird das Kommunikationsgeräts auch keine Antwort erhalten und dementsprechend nach einem gewissen Wartezeitraum die Schritte S101 und S102 wiederholen, also versuchen, eine erneute Anfrage an den Satelliten übermitteln.

Die im Falle einer erfolgreichen Anfrage zurückgesendete Bestätigungsnachricht weist entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel in 4 eine Länge von insgesamt 120 Bit auf und setzt sich aus fünf einzelnen Datenblöcken zusammen. Ein erster Bock 42-1 stellt dabei eine (z.B. 32-Bit-lange) Präambel dar, welche von dem angesprochenen Empfänger dazu genutzt wird, sein Empfangsverhalten auf das Sendeverhalten des Satelliten zu synchronisieren. In dem zweiten Block 42-2 wird die Identifikationsnummer des Teilnehmers wiederholt, um sicherzustellen, dass von mehreren Endgeräten, die zu einem früheren Zeitpunkt eine Anfrage an den Satelliten übermittelt haben, ein einzelner Teilnehmer angesprochen werden kann. Mit dem dritten Block 42-3 wird mit Hilfe eines 8-Bit-langen Datenpakets eine Empfangsfrequenz fE kodiert, auf welcher der Satellit zu einem späteren Zeitpunkt die Notrufnachricht empfangen möchte. Der darauffolgende Block 42-4 kodiert mit Hilfe von 4 Bit einen für den Empfang dieser Nachricht festgelegten Zeitbereich tE. Der letzte Block 42-5 dient dazu, im Rahmen einer Kurzantwort den Empfang der Anfrage zu bestätigen und ggf. weitere Informationen über die Art der zur Verfügung gestellten Hilfe mitzuteilen.

Wiederum könnte die Struktur dieser Rückmeldung anderweitig gewählt werden, wobei allerdings die Blöcke zur eindeutigen Identifizierung des Kommunikationsgeräts sowie zur Übermittlung der festgelegten Empfangsfrequenz und Empfangszeit im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich sind.

Nach Erhalt dieser Informationen bestimmt das Endgerät in dem darauffolgenden Schritt S106 unter Berücksichtigung der ihm zur Verfügung stehenden Navigationsinformationen eine geeignete Sendefrequenz fs2 sowie einen Sendezeitpunkt ts2 für die Übermittlung der eigentlichen Notfallnachricht. Wiederum werden Frequenz und Zeitpunkt in geeigneter Weise ermittelt, um sicherzustellen, dass die Nachricht an dem Satelliten mit der zuvor festgelegten Empfangsfrequenz fE und innerhalb des gewünschten Zeitraums tE eintrifft.

In dem nächsten Schritt S107 wird dann in der zuvor bestimmten Weise die Textnachricht übermittelt, wobei hier ein Datenformat entsprechend der Darstellung in 3b gewählt wird. Diese Nachricht 41 besteht dementsprechend wiederum aus zwei Blöcken 41-1 und 41-2 zur Übermittlung der Identifizierungsnummer sowie zur Mitteilung von Navigationsinformationen über den Empfänger. Ein dritter Block (bspw. mit einer Länge von 1.600 Bit) stellt dann schließlich die eigentliche Nachricht bzw. den Notruf dar.

Aufgrund des zuvor durchgeführten Initialisierungsverfahrens bzw. der Reservierung eines bestimmten Empfangszeitraums ist sichergestellt, dass die Nachricht ungestört von anderweitigen Informationen als einzige zu dem vorgegebenem Empfangszeitpunkt an dem Satelliten eintrifft. Eine Überlappung mit anderweitigen Signalen wird hierdurch also ausgeschlossen, was besonders wichtig ist, um während des verhältnismäßig langen Übermittlungszeitraums eine Datenkollision zu vermeiden. Es ist also sichergestellt, dass die eigentliche Notfallnachricht ungestört an den Satelliten übermittelt und dort zuverlässig ausgewertet werden kann.

In den Schritten S108 und S109 schließlich erfolgt die Weiterleitung der Nachricht an die Bodenstation sowie eine erneute Bestätigung über den Satelliten. Für die Bestätigung wird wiederum das in 4 dargestellte Datenformat verwendet, wobei die Datenblöcke hinsichtlich der Frequenz und des Empfangszeitpunkts nunmehr allerdings leer bleiben. Sollte hingegen die Übermittlung der Nachricht fehlgeschlagen sein, so könnte dies ggf. mit Hilfe des fünften Datenblocks 42-5 angezeigt werden und der Teilnehmer zu einer erneuten Übermittlung der Notfallnachricht aufgefordert werden. In diesem Fall würden wiederum eine neue Empfangsfrequenz sowie ein Empfangszeitraum festgelegt und übermittelt werden.

In 5 ist die besondere Vorgehensweise zur Übermittlung einer Notfallnachricht entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren nochmals anhand eines Zeitschemas dargestellt. Dieser Darstellung kann insbesondere auch entnommen werden, dass das zeitliche Empfangsverhalten des Satelliten in zwei alternierende Zeitabschnitte TA und TE unterteilt werden kann, wobei der erste Zeitabschnitt TA dazu dient, die Anfragen von den verschiedenen Kommunikationsgeräten zu empfangen und in weitere kleinere Zeitabschnitte Ta unterteilt ist, die jeweils für den Empfang einer Anfrage vorgesehen sind. Der zweite Teilabschnitt TE ist zum Empfang genau einer SMS-Nachricht vorgesehen.

Entsprechend der Darstellung übermittelt somit ein Teilnehmer A zum Zeitpunkt ts1 eine Anfrage 50, wobei dieser Zeitpunkt derart gewählt ist, dass diese Anfrage genau innerhalb eines vorgegebenen Zeitabschnitts Ta des Zeitraums TA für den Empfang von Anfragen an dem Satelliten eintrifft. Nach Weiterleitung dieser Anfrage an die Bodenstation erfolgt die Rückmeldung über die erste Bestätigungsnachricht 51, mit der der Teilnehmer A über den für ihn vorgesehen Empfangszeitpunkt tE sowie die entsprechende Frequenz informiert wird. Wie der Darstellung entnommen werden kann, erfolgt diese Rückmeldung unabhängig von der gleichzeitig vorgenommenen Übertragung einer Nachricht 55, die von einem zweiten Teilnehmer B derart übermittelt wurde, dass sie innerhalb des früheren Empfangszeitraums TE für Textnachrichten am Satelliten eintrifft.

Auf Basis der im Rahmen der ersten Rückmeldung 51 erhaltenen Informationen und unter Berücksichtigung der Navigationsdaten ermittelt dann der Teilnehmer A den Zeitpunkt ts2, zu dem die Übermittlung der Textnachricht gestartet wird, und zwar derart, dass sie zum vorgegebenen Zeitpunkt tE am Satelliten eintrifft. Nach erfolgreicher Weiterleitung und Auswertung an der Bodenstation erfolgt dann die zweite Rückmeldung 53.

Wesentlich ist also, dass die Teilnehmer ihr Sendeverhalten derart abstimmen, dass sowohl die Anfragen als auch die eigentlichen Textnachrichten in geeigneter Weise an dem Satelliten eintreffen und dort optimal empfangen werden können. Dies gilt selbstverständlich nicht für die verschiedenen Rückmeldungen von dem Satelliten an die Teilnehmer, da der Satellit sein Sendeverhalten nicht auf jeden einzelnen Teilnehmer abstimmen kann. Auch in diesem Fall können allerdings die dem Teilnehmern ergänzend zur Verfügung gestellten Navigationsinformationen sowie die anderweitigen Informationen über das zeitliche Sendeverhalten des Satelliten genutzt werden, um das Empfangsverhalten der Teilnehmer auf den Satelliten abzustimmen. Allein auf Basis dieser (Hilfs-)Informationen kann somit bereits eine Synchronisation bzw. Abschätzung der Phasenlage des Antwortsignals erzielt werden, um einen optimalen Datenempfang an den verschiedenen Teilnehmern sicher zu stellen. Ergänzend hierzu wird dann auch die Präambel 42-1 der Rückmeldung 42 in 4 genutzt. Allerdings muss diese Präambel nicht zwingend Bestandteil jeder einzelnen Rückmeldung durch den Satelliten sein. Es wäre durchaus auch denkbar, die Präambel nur in regelmäßigen Zeitabschnitten den Rückmeldungen anzufügen.

Insgesamt wird somit durch die angegebenen Maßnahmen sichergestellt, dass eine fehlerfreie Datenübertragung zwischen dem Kommunikationsgerät der Endteilnehmer und dem Satelliten in beiden Richtungen erfolgen kann. Hierfür sind einerseits das abgestimmte zeitliche Sendeverhalten der Teilnehmer sowie das abgestimmte Empfangsverhalten der Teilnehmer auf Basis der ergänzend zur Verfügung stehenden Informationen hinsichtlich des Sendeverhaltens des bzw. der Satelliten verantwortlich.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise zum optimierten Datenempfang ist nochmals in 6 verdeutlicht. Dargestellt ist schematisch ein erster Sender S1, bei dem es sich beispielsweise um den Sender des Satelliten 30 für die Nachrichten- bzw. Informationsübermittlung handeln kann. Die von diesem ersten Sender E1 übermittelten Daten sollen von den ersten Empfangsmitteln E1 des Kommunikationsgeräts 20, 21 empfangen werden. Grundsätzlich wäre eine Übermittlung der Daten über diesen ersten Datenlink L1 sowie die Auswertung an Daten an den Empfangsmitteln E1 aufgrund der Präambeln bereits möglich, da diese Präambeln ein Synchronisieren der ersten Empfangsmittel E1 auf den ersten Sender S1 ermöglichen.

Erfindungsgemäß werden dem Kommunikationsgerät 20, 21 allerdings über einen zweiten Datenlink L2 getrennt – und beispielsweise in einem anderen Frequenzbereich – von den über den ersten Link L1 übermittelten Daten Hilfsinformationen zur Verfügung gestellt. Diese Hilfsinformationen werden von einem zweiten Sender S2 des Satelliten – insbesondere dem Sender zum Übermitteln der Navigationsinformationen – übermittelt und von zweiten Empfangsmitteln E2 des Kommunikationsgeräts 20, 21 empfangen. Diese Hilfsinformationen erlauben einen Rückschluß auf das Sendeverhalten des ersten Senders S1, da dieser sein Verhalten nach dem durch die Navigationseinheit des Satelliten 30 vorgegebenen Zeitschema ausrichtet. Durch die Weiterleitung der von den zweiten Empfangsmitteln E2 empfangenen Hilfsinformationen an die ersten zweiten Empfangsmittel E1 können diese wiederum ihr Empfangsverhalten auf das ihnen nunmehr bekannte Sendeverhalten des ersten Senders E1 ausrichten.

Beispielsweise kann also vorgesehen sein, dass der erste Sender S1 zu jeder vollen Sekunde Antwortsignale an die verschiedenen Teilnehmer des Kommunikationssystems übermittelt, wobei die Zeitbasis hierfür dem Navigationssystem des Satelliten 20 entnommen wird. Da den ersten Empfangsmitteln E1 diese Informationen über das Zeitverhalten des Navigationssystems ebenfalls zur Verfügung stehen, „wissen" diese also, zu welchen Zeitpunkten und mit welcher Frequenz Signale eintreffen werden. Wie bereits oben erwähnt wurde, kann auf diese Weise eine nahezu perfekte Synchronisation zwischen dem ersten Sender S1 und den Empfangsmitteln E1 erzielt werden, wobei allenfalls Abweichungen im Bereich von Nanosekunden auftreten. Der Empfang der Datensignale auf dem ersten Link 1 wird hierdurch deutlich optimiert.

Anzumerken ist, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn sowohl die Sender S1, S2 als auch die Empfangsmittel E1, E2 Bestandteil jeweils eines einzigen Geräts sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel des Notrufsystems ist dies ohnehin der Fall, da die Kommunikationsgeräte zusätzlich auch einen Navigationsempfänger aufweisen. Auch die vollkommen getrennte Übermittlung der Hilfsinformationen wäre allerdings denkbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt damit einen optimalen Empfang der Bestätigungsinformationen im Rahmen des Notrufverfahrens. Selbstverständlich könnte die Nutzung der Hilfsinformationen allerdings auch beim Empfang der allgemeinen Warnnachrichten erfolgen. Allgemein erlaubt die erfindungsgemäße Vorgehensweise einen deutlich zuverlässigeren Empfang von Daten aller Art.

Den obigen Erläuterungen der verschiedenen Funktionen des erfindungsgemäßen Systems kann entnommen werden, dass die Endgeräte, über die eine Kommunikation mit dem Satelliten bzw. der Zentrale des Notruf-/Warnsystems erfolgt, unterschiedlichst ausgestaltet sein können. Üblicherweise weisen diese Geräte allerdings jeweils einen Navigationsempfänger auf, um im Rahmen des erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens auf die benötigten Hilfs- bzw. Navigationsinformationen zurückgreifen zu können. Diese Geräte können bspw. durch tragbare Kommunikationsgeräte gebildet sein. Es wäre allerdings auch denkbar, derartige Geräte in Fahrzeugen, wie Flugzeugen, Schiffen oder Kraftwagen zu installieren. Insbesondere bei der Anordnung derartiger Geräte in Fahrzeugen könnte darüber hinaus auch vorgesehen sein, dass die Abgabe eines Notrufs automatisch im Falle eines Unfalls oder dgl. initiiert wird. Selbstverständlich ist in diesem Fall die Anordnung des Kommunikationsgeräts an einer Stelle vorteilhaft, die von Unfällen möglichst wenig betroffen ist. Selbstverständlich ist in diesem Fall die Anordnung des Kommunikationsgeräts an einer Stelle vorteilhaft, die von Unfällen möglichst wenig betroffen ist. Bei der Anordnung in einem Fahrzeug bspw. wäre die Montage innerhalb der Fahrgastzelle – insbesondere am Armaturenbrett – sinnvoll, da in diesem Bereich die größte Sicherheit vor ungewollten Beschädigungen besteht.

Insgesamt gesehen wird somit durch die vorliegende Erfindung ein satellitengestütztes Kommunikationssystem zur Verfügung gestellt, welches eine zuverlässige Übermittlung von Textinformationen ermöglicht. Durch den verbesserten Datenempfang besteht nunmehr die Möglichkeit, ein globales Notruf-/Warnsystem zu bilden, welches einen Datenaustausch mit der erforderlichen Zuverlässigkeit ermöglicht.


Anspruch[de]
  1. Kommunikationssystem (1) mit einer Sendeeinrichtung (30) zum Übermitteln von Datensignalen sowie einem Kommunikationsgerät (20, 21, 22) zum Empfangen dieser Datensignale, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationsgerät (20, 21, 22) sein Verhalten zum Empfangen der Datensignale auf Basis von ergänzenden Informationen abstimmt, welche dem Kommunikationsgerät (20, 21, 22) getrennt von den Datensignalen übermittelt werden.
  2. Kommunikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den ergänzenden Informationen um Informationen hinsichtlich der Positionen und/oder Bewegungen des Kommunikationsgeräts (20, 21, 22) und der Sendeeinrichtung (30) handelt.
  3. Kommunikationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ergänzenden Informationen in einem anderen Frequenzband als die zu empfangenden Daten übermittelt werden.
  4. Kommunikationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (30) sowohl die Daten als auch die ergänzenden Informationen übermittelt.
  5. Kommunikationssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Sendeeinrichtung um einen Satelliten (30) handelt.
  6. Kommunikationsgerät (20, 21, 22) zur Nutzung in einem Kommunikationssystem,

    wobei das Kommunikationsgerät (20, 21, 22) Empfangsmittel (E1) zum Empfangen von Daten aufweist welche von einer Sendeeinrichtung (30) übermittelt werden,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass das Kommunikationsgerät (20, 21, 22) ferner Mittel (E2) zum Empfangen von ergänzenden Informationen aufweist, welche Auskunft hinsichtlich bestimmter Eigenschaften der zu empfangenden Daten beinhalten,

    wobei die Empfangsmittel (E1) ihr Verhalten zum Empfangen der Daten auf Basis der ergänzenden Informationen abstimmen.
  7. Kommunikationsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den ergänzenden Informationen um Informationen hinsichtlich der Positionen und/oder Bewegungen des Kommunikationsgeräts (20, 21, 22) und der Sendeeinrichtung (30) handelt.
  8. Kommunikationsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (E2) zum Empfangen der ergänzenden Informationen durch einen Navigationsempfänger gebildet sind.
  9. Verfahren zum Übermitteln von Daten von einer Sendeeinrichtung (30) an ein Kommunikationsgerät (20, 21, 22), dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationsgerät (20, 21, 22) sein Verhalten zum Empfangen der Daten auf Basis von ergänzenden Informationen abstimmt, welche dem Kommunikationsgerät (20, 21, 22) getrennt von den Daten übermittelt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den ergänzenden Informationen um Informationen hinsichtlich der Positionen und/oder Bewegungen des Kommunikationsgeräts (20, 21, 22) und der Sendeeinrichtung (30) handelt.
  11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ergänzenden Informationen in einem anderen Frequenzband als die zu empfangenden Daten übermittelt werden.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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