DE19723090C2 - Verfahren, Mobilstation und Basisstation zum Verbindungsaufbau in einem Funk-Kommunikationssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbindungsaufbau für eine Mobilstation eines Funk-Kommunikationssystems, sowie eine derartig ausgestaltete Mobilstation und eine Basisstati­ on.

In der EP 0 760 564 A ist ein Verfahren zum zufälligen Zugriff in einem Vielfachträgersystem vom Typ OFDM (Orthogo­ nal Frequency Division Multiplex) beschreiben.

Der Aufbau von digitalen Funk-Kommunikationssystemen ist in J. Oudelaar, "Evolution towards UMTS", PIMRC 94, 5th IEEE In­ ternational Symp. an Personal, Indoor and Mobile Radio Commu­ nications, The Hague, NL, 18.-22. September 1994, S. 852-856, und M. Lenti, H. Hageman, "Paging in UMTS", RACE Mobile Tele­ communications Workshop, Vol. 1, Amsterdam, NL, 17.-19. Mai 1994, S. 405-410, gezeigt.

Das gegenwärtig existierende Mobilfunksystem GSM (Global Sys­ tem for Mobile Communications) ist ein Funk-Kommunika­ tionssystem mit einer TDMA-Komponente zur Teilnehmerseparie­ rung (time division multiple access). Gemäß einer Rahmen­ struktur werden Nutzinformationen der Teilnehmerverbindungen in Zeitschlitzen übertragen. Die Übertragung erfolgt block­ weise. Aus dem GSM-Mobilfunksystem sind weiterhin dem Zeit­ raster der Rahmenstruktur angepaßte Frequenzkanäle (RACH ran­ dom access channel) zum zufälligen Zugriff für die Mobilsta­ tionen bekannt. In diesem Frequenzkanal kann eine Mobilstati­ on, die einen Verbindungsaufbau anfordert, einen Zugriffs­ funkblock senden, ohne daß der Mobilstation vorher ein Fre­ quenzkanal zugewiesen wurde.

Aus DE 195 49 148.3 ist ein Mobil-Kommunikationssystem be­ kannt, das eine TDMA/CDMA-Teilnehmerseparierung (CDMA code division multiple access) nutzt und empfangsseitig ein JD- Verfahren (joint detection) anwendet, um unter Kenntnis von Spreizkodes mehrerer Teilnehmer eine verbesserte Detektion der übertragenen Nutzinformationen vorzunehmen. In einem Zeitschlitz eines Nutzdatenkanals (TCH traffic channel) werden gleichzeitig Informationen mehrerer Verbindungen übertragen, die durch ihren Spreizkode unterscheidbar sind. Voraussetzung für ein Detektieren dieser Informationen ist eine Sendeleistungsregelung, die es ermöglicht, daß die Signale der verschiedenen auszuwertenden Verbindungen etwa leistungsgleich beim Empfänger eintreffen. Bei bereits aufgebauten Verbindungen kann diese Sendeleistungsregelung mit Hilfe einer Signalisierung der gemessenen Empfangs­ leistungen erfolgen. Für den zufälligen Zugriff zum Verbin­ dungsaufbau steht diese Information nicht zur Verfügung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Vorrichtungen bereitszustellen, die in einem Funk-Kommunika­ tionssystem den Verbindungsaufbau bei geringem Verbrauch funktechnischer Ressourcen ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die Mobilstation mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 und die Basisstation mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprü­ chen zu entnehmen.

Ein Funk-Kommunikationssystem sieht durch breitbandige Fre­ quenzbereiche gebildete Frequenzkanäle vor. Erfindungsgemäß werden für die Mobilstationen in Aufwärtsrichtung zeitlich wiederkehrend Frequenzkanäle für einen zufälligen Zugriff be­ reitgestellt, in denen schmalbandigere Unterbereiche gebildet werden. Von der Mobilstation, die einen Verbindungsaufbau an­ fordert, wird ein Unterbereich ausgewählt und in diesem Un­ terbereich ein Zugriffsfunkblock an die Basisstation gesen­ det.

Durch die Bildung von schmalbandigeren Unterbereichen inner­ halb des Frequenzkanal für den zufälligen Zugriff (random access) können mehrere zufällige Zugriffe von verschiedenen Mobilstationen gleichzeitig erfolgen. Dadurch werden die funktechnischen Ressourcen besser genutzt, da dieser Fre­ quenzkanal ansonsten nur einen zufälligen Zugriff zulassen würde. Beim zufälligen Zugriff kann eine Sendeleistungs­ regelung nicht erfolgen, da die Übertragungsbedingungen sendeseitig noch nicht bekannt sind. Deshalb sendet eine Mobilstation üblicherweise mit für die Funkzelle maximaler Sendeleistung. Aus diesem Grunde könnten bei einem gleich­ zeitigen Zugriff mehrerer Mobilstationen auf den gesamten breitbandigen Frequenzbereich die leistungsschwächeren Funk­ blöcke nicht ausgewertet werden. Die Auswertung der sich in der Frequenz unterscheidenden Funkblöcke löst dieses Problem und beschleunigt den Verbindungsaufbau, da weniger Zugriffs­ versuche bis zu einem erfolgreichen Verbindungsaufbau nötig sind.

Besonders vorteilhaft ist die Erfindung bei TDMA/CDMA Funk- Kommunikationssystemen anwendbar, bei denen die Frequenz­ kanäle auch durch Zeitschlitze gebildet werden, so daß in einem Frequenzkanal gleichzeitig Informationen mehrerer Ver­ bindungen zwischen Mobilstationen und einer Basisstation übertragen werden, wobei die Informationen unterschiedlicher Verbindungen gemäß einer verbindungsindividuellen Feinstruk­ tur unterscheidbar sind. Einer einzelnen Mobilstation können dabei auch mehrere Kodes (also gemäß obiger Wortwahl mehrere Verbindungen) zugeteilt sein.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Auswahl eines Unterbereiches nach einem Zufallsprinzip. Damit wird die Wahrscheinlichkeit verringert, daß zwei Mobil­ stationen, die in einem Frequenzkanal zum zufälligen Zugriff den gleichen Unterbereich ausgewählt haben, im folgenden Frequenzkanal wiederum ein und denselben Frequenzkanal zum zufälligen Zugriff wählen.

Vorteilhafterweise werden Mobilstationen in Gruppen einge­ teilt, beispielsweise gemäß einer Priorisierung oder gemäß dem zeitkritischen Verhalten unterschiedlicher Dienste, so daß für eine oder mehrere Gruppen von Mobilstationen jeweils mindestens ein Unterbereich reserviert ist. Durch die Reser­ vierung wird eine Gruppe von Mobilstationen beim zufälligen Zugriff bevorzugt. Der Verbindungsaufbau kann für diese Gruppe schneller durchgeführt werden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung enthält der Zugriffs­ block zumindest eine Bitfolge zur zeitlichen Synchronisation und eine Zufallszahl. Die Bitfolge zur zeitlichen Synchroni­ sation dient zur Bestimmung des Zeitpunktes des Eintreffens des Funkblocks zum zufälligen Zugriff innerhalb des Zeit­ schlitzes des Frequenzkanals bei der Basisstation, worauf die Basisstation und/oder die Mobilstation ihrer Sendezeitpunkte entsprechend abgleichen können. Die Zufallszahl dient zur vorläufigen Zuordnung des Verbindungsaufbaus zu einer Mobil­ station. Mit Hilfe dieser Zufallszahl kann der Mobilstation, die diese Zufallszahl zuvor gewählt hat, ein Frequenzkanal zur weiteren Signalisierung zugewiesen werden.

Bei der Übertragung des Zugriffsfunkblocks kann dieser sende­ seitig mit einem individuellen Kode gespreizt werden, so daß gegebenenfalls auch in einem Unterbereich mehrere zufällige Zugriffe stattfinden können. Vorteilhafterweise stellt der individuelle Kode die Zufallszahl des Zugriffsblocks dar und kann aus einem Satz erlaubter, der empfangenden Station be­ kannter Kodes ausgewählt werden. Alternativ dazu kann es vorgesehen sein, daß der Zugriffsfunkblock nicht gespreizt wird. Damit wird dessen Auswertung erleichtert. Beispiels­ weise kann in einem gemischten Mobilfunknetz mit Mobil­ stationen nach dem GSM-Standard und nach einem TDMA/CDMA- Standard der Zugriffsfunkblock des GSM-Standards von allen Mobilstationen genutzt werden, wodurch ein schneller und reibungsloser Verbindungsaufbau erleichtert wird. Erst nach Auswertung des Zugriffsfunkblocks muß netzseitig auf die Besonderheiten des jeweiligen Übertragungsverfahrens ein­ gegangen werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispiels bezugnehmend auf zeichnerische Darstellungen näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Mobilfunknetzes,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Rahmenstruktur der Funkübertragung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Einteilung eines Frequenzkanals zum zufälligen Zugriff in Unterbe­ reiche, und

Fig. 4 Blockschaltbilder von Mobilstation und Basisstation und der Funkübertragung in Aufwärtsrichtung.

Das in Fig. 1 dargestellte Mobil-Kommunikationssystem ent­ spricht in seiner Struktur einem bekannten GSM-Mobilfunknetz, das aus einer Vielzahl von Mobilvermittlungsstellen MSC be­ steht, die untereinander vernetzt sind bzw. den Zugang zu einem Festnetz PSTN herstellen. Weiterhin sind diese Mobil- Vermittlungsstellen MSC mit jeweils zumindest einem Basis­ stationscontroller BSC verbunden. Jeder Basisstationscon­ troller BSC ermöglicht wiederum eine Verbindung zu zumindest einer Basisstation BS. Eine solche Basisstation BS ist eine Funkstation, die über eine Funkschnittstelle eine Nachrich­ tenverbindung zu Mobilstationen MS aufbauen kann.

In Fig. 1 sind beispielhaft drei Verbindungen zur Übertragung von Nutzinformationen und Signalisierungsinformationen zwischen drei Mobilstationen MS und einer Basisstation BS dargestellt. Ein Operations- und Wartungszentrum OMC reali­ siert Kontroll- und Wartungsfunktionen für das Mobilfunknetz bzw. für Teile davon. Die Funktionalität dieser Struktur ist auf andere Funk-Kommunikationssysteme übertragbar, in denen die Erfindung zum Einsatz kommen kann.

Die Rahmenstruktur der Funkübertragung ist aus Fig. 2 er­ sichtlich. Gemäß einer TDMA-Komponente ist eine Aufteilung eines breitbandigen Frequenzbereiches B = 1,6 MHz in mehrere Zeitschlitze ts, beispielsweise 8 Zeitschlitze ts1 bis ts8 vorgesehen. Jeder Zeitschlitz ts innerhalb des Frequenzberei­ ches B bildet einen Frequenzkanal FK. Innerhalb der Frequenz­ kanäle TCH, die zur Nutzdatenübertragung vorgesehen sind, werden Informationen mehrerer Verbindungen in Funkblöcken übertragen. Diese Funkblöcke zur Nutzdatenübertragung be­ stehen aus Abschnitten mit Daten d, in denen Abschnitte mit empfangsseitig bekannten Trainingssequenzen tseq1 bis tseqK eingebettet sind. Die Daten d sind verbindungsindividuell mit einer Feinstruktur, einem Teilnehmerkode c, gespreizt, so daß empfangsseitig beispielsweise K Verbindungen durch diese CDMA-Komponente separierbar sind.

Die Spreizung von einzelenen Symbolen der Daten d bewirkt, daß innerhalb der Symboldauer T_sym Q Chips der Dauer T_chip übertragen werden. Die Q Chips bilden dabei den verbindungs­ individuellen Teilnehmerkode c. Weiterhin ist innerhalb des Zeitschlitzes ts eine Schutzzeit gp zur Kompensation unter­ schiedlicher Signalaufzeiten der Verbindungen vorgesehen.

Innerhalb eines breitbandigen Frequenzbereiches B werden die aufeinanderfolgenden Zeitschlitze ts nach einer Rahmenstruk­ tur gegliedert. So werden acht Zeitschlitze ts zu einem Rah­ men zusammengefaßt, wobei beispielsweise ein Zeitschlitz ts4 des Rahmens einen Frequenzkanal TCH zur Nutzdatenübertragung bildet und wiederkehrend von einer Gruppe von Verbindungen genutzt wird. Ein Frequenzkanal RACH für einen zufälligen Zugriff der Mobilstationen MS wird nicht in jedem Rahmen, jedoch zu einem vorgegebenen Zeitpunkt innerhalb eines Multi­ rahmens eingeführt. Die Abstände zwischen den Frequenzkanälen RACH für einen zufälligen Zugriff bestimmen die Kapazität, die das Mobilfunknetz für diesen Teil des Verbindungsaufbaus zur Verfügung stellt.

Anhand von Fig. 3 wird die Struktur eines Frequenzkanals RACH für einen zufälligen Zugriff gezeigt. Der breitbandige Fre­ quenzbereich B z. B. mit B = 1,6 MHz, der sich z. B. aus dem Frequenzband eines Organisationskanals des Mobilfunknetzes beaufschlagt mit dem Duplexabstand berechnet, beinhaltet vier Unterbereiche UB mit jeweils z. B. 200 kHz Bandbreite, die jeweils durch einen Bereich von 200 kHz getrennt sind, um gegenseitige Störungen zu verringern. Innerhalb dieser Unter­ bereiche UB können bei Bedarf Zugriffsfunkblöcke rab von den Mobilstationen MS ohne vorherige netzseitige Zuweisung und ohne Spreizung gesendet werden. Es können also GSM random access Funkblöcke verwendet werden.

Fig. 3 zeigt ebenso eine alternative Aufteilung des Frequenz­ kanals RACH für den zufälligen Zugriff, bei der insgesamt acht Unterbereiche UB realisiert werden, die sich frequenz­ mäßig überlappen können. Zur besseren Unterscheidung sind die Zugriffsfunkblöcke rab mit einem individuellen Kode c1 ge­ spreizt.

Zwei Unterbereiche UB sind für eine erste Gruppe G1 von Mo­ bilstationen MS reserviert, die für einen zeitunkritischen Dienst - beispielsweise paketartige Datenübertragung -, nicht unbedingt einen schnellen Zugriff benötigen. Für eine zweite Gruppe G2 sind sechs Unterbereiche UB vorgesehen, so daß die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen kleiner ist und der Zu­ griff auf die funktechnischen Ressourcen der Funkschnitt­ stelle zwischen Basisstation BS und Mobilstation MS schneller realisiert werden kann.

Der Zugriffsfunkblock rab ist im Vergleich zu den Funkblöcken zur Nutzdatenübertragung nach Fig. 2 kürzer, d. h. die Schutz­ zeit wird verlängert. Dies ist nötig, um trotz der noch nicht erfolgten zeitlichen Synchronisation einen sicheren Empfang in der Basisstation BS zu sichern. Der Zugriffsfunkblock rab wird mit maximaler Sendeleistung abgestrahlt.

Der Zugriffsfunkblock rab enthält eine empfangsseitig be­ kannte Bitfolge f1 zur zeitlichen Synchronisation und eine Zufallszahl f2. Anhand der bekannten Bitfolge f1 kann die Basisstation BS das Vorliegen eines Zugriffsfunkblocks rab feststellen und aus dem Zeitpunkt des Eintreffen eine erste zeitliche Synchronisation vornehmen. Die durch die Mobil­ station MS gewählte Zufallszahl f2, die gleichzeitig einen Bezug zum individuellen Kode c zur Spreizung des Zugriffs­ funkblocks rab darstellen kann, wird als Referenz für die nachfolgende Zuteilung eines Frequenzkanal FK zur weiteren Signalisierung für den Verbindungsaufbau genutzt. Mit dieser Zufallszahl f2 kann die Mobilstation MS eine an sie adres­ sierte Zuteilung erkennen.

Fig. 4 zeigt die Funkübertragung in Aufwärtsrichtung von Mobilstationen MS1 bis MSK, deren Signale sich nach einer Übertragung über unterschiedliche Nachrichtenkanäle x bis z bei der empfangenden Basisstation BS überlagern. Die Basis­ station BS wertet ein durch die Überlagerung entstandenes Empfangssignal aus. In den Frequenzkanälen RACH für den zufälligen Zugriff werden Zugriffsfunkblöcke rab detektiert und ausgewertet und in den Frequenzkanälen TCH zur Nutz­ datenübertragung eine Teilnehmerseparierung und eine Detek­ tion der Teilnehmerdaten vorgenommen.

Die Mobilstation MS enthält ein Bedienfeld T, eine Signalver­ arbeitungseinrichtung SP, eine Steuereinrichtung ST und eine Sende/Empfangseinrichtung SE/EE. Am Bedienfeld T kann der Teilnehmer Eingaben vornehmen, u. a. eine Eingabe für einen Verbindungsaufbauwunsch. In der Signalverarbeitungseinrich­ tung SP wird daraufhin ein Zugriffsfunkblock rab gebildet und in der Steuereinrichtung ST ein Unterbereich UB innerhalb des nächstmöglichen Frequenzkanals RACH zum zufälligen Zugriff nach den zuvor beschriebenen Prinzipien ausgewählt. Der Zu­ griffsfunkblock rab wird nach einer entsprechenden Signal­ aufbereitung durch die Sendeeinrichtung SE schmalbandig im ausgewählten Unterbereich UB gesendet.

Die Basisstation BS enthält eine Sende/Empfangseinrichtung SE/EE, die die Empfangssignale verstärkt, ins Basisband umsetzt und demoduliert. In einem Analog/Digital-Wandler werden die Empfangssignale in Symbole mit diskretem Werte­ vorrat umgewandelt, beispielsweise digitalisiert. Die Si­ gnalauswerteeinrichtung SA, die z. B. als digitaler Signal­ prozessor einen JD-Prozessor zum Detektieren der Nutzinfor­ mationen und der Signalisierungsinformationen nach dem JD- CDMA-Verfahren (joint detection) enthält, werden auch die Zugriffsblöcke rab ausgewertet.

Es erfolgt zuerst eine Trennung der verschiedenen Unter­ bereiche UB durch eine Filterbank und anschließend eine einzelne Auswertung der Zugriffsblöcke rab in den Unterbe­ reichen UB. Alternativ kann auf eine vorherige Tiefpaßfil­ terung verzichtet und breitbandig eine Detektion mit einer Einzelteilnehmer- (single user) oder mit einer gemeinsamen Auswertung (joint detection) durchgeführt werden.

Die Auswertung erfolgt durch Feststellen der Korrelation zwischen den empfangenen Signalen und in der Basisstation BS bekannten Bitfolgen f1. Dabei wird auch der Zeitpunkt der größten Korrelation bestimmt, der im weiteren der zeitlichen Synchronisation dient. Alternativ kann auch eine signalan­ gepaßte Filterung oder ein anderer linearer Algorithmus (z. B. gemäß dem zero forcing oder dem minimum square error Krite­ rium) angewendet werden.

Claims (11)

1. Verfahren zum Verbindungsaufbau für eine Mobilstation (MS) eines Funk-Kommunikationssystems, wobei das Funk-Kommunikationssystems durch breitbandige Fre­ quenzbereiche (B) gebildete Frequenzkanäle (FK) bereitstellt, bei dem
für die Mobilstationen (MS) in Aufwärtsrichtung wiederkeh­ rend Frequenzkanäle (RACH) für einen zufälligen Zugriff be­ reitgestellt werden,
innerhalb eines Frequenzkanals (RACH) schmalbandigere Unterbereiche (UB) gebildet werden,
von der Mobilstation (MS), die einen Verbindungsaufbau an­ fordert, ein Unterbereich (UB) innerhalb des Frequenzkanals (RACH) ausgewählt wird, und
von der Mobilstation (MS) in diesem Unterbereich (UB) ein Zugriffsfunkblock (rab) an die Basisstation (BS) gesendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Funk-Kommunikationssystem als TDMA/CDMA Funk-Kommunika­ tionssystem ausgeprägt ist, mit durch Zeitschlitze (ts) ge­ bildeten Frequenzkanälen, in denen gleichzeitig Informationen mehrerer Verbindungen zwischen Mobilstationen (MS) und einer Basisstation (BS) übertragen werden, wobei die Informationen unterschiedlicher Verbindungen gemäß einer verbindungsindi­ viduellen Feinstruktur unterscheidbar sind.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Auswahl eines Unterbereiches (UB) nach einem Zufalls­ prinzip erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem für eine oder mehrere Gruppen (G1, G2) von Mobilstationen (MS) jeweils mindestens ein Unterbereich (UB) reserviert ist.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Zugriffsblock (rab) zumindest eine Bitfolge (f1) zur zeitlichen Synchronisation und eine Zufallszahl (f2) enthält.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Zugriffsfunkblock (rab) nicht gespreizt wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Zugriffsfunkblock (rab) mit einem individuellen Kode (c1) gespreizt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der individuelle Kode (c1) die Zufallszahl des Zugriffsfunk­ blocks (rab) darstellt.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der individuelle Kode (c1) derartig gewählt wird, daß in einem Unterbereich (UB) mehrere Zugriffsfunkblöcke (rab) von der Basisstation (BS) ausgewertet werden können.

10. Mobilstation (MS) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
mit einem Bedienfeld (T) zum Auslösen des zufälligen Zu­ griffs,
mit einer Signalverarbeitungseinrichtung (SP) zum Erzeugen des Zugriffsblocks (rab)
mit einer Steuereinrichtung (SE) zum Auswählen eines Unter­ bereiches (UB) und zum Auslösen des Senden des Zugriffsblocks (rab) zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb des Frequenz­ kanals (RACH).

11. Basisstation (BS) zur Auswertung des nach Anspruch 1 gesendeten Zugriffsblocks (rab),
mit einer Empfangseinrichtung (EE) zum Empfangen von im Frequenzkanal (RACH) gesendeten Signale mit Zugriffsblöcken (rab),
mit einer Signalauswerteeinrichtung (SA) zum Verarbeiten der Zugriffsfunkblöcke (rab).