DE19681606B4 - Betreiben von Mobilstationen in drahtlosen Kommunikationssystemen in mehreren Betriebsarten durch externe Steuerung - Google Patents

Betreiben von Mobilstationen in drahtlosen Kommunikationssystemen in mehreren Betriebsarten durch externe Steuerung Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Steuern von mehreren Betriebsarten einer mobilen Station in einem drahtlosen Kommunikationssystem, welches die folgenden Schritte aufweist:
(a) Kombinieren von mehreren Protokollen, welche einen Betrieb einer mobilen Station in mehreren Betriebsarten unterstützen, wobei diese Betriebsarten eine Datenpaket-Betriebsart und eine Sprach-Betriebsart umfassen,
(b) Überwachen eines digitalen Steuerkanals (DCCH), welcher der Sprach-Betriebsart zugeordnet ist, während die mobile Station in einem Schlafmodus arbeitet,
(c) Auswahl derart, daß die mobile Station in einer der Betriebsarten arbeitet und
(d) Umschalten der mobilen Station, so daß sie in der Datenpaket-Betriebsart arbeitet, und nachfolgendes Rückkehren zu Schritt (b), falls die Datenpaket-Betriebsart in Schritt (c) gewählt wird.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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".
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die zellulare Steuereinheit wird hauptsächlich bei dem Herstellen eines Anrufs tätig, wenn sie dem Anruf eine Rufsteuernummer zuweist.
  • 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.
  • 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.
  • "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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • CDPD-Netzdienste sind Datenübertragungsdienste, welche es den Benutzern ermöglichen, mit Datenanwendungen zu kommunizieren. Zusätzlich können eine oder beide Seiten der Datenübertragung mobil sein.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Merkmale und Vorteile der Erfindung der Anmelderin werden beim Lesen dieser Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich, von denen
  • 1 schematisch mehrere Schicht 3-Nachrichten, Schicht 2-Rahmen und Schicht 1-Kanalbursts oder -Zeitschlitze darstellt,
  • 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,
  • 2(b) ein Beispiel eines IS-136 DCCH-Feld-Schlitzformats zeigt,
  • 3 ein beispielhaftes hierarchisches oder mehrschichtiges zellulares System illustriert,
  • 4 ein Blockdiagramm eines beispielhaften mobilen zellularen Funktelephonsystems mit einer beispielhaften Basis- und Mobilstation ist,
  • 5(a)-5(e) ein Endbenutzergerät illustriert, welches die Datenpaket-Funktionalität zur Verfügung stellt,
  • 6 ein Beispiel einer möglichen Abbildungssequenz zwischen verschiedenen Schichten in einem Funckommunikationssystem illustriert und
  • 7(a)-7(e) Beispiele von funktionellen Betriebsarten einer mobilen Station illustrieren.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Unter dem Gesichtspunkt des Herstellers einer CDPD-Mobilstation betrachtet können alle Protokolle von höheren Schichten wiederverwendet werden, wenn diese Erfindung implementiert wird.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Steuern von mehreren Betriebsarten einer mobilen Station in einem drahtlosen Kommunikationssystem, welches die folgenden Schritte aufweist: (a) Kombinieren von mehreren Protokollen, welche einen Betrieb einer mobilen Station in mehreren Betriebsarten unterstützen, wobei diese Betriebsarten eine Datenpaket-Betriebsart und eine Sprach-Betriebsart umfassen, (b) Überwachen eines digitalen Steuerkanals (DCCH), welcher der Sprach-Betriebsart zugeordnet ist, während die mobile Station in einem Schlafmodus arbeitet, (c) Auswahl derart, daß die mobile Station in einer der Betriebsarten arbeitet und (d) Umschalten der mobilen Station, so daß sie in der Datenpaket-Betriebsart arbeitet, und nachfolgendes Rückkehren zu Schritt (b), falls die Datenpaket-Betriebsart in Schritt (c) gewählt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Auswahl in Schritt (c) durch den Benutzer der mobilen Station von einer Anzeigevorrichtung aus vorgenommen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Auswahl in Schritt (c) durch eine Telemetrievorrichtung vorgenommen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Datenpaket-Betriebsart eine D-AMPS-Datenpaket-Betriebsart oder eine CDPD-Betriebsart ist und die Sprach-Betriebsart eine IS-136-Sprach-Betriebsart ist.
  5. System zum Steuern von mehreren Betriebsarten einer mobilen Station in einem drahtlosen Kommunikationssystem, welches umfaßt: – mehrere Protokolle, welche von einer mobilen Station in mehreren Betriebsarten ausgeführt werden können, wobei diese Betriebsarten eine Datenpaket-Betriebsart und eine Sprach-Betriebsart umfassen und die mobile Station einen digitalen Steu erkanal (DCCH) überwacht, welcher der Sprach-Betriebsart zugeordnet ist, während die mobile Station in einem Schlafmodus arbeitet, und – eine Einrichtung zum Auswählen derart, daß die mobile Station in einer der Betriebsarten arbeitet, wobei, falls die Datenpaket-Betriebsart durch die Auswahleinrichtung gewählt wird, die mobile Station umgeschaltet wird, so daß sie in der Datenpaket-Betriebsart arbeitet, und sie danach das Überwachen des DCCH wieder aufnimmt.
  6. System nach Anspruch 5, welches weiterhin eine Telemetrievorrichtung umfaßt, welche Daten zum Auswählen der Betriebsarten zur Verfügung stellt, in denen die mobile Station arbeiten soll.
  7. System nach Anspruch 5, welches weiterhin eine Einrichtung zum Anzeigen der verschiedenen Betriebsarten aufweist, welche von einem Benutzer ausgewählt werden können und in denen die mobile Station arbeiten kann.
  8. System nach Anspruch 5, bei dem die Datenpaket-Betriebsart eine D-AMPS-Datenpaket-Betriebsart oder eine CDPD-Betriebsart ist und die Sprach-Betriebsart eine IS-136-Sprach-Betriebsart ist.
DE19681606T 1995-10-18 1996-10-18 Betreiben von Mobilstationen in drahtlosen Kommunikationssystemen in mehreren Betriebsarten durch externe Steuerung Expired - Lifetime DE19681606B4 (de)

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US08/544,837 1995-10-18
US08/544,837 US5845215A (en) 1995-10-18 1995-10-18 Operating mobile stations of wireless communication systems in multiple modes by external control
PCT/US1996/016704 WO1997015157A1 (en) 1995-10-18 1996-10-18 Operating mobile stations of wireless communication systems in multiple modes by external control

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