DE19649667A1 - Verfahren und Anordnung zum Übertragen von Daten in einem zellularen Funksystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anord­ nung zum Übertragen von Daten in einem zellularen Funksystem. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine entsprechende Teilnehmerstation und Zentralstation.

Bei einem Mobilfunksystem ist üblicherweise eine zu versor­ gende Fläche in eine große Anzahl von Funkzellen eingeteilt. In diesen Funkzellen sind jeweils Basisstationen vorgesehen, über die die Verbindungen zwischen einem öffentlichen Tele­ fonnetz und den Teilnehmerstationen der einzelnen Teilnehmer, beispielsweise Mobilstationen, in der jeweiligen Zelle herge­ stellt werden können. Ein derartiges Mobilfunksystem ist bei­ spielsweise das vom European Telecommunication Standards In­ stitute (ETS1) standardisierte GSM (Global System for Mobile Communication). Ein derartiges System ist beispielsweise in einer Broschüre "D 900 Mobile Communication System" SYD der Siemens AG, 1992 beschrieben. Ein ähnliches System ist das DCS 1800/PCN.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Mobilfunksystem ist ein Funk­ bereich entsprechend dem GSM-Standard in mehrere Zellen Z aufgeteilt, von denen in Fig. 5 nur die Zellen Z1 bis Z7 dar­ gestellt sind. In einer Zelle Z wird der Telekommunikations­ dienst von und zu einer Mobilstation MS durch eine Basissta­ tion BTS bereitgestellt (BTS = Base Transceiver Station), die Teil einer Zentralstation ist. In der Fig. 6 sind lediglich die den Zellen Z1 bis Z3 zugeordneten Basisstationen BTS1 bis BTS3 dargestellt. Eine oder mehrere Basisstationen BTS sind mit einer Basis-Steuereinheit BTSC (BTSC = Base Station Con­ troller) verbunden, von denen in Fig. 5 nur die Basis-Steuer­ einheiten BTSC1 und BTSC2 dargestellt sind. Die Basis-Steuer­ einheiten BTSC führen die lokalen Funktionen der Rufvermitt­ lung, Überwachung und Wartung durch. Sie umfassen insbeson­ dere Steuereinheiten BCE (Base Station Control Equipment). Mehrere Basis-Steuereinheiten BTSC sind mit einer Vermitt­ lungseinrichtung SSS (SSS = Switching Sub System) verbunden, die ihrerseits mit dem öffentlichen Netz PSTN (PSTN = Public Switched Telefone Network) verbunden ist, das als ISDN-Netz, als Mobilfunknetz oder als sonstiges Telefon- oder Datennetz ausgebildet sein kann.

Falls ein Teilnehmer mittels einer Mobilstation MS in der Zelle Z1 mit einem anderen Teilnehmer kommunizieren will, wird über die Basisstation BTS1 mit der Basis-Steuereinheit BTSC1 ein vorgegebenes Protokoll abgewickelt, das beispiels­ weise in dem obengenannten GSM-Standard festgelegt ist. Wenn die Verbindung zwischen der Mobilstation MS und der Basis- Steuereinheit BTSC1 hergestellt ist, wird über die Vermitt­ lungseinrichtung SSS eine Verbindung zum öffentlichen Netz PSTN hergestellt. Von diesem aus wird dann der andere Teil­ nehmer, der wiederum mit einer Mobilstation versehen sein kann, erreicht.

Beim GSM erfolgt die Übertragung der Signale üblicherweise nach dem sogenannten TDMA(Time Division Multiple Access)-Ver­ fahren in einem Frequenz- und Zeitvielfachzugriff. Bei diesem Verfahren werden die Daten, die auch digitalisierte Sprache darstellen können, über Zeitschlitze eines TDMA-Rahmens über­ tragen.

Während der Übertragung beobachtet die Mobilstation die Funk­ feldbedingungen der benachbarten Basisstationen, damit auf der Basis dieser Messungen gegebenenfalls eine Übergabe (Handover) zu einer anderen Basisstation durchgeführt werden kann.

Um höhere Datenraten bei der Übertragung zwischen der Mobil­ station und dem Netz zu erreichen, können mehrere Zeit­ schlitze des TDMA-Rahmens für dieselbe Verbindung benutzt werden. Damit verkürzt sich jedoch die Zeitdauer, in der eine Mobilstation die benachbarten Basisstationen beobachten kann. Wenn beispielsweise alle Zeitschlitze eines TDMA-Rahmens für eine Verbindung benutzt werden, ist eine Beobachtung der be­ nachbarten Basisstationen sogar völlig unmöglich. Um dennoch die Beobachtung sicherzustellen, wäre es denkbar, zur Überwa­ chung der benachbarten Basisstationen in der Mobilstation ei­ nen zweiten Empfänger vorzusehen, der insbesondere für die Beobachtung der benachbarten Basisstationen dient. Eine der­ artige Lösung hat jedoch den Nachteil, daß sie einen verhält­ nismäßig großen Aufwand und zusätzliche Kosten erfordert und darüber hinaus die Mobilstation hinsichtlich ihres Volumens vergrößert.

Aus der EP 662 778 A2 ist der Asynchrone Transfer Mode (ATM) zur Datenübertragung von fest vorgegebenen Datenpaketen beim Mobilfunk bekannt. Die Überwachung von Nachbarzellen in einem zellularen System werden bei dieser bekannten Übertragung nicht angesprochen.

Weiterhin ist in der WO 91-2436 A1 beschrieben, daß bei einem zellularen Mobilfunksystem in jeder Basisstation Einrichtun­ gen vorgesehen sind, die zeitweilige Pausen der Übertragung zwischen der Basisstation und der Mobilstation erkennen und während dieser Pausen Signalisierungen mit der Mobilstation veranlassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mittels denen auf einfache Weise und kostengünstig eine Verbindung auf mehreren Zeitschlitzen hergestellt wird und dennoch die Verwendung eines zweiten Empfängers in der Mobilstation vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Eine An­ ordnung, eine Zentralstation und eine Teilnehmerstation zur Durchführung des Verfahrens sind in den Patentansprüchen 14, 16 bzw. 17 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung von zu übertragenden Da­ ten,

Fig. 2 die Struktur eines Zeitschlitzrahmens,

Fig. 3 die Struktur eines aus mehreren Zeitschlitzrahmen ge­ bildeten Rahmens,

Fig. 4 eine dreidimensionale schematische Darstellung von über mehrere Zeitschlitze eines Zeitschlitzrahmens gleichzeitig übertragenen Daten, wobei die Datenrate bei der Übertragung jeweils kurzzeitig reduziert wird, und

Fig. 5 ein Blockbild eines Mobilfunksystems.

Die Darstellung in Fig. 1 zeigt schematisch ein auf der Luft­ schnittstelle zwischen der Mobilstation und der Basisstation zu übertragendes Datenpaket DP. Dieses Datenpaket DP wird in Datenpaket-Segmente DPS1 bis DPSn aufgeteilt und die durch Zeitintervalle P von beispielsweise 1 s voneinander getrennt sind, während denen die Datenübertragungsrate vermindert wird. Diese Datenpaket-Segmente DPS werden mittels eines ent­ sprechenden Übertragungsprotokolls, beispielsweise das soge­ nannte modifizierte REP (Radio Link Protokol), über mehrere, beispielsweise bis zu acht, Zeitschlitze eines TDMA-Rahmens auf einer Frequenz gleichzeitig übertragen.

In Fig. 2 ist die Struktur eines GSM-Zeitschlitzrahmens (TDMA Frame) T mit acht Zeitschlitzen TN0 bis TN7 dargestellt, wo­ bei ein Zeitschlitzrahmen eine Dauer von 4,615 ms besitzt. Je­ der Zeitschlitz hat eine Dauer von ca. 0,577 ms bzw. 156,25 Bits. Den physikalischen Inhalt eines Zeitschlitzes bezeich­ net man als Burst. Vier verschiedene Bursttypen existieren in diesem System:

• 1. Normalburst (Normal Burst): Dieser Burst wird be­ nutzt, um Daten, Sprach- oder Kontrollinformationen zu über­ tragen.
• 2. Frequenzkorrekturburst (Frequency Correction Burst): Dieser Burst wird für die Frequenzsynchronization der Mobil­ station benutzt.
• 3. Synchronizationsburst (Synchronization Burst): Dieser Burst wird für die Rahmensynschronisation der Mobilstation benutzt.
• 4. Zugriffsburst (Access Burst): Dieser Burst wird für den Erstzugriff der Mobilstation und bei einem Weiterreichen (Handover) der Mobilstation benutzt.

Ein Normalburst TN mit einer Dauer von 0,577 ms ist in Fig. 2 vergrößert dargestellt. Er enthält 114 verschlüsselte oder unverschlüsselte Informationsbits, je nachdem, ob eine Ver­ schlüsselungsfunktion ein- oder ausgeschaltet ist. Diese Bursts sind in zwei Halbburst D1 und D2 mit jeweils 57 Bit's aufgeteilt. In der Mitte des Normalbursts befindet sich eine 26 Bit lange Einstellfolge (Training Sequence) TSC, die dazu dient, den Kanal auszumessen und/oder die Kanalimpulsantwort des Übertragungskanals zu schätzen. Zu beiden Seiten der Ein­ stellfolge TSC befindet sich jeweils ein Steuerbit CB, wel­ ches anzeigt, ob der Normalburst Daten oder Kontrollinforma­ tionen enthält. Ein Normalburst beginnt und endet jeweils mit drei definierten Zusatzbits (Tail Bits) TB. Ein Normalburst schließt mit einer Schutzzeit (Guard Period) GP von 8,25 Bits ab.

Die Verkehrsdatenkanäle im GSM sind in einem Rahmen TF, be­ stehend aus 26 Zeitschlitzrahmen (26-frame-multiframe), ange­ ordnet, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. In zwölf aufeinan­ derfolgenden Zeitschlitzenrahmen T, nämlich den Zeitschlitz­ rahmen 0 bis 11 und Zeitschlitzrahmen 13 bis 24 werden Daten, digitalisierte Sprache oder Kontrollinformationen gesendet. Der Zeitschlitzrahmen 12 dient zur Übertragung von Steuerin­ formationen A, wie z. B. Parameter für die adaptive Leistungs­ regelung der entsprechenden Mobilstation, Frequenzen der Nachbarzellen, usw. und zellspezifischen Informationen. Im Zeitschlitzrahmen 25 werden keine Daten übertragen.

Der in Fig. 3 dargestellte Rahmen TF entspricht einer Dauer von 120 ms. In 24 der 26 Zeitschlitzrahmen T kann somit Nutzinformation übertragen werden. Da in jedem Zeitschlitz TN 114 Bits (Normalburst) übertragen werden können, werden also während eines 120 ms langen Rahmens 114 × 24 = 2736 Informa­ tionsbits übertragen. Dies entspricht einer Bruttodatenrate von 22,8 kbit/s.

Aus 51 solcher Rahmen TF wird für die Übertragung von Nutzin­ formation ein Superrahmen mit einer Dauer von 6,12 s gebildet und 2048 derartige Superrahmen bilden einen Hyperrahmen mit einer Dauer von 3 h 28 m 53 s 760 s.

Wenn die Rahmen T aus Gründen der Anschaulichkeit nicht ne­ beneinander, sondern graphisch hintereinander dargestellt werden, ergibt sich die Darstellung nach Fig. 4. Dort sind in einer Zeitachse n1 die Zeitschlitze TN der Zeitschlitzrahmen T und in einer anderen Zeitachse n2 die aufeinanderfolgenden Zeitschlitzrahmen T hintereinander dargestellt.

Wenn die Daten der Datenpaket-Segmente DPS nicht über jeweils einen Zeitschlitz eines Zeitschlitzrahmens T, sondern über mehrere Zeitschlitze TN eines Zeitschlitzrahmens T gleichzei­ tig auf derselben Frequenz übertragen werden, wird die Daten­ übertragungsrate entsprechend erhöht. Bei der Darstellung wird beispielhaft angenommen, daß die Übertragung gleichzei­ tig über die fünf Zeitschlitze TN0 bis TN3 erfolgt, was durch eine Schraffur von links unten nach rechts oben verdeutlicht ist. In Fig. 4 ist nur die Richtung von der Basisstation BTS zur Mobilstation MS (downlink) dargestellt. Die Übertragungen in den beiden Richtungen sind um drei Zeitschlitze TN gegen­ einander versetzt. Wenn nur jeweils ein Zeitschlitz TN für eine Verbindung benutzt wird, verbleibt dazwischen hinrei­ chend Zeit, die Basisstationen der Nachbarzellen zu beobach­ ten. Wenn jedoch die Übertragung der Daten parallel in mehre­ ren Zeitschlitzen TN gleichzeitig erfolgt, verbleibt keine Zeit mehr für die Nachbarzellen-Beobachtung.

Falls die Übertragungsdauer jedes Datenpaket-Segments DPS mit hoher Übertragungsrate zeitlich begrenzt wird, können die in Fig. 1 dargestellten Zeitintervalle P zwischen den Übertra­ gungen der aufeinanderfolgenden Datenpaket-Segmente DPS für die Beobachtung der Nachbarzellen genutzt werden. Ein Auf- und Abbau der Verbindung ist beim Senden von Daten zur Mobil­ station MS zum Zweck der Leitweglenkung und zur Vermeidung von Handovern während der Datenübertragung ohnehin zweckmä­ ßig.

Die Zeitdauer der in Fig. 1 dargestellten Datenpaket-Segmente DPS beträgt beispielsweise 30 s. Damit ist sichergestellt, daß spätestens nach beispielsweise jeweils 30 s eine Nachbarzellenbeobachtung erfolgt. Dies entspricht der Zeitdauer, nach der beim GSM eine Zellenauswahl (Cell-Reselection) durchge­ führt wird wenn sich die Mobilstation MS in einem Batterie­ sparmodus oder in einem Leerlaufmodus befindet. Das Verhalten und die Erreichbarkeit der Mobilstation MS werden dadurch nicht negativ beeinflußt. Außerdem wird die Netto-Datenrate nur geringfügig reduziert. Von Bedeutung ist jedoch insbeson­ dere, daß auf die angegebene Weise ein zweiter Empfänger in der Mobilstation MS nicht erforderlich ist.

Anstelle der Überwachung aller benachbarter Basisstationen BTS nach jeweils einem Datenpaket-Segment DPS mit der Zeit­ dauer von 30 s können auch die benachbarten Basisstationen BTS nach jeweils einer kürzeren Zeitdauer in dem Zeitintervall P nacheinander überwacht werden. Auch dann ist sichergestellt, daß nach jeweils einer vorgegebenen Zeitdauer alle benachbar­ te Basisstationen BTS funktechnisch überwacht werden.

Bei der Darstellung in Fig. 4 wird während der laufenden Ver­ bindung kurzzeitig die Datenübertragungsrate reduziert. Die Zeitschlitzrahmen, in denen dies erfolgt sind durch eine Schraffur von links unten nach rechts oben gekennzeichnet. Hierzu wird die Anzahl der Zeitschlitze TN, die für die Da­ tenübertragung benutzt werden kurzzeitig reduziert. Bei­ spielsweise wird die Datenübertragung während eines oder we­ niger Zeitschlitzrahmen T reduziert. Damit steht ausreichend Zeit für die Gewinnung der Meßwerte zur Verfügung.

Bei der Darstellung in Fig. 4 sind für die normale Datenüber­ tragung beispielsweise jeweils fünf Zeitschlitze TN vorgese­ hen. Wenn eine Überwachung der Nachbarzellen erfolgen soll, wird die Anzahl der Zeitschlitze TN während eines Zeitinter­ valls auf beispielsweise zwei reduziert, so daß nur noch auf den Zeitschlitzen TN0 und TN1 übertragen wird. Die Reduzie­ rung der Anzahl der für die Übertragung benutzten Zeitschlit­ ze TN kann dabei nach einem fest vereinbarten Schema gesche­ hen, wobei dann das vereinbarte Schema beispielsweise durch die Signalisierung übertragen wird. Die Reduzierung kann auch jeweils von der Mobilstation MS je nach Erfordernis vorgenom­ men werden. In diesem Fall kann ein Sicherungsprotokoll er­ forderlich sein, welches den Verlust der wegen der Überwa­ chung einer Nachbarzelle nicht empfangenen Daten detektiert und gegebenenfalls deren Wiederholung anfordert. Die Daten werden daher üblicherweise in Datenblöcken übertragen, welche ihrerseits wieder (z. B. durch das sogenannte Interleaving) auf mehrere Bursts verteilt sein können.

Für die Überwachung der Nachbarzellen werden vorzugsweise Zeitschlitze gewählt, die zur Übertragung von Bursts eines Blockes genutzt werden können. Dadurch wird die Zahl der ge­ störten Blöcke reduziert. Beim fest vereinbarten Schema sind derartige Vorkehrungen nicht erforderlich, da die Sende- und die Empfangsseite jeweils a priori wissen, zu welchen Zeiten die Mobilstation MS in bestimmten Zeitschlitzen TN nicht emp­ fangsbereit ist.

Die Übertragung kann auch mit einer dynamischen Lastvertei­ lung kombiniert sein, bei der die zu übertragenden Daten­ blöcke derart auf die zu den verschiedenen Kanälen gehörenden Zeitschlitze TN verteilt werden, daß über Kanäle mit hoher Übertragungsgüte, wenigen Wiederholungen und damit einem ho­ hen Datendurchsatz mehr Datenblöcke übertragen werden als über Kanäle mit geringer Übertragungsgüte und weniger Daten­ durchsatz. Ein Kanal, dessen Zeitschlitze TN für die Überwa­ chung der Nachbarzellen benutzt werden, besitzt im Fall des vereinbarten Schemas einen a priori bekannten Datendurchsatz und erscheint im Fall der Überwachung nach Erfordernis als Kanal mit schlechter Übertragungsgüte und damit ebenfalls ge­ ringem Datendurchsatz.

Der Lastverteilungsmechanismus, der beispielsweise ein für Mehrfachschlitz-Übertragungen modifiziertes Verbindungsproto­ koll sein kann, verteilt die zu übertragenden Daten entspre­ chend dem möglichen Datendurchsatz auf die zu einer Verbin­ dung gehörenden Verkehrskanäle.

Claims (10)

1. Verfahren zum Übertragen von Daten (DP) in einem zellula­ ren Funksystem zwischen einer in einer Zelle (Z) vorgesehenen Basisstation (BTS) und einer Mobilstation (MS) entsprechend einem Zeitmultiplexverfahren in Zeitschlitzen (TN) eines Zeitmultiplexrahmens (T) übertragen werden und bei dem wäh­ rend der Übertragung der Daten (DP) die Basisstationen (BTS) in benachbarten Zellen funktechnisch überwacht werden, dadurch gekennzeichnet, daß nach jeweils einer vorgegebenen Zeitdauer während der Übertragung der Daten (DP) ein vorgegebenes Zeitintervall (P) vorgesehen wird, während dem die Übertragung über eine ver­ minderte Anzahl von Zeitschlitzen (TN) erfolgt, daß während dieses Zeitintervalls (P) jeweils die Basisstationen (BTS) von benachbarten Zellen (Z) funktechnisch überwacht werden und daß nach Ablauf dieses Zeitintervalls (P) die Übertragung der Daten wieder mit der ursprünglichen Datenrate fortgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Zeitschlitze (TN), während der eine vermin­ derte Übertragung der Daten erfolgt, kleiner ist als die An­ zahl der zwischen der Übertragung von und zu den Mobilstatio­ nen (MS) liegende Anzahl von Zeitschlitzen (TN).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während jedes Zeitintervalls (P) alle Basisstationen (BTS) in den benachbarten Zellen (Z) funktechnisch überwacht werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während aufeinanderfolgender Zeitintervalle (P) die Ba­ sisstationen (BTS) in den benachbarten Zellen (Z) nacheinan­ der funktechnisch überwacht werden.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Zeitschlitze (TN), die für eine Übertra­ gung der Daten mit der hohen Datenrate benutzt werden nach einem zwischen der Basisstation und der Mobilstation verein­ barten Schema festgelegt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das vereinbarte Schema durch die Signalisierung übertra­ gen wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung der Zeitschlitze während des Zeitinter­ valls von der Mobilstation (MS) je nach Erfordernis vorgenom­ men wird.

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, die nach jeweils einer vorgegebenen Zeitdauer während der Übertragung der Daten (DP) ein vorgegebenes Zeitintervall (P) vorsehen, während dem die Übertragung über eine verminderte Anzahl von Zeitschlitzen (TN) erfolgt, die während dieses Zeitintervalls (P) jeweils die Basisstationen (BTS) von benachbarten Zellen (Z) funk­ technisch überwachen und die nach Ablauf dieses Zeitinter­ valls (P) die Übertragung der Daten wieder mit der ursprüng­ lichen Datenrate fortsetzen.

9. Zentralstation zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen enthält, die nach jeweils einer vorge­ gebenen Zeitdauer während der Übertragung der Daten (DP) ein vorgegebenes Zeitintervall (P) vorsehen, während dem die Übertragung über eine verminderte Anzahl von Zeitschlitzen (TN) erfolgt und die nach Ablauf dieses Zeitintervalls (P) die Übertragung der Daten wieder mit der ursprünglichen Da­ tenrate fortsetzen.

10. Teilnehmerstation zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen enthält, die während der Zeitintervalle (P), während denen die Daten mit verminderter Datenrate über­ tragen werden die Basisstationen (BTS) in den benachbarten Zellen (Z) funktechnisch überwachen.