DE3908940A1 - Funksystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Funksystem mit einer Mehrzahl von Sende-Empfangs-Stationen und einer vorgegebenen Anzahl von Verkehrskanälen, auf denen die Stationen miteinander kommunizieren.

Bei einem derartigen Funksystem ist die Übertragungskapa­ zität dadurch begrenzt, daß eine bestehende Funkverbindung auch auf die Kanalverfügbarkeit benachbarter, nicht an der Funkverbindung beteiligter Stationen einwirkt und diese beim Aufbau einer neuen Funkverbindung nur eine einge­ schränkte Kanalauswahl haben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Funksy­ stem der einleitend genannten Art mit hoher Kanalökonomie anzugeben.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausführungen und Wei­ terbildungen der Erfindung.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch einge­ hend veranschaulicht.

Zugrundgegelegt wird ein Funksystem mit einer Mehrzahl von Sende-Empfangs-Stationen, die räumlich getrennt sind. Ein Beispiel ist in Fig. 1 mit den acht Stationen A bis H skizziert. Die Reichweite einer Funkverbindung ist kleiner als die Ausdehnungen des Gebiets, über welches die Statio­ nen verteilt sind. Dies bewirkt, daß nicht jede Station jede andere Station direkt erreichen kann. Jede Station kann jedoch mindestens eine weitere Station erreichen. Die möglichen Direktverbindungen sind als durchgezogene gerade Linien zwischen je zwei Stationen eingetragen und spannen das Funknetz auf. Beispielsweise kann die Station H die drei Stationen C, D und G über eine direkte Funkverbindung erreichen. Die von einer Station direkt erreichbaren Sta­ tionen seien im folgenden als benachbart bzw. als Nachbar bezeichnet. Die Distanz zwischen zwei benachbarten Statio­ nen sei als ein Hop bezeichnet. Die Station H kann keine direkte Funkverbindung zu den Stationen A, B, E und F auf­ bauen, weil diese mehr als 1 Hop, im Beispielsfall jeweils 2 Hop entfernt sind. Diese Stationen sind also keine Nach­ barn zu H. Eine Funkverbindung zu einer mehr als 1 Hop entfernten Station erfordert die Zwischenschaltung von Re­ laisstationen. Für eine Verbindung zwischen H und A wäre beispielsweise die Station C als Relaisstation einzuschal­ ten.

Dem Funksystem sei eine gerade Anzahl 2 N von Verkehrskanä­ len und mindestens ein Ruf- und/oder Organisationskanal vorgegeben. Alle Verbindungen werden auf derselben Fre­ quenz abgewickelt und die Verkehrskanäle sind als Zeit­ schlitze innerhalb von aufeinanderfolgenden gleich aufge­ bauten Zeitübertragungsrahmen definiert. Fig. 2 zeigt eine derartige Zeiteinteilung mit aufeinanderfolgenden Zeitrah­ men R _M-1, R _M, R _M+1, . . . , die ihrerseits wiederum eine wie­ derkehrende feste Einteilung in einzelne Zeitintervalle = Kanäle aufweisen. Dabei sind innerhalb eines Rahmens ein Organisationskanal 0, ein Rufkanal W und die Ver­ kehrskanäle K ₁ bis K _2N unterschieden. Die Funkverbindungen werden auf den Verkehrskanälen abgewickelt, wobei jede Funkverbindung ein Kanalpaar beansprucht. Die Ver­ kehrskanäle sind in festen Kanalpaaren P ₁₂=(K ₁, K ₂), P ₃₄ =(K ₃, K ₄), . . . P _(2N-1)2N =(K _2N-1, K _2N ) zusammengefaßt, so daß für eine aufzubauende Verbindung eines dieser festen Kanalpaare auszuwählen ist. Das Zeitraster liegt in allen Stationen synchron vor. Eine Verbindung zwischen zwei Sta­ tionen kann über beliebig viele Rahmen andauern.

Die Sende- und Empfangsantennen der Stationen weisen ein ungerichtetes Diagramm auf, so daß die von einer Station abgestrahlten Signale von allen ihren Nachbarstationen empfangen werden. Andererseits empfängt eine Station die Signale aller sendenden Nachbarn. Das Funknetz sei quasi­ stationär in dem Sinne, daß die Stationen zwar mobil sind, jedoch das Funknetz für den stationären Zustand mit orts­ festen Stationen betrachtet wird. In diesem Falle liegen alle Direktverbindungen des Netzes fest und sind in allen Stationen bekannt, d.h. jede Station kennt sowohl ihre Nachbarn als auch die Möglichkeiten der Relaisverbindungen zu weiter als 1 Hop entfernten Stationen. Eine Station kann innerhalb eines Kanals nur die Signale einer Nachbar­ station auswerten. Beim gleichzeitigen Empfang von mehre­ ren Signalen ist keine Auswertung möglich, d.h. zwei im gleichen Kanal (=gleichzeitig) eintreffende Sendungen stören sich gegenseitig.

Andererseits seien die von einer Station abgestrahlten Si­ gnale am Ort einer 2 Hop oder weiter entfernten Station so schwach, daß sie bei der entfernten Station weder auswert­ bar sind noch den Empfang von Signalen einer Nachbarsta­ tion stören. Die Gesamtheit der Direktverbindungen des Funknetzes kann beispielsweise in Form einer Matrix, die für das in Fig. 1 skizzierte Netz in Fig. 3 dargestellt ist, abgelegt sein, wobei jeder Station genau eine Zeile und eine Spalte zugeordnet ist. Eine Direktverbindung zwischen zwei Stationen ist durch einen Eintrag (1) am zugehörigen Kreuzungspunkt gekennzeichnet.

Durch einen Standortwechsel einer oder mehrer Stationen kann das Netz durch Wegfall und/oder Neuentstehung von Di­ rektverbindungen verändert werden, so daß nach einem Standortwechsel eine Neufestlegung der Matrixeinträge, z.B. in einem Meßzyklus erfolgt. Gleiches gilt für den Fall, daß eine Station das System ganz verläßt oder eine neue Station hinzukommt. Im folgenden ist ein stationärer Zustand vorausgesetzt.

Jede Station kann durch Überprüfen der von ihr selbst ge­ rade nicht benutzten Kanäle, z.B. durch einfache Lei­ stungsmessung im Empfänger den Belegtzustand aller Kanäle feststellen und hält dieses Meßergebnis in einer alle Kanäle K ₁ bis K _2N umfassenden Kanalbelegungsliste fest. Die innerhalb eines Rahmens durch Messung festgestellten Belegungszustände werden als für den nächsten Rahmen gül­ tige Belegungsprognose gewertet. Die Einstufung der Kanäle des von einer Station selbst genutzten Kanalpaares als be­ legt ist trivial.

Bei dem in Fig. 4 skizzierten Beispiel ist eine bestehende Duplex-Funkverbindung zwischen den Stationen H und D ange­ nommen die in abgekürzter Schreibweise als H-D bezeichnet sei, wobei H im Kanal 1 sendet und D im Kanal 2. Die Sen­ dekanäle sind als unterbrochene Linien mit der jeweiligen Kanalnummer in Fig. 4 eingetragen, wobei die Übertragungs­ richtung durch Pfeile festgelegt ist. Die gerichtete Über­ tragung ist im folgenden als Vektor behandelt.

Die von H und D abgestrahlten Signale können auch von nicht an der Funkverbindung beteiligten Nachbarstationen empfangen (mitgehört) werden. Diese unbeabsichtigten Über­ tragungen sind als gerichtete punktierte Linien einge­ tragen und seien im folgenden als Gegenvektoren bezeich­ net. Es gibt zu einer Funkverbindung nur zwei Vektoren, während die Zahl der Gegenvektoren höher liegen kann und von der lokalen Netzstruktur abhängt.

Die Gegenvektoren führen in den Stationen B, C, E und G zu Belegtwertungen für die Kanäle K ₁ und/oder K ₂, was für die Beurteilung geeigneter Kanalpaare für weitere Funkverbin­ dungen im allgemeinen eine Einschränkung nach sich zieht.

Gebräuchlicherweise wird in einem Funksystem ein in einer nicht an der Funkverbindung (z.B. H-D) beteiligten Station als besetzt erkannter Kanal, z.B. K ₂ bei B, als nicht ge­ eignet für den Aufbau einer weiteren Funkverbindung, z.B. B-A eingestuft. Wenn B eine Funkverbindung mit A wünscht, wird B bei der Übermittlung des Verbindungswunsches K ₂ und aufgrund der festen Kanalpaare auch K ₁ nicht als geeignete Kanäle vorschlagen oder anbieten, sondern auf ein anderes Kanalpaar ausweichen. Zur übersichtlicheren Darstellung seien im folgenden einige Beispiele mit linearen Funkket­ ten anstelle eines Netzes betrachtet. Die Verhältnisse sind ohne weiteres auf Funknetze übertragbar.

In Fig. 5 ist eine Funkkette mit Stationen I, II, III, IV und V skizziert. Zwischen den Stationen I und II bestehe eine Funkverbindung auf den Kanälen K ₁ und K ₂. Die mit unterbrochenen Linien eingezeichneten Vektoren seien mit 1(I/II) für die Übertragung von I nach II im Kanal K ₁ und 2(II/I) für die Übertragung von II nach I im Kanal K ₂ be­ nannt, wogegen die der aus dieser Funkverbindung als Mit­ hörmöglichkeit resultierende Gegenvektor der unbeabsich­ tigten Übertragung von II nach III im Kanal K 2 mit 2(III) benannt sei. Aufgrund des Gegenvektors 2(III) wertet die Station III den Kanal K ₂ als belegt und damit üblicher­ weise das Kanalpaar P ₁₂ nicht als geeignet für eine wei­ tere Funkverbindung, z.B. III-IV. Soll beispielsweise eine Funkverbindung I-V über die Stationen II, III und IV als Relaisstationen aufgebaut werden, und vereinbaren die Sta­ tionen I und II das Kanalpaar P ₁₂ für ihre direkte Funk­ verbindung, so ist für den nächsten Verbindungsabschnitt II-III ein anderes Kanalpaar zu wählen, z.B. P ₃₄. In der Station III ist neben dem selbst genutzten Kanalpaar P ₃₄ auch der Kanal K ₂ aufgrund des Gegenvektors 2(III) als be­ legter Kanal eingetragen. Für den nächsten Verbindungs­ schritt III-IV werden daher üblicherweise die Kanalpaare P ₁₂ und P ₃₄ in der Station III als ungeeignet bewertet und für III-IV ein weiteres Kanalpaar, z.B. P ₅₆ ausgewählt. In der Station IV ist neben dem selbst genutzten Kanalpaar P ₅₆ dann aufgrund des Gegenvektors 4(IV) auch der Kanal K ₄ als belegt eingetragen, während die Kanäle K ₁ und K ₂ als frei und somit als geeignet für den letzten Übertragungs­ schritt gelten. Für die Verbindung IV-V kann IV daher wie­ der das Kanalpaar P ₁₂ verwenden. Die Duplex-Verbindung zwischen den Stationen I und V läuft also von I nach V nacheinander über die Kanäle K ₁, K ₃, K ₅ und wieder K ₁ und in Gegenrichtung von V nach I über die Kanäle K ₂, K ₆, K ₄ und K _2. Für die gesamte Verbindung I-V werden drei Kanal­ paare benötigt. Das einmal benutzte Kanalpaar P ₁₂ kann erst nach einer Lücke von 2 Hop wieder benutzt werden. In den Kanalbelegungslisten der einzelnen Stationen finden sich als Belegteintragungen dann

bei I:
K₁, K₂, K₃
bei II:	K₁, K₂, K₃, K₄, K₅
bei III:	K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆
bei IV:	K₁, K₂, K₄, K₅, K₆
Bei V:	K₁, K₂, K₆

Demgegenüber ist in Fig. 6 der Aufbau der entsprechenden Verbindung I-V nach der vorliegenden Erfindung skizziert. Ausgegangen wird wieder vom ersten Verbindungsschritt I-II mit dem Kanalpaar P ₁₂. In der Station II sind beide Kanäle des Kanalpaares P ₁₂ belegt, so daß für den Verbindungs­ schritt II-III auf jeden Fall ein anderes Kanalpaar ge­ wählt werden muß, beispielsweise wiederum P ₃₄. Aufgrund des Gegenvektors 2(III) ist in III neben den selbstgenutz­ ten Kanälen auch der Kanal K ₂ als belegt eingetragen, der Kanal K ₁ hingegen ist bei III noch frei. Es ist also für die Bewertung der Eignung des Kanalpaares P ₁₂ für den nächsten Verbindungsschritt III-IV noch zu prüfen, ob bei der Station IV zumindest der bei III belegte Kanal K ₂ frei ist. Dies ist noch der Fall und das Kanalpaar ist somit für die Verbindung III-IV geeignet mit der Maßgabe, daß der bei III freie Kanal als Empfangskanal der Station III tur die Verbindung zu IV eingesetzt wird und III auf dem bereits als belegt eingetragenen Kanal K ₂ sendet. Da bei IV vor dem Aufbau der Verbindung III-IV beide Kanäle K ₁ und K ₂ frei sind, kann IV die bei III noch zulässige Ka­ naleinteilung problemlos übernehmen und empfängt von III in K ₂ und sendet zu III in K ₁. Für den letzten Verbin­ dungsschritt IV-V ist das Kanalpaar P ₁₂ auf keinen Fall geeignet, da dieses Kanalpaar von IV bereits für III-IV genutzt und daher als in beiden Kanälen belegt zu werten ist. Aufgrund des Gegenvektors 4(IV) ist auch der Kanal K ₄ bei IV als belegt eingetragen, der Kanal K ₃, hingegen ist für IV noch frei. Da bei V der bei IV belegte Kanal K ₄ frei ist, ist für die Verbindung IV-V das Kanalpaar P ₃₄ wieder benutzbar, wenn IV auf dem freien Kanal K ₃ empfängt und auf dem belegten Kanal K ₄ sendet. Die gesamte Verbin­ dung I-V benötigt auf diese Weise nur zwei Kanalpaare. Wie leicht nachzuprüfen ist, wird in keiner Station einer der Verbindungsvektoren durch einen anderen Vektor oder einen Gegenvektor im selben Kanal gestört. Die Übertragung von I nach V erfolgt jetzt über die Kanäle K ₁, K ₃, K ₂, K ₄ und in Gegenrichtung von V nach I über die Kanäle K ₃, K ₁, K ₄, K ₂. Die Kanalpaare P ₁₂ und P ₃₄ können bereits nach einer Lücke von nur 1 Hop wiederverwandt werden. Die Erfindung ermög­ licht somit eine wesentliche effizientere Ausnutzung der verfügbaren Kanalpaare. In der Fig. 6 kann die eingezeich­ nete Kanaleinteilung für ein Kanalpaar als Spiegelung der Vektoren und der Gegenvektoren an einer in die Mitte der Lücke, für P ₁₂ also zwischen II und III gelegten Ebene be­ trachtet und die Wiederverwendung von Kanälen entlang ei­ ner Funkkette auch einfach durch Vektorspiegelung einer bestehenden Verbindung gewonnen werden. Bei Fortsetzung der Funkkette könnte in einem nächsten Schritt das Vektor­ paar 2(III/IV), 1(IV/III) an der nachfolgenden Lücke zwi­ schen IV und V gespiegelt werden woraus für eine (nicht eingezeichnete) Verbindung V-VI ein Vektorpaar 1(V, VI), 2(VI, V) entsteht, d.h. Übertragung von V nach VI auf Ka­ nal K ₁ und von VI nach V auf Kanal K ₂. Eine solche Kette kann also mit nur zwei Kanalpaaren beliebig fortgesetzt werden.

Selbstverständlich wäre für den Verbindungsschritt III-IV in Fig. 6 auch ein anderes Kanalpaar wie z.B. P ₅₆ in Fig. 5 geeignet und könnte für die Verbindung benutzt werden. Da ein Funksystem aber im Allgemeinfall nicht Linienstruk­ tur sondern Netzstruktur aufweist, gehen von den an der Funkkette beteiligten Stationen auch Gegenvektoren seit­ lich weg oder Gegenvektoren von seitlich der Kette liegen­ den weiteren Stationen sind auf die Stationen der Kette gerichtet. Bevorzugterweise wird daher bei Vorliegen meh­ rerer geeigneter Kanalpaare für eine neu aufzubauende Ver­ bindung nach Möglichkeit ein Kanalpaar gewählt, für wel­ ches ein Belegteintrag bei wenigstens einer der beiden an der neu aufzubauenden Verbindung beteiligten Stationen vorliegt. Ein solcher Belegteinträg resultiert für ein ge­ eignetes Kanalpaar aus einem Gegenvektor (Mithören) und die Wahl dieses Kanalpaares bedeutet dann wieder eine Vektorspiegelung wie beschrieben.

Werden die zu der Funkkette nach Fig. 6 angestellten Über­ legungen auf das in Fig. 4 skizzierte Funksystem nach Fig. 4 übertragen, so ergibt sich daß zusätzlich zu der beste­ henden Funkverbindung H-D im Kanalpaar P ₁₂ im selben Ka­ nalpaar noch eine Verbindung A-B oder A-F möglich ist. Soll z.B. zwischen A und B eine neue Verbindung aufgebaut werden, so sind in der in Fig. 4 skizzierten Situation hierfür alle für das Funksystem zur Verfügung stehenden Kanäle geeignet. Das Kanalpaar P ₁₂ wird für die neue Ver­ bindung aber bevorzugt, weil für K ₂ bei B ein Belegtein­ trag vorliegt. Hierdurch bleiben die übrigen Kanalpaare weiter ohne Einschränkung für das gesamte Funksystem ge­ eignet.

Zur Ermittlung geeigneter Kanalpaare sind die Kanalbele­ gungslisten der beiden betroffenen Stationen zu verglei­ chen. Da die Belegungslisten in den einzelnen Stationen durch Messung ermittelt werden, ist eine Übermittlung min­ destens einer Kanalbelegungsliste vor dem Verbindungsauf­ bau erforderlich. Hierfür sind zwei vorteilhafte Versionen a oder b bevorzugt, wobei von der Situation ausgegangen sei, daß eine Station X eine Verbindung mit Station Y auf­ nehmen möchte:

• a) Jede Station hat ihre eigene aktuelle Kanalbele­ gungsliste vorliegen. Station X übermittelt im Rufkanal W einen Verbindungswunsch mit der eigenen Kanalbelegungsliste KBL _X an Station Y. Station Y ermittelt durch Vergleich der übermittelten Liste KBL _X mit der eigenen Kanalbelegungsliste KBL _Y die geeigneten Kanalpaare. Y kann daraufhin das Er­ mittlungsergebnis an A übertragen und von A ein Kanalpaar auswählen lassen, kann aber auch gleich selbst eines der geeigneten Kanalpaare, vorzugs­ weise eines mit einem Belegteintrag, auswählen und die Entscheidung an A übermitteln.
• b) In jeder Station liegen durch periodischen (quasi­ kontinuierlichen) gegenseitigen Austausch der Ka­ nalbelegungslisten neben der eigenen Kanalbele­ gungsliste auch ständig die aktuellen Kanalbele­ gungslisten der Nachbarstationen vor, so daß X be­ reits vor Übermittlung des Verbindungswunsches sich für ein geeignetes Kanalpaar entscheiden und die getroffene Wahl zusammen mit dem Verbindungs­ wunsch Y mitteilen kann.
• b1) Handelt es sich bei Y um eine Relaisstation für eine weiterreichende Verbindung nach Z, so wählt Y aus den vorliegenden Listen KBL _Y und KBL _Z ein für die Verbindung Y-Z geeignetes Kanalpaar aus und sendet diese Kanalwahl zusammen mit einem Verbindungswunsch an Z. X kann diesen Verbindungs­ wunsch an Z mithören und wertet dies als implizite Quittung, daß Y seinen Verbindungswunsch empfangen und die von X getroffene Kanalwahl akzeptiert hat.
• b2) Handelt es sich bei Y um die Ziel-Station der gewünschten Verbindung, so sendet Y an X eine explizite, das von X vorgeschlagene Kanalpaar be­ stätigende Quittung oder schlägt ein anderes Ka­ nalpaar vor.
• Bei Ausbleiben einer impliziten oder expliziten Quittung wiederholt X seine Kanalwahl. Das Vorlie­ gen der aktuellen Kanalbelegungslisten aller Nach­ barstationen ermöglicht neben der grundsätzlichen Prüfung der Kanalpaare auf Eignung auch noch die Berücksichtigung der in einem komplexen Netz auf­ tretenden Wirkung einer Kanalwahl auf die Nachbarsta­ tionen.

Die vorstehend für ein Funksystem mit als Zeitintervalle eines Zeitrahmens definierten Kanälen gemachten ausführli­ chen Erläuterungen gelten in äquivalenter Form auch für ein Funksystem mit als verschiedenen Trägerfrequenzen zu­ geordneten Kanälen, die gleichzeitig belegt sein können.

Claims (6)

1. Funksystem mit einer Mehrzahl von Sende-Empfangssta­ tionen und einer vorgegebenen Anzahl von Verkehrskanälen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Verkehrskanäle geradzahlig ist und die Verkehrskanäle paarweise einander als Duplex-Kanalpaar fest zugeordnet sind, daß jede Sta­ tion die Kanalbelegung an ihrem Standort prüft und daß ein Kanalpaar für eine Duplex-Funkverbindung zwischen zwei in Verbindungsreichweite befindlichen Stationen dann, wenn in einer Station zumindest einer der Kanäle und in der ande­ ren Station der jeweils andere der beiden Kanäle des Ka­ nals frei ist, in der Weise als geeignet gilt, daß als Empfangskanal ein freier Kanal gewählt wird und der Sende­ kanal frei oder belegt sein kann.

2. Funksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Station in einer Kanalbelegungsliste der Belegungszustand der Kanäle für diese Station enthalten ist und daß zur Beurteilung eines Kanalpaares auf Eignung für eine Funkverbindung zwischen zwei Stationen die Inhalte der Belegungslisten dieser beiden Stationen verglichen werden.

3. Funksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Vorliegen mehrerer geeigneter Kanalpaare bevorzugt ein Kanalpaar mit einem oder zwei belegten Kanä­ len für den Aufbau einer neuen Verbindung ausgewählt wird.

4. Funksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein gesonderter Ruf- und/oder Organi­ sationskanal für den Austausch von Kanalbelegungslisten und die Übermittlung eines Verbindungswunsches vorhanden ist.

5. Funksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalbelegungslisten benachbarter Stationen regel­ mäßig ausgetauscht werden.

6. Funksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalbelegungslisten nur bei Übermittlung eines Verbindungswunsches zwischen den betroffenen Stationen ausgetauscht werden.