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Verfahren und Vorrichtung zur Datenratenanpassung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenratenanpassung für eine Datenübertragung über eine Funkschnittstelle zwischen einer Basisstation und einer Teilnehmerstation, insbesondere über breitbandige Funkschnittstellen, die ein CDMA-Teilnehmerseparierungsverfahren verwenden und pro Verbindung mehrere Dienste gleichzeitig bereitstellen.
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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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Für die dritte Mobilfunkgeneration sind breitbandige (B = 5 MHz) Funkschnittstellen vorgesehen, die ein CDMA-Teilnehmerseparierungsverfahren (CDMA code division multiple access) zur Unterscheidung unterschiedlicher Übertragungskanäle verwenden und pro Verbindung mehrere Dienste gleichzeitig bereitstellen können. Dabei ergibt sich das Problem, wie die Daten verschiedener Dienste einer Verbindung zeitlich gemultiplext, d. h. in einen Rahmen eingetragen, werden sollen. Die Übertragungskapazität der Funkschnittstelle ist bestmöglich zu nutzen, insbesondere unter Berücksichtigung einer hohen Dynamik in der Varianz der Datenraten der einzelnen Dienste.
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Das Dokument
A. Toskala et al. FRAMES FMA2 Wideband-CDMA for UMTS, European Transactions an Telecommunications, IT, EUREL Publication, Milano, Vol. 9, Nr. 4, 1.7.1998, Seiten 325–335
betrifft die physikalische Schicht eines CDMA-Systems. Es werden die Kanalkodierung und das Multiplexen von Daten verschiedener Services beschrieben. Unterkapitel 4.3 beschäftigt sich mit der Ratenanpassung; die mit der Ratenanpassung erzielte Bitrate hängt hierbei von der Anzahl paralleler Dienste ab.
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Das Dokument
WO 98/42153 A2 beschreibt den Aufbau einer Datenverbindung zu einem Terminal, vorzugsweise in einem Wireless Local Loop System. Hierbei erfolgt eine Ratenanpassung gemäß einem GSM Standard.
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Das Dokument
M. Nagshineh et al., End-to-End QoS Provisioning in Multimedia Wireless/mobile Networks Using an Adaptive Framework, IEEE Communications Magazine, Vol. 35, Nr. 11, Nov. 1997, Seiten 72–81
betrifft die Multimedia-Übertragung per drahtloser Kommunikation. Eine Multimedia-Applikation wird als eine Vielzahl hierarchischer skalierbarer Ströme angesehen. Durch Kompression können diese Ströme so angepasst werden, dass sie der verfügbaren Bandbreite entsprechen.
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Aus ETSI STC SMG2 UMTS-L1, Tdoc SMG2 UMTS-L1 221/98, vom 25.8.1998, insbesondere, S. 15–20, ist es bekannt, eine zweistufige Datenratenanpassung vorzunehmen. Eine erste Datenratenanpassung wird nach einer Kanalkodierung durchgeführt und soll die dienstspezifischen Dienstqualitäten (quality of service QoS) gerantieren, da das gemeinsame Übertragen der Daten mehrerer Dienste ein gemeinsames Signal/Rausch-Verhältnis 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 Übertragungskanälen minimiert werden kann. Auch sinkt die Kodeeffizienz, da teilweise auf dieselben Daten eine Dehnung und anschließend eine Stauchung oder umgekehrt durchgeführt wird. Die Kodeeffizienz gibt das Verhältnis der Änderung der Bitfehlerrate (BER) zu Änderung der Redundanz der Daten an, wobei das Signal/Rausch-Verhältnis als konstant anzusehen ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu beseitigen. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß wird, wie bereits bekannt, ein dienstspezifischer 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 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 Datenmenge aufgrund einer ausreichenden Anzahl von Übertragungskanälen und Spreizfaktoren nicht fest vorgegeben ist. Die benötigte Gesamtübertragungskapazität kann damit optimiert werden.
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In einem nächsten Schritt wird ein dienstspezifischer Ratenanpassungsfaktor 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 gestaucht bzw. gedehnt und in einen Rahmen zur Übertragung eingetragen.
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Die statische und dynamische Ratenanpassung erfolgt zeitgleich in einem Schritt, wobei nur die Berechnung der Faktoren aber nicht die Anpassung selbst in einer Optimierungsschleife durchgeführt werden kann, so daß die Kodeeffizienz steigt und gegensätzliche Ratenanpassung für dieselben Daten verhindert werden.
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Falls bestimmte Rahmenintervalle verkürzt werden müssen, um Messungen durchzuführen (slotted mode), kann dies bereits bei der zur Verfügung stehenden Datenmenge berücksichtigt werden.
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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 Übertragungskanälen und bei der Übertragung zu verwendenden Spreizfaktoren nach einer vorgegebenen Kodiervorschrift bestimmt. Ist dies erfolgt, so wird daraufhin der dynamische verbindungsorientierte Ratenanpassungsfaktor als Quotient aus der für die Verbindung maximal verfügbaren Datenmenge und der Summe der Datenmenge aller Dienste der Verbindung unter Berücksichtigung der jeweiligen dienstspezifischen statischen Ratenanpassungsfaktoren bestimmt. Der Minimalwert wird festgelegt, um die Kodeeffizienz nicht zu stark zu beeinträchtigen. Durch diese Weiterbildung der Erfindung werden minimale Ressourcen benötigt.
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Falls der dynamische verbindungsorientierte Ratenanpassungsfaktor 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 dynamischen verbindungsorientierten Ratenanpassungsfaktor erneut zu bestimmen. Damit wird nicht unnötig Übertragungskapazität verschenkt.
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Die statischen Ratenanpassungsfaktoren sind vorteilhafterweise vor der Bestimmung des dynamischen verbindungsorientierten Ratenanpassungsfaktors derart auf ihren geometrischen Mittelwert bezogen, daß das Produkt aller statischen Ratenanpassungsfaktoren einer Verbindung gleich eins ist. Zur Optimierung der Kodeeffizienz ist damit bei ähnlichen Datenraten der Dienste nur eine möglichst geringe Ratenanpassung nötig.
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Eine Abbildungsvorschrift zum Multiplexen der Daten der Dienste in einem zu übertragenen Rahmen ist vorteilhafterweise derart festgelegt, daß sie der Sende- und Empfangsseite gleichermaßen bekannt ist, so daß nur die Datenmenge pro Dienst signalisiert wird und die Anordnung der Daten im Rahmen eindeutig nachvollziehbar ist. Auch die Ratenanpassung ist aus der signalisierten Datenmenge rekonstruierbar.
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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 eine schematische Darstellung eines Funk-Kommunikationssystems,
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2 eine schematische Darstellung von Anforderungen an drei gleichzeitig zu übertragende Dienste,
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3 ein Blockschaltbild eines Ratenanpassungverfahrens, und
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4 eine Darstellung einer Optimierungsschleife bei der Ratenanpassung.
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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 RNM zum Zuteilen von funktechnischen Ressourcen 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 aufbauen. Durch jede Basisstation BS wird zumindest eine Funkzelle gebildet.
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In 1 ist eine Verbindung V zur gleichzeitigen 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 Erfindung zum Einsatz kommen kann, insbesondere für Teilnehmerzugangsnetze mit drahtlosem Teilnehmeranschluß.
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Innerhalb der Verbindung V werden gleichzeitig die Daten d1, d2, d3 von drei unterschiedlichen Diensten S1, S2, S3 nach 2 übertragen. Diese drei Dienste S1, S2, S3 unterscheiden sich stark in der möglichen Werten und der Dynamik der Datenrate. Dementsprechend wurden die Blockgrößen B und eine absolute oder relative Kodierung gewählt.
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Bezugnehmend auf 3 wird als erster Schritt der Datenübertragung sendeseitig eine Kanalkodierung für jeden Dienst S1, S2, S3 durchgeführt, die für jeden Dienst individuell in Abhängigkeit 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 dienstspezifische Dienstqualität eingestellt.
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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-Verwürfelung).
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Die dienstspezifischen Ratenanpassungsfaktoren SRFi für jeden Dienst i beschreiben eine Dehnung bzw. Stauchung der Daten, wobei eine Dehnung durch Redundanzhinzufügung (z. B. Wiederholung einzelner Bits) und eine Stauchung z. B. durch Punktierung erreicht wird. Entsprechend der bestimmten Ratenanpassungsfaktoren kann auch adaptiv die Kodierung und damit die Redundanzhinzufügung eingestellt werden. Diese dienstspezifischen Ratenanpassungsfaktoren SRFi hängen nicht von der für jeden Dienst S1, S2, S3 im nächsten Rahmen fr zu übertragenden Datenmenge ab, sondern vom Kanalkodierungsverfahren.
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Zur Optimierung der Kodeeffizienz werden die dienstspezifischen Ratenanpassungsfaktoren SRFi auf ihren geometrischen Mittelwert bezogen, so daß gilt:
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Die Berechnung der zur Ratenanpassung und zum Multiplexen benötigten Faktoren SRF, DRF, RF, SF, m wird anhand 4 erläutert.
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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 zwischen 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:
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Die rechte Seite von Gleichung (2) beschreibt die mit m Übertragungskanälen zur Verfügung stehende Bitzahl pro Rahmen fr, während auf der linken Seite der Ungleichung der von n Diensten, von denen jeweils Ki Blöcke mit der Blockgröße Ki und den statischen Ratenanpassungsfaktoren SRFi übertragen werden sollen, geforderte Kapazität gegeben ist.
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Der in Gleichung (2) eingeführte dynamische Ratenanpassungsfaktor 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.
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Bei der Bestimmung des verbindungsorientierten dynamischen Ratenanpassungsfaktors DRF darf ein Minimalwert nicht unterschritten werden, der sich als Quotient aus dem minimalen Gesamtratenanpassungsfaktor RFmin und dem Minimum aller statischen Ratenanpassungsfaktoren SRF ergibt, um durch Punktierung die Kodeeffizienz nicht zu sehr zu beeinträchtigen.
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Analog sollte auch ein Maximalwert nicht überschritten werden, der sich als Quotient aus dem maximalen Gesamtratenanpassungsfaktor RFmax und dem Maximum aller statischen Ratenanpassungsfaktoren SRF ergibt, um durch Wiederholung nicht zuviel Übertragungskapazität zu verschenken.
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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 übertragenden Bits zugeordnet werden. Diese Abbildungsvorschrift ist systemweit festgelegt oder wird zu Verbindungsbeginn signalisiert.
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Im Folgenden wird eine Randbedingung angenommen, die vorschreibt, möglichst wenige 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 Kodierungsvorschrift nach den Gleichungen (5) bis (7) um eines von mehreren möglichen Beispielen handelt, da auch andere Randbedingungen angenommen werden können.
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Mit dem minimal zulässigen Wert des dynamischen Ratenanpassungsfaktors DRFmin aus Gleichung (3) 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:
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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.
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Um die Kodeeffizienz möglichst wenig zu beeinträchtigen, soll die Dehnung bzw. Stauchung auf das erforderliche Mindestmaß beschränkt werden, woraus folgt, daß der dynamische Ratenanpassungsfaktor DRF möglichst nahe bei 1 liegen sollte. Dies bedeutet, daß bei nicht-kontinuierlicher Übertragung die mögliche Übertragungskapazität vollständig zu nutzen ist, wenn hierdurch die Stauchung reduziert werden kann. Auch bei nicht-kontinuierlicher Übertragung wird ein Wert aus Gleichung (8) übernommen, solange er kleiner oder gleich 1 ist. Gilt DRF > 1, so wird DRF auf 1 gesetzt.
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Aus der Kenntnis des dynamischen Ratenanpassungsfaktors DRF kann für alle Dienste i der resultierende Ratenanpassungsfaktor RFi angegeben werden: RFi = DRF·SRFi(i = 1...n) (9)
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Ist für einen Dienst i RFi > 1 so wird eine Wiederholung von Bits durchgeführt, bei RF < 1 wird eine Punktierung vorgenommen. In jedem Fall wird durch die Ratenanpassung in einem Schritt für die Daten d1, d2, d3 jedes Dienstes nur eines beider Verfahren eingesetzt.
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Durch die Kombination von statischer und dynamischer Ratenanpassung wird automatisch die Anzahl m der benötigten Übertragungskanäle 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.
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Optional können, wenn der dynamische Ratenanpassungsfaktor DRF > DRFmax ist, aus den in einer Warteschleife zwischengespeicherten, zur Übertragung vorgesehenen Blöcken einzelne ausgewählt werden und den bereits dem Rahmen fr zugeordneten Blöcken hinzugezählt werden. Im Sinne einer Optimierungsschleife 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.
mit ⌊⌋ als Abrundungsoperator auf den nächstmöglichen Spreizfaktor
