DE10315063A1

DE10315063A1 - Verfahren zur Übertragung von Daten

Info

Publication number: DE10315063A1
Application number: DE2003115063
Authority: DE
Inventors: Hyung-Nam Choi; Michael Eckert; Martin Hans
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-04-02
Filing date: 2003-04-02
Publication date: 2004-10-14
Also published as: WO2004088877A2; WO2004088877A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten auf einem gemeinsamen Funkkanal, der jeweils zwischen einer Basisstation (BS) und einer Vielzahl von Terminals (UE) in einem Mobilfunksystem bereitgestellt wird, DOLLAR A - wobei die Daten zeitlich nacheinander übertragen und dabei auf vorgegebene Zeitschlitze des Funkkanals aufgeteilt werden und wobei jeweils ein oder mehrere Zeitschlitze zu einem Übertragungsrahmen zusammengefasst werden, DOLLAR A - die Länge des Übertragungsrahmens auf dem Funkkanal bei der Übertragung zwischen Terminal und Basisstation in der Aufwärtsverbindung und in der Abwärtsverbindung n Zeitschlitze beträgt, DOLLAR A dadurch gekennzeichnet, dass DOLLAR A - n eine natürliche Zahl zwischen 1 und 5 darstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten auf einem gemeinsamen Funkkanal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Wird in einem Kommunikationssystem eine Verbindung zwischen Terminals und einer Basisstation über gemeinsam benutzte Ressourcen hergestellt, so können Zugriffskollisionen zwischen verschiedenen Terminals auftreten, wenn mehrere Terminals auf dieselbe Verbindungsressource zugreifen. Für dieses Problem existieren, abhängig vom spezifischen Fall, die verschiedensten Lösungsansätze.
Im folgenden wird das Problem anhand eines Beispiels aus dem UMTS-System für eine Paketdatenübertragung geschildert. Für eventuelle Begriffsklärungen bzw. eine ausführlichere Darstellung sei auf die Figurenbeschreibung verwiesen.

Der physikalische Zufalls Zugriff Kanal bzw. "Physical Random Access Channel" PRACH ist ein sog. gemeinsamer Kanal bzw. "Common Channel", auf den prinzipiell alle Terminals innerhalb einer Zelle gemeinsam zur Übertragung von Signalisierungsinformationen sowie von Nutzdaten verwenden können. Maximal sind derzeit auf einer Zelle bis zu 16 verschiedene PRACHs konfiguriert. Der Zugriff eines Terminals auf den PRACH ist nach dem zufälligen Zugriffsverfahren "Slotted ALOHA" geregelt, bei dem jedes Terminal nur zu Beginn von festgelegten Zeitintervallen Daten auf den zufällig gewählten PRACH senden darf. Dabei können Kollisionen durch zeitgleich sendende Terminals auftreten, d.h. deren Datenpakete stören sich gegenseitig, so dass diese fehlerhaft im terrestrischem Zugriffsnetz für UMTS bzw. "Universal Terrestrial Radio Access Network" UTRAN empfangen werden. Im Falle einer zu bestätigenden Paketdatenübertragung, welche über den PRACH angefragt wird, wartet das sendende Terminal auf eine Bestätigung vom UTRAN über den sekundären gemeinsamen physikalischen Steuerungskanal bzw. "Secondary Common Control Physical Channel" S-CCPCH als separaten Rückkanal. Das UTRAN prüft alle empfangenen Datenpakete auf mögliche Übertragungsfehler und sendet an das Terminal das jeweilige Prüfungsergebnis über den S-CCPCH, wobei für ein fehlerfrei empfangenes Datenpaket eine positive Bestätigung oder ACK (Acknowledgement) übertragen wird, bzw. für ein fehlerhaft empfangenes Datenpaket eine negative Bestätigung NACK (Negative Acknowledgement). Erhält das Terminal eine Mitteilung, dass ein bestimmtes Datenpaket fehlerhaft übertragen wurde, so wiederholt das Terminal nach zufällig gewählten Wartezeiten die Übertragung für das fehlerhaft gesendete Datenpaket auf dem PRACH. Durch die Zufälligkeit wird das Risiko erneuter Zugriffskollisionen minimiert. Solange die Anzahl der auf denselben PRACH zugreifenden Terminals in einer Zelle moderat ist, arbeitet das Slotted ALOHA-Zugriffsverfahren gut. Sobald aber die Anzahl von Terminals steigt, erhöht sich mit der Verkehrslast in der Zelle auch die Gefahr eines steigenden Kollisionsrisikos, das weiterhin durch die Retransmission infolge fehlerhafter Datenübertragungen zusätzlich gesteigert wird. Dies führt zu einer Verzögerung der Datenübertragung bzw. zu einer Verschlechterung des Datendurchsatzes und zu einer zusätzlichen Interferenz im Uplink. Im schlimmsten Fall werden über den Kanal nur noch kollidierte Datenpakete übertragen, so dass der Datendurchsatz auf Null sinkt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, die Effizienz der Paketdatenübertragung für einen gemeinsam benutzten Funkkanal auch im Fall höherer Verkehrslasten zu steigern.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.

Es ist Kern der Erfindung, in einem Verfahren zur Datenübertragung Übertragungsrahmen in einem von mehreren Terminals gemeinsam benutzten Funkkanal zu einer Basisstation gegenüber den bisher üblichen zu verkürzen, wobei die Länge insbesondere 1 bis 5 Zeitschlitze beträgt. Die Verkürzung findet insbesondere bereits in der physikalischen Schicht statt. Dies hat den Vorteil, dass im Falle von Kollisionen oder sonstigen Übertragungsfehlern weniger Datenbits wiederholt übertragen werden müssen.

Diese Übertragungsrahmenlänge kann in Abhängigkeit von der Qualität des Funkkanals gewählt werden. Je nach Art der Qualitätsbestimmung, also beispielsweise zeitnah oder gemittelt, kann so der Funkbetrieb an die jeweiligen Übertragungsbedingungen angepasst optimiert werden. So kann im Falle einer schlechten Kanalqualität die Übertragungsrahmenlänge kürzer gewählt werden.

Insbesondere kann die Effizienz der Paketdatenübertragung weiterhin gesteigert werden, indem auch eine Multicode-Übertragung, d.h. die Verwendung mehrerer Spreizcodes zur Übertragung, auf diesen verkürzten Rahmen vorgesehen ist. Dies hat beispielsweise den Vorteil, dass die Datenmenge in Abhängigkeit vom Kanalzustand flexibel angepasst werden kann. Auch die Anzahl der Spreizcodes kann, um eine Anpassung an die Übertragungsbedingungen zu erzielen, an die Kanalqualität angepasst werden.

Besonders geeignet ist ein derartiges Verfahren für eine paketorientierte Übertragung, da für einzelne Pakete oder Teile von Paketen die Bedingungen neu eingestellt werden können.

In einer Paketdatenübertragung kann vorgesehen sein, dass in einem Paket ein Datenteil und ein Kontrollteil für Steuerinformationen vorgesehen ist. Je nach Art der Übertragung oder z.B. Anteil von Kontrollteil oder Datenteil können für diese Teile eine unterschiedliche oder gleiche Anzahl von Spreizcodes vorgesehen sein.

Eine Basisstation oder ein Terminal, welches zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens bzw. einer Ausgestaltung hiervon geeignet ist, weist neben einer Sende/Empfangseinrichtung eine entsprechend eingerichtete Prozessoreinheit auf.

Ein Kommunikationsnetz, in dem eines der oben beschriebenen Verfahren durchgeführt werden kann, umfasst zumindest ein derartiges Terminal und eine derartige Basisstation.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Figuren beschrieben.

Es zeigen:

1 einen schematischen Ablauf einer Datenübertragung auf dem PRACH, insbesondere im UMTS-FDD-Modus;

2 eine Rahmenstruktur für den PRACH-Nachrichtenteil gemäß dem Stand der Technik;

3 eine Rahmenstruktur für den S-CCPCH gemäß dem Stand der Technik;

4 eine Unterrahmen-Struktur mit einer Übertragungszeitlänge TTI von einem Zeitschlitz;

5 eine Unterrahmen-Struktur mit einer Übertragungszeitlänge TTI von zwei Zeitschlitzen;

6 eine Unterrahmen-Struktur mit Übertragungszeitlänge TTI von drei Zeitschlitzen;

7 eine Unterrahmen-Struktur mit Übertragungszeitlänge TTI von vier Zeitschlitzen;

8 eine Unterrahmenstruktur mit Übertragungszeitlänge TTI von fünf Zeitschlitzen;

9 eine Unterrahmenstruktur für den PRACH-Nachrichtenteil im Falle einer Einzelcode-Übertragung;

10 eine Unterrahmenstruktur für den PRACH-Nachrichtenteil im Falle einer Multicode-Übertragung;

11 eine Unterrahmenstruktur für den S-CCPCH im Falle einer Multicode-Übertragung;

12 eine Unterrahmenstruktur im Falle einer Einzelcode-Übertragung auf dem PRACH-Nachrichtenteil;

13 eine Unterrahmenstruktur im Falle einer Einzelcode-Übertragung auf dem S-CCPCH;

14 eine Unterrahmenstruktur im Falle einer Multicode-Übertragung auf dem PRACH-Nachrichtenteil;

15 eine Unterrahmenstruktur im Falle einer Multicode-Übertragung auf dem S-CCPCH.

Die Figuren sind in Gruppen zusammengefasst, von denen 1 ein Prinzipschema einer Übertragung zeigt, die 2 und 3, die Rahmenstruktur für den PRACH-Nachrichtenteil bzw. den S-CCPCH. Die 4 bis 8 zeigen Unterrahmen-Strukturen mit unterschiedlichen Übertragungszeitlängen. Die 9 bis 11 beziehen sich auf die Unterrahmenstruktur hinsichtlich Einzelcode- bzw. Multicodeübertragungen. Die 12 bis 15 zeigen wiederum die Unterrahmenstrukturen hinsichtlich Einzel- oder Multicode-Übertragungen, jedoch für ausgewählte Codes.
Zunächst sollen zur Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung folgende Begriffserklärungen gegeben werden.
1. Begriffsklärungen
Bei einem Kommunikationssystem oder Kommunikationsnetzwerk handelt es sich um eine Struktur zum Austausch von Daten. Es kann sich hierbei beispielsweise um ein zellulares Mobilfunknetzwerk handeln, wie etwa das GSM-Netzwerk (Global System of Mobile Communications) oder das UMTS-Netzwerk (Universal Mobile Telecommunications System). In einem Kommunikationssystem sind allgemein Terminals und Basisstationen vorgesehen, die über eine Funkschnittstelle miteinander in Verbindung treten. Im UMTS weist das Kommunikationssystem oder Funkübertragungsnetzwerk zumindest Basisstationen, hier auch NodeB genannt, sowie Radio Netzwerk Steuerungseinheiten bzw. Radio Network Controller (RNC) zum Verbinden der einzelnen Basisstationen auf. Das terrestrische Radio Zugriffsnetz bzw. "Universal Terrestrial Radio Access Network" UTRAN ist der funktechnische Teil eines UMTS-Netzes, in dem beispielsweise auch die Funkschnittstelle zur Verfügung gestellt wird. Eine Funkschnittstelle ist stets genormt und definiert die Gesamtheit der physikalischen und protokollarischen Festlegungen für den Datenaustausch, beispielsweise das Modulationsverfahren, die Bandbreite, den Frequenzhub, Zugangsverfahren, Sicherungsprozeduren oder auch Vermittlungstechniken. Das UTRAN umfasst also zumindest Basisstationen sowie zumindest einen RNC.
Bei zellulären Mobilfunksystemen können verschiedene Funkübertragungstechnologien vorgesehen sein, die definieren, wie die physikalischen Verbindungsressourcen aufgeteilt werden. Im Falle von UMTS ist momentan ein Frequenzmehrfachzugriffs-Modus bzw. Frequency Division Duplex (FDD)-Modus vorgesehen, sowie unterschiedliche Zeitmehrfachzugriffs-Modi bzw. Time Division Duplex (TDD)-Modi. Beim FDD-Modus erfolgt die Datenübertragung von sogennanten "Up-" und "Downlink" Verbindungen auf unterschiedlichen Frequenzen per Frequenzmultiplex, während bei den beiden TDD-Modi die Datenübertragung von Up- und Downlink auf der gleichen Frequenz per Zeitmultiplex erfolgt.
Eine Basisstation ist eine zentrale Einheit in einem Kommunikationsnetzwerk, die im Falle eines zellulären Mobilfunknetzwerks Terminals oder Kommunikationsendgeräte innerhalb einer Zelle des Mobilfunknetzwerks über einen oder mehrere Funkkanäle bedient. Die Basisstation stellt die Luftschnittstelle zwischen Basisstation und Terminal bereit. Sie übernimmt die Abwicklung des Funkbetriebs mit den mobilen Teilnehmern und überwacht die physikalische Funkverbindung. Darüber hinaus überträgt sie die Nutz- und Statusnachrichten an die Terminals. Die Basisstation hat keine Vermittlungsfunktion, sondern lediglich eine Versorgungsfunktion. Eine Basisstation umfaßt zumindest eine Sende/Empfangseinheit.
Ein Terminal kann ein beliebiges Kommunikationsendgerät sein, über das ein Benutzer in einem Kommunikationssystem kommuniziert. Es fallen beispielsweise Mobilfunkendgeräte wie Mobiltelefone oder tragbare Computer mit einem Funkmodul darunter. Ein Terminal wird oft auch als "Mobilstation" (MS) oder in UMTS "User Equipment" (UE) bezeichnet.
Im Mobilfunk wird zwischen zwei Verbindungsrichtungen unterschieden. Die Abwärtsverbindung bzw. "Downlink" (DL) bezeichnet die Übertragungsrichtung von der Basisstation zum Terminal. Die Aufwärtsverbindung bzw. "Uplink" (UL) bezeichnet die entgegengesetzte Übertragungsrichtung vom Terminal zur Basisstation.
In Breitbandübertragungssystemen, wie beispielsweise einem UMTS-Mobilfunknetz ist ein Kanal ein Teilbereich einer zur Verfügung stehenden Gesamtübertragungskapazität. Als Funkkanal wird im Rahmen dieser Anmeldung ein drahtloser Kommunikationsweg bezeichnet.
In einem Mobilfunksystem, beispielsweise UMTS, gibt es für die Übertragung von Daten zwei Arten von physikalischen Kanälen: festzugeordnete Kanäle bzw. "Dedicated Channels" und gemeinsam benutzte bzw. "Common Channels". Bei den Dedicated Channels wird eine physikalische Ressource nur für die Übertragung von Informationen für ein bestimmtes Terminal reserviert. Bei den Common Channels können Informationen übertragen werden, die für alle Terminals gedacht sind, beispielsweise der primäre gemeinsame physikalische Steuerungskanal bzw. "Primary Common Control Physical Channel" (P-CCPCH) im Downlink, oder aber alle Terminals teilen sich eine physikalische Ressource, indem jedes Terminal diese nur kurzzeitig nutzen darf. Dies ist beispielsweise beim physikalischen Zufalls Zugriffs Kanal bzw. "Physical Random Access Channel" (PRACH) im Uplink der Fall.
Bei der Übertragung über einen Common oder Dedicated Channel werden die Daten neben einer Bandbreitenspreizung mittels eines Spreiz-Codes bzw. "Channelisation Codes" zur robusteren Übertragung zusätzlich einer Verwürfel bzw. "Scrambling" Prozedur zur Kennzeichnung einer spezifischen Verbindung unterzogen. Dazu werden in Abhängigkeit der Übertragungsrichtung, des Kanaltyps und der Funkübertragungstechnologie verschiedene Typen von Verwürfel-Codes bzw. "scrambling codes" eingesetzt.
Während ein Bit aus einer Datensequenz meist als Symbol bezeichnet wird, wird ein Bit einer bandbreiten-gespreizten Sequenz als Chip bezeichnet.
In Mobilfunksystemen wie beispielsweise UMTS sind neben leitungsvermittelten bzw. "circuit switched" Diensten auch paketorientierte bzw. "packet switched" Dienste vorgesehen.
Insbesondere in Mobilfunksystemen der 2. bzw. 3. Generation, wie dem GSM bzw. UMTS, erfolgt die Datenübertragung über den Funkkanal allgemein in einer fest vorgegebenen zeitlichen Struktur, dem Übertragungsrahmen, welcher oft auch nur als Rahmen oder Frame bezeichnet wird. Ein Übertragungsrahmen stellt also die periodische Basis-Zeitstruktur dar, mit der Daten physikalisch übertragen werden. In UMTS beträgt ein Rahmen 10 ms. Zur Durchführung von bestimmten Funktionen wie Kanalschätzung und Leistungskontrolle ist ein Rahmen in Zeitschlitze unterteilt, beispielsweise in UMTS in 15 Zeitschlitze. Ein Zeitschlitz ist also ein fest zugeordneter Zeitabschnitt innerhalb eines Übertragungsrahmens.
Auf Basis der zeitlichen Struktur, bestehend aus Rahmen und Zeitschlitzen, kann man weitere zeitliche Unterstrukturen, beispielsweise Unterrahmen bzw. "Subframes", definieren. Beispielsweise könnte man in UMTS einen Unterrahmen definieren, der drei Zeitschlitze umfassen soll, so dass sich ein Rahmen dann aus 5 Unterrahmen zusammensetzt.
Eine Übertragungsrahmenlänge bzw. ein Übertragungszeitintervall bzw. "transmission time interval" (TTI) bezeichnet die Zeitlänge, über die Daten, welche zusammen kodiert wurden aufgrund einer Verwürfelung, z.B. einem sogenannten "Scrambling" oder "Interleaving", zeitlich aufgespreizt werden. Ein TTI kann beispielsweise in Bezug auf Zeitschlitze angegeben werden.
Damit kann insbesondere das Übertragungszeitintervall, in dem Daten von der Medium Zugangs Schicht bzw. Medium Access Schicht (MAC) (OSI-Schicht 2, OSI: Open System Interconnection) zur physikalischen Schicht (OSI-Schicht 1) in Form von sog. Transportblöcken (= Verbund von Datenpaketen fester Länge übertragen werden, bezeichnet sein. Weiterhin kann damit beispielsweise das Übertragungszeitintervall, in dem die Daten dann physikalisch über die Luftschnittstelle übertragen werden, bezeichnet sein.
Beispielsweise im Fall, für den gilt TTI = 40ms, werden zum einen alle 40ms Daten von der MAC-Schicht zur physikalischen Schicht gesendet. Zum anderen werden diese Daten dann von der physikalischen Schicht innerhalb von 4 Rahmen übertragen.
2. Probleme im Stand der Technik
Es hat sich nun herausgestellt, dass es bei zeitgleich an eine Basisstation sendenden Terminals zu Zufallskollisionen auf gemeinsamen Kanälen kommen kann. Dies soll im folgenden anhand eines gemeinsamen Kanals, dem Physical Random Access Channel PRACH im UMTS-System geschildert werden:
Nach dem aktuellen UMTS-Standard Release 5 sind der PRACH und der S-CCPCH im FDD-Modus wie folgt spezifiziert: Der PRACH ist zur Uplink-Übertragung von burstartigen Datenverkehr bis 120 kbps (Kilobits per second) als Bruttodatenrate spezifiziert. Der PRACH besteht aus einem Präambelteil (preamble part) und einem Nachrichtenteil (message part), über welchen die Nutzinformation bzw. "pay load" übermittelt wird. Prinzipiell können alle Terminals innerhalb einer UMTS-Zelle gemeinsam den PRACH zur Übertragung von Signalisierungsinformationen sowie von Nutzerdaten verwenden. Der Zugriff der Terminals auf den PRACH ist nach dem Zufallsverfahren "Slotted ALOHA" geregelt, bei dem jedes Terminal nur zu Beginn von festgelegten Zeitintervallen Daten auf dem PRACH senden darf. Die Random Access-Übertragung besteht aus einer oder mehreren Präambeln der Länge 4096 Chips sowie der eigentlichen Nachricht im Nachrichtenteil.
Für den PRACH-Nachrichtenteil sind Übertragungszeitlängen von 10 oder 20 ms Transmission Time Interval (TTI) definiert. Im optimalen Fall muß die Nachricht auf dem PRACH-Nachrichtenteil nur einmal übertragen werden, nämlich dann, wenn die unter 1 geschilderte Datenübertragungsprozedur nicht die beschriebenen Detektionsschwierigkeiten erfährt. Nach der Spreizung mit dem Spreiz-Code wird der PRACH-Nachrichtenteil zur Kennzeichnung mit einem spezifischen Scrambling Code der Länge 38400 Chips, was einer Länge von 10 ms entspricht, verwürfelt bzw. "scrambled". Das Verwürfeln bzw. "Scrambling" dient zur Kennzeichnung der Daten, so dass unterschiedliche Verbindungen oder Datenübertragungen separierbar sind.
In 1 ist schematisch ein Ablauf einer zu bestätigenden Zufalls-Zugriff Daten-Übertragung zwischen einem Terminal UE sowie dem zumindest eine Basisstation umfassenden UTRAN dargestellt. Dieser Vorgang kann gleichzeitig für mehrere Terminals UE ablaufen. Die Daten können beispielsweise eine Nachricht sein. Die Pfeile vom Terminal UE zum UTRAN kennzeichnen eine Übertragung auf dem PRACH, die Pfeile vom UTRAN zum Terminal UE kennzeichnen eine Übertragung auf dem S-CCPCH bzw. AICH. Auf dem S-CCPCH werden Daten, also Signalisierungsinformationen oder Nutzerdaten, über die Luftschnittstelle zum Terminal gesendet. Weiterhin sind für den S-CCPCH Übertragungszeitlängen von 10, 20, 40 oder 80 ms als TTI definiert. Auch der S-CCPCH wird nach der Spreizung noch verwürfelt, diesmal mit einem Zell-spezifischen ersten bzw. "primary" oder einem zweiten Verwürfelcode bzw. "secondary scrambling _Code" der Länge 38400 Chips, was wiederum einer Zeit von 10 ms entspricht. Ein zweiter Verwürfelcode wird dann benötigt, wenn die Anzahl der ersten Verwürfelcodes für die Anzahl der Verbindungen in der Zelle nicht ausreicht.
Protokollmäßig werden die Daten von höheren Protokollschichten über Transportkanäle, beispielsweise den Forward Access Channel FACH und/oder den Paging Channel PCH zur physikalischen Schicht übertragen, wo sie dann auf den physikalischen Kanal S-CCPCH gemappt bzw. abgebildet werden. Im Falle einer zu bestätigenden Paketdatenübertragung, d.h. dass der Empfang eines Paketes vom Empfänger bestätigt wird, sendet das UTRAN über den Forward Access Channel FACH eine Bestätigungsnachricht zum Terminal UE.
Das in 1 dargestellte Zufalls-Zugriff Daten-Übertragungsverfahren beinhaltet nun folgende Schritte:

1. Vor dem Beginn der eigentlichen Daten-, beispielsweise Nachrichtenübertragung, sendet das Terminal UE eine zufällig gewählte Präambel der Länge 4096 Chips zum UTRAN. Falls das UTRAN die Präambel korrekt detektieren kann, sendet es eine positive Bestätigung (ACK) auf dem Zugriffs-Indikator Kanal bzw. "Acquisition Indicator Channel" (AICH) zum Terminal UE. Falls das UTRAN die Präambel nicht korrekt detektieren kann, sendet es eine negative Bestätigung (NACK) auf dem AICH zum Terminal UE. Es wird nun angenommen, dass das UTRAN die vom Terminal UE gesendete Präambel nicht korrekt detektieren kann.
2. Somit wird ein NACK auf dem AICH an das Terminal UE zurückgesendet.
3. Das Terminal UE sendet nach einer zufällig gewählten Wartezeit eine neue zufällig gewählte Präambel zum UTRAN. Dabei wird diese Präambel nun mit einer etwas höheren Leistung als bei der ersten Präambelübertragung gesendet.
4. Diesmal soll angenommen werden, dass das UTRAN die vom Terminal UE gesendete Präambel korrekt detektierte. Somit wird ein ACK auf dem AICH an das Terminal UE zurückgesendet.
5. Die Sendeleistung für den folgenden PRACH-Nachrichtenteil wird auf Basis der Sendeleistung der erfolgreich gesendeten Präambel eingestellt. Das Terminal UE sendet die Nachricht auf dem PRACH-Nachrichtenteil zum nächstmöglichen Zeitpunkt zum UTRAN und wartet auf eine Bestätigung über den S-CCPCH.
6. Für den Fall, dass das UTRAN die vom UE gesendete Nachricht auf dem PRACH-Nachrichtenteil fehlerfrei empfangen konnte, wird ein ACK über den S-CCPCH zurückgesendet, womit die Random Access-Übertragung beendet ist.

Auf dem PRACH-Nachrichtenteil wird eine Nachricht, das sind beispielsweise Signalisierungsinformationen oder Nutzdaten, über die Luftschnittstelle zum UTRAN gesendet. Protokollmäßig wird die Nachricht von höheren Protokollschichten über den RACH-Transportkanal zur physikalischen Schicht übertragen, wo sie dann auf den physikalischen PRACH-Nachrichtenteil gemappt bzw. abgebildet wird.
In 2 ist die Rahmenstruktur für den PRACH-Nachrichtenteil dargestellt, wie sie im Stand der Technik verwendet wird. Der Radioframe oder Radiorahmen des Nachrichtenteils umfasst eine Zeit von 10 ms. Dieser Radiorahmen ist in 15 Zeitschlitze S#0 bis S#14 aufgeteilt.
Jeder Zeitschlitz enthält einen Datenteil D und einen Kontrollteil C. Der Kontrollteil ist wiederum in einen Pilotabschnitt P und einen Transportformat-Kombinationsindikator-Abschnitt TFCI aufgeteilt. Auf dem Kontrollteil werden nur spezifische Kontrollinformationen der physikalischen Schicht gesendet, wie sog. "Pilot-Bits" zur Kanalschätzung und "TFCI-Bits" als Transportformat-Kombinationsindikator für den Datenteil. Auf dem Datenteil wird die eigentliche Nachricht vom RACH-Transportkanal gesendet. Die Anzahl der auf dem Kontroll- und Datenteil übertragenen Datenbits pro Rahmen bzw. Zeitschlitz N_Pilot, N_TFCI, N_Data ergibt sich aus dem Spreizfaktor (SF) des verwendeten OVSF-Spreiz-Codes (OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor) und der im Uplink verwendeten Modulationsart BPSK (Binary Phase Shift Keying). Der Kontrollteil wird immer mit einem Spreiz-Code mit einem Spreizfaktor von 256 gespreizt, so dass 10 Bits in einem Zeitschlitz der Länge 2560 Chips übertragen werden. Für den Datenteil sind Spreiz-Codes mit einem Spreizfaktor von 32, 64, 128 oder 256 möglich. Dies bedeutet, dass pro Zeitschlitz der Länge 2560 Chip zumindest 10 Bits bei einem Spreizfaktor von 256 bis maximal 80 Bits bei einem Spreizfaktor von 32 übertragen werden können. Dies ist auch in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1: Anzahl Bits pro Rahmen bzw. Zeitschlitz in Abhängigkeit vom SF auf dem PRACH message Part
Der Datenteil und der Kontrollteil werden über ein sog. I-Q-Codemultiplexing übertragen, d.h. der Datenteil D wird auf den I-Zweig (Real-Zweig) und der Kontrollteil C auf den Q-Zweig (Imaginär-Zweig) übertragen, die jeweils phasenverschoben zueinander sind. Da der Imaginär-Zweig und der Real-Zweig sich nicht gegenseitig stören, können die Werte parallel ausgesendet werden.
3 zeigt die entsprechende Rahmenstruktur eines Radiorahmens des S-CCPCHs, wie sie im Stand der Technik verwendet wird. Die Länge des Radiorahmens ist mit T_f bezeichnet und beträgt 10ms. Der Radiorahmen setzt sich aus 15 Zeitschlitzen S#0 bis S#14 zusammen. Jeder Zeitschlitz hat die Zeitdauer von 10/15 ms. In jedem Zeitschlitz der Länge 2560 Chip werden folgende Informationen gesendet:

a) die TFCI-Bits als Transportformat-Kombinationsindikator für die eigentlichen Datenbits, welche spezifische Kontrollinformationen der physikalischen Schicht darstellen.
b) Die Pilotbits zur Kanalschätzung; sowie
c) die Datenbits der Forward Access Channel FACH bzw. Paging Channel PCH-Transportkanäle. Die Anzahl der auf dem S-CCPCH übertragenen Bits pro Rahmen bzw. Zeitschlitz ergibt sich aus dem Spreizfaktor des verwendeten OVSF-Spreiz-Codes und der im Downlink verwendeten Modulationsart QPSK (Quarternary Phase Shift Keying). Für den S-CCPCH sind Spreiz-Codes mit einem Spreizfaktor SF von 4, 8, 16, 32, 64, 128 oder 256 möglich. Dies bedeutet, dass pro Zeitschlitz der Länge 2560 Chips zumindest 20 Bits bei einem Spreizfaktor von 256 bis maximal 1280 Bits bei einem Spreizfaktor von 4 übertragen werden können. Diese Kombinationen sind in der nachfolgenden Tabelle 2 aufgelistet.

Tabelle 2: Anzahl Bits pro Rahmen bzw. Zeitschlitz in Abhängigkeit vom Spreizfaktor auf dem S-CCPCH
3. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Wie erwähnt, hat es sich herausgestellt, dass sich durch herkömmliche Methoden, wie beispielsweise eine höherwertige Codierung das Problem von Zugriffskollisionen beim gleichzeitigen Zugriff mehrerer Terminals auf eine gemeinsam benutzte Ressource, also z.B. einen gemeinsam benutzten Funkkanal zu einer Basisstation, und den daraus resultierenden Re-Transmissionen, welche zu einem zumindest verminderten Datendurchsatz führen, nicht lösen lässt.
Deshalb wird vorgeschlagen, einen grundsätzlich verschiedenen Ansatz zu verfolgen, bei dem die Rahmenformate in Bezug auf die Übertragungsrahmen – auf physikalischer Schicht (d.h. nicht in höheren Schichten) im Vergleich zu den Bisher verwendeten verkürzt werden.
Damit können im Falle einer Zugriffskollision kleinere kürzere Zeitrahmen wiederholt übertragen werden, wodurch auch weniger Datenbits erneut vom Sender (Terminal) übertragen werden müssen. Dies senkt das Verkehrsaufkommen, wodurch die Ressource, also der Funkkanal kapazitätseffizienter eingesetzt werden kann. Somit können mehr Terminals in eine zuverlässige Kommunikation mit der Basisstation treten. Weiterhin kann auch Energie beim Terminal eingespart werden, wenn kürzere Rahmen versendet werden und auch wenn weniger Re-Transmissionen erfolgen.
Insbesondere hat sich bei den derart verkürzten Rahmenformaten eine Übertragungsrahmenlänge von 1 bis 5 Zeitschlitzen als vorteilhaft dargestellt.
Es hat sich hierbei herausgestellt, dass sich die Effizienz der Transmission durch die Verwendung von mehreren Codes auf einem derartig verkürzten Rahmen steigern lässt.
Verschiedene Ausgestaltungen dazu sind im folgenden beschrieben.
a) Ausführungsbeispiele für die Rahmenverkürzung (4 bis 8 in Verbindung mit 9, 12 bis 13)
Im folgenden werden anhand der 4 bis 8 Ausführungsbeispiele geschildert, bei denen die Rahmen gegenüber dem bisher verwendeten Rahmenformat gekürzt wurden. Die Beispiele beziehen sich zunächst auf eine Einzelcode-Übertragung, sind jedoch auch für eine Multicode Übertragung anwendbar.
In den 4 bis 8 ist eine Unterrahmenstruktur bzw. Subframe-Struktur mit einer Übertragungszeitlänge bzw. Transmission-Time Interval TTI von einem, zwei, drei, vier, bzw. fünf Zeitschlitzen (Slots) gezeigt. Die Länge des Zeitschlitzes T_slot beträgt stets 2560 Chips, in der jeweils N_Data Nutzdatenbits übertragen werden.
Während in den 4 bis 8 die zeitliche Aufteilung dargestellt ist, ist in den 12 und 13 die Code Aufteilung für den Unterrahmen oder Subframe für den PRACH Nachrichtenteil bzw. den S-CCPCH gezeigt.
In 9 ist die Unterrahmenstruktur für den PRACH-Nachrichtenteil im Falle einer Einzelcode-Übertragung dargestellt. Der Nachrichtenteil enthält einen Datenteil D sowie einen Kontrollteil C. Der Datenteil D ist mittels eines OVSF-Spreiz-Codes, welcher mit C_d,SF,1 bezeichnet ist, gespreizt. Auch der Kontrollteil C wird mittels eines Spreiz-Codes gespreizt, welche in der Zeichnung C_d,SF,1 bezeichnet ist. Beide Codes werden mittels I/Q-Code-Multiplexing vom Terminal zum UTRAN übertragen.
Einzelcode-Übertragung mit T_f = 1 Zeitschlitz (vgl. 4 in Verbindung mit 12)

– Die Übertragungszeitlänge für den PRACH Nachrichtenteil und S-CCPCH ist T_f = 1 Zeitschlitz bzw "time slot" S
– Pro Unterrahmen UR sollen auf dem PRACH Nachrichtenteil folgende Daten übertragen werden: – Anzahl der Kontrollinformationsbits der physikalischen Schicht = 40 Bits – Anzahl der Datenbits vom RACH-Transportkanal = 80
– Pro Unterrahmen UR sollen auf dem S-CCPCH folgende Daten übertragen werden: – Anzahl der Kontrollinformationsbits der physikalischen Schicht = 40 Bits – Anzahl der Datenbits vom FACH-Transportkanal = 40

12 zeigt die Unterrahmen-Struktur auf dem PRACH Nachrichtenteil. Zur Übertragung der Daten auf dem Kontrollteil reicht ein OVSF-Spreiz-Code mit SF = 64, d.h. C_c,64,1 Für den Datenteil genügt ein OVSF-Spreiz-Code mit Spreizfaktor SF = 32, d.h. C_d,32,1.
Der erste Buchstabe bei der Indizierung der Codes bezeichnet, ob er für Daten D oder Steuerungsinformation C verwendet wird, die zweite Zahl bezeichnet den Spreizfaktor und die dritte Zahl die Nummer des verwendeten Spreiz-Codes im OVSF-Codebaum.
Beide Codes werden per I/Q-Codemultiplexing vom Terminal UE zum UTRAN übertragen. 13 zeigt die Unterrahmen-Struktur auf dem S-CCPCH. Zur Übertragung der Daten reicht ein OVSF-Spreiz-Code mit SF = 64, d.h. C_Ch,64,1
b) Ausgestaltungsbeispiele für Multi-Code Übertragung (10, 11, 14, 15)
Der UMTS-Standard unterstützt derzeit keine Multicodeübertragung für den Kontroll- und den Datenteil des PRACH. Unter einer Multicodeübertragung versteht man eine Übertragung, bei der einzelnen Datenpaketen oder Teilmengen der Daten unterschiedliche Spreizfaktoren zugeordnet werden. Auch für den S-CCPCH erlaubt der UMTS-Standard derzeit keine Multicodeübertragung.
Wie bereits erwähnt, kann durch eine Multicode Übertragung auf den verkürzten Rahmen ein höherer Durchsatz erzielt werden.
Multicode-Übertragung mit T_f = 1 Zeitschlitz

– Die Übertragungszeitlänge für den PRACH Nachrichtenteil und S-CCPCH ist TTI = 1 Zeitschlitz
– Pro Unterrahmen sollen auf dem PRACH Nachrichtenteil folgende Daten übertragen werden: – Anzahl der Kontrollinformationsbits der physikalischen Schicht = 80 Bits – Anzahl der Datenbits vom RACH-Transportkanal = 160
– Pro Unterrahmen sollen auf dem S-CCPCH folgende Daten übertragen werden: – Anzahl der Kontrollinformationsbits der physikalischen Schicht = 40 Bits – Anzahl der Datenbits vom FACH-Transportkanal = 80

14 zeigt die Unterrahmen-Struktur auf dem PRACH Nachrichtenteil. Zur Übertragung der Daten auf dem Kontrollteil werden zwei OVSF-Spreiz-Codes mit SF = 64 benötigt, d. h. C_c,64,1 und C_c,64,2. Für den Datenteil werden ebenfalls zwei OVSF-Spreiz-Codes mit SF = 32 benötigt, d.h. C_d,32,1 und C_d,32,2. Alle vier Codes werden per I/Q-Codemultiplexing vom UE zum UTRAN übertragen. 15 zeigt die Unterrahmen-Struktur auf dem S-CCPCH. Zur Übertragung der Daten werden drei OVSF-Spreiz-Codes mit SF = 128 benötigt, d.h. C_Ch,128,1, C_Ch,128,2, und C_Ch,128,3.
10 zeigt die Unterrahmenstruktur für den PRACH-Nachrichtenteil im Falle einer Multicode-Übertragung. In diesem Fall ist es nun möglich, mehrere OVSF-Spreiz-Codes sowohl für den Datenteil als auch für den Kontrollteil zu verwenden. Für den Datenteil können bis zu N Codes desselben Spreizfaktors, welche in der Zeichnung mit C_d,SF,1 bis C_c,SF,N bezeichnet werden, verwendet werden, wobei N eine natürliche Zahlbezeichnet. Für den Kontrollteil können weiterhin bis zu M Codes desselben Spreizfaktors, welche in der Zeichnung mit C_c,SF,1 bis C_c,SF,M bezeichnet werden, verwendet werden, wobei M eine natürliche Zahl bezeichnet. Wahlweise kann die Anzahl der Codes M gleich der Anzahl der Codes N sein, oder nicht. Alle M+N-Codes für den PRACH-Nachrichtenteil werden mittels I/Q-Code-Multiplexing vom Terminal zum UTRAN übertragen. Vorteil an einer Multicode-Übertragung ist, dass beispielsweise einem Terminal mehrere Codes zugeordnet werden können, wodurch die zu übertragende Datenmenge für das Terminal steigt.
In 11 ist die Unterrahmenstruktur für den S-CCPCH im Falle einer Multicode-Übertragung dargestellt. Insgesamt können bis zu L Codes mit demselben Spreizfaktor, welche in der Zeichnung mit C_Ch,SF,1 bis C_Ch,SF,L bezeichnet wird, verwendet werden, wobei auch L eine natürliche Zahl darstellt. Im Falle einer Einzelcode-Übertragung wird nur ein einziger Code C_Ch,SF,1 verwendet. Der Vorteil einer Multicode-Übertragung auf dem PRACH Nachrichtenteil oder dem S-CCPCH liegt darin, dass die Datenmenge in Abhängigkeit vom Kanalzustand flexibel angepasst werden kann. Das heißt beispielsweise, dass bei einem schlechten Kanalzustand weniger Codes verwendet werden, wodurch weniger Daten von Übertragungsfehlern betroffen werden. Bei einem guten Kanalzustand dagegen können viele Codes verwendet werden.
In den 12 bis 15 sind die Unterrahmenstrukturen für den PRACH bzw. den S-CCPCH im Falle einer Einzelcode-Übertragung dargestellt. Im Falle des PRACH wird für einen Unterrahmen der Länge T_f für den Datenteil bzw. "Data part" D ein bestimmter Spreiz-Code C_D,32,1 gewählt. Das D steht hierbei für den Datenpart, 32 stellt den Spreizfaktor SF dar und 1 die Nummer des verwendeten Spreiz-Codes im OVSF-Codebaum. Ebenso wurde für den Kontrollteil ein bestimmter Code C_c,64,1 ausgewählt, wobei C für Control steht, 64 den Spreizfaktor darstellt und 1 die Nummer des verwendeten Spreiz-Codes. Analog ist in 13 für den S-CCPCH Unterrahmen der Länge T_f zu sehen, dass die Daten mit einem Code C_Ch,64,1 gespreizt werden, wobei das Ch für Channelisation Code also Spreiz-Code, steht, 64 den Spreizfaktor bezeichnet und 1 wiederum die Nummer des verwendeten Spreiz- bzw. Channelisation-Codes.
In 14 ist ein Spezialfall der 10 zu sehen, bei dem für eine Multicode-Übertragung auf auf PRACH-Nachrichtenteil bestimmte Spreiz-Codes für den Datenteil sowie den Kontrollteil (Data part bzw. Control part) ausgewählt wurden, wobei die Anzahl N gleich der Anzahl M ist und die 2 beträgt.
In 15 ist der Spezialfall von 11 zu sehen, bei dem für eine Multicode-Übertragung auf dem S-CCPCH drei unterschiedliche Spreiz-Codes gewählt wurden.
Andere vorteilhafte Ausgestaltungen sehen vor, dass die Übertragungsrahmenlänge oder/und die Anzahl der verwendeten Spreiz-Codes mit der Qualität des Funkkanals korreliert.
Damit ist die Übertragung an die Übertragungsbedingungen anpassbar. Die Qualität eines Funkkanals wird beispielsweise von folgenden Faktoren beeinflusst:

– einer Bewegung der Mobilfunkteilnehmer
– einer Mehrwegeausbreitung des Datensignals
– der Anzahl der aktiven Teilnehmer in einer Funkzelle
– den Basisstationen benachbarter Funkzellen.

Auch wenn die Problematik anhand eines spezifischen Beispiels aus dem UMTS System erläutert wurde, ist die Erfindung in verschiedenen Ausgestaltungen in weiten Bereichen, wie sie auch aus den Begriffsklärungen hervorgehen anwendbar.
Abkürzungen und Bezugszeichen

ACK Acknowledgement
AICH Acquisition Indicator Channel
FACH Forward Access Channel
FDD Frequency Division Duplex
kbps kilo bits per second
Mcps Mega chips per second
NACK Negative Acknowledgement
OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor
PCH Paging Channel
PRACH Physical Random Access Channel
RACH Random Access Channel
RNC Radio Network Controller
S-CCPCH Secondary Common Control Physical Channel
SF Spreading Factor
TDD Time Division Duplex
TFCI Transport Format Combination Indicator
TTI Transmission Time Interval
UE User Equipment
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

D:: Daten (Data)
C:: Steuerung (Control)
P:: Pilot
UR:: Unterrahmen (Subframe)
SF:: Spreizfaktor
S:: Zeitschlitz (Slot)
T_slot:: Zeitdauer eines Zeitschlitzes
T_RACH:: Zeitdauer eines RACH-Rahmens
T_f:: Zeitdauer eines Übertragungsrahmens (Frame)
N_Data:: Anzahl der (Nutz) Datenbits

Claims

Verfahren zur Übertragung von Daten auf einem gemeinsamen Funkkanal, der jeweils zwischen einer Basisstation (BS) und einer Vielzahl von Terminals (UE) in einem Mobilfunksystem bereitgestellt wird, – wobei die Daten zeitlich nacheinander übertragen und dabei auf vorgegebene Zeitschlitze des Funkkanals aufgeteilt werden und wobei jeweils ein oder mehrere Zeitschlitze zu einem Übertragungsrahmen zusammengefasst werden, – die Länge des Übertragungsrahmens auf dem Funkkanal bei der Übertragung zwischen Terminal und Basisstation in der Aufwärtsverbindung und in der Abwärtsverbindung n Zeitschlitze beträgt, dadurch gekennzeichnet dass – n eine natürliche Zahl zwischen 1 und 5 darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Übertragungsrahmenlänge in Abhängigkeit von der Qualität des Funkkanals gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zur Bandbreitenspreizung ein Spreiz-Code verwendet wird und auf dem Übertragungsrahmen die Daten wahlweise mit einem oder mehreren Spreiz-Codes gespreizt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anzahl der für einen Übertragungsrahmen zu verwendenden Spreiz-Codes in Abhängigkeit von der Qualität des Funkkanals eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Funkkanal zur Übertragung von Paket-orientierten Diensten konzipiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in einem Übertragungsrahmen Kontrolldaten und Nutzdaten übertragen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, bei dem in einem Übertragungsrahmen den Kontrolldaten eine Anzahl M von Spreiz-Codes zugeordnet wird und den Nutzdaten eine Anzahl N von Spreiz-Codes, wobei dem M und N Integerzahlen darstellen
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem wahlweise gilt, dass M gleich N oder M ungleich N ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem es sich bei dem Mobilfunksystem um ein UMTS FDD-System handelt und ein Zeitschlitz eine zeitliche Dauer von 10/15 ms aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem es sich bei dem Funkkanal bei der Uplink-Verbindung um den PRACH handelt und bei der Downlink-Verbindung um den S-CCPCH.
Terminal mit einer Prozessoreinheit, die derart eingerichtet ist, dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchführbar ist.
Basisstation mit einer Prozessoreinheit, die derart eingerichtet ist, dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchführbar ist.
Kommunikationssystem mit einer Basisstation nach Anspruch 12 und einem Terminal nach Anspruch 11.