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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Teilnehmerstation zur
Signalübertragung
in einem Kanal zum willkürlichen
Zugriff eines Funk-Kommunikationssystems.
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In
Funk-Kommunikationssystemen werden Informationen (beispielsweise
Sprache, Bildinformationen oder andere Daten) mit Hilfe von elektromagnetischen
Wellen über
eine Funkschnittstelle zwischen sendender und empfangender Funkstation
(Basisstation bzw. Teilnehmerstation) übertragen. Das Abstrahlen der
elektromagnetischen Wellen erfolgt dabei mit Trägerfrequenzen, die in dem für das jeweilige
System vorgesehenen Frequenzband liegen. Für zukünftige Mobilfunksysteme mit
CDMA- oder TD/CDMA-Übertragungsverfahren über die
Funkschnittstelle, beispielsweise das UMTS (Universal Mobile Telecommunication
System) oder andere Systeme der 3. Generation sind Frequenzen im
Frequenzband von ca. 2000 MHz vorgesehen.
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Zur
Teilnehmerseparierung wird z.B. beim GSM-Mobilfunksystem ein Zeitlagenmultiplex-Verfahren (TDMA)
zur Unterscheidung der Signalquellen verwendet. In einem Zeitschlitz
wird ein Funkblock übertragen, der
empfangsseitig getrennt von anderen Funkblöcken auswertbar ist. Aus dem
GSM-Mobilfunksystem ist es ferner bekannt, zur Ressourcenzuteilung
einen Zugriffsblock in Aufwärtsrichtung
zu senden. Damit signalisiert eine Teilnehmerstation dem Netz, daß es einen
Verbindungsaufbau wünscht.
Der Zugriff auf den Zeitschlitz, der für die Zugriffsblöcke reserviert
ist, erfolgt jedoch willkürlich.
Falls mehrere Teilnehmerstationen gleichzeitig in diesem Zeitschlitz
senden, überlagern
sich die Zugriffsblöcke
und sind somit bei der empfangenden Basisstation nicht detektierbar.
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Nach
einer Kollision versuchen die Teilnehmerstationen erneut, einen
Zugriffsblock zu senden. Je häufiger
der Zugriff wiederholt werden muß, um so länger ist die Wartezeit und
um so mehr sinkt die Effektivität dieses
Zugriffsverfahrens.
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Eine
besondere Ausprägung
des Zeitlagenmultiplex (TDMA) ist ein TDD (time division duplex) Übertragungsverfahren,
bei dem in einem gemeinsamen Frequenzkanal die Übertragung sowohl in Aufwärtsrichtung,
d.h. von der Teilnehmerstation zur Basisstation, als auch in Abwärtsrichtung,
d.h. von der Basisstation zur Teilnehmerstation, erfolgt. Die minimal
zu vergebende Ressourceneinheit ist durch die Zahl der in einem Zeitschlitz übertragbaren
Bits angegeben.
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Eine
kleine minimale Ressourceneinheit ist wünschenswert, da für unterschiedliche
Anwendungsfälle, z.B.
die Zugriffsblöcke,
eine feinere Granularität
bei den verbrauchten Ressourcen die Kapazitätsausnutzung verbessert. Dies
war bisher nur durch Verkürzung
der Zeitschlitzdauer möglich.
Der Anteil der Nutzdatenrate an der Gesamtdatenrate sinkt bei Erhöhung der
Zahl der Zeitschlitze pro Zeiteinheit, da üblicherweise pro Zeitschlitz
eine Trainingssequenz zu Kanalschätzungszwecken gesendet wird
und die Trainigssequenz eine Mindestlänge hat.
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Aus
der
DE 198 17 771
A1 ist ein Verfahren in einem Funk-Kommunikationssystem
bekannt, bei dem in einem Zeitschlitz mehrer Funkblöcke bestehend
aus einem Datenanteil und einer Schutzzeit übertragen werden, wobei die
Datenanteile zueinander zeitlich orthogonal gewählt werden.
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Aus
der
DE 197 34 935
A1 ist ein Verfahren zur paketorientierten Übertragung
in einem Mobil-Kommunikationssystem bekannt, bei dem während einer
logischen Verbindung eine Mobilstation in Aufwärtsrichtung eine Ressourcen-Anforderung
ohne vorherige Zuweisung von eine Basisstation sendet.
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Aus
der
DE 197 33 336
A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem in einem über eine
Funkschnittstelle übertragenen
Funkblock ein Verhältnis
einer Länge
einer Mittambel und eines Datenteils entsprechend Verkehrsbedingungen
eingestellt wird.
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Aus
der
DE 197 13 667
C1 ist eine Basisstation für ein Mobil-Kommunikationssystem mit TDMA-Teilnehmerseparierung
bekannt, die über
eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Vorbereitung von Nutzinformationen
für eine Übertragung
entsprechend der TDMA-Komponente blockweise in Zeitschlitze und
von Organisationsinformationen für
eine Dauerwellenübertragung
verfügt.
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Aus
der
US 5 577 024 ist
schließlich
ein Übertragungsverfahren
für ein
zellulares Mobilfunksystem bekannt, bei dem eine Signalübertragung
von mehreren Mobilstationen zu einer einzigen Basisstation in einem Zeitschlitz
mittels zueinander orthogonaler Signale erfolgt.
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Aus
der WO 98/35522 A2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem auf einem
Kanal zum zufälligen
Zugriff (RACH) Nachrichten von Kurznachrichtendiensten (SMS) gesendet
werden, wobei netzseitig in Abhängigkeit von
der Auslastung des RACH eine Länge
der Nachrichten vorgegeben wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz der Signalübertragung
im Kanal zum willkürlichen
Zugriff weiter zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 sowie der Teilnehmerstation gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Erfindungsgemäß benutzen
mehrere Teilnehmerstationen den Kanal zum willkürlichen Zugriff unkoordiniert
und in einem Zeitschlitz für
den Kanal sind mehrere Funkblöcke
mit unterschiedlicher zeitlicher Länge (t1, t2) übertragbar.
Dabei wird von einer Teilnehmerstation einer der übertragbaren
Funkblöcke
in Abhängigkeit
von der Anzahl von momentan von der Teilnehmerstation auf dem Kanal
zum willkürlichen
Zugriff zu übertragenden
Dateneinheiten gewählt.
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Diese
erfindungsgemäße Ausgestaltung
ermöglicht
vorteilhaft eine Reduzierung des Datenanteils in einem Funkblock
für den
willkürlichen
Zugriff bzw. die notwendigen funktechnischen Ressourcen, wodurch
die Wahrscheinlichkeit einer Blockierung bei einem parallelen Zugriff
mehrerer Teilnehmerstationen verringert bzw. die Anzahl der gleichzeitig
zugreifenden Teilnehmerstationen erhöht wird. Der Kanal zum willkürlichen
Zugriff kann neben der eigentlichen Funktion für einen Verbindungsaufbau seitens
der Teilnehmerstationen auch entsprechend einer Ausgestaltung der
Erfindung für
eine Quittierung, eine Aktualisierung des Aufenthaltsortes der Teilnehmerstation
oder zur Übertragung
von kleinen Datenpaketen genutzt werden.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Größe des zu übertragenden
Datenanteils mit zumindest einem bestimmten Schwellwert verglichen.
Abhängig
von dem Ergebnis des Vergleichs wird ein jeweils geeigneter Funkblock
ausgewählt.
Hierzu kann beispielsweise eine erfindungsgemäße Entscheidungskette in der
Teilnehmerstation verwirklicht werden, die einen jeweils optimalen
Funkblock aus dem Ergebnis des Vergleichs bestimmt.
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Für den beispielhaften
Fall, daß die
Größe des zu übertragenden
Datenanteils größer als
die Länge des
Zeitschlitzes für
den Kanal zum willkürlichen
Zugriff ist, wird von der Teilnehmerstation zumindest ein physikalischer Übertragungskanal
mittels eines standardgemäßen Funkblocks
angefordert. Diese Realisierung verhindert, daß der Kanal für den willkürlichen
Zugriff für
die Übertragung
von größeren Datenpaketen
verwendet wird, sondern in diesem Fall eine bekannte Zuweisung von
funktechnischen Ressourcen durch die Teilnehmerstation initiiert
wird.
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Einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung zufolge wird abhängig von
dem beschriebenen Vergleich zusätzlich
ein Spreizfaktor für
den Datenanteil gewählt.
Diese Ausgestaltung basiert auf einer CDMA-Teilnehmerseparierung
in dem Funk-Kommunikationssystem, wobei innerhalb eines Zeitschlitzes
mehrere Teilnehmer durch Spreizkodes getrennt werden. Eine Variation des
Spreizfaktors bewirkt eine unterschiedlichen Auslastung der zur
Verfügung
stehenden funktechnischen Ressourcen.
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Funkblöcken mit
einer Länge
kleiner der Länge
des Zeitschlitzes wird gemäß einer
weiteren Ausgestaltung zusätzlich
ein Schutzzeitanteil zugeordnet. Für diesen Fall können entsprechend
einer weiteren Weiterbildung die Datenanteile der Funkblöcke des
Zeitschlitzes zueinander zeitlich orthogonal gewählt werden. Hierdurch ist vorteilhaft
ein gleichzeitiger Zugriff beispielsweise zweier Funkblöcke in dem
Zeitschlitz möglich, ohne
daß sich
die jeweiligen Datenanteile stören.
Die effektive Übertragungskapazität des Kanals
wird hierdurch vorteilhaft erhöht.
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Der
Datenanteil eines Funkblocks kann gemäß einer weiteren Weiterbildung
aus einer Trainingssequenz und zumindest einem Nutzdatenanteil bestehen.
Somit läßt sich
das erfindungsgemäße Verfahren
in ein digitales Mobilfunksystem der 3. Generation integrieren.
Bei einem solchen Mobilfunksystem kommt vorteilhaft ein TDD-Teilnehmerseparierungsverfahren
zu Einsatz, so daß auch
asymmetrische Datendienste ohne Vergeudung von Übertragungsressourcen unterstützt werden.
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Besonders
wichtig ist die Ausnutzung einer Ressourceneinheit der funktechnischen
Ressourcen bei Funk-Kommunikationssystemen mit breitbandigen Kanälen, da
die kleinste Ressourceneinheit verhältnismäßig groß ist. Die Kanäle sind
nach einem TDD- oder FDD-Modus eines UMTS-Mobilfunksystems organisiert.
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Die
Teilnehmerstation ist mit den zur Durchführung des Verfahrens benötigten Komponenten
ausgestattet.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen
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1 ein
Blockschaltbild eines Funk-Kommunikationssystem,
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2 eine
schematische Darstellung der Struktur einer TDD-Funkschnittstelle,
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3 eine
schematische Darstellung unterschiedlicher Funkblöcke für den willkürlichen
Zugriff,
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4 eine
schematische Darstellung der Struktur des Datenanteils eines Funkblocks,
und
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5 eine
erfindungsgemäße Entscheidungskette
zur Auswahl eines geeigneten Funkblocks.
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Das
in 1 dargestellte Mobilfunksystem als Beispiel eines
Funk-Kommunikationssystems besteht aus einer Vielzahl von Mobilvermittlungsstellen
MSC, die untereinander vernetzt sind bzw. den Zugang zu einem Festnetz
PSTN herstellen. Weiterhin sind diese Mobilvermittlungsstellen MSC
mit jeweils zumindest einer Einrichtung RNC zur Steuerung der Basisstationen
BS und zum Zuteilen von funktechnischen Ressourcen, d.h. einem Funkressourcenmanager,
verbunden. Jede dieser Einrichtungen RNC ermöglicht wiederum eine Verbindung
zu zumindest einer Basisstation BS. Eine solche Basisstation BS
kann über
eine Funkschnittstelle eine Verbindung zu einer Teilnehmerstation,
z.B. Teilnehmerstationen MS oder anderweitigen mobilen und stationären Endgeräten, aufbauen.
Durch jede Basisstation BS wird zumindest eine Funkzelle gebildet.
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In 1 sind
beispielhaft Verbindungen V1, V2, V3 zur Übertragung von Nutzinformationen
ni und Signalisierungsinformationen als Punkt-zu-Punkt-Verbindungen
zwischen Teilnehmerstationen MS und einer Basisstation BS und ein
Organisationskanal BCCH als Punkt-zu-Multipunkt-Verbindung dargestellt.
Im Organisationskanal BCCH werden Organisationsinformationen mit
einer bekannten konstanten Sendeleistung von der Basisstation BS übertragen,
die für
alle Teilnehmerstationen MS auswertbar sind und Angaben über die
in der Funkzelle angebotenen Dienste und über die Konfiguration der Kanäle der Funkschnittstelle
enthalten. In Aufwärtsrichtung
UL wird für
die Teilnehmerstationen MS ein Kanal RACH zum willkürlichen
Zugriff angeboten.
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Ein
Operations- und Wartungszentrum OMC realisiert Kontroll- und Wartungsfunktionen
für das
Mobilfunksystem bzw. für
Teile davon. Die Funktionalität
dieser Struktur ist auf andere Funk-Kommunikationssysteme übertragbar,
in denen die Erfindung zum Einsatz kommen kann, insbesondere für Teilnehmerzugangsnetze mit
drahtlosem Teilnehmeranschluß und
für im
unlizensierten Frequenzbereich betriebene Basisstationen und Teilnehmerstationen.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Mobilfunksystem mit einer
Funkschnittstelle im TDD-Übertragungsverfahren
(time division duplex) erklärt,
wobei ein Einsatz im FDD-Übertragungsverfahren (frequency
division duplex) ebenso möglich
ist.
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Die
Rahmenstruktur einer TDD-Funkübertragung
ist aus 2 ersichtlich. Gemäß einer
TDMA-Komponente (time division multiple access) ist eine Aufteilung
eines breitbandigen Frequenzbands, beispielsweise der Bandbreite
B = 5 MHz in mehrere Zeitschlitze ts gleicher Zeitdauer, beispielsweise
16 Zeitschlitze ts0 bis ts15 pro Rahmen fr vorgesehen. Ein Teil
der Zeitschlitze ts werden in Abwärtsrichtung DL und ein Teil
der Zeitschlitze werden in Aufwärtsrichtung
UL benutzt. Bei diesem TDD-Übertragungsverfahren
entspricht das Frequenzband für
die Aufwärtsrichtung
UL dem Frequenzband für
die Abwärtsrichtung
DL.
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Innerhalb
eines Zeitschlitze ts6 werden Informationen mehrerer Verbindungen
in Funkblöcken
FB eines jeweiligen physikalischen Übertragungskanals K übertragen.
Die Daten sind verbindungsindividuell mit einer Feinstruktur, einem
Spreizkode c, gespreizt, so daß empfangsseitig
eine bestimmte Anzahl Verbindungen durch diese CDMA-Komponente (code
division multiple access) separierbar sind.
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Ein
Zeitschlitz ts7 in Aufwärtsrichtung
UL wird als Kanal für
den willkürlichen
Zugriff RACH benutzt, auf den die Teilnehmerstationen MS unkoordiniert
zugreifen können.
Dieser willkürliche,
unkoordinierte Zugriff kann für
folgende Anwendungen eingesetzt werden:
- – erstmaliger
Zugriff für
einen Verbindungsaufbau,
- – Übertragung
kleiner Datenpakete,
- – Übertragung
einer Quittierung empfangener Datenpakete,
- – Anfrage
der Teilnehmerstation MS zur Zuteilung von funktechnischen Ressourcen
während
einer Verbindung,
- – Auffrischen
(update) des Aufenthaltsortes der Teilnehmerstation MS im sogenannten „idle state".
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Bevor
jedoch die Nachrichtenübertragung
für Nutzdaten
zwischen einer Teilnehmerstation MS und einer Basisstation BS beginnen
kann, wird die Verbindung aufgebaut. Dazu sendet die Teilnehmerstation
MS in einem Zugriffskanal RACH einen speziellen Funkblock b1, b2
oder b3 in Aufwärtsrichtung
UL, der als Zugriffsblock ausgebildet ist und zumindest eine Kennung
der Teilnehmerstation MS enthält.
Diese Kennung der Teilnehmerstation MS, evtl. ergänzt durch
weitere Angaben über
die Basisstation BS, über
zu signalisierende Informationen oder über physikalische Kanäle, ist
nach 3 in einem Datenanteil d enthalten. Der Datenanteil d
bildet alleine oder zusammen mit einem Schutzzeitanteil gp den Zugriffsblock
b1, b2, b3.
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Entsprechend
der Erfindung können
sich die in dem Kanal zu willkürlichen
Zugriff RACH gesendete Zugriffsblöcke b1, b2, b3 durch die zeitliche
Anordnung des Datenanteils d in dem Zugriffsblock b1, b2, b3, durch
ihre jeweilige Länge
t1, t2 sowie durch einen jeweiligen Spreizfaktor unterscheiden.
Die Datenanteile d der beiden oberen Zugriffsblöcke b1 sind zu einander zeitlich
orthogonal, wodurch zwei unterschiedliche Teilnehmerstation MS in
dem gleichen Kanal RACH, d.h. in dem Zeitschlitz ts7, einen entsprechenden
Zugriffsblock b1 senden, ohne daß es zu Kollisionen bezüglich der
Datenanteile d kommt. Diese Zugriffsblöcke b1 sind daher durch die
Basisstation BS fehlerfrei auswertbar. Ohne Verzögerung kann den Teilnehmerstationen
MS jeweils ein oder mehrere physikalische Übertragungskanäle K zur
Nachrichtenübertragung
zugewiesen werden. Dabei kommt beispielsweise ein bekanntes ALOHA-Protokoll
zum Einsatz.
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Die
Basisstation BS wertet die Zugriffsblock b1, b2, b3 aus und nimmt
eine Ressourcenzuteilung an die Teilnehmerstationen MS in Aufwärts- UL
und/oder Abwärtsrichtung
DL vor, abhängig
vom aktuellen Auslastungszustand der funktechnischen Ressourcen
der Funkschnittstelle und der Dringlichkeit des von der Teilnehmerstation
MS gewünschten
Dienstes.
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Der
Datenanteil d der Zugriffsblöcke
b1, b2 besteht gemäß der 4 aus
einer Mittambel ma, die zur Kanalschätzung auf der Empfängerseite
der Funkschnittstelle dient, und zwei Nutzdatenteilen data beispielsweise
mit der Bezeichnung der Teilnehmerstation MS. Der Datenteil d der
Zugriffsblöcke
b2, b3 kann in gleicher Weise strukturiert sein.
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Für die Erläuterungen
zu der Entscheidungskette der
5 werden
die verwendeten Parameter der Funkschnittstelle des TDD-Modus für die 3.
Mobilfunkgeneration zugrunde gelegt:
Chiprate: | 4096
Mcps |
Rahmendauer: | 10
ms |
Anzahl
Zeitschlitze: | 16 |
Dauer
eines Zeitschlitzes: | 625 μs |
Spreizfaktor: | 16 |
Modulationsart: | QPSK |
Bandbreite: | 5
MHz |
Frequenzwiederholungswert: | 1 |
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Weiterhin
werden folgende beispielhafte Zahlenwerte für die einzelnen nachfolgend
beschriebenen und erfindungsgemäß variierte
Parameter zugrunde gelegt: Größe
n1: | 7
Byte |
n2: | 17
Byte |
n3: | 34
Byte |
Länge
t1: | 333,3
us |
t2: | 666,
6 us |
Spreizfaktor
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Als
Ausgangssituation wird angenommen, daß ein Datenanteil d einer bestimmten
Größe über den Kanal
zum willkürlichen
Zugriff RACH von einer Teilnehmerstation MS gesendet werden soll.
Dieser Datenanteil d kann beispielsweise ein kleines Datenpaket
oder eine sonstige beispielhaft angegebene Signalisierungsnachricht
darstellen. Die Entscheidungskette zur Auswahl eines geeigneten
Zugriffsblocks b1, b2, b3 wird in der Teilnehmerstation MS ausgeführt.
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Die
Größe des Datenanteils
d wird nachfolgend beispielhaft mit drei Schwellwerten n1, n2, n3
verglichen, die stellvertretend für eine bestimmte Größe in Byte
bzw. Bit stehen. Ist gemäß dem ersten
Entscheidungsfeld die Größe des Datenanteils
d kleiner oder gleich der Größe des Schwellwertes
n1 (7 Byte), so wird ein erster Zugriffsblock b1 ausgewählt. Dieser
weist gemäß obigen
Angaben eine Länge
t1 von 333,3 us und einen Spreizfaktor von 16 auf. Ist jedoch der
Datenanteil d größer als
der Schwellwert n1, so wird er nachfolgend mit dem zweiten Schwellwert
n2 (17 Byte) verglichen. Bei Erfüllung der
Bedingung in dem zweiten Entscheidungsfeld wird ein zweiter Zugriffsblock
b2 ausgewählt.
Der zweite Zugriffsblock b2 besitzt eine Länge t2 von 666,6 us und einen
Spreizfaktor sf1 von 16 auf. Bei Nichterfüllung der Bedingung wird die
Größe des Datenanteils
d mit einem dritten beispielhaften Schwellwert n3 (34 Byte) verglichen.
Ist die Größe des Datenanteils
d kleiner oder gleich dem dritten Schwellwert n3, so wird ein dritter
Zugriffsblock b3 ausgewählt,
der eine Länge
t2 von 666,6 us sowie einen Spreizfaktor sf2 von 8 aufweist. Wird
die Bedingung in dem dritten Entscheidungsfeld nicht erfüllt, so
bedeutet dieses, daß die
Größe des Datenanteils
d die Länge
des Zeitschlitzes ts7 übersteigt.
In diesem Fall wird eine standardgemäße Anforderung eines oder mehrerer
physikalischer Übertragungskanäle K von
der Teilnehmerstation MS initiiert.