DE10117696A1 - Verfahren zur paketorientierten Übertragung von Daten in einem Kommunikationssystem - Google Patents

Abstract

In dem Verfahren zur Übertragung von Datenblöcken (DP) zwischen Funkstationen (BS, MS) in einem Kommunikationssystem werden von einer ersten Funkstation (BS, MS) Datenblöcke (DP1...) in einem Übertragunskanal gesendet und von einer zweiten Funkstation (MS, BS) abhängig von Eigenschaften des Übertragungskanals ausschließlich positive oder negative Bestätigungs-Nachrichten (ACK, NAK) zu der ersten Funkstation (BS, MS) in einem Rückkanal signalisiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur paketorientierten Übertragung von Daten in einem Kommunikationssystem, insbe­ sondere einem Funk-Kommunikationssystem bzw. Mobilfunksystem unter Verwendung eines reinen oder hybriden ARQ-Datensiche­ rungsverfahrens für eine Prüfung auf Übertragungsfehler und wiederholtes Anfordern fehlerhaft und/oder ausbleibender Da­ tenpakete.

In einem Funk-Kommunikationssystem werden Daten mittels elek­ tromagnetischer Wellen übertragen. Das Abstrahlen der elek­ tromagnetischen Wellen erfolgt dabei mit Trägerfrequenzen, die in dem für das jeweilige System vorgesehenen Frequenzband liegen. Über die Funkschnittstelle werden Verbindungen zwi­ schen ortsfesten Basisstationen und Teilnehmerstationen, die ortsfeste oder mobile Funkgeräte sein können, aufgebaut und ausgelöst.

Um den Bedarf des zur Verfügung stehenden Spektrums an Trä­ gerfrequenzen besser abzudecken, wurden synchrone Multiplex­ verfahren z. B. auf der Basis eines frequenz-, zeit-, raum- und/oder codeselektiven Vielfachzugriffs zwecks Verteilung der Übertragungskapazität eines physikalischen Kanals auf mehrere Verbindungen eingeführt. Wenn im weiteren der Begriff "physikalischer Kanal" oder "Kanal" gebraucht wird, so wird er identisch zu dem Begriff "Ressource" verwendet, die gege­ benenfalls auch über mehrere physikalische Kanäle, jeweils eine bestimmte Bitübertragungsrate auf der Luftschnittstelle zur Verfügung stellt.

Nachteilig am synchronen Multiplexverfahren ist, daß die für eine Verbindung in Anspruch genommene Übertragungskapazität infolge der Zeitsynchronisierung für einen längeren Zeitraum fest gebunden ist und auch dann, wenn aktuell keine Übertra­ gungskapazität benötigt wird, diese nicht für andere Teilneh­ mer freigegeben werden kann. Damit bleibt Übertragungskapazi­ tät unter Umständen ungenutzt.

Diesen Mangel verbessert ein weiteres grundsätzliches, auf paketorientierter Übertragung basierendes Verfahren, die Pa­ ketvermittlung. Die Paketvermittlung beruht ebenfalls auf der gemeinsamen Nutzung eines physikalischen Kanals durch mehrere Verbindungen. Auch hierfür erfolgt eine Unterteilung auf der Zeitachse, allerdings nicht, wie beim synchronen Multiplex­ verfahren, vordergründig in feste Zeitschlitze, sondern in adressierte Datenpakete variabler Länge. Die Daten werden zeitvariant übertragen, weshalb man auch von einem asynchro­ nen Multiplexverfahren spricht. Ein Datenpaket wird auch als (Daten-)Block, (Daten-)Rahmen, Frame oder (Daten-)Wort be­ zeichnet.

Jeder Teilnehmer des Funk-Kommunikationssystems kann jeder­ zeit auf die bis dahin ungenutzte Übertragungskapazität zu­ greifen und seine Datenpakete z. B. nach dem stochastischen Zugriffsverfahren ALOHA übertragen. Außerdem läßt sich die Bitübertragungsrate einer Verbindung sehr leicht stufenlos variieren. Eine Teilnehmerstation kann die Bitübertragungs­ rate sowohl durch die zeitlichen Abstände, in welchen die Da­ tenpakete gesendet werden, als auch durch deren Länge, beein­ flussen. Zukünftige Funk-Kommunikationssysteme, wie bei­ spielsweise das UMTS (Universal Mobile Telecommunications Sy­ stem), werden den Teilnehmern eine Vielzahl unterschiedlicher Dienste mit unterschiedlichen Bitübertragungsraten anbieten. Neben der reinen Sprachübertragung werden Multimedia-Anwen­ dungen mit der einhergehenden Dienstevielfalt, wie Internet, Voice over IP (Internet-Telefonie), Email, SMS (Short Mes­ sage Service = Kurznachrichtendienst von Punkt zu Punkt) und weitere einen großen Teil am Datenaufkommen ausmachen. Die Einbindung der paketorientierten Übertragung ist hier beson­ ders vielversprechend.

Die Luftschnittstelle ist eine der ungünstigsten Kommunikati­ onsmedien, die in der Nachrichtentechnik vorkommen. Ein Pro­ blem sind kurzfristige Empfangspegeleinbrüche und Signalver­ zerrungen, die im Falle der Übertragung der o. g. Datenstruk­ turen zum Verlust von Daten führen können. Gestörte Datenpa­ kete werden im allgemeinen nicht von der Empfangsstation kor­ rigiert und dann akzeptiert, sondern mittels eines fehlerer­ kennenden Codes, eventuell zusätzlich zur Korrektur, auf Feh­ ler überprüft. Wird ein Datenpaket als fehlerhaft erkannt, so wird es bei der Sendestation erneut angefordert. Hierzu wird im allgemeinen ein zu übertragendes Datenpaket mit Quittung (Ackknowledgement) bestätigt. Für ein fehlerfrei empfangenes Datenpaket wird eine positive Quittung (ACK = Acknowledge) an die Sendestation übertragen. Sofern das empfangene Datenpaket fehlerhaft ist, wird eine negative Quittung (NAK = Negative Acknowledge) an die Sendestation übertragen und seine erneute Übertragung angefordert. Die Sendestation muß deshalb eine Kopie des übertragenen Datenpaketes solange verwalten, bis es als fehlerfrei empfangen rückgemeldet worden ist. Dieses als ARQ-Verfahren (ARQ = Automatic Repeat Request) bekannte Feh­ lerbehandlungsverfahren setzt allerdings einen Rückkanal zwi­ schen der Sendestation und der Empfangsstation voraus, über den die Ergebnisse der Fehlerauswertung durch die entspre­ chende Quittung von der Empfangsstation an die Sendestation mitgeteilt werden. Auf diesem Rückkanal werden auch die vor­ genannten Daten zur Messung der Kanalqualität, wie Übertra­ gungsrate, Empfangsleistung, Sendeleistung und/oder Interfe­ renzen übertragen, womit zusätzliche Übertragungskapazität und Rechenleistung während einer Verbindung gebunden wird. In der Praxis wird das ARQ-Datensicherungsverfahren auch mit ei­ ner Fehlervorwärtskorrektur (FEC = Forward Error Correction) kombiniert und dann als hybrides ARQ-Verfahren bezeichnet. Da bei Verwendung von ACKs/NAKs als Quittungen die eindeutige Zuordnung zu einem Datenpaket nicht immer gewährleistet wer­ den kann, verwendet man auch die Nummer des jeweils nächsten erwarteten Paketes (Request Number = RN) und ihre Wiederho­ lungsanforderung (Request = RQ) als Quittung. Abhängig von der ARQ-Signalisierung kann eine RN als positive oder nega­ tive Quittung verwendet sein und ein RQ als negative Quit­ tung.

Einen Überblick über ARQ-Signalisierung geben z. B. M. Bos­ sert, M. Breitbach: Digitale Netze, B. G. Teubner Stutt­ gart.Lepzig 1999, S. 141-162.

Den bekannten ARQ-Verfahren gemeinsam ist jedoch durch die große Anzahl von Bestätigungs-Signalisierungen des erfolgrei­ chen oder nicht erfolgreichen Empfangs eines Datenblocks hohe Signalisierungslast in dem Rückkanal.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Signalisierungslast zu reduzieren.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und durch ein Kommunika­ tionssystem nach den Merkmalen der unabhängigen Patentansprü­ che gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängi­ gen Patentansprüchen angegeben.

Vorteilhaft wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Si­ gnalisierungslast in dem Rückkanal verringert.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachfol­ gend erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Funk-Kommunikationssy­ stems, insbesondere eines bekannten GSM-Mobilfunksystems.

Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Funk-Kommunikati­ onssystems, speziell eines bekannten GSM-Mobilfunksystems. Diese Struktur läßt sich jedoch in einfacher Weise auf andere Systeme, wie beispielsweise das UMTS-Mobilfunksystem, über­ tragen, in dem die Erfindung ebenfalls verwirklicht werden kann.

Das GSM-Mobilfunksystem besteht aus einer Vielzahl von Mobil­ vermittlungsstellen MSC (Mobile Switching Center), die einen Übergang zu einem leitungsgebundenen Festnetz PSTN ermögli­ chen. Jede Mobilvermittlungsstelle MSC ist mit einer Vielzahl von Basisstations-Steuerungen BSC (Base Station Controller) verbunden, die jeweils eine zentrale Verwaltung von Funkres­ sourcen für ein oder mehrere Basisstationen (Base Station) durchführen. Die Basisstationen BS ermöglichen wiederum eine Verbindung zu einer Vielzahl von Teilnehmerstationen MS über eine Funkschnittstelle entsprechend einem spezifischen Teil­ nehmerseparierungsverfahren. Dabei wird nach einer Übertra­ gung in Aufwärtsrichtung UL (Uplink) von den Teilnehmersta­ tionen MS zu der Basisstation BS bzw. der Abwärtsrichtung DL (Downlink) von der Basisstation BS zu den Teilnehmerstationen MS unterschieden. Durch jede Basisstation BS wird zumindest eine mit funktechnischen Resourcen versorgte Funkzelle Z ge­ bildet. Die Teilnehmerstationen MS sind beispielsweise als mobile Funkstationen oder als ortsfeste drahtlose Netzab­ schlußgeräte, beispielsweise eines drahtlosen Teilnehmeran­ schlußsystems (Access Network), verwirklicht. Die Mobilver­ mittlungsstelle MSC ist weiterhin mit einem Operations- und Wartungszentrum OMC (Operation and Maintenance Center) ver­ bunden, in dem wichtige Parameter des Systems administriert werden und das eine Mensch-Maschine-Schnittstelle darstellt.

Auf der Funkschnittstelle zwischen der Basisstation BS und den Teilnehmerstationen MS werden Signalisierungsinformatio­ nen und Nutzdaten unterschiedlicher Dienste übertragen. So werden von der Basisstation BS beispielsweise in einem spezi­ fischen allgemeinen Organisationskanal B (BCCH - Broadcast Control Channel) allgemeine Informationen bezüglich der Orga­ nisation des Mobilfunksystems periodisch gesendet, die von den Teilnehmerstationen MS ausgewertet werden. Beispielhaft werden von der Basisstation BS in einem physikalischen Kanal Datenblöcke bzw. Datenpakete DP in Abwärtsrichtung zu der Teilnehmerstation MS gesendet, die deren fehlerfreien bzw. fehlerbehafteten Empfang mit einer Bestätigungs-ACK (acknow­ ledged) bzw. Nicht-Bestätigungsnachricht NAK (not acknowled­ ged) in Aufwärtsrichtung UL zu der Basisstation BS signali­ siert. In gleicher Weise erfolgt die Übertragung der Daten­ blöcke von der Teilnehmerstation MS zu der Basisstation BS.

Nach dem Stand der Technik für HARQ-Verfahren wird in einem Rückkanal signalisiert, ob ein Datenblock fehlerfrei oder fehlerbehaftet empfangen wurde. Für den Fall, daß der Inhalt eines Datenblocks nicht rekonstruiert werden kann, wird eine Nicht-Bestätigungsnachricht zu der sendenden Station in dem Rückkanal signalisiert.

Dieses kann gemäß dem Stand der Technik auf unterschiedliche Weise erfolgen:

• - für jeden empfangenen Datenblock wird nach der Auswertung ACK oder NAK gesendet.
• - für jeden Datenblock wird nur ACK gesendet, wenn dieser korrekt empfangen wurde. Wurde der Datenblock nicht kor­ rekt empfangen, wird auf dem Rückkanal nichts signali­ siert.
• - für jeden Datenblock wird nur NAK gesendet, wenn dieser nicht korrekt empfangen wurde. Wurde der Datenblock kor­ rekt empfangen, wird auf dem Rückkanal nicht signalisiert.

In dem einleitend beschriebenen SAW HARQ-Verfahren wird von der empfangenden Station für jeden empfangenen Datenblock in dem Rückkanal zu der sendenden Station signalisiert, ob der Datenblock korrekt empfangen wrude oder nicht. Für korrekt empfangende Datenblöcke wird ACK und für fehlerhaft empfan­ gene Datenblöcke NAK signalisiert.

All die beschriebenen Verfahren besitzen den Nachteil, daß mehr Signalisierungsinformationen übertragen werden als not­ wendig ist. In dem ersten Fall wird immer Signalisierungsin­ formation gesendet. In dem zweiten und dritten Fall können beispielsweise lange Folgen der selben Signalisierungsinfor­ mation entstehen, d. h. es kann gegebenenfalls für eine große Anzahl aufeinander folgender Datenblöcke ACK bzw. NAK signa­ lisiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren reduziert die Häufigkeit der Signalisierung in dem Rückkanal. Dabei wird adaptiv zwischen dem zweiten und dritten Verfahren umgeschaltet, so daß je nach den Eigenschaften des Übertragungskanals für die Daten­ blockübertragung nur ACK oder nur NAK in dem Rückkanal signa­ lisiert wird.

Für den beispielhaften Fall, daß kontinuierlich ACK signali­ siert wird, wird die Bestätigungs-Signalisierung auf eine ausschließliche Signalisierung von NAKs umgestellt bzw. umge­ kehrt. Somit wird jeweils das Ereignis (Datenblock korrekt empfangen oder nicht korrekt empfangen) signalisiert, das um­ wahrscheinlicher ist.

Zu welchem Zeitpunkt zwischen den Verfahren umgeschaltet wird, kann beispielsweise fon der Qualität des Übertragungs­ kanals abhängen. Als Maß für die Qualität kann beispielsweise die Häufigkeit der ununterbrochenen ACK- bzw. NAK-Signalisie­ rungen in dem Rückkanal bestimmt werden. Auch Messungen der sendenden und/oder empfangenden Funkstation sind für diese Bestimmung vorteilhaft. Die Entscheidung zur Umschaltung kann von der sendenden oder der empfangenden Funkstation getroffen bzw. angeregt werden. Auch weitere, dem Fachmann bekannte In­ formationen können bei dieser Entscheidung berücksichtigt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Übertragung von Datenblöcken (DP) zwischen Funkstationen (BS, MS) in einem Kommunikationssystem, bei dem von einer ersten Funkstation (B5, MS) Datenblöcke (DP1 . . .) in einem Übertragungskanal gesendet werden, und von einer zweiten Funkstation (MS, BS) abhängig von Eigen­ schaften des Übertragungskanals ausschließlich positive oder negative Bestätigungs-Nachrichten (ACK, NAK) zu der ersten Funkstation (BS, MS) in einem Rückkanal signalisiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Übertragung der Datenblöcke (DP) entsprechend einem ARQ- Verfahren erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein hybrides ARQ-Verfahren verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Umschaltung zwischen den positiven und negativen Bestä­ tigunge-Nachrichten (ACK, NAK) abhängig von den Eigenschaften erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruche 4, bei dem die Eigenschaften von zumindest einer der Funkstationen ge­ steuert wird.

6. Kommunikationssystem zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1.