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Die
Erfindung betrifft die elektrische Telekommunikation und genauer
drahtlose Kommunikationssysteme, wie Zellular- und Satellitenfunksysteme für verschiedene
Betriebsarten (analog, digital, dual-mode, etc.) und Zugriffstechniken,
wie das Frequenzvielfach-Zugriffsverfahren (FDMA; Frequency Division
Multiple Access), den Mehrfachzugriff im Zeitmultiplex (TDMA; Time
Divisional Multiple Access), den Mehrfachzugriff im Codemultiplex
(CDMA; Code Divisional Multiple Access) und hybride FDMA/TDMA/CDMA-Techniken.
Die Erfindung betrifft insbesondere Techniken zum Verbessern von
Verfahren zum Empfang und zur Übertragung
von Information.
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Die
folgende Beschreibung bezieht sich auf Umgebungen, in denen die
vorliegende Erfindung angewendet werden kann. Diese allgemeine Beschreibung
soll einen allgemeinen Überblick über bekannte
Systeme und die zugehörige
Terminologie verschaffen, so daß die
Erfindung besser verstanden werden kann.
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In
Nordamerika werden digitale Übertragungs-
und Vielfachzugriffstechniken, wie TDMA, momentan von einem digitalen
zel lularen Funktelefonsystem vorgesehen, das Digital Advanced Mobile Phone
Service (D-AMPS) genannt wird, wobei einige der Eigenschaften dieses
Dienstes in der Interimsnorm TIA/EIA/IS-54-B "Dual-Mode Mobile Station-Base Station
Compatibility Standard" spezifiziert sind,
die von der Telecommunication Industry Association und der Electronical
Industry Association (TIA/EIA) veröffentlicht wurde. Aufgrund
der großen vorhandenen
Basis von Geräten
beim Verbraucher, die nur im analogen Bereich mit dem Frequenzvielfach-Zugriffsverfahren
(FDMA) arbeiten, ist TIA/EIA/IS-54-B eine Dual-Mode-Norm (analog
und digital), die die analoge Kompatibilität ebenso wie die Fähigkeit
zur digitalen Übertragung
vorsieht. Die TIA/EIA/IS-54-B-Norm
sieht z.B. sowohl analoge FDMA-Sprachkanäle (AVC; Analog Voice Channel)
als auch digitale TDMA-Verkehrskanäle (DTC; Digital Traffic Channel)
vor. Die AVCs und die DTCs werden durch Frequenzmodulation von Funkträgersignalen realisiert,
die Frequenzen in der Nähe
von 800 Megahertz (MHz) haben, so daß jeder Funkkanal eine spektrale
Breite von 30 kHz hat.
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Bei
einem zellularen TDMA-Funktelefonsystem wird jeder Funkkanal in
eine Reihe von Zeitschlitzen aufgeteilt, von denen jeder einen Informationsburst
(Informations-Signalbündel)
von einer Datenquelle enthält,
z.B. einen digital codierten Teil eines Gesprächs. Die Zeitschlitze werden
in aufeinanderfolgenden TDMA-Rahmen mit einer vorgegebenen Dauer
zusammengefaßt.
Die Anzahl der Zeitschlitze in jedem TDMA-Rahmen hängt von
der Anzahl der verschiedenen Benutzer ab, welche gleichzeitig den Funkkanal
benutzen können.
Wenn jeder Schlitz in einem TDMA-Rahmen
einem anderen Benutzer zugewiesen wird, ist die Dauer eines TDMA-Rahmens gleich
der minimalen Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen,
die demselben Benutzer zugewiesen sind.
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Die
demselben Benutzer zugewiesenen aufeinanderfolgenden Zeitschlitze,
die auf dem Funkfrequenzträger
normalerweise nicht aufeinanderfolgende Zeitschlitze sind, bilden
den digitalen Verkehrskanal des Benutzers, der als ein dem Benutzer
zugewiesener logischer Kanal betrachtet werden kann. Wie nachfolgend genauer
beschrieben ist, können auch
digitale Steuerkanäle
(DCCH; Digitaled Control Channel) zur Übertragung von Steuersignalen
vorgesehen werden, und ein solcher DCCH ist ein logischer Kanal,
der von einer Folge von üblicherweise nicht
aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen auf dem Funkträger gebildet
wird.
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Bei
nur einer von vielen möglichen
Ausführungsformen
eines TDMA-Systems gemäß der obigen
Beschreibung sieht die TIA/-EIA/IS-54-B-Norm vor,
daß jeder
TDMA-Rahmen aus sechs aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen besteht
und eine Dauer von 40 Millisekunden (ms) hat. Jeder Funkkanal kann somit
drei bis sechs DTCs (z.B. 3 bis 6 Telefongespräche) je nach der Ursprungsrate
der Sprachcodierer/Decodierer (Codec), die zum digitalen Codieren des
Gesprächs
verwendet werden, übertragen.
Solche Sprach-Codec können
entweder mit voller oder mit halber Rate arbeiten. Ein DTC benötigt für die volle
Rate zweimal so viele Zeitschlitze während einer gegebenen Zeitspanne
wie ein DTC, der mit der halben Rate arbeitet, und bei der TIA/EIA/IS-54-B-Norm verwendet
jeder Vollraten-DTC zwei Schlitze jedes TDMA-Rahmens, d.h. den ersten
und den vierten, den zweiten und den fünften oder den dritten und
den sechsten der sechs Schlitze eines TDMA-Rahmens. Jeder Halbraten-DTC
verwendet einen Zeitschlitz jedes TDMA-Rahmens. Während jedes
DTC-Zeitschlitzes werden 324 Bit übertragen, von denen der Hauptteil,
260 Bit, auf die Sprachausgabe des Codec zurückgeht, einschließlich Bits,
die aus einer Fehlerkorrekturcodierung der Sprachausgabe des CodeC stammen,
und die verbleibenden Bits werden für Überwachungszeiten und Overhead-Signalerzeugung
für Zwecke
wie die Synchronisierung verwendet.
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Man
erkennt, daß das
zellulare TDMA-System in einem Puffer-und-Burstmodus oder einem diskontinuierlichen Übertragungsmodus
arbeitet: Jede mobile Station sendet (und empfängt) nur während ihrer zugewiesenen Zeitschlitze.
Bei der vollen Rate kann eine mobile Station z.B. während des
Schlitzes 1 senden, während
Schlitz 2 empfangen, während Schlitz
3 leerlaufen, während
Schlitz 4 senden, während
Schlitz 5 empfangen und während
Schlitz 6 leerlaufen und dann während
der nachfolgenden TDMA-Rahmen diesen Zyklus wiederholen. Die mobile Station,
die batteriebetrieben sein kann, kann daher während der Zeitschlitze, in
denen sie weder sendet noch empfängt,
abgeschaltet sein oder "schlafen", um Energie zu sparen.
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Zusätzlich zu
Sprach- oder Verkehrskanälen sehen
zellulare Funkübertragungssysteme
auch Ruf(Paging)/Zugriff- oder Steuerkanäle vor, um Nachrichten zum
Aufbauen eines Anrufs zwischen Basisstationen und mobilen Stationen
zu übertragen. Bei
der TIA/EIA/IS-54-B-Norm gibt es z.B. 21 reservierte analoge Steuerkanäle (ACC;
Analog Control Channel), welche vorgegebene feste Frequenzen für das Senden
und den Empfang haben, die in der Nähe von 800 MHz liegen. Da man
diese ACCs immer bei denselben Frequenzen findet, können sie von
den mobilen Stationen leicht lokalisiert und überwacht werden.
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Während eines
nicht besetzten Zustands (d.h. eingeschaltet, jedoch nicht während des
Anrufens oder des Empfangs eines Anrufs) stellt sich z.B. eine mobile
Station in einem TIA/EIA/IS-54-B-System auf den stärksten Steuerkanal
ein und überwacht diesen
dann regelmäßig (im
allgemeinen der Steuerkanal der Zelle, in welcher die mobile Station
sich zur Zeit befindet), und sie kann einen Anruf über die
entsprechende Basisstation empfangen oder tätigen. Wenn sich die mobile
Station im nicht besetzten Zustand zwischen Zellen bewegt, "verliert" sie schließlich die
Funkverbindung auf dem Steuerkanal der "alten" Zelle und stellt sich auf den Steuerkanal
der "neuen" Zelle ein. Die anfängliche
Einstellung und die nachfolgende Neueinstellung auf Steuerkanäle werden
jeweils automatisch durch Abtasten aller verfügbaren Steuerkanäle bei ihren
bekannten Frequenzen durchgeführt,
um den "besten" Steuerkanal zu finden.
Wenn ein Steuerkanal mit guter Empfangsqualität gefunden wurde, bleibt die
mobile Station auf diesen Kanal eingestellt, bis sich die Qualität wieder
verschlechtert. Auf diese Weise bleiben die mobilen Stationen mit
dem System "in Kontakt".
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Wenn
z.B. ein normaler (fest verdrahteter) Telefonbenutzer einen mobilen
Benutzer anruft, wird der Anruf von dem öffentlichen Fernsprechnetz (PSTN;
Public Switched Telefon Network) zu einer Funkvermittlungsstelle
(MSC; Mobile Switching Center) geleitet, das die gewählte Nummer
analysiert. Wenn die gewählte
Nummer validiert wird, fordert das MSC alle oder einen Teil einer
Anzahl von Funkbasisstationen auf, die angerufene mobile Station
zu rufen, indem sie über
ihre jeweiligen Steuerkanäle Rufnachrichten
senden, welche die mobile Identifikationszahl (MIN; Mobile Identification
Number) der angerufenen mobilen Station enthalten. Jede freie mobile
Station, die eine Rufnachricht empfängt, vergleicht die empfangene
MIN mit ihrer eigenen gespeicherten MIN. Die mobile Station mit
der passenden gespeicherten MIN sendet eine Rufantwort über den speziellen
Steuerkanal zur Basisstation, welche die Rufantwort an das MSC weitergibt.
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Bei
Empfang der Rufantwort wählt
das MSC einen AVC oder einen DTC aus, welcher der Basisstation,
die die Rufantwort empfangen hat, zur Verfügung steht, schaltet einen
entsprechenden Funk-Sender/Empfänger
(Transceiver) in dieser Basisstation ein und veranlaßt die Basisstation, über den
Steuerkanal eine Nachricht zu der angerufenen mobilen Station zu
senden, welche die angerufene mobile Station anweist, sich auf den
ausgewählten Sprach-
oder Verkehrskanal einzustellen. Wenn sich die mobile Station einmal
auf den ausgewählten
AVC oder DTC eingestellt hat, wird eine Durchschaltung für den Anruf
aufgebaut.
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Die
Betriebseigenschaften von Systemen mit ACCs, die in der TIA/EIA/IS-54-B-Norm
spezifiziert sind, wurden in einem System mit digitalen Steuerkanälen (DCCH)
verbessert, das in der TIA/EIA/IS-136-Norm spezifiziert ist. Mit
solchen DCCHs kann jeder TIA/EIA/IS-54-B-Funkkanal nur DTCs, nur
DCCHs oder eine Mischung aus DTCs und DCCHs führen. Innerhalb des Rahmens
der TIA/EIA/IS-136-B kann jede Funkträgerfrequenz bis zu drei DTC/DCCH,
die mit voller Rate arbeiten, oder sechs DTC/DCCH, die mit halber
Rate arbeiten, oder jede Kombination daraus, z.B. einen Vollraten-
und vier Halbraten-DTC/DCCH, aufnehmen.
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Im
allgemeinen muß die Übertragungsrate des
DCCHs jedoch nicht gleich der halben Rate oder der vollen Rate sein,
die in der TIA/EIA/IS-54-B-Norm spezifiziert ist, und die Länge der
DCCH-Schlitze muß nicht
gleichmäßig und
nicht gleich der Länge
der DTC-Schlitze sein. Der DCCH kann auf einem TIA/EIA/IS-54-B-Funkkanal definiert
sein, und er kann z.B. aus jedem n-ten Schlitz in dem Strom aus aufeinanderfolgenden
TDMA-Schlitzen bestehen. In diesem Fall kann die Länge jedes
DCCHs gleich oder ungleich 6,67 ms sein, was der Länge eines DTC-Schlitzes
gemäß der TIA/EIA/IS-54-B-Norm entspricht.
Alternativ (und ohne Beschränkung
anderer möglicher
Alternativen) können
diese DCCH-Schlitze auf andere dem Fachmann bekannte Weise definiert
werden.
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Bei
den zellularen Telefonsystemen ist ein Luftverbindungsprotokoll
notwendig, damit eine mobile Station mit den Basisstationen und
dem MSC kommunizieren kann. Das Kommunikationsprotokoll wird dazu
verwendet, um zellulare Telefonanrufe zu starten und zu empfangen.
Das Kommunikations-Verbindungsprotokoll wird in der Datenübertragungsindustrie
allgemein als Schicht 2-Protokoll bezeichnet und seine Funktion
umfaßt
die Eingrenzung oder Einrahmung von Nachrichten der Schicht 3. Diese
Schicht 3-Nachrichten können
zwischen miteinander kommunizierenden Schicht 3-Partnereinheiten, die
in den mobilen Stationen und den zellularen Schaltsystemen vorhanden
sind, ausgetauscht werden. Die physikalische Schicht (Schicht 1)
definiert die Parameter des physikalischen Übertragungskanals, z.B. Funkfrequenzabstände, Modulationseigenschaften
und dergleichen. Die Schicht 2 definiert die Techniken, die für die richtige Übertragung
von Information innerhalb der Beschränkungen des physikalischen
Kanals notwendig sind, z.B. Fehlerkorrektur und -erfassung und dergleichen.
Die Schicht 3 definiert die Prozeduren für den Empfang und die Verarbeitung
der Information, die über
den physikalischen Kanal übertragen
wird.
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Die
Kommunikation zwischen mobilen Stationen und dem zellularen Schaltsystem
(den Basisstationen und dem MSC) kann allgemein mit Bezug auf die 1, 2(a) und 2(b) beschrieben werden. 1 zeigt
schematisch mehrere Schicht 3-Nachrichten 11, Schicht 2-Rahmen 13 und
Schicht 1-Kanalbursts oder Zeitschlitze 15. In 1 kann jede
Gruppe aus Kanalbursts, die jeder Schicht 3-Nachricht entspricht,
einen logischen Kanal bilden, und, wie oben beschrieben, sind die
Kanalbursts für eine
gegebene Schicht 3-Nachricht normalerweise nicht aufeinanderfolgende
Schlitze in einem TIA/EIA/136-Träger.
Andererseits können
die Kanalbursts auch aufeinanderfolgen; sobald ein Zeitschlitz endet,
kann der nächste
Zeitschlitz beginnen.
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Jeder
Schicht 1-Kanalburst 15 enthält einen vollständigen Schicht
2-Rahmen sowie weitere Informationen, wie z.B. Fehlerkorrekturinformation
und andere Verwaltungsinformation, die für den Betrieb der Schicht 1
benutzt wird. Jeder Schicht 2-Rahmen enthält wenigstens
einen Teil einer Schicht 3-Nachricht sowie Verwaltungsinformation,
die für
den Betrieb der Schicht 2 benutzt wird. Obwohl dies in 1 nicht
gezeigt ist, enthält
jede Schicht 3-Nachricht verschiedene Informationselemente, die
als der Hauptgehalt der Nachricht betrachtet werden können, einen
Kopfabschnitt zum Identifizieren des jeweiligen Nachrichtentyps
und ggf. Füllelemente.
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Jeder
Schicht 1-Burst und jeder Schicht 2-Rahmen ist in mehrere verschiedene
Felder aufgeteilt. Genauer enthält
ein längenbegrenztes
DATEN-Feld (DATA) in jedem Schicht 2-Rahmen die Schicht 3-Nachricht 11.
Da Schicht 3-Nachrichten, je nach der Menge der in der Schicht 3-Nachricht
enthaltenen Information, verschiedene Längen haben, können mehrere
Schicht 2-Rahmen für
die Übertragung
einer einzigen Schicht 3-Nachricht notwendig sein. Infolgedessen
können
auch mehrere Schicht 1-Kanalbursts notwendig sein, um die gesamte Schicht
3-Nachricht zu übertragen,
weil zwischen den Kanalbursts und den Schicht 2-Rahmen eine 1:1-Entsprechung
besteht.
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Wenn
mehr als ein Kanalburst zum Senden einer Schicht 3-Nachricht notwendig
ist, sind die verschiedenen Bursts, wie oben erwähnt, üblicherweise keine aufeinanderfolgenden
Bursts auf dem Funkkanal. Darüberhinaus
sind die Bursts normalerweise nicht einmal aufeinanderfolgende Bursts,
die für
den speziellen Logikkanal reserviert sind, der zum Übertragen
der Schicht 3-Nachricht verwendet wird. Da zum Empfangen, Verarbeiten
und Reagieren auf jeden empfangenen Burst Zeit notwendig ist, werden die
für die Übertragung
einer Schicht 3-Nachricht notwendigen Bursts üblicherweise in einem gestaffelten Format
gesendet, das schematisch in 2(a) gezeigt
ist und vorangehend in Verbindung mit der TIA/EIA/IS-136-Norm beschrieben
wurde.
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2(a) zeigt ein allgemeines Beispiel eines Vorwärts- oder Abwärtsverbindungs)-DCCH
(Downlink-DCCH), der als eine Folge von Zeitschlitzen 1, 2, ...,
N, ... konfiguriert ist, die in den aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen
1, 2, ... enthalten sind, die auf einer Trägerfrequenz gesendet werden.
Diese DOCH-Schlitze können
auf einem Funkkanal definiert sein, wie der gemäß TIA/EIA/IS-136 definierte, und
sie können,
wie in 2(a) gezeigt, z.B. aus jedem
n-ten Schlitz einer Reihe von aufeinanderfolgenden Schlitzen bestehen.
Jeder DCCH-Schlitz
hat eine Dauer, die gleich 6,67 ms sein kann oder nicht, was der
Länge eines
DTC-Schlitzes gemäß der TIA/EIA/IS- 136-Norm entspricht.
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Wie
in 2(a) gezeigt, können die DCCH-Schlitze
in Superrahmen (SF; Super Frames) organisiert sein, und jeder Superrahmen
umfaßt mehrere
logische Kanäle,
die unterschiedliche Arten von Information tragen. Einer oder mehrere DCCH-Schlitze
können
jedem logischen Kanal in dem Superrahmen zugeordnet sein.
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Das
Beispiel des Abwärtsverbindungs-Superrahmens
in 2(a) umfaßt drei logische Kanäle: einen
Sende-Steuer-Kanal (BCCH; Broadcast Control Channel) mit sechs aufeinanderfolgenden
Schlitzen für
Verwaltungsnachrichten, einen Rufkanal (PCH; Paging Channel) mit
einem Schlitz für
Rufnachrichten und einen Zugriffs-Antwortkanal (ARCH; Access Response
Channel) mit einem Schlitz für
Kanalzuweisungen und andere Nachrichten. Die verbleibenden Zeitschlitze
können
bei dem Beispiel des Superrahmens der 2(a) für andere
logische Kanäle
reserviert werden, wie zusätzliche
Rufkanäle PCH
oder andere Kanäle.
Da die Anzahl der mobilen Stationen normalerweise wesentlich größer ist
als die Anzahl der Schlitze in dem Superrahmen, wird jeder Rufschlitz
zum Rufen mehrerer mobiler Stationen verwendet, die eine eindeutige
Eigenschaft gemeinsam haben, z.B. die letzte Ziffer der MIN.
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2(b) zeigt ein bevorzugtes Informationsformat
für die
Schlitze eines Vorwärts-DOCH.
Die in jedem Schlitz übertragene
Information umfaßt
mehrere Felder. 2(b) gibt die Anzahl der Bits
in jedem Feld über
diesem Feld an. Die in dem SYNC-Feld
gesendeten Bits werden auf herkömmliche
Weise dazu verwendet, den korrekten Empfang der codierten Superrahmenphase
(CSFP; Coded Superframe Phase) und der DATEN-Felder (DATA) sicherzustellen.
Das SYNC-Feld umfaßt
ein vorgegebenes Bitmuster, das von den Basisstationen dazu verwendet
wird, den Anfang des Schlitzes zu finden. Die gemeinsam genutzte
Kanalrückführung (SCF;
Shared Channel Feedback) wird zum Steuern eines Direktzugriffskanals
(RACH; Random Access Channel) verwendet, der von den mobilen Stationen
für die
Anforderung des Zugangs zu dem System verwendet wird. Das CSFP-Feld überträgt einen
codierten Superrahmen-Phasenwert, der es den mobilen Stationen ermöglicht,
den Anfang jedes Superrahmens zu finden. Dies ist nur ein Beispiel
für das
Informationsformat bei den Schlitzen des Vorwärts-DCCH.
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Um
einen effizienten Betrieb im Schlafmodus (sleep mode) und eine schnelle
Auswahl der Zellen zu ermöglichen,
kann der BCCH in mehrere Unterkanäle aufgeteilt sein. Es ist
eine BCCH-Struktur
bekannt, welche es der mobilen Station ermöglicht, eine minimale Informationsmenge
zu lesen, wenn sie eingeschaltet wird (oder wenn sie sich auf einen
DCCH aufschaltet (lockon)), bevor sie auf das System zugreifen kann
(einen Anruf tätigen
oder empfangen kann). Nach dem Einschalten muß eine freie mobile Station
regelmäßig nur
ihre zugewiesenen PCH-Schlitze überwachen
(üblicherweise
einen in jedem Superrahmen); die mobile Station kann während der
anderen Schlitze "schlafen". Das Verhältnis der
Zeit, welche die mobile Station mit dem Lesen von Rufnachrichten
verbringt, zu der Zeit, während der
sie im Schlafmodus ist, ist steuerbar und stellt einen Kompromiß zwischen
einer Verzögerung
beim Aufbau eines Anrufs und dem Energieverbrauch dar.
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Da
jeder TDMA-Zeitschlitz eine bestimmte feste Informationskapazität hat, trägt jeder
Burst üblicherweise
nur einen Teil einer Schicht 3-Nachricht, wie vorangehend erklärt wurde.
In der Aufwärts-Verbindungsrichtung
versuchen mehrere mobile Stationen, mit dem System im Konkurrenzbetrieb
zu kommunizieren, während
mehrere mobile Stationen auf Schicht 3-Nachrichten warten, die von
dem System in der Abwärts-Verbindungsrichtung
gesendet werden. Bei bekannten Systemen muß jede gegebene Schicht 3-Nachricht
mit so vielen TDMA-Kanalbursts übertragen
werden, wie zum Senden der gesamten Schicht 3-Nachricht notwendig
sind.
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Digitale
Steuer- und Verkehrskanäle
sind aus Gründen
wie der Unterstützung
längerer
Schlafperioden für
die mobilen Einheiten, die zu einer längeren Lebensdauer der Batterien
führen,
wünschenswert.
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Die
digitalen Verkehrskanäle
und digitalen Steuerkanäle
besitzen eine erweiterte Funktionalität, um die Kapazität des Systems
zu optimieren und um hierarchische Zellenstrukturen zu unterstützen, d.h. Strukturen
von Makrozellen, Mikrozellen, Pikozellen etc. Der Begriff "Makrozelle" bezeichnet im allgemeinen
eine Zelle mit einer Größe, die
vergleichbar der Größe der Zellen
in einem üblichen
Zellulartelefonsystem ist (z.B. mit einem Radius von wenigstens
ungefähr
einem Kilometer), und die Begriffe "Mikrozelle" und "Pikozelle" bezeichnen algemein zunehmend kleinere
Zellen. Eine Mikrozelle kann z.B. einen öffentlichen Innen- oder Außenbereich
abdecken, z.B. ein Kongreßzentrum
oder eine belebte Straße,
und eine Pikozelle kann den Flurbereich eines Büros oder ein Geschoß eines
Hochhauses abdecken. Aus Sicht der Funkabdeckung können sich
Makrozellen, Mikrozellen und Pikozellen voneinander unterscheiden oder
miteinander überlappen,
um unterschiedliche Verkehrsmuster und Funkumgebungen zu verarbeiten.
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3 ist
ein Beispiel für
ein hierarchisches oder mehrschichtiges zellulares System. Eine Schirm-Makrozelle 10,
die durch eine hexagonale Form dargestellt ist, bildet eine zellulare
Dachstruktur. Jede Schirmzelle kann eine darunterliegende Mikrozellenstruktur
enthalten. Die Schirmzelle 10 umfaßt die Mikrozelle 20,
welche durch den von der gepunkteten Linie eingeschlossenen Bereich
dargestellt ist, und die Mikrozelle 30, welche durch den
von der getrichelten Linie eingeschlossenen Bereich dargestellt
ist, die beide Bereichen entsprechen, die sich entlang Straßen einer
Stadt erstrecken, und sie umfaßt
die Pikozellen 40, 50 und 60, die einzelne
Geschosse eines Gebäudes
abdecken. Der Schnittpunkt der zwei Straßen, die von den Mikrozellen 20 und 30 abgedeckt
werden, kann ein Bereich mit hoher Verkehrskonzentration sein und
somit einen "heißen" Punkt darstellen.
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4 ist
ein Blockdiagramm eines Beispiels eines zellularen mobilen Funktelephonsystems
mit einer Basisstation
110 und einer mobilen Station
120 als
Beispiel. Die Basisstation umfaßt
eine Steuer- und Verarbeitungseinheit
130, die mit dem
MSC
140 verbunden ist, das seinerseits mit dem PSTN (nicht gezeigt)
verbunden ist. Die grundsätzlichen
Aspekte solcher zellularer Funktelephonsysteme sind im Stand der
Technik bekannt und z.B. in der
US 5,175,867 von
Wejke et al. mit dem Titel "Neighbor-Assisted
Handoff in Cellular Communication System" beschrieben.
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Die
Basisstation 110 verarbeitet mehrere Sprachkanäle über einen
Sprachkanal-Transceiver (Sender-Empfänger) 150, der von
der Steuer- und Verarbeitungseinheit 130 gesteuert wird.
Jede Basisstation umfaßt
auch einen Steuerkanal-Transceiver 160, der mehr als einen
Steuerkanal verarbeiten kann. Der Steuerkanal-Transceiver 160 wird
von der Steuer- und Verarbeitungseinheit 130 gesteuert.
Der Steuerkanal-Transceiver 160 sendet Steuerinformation über den
Steuerkanal der Basisstation oder Zelle zu mobilen Stationen, die
auf diesen Steuerkanal geschaltet (locked) sind. Es sollte klar
sein, daß die Transceiver 150 und 160 als
eine einzige Einrichtung, wie der Sprach- und Steuer-Transceiver 170, zur
Verwendung bei DCCHs und DTCs implementiert werden können, welche
dieselbe Funkträgerfrequenz verwenden.
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Die
mobile Station 120 empfängt
die Information, die auf einem Steuerkanal gesendet wird, bei ihrem
Sprach- und Steuerkanal-Transceiver 170. Dann
verarbeitet die Verarbeitungseinheit 180 die empfangene
Steuerkanalinformation, welche die Eigenschaften der Zellen umfaßt, die
Kandidaten für das
Aufschalten der mobilen Station sind, und sie ermittelt, auf welche
Zelle die mobile Station geschaltet werden soll. Vorzugsweise umfaßt die empfangene Steuerkanalinformation
nicht nur absolute Information betreffend die Zelle, zu der sie
gehört,
sondern auch relative Information betreffend andere Zellen in der
Nähe der
Zelle, zu welcher der Steuerkanal gehört, wie dies in der US-5,353,332 von Raith
et al., mit dem Titel "Method
and Apparatus for Communication Control in a Radiotelephone System" beschrieben ist,
die im Wege der Bezugnahme einen Bestandteil dieser Beschreibung
bildet.
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Um
die "Sprechzeit" des Benutzers zu
erhöhen,
d.h. die Lebensdauer der Batterie der mobilen Station, kann ein
digitaler Vorwärtssteuerkanal
(Basisstation zu mobiler Station) vorgesehen werden, der Nachrichten
von der Art übertragen
kann, welche für
die aktuellen analogen Vorwärtssteuerkanäle (FOCC;
Forward Control Channel) vorgesehen sind, jedoch in einem Format,
das es einer freien mobilen Station erlaubt, Verwaltungsnachrichten
zu lesen, wenn sie sich auf den FOCC schaltet, und danach nur, wenn
die Information sich geändert
hat; zu allen anderen Zeiten schläft die mobile Station. In einem solchen
System werden einige Nachrichtenarten von den Basisstationen häufiger gesendet
als andere und die mobilen Stationen müssen nicht jede gesendete Nachricht
lesen.
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Die
durch die TIA/EIA/IS-54-B- und TIA/EIA/IS-136-Normen spezifizierten
Systeme gehören
zur Durchschalte-Vermittlungstechnologie, die eine Art der "verbindungsorientierten" Datenübertragung
ist, die eine physikalische Rufverbindung einrichtet und diese Verbindung
so lange aufrechterhält, wie
die kommunizierenden Endsysteme Daten auszutauschen haben. Die direkte
Verbindung eines Schaltkreisschalters dient als offene Leitung (Pipeline),
die es den Endsystemen erlaubt, den Schaltkreis für jeden
geeigneten Zweck zu verwenden. Während
die durchgeschaltete Datenübertragung
für Anwendungen
mit konstanter Bandbreite gut geeignet sein mag, ist sie bei Anwendungen
mit niedriger Bandbreite und Bildung von Signalbündeln (Bursts) relativ ineffizient.
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Die
Paketvermittlungstechnologie, die verbindungsorientiert (z.B. X.25)
oder "verbindungslos" (z.B. das Internetprotokoll "IP") sein kann, erfordert keinen
Aufbau und Abbau einer physikalischen Verbindung, was in deutlichem
Gegensatz zur Durchschalte-Vermittlungstechnologie steht. Dadurch
verringert sich die Datenwartezeit, und die Effizienz eines Kanals
bei der Verarbeitung relativ kurzer, Bursts aufweisender oder interaktiver
Transaktionen erhöht sich.
Ein verbindungsloses Paketvermittlungsnetzwerk verteilt die Leitwegfunktionen
auf mehrere Weiterleitungsstellen und verhindert so mögliche Verkehrsengpässe, die
auftreten könnten,
wenn eine zentrale Schaltstelle verwendet wird. Die Daten werden
mit einer geeigneten Adressierung der Endsysteme "paketiert" und dann in unabhängigen Einheiten über den
Datenpfad gesendet. Zwischensysteme, die manchmal als "Router" bezeichnet werden
und zwischen den kommunizierenden Endsystemen liegen, treffen Entscheidungen über die
beste zu wählende
Route individuell für
jedes Paket. Leitwegentscheidungen werden auf zahlreiche Merkmale
gestützt,
insbesondere: kostengünstigste
Route oder Kostenmaß,
Kapazität
der Verbindung, Anzahl der auf eine Übertragung wartenden Pakete,
Sicherheitsanforderungen für
die Verbindung, Betriebszustand eines Zwischensystems (Knoten).
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Die
Paketübertragung
entlang einer Route, welche Wegmaße berücksichtigt, im Gegensatz zu einem
Aufbau mit einem einzigen Schaltkreis, ermöglicht Flexibilität bei der
Anwendung und Übertragung.
Dies entspricht auch der Art und Weise, wie die meisten üblichen
lokalen Netze (LAN; Local Area Network) und Fernnetze (WAN; Wide
Area Network) sich in der Unternehmenswelt entwickelt haben. Die Paketvermittlung
eignet sich für
die Datenübertragung,
weil viele der verwendeten Anwendungen und Geräte, wie Tastaturterminals,
interaktiv sind und Daten in Bursts übertragen. Anstatt daß ein Kanal
leerläuft,
während ein
Benutzer mehr Daten in das Terminal eingibt oder eine Pause macht,
um über
ein Problem nachzudenken, verschachtelt die Paketvermittlung mehrere
Sendungen von verschiedenen Terminals auf dem Kanal.
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Die
Datenpakete führen
zu einer größeren Robustheit
des Netzes, weil sie unabhängig
von dem Weg sind und der Router alternative Wege wählen kann,
wenn ein Netzknoten ausfällt.
Die Paketvermittlung ermöglicht
daher eine bessere Ausnutzung der Netzleitungen. Die Pakettechnologie
bietet die Möglichkeit,
dem Endverbraucher die Kosten auf der Grundlage der übertragenen
Datenmenge anstelle der Verbindungszeit zu berechnen. Wenn die Anwendung
des Endverbrauchers so konzipiert ist, daß sie die Luftverbindung gut
ausnutzt, wird die Anzahl der übertragenen
Pakete minimal. Wenn der Verkehr jedes einzelnen Benutzers auf einem
Minimum gehalten wird, kann der Bereitsteller des Dienstes (Service Provider)
die Kapazität
des Netzes nachhaltig erhöhen.
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Paketnetze
werden üblicherweise
aufgrund der in der Industrie üblichen
Datennormen konzipiert und auf diese gestützt, wie das Modell der systemungebundenen
(offenen) Schnittstelle (OSI; Open Systen Interface) oder das TCP/IP-Protokoll.
Diese Normen wurden während
vieler Jahre, offiziell oder de facto, entwickelt und die Anwendungen,
die mit diesen Protokollen arbeiten, stehen ohne weiteres zur Verfügung. Das
Hauptziel der Netze, die sich auf diese Normen stützen, ist
es, eine Verbindung mit anderen Netzen möglich zu machen. Das Internet
ist heute das deutlichste Beispiel für die Verfolgung dieses Ziels
mit normgebundenen Netzen.
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Paketnetze,
wie das Internet oder ein Unternehmens-LAN, sind integrale Bestandteile
der heutigen Geschäfts-
und Kommunikationsumgebung. Mit der Zunahme von mobilen Rechnern
in diesen Bereichen sind die drahtlosen Service Provider, wie die, welche
die TIA/EIA/IS-136-Norm verwenden, in der besten Position, um den
Zugang zu diesen Netzen zu ermöglichen.
Gleichwohl stützen
sich die Datendienste, welche für
zellulare System vorgesehen oder vorgeschlagen wurden, im allgemeinen
auf die Durchschaltevermittlungs-Betriebsart, bei der ein zugewiesener
Funkkanal für
jeden aktiven mobilen Benutzer verwendet wird.
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Einige
wenige Ausnahmen zu den Datendiensten für zellulare Systeme, die auf
der Grundlage des Durchschaltevermittlungs-Betriebsmodus arbeiten,
sind in den folgenden Dokumenten beschrieben, die die Datenpaket-Konzepte
betreffen.
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US,887,265
und "Packet Switching
in Digital Cellular Systems",
Proceedings der 38. IEEE Vehicular Technology Conference, S. 414-418
(Juni 1988) beschreiben ein zellulares System, das mehrfach genutzte
Datenpaket-Funkkanäle
vorsieht, von denen jeder mehrere Datenanrufe aufnehmen kann. Eine mobile
Station, welche einen Datenpaketdienst anfordert, wird einem bestimmten
Datenpaketkanal zugewiesen, indem eine im wesentlichen regelmäßige zellulare
Signalgebung verwendet wird. Das System kann Paketzugangspunkte
(PAP; Packet Access Point) für
die Bildung von Schnittstellen zu Datenpaketnetzen aufweisen. Jeder
Datenpaket-Funkkanal ist mit einem bestimmten PAP verbunden und
kann somit zu diesem PAP gehörende
Datenanrufe im Multiplexbetrieb vermitteln. Übergaben werden von dem System
auf ähnliche
Weise ausgelöst
wie Übergaben,
die in demselben System für
Sprachanrufe verwendet werden. Eine neue Art der Übergabe
wird für
solche Fälle
zusätzlich
vorgesehen, in denen die Kapazität
eines Paketkanals nicht ausreichend ist.
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Diese
Dokumente sind Datenanruf-orientiert und beruhen auf dem Einsatz
von von dem System ausgelösten Übergaben, ähnlich wie
bei normalen Sprachanrufen. Die Anwendung dieses Prinzips für die Bereitstellung
eines Allzweck-Datenpaketdienstes in einem zellularen TDMA-System
würde zu Nachteilen
bei der Spektrumseffizienz und der Leistung führen.
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Die
US 4,916,691 beschreibt eine neue zellulare Funksystemarchitektur
mit Paketmodus und ein neues Verfahren zum Leiten von (Sprach- und/oder
Daten-) Paketen zu einer mobilen Station. Basisstationen, öffentliche
Schaltstellen, die über Fernvermittlungsschnittstelleneinheiten
laufen, und eine zellulare Steuereinheit sind über ein WAN miteinander verbunden.
Die Leitwegprozedur beruht auf von den mobilen Stationen ausgelösten Übergaben und
dem Hinzufügen
eines Identifikationselementes der Basisstation, durch die das Paket
geht, zu dem Kopfteil jedes Paketes, das (während eines Anrufs) von einer
mobilen Station gesendet wird. Im Falle einer längeren Zeitspanne zwischen
aufeinanderfolgenden Benutzerinformationspaketen von einer mobilen
Station kann die mobile Station zusätzliche Steuerpakete senden,
um Zellenstandortinformation mitzuteilen.
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Die
zellulare Steuereinheit wird hauptsächlich bei dem Herstellen eines
Anrufs tätig,
wenn sie dem Anruf eine Rufsteuernummer zuweist.
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Sie
informiert dann die mobile Station über die Rufsteuernummer und
die Fernvermittlungsschnittstelleneinheit über die Rufsteuernummer und das,
Identifikationselement der Ausgangs-Basisstation. Während eines Anrufs werden dann
Pakete direkt zwischen der Fernvermittlungs-Schnittstelleneinheit und
der momentan zuständigen
Basisstation weitergeleitet.
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Das
in der
US 4,916,691 beschriebene
System betrifft nicht direkt die spezifischen Probleme beim Vorsehen
von Paketdatendiensten in zellularen TDMA-Systemen. "Packet Radio in GSM", European Telecommunications
Standards Institute (ETSI) T Doc SMG 4 58/93 (12. Februar 1993)
und "A General Packet
Radio Service Proposed for GSM",
vorgestellt während
eines Seminars mit dem Titel "GSM
in a Future Competitive Environment", Helsinki, Finnland (13. Oktober 1993)
umreißt
ein mögliches
Paketzugriffsprotokoll für
Sprache und Daten im GSM. Diese Dokumente betreffen direkt zellulare
TDMA-Systeme, d.h.
GSM, und obwohl sie eine mögliche
Organisation eines optimierten mehrfach genutzten Paketdatenkanals
umreißen,
befassen sie sich nicht mit den Aspekten der Integration von Paketdatenkanälen in einer
Gesamtsystemlösung.
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"Packet Data over
GSM Network", T
Doc SMG 1 238/93, ETSI (28. September 1993) beschreibt ein Konzept
für Paketdatendienste
im GSM, das darauf beruht, daß zunächst eine übliche GSM-Signalgebung
und Authentifizierung verwendet wird, um einen virtuellen Kanal
zwischen einer mobilen Paketstation und einem "Agenten" einzurichten, der den Zugriff auf Paketdatendienste
handhabt. Die normale Signalgebung wird für einen schnellen Kanalaufbau
und eine schnelle Kanalfreigabe modifiziert und die normalen Verkehrskanäle werden
dann für
die Übertragung
von Paketen verwendet. Dieses Dokument betrifft direkt zellulare
TDMA-Systeme. Da sich das Konzept jedoch auf die Verwendung einer "Schnellschalt"-Version der vorhandenen
GSM-Ver kehrskanäle
stützt,
hat es Nachteile in Bezug auf die Spektrumseffizienz und die Paketübertragungsverzögerung (insbesondere
für kurze
Nachrichten), wenn man es mit einem Konzept vergleicht, das sich auf
optimierte mehrfach benutzte Paketdatenkanäle stützt.
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Die
Cellular Digital Packet Data (CDPD) Systemspezifikation, Version
1.0 (Juli 1993), beschreibt ein Konzept für Paketdatendienste, das verfügbare Funkkanäle in den
derzeitigen Advanced Mobile Phone Service (AMPS)-Systemen, d.h.
dem nordamerikanischen analogen zellularen System; verwendet. CDPD
ist eine umfassende, systemungebundene (offene) Spezifikation, die
von einer Gruppe von Mobilfunkbetreibern in den USA unterstützt wird.
Die behandelten Punkte umfassen externe Schnittstellen, Luftverbindungs-Schnittstellen,
Dienste, Netzarchitektur, Netzmanagement und Verwaltung.
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Das
spezifizierte CDPD-System stützt
sich in großem
Umfang auf eine Infrastruktur, die unabhängig von der existierenden
AMPS-Infrastruktur
ist. Gemeinsamkeiten mit den AMPS-Systemen sind auf die Verwendung
derselben Art von Funkfrequenzkanälen und derselben Basisstationsanlagen
(die von CDPD verwendete Basisstation kann neu und CDPD-spezifisch
sein) und den Einsatz einer Signalgebungsschnittstelle für die Koordination
der Kanalzuweisungen zwischen den beiden Systemen beschränkt.
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Die
Vermittlung eines Pakets zu einer mobilen Station beruht auf dem
Folgenden. Das Paket wird zu einem Heimnetzknoten (Home Mobile Data Intermediate
System, MD-IS) vermittelt, der mit einem Heimatortregister (HLR;
Home Location Register) ausgestattet ist, das auf der Adresse der
mobilen Station beruht. Dann wird das Paket, wenn nötig, auf der
Grundlage der HLR-Information
schließlich
zu einem besuchten Dienst-MD-IS geleitet. Schließlich wird das Paket von dem
Dienst-MD-IS über
die momentane Basisstation übertragen,
wobei die mobile Station ihrer Dienst-MD-IS ihren Zellenstandort
mitteilt.
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Obwohl
die CDPD-Systemspezifikation sich nicht direkt auf die spezifischen
Probleme beim Bereitstellen von Paketdatendiensten in zellularen
TDMA-Systemen bezieht, mit denen sich diese Anmeldung befaßt, können die
Aspekte und Konzepte des Netzes, welche in der CDPD-Systemspezifikation
beschrieben sind, als eine Grundlage für die Netzwerkaspekte verwendet
werden, die für
das Luftverbindungs-Protokoll gemäß dieser Erfindung benötigt werden.
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Das
CDPD-Netz ist als Erweiterung bestehender Datenübertragungsnetze und des zellularen AMPS-Netzes
konzipiert. Existierende verbindungslose Netzprotokolle können für den Zugriff
auf das CDPD-Netz verwendet werden. Da man davon ausgeht, daß sich das
Netz immer weiter entwickelt, verwendet es ein offenes oder systemungebundenes Netzdesign,
welches das Hinzufügen
neuer Netzwerkschichtprotokolle erlaubt, wenn dies zweckmäßig ist.
Die CDPD-Netzdienste und -protokolle sind auf die Netz werkschicht
des OSI-Modells und darunter liegende Schichten beschränkt. Diese
Maßnahme erlaubt
es, daß die
Protokolle und Anwendungen der höheren
Schichten entwickelt werden können,
ohne das darunterliegende CDPD-Netz zu verändern.
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Aus
Sicht des Nutzers der mobilen Station ist das CDPD-Netz eine drahtlose
mobile Ausweitung der traditionellen Netze für sowohl Daten als auch Sprache.
Durch Verwenden der Netzdienste eines CDPD-Service Providers kann
der Benutzer nahtlos auf Datenanwendungen zugreifen, von denen viele
in traditionellen Datennetzen liegen können. Das CDPD-System kann
wie zwei miteinander zusammenhängende
Gruppen von Diensten betrachtet werden: CDPD-Netzunterstützungsdienste
und CDPD-Netzdienste.
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Die
CDPD-Netzunterstützungsdienste
führen
Aufgaben durch, welche zum Warten und Verwalten des CDPD-Netzes
notwendig sind. Diese Dienste umfassen: Accountserver, Netzwerkmanagementsysteme,
Nachrichtenübertragungsserver,
und Authentifizierungsserver. Diese Dienste werden definiert, um
die Interoperabilität
zwischen den Service Providern zu ermöglichen. Wenn sich das CDPD-Netz
technisch über
seine ursprüngliche
AMPS-Infrastruktur hinaus entwickelt, ist zu erwarten, daß die Netzwerkunterstützungsdienste
unverändert bleiben.
Die Funktionen der Netzwerkunterstützungsdienste sind für jedes
mobile Netzwerk notwendig und unabhängig von der Hochfrequenztechnologie
(RF; Radio Frequency).
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CDPD-Netzdienste
sind Datenübertragungsdienste,
welche es den Benutzern ermöglichen,
mit Datenanwendungen zu kommunizieren. Zusätzlich können eine oder beide Seiten
der Datenübertragung mobil
sein.
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WO
95/16330 A1, welche auf ein früheres Patentbegehren
der Anmelderin zurückgeht,
betrifft ein System und ein Verfahren für eine Paketdatenverbindung
in einem digitalen TDMA-Netzwerk. In einem dualen Betriebsmodus
kann eine mobile Station in einer Datenpaket-Betriebsart (PD) oder
in einer Sprach-Betriebsart (GSM) arbeiten. Gemäß einer in dieser Druckschrift
beschriebenen Ausführungsform der
mobilen Station bleibt die mobile Station beim Empfang eines GSM-Aufrufs
in einer „anhängigen" Paketdaten-Betriebsart.
Nach Beendigung des GSM-Aufrufs kehrt die mobile Station in eine „aktive" Paketdaten-Betriebsart
zurück.
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Biala
J. in „Mobilfunk
und intelligente Netze", Braunschweig/Wiesbaden" Viehweg-Verlag 1994, Seiten
77-80 offenbart einen Überblick über den
Aufbau der Steuerkanäle
in einem GSM-System.
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Zusammengefaßt gibt
es einen Bedarf an Systemen, welche Allzweck-Datenpaketdienste in zellularen
D-AMPS-Systemen zur Verfügung
stellen, die sich auf mehrfach genutzte Datenpaketkanäle stützen, welche
für die
Datenpakete optimiert sind. Diese Anmeldung betrifft Systeme und
Verfahren, welche die Vorteile eines verbindungsorientierten Netzes,
wie das durch die TIA/-EIA/IS-136-Norm
definierte, und eines verbindungslosen Datenpaketnetzes in sich
vereinigen. Weiterhin betrifft diese Erfindung den Zugriff z.B.
auf das CDPD-Netzwerk durch vorhandene verbindungslose Netzwerkprotokolle
mit geringer Komplexität
und einem hohen Durchsatz.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Unterstützen von
mehreren Betriebsarten von mobilen Stationen in einem drahtlosen Kommunikationssystem
zur Verfügung
gestellt, die durch den Benutzer oder eine externe Steuerung ausgewählt werden
können.
Derzeit existiert ein Kommunikationsprotokoll zum Unterstützen von Endbenutzergeräten, welche
nur in einer einzigen Betriebsart (Betriebsmodus) arbeiten. Es ist
jedoch wünschenswert,
Protokolle von verschiedenen Technologien zu kombinieren, um Endbenutzergeräte zu bilden,
die in mehreren Betriebsarten arbeiten. Das vorliegende Verfahren
ermöglicht,
daß die
mobile Station in einer Vielfachmodus-Umgebung arbeitet, in der
ein Benutzer oder eine externe Vorrichtung eine oder mehrere Betriebsarten
aufrufen kann.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Merkmale und Vorteile der Erfindung der Anmelderin werden beim Lesen
dieser Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich,
von denen
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1 schematisch
mehrere Schicht 3-Nachrichten, Schicht 2-Rahmen und Schicht 1-Kanalbursts
oder -Zeitschlitze darstellt,
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2(a) einen Vorwärts-DCCH zeigt, der als eine
Reihe von Zeitschlitzen konfiguriert ist, welche in aufeinanderfolgenden
Zeitschlitzen enthalten sind, die auf einer Trägerfrequenz gesendet werden,
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2(b) ein Beispiel eines IS-136 DCCH-Feld-Schlitzformats
zeigt,
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3 ein
beispielhaftes hierarchisches oder mehrschichtiges zellulares System
illustriert,
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4 ein
Blockdiagramm eines beispielhaften mobilen zellularen Funktelephonsystems
mit einer beispielhaften Basis- und Mobilstation ist,
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5(a)-5(e) ein
Endbenutzergerät
illustriert, welches die Datenpaket-Funktionalität zur Verfügung stellt,
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6 ein
Beispiel einer möglichen
Abbildungssequenz zwischen verschiedenen Schichten in einem Funckommunikationssystem
illustriert und
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7(a)-7(e) Beispiele
von funktionellen Betriebsarten einer mobilen Station illustrieren.
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Detaillierte
Beschreibung
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Wie
vorangehend beschrieben wurde, gibt es zahlreiche Technologien,
welche eine drahtlose Übertragung
von Daten, einschließlich
Datenpakete, unterstützen.
Von besonderem Interesse sind D-AMPS (TIA/EIA/IS-136) und CDPD.
Durch die Kombination von Protokollen dieser zwei vorhandenen Technologien
mit der in dieser Anmeldung beschriebenen Funktionalität können neue
Formen von Endbenutzergeräten
identifiziert werden. Die 5(a) bis 5(e) illustrieren Beispiele, wie die Funktio nalität dieser
Anmeldung ("D-AMPS-Datenpakete") mit anderen Technologien
zu neuen Endbenutzergeräten kombiniert
werden kann.
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Diese
Erfindung betrifft das Implementieren von Protokollen und Prozeduren
für die
verbindungslose Kommunikation zwischen der mobilen Station und der
Basisstation. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Luftschnittstellenprotokoll
und die zugehörigen
Prozeduren der mobilen Station, welche für Datenpakete auf der Grundlage
von IS-136 erforderlich sind. Die Protokolle und Prozeduren – ein Aspekt
dieser Erfindung – ähneln dem
Betrieb mit dem digitalen Steuerkanal (DCCH) des IS-136, da IS-136 dafür konzipiert
wurde, eine verbindunglose Übertragung eines
Punkt-zu-Punkt-Kurznachrichtendienstes auf dem DCCH zur Verfügung zu
stellen. Das IS-136-Protokoll und die zugehörigen Prozeduren wurden erweitert,
um paketorientierte Dienste in Ausführungsformen der Erfindung
der Anmelderin zu unterstützen.
Allgemeiner betrifft die Erfindung die Kommunikation zwischen einer
Basisstation und Netzwerkeinheiten, welche irgendein standardisiertes
oder geschütztes
Paketnetzwerk verwenden oder ein verbindungsorientiertes Protokoll
verwenden, da keine Annahmen über
das Netzwerk gemacht wurden. Die CDPD-Spezifikation betreffend das
Netzwerk ist ein Beispiel, das für
das Implementieren dieser Erfindung verwendet werden kann.
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Um
die Flexibilität
der Betriebseigenschaften zu maximieren und die Möglichkeit
zu eröffnen,
die Endgerätimplementierung
für bestimmte
Anwendungen in spezifischen Ausführungsformen
der Erfindung individuell anzupassen, sind verschiedenen Bandbreitenzuordnungen
vorgesehen. Eine solche Bandbreitenzuordnung ist ein Wirt-PDCH (Hosted PDCH),
der ein zusätzlicher
logischer Unterkanal auf dem digitalen IS-136-Steuerkanal ist. Der
Wirt-PDCH erfordert einen minimalen Aufwand zum Implementieren,
liefert jedoch eine begrenzte Durchsatzrate. Drei weitere Bandbreitenzuordnungen,
welche auf dem zugewiesenen PDCH vorgesehen sein können, sind
Vollraten-PDCH, Zweifachraten-PDCH
und Dreifachraten-PDCH. Ein PDCH kann mit IS-136 DCCHs und DTCs
auf demselben Träger
bis zu der Ratengrenze gemischt werden, die drei Vollraten-Kanälen entspricht.
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Wie
in 5(a) und 5(b) dargestellt
ist, können
vorhandene Endgeräte
entweder nur in der CDPD-Betriebsart (5(a))
oder nur in der D-AMPS-Betriebsart (5(b))
arbeiten. Das Endgerät kann
jedoch wahlweise in einer oder mehreren von mehreren Betriebsarten
(Modi) arbeiten, wie dies in den 5(c), 5(d) und 5(e) dargestellt
ist, indem das Protokoll und die Prozeduren dieser Erfindung implementiert
werden. Zum Beispiel kann das Endgerät nur D-AMPS-Datenpakete, wie
in 5(c) dargestellt, D-AMPS (d.h.
Sprache und Daten unter IS-136) und D-AMPS-Datenpakete und CDPD
wie in 5(d) dargestellt, und D-AMPS
und D-AMPS-Datenpakete, wie in 5(e) dargestellt,
unterstützen. Zusätzlich enthält der Satz
von Spezifikationen auch eine Unterstützung von asynchronen Daten,
Gruppe 3-Fax (IS-130 und IS-135) und Kurznachrichtendiensten, die
nicht in den 5(a) bis 5(e) dargestellt
sind. Infolgedessen stellt diese Erfindung in Verbindung mit anderen
Technologien neue Endbenutzergeräte
zur Verfügung.
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Die
Nützlichkeit
der erfindungsgemäßen Geräte kann
unter einer Reihe von Gesichtspunkten betrachtet werden. Unter dem
Gesichtspunkt eines Betreibers von zellularen D-AMPs/PCS kann das
Gerät effizient
sowohl in D-AMPs mit 800 MHz und PCS mit 1900 MHz eingesetzt werden.
Diese Betriebsweise weist eine kanalweise Erweiterung ohne das Erfordernis
eines Frequenzschutzabstands, ein gemeinsames Datenpaket/D-AMPS-Funkressourcenmanagement,
eine PDCH-Bandbreitenzuordnung auf Anforderung und vollständige Flexibilität beim Zuordnen
von PDCH zu Frequenzen und Zeitschlitzen auf. In dieser Betriebsweise
sind keine geographischen Schutzzonen erforderlich und ein vorhandener
Frequenzplan kann beibehalten werden. Daher sind die zellularen
Netzwerke und Datenpaketnetzwerke im größerem Um fang verfügbar und
durch Zwischensystem-Rufe nahtloser. Außerdem wird eine höhere Bandbreiteneffizienz
(Durchsatz/Bandbreite) herbeigeführt
als in der CDPD-Luftschnittstelle und die vorhandene CDPD-Infrastruktur
kann beibehalten werden.
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Für einen
Betreiber eines zellularen AMPS können dieselben Vorteile wie
für den
Betreiber eines D-AMPS durch Implementieren dieser Erfindung erreicht
werden, wenn eine DCCH-Funktionalität zur Verfügung steht.
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Für einen
Hersteller von mobilen Stationen in einem D-AMPS hat diese Erfindung
keinen Einfluß auf
die Hochfrequenzschaltung und der Wirt-PDCH-Betrieb erfordert keine
neuen physikalischen Schichten oder eine neue Entwicklung einer Schicht
2. Weiterhin ermöglicht
der dedizierte PDCH einen höheren
Durchsatz als die CDPD-Luftschnittstelle und erfordert einen minimalen
Entwicklungsaufwand hinsichtlich der Hardware. Weiterhin wird auch
ein erweiterter Schlafmodus (sleep mode) zur Verfügung gestellt,
welcher die Batterie weniger als CDPD erschöpft, es wird eine größere Effizienz
der Sendung und Simultanübertragung
bewirkt und ein nahtloser Zellular/Datenpaket-Dienst wird erreicht.
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Für einen
Hersteller von D-AMPS-Basisstationen tritt kein Einfluß auf die
Hochfrequenzschaltung, die Kombination von Schaltungen und die Antennenkonfiguration
durch das Implementieren dieser Erfindung auf. Außerdem erfordert
der Betrieb mit einem Wirt-PDCH keine neuen physikalischen Schichten
oder eine neue Entwicklung einer Schicht 2 und der dedizierten PDCH
erfordert einen minimalen Entwicklungsaufwand, wenn IS-136 als Basis verwendet
wird.
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Für einen
Hersteller von Geräten
für ein
Datenpaketnetzwerk sind die Protokolle der höheren Schichten von CDPD und
CDPD-Anwendungen durch
das Implementieren dieser Erfindung nicht betroffen.
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Unter
dem Gesichtspunkt des Herstellers einer CDPD-Mobilstation betrachtet
können
alle Protokolle von höheren
Schichten wiederverwendet werden, wenn diese Erfindung implementiert
wird.
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Das
Protokoll und die Prozeduren für
eine verbindungslose Kommunikation zwischen mobilen Stationen und
Basisstationen gemäß dieser
Erfindung sind darauf gerichtet, die Leistungseigenschaften zu maximieren.
Weitere wünschenswerte
Ausweitungen der Funktionalität
durch diese Erfindung umfassen das Einführen von PDCH-Rufbereichen und
einer Registrierung, z.B. durch IS-136, was die Option eröffnet, Schicht
3-Nachrichten, die für
eine verbindungslose Kommunikation definiert sind, auf einem verbindungsorientierten
DTC zu senden, das Vorsehen von IS-136 Rufindikatoren auf dem PDCH und
das Vorsehen von Datenpaket-Meldungen auf einem DTC. Ein möglicher
Satz von speziellen Protokollen und Prozeduren zum Erweitern der
Eigenschaften von verschiedenen verbindungslosen Übertragungen
zwischen mobilen Stationen und Basisstationen wird nachfolgend erläutert.
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Um
das Verständnis
zu erleichtern, ist eine beispielhafte Abbildungssequenz in 6 dargestellt.
Ein Rahmen nach einem CDPD-Protokoll für eine mobile Datenverbindung
(MDLP; mobile data link protocol) wird zunächst auf eine Schicht 3-Nachricht
abgebildet, indem ein Protokolldiskriminator (PD; protocol discriminator)
und ein Nachrichtentyp (MT; message type)-Indikator eingefügt werden.
Die Schicht 3-Nachricht wird dann auf mehrere Schicht 2-Rahmen abgebildet.
Der Schicht 2-Rahmen wird weiter auf einen FPDCH-Zeitschlitz abgebildet. Schließlich ist
das Abbilden von FPDCH-Zeitschlitzen auf einen Superrahmen dargestellt.
Die Länge der
Vorwärts-PDCH
(FPDCH)-Zeitschlitze und der Rückwärts-PDCH
(RPDCH)-Bursts ist festgelegt, obwohl es drei Formen von RPDCH-Bursts
geben kann, welche verschiedene feste Längen aufweisen. Es wird angenommen,
daß die
FPDCH-Schlitze auf
der physikalischen Schicht in 6 liegen.
Die se Beschreibung geht davon aus, daß die TDMA-Rahmenstruktur diejenige
der DCCH und der DTC nach IS-136 ist. Im Interesse eines maximalen
Durchsatzes wird ein zusätzliches
FPDCH-Schlitzformat
spezifiziert, wenn ein Mehrfachratenkanal verwendet wird (Zweifachraten-PDCH
und Dreifachraten-PDCH).
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Bestehende
Technologien wie D-AMPS und CDPD können kombiniert werden, um
eine Endgerätefunktionalität mit mehreren
Betriebsarten, wie in den 5(c) , 5(d) und 5(e) dargestellt,
zur Verfügung
zu stellen. Die Funktionalität
der Kombination der D-AMPS- und CDPD-Technologien für Endgeräte und Endbenutzer
wird mit Bezug auf die 7(a) , 7(b) , 7(c) , 7(d) und 7(e) beschrieben.
In jeder dieser Figuren kann die Auswahl der Betriebsart durch den
Benutzer bei jedem Einschaltvorgang, durch eine Default-Betriebsart,
die in dem Endgerät
von dem Benutzer gespeichert wurde, oder durch eine externe Vorrichtung,
wie einen Computer oder ein fernüberwachtes Gerät, festgelegt
werden. 7(a) illustriert die Auswahl
von nur einer der verschiedenen Betriebsarten. Zum Beispiel kann
es sein, daß der
Benutzer nur die D-AMPS-Betriebsart aktivieren will, so daß die mobile
Station sich nicht auf dem PDCH-System registriert. Die Basisstation,
MSC und die Vermittlungsfunktion (interworking function; BMI) werden
dann nicht über
die Datenpaketfähigkeit
der mobilen Station informiert. Alternativ kann eine ausschließliche Paketbetriebsart
durch den Benutzer aktiviert werden. Dementsprechend braucht sich
die mobile Station dann nicht auf dem IS-136 System registrieren. 7(a) illustriert die Auswahl einer funktionellen Gruppe,
welche durch den Benutzer, durch die gespeicherte Defaultbetriebsart
oder durch eine andere externe Vorrichtung, welche mit dem Funkendgerät in Verbindung
steht, ausgeführt
werden kann.
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7(b) illustriert die Auswahl, sowohl die D-AMPS-
als auch die PDCH-Betriebsart zu aktivieren. Wie in Schritt 1 der 7(b) dargestellt ist, findet die mobile Station
einen DCCH und liest den BCCH, um einen Zeiger (pointer) zu einem
entspre chenden Baken-PDCH zu finden. Der Baken-PDCH (die Trägerfrequenz
von einem PDCH) wird zur Verfügung gestellt,
wenn der DCCH die Unterstützung
von einem oder mehreren dedizierten PDCHs anzeigt. Eine mobile Station,
die an einem Datenpaketdienst interessiert ist, stellt sich dann
auf den Baken-PDCH ein und liest zusätzliche BCCH-Informationen,
um festzustellen, ob mehrere PDCHs existieren. Wenn mehr als ein
PDCH in dem aktuellen Dienstgebiet vorhanden ist, wählt eine
mobile Station einen als ihren zugewiesenen PDCH entsprechend einem
Hash-Algorithmus aus. Wenn der Baken-PDCH der einzige PDCH in dem
aktuellen Dienstgebiet ist, wird er der der mobilen Station zugewiesene
PDCH. Nachdem eine mobile Station ihren zugewiesenen PDCH bestimmt
hat, liest sie einen vollen Zyklus von Schnellpaket-BCCH (F-BCCH;
fast packet BCCH)-Information und Information betreffend einen BCCH
mit erweiterten Paketen (E-BCCH; extended packet BCCH) auf dem ihr
zugewiesenen PDCH. Die mobile Station registriert sich dann, wenn
nötig,
auf ihrem zugewiesenen PDCH entsprechend den Mobilitätsmanagementregeln
des PDCH. Eine Registrierung auf dem PDCH kann dazu führen, daß die mobile
Station zu einem anderen zugewiesenen PDCH geleitet wird oder ihren
aktuellen zugewiesenen PDCH beibehält.
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Sobald
die PDCH-Registrierung erfolgreich abgeschlossen ist oder ein nicht
behebbarer Fehlerzustand detektiert wurde, kehrt die mobile Station
in eine Wartestellung auf dem anfänglichen DCCH zurück, was
in Schritt 3 dargestellt ist. Dementsprechend stellt 7(b) die Möglichkeit
dar, die mobile Station als ein Endgerät für Sprache und Pakete zu betreiben,
indem sowohl die D-AMPS- als auch die PDCH-Betriebsarten bei diesem
Beispiel aktiviert werden.
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7(c) illustriert eine mobile Station, die als ausschließliches
Paketendgerät
aktiviert ist. 7(c) illustriert ein Beispiel,
indem die PDCH-Betriebsart nur aktiviert wird, indem die mobile
Station zuerst einen DCCH findet und den BCCH liest, um den Zeiger zu
dem Baken-PDCH zu finden, wie dies in Schritt 1 der 7(c) dargestellt ist. Die mobile Station registriert
sich zu diesem Zeitpunkt nicht auf dem DCCH, wie sie dies bei dem
vorangehenden Beispiel tat. Sobald die mobile Station auf den Baken-PDCH
aufgeschaltet ist, tritt die mobile Station in einen aktiven CDPD-Betriebsart
ein und registriert sich, wie dies in Schritt 2 dargestellt
ist. Die mobile Station kann zu einem anderen PDCH infolge ihrer
BMI-Antwort auf ihre Registrierung umgeleitet werden. Die mobile Station
bleibt in dem aktiven Betriebsart auf dem angegebenen PDCH, bis
ein aktiver Zeitgeber abgelaufen ist, wie dies in Schritt 3 dargestellt
ist. Die mobile Station tritt dann in einen passiven Betriebsart
ein, wie dies in Schritt 4 dargestellt ist. Auf diese Weise wird
die mobile Station als ausschließliches Paketendgerät bei der
Registrierung aktiviert.
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In 7(d) wird die mobile Station sowohl in der D-AMPS-Betriebsart
als auch in der PDCH-Betriebsart aktiviert, d.h. sie hat sich wie
vorangehend mit Bezug auf 7(a) erläutert registriert,
wobei die Defaultbetriebsart D-AMPS ist. 7(d) betrifft
eine Sequenz von Ereignissen, welche sowohl einen PDCH- als auch
einen D-AMPS-Ruf enthält.
Wenn die mobile Station sich in dem IS-136-Schlafmodus befindet
und eine Rufnachricht empfangen wird, welche eine PDCH-Endtransaktion
anzeigt (d.h. Datenpakete sollen zu der Mobilstation gesandt werden), geht
die mobile Station auf ihren vorher zugewiesenen PDCH über und
tritt in einen aktiven Betriebsart ein, wie dies durch Schritt 1 der 7(d) dargestellt ist. Nachdem die PDCH-Endtransaktion
abgeschlossen ist und ein Aktivitätszeitgeber abgelaufen ist,
tritt die mobile Station in einen passiven CDPD-Betriebsart ein,
wie in Schritt 2 dargestellt. Nachdem ein zweiter Zeitgeber
abgelaufen ist, während
sie sich in dem passiven Modus befindet, kehrt die mobile Station
zu dem anfänglichen
DCCH zurück,
wie dies in Schritt 3 dargestellt ist. Wenn die mobile
Station sich in einem IS-136-Schlafmodus befindet und ein Sprachruf
oder ein IS-136-Ruf empfangen wird, wird die mobile Station einem
Verkehrskanal für
einen Sprachanruf zugewiesen, wie dies in Schritt 4 dargestellt
ist. Nach dem Abschluß des
Sprachanrufs kehrt die mobile Station in den IS-136-Schlafmodus
zurück,
wie dies durch Schritt 5 dargestellt ist. Dementsprechend
ermöglichen
es diese Funktionen, daß die
mobile Station entweder als Sprachendgerät oder als Datenpaket-Endgerät gerufen
wird.
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Ein
Beispiel einer mobilen Station, welche als ausschließliches
Paketendgerät
gerufen wird, ist in 7(e) dargestellt.
Wie in Schritt 1 der 7(e) dargestellt
ist, wird eine Rufnachricht empfangen, welche eine PDCH-Endtransaktion
anzeigt. Nachdem die PCCH-Endtransaktion abgeschlossen ist und der
aktive Zeitgeber abläuft,
ohne daß zusätzliche
Datenpaketinformation empfangen wurde, tritt die mobile Station
in einen passiven Betriebsart ein, wie dies durch Schritt 2 dargestellt
ist. Der aktive IS-136-Betriebsart wird für ein ausschließliches
Datenpaketendgerät
nicht benötigt
und dieser Betriebsart wird nicht benutzt, wie in 7(e) dargestellt. Die Fähigkeit, den BCCH auf IS-136
zu lesen, ist immer noch für
ein ausschließliches
Datenpaketendgerät erforderlich,
was in 7(e) durch das unterbrochene "X" über
dem IS-136-Zustand angedeutet ist. Dementsprechend arbeitet die
mobile Station als ein ausschließliches Datenpaket-Endgerät.
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Um
dem Benutzer die Kontrolle der verschiedenen Betriebsarten durch
die mobile Station bei dieser Erfindung zu erleichtern, können Techniken
für die
Interaktion eines Benutzers vorgesehen sein, um die verschiedenen
Betriebsarten zu steuern. In einem Beispiel einer Technik der Interaktion
des Benutzers kann der Benutzer die Verfügbarkeit von Diensten und Attributen
der mobilen Station über
eine bekannte Anzeigevorrichtung der mobilen Station erfahren. Die
Dienste und Attribute, insbesondere die Übertragungsrate, können dem
Benutzer auf der Anzeige in jeder herkömmlichen Anzeigeform, wie Icons,
Symbole oder Text, dargestellt werden. Danach kann der Benutzer
die Betriebsart für
eine beliebige Zeitdauer ändern
und er kann auch die Default-Betriebsart permanent ändern. Dementsprechend
kann dem Benutzer zum Betreiben von mobilen Stationen in verschiedenen
Betriebsarten in einem großen
Umfang eine Kontrolle ermöglicht
werden.
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Die
Steuerung der verschiedenen Betriebsarten durch die mobile Station
bei dieser Erfindung kann alternativ durch Telemetrie gesteuert
werden. In einem Beispiel einer Telemetrietechnik können Daten von
einem Computer durch eine mobile Station fernabgefragt werden. In
diesem Fall kann die mobile Station Information über ihre Dienste und Attribute
an den Computer senden. Der Computer kann dann die gewünschte Betriebsart
entsprechend den Daten wählen,
die abgefragt und zu der mobilen Station gesandt werden sollen.
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Nachdem
die Erfindung solchermaßen
beschrieben wurde, ist offensichtlich, daß sie auf vielfältige Weise
abgewandelt werden kann. Solche Abwandlungen sollen nicht als Abweichen
von dem Bereich der Erfindung betrachtet werden und alle solche Abwandlungen,
die einem Fachmann offensichtlich wären, sollen in dem Bereich
der folgenden Ansprüche
eingeschlossen sein.