DE3337643A1 - Funknetz mit einer vielzahl von mobilen stationen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Funknetz nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In manchen Anwendungen treten Anordnungen von mobilen Funkstationen auf, die folgende Merkmale haben:

• - Betrieb im freien Gelände oder Wald, auf dem Wasser oder in der Nähe von Häusern (evtl. unter Einbeziehung von Gebäuden),
• - Anordnungen von vielen (z. B. 50-100) Funkteilnehmern mit je eigener Mobilstation,
• - Gesamtausdehnung des durch die Teilnehmer gespannten Netzes von typisch 500 m bis 20 km, evtl. auch mehr,
• - keinerlei für die Organisation und Kommunikation des Netzes verantwortliche zentralisierte Funktionen.

Fig. 1 zeigt ein beispielhaftes Funknetz mit den Stationen A, B und C mit unterschiedlicher Zahl von Telefonteilneh­ mern und Datenteilnehmern je Station und einer über Sta­ tion B (als Relais) geführten Verbindung zwischen Telefon 1 der Station A und Telefon N der Station C.

An solche Anordnungen werden bezüglich der Kommunikations­ möglichkeiten Forderungen gestellt, z. B.

• - Verfügbarkeit aller mit Kabeln realisierbaren Kommuni­ kations-Dienste, z. B. Fernsprechen, -schreiben, -kopieren und Datenübertragung mit Leistungsmerkmalen, die denen mit Kabeln entsprechen,
• - Automatisierung der Aufgabenbereiche: Kontaktaufnahme, Einbindung in das Netz, Verwaltung/Rekonfigurierung usw.
• - alternative Übertragungsraten für digitale Nach­ richtenübertragung pro Kanal, z. B. 16/32/64 kbit/s
• - sehr große mögliche Summendatenrate (Verkehrskapazität) des Kanalbündels des gesamten Funknetzes von z. B. 512/ 1024/2048/4096 Mbit/s.
• - Anwendung einer Funk-Übertragungstechnik, die nur zu einer geringen Emission von Signalenergie führt.

Unter den bekannten Systemen kommt das in IEEE Trans. Comm. Vol. COM28, No. 9, Sept. 1980, Seiten 1616 bis 1624 beschriebene dem erfindungsgemäßen Funknetz am nächsten. Dieses als Konzept beschriebene System hat folgende rele­ vante Merkmale:

• - Bündelnde Sende- und Empfangsantennen mit 6/10 Grad Öffnung bezüglich Azimut/Elevation.
• - Übertragung nach dem synchronen Zeitmultiplex-Verfahren. Jeder von 6 bezüglich einer Station möglichen Kanälen wird von ihr (nach einer einmaligen Verbindungsaufbauprozedur) fest für eine Verbindung zu einer von maximal 6 möglichen Nachbarstationen vergeben.
• Zwischen diesen 6 Kanälen kann jede Station vermitteln und darüber auch eigene Daten übertragen. Zwischen zwei Sta­ tionen können bei Bedarf auch zwei oder mehrere Kanäle fest geschaltet werden.
• - Auf den Kanälen werden nach dem asynchronen Zeitmulti­ plex-Verfahren Daten zwischen datenorientierten (rechner­ bestückten) Endgeräten und in geringem Umfang paketierte Sprache übertragen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Funknetz der eingangs genannten Art anzugeben, das von o. g. Forderungen insbe­ sondere den Bereich der Automatisierung aller Organisa­ tionsfunktionen durch völlig dezentrale Verfahren abdeckt.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Die weiteren Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Ausführungen der Erfindung.

Die Erfindung wird im folgenden näher erläutert.

Im Unterschied zu dem in IEEE Trans. Comm. Vol. COM-28, No. 9, Sept. 1980, Seiten 1616 bis 1624 beschriebenen System hat das erfindungsgemäße Funknetz folgende Merk­ male:

• - Einsatz von mobilen Funkgeräten für die digitale Nach­ richtenübertragung unter Nutzung von mm-Wellen,
• - Ausstattung der Stationen mit Relais- und Vermittlungs ­ funktionen, so daß nach Bedarf synchrone transparente Verbindungen nach dem Kanalvermittlungsverfahren zwischen benachbarten Stationen und zwischen Endteilnehmern belie­ biger Stationen auf-/abgebaut werden können.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für ein Funknetz mit 6 Stationen S 1 bis S 6, welche untereinander (z. B. wegen Hindernissen/ Entfernungen) nicht voll vermascht, sondern nur über die Kanäle Li (i = 1 bis 7) verbindbar sind.

• - Vermittlungskapazität jeder Station entsprechend der Summendatenrate eines Rahmens, z. B. 512/1024/2048 kbit/s mit Datenübertragungsraten je Kanal von typisch 16/32/64 kbit/s, d. h. sehr viele Kanäle können pro Station ver­ mittelt werden.
• - In bevorzugter Ausführung Verzicht auf Codemultiplex und Verwendung nur eines systemweit gültigen Codewortes.
• - Der Chiptakt darf in nicht zusammenhängenden Teilnetzen unterschiedlich sein, muß bei der Verbindung der Teilnetze aber angeglichen werden.

Einzelprobleme und deren Lösung Auf- und Abbau von Verbindungen

Die Kommunikation zwischen zwei Stationen durchläuft drei Phasen 1), Verbindungsaufbau 2) Kommunikation und 3) Verbindungsabbau. Die Nachrichtenübertragung während der Phasen 1) und 3) heißt Signalisierung.

Im Funknetz wird Phase 1) entsprechend üblichen Signali­ sierverfahren mit Datagrammen abgewickelt. Für die Phasen 2) und 3) wird die Existenz einer Kanalverbindung voraus­ gesetzt, über die nach Ablauf von Phase 2) der Verbin­ dungsabbau angestoßen wird.

Vermittlungs- und Übertragungstechnik

Information wird über Nachrichtenkanäle übertragen. Dazu muß ein geeignet gewähltes Funkfrequenzband nach festen Regeln benutzt werden. Drei Verfahren sind gebräuchlich und werden nebeneinander angewandt:

• - synchrones Zeitmultiplex (STDM, synchronous time divi­ sion multiplex)
• - Frequenzmultiplex (FDM, frequency division multiplex)
• - Codemultiplex (CDM, code division multiplex).

Für die Informationsübertragung über nach einem dieser Verfahren gebildete Kanäle bestehen zwei Möglichkeiten:

• - Kanalvermittlung (Nutzung von Übertragungs-Kapazität auf der Basis von verbindungsorientierten transparenten Kanä­ len),
• - Paketvermittlung (ATDM, asynchronous time division multiplex). Nutzung der Übertragungskapazität einer kanal­ vermittelten Verbindung im asynchronen Zeitmultiplex-Ver­ fahren für mehrere verschiedene (virtuelle) Verbindungen, vergleiche CCITT/X. 25 und IEEE Projekt 802.

Beide Verfahren setzen, entsprechend der Zahl zu vermit­ telnder Kanäle und ihrer Datenübertragungsrate, Vermitt­ lungsfunktionen als Teil der Stationen voraus. Die Ver­ mittlungsleistung muß der Summen-Bitrate aller gleich­ zeitigen Kanäle entsprechen.

Kanalvermittlung Anwendung des synchronen Zeitmultiplex-Verfahren im Netz

Die synchrone Übertragung über ein Netz setzt Synchronis­ mus aller Stationen voraus. Um nicht ständig Synchroni­ sations-Information übertragen zu müssen, werden quarz­ stabilisierte, periodisch über Funk synchronisierte Sta­ tionen eingesetzt.

Das erfindungsgemäße Funknetz verwendet Übertragungsraten von 16/32 kbit/s laut Empfehlung EUROCOM D/1 bzw. 64 kbit/s gemäß den CCITT-Empfehlungen G. 700ff für PCM- Sprachübertragung. Dabei wird von Kanälen mit 64 kbit/s Datenrate ausgegangen und die Unterteilung jedes Kanals im Zeitmultiplex in n Unterkanäle (n = 2, 4) mit kleineren Datenraten zugelassen. Eine andere mögliche Variante geht von 16 kbit/s Datenrate aus und bildet Kanäle höherer Raten durch Zusammenfassen von n benachbarten Zeitschlit­ zen.

Anwendung des Frequenz-Multiplex-Verfahrens im Netz

Das FDM-Verfahren unterteilt ein gegebenes Frequenzband in mehrere Bänder und erlaubt pro Band die Übertragung von einem oder mehreren Kanälen.

Im erfindungsgemäßen Funknetz wird ein Frequenzband nach dem STDM-Verfahren genutzt und in einer Variante ein zweites Frequenzband zur Übertragung eines Organisations­ kanals. Beide Bänder werden in der Regel durch das selbe Codewort gespreizt.

Anwendung des Codemultiplex-Verfahren im Netz

Beim CDM-Verfahren wird die Nachricht einem Träger auf­ moduliert und das sich ergebende, im Vergleich zur Kanal­ bandbreite B des Systems schmalbandige Signal durch Modu­ lation mit Hilfe eines den Kanal kennzeichnenden Codewor­ tes auf die Kanalbandbreite B spektral gespreizt. Dabei ist die Taktfrequenz des Codewortes groß gegenüber der Bandbreite B des Nachrichtenkanals. Man spricht anstelle vom Codetakt auch vom Chiptakt, um ihn vom Takt der Nutz­ bits unterscheiden zu können.

Durch Verwendung unterschiedlicher, geeignet ausgewählter Codeworte können entsprechend viele Übertragungskanäle in der Kanalbandbreite B untergebracht werden (Codemulti­ plex).

Da es unter Umständen sehr viele Codeworte ( = Kanäle) gibt, ist es für eine neu zum Netz stoßende Station S 2 schwierig, sich bemerkbar zu machen. Dafür ist es erfor­ derlich, daß eine schon vorhandene Station S 1, die außer­ dem in Empfangsreichweite von S 2 ist, gerade das von S 2 benutzte Codewort ausprobiert. Offensichtlich ist es dann zweckmäßig, für die Anmeldung ein Codewort zu reservieren und alle Stationen zu verpflichten, sich ständig um Aqui­ sition des Synchronismus dieses Codewortes zu bemühen. Auch für bereits dem Netz angehörige Stationen ist es zeitaufwendig, mit anderen Stationen Verbindungen herzu­ stellen, denn die Zielstation (bzw. ein Relais auf der Route dorthin) muß sich auf das ausgestrahlte Codewort synchronisieren, was bei großer Zahl von Codeworten sehr zeitaufwendig sein kann.

Deshalb wird in einer bevorzugten Ausführung des erfin­ dungsgemäßen Funknetzes auf Codemultiplex verzichtet und Codespreizung mit nur einem Codewort angewandt.

Jede Station sendet nur in dem ihr zugewiesenen Zeit­ schlitz, während empfangende Stationen aus Gründen der Synchronisation nach Möglichkeit ständig mithören, aber nur in ihrem Empfangszeitschlitz das Nachrichten-Nutzsi­ gnal auswerten. Da es zu jeder Zeit nur ein gültiges Codewort im System gibt, reicht pro Station ein Paar von Modulatoren bzw. Demodulatoren aus.

Anwendung des Paketvermittlungs-Verfahrens im Netz

Das asynchrone Zeitmultiplex-Verfahren ATDM hat sich in vielen Anwendungen bei Funknetzen bewährt. Typisch ist, daß die gesamte im Übertragungskanal verfügbare Bitrate jeder Verbindung für eng begrenzte Dauer zur Verfügung steht, so daß die Übertragungsdauer einer festen Daten­ menge deutlich kürzer ist, als bei FDM- oder STDM-Systemen mit gleicher gesamter Datenübertragungsrate. Innerhalb von Paketen herrscht Bitsynchronismus.

Anstelle von kanalorientierten (geschalteten) Verbindungen zwischen Nachrichtenquelle und -senke, wie bei STDM bzw. FDM, werden bei ATDM meistens virtuelle Verbindungen benutzt, die nur jeweils für die Dauer der Übertragung auf physikalische Übertragungskapazität zugreifen. Eine ATDM- Variante kommt auch ohne virtuelle Verbindungen aus und verwendet stattdessen Datagramme. Im erfindungsgemäßen System wird die Möglichkeit genutzt, in jedem nach dem STDM- oder FDM-Verfahren gewonnenen Kanal auch nach dem ATDM-Verfahren zu übertragen.

Kennzeichnend für das erfindungsgemäße System ist unter anderem, daß die Signalisierung und das Netzmanagement nach dem ATDM-Verfahren abgewickelt werden, während die Nachrichtenübertragung kanalvermittelt abläuft.

Synchronisation von an einer Verbindung beteiligten Sta­ tionen a) Rahmen- und Zeitschlitztakt

Rahmen und Zeitschlitze besitzen je eine Synchronisations- Präambel. Der Rahmentakt wird von einer an einer aufzu­ bauenden Verbindung beteiligten Station an die anderen übermittelt. Verfügt keine der beteiligten Stationen über den Rahmentakt, dann sucht die rufende Station eine Sta­ tion, welche über den Rahmentakt verfügt. Keine Station darf den Rahmentakt neu definieren, solange bereits eine Verbindung besteht. Denn alle bestehenden Verbindungen würden dadurch gestört. Eine solche Neudefinition ist dann nötig, wenn keine Verbindung besteht und kann von jeder beliebigen Station selbständig erfolgen.

b) Chiptakt

Solange Stationen eine Nachbarstation empfangen, besitzen sie den Chiptakt. Andernfalls darf jede Station den Chip­ takt selbst erzeugen.

Kommunikation ohne Chipsynchronismus

Anstelle der ständigen Übertragung des Chiptaktes zur Synchronisation aller Stationen darf gemäß der Erfindung jede Station beim Verbindungsaufbau in Senderichtung einen selbst erzeugten Chiptakt verwenden, falls keine weitere Verbindung bei der Station besteht. Dies führt zur Bildung von Teilnetzen, welche unterschiedlichen, nur annähernd gleichen Takt haben, vergleiche Fig. 3.

Stationen mit bestehender Verbindung gemäß Takt T 1 können Verbindungen zu anderen Stationen aufbauen, die ebenfalls bestehende Verbindungen aber gemäß Takt T 2 unterhalten. Stationen sind fähig, in einem Zeitschlitz mit Takt T 1 und Phase P 1 und in einem anderen beliebigen Zeitschlitz mit Takt T 2 und Phase P 2 zu senden und zu empfangen.

Vorausgesetzt, die Takte sind nicht zu verschieden, kann innerhalb weniger Rahmendauern der Takt durch allmähliches oder sprungartiges Verschieben angeglichen werden, so daß nur Takt T 1 überlebt. Die Station mit dem ursprünglichen Takt T 2 muß auch ihre übrigen Verbindungen auf den Takt T 1 ziehen.

Die beschriebene Verfahrensweise erfordert pro Station zwei Einrichtungen, welche Taktdifferenzen zwischen dem eigenen Taktnormal sowie den Takten T 1 und T 2 festzuhalten erlauben. Eine weitere Verbindung mit möglicherweise drittem Takt T 3 wird erst akzeptiert, wenn die Takte T 1 und T 2 angeglichen sind. Außerdem muß je Zeitschlitz eine eigene Phase des Codewortes berücksichtigt werden können.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für Teilnetze mit unterschied­ lichem Chiptakt. Es ist unterstellt, daß zwei Stations­ paare S 6 und S 7 bzw. S 3 und S 5 Verbindungen mit den Takten T 1 bzw. T 2 unterhalten. Der Takt wird erst dann verein­ heitlicht, wenn die Stationen 7 und 5 eine Verbindung aufbauen.

Gesamter Ablauf

Folgender Ablauf ist vorausgesetzt, bis eine Kommunika­ tionsbeziehung mit Chipsynchronismus etabliert ist:

• - Über einen getrennten (evtl. offenen) Kanal wurde den betroffenen Stationen die Zeitschlitzlage des zugewiesenen Kanals mitgeteilt,
• - im festgelegten Zeitschlitz senden beide Stationen (vdx-Kanal angenommen) entsprechend der Phasenlage ihres eigenen PN-Generators unter Verwendung desselben Codewor­ tes und aquirieren den Chipsynchronismus.
• - Nach einer festen Zeit beginnt die Signalisierung bezüg­ lich der Verbindung, unter Annahme der erfolgreichen Synchronisation. Der Kanal wird ständig durch Tracking auf Chipsynchronismus gehalten.

Claims (3)

1. Funknetz, bevorzugt im mm-Wellen Frequenzbereich, mit Mobilstationen, welche je gleichzeitig einen oder mehrere eigene Endteilnehmer nach dem synchronen Zeitmultiplex- Verfahren über digital und codegespreizt übertragende, verbindungsorientiert geschaltete transparente Funkkanäle mit Endteilnehmern anderer Mobilstationen verbinden kön­ nen, wobei

• - jede Mobilstation als Vermittlung (Relais) zwischen paarweise kommunizierenden Mobilstationen fungieren kann
• - jede Mobilstation gleichzeitig die Funktionen Mobil­ station und Relais erfüllen kann und dabei die Kommuni­ kation mehrerer eigener dabei die Kommunikation mehrerer eigener Endgeräte mit Endgeräten anderer Mobilstationen und die Vermittlung einer großen Zahl von Zeitmultiplex- Kanälen benachbarter Mobilstationen wahrnehmen kann,
• - bündelnde Sende- und bündelnde oder omnidirektionale Empfangs-Antennen zur Nachrichtenübertragung zwischen Mobilstationen zusammen mit einer stationslokalen Steue­ rung verwendet werden,
• - die Organisation aller Kommunikations- und Verwaltungs­ funktionen durch die Mobilstationen völlig dezentral vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mobil­ station beim Verbindungsaufbau in Senderichtung einen selbst erzeugten Chiptakt verwendet, falls keine weitere Verbindung bei der Mobilstation besteht, wobei Teilnetze gebildet werden, welche unterschiedlichen, nur annähernd gleichen Chiptakt haben.

2. Funknetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mobilstationen mit bestehender Verbindung gemäß einem Chiptakt T 1 Verbindungen zu anderen Mobilstationen auf­ bauen, die ebenfalls bestehende Verbindungen aber gemäß einem Chiptakt T 2 unterhalten, und daß die Mobilstationen fähig sind, in einem Zeitschlitz mit Chiptakt T 1 und Phase P 1 und in einem anderen beliebigen Zeitschlitz mit Chip­ takt T 2 und Phase P 2 zu senden und zu empfangen.

3. Funknetz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Chiptakt durch Mobilstationen, die gleichzeitig meh­ rere Chiptakte T 1 und T 2 bzw. unterschiedliche Chip-Phasen verwalten, innerhalb weniger Rahmendauern durch allmähli­ che oder sprungartige Korrektur angeglichen wird, so daß nur der Chiptakt T 1 überlebt, wonach auch Mobilstationen mit ursprünglich anderem Chiptakt ihre übrigen Verbin­ dungen auf den Chiptakt T 1 ziehen.