DE60128726T2 - Vorprüfung und zertifizierung von mehrfachzugriffscodes - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein drahtlose Kommunikationssysteme und insbesondere das Verwalten von Mehrfachzugriffsanordnungen in Ultrabreitbandsystemen zur Hilfe bei der Gewährleistung von hoher Dienstgüte und effizienter Verwaltung von verfügbarer Kanalkapazität.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • In einer zellbasierten drahtlosen Codemultiplex-Mehrfachzugriffs-(Code Division Multiple Access – CDMA) Umgebung, können insgesamt mehr Benutzer als verfügbare Codes zum Ermöglichen von Mehrfachzugriff auf den Kommunikationskanal vorhanden sein. Dieser Kapazitätsengpass kann die Wiederverwendung von Codes alle wenige (räumlich getrennte) Zellen erfordern. Die räumliche Trennung ermöglicht es den Kommunikationssignalen, die die gleichen Codes verwenden, abzuklingen, bevor eine Möglichkeit besteht, dass sie sich stören. Da indes die Anzahl von Benutzern in einem zellularen Netz typischerweise in hohem Maße variabel ist, müssen die Codes, die einem Satz von Benutzern einer Zelle zugeteilt werden, basierend auf der Anzahl von Benutzern dieser Zelle zugeteilt und freigegeben werden. Es bestehen verschiedene Fragen, die die Zuteilung von Codes verkomplizieren, wenn die Anzahl von Benutzern des Systems steigt. Erstens kann die Gesamtanzahl von verfügbaren Codes begrenzt sein. Zweitens kann das Überlappen von Codes zwischen benachbarten Zellen nicht zugelassen werden.
  • Drittens kann sich die HF-Umgebung gemeinsam mit Rauschen, das sich durch diese Umgebung ausbreitet, auf unvorhergesehene Weise verändern. Aufgrund der Natur von CDMA können Daten, die mit einigen Codes codiert sind, empfindlicher auf Rauschen sein als andere Daten, insbesondere können Umgebungsrauschen oder Mehrweg von der Codewiederverwendung einander während bestimmter Zeiten stören. Aus diesem Grund sollte ein optimales zellulares System nicht Codes zuteilen, die übermäßig hohe Bitfehler einführen, bevor die Anzahl von Benutzern dies absolut erfordert.
  • In Breitbandumgebungen mit hoher Dichte und mehreren Benutzern oder in Umgebungen mit hohen Rauschpegeln, kann für nicht zugeteilte CDMA-Codes (die unter Verwendung von Pulsphasenmodulation (PPM) zugeteilt werden könnten) das Risiko bestehen, dass sie entweder bereits zugeordnet wurden oder ein hohes Maß an Rauschen aufweisen. In beiden Fallen wird das System in einer dynamischen CDMA-Umgebung die Verfügbarkeit eines anderen, nicht zugeteilten Codes, dem ein anderer folgt und so weiter, wie erforderlich, überprüfen, bis ein verfügbarer Code gefunden wurde.
  • Dieses Erfordernis des Suchens und Findens eines geeigneten nicht zugeteilten Codes nimmt proportional als eine Funktion einer steigenden Anzahl von Benutzern, gesteigerten Anforderungen an die Kanalkapazität und gesteigertem Rauschen zu. In Umgebungen mit hoher Dichte, mehreren Benutzern, einem hohen Kapazitätsverbrauch und/oder mit hohem Rauschen nimmt die Verfügbarkeit von annehmbaren nicht zugeteilten Codes ab. Die sich daraus ergebende Auswirkung kann eine höhere Anforderung an das System zum Suchen nach geeigneten nicht zugeordneten CDMA-Codes bedeuten.
  • Wenn ein Code bereits verwendet wird, oder zu viel Rauschen ausgesetzt ist, oder aus einem anderen Grund nicht erwünscht ist, sucht das System einfach nach einem anderen Code. Obgleich diese Suche extrem schnell ist und nur Millisekunden erfordert, ergeben die Anforderungen an das System, wenn diese Suche nach optimalen, nicht zugeteilten Codes häufig ausgeführt wird oder mehrere Suchvorgänge erfordert, um einen guten Code zu finden, die uneffiziente Verwaltung der verfügbaren Kapazität.
  • Die US-Patentschrift 5,884,145 offenbart ein Verfahren und ein System zum Zuteilen eines Kommunikationskanals mit der geringsten Interferenz zwischen einem zellularen System und einem privaten Funksystem innerhalb eines zellularen Systems. Bin Satz von Kandidatenkanälen wird zuerst ausgewählt und nach dem Betrag von Interferenz geordnet, der innerhalb des zellularen Systems vorhanden ist, und eine Teilmenge davon wird ausgewählt. Bin zweiter Satz von Kandidatenkanälen wird dann von der Teilmenge ausgewählt und nach dem Betrag von Interferenz, der in der Umgebung des privaten Funksystems vorhanden ist, geordnet, und es wird eine zuverlässige Kanalteilmenge davon ausgewählt. Der Kanal, der den geringsten Betrag an Interferenz aufweist, wird dann von der zuverlässigen Kanalteilmenge als der Kommunikationskanal ausgewählt.
  • Die US-Patentschrift 6,141,565 offenbart Systeme und Verfahren zum kontinuierlichen Bereitstellen von Netzparametern für verschiedene Netzelemente in einem zellularen PC oder anderen drahtlosen Kommunikationsnetz, um die Arbeit des Netzes zu optimieren. Die Netzparameter können basierend auf vorhergesagten oder historischen Netzbedingungen bereitgestellt werden. Alternativ können die Netzparameter basierend auf überwachten Netzbedingungen bereitgestellt werden. Es wird eine Datenbank von Netzparametern bereitgestellt, die für bestimmte Netzbedingungen optimiert sind.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Es werden ein System, ein Verfahren und ein Erzeugnis zum Verwalten der Übertragungseignung eines Kanals in einer Mehrfachzugriffsanordnung bereitgestellt. Im Allgemeinen werden Informationen, die das Rauschen betreffen, das mit einem Kanal verbunden ist, erhalten. Eine potentielle Auswirkung des Rauschens auf eine Übertragungsqualität des Kanals wird dann basierend auf den erhaltenen Informationen geschätzt. Als Nächstes wird basierend auf der geschätzten potentiellen Auswirkung eine Bewertung zum Kanal zugeordnet. Basierend auf der zugeordneten Bewertung wird der Kanal in eine Verkehrsgüteklasse klassifiziert. Die Verkehrsgüteklasse betrifft die Eignung des Kanals zum Übertragen eines bestimmten Datentyps. Die Verkehrsgüteklassen umfassen eine Klasse für eine Verkehrsgüte, die für alphanumerische Daten geeignet ist, eine Klasse für eine Verkehrsgüte, die für Videodaten geeignet ist, eine Klasse für eine Verkehrsgüte, die für Audiodaten geeignet ist, und eine Klasse für eine Verkehrsgüte, die nicht für Daten geeignet ist.
  • Informationen, die den Kanal und seine verbundene Bewertung und Verkehrsgüte betreffen, werden dann in einer Datenbank gespeichert.
  • In einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung werden die Informationen, die das Rauschen betreffen, das mit einem Kanal verbunden ist, durch Abtasten des Kanalrauschens und anschließendes Korrelieren des abgetasteten Kanalrauschens mit dem Kanal erhalten. In einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird die potentielle Auswirkung des Rauschens auf die Übertragungsqualität des Kanals basierend auf den erhaltenen Informationen durch Bestimmen einer erwarteten Bitfehlerrate für den Kanal basierend auf den erhaltenen Informationen geschätzt. In einem solchen Gesichtspunkt kann die erwartete Bitfehlerrate für den Kanal durch Berechnen einer oder mehrerer Interferenzmetriken für den nicht zugeteilten Kanal unter Verwendung der erhaltenen Rauschinformationen und anschließendes Verwenden der berechneten Interferenzmetriken zum Bestimmen der erwarteten Bitfehlerrate bestimmt werden. Als eine Möglichkeit kann eine der berechneten Interferenzmetriken eine Pulsphasenmodulations-Fehlerrate sein.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Kanal in seiner zugeteilten Verkehrsgüteklasse basierend auf der Bewertung des Kanals priorisiert werden. Zusätzlich werden diese Informationen, die die Priorität des Kanals betreffen, auch in der Datenbank gespeichert. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Kanal von der Datenbank erhalten. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Kanal periodisch getestet, um zu bestimmen, ob die Verkehrsgüteklasse des Kanals geändert werden muss.
  • In noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Kanalanforderung von einem Anforderer empfangen werden. Die Datenbank kann dann durchsucht werden, um einen Kanal zu erhalten, der zur Erfüllung der Anforderung geeignet ist. Nachdem er erhalten wurde, wird der geeignete Kanal zum Anforderer zugeteilt und der Anforderer wird zur Verwendung des zugeteilten Kanals benachrichtigt und in der Datenbank wird eine Anzeige vorgenommen, um anzuzeigen, dass der zugeteilte Kanal nun verwendet wird. In sogar noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können Informationen, die die Verwendung eines Kanals betreffen, empfangen werden, wenn ein Benutzer die Verwendung des Kanals aufgibt. Von den empfangenen Informationen kann eine tatsächliche Bitfehlerrate für den aufgegebenen Kanal bestimmt werden, derart, dass eine Bewertung zum aufgegebenen Kanal basierend auf der tatsächlichen Bitfehlerrate zugeordnet werden kann. Nachdem die Bewertung zugeordnet wurde, kann der Kanal in die geeignete Verkehrsgüteklasse klassifiziert werden und die Datenbank kann aktualisiert werden, um die Verkehrsgüteklasse des Kanals, die auf der tatsächlichen Bitfehlerrate basiert, und dass der Kanal zur Verwendung verfügbar ist, anzugeben.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorhergehenden und andere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile können mit der folgenden ausführlichen Beschreibung, den beigefügten Ansprüchen und den begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden; es zeigen:
  • 1 ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Ultrabreitband-Kommunikationssystems, dass in der Lage ist, eine Mehrfachzugriffsanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu verwenden;
  • 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Verwalten der Übertragungseignung eines Mehrfachzugriffskanals in einer Mehrfachzugriffsanordnung, der einen Controller der dynamischen Datenbank in einem Kommunikationssystem, wie beispielsweise ein Ultrabreitband-Kommunikationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, verwendet;
  • 3 ein schematisches Blockdiagramm, das ein Verfahren zum Erzeugen einer dynamischen Codedatenbank zum Aufzeichnen der Codeverwendung und -qualität zum Beibehalten der höchsten möglichen Dienstgüte (Quality of Service – Qos) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
  • 4a ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform des Rauschabtasters, die auf der Verwendung eines zeitintegrierenden Korrelators zum Korrelieren des HF-Rauschsignals mit der Codesequenz basiert, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 4b ein schematisches Diagramm eines Rauschabtasters, der Echtzeitabtastung von Zeitfenstern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
  • 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ausführen von digitaler Signalverarbeitung und Datenbankfunktionen zum Erreichen der Einteilung von nicht zugeteilten Codes in Qualitätsklassen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 6 einen Graph, der einen Typ von funktioneller Beziehung zeigt, die oft zwischen der Bitfehlerrate (Bit Error Rate – BER) und dem Verhältnis von Pulsenergie (Eb) zur Spektraldichte des Rauschens (No) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefunden werden kann;
  • 7 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Ausführen der Funktionen der digitalen Signalverarbeitung durch den Controller der Datenbank zum Maximieren der Dienstgüte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 8 ein schematisches Diagramm, das ein Verfahren zum Pflegen einer Datenbank in einer Ultrabreitbandkommunikations-Rahmenumgebung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
  • 9 ein schematisches Diagramm einer typischen Hardwareumgebung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Im Überblick sind die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Hilfe beim Verbessern der Codezuteilungseffizienz durch digitales Abtasten der potentiellen Auswirkung von Kanalrauschen auf den verfügbaren Codesatz, zum Beispiel durch die Verwendung von Kreuzkorrelation zwischen den Codes und dem Rauschen. Eine statistische Analyse der digitalisierten Kreuzkorrelation kann dann durch das Ausrechnen einer erwarteten Bitfehlerrate ausgeführt werden, um die Auswirkung des Rauschens auf die Übertragungsqualität zu sehen. Rauschparameter, wie beispielsweise Dauer und Amplitude, können auch quantifiziert werden. Diese Informationen können verwendet werden, um jeden Code einzuteilen und „Behältern" zuzuteilen, die für eine optimale Codeverwendung identifiziert wurden. Behälter können erzeugt werden, um der Eignung eines Codes für einen bestimmten Datentyp zu entsprechen. Zum Beispiel können einige veranschaulichende Datentypen und ihre verbundenen Codeattribute Folgendes umfassen: (1) alphanumerische Daten, die Codes mit der niedrigsten Anzahl von erwarteten Bitfehlern erfordern; (2) Videodaten, die Codes mit der nächstniedrigsten Anzahl von erwarteten Bitfehlern erfordern; (3) Audiodaten, die Codes verwenden können, die die höchste Anzahl von erlaubten Fehlern aufweisen; und (4) ein Satz von Codes, die nicht zur Verwendung geeignet sind, da ihre erwarteten Bitfehler oberhalb eines Schwellenwerts liegen. In jedem Behälter können die Codes derart angeordnet werden, dass die besten Codes (d.h., die Codes mit den niedrigsten Bitfehlerraten) zuerst verwendet werden.
  • Ultrabreitbandkommunikationssysteme, die Techniken verwenden, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart werden, können in der Lage sein, eine Garantie für eine höhere Dienstgüte in Umgebungen mit hoher Dichte, mehreren Benutzern und/oder Rauschen zu liefern. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch beim Steigern der Effizienz helfen, mit der Ultrabreitbandsysteme mit Mehrfachzugriffsanordnungen (z.B. Codemultiplex-Mehrfachzugriff (Code-Division Multiple Access (CDMA)) Codes durch proaktives Bestimmen der der Codequalität zuteilen, bevor tatsächlich eine Zuteilung vorgenommen wird. Systeme, die die Techniken verwenden, die in der vorliegenden Erfindung bekannt gegeben werden, können auch in der Lage sein, Umgebungen mit mehreren Benutzern und/oder Rauschen durch effektives Bewerten der Eignung von Codes für wechselnde Ultrabreitband-Datentypen und effizienteres Zuordnen/Zuteilen dieser Ultrabreitband-Mehrfachzugriffs-Codes effizienter zu verwalten.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Ultrabreitband-Kommunikationssystems 100, das in der Lage ist, eine Mehrfachzugriffsanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu verwenden. Eine oder mehrere drahtlose mobile Einheiten 102, die zur Ultrabreitbandkommunikation imstande sind, kommunizieren mit einer Ultrabreitband-Basisstation 104. Ein Controller 106 der dynamischen Datenbank ist mit der Basisstation verbunden. Der dynamische Controller 106 der dynamischen Datenbank umfasst einen Prozessor zum Ausführen seiner Funktionen und ist mit einem Rauschabtaster 108 und einer Datenbank 110 verbunden.
  • 2 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Verwalten der Übertragungseignung eines Mehrfachzugriffskanals in einer Mehrfachzugriffsanordnung, die einen Controller 106 der dynamischen Datenbank in einem Kommunikationssystem, wie beispielsweise einem Ultrabreitband-Kommunikationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, verwendet. Im Allgemeinen werden Informationen, die Kanalrauschen („Kanalrauschinformationen"), die mit einem nicht zugeteilten Kanal verbunden sind, im Arbeitsvorgang 202 unter Verwendung des Rauschabtasters 108 erhalten (es versteht sich, dass der Begriff „Kanal", der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, in breitem Sinne einen Mehrfachzugriffsanordnungs-Kanal bezeichnen kann, in dem mehrere Zugriffe durch Codes, Frequenz, Polarisation, Phase, usw. erreicht werden können). Der Controller 106 der dynamischen Datenbank schätzt dann basierend auf den im Arbeitsvorgang 204 erhaltenen Informationen eine potentielle Auswirkung des Kanalrauschens auf die Übertragungsqualität des nicht zugeteilten Kanals. Als Nächstes wird im Arbeitsvorgang 206 durch den Controller 106 der dynamischen Datenbank dem nicht zugeteilten Kanal basierend auf der geschätzten potentiellen Auswirkung eine Bewertung zugeteilt. Basierend auf der zugeteilten Bewertung wird der Kanal im Arbeitsvorgang 208 in eine Verkehrsgüteklasse oder Klassifizierung klassifiziert. Informationen, die den nun klassifizierten Kanal und seine zugeordnete Bewertung und Verkehrsgüteklasse betreffen, werden dann im Arbeitsvorgang 210 in der Datenbank 110 gespeichert.
  • Ausführlicher ausgedrückt, sind drahtlose Ultrabreitbandübertragungen von mehreren Datenströmen (typischerweise Audio, Video und/oder Daten) abhängig, die an mehrere Benutzer gerichtet sind. Da Ultrabreitbandübertragungen serieller Natur sind, müssen sie diese Datenströme in zugeteilte serielle Zeitschlitze einbinden. Gelegentlich weisen diese zugeteilten Zeitschlitze entweder natürliche oder von Menschen verursachte Interferenz auf, die bewirkt, dass die/der Ultrabreitband-Mehrfachzugriffsverbindung oder -code (hierin oft als ein „Kanal" bezeichnet), die/der diesen bestimmten Datenstrom überträgt, unzuverlässig ist. Demzufolge sind Anstrengungen erforderlich, um die Dienstgüte (Quality of Service – QoS) für diese Datenströme beizubehalten. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Verfahren bereit, durch das jeder Kanal vor der Zuteilung getestet und zertifiziert werden kann. Oft werden diese Kanäle durch Angabe unterschiedlicher Codes (Sequenzen) für jede Mehrfachzugriffsverbindung ausgeführt. Es bestehen verschiedene gut bekannte Mittel, mit denen Mehrfachcodes das Erzeugen von Mehrfachverbindungen ermöglichen. Die Wahl eines bestimmten Mehrfachzugriffsschemas hat keine Einwirkungen auf die Funktionalität von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Nach der Zuteilung können die Bitfehlerraten für jeden Kanal überwacht werden, um Kanalqualität und -integrität sicherzustellen. Schließlich kann ein Pool von Kanälen vorab getestet und zertifiziert werden, um jegliche Benutzeranforderungen nach zusätzlichen zuverlässigen Ultrabreitbandkanälen zeitnah zu befriedigen.
  • Es bestehen verschiedene Fragen, die die Zuteilung von Codes verkomplizieren können, wenn die Anzahl von Benutzern des System steigt, die Folgendes umfassen: (1) die Gesamtanzahl von verfügbaren Codes kann begrenzt sein und es kann eine dynamische Wiederzuteilung von Codes erforderlich werden; (2) in einer Zelle oder in benachbarten Zellen kann eine Überlappung von Codes nicht erlaubt sein; (3) die HF-Umgebung kann sich auf unvorhergesehene Weise verändern und deshalb kann dies auch für Rauschen, das sich durch diese Umgebung ausbreitet, der Fall sein.
  • 3 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein Verfahren 300 zum Erzeugen einer dynamischen Codedatenbank zum Nachverfolgen der Codeverwendung- und -qualität, um die höchste mögliche QoS beizubehalten, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Datenbank 110 wird initialisiert, indem zuerst alle Codes (vorzugsweise der Reihe nach) auf einen Rauschabtaster 108 angewandt werden, der den Ausgang eines HF-Sensors (der das gleiche wie eine Empfangsantenne sein kann) als den Rauscheingang (siehe Arbeitsvorgang 302) verwenden kann. Der Ausgang des Rauschabtasters kann dann durch einen schnellen Analog-Digital-Wandler (A/D) digitalisiert werden (siehe Arbeitsvorgang 304) oder, als eine andere Möglichkeit, kann der Ausgang integriert, in einem Latch zwischengespeichert und durch einen langsameren A/D-Wandler digitalisiert werden. Die digitalisierten Daten können dann durch den Controller 106 der dynamischen Datenbank verwendet werden, um Metriken zu bestimmen, die bei der Berechnung einer erwarteten Bitfehlerrate (Projected Bit Error Rate – PBER) für einen bestimmten Code (siehe Arbeitsvorgang 306) zu verwenden sind. Anschließend kann die PBER verwendet werden, um die Codes in der Datenbank 110 derart zu organisieren, dass die Codes mit der niedrigsten PBER zuerst verfügbar sind.
  • In einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung können die Informationen, die Rauschen betreffen, das mit dem Kanal verbunden ist, durch Abtasten des Kanalrauschens und anschließendes Korrelieren des abgetasteten Kanalrauschens mit dem Kanal erhalten werden. 4a ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform des Rauschabtasters 108a, die auf der Verwendung eines zeitintegrierenden Korrelators zum Korrelieren des HF-Rauschsignals mit der Codesequenz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert. Insbesondere ist eine das HF-Rauschen abtastende Antenne 402 mit einem HF-Verstärker 404 verbunden, der mit einem zeitintegrierenden Generator 406 verbunden ist. Der zeitintegrierende Generator ist auch mit einem Mehrfachzugriffs-Codegenerator 408 verbunden. Diese Ausführungsform kann für Codemultiplex-Mehrfachzugriffsanordnungen geeignet sein. Zeitintegrierende Korrelatoren und Codegeneratoren für diese Codes sind im Fach gut bekannt. Die HF-Rauschabtastwerte für diesen Ansatz können entweder mit der Antenne, die zum Empfang der Daten verwendet wird, oder mit einer dedizierten, das Rauschen abtastenden Antenne, ermittelt werden.
  • 4b ist ein schematisches Diagramm eines Rauschabtasters 108b, der ein Echtzeitabtasten von Zeitfenstern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Dieser Rauschabtaster 108b gründet auf einer Zugriffsanordnung, die sich von der Zugriffsanordnung, die in 4a gezeigt wird, unterscheidet. Insbesondere ist eine HF-Empfangsantenne 410 mit einem HF-Verstärker 412 gekoppelt. Sowohl der HF-Verstärker 412 als auch ein Zeitsprung-Codegenerator 414 sind mit einem Multiplexer (MUX) 416 verbunden, der wiederum mit einer Hold-Logik 418 verbunden ist. In diesem Rauschabtaster 108b wird eine Pseudoszufalls-Zeitsprungsequenz zusammen mit einer Zeitmultiplex-Mehrfachzugriffsanordnung (Time Hopping – Time Division Multiplex Access – TH-TDMA) verwendet. Die Datenempfangsantenne 410 wird verwendet, um das Rauschen abzutasten, das in den Zeitschlitzen vorhanden ist, die durch eine bestimmte nicht zugeteilte Zeitsprungsequenz zu belegen sind. Um dies zu bewerkstelligen, wird die Zeitsprungsequenz verwendet, um den MUX 416 zu steuern, der das Halten der Eingangsabtastwerte ermöglicht, und zu geeigneten Zeitpunkten digitalisiert, die mit den Zeitpunkten übereinstimmen, die der Zeitsprungsequenz, die getestet wird, zugeteilt würden.
  • 5 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Ausführen von digitaler Signalverarbeitung und Datenbankfunktionen zum Erreichen einer Einteilung von nicht zugeteilten Codes in Qualitätsklassen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann die potentielle Auswirkung des Kanalrauschens auf die Übertragungsqualität des nicht zugeteilten Kanals basierend auf den erhaltenen Informationen durch Bestimmen einer PBER für den Kanal basierend auf den erhaltenen Informationen geschätzt werden. In einem solchen Gesichtspunkt kann die PBER für den nicht zugeteilten Kanal durch Berechnen einer oder mehrerer Interferenzmetriken für den nicht zugeteilten Kanal unter Verwendung der erhaltenen Rauschinformationen und anschließendes Verwenden der berechneten Interferenzmetriken zum Bestimmen der PBER bestimmt werden. Als eine Möglichkeit kann eine der berechneten Interferenzmetriken eine Pulsphasenmodulations-Fehlerrate sein.
  • Immer noch mit Bezug auf 5 überwacht der Controller 106 der dynamischen Datenbank konstant die Codes in der Datenbank, um zu bestimmen, ob ihre Einteilung in Qualitätsklassen aktuell ist (siehe Arbeitsvorgänge 502, 504 und 506). Wie in 5 veranschaulicht, kann die Entscheidungsregel im Arbeitsvorgang 504 auf dem erneuten Testen sämtlicher Codes, die während eines angegebenen Zeitraums nicht getestet wurden, gründen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann diese Zeit mindestens 10 ms und höchstens 1 Sekunde betragen. In einer noch mehr bevorzugten Ausführungsform kann diese Zeit 50 bis 100 ms betragen. Das erneute Testen wird durch den Controller 106 der Datenbank ausgeführt und verwaltet. Der Controller 106 der Datenbank sendet den zu testenden Code an den Rauschabtaster 108 und berechnet die zweckmäßigen Metriken, die zum Beispiel Folgendes umfassen können: Kreuzkorrelation zwischen Sequenzen und Rauschen (siehe Arbeitsvorgang 510), Spektraldichte des Rauschens, Test auf weißes Rauschen, Impulsindex, Vorhandensein von Stoßrauschen und andere Rauschwahrscheinlichkeitsverteilungs-Tests (siehe Arbeitsvorgang 512) sowie andere heuristische Tests.
  • Die Tests können auch Tests umfassen, die Rauschen bestimmen, das in das Modulationsverfahren eingeführt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Modulationsverfahren Phasenmodulation pulsen, derart, dass eine Pulsphasenmodulations-Fehlerrate berechnet werden kann (siehe Arbeitsvorgang 514). In einer Ausführung des Pulsphasenmodulations-Verfahrens kann ein Puls in einen von zwei angrenzenden Zeitbehältern gesetzt werden, um eine Null (0) oder eine Eins (1) darzustellen. Wenn der Puls zum Beispiel in einen ersten Behälter gesetzt wird, kann der Puls als eine Eins dargestellt werden, wohingegen der Puls als eine Null dargestellt werden kann, wenn der Puls in einen zweiten Behälter gesetzt wird. Eine Möglichkeit, diesen Typ von Rauschen zu kennzeichnen, ist das Integrieren des Signals, das in beiden Zeitbehältern vorhanden ist, und das Vergleichen des Integrals mit einem Schwellenwert, der dem Integral eines Pulses entspricht. Wenn das Integral nicht mit der Entsprechung des einen Pulses übereinstimmt (d.h. des Pulses, der im ersten Behälter dargestellt wird), wird davon ausgegangen, dass ein Pulsphasenfehler aufgetreten ist.
  • Wie im Arbeitsvorgang 516 gezeigt, wird das Ergebnis dieser Tests und Metriken dann verwendet, um die erwartete (oder potentielle) Bitfehlerrate (PBER) zu berechnen, zum Beispiel entweder durch eine direkte Berechnung oder durch eine Nachschlagetabelle und Interpolation – falls notwendig. Es können verschiedene zusätzliche Parameter erforderlich sein, um diese Metrik zu berechnen. Diese Parameter können Folgendes umfassen: die Pulsenergie, Pulse pro Bit (wenn eine CDMA-Anordnung verwendet wird), die Spektraldichte des Rauschens, Rauschtyp und Modulationstyp.
  • Nachdem die PBER berechnet wurde, wird dem Code im Arbeitsvorgang 518 eine Bewertung zugeordnet und der Code wird dann im Arbeitsvorgang 520 einem Datentyp zugeteilt. Der Code und die Informationen, die seine Bewertung und seinen Datentyp betreffen, werden dann in der Datenbank 110 gespeichert.
  • 6 veranschaulicht einen Graph 600, der einen Typ von funktioneller Beziehung zeigt, die oft zwischen der BER 602 und dem Verhältnis zwischen Pulsenergie (Eb) und Spektraldichte des Rauschens (N0) 604 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefunden wird. Solche Beziehungen sind abhängig vom Modulationstyp und anderen Faktoren und werden am besten empirisch abgeleitet. Wenn die Daten empirisch sind, können sie in einer Nachschlagetabelle gepflegt werden und die Werte können unter Verwendung von Standardtechniken interpoliert werden, wie im Arbeitsvorgang 516 dargelegt.
  • In einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verkehrsgüteklasse die Eignung des Kanals für einen bestimmten Datentyp. In einem solchen Gesichtspunkt können die Verkehrsgüteklassen eine Verkehrsgüteklasse, die für alphanumerische Daten geeignet ist, eine Verkehrsgüteklasse, die für Videodaten geeignet ist, eine Verkehrsgüteklasse, die für Audiodaten geeignet ist, und eine Verkehrsgüteklasse, die nicht für Daten geeignet ist, umfassen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Kanal basierend auf der Bewertung des Kanals zur Zuteilung in seine zugeordnete Verkehrsgüteklasse priorisiert oder klassifiziert werden. Zusätzlich können diese Informationen, die die Priorität des klassifizierten Kanals betreffen, auch in der Datenbank gespeichert werden.
  • 7 ist ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Ausführen der digitalen Signalverarbeitungsfunktionen des Arbeitsvorgangs 520 durch den Controller 106 der Datenbank zum Maximieren der Dienstgüte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Arbeitsvorgang 702 verwendet der Controller der Datenbank die zugeordnete Bewertung, die im Arbeitsvorgang 518 von 5 erhalten wurde, um den Wert zu bestimmen, der im Datentypfeld der Datenbank zu setzen ist. Der Wert kann auf Kategorien von Datenqualität basieren, wie zum Beispiel: „gut genug für digitale Dokumente", „gut genug für Video", „gut genug für Audio" und „zu viel Rauschen für sämtliche Datentypen".
  • Der Controller der Datenbank 110 erzeugt dann dynamische Tabellen von nicht zugeteilten Codes des gleichen Typs, um sie im Arbeitsvorgang 704 auf dynamische Art und Weise zu handhaben. Im Arbeitsvorgang 706 werden die Tabellen anhand von der ursprünglichen Bewertung der Codes sortiert, um im Arbeitsvorgang 708 die besten Codes in der Zuteilungswarteschleife vorne anzuordnen. Der Controller 106 der Datenbank aktualisiert dann im Arbeitsvorgang 710 die Datenbank 110 basierend auf den dynamischen Tabellen, derart, dass die Mehrfachzugriffscodes, Codezuordnungen und die Codepriorität in der dynamischen Codedatenbank 110 gespeichert werden. Mit diesem Verfahren ermöglicht das Neuzuteilen der Codepriorität das Erreichen der höchstmöglichen Dienstgüte.
  • Das folgende veranschaulichende Beispiel wird bereitgestellt, um die Verfahren, die in 5 und 7 dargelegt werden, weiter zu erklären und bei deren Verständnis zu helfen. Es wird angenommen, dass für die Kanäle vier Kategorien von Datenqualität vorhanden sind, die Folgendes umfassen: eine erste Kategorie für digitale Dokumentenqualität, eine zweite Kategorie für Videoqualität, eine dritte Kategorie für Audioqualität und eine vierte Kategorie, die für sämtliche Daten nicht gut genug ist. Jede Kategorie kann einen Bereich von Bewertungen (basierend auf der PBER siehe 5) aufweisen, die mit ihr verbunden sind. Wenn die Bewertungen, die dem Kanal im Arbeitsvorgang 518 zugeordnet werden, zwischen 10 und 1 liegen, wobei 10 die beste Bewertung und 1 die schlechteste Bewertung ist, können die Bewertungen derart unter den Kategorien aufgeteilt werden, dass (lediglich als veranschaulichendes Beispiel) die erste Kategorie mit dem Bereich von Bewertungen zwischen 10 und 9 verbunden ist, die zweite Kategorie mit dem Bereich von Bewertungen zwischen 8 und 7 verbunden ist, die dritte Kategorie mit dem Bereich von Bewertungen zwischen 6 und 5 verbunden ist, und die vierte Kategorie mit dem Bereich von Bewertungen zwischen 4 und 1 verbunden ist.
  • So wird, wenn einem Kanal durch Befolgen der Verfahren, die in 5 und 7 dargelegt werden (siehe Arbeitsvorgänge 520, 702 und 704):
    • (i) eine Bewertung zwischen 10 und 9 zugeteilt wird, der Kanal in die erste Kategorie klassifiziert,
    • (ii) eine Bewertung zwischen 8 und 7 zugeteilt wird, der Kanal in die zweite Kategorie klassifiziert,
    • (iii) eine Bewertung zwischen 6 und 5 zugeteilt wird, der Kanal in die dritte Kategorie klassifiziert, und
    • (iv) eine Bewertung zwischen 4 und 1 zugeteilt wird, der Kanal in die vierte Kategorie klassifiziert.
  • Als Nächstes werden die Kanäle derart in ihrer zugeordneten Kategorie sortiert, dass die Kanäle so geordnet werden, dass die Kanäle mit der besten Bewertung in ihrer entsprechenden Kategorie zuerst kommen, derart, dass die Kanäle mit der besten Bewertung in jeder Kategorie eine höhere Priorität aufweisen als die Kanäle mit der schlechtesten Bewertung in der gleichen Kategorie. Zum Beispiel werden in der ersten Kategorie diejenigen Kanäle, die eine Bewertung aufweisen, die näher an 10 liegt, in der Priorität höher eingeordnet als diejenigen Kanäle, die eine Bewertung aufweisen, die näher an 9 liegt Zur Veranschaulichung wird angenommen, dass vier Kanäle mit den folgenden Bewertungen in die erste Kategorie klassifiziert wurden: Kanal 1-9,6, Kanal 2-9,2, Kanal 3-9,4, und Kanal 4-9,8. Dann würden diese Kanäle in der ersten Kategorie sortiert und nach Priorität (von der höchsten Priorität zur niedrigsten Priorität) wie folgt geordnet: Kanal 4, Kanal 1, Kanal 3 und (als letztes, mit der niedrigsten Priorität) Kanal 2.
  • 8 ist ein schematisches Diagramm, das ein Verfahren 800 zum Pflegen einer dynamischen Kanaldatenbank in einer Ultrabreitbandkommunikations-Rahmenumgebung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der nicht zugeteilte Kanal von der Datenbank erhalten werden. Insbesondere kann in einem solchen Gesichtspunkt einer solchen Ausführungsform der Controller 106 der Datenbank die Codes periodisch unter Verwendung des Rauschabtasters 108 und der digitalen Signalverarbeitungsfunktionen (wie in den vorhergehenden Figuren erläutert) testen, um zu bestimmen, ob die Verkehrsgüteklasse des Kanals geändert werden muss (siehe Arbeitsvorgänge 802 und 804). Wenn bestimmt wird, dass die Verkehrsgüteklasse/Klassifizierung des Kanals tatsächlich geändert werden muss, dann wird die Verkehrsgüteklasse des Kanals in die zweckmäßige Verkehrsgüteklasse geändert.
  • Immer noch mit Bezug auf 8 kann der Controller 106 der Datenbank auch tatsächliche Bitfehlerraten-Statistiken über Codes sammeln, die verwendet werden, um sie in die richtigen Kategorien zu setzen, nachdem sie freigegeben wurden. In einer solchen Ausführungsform können Informationen, die die Verwendung eines Kanals betreffen, empfangen werden, wenn ein Benutzer die Verwendung des Kanals aufgibt (siehe Arbeitsvorgang 806). Von den empfangenen Informationen kann eine tatsächliche Bitfehlerrate für den aufgegebenen Kanal bestimmt werden, derart, dass dem aufgegebenen Kanal im Arbeitsvorgang 808 eine Bewertung basierend auf der tatsächlichen Bitfehlerrate (anstatt auf der potentiellen Bitfehlerrate) zugewiesen werden kann. Nachdem die Bewertung zugeordnet wurde, kann der Kanal in die zweckmäßige Verkehrsgüteklasse klassifiziert werden (siehe Arbeitsvorgang 810) und die Datenbank kann aktualisiert werden, um die Verkehrsgüteklasse des Kanals anzugeben, die auf der tatsächlichen Bitfehlerrate basiert, und dass der Kanal zur Verwendung verfügbar ist.
  • In einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann der Controller der Datenbank, wenn ein Mobiltelefonbenutzer einen Kanal anfordert, die Datenbank nach dem richtigen Typ durchsuchen und teilt den besten verfügbaren Kanal zuerst zu (ein anderer Arbeitsvorgang ist das Zuteilen des Kanals basierend auf den Qualitätsanforderungen des jeweiligen Benutzers). Nachdem ein Kanal zugeteilt wurde, wird er in der Datenbank mit „wird verwendet" gekennzeichnet. Insbesondere kann mit Bezug auf 8 im Arbeitsvorgang 812 eine Anforderung nach einem Kanal von einem Anforderer empfangen werden. Die Datenbank kann dann im Arbeitsvorgang 814 durchsucht werden, um einen Kanal zu erhalten, der zum Erfüllen der Anforderung geeignet ist. Nachdem er erhalten wurde, wird der geeignete Kanal dem Anforderer im Arbeitsvorgang 816 zugeteilt und der Anforderer wird im Arbeitsvorgang 818 zur Verwendung des zugeteilten Kanals benachrichtigt. Zusätzlich wird in der Datenbank 110 eine Anzeige vorgenommen, um anzuzeigen, dass der zugeteilte Kanal nun verwendet wird (siehe Arbeitsvorgang 820).
  • Zum Beispiel wird unter Verwendung des vorhergehend bei der Erläuterung von 5 und 7 dargelegten veranschaulichenden Szenarios angenommen, dass der Anforderer einen Kanal benötigt, der zum Übertragen digitaler Dokumente geeignet ist. Dann würde die Datenbank durchsucht, um zu bestimmen, welche Kanäle in die erste Kategorie (die mit dem Kanal verbunden ist, der zum Übermitteln digitaler Dokumente geeignet ist) klassifiziert wurden. Der Controller der Datenbank würde dann bestimmen, ob der Kanal 4 (der eine Bewertung von 9,8 aufweist und deshalb der am besten geeignete Kanal in der ersten Kategorie ist) verfügbar wäre, um dem Anforderer zugeteilt zu werden. Wenn der Kanal 4 verfügbar ist, dann würde der Anforderer benachrichtigt, den Kanal 4 zu verwenden, und es würde in der Datenbank eine Anzeige vorgenommen, dass der Kanal 4 nun verwendet wird. Wenn andererseits herausgefunden wird, dass der Kanal 4 nicht verfügbar ist (z.B. bereits verwendet wird), dann würde der Controller der Datenbank die Datenbank nach dem am nächstbesten geeigneten Kanal in der ersten Kategorie durchsuchen – Kanal 1 (der eine Bewertung von 9,6 aufweist) und bestimmen, ob der Kanal 1 verfügbar wäre und so weiter.
  • 9 veranschaulicht eine typische Hardwareumgebung 900, durch die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden können. In der vorliegenden Beschreibung können die verschiedenen Teil-Bestandteile von jedem der Bestandteile auch als Bestandteile des Systems betrachtet werden. Zum Beispiel können bestimmte Softwaremodule, die auf irgendeinem Bestandteil des Systems ausgeführt werden, auch als Bestandteile des Systems betrachtet werden. Die Hardwarekonfiguration 900, die in 9 veranschaulicht wird, umfasst eine Zentraleinheit 902, wie beispielsweise einen Mikroprozessor, und eine Anzahl von anderen Einheiten, die über einen Systembus 904 miteinander verbunden sind.
  • Der Arbeitsplatz 900, der in 9 gezeigt wird, umfasst einen Drektzugriffsspeicher (Random Access Memory – RAM) 906, einen Nur-Lese-Speicher (Read Only Memory – ROM) 908, einen E/A-Adapter 910 zum Verbinden von Peripheriegeräten, wie beispielsweise Plattenspeichereinheiten 912 mit dem Bus 904, einen Benutzerschnittstellenadapter 914 zum Verbinden einer Tastatur 916, einer Maus 918, eines Lautsprechers 920, eines Mikrofons 922, und/oder anderer Benutzerschnittstellengeräte wie beispielsweise ein berührungsempfindlicher Bildschirm (nicht gezeigt) mit dem Bus 904, einen Kommunikationsadapter 924 zum Verbinden des Arbeitsplatzes mit einem Kommunikationsnetz 926 (z.B. einem Datenverarbeitungsnetz) und einen Anzeigeadapter 928 zum Verbinden des Busses mit einer Anzeigevorrichtung 930.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung von JAVA, C und der Sprache C++ geschrieben werden und objektorientierte Programmierverfahren verwenden. Objektorientierte Programmierurig (OOP) wird in zunehmendem Maße zur Entwicklung komplexer Anwendungen verwendet. Da OOP sich der Hauptströmung der Softwareplanung und -entwicklung annähert, erfordern viele Softwarelösungen eine Anpassung, um die Vorzüge von OOP nutzen zu können. Es besteht ein Bedarf daran, dass diese Grundsätze von OOP auf eine Messaging-Schnittstelle eines elektronischen Messaging-Systems angewandt werden, derart, dass ein Satz von OOP-Klassen und Objekten für die Messaging-Schnittstelle bereitgestellt werden kann.
  • OOP ist ein Verfahren zum Entwickeln von Computersoftware unter Verwendung von Objekten, das die Schritte des Analysieren des Problems, des Planens des Systems und des Konstruierens des Programms umfasst. Ein Objekt ist ein Softwarepaket, das sowohl Daten als auch eine Sammlung von damit verbundenen Strukturen und Verfahren enthält. Da es sowohl Daten als auch eine Sammlung von Strukturen und Verfahren enthält, kann es als eine unabhängige Komponente betrachtet werden, die keine zusätzlichen Strukturen, Verfahren oder Daten erfordert, um seine spezifische Aufgabe auszuführen. Deshalb sieht OOP ein Computerprogramm als eine Sammlung von weitgehend autonomen Komponenten, die Objekte genannt werden, an, von denen jedes für eine spezifische Aufgabe verantwortlich ist. Dieses Konzept des gemeinsamen Verpacken von Daten, Strukturen und Verfahren in einer Komponente oder einem Modul wird Einkapselung genannt.
  • Im Allgemeinen sind OOP-Komponenten wieder verwendbare Softwaremodule, die eine Schnittstelle aufweisen, die sich an ein Objektmodell anpasst und auf die bei Laufzeit über eine Komponentenintegrationsarchitektur zugegriffen wird. Eine Komponentenintegrationsarchitektur ist ein Satz von Architekturmechanismen, die es Softwaremodulen in unterschiedlichen Verfahrensräumen ermöglichen, gegenseitig ihre Fähigkeiten und Funktionen zu verwenden. Dies erfolgt allgemein, indem ein gemeinsames Komponentenobjektmodell vorgegeben wird, auf dem die Architektur aufzubauen ist. Es lohnt sich, an dieser Stelle zwischen einem Objekt und einer Klasse von Objekten zu unterscheiden. Ein Objekt ist eine einzelne Instanz der Klasse von Objekten, die oft einfach nur Klasse genannt wird. Eine Klasse von Objekten kann als eine Blaupause angesehen werden, von der viele Objekte gebildet werden können.
  • OOP ermöglicht es dem Programmierer, ein Objekt zu erzeugen, das ein Teil eines anderen Objekts ist. Zum Beispiel steht das Objekt, das einen Kolbenmotor darstellt, in einer Kompositionsbeziehung mit dem Objekt, das einen Kolben darstellt. Tatsächlich umfasst ein Kolbenmotor einen Kolben, Ventile und viele andere Bauteile; die Tatsache, dass ein Kolben ein Bestandteil eines Kolbenmotors ist, kann in OOP logisch und semantisch durch zwei Objekte dargestellt werden.
  • OOP ermöglicht auch die Erzeugung eines Objekts, das von einem anderen Objekt „abhängig ist". Wenn zwei Objekte vorhanden sind, von denen eines einen Kolbenmotor darstellt, und das andere einen Kolbenmotor darstellt, in dem der Kolben aus Keramik hergestellt ist, dann ist die Beziehung zwischen den zwei Objekten nicht diejenige einer Komposition. Ein Keramikkolbenmotor macht keinen Kolbenmotor aus. Stattdessen ist er lediglich ein Typ von Kolbenmotor, der gegenüber dem Kolbenmotor eine zusätzliche Einschränkung aufweist; sein Kolben ist aus Keramik hergestellt. In diesem Fall wird das Objekt, das den Keramikkolbenmotor darstellt, ein abgeleitetes Objekt genannt und es erbt alle Gesichtspunkte des Objekts, das den Kolbenmotor darstellt, und fügt weitere Einschränkungen oder Einzelheiten dazu hinzu. Das Objekt, das den Keramikkolbenmotor darstellt, „ist abhängig von" dem Objekt, das den Kolbenmotor darstellt. Die Beziehung zwischen diesen Objekten wird Vererbung genannt.
  • Wenn das Objekt oder die Klasse, die den Keramikkolbenmotor darstellt, alle Gesichtspunkte der Objekte erbt, die den Kolbenmotor darstellen, erbt es die Wärmeeigenschaften eines Standardkolbens, die in der Kolbenmotorklasse definiert sind. Das Objekt Keramkkolbenmotor gibt diesen für Keramik spezifischen Wärmeeigenschaften, die sich typischerweise von denjenigen unterscheiden, die mit einem Metallkolben verbunden sind, den Vorrang. Es überspringt das Original und verwendet neue Funktionen, die mit Keramikkolben verbunden sind. Unterschiedliche Typen von Kolbenmotoren weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, können aber die gleichen zugrunde liegenden Funktionen, die damit verbunden sind, aufweisen (z.B. Anzahl von Kolben im Motor, Zündfolge, Schmierung, usw.). Um auf jede dieser Funktionen in einem Kolbenmotorobjekt zuzugreifen, würde ein Programmierer die gleichen Funktionen mit den gleichen Namen aufrufen, aber jeder Typ von Kolbenmotor kann unterschiedliche/den Vorrang aufweisende Ausführungen von Funktionen hinter dem gleichen Namen aufweisen. Diese Fähigkeit, unterschiedliche Ausführungen einer Funktion hinter dem gleichen Namen zu verstecken, wird Polymorphismus genannt und erleichtert die Kommunikation zwischen den Objekten erheblich.
  • Mit den Begriffen Kompositionsbeziehung, Einkapselung, Vererbung und Polymorphismus kann ein Objekt nahezu alles in der Realität darstellen. Tatsächlich ist die eigene logische Wahrnehmung der Realität die einzige Einschränkung beim Bestimmen der Arten von Dingen, die in objektorientierter Software Objekte werden können. Einige typische Kategorien sind die Folgenden:
    • • Objekte können physische Objekte darstellen, wie beispielsweise Automobile in einer Simulation des Verkehrsflusses, elektrische Bauteile in einem Programm zur Darstellung von Schaltkreisen, Länder in einem ökonomischen Modell oder ein Flugzeug in einem Flugverkehrs-Kontrollsystem.
    • • Objekte können Bestandteile einer Computerbenutzerumgebung darstellen, wie beispielsweise Fenster, Menüs oder Grafikobjekte.
    • • Ein Objekt kann ein Bestandsverzeichnis, wie beispielsweise eine Personaldatei oder eine Tabelle von Breiten- und Längengraden von Städten, darstellen.
    • • Ein Objekt kann benutzerdefinierte Datentypen, wie beispielsweise Zeit, Winkel und komplexe Zahlen oder Punkte auf der Ebene, darstellen.
  • Mit dieser enormen Fähigkeit eines Objekts zum Darstellen von irgendwelchen logisch trennbaren Gegenständen, ermöglicht OOP es dem Softwareentwickler, ein Computerprogramm zu planen und auszuführen, das ein Modell einiger Gesichtspunkte der Realität ist, egal, ob diese Realität eine physische Einheit, ein Verfahren, ein System oder eine Zusammensetzung von Stoffen ist. Da das Objekt alles darstellen kann, kann der Entwickler ein Objekt erzeugen, das in der Zukunft als eine Komponente in einem größeren Softwareprojekt verwendet werden kann.
  • Wenn 90% des neuen OOP-Softwareprogramms aus geprüften bestehenden Komponenten besteht, die aus bereits bestehenden wieder verwendbaren Objekten hergestellt sind, dann müssen nur die übrigen 10% des neuen Softwareprojekts von Grund auf geschrieben und getestet werden. Da 90% bereits von einem Bestand von ausgiebig getesteten wieder verwendbaren Objekten stammen, entspricht der potentielle Bereich, in dem ein Fehler seinen Ursprung haben könnte, 10% des Programms. Daher ermöglicht OOP es Softwareentwicklern, Objekte ausgehend von anderen, vorhergehend aufgebauten Objekten aufzubauen.
  • Dieses Verfahren ähnelt sehr komplexen Maschinen, die am Zusammenbauten und Unterzusammenbauten zusammengebaut werden. Durch die OOP-Technologie wird Softwaretechnik der Hardwaretechnik insofern ähnlicher, als dass die Software aus bestehenden Komponenten aufgebaut wird, die dem Entwickler als Objekte zur Verfügung stehen. All dies macht eine verbesserte Qualität der Software sowie eine größere Schnelligkeit bei deren Entwicklung aus.
  • Die Programmiersprachen beginnen damit, die OOP-Grundsätze, wie beispielsweise Einkapselung, Vererbung, Polymorphismus und Kompositionsbeziehung vollständig zu unterstützen. Mit dem Aufkommen der Sprache C++ haben viele Entwickler von im Handel erhältlicher Software sich OOP zu Eigen gemacht. C++ ist eine OOP-Sprache, die einen schnellen, maschinenausführbaren Code bietet. Ferner ist C++ sowohl für im Handel erhältliche Anwendungs- als auch für Systemprogrammierprojekte geeignet. Vorläufig scheint C++ unter vielen OOP-Programmierern die beliebteste Wahl zu sein aber es sind viele andere OOP-Sprachen verfügbar, wie beispielsweise Smalltalk, Common Lisp Object System (CLOS) und Eiffel. Zusätzlich werden OOP-Fähigkeiten zu herkömmlicheren beliebten Computerprogrammiersprachen wie beispielsweise Pascal hinzugefügt.
  • Die Vorteile von Objektklassen können wie folgt zusammengefasst werden:
    • • Objekte und ihre entsprechenden Klassen gliedern komplexe Programmierprobleme in viele kleinere und einfachere Probleme auf.
    • • Die Einkapselung erzwingt durch die Organisation von Daten in kleine unabhängige Objekte, die miteinander kommunizieren können, Datenabstraktion. Die Einkapselung schützt die Daten in einem Objekt vor unbeabsichtigter Beschädigung, erlaubt es aber anderen Objekten, mit diesen Daten durch Aufrufen der Funktionen und Strukturen der Mitglieder des Objekts zu interagieren.
    • • Das Einteilen in Unterklassen und die Vererbung ermöglichen die Erweiterung und Veränderung von Objekten durch das Ableiten neuer Arten von Objekten von den Standardklassen, die im System verfügbar sind. So werden neue Fähigkeiten erzeugt, ohne, dass von Grund auf neu angefangen werden muss.
    • • Polymorphismus und mehrfache Vererbung ermöglichen es mehreren Programmierern, Eigenschaften von vielen unterschiedlichen Klassen zu mischen und abzugleichen und spezialisierte Objekte zu erzeugen, die immer noch auf vorhersehbare Weise mit verbundenen Objekten arbeiten können.
    • • Klassenhierarchien und Enthaltenseinshierarchien stellen einen flexiblen Mechanismus zum Modellieren von Objekten aus der Realität und den Beziehungen zwischen ihnen bereit.
    • • Bibliotheken von wieder verwendbaren Klassen sind in vielen Situationen nützlich, sie können aber auch einige Einschränkungen aufweisen. Zum Beispiel:
    • • Komplexität. In einem komplexen System können die Klassenhierarchien für verbundene Klassen mit duzenden oder sogar hunderten von Klassen extrem verwirrend werden.
    • • Steuerungsfluss. Ein Programm, das mit Hilfe von Klassenbibliotheken geschrieben wurde, ist immer noch verantwortlich für den Steuerungsfluss (d.h. es muss die Interaktionen zwischen allen Objekten steuern, die von einer bestimmten Bibliothek erzeugt wurden). Der Programmierer muss entscheiden, welche Funktionen zu welchen Zeitpunkten und für welche Arten von Objekten aufzurufen sind.
    • • Verdoppelung des Arbeitsaufwands. Obgleich Klassenbibliotheken es Programmierern ermöglichen, viele kleine Sticke von Code zu verwenden und wieder zu verwenden, fügt jeder Programmierer diese Stücke auf unterschiedliche Art und Weise zusammen. Zwei unterschiedliche Programmierer können den gleichen Satz von Klassenbibliotheken verwenden, um zwei Programme zu schreiben, die genau die gleiche Funktion ausführen, aber deren interne Struktur (d.h. Plan) sich, in Abhängigkeit von hunderten von kleinen Entscheidungen, die jeder Programmierer während seiner Arbeit trifft, sehr unterscheiden können. Es lässt sich nicht vermeiden, dass ähnliche Stücke von Code letztendlich auf leicht unterschiedliche Art und Weise die gleichen Dinge tun und nicht so gut zusammenarbeiten, wie sie sollten.
  • Klassenbibliotheken sind sehr flexibel. In dem Maße, in dem die Komplexität von Programmen zunimmt, werden mehr Programmierer dazu gezwungen, immer wieder von neuem grundlegende Lösungen für grundlegende Probleme wieder zu erfinden. Eine relativ neue Erweiterung des Klassenbibliothekbegriffs ist das Vorhandensein einer Rahmenumgebung von Klassenbibliotheken. Diese Rahmenumgebung ist komplexer und besteht aus bedeutenden Sammlungen von zusammenwirkenden Klassen, die sowohl die Muster kleiner Größenordnung als auch große Mechanismen erfassen, die die gemeinsamen Anforderungen und den gemeinsamen Plan in einem spezifischen Anwendungsbereich ausführen. Sie wurden erst entwickelt, um Anwendungsprogrammierer von den unangenehmen Aufgaben zu befreien, die mit dem Anzeigen von Menüs, Fenstern, Dialogfenstern und anderen Bestandteilen von Standardbenutzerschnittstellen für Personalcomputer verbunden sind.
  • Rahmenumgebungen stellen auch einen Wechsel in der Art dar, in der Programmierer über die Interaktion zwischen dem Code, den sie schreiben, und dem Code, der durch andere geschrieben wurde, nachdenken. In der Anfangszeit der prozeduralen Programmierung rief der Programmierer Bibliotheken auf, die durch das Betriebssystem bereitgestellt wurden, um bestimmte Aufgaben auszuführen, aber das Programm führte die Seite von Anfang bis Ende durch und der Programmierer trug lediglich die Verantwortung für den Steuerungsfluss. Dies war zweckmäßig für das Ausdrucken von Gehaltschecks, das Berechnen einer mathematischen Tabelle oder das Lösen anderer Probleme in einem Programm, das auf nur eine Art und Weise ausgeführt wurde.
  • Die Entwicklung von grafischen Benutzerschnittstellen führte zur Umkrempelung dieses Ansatzes bei der prozeduralen Programmierung. Diese Schnittstellen ermöglichen es dem Benutzer anstatt der Programmlogik das Programm zu führen, und zu entscheiden, wann bestimmte Tätigkeiten ausgeführt werden sollten. Heute erreicht dies der größte Teil der Personalcomputersoftware mittels einer Ereignisschleife, die die Maus, die Tastatur und andere Quellen externer Ereignisse überwacht und die zweckmäßigen Teile des Codes des Programmierers gemäß den Tätigkeiten, die der Benutzer ausführt, aufruft. Der Programmierer bestimmt nicht mehr die Reihenfolge, in der die Ereignisse stattfinden. Stattdessen ist das Programm in getrennte Stücke unterteilt, die zu unvorhersehbaren Zeitpunkten und in einer unvorhersehbaren Reihenfolge aufgerufen werden. Durch dieses Aufgeben der Steuerung an die Benutzer erzeugt der Entwickler ein Programm, das viel einfacher zu verwenden ist. Nichtsdestotrotz rufen einzelne Stücke des Programms, das durch den Entwickler geschrieben wurde, weiterhin Bibliotheken auf, die durch das Betriebssystem bereitgestellt werden, um bestimmte Aufgaben zu erfüllen, und der Programmierer muss immer noch innerhalb von jedem Stück den Steuerungsfluss bestimmen, nachdem es aufgerufen wurde. Der Anwendungscode „steht immer noch über" dem System.
  • Sogar Ereignisschleifenprogramme erfordern, dass Programmierer viel Code schreiben müssen, der nicht für jede Anwendung getrennt zu schreiben sein sollte. Das Konzept einer Anwendungsrahmenumgebung entwickelt das Konzept der Ereignisschleife weiter. Anstatt mit sich mit allen praktischen Grundlagen des Aufbaus von grundlegenden Menüs, Fenstern und Dialogfenstern zu beschäftigen, beginnen die Programmierer, die Anwendungsrahmenumgebungen verwenden, mit funktionierendem Anwendungscode und bereits vorhandenen grundlegenden Benutzerschnittstellen-Bestandteilen. Anschließend bauen sie diese ausgehend von dort durch Ersetzen einiger der generischen Fähigkeiten der Rahmenumgebung durch spezifische Fähigkeiten der beabsichtigten Anwendung aus.
  • Anwendungsrahmenumgebungen verringern den Gesamtbetrag von Code, den ein Programmierer von Grund auf schreiben muss. Der Programmierer kann indes die Steuerung in einem höheren Maße aufgeben als Ereignisschleifenprogramme dies erlauben, da die Rahmenumgebung wirklich eine generische Anwendung ist, die Fenster anzeigt, Kopieren und Einfügen unterstützt, und so weiter. Der Code der Rahmenumgebung kümmert sich um die Handhabung nahezu aller Ereignisse und des Steuerungsflusses und der Code des Programmierers wird nur aufgerufen, wenn die Rahmenumgebung dies erfordert (z. B. zum Erzeugen oder Handhaben einer propriäteren Datenstruktur).
  • Ein Programmierer, der ein Rahmenumgebungsprogramm schreibt, gibt nicht nur die Steuerung an den Benutzer ab (was auch für Ereignisschleifenprogramme gilt), sondern gibt auch die Einzelheiten des Steuerungsflusses innerhalb des Programms an die Rahmenumgebung ab. Dieser Ansatz ermöglicht die Erzeugung von komplexeren Systemen, die auf interessante Arten zusammenarbeiten, im Gegensatz zu isolierten Programmen, die benutzerdefinierten Code aufweisen, der für ähnliche Probleme immer wieder neu erzeugt wird.
  • So ist eine Rahmenumgebung, wie vorhergehend erklärt, im Grunde eine Sammlung von zusammenwirkenden Klassen, die eine wieder verwendbare Konstruktionslösung für einen gegebenen Problembereich ausmachen. Es umfasst typischerweise Objekte, die Default-Verhalten (z.B. für Menüs und Fenster) bereitstellen, und Programmierer verwenden es durch Vererbung von etwas von diesem Default-Verhalten und, indem sie anderem Verhalten den Vorrang geben, derart, dass die Rahmenumgebung zu den zweckmäßigen Zeitpunkten den Anwendungscode aufruft.
  • Es bestehen drei Hauptunterschiede zwischen Rahmenumgebungen und Klassenbibliotheken:
    • • Verhalten gegen Protokoll. Klassenbibliotheken sind im Wesentlichen Sammlungen von Verhalten, die aufgerufen werden können, wenn diese einzelnen Verhalten im Programm gewünscht sind. Andererseits stellt eine Rahmenumgebung nicht nur Verhalten sondern auch das Protokoll oder den Satz von Regeln bereit, das/der die Arten steuert, auf die Verhalten kombiniert werden können, einschließlich Regeln dafür, was ein Programmierer gegenüber dem, was die Rahmenumgebung bereitstellt, bereitstellen sollte.
    • • Aufruf gegen Vorrang. Mit einer Klassenbibliothek instanziiert der Code des Programmierers Objekte und ruft ihre Elementfunktionen auf. Es ist möglich, Objekte mit der Rahmenumgebung auf die gleiche Weise zu instanziieren und aufzurufen (d.h., die Rahmenumgebung als eine Klassenbibliothek zu behandeln), aber um die Vorteile einer wieder verwendbaren Konstruktion einer Rahmenumgebung voll zu nutzen, schreibt der Programmierer typischerweise Code, der den Vorrang besitzt und der durch die Rahmenumgebung aufgerufen wird. Die Rahmenumgebung verwaltet den Steuerungsfluss unter ihren Objekten. Das Schreiben eines Programms umfasst das Unterteilen der Verantwortung unter den verschiedenen Teilen von Software, die durch die Rahmenumgebung aufgerufen werden, anstatt anzugeben, wie die unterschiedlichen Stücke zusammenarbeiten sollten.
    • • Ausführung gegen Plan. Mit Klassenbibliotheken verwenden Programmierer nur Ausführungen wieder, während sie bei Rahmenumgebungen den Plan wieder verwenden. Eine Rahmenumgebung führt die Art aus, in der eine Familie von verbundenen Programmen oder Teile von Software arbeiten. Es stellt eine generische Konstruktionslösung bereit, die an eine Vielzahl von spezifischen Problemen in einem gegebenen Bereich angepasst werden können. Zum Beispiel kann eine einzige Rahmenumgebung die Art ausführen, auf die eine Benutzerschnittstelle arbeitet, obgleich zwei unterschiedliche Benutzerschnittstellen, die mit der gleichen Rahmenumgebung erzeugt wurden, sehr unterschiedliche Schnittstellenprobleme lösen könnten.
  • So können durch die Entwicklung von Rahmenumgebungen für Lösungen auf verschiedene Probleme und Programmieraufgaben beträchtliche Verringerungen im Arbeitsaufwand für Planung und Entwicklung von Software erzielt werden.
  • Drahtlos betrifft ein Kommunikation-, Überwachungs- oder Steuerungssystem, in dem ein elektromagnetisches Strahlungsspektrum oder akustische Wellen ein Signal durch atmosphärischen Raum anstatt einem Draht entlang übertragen. In den meisten drahtlosen Systemen werden Hochfrequenz-(HF) oder Infrarot-(IR) Übertragungswellen verwendet Einige Überwachungseinrichtungen, wie beispielsweise Einbruchalarm, verwenden akustische Wellen mit Frequenzen, die oberhalb des durch Menschen hörbaren Bereichs liegen.
  • Frühe Experimentatoren im Bereich der Physik der Elektromagnetik träumten davon, einen so genanten drahtlosen Telegraphen zu bauen. Die ersten drahtlosen Telegraphensender gingen in den frühen Jahren des 20. Jahrhunderts auf Sendung. Später, als die Amplitudenmodulation (AM) das drahtlose Übertragen von Stimmen und Musik ermöglichte, wurde das Medium Funk genannt. Mit dem Aufkommen von Fernsehen, Fax, Datenkommunikation und der effektiven Verwendung eines größeren Teils des elektromagnetischen Spektrums wurde der ursprüngliche Begriff wieder ins Leben gerufen.
  • Alltägliche Beispiele von drahtloser Ausrüstung, die heute verwendet werden, umfassen das globale Positionierungssystem, zellulare Telefone und Funkrufempfänger, schnurloses Computerzubehör (zum Beispiel die schnurlose Maus), Bediengeräte für Heimunterhaltungssysteme, ferngesteuerte Garagentoröffner, Funkgeräte und Babyfone. Eine steigende Anzahl von Unternehmen und Organisationen verwendet Funknetzwerke. Drahtlose Sende- und Empfangseinrichtungen sind zur Verbindung mit tragbaren Computer und Notebooks verfügbar, wodurch in ausgewählten Städten Internet-Zugang ermöglicht wird, ohne dass dazu ein Telefonstecker gefunden werden muss. Letzten Endes wird es möglich sein, irgendeinen Computer über Satellit mit dem Internet zu verbinden, unabhängig davon, wo auf der Welt der Computer sich befindet.
  • Eine Bitfehlerrate (Bit Error Rate – BER) in der Telekommunikationsübertragung ist der Prozentsatz von Bits, die Fehler aufweisen, in Bezug auf die Gesamtanzahl von Bits, die in einer Übertragung empfangen werden, gewöhnlich ausgedrückt als zehn zu einer negativen Potenz. Eine Übertragung kann zum Beispiel eine BER von 10 hoch minus 6 aufweisen, was bedeutet, dass von 1'000'000 übertragenen Bits ein Bit einen Fehler aufweist. Die BER ist eine Anzeige davon, wie oft ein Paket oder eine andere Dateneinheit aufgrund eines Fehlers wieder übertragen werden muss. Eine zu hohe BER kann anzeigen, dass eine langsamere Datenrate tatsächlich die Gesamtübertragungszeit für einen bestimmten Betrag von übertragenen Daten verkürzen würde, da die BER verringert werden könnte, da die Anzahl von Paketen, die wieder gesendet werden müssen, abgesenkt würde.
  • Das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal/Noise (S/N) oder Signal-to-Noise Ratio (SNR)) ist ein Maß für die Signalstärke in Bezug auf das Hintergrundrauschen. Das Verhältnis wird gewöhnlich in Dezibel (dB) gemessen. Wenn die Eingangssignalstärke in Mikrovolt Vs ist und der Rauschpegel, ebenfalls in Mikrovolt, Vn ist, dann ist das Signal-Rausch-Verhältnis S/N in Dezibel durch die folgende Formel gegeben: S/N = 20log10(Vs/Vn)
  • Wenn Vs = Vn, dann ist S/N = 0. In dieser Situation grenzt das Signal an Unlesbarkeit, da der Rauschpegel stark mit ihm konkurriert. In digitalen Kommunikationen kann dies aufgrund von häufigen Fehlern, die erfordern, dass der/das Quell- (übertragende) Computer oder Endgerät einige Datenpakete wieder sendet, eine Verringerung der Datengeschwindigkeit verursachen. Idealerweise ist Vs größer als Vn, derart, dass S/N positiv ist. Als Beispiel wird angenommen, dass Vs = 10,0 Mikrovolt und Vn = 1,00 Mikrovolt. Dann: S/N = 20log10(10,0) = 20,0 dBwas ergibt, dass das Signal klar lesbar ist. Wenn das Signal viel schwächer ist, aber immer noch über dem Rauschen liegt, zum Beispiel 1,30 Mikrovolt, dann S/N = 20log10(1,30) = 2,28 dBwas eine Grenzsituation ist. Unter diesen Bedingungen kann etwas Verringerung der Datengeschwindigkeit vorliegen.
  • Wenn Vs kleiner ist als Vn, dann ist S/N negativ. In dieser Art von Situation kann zuverlässige Kommunikation allgemein nicht möglich sein, wenn nicht Schritte unternommen werden, um den Signalpegel zu steigern und/oder den Rauschpegel am Ziel- (empfangenden) Computer oder Endgerät zu vernindern.
  • Das herkömmliche Spreizspektrum ist eine Form von drahtlosen Kommunikationen, in denen die Frequenz des übertragenen Signals absichtlich variiert wird. Dies ergibt eine viel größere Bandbreite als diejenige, die das Signal aufweisen würde, wenn seine Frequenz nicht variiert würde. Ein herkömmliches Funksignal weist eine Frequenz, gewöhnlich in Megahertz (MHz) oder Gigahertz angegeben, auf die sich nicht mit der Zeit ändert (außer einige kleine schnelle Schwankungen, die als ein Ergebnis der Modulation auftreten). Wenn Sie zum Beispiel auf einem FM-Stereoempfänger ein Signal von 103,1 MHz hören, bleibt das Signal bei 103,1 MHz. Es steigt nicht auf 105,1 MHz oder fällt nicht auf 99,1 MHz ab. Die Zahlen auf der Funkfrequenzwahl bleiben immer gleich. Die Frequenz eines herkömmlichen Funksignals wird so konstant gehalten, wie der Stand der Technik es erlaubt, derart, dass die Bandbreite innerhalb von bestimmten Grenzen gehalten werden kann, und dass das Signal leicht durch jemanden aufgefunden werden kann, der die Informationen abrufen möchte.
  • Es bestehen mindestens zwei Probleme mit herkömmlichen drahtlosen Kommunikationen, die unter bestimmten Umständen eintreten können. Zuerst unterliegt ein Signal, dessen Frequenz konstant ist, katastrophischer Interferenz. Diese tritt ein, wenn ein anderes Signal auf oder sehr nahe bei der Frequenz des erwünschten Signals übertragen wird. Katastrophische Interferenz kann unbeabsichtigt (wie in Amateurfunkkommunikationen) oder beabsichtigt (wie im Krieg) sein. Zweitens kann ein Signal mit konstanter Frequenz leicht abgefangen werden und es ist aus diesem Grund nicht gut für Anwendungen geeignet, in denen Informationen zwischen der Quelle (übertragende Partei) und dem Bestimmungsort (empfangende Partei) vertraulich gehalten werden sollen.
  • Zum Minimieren von Schwierigkeiten, die sich aus den vorhergehenden Schwachstellen von herkömmlichen Kommunikationsschaltungen ergeben können, kann die Frequenz des übertragenen Signals absichtlich über ein vergleichsweise großes Segment des elektromagnetischen Strahlungsspektrums variiert werden. Dieses Variieren wird gemäß einer spezifischen aber komplizierten mathematischen Funktion vorgenommen. Um das Signal aufzufangen, muss der Empfänger auf Frequenzen abgestimmt sein, die genau gemäß dieser Funktion variieren. Der Empfänger muss die Frequenz-gegen-Zeit-Funktion „kennen", die durch den Sender verwendet wird, und muss auch den Anfangszeitpunkt „kennen", an dem die Funktion beginnt. Wenn jemand ein Spreizspektrumsignal stören möchte, muss diese Person über einen Sender verfügen, der die Funktion und ihren Anfangspunkt „kennt". Es muss dafür gesorgt werden, dass die Spreizspektrumfunktion nicht in die Hände unbefugter Personen oder Organisationen gelangt.
  • Vorherige Spreizspektrumanordnungen verwenden eine digitale Anordnung, die Frequenzsprung genannt wird. Die Frequenz des Senders ändert sich abrupt, viele Male pro Sekunde. Zwischen den „Sprüngen" ist die Frequenz des Senders stabil. Die Länge der Zeit, während der der Sender zwischen den „Sprüngen" auf einer gegebenen Frequenz verbleibt, ist als die Verweilzeit bekannt. Einige Spreizspektrumschaltungen verwenden kontinuierliche Frequenzschwankungen, was ein analoges Schema ist.
  • Ultrabreitbandfunk (auch als Digital Pulse Wireless bekannt) ist eine drahtlose Technologie zum Übertragen großer Beträge digitaler Daten über ein breites elektromagnetisches Strahlungsspektrum von Frequenzbändern mit sehr geringer Leistung. Ultrabreitbandfunk kann nicht nur einen großen Betrag von Daten über eine kurze Distanz (bis zu mehrere Tausend Fuß) bei sehr geringen Leistungsdichten (einige Nanowatt/Hz) übertragen, sondern weist auch die Fähigkeit auf Signale durch Türen und andere Hindernisse hindurch zu übertragen, die dazu tendieren, Signale bei begrenzten Bandbreiten und einer höheren Leistung zu reflektieren.
  • Ultrabreitband sendet digitale Pulse, die sehr präzise auf einem Signal über ein sehr breites Spektrum (Anzahl von Frequenzbändern) zur gleichen Zeit zeitlich gesteuert sind. Sender und Empifänger müssen koordiniert sein, um Pulse mit einer Genauigkeit von Billionstelsekunden zu senden und zu empfangen. Auf einem gegebenen Frequenzband, das bereits verwendet werden kann, weist das Ultrabreitbandsignal weniger Leistung auf als das normale und vorausgesehene Hintergrundrauschen und so ist theoretisch keine Interferenz möglich. Unter Verwendung dieser Technologie besteht ein Potential für eine Datenrate im Bereich von Milliarden von Bits pro Sekunde.
  • Codemultiplex-Mehrfachzugriff (Code Division Multiple Access – CDMA) ist eine digitale Spreizspektrum-Modulationstechnik, die über Funkwellen übertragen wird und wird hauptsächlich mit persönlichen Kommunikationsgeräten wie beispielsweise Mobiltelefonen verwendet. Sie verwendet mathematische Codes zum Übertragen und Unterscheiden zwischen mehreren drahtlosen Gesprächen. CDMA und CDMA-ähnliche Verfahren können mit Ultrabreitbandfunk verwendet werden, um die Anzahl von Benutzern zu steigern, die von einer Basisstation unterstützt werden können.
  • Die Technologie, die CDMA zugrunde liegt, ist Spreizspektrumkommunikation. Um CDMA-Übertragung zu verstehen, ist es notwendig, über ein allgemeines Verständnis darüber zu verfügen, wie drahtlose Technologie funktioniert. Drahtlose Technologie erzeugt eine virtuelle Verbindung über den Äther, die eine physische Drahtverbindung nachahmt. Der Grundsatz von Spreizspektrumkommunikation, eine Modulationstechnik, die Datenübertragungen über ein verfügbares Frequenzband streut, macht dies möglich. In der Spreizspektrumkommunikation tastet eine drahtlose Einheit eine Gruppe von Kontrollkanälen ab, um das stärkste Basisstationssignal zu bestimmen. Wenn ein Telefonanruf vermittelt wird, wird ein Signal an die Basisstation gesendet. Die Mobilfunkvermittlungsstelle (Mobile Switching Center – MSC) entsendet die Anforderung an alle Basisstationen im zellularen System. Die Mobilfunk-Identifikationsnummer (Mobile Identification Number – MIN), die die Telefonnummer des Teilnehmen ist, wird dann als eine Funkrufnachricht an die Vorwärtskontrollkanäle über das gesamte zellulare System gesendet. Das Mobiltelefon empfängt den Funkruf und identifiziert sich durch den Rückwärtskontrollkanal. Die Basisstation des Mobiltelefon informiert die MSC über den „Handshake" und die MSC weist die Basisstation an, den Anruf auf einen nicht verwendeten Kanal zu verschieben. Alle diese Ereignisse geschehen innerhalb einiger weniger Sekunden und unbemerkt durch die Benutzer.
  • Nachdem der Anruf durch den Benutzer eingeleitet wurde, digitalisiert CDMA das Gespräch und kennzeichnet es mit einem speziellen Code. Die Daten werden dann über das Frequenzband gestreut und das empfangende Gerät wird angewiesen, nur diejenigen Daten zu entschlüsseln, die einem bestimmten Code entsprechen, um das Signal zu rekonstruieren.
  • Obgleich hunderte von Kanälen verfügbar sind, wäre, wenn jeder Kanal nur einer Zelle zugeordnet würde, die Gesamtkapazität des Systems gleich der Gesamtanzahl von Kanälen, angepasst für die Erlang-Blockierungswahrscheinlichkeit: nur einige Tausend Teilnehmer pro System. Durch die Wiederverwendung der Kanäle in mehreren Zellen kann das System ohne geographische Begrenzungen wachsen.
  • Wiederverwendung ist auf kritische Weise abhängig von der Tatsache, dass die Abschwächung des elektromagnetischen Felds in den zellularen Bändern dazu tendiert, mit der Distanz schneller zu erfolgen als im Freiraum. Messungen haben wiederholt gezeigt, dass die Feldstärke wie R–n abklingt, mit 3 < n < 5. Im Freiraum n = 2. Tatsächlich lässt sich leicht zeigen, dass das zellulare Konzept aufgrund von Interferenz, die ohne Grenzen ansteigt, wenn die Ausbreitung genau dem Freiraum entspricht, vollständig scheitert.
  • Typische zellulare Wiederverwendung (vor CDMA) kann bei der Betrachtung eines idealisierten Systems leicht rationell erklärt werden. Wenn wir annehmen, dass die Ausbreitung gleichförmig R–n beträgt und dass die Zellgrenzen sich an Gleichsignalpunkten befinden, dann wird ein ebener Dienstbereich optimal durch die herkömmliche sechseckige Anordnung von Zellen abgedeckt, wo sieben Sätze von Kanälen mit einem Satz in jeder Zelle verwendet werden. Diese aus sieben Zellen bestehende Einheit wird dann über den gesamten Dienstbereich repliziert.
  • Keine ähnlichen Zellen liegen benachbart zueinander und daher sind keine benachbarten Zellen vorhanden, die den gleichen Kanal verwenden. Während Systeme in der Realität nie wie diese idealisierten sechseckigen Kacheln einer Ebene aussehen, ist die siebenfache Wiederholung typisch für die Ausführung in der Praxis.
  • Die Kapazität eines K-fachen Wiederverwendungsmusters entspricht einfach der Gesamtanzahl von verfügbaren Kanälen, geteilt durch K. Mit K = 7 und 416 Kanälen, sind pro Zelle ungefähr 57 Kanäle verfügbar. Bei einer typischen angebotenen Auslastung von 0,05 Erlang pro Teilnehmer unterstützt jeder Standort etwa 1140 Teilnehmer.
  • Man konnte erwarten, dass die Systemkapazität durch Antennensektorisierung gesteigert werden könnte. Die Standorte werden tatsächlich durch die Betreiber sektorisiert, gewöhnlich dreifach. Das heißt, jeder Standort ist mit drei Sätzen von Richtantennen ausgestattet, wobei ihre Azimute um 120° getrennt sind. Unglücklicherweise führt die Sektorisierung für gegenwärtig verwendete frequenzbasierte Systeme in der Praxis nicht zu einer Steigerung der Kapazität Der Grund dafür ist, dass die Isolation von Sektor zu Sektor, oft nicht mehr als einige dB, unzureichend ist, um eine Interferenz zu gewährleisten, die gering genug ist, um akzeptabel zu sein. Dies ist nur teilweise durch das schlechte Vor-Rück-Verhältnis der Antennen bedingt. Die Tücken der elektromagnetischen Ausbreitung in der Realität wirken auch zusammen, um Signale zwischen Sektoren zu mischen. Das praktische Ergebnis der Sektorisierung ist nur eine Steigerung in der Abdeckung aufgrund der gesteigerten Vorwärtsverstärkung der Richtantenne. Bei der Wiederverwendung wird kein Gewinn erzielt. Das gleiche siebenfache Zellen-Wiederverwendungsmuster wird auf sektorierte Zellen wie auch omnidirektionale Zellen angewandt. Vom Standpunkt der Sektoren aus gesehen, entspricht die Wiederverwendung K = 7·3 = 21 und nicht 7.
  • CDMA bietet eine Antwort auf das Kapazitätsproblem. Der Schlüssel zu seiner hohen Kapazität ist die Verwendung von rauschähnlichen Trägerwellen, wie vor Jahrzehnten als Erstes von Claude Shannon vorgeschlagen. Anstatt entweder das Spektrum oder die Zeit in zerstückelte „Schlitze" aufzuteilen, wird jedem Benutzer eine unterschiedliche Instanz des Rauschträgers zugeordnet. Obgleich diese Wellenformen nicht streng orthogonal sind, sind sie doch nahezu so. Die praktische Anwendung dieses Grundsatzes hat immer digital erzeugtes Pseudorauschen verwendet anstatt echtes thermisches Rauschen. Die grundlegenden Vorteile werden erhalten und die Sender und Empfänger werden vereinfacht, da größere Teile unter Verwendung digitaler Gerate mit hoher Dichte ausgeführt werden können.
  • Der Hauptvorteil von rauschähnlichen Trägem ist, dass die Empfindlichkeit des Systems auf Interferenz grundlegend geändert wird. Herkömmliche Systeme mit Zeit- oder Frequenzschlitzen müssen mit einem Wiederverwendungsverhältnis konstruiert werden, das dem schlimmstmöglichen Interferenzszenario gerecht wird, aber nur ein kleiner Bruchteil der Benutzer erleben diesen schlimmsten Fall tatsächlich. Die Verwendung von rauschähnlichen Trägern, bei denen alle Benutzer das gleiche Spektrum belegen, macht das tatsächliche Rauschen zur Summe der Signale von allen anderen Benutzern. Der Empfänger korreliert seinen Eingang mit dem gewünschten Rauschträger, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis am Detektor verbessert wird. Die Verbesserung überwindet das summierte Rauschen in ausreichendem Maße, um am Detektor ein angemessenes SNR bereitzustellen. Da die Interferenz summiert wird, ist das System nicht mehr empfindlich auf die Interferenz des schlimmsten Falls, sondern auf eine Durchschnittsinterferenz.
  • Die Kapazität wird durch das Gleichgewicht zwischen dem erforderlichen SNR für jeden Benutzer und dem Prozessgewinn des Spreizspektrums bestimmt Das Leistungsmerkmal eines gut konstruierten Digitalempfängers ist das dimensionslose Signal-Rausch-Verhältnis (SNR):
    Figure 00210001
  • Der Teil „Rauschen" des SNR in einem Spreizspektrum entspricht tatsächlich der Summe des thermischen Rauschens und der Interferenz der anderen Benutzer. Das SNR, das benötigt wird, um eine bestimmte Fehlerrate zu erreichen, ist von verschiedenen Faktoren abhängig, wie beispielsweise die Vorwärtsfehler-Korrekturcodierung, die verwendet wird, und die Merhweg- und Fading-Umgebung. Für die Empfänger, die typischerweise in im Handel erhältlichem CDMA verwendet werden, liegt es typischerweise in einem Bereich zwischen 3 dB und 9 dB.
  • Die Energie pro Bit ist mit der Signalleistung und Datenrate verbunden:
    Figure 00220001
  • Der Term Rauschen + Interferenz entspricht der Leistungsspektraldichte. Wenn das Spektrum der Signale ungefähr rechteckig ist mit einer Bandbreite W, dann entspricht die Spektraldichte von Rauschen + Interferenz:
    Figure 00220002
    wo der erste Term den thermischen Rauschpegel des Empfängers darstellt (FN = Empfängerrauschzahl). Das Umschreiben der SNR-Gleichung bezogen auf die Datenrate und die Spreizspektrum-Bandbreite zeigt, worin die Magie besteht:
    Figure 00220003
  • Die Interferenz in dieser Gleichung entspricht der Summe der Signale von allen Benutzern, außer demjenigen, der von Interesse ist.
  • Geschichtlich wurde CDMA (und das Spreizspektrum im Allgemeinen) aufgrund des so genannten „Near-Far-Problems" als in der mobilen Funkumgebung nicht ausführbar abgetan. Es wurde immer angenommen, dass alle Stationen konstante Leistung sendeten. In der mobilen Funkumgebung können sich einige Benutzer nahe an der Basisstation befinden, andere können sich weit davon entfernt befinden. Die Ausbreitungverlustdifferenz zwischen diesen extremen Benutzern kann mehrere zig dB betragen. Wenn zum Beispiel angenommen wird, dass nur zwei Benutzer vorhanden sind und dass beide mit einer Leistung übermitteln, die ausreichend ist, damit das thermische Rauschen vernachlässigt werden kann, dann beträgt das SNR in dB:
    Figure 00220004
  • Wenn so eine Differenz von 30 dB zwischen dem größten und dem geringsten Ausbreitungsverlust vorhanden ist, dann besteht eine Differenz von 60 dB zwischen dem SNR des nächsten Benutzers und dem weitesten Benutzer, da dies den empfangenen Leistungen entspricht. Zum Beherbergen der weitesten Benutzer müsste die Spreizbandbreite vielleicht 40 dB oder das 10000-fache der Datenrate betragen. Wenn die Datenrate 10000 b/s betrüge, dann wäre W = 100 MHz. Die Spektraleffizienz ist miserabel und bei Weitem schlechter als sogar das uneffizienteste FDMA- oder TDMA-System. Umgekehrt empfangen entfernt gelegene Benutzer, wenn eine vernünftigere Bandbreite gewählt wird, keinen Dienst.
  • Diese Beobachtung war während vieler Jahre die logische Grundlage dafür, dass keinerlei Versuche zur Nutzung von Spreizspektren in irgendwelchen Umgebungen angestellt wurden, außer in geosynchronen Satellitenumgebungen, wo der Spreizungsausbreitungsverlust relativ gering war.
  • Der Schlüssel zur hohen Kapazität von im Handel erhältlichem CDMA ist extrem einfach: Leistungssteuerung. Wenn, anstatt eine konstante Leistung zu verwenden, die Sender derart gesteuert werden können, dass die Leistungen, die von allen Benutzern empfangen werden, in etwa gleich sind, dann können die Vorteile von Spreizung erreicht werden. Wenn die empfangene Leistung gesteuert wird, dann können alle Teilnehmer das gleiche Spektrum belegen und die erhofften Vorteile der Interferenzdurchschnittsbildung ergeben sich daraus.
  • Unter der Annahme einer perfekten Leistungssteuerung, entspricht Rauschen plus Interferenz nun: N0 + l0 = N0 + (N – 1)Ps (6) N0 = FNkBT0 wo N die Gesamtanzahl von Benutzern ist. Das SNR wird:
    Figure 00230001
  • Die maximale Kapazität wird erreicht, wenn die Leistungssteuerung derart angepasst wird, dass das SNR genau so ist, wie es für eine annehmbare Fehlerrate sein muss. Wenn wir die linke Seite der vorhergehenden Gleichung auf dieses Ziel-SNR einstellen und nach N auflösen, finden wir die Grundkapazitätsgleichung für CDMA:
    Figure 00230002
  • Unter Verwendung der Zahlen für IS-95A CDMA mit der eingestellten Rate von 9,6 kbps, finden wir:
    Figure 00230003
    oder etwa N = 32. Das Ziel-SNR von 6 dB ist eine nominale Schätzung. Nachdem Leistungssteuerung verfügbar ist, verfügen der Systemplaner und Betreiber über die Freiheit, Dienstgüte und Leistung durch Anpassen des SNR-Ziels gegeneinander abzuwägen. Es wird darauf hingewiesen, dass Kapazität und SNR reziprok sind: eine Verbesserung des SNR von drei dB führt dazu, dass ein Verlust bei
    der Kapazität mit einem Faktor zwei erlitten werden muss, und umgekehrt.
  • Wir haben die Differenz zwischen N und N – 1 in der Gleichung (9) vernachlässigt. Dies ist in der Kapazitätsmathematik bequem und für gewöhnlich vernünftig, da die Kapazität so groß ist.
  • Die Kapazität, die aufrechterhalten werden kann, ist proportional zum um die erforderliche SNR verminderten Prozessgewinn. Obgleich verschiedene Überlegungen vorhanden sind, die wir noch anzusehen haben, ist ein Vorschlag zur Verbesserung der Kapazität bereits möglich. Wenn Eb/N0 im Bereich zwischen 3 und 9 dB liegt, ergibt die Gleichung (9) eine Kapazität in der Nähe von 16-64 Benutzern. In der gleichen Bandbreite weist ein einziger Sektor einer einzigen AMPS-Zelle nur zwei verfügbare Kanäle auf.
  • Die Erörterung, die zur vorhergehenden Gleichung (9) führt, nimmt lediglich eine einzige Zelle ohne Interferenz von benachbarten Zellen an. Man könnte sich fragen, was hier gewonnen wurde. Die Kapazität einer isolierten AMPS-Zelle ist ebenfalls sehr hoch. Tatsächlich können alle Kanäle ohne Einschränkungen verwendet werden, wenn keine Nachbarn vorhanden sind; Wiederverwendung ist nicht erforderlich. Die Kapazität dieser vollständig bevölkerten AMPS-Zelle würde etwa 42 Kanäle (1,25 MHz)/30 kHz Kanalabstand) betragen. Dies unterscheidet sich nicht in hohem Maße von der Anzahl, die soeben für CDMA berechnet wurde.
  • Um herauszufinden, was mit der Interferenz von den Nachbarzellen geschieht, müssen wir diese Interferenz zu der vorhergehenden Gleichung (3) hinzufügen. Die Mathematik davon kann in mehreren der Bezugnahmen gefunden werden. Es stellt sich heraus, dass der Bruch der Rückwärtsverbindungsinterferenz, die von der Nachbarzelle stammt, ungefähr 60% der Interferenz der eigenen Zelle entspricht. Und wichtig ist, dass diese Antwort nicht sehr empfindlich auf die Parameter des Modells ist, wenn wir annehmen, dass die Leistung der Mobiltelefone auf empfindliche Art gesteuert wird.
  • Wie möglicherweise bereits erwartet, wird die Systemkapazität durch Ausbreitungsphänomene beeinträchtigt. Benutzer von analogen Mobiltelefonen kennen Fading,
    Figure 00240001
    das insbesondere in handgehaltenen tragbaren Geräten störend ist, wenn man nahezu still steht. Fading in einem sich bewegenden Fahrzeug ist schneller, da es durch die Bewegung des Fahrzeugs durch unbewegliche Interferenzmuster verursacht wird, wo das räumliche Ausmaß des Interferenzmusters die Wellenlänge ist, etwa ein Fuß. CDMA ist bei Vorhandensein von Mehrweg viel robuster als die analogen Technologien, es beeinträchtigt jedoch die Kapazität.
  • Es bestehen zwei Fragen, denen man sich mit Bezug auf Mehrwegfading und CDMA zuwenden muss. Zuerst, unter welchen Umständen Fading bei CDMA eintreten wird, und zweitens, was die Auswirkungen von Fading auf den CDMA-Kanal sind, wenn es eintritt.
  • Wenn die Mehrwegkomponenten durch die CDMA-Wellenform „aufgelöst" werden, das heißt, wenn ihre Verzögerungen um mindestens die Dekorrelationszeit des Spreizens getrennt sind, dann können sie durch den entspreizenden Korrelator im Empfänger getrennt werden. Sie interferieren nicht, weil jede Komponente bei einer unterschiedlichen Verzögerung korreliert. Wenn die Mehrwegkomponenten durch weniger als die Dekorrelationszeit getrennt sind, können sie im Empfänger nicht getrennt werden, und sie interferieren miteinander, was zu dem fürt, was manchmal flaches Fading genannt wird.
  • Fading wird auch als Rayleigh oder Rician gekennzeichnet. Rayleigh-Fading ist das Ergebnis einer Vektorsumme von mehreren Signalkomponenten, von denen jede eine zufällige Amplitude aufweist. Es kann alternativ als ein Signal gesehen werden, dessen I- und Q-Amplituden Gauß'sche Zufallsabweichungen sind. Rayleigh-Fading weist tiefe Signalausfälle auf.
  • Wenn zusätzlich zu den mehreren Zufallskomponenten des Rayleigh-Fadings eine starke konstante Komponente im Signal vorhanden ist, wird dies Ricean-Fading genannt. Ricean-Fading ist typisch für Situationen mit Sichtverbindung, in denen ein direkter ungehinderter Weg zwischen den Stationen, sowie reflektierende oder streuende Flächen vorhanden sind. Mehrwegunterschiede von weniger als der Dauer eines Spreizungschips führen zu flachem Fading; größere zu einem aufgelösten Mehrweg, was die durch den Empfänger kombinierte Diversity sein wird.
  • Zur Zuwendung zur zweiten Frage, derjenigen der Auswirkung von Fading, ist die Antwort komplex und für Vorwärts- und Rückwärtsverbindungen unterschiedlich. Sie ist auch abhängig von der Fading-Rate, die wiederum von der Geschwindigkeit der Mobilfunkstation ist. Allgemein steigert Fading das durchschnittliche SNR, das für eine bestimmte Fehlerrate benötigt wird. Die Steigerung kann möglicherweise so viel wie 6 dB betragen. In der Rückwärtsverbindung wird die Leistungssteuerung die Auswirkungen von Fading bei niedrigen Geschwindigkeiten abschwächen; bei hohen Geschwindigkeiten weist sie geringe Auswirkungen auf. Bei hohen Geschwindigkeiten und in beiden Verbindungen wird Vorwärtsfehlerkorrekturcodierung und Verschachtelung effektiver, da die Fade-Zeit kürzer wird als die Verschachtlerspanne.
  • Der Spreizspektrum-Mehrfachzugriff überträgt das gesamte Signal über eine Bandbreite, die viel größer ist als diejenige, die für Standard-Schmalbandübertragungen erforderlich ist, um Signal-Rausch-(S/N) Leistung zu gewinnen. In Kanälen mit Schmalbandrauschen ergibt das Vergrößern der Bandbreite des gesendeten Signals eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass die empfangenen Informationen korrekt sein werden.
  • Vom Standpunkt des Systems wird die Leistungssteigerung für echte Breitbandsysteme als „Prozessgewinn" bezeichnet. Dieser Begriff wird verwendet, um die Wiedergabetreue des empfangenen Signals zu beschreiben, die auf Kosten der Bandbreite gewonnen wird. Fehler, die durch einen Kanal mit viel Rauschen eingeführt werden, können unter Verwendung der Gleichung von Claude Shannon, die die Kanalkapazität beschreibt, auf irgendeinen gewünschten Stand verringert werden, ohne die Rate des Informationstransfers zu opfern: C = Wlog2(1 + S/N)wo C = Kanalkapazität in Bits pro Sekunde, W = Bandbreite, S/N = Energie pro Bit/Rauschleistung.
  • Die Vorteile der Steigerung der Bandbreite werden klarer. Das S/N-Verhältnis kann vermindert werden, ohne die Bitfehlerrate zu vermindern. Das bedeutet, dass das Signal über eine große Bandbreite mit geringeren Spektralleistungspegeln gespreizt wird und immer noch die gewünschte Datenrate erreichen kann. Wenn die Gesamtsignalleistung unter der Spektraldichtekurve als der gleiche Bereich interpretiert wird, dann können Signale mit einer Gesamtleistung gleichen Werts entweder eine große Signalleistung, die in einer kleinen Bandbreite konzentriert ist, oder eine geringe Signalleistungsspreizung über eine große Bandbreite aufweisen.
  • Ein CDMA-Spreizspektrumsignal wird durch Modulieren des Funksignals mit einer Spreizfolge (einem Code, der aus einer Reihe von Binärpulsen besteht) erzeugt, die als Pseudorauschen-(Pseudo-Noise – PN) Digitalsignal bekannt ist, weil sie ein Signal im Breitband und „rauschähnlich" erscheinen lasst. Der PN-Code lauft bei einer höheren Rate als das HF-Signal und bestimmt die tatsächliche Übertragungsbandbreite. Nachrichten können auch mit direkter Sequentialisierung kryptographisch auf irgendeinen gewünschten Geheimhaltungsstand verschlüsselt werden, da die gesamte gesendete/empfangene Nachricht rein digital ist.
  • Ein SS-Empfänger verwendet eine lokal erzeugte Replik des Pseudorauschcodes und einen Empfängerkorrelator, um nur die gewünschten codierten Informationen von allen möglichen Signalen zu trennen. Einen SS-Korrelator kann man sich als einen speziell angepassten Filter vorstellen – er reagiert nur auf Signale, die mit einem Pseudorauschcode codiert sind, der mit seinem eigenen Code übereinstimmt. So kann ein SS-Korrelator (SS-Signaldemodulator) durch einfaches Ändern seines lokalen Codes auf unterschiedliche Codes „abgestimmt" werden. Dieser Korrelator reagiert nicht auf durch Menschen erzeugtes, natürliches oder künstliches Rauschen oder Interferenz. Er reagiert nur auf SS-Signale mit identisch übereinstimmenden Signaleigenschaften und die mit dem identischen Pseudorauschcode codiert sind.
  • Viele Spreizspektrumverhältnisse können das gleiche Frequenzband teilen, vorausgesetzt, dass jedes System einen eindeutigen Spreizcode verwendet, um die Interferenz zwischen den unterschiedlichen Verhältnissen zu vermindern. Da nur der Empfänger mit dem identischen Code das Signal zur Wiederherstellung des Signals entspreizen kann, kann SS-Funk im Gegensatz zu herkömmlichen Verhältnissen ein hohes Maß an Interferenz zulassen. SSMA ist nicht sehr bandbreiteneffizient, wenn es durch einen einzigen Benutzer verwendet wird. Da indes viele Benutzer die gleiche Spreizspektrumbandbreite teilen können, ohne miteinander zu interferieren, werden SS-Systeme in Umgebungen mit mehreren Benutzern bandbreiteneffizient. Aus diesem Grund ist SS-Kommunikation eine ideale Wahl in städtischen Umgebungen mit großen Blockierungsraten.
  • Die Spreizung von Energie über ein breites Band oder geringere Leistungsspektraldichte verringert die Wahrscheinlichkeit, dass SS-Signale mit Schmalbandkommunikationen interferieren, da die gespreizte Signalleistung in der Nähe von derjenigen von Gauß'schen Rauschpegeln liegt. Umgekehrt verursachen Schmalbandkommunikationen geringe bis keine Interferenz für SS-Systeme, da der Korrelationsempfänger eine effektive Integration über eine sehr breite Bandbreite ausführt, um ein SS-Signal wiederherzustellen. Der Korrelator „spreizt" dann ein Schmalband-Störsignal über die gesamte Detektionsbandbreite des Empfängers.
  • CDMA-Technologie konzentriert sich hauptsächlich auf das „Direktfolge-Verfahren" des Spreizspektrums. Direktfolge ist eine Spreizspektrumtechnik, in der die Bandbreite eines Signals durch künstliche Erhöhung der Bitdatenrate vergrößert wird. Dies erfolgt, indem jedes Bit in eine Anzahl von Unterbits unterteilt wird, die „Chips" genannt werden. Unter der Annahme, dass diese Anzahl 10 beträgt, würde jedes Bit des Originalsignals in 10 getrennte Bits oder „Chips" unterteilt". Dies ergibt eine Steigerung der Datenrate um 10. Durch das Steigern der Datenrate um 10 wird auch die Bandbreite um 10 gesteigert.
  • Das Signal wird in kleinere Bits unterteilt, indem es mit einem Pseudorausch-Code, PN-Code, multipliziert wird. Ein PN-Code ist eine Folge von Bits mit hoher Datenrate („Chips"), die in einem Bereich von –1 bis 1 (polar) oder von 0 bis 1 (nicht polar) liegen. Wenn wir die Anzahl von verwendeten „Chips" benennen, meinen wir die Anzahl kleiner Datenbits im PN-Code pro einzelnes Bit des Originalsignals. Einfaches Multiplizieren des ursprünglichen modulierten Signals mit diesem PN-Code mit hoher Datenrate wird eine Unterteilung des Signals in kleinere Bits ergeben und so seine Bandbreite erhöhen. Dieses Verfahren wird in der nachfolgenden Figur gezeigt.
  • Eine größere Anzahl verwendeter „Chips" ergibt eine breitere Bandbreite proportional zur Anzahl von „Chips".
  • Nun wird kurz die grundlegende Arbeit des Senders und Empfängers für das Spreizspektrum beschrieben. Es wird angenommen, dass zwei Sender mit zwei unterschiedlichen zu übertragenden Nachrichten vorhanden sind. Wir sollten nicht vergessen, dass man sich jeden Sender als separate Mobiltelefone vorstellen kann. Jedes Signal wird mit seinem eigenen Pseudorausch-Code C1(t) und C2(t) multipliziert. Dies sind die Bitmuster mit hoher Datenrate, die die Bandbreite des Signals spreizen. Für dieses Beispiel nehmen wir an, dass der Bereich von Werten für den PN-Code –1 und 1 entspricht Nach dem Spreizen der Bandbreiten wird jedes Signal gesendet. Da viele Signale zur gleichen Zeit von unterschiedlichen Sender gesendet werden können, stellen wir diese Übertragungen durch einfaches Summieren ihrer Spektren dar.
  • Am Empfängerende ist das Eingangssignal das gespreizte Spektrumsignal. Damit ein Empfänger eine einzelne Nachricht extrahieren kann, muss er das Eingangssignal mit dem korrekten PN-Code multiplizieren. Da wir den PN-Code in einem Bereich von –1 bis 1 auswählen, funktioniert diese Technik des Multiplizierens mit dem PN-Code perfekt. Da das ursprüngliche Signal am Senderende mit dem PN-Code multipliziert wurde und am Empfängerende erneut mit dem gleichen PN-Code multipliziert wurde, haben wir den PN-Code für diese bestimmte Nachricht effektiv neutralisiert. Die nachfolgende Figur veranschaulicht, wie der PN-Code beseitigt wird.
  • Durch Beseitigen des PN-Codes beseitigen wir die Auswirkungen des Spreizsprektrums für dieses bestimmte Nachrichtensignal. Die Empfängerschaltung, die dies ausführt, wird Korrelator genannt und es verkleinert das Spreizsignal zurück auf den ursprünglichen Datenstrom. Dieser Arbeitsvorgang wählt nur das gewünschte Signal aus, während es alle umgebenden Frequenzen aufgrund von anderen Nachrichten im Spreizspektrum abweist. Dieses Abweisen ist als Prozessgewinn des entspreizenden Korrelationsverfahrens bekannt.
  • Der Prozessgewinn ist eine direkte Folge des Verfahrens der Spreizung und Entspreizung des Direktfolge-Funksignals. Er bezeichnet die Steigerung des Signal-Rausch-Verhältnisses, die sich am diesem Verfahren ergibt, und ist erforderlich für erfolgreiche Datenkommunikationen. Der Prozessgewinn nimmt zu, wenn die Anzahl von Chips pro Datenbit zunimmt und dies kann durch den Systemkonstrukteur gehandhabt werden, um die erwünschte Auswirkung zu erhalten.
  • Frequenzmultiplex-Mehrfachzugriff (Frequency Division Multiple Access – FDMA), Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff (Time Division Multiple Access – TDMA) und Codemultiplex-Mehrfachzugriff (Code Division Multiple Access – CDMA) sind die drei grundlegenden Mehrfachzugriffsanordnungen. FDMA unterteilt Funkkanäle in einem Bereich von Funkfrequenzen und wird im herkömmlichen analogen zellularen System verwendet Mit FDMA wird einem Kanal jeweils nur ein Teilnehmer zugeordnet. Andere Gespräche können nur auf diesen Kanal zugreifen, nachdem der Anruf des Teilnehmers beendet wurde oder nachdem der ursprüngliche Anruf durch das System an einen unterschiedlichen Kanal weitergegeben wurde. Zellulare FDMA-Standards umfassen AMPS (Advanced Mobile Phone Service) und TACS (Total Access Communications System).
  • TDMA ist eine verbreitete Mehrfachzugriffstechnik, die in digitalen zellularen Systemen verwendet wird. Es unterteilt herkömmliche Funkkanäle in Zeitschlitze, um höhere Kapazitäten zu erhalten. Seine Standards umfassen North American Digital Celluar, Global System for GSM (Mobile Communications), und PDC (Personal Digital Cellular). Wie bei FDMA können keine anderen Gespräche auf einen belegten TDMA-Kanal zugreifen, bis der Kanal aufgegeben wurde.
  • CDMA verwendet einen grundsätzlich anderen Ansatz. Es ordnet jedem Teilnehmer einen eindeutigen „Code" zu, um mehrere Benutzer zur gleichen Zeit auf den gleichen Breitbandkanal zu verlegen. Die Codes, die „Pseudo-Zufalls-Codefolgen" genannt werden, werden sowohl durch die Mobilstation als auch durch die Basisstation verwendet, um die Gespräche voneinander zu unterscheiden. Der CDMA-Standard IS-95 wurde durch die TIA (Telecommunications Industry Association) angenommen und wurde im Jahr 1992 zum digitalen zellularen Standard. Der Standard J-STD-008 für persönliche Kommunikationsdienste wurde auch durch ANSI angenommen. CDMA ist die erste digitale Technologie, die die anspruchsvollen Standards der CTIA (Cellular Telecommunications Industry Association) erfüllt. Abhängig vom Grad der Mobilität des Systems stellt es das 10- bis 20-fache der Kapazität von AMPS und das 4- bis 7-fache der Kapazität von TDMA bereit. CDMA ist die einzige der drei Technologien, die erfolgreich Spektrumzuteilung verwenden und Dienste für viele Teilnehmer anbieten kann, ohne eine umfassende Frequenzplanung zu erfordern. Alle CDMA-Benutzer können das gleiche Frequenzband teilen, da ihre Gespräche nur durch digitalen Code unterschieden werden, während TDMA-Betreiber die Zuordnung von Kanälen in jeder Zelle koordinieren müssen, um Interferenzen mit benachbarten Kanälen zu vermeiden. Die durchschnittliche Sendeleistung, die für CDMA erforderlich ist, ist viel geringer als diejenigen, die für analoge, FDMA- und TDMA-Technologien erforderlich sind.
  • Obgleich vorhergehend verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese lediglich als Beispiel und nicht als Einschränkung vorgestellt wurden. Daher sollte der Umfang und Bereich einer bevorzugten Ausführungsform nicht auf eines der vorhergehenden Ausführungsbeispiele begrenzt werden, sondern nur gemäß den nachfolgenden Ansprüchen definiert werden.

Claims (34)

  1. Verfahren zum Verwalten der Kanaleignung in einer Mehrfachzugriffsanordnung, das Folgendes umfasst: Erhalten von Informationen, die das Rauschen, das mit einem Kanal (202) verbunden ist, betreffen; Schätzen einer potentiellen Auswirkung des Rauschens auf eine Übertragungsqualität des Kanals basierend auf den erhaltenen Informationen (204); Zuordnen einer Bewertung zum Kanal basierend auf der geschätzten potentiellen Auswirkung (206); Klassifizieren des Kanals in eine Verkehrsgüteklasse basierend auf der zugeordneten Bewertung (208), wobei die Verkehrsgüteklasse die Eignung des Kanals zum Übertragen eines bestimmten Datentyps betrifft, und die Verkehrsgüteklassen eine Klasse für eine Verkehrsgüte, die für alphanumerische Daten geeignet ist, eine Klasse für eine Verkehrsgüte, die für Videodaten geeignet ist, eine Klasse für eine Verkehrsgüte, die für Audiodaten geeignet ist, und eine Klasse für eine Verkehrsgüte, die nicht für Daten geeignet ist, umfassen; und Speichern der Informationen, die den Kanal und die verbundene Bewertung und Güte betreffen, in einer Datenbank (210).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhalten von Informationen, die das Rauschen betreffen, das mit einem Kanal verbunden ist, ferner Folgendes umfasst: Abtasten des Kanalrauschens (302); und Korrelieren des abgetasteten Kanalrauschens mit dem Kanal (510).
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen einer potentiellen Auswirkung des Rauschens auf die Übertragungsqualität des Kanals basierend auf den erhaltenen Informationen (204) ferner das Bestimmen einer erwarteten Bitfehlerrate für den Kanal basierend auf den erhaltenen Informationen (516) umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Bestimmen der erwarteten Bitfehlerrate für den Kanal (516) ferner Folgendes umfasst: Berechnen von einer oder mehreren Interferenzmetriken für den Kanal unter Verwendung der erhaltenen Informationen; und Verwenden der berechneten Interferenzmetriken zum Bestimmen der erwarteten Bitfehlerrate.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Interferenzmetriken eine Pulsphasenmodulations-Fehlerrate (514) umfassen.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: Priorisieren des Kanals in seiner Verkehrsgüteklasse basierend auf der Bewertung des Kanals.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei Informationen, die die Priorität des Kanals betreffen, in der Datenbank (110) gespeichert werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kanal von der Datenbank (110) erhalten wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kanal periodisch getestet wird (802), um zu bestimmen, ob die Verkehrsgüteklasse des Kanals geändert werden muss.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: Empfangen einer Kanalanforderung von einem Anforderer (812); Durchsuchen der Datenbank (110) zum Erhalten eines Kanals, der zur Erfüllung der Anforderung geeignet ist; Zuteilen des geeigneten Kanals zum Anforderer (816), Benachrichtigen des Anforderers zur Verwendung des zugeteilten Kanals (818) und Anzeigen in der Datenbank (110), dass der zugeordnete Kanal verwendet wird (820).
  11. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: Empfangen von Informationen, die die Verwendung eines Kanals betreffen, wenn ein Benutzer die Verwendung des Kanals aufgibt (806); Bestimmen einer tatsächlichen Bitfehlerrate für den aufgegebenen Kanal basierend auf den empfangenen Informationen (808), Zuordnen einer Bewertung zum aufgegebenen Kanal basierend auf der tatsächlichen Bitfehlerrate; Klassifizieren des Kanals in eine Verkehrsgüteklasse basierend auf der zugeordneten Bewertung (810); Aktualisieren der Informationen, die den Kanal betreffen, die in der Datenbank (110) gespeichert sind, zum Angeben der Verkehrsgüteklasse des Kanals basierend auf der tatsächlichen Bitfehlerrate, und dass der Kanal zur Verwendung verfügbar ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kanal einen Sequenzcode in einer Codemultiplex-Mehrfachzugriffsanordnung (Code-Division Multiple Access – CDMA) umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kanal einen Ultrabreitband-Funkkanal umfasst.
  14. System zum Verwalten der Kanaleignung in einer Mehrfachzugriffsanordnung, das Folgendes umfasst: Logik zum Erhalten von Informationen, die das Rauschen, das mit einem Kanal (202) verbunden ist, betreffen; Logik zum Schätzen einer potentiellen Auswirkung des Rauschens auf eine Übertragungsqualität des Kanals basierend auf den erhaltenen Informationen (204); Logik zum Zuordnen einer Bewertung zum Kanal basierend auf der geschätzten potentiellen Auswirkung (206); Logik zum Klassifizieren des Kanals in eine Verkehrsgüteklasse basierend auf der zugeordneten Bewertung (208), wobei die Verkehrsgüteklasse die Eignung des Kanals zum Übertragen eines bestimmten Datentyps betrifft, und die Verkehrsgüteklassen eine Klasse für eine Verkehrsgüte, die für alphanumerische Daten geeignet ist, eine Klasse für eine Verkehrsgüte, die für Videodaten geeignet ist, eine Klasse für eine Verkehrsgüte, die für Audiodaten geeignet ist, und eine Klasse für eine Verkehrsgüte, die nicht für Daten geeignet ist, umfassen; und Logik zum Speichern der Informationen, die den Kanal und die verbundene Bewertung und Güte betreffen, in einer Datenbank (110).
  15. System nach Anspruch 14, wobei die Logik zum Erhalten von Informationen, die das Rauschen betreffen, das mit einem Kanal verbunden ist, ferner Logik zum Abtasten des Kanalrauschens (302); und Logik zum Korrelieren des abgetasteten Kanalrauschens mit dem Kanal (510) umfasst.
  16. System nach Anspruch 14, wobei die Logik zum Schätzen einer potentiellen Auswirkung des Rauschens auf die Übertragungsqualität des Kanals basierend auf den erhaltenen Informationen (204) ferner Logik zum Bestimmen einer erwarteten Bitfehlerrate für den Kanal basierend auf den erhaltenen Informationen (516) umfasst.
  17. System nach Anspruch 16, wobei die Logik zum Bestimmen der erwarteten Bitfehlerrate für den Kanal (516) ferner Logik zum Berechnen von einer oder mehreren Interferenzmetriken für den Kanal unter Verwendung der erhaltenen Informationen; und Logik zum Verwenden der berechneten Interferenzmetriken zum Bestimmen der erwarteten Bitfehlerrate umfasst.
  18. System nach Anspruch 17, wobei die Interferenzmetriken eine Pulsphasenmodulations-Fehlerrate (514) umfassen.
  19. System nach Anspruch 14, das ferner Logik zum Priorisieren des Kanals in seiner Verkehrsgüteklasse basierend auf der Bewertung des Kanals umfasst.
  20. System nach Anspruch 19, wobei Informationen, die die Priorität des Kanals betreffen, in der Datenbank (110) gespeichert werden.
  21. System nach Anspruch 14, wobei der Kanal von der Datenbank (110) erhalten wird.
  22. System nach Anspruch 14, wobei der Kanal periodisch getestet wird (802), um zu bestimmen, ob die Verkehrsgüteklasse des Kanals geändert werden muss.
  23. System nach Anspruch 14, das ferner Logik zum Empfangen einer Kanalanforderung von einem Anforderer (812); Logik zum Durchsuchen der Datenbank (110) zum Erhalten eines Kanals, der zur Erfüllung der Anforderung geeignet ist; Logik zum Zuteilen des geeigneten Kanals zum Anforderer (816), Logik zum Benachrichtigen des Anforderers zur Verwendung des zugeordneten Kanals (818), und Logik, um in der Datenbank anzuzeigen, dass der zugeordnete Kanal verwendet wird (820), umfasst
  24. System nach Anspruch 14, das ferner Logik zum Empfangen von Informationen, die die Verwendung eines Kanals betreffen, wenn ein Benutzer die Verwendung des Kanals aufgibt (806); Logik zum Bestimmen einer tatsächlichen Bitfehlerrate für den aufgegebenen Kanal basierend auf den empfangenen Informationen (808), Logik zum Zuordnen einer Bewertung zum aufgegebenen Kanal basierend auf der tatsächlichen Bitfehlerrate; Logik zum Klassifizieren des Kanals in eine Verkehrsgüteklasse basierend auf der zugeordneten Bewertung (810); Logik zum Aktualisieren der Informationen, die den Kanal betreffen, die in der Datenbank (110) gespeichert sind, zum Angeben einer Verkehrsgüteklasse des Kanals basierend auf der tatsächlichen Bitfehlerrate, und dass der Kanal zur Verwendung verfügbar ist, umfasst
  25. System nach Anspruch 14, wobei der Kanal einen Sequenzcode in einer Codemultiplex-Mehrfachzugriffsanordnung (Code-Division Multiple Access – CDMA) umfasst
  26. System nach Anspruch 14, wobei der Kanal einen Ultrabreitband-Funkkanal umfasst.
  27. Computerprogrammprodukt zum Verwalten der Kanaleignung in einer Mehrfachzugriffsanordnung, das Folgendes umfasst: Computercode zum Erhalten von Informationen, die das Rauschen, das mit einem Kanal (202) verbunden ist, betreffen; Computercode zum Schätzen einer potentiellen Auswirkung des Rauschens auf eine Übertragungsqualität des Kanals basierend auf den erhaltenen Informationen (204); Computercode zum Zuordnen einer Bewertung zum Kanal basierend auf der geschätzten potentiellen Auswirkung (206); Computercode zum Klassifizieren des Kanals in eine Verkehrsgüteklasse basierend auf der zugeordneten Bewertung (208), wobei die Verkehrsgüteklasse die Eignung des Kanals zum Übertragen eines bestimmten Datentyps betrifft, und die Verkehrsgüteklassen eine Klasse für eine Verkehrsgüte, die für alphanumerische Daten geeignet ist, eine Klasse für eine Verkehrsgüte, die für Videodaten geeignet ist, eine Klasse für eine Verkehrsgüte, die für Audiodaten geeignet ist, und eine Klasse für eine Verkehrsgüte, die nicht für Daten geeignet ist, umfassen; und Computercode zum Speichern der Informationen, die den Kanal und die verbundene Bewertung und Güte betreffen, in einer Datenbank (210).
  28. Computerprogrammprodukt nach Anspruch 27, wobei der Computercode zum Erhalten von Informationen, die das Rauschen betreffen, das mit einem Kanal verbunden ist, ferner Computercode zum Abtasten des Kanalrauschens (302); und Computercode zum Korrelieren des abgetasteten Kanalrauschens mit dem Kanal (510) umfasst.
  29. Computerprogrammprodukt nach Anspruch 27, wobei der Computercode zum Schätzen einer potentiellen Auswirkung des Rauschens auf die Übertragungsqualität des Kanals basierend auf den erhaltenen Informationen (204) ferner Computercode zum Bestimmen einer erwarteten Bitfehlerrate für den Kanal basierend auf den erhaltenen Informationen (516) umfasst.
  30. Computerprogrammprodukt nach Anspruch 29, wobei der Computercode zum Bestimmen der erwarteten Bitfehlerrate für den Kanal (516) ferner Computercode zum Berechnen von einer oder mehreren Interferenzmetriken für den Kanal unter Verwendung der erhaltenen Informationen; und Computercode zum Verwenden der berechneten Interferenzmetriken zum Bestimmen der erwarteten Bitfehlerrate umfasst.
  31. Computerprogrammprodukt nach Anspruch 30, wobei die Interferenzmetriken eine Pulsphasenmodulations-Fehlerrate (514) umfassen.
  32. Computerprogrammprodukt nach Anspruch 27, das ferner Computercode zum Priorisieren des Kanals in seiner Verkehrsgüteklasse basierend auf der Bewertung des Kanals umfasst.
  33. Computerprogrammprodukt nach Anspruch 32, wobei die Informationen, die die Priorität des Kanals betreffen, in der Datenbank (110) gespeichert werden.
  34. Computerprogrammprodukt nach Anspruch 27, wobei der Kanal von der Datenbank (110) erhalten wird.
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