DE10027115A1 - Funk-Kommunikationssystem - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemäß wird in einem Funk-Kommunikationssystem, das ein OFDM-Übertragungsverfahren nutzt, ein von einer Zentralstation (AP) in Abwärtsrichtung (DL) zu einer Teilnehmerstation (MT) gesendetes Signal von zumindest einer der Zentralstation (AP) zugeordneten Relaisstation (EP) empfangen und nachfolgend zu der Teilnehmerstation (MT) gesendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Funk-Kommunikationssystem sowie ein Verfahren zur Signalübertragung in einem derartigen Sy­ stem. Die Erfindung ist insbesondere für einen Einsatz in ei­ nem Mobilfunk oder drahtlosen Teilnehmeranschlußsystem geeig­ net.

In Funk-Kommunikationssystemen (im folgenden auch als RAT - Radio Access Technologie bezeichnet), beispielsweise dem eu­ ropäischen Mobilfunksystem der zweiten Generation GSM (Global System for Mobile Communications), werden Informationen wie beispielsweise Sprache, Bildinformation oder andere Daten mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen über eine Funkschnitt­ stelle übertragen. Die Funkschnittstelle bezieht sich auf eine Verbindung zwischen einer Basisstation und einer Viel­ zahl von Teilnehmerstationen, wobei die Teilnehmerstationen beispielsweise Mobilstationen oder ortsfeste Funkstationen sein können. Das Abstrahlen der elektromagnetischen Wellen erfolgt dabei mit Trägerfrequenzen, die in einem für das je­ weilige System vorgesehenen Frequenzband liegen. Für zukünf­ tige Funk-Kommunikationssysteme, beispielsweise das UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) oder andere Sy­ steme der 3. Generation sind Frequenzen im Frequenzband von ca. 2000 MHz vorgesehen. Für die dritte Mobilfunkgeneration UMTS sind zwei Modi vorgesehen, wobei ein Modus einen FDD-Be­ trieb (frequency division duplex) und der andere Modus einen TDD-Betrieb (time division duplex) bezeichnet. Diese Modi finden ihre Anwendung in unterschiedlichen Frequenzbändern, wobei beide Modi ein sogenanntes CDMA-Teilnehmerseparierungs­ verfahren (Code Division Multiple Access) unterstützen.

Durch die zunehmende Verbreitung von Multimediaanwendungen müssen hochbitratige Datenströme schnell und sicher über der­ artige drahtlose Kommunikationsnetze übertragen werden. Ein Übertragungsverfahren zur Übertragung von breitbandigen Da­ tenströmen stellt beispielsweise das auf einem sogenannten Multiträgerverfahren basierende OFDM-Übertragungsverfahren (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) dar. Bei der OFDM-Übertragungstechnik die zu übertragenden Informationen innerhalb des Funkkanals auf mehrere sogenannte Subkanäle bzw. Subträger aufgeteilt bzw. parallelisiert, wobei die zu übertragenden Informationen mit einer jeweils relativ gerin­ gen Datenrate, jedoch in additiv überlagerter Form parallel übertragen werden. Das OFDM-Übertragungsverfahren findet bei­ spielsweise in dem drahtlosen Breitband-Zugangsnetz HIPERLAN/2 Anwendung, wie es unter anderem aus dem ETSI-Stan­ dardisierungsdokument "Broadband Radio Access Networks (BRAN), HIPERLAN Type 2, System Overview", TR 101 683, V1.1.1, 2000-02, bekannt ist. Ein derartiges Netz wird auch als WLAN (Wireless Local Area Network) bezeichnet.

Das HIPERLAN/2 stellt den Teilnehmern eine sehr hohe nutzbare Datenrate mit bis zu 54 Mbit/s zur Verfügung. Aufgrund der diesem System zugrundeliegenden hohen Trägerfrequenzen ober­ halb von 5 GHz ist der Radius einer Funkzelle auf wenige hun­ dert Meter begrenzt. Ein Funkabdeckung ist daher vorwiegend auf Örtlichkeiten mit einem hohen Datenverkehrsaufkommen, wie beispielsweise in Bürohochhäusern, Flughäfen oder Bahnhöfen, begrenzt. Durch die Möglichkeit einer Verbindungsweiterschal­ tung zu beispielsweise einem GSM- oder zukünfigen UMTS-Mobil­ funkssystem kann einem Teilnehmer jedoch eine unterbrechungs­ freie Weiterführung der Verbindung, wenn auch mit einer ver­ gleichsweise sehr stark verringerten Datenrate, ermöglicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vergrößerung des Radius einer Funkzelle zu ermöglichen, um die Anzahl der erforderli­ chen Verbindungsweiterschaltungen bei einer Bewegung des Teilnehmers vorteilhaft zu verringern. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruch 1 sowie durch das Funk-Kommunikationssystem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen entnehmbar.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein in Abwärtsrich­ tung zu einer Teilnehmerstation gesendeten Signal von zumin­ dest einer Relaisstation empfangen und nachfolgend zu der Teilnehmerstation gesendet.

Vorteilhaft wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die ef­ fektive Reichweite der Zentralstation vergrößert, so daß auch eine außerhalb der Funkzelle der Zentralstation befindliche Teilnehmerstation mit funktechnischen Ressourcen versorgt werden kann.

In gleicher Weise kann das Verfahren mit den nachfolgend be­ schriebenen Vorteilen für die Signalübertragung von der Teil­ nehmerstation zu der Zentralstation durchgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf den vorteilhaften Eigenschaften des einleitend beschriebenen OFDM-Übertragungs­ verfahrens. Diese Eigenschaften ermöglichen, daß die Teilneh­ merstation die von mehreren Stationen empfangenen Signale auswerten kann, da sich diese empfangsseitig konstruktiv überlagern. Weiterhin tritt aufgrund der Schutzzeit innerhalb eines Funkblocks bzw. OFDM-Symbols vorteilhaft keine Inter­ symbol-Interferenz (ISI) auf. Die Signalübertragung der Re­ laisstationen kann daher vorteilhaft in dem gleichen Fre­ quenzband wie die Zentralstation erfolgen, wodurch knappe Funkressourcen gespart werden.

Abhängig von der Entfernung der Teilnehmerstation zu der Zen­ tralstation sowie deren Sendeleistung empfängt die Teilneh­ merstation sowohl Signale der Zentralstation als auch einer oder mehrerer Relaisstationen oder lediglich der Relaissta­ tionen. Für den Fall, daß die Relaisstationen ein empfangenes Signal erst nach einer bestimmten zeitlichen Verzögerung zu der Teilnehmerstation senden, kann die Zentralstation dieses Signal mit einer entsprechenden Verzögerung ebenfalls noch­ mals senden. Eine derartige Verzögerung in den Relaisstatio­ nen kann beispielsweise durch einen einfachen Aufbau der Sende-/Empfangseinrichtungen in Verbindung mit nur einer An­ tenneneinrichtung bedingt sein.

Bei einem erfindungsgemäßen Weitersenden des Signals durch mehrere Relaisstationen in Verbindung mit der Nutzung einer gemeinsamen Trägerfrequenz ergeben sich weiterhin folgende Vorteile:

• - die Verläßlichkeit des Weitersendens steigt, da die Wahr­ scheinlichkeit, daß die Übertragungsfunktion des empfangs­ seitig kombinierten Signals besser ist, erhöht wird.
• - die Wahrscheinlichkeit eines Verbindungsabbruchs aufgrund einer Bewegung der Teilnehmerstation und/oder der Relais­ stationen wird verringert, da die Funkabdeckung des Sy­ stems vergrößert wird. Wird die Verbindung zu einer Re­ laisstation unterbrochen, kann eine andere Relaisstation die Verbindung aufrechterhalten.
• - die Sendeleistung der Stationen kann vorteilhaft verrin­ gert werden, da sich die einzelnen Sendeleistungen kon­ struktiv addieren. Dieses ermöglicht insbesondere in der Teilnehmerstation und den Relaisstationen eine Energieer­ sparnis.
• - für den Fall des eingangs beschriebenen HIPERLAN/2-Systems mit einer sogenannten dynamischen Frequenzauswahl (Dynamic Frequency Selection) durch die Zentralstationen des Sy­ stems kann eine effiziente Blockierung einer Frequenz auf­ grund der Nutzung der gleichen Trägerfrequenz durch eine Vielzahl von Relaisstationen erfolgen, d. h. die Nutzung des gleichen Frequenzbandes durch die Zentralstation einer Nachbarzelle wird verhindert. Hierdurch kann einerseits die Interferenz durch andere Systeme verringert und die Dienste qualität QoS (Quality of Service) erhöht werden.
• - weiterhin kann aufgrund der Tatsache, daß jede Relaissta­ tion die empfangenen OFDM-Symbole dekodieren kann, ein Weitersenden eines fehlerbehafteten Symbols von den Re­ laisstationen unterdrückt werden. Jedoch wird auch bei ei­ nem Weitersenden eines fehlerbehafteten Symbols dieses mit einer großen Wahrscheinlichkeit durch ein fehlerfreies Symbol einer weiteren Relaisstation überschrieben.

In einer einfachsten Realisierung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens werden mehrere Relaisstationen, die sich innerhalb der von der Zentralstation versorgten Funkzelle befinden, zur Weitersendung des zu übertragenden Signals genutzt. Eine ge­ zielte Auswahl der Relaisstationen muß nicht erfolgen. Die Steuerung der Aussendung zu der Teilnehmerstation bzw. zu der Zentralstation erfolgt dabei gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beispielsweise durch die Berücksichtigung eines er­ mittelten charakteristischen Wertes. Der aus einem oder meh­ reren Signalen ermittelte charakteristische Wert umfaßt bei­ spielsweise einen Empfangspegel, eine Phasenlage, ein Signal- Rauschverhältnis und/oder eine Bitfehlerrate. Aus diesem Wert bzw. lediglich aus der ermittelten Phasenlage kann die Re­ laisstation die Aussendung des Signals steuern. Weiterhin kann sie anhand dieses Wertes entscheiden, ob sie für ein Weitersenden des Signals geeignet ist, wobei sie beispiels­ weise einen oder mehrere Parameter des charakteristischen Wertes mit einem jeweiligen Schwellwert vergleicht.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung signalisiert die Relaisstation den ermittelten charakteristischen Wert zu der Zentralstation, die die charakteristischen Werte mehrerer Relaisstationen auswertet und zumindest eine für die Si­ gnalübertragung zu/von der Teilnehmerstation geeignete Re­ laisstation auswählt. Auf der Basis der somit bekannten cha­ rakteristischen Werte kann die Zentralstation nachfolgend ebenfalls die Aussendung des Signals durch die Relaissta­ tion(en) steuern. Dieses kann beispielsweise in der Weise ge­ nutzt werden, daß die Zentralstation die Phasenlagen der Si­ gnale derart steuert, daß die Antennen der beteiligten Re­ laisstationen wie eine einzige intelligente Antennen wirken. Voraussetzung hierfür ist, daß die Relaisstationen auf die Zentralstation synchronisiert sind. Dieses kann beispiels­ weise durch die Auswertung einer bekannten Sequenz im Sinne einer Trainingssequenz erfolgen.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung wird das von der Relaisstation empfangene Signal nicht zwischengespei­ chert, sondern unmittelbar zu der Teilnehmerstation bzw. der Zentralstation weitergesendet. Hierdurch werden vorteilhaft Funkressourcen gespart, da für die Übertragung beispielsweise eines OFDM-Symbols keine zwei Zeitschlitze oder Zeitrahmen vorgehalten werden müssen.

Hierzu weist die Relaisstation vorteilhaft zumindest zwei Sektorantennen oder intelligente Antennen auf, die sowohl für das Empfangen als auch für das Senden genutzt werden können.

Besonders vorteilhaft wird das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren in einem als ein Mobilfunksystem oder drahtloses Teilnehmeranschlußsystem verwirklichten Funk-Kommunikations­ system eingesetzt. Sowohl die Relaisstationen als auch die Teilnehmerstationen können mobil oder stationär sein. Vor­ teilhaft werden insbesondere die Teilnehmerstationen als Relaisstationen zu weiteren Teilnehmerstationen genutzt, wobei auch eine Reihenschaltung mehrerer Relaisstationen denkbar ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beilie­ genden Zeichnung näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines beispielshaften Funk-Kommunikationssy­ stem.

Die Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Funk-Kommunikations­ systems, in diesem Falle eines HIPERLAN/2-Systems. Ein derar­ tiges System weist mehrere an ein IP-basiertes Backbone ange­ schlossene Zentralstationen AP (Access Point) auf. Diese Zen­ tralstationen AP dienen der Zuweisung von funktechnischen Ressourcen zu Teilnehmerstationen MT (Mobile Terminals) zum Routen von ankommenden und abgehenden Datenpaketen PDU (Pac­ ket Data Unit). Weiterhin können sie über eine Funkschnitt­ stelle Verbindungen zu Teilnehmerstationen MT, wie z. B. Mo­ bilstationen oder anderweitige mobile und stationäre Endge­ räte, aufbauen und auslösen. Durch jede Zentralstation AP wird zumindest eine Funkzelle Z gebildet. Die Größe der Funk­ zelle wird in der Regel durch die Reichweite eines allgemei­ nen Signalisierungskanals, der von der Zentralstation AP mit einer erhöhten Sendeleistung gesendet wird, bestimmt. Bei ei­ ner Sektorisierung können pro Zentralstation AP auch mehrere Funkzellen versorgt werden. Die Funktionalität dieser Struk­ tur ist auf andere Funk-Kommunikationssysteme übertragbar, in denen die Erfindung zum Einsatz kommen kann, insbesondere Mo­ bilfunksysteme.

Wie beispielhaft in der Fig. 1 dargestellt befindet sich die Teilnehmerstation MT außerhalb der Funkzelle Z der Zentral­ station AP. In diesem Fall wäre nach dem Stand der Technik keine Versorgung dieser Teilnehmerstation MT mit funktechni­ schen Ressourcen durch die Zentralstation AP möglich. Durch das erläuterte erfindungsgemäße Verfahren wird jedoch eine Signalübertragung in Aufwärtsrichtung UL (Uplink) und in Ab­ wärtsrichtung DL (Downlink) ermöglicht, indem innerhalb der Funkzelle Z der Zentralstation AP befindliche Relaisstationen EP (Extension Point) die in der jeweiligen Übertragungsrich­ tung empfangenen Signale weitersenden. Dabei senden die Re­ laisstationen EP auf der gleichen Trägerfrequenz wie die Zen­ tralstation. Wie beispielhaft dargestellt, formt jede Relais­ station EP wiederum eine kleine Funkzelle, wodurch die effek­ tive Ausdehnung der Funkzelle Z der Zentralstation Z vergrö­ ßert wird. Wie beschrieben empfängt die Teilnehmerstation MT Signale sowohl der Zentralstation AP als auch zumindest einer Relaisstation EP oder nur Signale von mehreren Relaisstatio­ nen EP. Die Anzahl der versorgenden Relaisstationen EP kann zentral von der Zentralstation AP nach Auswertung von ermit­ telten charakteristischen Werten erfolgen. Die Auswahl kann dabei beispielsweise aufgrund von Kriterien wie der jeweils verfügbaren Energie, eine Minimierung der Leistungsverluste in der Funkzelle, eine Minimierung der Interferenz, eine Ma­ ximierung der Sendereichweite, eine zugesicherte Dienstequa­ lität und/oder verfügbare Dienste der Relaisstationen erfol­ gen. Alternativ hierzu kann jede Relaisstation EP autonom beispielsweise aufgrund der Meßwerte oder der Eigenschaften entscheiden, ob sie für das Weitersenden von Signalen zu/von der Teilnehmerstation MT bzw. Zentralstation AP geeignet ist.

Im folgenden wird auf die Vorteile des Einsatzes von Sek­ torantennen oder intelligenten Antennen in den Relaisstatio­ nen EP eingegangen.

In einem erfindungsgemäßen System wird die nutzbare Systemka­ pazität dadurch verringert, daß ein Datenpaket PDU in einem ersten Schritt zu einer Relaisstation gesendet werden und in einem zweiten Schritt zu Teilnehmerstation bzw. Zentralsta­ tion gesendet werden. Dabei wird das Datenpaket in der Relaisstation zwischengespeichert und in einem nachfolgenden Zeitschlitz oder Zeitrahmen gesendet. Es ist jedoch aufgrund der Schutzzeit eines jeden OFDM-Symbols möglich, daß die Re­ laisstationen ein Signal empfangen und unmittelbar weitersen­ den. In diesem Fall wird die Systemkapazität nicht verrin­ gert. Die Verzögerung aufgrund der Verarbeitung in den Re­ laisstationen kann, sofern sie kleiner als die Schutzzeit ist, toleriert werden.

Nachteiligerweise kann dabei eine Schleife auftreten, da das ausgesendete Signal auch von der jeweiligen Relaisstation wieder empfangen wird. Für diesen Fall weist die Relaissta­ tion vorteilhaft zumindest zwei Antenneneinrichtungen auf. Der maximale Abstand zwischen den Antennen kann bei einer Re­ laisstation, beispielsweise einem tragbaren Computer, bei­ spielsweise 0,5 Meter betragen. Die Übertragungsverluste zwi­ schen der Sende- und Empfangsantenne verglichen mit den Übertragungsverlusten zwischen der Zentralstation und der Re­ laisstation, beispielsweise 100 Meter, betragen dP <= 20log(0,5/100) = 46 dB. Dieses bedeutet, daß das gewollte Signal der Zentralstation 46 dB geringer als das ungewollte Signal der Sendeantenne der Relaisstation ist. Bei einem Ein­ satz von Sektorantennen in der Relaisstation kann dieses un­ gewollte Signal um einen Faktor 20-30 abgeschwächt werden, so daß dieses bekannte Signal in Basisband-Signalverarbeitung unterdrückt werden könnte. Hierzu ist es jedoch erforderlich, die Übertragungsfunktion sowohl zwischen der Zentralstation und der Relaisstation als auch zwischen der Sende- und Emp­ fangsantenne der Relaisstation zu kennen. Diese können bei­ spielsweise durch die Verwendung eines bekannten Pilotsignals oder einer Trainingssequenz ermittelt werden.

Die Verwendung von Sektorantennen erfordert eine mögliche Nutzung der Antennen sowohl zum Empfangen als auch zum Sen­ den. Andernfalls könnte der Fall auftreten, daß der Sende- und der Empfangspfad sich gegenüberstehen, und das ungewollte Signal verstärkt anstatt gedämpft wird. Durch eine Auswertung der mit den Sektorantennen empfangenen Signale wird eine ge­ eignete Sektorantenne für die jeweilige Übertragung zu der Teilnehmerstation bzw. zu der Zentralstation ausgewählt.

In einem Fall, daß die Sektorantennen nicht für die Weiter­ leitung von Signale genutzt werden, können sie im Sinne einer bekannten Antennen-Diversität eingesetzt werden.

Bei einem Einsatz von intelligenten Antennen werden Signale mehrerer Antennen kombiniert. Wenn die Phase und Amplitude jeder der Antennen korrekt ausgewählt werden, kann vorteil­ haft die Signalstärke des gewollten Signals erhöht und die Interferenz benachbarter Funkzellen verringert werden. Die Besonderheit, daß nur eine Trägerfrequenz von mehreren sen­ denden Stationen genutzt wird, ermöglicht eine einfache Im­ plementierung des Prinzips intelligenter Antennen, ohne daß die Relaisstationen jeweils aufwendige Antennensysteme und Verarbeitungssysteme aufweisen müssen. Werden die Aussendun­ gen der Relaisstation von der Zentralstation in Phase und Am­ plitude gesteuert, so erscheinen diese aus der Sicht der emp­ fangenen Teilnehmerstation als eine einzige Antenne mit einer starken Richtwirkung. Vorteilhaft kann hierdurch die Reich­ weite erhöht und die Interferenzbeeinflussung benachbarten Funkzellen verringert werden. Weiterhin bedeutet dieses eine sehr preiswerte Implementierungsmöglichkeit. Diese positiven Wirkungen können durch den Einsatz von Sektorantennen in den Relaisstationen nochmals verstärkt werden.

Claims (14)

1. Verfahren zur Signalübertragung in einem Funk-Kommunika­ tionssystem, das ein OFDM-Übertragungsverfahren nutzt, bei dem ein von einer Zentralstation (AP) in Abwärtsrichtung (DL) zu einer Teilnehmerstation (MT) gesendetes Signal von zumin­ dest einer der Zentralstation (AP) zugeordneten Relaisstation (EP) empfangen und nachfolgend zu der Teilnehmerstation (MT) gesendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein von der Teilnehmerstation (MT) gesendetes Signal in glei­ cher Weise in Aufwärtsrichtung (UL) zu der Zentralstation (AP) gesendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem sich die Teilnehmerstation (MT) in einem Funkversorgungsbe­ reich der Zentralstation (AP) und/oder einer Relaisstation (EP) befindet.

4. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem von der Relaisstation (EP) aus einem von der Teilnehmersta­ tion (MT) gesendeten Signal zumindest ein charakteristischer Meßwert ermittelt wird, wobei der charakteristische Wert ei­ nen Empfangspegel, eine Phasenlage, ein Signal-Rauschverhält­ nis und/oder eine Bitfehlerrate darstellt.

5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Relaisstation (EP) den ermittelten charakteristischen Wert zu der Zentralstation (AP) signalisiert, und die Zen­ tralstation (AP) anhand des charakteristischen Wertes zumin­ dest eine für die Signalübertragung zu/von der Teilnehmersta­ tion (MT) geeignete Relaisstation (EP) ausgewählt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem von der Relaisstation (EP) der ermittelte charakteristische Wert für die Aussendung des Signals zu der Teilnehmerstation (MT) bzw. zu der Zentralstation (AP) berücksichtigt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Aussendung des Signals von der Relaisstation (EP) zu der Teilnehmerstation (MT) bzw. zu der Zentralstation (AP) von der Zentralstation (AP) gesteuert wird.

8. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem von der Relaisstation (EP) das empfangene Signal ohne Zwi­ schenspeicherung direkt zu der Teilnehmerstation (MT) bzw. Zentralstation (AP) weitergesendet wird.

9. Funk-Kommunikationssystem, mit zumindest einer Zentral­ station (AP), einer Relaisstation (EP) sowie einer Teilneh­ merstation (MT) zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patent­ anspruch 1.

10. Funk-Kommunikationssystem nach Anspruch 10, bei dem die Relaisstation (EP) in einem gleichen Frequenzband wie die Zentralstation (AP) sendet.

11. Funk-Kommunikationssystem nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Relaisstation (EP) zumindest eine Sektorantenne oder eine intelligente Antenne aufweist.

12. Funk-Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Teilnehmerstation (MT) und/oder die Relais­ station (EP) als eine mobile oder stationäre Station ausge­ staltet ist.

13. Funk-Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Funk-Kommunikationssystem ein TDMA-Teilnehmer­ separierungsverfahren nutzt.

14. Funk-Kommunikationssystem nach dem vorhergehenden An­ spruch, wobei das Funk-Kommunikationssystem ein TDD-Verfahren nutzt.