DE102015219699A1

DE102015219699A1 - Wireless telecommunications network

Info

Publication number: DE102015219699A1
Application number: DE102015219699.2A
Authority: DE
Inventors: Cristina Párraga Niebla
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-10-10
Filing date: 2015-10-12
Publication date: 2016-04-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Netzwerk zur drahtlosen Telekommunikation, mit: – mehreren stationären Basisstationen zur drahtlosen Kommunikation, die in einem ersten Frequenzband mit Teilnehmer-Endgeräten durchgeführt wird, – mindestens einer mobilen Basisstation, die in oder an einem Fahrzeug angeordnet ist und zur drahtlosen Kommunikation mit mindestens einem zweiten Teilnehmer-Endgerät vorgesehen ist, das von dem Fahrzeug mitgeführt wird, – mindestens einem Kommunikationssatelliten, wobei die mindestens eine mobile Basisstation mit dem Satelliten über einen Rücklauf-Link in einem zweiten Frequenzband kommuniziert, – wobei die mindestens eine mobile Basisstation mit dem von dem Fahrzeug mitgeführten mindestens einem zweiten Teilnehmer-Endgerät mittels des zweiten Frequenzbands kommuniziert.The present invention relates to a wireless telecommunications network comprising: - a plurality of stationary base stations for wireless communication, which is carried out in a first frequency band with subscriber terminals, - at least one mobile base station, which is arranged in or on a vehicle and for wireless communication is provided with at least one second subscriber terminal, which is carried by the vehicle, - at least one communication satellite, wherein the at least one mobile base station communicates with the satellite via a return link in a second frequency band, - wherein the at least one mobile base station the at least one second subscriber terminal carried by the vehicle communicates by means of the second frequency band.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Netzwerk für drahtlose Telekommunikation. The present invention relates to a wireless telecommunications network.

Derzeitige 4G-Netzwerke (LTE-Norm) und zukünftige 5G-Netzwerke erzielen eine hohen Datendurchsatz für mobile Anwender, indem Femto-Zellen verwendet werden, bei denen es sich um Zellen mit sehr kurzer Reichweite handelt. Nachteiligerweise können mobile Anwender, die sich in Fahrzeugen wie z.B. Automobilen, Zügen, Bussen befinden, nicht den versprochenen hohen Datendurchsatz erzielen, der bei Fußgängern möglich ist. Dies hat seine Ursache in mehreren Faktoren. Einerseits ist in einer Anzahl von Bereichen, in denen derartige Fahrzeuge verkehren, keine 4G-Abdeckung vorhanden (in vielen dieser Bereiche ist noch nicht einmal 3G verfügbar. Andererseits müssen die Anwender in denjenigen Bereichen, in denen eine 4G-Abdeckung besteht, sehr häufig ein Handover implementieren, falls sie Gebrauch von Femto-Zellen machen. Zudem hat der Druck zur Kapazitätserweiterung, dem Mobilfunkbetreiber ausgesetzt sind, dazu geführt, dass sich aktuelle Forschungsprojekte darauf konzentrieren, für den Anwender-Link, d.h. für den Link zwischen dem Anwender-Endgerät und der Basisstation (in der LTE-Norm als eNode-B bezeichnet), Millimeterbänder zu nutzen. Die Verwendung derartiger Frequenzbänder für die Anwender-Links impliziert jedoch noch kürzere Bereiche, so dass der Bereich der Femto-Zellen noch mehr eingeschränkt wird. Somit wird es bei Verwendung von Millimeterbändern im Anwender-Link sogar noch schwerer, bei der Fortbewegung in Fahrzeugen mit höheren Geschwindigkeiten einen hohen Datendurchsatz zu erzielen. Current 4G networks (LTE standard) and future 5G networks are achieving high data throughput for mobile users using femto cells, which are very short-range cells. Unfortunately, mobile users who are in vehicles such as Automobiles, trains, buses are not likely to achieve the promised high data throughput, which is possible with pedestrians. This is due to several factors. On the one hand, there is no 4G coverage in a number of areas where such vehicles operate (in many of these areas not even 3G is available.) On the other hand, in those areas where there is 4G coverage, users often have to Implement handovers if they make use of femtocells, and the pressure to expand capacity to which mobile operators are exposed has led current research projects to focus on the user link, ie, the link between the user terminal and the user link However, the use of such frequency bands for the user links implies even shorter ranges, so the range of the femto cells is even more limited even heavier when using millimeter bands in the user link, when traveling in vehicles with height speeds to achieve high data throughput.

Ein Lösungsansatz für dieses Problem besteht darin, eine im Fahrzeug installierte Femto-Zelle zu verwenden, mit der sich die im Fahrzeug befindlichen Anwender während ihrer Fahrt verbinden können, so dass ein häufiger Handover nicht erforderlich ist. Diese Femto-Zelle wird als "mobile lokale Femto-Zelle" bezeichnet und ist mit einer im oder am Fahrzeug installierten "mobilen lokalen Basisstation" mit Weiterleitungs- und Backhaul-Fähigkeiten versehen. Die "mobile lokale Femto-Zelle" kann auch durch einen anderen Konnektivitäts-Typ mit dem Kern-Netzwerk verbunden werden, z.B. durch drahtloses terrestrisches oder Satelliten-Backhauling. Tatsächlich bilden Backhauling-Lösungsansätze den Stand der Technik zur Erweiterung des Abdeckungsbereichs von Mobil-Netzwerken in ländlichen Gegenden, in denen keine Drahtverbindung zu dem Kern-Netzwerk vorhanden ist. Auch Satelliten-Backhauling-Lösungsansätze gehören zum Stand der Technik, um Passagieren in Zügen oder Flugzeugen die WiFi-Konnektivität verfügbar zu machen, d.h. es wird ein im Zug oder Flugzeug befindlicher lokaler Hotspot über Satelliten-Backhaul mit dem Kern-Netzwerk verbunden. One approach to this problem is to use a vehicle-mounted femtocell that allows users in the vehicle to connect while driving so that frequent handover is not required. This femto cell is referred to as a "mobile local femto cell" and is provided with on-vehicle or on-vehicle "mobile local base station" with forwarding and backhaul capabilities. The "mobile local femto cell" may also be connected to the core network by another connectivity type, e.g. by wireless terrestrial or satellite backhauling. In fact, backhauling approaches are the state of the art for extending the coverage of mobile networks in rural areas where there is no wired connection to the core network. Also, satellite backhauling approaches are well known in the art to provide Wi-Fi connectivity to passengers on trains or planes, i. a local hotspot on a train or airplane is connected to the core network via satellite backhaul.

Das gleiche Backhauling-Prinzip kann angewandt werden, um in Zügen, Bussen, Flugzeugen oder sogar Schiffen eine 4G- oder 5G-Konnektivität anstelle von oder zusätzlich zu WiFi verfügbar zu machen, wie in der Figur für den Fall eines Zugs gezeigt ist. Backhauling-Lösungsansätze des Standes der Technik beruhen auf der Tatsache, dass der Anwender-Link in dem Frequenzband implementiert ist, die von dem Anwender-Endgerät normalerweise in einem Fußgänger-Szenario (z.B. L- oder S-Band) verwendet würde, und der Backhauling-Link ist in einem unterschiedlichen Frequenzband (z.B. Ku-Band) implementiert, oder der Backhauling-Link ist zumindest einem unterschiedlichen Frequenz-Slot zugeteilt, so dass diese beiden Links nicht miteinander interferieren. Dies impliziert, dass, falls das terrestrische mobile Backhauling unter Verwendung des 4G/5G-Netzwerks implementiert wird, dem Backhauling-Link ein Frequenz-Slot zugewiesen werden muss. Dadurch wird die gesamte Flexibilität der Netzwerkskapazitäts-Zuweisung kompromittiert, was in Anbetracht der begrenzten Kapazität ein unerwünschter Effekt ist. Zudem kann je nach der Position der mobilen Plattform die "mobile lokale Femto-Zelle" mit anderen Femto-Zellen interferieren, was die gesamte Effektiv-Kapazität verschlechtert. The same backhauling principle can be used to provide 4G or 5G connectivity on trains, buses, planes or even ships instead of or in addition to WiFi, as shown in the figure for the case of a train. Backhauling approaches of the prior art are based on the fact that the user link is implemented in the frequency band that would normally be used by the user terminal in a pedestrian scenario (eg L- or S-band) and backhauling Link is implemented in a different frequency band (eg, Ku-band), or the backhauling link is allocated at least to a different frequency slot, so that these two links do not interfere with each other. This implies that if the terrestrial mobile backhauling is implemented using the 4G / 5G network, the backhauling link must be assigned a frequency slot. This compromises the overall flexibility of network capacity allocation, which is an undesirable effect given the limited capacity. In addition, depending on the position of the mobile platform, the "mobile local femto cell" may interfere with other femto cells, degrading the overall effective capacity.

Neuere Veröffentlichungen auf dem Gebiet von Voll-Duplex-Funkvorrichtungen können dazu beitragen, dieses Kapazitätsproblem zu lösen. In diesen Veröffentlichungen wird die Verwendung von Selbstinterferenzlöschungs-Techniken am Backhauling-Endgerät (der in der Figur gezeigten mobilen lokalen Femto-Zelle mit Backhauling) dahingehend vorgeschlagen, dass der Backhauling-Link in dem gleichen Frequenzband (oder slot) wie der Anwender-Link implementiert werden kann, d.h. in den 4G/5G-Frequenzbändern. In der Theorie würde dies eine Verdopplung des verfügbaren Spektrums erlauben, was von der Effizienz abhängt, mit der bei dem angewandten Verfahren eine Interferenz-Löschung durchgeführt wird. Recent publications in the field of full-duplex radio devices may help to solve this capacity problem. In these publications, the use of self-interference cancellation techniques on the backhauling terminal (the mobile local femto cell with backhauling shown in the figure) is proposed in that the backhauling link implements in the same frequency band (or slot) as the user link can be, ie in the 4G / 5G frequency bands. In theory, this would allow a doubling of the available spectrum, which depends on the efficiency with which interference cancellation is performed in the method used.

Das mittels terrestrischer drahtloser Lösungsansätze durchgeführte Verbinden "mobiler lokaler Femto-Zellen" mit dem Kern-Netzwerk trägt nicht dazu bei, die Überlastung mobiler Netzwerke zum Besseren zu wenden. The use of terrestrial wireless approaches to connect "mobile local femtocells" to the core network does not help to improve the congestion of mobile networks.

Das reine Satelliten-Backhauling, wie es derzeit implementiert wird, arbeitet wie folgt: Das mobile Endgerät sieht die Backhauling-Station als normale Basisstation und kommuniziert mit ihr unter Verwendung des Frequenzbands des terrestrischen Mobil-Netzwerks; die Backhauling-Station sendet über den Satellit in einem unterschiedlichen Frequenzband und implementiert ein Tunneling, so dass die in dem Mobil-Netzwerk angewandten Protokolle in den im Satelliten-Netzwerk angewandten Protokollen eingekapselt werden und an dem Netzwerk-Rand wieder entkapselt werden. Falls der Kommunikationsverkehr einer mobilen Femto-Zelle auf diese Weise über den Satelliten-Link backhaul-übertragen wird, kann die mobile Femto-Zelle mit festen Links interferieren, wodurch die gesamte Netzwerk-Kapazität verschlechtert wird. Zudem handelt es sich bei derartigen Architekturen nur um eine offensichtliche Integration von Satelliten- und terrestrischen Netzwerken unter Verwendung von Tunneling zur Backhaul-Übertragung der Daten. Die vorgeschlagenen Lösungsansätze, die auf einem Voll-Duplex-Backhauling im 4G/5G-Spektrum basieren, sind interessant, erreichen jedoch nur (theoretisch) eine Verdopplung der verfügbaren Kapazität und tragen nicht zur Entlastung des 4G/5G-Netzwerks bei. The pure satellite backhauling, as currently implemented, operates as follows: The mobile terminal sees the backhauling station as a normal base station and communicates with it using the frequency band of the terrestrial mobile network; the backhauling station transmits over the satellite in a different frequency band and implements a tunneling so that the protocols used in the mobile network are encapsulated in the protocols used in the satellite network and at the network edge be decapsulated again. In this way, if the communication traffic of a mobile femto cell is backhaul transmitted via the satellite link, the mobile femto cell may interfere with fixed links, thereby degrading the overall network capacity. Moreover, such architectures are only an obvious integration of satellite and terrestrial networks using tunneling to backhaul the data. The proposed solutions, which are based on a full-duplex backhauling in the 4G / 5G spectrum, are interesting, but only (theoretically) achieve a doubling of the available capacity and do not contribute to the relief of the 4G / 5G network.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effizienz hinsichtlich der Verwendung des Spektrums bei mobilen Netzwerken zu verbessern. It is an object of the present invention to improve the efficiency with regard to the use of the spectrum in mobile networks.

Gemäß der Erfindung wird ein Netzwerk zur drahtlosen Telekommunikation geschaffen, das aufweist:

– mehrere stationäre Basisstationen zur drahtlosen Kommunikation, die in einem ersten Frequenzband zwecks Kommunikation mit Teilnehmer-Endgeräten durchgeführt wird,
– mindestens eine Basisstation, bezeichnet als mobile Basisstation, die in oder an einem Fahrzeug angeordnet ist und zur drahtlosen Kommunikation mit mindestens einem zweiten Teilnehmer-Endgerät vorgesehen ist, das von dem Fahrzeug mitgeführt wird,
– mindestens einen Kommunikationssatelliten, wobei die mindestens eine mobile Basisstation mit dem Satelliten in dem Rücklauf-Link in einem zweiten Frequenzband kommuniziert,
– wobei die mindestens eine mobile Basisstation mit dem von dem Fahrzeug mitgeführten mindestens einem zweiten Teilnehmer-Endgerät mittels des zweiten Frequenzbands kommuniziert.

According to the invention there is provided a wireless telecommunications network comprising:

A plurality of stationary base stations for wireless communication, which is carried out in a first frequency band for communication with subscriber terminals,
At least one base station, referred to as a mobile base station, which is arranged in or on a vehicle and is provided for wireless communication with at least one second subscriber terminal, which is carried by the vehicle,
At least one communication satellite, the at least one mobile base station communicating with the satellite in the return link in a second frequency band,
- Wherein the at least one mobile base station communicates with the at least one second subscriber terminal carried by the vehicle by means of the second frequency band.

Spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Specific embodiments of the present invention are subject-matter of the dependent claims.

Mit der hier präsentierten Erfindung wird ein Backhauling-Verfahren in einem Drahtlos-Mobil-Kommunikationsnetzwerk vorgeschlagen, mittels dessen mehrere Aspekte gleichzeitig gelöst werden, indem Selbstinterferenzlöschungs-Konzepte verwendet werden. Das Verfahren bietet eine mit hohem Durchsatz erfolgende Konnektivität in der "mobilen lokalen Femto-Zelle", vergrößert die in dem Mobil-Netzwerk verfügbare Gesamtkapazität und entlastet das gesamte 4G- oder zukünftige 5G-Netzwerk. Bei dem Drahtlos-Kommunikationsnetzwerk gemäß der Erfindung handelt es sich um ein mobiles terrestrisches Netzwerk, das mit einem Satelliten-Netzwerk integriert ist. With the invention presented here, a backhauling method in a wireless mobile communication network is proposed, by means of which several aspects are solved simultaneously by using self-interference cancellation concepts. The method provides high throughput connectivity in the "mobile local femto cell", increases the total capacity available in the mobile network, and offloads the entire 4G or future 5G network. The wireless communication network according to the invention is a mobile terrestrial network integrated with a satellite network.

Somit besteht diese Erfindung darin, dass in mobilen Endgeräten ein Funkfrequenz-Front-End implementiert wird, das in der Lage ist, in Frequenzbändern zu senden (d.h. unter Verwendung der gleichen Protokolle wie bei terrestrischen Netzwerken), die typischerweise Satelliten-Kommunikationsvorgängen zugewiesen sind (beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, C-, Ku- oder Ka-Bänder). Zur Verdeutlichung wird im Folgenden das Ka-Band als Beispiel verwendet, jedoch kann für die Erfindung jedes beliebige Frequenzband verwendet werden, das Satelliten-Netzwerken zugewiesen ist. Thus, this invention consists in implementing in mobile terminals a radio frequency front-end capable of transmitting in frequency bands (ie, using the same protocols as in terrestrial networks) typically assigned to satellite communications ( for example, but not limited to, C, Ku, or Ka bands). For the sake of clarity, the Ka band is used as an example in the following, however, any frequency band assigned to satellite networks can be used for the invention.

Gemäß der Erfindung empfängt die in dem Fahrzeug (z.B. Zug, Bus, sogar Flugzeug) installierte mobile Basisstation, die eine Femto-Zelle in dem Fahrzeug bildet, das Signal von dem mobilen Endgerät im Ka-Band und sendet als Backhauling die empfangenen Daten in dem gleichen Frequenzband zurück. Angesichts dessen, dass die mobile Basisstation die Interferenz schätzen kann, die sie sich selbst verursacht, indem sie in dem gleichen Frequenzband sendet, kann sie Selbstinterferenzlöschungs-Techniken verwenden, um erfolgreich in demjenigen Band zu empfangen, in dem sie auch sendet. Dies setzt voraus, dass der Satellitenbetreiber, der die Lizenz zur Nutzung des Frequenzbands besitzt, Betreibern terrestrischer Netzwerke gestattet, das Satelliten-Frequenzband unter dieser Kooperationsbedingung zu nutzen, d.h. nur wenn der von dem Fahrzeug ausgehende Datenverkehr über Satellit als Backhauling zurückgesendet wird. According to the invention, the mobile base station installed in the vehicle (eg train, bus, even airplane) forming a femto cell in the vehicle receives the signal from the Ka-band mobile terminal and as backhauling sends the received data in the Ka-band same frequency band back. Given that the mobile base station can estimate the interference it causes itself by sending in the same frequency band, it can use self-interference cancellation techniques to successfully receive in the band in which it also broadcasts. This presupposes that the satellite operator, which has the license to use the frequency band, allows terrestrial network operators to use the satellite frequency band under this cooperation condition, i. only if the data traffic originating from the vehicle is returned via satellite as backhauling.

Aus der Perspektive der Protollebene könnte die Erfindung durch Tunneling implementiert werden, d.h. durch Einkapseln der Protolldatenpakete des terrestrischen Netzwerks in die Protolldatenpakete des Satelliten-Netzwerks. Eine weitere Option bestünde jedoch darin, die Erfindung in voll integrierter Weise zu implementieren, d.h. bei dem Rücklauf-Link zu der Femto-Zelle und bei dem Rücklauf-Link des Satelliten werden die gleichen Protokolle angewandt. From the perspective of the prototype plane, the invention could be implemented by tunneling, i. by encapsulating the protoll data packets of the terrestrial network in the protoll data packets of the satellite network. However, another option would be to implement the invention in a fully integrated fashion, i. the return link to the femto cell and the return link of the satellite use the same protocols.

Die Vorteile der Erfindung sind:

– Terrestrische und Satelliten-Netzwerke sind voll integriert; der Satelliten-Link wird ein integraler Teil des Mobil-Netzwerks.
– Terrestrische Endgeräte können Frequenzbänder, die typischerweise Satelliten-Netzwerken zugeordnet sind, (nur) in kooperativer Weise nutzen. Dies ist möglich, da die mobilen Endgeräte im Vergleich mit typischen Satellitenschüsseln mit einem Durchmesser von 70 mm nur mit sehr geringer Leistung zu senden brauchen, so dass sie für die Satelliten-Endgeräte vernachlässigbare Interferenzverursacher bleiben sollten. Dies wiederum trägt beträchtlich dazu bei, die verfügbare Kapazität in dem Mobil-Netzwerk zu erhöhen, wobei je nach dem gewählten Frequenzband die verfügbare Kapazität um wesentlich mehr als 2 multipliziert wird.
– Es ergibt sich eine signifikante Entlastung des mobilen terrestrischen Netzwerks.
– Die Satellitenbetreiber haben einen Vorteil, da sie von terrestrischen Betreibern benötigt werden, um diese Lösung zu implementieren, d.h. sie können die Kapazität zweifach "wiederverkaufen": für das Backhauling und für die terrestrische Verwendung. Der Geschäftsfall bedeutet eine Win-Win-Situation sowohl für die terrestrischen als auch für die Satelliten-Betreiber, da die Kapazität kooperativ genutzt wird.

The advantages of the invention are:

- Terrestrial and satellite networks are fully integrated; The satellite link will become an integral part of the mobile network.
Terrestrial terminals may (only) use frequency bands, which are typically associated with satellite networks, in a cooperative manner. This is possible because compared to typical satellite dishes with a diameter of 70 mm, the mobile terminals only need to transmit with very low power, so that they should remain negligible interference sources for the satellite terminals. This, in turn, contributes significantly to increasing the available capacity in the mobile network, where available capacity is multiplied by much more than 2, depending on the frequency band selected.
- There is a significant relief of the mobile terrestrial network.
Satellite operators have an advantage as they are needed by terrestrial operators to implement this solution, ie they can "resell" capacity twice for backhauling and terrestrial use. The business case is a win-win situation for both terrestrial and satellite operators, as the capacity is used cooperatively.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die mindestens eine mobile Basisstation mit einem Interferenz-Management versehen. Dieses kann auf Interferenz-Löschung oder auf Verwendung von Antennen mit diversen Empfindlichkeitsrichtungen basieren. According to a preferred embodiment of the present invention, the at least one mobile base station is provided with an interference management. This may be based on interference cancellation or on the use of antennas with various sensitivity directions.

In der Figur ist ein Beispiel eines Systems gezeigt, bei dem die vorliegende Erfindung verwendet wird. Der Zug ist mit drei Antennen versehen, und zwar einer (nicht gezeigten) Antenne zur Kommunikation mit den mobilen (zweiten) Teilnehmer-Endgeräten, die von dem Zug mitgeführt werden, und zwei weiteren Antennen, und zwar einer terrestrischen zur Verbindung mit dem Kern-Netzwerk, wie in Mobil-Kommunikationssystemen für terrestrische Anwendungen (terrestrisches drahtloses Backhauling) üblich, und einer weiteren zum Satelliten-Backhauling zu dem Kern-Netzwerk über einen Satelliten und ein Satelliten-Gateway, das mit dem Kern-Netzwerk verbunden ist. In the figure, an example of a system using the present invention is shown. The train is provided with three antennas, one antenna (not shown) for communication with the mobile (second) subscriber terminals carried by the train and two further antennas, one terrestrial for connection to the core. A network as customary in terrestrial wireless backhauling mobile communication systems, and another for satellite backhauling to the core network via a satellite and a satellite gateway connected to the core network.

Claims

Wireless telecommunications network, with: A plurality of stationary base stations for wireless communication, which is carried out in a first frequency band with subscriber terminals, At least one mobile base station, which is arranged in or on a vehicle and is provided for wireless communication with at least one second subscriber terminal, which is carried by the vehicle, At least one communication satellite, the at least one mobile base station communicating with the satellite via a return link in a second frequency band, - Wherein the at least one mobile base station communicates with the at least one second subscriber terminal carried by the vehicle by means of the second frequency band.

A network according to claim 1, characterized in that the at least one mobile base station performs an interference management, such as interference cancellation or use of antennas with various sensitivity directions.

A network according to claim 1 or 2, characterized in that between the second subscriber and the at least one mobile base station and between the latter and the at least one communication satellite, the communication is performed in different data packet-based ways, and that between the second subscriber terminals and the at least a mobile base station exchanged data packets are embedded in data packets for transmission to the at least one communication satellite.

A network according to claim 1 or 2, characterized in that for communication between the at least one second subscriber terminal and the at least one mobile base station and for communication between the at least one mobile base station and the at least one communication satellite the same transmission protocol is used.

A network according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the first frequency band is assigned to a terrestrial mobile communications system such as LTE or 5G and in particular the S band and the second frequency band is assigned to satellites, eg and the C, Ku- or Kc-band is.