DE19936318A1 - Verfahren zur Signalübertragung in einem Kanal zum willkürlichen Zugriff eines Funk-Kommunikationssystems - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemäß benutzen mehrere Teilnehmerstationen den Kanal zum willkürlichen Zugriff unkoordiniert und in einem Zeitschlitz werden für den Kanal mehrere Funkblöcke mit einem jeweiligen Datenanteil einer bestimmten Länge übertragen. Dabei wird die Länge des Datenanteils abhängig von einer Größe des zu übertragenden Datenanteils gewählt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Teilnehmersta­ tion zur Signalübertragung in einem Kanal zum willkürlichen Zugriff eines Funk-Kommunikationssystems

In Funk-Kommunikationssystemen werden Informationen (bei­ spielsweise Sprache, Bildinformationen oder andere Daten) mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen über eine Funkschnitt­ stelle zwischen sendender und empfangender Funkstation (Ba­ sisstation bzw. Teilnehmerstation) übertragen. Das Abstrahlen der elektromagnetischen Wellen erfolgt dabei mit Trägerfre­ quenzen, die in dem für das jeweilige System vorgesehenen Frequenzband liegen. Für zukünftige Mobilfunksysteme mit CDMA- oder TD/CDMA-Übertragungsverfahren über die Funk­ schnittstelle, beispielsweise das UMTS (Universal Mobile Te­ lecommunication System) oder andere Systeme der 3. Generation sind Frequenzen im Frequenzband von ca. 2000 MHz vorgesehen.

Zur Teilnehmerseparierung wird z. B. beim GSM-Mobilfunksystem ein Zeitlagenmultiplex-Verfahren (TDMA) zur Unterscheidung der Signalquellen verwendet. In einem Zeitschlitz wird ein Funkblock übertragen, der empfangsseitig getrennt von anderen Funkblöcken auswertbar ist. Aus dem GSM-Mobilfunksystem ist es ferner bekannt, zur Ressourcenzuteilung einen Zugriffs­ block in Aufwärtsrichtung zu senden. Damit signalisiert eine Teilnehmerstation dem Netz, daß es einen Verbindungsaufbau wünscht. Der Zugriff auf den Zeitschlitz, der für die Zu­ griffsblöcke reserviert ist, erfolgt jedoch willkürlich. Falls mehrere Teilnehmerstationen gleichzeitig in diesem Zeitschlitz senden, überlagern sich die Zugriffsblöcke und sind somit bei der empfangenden Basisstation nicht detektier­ bar.

Nach einer Kollision versuchen die Teilnehmerstationen er­ neut, einen Zugriffsblock zu senden. Je häufiger der Zugriff wiederholt werden muß, um so länger ist die Wartezeit und um so mehr sinkt die Effektivität dieses Zugriffsverfahrens.

Eine besondere Ausprägung des Zeitlagenmultiplex (TDMA) ist ein TDD (time division duplex) Übertragungsverfahren, bei dem in einem gemeinsamen Frequenzkanal die Übertragung sowohl in Aufwärtsrichtung, d. h. von der Teilnehmerstation zur Basis­ station, als auch in Abwärtsrichtung, d. h. von der Basissta­ tion zur Teilnehmerstation, erfolgt. Die minimal zu verge­ bende Ressourceneinheit ist durch die Zahl der in einem Zeit­ schlitz übertragbaren Bits angegeben.

Eine kleine minimale Ressourceneinheit ist wünschenswert, da für unterschiedliche Anwendungsfälle, z. B. die Zugriffs­ blöcke, eine feinere Granularität bei den verbrauchten Res­ sourcen die Kapazitätsausnutzung verbessert. Dies war bisher nur durch Verkürzung der Zeitschlitzdauer möglich. Der Anteil der Nutzdatenrate an der Gesamtdatenrate sinkt bei Erhöhung der Zahl der Zeitschlitze pro Zeiteinheit, da üblicherweise pro Zeitschlitz eine Trainingssequenz zu Kanalschätzungszwec­ ken gesendet wird und die Trainigssequenz eine Mindestlänge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz der Signalübertragung im Kanal zum willkürlichen Zugriff weiter zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des PAtentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiter­ bildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entneh­ men.

Erfindungsgemäß benutzen mehrere Teilnehmerstationen den Ka­ nal zum willkürlichen Zugriff unkoordiniert und in einem Zeitschlitz werden für den Kanal mehrere Funkblöcke mit einem jeweiligen Datenanteil einer bestimmten Länge übertragen. Da­ bei wird die Länge des Datenanteils abhängig von einer Größe des zu übertragenden Datenanteils gewählt.

Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht vorteilhaft eine Reduzierung des Datenanteils in einem Funkblock für den willkürlichen Zugriff bzw. die notwendigen funktechnischen Ressourcen, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Blockierung bei einem parallelen Zugriff mehrerer Teilnehmerstationen verringert bzw. die Anzahl der gleichzeitig zugreifenden Teilnehmerstationen erhöht wird. Der Kanal zum willkürlichen Zugriff kann neben der eigentlichen Funktion für einen Ver­ bindungsaufbau seitens der Teilnehmerstationen auch entspre­ chend einer Ausgestaltung der Erfindung für eine Quittierung, eine Aktualisierung des Aufenthaltsortes der Teilnehmersta­ tion oder zur Übertragung von kleinen Datenpaketen genutzt werden.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Größe des zu übertragenden Datenanteils mit zumindest einem bestimmten Schwellwert verglichen. Abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs wird ein jeweils geeigneter Funkblock ausge­ wählt. Hierzu kann beispielsweise eine erfindungsgemäße Ent­ scheidungskette in der Teilnehmerstation verwirklicht werden, die einen jeweils optimalen Funkblock aus dem Ergebnis des Vergleichs bestimmt.

Für den beispielhaften Fall, daß die Größe des zu übertragen­ den Datenanteils größer als die Länge des Zeitschlitzes für den Kanal zum willkürlichen Zugriff ist, wird von der Teil­ nehmerstation zumindest ein physikalischer Übertragungskanal mittels eines standardgemäßen Funkblocks angefordert. Diese Realisierung verhindert, daß der Kanal für den willkürlichen Zugriff für die Übertragung von größeren Datenpaketen verwen­ det wird, sondern in diesem Fall eine bekannte Zuweisung von funktechnischen Ressourcen durch die Teilnehmerstation initi­ iert wird.

Einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zufolge wird ab­ hängig von dem beschriebenen Vergleich zusätzlich ein Spreiz­ faktor für den Datenanteil gewählt. Diese Ausgestaltung ba­ siert auf einer CDMA-Teilnehmerseparierung in dem Funk-Kommu­ nikationssystem, wobei innerhalb eines Zeitschlitzes mehrere Teilnehmer durch Spreizkodes getrennt werden. Eine Variation des Spreizfaktors bewirkt eine unterschiedlichen Auslastung der zur Verfügung stehenden funktechnischen Ressourcen.

Funkblöcken mit einer Länge kleiner der Länge des Zeitschlit­ zes wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung zusätzlich ein Schutzzeitanteil zugeordnet. Für diesen Fall können entspre­ chend einer weiteren Weiterbildung die Datenanteile der Funk­ blöcke des Zeitschlitzes zueinander zeitlich orthogonal ge­ wählt werden. Hierdurch ist vorteilhaft ein gleichzeitiger Zugriff beispielsweise zweier Funkblöcke in dem Zeitschlitz möglich, ohne daß sich die jeweiligen Datenanteile stören. Die effektive Übertragungskapazität des Kanals wird hierdurch vorteilhaft erhöht.

Der Datenanteil eines Funkblocks kann gemäß einer weiteren Weiterbildung aus einer Trainingssequenz und zumindest einem Nutzdatenanteil bestehen. Somit läßt sich das erfindungsge­ mäße Verfahren in ein digitales Mobilfunksystem der 3. Gene­ ration integrieren. Bei einem solchen Mobilfunksystem kommt vorteilhaft ein TDD-Teilnehmerseparierungsverfahren zu Ein­ satz, so daß auch asymmetrische Datendienste ohne Vergeudung von Übertragungsressourcen unterstützt werden.

Besonders wichtig ist die Ausnutzung einer Ressourceneinheit der funktechnischen Ressourcen bei Funk-Kommunikationssyste­ men mit breitbandigen Kanälen, da die kleinste Ressourcenein­ heit verhältnismäßig groß ist. Die Kanäle sind nach einem TDD- oder FDD-Modus eines UMTS-Mobilfunksystems organisiert.

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

Dabei zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Funk-Kommunikationssy­ stem,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Struktur einer TDD-Funkschnittstelle,

Fig. 3 eine schematische Darstellung unterschiedlicher Funkblöcke für den willkürlichen Zugriff,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Struktur des Da­ tenanteils eines Funkblocks, und

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Entscheidungskette zur Aus­ wahl eines geeigneten Funkblocks.

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 RNC zur Steuerung der Basisstationen BS und zum Zuteilen von funktechnischen Ressourcen, d. h. einem Funk­ ressourcenmanager, verbunden. Jede dieser Einrichtungen RNC ermöglicht wiederum eine Verbindung zu zumindest einer Basis­ station BS. Eine solche Basisstation BS kann über eine Funk­ schnittstelle eine Verbindung zu einer Teilnehmerstation, z. B. Teilnehmerstationen MS oder anderweitigen mobilen und stationären Endgeräten, aufbauen. Durch jede Basisstation BS wird zumindest eine Funkzelle gebildet.

In Fig. 1 sind beispielhaft Verbindungen V1, V2, V3 zur Über­ tragung von Nutzinformationen ni und Signalisierungsinforma­ tionen als Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen Teilnehmer­ stationen MS und einer Basisstation BS und ein Organisations­ kanal BCCH als Punkt-zu-Multipunkt-Verbindung dargestellt. Im Organisationskanal BCCH werden Organisationsinformationen mit einer bekannten konstanten Sendeleistung von der Basisstation BS übertragen, die für alle Teilnehmerstationen MS auswertbar sind und Angaben über die in der Funkzelle angebotenen Dien­ ste und über die Konfiguration der Kanäle der Funkschnitt­ stelle enthalten. In Aufwärtsrichtung UL wird für die Teil­ nehmerstationen MS ein Kanal RACH zum willkürlichen Zugriff angeboten.

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 und für im unli­ zensierten Frequenzbereich betriebene Basisstationen und Teilnehmerstationen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Mobilfunksystem mit einer Funkschnittstelle im TDD-Übertragungsverfahren (time division duplex) erklärt, wobei ein Einsatz im FDD- Übertragungsverfahren (frequency division duplex) ebenso mög­ lich ist.

Die Rahmenstruktur einer TDD-Funkübertragung ist aus Fig. 2 ersichtlich. Gemäß einer TDMA-Komponente (time division mul­ tiple access) ist eine Aufteilung eines breitbandigen Fre­ quenzbands, beispielsweise der Bandbreite B = 5 MHz in meh­ rere 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. Bei diesem TDD-Übertragungsverfahren entspricht das Frequenzband für die Aufwärtsrichtung UL dem Frequenzband für die Abwärts­ richtung DL.

Innerhalb eines Zeitschlitze ts6 werden Informationen mehre­ rer Verbindungen in Funkblöcken FB eines jeweiligen physika­ lischen Übertragungskanals K übertragen. Die Daten sind ver­ bindungsindividuell mit einer Feinstruktur, einem Spreizkode c, gespreizt, so daß empfangsseitig eine bestimmte Anzahl Verbindungen durch diese CDMA-Komponente (code division mul­ tiple access) separierbar sind.

Ein Zeitschlitz ts7 in Aufwärtsrichtung UL wird als Kanal für den willkürlichen Zugriff RACH benutzt, auf den die Teilneh­ merstationen MS unkoordiniert zugreifen können. Dieser will­ kürliche, unkoordinierte Zugriff kann für folgende Anwendun­ gen eingesetzt werden:

• - erstmaliger Zugriff für einen Verbindungsaufbau,
• - Übertragung kleiner Datenpakete,
• - Übertragung einer Quittierung empfangener Datenpakete,
• - Anfrage der Teilnehmerstation MS zur Zuteilung von funk­ technischen Ressourcen während einer Verbindung,
• - Auffrischen (update) des Aufenthaltsortes der Teilnehmer­ station MS im sogenannten "idle state".

Bevor jedoch die Nachrichtenübertragung für Nutzdaten zwi­ schen einer Teilnehmerstation MS und einer Basisstation BS beginnen kann, wird die Verbindung aufgebaut. Dazu sendet die Teilnehmerstation MS in einem Zugriffskanal RACH einen spezi­ ellen Funkblock b1, b2 oder b3 in Aufwärtsrichtung UL, der als Zugriffsblock ausgebildet ist und zumindest eine Kennung der Teilnehmerstation MS enthält. Diese Kennung der Teilneh­ merstation MS, evtl. ergänzt durch weitere Angaben über die Basisstation BS, über zu signalisierende Informationen oder über physikalische Kanäle, ist nach Fig. 3 in einem Datenan­ teil d enthalten. Der Datenanteil d bildet alleine oder zu­ sammen mit einem Schutzzeitanteil gp den Zugriffsblock b1, b2, b3.

Entsprechend der Erfindung können sich die in dem Kanal zu willkürlichen Zugriff RACH gesendete Zugriffsblöcke b1, b2, b3 durch die zeitliche Anordnung des Datenanteils d in dem Zugriffsblock b1, b2, b3, durch ihre jeweilige Länge t1, t2 sowie durch einen jeweiligen Spreizfaktor unterscheiden. Die Datenanteile d der beiden oberen Zugriffsblöcke b1 sind zu­ einander zeitlich orthogonal, wodurch zwei unterschiedliche Teilnehmerstation MS in dem gleichen Kanal RACH, d. h. in dem Zeitschlitz ts7, einen entsprechenden Zugriffsblock b1 sen­ den, ohne daß es zu Kollisionen bezüglich der Datenanteile d kommt. Diese Zugriffsblöcke b1 sind daher durch die Basissta­ tion BS fehlerfrei auswertbar. Ohne Verzögerung kann den Teilnehmerstationen MS jeweils ein oder mehrere physikalische Übertragungskanäle K zur Nachrichtenübertragung zugewiesen werden. Dabei kommt beispielsweise ein bekanntes ALOHA-Proto­ koll zum Einsatz.

Die Basisstation BS wertet die Zugriffsblock b1, b2, b3 aus und nimmt eine Ressourcenzuteilung an die Teilnehmerstationen MS in Aufwärts- UL und/oder Abwärtsrichtung DL vor, abhängig vom aktuellen Auslastungszustand der funktechnischen Ressour­ cen der Funkschnittstelle und der Dringlichkeit des von der Teilnehmerstation MS gewünschten Dienstes.

Der Datenanteil d der Zugriffsblöcke b1, b2 besteht gemäß der Fig. 4 aus einer Mittambel ma, die zur Kanalschätzung auf der Empfängerseite der Funkschnittstelle dient, und zwei Nutzda­ tenteilen data beispielsweise mit der Bezeichnung der Teil­ nehmerstation MS. Der Datenteil d der Zugriffsblöcke b2, b3 kann in gleicher Weise strukturiert sein.

Für die Erläuterungen zu der Entscheidungskette der Fig. 5 werden die verwendeten Parameter der Funkschnittstelle des TDD-Modus für die 3. Mobilfunkgeneration zugrunde gelegt:
Chiprate: 4096 Mcps
Rahmendauer: 10 ms
Anzahl Zeitschlitze: 16
Dauer eines Zeitschlitzes: 625 µs
Spreizfaktor: 16
Modulationsart: QPSK
Bandbreite: 5 MHz
Frequenzwiederholungswert: 1

Weiterhin werden folgende beispielhafte Zahlenwerte für die einzelnen nachfolgend beschriebenen und erfindungsgemäß vari­ ierte Parameter zugrunde gelegt:

Größe

n1: 7 Byte
n2: 17 Byte
n3: 34 Byte

Länge

t1: 333,3 us
t2: 666,6 us

Spreizfaktor

sf1: 16
sf2: 8

Als Ausgangssituation wird angenommen, daß ein Datenanteil d einer bestimmten Größe über den Kanal zum willkürlichen Zu­ griff RACH von einer Teilnehmerstation MS gesendet werden soll. Dieser Datenanteil d kann beispielsweise ein kleines Datenpaket oder eine sonstige beispielhaft angegebene Signal­ isierungsnachricht darstellen. Die Entscheidungskette zur Auswahl eines geeigneten Zugriffsblocks b1, b2, b3 wird in der Teilnehmerstation MS ausgeführt.

Die Größe des Datenanteils d wird nachfolgend beispielhaft mit drei Schwellwerten n1, n2, n3 verglichen, die stellver­ tretend für eine bestimmte Größe in Byte bzw. Bit stehen. Ist gemäß dem ersten Entscheidungsfeld die Größe des Datenanteils d kleiner oder gleich der Größe des Schwellwertes n1 (7 Byte), so wird ein erster Zugriffsblock b1 ausgewählt. Dieser weist gemäß obigen Angaben eine Länge t1 von 333,3 us und ei­ nen Spreizfaktor von 16 auf. Ist jedoch der Datenanteil d größer als der Schwellwert n1, so wird er nachfolgend mit dem zweiten Schwellwert n2 (17 Byte) verglichen. Bei Erfüllung der Bedingung in dem zweiten Entscheidungsfeld wird ein zwei­ ter Zugriffsblock b2 ausgewählt. Der zweite Zugriffsblock b2 besitzt eine Länge t2 von 666,6 us und einen Spreizfaktor sf1 von 16 auf. Bei Nichterfüllung der Bedingung wird die Größe des Datenanteils d mit einem dritten beispielhaften Schwell­ wert n3 (34 Byte) verglichen. Ist die Größe des Datenanteils d kleiner oder gleich dem dritten Schwellwert n3, so wird ein dritter Zugriffsblock b3 ausgewählt, der eine Länge t2 von 666,6 us sowie einen Spreizfaktor sf2 von 8 aufweist. Wird die Bedingung in dem dritten Entscheidungsfeld nicht erfüllt, so bedeutet dieses, daß die Größe des Datenanteils d die Länge des Zeitschlitzes ts7 übersteigt. In diesem Fall wird eine standardgemäße Anforderung eines oder mehrerer physika­ lischer Übertragungskanäle K von der Teilnehmerstation MS in­ itiiert.

Claims (9)

1. Verfahren zur Signalübertragung in einem Kanal (RACH) zum willkürlichen Zugriff eines Funk-Kommunikationssystems, das eine TDMA-Teilnehmerseparierung in Zeitschlitzen (ts0 bis ts15) vorsieht, bei dem der Kanal (RACH) von mehreren Teilnehmerstationen (MS) zum willkürlichen Zugriff unkoordiniert genutzt wird, und in ei­ nem Zeitschlitz (ts7) für den Kanal (RACH) mehrere Funkblöcke (b1, b2, b3) mit einem jeweiligen Datenanteil (d) einer be­ stimmten Länge (t1, t2) übertragen werden, wobei die Länge (t1, t2) abhängig von einer Größe des zu übertragenden Daten­ anteils (d) gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Größe des zu übertragenden Datenanteils (d) mit zumindest einem bestimmten Schwellwert (n1, n2, n3) verglichen wird, und abhängig von dem Vergleich ein jeweiliger Funkblock (b1, b2, b3) ausgewählt wird.

3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem für den Fall, daß die Größe des zu übertragenden Datenanteils (d) größer der Länge des Zeitschlitzes (ts7) ist, von der Teilnehmerstation (MS) zumindest ein physikalischer Übertra­ gungskanal (K) angefordert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem abhängig von dem Vergleich zusätzlich ein Spreizfaktor (sf1, sf2) für den Datenanteil (d) gewählt wird, wobei das Funk- Kommunikationssystem zusätzlich eine CDMA-Teilnehmerseparie­ rung mittels Spreizkodes (c) vorsieht.

5. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem den Funkblöcken (b1) mit einer Länge (t1) kleiner der Länge des Zeitschlitzes (ts7) zusätzlich ein Schutzzeitanteil (gp) zugeordnet wird.

6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Datenanteile (d) der Funkblöcke (b1) des Zeitschlitzes (ts7) zueinander zeitlich orthogonal sind.

7. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Datenanteil (d) aus einer Trainingssequenz (ma) und zu­ mindest einem Nutzdatenteil (data) besteht.

8. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Funkblöcke (b1, b2, b3) als Aufforderung zur Zuteilung funktechnischer Ressourcen, als Quittierung, als Meldungen zur Aktualisierung des Aufenthaltsortes von Teilnehmerstatio­ nen (MS), oder zur Übertragung von Datenpaketen gesendet wer­ den.

9. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Kanal (RACH) breitbandig ist und nach einem TDD- oder FDD-Modus eines UMTS-Mobilfunksystems organisiert ist.