DE19824961A1

DE19824961A1 - Verfahren zur dezentralen/zentralen Kapazitätsaufteilung unter mehreren im gleichen Frequenzband arbeitenden Stationen für paketorientierte Übertragungsverfahren

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Publication number: DE19824961A1
Application number: DE19824961A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Walke; Markus Scheibenbogen; Andreas Kraemling
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-06-04
Filing date: 1998-06-04
Publication date: 1999-12-16
Anticipated expiration: 2018-06-05
Also published as: DE19824961B4

Abstract

Kanalzugriffsprotokolle, die das statistische Multiplexen, wie es aus ATM-Netzen bekannt ist, mehrerer Verbindung auf der Luftschnittstelle erlauben, ermöglichen es wegen des Fehlens von synchronen Kanälen nicht dynamischer Kanalvergabeverfahren zu verwenden. DOLLAR A Dieses Problem wird durch die Erfindung gelöst, indem der physikalische Kanal in periodische Rahmen unterteilt wird, die je eine feste Anzahl von Containern, welcher aus einem oder mehreren Zeitschlitzen besteht, enthalten. Die Basisstation belegt entsprechend ihrem Kapazitätsbedarf für die von ihr bedienten mobilen oder festen Terminals einen oder mehrere Container eines Rahmens, wobei dieselben Container über viele Rahmen hinweg belegt werden und damit synchrone Kanäle bilden, welche die Verwendung von herkömmlichen Kanalvergabealgorithmen zulassen. Innerhalb der entstandenen synchronen Kanäle wird dann ein Kanalzugriffsprotokoll ausgeführt, welches das statistische Multiplexen unterstützt. Damit wird eine systemweite effiziente Vergabe der Übertragungskapazität ermöglicht. DOLLAR A Drahtlose, breitbandige ATM-Funksysteme mit mehreren Funkzellen.

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Aufteilung von Übertragungskapazität in Funksystemen mit Zeitmultiplexverfahren. Praktische Einsatzfelder solcher Netze können u. a. sein:

- Lokale Netze für die Daten- und Multimediakommunikation,
- Zugangsnetze zu Telekommunikationsnetzen,
- Netze zur Verbindung von ortsfesten und mobilen Teilnehmern.

Zukünftige Funksysteme sind dadurch gekennzeichnet, daß den Benutzern unterschiedliche Dienste (bzgl. Bandbreiten-, Übertragungsanforderung) zur Verfügung gestellt werden. Dies kann dazu führen, daß die von einem Terminal (mobiles oder festes Terminal) benötigte Übertragungskapazität zeitlich veränderlich ist, was bei der Kapazitätsvergabe berücksichtigt werden sollte. Folgende Ansätze zur Aufteilung von Übertragungskapazität sind bekannt:

- Unterteilung eines Frequenzkanals in Zeitschlitze unter Verwendung eines TDMA Verfahrens. Eine feste Anzahl von Zeitschlitzen bildet einen Rahmen, der periodisch auftritt. Durch Belegung eines oder mehrerer Zeitschlitze wird ein synchroner Kanal zur Kommunikation zwischen einem Terminal und einer Basisstati on realisiert [4]. Die Belegung von Kanälen basiert häufig auf durchgeführten Messungen anhand derer der zukünftige Kanalzustand geschätzt wird. Um zuverlässige Kanalmessungen durchzuführen ist es erforder lich, daß ein Kanal relative lange bestehen bleibt, wodurch eine schnelle Reaktion auf Veränderungen bzgl. des Kapazitätsbedarfs der Terminals nicht möglich ist. Kanalorientierte Übertragungsverfahren eignen sich besonders für synchrone Dienste, die eine zeitlich konstante Kapazität benötigen. Durch diese zeitliche Konstanz kann ein Frequenzkanal von mehreren Basisstationen gleichzeitig benutzt werden.
- Exklusive Zuteilung eines Frequenzkanals an eine Basisstation [3] und dynamische Aufteilung der Über tragungskapazität durch die Basisstation. Insbesondere ermöglicht dieser Ansatz das von ATM-Netzen bekannte statistische Multiplexen vieler gleichzeitiger Kommunikationsbeziehungen auf die Funkschnitt stelle zu übertragen [1, 7, 2, 6, 8].
Nachteilig ist hierbei, daß eine Basisstation nur komplette Frequenzkanäle belegen kann. Eine teilweise Belegung eines Frequenzkanals ist nicht möglich, wodurch auf die momentane Nachfrage nach Übertra gungskapazität nur bedingt eingegangen werden kann.

Benötigt wird ein Verfahren zur Kapazitätsvergabe, wobei einerseits die Kapazitätszuordnung zwischen Basissta tion und Terminals hochdynamisch erfolgt und somit die Einrichtung von synchronen Kanälen zwischen Terminal und Basisstation nicht möglich ist. Andererseits muß die Kapazitätsvergabe an Basisstationen derart erfolgen, daß alle Basisstationen aufgrund von durchgeführten Kanalmessungen oder aufgrund verfügbarer Kanalbelegungsin formationen auf den zukünftigen Zustand des Kanals schließen können.

Unter Basisstation wird hier ein fester oder beweglicher Knoten verstanden, der die Übertragung in seiner Umgebung koordiniert, aber nicht notwendigerweise Festnetzzugang hat.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Kapazität hochdynamisch den ein zelnen Terminals zuzuweisen, wobei eine effiziente Aufteilung eines Frequenzkanals auf mehrere Basisstationen möglich sein sollte.

Dieses Problem wird durch die Erfindung gelöst, indem ein synchroner Kanal nicht einzelnen Terminals sondern den Basisstationen zugeordnet wird. Die geschieht dadurch, daß der physikalische Kanal in periodische Rahmen unterteilt wird. Ein Rahmen besteht aus einer festen Anzahl von Zeitabschnitten, die als Container bezeichnet werden. Die Basisstation belegt entsprechend ihrem Kapazitätsbedarf für die von ihr bedienten mobilen oder festen Terminals einen oder mehrere Container eines Rahmens, wobei dieselben Container über viele Rahmen hinweg belegt werden und synchrone Kanäle bilden, welche die Verwendung von herkömmlichen Kanalvergabe algorithmen zulassen.

Die Basisstation teilt die Kapazität ihrer Container-Kanäle dynamisch auf die von ihr bedienten Terminals unter Verwendung eines Zeitmultiplexverfahrens auf.

Der Container besteht aus einen oder mehreren Zeitabschnitten (Zeitschlitze) gleicher oder unterschiedlicher Länge, die von der Basisstation entsprechend dem Kapazitätsbedarf der aufgebauten Verbindungen den Terminals zugeordnet werden.

Die Container eines Rahmens können eine unterschiedliche Länge haben, wobei die Rahmenstruktur (d. h. der Aufbau eines Rahmens aus unterschiedlichen Containern) sich zumindest periodisch wiederholen sollte.

Innerhalb eines Zeitschlitzes können Daten eines Terminals zur Basisstation (Uplink-Zeitschlitz) oder von der Basisstation zu einem oder mehreren Terminals (Downlink-Zeitschlitz) übertragen werden. Der Zugriff auf die Zeitschlitze kann z. B. durch ein periodenorientiertes Kanalzugriffsprotokoll [1, 7, 2, 6, 8] koordiniert werden, welches das statistische Multiplexen auf der Funkschnittstelle realisiert.

Es entsteht eine hierarchische Kapazitätsvergabe: Die Basisstation belegt relativ langfristig Container-Kanäle, wodurch ihr Übertragungskapazität zur Verfügung steht. Diese Kapazität teilt sie den von ihr bedienten Terminals zu, wobei diese Zuweisung sehr dynamisch erfolgen kann.

Das vorgestellte Verfahren kann für unterschiedliche Duplexverfahren verwendet werden:

Zeitduplex (engl. Time Division Duplex, TDD)

Dieselbe Frequenz wird für beide Übertragungsrichtungen be nutzt. Innerhalb desselben Containers können Up- und Downlink-Zeitschlitze vorhanden sein. Es ist aber auch möglich, daß innerhalb bestimmter Container nur Uplink-Zeitschlitze und innerhalb anderer Contai ner nur Downlink-Zeitschlitze vorhanden sein dürfen, wodurch ggf. der Wiederverwendungsabstand der Container-Kanäle reduziert wird.

Frequenzduplex (engl. Frequency Division Duplex, FDD)

Bei der Verwendung von Frequenzduplex findet die Datenübertragung in Up- und Downlink-Richtung auf verschiedenen Frequenzen statt. Dabei werden sowohl die Uplink- als auch die Downlink-Frequenz in Rahmen und Container unterteilt. Die Basisstation kann entweder dieselbe Anzahl von Containern für beide Übertragungsrichtungen belegen, wodurch für beide Richtungen die gleiche Kapazität zur Verfügung steht. Um Dienste mit unsymmetrischem Verkehrs aufkommen effizient zu handhaben, kann die Zahl der für eine Übertragungsrichtung belegten Container dem jeweiligen Kapazitätsbedarf angepaßt werden. Wenn für eine Übertragungsrichtung mehr Kapazität benötigt wird, dann werden für diese Richtung entsprechend mehr Container belegt.

Die Belegung der Container kann auf unterschiedliche Weise erfolgen:

Dynamische Vergabe

Die Basisstation paßt die Zahl der von ihr belegten Container und damit die reservierte Kapazität des Funkkanals dynamisch ihrem Bedarf an. Die Containervergabe kann dezentral oder zentral erfolgen, wobei auch hybride Ansätze möglich sind. Im Falle einer dezentralen Organisation basiert die Auswahl von Container-Kanälen auf den von der Basisstation und/oder den Terminals durchgeführten Ka nalmessungen, wobei nur Kanäle mit genügend großem Signal-Störabstand belegt werden. Die Zuordnung von Container-Kanälen zu Basisstationen kann z. B. gemäß dem DCS-Verfahren (Dynamic Channel Selec tion) erfolgen [4]. Freigegebene Container werden erst nach einer gewissen Zeit vom System erkannt, was zu einer Reduzierung der Dynamik führt. Eine zentral koordinierte Vergabe ermöglicht im Gegensatz dazu eine schnellere Belegung/Freigabe der Container.

Falls die Basisstationen über mehrere örtlich entfernte Transceiver verfügen, die örtlich als Basisstation wirken, so kann jede Basisstation bzgl. ihrer Transceiver eine zentrale Vergabe der Container vornehmen, während die Kanalvergabe an verschiedene Basisstation dezentral organisiert ist. Die Containervergabe kann auch durch Informationsaustausch zwischen einzelnen Basisstationen (z. B. über das Festnetz oder über Funk) unterstützt werden.

Feste Vergabe

Jeder Basisstation sind bestimmte periodisch auftretende Container fest zugeordnet, über die sie verfügen kann (das entspricht einer festen Kanalvergabe (engl. Fixed Channel Allocation, FCA)). Da bei können sämtliche aus der Mobilfunktechnik bekannten Verfahren zur Effizienzsteigerung eingesetzt werden (z. B. Leihverfahren [5]).

Die Verwendung einer Container/Rahmen-Struktur erlaubt den Betrieb mehrerer Systeme auf derselben Trägerfrequenz bzw. im gleichen Frequenzband die u. U. unterschiedliche Zugriffsprotokolle an der Funkschnitt stelle unterstützen, indem die Basisstationen der einzelnen Systeme Container dezentral gesteuert entsprechend ihren Anforderungen versuchen zu belegen und bei Erfolg nutzen. Innerhalb der belegten Container-Kanäle können also unterschiedliche Zugriffs- und Modulationsverfahren verwendet werden. Voraussetzung ist allerdings, daß die Systeme, die eine Frequenz teilen, die gleiche Container/Rahmen-Struktur (gleiche Containerlänge, glei che Anzahl von Containern pro Rahmen) verwenden, und daß die Systeme systemübergreifend belegte Container durch Pegelmessungen erkennen können. Dies kann z. B. durch Übertragung von geeigneter Signalisierungsin formationen in jedem belegten Container erfolgen.

In dezentral organisierten Systemen ist eine vollständige Synchronisation aller Basisstationen nicht, bzw. nur mit sehr großem Aufwand möglich. Die in Patentanspruch 1 beanspruchte Erfindung funktioniert unabhängig von der Synchronität der einzelnen Basisstationen. Nicht synchronisierte Basisstationen führen zwar zu einer Reduzierung des tragbaren Verkehrs im betreffenden Frequenzkanal, weshalb zumindest eine teilweise Synchro nisation angestrebt werden sollte (z. B. von benachbarten Basisstationen), trotzdem wird aber durch den Aufbau von Container-Kanälen eine Koordination des konkurrierenden Zugriffs der Basisstationen ermöglicht.

Zu Synchronisationszwecken und zur Übertragung von containerspezifischen Informationen kann jeder belegte Container mit Signalisierungsinformationen (Übertragung in bestimmten Zeitschlitz eines jeden Containers) ver sehen werden, die von der Basisstation versendet werden. Terminals können anhand dieses Signals die Zeitlage eines Containers erkennen.

Wenn dieses Signal modulationsunabhängig (z. B. ein reines Energiesignal) ist, dann kann die Zeitlage belegter Container ebenfalls von Systemen erkannt werden, die andere Modulations- bzw. Codierverfahren verwenden.

Die Basisstation kann die von ihr in Form von Containern belegte Kapazität frei auf die von ihr bedienten Ter minals aufteilen. Bei der Verwendung eines Kanalzugriffsprotokolls nach [1, 7, 2, 6, 8], bei denen das statistische Multiplexen auf die Funkschnittstelle übertragen wird, können alle Terminals in jedem Container angesprochen werden. Dies führt dazu, daß jeder Container von allen Terminals empfangen und dadurch der örtliche Wieder verwendungsabstand der Container-Kanäle vergrößert wird.

Zur Reduzierung des Wiederverwendungsabstandes können die Terminals in Gruppen eingeteilt werden, wobei ein Terminal zu mehreren Gruppen gehören kann. Den Terminals einer Gruppe wird nur innerhalb bestimmter Container Übertragungskapazität zugewiesen. Es ist dann nicht mehr erforderlich, daß ein Container im gesamten Bereich einer Funkzelle eingesetzt wird, sondern es können beliebige Bereiche in der Reichweite einer Basissta tion abgebildet werden, in denen ein bestimmter Container-Kanal benutzt wird.

Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 die Zeitmultiplexstruktur mit Rahmen, Containern und Zeitschlitzen,

Fig. 2 das Entstehen eines synchronen Container-Kanals durch periodische Nutzung eines Containers durch eine Basisstation und die zugehörigen Terminals,

Fig. 3 ein periodenorientiertes Zugriffsprotokoll für die Kommunikation zwischen Terminals und Basisstation,

Fig. 4 Abbildung der Signalisierungsperioden auf die Container.

In Fig. 1 wird beispielhaft die Einteilung einer Frequenz in Rahmen und die Einteilung eines Rahmens in 5 Container dargestellt. Jeder Container besteht wiederum aus 10 Zeitschlitzen. Die Basisstation benutzt aufgrund ihres Kapazitätsbedarfes einen periodischen Container-Kanal, der von anderen Basisstationen erkannt und re spektiert wird, wobei keine anderen Basisstationen durch das Senden auf diesem Container gestört werden. Die Basisstation benutzt in Fig. 2 den 2. Container eines Rahmens über einen längeren Zeitraum. Damit entsteht ein synchroner Container-Kanal, der einen Einsatz von konventionellen Kanalvergabeverfahren für die Vergabe der Container-Kanäle erlaubt. Während des dargestellten 2. Rahmens erhält die Basisstation einen weiteren Verbin dungswunsch eines Terminals. Der daraus resultierende Kapazitätsbedarf der Basisstation für die Kommunikation mit ihren Terminals läßt sich nur durch die Benutzung eines weiteren Containers decken. Die Basisstation benutzt nun die Rauschleistungsmeßwerte, die sie während des 2. Rahmens in den von ihr nicht belegten Containern gewonnen hat. Der 4. Container des Rahmens hat die geringste Rauschleistung und erscheint deswegen für die Basisstation als nutzbar. Ab dem 3. Rahmen benutzt die Basisstation neben dem 2. Container auch den 4. Container. Innerhalb der belegten Container benutzt die Basisstation ein periodenorientiertes Zugriffsprotokoll gemäß Fig. 3. Dargestellt sind mehrere aufeinanderfolgende Signalisierungsperioden. Jede Signalisierungsperi ode besteht aus einer Downlink-Signalisierung, welche die Terminals über die Belegung der Zeitschlitze während der Signalisierungperiode informiert (d. h. die Sendezeitpunkt der Basisstation bzw. der Terminals festlegt), die Übertragung der Daten zwischen Basisstationen und Terminals und eine zusätzliche Uplink-Signalisierung, wel che Kapazitätsanforderungen der Terminals enthält. Die Signalisierungsperioden werden dann gemäß Fig. 4 auf die Container abgebildet. Dabei ist keine Abbildung einer Signalisierungsperiode auf genau einen Container notwendig wie in der Fig. 4 auch dargestellt ist.

Literatur

[1] DE 195 35 329 A1.
[2] F. Bauchot, S. Decrauzat, G. Marmigère, L. Merakos, N. Passas. MASCARA, a MAC Protocolfor Wireless ATM. In ACTS Mobile Summit, pp. 647-651, Spain, Granada, November 96.
[3] K. Degenhard, M. Litzenburger, H. Bakker, W. Schödel. Design Issues of a Cellular Broadband ATM Access Network. In Proceedings of The Second European Personal Mobile Communications Conference (EPM- CC'97), pp. 165-171, Bonn, Germany, September 1997.
[4] ETSI. Medium Access Control (MAC) Layer Radio Equipment and Systems, Digital European Cordless Telecommunications, ETS 300 175-3. European Telecommunications Standards Institute, September 1996. ETS Standard, Part 3.
[5] H. Jiang, S. Rappaport. CBWL: A New Channel Assignment and Sharing Method for Cellular Communication Systems. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 43, No. 2, pp. 313 322, May 1994.
[6] J. Mikkonen, J. Kruys. The Magic WAND: a wireless ATM access System. In ACTS Mobile Summit, pp. 535-542, Spain, Granada, November 96.
[7] D. Petras, A. Krämling. Wireless ATM: Performance Evaluation of a DSA ++ MAC Protocol with Fast Colli sion Resolution by a Probing Algorithm. Int. J. of Wireless Information Networks, Vol. 4, No. 4, 1997.
[8] ED. Priscoli. Medium Access Control for the MEDIAN System. In ACTS Mobile Summit 1996, pp. 631-638, Granada, Spain, November 1996.

Claims

1. Verfahren zur hierarchischen Kapazitätsvergabe in Funksystemen mit dynamisch an Basisstationen ver gebenen synchronen Zeitmultiplexkanälen, deren Kapazität die Basisstationen benutzen um mobile oder feste Terminals, insbesondere mit periodenorientiertem Kanalzugriffprotokoll mit Übertragungskapazität für die bidirektionale Übertragung zu versorgen, welches durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet ist:

1. Belegung bzw. Freigabe für die Zeitdauer von mehreren Rahmen von mindestens einem, sich in regelmäßigen Zeitabständen gemäß einer Rahmenlänge wiederholenden Container für eine Basis station, der mindestens einen Zeitschlitz aufweist, durch die Basisstation oder eine zentrale Steue rungseinheit gemäß der von der Basisstation für die Kommunikation mit den Terminals in ihrem Versorgungsbereich benötigten Kapazität mittels eines Auswahlalgorithmus und
2. Funkübertragung in den für die Basisstation belegten periodischen Containern für alle Terminals im Versorgungsbereich der Basisstation, gemäß einem Kanalzugriffsprotokoll.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisstation oder eine zentrale Steuerungseinheit die Zahl der von ihr benutzten periodischen Con tainer dynamisch während des Betriebes sowohl durch Belegung weiterer Container vergrößert als auch durch Freigabe einzelner Container verkleinert.

3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswahlalgorithmus für geeignete periodische Container sich auf Messungen der Basisstationen stützt.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswahlalgorithmus für geeignete periodische Container sich auf Messungen der Terminals stützt.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswahlalgorithmus für geeignete periodische Container planerisch im Vorfeld unterstützt wird.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswahlalgorithmus durch Informationsaustausch zwischen einzelnen Basisstationen unterstützt wird.

7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisstation gestützt auf eine möglicherweise vorhandene zentrale Steuerungseinheit Container für mindestens zwei Gruppen von Terminals in ihrem Versorgungsbereich getrennt belegt und die Multi plexübertragung zumindest teilweise für die Gruppen getrennt in den für die jeweiligen Gruppe belegten Containern durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für Systeme mit Frequenzduplexübertragung periodische Container getrennt nach dem Bedarf der Aufwärtsstrecke bzw. der Abwärtsstrecke belegt wird.

9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Container eines Rahmen eine unterschiedliche Länge haben.

10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisstation in jedem von ihr belegten Container zumindest periodisch ein kurzes, auch von der Modulation unabhängiges, Belegungszustandssignal überträgt.