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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Signalisierungsinformationen in einem Funk-Kommunikationssystem, z. B. einem Mobilfunksystem mit TDD-Übertragungsverfahren.
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In Funk-Kommunikationssystemen werden Nachrichten (beispielsweise Sprache, Bildinformation oder andere Daten) mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen über eine Funkschnittstelle übertragen. Die Funkschnittstelle bezieht sich auf eine Verbindung zwischen einer Basisstation und Teilnehmerstationen, wobei die Teilnehmerstationen Mobilstationen oder ortsfeste Funkstationen sein können. Das Abstrahlen der elektromagnetischen Wellen erfolgt dabei mit Trägerfrequenzen, die in dem für das jeweilige System vorgesehenen Frequenzband liegen. Für zukünftige Funk-Kommunikationssysteme, beispielsweise das UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) oder andere Systeme der 3. Generation sind Frequenzen im Frequenzband von ca. 2000 MHz vorgesehen.
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Aus
DE 198 17 771 und ETSI SMG2 UMTS-L1, Tdoc SMG2 UMTS-L1 104/98, Mai 1998, S. 1–12 und 35–39, ist ein Funk-Kommunikationssystem mit breitbandigen Kanälen bekannt, bei dem ein TDD (time division duplex) Übertragungsverfahren einen Teil der Zeitschlitzes des Frequenzbandes in Abwärts- und einen zweiten Teil in Aufwärtsrichtung nutzt. Ein Funkblock besteht aus einer Mittambel und zwei Datenanteilen.
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Aus
DE 195 36 379 A1 ist ein Verfahren für den Betrieb kanal- und paketvermittelter Mobilfunknetze, insbesondere für ein ATM-Zugangsnetz, mit teilweise oder vollständiger Vermaschung der Stationen bekannt, bei dem mehrere Dienste gleichzeitig betrieben werden. Aus
EP 0 722 230 A2 ist einem TDMA-Mobilfunknetz die Benutzung von Mittambeln innerhalb eines Funkblockes bekannt. Weiterhin ist aus
EP 0 773 639 A2 ein TDD-Übertragungsverfahren für ein Mobilfunknetz bekannt. Ferner ist aus
US 4 799 252 A1 ein digitales Funkübertragungssystem bekannt, das die Übertragung mehrerer Sprachkanäle zusammen mit einem Signalisierungskanal in einem TDM-Signal offenbart. Schließlich ist aus FALCONER, D. D.; ADACHI, F.; GUDMUNDSON, B.: Time Division Multiple Access Methods for Wireless Personal Communications. In: IEEE Communications Magazine. 1995, Januar 1995, S. 50–57 eine Zeitschlitzstruktur eines TDD Systems mit einem Daten- und einem Signalisierungsteil bekannt mit dem Hinweis, dass es nachteilig ist, wenn in einem Zeitschlitz neben Nutzdaten zu viele Kontrollbits übertragen werden.
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Nach
DE 198 17 771 werden in Aufwärtsrichtung Funkblöcke eines Zugriffskanals RACH zur Ressourcenanforderung genutzt. Diese Funkblöcke enthalten eine Mittambel und einen Signalisierungsanteil mit Signalisierungsinformationen. Die Signalisierung erfolgt also in einem eigenen Kanal außerhalb der Kanäle mit Nutzinformationen. Aus dem GSM-Mobilfunksystem sind Kanäle FACCH und SACCH bekannt, siehe J. Biala, ”Mobilfunk und intelligente Netze”, Vieweg Verlag, 1995, S. 79–82, in denen Signalisierungsinformationen übertragen werden. Beim FACCH und SACCH ist jeweils ein ganzer Funkblock für die Übertragung von Signalisierungsinformationen genutzt. Ein solcher Funkblock wird beim FACCH anstelle eines Funkblocks mit Nutzinformationen gesendet und beim SACCH wird innerhalb eines Zyklus über mehrere Rahmen einmal ein solcher Funkblock gesendet.
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Diese Signalisierungsmöglichkeiten weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, die beim RACH darin begründet liegen, daß der Empfang der Signalisierungsinformationen aufgrund von möglichen Kollisionen mit Zugriffsblöcken anderer Teilnehmerstationen nicht garantiert werden kann. Beim FACCH und SACCH liegen die Nachteile in der geringen Datenrate der Signalisierung und der großen Verzögerung beim SACCH bzw. Beeinträchtigung der Nutzinformationsübertragung beim FACCH. Das GSM-Mobilfunksystem ist mit dem FACCH und SACCH auf die Übertragung nur eines Dienstes, der Sprachübertragung, ausgerichtet, so daß für mehrere neue Dienste weitere Kanäle bereitgestellt werden müßten.
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Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, für ein oben beschriebenes Funk-Kommunikationssystem mit breitbandigen Kanälen und TDD-Übertragungsverfahren die Übertragung von Signalisierungsinformationen zu verbessern, insbesondere bei Verbindungen mit mehreren Diensten. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß wird zwischen einer Basisstation und Teilnehmerstationen eine Funkschnittstelle mit breitbandigen Kanälen bereitgestellt. Die breitbandigen Kanäle sind in Zeitschlitze unterteilt, wobei nach einem TDD-Übertragungsverfahren ein erster Teil der Zeitschlitze in Abwärtsrichtung und ein zweiter Teil der Zeitschlitze in Aufwärtsrichtung benutzt wird. Es findet keine kontinuierliche Übertragung statt, sondern innerhalb der Zeitschlitze werden Funkblöcke übertragen, die einen Datenanteil und einen Signalisierungsanteil enthalten. Die Signalisierungsinformationen werden sendeseitig in den Signalisierungsanteil eingetragen und emfangsseitig aus dem Signalisierungsanteil ausgelesen. Es findet folglich eine sehr schnelle Inband-Signalisierung statt, die in einem Funkblock die Nutzinformationen und die Signalisierungsinformationen mischt.
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Innerhalb eines Verbindungskontexts steht eine leistungsfähige Signalisierung zur Verfügung, die eng mit der Nutzinformationsübertragung verbunden und damit sehr schnell ist. Die Signalisierungsinformationen brauchen keinen direkten Bezug zu den Nutzinformationen zu haben. Sie werden separat generiert und unabhängig von den Nutzinformationen in den Signalisierungsanteil eingetragen. Das Eintragen findet ständig, d. h. in jeden Funkblock der Verbindung, statt und nicht nur in einzelne ausgewählte Funkblöcke. Der Durchsatz für die Nutzinformationen wird nicht behindert und der RACH des Systems wird wesentlich entlastet.
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Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung werden zwischen der Basisstation und den Teilnehmerstationen Nutzinformationen mehrerer Dienste übertragen, wobei die Nutzinformationen mehrerer Dienste sendeseitig in den Datenanteil eines Funkblocks eingetragen und empfangsseitig aus dem Datenanteil ausgelesen wird. Damit kann das Funk-Komnmunikationssystem einem Teilnehmer mehrere Dienste, u. U. auch niedriger Datenrate, gleichzeitig anbieten ohne für jeden Dienst getrennt funktechnische Ressourcen reservieren zu müssen. Dabei sind die Signalisierungsinformationen vorteilhafterweise auf mehrere Dienste einer Teilnehmerstation bezogen, wodurch der Signalisierungsaufwand verringert werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist inmitten eines Funkblocks eine Mittambel zur Kanalschätzung eingebettet und der Signalisierungsanteil vorzugsweise nahe der Mittambel angeordnet. Damit wird die Sicherheit der Detektion der Signalisierungsinformationen erhöht. Der Datenanteil muß nicht mit einer zusammenhängenden Sequenz realisiert sein, sondern kann sich auch auf mehrere getrennte Teilsequenzen innerhalb eines Funkblocks verteilen. Um die Signalisierungsinformationen weiter zu schützen werden sie zusätzlich kodiert.
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Für den Signalisierungsanteil sind unterschiedliche Formate vorab festgelegt, um eine feine Granularität bei der Datenrate der Signalisierungsinformationen zu erreichen. Die Auswahl eines Formats wird gleichzeitig mit einer Kanalzuordnung oder mittels der Signalisierungsinformationen selbst mitgeteilt. Zur schnellen Anpassung der Datenrate der Signalisierungsinformationen ist das Format für den Signalisierungsanteil zwischen zwei Rahmen umschaltbar.
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Werden über eine Verbindung zwischen der Basisstation und einer Teilnehmerstation mehrere Dienste über zumindest zwei durch Zeitschlitze und Spreizkodes gebildete Kanäle übertragen, so ist es vorteilhaft, wenn die Signalisierungsinformationen gleichmäßig auf die Kanäle verteilt werden. Der Detektionsaufwand beim Empfänger wird geringer.
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Die Signalisierungsinformationen sind beispielsweise Angaben zur Leistungsregelung für die Funkblöcke, Angaben zur Kodierung, Angaben zu Ressourcenanforderungen, Angaben zu Ressourcenänderungen und/oder Angaben zur Steuerung eines Sprachkodierer/dekodierers. Durch die schnelle Übertragung dieser Angaben ist eine wirkungsvollere und präzisiere Anpassung der aktuellen Parameter für die Übertragung der Nutzinformationen möglich. Da bei einer Vielzahl von Diensten das Verhalten der Informationsquelle nicht vorhersehbar ist, kann durch die Inband-Signalisierung die Kapazität der Funkschnittstelle besser ausgelastet werden. Eine unnütze Reservierung von funktechnischen Ressourcen kann durch die schnelle Reaktionsfähigkeit des Systems entfallen.
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Die verschieden Elemente der Signalisierungsinformationen benötigen z. T. einen unterschiedlichen Fehlerschutz, so daß vorteilhafterweise verschiedene Teile der Signalisierungsinformationen an unterschiedlichen Stellen der Kanalkodierung von Nutzinformationen mit den Nutzinformationen zeitlich gemischt werden. Das Verhältnis von Verwürfelungstiefen der Signalisierungsinformationen und der Nutzinformationen entspricht dabei einer Integerzahl. Das heißt, entweder ist die Verwürfelungstiefe gleich oder die Verwürfelungstiefe einer Informationen ist ein Vielfaches der anderen Verwürfelungstiefe.
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Ist die Verwürfelung (Interleaving) der Signalisierungsinformationen kleiner als die der Nutzinformationen, so ist die Verzögerung der Signalisierungsinformationen klein, aber die Datenrate der Signalisierungsinformationen sollte nicht zu groß sein. Damit für Echtzeit- und nicht Echtzeit-Dienste die Signalsierungsinformationen an einen Verwürfelungsblock der Nutzinformationen angepaßt sind, ist die Verwürfelungstiefe der Signalsierungsinformationen ein Teiler der Verwürfelungstiefe der Nutzinformationen. Der Overhead für die Signalisierung (z. B. si1, si2 in 4) ist jedoch hoch.
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Bei einem umgekehrten Verhältnis der Verwürfelungstiefen z. B. für Echtzeitdienste ist die Verzögerung der Signalisierungsinformationen größer und bei einer Übergabeprozedur (hand-over) o. ä. kann Signalisierungsinformation verloren gehen. Dafür ist die Datenrate besser. Die Verwürfelungstiefe der Signalsierungsinformationen (z. B. si3, si4 in 4) ist ein Vielfaches der Verwürfelungstiefe der Nutzinformationen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen
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1 ein Funk-Kommunikationssystem,
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2 eine schematische Darstellung einer TDD-Funkschnittstelle zwischen Basisstation und Teilnehmerstationen,
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3 den Aufbau eines Funkblocks, und
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4 die Zusammenführung von Nutz- und Signalisierungsinformationen.
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Das in 1 dargestellte Mobilfunksystem als Beispiel eines Funk-Kommunikationssystems besteht aus einer Vielzahl von Mobilvermittlungsstellen MSC, die untereinander vernetzt sind bzw. den Zugang zu einem Festnetz PSTN herstellen. Weiterhin sind diese Mobilvermittlungsstellen MSC mit jeweils zumindest einer Einrichtung RNC zur Steuerung der Basisstationen BS und zum Zuteilen von funktechnischen Ressourcen, d. h. einem Funkressourcenmanager, verbunden. Jede dieser Einrichtungen RNC ermöglicht wiederum eine Verbindung zu zumindest einer Basisstation BS. Eine solche Basisstation BS kann über eine Funkschnittstelle eine Verbindung zu einer Teilnehmerstation, z. B. Mobilstationen MS oder anderweitigen mobilen und stationären Endgeräten, aufbauen. Durch jede Basisstation BS wird zumindest eine Funkzelle gebildet.
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In 1 sind beispielhaft Verbindungen V1, V2, V3 zur Übertragung von Nutzinformationen ni und Signalisierungsinformationen als Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen Mobilstationen MS und einer Basisstation BS und ein Organisationskanal BCCH als Punkt-zu-Multipunkt-Verbindung dargestellt. Im Organisationskanal BCCH werden Organisationsinformationen oi übertragen, die für alle Teilnehmerstationen MS auswertbar sind und Angaben über die in der Funkzelle angebotenen Dienste und über die Konfiguration der Kanäle der Funkschnittstelle enthalten.
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Ein Operations- und Wartungszentrum OMC realisiert Kontroll- und Wartungsfunktionen für das Mobilfunksystem bzw. für Teile davon. Die Funktionalität dieser Struktur ist auf andere Funk-Kommunikationssysteme übertragbar, in denen die Erfindung zum Einsatz kommen kann, insbesondere für Teilnehmerzugangsnetze mit drahtlosem Teilnehmeranschluß und für im unlizensierten Frequenzbereich betriebene Basisstationen und Teilnehmerstationen.
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Die Rahmenstruktur einer TDD-Funkübertragung (time division duplex) ist aus 2 ersichtlich. Gemäß einer TDMA-Komponente (time division multiple access) ist eine Aufteilung eines breitbandigen Frequenzbereichs, beispielsweise der Bandbreite B = 5 MHz in mehrere Zeitschlitze ts gleicher Zeitdauer, beispielsweise 16 Zeitschlitze ts0 bis ts15 pro Rahmen fr vorgesehen. Ein Teil der Zeitschlitze ts werden in Abwärtsrichtung DL und ein Teil der Zeitschlitze werden in Aufwärtsrichtung UL benutzt. Beispielhaft ist ein Asymmetrieverhältnis von 3:1 zugunsten der Abwärtsrichtung DL gezeigt.
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Bei diesem TDD-Übertragungsverfahren entspricht das Frequenzband für die Aufwärtsrichtung UL dem Frequenzband für die Abwärtsrichtung DL. Gleiches wiederholt sich für weitere Trägerfrequenzen. Durch die variable Zuordnung der Zeitschlitze ts für Auf- oder Abwärtsrichtung UL, DL können vielfältige asymmetrische Ressourcenzuteilungen vorgenommen werden.
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Innerhalb der Zeitschlitze ts werden Informationen mehrerer Verbindungen in Funkblöcken FB übertragen. Die Daten d sind verbindungsindividuell mit einer Feinstruktur, einem Spreizkode c, gespreizt, so daß empfangsseitig beispielsweise n Verbindungen durch diese CDMA-Komponente (code division multiple access) separierbar sind. Die Spreizung von einzelnen Symbolen der Daten d bewirkt, daß innerhalb der Symboldauer Tsym Q Chips der Dauer Tchip übertragen werden. Die Q Chips bilden dabei den verbindungsindividuellen Spreizkode c. Ein Kanal ist innerhalb eines Frequenzbandes B durch einen Zeitschlitz ts, einen Spreizkode c und damit implizit einen Spreizfaktor bezeichnet.
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Die verwendeten Parameter der Funkschnittstelle sind vorteilhafterweise:
| Chiprate: | 4.096 Mcps |
| Rahmendauer: | 10 ms |
| Anzahl Zeitschlitze: | 16 |
| Dauer eines Zeitschlitzes: | 625 μs |
| Spreizfaktor: | 16 |
| Modulationsart: | QPSK |
| Bandbreite: | 5 MHz |
| Frequenzwiederholungswert: | 1 |
Diese Parameter ermöglichen eine bestmögliche Harmonisierung mit einem FDD-Modus (frequency division duplex) für die 3. Mobilfunkgeneration.
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Ein Funkblock FB hat nach 3 folgende Struktur. Inmitten des Funkblocks FB ist eine Mittambel ma mit einer dem Empfänger zur Kanalschätzung bekannten Trainingssequenz angeordnet. Weiterhin enthält der Funkblock einen in zwei Hälften geteilten Signalisierungsanteil sa und ebenso einen zweigeteilten Datenanteil da, wobei der Signalisierungsanteil sa für eine bessere Detektierbarkeit nahe der Mittambel ma angeordnet ist.
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Zur Übertragung der Signalisierungsinformationen si werden diese sendeseitig, d. h. in Abwärtsrichtung DL in der Basisstation BS und in Aufwärtsrichtung UL in der Teilnehmerstation MS in den Signalisierungsanteil sa eingetragen. Empfangsseitig, d. h. in der jeweiligen Teilnehmerstation MS bzw. der Basisstation BS werden die Signalisierungsinformationen si aus dem Signalisierungsanteil sa ausgelesen.
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Gleiches erfolgt mit den Nutzinformationen ni, wobei die Nutzinformationen ni mehrerer Dienste in einen Funkblock FB eingetragen werden. Stehen der Verbindung zwischen Basisstation BS und Teilnehmerstation MS mehrere Kanäle zur Verfügung, so werden die Nutzinformationen ni und die Signalisierungsinformationen möglichst gleichmäßig auf die Kanäle verteilt. Die Signalisierungsinformationen si ist auf die Verbindung und deren einzelne Dienste bezogen.
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3 zeigt ein Format für den Signalisierungsanteil sa. Es sind jedoch mehrere unterschiedliche Formate mit unterschiedlicher Datenrate für die Signalisierungsinformationen si vordefiniert, unter denen ausgewählt werden kann. Die Auswahl erfolgt zu Beginn mit der Kanalzuteilung für die Verbindung. Um ein besonders schnelles Anpassen des Formats zu ermöglichen, ist auch eine Neuauswahl durch einen Hinweis innerhalb der Signalisierungsinformationen si vorgesehen.
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Die erfindungsgemäß übertragenen Signalisierungsinformationen si sind bei Echtzeit-Dienste mit konstanter Datenrate, die keine Sprachdienste sind, in Abwärtsrichtung DL für die Anpassung der Verbindung (link adaptation) an veränderte Bedingungen und für eine Ressourcenzuteilung oder -umverteilung vorgesehen. In Aufwärtsrichtung UL sind die Anwendungsfälle der Signalisierungsinformationen si für diese Dienste z. B. Reports zu Messungen der Teilnehmerstation MS, Angaben zur Leistungsregelung, Angaben zur Anpassung der Verbindung und Bestätigungen der Ressourcenzuteilung oder -umverteilung.
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Für Sprachdienste sind die Anwendungsfälle in beiden Übertragungsrichtungen Angaben zum Sprachkodierer/dekodierer, insbesondere für adaptive Multiratenkodierer. In Aufwärtsrichtung DL sind es zusätzlich die Reports zu Messungen der Teilnehmerstation MS, Angaben zur Leistungsregelung und Bestätigungen der Ressourcenzuteilung oder -umverteilung.
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Für Echtzeit-Dienste mit variabler Datenrate kann die erfindungsgemäße Signalisierung zusätzlich zu obigen Anwendungen zur Kapazitätsanpassung durchgeführt werden. Für Dienste ohne Echtzeitanforderungen können die Signalisierungsinformationen si für in Aufwärtsrichtung UL zu übertragende Nutzinformationen ni als sogenannte stealing flags und für Paketdatendienste zur Signalisierung der noch wartenden Anzahl von zu übertragenden Blöcken mit Datenpakten genutzt werden. In Abwärtsrichtung DL sind Anwendungsfälle die Bestätigungen für die momentane Ressourcenzuteilung der folgenden Übertragungsperiode.
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Signalisierungsinformationen si und Nutzinformationen ni werden beispielsweise nach 4 miteinander gemischt. Dabei werden erste Nutzinformationen ni1 parallel zu ersten Signalisierungsinformationen si1 kodiert und verwürfelt. Bei zweiten Signalisierungsinformationen si2 entfällt die Verwürfelung nach der äußeren Kodierung. Dritte und vierte Signalisierungsinformationen si3, si4 werden erst miteinander zeitlich in Multiplexern MUX gemischt (Multiplexing), bevor sie kodiert und verwürfelt werden.
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Es schließt sich eine zeitliche Mischung mit zweiten und dritten Nutzinformationen ni2, ni3 an, worauf alle diese Informationen si3, si4, ni2, ni3 noch einmal kodiert und verwürfelt werden. Jede Kodierung und Verwürfelung bringt zusätzliche Sicherheit mit sich.
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Durch die Mischung der Signalisierungsinformationen si und Nutzinformationen ni an unterschiedlichen Stellen der Kanalkodierung ist es nicht nur möglich, den Diensten unterschiedliche QoS (Quality of Service) zuzuordnen, sondern auch den Signalisierungsinformationen si1 bis si4 ihrer Bedeutung entsprechend einen unterschiedlichen Fehlerschutz zuzubemessen. Ein abschließender Multiplexer MUX trägt die Informationen ni, si in die Daten- bzw. Signalisierungsanteile da, sa ein und führt die Zuordnung zu Zeitschlitzen ts1 bis tsx und Spreizkodes c1 bis cx durch.
