DE19737124A1 - Verfahren und Kommunikationssystem zur drahtlosen Übertragung von Informationen zwischen einem mobilen Endgerät und einer Feststation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Kommunikations­ system zur drahtlosen Übertragung von Informationen zwischen einem mobilen Endgerät und einer Feststation gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 8.

Kommunikationssysteme zur drahtlosen Informationsübertragung verwenden Vielfachzugriffsverfahren, um die Funkressourcen möglichst effektiv auszunutzen. Ein klassisches Vielfachzu­ griffsverfahren ist das für Zeitmultiplex (TDMA, Time Divisi­ on Multiple Access) bei dem die Informationen als Impulsfol­ gen (bursts) in mehreren Zeitschlitzen (time slots) zwischen einem mobilen Endgerät und einer Feststation über die Luft übertragen werden - siehe beispielsweise "GSM-Funkschnitt­ stelle, Elemente und Funktionen" in telekom praxis" 4/93, S. 17 bis 24 und "Struktur des DECT-Standards" in Nachrichten­ technik, Elektronik, Berlin 42 (1992), Seiten 23 bis 29. Da­ bei weisen die Zeitschlitze vor und/oder nach den Impulsfol­ gen jeweils eine Schutzzeit auf, die im wesentlichen für die beim Ein- und Ausschalten der Sendeeinrichtung gegebenenfalls entstehenden Überschwinger der auszusendenden Impulsfolge vorgesehen ist. Somit erfolgt zwischen den Zeitschlitzen mit den Impulsfolgen keine Informationsübertragung statt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Kommunikationssystem zur drahtlosen Übertragung von In­ formationen anzugeben, durch das im Mittel eine höhere Über­ tragungskapazität zwischen dem mobilen Endgerät und der Fest­ station erzielt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 hinsichtlich des Verfahrens und durch die Merkmale des Patentanspruchs 8 hinsichtlich des Kommunikati­ onssystems gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind den Un­ teransprüchen zu entnehmen.

Entsprechend dem Gegenstand der Erfindung werden in den Zeit­ schlitzen zusätzliche Informationen während der Schutzzeit übertragen, die zusammen mit den in zumindest zwei aufeinan­ derfolgenden Zeitschlitzen enthaltenen Informationen einen durchgehenden Informationsfluß bilden. Auf diese Weise erhöht sich die effektive Informationsübertragungsrate, ohne Mehr­ aufwand in der Hardware. Da Sender und Empfänger im Endgerät und in der Feststation auch während der Schutzzeit Energie benötigen, wird diese zur zusätzlichen Informationsübertra­ gung gemäß dem durchgehenden Informationsfluß ausgenutzt. Da­ durch sinkt der mittlere Energieverbrauch pro Informations­ fluß, was beim Endgerät zu einer längeren Betriebszeit (stand by time) führt.

In vorteilhafter Weise läßt sich die Anzahl der aufeinander­ folgenden Impulsfolgen mit den zu dem durchgehenden Informa­ tionsfluß zusammengefaßten Informationen variabel einstellen. Dies erhöht die Flexibilität der Informationsübertragung, die im Extremfall bis zur kontinuierlichen Übertragung (Continous Wave) reichen kann. Erhalten bleibt außerdem der Vorteil der Frequenzmultiplextechnik bei Kombination mit der Zeitmulti­ plextechnik einschließlich des erfindungsgemäßen durchgehen­ den Informationsflusses, da lediglich bei dem Frequenzwechsel einmalig die Schutzzeit beibehalten und ansonsten innerhalb derselben Frequenz wiederum zur fortlaufenden Informati­ onsübertragung ausgenutzt wird. Besonders eignet sich der Einsatz des Gegenstands der Erfindung auch bei Kombination der Zeitmultiplextechnik mit der Codemultiplextechnik - und gegebenenfalls der Frequenzmultiplextechnik - da die Eigen­ schaften der Übertragungsstrecke bekannt und durch den durch­ gehenden Informationsfluß nicht negativ beeinflußt sind.

Von Vorteil ist es auch, wenn in den Informationen enthaltene Synchronisationsinformationen - die Synchronisationsambeln - in dem durchgehenden Informationsfluß aufeinanderfolgender Zeitschlitze reduziert werden. Dadurch läßt sich die Informa­ tionsübertragungsrate weiter steigern, ohne mehr Hardwareauf­ wand spendieren zu müssen.

Bei dem Kommunikationssystem gemäß der Erfindung zur drahtlo­ sen Übertragung von Informationen zwischen einem mobilen End­ gerät und einer Feststation werden ebenfalls in den Zeit­ schlitzen zusätzliche Informationen während der Schutzzeit übertragen, die zusammen mit den in zumindest zwei aufeinan­ derfolgenden Zeitschlitzen enthaltenen Informationen einen durchgehenden Informationsfluß bilden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen, die in Figuren dargestellt sind, näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Luftschnittstelle zwischen einer Basisstation und einer Mobilstation eines Mobil-Kommunikationssystems,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Luftschnittstelle zwischen einem schnurlosen Mobilteil und einer Fest­ station eines Schnurlos-Kommunikationssystems,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Zeitschlitze eines TDMA-Übertragungsrahmens mit dem durchgehenden Infor­ mationsfluß auch während der Schutzzeiten am Beispiel des Mobil-Kommunikationssystems von Fig. 1,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Zeitschlitze zweier TDMA-Übertragungsrahmen auf unterschiedlichen Träger­ frequenzen und der Impulsfolgen in einem Verkehrska­ nal bei Anwendung des Frequenzsprungverfahrens im Mo­ bil-Kommunikationssystem von Fig. 1, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Kombination von Vielfachzugriffsverfahren für Zeit-, Frequenz- und Codemultiplex.

Fig. 1 zeigt eine drahtlose Übertragungsstrecke zwischen einer Mobilstation MS, z. B. angeordnet in einem Automobil, und ei­ ner Basisstation BS eines Mobilfunknetzes MN. Die Mobilsta­ tion MS, die Basisstation BS und das Mobilfunknetz MN sind dabei Teil eines Mobil-Kommunikationssystems, das beispiels­ weise nach dem GSM-Standard betrieben wird. Üblicherweise verfügt das Mobilfunknetz MN über mehrere Basisstationen, Ba­ sisstationssteuerungen und Vermittlungsstellen sowie über Schnittstellen zu anderen Netzen. Auf die Netzeinrichtungen, die für die Erfindung keine Bedeutung haben, ist daher zeich­ nerisch verzichtet worden.

Ein weiteres Beispiel für eine drahtlose Übertragungsstrecke ist ein Schnurlos-Kommunikationssystem mit einem schnurlosen Mobilteil MT, z. B. angeordnet in einem Haus, und einer Fest­ station FS, die an ein Festnetz FN leitungsgebunden ange­ schlossen ist. Das Schnurlos-Kommunikationssystem wird bei­ spielsweise nach dem DECT-Standard (Digital Enhanced Cordless Telecommunication) betrieben.

Beiden Kommunikationssystemen der Fig. 1 und Fig. 2 ist gemein­ sam, daß es mit einer Kombination aus einem Vielfachzugriffs­ verfahren für Zeitmultiplex (TDMA) und einem Vielfachzu­ griffsverfahren für Frequenzmultiplex (FDMA) arbeitet. Lieder Frequenzkanal der Basisstation BS bzw. Feststation FS ist in mehrere Zeitschlitze unterteilt, die verschiedenen Mobilsta­ tionen MS bzw. Mobilteilen MT zugeteilt werden können. Zwi­ schen der Mobilstation MS bzw. dem Mobilteil MT und der Ba­ sisstation BS bzw. Feststation FS werden die Informationen als Impulsfolgen IF - auch als bursts bezeichnet - in einem TDMA-Zeitrahmen FR übertragen. Dabei weisen die Zeitschlitze vor und/oder nach den Impulsfolgen jeweils eine Schutzzeit auf, die im wesentlichen für die beim Ein- und Ausschalten der Sendeeinrichtung gegebenenfalls entstehenden Überschwin­ ger der auszusendenden Impulsfolge oder zum Ausgleich von Si­ gnallaufzeiten der verschiedenen Mobilteile vorgesehen ist. Unabhängig davon, daß sich die beiden beispielhaften Kommuni­ kationssysteme in der Anzahl der Zeitschlitze, der Anzahl und Lage der Trägerfrequenzen und der Anwendung für einen piko­ zellularen Betrieb (DECT) oder makrozellularen Betrieb (GSM) unterscheiden, kann die Erfindung auf jedes Übertragungsver­ fahren, das Zeitmultiplextechnik nutzt und eine Übertragungs­ pause zwischen den einzelnen Informationsübertragungen vor­ sieht, angewendet werden und ist nicht auf die beiden Ausfüh­ rungsbeispiele beschränkt.

Fig. 3 zeigt am Beispiel des Mobil-Kommunikationssystems das Aussenden von Informationen - Nutzinformationen wie Sprache und Daten oder Signalisierungsinformationen - durch die Mo­ bilstation MS und das Empfangen von Informationen - Nutzin­ formationen wie Sprache und Daten oder Signalisierungsinfor­ mationen - durch die Mobilstation MS. Dabei sendet die Mobil­ station MS und empfängt die Basisstation BS die Informationen in getrennten TDMA-Rahmen FR. Jeder Rahmen FR weist laut GSM- Standard acht Zeitschlitze ZS0 bis ZS7 auf, die jeweils ins­ gesamt 156,25 bit (1 bit entspricht einer Zeit von ca. 3,7 µs) umfassen (Dauer des gesamten Zeitschlitzes ca. 0,577 ms). Die Impulsfolge im jeweiligen Zeitschlitz nimmt bekanntlich insgesamt 148 bit ein, so daß jeweils eine Schutzzeit von 8,25 bit vor und/oder nach der Informationsfolge verbleibt. Es sind in dem Rahmen FR, den die Mobilstation MS aussendet, vier aufeinanderfolgende Impulsfolgen IF1, IF2, IF3 und IF4 sowie in dem Rahmen FR, den die Basisstation BS empfängt, drei aufeinanderfolgende Impulsfolgen IFx, IFy und IFz bei­ spielhaft dargestellt. Im vorliegenden Beispiel schließt je­ weils die Schutzzeit SZ an jede der Impulsfolgen IF . . . IF4 und IFx . . . IFz an, die jedoch auch alternativ am Anfang des Zeitschlitzes oder zum Teil am Anfang und zum Teil am Ende liegen kann.

Erfindungsgemäß werden in den Zeitschlitzen auch Informatio­ nen während der Schutzzeit übertragen, die zusammen mit den in zumindest zwei aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen enthal­ tenen Informationen einen durchgehenden Informationsfluß bil­ den. So kann die Mobilstation MS zusätzliche Informationen ZI zwischen den Impulsfolgen IF1 und IF2, zwischen den Impuls­ folgen IF2 und IF3, zwischen den Impulsfolgen IF3 und IF4 und im Anschluß an die Impulsfolge IF4 während der Schutzzeiten SZ über die drahtlose Übertragungsstrecke aussenden. In glei­ cher Weise empfängt die Basisstation BS über die drahtlose Übertragungsstrecke zusätzliche Informationen ZI* zwischen den Impulsfolgen IFx und IFy, zwischen den Impulsfolgen IFy und IFz und im Anschluß an die Impulsfolge IFz während der Schutzzeiten SZ. Die Schutzzeiten SZ sind zur besseren Ab­ grenzung gegenüber den Impulsfolgen dunkel dargestellt.

Durch die fortlaufende Informationsübertragung auch während der Schutzzeiten SZ ergibt sich ein durchgehender Informati­ onsfluß in der Reihenfolge IF1, ZI, IF2, ZI, IF3, ZI, IF4, ZI auf dem Sendeweg und ein durchgehender Informationsfluß in der Reihenfolge IFx, ZI*, IFy, ZI*, IFz, ZI* auf dem Emp­ fangsweg. Die Erhöhung der Informationsübertragungsrate über die drahtlose Übertragungsstrecke kann ohne zusätzlichen Hardwareaufwand erzielt werden. Lediglich die zusätzlichen Informationen ZI und ZI* brauchen von der ohnehin mobilstati­ onsseitig und basisstationsseitig vorhandenen Ablaufsteuerung in die Zeitschlitze gemäß der Zeitmultiplextechnik eingefügt zu werden, was mit geringer softwaretechnischer Modifikation möglich ist. Von der Ablaufsteuerung läßt sich auch die An­ zahl der aufeinanderfolgenden Impulsfolgen mit den zu dem durchgehenden Informationsfluß zusammengefaßten Informationen variabel einstellen. Dies erhöht die Flexibilität der Infor­ mationsübertragung, die im Extremfall bis zur kontinuierli­ chen Übertragung (Continous Wave) reichen kann. Die üblicher­ weise in jeder Impulsfolge enthaltenen Synchronisationsinfor­ mationen - die Synchronisationsambeln - können in dem durch­ gehenden Informationsfluß aufeinanderfolgender Zeitschlitze reduziert werden, was zu einer weiteren Steigerung der Infor­ mationsübertragungsrate führt, ohne mehr Hardwareaufwand spendieren zu müssen.

Fig. 4 zeigt in einer schematischen Darstellung die Zeit­ schlitze zweier TDMA-Übertragungsrahmen FR1 und FR2 auf un­ terschiedlichen Trägerfrequenzen f0 und f1 und zwei Impuls­ folgen in einem Verkehrskanal TCH bei Anwendung des Frequenz­ sprungverfahrens (frequency hopping) im Mobil-Kommunikations­ system von Fig. 1. Die Mobilstation MS sendet den Rahmen FR1 mit Impulsfolgen IF1 bis IF5 und Zusatzinformationen ZI in den Schutzzeiten SZ zwischen den Impulsfolgen auf der Träger­ frequenz f0. Parallel dazu sendet die Mobilstation MS den Rahmen FR2 mit Impulsfolgen IF8, IF9 und IF10 und dazwischen­ liegenden Zusatzinformationen ZI in den Schutzzeiten SZ auf der Trägerfrequenz f1. Durch die Kombination der Zeitmulti­ plextechnik mit der Frequenzmultiplextechnik - zwei unter­ schiedliche Trägerfrequenzen bedeuten zwei verschiedene Fre­ quenzkanäle - werden die Impulsfolge IF5 von dem Frequenzka­ nal mit der Trägerfrequenz f0 in einen Zeitschlitz des bei­ spielhaften Verkehrskanals TCH (Traffic Channel) und die Im­ pulsfolge IF10 von dem Frequenzkanal mit der Trägerfrequenz f1 in den darauffolgenden Zeitschlitz des beispielhaften Ver­ kehrskanals TCH übernommen. Da es sich um einen Frequenzwech­ sel handelt, bleibt die Schutzzeit bestehen und es erfolgt keine durchgehende Informationsübertragung.

Die Erfindung ist auch für ein Kommunikationssystem, das zur Informationsübertragung zumindest eine Kombination aus einem Vielfachzugriffsverfahren für Zeitmultiplex (TDMA) und einem Vielfachzugriffsverfahren für Codemultiplex (CDMA) benutzt, anwendbar. Ein solches System ist darüber hinaus noch mit dem Vielfachzugriffsverfahren für Frequenzmultiplex (FDMA) kombi­ nierbar. Für das UMTS-Kommunikationssystem (Universal Mobile Telecommunication System) oder andere Systeme der 3. Genera­ tion sind dabei Frequenzen im Frequenzband von ca. 2000 MHz vorgesehen. Bei einem Kommunikationssystem, das eine CDMA- Teilnehmerseparierung und auf der Funkschnittstelle zusätz­ lich eine TDMA-Teilnehmerseparierung aufweist, wird empfangs­ seitig ein JD-Verfahren (gemeinsame Detektion - Joint De­ tection) angewendet, um unter Kenntnis von CDMA-Codes mehre­ rer Teilnehmer eine verbesserte Detektion der übertragenen Informationen vorzunehmen. Dabei ist es bekannt, daß einer Verbindung über die Funkschnittstelle zumindest zwei Übertragungskanäle zugeteilt werden können, wobei jeder Übertra­ gungskanal durch einen individuellen Spreizcode unterscheid­ bar ist.

Da bei dem JD-Verfahren aus einer jeweils mitgesendeten Mit­ ambel die Kanalimpulsantwort geschätzt wird, ist der Basis­ station oder der Mobilstation die Übertragungseigenschaft des Übertragungskanals mit dem Rahmen FR(IF) bekannt. Weil sich die Kanalimpulsantwort des Übertragungskanals über die Zeit ändert, kann die Basisstation und oder das Mobilteil selb­ ständig über die Anzahl der zusammenhängenden Impulsfolgen mit dazwischenliegender Schutzzeit entscheiden. Anschließend kann es von einem Kanal mit schlechten Übertragungseigen­ schaften durch die Frequenzmultiplextechnik zu einem Kanal mit besseren Übertragungseigenschaften wechseln. Somit blei­ ben die Vorteile der Frequenzmultiplextechnik erhalten. Die Erfindung ist daher besonders für das JD-Verfahren geeignet. Die Basisstation oder die Mobilstation können die optimale Kombination aus der Erhöhung der Datenübertragung und der Frequenzmultiplextechnik, sowie weitere zur Übertragung benö­ tigte Parameter, wie z. B. die Sendeleistungsregelung, ein­ stellen.

Wie bereits erwähnt, ist es aus dem GSM-Mobilfunknetz be­ kannt, daß übertragene Informationen als Bursts innerhalb von Zeitschlitzen übertragen werden, wobei innerhalb der Impuls­ folge Mitambeln mit bekannten Symbolen enthalten sind. Diese Mitambeln können im Sinne von Trainingssequenzen zum emp­ fangsseitigen Abstimmen der Basisstation genutzt werden. Die empfangende Basisstation führt anhand der Mitambeln eine Schätzung der Kanalimpulsantworten für verschiedene Übertra­ gungskanäle durch. Die geschätzten Kanalimpulsantworten wer­ den für die spätere Informationsdetektion benötigt.

Die Rahmenstruktur bei Kombination der Vielfachzugriffsver­ fahren ist aus Fig. 5 schematisch ersichtlich. Gemäß der TDMA- Komponente ist eine Aufteilung eines breitbandigen Frequenz­ bereiches, beispielsweise der Bandbreite B = 1,6 MHz, in bei­ spielsweise die 8 Zeitschlitze ZS0 bis ZS7 vorgesehen. Jeder Zeitschlitz ZS innerhalb des Frequenzbereiches B bildet einen Frequenzkanal. Innerhalb der Frequenzkanäle werden Infor­ mationen mehrerer Verbindungen in den Bursts übertragen. Ge­ mäß der FDMA-Komponente sind dem Mobil-Kommunikationssystem mehrere Frequenzbereiche B zugeordnet. Eine CDMA-Komponente wird durch die z. B. acht CDMA-Codes c0. . .c7 in einem Zeit­ schlitz ZS gebildet. Jedem der Übertragungskanäle dabei eine bestimmte Energie E zugeordnet.

Innerhalb des breitbandigen Frequenzbereiches B werden die aufeinanderfolgenden Zeitschlitze ZS nach der Rahmenstruktur gegliedert. So werden die einzelnen Zeitschlitze des Rahmens wiederkehrend von einer Gruppe von durch verschiedene CDMA- Codes unterscheidbaren Verbindungen genutzt.

Claims (8)

1. Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Informationen zwischen einem mobilen Endgerät (MS, MT) und einer Feststati­ on (BS, FS) eines Kommunikationssystems, bei dem die Informa­ tionen als Impulsfolgen (IF1. . ., IFx. . .) in Zeitschlitzen (ZS) gemäß einem Vielfachzugriffsverfahren (TDMA) für Zeit­ multiplex gesendet und empfangen werden und bei dem die Zeit­ schlitze (ZS) vor und/oder nach den Impulsfolgen jeweils eine Schutzzeit (SZ) enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zeitschlitzen (ZS) zusätzliche Informationen (ZI, ZI*) während der Schutzzeit (SZ) übertragen werden, die zu­ sammen mit den in zumindest zwei aufeinanderfolgenden Zeit­ schlitzen enthaltenen Informationen (z. B. IF1. . .IF4, IFx. . .IFz) einen durchgehenden Informationsfluß (z. B. IF1, ZI, IF2. . ., IFx, ZI*, IFy. . .) bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der aufeinanderfolgenden Impulsfolgen (z. B. IF1. . .IF4, IFx. . .IFz) mit den zu dem durchgehenden Informati­ onsfluß (z. B. IF1, ZI, IF2. . ., IFx, ZI*, IFy. . .) zusammenge­ faßten Informationen (ZI, ZI*) variabel eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Informationen enthaltene Synchronisationsinforma­ tionen in dem durchgehenden Informationsfluß (z. B. IF1, ZI, IF2. . ., IFx, ZI*, IFy. . .) aufeinanderfolgender Zeitschlitze (ZS) reduziert werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Zeitschlitzen (ZS) enthaltenen Informationen auf mehreren Trägerfrequenzen (f0, f1) gemäß einem Vielfach­ zugriffsverfahren (FDMA) für Frequenzmultiplex parallel über­ tragen werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Zeitschlitzen (ZS) enthaltenen Informationen mit mehreren Spreizcodes (c0. . .c7) gemäß einem Vielfachzu­ griffsverfahren (CDMA) für Codemultiplex versehen und paral­ lel übertragen werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationen zwischen einer Mobilstation (MS) und einer Basisstation (BS) eines Mobil-Kommunikationssystems (GSM) übertragen werden.

7. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationen zwischen einem schnurlosen Mobilteil (MT) und einer Feststation (FS) eines Schnurlos-Kommunika­ tionssystems (DECT) übertragen werden.

8. Kommunikationssystem zur drahtlosen Übertragung von In­ formationen zwischen einem mobilen Endgerät (MS, MT) und ei­ ner Feststation(BS, FS), bei dem die Informationen als Im­ pulsfolgen (IF1. . ., IFx. . .) in Zeitschlitzen (ZS) gemäß einem Vielfachzugriffsverfahren (TDMA) für Zeitmultiplex gesendet und empfangen werden und bei dem die Zeitschlitze (ZS) vor und/oder nach den Impulsfolgen jeweils eine Schutzzeit (SZ) enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zeitschlitzen (ZS) zusätzliche Informationen (ZI, ZI*) während der Schutzzeit (SZ) übertragen werden, die zu­ sammen mit den in zumindest zwei aufeinanderfolgenden Zeit­ schlitzen enthaltenen Informationen (z. B. IF1. . .IF4, IFx. . .IFz) einen durchgehenden Informationsfluß (z. B. IF1, ZI, IF2. . ., IFx, ZI*, IFy. . .) bilden.