DE4391438C2 - Verfahren zur Zuordnung von Kommunikationskanälen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Zuordnung von Kommunikationskanälen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Traditionell ist das zelluläre Funkspektrum in der Fre­ quenz als Frequenzunterteilungssystem mit mehrfachem Zugriff (FDMA) unterteilt. Der Satz verfügbarer, zellulärer Träger­ frequenzen wurde unter den einzelnen Orten aufgeteilt, die das sich wiederholende Wiederbenutzungsmuster bilden, das für ein stereotypes, zelluläres Bienenwabenmuster charakte­ ristisch ist. Die Frequenzen waren derart verteilt, das eine Störung von benachbarten Kanälen und Ko-Kanal-Verwendungen derselben Frequenz im Wiederverwendungsabstand minimiert wurden. Dieser Vorgang der Minimierung der Nachbar- und Ko- Kanal-Störung wird zelluläre Frequenzplanung genannt. Eine Reihe von Techniken wurden entwickelt, um diese Frequenzpla­ nung zu vermeiden und die Kapazität und Verbindungseffekti­ vität zu verbessern, indem nach einer "Ein-Ort-Wiederho­ lung", wobei alle Frequenzen ohne Störung an jedem einzelnen Zellenort verwendet werden können, gestrebt wurde. Damit diese ohne Störung verwendet werden konnten, mußten ver­ schiedene Techniken angewandt werden, einschließlich Zwi­ schen-Zellenraum/Zeit/Frequenz-Koordination und probabili­ stischer Reduktion der Innerzellenstörungen. Mit dem Bedarf für höherer Kapazitäten von zellulären Systemen wurde jeder FDMA-Funkträger in Zeitunterteilung-mit-mehrfachem-Zugriff- (TDMA) Zeitschlitze, im folgenden "Zeitfenster" genannt, unterteilt in einem sich wiederholenden Rahmen (frame) von Fenstern, wobei verschiedene Teilnehmer dieselbe Trägerfrequenz im Zeitmultiplexverfahren verwenden, um ihre komprimierte, digitalisierte Sprache zu übertragen. Überli­ cherweise wird einem Teilnehmer für die Dauer seines Ge­ sprächs ein bestimmtes Zeitfenster (time slot) auf einer einzigen Trä­ gerfrequenz zugewiesen.

Da diese TDMA-Systeme im Zeitbereich so gut organisiert sind, bieten sie Möglichkeiten für die Koordination der Frequenz- und Raumbereiche, so daß eine "Ein-Ort-Wiederho­ lung" erreicht werden kann.

Einige dieser TDMA-Systemausfüh­ rungen ziehen Frequenzspringen in Betracht so wie dies beispielsweise in der US-PS 5,081,641 beschrieben ist, dies jedoch zur Rausch- und Störungsverminderung und nicht notwendigerweise zum Erreichen einer Ein-Ort-Wiederholung und zum Vermeiden der Frequenzplanung. Statt eines bestimmten Zeitfensters pro Rahmen auf einer einzigen Trägerfrequenz wird dem Teilnehmer ein bestimmtes Zeitfenster und eine Frequenzsprungsequenz zugewiesen. Die Zuweisung dieser Sequenzen bilden einen "Kode", womit eine Untermenge des Bereiches der Systeme mit mehrfachen Zugriff mit Kodeunterteilung (CDMA) umfaßt wird. Um die Belastung für die Frequenzsynthesizer im Teilnehmer­ gerät zu verringern, "führen" diese Sequenzen den Synthesi­ zer typischerweise durch das vorhandene Funkspektrum. Alle Teilnehmer besitzen typischerweise einen gestaffelten Start für diesen Weg durch die Frequenzen, so daß sie sich nicht stören oder "orthogonal" sind, so daß keine zwei Übertragun­ gen zur selben Zeit in derselben Zelle auf derselben Fre­ quenz stattfinden. Wenn diese Sprungsequenzen mit umgebenden Zellen (räumlich) koordiniert sind, wird die notwendige Ko­ ordination in Raum, Zeit und Frequenz durchgeführt sein. So­ mit können theoretisch alle Frequenzen in jeder Zelle ver­ wendet werden, wodurch eine "Ein-Ort-Wiederholung" erreicht wird.

Jedoch entsteht ein Problem aus der stufenweisen Einfüh­ rung dieser FD/TD/CDMA-Systeme. Typischerweise steht anfäng­ lich für alle neuen Systeme nur ein sehr begrenztes Funk­ spektrum zur Verfügung; und dieses schmale, zugeteilte Spek­ trum wird typischerweise unter verschiedenen, konkurrieren­ den, lokalen Betreibern aufgeteilt. Somit sind die Möglich­ keiten zum Handhaben von Störungen in der Frequenz, der Zeit oder im Raum stark eingeschränkt.

Aus der US-PS 5,020,056 ist es bekannt, die Position der Zeit­ schlitze, welche einem bestimmten Teilnehmer zugeordnet sind, zu variieren, so daß der Zeitschlitz eine unterschiedliche Position in jedem darauffolgenden Frame besitzt, in dem der zugeordnete Zeitschlitz erscheint.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Zuordnen von Kommunikationskanälen anzugeben, wobei die Kanäle eine große spektrale Effizienz aufweisen sollen und bei dem die Wahrscheinlichkeit einer Störung zwischen benachbarten Kommuni­ kationskanälen verringert ist.

Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die wichtigen Aspekte der vorliegenden Erfindung sollen im fol­ genden kurz erläutert werden.

Dort, wo die Anzahl der Frequenzen, über die gesprungen wird, eingeschränkt ist und in einer zu großen Wahrschein­ lichkeit einer wiederkehrenden und übermäßigen Störung mit benachbarten Zellen resultiert, kann die Störung probabili­ stisch durch Springen sowohl über Zeitfenster als auch über Frequenzen verringert werden. Einem Teilnehmer würde, in an­ deren Worten, nicht dasselbe Zeitfenster von Rahmen zu Rah­ men zugeteilt werden, sondern seine Fensterzuteilung wurde sich von Rahmen zu Rahmen ändern. Die Auswirkung wäre eine probabilistische Verringerung der Störung nicht nur durch die Anzahl der Sprungfrequenzen sondern auch durch einen Faktor der Anzahl der Zeitfenster pro Rahmen. In dem europä­ ischen GSM-System mit acht Fenstern pro Rahmen wäre die Aus­ wirkung des Fensterspringens eine Verringerung der Störungs-
wahrscheinlichkeiten von frequenzbezogenen Kollisionen (und eine weitere probabilistische Verringerung der Störung) um einen Faktor von acht. Jedoch sind die mit dem Fenstersprin­ gen verbundenen Problemen vielfältig:
In TDMA-Systemen mit Frequenzspringen (ohne Zeitsprin­ gen) besitzt der Synthesizer des Funkgeräts sehr viel Zeit, vielleicht bis zur Gesamtdauer eines gesamten Rah­ mens, über den zur nächsten Frequenz zu springen ist. In Systemen mit Fensterspringen, sind die Anforderungen an den Synthesizer aufgrund der (nun) zufälligen Zeitinter­ valle zwischen Sprüngen höher.

Fenstersprungsequenzen, bei denen der Teilnehmer im nächsten Rahmen in unmittelbar benachbarte Zeitfenster springt, müssen aus dem Zuweisungsschema beim Simplexbe­ triebsmodus entfernt werden.

Aufgrund der Verzögerung durch die Signalausbreitung kann das Fensterzuteilungsschema einen Teilnehmer nicht auf den nächsten Rahmen springen lassen (wodurch ein Rah­ men übersprungen würde) oder seine Fensterzuteilung so vorziehen, daß ihm zwei Fenster pro Rahmen zugeteilt wür­ den (wodurch die Rahmenkapazität überschritten würde).

Schon existierende Schemata ohne Fensterspringen müssen in dem Fenstersprungschema aufgenommen werden.

Um die Änderung (in der Zeit) des Fensterempfangs zu be­ rücksichtigen, kann fast ein vollständiger Rahmen für die Verzögerung notwendig sein, um den schlimmsten Fall die­ ses Effekts vom "Akkordeon-" oder "Gummiband-" Typ zu be­ rücksichtigen.

Die vorliegende Erfindung verringert diese nachteiligen Auswirkungen des Fensterspringens, während sie die möglichen Vorteile der Ein-Ort-Wiederholung und das Vermeiden der Fre­ quenzplanung erreicht.

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Fenstersprungsequenz entsprechend der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der Vorrichtung zum Durch­ führen sowohl von Fenster- als auch von Frequenzspringen entsprechend der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Fenstersprungsequenz für mit halber oder voller Rate kodierte Sprache entsprechend der Erfindung.

Fig. 4 zeigt das Springen eines Teilnehmers in einem Simplexbetriebsmodus und das durch die Sequenzen der Fig. 3 erleichterte Überwachungsproblem.

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Fenstersprungsequenz entsprechend der vorliegenden Erfindung. Sie zeigt dasselbe Fenstersprungschema, wie es gleichzeitig über aufeinander­ folgende Rahmen von allen ursprünglichen Belegern jedes der ursprünglichen Zeitfenster durchgeführt wird.

Fig. 1 zeigt ein Fenstersprungschema, bei dem die Fen­ sterzuteilung bis zum Ende des Rahmens in Zweierschritten und dann im Einerschritt zyklisch durchgegangen wird und dann um zwei Fenster und dann um ein Fenster zum Beginn des Rahmens zurückgegangen wird. Somit würde ein Teilnehmer der (K) zum Beispiel bei Fenster 2 beginnt, in nachfolgenden Rahmen (K+1, K+2, . . .) in Zweierschritten (2, 4) und dann in einem Einerschritt (7) bis zum Ende des Rahmens gehen und dann in Zweierschritten (7, 5, 3, 1) und dann in einem Ei­ nerschritt (O) rückwärts bis zum Beginn des Rahmens gehen und dann wieder in Zweierschritten (2) vorwärts gehen, usw.

Beim Einrichten des Fenstersprungschemas ist zu berück­ sichtigen, daß die größte zufällige Verteilung (und somit die probabilistisch geringste Störung) dadurch erreicht wird, daß man das Fensterspringen gegenüber dem Frequenz­ springen bevorzugt. Mit anderen Worten wird jede Frequenz von jedem Teilnehmer eine gewisse Zeit lang (eine Anzahl von Zeitfenstern) wiederverwendet, bevor die nächste Frequenz verwendet würde, wodurch es einen multiplikativen Effekt durch das Fensterspringen vor dem Springen der Frequenzen gibt. Somit würden Frequenzen gerade vor K und gerade nach K+7 (Fig. 1) oder K+15 (Fig. 3) gesprungen werden.

Insbesondere sollten dort, wo benachbarte Plätze mit dem betrachteten Ort synchron sind, alle Fen­ ster/Frequenzsequenzen gegenseitig verschoben sein, um pro­ babilistisch die Wahrscheinlichkeit einer Fen­ ster/Frequenzstörung zur verringern.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der Vorrichtung zum Durch­ führen sowohl des Fenster- als auch des Frequenzspringens nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen Funk-Sende/Empfänger (XCVR) 10 mit einem Kanal-Sende/Kodierer (XCODER) 11, der eine Eingabe, zum Beispiel von einem Mikrophon (MIC) 12, akzeptiert. Der Sende/Kodierer bereitet Segmente von digitalisierter Sprache vor und organisiert diese in einer Fensterreihenfolge für die Sendung. Der Sende/Empfänger enthält einen synthetisier­ ten Frequenzmodulator (SYNTH) 13, der die transkodierte und in Blöcken angeordnete Sprache erhält und sie zum Senden über den RF- (Funkfrequenz-) Träger mit der in der von dem Frequenzsequenzer (FREQ SEQ′R) 14 angegebenen Frequenz­ sprungsequenz moduliert. Die vorliegende Erfindung erfordert das Einführen eines Sprungsequenzers (HOP SEQ′R) 15 in diese weitgehend herkömmliche Sende/Empfänger-Architektur, um das Timing eines Fenstersequenzers (SLOT SEQ′R) 16 und des Fre­ quenzsequenzers (FREQ SEQ′R) 14 zu koordinieren. Der Fen­ stersequenzer (SLOT SEQ′R) 16 seinerseits koordiniert das Transkodieren (XCODER) 11 in den bestimmten Fenstersequen­ zen, die von einem Schema wie dem der Fig. 1 verlangt wer­ den. Der Empfangsvorgang in dem anderen Sende/Empfänger (XCVR) 20 bei der Rekonstruktion und der Wiedergabe der Sprache im Lautsprecher (SPKR) 21 am anderen Ende der Funk­ verbindung ist ein exakt reziprokes Spiegelbild des Sende­ vorgangs; alle Sequenzen werden mit derselben Frequenz- und Fenstersequenzinformation versehen.

Mit den Fortschritten bei der Sprachkodierungstechnolo­ gie berücksichtigen die TDMA-Systeme, auf die die vorlie­ gende Erfindung angewandt wird, Sprachkodierer, die in der Lage sind, Sprache in der halben Anzahl von Bits zu kodie­ ren. Somit muß digitalisierte Sprache nur in jedem zweiten Rahmen übertragen werden. Diese "mit halber Rate kodierte Sprache" kann mit dem in Fig. 3 gezeigten Schema berücksich­ tigt (und mit mit voller Rate kodierter Sprache gemischt werden). Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Fenstersprungs­ equenz sowohl für mit halber als auch mit voller Rate ko­ dierte Sprache entsprechend der Erfindung. Sie zeigt eine spaltenweise Verdoppelung der Sequenz der Fig. 1, um die mit halber Rate kodierte Sprache zu berücksichtigen.

TDMA-Systeme mit Teilnehmer- (Mobil) unterstützter Wei­ terreichung (MAHO) und Unterstützung benachbarter Zellen ge­ hen regelmäßig durch einen Zyklus bestehend aus: Frequenz­ springen, Fensterempfangen, Fenstersenden, Fensterüberwachen (für Weiterreichungskandidaten), und wieder Frequenzsprin­ gen, usw. Bei Verwendung der vorliegenden Erfindung umfaßt der Zyklus auch Fenstersprünge (die bezüglich der Frequenz­ sprünge bevorzugt sind). Fenstersprünge nach hinten sind be­ sonders für den Überwachungsteil des Zyklus problematisch. Wie in Fig. 4 gezeigt, ist ein Teilnehmer (SUB), der ver­ sucht, von Fenster 5 in Fenster 3 des nächsten Rahmens "rückwärts" zu springen, nicht in der Lage, die MAHO-Kanäle für Weiterreichungskandidaten zu überwachen, da es nicht ausreichend Zeit für eine Rückkehr zu Fenster 3 gibt (als unmögliche negative Zeit gezeigt). Jedoch hat die spalten­ weise Verdoppelung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, den Vor­ teil, daß sie einiges der Überwachungsfähigkeit (wenigstens hinsichtlich des Teilnehmers mit voller Rate) durch Verblei­ ben (der Teilnehmer mit voller Rate) in demselben Zeitfen­ ster für zwei Rahmen wegnimmt.

In einem drahtlosen Kommunikationssystem mit mehrfachem Zugriff mit Frequenz- und Zeitunterteilung (FD/TDMA) mit Kommunikationskanälen mit Zeitfenstern wurde ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Springen von drahtlosen Kommunika­ tionen zur Verfügung gestellt. Es umfaßt das Sequenzieren von Fensterzuweisungen und das Sequenzieren von Frequenzzu­ weisungen, so daß eine Vielzahl von Frequenzen dadurch an jedem Ort des zellulären FD/TDMA-Systems ohne Rücksicht auf die lokale Aufteilung unter den umgebenden Verwendungen ver­ wendbar werden. Die Auswirkung wäre eine probabilistische Verringerung der Störungen nicht nur durch die Anzahl der Sprungfrequenzen sondern auch durch einen Faktor der Anzahl der Zeitfenster pro Rahmen. Die Vorteile dieser Erfindung wurden dargelegt.

Während das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und gezeigt wurde, ist es für den Fachmann klar, daß weitere Änderungen und Modifikationen dieser Erfindung innerhalb der dargelegten, grundlegenden Lehre implementiert werden können. Zum Beispiel könnte ein Mechanismus vorgese­ hen sein, die hier aufgestellte Fenster/Frequenz-Sprungregel noch weiter dem Zufallsprinzip zu unterwerfen (zum Beispiel durch eine Nachschlagtabelle).

Claims (5)

1. Verfahren zum Zuordnen von Kommunikationskanälen in einem Funkkommunikationssystem mit Mehrfachzugriff und Frequenz- und Zeitunterteilung (FD/TDMA) zur Übertragung von Kommunikations­ signalen, wobei die Kommunikationskanäle durch eine Vielzahl von Zeitschlitzen in einem Frame definiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kommunikationssignal einer Vielzahl der Kommunikationskanäle zeitlich nacheinander sowohl nach Maßgabe einer vorbestimmten Frequenzsequenz als auch nach Maßgabe einer vorbestimmten Zeitschlitzsequenz zuge­ ordnet wird, wobei das Zuordnen der Zeitschlitze Vorrang vor dem Zuordnen der Frequenzen besitzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnungen des Kommunikationssignals hinsichtlich der Frequen­ zen und der Zeitschlitze miteinander koordiniert werden, um den Vorrang herzustellen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einem Kommunikationssignal zugeordneten Zeitschlitze zyklisch über die Zeitschlitze eines Frames in einer vorwärts- und rückwärtsspringenden Weise zugeordnet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wiederholung der Zeitschlitzzuteilung in Be­ ziehung zur Frame-Zuweisungsrate steht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wiederholung der Zeitschlitzzuteilung so in Beziehung zur Frame-Zuweisungsrate steht, daß eine Verdoppelung der Anzahl der Zeitschlitze eine Übertragung kodierter Sprache mit halber Rate und voller Rate ermöglicht.