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Die
Erfindung betrifft die elektrische Telekommunikation und spezieller
drahtlose Kommunikationssysteme, wie Zellen- und Satellitenfunksysteme
für verschiedene
Betriebsmodi (analog, digital, dual-mode, etc.) und Zugriffstechniken,
wie den Vielfachzugriff mit Frequenzteilung (FDMA; Frequency Division
Multiple Access), den Vielfachzugriff mit Zeitteilung (TDMA; Time
Divisional Multiple Access), den Vielfachzugriff mit Codeteilung
(CDMA; Code Divisional Multiple Access) und hybride FDMA/TDMA/CDMA-Techniken.
Besonderes Augenmerk legt die vorliegende Erfindung auf Techniken
zum Verbessern der Bandbreitenzuweisung, des Verkehr- und Kapazitätsmangements
und des Durchsatzes und der Qualität der Transaktionen.
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Die
folgende Beschreibung bezieht sich auf Umgebungen, in denen das
System der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Diese
allgemeine Beschreibung soll einen allgemeinen Überblick über bekannte Systeme und die
zugehörige
Terminologie verschaffen, so daß die
Erfindung besser verstanden werden kann. In Nordamerika werden digitale Übertragungs-
und Vielfachzugriffstechniken, wie TDMA, momentan von einem digitalen
zellularen Funktelefonsystem vorgesehen, das Digital Advanced Mobile
Phone Service (D-AMPS) genannt wird, wobei einige der Eigenschaften
dieses Dienstes in der Interimsnorm TIA/EIA/IS-54-B "Dual-Mode Mobile Station-Base Station
Compatibility Standard" spezifiziert
sind, die von der Telecommunication Industry Association und der
Electronical Industry Association (TIA/EIA) veröffentlicht wurde und auf die hier
ausdrücklich
Bezug genommen wird. Aufgrund der großen vorhandenen Grundmenge
an Verbrauchergeräten,
die nur im analogen Bereich mit dem Vielfachzugriff mit Frequenzteilung
(FDMA) arbeiten, ist TIA/-EIA/IS-54-B
eine Dual-Mode-Norm (analog und digital), die die analoge Kompatibilität ebenso
wie die Fähigkeit
zur digitalen Übertragung
vorsieht. Die TIA/EIA/IS-54-B-Norm sieht z.B. sowohl analoge FDMA-Sprachkanäle (AVC;
Analog Voice Channel) als auch digitale TDMA-Verkehrskanäle (DTC;
Digital Traffic Channel) vor. Die AVCs und die DTCs werden durch
Frequenzmodulation von Funkträgersignalen
realisiert, die Frequenzen in der Nähe von 800 Megaherz (MHz) haben,
so daß jeder
Funkkanal eine spektrale Breite von 30 kHz hat.
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Bei
einem zellularen TDMA-Funktelefonsystem wird jeder Funkkanal in
eine Reihe von Zeitschlitzen oder Zeitkanälen aufgeteilt, von denen jeder
einen Informationsburst (Informations-Signalbündel) von einer Datenquelle
enthält,
z.B. einen digital codierten Teil eines Gesprächs. Die Zeitschlitze werden
in aufeinanderfolgenden TDMA-Blöcke
mit einer vorgegebenen Dauer zusammengefaßt. Die Anzahl der Zeitschlitze
in jedem TDMA-Block
ist auf die Anzahl der verschiedenen Benutzer bezogen, welche gleichzeitig
den Funkkanal benutzen können.
wenn jeder Schlitz in einem TDMA-Block einem anderen Benutzer zugewiesen
wird, ist die Dauer eines TDMA-Blocks gleich der minimalen Zeitspanne
zwischen aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen, die demselben Benutzer
zugewiesen sind.
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Die
demselben Benutzer zugewiesenen aufeinanderfolgenden Zeitschlitze,
die auf dem Funkfrequenzträger
normalerweise nicht aufeinanderfolgende Zeitschlitze sind, bilden
den digitalen Verkehrskanal des Benutzers, der als ein dem Benutzer
zugewiesener logischer Kanal betrachtet werden kann. Wie unten mit
weiteren Einzelheiten beschrieben ist, können auch digitale Steuerkanäle (DCCH;
Digitaled Control Channel) zur Übertragung
von Steuersignalen vorgesehen werden, und ein solcher DCCH ist ein
logischer Kanal, der von einer Folge von üblicherweise nicht aufeinanderfolgenden
Zeitschlitzen auf dem Funkträger
gebildet wird.
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Bei
nur einer von vielen möglichen
Ausführungsformen
eines TDMA-Systems gemäß der obigen
Beschreibung sieht die TIA/-EIA/IS-54-B-Norm
vor, daß jeder
TDMA-Block aus sechs aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen besteht
und eine Dauer von 40 Millisekunden (ms) hat. Jeder Funkkanal kann
somit drei bis sechs DTCs (z.B. 3 bis 6 Telefongespräche) abhängig von
den Ursprungsgeschwindigkeiten der Sprachcodierer/Decodierer (Codec),
die zum digitalen Codieren des Gesprächs verwendet werden, übertragen.
Solche Sprach-Codec können
entweder mit voller oder mit halber Rate (Geschwindigkeit) arbeiten.
Ein DTC benötigt für die volle
Rate zweimal so viele Zeitschlitze während einer gegebenen Zeitspanne
wie ein DTC, der mit der halben Rate arbeitet, und bei der TIA/EIA/IS-54-B-Norm
verwendet jeder Vollraten-DTC, zwei Schlitze jedes TDMA-Blocks,
d.h. den ersten und den vierten, den zweiten und den fünften oder
den dritten und den sechsten der sechs Schlitze eines TDMA-Blocks.
Jeder Halbraten-DTC verwendet nur einen Zeitschlitz jedes TDMA-Blocks.
Während
jedes DTC-Zeitschlitzes werden 324 Bit übertragen, von denen der Hauptteil,
260 Bit, auf die Sprachausgabe des Codec zurückgeht, einschließlich Bits,
die aus einer Fehlerkorrekturcodierung der Sprachausgabe stammen,
und die verbleibenden Bits werden für Sicherheitszeiten und Verwaltungssignale
für solche
Zwecke wie die Synchronisierung verwendet.
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Man
wird sehen, daß das
zellulare TDMA-System in einem Puffer-und-Burstmodus oder einem diskontinuierlichen Übertragungsmodus
arbeitet: Jede mobile Station sendet (und empfängt) nur während ihrer zugewiesenen Zeitschlitze.
Bei der vollen Geschwindigkeit oder Rate kann eine mobile Station
z.B. während des
Schlitzes 1 senden, während
Schlitz 2 empfangen, während
Schlitz 3 leerlaufen, während
Schlitz 4 senden, während Schlitz
5 empfangen und während
Schlitz 6 leerlaufen und dann während
der nachfolgenden TDMA-Blöcke
diesen Zyklus wiederholen. Die mobile Station, die batteriebetrieben
sein kann, kann daher während
der Zeitschlitze, in denen sie weder sendet noch empfängt, abgeschaltet
oder "schlafen", um Energie zu sparen.
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Zusätzlich zu
Sprach- oder Verkehrskanälen
sehen zellulare Funkübertragungssysteme
auch Ruf(Paging)/Zugriffs- oder Steuerkanäle vor, um Nachrichten zum
Aufbauen eines Anrufs zwischen Basisstationen und mobilen Stationen
zu übertragen.
Bei der TIA/EIA/IS-54-B-Norm gibt es z.B. 21 reservierte analoge
Steuerkanäle
(ACC; Analog Control Channel), welche vorgegebene feste Frequenzen
für das
Senden und den Empfang haben, die in der Nähe von 800 MHz liegen. Da man
diese ACCs immer bei denselben Frequenzen findet, können sie
von den mobilen Stationen leicht lokalisiert und überwacht
werden.
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Während eines
Ruhezustands (d.h. eingeschaltet, jedoch nicht während des Sendens oder des
Empfangs eines Anrufs) stellt sich eine mobile Station in einem
TIA/EIA/IS-54-B-System z.B. auf den stärksten Steuerkanal ein und überwacht
diesen dann regelmäßig (im
allgemeinen der Steuerkanal der Zelle, in welcher die mobile Station
sich zur Zeit befindet), und sie kann einen Anruf über die
entsprechende Basisstation empfangen oder tätigen. Wenn sich die mobile
Station im Ruhezustand von einer Zelle zur nächsten bewegt, wird sie schließlich die
Funkverbindung auf dem Steuerkanal der "alten" Zelle "verlieren" und sich auf den Steuerkanal der "neuen" Zelle einstellen.
Die anfängliche
Einstellung und die nachfolgende Neueinstellung auf Steuerkanäle werden
beide automatisch durch Abtasten der verfügbaren Steuerkanäle bei ihren
bekannten Frequenzen durchgeführt,
um den "besten" Steuerkanal zu finden.
Wenn ein Steuerkanal mit guter Empfangsqualität gefunden wurde, bleibt die
mobile Station auf diesen Kanal eingestellt, bis sich die Qualität wieder
verschlechtert. Auf diese Weise bleiben die mobilen Stationen mit
dem System "in Berührung".
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Während des
Ruhezustands muß eine
mobile Station den Steuerkanal auf Rufnachrichten überwachen,
die an sie gerichtet sind. Wenn z.B. ein normaler (festverdrahteter)
Telefonbenutzer einen mobilen Benutzer anruft, wird der Anruf von
dem öffentlichen
Vermittlungs-Telefonnetz (PSTN; Public Switch Telefon Network) zu
einem mobilen Schaltzentrum (MSC; Mobile Switching Center) geleitet,
das die gewählte
Nummer analysiert. Wenn die gewählte
Nummer für
gültig
erklärt
wird, fordert das MSC alle oder einen Teil der Nummern von Funkbasisstationen
an, um die angerufenen mobile Station zu rufen, indem sie über ihre
jeweiligen Steuerkanäle
Rufnachrichten sendet, welche die mobile Identifikationszahl (MIN;
Mobile Identification Number) der angerufenen mobilen Station enthalten.
Jede bereitstehende mobile Station, die eine Rufnachricht empfängt, vergleicht
die empfangene MIN mit ihrer eigenen gespeicherten MIN. Die mobile
Station mit der passenden gespeicherten MIN sendet eine Rufantwort über den
speziellen Steuerkanal zur Basisstation, welche die Rufantwort an
das MSC weitergibt.
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Bei
Empfang der Rufantwort wendet das MSC einen AVC oder einen DTC aus,
welche der Basisstation, die die Rufantwort empfangen hat, zur Verfügung stehen,
schaltet einen entsprechenden Funk-Sender/Empfänger (Transceiver) in dieser
Basisstation ein und veranlaßt
die Basisstation, über
den Steuerkanal eine Nachricht zu der angerufenen mobilen Station
zu senden, welche die angerufenen mobile Station anweist, sich auf
den ausgewählten
Sprach- oder Verkehrskanal einzustellen. Wenn sich die mobile Station
einmal auf den ausgewählten
AVC oder DTC eingestellt hat, wird eine Durchverbindung für den Anruf
aufgebaut.
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Die
Leistungsfähigkeit
von Systemen mit ACCs, die in der TIA/-EIA/IS-54-B-Norm spezifiziert ist, wurde
in einem System mit digitalen Steuerkanälen (DCCH) verbessert, das
in der TIA/EIA/IS-136-Norm spezifiziert ist, auf die hier ausdrücklich Bezug
genommen wird. Mit DCCHs kann jeder TIA/EIA/IS-54-B-Funkkanal nur DTCs,
nur DCCHs oder eine Mischung aus DTCs und DCCHs führen. Innerhalb
des TIA/EIA/IS-136-B-Rahmens kann jede Funkträgerfrequenz bis zu drei DTC/DCCH,
die mit volelr Rate arbeiten, oder sechs DTC/DCCH, die mit halber
Rate arbeiten, oder jede Kombination daraus, z.B. einen Vollraten-
und vier Halbraten-DTC/DCCH, haben.
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Im
allgemeinen muß die Übertragungsrate
des DCCHs jedoch nicht gleich der halben Rate oder der vollen Rate
sein, die in der TIA/EIA/IS-54-B-Norm spezifiziert ist, und die
Länge der
DCCH-Schlitze muß nicht gleichmäßig und
nicht gleich der Länge
der DTC-Schlitze sein. Der DCCH kann auf einem TIA/EIA/IS-54-B-Funkkanal definiert
sein, und er kann z.B. aus jedem n-ten Schlitz in dem Strom aus
aufeinanderfolgenden TDMA-Schlitzen bestehen. In diesem Fall kann
die Länge
jedes DCCHs gleich oder ungleich 6,67 ms sein, was der Länge eines
DTC-Schlitzes gemäß der TIA/EIA/IS-54-B-Norm
entspricht. Alternativ (und ohne Beschränkung auf andere Möglichkeiten)
können
diese DCCH-Schlitze
auf andere dem Fachmann bekannte Weise definiert werden.
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Bei
den zellularen Telefonsystemen ist ein Luftverbindungsprotokoll
notwendig, damit eine mobile Station mit den Basisstationen und
dem MSC kommunizieren kann. Das Verbindungsprotokoll wird dazu verwendet,
zellulare Telefonanrufe zu starten und zu empfangen. Das Übertragungs-Verbindungsprotokoll
wird in der Datenübertragungsindustrie
allgemein als Schicht 2-Protokoll bezeichnet, und seine Funktion
umfaßt
die Eingrenzung oder Einrahmung von Blöcken der Schicht 3-Nachrichten.
Diese Schicht 3-Nachrichten können
zwischen miteinander kommunizierenden, mit dem gleichen Schicht
3-Protokoll arbeitenden Einheiten, die in den mobilen Stationen
und den zellularen Schaltsystemen liegen, hin- und hergeschickt
werden. Die physische Schicht (Schicht 1) definiert die Parameter
des physischen Übertragungskanals,
z.B. Funkfrequenzabstände, Modulationseigenschaften
und dergleichen. Die Schicht 2 definiert die Techniken, die für die richtige Übertragung
von Informa tion innerhalb der Beschränkungen des physischen Kanals
notwendig sind, z.B. Fehlerkorrektur und -erfassung und dergleichen.
Die Schicht 3 definiert die Prozeduren für den Empfang und die Verarbeitung
der Information, die über
den physischen Kanal übertragen
wird.
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Die
Kommunikation zwischen den mobilen Stationen und dem zellularen
Schaltsystem (den Basisstationen und dem MSC) kann grundsätzlich mit
Bezug auf die 1 und 2 beschrieben
werden. 1 zeigt schematisch mehrere
Schicht 3-Nachrichten 11, Schicht 2-Blöcke 13 und Schicht
1-Kanalbursts oder Zeitschlitze 15. In 1 kann
jede Gruppe aus Kanalbursts, die jeder Schicht 3-Nachricht entspricht,
einen logischen Kanal bilden, und wie oben beschrieben würden die
Kanalbursts für
eine gegebene Schicht 3-Nachricht üblicherweise nicht auf aufeinanderfolgenden
Schlitzen in einem TIA/EIA/136-Träger liegen. Andererseits könnten die
Kanalbursts auch aufeinanderfolgen; sobald ein Zeitschlitz endet,
könnte
der nächste
Zeitschlitz beginnen.
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Jeder
Schicht 1-Kanalburst 15 enthält einen vollständigen Schicht
2-Block sowie weitere Informationen, wie Fehlerkorrekturinformation
und anderer Verwaltungsinformation, die für den Betrieb der Schicht 1
benutzt wird. Jeder Schicht 2-Block enthält wenigstens einen Teil einer
Schicht 3-Nachricht sowie Verwaltungsinformation, die für den Betrieb
der Schicht 2 benutzt wird. Obwohl dies in 1 nicht
gezeigt ist, enthält
jede Schicht 3-Nachricht verschiedene Informationselemente, die
als der Hauptgehalt der Nachricht betrachtet werden können, einen
Kopfabschnitt zum Identifizieren des jeweiligen Nachrichtentyps
und möglicherweise
Füllelemente.
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Jeder
Schicht 1-Burst und jeder Schicht 2-Block wird in mehrere verschiedene
Felder aufgeteilt. Im speziellen enthält jedes längenbegrenzte DATEN-Feld (DATA)
in jedem Schicht 2-Block die Schicht 3-Nachricht 11. Da
Schicht 3-Nachrichten abhängig
von der Menge der in der Schicht 3-Nachricht enthaltenen Information
verschiedene Längen
haben, können
mehrere Schicht 2-Blöcke für die Übertragung
einer einzigen Schicht 3-Nachricht notwendig sein. Als ein Resultat
können
auch mehrere Schicht 1-Kanalbursts notwendig sein, um die gesamte
Schicht 3-Nachricht zu übertragen,
weil zwischen den Kanalbursts und den Schicht 2-Blöcken eine
1:1-Entsprechung besteht.
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Wenn
mehr als ein Kanalburst zum Senden einer Schicht 3-Nachricht notwendig
ist, sind die mehreren Bursts oder Signalbündel, wie oben erwähnt, üblicherweise
keine aufeinanderfolgenden Bursts auf dem Funkkanal. Darüberhinaus
sind die mehreren Bursts nicht einmal normalerweise aufeinanderfolgende
Bursts, die für
den speziellen Lokalkanal reserviert sind, der zum Übertragen
der Schicht 3-Nachricht verwendet wird. Da zum Empfangen, Verarbeiten
und Reagieren auf jeden empfangenen Burst Zeit notwendig ist, werden
die für die Übertragung
einer Schicht 3-Nachricht notwendigen Bursts üblicherweise in einem gestaffelten
Format gesendet, daß schematisch
in 2(a) gezeigt ist und oben in
Verbindung mit der TIA/EIA/IS-136-Norm beschrieben wurde.
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2(a) zeigt ein allgemeines Beispiel eines Vorwärts- oder Abwärtsverbindungs)-DCCH
(Downlink-DDCH), der als eine Folge von Zeitschlitzen 1, 2, ...,
N, ... konfiguriert ist, die in den aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen
1, 2, ... enthalten sind, die auf einer Trägerfrequenz gesendet werden.
Diese DCCH-Schlitze können
als ein Funkkanal definiert werden, wie der gemäß TIA/EIA/IS-136 definierte,
und sie können,
wie in 2(a) gezeigt, z.B. aus jedem
n-ten Schlitz einer Reihe von aufeinanderfolgenden Schlitzen bestehen.
Jeder DCCH-Schlitz
hat eine Dauer, die gleich 6,67 ms sein kann oder nicht, was der
Länge eines
DTC-Schlitzes gemäß der TIA/EIA/IS-136-Norm entspricht.
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Wie
in 2(a) gezeigt, können die
DCCH-Schlitze in Superblöcken
(SF; Super Frames) organisiert sein, und jeder Superblock umfaßt mehrere
logische Kanäle,
die unterschiedliche Arten von Information tragen. Einer oder mehrere
DCCH-Schlitze können
jedem logischen Kanal in dem Superblock zugeordnet werden. Das Beispiel
des Abwärtsverbindungs-Superblocks
in 2(a) umfaßt drei logische Kanäle: einen
Sende-Steuer-Kanal (BCCH; Broadcast Control Channel) mit sechs aufeinanderfolgenden
Schlitzen für
Verwaltungsnachrichten; einen Rufkanal (PCH; Paging Channel) mit
einem Schlitz für
Rufnachrichten; und einen Zugriffs-Reaktionskanal (ARCH; Access
Response Channel) mit einem Schlitz für Kanalzuweisungen und andere Nachrichten.
Die verbleibenden Zeitschlitze können
bei dem Beispiel des Superblocks der 2(a) für andere logische
Kanäle
reserviert werden, wie zusätzliche
Rufkanäle
PCH oder andere Kanäle.
Da die Anzahl der mobilen Stationen normalerweise wesentlich größer ist
als die Anzahl der Schlitze in dem Superblock, wird jeder Rufschlitz
zum Rufen mehrerer mobiler Stationen verwendet, die eine eindeutige
Eigenschaft gemeinsam haben, z.B. die letzte Ziffer der MIN.
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2(b) zeigt ein bevorzugtes Informationsformat
für die
Schlitze eines Vorwärts-DCCH.
Die in jedem Schlitz übertragene
Information umfaßt
mehrere Felder, und 2(b) gibt
die Anzahl der Bits in jedem Feld über diesem Feld an. Die in
dem SYNC-Feld gesendeten Bits werden auf herkömmliche Weise dazu verwendet,
den korrekten Empfang der codierten Superblockphase (CSFP; Coded
Superframe Phase) und der DATEN-Felder (DATA) sicherzustellen. Das
SYNC-Feld umfaßt
ein vorgegebenes Bitmuster, das von den Basisstationen dazu verwendet
wird, den Anfang des Schlitzes zu finden. Die gemeinsam genutzte
Kanalrückführung (SCF;
Shared Channel Feedback) wird zum Steuern eines Direktzugriffskanals
(RACH; Random Access Channel) verwendet, der von den mobilen Stationen
für die
Anforderung des Zugangs zu dem System verwendet wird. Das CSFP-Feld
führt einen
codierten Superblock-Phasenwert mit, der es den mobilen Stationen
ermöglicht,
den Anfang jedes Superblocks zu finden. Dies ist nur ein Beispiel
für das
Informationsformat bei den Schlitzen des Vorwärts-DCCH.
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Um
einen effizienten Betrieb im Schlafmodus und eine schnelle Auswahl
der Zellen zu ermöglichen, kann
der BCCH in mehrere Unterkanäle
aufgeteilt werden. Es ist eine BCCH-Struktur bekannt, welche es
der mobilen Station ermöglicht,
eine minimale Informationsmenge zu lesen, wenn sie eingeschaltet
wird (oder wenn sie sich auf einen DCCH aufschaltet (lock-on)),
bevor sie auf das System zugreifen kann (einen Anruf senden oder
empfangen kann). Nach dem Einschalten muß eine mobile Station im Ruhezustand
regelmäßig nur
ihre zugewiesenen PCH-Schlitze überwachen
(üblicherweise
einen in jedem Superblock); die mobile Station kann während der
anderen Schlitze "schlafen". Das Verhältnis der
Zeit, welche die mobile Station mit dem Lesen von Rufnachrichten
verbringt, zu der Zeit, die sie im Schlafmodus ist, ist steuerbar
und stellt einen Kompromiß zwischen
der Verzögerung
beim Aufbau eines Anrufs und dem Energieverbrauch dar.
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Da
jeder TDMA-Zeitschlitz eine bestimmte feste Informationskapazität hat, trägt jeder
Burst oder jedes Signalbündel üblicherweise
nur einen Teil einer Schicht 3-Nachricht, wie oben erklärt wurde.
In der Aufwärts-Verbindungsrichtung
versuchen mehrere mobile Stationen mit dem System im Konkurrenzbetrieb
zu kommunizieren, während
mehrere mobile Stationen auf Schicht 3-Nachrichten warten, die von
dem System in der Abwärts-Verbindungsrichtung
gesendet werden. Bei bekannten Systemen muß jede gegebene Schicht 3-Nachricht
mit sovielen TDMA-Kanalbursts übertragen
werde, wie zum Senden der gesamten Schicht 3-Nachricht notwendig
sind.
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Digitale
Steuer- und Verkehrskanäle
sind auch z.B. aus solchen Gründen,
wie der Unterstützung
längerer
Schlafperioden für
die mobilen Einheiten, die zu einer längeren Lebensdauer der Bat terien
führen,
wünschenswert.
Die Funktionalität
der digitalen Verkehrskanäle
und der digitalen Steuerkanäle
wurde erweitert, um die Kapazität
des Systems zu optimieren und um hierarchisch Zellenstrukturen zu
unterstützen,
d.h. Strukturen von Makrozellen, Mikrozellen, Pikozellen etc. Der
Begriff "Makrozelle" bezeichnet im allgemeinen
einen Zelle mit einer Größe, die
vergleichbar den Größen der
Zellen in einem üblichen
zellularen Telefonsystem sind (z.B. mit einem Radius von wenigstens
ungefähr
einem Kilometer), und die Begriffe "Mikrozelle" und "Pikozelle" bezeichnen algemein zunehmend kleinere
Zellen. Eine Mikrozelle kann z.B. einen öffentlichen Innen- oder Außenbereich
abdecken, z.B. ein Kongreßzentrum
oder eine belebte Straße,
und eine Pikozelle kann den Flurbereich eines Büros oder ein Geschoß eines
Hochhauses abdecken. Aus Sicht der Funkabdeckung können sich
Makrozellen, Mikrozellen und Pikozellen voneinander unterscheiden
oder einander überlappen,
um unterschiedliche Verkehrsmuster und Funkumgebungen zu verarbeiten.
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3 ist
ein Beispiel für
ein hierarchisches oder mehrschichtiges zellulares System. Eine
Schirm-Makrozelle 10, die durch eine hexagonale Form dargestellt
ist, bildet eine zellulare Deckstruktur. Jede Schirmzelle kann eine
darunterliegende Mikrozellenstruktur enthalten. Die Schirmzelle 10 umfaßt die Mikrozelle 20,
welche durch den innerhalb der gepunkteten Linie eingeschlossenen
Bereich dargestellt ist, und die Mikrozelle 30, welche
durch den innerhalb der getrichelten Linie eingeschlossenen Bereich
dargestellt ist, und die beide Bereichen entsprechen, die sich an
städtischen
Straßen
entlang erstrecken, und sie umfaßt die Pikozellen 40, 50 und 60,
die einzelne Geschosse eines Gebäudes
abdecken. Der Schnittpunkt der zwei Straßen, der von den Mikrozellen 20 und 30 abgedeckt
wird, kann ein Bereich mit hoher Verkehrskonzentration sein und
somit einen "heißen" Punkt darstellen.
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4 ist ein Blockdiagramm
eines Beispiels eines zellularen mobilen Funktelephonsystems mit
dem Beispiel einer Basisstation 110 und einer mobilen Station 120.
Die Basisstation umfaßt
eine Steuer- und Verarbeitungseinheit 130, die mit dem
MSC 140 verbunden ist, der seinerseits mit dem PSTN (nicht
gezeigt) verbunden ist. Die grundsätzlichen Aspekte solcher zellularer
Funktelephonsysteme sind im Stand der Technik bekannt und z.B. in
der U5-A-5,175,867 von Wejke et al., mit dem Titel "Neighbor-Assisted
Handoff in Cellular Communication System" beschrieben, auf die hier Bezug genommen
wird.
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Die
Basisstation 110 verarbeitet mehrere Sprachkanäle über einen
Sprachkanal-Transceiver (Sender-Empfänger) 150, der von
der Steuer- und Verarbeitungseinheit 130 gesteuert wird.
Jede Basisstation umfaßt
auch einen Steuerkanal-Transceiver 160, der mehr als einen
Steuerkanal verarbeiten kann. Der Steuerkanal-Transceiver 160 wird
von der Steuer- und Verarbeitungseinheit 130 gesteuert.
Der Steuerkanal-Transceiver 160 sendet Steuerinformation über den
Steuerkanal der Basisstation oder Zelle zu mobilen Stationen, die
auf diesen Steuerkanal geschaltet (locked) sind. Man wird verstehen,
daß die
Transceiver 150 und 160 als eine einzige Einrichtung,
wie der Sprach- und
Steuer-Transceiver 170, realisiert und zusammen mit den DCCHs
und DTCs eingesetzt werden können,
welche dieselbe Funkträgerfrequenz
verwenden.
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Die
mobile Station 120 empfängt
die Information, die auf einem Steuerkanal gesendet wurde, bei ihrem
Sprach- und Steuerkanal-Transceiver 170.
Dann bewertet die Verarbeitungseinheit 180 die empfangene Steuerkanalinformation,
welche die Eigenschaften der Zellen umfaßt, die Kandidaten für das Aufschalten
der mobilen Station sind, und sie ermittelt, auf welche Zelle die
mobile Station geschaltet werden soll. Vorzugsweise umfaßt die empfangene
Steuerkanalinformation nicht nur absolute Information in Bezug auf
die Zelle, zu der sie gehört,
sondern auch relative Information in Bezug auf andere Zellen in
der Nähe der
Zelle, zu welcher der Steuerkanal gehört, wie in der US-A-5,353,332
von Raith et al., mit dem Titel "Method
and Apparatus for Communication Control in a Radiotelephone System" beschrieben ist,
auf die hier Bezug genommen wird.
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Um
die "Sprechzeit" des Benutzers zu
erhöhen,
d.h. die Lebensdauer der Batterie der mobilen Station, kann ein
digitaler Vorwärtssteuerkanal
(Basisstation zu mobiler Station) vorgesehen werden, der Nachrichtentypen übertragen
kann, welche für
die heutigen analogen Vorwärtssteuerkanäle (FOCC;
Forward Control Channel) spezifiziert sind, jedoch in einem Format,
daß es
einer mobilen Station im Ruhezustand erlaubt, Verwalungsnachrichten
zu lesen, wenn sie sich auf den FOCC schaltet, und danach nur, wenn
die Information sich geändert
hat; zu allen anderen Zeiten schläft die mobile Station. In einem
solchen System werden einige Nachrichtentypen von den Basisstationen
häufiger
gesendet als andere, und die mobilen Stationen müßten nicht jede gesendete Nachricht
lesen.
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Die
durch die TIA/EIA/IS-54-B- und TIA/EIA/IS-136-Normen spezifizierten
Systeme gehören
zur Durchschalte-Vermittlungstechnologie, die eine Art der "verbindungsorientierten" Datenübertragung
ist, die eine physische Rufverbindung einrichtet und diese Verbindung
solange aufrechterhält,
wie die kommunizierenden Endsysteme auszutauschende Daten haben.
Die direkte Verbindung eines Schaltkreisschalters dient als offene
Leitung (Pipeline) die es den Endsystemen erlaubt, den Schaltkreis
für jeden
geeigneten Zweck zu verwenden. Während
die durchgeschaltete Datenübertragung
für Anwendungen
mit konstanter Bandbreite gut geeignet sein mag, ist sie bei Anwendungen
mit niedriger Bandbreite und Bildung von Signalbündeln (Bursts) relativ ineffizient.
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Die
Paketvermittlungstechnologie, die verbindungsorientiert (z.B. X.25)
oder "verbindungslos" (z.B. das Internetprotokoll "IP") sein kann, erfordert
keinen Aufbau und Abbau einer phy sischen Verbindung und steht somit
in deutlichem Gegensatz zur Durchschalte-Vermittlungstechnologie.
Dadurch verringert sich die Datenwartezeit, und die Effizienz eines
Kanals bei der Verarbeitung relativ kurzer, burst-artiger oder interaktiver
Transaktionen erhöht
sich. Ein verbindungsloses Paketvermittlungsnetzwerk verteilt die
Leitwegfunktionen auf mehrere Leitwegeinrichtungen und verhindert
so mögliche
Verkehrsengpässe,
die auftreten könnten,
wenn eine zentrale Schaltstelle verwendet wird. Die Daten werden
mit einer geeigneten Adressierung der Endsysteme "paketiert" und dann in unabhängigen Einheiten über den
Datenpfad gesendet. Zwischensysteme, die manchmal als "Router" bezeichnet werden
und zwischen den kommunizierenden Endsystemen liegen, treffen Entscheidungen über die
beste zu wählende
Route für
jedes Paket einzeln. Leitwegentscheidungen werden auf zahlreiche
Merkmale gestützt,
einschließlich
der folgenden: kostengünstigste
Route oder Kostenmaß;
Kapazität
der Verbindung; Anzahl der auf eine Übertragung wartenden Pakete;
Sicherheitsanforderungen für
die Verbindung; Betriebszustand eines Zwischensystems (Knotens).
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Die
Datenübertragung
entlang einer Route, welche Wegmaße berücksichtigt, im Gegensatz zu
einem Aufbau mit einem einzelnen Schaltkreis, ermöglicht Flexibilität bei der
Anwendung und Übertragung.
Dies entspricht auch der Art und Weise, wie die meisten üblichen
lokalen Netze (LAN; Local Area Network) und Fernnetze (WAN; Wide
Area Network) sich in der Unternehmenswelt entwickelt haben. Die
Paketvermittlung eignet sich für
die Datenübertragung,
weil viele der verwendeten Anwendungen und Geräte, wie Tastaturterminals, interaktiv
sind und Daten in Signalbündeln übertragen.
Anstatt das ein Kanal leerläuft,
während
ein Benutzer mehr Daten in das Terminal eingibt oder eine Pause
macht, um über
ein Problem nachzudenken, verzahnt die Paketvermittlung mehrerer
Sendungen von verschiedenen Terminals auf dem Kanal.
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Die
Paketdaten führen
zu einer größeren Robustheit
des Netzes, weil sie unabhängig
von dem Weg sind und der Router alternative Wege wählen kann,
wenn ein Netzknoten ausfällt.
Die Paketvermittlung ermöglicht
daher eine bessere Ausnutzung der Netzleitungen. Die Pakettechnologie
bietet die Möglichkeit,
dem Endverbraucher die Kosten auf der Grundlage der übertragenen
Datenmenge anstelle der Verbindungszeit zu berechnen. Wenn die Anwendung
des Endverbrauchers so konzipiert ist, daß sie die Luftverbindung gut
ausnutzt, wird die Anzahl der übertragenen
Pakete minimal. Wenn der Verkehr jedes einzelnen Benutzers auf einem
Minimum gehalten wird, kann der Bereitsteller des Dienstes (Serviceprovider)
die Kapazität
des Netzes nachhaltig erhöhen.
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Paketnetze
werden üblicherweise
aufgrund der in der Industrie üblichen
Datennormen konzipiert und auf diese gestützt, wie das Modell der systemfreien
Schnittstelle (OSI; Open Systen Interface) oder das TCP/IP-Protokoll.
Diese Normen wurden während
vieler Jahre, ob offiziell oder de facto, entwickelt, und die Anwendungen,
die mit diesen Protokollen arbeiten, stehen überall zur Verfügung. Das
Hauptziel der Netze, die sich auf diese Normen stützen, ist
es, eine Verbindung mit anderen Netzen möglich zu machen. Das Internet ist
heute das offensichtlichste Beispiel für die Verfolgung dieses Ziels
der normgebundenen Netze.
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Paketnetze,
wie das Internet oder ein Unternehmens-LAN, sind integrale Bestandteile
der heutigen Geschäfts-
und Kommunikationsumgebung. Mit der Zunahme von mobilen Rechnern
in diesen Umgebungen sind die drahtlosen Serviceprovider, wie die,
welche die TIA/EIA/IS-136-Norm verwenden, in der besten Position,
um den Zugang zu diesen Netzen vorzusehen. Gleichwohl stützen sich
die Datendienste, welche für
zellulare System vorgesehen oder vorgeschlagen wurden, im allgemeinen
auf den Durchschaltevermittlungs-Betriebsmodus, bei dem ein eigener
Funkkanal für
jeden aktiven mobilen Benutzer verwendet wird.
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Einige
wenige Ausnahmen zu den Datendiensten für zellulare Systeme, die auf
der Grundlage des Durchschaltevermittlungs-Betriebsmodus arbeiten,
sind in den folgenden Dokumenten beschrieben, die die Paketdaten-Konzepte
betreffen.
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Die
WO 95/16330 offenbart Paketdatenübertragung
durch mobile Stationen in einem digitalen TDMA-Zellensystem, das
gemeinsam genutzte Paketdatenkanäle
verwendet. Gemeinsam genutzte Paketdatenkanäle können nach Bedarf dynamisch
bestimmt werden. Der Zugriff auf die Paketdatendienste wird in Schaltzentren
gesteuert. Ein Paketdaten-Router routet die Paket zu und von den
Dienstbereichen. Das System umfaßt mehrere Basisstationen und
ein oder mehrere Dienstschaltzentren sowie mehrere Kanäle, die
für die Übertragung
von Datenpaketen zu und von den Mobilstationen optimalerweise gemeinsam
genutzt werden.
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Die
U5-A-4,887,265 und "Packet
Switching in Digital Cellular Systems", Proceedings der 38. IEEE Vehicular
Technology Conference, Seiten 414-418 (Juni 1988) beschreiben ein
zellulares System, das mehrfach genutzte Paketdaten-Funkkanäle vorsieht,
von denen jeder mehrere Datenanrufe aufnehmen kann. Eine mobile
Station, welche den Paketdatendienst anfordert, wird einem bestimmter.
Paketdatenkanal zugewiesen, indem eine im wesentlichen regelmäßige zellulare
Signalgebung verwendet wird. Das System kann Paketzugangspunkte
(PAP; Packet Access Point) für
die Bildung von Schnittstellen zu Paketdatennetzen aufweisen. Jeder
Paketdaten-Funkkanal ist mit einem bestimmten PAP verbunden und
kann somit zu diesem PAP gehörende
Dateranrufe im Multiplebetrieb vermitteln. Übergaben werden von dem System
auf ähnliche
Weise ausgelöst
wie Übergaben,
die in demselben System für
Sprachanrufe verwendet werden. Eine neue Art der Übergabe
wird für
solche Fälle
vorgesehen, daß die
Kapazität
eines Datenkanals nicht ausreichend ist.
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Diese
Dokumente sind datenanruf-orientiert und stützen sich auf die Verwendung
von Übergaben,
die von dem System ausgelöst
werden, ähnlich
wie bei normalen Sprachanrufen. Die Anwendung dieser Grundsätze auf
den Aufbau eines Allzweck-Paketdatendienstes in einem zellularen
TDMA-System würde
zu Nachteilen bei der Spektrumseffizienz und der Leistung führen.
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Die
US-A-4,916,691 beschreibt eine neue zellulare Funksystemarchitektur
mit Paketmodus und ein neues Verfahren zum Leiten von (Sprach- und/oder
Daten)-Paketen zu einer mobilen Station. Basisstationen, öffentliche
Schaltstellen, die über
Verbindungsschnittstelleneinheiten laufen, und zellulare Steuereinheiten sind über ein
WAN miteinander verbunden. Die Leitweg prozedur stützt sich
auf von den mobilen Stationen ausgelöste Übergaben und die Hinzufügung eines
Identifikationselementes der Basisstation, durch die das Paket geht,
zu dem Kopfteil jedes Paketes, das (während eines Anrufs) von einer
mobilen Station gesendet wird. Im Falle einer längeren Zeitspanne zwischen
aufeinanderfolgenden Benutzerinformationspaketen von einer mobilen
Station, kann die mobile Station zusätzliche Steuerpakete senden,
um Zellenstandortinformation mitzuteilen.
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Die
zellulare Steuereinheit ist hauptsächlich mit dem Einrichten des
Anrufs befaßt,
wenn sie dem Anruf eine Rufsteuernummer zuweist. Sie informiert
dann die mobile Station über
die Rufsteuernummer und die Vermittlungsschnittstelleneinheit über die
Rufsteuernummer und das Identifikationselement der Anfangs-Basisstation.
Während
eines Anrufs werden dann Pakete direkt zwischen der Vermittlungs-Schnittstelleneinheit
und der momentan zuständigen
Basisstation weitergeleitet.
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Das
in der US-A-4,916,691 beschriebene System betrifft nicht direkt
die spezifischen Probleme beim Vorsehen von Paketdatendiensten in
zellularen TDMA-Systemen.
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"Packet Radio in GSM", European Telecommunications
Standards Institute (ETSI) T Doc SMG 4 58/93 (12. Februar 1993)
und "A General Packet
Radio Service Proposed for GSM",
vorgestellt während
eines Seminars mit dem Titel "GSM
in a Future Competitive Environment", Helsinki, Finnland (13. Oktober 1993)
umreißt
ein mögliches
Paketzugriffsprotokoll für
Sprache und Daten im GSM. Diese Dokumente betreffen direkt zellulare
TDMA-Systeme, d.h.
GSM, und obwohl sie eine mögliche
Organisation eines optimierten mehrfach genutzten Paketdatenkanals
umreißen,
befassen sie sich nicht mit den Aspekten der Integration von Paketdatenkanälen in einer
Systemgesamtlösung.
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"Packet Data over
GSM network", T
Doc SMG 1 238/93, ETSI (28. September 1993) beschreibt ein Konzept
für Paketdatendienste
im GSM gestützt
auf zunächst
die Verwendung einer üblichen
GSM-Signalgebung und Berechtigungsvergabe, um einen virtuellen Kanal
zwischen einer mobilen Paketstation und einem "Agenten" einzurichten, der den Zugriff auf die
Paketdatendienste handhabt. Die normale Signalgebung wird für einen
schnellen Kanalaufbau und eine schnelle Kanalfreigabe modifiziert,
und die normalen Verkehrskanäle
werden dann für
die Übertragung
von Paketen verwendet. Dieses Dokument betrifft direkt zellulare
TDMA-Systeme, da sich das Konzept jedoch auf die Verwendung einer "Schnellschalt"-Version der vorhandenen GSM-Verkehrskanäle stützt, hat
es Nachteile in bezug auf die Spektrumseffizienz und die Paketübertragungsverzögerung (insbesondere
für kurze
Nachrichten), wenn man es mit einem Konzept vergleicht, das sich
auf optimierte mehrfach benutzte Paketdatenkanäle stützt.
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Die
Cellular Digital Packet Data (CDPD) Systemspezifikation, Version
1,0 (Juli 1993), auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird,
beschreibt ein Konzept für
Paketdatendienste, das verfügbare
Funkkanäle in
den derzeitigen Advanced Mobile Phone Service (AMPS) Systemen, d.h.
dem nordamerikanischen analogen zellularen System, verwendet. CDPD
ist eine umfassende, systemungebundene (offene) Spezifikation, die von
einer Gruppe von Mobilfunkbetreibern in den USA unterzeichnet wurde.
Die behandelten Punkte umfassen externe Schnittstellen, Luftverbindungs-Schnittstellen,
Dienste, Netzarchitektur, Netzmanagement und Verwaltung.
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Das
spezifizierte CDPD-System stützt
sich in großem
Umfang auf eine Infrastruktur, die unabhängig von der existierenden
AMPS-Infrastruktur
ist. Gemeinsamkeiten mit den AMPS-Systemen sind auf die Verwendung
derselben Art von Funkfrequenzkanälen und derselben Basisstationsanlagen
(die von CDPD verwendete Basisstation kann neu und CDPD-spezifische
sein) und den Einsatz einer Signalgebungsschnittstelle für die Koordination
der Kanalzuweisungen zwischen den beiden Systemen beschränkt.
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Der
Leitweg eines Pakets einer mobilen Station wird zunächst auf
die Vermittlung des Pakets zu einem Heimnetzknoten (Home Mobile
Data Intermediate System, MD-IS) gestützt, der mit einem Heimatortregister (HLR;
Home Location Register) ausgestattet ist, wobei hierzu die Adresse
der mobilen Station verwendet wird; dann wird das Paket, wenn nötig, zu
einem besuchten Dienst-MD-IS geleitet, und zwar gestützt auf
die HLR-Information; und schließlich
wird das Paket von dem Dienst-MD-IS über die momentane Basisstation übertragen, wenn
die mobile Station ihre Dienst-MD-IS ihrem Zellenstandort mitteilt.
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Obwohl
die CDPD-Systemspezifikation sich nicht direkt auf die spezifischen
Probleme bezieht, die beim Vorsehen von Paketdatendiensten in zellularen
TDMA-Systemen entstehen und mit denen sich diese Anmeldung befaßt, können die
Aspekte und Konzepte des Netzes, welche in der CDPD-Systemspezifikation
beschrieben sind, als eine Grundlage für die Netzwerkaspekte verwendet
werden, die für
das Luftverbindungs-Protokoll gemäß dieser Erfindung benötigt werden.
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Das
CDPD-Netz ist als Erweiterung bestehender Datenübertragungsnetze und des zellularen
AMPS-Netzes konzipiert. Existierende verbindungslose Netzprotokolle
können
für den
Zugriff auf das CDPD-Netz verwendet werden. Da man davon ausgeht,
daß sich
das Netz immer weiter entwickelt, verwendet es ein offenes oder
systemungebundenes Netzdesign, welches das Hinzufügen weiterer
Netzschichtprotokolle erlaubt, wenn dies zweckmäßig ist. Die CDPD-Netzdienste
und -protokolle sind auf die Netzwerkschicht des OSI-Modells und
darunter beschränkt.
Diese Maßnahme
erlaubt es, daß die
Protokolle und Anwendungen der höheren
Schichten entwickelt werden können,
ohne das darunterliegende CDPD-Netz zu verändern.
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Aus
Sicht des Nutzers der mobilen Station ist das CDPD-Netz eine drahtlose
mobile Vergrößerung der traditionellen
Netze für
sowohl Daten als auch Sprache. Durch Verwenden der Netzdienste eines
CDPD-Serviceproviders kann der Benutzer nahtlos auf Datenanwendugen
zugreifen, von denen viele in traditionellen Datennetzen liegen
können.
Das CDPD-System kann als zwei verbundene Dienstgruppen betrachtet
werden: CDPD-Netzunterstützungsdienste
und CDPD-Netzdienste.
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Die
CDPD-Netzuntersützungsdienste
führen
Aufgaben durch, welche zum Warten und Verwalten des CDPD-Netzes
notwendig sind. Diese Dienste umfassen: Buchhaltungsserver; Netzmanagementsysteme; Nachrichtenübertragungsserver;
und Berechtigungsvergabeserver. Diese Dienste werden definiert,
um die Interoperabilität
zwischen den Serviceprovidern zu ermöglichen. Wenn sich das CDPD-Netz
technisch über
seine ursprünglich
AMPS-Infrastruktur hinaus entwickelt, wird erwartet, daß die Netzunterstützungsdienste
unverändert
bleiben. Die Funktionen der Netzunterstützungsdienste sind für jedes
mobile Netzwerk notwendig und unabhängig von Hochfrequenztechnologie
(RF; Radio Frequency).
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CDPD-Netzdienste
sind Datenübertragungsdienste,
welche es den Benutzern ermöglichen,
mit Datenanwendungen zu kommunizieren. Zusätzlich können eine oder beide Enden
der Datenübertragungseinrichtungen
mobil sein.
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Zusammengefaßt gibt
es einen Bedarf an Systemen, welche Allzweck-Paketdatendienste in
zellularen D-AMPS-Systemen vorsehen, die sich auf mehrfach benutzte
Paketdatenkanäle
stützen,
welche für
die Paketdaten optimiert sind. Diese Anwendung richtet sich auf
Systeme und Verfahren, welche die Vorteile eines verbindungsorientierten
Netzes, wie das durch die TIA/-EIA/IS-136-Norm
definierte, und eines verbindungslosen Paketdatennetzes in sich
vereinigen.
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Ein
wichtiger Aspekt solcher Systeme ist die Zuweisung von Kanälen oder
Bandbreiten. Ein Beispiel einer solchen Kanalzuweisung für IS-136
ist die mobile unterstützte
Kanalzuweisung (MACA; Mobile Assisted Channel Allocation). Bei der
IS-136-Norm wird
ein MACA-Bericht empfangen, bevor der Verkehrskanal zugewiesen wird,
wobei die Anforderungen an die mobile Station für die Übertragung von MACA-Berichten üblicherweise
auf dem Sendesteuerkanal (BCCH; Broadcast Control Channel) gesendet
werden. Prozeduren, die bei dem Versuch der Herstellung von Zugriffen
auf einer Konkurrenz- oder Reservierungsbasis verwendet werden, können z.B.
in einer Zugriffsparamternachricht auf dem schnellen BCCH gesendet
werden. Beispiele solcher IS-136-Direktzugriffsparameter
umfassen maximale Belegt/Reserviert-Information, Information über maximale Neuversuche,
Information über
maximale Wiederholung und einen Maximum-Stopzähler. Da die MACA-Berichte
eingesetzt werden, bevor Verkehrskanäle zugewiesen werden, liefert
die MACA keine Information, nachdem die mobile Station auf das System
zugreift.
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Ein
weiterer wichtiger Aspekt der zellularen Telefonübertragungssysteme ist der
Ausgleich oder die Entzerrung zum Ausgleichen von Unregelmäßigkeiten
oder Störungen
in dem Funkmedium. Ein Entzerrer wird hauptsächlich in dem Empfangsschaltkreisen
eingesetzt, um die Auswirkungen der Signalausbreitung über die mehreren
Wege und in einem zellularen System die Auswirkungen der relativen
Bewegung zwischen dem Sender und dem Empfänger zu reduzieren. Dies ist
z.B. in der WO 88/05981 beschrieben, die sich auf ein TDMA-System
bezieht, das eine sogenannte adaptive Entzerrung umfaßt. Die
Einstellung des in dem Funkempfänger
enthaltenen Entzerrers ist abhängig
von Synchronisierungsworten, welche im Zeitmultiplexverfahren mit
Datenworten, die von dem Funksender gesendet werden, verarbeitet
werden. Mit der Hilfe der Synchronisierungsworte kann der Entzerrer
so eingestellt werden, daß er
die Streuungseigenschaften des Mediums ausgleicht. Funkempfänger mit
Entzerrern werden häufig
für die Übertragung
von großen
Symboldichten (>100 kBit/s)
verwendet, bei denen die Bitempfindlichkeit der Ausbreitung über mehrere
Wege größer ist
als die Bitempfindlichkeit bei der Übertragung mit geringeren Symboldichten.
Ein Nachteil der Verwendung von Entzerrern ist, daß sie die
Komplexität
und den Energiebedarf der Empfänger
erhöhen.
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Das
Fehlen eines Entzerrers hat den Vorteil, daß eine nicht-kohärenten Demodulation
eingesetzt werden kann, was zu einem geringeren Komplexitätsgrad in
dem Empfänger
und zu einem niedrigeren Energiebedarf führt. Zusätzlich wird ein robuster Empfänger mit
schnell veränderbaren
Funkkanälen
erhalten, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit hoch ist. Ein Nachteil
besteht darin, daß die
Demodulation bei zeitlicher Streuung, die einen erheblichen Teil
der Symbolzeit darstellt, nicht ausgeführt werden kann.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verfahren offenbart, das mobilen Stationen
eine neue Phase innerhalb eines Kanals zuweist. In einem Übertragungssystem
versuchen mehrere mobile Stationen über eine begrenzte Anzahl von
Kanälen
zu kommunizieren. Die Erfindung verwendet zunächst ein allgemeines Zuweisungsverfahren,
um die mobilen Stationen ungefähr
gleichmäßig auf
die verfügbaren
Kanäle zu
verteilen. Nachdem eine mobile Station die aktive Übertragung
in dem System beginnt, wird ein zweites Zuweisungsverfahren verwendet,
um die Phase einiger mobilen Stationen auf einem Kanal, dessen Belastung gewachsen
ist, zu verändern.
Zusätzlich
kann eine Nachricht auch zu mobilen Stationen gesendet werden, die bereits
dem stark belasteten Kanal zugeordnet sind, auf diesem jedoch noch
keine aktive Übertragung
begonnen haben, um den mobilen Stationen anzuzeigen, daß sie zu
einem neuen Kanal wechseln sollen.
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Die
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher aus
der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. In den
Figuren zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht mehrerer Schicht 3-Nachrichten, Schicht 2-Blöcke und
Schicht 1-Kanalbursts
oder -Zeitschlitze;
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2(a) zeigt einen Vorwärts-DCC, der als eine Reihe
von Zeitschlitzen konfiguriert ist, welche in den mit der Trägerfrequenz
gesendeten aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen enthalten sind;
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2(b) zeigt ein Beispiel eines IS-136-DCCH-Feld-Schlitzformats;
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3 zeigt
ein Beispiel eines hierarchischen oder mehrschichtigen zellularen
Sytems;
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4 zeigt
ein Blockdiagramm eines beispielhaften zellularen Funktelefonsystems
mit einem Beispiel für
eine Basisstation und eine mobile Station;
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5 zeigt
ein Beispiel einer möglichen
Abbildungsfolge;
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6 zeigt
ein Beispiel einer PDCH-Neuzuweisung;
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7 zeigt
ein Flußdiagramm
gemäß einer
Ausführungsform
dieser Erfindung;
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8 zeigt
eine mobile Station, die mit voller Rate arbeitet und eine neue
Phasenzuweisung empfängt;
und
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9 zeigt
eine mobile Station, die mit doppelter Rate arbeitet und eine neue
Phasenzuweisung empfängt.
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung ist eine Beschreibung einer möglichen
Abbildungs- oder Konvertierungsfolge in 5 gezeigt.
Der Fachmann wird verstehen, daß die
vorliegenden Erfindung nicht auf diese Abbildungsfolge beschränkt ist,
sondern auch auf andere Abbildungsfolgen angewendet werden kann. 5 zeigt
einen reservierten digitalen Paketsteuerkanal (PDCH; Packet Digital
Control Channel) als ein Beispiel, wie eine Schicht 3-Nachricht
auf mehrere Schicht 2-Blöcke
abgebildet wird, ein Beispiel der Abbildung eines Schicht 2-Blockes
auf einen Zeitschlitz oder Zeitkanal und ein Beispiel einer Zeitschlitz-Abbildung
auf einen PDCH-Kanal. Die Längen
der Zeitschlitze des digitalen Steuerkanals für Vorwärtspakete (FPDCH; Forward Packet
Digital Control Channel) und der Signalbündel oder Bursts des digitalen
Steuerkanals für
Rückwärtskanäle (RPDCH;
Reverse Packet Digital Control Channel) sind fest, obwohl es drei
Formen RPDCH-Signalbündel
gibt, die unterschiedliche feste Längen haben. Es wird angenommen,
daß sich
die FPDCH-Zeitschlitze in 5 auf der
physischen Schicht befinden. Bei der vorliegenden Erfindung ist
die TDMA-Blockstruktur genauso wie bei dem IS-136-DCCH und dem DTC.
Im Interesse eines maximalen Durchsatzes wird ein zusätzliches
FPDCH-Schlitzformat spezifiziert, wenn eine Übertragung mit mehrfacher Rate
(Geschwindigkeit) erfolgt (PDCH mit doppelter Rate und PDCH mit
dreifacher Rate).
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Der
digitale Steuerkanal (DCCH) des IS-136 wird dazu verwendet, den
PDCH-Betrieb anzuzeigen. 6 zeigt die Beziehung zwischen
PDCHs, die zu einer Zelle gehören
(oder die genauer einen gemeinsamen Mutter-DCCH haben), und DCCHs
in verschiedenen Zellen (oder die genauer in der DCCH-Nachbarliste
als Kandidaten für
eine Neuauswahl des DCCHs angegeben sind). Eine mobile Station geht
bei der anfänglichen Zellenauswahl
zuerst immer zu einem DCCH (Mutter-DCCH). Auf dem DCCH wird die
Unterstützung
für einen PDCH
angezeigt. Wenn der DCCH Unterstützung
für einen
oder mehrere zugeordnete PDCHs anzeigt, wird die Trägerfrequenz
eines PDCH (Baken-PDCH) geliefert. Eine mobile Station, die an dem
Paketdatenservice interessiert ist, stellt sich dann auf den Baken-PDCH
ein und liest zusätzlich
BCCH-Information, um zu ermitteln, ob mehrere PDCHs vorhanden sind.
Wenn in dem geltenden Dienstbereich mehr als ein PDCH vorhanden
ist, wählt
eine mobile Station gemäß einem
Hash-Algorithmus einen als ihren Zugewiesenen PDCH aus. Wenn der
Baken-PDCH der einzige PDCH in dem aktuellen Dienstbereich ist,
wird er der Zugewiesene PDCH der mobilen Station. Nach Ermittlung
ihres Zugewiesenen PDCH liest die mobile Station einen vollständigen Zyklus
der Information des schnellen Paket-BCCH (F-PBCCH; Fast Packet BcCH)
und des erweiterten Paket-BCCH (E-PBCCH; Extended Packet BCCH) auf ihrem
Zugewiesenen PDCH. Die mobile Station registriert sich dann, falls
notwendig, gemäß PDCH-Mobilitätsmanagementregeln
auf ihrem Zugewiesenen PDCH. Eine PDCH-Registrierung kann dazu führen, daß die mobile
Station zu einem alternativen Zugewiesenen PDCH gewiesen wird oder
ihren derzeitigen Zugewiesene PDCH behält. An diesem Punkt wird die
mobile Station für den
Paketdatenservice auf ihrem Zugewiesenen PDCH aktiviert, zusätzlich zu
ihrer möglichen
Aktivierung für den
zellularen Dienst auf ihrem Mutter-DCCH.
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In
einem Kommunikationssystem versuchen mehrere mobile Stationen auf
einer begrenzten Anzahl von Kanälen
zu kommunizieren, wobei die Kanäle
mehrere Zeitschlitze enthalten können.
Aus dem Gesichtspunkt der Effizienz ist es vorteilhaft, wenn nicht
alle mobilen Stationen einem Kanal zugewiesen sind, sondern wenn
sie vielmehr über
alle Kanäle
verteilt sind. Ein Phasenzuweisungsverfahren ist unten beschrieben
und in 7 gezeigt. Nach der anfänglichen Auswahl eines Zugewiesenen
PDCH kann somit eine mobile Station mit der Registrierung auf ihrem
Zugewiesenen PDCH fortfahren. Bei der Registrierung kann das Dienstsystem reagieren,
indem es der mobilen Station einen alternativen Kanal (z.B. einen
alternativen Zugewiesenen PDCH) zuweist, um eine Echtzeitverteilung
der mobilen Stationen auf die verfügbaren Kanäle abhängig von der Kanalausnutzung
(z.B. der Paketdatenbelastung) zu erreichen. Obwohl sich die anfängliche
Auswahl eines Zugewiesenen PDCH durch eine mobile Station auf die
Identifikation der mobilen Station (MSID – Mobile Station Identify – oder deren
letzte Ziffern) stützen
kann und eine anfängliche
Verteilung der mobilen Stationen auf verfügbare Kanäle vorsieht, kann danach während der
Registrierung eine Neuverteilung gestützt auf die Kanalauslastung
oder Eigenschaften der mobilen Station, die innerhalb einer bei
der Registrierung übersendeten Nachricht
identifiziert werden, stattfinden. Die mobile Station kann z.B.
anzeigen, daß sie
eine mobile Station ist, die mit voller, doppelter oder dreifacher
Rate arbeitet. Das System würde
dann eine mobile Station, die mit dreifacher Rate arbeitet, als
eine Station betrachten, die potentiell zur selben Belastung führt wie
drei mobile Stationen, die mit voller Rate arbeiten, wenn sie bei
der Registrierung der mobilen Station die Kanäle zuweist. Das System könnte somit
zwei mobile Stationen, die mit dreifacher Rate arbeiten, einem Kanal
zuweisen, während
es sechs mobile Stationen, die mit voller Rate arbeiten, einem anderen
Kanal zuweist, weil die zwei mobilen Stationen mit dreifacher Rate
potentiell zu derselben Belastung führen wie sechs mobile Stationen
mit voller Rate.
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Nachdem
die mobilen Stationen einem Paketdatenkanal zugewiesen sind, sind
die mobilen Stationen in einem "auf
Paket warten"-Zustand, in dem die
mobile Station nicht mit dem System kommuniziert. Mobile Stationen
in dem "auf Paket
warten"-Zustand
lesen alle Zeitschlitze außer
den Sendeschlitzen. Zusätzlich kann
eine mobile Station in einem Schlafmodus sein, in dem sie regelmäßig während kurzer
Zeitspannen aufwacht, um einen einzelnen Rufschlitz zu lesen.
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Da
eine mobile Station eine geringere Sende- und Empfangsleistung haben
kann als der Kanal, wenn z.B. eine mobile Station, die mit voller
Rate arbeitet, einem Kanal zugewiesen ist, der mit dreifacher Rate
arbeitet, kann das System Schwierigkeiten bei der Kommunikation
mit der mobilen Station haben. Eine mobile Station, die mit voller
Rate arbeitet, kann nur auf einen von drei Zeitschlitzen hören, d.h.
es gibt drei mögliche Phasen
(Schlitz 1, Schlitz 2, Schlitz 3). Eine mobile Station, die mit
voller Rate arbeitet, hört
z.B. nur auf eine Phase ihres zugewiesenen Kanals, z.B. einen PPCH-Unterkanal
(PPCH_SUBCH). Eine mobile Station, die mit doppelter Rate arbeitet,
funktioniert bei zwei der drei möglichen
Schlitze (Schlitze 1 und 2, Schlitze 2 und 3 und Schlitze 1 und
3).
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Schießlich arbeitet
eine mobile Station, die mit dreifacher Rate läuft, mit allen Schlitzen, es
gibt somit keine Verabredungsprobleme, die gelöst werden müßten. Bei mobilen Stationen,
die mit voller und mit doppelter Rate arbeiten, müssen die
Phasen der mobilen Stationen des Systems jedoch gleich sein. Es
gibt zwei Aktivitäten,
bei denen dieses Verabredungssystem beachtet werden muß: wenn
die mobile Station in einem "auf Paket
warten"-Zustand
ist; und wenn die mobile Station in einem Schlafmodus ist.
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Für mobile
Stationen im Schlafmodus löst
die vorliegende Erfindung das Verabredungsproblem, indem sie die
mobilen Stationen nur auf einer vorgegebenen Phase ruft und dabei
einen Kanal verwendet, der mit voller Rate arbeitet, weil alle mobilen
Stationen mit der vollen Rate arbeiten können müssen. Das System ruft die mobilen
Stationen z.B. nur während
der ersten Phase des Kanals. Zusätzlich
kann der spezielle Rufschlitz, der in einem von vielen TDMA-Blöcken enthalten
ist, ermittelt werden, indem die permanente Identität der mobilen
Station verwendet wird, die eine MIN oder eine IMSI sein kann.
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Die
Rufschlitze werden aus verschiedenen Gründen nur einem Kanal zugewiesen,
der mit voller Rate arbeitet. Zunächst gibt es üblicherweise
weniger mobile Stationen, die auf einem überlassenen PDCH warten, als
auf einem DCCH. Dies gilt selbst dann, wenn alle mobilen Stationen
paketierte Daten übertragen
können und
alle Benutzer ihr Paketdaten-Dienstkonto aktiviert haben, weil nach
einer längeren
Nichtaktivität
alle mobilen PDCH-Stationen auf dem DCCH warten. Zweitens reduziert
sich die erforderliche Rufkapazität für mobile Stationen, die auf
dem PDCH warten, im Vergleich zu dem IS-136-Betrieb, weil der Rufbereich
auf eine Zelle begrenzt werden kann. Schließlich sind die Schicht 2-Blöcke im Vergleich
zu den Blöcken
der IS-136-Norm länger, wenn
in geringerem Umfang Kanalcodierung verwendet wird. Dies verbessert
die Möglichkeit
der Gruppierung mehrerer Seiten zu einem einzigen Schicht 2-Block,
wodurch die Verstreuung von Seiten über alle PDCH-Schlitze vermieden
wird, und z.B. bei einem PDCH mit dreifacher Rate sollte es im Verhältnis zu
der Anzahl der mobilen Station, die auf einem PDCH warten, nicht
zu viele Rufschlitze geben.
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Wenn
die mobilen Stationen einem PDCH zugewiesen wurden, aber nicht im
Schlafmodus sind, lesen sie nach Maßgabe ihrer Fähigkeiten
Schlitze auf dem FPDCH. Als Folge können die mobilen Stationen
gestützt
auf einige Parameter, z.B. die Identifikationszahl der mobilen Station,
gleichmäßig auf
die verschiedenen Phasen verteilt werden. Ferner können die
mobilen Stationen nach Maßgabe
der unten aufgeführten
Tabellen 1 und 2 ermitteln, welche Phase (Untergruppe von Schlitzen)
sie lesen sollen.
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Tabelle
1: PARCH Phasenzuweisung für
mobile Stationen
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Eine
alternative Lösung
des Verabredungsproblems für
mobile Stationen in dem Schlafmodus oder in dem "auf Paket warten"-Modus
besteht darin, der mobilen Station die notwendige Synchronisierung
in einer Registrierungs-Antwortnachricht zu senden. Die Registrierungs-Antwortnachricht
kann z.B. die Geschwindigkeits- und Phaseninformation enthalten.
Bei dieser Alternative muß der
PDCH-Unterkanal nicht fest an die permanente Identität der mobilen
Station gebunden sein, und der Rufkanal muß nicht auf die volle Rate
beschränkt
werden. Zusätzlich
kann die zugewiesene Phase einer mobilen Station in dem "auf Paket warten"-Zustand auch mit
der Registrierungs-Antwortnachricht übergeben
werden.
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Wenn
eine mobile Station dann aktiv mit dem System zu kommunizieren beginnt,
kann die Phase der mobilen Station ferner neu zugewiesen werden,
um mögliche
Zuweisungsprobleme zu korrigieren, welche sich aus dem oben beschriebenen
allgemeinen Zuweisungsverfahren ergeben. Bei dieser Ausführungsform
kann ein Befehl der Schicht 2 dazu verwendet werden, eine mobile
Station darüber
zu informieren, daß sie
ihre Phase ändern
sollte, d.h. die mobile Station sollte die Phase, auf der sie sendet
und empfängt,
verschieben. Bei dieser Ausführungsform
wird die Frequenz (z.B. Kanalnummer) der mobilen Stationen, welche
be reits mit dem System kommunizieren, nicht verändert. Wenn also zu viele mobile
Stationen vorhanden sind, die auf einem bestimmten Kanal senden,
kann nur die Phase innerhalb des Kanals verschoben werden. Eine
Nachricht der Schicht 3 kann jedoch dazu verwendet werden, den mobilen
Stationen, die noch nicht zu kommunizieren begonnen haben, mitzuteilen,
daß sie
auf einen anderen Kanal schalten sollten, so daß sie dann, wenn sie zu kommunizieren
beginnen, nicht auf einem überlasteten
Kanal arbeiten. Als eine weitere Alternative können die mobilen Stationen
als Voreinstellung immer auf einer einzelnen Phase arbeiten, die
von der BCCH-Information bestimmt wird, die auf dem FPDCH ausgesendet
wurde. Das empfangende System kann dann nach Wahl zu jeder Zeit
während
der Auslieferung der Paketdateninformation an die mobile Station
auf dem FPDCH und dem Empfang von Paketdateninformation auf dem
RPDCH die Phasenzuweisungen modifizieren.
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Eine
Veränderung
der Phasenzuweisung wirkt sich auf den Vorwärts- und Rückwärtskanal aus. Um starke zeitliche
Beschränkungen
der mobilen Station zu vermeiden, darf die mobile Station bei einer Übertragung
mit voller Rate während
des nächsten
geplanten Übertragungsereignisses
(ein Schlitz) und bei einer Übertragung
mit doppelter Rate während
der nächsten
beiden geplanten Übertragungsereignisse
(zwei Schlitze) ihre geltende Phasenzuweisung behalten. Die 8 und 9 zeigen
Beispiele mobiler Stationen, die mit voller bzw. doppelter Rate
arbeiten und eine neue Phasenzuweisung erhalten. Wie in den 8 und 9 gezeigt,
tritt die Phasenzuweisung nach einem vollständigen Block auf.
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Nachdem
die Erfindung nun beschrieben wurde, ist es offensichtlich, daß sie auf
viele Arten modifiziert werden kann. Solche Abänderungen sollen nicht als
ein Verlassen des Sinns und Bereichs der Erfindung betrachtet werden,
und alle Modifikationen, die für
den Fachmann offensichlich sind, sollen zum Bereich der folgenden
Ansprüche
gehören.
