DE3337647C1 - Funknetz mit einer Vielzahl von mobilen Stationen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Funknetz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 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) Mobilstationen mit je meist mehreren Endteilnehmern,
• - Gesamtausdehnung des durch die Teilnehmer gespannten Netzes von typisch 500 m bis 20 km, evtl. auch mehr.

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

An solche Anordnungen werden bzgl. der Kommunikationsmög­ lichkeiten Forderungen gestellt, z. B.

• - Verfügbarkeit aller mit Kabeln realisierbaren Kommunika­ tions-Dienste, z. B. Fernsprechen/-schreiben/-kopieren und Datenübertragung mit Leistungsmerkmalen, die denen mit Kabeln entsprechen,
• - modulare Ausbaufähigkeit bzgl. der Übertragungskapazi­ tät,
• - digitale Nachrichtenübertragung mit alternativen Über­ tragungsraten pro Kanal, z. B. 16/32/64 kbit/s,
• - sehr große mögliche Summendatenrate (Verkehrskapazität) des Kanalbündels des gesamten Funknetzes von z. B. 2.048/4.096/. . .Mbit/s,
• - Anwendung einer Funk-Übertragungstechnik, die nur zu einer geringen Emission von Signalenergie führt.

Bekannte Systeme

Unter den bekannten Systemen kommt das in IEEE Trans. Comm. Vol. COM-28, No. 9, Sept. 1980, Seiten 1616-1624 beschriebene dem erfindungsgemäßen System am nächsten. Andere relevante Systeme sind in Proceedings of NAECON 1981, IEEE 0547-3578/81/0000-0332, Seiten 332-337 und IEEE Trans. Comm. Vol. COM-27, No. 12, Dez. 1979, Seiten 1938-1945 beschrieben. Das in IEEE Trans. Comm. Vol. COM-28, No. 9, Sept. 1980, Seiten 1616-1624 als Konzept vorgestellte System hat folgende Merkmale:

• - Übertragung nach dem synchronen Zeitmultiplex-Verfahren, wobei ein netzweit gültiger Rahmen ca. 65 ms dauert und in 6 Zeitschlitze (Kanäle) zu je 10 ms Dauer unterteilt ist. Jeder Kanal wird von jeder Station (nach einer Verbindungsaufbauprozedur) fest für die Verbindung zu einer von maximal 6 möglichen Nachbarstationen verwen­ det. Zwischen diesen 6 Kanälen kann jede Station vermit­ teln und auch eigene Daten übertragen. Zwischen zwei Stationen können auch bei Bedarf zwei oder mehr Kanäle fest geschaltet werden.
• - Der maximal mögliche Stationsdurchsatz beträgt 100 kbit/s. Bei Bedarf nach mehr Kommunikationskapazität an einem Ort werden dort mehrere gleichartige Stationen aufgestellt.
• - Jedes Stationspaar kommuniziert miteinander unter Nu­ tzung eines für diese Verbindung individuellen Codewor­ tes. Eine über Relais geführte Verbindung benutzt ab­ schnittsweise verschiedene Codeworte, aber dasselbe Frequenzband. Das System verwendet also Codemultiplex.

Das in Proceedings of NAECON 1981, IEEE 0547-3578/81/0000- 0332, Seiten 332-337 und IEEE Trans. Comm. Vol. COM-27, No. 12, Dez. 1979, Seiten 1938-1945 beschriebene System JTIDS ist für störunempfindliche, sichere Nachrichtenüber­ tragung zwischen in Sichtabstand oder mit Relais über­ brückbarer Entfernung befindlichen Stationen taktischer Gruppierungen vorgesehen und existiert in mehreren Vari­ anten, die sich bzgl. des angewandten Zeitmultiplexver­ fahrens unterscheiden. Alle Varianten haben folgende Gemeinsamkeiten: Pulsbreite, Trägermodulation, Datenmodu­ lation, Daten- bzw. Zeichencodierung, Übertragung nach dem Frequenz-Spreiz- und -Sprung-Verfahren.

Ein Puls enthält 5 bit Information, ist 6,4 µs lang und wird mit einem PN-Code mit 32 Chips zu je 200 ns Dauer spektral gespreizt. Für jeden zu übertragenden Puls wird zufälig eine der möglichen Frequenzen im Bereich von 960-1215 MHz ausgewählt.

Wegen des angewandten Codemultiplex-Verfahrens sind gleichzeitig 15-20 Netze möglich. Je Netz sind maximal 128 digitale Simplexkanäle zu je z. B. 32 kbit/s möglich.

In der Grundversion von JTIDS wird das synchrone Zeit­ multiplex-Verfahren angewandt. Eine Slot dauert 7.8 ms und enthält 450 bit Nutzdaten. Slots werden zu sog. Epochen gruppiert, wobei eine Epoche 12.8 min dauert und 98304 Slots hat. Alle Stationen besitzen mindestens eine Slot pro Epoche, d. h. sie besitzen ständig exklusiv mindestens einen dieser Slot entsprechenden schmalbandigen Kanal, in dem sie ihre Daten abstrahlen.

Alle nicht sendenden Stationen sind ständig auf Empfang geschaltet, so daß sie alle Sendungen anderer Stationen verfolgen und lesen können. Anstelle der möglichen 98304 Schmalbandkanäle gibt es u. U. weniger, aber entsprechend breitere Kanäle, die durch Zusammenfassen mehrerer benach­ barter Slots pro Periode entstehen.

Eine Epoche ist unterteilt in 64 Rahmen zu je 12 s Dauer. Jeder Rahmen hat 1536 Slots. Rahmen bestimmen die System­ synchronisation. Das Nachrichtenformat ist derart, daß eine Nachricht genau in eine Slot paßt.

In einer Variante DTDMA von JTIDS besteht eine Epoche aus 78125 Zeichenintervallen (je 12.8 µs). Jedes Intervall ist prinzipiell frei vergebbar, wobei Teilnetze mit periodi­ schen Intervallen möglich sind. Das Verfahren erlaubt eine flexiblere Vergabe der Übertragungskapazität, erfordert aber auch deren ständige Verplanung.

In einer zweiten Variante ATDMA (advanced TDMA) von JTIDS ist es möglich, variabel lange Nachrichten durch Gruppie­ rung von Slots zusammenhängend zu übertragen. Das System erlaubt nebeneinander synchronen und asynchronen Verkehr.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Funknetz der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchem die Übertragungskapa­ zität modularisiert werden kann. Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Die weiteren Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Ausführungen der Erfindung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Im Unterschied zu den oben beschriebenen bekannten Syste­ men hat das erfindungsgemäße Funknetz folgende Merkmale:

• - Mobile Funkgeräte für die digitale Nachrichtenübertra­ gung unter Nutzung von mm-Wellen;
• - Codespreizung des zu übertragenden Signals systemweit in der Regel nur mit einem Codewort;
• - Ausstattung der Mobilstationen mit Vermittlungsfunktion, so daß nach Bedarf synchrone transparente Verbindungen nach dem Kanalvermittlungsverfahren zwischen Endteil­ nehmern auf-/abgebaut werden können, so daß z. B. ein Netz mit möglichen Verbindungen gemäß Fig. 2 entsteht; Fig. 2 zeigt ein Beispiel für ein Funknetz mit 6 Sta­ tionen S1 bis S6, welche untereinander (z. B. wegen Hindernissen/Entfernungen) nicht voll vermascht, sondern nur über die Kanäle Li (i = 1. . .7) verbindbar sind.
• - Übertragung nach dem Zeitmultiplex-Verfahren über trans­ parente semi- bzw. vollduplex Kanäle, welche für syn­ chrone (Kanaldurchschaltung) und asynchrone (Paketver­ mittlung) digitale Übertragung geeignet sind mit Daten­ übertragungsraten, die an die Eigenschaften der Verkehre angepaßt sind, z. B. 16/32/64 kbit/s pro Kanal;
• - Vermittlungskapazität jeder Station entsprechend der Summendatenrate eines Rahmens, z. B. 512/1024/2048 kbit/s;
• - Existenz evtl. mehrerer zueinander synchroner Rahmen in verschiedenen Frequenzbändern;
• - Schnittstellen an jeder Station für mehrere Fernsprecher und Datenendgeräte;
• - Schnittstelle an jeder Station bzgl. des Fernmelde-Lei­ tungsnetzes mit Gateway-Funktion in der Station;
• - Schichtung der Kommunikations- und Organisations-Proto­ kolle gemäß dem ISO-Architekturmodell, vgl. Computer Networks 5 (1981), Seiten 77-80.

Einzelprobleme und deren Lösung Vermittlungs- und Übertragungstechnik

Information wird über Nachrichtenkanäle übertragen. Dazu muß ein geeignet gewähltes Funkfrequenzband nach festen Regeln genutzt werden. Drei Varianten 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 gebildeten Kanäle bestehen zwei Möglichkeiten:

• - Kanalvermittlung (Nutzung von Übertragungs-Kapazität) auf der Basis von verbindungsorientierten transparenten Kanälen),
• - Paketvermittlung (ATDM, asynchronous time division multiplex). Nutzung der Übertragungs-Kapazität einer kanalvermittelten Verbindung im asynchronen Zeitmulti­ plex-Verfahren für mehrere verschiedene (virtuelle) Verbindungen, vgl. CCITT/X.25 und IEEE Projekt 802.

Anwendung des synchronen Zeitmultiplex-Verfahren im Netz

Die synchrone Übertragung über ein Netz setzt Synchronis­ mus aller Stationen voraus. Um nicht ständig Synchronisa­ tions-Information übertragen zu müssen, werden quarzsta­ bilisierte, periodisch über Funk synchronisierte Stationen 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-Sprachüber­ tragung. Dabei wird von Kanälen mit 64 kbit/s Datenrate ausgegangen und die Unterteilung jedes Kanals im Zeitmul­ tiplex 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 Zeitschlitzen.

Aus Effizienzgründen wird die Nachrichtenlänge eines Zeitschlitzes mit 1064 bit deutlich größer gewählt, als bei einer PCM-Primärgruppe (8 bit). Ein Kanal wird durch in aufeinander folgenden Rahmen periodisch auftretende Zeit­ schlitze (slots) gebildet.

Bei 32 Kanälen/Rahmen zu je 64 kbit/s beträgt bei 1064 bit/slot die Rahmenperiode 1/60 s. Fig. 3 zeigt Details eines solchen Rahmens.

Demnach sind ein Rahmenkennungswort und zwischen den Zeitschlitzen Schutzzeiten vorgesehen. Die Nachricht innerhalb jedes Zeitschlitzes wird von einer Synchronisa­ tionspräambel und Organisationsdaten, u. a. einem Kennungs­ bit für den Zustand "Kanal belegt/frei", eingeleitet. Die Summenbitrate aller Kanäle zusammen beträgt 2.048 Mbit/s und entspricht der von 32 PCM-Kanälen zu je 64 kbit/s.

Verbindungen über Relais

In jedem Zeitschlitz eines Rahmens darf stets nur genau eine Station senden. Jede über ein Relais laufende Verbin­ dung benötigt pro Teilabschnitt einen individuellen Kanal, vgl. Fig. 4.

Die Figur zeigt ein Beispiel für die synchrone Kommunika­ tion zwischen Quelle und Senke über zwei Relais R1, R2. Ein Kanal X benötigt auf den drei Teilabschnitten drei verschiedene Zeitschlitze.

Modularität bzgl. Kommunikations-Kapazität

Ein modularer Ausbau des Systems, beginnend bei einem Netz mit relativ geringer Kanalzahl, aber Ausbaufähigkeit auch für sehr viele Kanäle, ist bei Anwendung des STDM-Verfah­ rens möglich durch geeignete Wahl der Zahl von Kanälen je Rahmen und der Zahl gleichzeitig verfügbarer Rahmen pro Funknetz. Mehrere STDM-Rahmen nebeneinander können wahl­ weise durch Frequenz- oder Codemultiplex verfügbar gemacht werden.

Im erfindungsgemäßen Funknetz wird die Kommunikationskapa­ zität durch wählbare Zahl von benutzten Frequenzbändern, die alle mit demselben Codewort gespreizt sind und je einen gleich strukturierten Rahmen übertragen können, modularisiert.

Dabei sind die Rahmen verschiedener Frequenzbänder zu­ einander völlig synchron. Nachfolgend wird von einem Teilbündel gesprochen und damit werden die in einem sol­ chen Rahmen in einem Frequenzband verfügbaren Kanäle gemeint, vgl. Fig. 5.

Da die Mobilstationen halbduplex ausgeführt sind, können sie maximal so viele Kanäle gleichzeitig betreiben, wie ein Rahmen enthält, jedoch können die Kanäle verschiedenen Teilbündeln angehören.

Durch Erhöhung der Zahl der Teilbündel eines Netzes wird also nicht die Zahl von einer Station erreichbarer Kanäle vergrößert, sondern nur die Kanalzahl des Gesamtbündels. Ein vergrößertes Gesamtbündel erhöht die Zahl gleichzeitig möglicher Verbindungen.

a) Modulare Kommunikationskapazität durch variable Kanal­ zahl pro Rahmen bei unveränderter Bandbreite des Funkkanals

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Zahl der Kanäle pro Rahmen, die in Fig. 3 beispielhaft mit 32 angegeben ist, durch Programmierung der Mobilstationen veränderbar zu machen. Eine solche Programmierung kann z. B. bei der manuellen Vorbereitung der Station für die Teilnahme an einem bestehenden Netz mit Hilfe eines steck­ baren ROM-Speichers erfolgen.

Die Beeinflussung der Kommunikationskapazität des Systems - und damit jeder Station - erfolgt unter Beibehaltung der Bandbreite der durch die Funkteile der Stationen definier­ ten FDM-Kanäle durch Veränderung der Datenübertragungsrate innerhalb des in einem Band übertragenen Rahmens: Bei unveränderter Rahmenperiodendauer wird beispielsweise die Bitrate auf 512 kbit/s geviertelt, so daß anstelle von 32 Kanälen nur noch 8 Kanäle verfügbar sind. Ebenso ist auch eine Vervielfachung der Kanalzahl von 32 auf z. B. 64 oder 128 Kanäle denkbar.

Diese Flexibilität ist bei unverändertem Codespreizverfah­ ren vorgesehen und führt dazu, daß der Empfang bei ver­ kleinerter Datenübertragungsrate unempfindlicher gegen durch Umwege bedingte Signal-Laufzeitunterschiede wird. Das Mobilfunknetz hat also durch Verkleinerung der Rahmen-Datenrate die Möglichkeit, sich nicht nur auf die erforderliche Kommunikationskapazität des Teilnehmerkrei­ ses, sondern auch auf die übertragungsbedingte Störsitua­ tion des Funkfeldes einzustellen.

b) Modulare Kommunikationskapazität durch variable Kanal­ zahl und entsprechend angepaßte Basisbandbreite für die Nachrichtenübertragung

In Erweiterung der unter a) beschriebenen Ausführungsform wird durch Programmierung der Stationen die Möglichkeit geschaffen, die Basisbandbreite des Sende- und Empfangs­ signals der zu übertragenden Datenrate anzupassen. Bei unveränderter Chiprate des Codespreizverfahrens kann dadurch, bei Reduktion der Übertragungsrate, neben erhöh­ ter Unempfindlichkeit gegen Mehrwegeausbreitung der Verar­ beitungsgewinn im Empfänger gesteigert und damit ein besseres Signal-zu-Rauschverhältnis erzielt werden.

Das erfindungsgemäße System unterscheidet zwischen drei Varianten:
Variante 1: Verzicht auf Codemultiplex, d. h. Verwendung nur eines Codewortes zur Spreizung aller benutzten Bänder.
Variante 2: Verwendung je eines Codewortes je Band.
Variante 3: Verwendung je eines Codewortes pro Verbindung, von der Quellstation bis zur Zielstation, evtl. über Relais.

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-Nutzsig­ nal auswerten.

Claims (6)

1. Funknetz mit folgenden Merkmalen:

• - das Funknetz wird im mm-Wellen Frequenzbereich betrie­ ben, wobei halbduplex-fähige Mobilstationen je einen oder mehrere eigene Endteilnehmer über Funkkanäle mit anderen Endteilnehmern verbinden können;
• - jede Mobilstation ist fähig, als Vermittlung (Relais) zwischen vielen paarweise kommunizierenden benachbarten Mobilstationen zu fungieren, wobei diese nicht selbst Quelle oder Senke der übertragenen Information sein müssen;
• - jede Mobilstation kann in ihrer gleichzeitig erfüllbaren Funktion als Station und Relais die Kommunikation meh­ rerer eigener synchron oder asynchron übertragender Endgeräte mit entsprechenden Endgeräten anderer Mobil­ stationen über transparente Zeitmultiplexkanäle für die digitale Übertragung von Sprache, Fernschreiben, Fern­ kopien, Daten usw. verfügbar machen und die Vermittlung einer großen Zahl von Kanälen benachbarter Mobilstatio­ nen wahrnehmen;
• - alle Kommunikationsbeziehungen laufen entweder verbin­ dungsorientiert ab, so daß in Funkreichweite befindliche benachbarte Mobilstationen einen Übertragungskanal nur für die Dauer einer Kommunikationsbeziehung aufrecht erhalten, oder Verbindungen werden nicht ständig für jede Kommunikationsbeziehung auf- und abgebaut, sondern bleiben nach ihrer Einrichtung zwischen den Stationen bestehen und werden nach Bedarf genutzt (fest geschalte­ tes Netz);

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - jeder ein Teilbündel erzeugende Zeitmultiplex-Rahmen wird in einem eigenen Frequenzband übertragen;
• - alle auch über unterschiedliche im Netz benutzte Fre­ quenzbänder übertragenen Nachrichten werden mit demsel­ ben Codewort spektral gespreizt;
• - Kanäle unterschiedlicher, zeitlich parallel existieren­ der und dabei Teilbündel bildender Rahmen überlappen sich zeitlich, entsprechend ihrer Platzadresse im jewei­ ligen Rahmen, so daß von jeder Mobilstation zu jeder Zeit nur ein Kanal aus einem der Teilbündel genutzt werden kann;
• - alle Kanäle auch unterschiedlicher Frequenzbänder sind aus der Sicht jeder Mobilstation Teil eines Gesamtbün­ dels;
• - die Vermittlung innerhalb jeder Mobilstation erfolgt aus einem Zeitschlitz (Kanal) eines systemweit auch bzgl. der Teilbündel synchronen Rahmens in einen zeitlich später liegenden Zeitschlitz (Kanal) desselben oder des nachfolgenden Rahmens desselben oder eines anderen Teilbündels.

2. Funknetz nach Anspruch 1 mit Benutzung unterschiedli­ cher Codeworte, so daß ein Codemultiplex-System entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß Codeworte Verbindungen zwi­ schen Endgeräten, evtl. über Relais, zugeordnet sind.

3. Funknetz nach Anspruch 1 mit Benutzung unterschiedli­ cher Codeworte, so daß ein Codemultiplex-System entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß Codeworte einzelnen Rahmen (Teilbündeln) und damit individuellen Frequenzbändern zugewiesen sind.

4. Funknetz nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei unveränderter Chiprate des Code­ spreizverfahrens die Kanalzahl pro Zeitmultiplex-Rahmen durch Programmierung der Mobilstationen festlegbar ist bei unveränderter Basisbandbreite des Funkkanals und unverän­ dertem Codespreizverfahren, wobei die Datenübertragungs­ rate der einzelnen Kanäle des Rahmens unverändert bleibt, sich also nur die Summen-Datenübertragungsrate des Rahmens ändert.

5. Funknetz nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei unveränderter Chiprate des Code­ spreizverfahrens die Kanalzahl und gleichzeitig die Basis­ bandbreite des Funkkanals für die Nachrichtenübertragung durch Programmierung der Mobilstationen festlegbar ist.

6. Funknetz nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mobilstationen mittels steckbarer ROM-Spei­ cher programmierbar sind.