DE19922968A1 - Verfahren zur Datenratenanpassung - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemäß wird, wie bereits bekannt, ein dienstspezifischer statischer Ratenanpassungsfaktor bestimmt, der eine dienstspezifische Dienstqualität einstellt. Für die Verbindung wird ein dynamischer verbindungsorientierter Ratenanpassungsfaktor bestimmt, der unter Berücksichtigung der noch nicht durchgeführten dienstspezifischen Datenratenanpassung die hypothetische Datenmenge an eine im nächsten Rahmen verfügbare Datenmenge anpaßt. Dabei können auch mehrere Optimierungsschleifen durchlaufen werden, wenn diese Datenmengen aufgrund einer ausreichenden Anzahl von Übertragungskanälen und Spreizfaktoren nicht fest vorgegeben ist. Ein dienstspezifischer Ratenanpassungsfaktor wird durch Kombination des statischen Ratenanpassungsfaktors und des dynamischen verbindungsorientierten Ratenanpassungsfaktors bestimmt und erst dann die einzige und damit einstufige Datenratenanpassung durchgeführt. Die Daten der Dienste werden also mit diesen dienstspezifischen Ratenanpassungsfaktoren nur einmal gestaucht bzw. gedehnt und in einen Rahmen zur Übertragung eingetragen. Das Verfahren eignet sich für CDMA-Übertragungsverfahren innerhalb UMTS.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenratenanpassung für eine Datenübertragung über eine Funkschnittstelle zwi­ schen einer Basisstation und einer Teilnehmerstation, ins­ besondere über breitbandige Funkschnittstellen, die ein CDMA- Teilnehmerseparierungsverfahren verwenden und pro Verbindung mehrere Dienste gleichzeitig bereitstellen.

In Funk-Kommunikationssystemen werden Nachrichten (beispiels­ weise Sprache, Bildinformation oder andere Daten) mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen über eine Funkschnittstelle übertragen. Die Funkschnittstelle bezieht sich auf eine Ver­ bindung zwischen einer Basisstation und Teilnehmerstationen, wobei die Teilnehmerstationen Mobilstationen oder ortsfeste Funkstationen sein können. Das Abstrahlen der elektromagne­ tischen 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.

Für die dritte Mobilfunkgeneration sind breitbandige (B = 5 MHz) Funkschnittstellen vorgesehen, die ein CDMA-Teilnehmer­ separierungsverfahren (CDMA code division multiple access) zur Unterscheidung unterschiedlicher Übertragungskanäle ver­ wenden und pro Verbindung mehrere Dienste gleichzeitig be­ reitstellen können. Dabei ergibt sich das Problem, wie die Daten verschiedener Dienste einer Verbindung zeitlich ge­ multiplext, d. h. in einen Rahmen eingetragen, werden sollen. Die Übertragungskapazität der Funkschnittstelle ist bestmög­ lich zu nutzen, insbesondere unter Berücksichtigung einer hohen Dynamik in der Varianz der Datenraten der einzelnen Dienste.

Aus ETSI STC SMG2 UMTS-L1, Tdoc SMG2 UMTS-L1 221/98, vom 25.8.1998, insbesondere, S. 15-20, ist es bekannt, eine zwei­ stufige Datenratenanpassung vorzunehmen. Eine erste Daten­ ratenanpassung wird nach einer Kanalkodierung durchgeführt und soll die dienstspezifischen Dienstqualitäten (quality of service QoS) gerantieren, da das gemeinsame Übertragen der Daten mehrerer Dienst ein gemeinsames Signal/Rausch-Verhält­ nis erzwingt. Durch eine zweite Datenratenanpassung nach dem Multiplexen wird eine kontinuierliche Übertragung garantiert. Der Nachteil dieser Lösung ist darin zu sehen, daß nicht die Anzahl der erforderlichen Übertragungskanäle oder zumindest durch Spreizung die erforderliche Sendeleistung in den Über­ tragungskanälen minimiert werden kann. Auch sinkt die Kode­ effizienz, da teilweise auf dieselben Daten eine Dehnung und anschließend eine Stauchung oder umgekehrt durchgeführt wird. Die Kodeeffizienz gibt das Verhältnis der Änderung der Bit­ fehlerrate (BER) zu Änderung der Redundanz der Daten an, wo­ bei das Signal/Rausch-Verhältnis als konstant anzusehen ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu beseitigen. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin­ dung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß wird, wie bereits bekannt, ein dienstspezifi­ scher statischer Ratenanpassungsfaktor bestimmt, der eine dienstspezifische Dienstqualität einstellt. Es wird jedoch noch keine Ratenanpassung mit diesem Faktor durchgeführt. Für die Verbindung wird stattdessen ein dynamischer verbindungs­ orientierter Ratenanpassungsfaktor bestimmt, der unter Be­ rücksichtigung der noch nicht durchgeführten dienstspezi­ fischen Datenratenanpassung die hypothetische Datenmenge an eine im nächsten Rahmen verfügbare Datenmenge anpaßt. Dabei können auch mehrere Optimierungsschleifen durchlaufen werden, wenn diese Datenmenge aufgrund einer ausreichenden Anzahl von Übertragungskanälen und Spreizfaktoren nicht fest vorgegeben ist. Die benötigte Gesamtübertragungskapazität kann damit optimiert werden.

In einem nächsten Schritt wird ein dienstspezifischer Raten­ anpassungsfaktor durch Kombination des statischen Ratenan­ passungsfaktors und des dynamischen verbindungsorientierten Ratenanpassungsfaktors bestimmt und erst dann die einzige und damit einstufige Datenratenanpassung durchgeführt. Die Daten der Dienste werden also mit diesen dienstspezifischen Raten­ anpassungsfaktoren gestaucht bzw. gedehnt und in einen Rahmen zur Übertragung eingetragen.

Die statische und dynamische Ratenanpassung erfolgt zeit­ gleich in einem Schritt, wobei nur die Berechnung der Fak­ toren aber nicht die Anpassung selbst in einer Optimierungs­ schleife durchgeführt werden kann, so daß die Kodeeffizienz steigt und gegensätzliche Ratenanpassung für dieselben Daten verhindert werden.

Falls bestimmt Rahmenintervalle verkürzt werden müssen, um Messungen durchzuführen (slotted mode), kann dies bereits bei der zur Verfügung stehenden Datenmenge berücksichtigt werden.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der dynamische verbindungsorientierte Ratenanpassungsfaktor auf einen für den am stärksten zu stauchenden Dienst bezogenen Minimalwert gesetzt und dafür eine Anzahl an Übertragungs­ kanälen und bei der Übertragung zu verwendenden Spreizfak­ toren nach einer vorgegebenen Kodiervorschrift bestimmt. Ist dies erfolgt, so wird daraufhin der dynamische verbindungs­ orientierte Ratenanpassungsfaktor als Quotient aus der für die Verbindung maximal verfügbaren Datenmenge und der Summe der Datenmenge aller Dienste der Verbindung unter Berücksich­ tigung der jeweiligen dienstspezifischen statischen Raten­ anpassungsfaktoren bestimmt. Der Minimalwert wird festgelegt, um die Kodeeffizienz nicht zu stark zu beeinträchtigen. Durch diese Weiterbildung der Erfindung werden minimale Ressourcen benötigt.

Falls der dynamische verbindungsorientierte Ratenanpassungs­ faktor größer als ein auf den am stärksten zu dehnenden Dienst bezogener Maximalwert ist, so ist es vorteilhaft, zusätzliche Daten in den Rahmen aufzunehmen und den dynami­ schen verbindungsorientierten Ratenanpassungsfaktor erneut zu bestimmen. Damit wird nicht unnötig Übertragungskapazität verschenkt.

Die statischen Ratenanpassungsfaktoren sind vorteilhafter­ weise vor der Bestimmung des dynamischen verbindungsorien­ tierten Ratenanpassungsfaktors derart auf ihren geometrischen Mittelwert bezogen, daß das Produkt aller statischen Raten­ anpassungsfaktoren einer Verbindung gleich eins ist. Zur Optimierung der Kodeeffizienz ist damit bei ähnlichen Daten­ raten der Dienste nur eine möglichst geringe Ratenanpassung nötig.

Eine Abbildungsvorschrift zum Multiplexen der Daten der Dien­ ste in einem zu übertragenen Rahmen ist vorteilhafterweise derart festgelegt, daß sie der Sende- und Empfangsseite glei­ chermaßen bekannt ist, so daß nur die Datenmenge pro Dienst signalisiert wird und die Anordnung der Daten im Rahmen ein­ deutig nachvollziehbar ist. Auch die Ratenanpassung ist aus der signalisierten Datenmenge rekonstruierbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beilie­ genden Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Funk-Kommuni­ kationssystems,

Fig. 2 eine schematische Darstellung von Anforderungen an drei gleichzeitig zu übertragende Dienste,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Ratenanpassungverfahrens, und

Fig. 4 eine Darstellung einer Optimierungsschleife bei der Ratenanpassung.

Das in Fig. 1 dargestellte Mobilfunksystem als Beispiel eines Funk-Kommunikationssystems besteht aus einer Vielzahl von Mo­ bilvermittlungsstellen MSC, die untereinander vernetzt sind bzw. den Zugang zu einem Festnetz PSTN herstellen. Weiterhin sind diese Mobilvermittlungsstellen MSC mit jeweils zumindest einer Einrichtung RNM zum Zuteilen von funktechnischen Res­ sourcen verbunden. Jede dieser Einrichtungen RNM ermöglicht wiederum eine Verbindung zu zumindest einer Basisstation BS. Eine solche Basisstation BS kann über eine Funkschnittstelle eine Verbindung zu Teilnehmerstationen, z. B. Mobilstationen MS oder anderweitigen mobilen und stationären Endgeräten auf­ bauen. Durch jede Basisstation BS wird zumindest eine Funk­ zelle gebildet.

In Fig. 1 ist eine Verbindung V zur gleichzeitiger Übertragung von Nutzinformationen mehrerer Dienste S1, S2, S3 zwischen einer Basisstation BS und einer Mobilstation MS dargestellt. 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 Erfin­ dung zum Einsatz kommen kann, insbesondere für Teilnehmerzu­ gangsnetze mit drahtlosem Teilnehmeranschluß.

Innerhalb der Verbindung V werden gleichzeitig die Daten d1, d2, d3 von drei unterschiedlichen Diensten S1, S2, S3 nach Fig. 2 übertragen. Diese drei Dienste S1, S2, S3 unterscheiden sich stark in der möglichen Werten und der Dynamik der Daten­ rate. Dementsprechend wurden die Blockgrößen B und eine abso­ lute oder relative Kodierung gewählt.

Bezugnehmend auf Fig. 3 wird als erster Schritt der Datenüber­ tragung sendeseitig eine Kanalkodierung für jeden Dienst S1, S2, S3 durchgeführt, die für jeden Dienst individuell in Ab­ hängigkeit von der erforderlichen maximalen Bitfehlerrate (BER) ausgewählt wird. Daraufhin wird optional für jeden Dienst S1, S2, S3 eine Verwürfelung der Daten d1, d2, d3 über mehrere Rahmen fr (Interrahmen-Verwürfelung) durchgeführt und anschließend die statischen Ratenanpassungsfaktoren SRFi für jeden der Dienste i bestimmt. Dabei wird eine dienstspezi­ fische Dienstqualität eingestellt.

Als nächster Schritt wird die Ratenanpassung durchgeführt, wobei der im folgenden vorgestellte Algorithmus gleichzeitig das Multiplexen der Dienste beinhaltet. Es schließt sich an die Ratenanpassung und das Multiplexen eine Verwürfelung der Daten innerhalb eines Rahmens fr an (Intrarahmen-Verwürfe­ lung).

Die dienstspezifischen Ratenanpassungsfaktoren SFRi für jeden Dienst i beschreiben eine Dehnung bzw. Stauchung der Daten, wobei eine Dehnung durch Redundanzhinzufügung (z. B. Wieder­ holung einzelner Bits) und eine Stauchung z. B. durch Punktie­ rung erreicht wird. Entsprechend der bestimmten Ratenanpas­ sungsfaktoren kann auch adaptiv die Kodierung und damit die Redundanzhinzufügung eingestellt werden. Diese dienstspezifi­ schen Ratenanpassungsfaktoren SFRi hängen nicht von der für jeden Dienst S1, S2, S3 im nächsten Rahmen fr zu übertragen­ den Datenmenge ab, sondern vom Kanalkodierungsverfahren.

Zur Optimierung der Kodeeffizienz werden die dienstspezifi­ schen Ratenanpassungsfaktoren SFRi auf ihren geometrischen Mittelwert bezogen, so daß gilt:

Die Berechnung der zur Ratenanpassung und zum Multiplexen benötigten Faktoren SRF, DRF, RF, SF, m wird anhand Fig. 4 erläutert.

Mit dem minimalen Spreizfaktor (SF=4) können Nmax Bits in einem Rahmen fr übertragen werden. Damit kann die folgende Ungleichung angegeben werden, welche die Abhängigkeit zwi­ schen der durch die: Anzahl m und den jeweiligen Spreizfaktor SFj (j=1. .m) der Übertragungskanäle gegebenen und durch die Datenblöcke der n Dienste geforderten Übertragungskapazität in einem Rahmen beschreibt:

Die rechte Seite von Gleichung (2) beschreibt die mit m Über­ tragungskanälen zur Verfügung stehende Bitzahl pro Rahmen fr, während auf der linken Seite der Ungleichung der von n Dien­ sten, von denen jeweils Ki Blöcke mit der Blockgröße Ki und den statischen Ratenanpassungsfaktoren SRFi übertragen werden sollen, geforderte Kapazität gegeben ist.

Der in Gleichung (2) eingeführte dynamische Ratenanpassungs­ faktor DRF ermöglicht die zusätzliche gleichförmige Dehnung bzw. Stauchung sämtlicher Daten in einem Rahmen fr. Dieser Faktor DRF ist verbindungsorientiert. Das Gleichheitszeichen gilt dann, wenn der Rahmen fr vollständig mit Daten gefüllt werden muß, um eine nicht-kontinuierliche Übertragung (DTX discontinuous transmission) zu vermeiden.

Bei der Bestimmung des verbindungsorientierten dynamischen Ratenanpassungsfaktors DRF darf ein Minimalwert nicht unter­ schritten werden, der sich als Quotienten aus dem minimalen Gesamtratenanpassungsfaktor RFmin und dem Minimum aller sta­ tischen Ratenanpassungsfaktoren SRF ergibt, um durch Punktie­ rung die Kodeeffizienz nicht zu sehr zu beeinträchtigen.

Die Berechnung des Minimalwertes DRFmin ist nach der vorange­ henden Ungleichung (3a) für den speziellen Fall gültig, daß für alle Dienste i derselbe minimale Gesamtratenanpassungs­ faktor RFmin gilt. Allgemein können jedoch für unterschiedli­ che Dienste i auch individuelle Gesamtratenanpassungsfaktoren RFmin gelten. So kann für einen bestimmter Dienst i bei­ spielsweise der Fall auftreten, daß keine Punktierung durch­ geführt wird (RFmin = 1), währenddessen für andere Dienste i durchaus eine Punktierung erfolgt. Abhängig von dem verwende­ ten Kodierverfahren ist somit jedem Dienst i ein individuel­ ler minimaler Gesamtratenanpassungsfaktor RFmin zuordenbar. Um dieser Variabilität des diensteabhängigen Gesamtratenan­ passungsfaktors RFmin Rechnung zu tragen, wird die Unglei­ chung (3a) in der folgenden Weise erweitert.

Analog sollte auch ein Maximalwert nicht überschritten wer­ den, der sich als Quotienten aus dem maximalen Gesamtraten­ anpassungsfaktor RFmax und dem Maximum aller statischen Ratenanpassungsfaktoren SRF ergibt, um durch Wiederholung nicht zuviel Übertragungskapazität zu verschenken.

Damit können nun mit Gleichung (2) abhängig von Bi, Ki sowie SRFi die Werte für m, SFj und DRF berechnet werden, die eine optimale Nutzung der physikalischen Kanäle gestatten. Hierzu muß lediglich eine eindeutige Reihenfolge von Spreizkodes zwischen Sender und Empfänger festgelegt sein, die abhängig von der Anzahl der in einem Rahmen fr insgesamt zu übertra­ genden Bits zugeordnet werden. Diese Abbildungsvorschrift ist systemweit festgelegt oder wird zu Verbindungsbeginn signali­ siert.

Im folgenden wird eine Randbedingung angenommen, die vor­ schreibt, möglichst wenig Übertragungskanäle zu belegen. In diesem Fall gilt, daß bei m<1 alle Übertragungskanäle bis auf einen Übertragungskanal den minimalen Spreizfaktor SFmin aufweisen müssen. Es sei betont, daß es sich bei der Kodie­ rungsvorschrift nach den Gleichungen (5) bis (7) um eines von mehreren möglichen Beispielen handelt, da auch andere Randbe­ dingungen angenommen werden können.

Mit dem minimal zulässigen Wert des dynamischen Ratenanpas­ sungsfaktor DRFmin aus Gleichung (3a, 3b) ergibt sich für die erforderliche Kanalanzahl m ( = Aufrundungsoperator):

und die Spreizfaktoren

mit als Abrundungsoperator auf den nächstmöglichen Spreizfaktor

SFj = 4 für m<1 und j=1. .m-1. (7)

Der dynamische Ratenanpassungsfaktor DRF wird nun abweichend von seinem minimalen Wert DRFmin erneut berechnet:

Anstelle des Produktes Bi.Ki kann auch eine Datenmenge Ni eingesetzt werden, wenn keine blockweise Übertragung erfolgt bzw. die Blockgröße Bi gleich ein Bit ist.

Um die Kodeeffizienz möglichst wenig zu beeinträchtigen, soll die Dehnung bzw. Stauchung auf das erforderliche Mindestmaß beschränkt werden, woraus folgt, daß der dynamische Raten­ anpassungsfaktor DRF möglichst nahe bei 1 liegen sollte. Dies bedeutet, daß bei nicht-kontinuierlicher Übertragung die mög­ liche Übertragungskapazität vollständig zu nutzen ist, wenn hierdurch die Stauchung reduziert werden kann. Auch bei nicht-kontinuierlicher Übertragung wird ein Wert aus Glei­ chung (8) übernommen, solange er kleiner oder gleich 1 ist. Gilt DRF < 1, so wird DRF auf 1 gesetzt.

Aus der Kenntnis des dynamischen Ratenanpassungsfaktors DRF kann für alle Dienste i der resultierende Ratenanpassungs­ faktor RFi angegeben werden:

RFi = DRF.SFRi (i=1. .n) (9)

Ist für einen Dienst i RFi<1 so wird eine Wiederholung von Bits durchgeführt, bei RF<1 wird eine Punktierung vorgenom­ men. In jedem Fall wird durch die Ratenanpassung in einem Schritt für die Daten d1, d2, d3 jedes Dienst nur eines bei­ der Verfahren eingesetzt.

Durch die Kombination von statischer und dynamischer Raten­ anpassung wird automatisch die Anzahl m der benötigten Über­ tragungskanäle minimiert und gleichzeitig die Spreizfaktoren SF maximiert, um möglichst wenig Interferenzen zu erzeugen. Damit wirkt sich die implizite dynamische Ratenanpassung auch vorteilhaft aus, falls DTX zugelassen ist.

Optional kann wenn der dynamische Ratenanpassungsfaktor DRF < DRFmax ist aus den in einer Warteschleife zwischen­ gespeicherten zur Übertragung vorgesehenen Blöcken einzelne ausgewählt werden und den bereits dem Rahmen fr zugeordneten Blöcken hinzugezählt werden. Im Sinne einer Optimierungs­ schleife werden die Faktoren SRF, DRF, RF erneut berechnet. Muß die Anzahl m der Übertragungskanäle nicht erhöht und die Spreizfaktoren SF nicht verringert werden, so kann der Block zusätzlich zu den anderen Daten übertragen werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Datenratenanpassung einer gleichzeitigen Funkübertragung von Daten (d1, d2, d3) mehrerer Dienste (S1, S2, S3) einer Verbindung (V) zwischen einer Basisstation (BS) und einer Teilnehmerstation (MS), bei dem

• 1. dienstspezifisch ein statischer Ratenanpassungsfaktor (SRF) bestimmt wird, der eine dienstspezifische Dienstqualität einstellt,
• 2. für die Verbindung (V) ein dynamischer verbindungsorien­ tierter Ratenanpassungsfaktor (DRF) bestimmt wird, der die Summe der Datenmenge aller Dienste (S1, S2, S3) der Verbin­ dung (V) unter Berücksichtigung der jeweiligen dienstspe­ zifischen statischen Ratenanpassungsfaktoren (SRF) an die im nächsten Rahmen (fr) verfügbare Datenmenge anpaßt,
• 3. ein dienstspezifischer Ratenanpassungsfaktor (RF) durch Kombination des statischen Ratenanpassungsfaktors (SRF) und des dynamischen Ratenanpassungsfaktors (DRF) bestimmt wird,
• 4. die Daten (d1, d2, d3) der Dienste (S1, S2, S3) mit diesen dienstspezifischen Ratenanpassungsfaktoren (RF) gestaucht bzw. gedehnt und in einen Rahmen (fr) eingetragen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der dynamische verbindungsorientierte Ratenanpassungsfaktor (DRF) auf einen für den am stärksten zu stauchenden Dienst (S1, S2, S3) bezogenen Minimalwert (DRFmin) gesetzt wird und dafür eine Anzahl (m) an Übertragungskanälen und bei der Übertragung zu verwendenden Spreizfaktoren (SF) nach einer vorgegebenen Kodiervorschrift bestimmt wird, und daraufhin der dynamische verbindungsorientierte Ratenanpas­ sungsfaktor (DRF) als Quotient aus der für die Verbindung maximal verfügbaren Datenmenge und der Summe der Datenmenge aller Dienste (S1, S2, S3) der Verbindung (V) unter Berück­ sichtigung der jeweiligen dienstspezifischen statischen Ratenanpassungsfaktoren (SRF) erneut bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem falls der dynamische verbindungsorientierte Ratenanpassungs­ faktor (DRF) größer als ein auf den am stärksten zu dehnenden Dienst bezogenen Maximalwert ist, werden zusätzliche Daten (d1, d2, d3) in den Rahmen (fr) aufgenommen und der dynami­ sche verbindungsorientierte Ratenanpassungsfaktor (DRF) er­ neut bestimmt.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Daten (d1, d2, d3) der Dienste (S1, S2, S3) nach einer vorgegebenen Kodiervorschrift in einen Rahmen (fr) einge­ tragen werden, die auf eine minimale Anzahl (m) von Über­ tragungskanälen für die Verbindung (V) orientiert ist.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die statischen Ratenanpassungsfaktoren (SRF) vor der Bestim­ mung des dynamischen verbindungsorientierten Ratenanpassungs­ faktors (DRF) derart auf ihren geometrischen Mittelwert be­ zogen sind, daß das Produkt aller statischen Ratenanpassungs­ faktoren (SRF) einer Verbindung (V) gleich eins ist.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem für jeden übertragenen Rahmen (fr) die Datenmenge pro Dienst (S1, S2, S3) signalisiert wird.