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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.
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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.
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Die Druckschrift: Channel Assignment Schemes for Cellular Mobile Telecommunication Systems: A Comprehensive Study; I. Katzela and M. Naghshineh, June 1996 bietet einen Überblick über verschiedene Verfahren zur Ressourcenvergabe und Kanalzuweisung in drahtlosen Funksystemen.
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Die Druckschriften: B. Walke: Mobilfunknetze und ihre Protokolle, Band 1, Kap. 5.6 und Band 2, Kap. 5, B. G. Teubner Stuttgart 1998 betreffen die Zugangsebene in zellularen Mobilfunknetzen der 3. Generation und verschiedene Aspekte des DECT-Systems.
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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 Basisstation realisiert, wie beschrieben in der Druckschrift: 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. Die Belegung von Kanälen basiert häufig auf durchgeführten Messungen anhand derer der zukünftige Kanalzustand geschätzt wird. Um zuverlässige Kanalmessungen durchzuführen ist es erforderlich, 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, wie beschrieben in der Druckschrift: 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, und dynamische Aufteilung der Übertragungskapazität durch die Basisstation. Insbesondere ermöglicht dieser Ansatz das von ATM-Netzen bekannte statistische Multiplexen vieler gleichzeitiger Kommunikationsbeziehungen auf die Funkschnittstelle zu übertragen, wie beschrieben in den Druckschriften: DE 195 35 329 A1 ; 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; D. Petras, A. Krämling. Wireless ATM: Performance Evaluation of a DSA ++ MAC Protocol with Fast Collision Resolution by a Probing Algorithm. Int. J. of Wireless Information Networks, Vol. 4, No. 4, 1997. 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 Übertragungskapazität nur bedingt eingegangen werden kann.
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Benötigt wird ein Verfahren zur Kapazitätsvergabe, wobei einerseits die Kapazitätszuordnung zwischen Basisstation 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 Kanalbelegungsinformationen auf den zukünftigen Zustand des Kanals schließen können.
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Unter Basisstation wird hier ein fester oder beweglicher Knoten verstanden, der die Übertragung in seiner Umgebung koordiniert, aber nicht notwendigerweise Festnetzzugang hat.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Kapazität hochdynamisch den einzelnen Terminals zuzuweisen, wobei eine effiziente Aufteilung eines Frequenzkanals auf mehrere Basisstationen möglich sein sollte.
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Dieses Problem wird durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 und die Basisstation nach Patentanspruch 10 gelöst. Ein synchroner Kanal wird nicht einzelnen Terminals sondern den Basisstationen zugeordnet. Dies 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 Kanalvergabealgorithmen zulassen.
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Die Basisstation teilt die Kapazität ihrer Container-Kanäle dynamisch auf die von ihr bedienten Terminals unter Verwendung eines Zeitmultiplexverfahrens auf.
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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.
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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.
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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, wie in den oben genannten Druckschriften beschrieben , koordiniert werden, welches das statistische Multiplexen auf der Funkschnittstelle realisiert.
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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.
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Das vorgestellte Verfahren kann für unterschiedliche Duplexverfahren verwendet werden:
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Zeitduplex (engl. Time Division Duplex, TDD)
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Dieselbe Frequenz wird für beide Übertragungsrichtungen benutzt. 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 Container nur Downlink-Zeitschlitze vorhanden sein dürfen, wodurch ggf. der Wiederverwendungsabstand der Container-Kanäle reduziert wird.
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Frequenzduplex (engl. Frequency Division Duplex, FDD)
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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 Verkehrsaufkommen 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.
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Die Belegung der Container kann auf unterschiedliche Weise erfolgen:
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Dynamische Vergabe
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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 Kanalmessungen, 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 Selection) erfolgen, wie beschrieben in der Druckschrift: 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. 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.
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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.
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Feste Vergabe
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Jeder Basisstation sind bestimmte periodisch auftretende Container fest zugeordnet, über die sie verfügen kann (das entspricht einer festen Kanalvergabe (engl. Fixed Channel Allocation, FCA)). Dabei können sämtliche aus der Mobilfunktechnik bekannten Verfahren zur Effizienzsteigerung eingesetzt werden (z. B. Leihverfahren, wie beschrieben in der Druckschrift: H. Jiang, S. Rappaport. CBWL: A New Channel Assignment and Sharing Method for Cellular Communication Systems. IEEE Transactions an Vehicular Technology, Vol. 43, No. 2, pp. 313 322, May 1994).
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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 Funkschnittstelle 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, gleiche 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 Signalisierungsinformationen in jedem belegten Container erfolgen.
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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 Synchronisation 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.
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Zu Synchronisationszwecken und zur Übertragung von containerspezifischen Informationen kann jeder belegte Container mit Signalisierungsinformationen (Übertragung in bestimmten Zeitschlitz eines jeden Containers) versehen werden, die von der Basisstation versendet werden. Terminals können anhand dieses Signals die Zeitlage eines Containers erkennen.
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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.
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Die Basisstation kann die von ihr in Form von Containern belegte Kapazität frei auf die von ihr bedienten Terminals aufteilen. Bei der Verwendung eines Kanalzugriffsprotokolls nach den oben genannten Druckschriften, 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 Wiederverwendungsabstand der Container-Kanäle vergrößert wird.
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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 Basisstation abgebildet werden, in denen ein bestimmter Container-Kanal benutzt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen
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1 die Zeitmultiplexstruktur mit Rahmen, Containern und Zeitschlitzen,
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2 das Entstehen eines synchronen Container-Kanals durch periodische Nutzung eines Containers durch eine Basisstation und die zugehörigen Terminals,
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3 ein periodenorientiertes Zugriffsprotokoll für die Kommunikation zwischen Terminals und Basisstation,
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4 Abbildung der Signalisierungsperioden auf die Container.
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In 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 respektiert wird, wobei keine anderen Basisstationen durch das Senden auf diesem Container gestört werden. Die Basisstation benutzt in 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 Verbindungswunsch 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 3. Dargestellt sind mehrere aufeinanderfolgende Signalisierungsperioden. Jede Signalisierungsperiode 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, welche Kapazitätsanforderungen der Terminals enthält. Die Signalisierungsperioden werden dann gemäß 4 auf die Container abgebildet. Dabei ist keine Abbildung einer Signalisierungsperiode auf genau einen Container notwendig wie in der 4 auch dargestellt ist.
