DE60203495T2 - System und verfahren zur streckenanpassung in kommunikationssystemen - Google Patents

System und verfahren zur streckenanpassung in kommunikationssystemen Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Kommunikationssystem, und im Besonderen auf ein System und ein Verfahren zum Anpassen von Parametern von Funkverbindungen zum Anpassen an Veränderungen in der Umgebung des Kommunikationssystems.
  • Funkkommunikationssysteme übertragen Kommunikationssysteme auf einer oder mehreren Trägerwellen. Viele existierende Funkkommunikationssysteme verwenden Mehrfachzugriff-im-Frequenzmultiplex-(FDMA) und Mehrfachzugriff-im-Zeitmultiplex (TDMA)-Kanalzugangstechniken. In FDMA-Zugriffsystemen kann ein Kanal durch ein oder mehrere Funkfrequenzbänder mit einem gegebenen Frequenzspektrum definiert sein, indem die Übertragungsleistung des Kommunikationssignals konzentriert ist. Interferenz in FDMA-Systemen kann durch auf benachbarten Kanälen (Nachbarkanal-Interferenz) gesendeten Signalen und durch auf demselben Kanal (Co-Kanal-Interferenz) gesendeten Signalen verursacht werden. Interferenz von benachbarten Kanälen kann durch den Gebrauch von Bandpass-Filtern begrenzt werden, die die Energie außerhalb des spezifizierten Frequenzbandes herausfiltern.
  • In TDMA-Zugriffsystemen umfasst ein Kanal einen Zeitschlitz in einer periodischen Folge von Zeitschlitzen einer Trägerwelle mit einer gegebenen Frequenz. Eine gegebene Signalenergie ist auf eine oder mehrere bestimmte Zeitschlitze begrenzt. Diese Zeitschlitze können in Gruppen organisiert sein, die allgemein als Rahmen bezeichnet werden. Nachbarkanal-Interferenz kann durch den Gebrauch eines Zeitgatters (time gate) oder eines anderen Synchronisationselementes begrenzt werden, das nur bei einer geeigneten Zeit empfangene Signalenergie durchlässt. In TDMA-Zugriffsystemen ist die Kapazität durch die verfügbaren Zeitschlitze und durch Kanalwiederverwendung auferlegte Einschränkungen begrenzt.
  • In Vielfachzugriff-durch-Code-Trennung-(CDMA)-Systemen ist ein Kommunikationskanal durch einen Digitalcode definiert. In einem Direct-Sequence-CDMA(DS-CDMA)-Spread-Spectrum-Sender wird zum Beispiel ein digitaler Symbol-Datenstrom für einen zweckgebundenen Kanal oder einen Gemeinschaftskanal auf einer Basissymbolrate auf eine Chip-Rate gespreizt. Diese Spreizungsoperation beinhaltet das Verwenden eines kanaleindeutigen Spreizungscodes, der manchmal als Signatursequenz bezeichnet wird, auf den Symboldatenstrom, das dessen Rate (Bandbreite) erhöht und Redundanz einfügt. Dass die resultierenden Datensequenzen (Chips) umfassende Zwischensignal kann zu anderen ähnlich verarbeiteten (d. h. gespreizten) Zwischensignalen hinzugefügt werden, die sich auf andere Kanäle beziehen. Ein Basisstations-eindeutiger Verwürfelungscode (oft als "Long Code" bezeichnet, da er in den meisten Fällen länger als der Spreizungscode ist) wird dann auf die summierten Zwischensignale angewendet zum Erzeugen eines Ausgangssignals zur Viel-Kanal-Übertragung über ein Übertragungsmedium. Mehrere Zwischensignale können sowohl in dem Frequenzbereich als auch dem Zeitbereich überlappen. Ein Empfänger gewinnt sein Zwischensignal wieder durch Korrelieren des empfangenen Signals mit den geeigneten Verwürfelungs- und Spreizungscodes zum Entspreizen, oder Entfernen der Codierung von dem gewünschten gesendeten Signal und zum Zurückkehren auf die Basissymbolrate. Wo der Spreizungscode auf andere gesendete und empfangene Zwischensignale angewendet wird, wird jedoch nur Rauschen erzeugt.
  • Digitale Kommunikationssysteme verwenden eine Vielfalt von linearen und nicht-linearen Modulationsschemas zum Übertragen von Sprach- oder Daten-Information in Signalbündeln bzw. Bursts. Diese Modulationsschemas umfassen GMSK, Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), Quadrature Amplitude Modulation (QAM), etc.. Das GMSK Modulationsschema ist ein nicht-lineares Schema zur Modulation auf niedrigem Niveau (LLM) mit einer Symbolrate, die eine spezifizierte Benutzer-Bitrate unterstützt. Schemas zur Modulation auf hohem Niveau (HLM) können zum Erhöhen von Benutzer-Bitraten verwendet werden. Lineare Modulationsschemas, wie QAM-Schemas, können unterschiedliche Modulations-Aussteuerungen haben. Zum Beispiel wird das 16-QAM-Schema zum Darstellen der sechzehn Variationen von 4 Datenbits verwendet. Andererseits wird ein QPSK-Modulationsschema zum Darstellen der vier Variationen von 2 Datenbits verwendet.
  • Zusätzlich zu verschiedenen Modulationsschemas können digitale Kommunikationssysteme verschiedene Kanalcodierungsschemas unterstützen, die zum Erhöhen der Übertragungszuverlässigkeit verwendet werden. Kanalcodierungsschemas codieren und verschachteln Datenbits eines Bursts oder einer Sequenz von Bursts, um deren Verlust bei verminderten Funkverbindungsbedingungen zu verhindern, zum Beispiel, wenn Funkverbindungen einem Schwund ausgesetzt sind. Im allgemeinen erhöht ein Erhöhen der Anzahl von Codierungsbits die Bitfehlererfassungs- und -Korrekturfähigkeiten, aber verringert die Benutzer-Bitrate, da Codierungsbits, die Anzahl von Benutzer-Datenbits reduzieren, die in einem Burst gesendet werden können.
  • Der Anstieg in der Funkübertragung hat einen Bedarf für zusätzliche Sprach- und Datenkanäle in zellularen Telekommunikationssystemen erzeugt. Um sich auf diesen Bedarf einzustellen, haben die Betreiber von Funknetzen die Anzahl von Basisstationen im Betrieb erhöht. Das Erhöhen der Anzahl von Basisstationen hat die Entfernung zwischen den Basisstationen verringert, was erhöhte Interferenz zwischen den Mobilstationen bewirkt, die auf derselben Frequenz in benachbarten oder in geringer Nähe angeordneten Zellen in Betrieb sind.
  • Verbindungsanpassungstechniken können zum Anpassen an die erhöhte Interferenz auf einer Übertragungsverbindung aktiviert werden. Verbindungsanpassungstechniken stellen die Fähigkeit zum Verändern eines Übertragungsverbindungsprotokolls bereit, das durch eine Kombination eines Modulationsschemas, einer Kanalcodierung (z. B. FEC-Codierung), und/oder der Anzahl von verwendeten Zeitschlitzen definiert werden kann. Dynamische Verbindungsanpassungsverfahren ermöglichen die Änderung des Verbindungsprotokolls als Antwort auf geänderte Kanalbedingungen. Allgemein passen Verbindungsanpassungsverfahren das Verbindungsprotokoll eines Systems an, um eine gewünschte Leistung über einen breiten Bereich von Interferenzbedingungen zu erreichen. Beispielhafte Verbindungsanpassungsschemas sind in U.S. Patent Nr. 5,574,974; 5,898,928; 6,122,293; 6,134,230; und 6,167,031 beschrieben. WO 00144 offenbart ein Verbindungsanpassungsverfahren und -System zwischen einem zentralen Knoten und einem Übertragungsendgerät mit Bandbreiten-Neuzuweisung.
  • Kürzlich ist eine als Bluetooth bezeichnete Funkschnittstelle vorgestellt werden zum Bereitstellen von drahtlosem, ad-hoc-Netzen zwischen Mobiltelefonen, Laptop-Computern, Kopfhörern, PDAs, und anderen elektronischen Geräten. Einige der Implementierungsdetails von Bluetooth sind in dieser Anmeldung offenbart, während eine detaillierte Beschreibung des Bluetooth-Systems in "BLUETOOTH – The universal radio interface for ad hoc, wireless connectivity" von J. C. Haartsen, Ericsson Review Nr. 3, 1998, gefunden werden kann. Weitere Information über die Bluetooth-Schnittstelle ist auf der Offiziellen Bluetooth-Webseite im World-Wide-Web auf http://www.bluetooth.org verfügbar.
  • Funkkommunikationssysteme zum persönlichen Gebrauch unterscheiden sich signifikant von Funksystemen wie dem öffentlichen Mobiltelefonnetz. Öffentliche Mobiltelefonnetze verwenden ein lizenziertes Band, das vollständig durch den Netzbetreiber gesteuert wird und einen im wesentlichen interferenzfreien Kanal bereitstellt. Im Gegensatz dazu arbeitet eine persönliche Funkübertragungseinrichtung in einem unlizenzierten Spektralband und muss mit unkontrollierter Interferenz kämpfen. Ein derartiges Band ist das global verfügbare ISM (Industrial, Scientific, and Medical) Band bei 2,45 GHz. Das Band stellt 83,5 MHz an Funkspektrum bereit. Da das ISM-Band für Jedermann zugänglich ist, müssen in diesem Band betriebene Funksysteme mit unvorhersehbaren Interferenzquellen fertig werden, wie Baby-Überwachungsgeräten, Garagentoröffnern, schnurlosen Telefonen, und Mikrowellen-Ofen. Die Interferenz kann durch das Verwenden eines adaptiven Schemas reduziert werden, das einen nicht verwendeten Teil des Spektrums aufspürt. Alternativ kann die Interferenz unterdrückt werden mittels Spektrum-Spreizen. In den Vereinigten Staaten müssen in dem 2,45 GHz ISM-Band betriebene Funkgeräte Spectrum-Spreading-Techniken anwenden, wenn deren gesendete Leistungspegel ungefähr 0 dBm überschreiten.
  • Bluetooth-Funkgeräte verwenden ein frequency-hop/time-division-duplex (FH/TDD) spred-spectrum Kanal-Zugangsschema. In den Vereinigten Staaten und den meisten europäischen Ländern verwenden Bluetooth-Funkgeräte 79 Funkkanäle im Abstand von 1 MHz in dem 83,5 MHz ISM-Band. Während einer Verbindung "springen" die Funk-Transceiver von einem Frequenzband zu einem anderen auf eine pseudo-zufällige Art. Die Frequenzsprung-Sequenz ist durch die Geräteadresse einer Bluetooth-Einheit bestimmt. Die Zeitdimension ist in Zeitschlitze von 625 μs aufgeteilt, resultierend in einer nominellen Sprung-Rate von 1600 Sprüngen/Sekunde. Ferner werden Schlitze abwechselnd zum Senden und Empfangen verwendet, resultierend in einem TDD-Schema. Diese Eigenschaften ermöglichen preisgünstige, leistungsarme, schmalbandige Transceiver mit einer starken Immunität gegenüber Interferenzen.
  • Allgemein ist die Leistung eines Übertragungskanals eine Funktion des Verhältnisses von S/(N + I), wobei S das empfangene Signal, I die Interferenz, und N das Rauschen ist. Für Funkkanäle ist S eine Funktion der Sendeleistung und des Ausbreitungsverlustes auf dem Übertragungspfad. Da Funksignale sich ungerichtet ausbreiten, fällt die Signalstärke als Funktion von der Entfernung von dem Sender ab. Auch kann das Signal durch den Übertragungspfad zwischen dem Sender und den Empfänger blockierenden Objekten geschwächt werden. In Mobilkommunikationssystemen kann sich jede dieser Variablen über die Zeit ändern. Das Rauschen N umfasst im Raum vorliegendes thermisches Rauschen und thermisches Rauschen, das in der elektronischen Schaltungsanordnung des Empfängers erzeugt wird. Rauschen N ist normalerweise durch die Bandbreite des Kanals und die Qualität des Empfängers bestimmt und kann als Funktion der Temperatur variieren. Die Interferenz I wird durch andere Funksender in der Gegend erzeugt und kann ebenso über die Zeit variieren. Die Interferenz I kann in drei Komponenten aufgeteilt werden: eine Co-Kanal-Komponente, die eine externe Interferenz darstellt, die innerhalb der Kanal-Bandbreite fällt, eine Nachbar-Kanal-Komponente, die eine externe Interferenz darstellt, die außerhalb der Kanal-Bandbreite fällt, und "Eigen-Interferenz", die eine durch das Signal S selbst geschaffene Interferenz darstellt und durch die Verzerrung des Kanals erzeugt wird.
  • Eine Verbindungsanpassung modifiziert Verbindungsparameter zum Sicherstellen, dass das Verhältnis S/(N + I) oberhalb eines akzeptablen Schwellenwerts bleibt. In konventionellen zellularen Systemen können Kanalplanungstechniken verwendet werden zum Reduzieren der Interferenz I von Benutzern in derselben geographischen Gegend. Das verbleibende S/N bestimmt dann die Verbindungsleistung. Verminderung des S/N-Verhältnisses kann durch Modifizieren von S reduziert werden, zum Beispiel durch Implementieren von geeigneten Leistungssteuer-Routinen. Mit dem Europäischen GSM Standard kompatible öffentliche Kommunikationssysteme führen diese Art von Verbindungsanpassung durch.
  • Existierende Verbindungsanpassungstechniken wurden für koordinierte Funkkommunikationssysteme entwickelt, in denen die Zellgrößen angepasst werden können und Kanal-Wiederverwendungsschemas implementiert werden können zum Sicherstellen, dass Co-Kanal-Interferenzpegel und Nachbarkanal-Interferenzpegel unterhalb eines maximalen Pegels gehalten werden können. Weil unkoordinierte Funksysteme unfähig sind zum Steuern der Interferenzpegel, ist die Effektivität von existierenden Verbindungsanpassungstechniken in unkoordinierten Funksystemen beschränkt. Zum Beispiel kann in einem unkoordinierten Funksystem ein störender Sender viel näher an einem Empfänger sein als der beabsichtigte Sender, oder die Sendeleistung des störenden Senders kann viel größer sein als die Sendeleistung des beabsichtigten Senders. In jedem Fall kann das empfangene Signal ähnlich oder geringer sein als der empfangene Interferenzpegel. Dies wird normalerweise als das Nah-Fern-Problem bezeichnet. Verbindungsanpassungsschemas, die auf dem Verändern der Codierungsrate oder dem Verändern des Modulationsschemas basieren, können unangemessen sein zum Adressieren der durch das Nah-Fern-Problem erzeugten Interferenz. Auch können existierende Verbindungsanpassungsschemas die Netto-Benutzer-Rate beeinflussen. Zum Beispiel ist die Kanal-Bandbreite in einem GSM-System konstant. Erhöhen der Menge einer FEC-Codierung oder Implementieren eines robusteren Modulationsschemas verringert typischerweise die Netto-Benutzer-Rate.
  • Dementsprechend verbleibt ein Bedarf in der Technik für Verbindungsanpassungstechniken, nützlich für Funksysteme, die relativ hohe Interferenzpegel auf sich laden, wie diese in unkoordinierten Funksystemen auf sich geladenen. Ferner besteht ein Bedarf für Verbindungsanpassungstechniken, die versuchen, im wesentlichen eine konstante Netto-Benutzer-Rate und Bitfehler-Rate auf dem Kommunikationskanal aufrecht zu erhalten unter wechselnden Signal- und Interferenz-Bedingungen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung adressiert diese und andere Sachen durch Bereitstellen, in einem Aspekt eines Systems und Verfahrens zum Zuteilen von Ressourcen an einen Übertragungskanal zwischen einem Sender und einem Empfänger. Gemäß der Erfindung können Kommunikationseinheiten selektiv die Bandbreite, Modulationssymbolrate, und Codierungsrate eines Übertragungskanals modifizieren, um die Leistung des Übertragungskanals zu verbessern und um das zuteilbare Frequenzspektrum effizienter zu verwalten. Vorzugsweise werden die Verfahren der vorliegenden Erfindung in unkoordinierten Funksystemen aufgerufen.
  • In einem Aspekt, stellt die Erfindung ein Verfahren zum Zuteilen von Kommunikationskanal-Ressourcen zwischen einem Senden und einem Empfänger bereit. In einer exemplarischen Ausführungsform umfasst das Verfahren Messen, bei dem Empfänger, eines Leistungsparameters des Kommunikationskanals. Wenn der Leistungsparameter des Kommunikationskanals anzeigt, dass die Leistung der Kommunikationsverbindung zufriedenstellend ist, und die Kanalbandbreite geringer als eine maximal zuteilbare bzw. belegbare Bandbreite ist, wird dann die Kanalbandbreite bei dem Sender erhöht. Wenn der Leistungsparameter des Kommunikationskanals anzeigt, dass die Leistung der Kommunikationsverbindung nicht zufriedenstellend ist, wird eine Signalstärke-Anzeige eines Kommunikationssignals von dem Sender mit einem Schwellenwert verglichen. Wenn die Signalstärke-Anzeige des Kommunikationssignals bei dem Empfänger den Schwellenwert überschreitet, wird die dem Kommunikationskanal zwischen dem Sender und dem Empfänger zugeteilte Bandbreite dann verringert. Im Gegensatz dazu, wenn die Signalstärke-Anzeige des Übertragungssignals bei dem Empfänger unterhalb oder gleich dem Schwellenwert ist, wird entweder die Übertragungsleistung erhöht oder die Benutzerrate verringert.
  • In einem anderen Aspekt, stellt die Erfindung eine tragbare Kommunikationsvorrichtung bereit. Die Vorrichtung umfasst einen Empfänger zum Empfangen eines Übertragungssignals von einem entfernten Funksender über einen Kommunikationskanal und eine mit dem Empfänger verbundene Steuereinheit. Die Steuereinheit beinhaltet Mittel zum Messen eines Leistungsparameters des Übertragungskanals; Mittel zum Erzeugen eines Signals, das den entfernten Sender zum Erhöhen der Kanalbandbreite anweist, wenn der Leistungsparameter des Übertragungskanals anzeigt, dass die Leistung des Übertragungskanals zufriedenstellend ist, und die Kanalbandbreite geringer als eine maximal zuteilbare Bandbreite ist; Mittel zum Vergleichen einer Signalstärke- Anzeige eines Übertragungssignals von dem entfernten Funksender mit einem Schwellenwert und wenn der Leistungsparameter des Kommunikationskanals anzeigt, dass die Leistung des Kommunikationskanals nicht zufriedenstellend ist; Mittel zum Erzeugen eines Signals, das den entfernten Sender zum Verringern des Kanalbandbreite anweist, wenn die Signalstärke-Anzeige des Kommunikationssignals von dem entfernten Funksender den Schwellenwert überschreitet; und Mittel zum Durchführen mindestens des Erhöhens der Übertragungsleistung oder des Reduzierens der Benutzerübertragungsrate, wenn die Signalstärke-Anzeige des Kommunikationssignals bei dem Empfänger unterhalb des Schwellenwerts oder gleich dem Schwellenwert ist.
  • In noch einem anderen Aspekt stellt die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zum Zuteilen von Kommunikationskanal-Ressourcen zwischen einer ersten Kommunikationseinheit und einer zweiten Kommunikationseinheit bereit. Das Computerprogrammprodukt beinhaltet ein Computer-lesbares Speichermedium mit in dem Medium aufgenommenen Computer-lesbaren Programmcode-Mitteln. Die Computer-lesbaren Programmcode-Mittel beinhalten Computer-lesbare Programmcode-Mittel zum Messen eines Leistungsparameters eines Kommunikationskanals; Computer-lesbare Programmcode-Mittel zum Erzeugen eines Signals, das den entfernten Sender zum Erhöhen der Kanalbandbreite anweist, wenn der Leistungsparameter des Übertragungskanals anzeigt, dass die Leistung des Übertragungskanals zufriedenstellend ist und die Kanalbandbreite geringer als eine maximal zuteilbare bzw. belegbare Bandbreite ist; Computer-lesbare Programmcode-Mittel zum Vergleichen einer Signalstärke-Anzeige eines Übertragungssignals von dem entfernten Funksender mit einem Schwellenwert und wenn der Leistungsparameter des Übertragungskanals anzeigt, dass die Leistung des Übertragungskanals nicht zufriedenstellend ist; Computer-lesbare Programmcode-Mittel zum Erzeugen eines Signals, das den entfernten Sender zum Verringern der Kanalbandbreite anweist, wenn die Signalstärke-Anzeige des Kommunikationssignals von dem entfernten Funksender den Schwellenwert überschreitet; und Computer-lesbare Programmcode-Mittel zum Durchführen mindestens des Erhöhens der Übertragungsleistung oder des Reduzierens der Benutzerrate, wenn die Signalstärke-Anzeige des Kommunikationssignals bei dem Empfänger unterhalb oder gleich dem Schwellenwert ist. Vorzugsweise kann das Computerprogrammprodukt in einem Funk-Transceiver aufgenommen werden.
  • Vorteilhafterweise ermöglicht die vorliegende Erfindung unkoordinierten Funksystemen auszuwerten, ob eine Kanalverschlechterung einer Rausch- oder Co-Kanal-Interferenz zugeschrieben werden kann vor dem Anwenden eines Verbindungsanpassungsschemas. Die empfangene Signalstärke kann durch verwenden des Empfangssignalstärke-Anzeige (RSSI) Parameters überwacht werden. Wenn die empfangene Signalstärke abfällt, kann die Kanalbandbreite erhöht werden und ein Modulationsschema und Codierungsschema ausgewählt werden, das dem System das Arbeiten bei niedrigen S/N Werten ermöglicht. Im Gegenteil dazu, wenn die empfangene Signalstärke nicht abgefallen ist, kann die Kanalleistungsverschlechterung der Co-Kanal-Interferenz zugeschrieben werden. Dementsprechend kann die Signalisierungsrate (und damit die Kanalbandbreite) reduziert werden, die Codierungsmenge kann reduziert werden, und ein Modulationsschema kann ausgewählt werden, das bei höheren S/N Werten arbeiten kann. Vorzugsweise versucht das Erfindungsschema die Benutzerrate konstant zu halten und die Leistung der Verbindung so hoch wie möglich zu halten.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Bebilderung einer Topographie von benachbarten ad-hoc-Funkverbindungen zum Illustrieren des Nah-Fern-Problems;
  • 2a–2b sind schematische Bebilderungen von Kanalzuteilungen in einem Frequenzspektrum in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist eine schematische Bebilderung eines Transceivers, der angepasst ist zum Anwenden des Umgehungs-Verbindungsanpassungsschemas gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 4a ist eine schematische Bebilderung eines Referenzfrequenzspektrums vor einer Verbindungsanpassung (QPSK);
  • 4b ist eine schematische Bebilderung des Frequenzspektrums von 4a, in der eine Verbindungsanpassung angewendet worden ist zum Erhöhen der Bandbreite des rauschbegrenzten Kommunikationskanals (1/2-ratiges QPSK);
  • 4c ist eine schematische Bebilderung des Frequenzspektrums von 4a, in der eine Verbindungsanpassung durchgeführt worden ist zum Verringern der Bandbreite eines Interferenz-begrenzten Kommunikationskanals (16-QAM);
  • 5 ist eine schematische Bebilderung eines Flussdiagramms einer Verbindungsanpassungsprozedur gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 6 ist ein Beispiel einer repräsentativen Verbindungsanpassungstabelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Existierende digitale zellulare Kommunikationsnetze verwenden ein Zugriffsschema, das Prinzipien von FDMA/TDMA oder FDMA/CDMA kombiniert. Deshalb ist das Funkspektrum immer in eine Anzahl von Frequenzbändern aufgeteilt. Das für den zellularen Dienst reservierte lizenzierte Spektrum ist in mehrere Funkunterbänder aufgeteilt von fester Bandbreite. Mehrere Kanäle können in jedem Frequenzunterband implementiert sein mit Verwenden von TDMA oder CDMA Zugriffstechniken. Aufrechterhalten einer festen Kanalbandbreite vereinfacht den Hardware-Entwurf und ermöglicht Netz-Designern, Frequenzwiederverwendungsplanungs-Techniken zu implementieren zum Reduzieren einer Co-Kanal-Interferenz im Netz.
  • Ohne signifikante Co-Kanal-Interferenz können Verbindungsanpassungstechniken verwendet werden zum Reduzieren der Probleme, die durch die Übertragungsreichweite und Signalschwund erzeugt werden. Wenn sich z. B. der Empfangspegel eines empfangenen Signals verringert aufgrund der erhöhten Übertragungsentfernung oder aufgrund von Schwund bzw. Fading, ermöglichen Verbindungsanpassungstechniken das Fortsetzen der Verbindung, wenn auch bei niedrigerem S/N Wert. Bei diesen Umständen kann das Verbindungsadaptionsschema zusätzliche Codierungsbits hinzufügen oder das Modulationsschema verändern. Da jedoch die Kanalbandbreite wegen der Größe des Frequenzunterbandes begrenzt ist, wird ein Hinzufügen von Codierungsbits oder ein Verändern des Modulationsschemas die Netto-Benutzer-Rate verändern. Zum Beispiel wird ein Hinzufügen von Paritätsbits zum Bereitstellen eines zusätzlichen Codiergewinns die zum Tragen der Benutzerinformationsbits verfügbare Bandbreite reduzieren. Ähnlich erfordert das Implementieren eines Modulationsschemas mit weniger Bits pro Symbol bei Aufrechterhalten einer konstanten Symbolrate das Verringern der zum Tragen von Benutzerinformationsbits verfügbaren Bandbreite. Im Gegensatz dazu, wenn sich die Kanalleistung erhöht, kann ein Modulationsschema, das mehr Bits pro Symbol anwendet, verwendet werden, und/oder die Anzahl von Codierungsbits kann reduziert werden. Jedoch besteht bei konventionellen zellularen Netzen ein geringer Nutzen im Reduzieren der Kanalbandbreite, selbst wenn die gewünschte Benutzerrate durch einen schmaleren Kanal unterstützt werden kann, weil die Bandbreiten-Reduzierung nicht zum Erhöhen der Kapazität ausgenutzt werden kann.
  • Diese Situation ist anders bei unkoordinierten Funksystemen, die in einem unlizenzierten Spektrum arbeiten. Bei einem unkoordinierten Funksystem ist die Interferenz unkontrolliert, und es gibt weniger Beschränkungen, die die Bandbreitenzuteilung innerhalb des belegten Frequenzbandes regeln. Deshalb kann die Bandbreite variiert werden zum Optimieren, oder wenigstens zum Verbessern, der Leistung des Funkübertragungskanals. Zusätzlich, weil unkoordinierte Funksysteme keine Frequenzwiederverwendungsplanung implementieren, ist eine Co-Kanal-Interferenz ein wichtiges Thema. Co-Kanal-Interferenz bezieht sich auf die gesamte innerhalb der belegten Kanalbandbreite fallende Interferenz, und nicht nur auf durch Mitbenutzer (d. h. dasselbe System verwendende Benutzer) erzeugte Interferenz.
  • Techniken zum Interferenzreduzieren können entweder als Unterdrückungs-basierte Techniken oder als Vermeidungs-basierte Techniken eingestuft werden. Unterdrückungs-basierte Techniken zum Reduzieren des Einflusses einer Co-Kanal-Interferenz beinhalten Codieren und Direkt-Sequenz-Spreizen. Der Unterdrückungsbetrag ist eine Funktion des Codiergewinns oder des Verarbeitungsgewinns des Entspreizungsprozesses. Jedoch können Nah-Fern-Probleme die Effizienz von Unterdrückungs-basierten Techniken einschränken, wie in 1 erläutert. Bezogen auf 1 haben Kommunikationseinheiten A und B eine Verbindung aufgebaut, und X und Y haben eine Verbindung aufgebaut. Einheit X ist wesentlich näher an Einheit A als Einheit B an Einheit A ist. Zusätzlich kann Einheit X mit einem wesentlich höheren Leistungspegel als Einheit B senden. Die durch Einheit X bewirkte empfangene Interferenzleistung bei Einheit A kann mühelos 50 dB höher sein als die empfangene Leistung des beabsichtigten Senders, Einheit B.
  • In koordinierten Kommunikationssystemen kann eine Koordinierungseinheit (z. B. eine Basisstations-Steuereinheit) Kommunikationseinheiten A und B auf eine Frequenz umschalten, die anders als die durch die Einheiten X und Y verwendete Frequenz ist. Alternativ kann eine Koordinierungseinheit Einheit X zum Regulieren ihrer Leistung zum Reduzieren der Interferenz auf Einheit A anweisen. Im Gegensatz dazu hat in einem unkoordinierten Übertragungssystem Einheit A keine Kontrolle über die Übertragungsleistung, Kanalcharakteristik, oder Entfernung zu der störenden Einheit X. Existierende Codierungs- oder Spreizungsschemas sind untauglich zum Kompensieren von einer –50 dB S/I Verhältnis erzeugenden Interferenz. Deshalb mangelt es Einheit A an der Fähigkeit zum Unterdrücken der durch Einheit X erzeugten Interferenz, und der bevorzugte Betrieb des gestörten Funksystems besteht im Vermeiden des Frequenzunterbandes, das durch die störende Einheit belegt ist, eher als zu versuchen, die Interferenz zu unterdrücken.
  • Interferenzvermeidung kann durch Verwenden entweder von adaptiven Kanalzuteilungs- oder Frequenzsprungtechniken erreicht werden, um durch andere Anwendungen verursachte Interferenz zu vermeiden. Adaptive Kanalzuteilungstechniken versuchen, Interferenz zu vermeiden durch Vermeiden des von anderen Anwendungen besetzten Frequenzspektrums. Frequenzsprungtechniken versuchen, Interferenz zu vermeiden durch "Springen" über das zugeteilte Frequenzspektrum während einer Übertragung, so dass die Übertragung nur ein kleines Segment des Frequenzspektrums bei einem gegebenen Zeitpunkt belegt. Typischerweise löst ein Protokoll einer höheren Schicht Probleme von konkurrierenden Anforderungen, die auftreten, wenn zwei Einheiten versuchen zur selben Zeit auf derselben Frequenz zu übertragen. Mit dem durch Frequenzspringen oder adaptiver Kanalzuteilung angebotenem Vermeidungskonzept wird Interferenz aus dem Kanal gebracht und von Co-Kanal-Interferenz zu Nachbar-Kanal-Interferenz verändert. Nachbar-Kanal-Interferenz kann effektiv durch das Empfangsfilter unterdrückt werden. Eine 50-dB Unterdrückung durch ein Filter kann durch Filterimplementierungen nach dem Stand der Technik erhalten werden.
  • Vermeidungs-basierte Verbindungsanpassungstechniken, wie adaptive Kanalzuteilung und Frequenzspringen, weichen fundamental von Unterdrückungs-basierten Verbindungsanpassungstechniken ab. Zum Beispiel erhöht ein Verringern der Kanalbandbreite W die Effektivität von Vermeidungs-basierten Verbindungsanpassungstechniken. Deshalb sind Vermeidungs-basierte Verbindungsanpassungstechniken, die die Kanalbandbreite W reduzieren, wirkungsvoll, wenn das S/I-Verhältnis abnimmt, d. h., wenn die Kanalleistung durch Interferenz verschlechtert ist. Jedoch ist ein Verringern der Kanalbandbreite nicht wirkungsvoll, wenn das S/N-Verhältnis abnimmt, d. h., wenn die Kanalleistung durch Rauschen verschlechtert ist.
  • Die theoretische maximale Benutzer-Rate Rmax eines Kanals unter Additiven Weißen Gauss'schen Rauschen (AWGN) Bedingungen wurde durch Shannon abgeleitet: Rmax = W*log2(1 + S/N) (1)wobei W die Kanalbandbreite ist. Bei Annahme eines flachen Rauschspektrums mit einer Leistungsdichte N0 ist die Rauschleistung N0*W und Rmax reduziert sich zu: Rmax = W*log2(1 + S/(N0*W) (2)Rmax ist eine theoretische obere Grenze. In einem praktischen Kommunikationsnetzwerk, wird die Netto-Benutzer-Rate R < Rmax bestimmt durch: R = m*W*r (3)wobei m die Anzahl von Bits/Symbol ist, W die Kanalbandbreite ist (die direkt durch die Symbolrate bestimmt wird), und r die Codierrate ist, die als das Verhältnis zwischen der Bitrate vor und nach Codierung definiert ist. Verbindungsanpassung kann ausgeführt werden durch Variieren von m, W oder r oder eine Kombination dieser. Unter gewissen Umständen kann es vorteilhaft sein, R konstant zu halten, so dass der Übertragungskanal eine konstante Netto-Benutzer-Rate aufrecht erhält. Unter anderen Umständen darf R variiert werden.
  • Gleichung 1 lehrt, dass für eine konstante Benutzer-Rate R ein Kompromiss besteht zwischen dem S/N-Verhältnis und der Bandbreite W. Da das S/N-Verhältnis sich entgegengesetzt gegenüber der Sendeleistung verhält, verwendet eine Kommunikationsverbindung vorzugsweise die maximal verfügbar Bandbreite W, um die Sendeleistung zu minimieren (oder mindestens zu reduzieren). Reduzieren der Sendeleistung erweitert die Batterielebensdauer und reduziert Interferenz mit anderen Kommunikationsverbindungen.
  • In einem Aspekt versucht eine gemäß der vorliegenden Erfindung betriebene Kommunikationseinheit, die maximal verfügbare Bandbreite vereinbar mit dem Aufrechterhalten einer genügenden Leistung auf der Kommunikationsverbindung zu verwenden. In einem anderen Aspekt, wenn die Leistung des Kommunikationskanals sich verschlechtert, versucht die Kommunikationseinheit, zu bestimmen, ob eine Verschlechterung in der Leistung eines Kommunikationskanals Rauschen oder Interferenz zuzuschreiben ist, vor einem Anwenden eines Verbindungsanpassungsschemas. Der Signalpegel kann gemessen werden durch Verwenden zum Beispiel der Empfangssignalstärke-Anzeige (RSSI). Wenn die Kommunikationseinheit ein Frequenzsprungzugriffsschema implementiert, können die bei unterschiedlichen Kanalsprüngen gemessenen RSSI-Werte über eine vorbestimmte Zeitdauer gemittelt werden. Wenn die gemessene Signalleistung S unterhalb eines Schwellenwertes ist, zeigt dies an, dass eine Verschlechterung in der Kanalleistung einer Reduzierung des S/N-Verhältnisses zuzuschreiben ist, und der Kanal kann als rausch-begrenzt betrachtet werden. Zum Verbessern der Leistung eines rauschbegrenzten Kanals können zusätzliches Codieren oder ein robusteres Modulationsschema verwendet werden. Hinzufügen von Codierung oder Implementieren eines robusteren Modulationsschemas werden eine Reduzierung der Codierrate r und/oder der Anzahl von Bits pro Symbol m erfordern. Wenn die Kommunikationsverbindung bei der maximalen Bandbreite Wmax arbeitet, muss entweder die Sendeleistung Ptx erhöht oder die Benutzer-Rate R verringert werden.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform können die Codierrate r und Anzahl von Bits pro Symbol m in der folgenden Weise angepasst werden. Für einen rausch-begrenzten Kanal wird die Kanalbandbreite W vorzugsweise auf ihr maximales Niveau erhöht. In der Regel kann sich die Anzahl der Bits pro Symbol m nur in diskreten Schritten ändern, während die Codierrate r mit einer viel höhere Auflösung geändert werden kann. Unter Verwendung eines erläuternden Beispiels nehme man an, dass die Anzahl von Bits pro Symbol m die monoton ansteigenden Werte m1, m2, m3, ... mk, ..., mmax annehmen und das System gegenwärtig mk Bits/Symbol verwendet. Beim Anwenden einer Verbindungsanpassung auf einen rausch-begrenzten Kanal wird r reduziert bis r niedriger wird als mk–1/mk, worauf die Anzahl von Bits pro Symbol verändert wird von mk zu mk–1 Bits/Symbol und die Codierrate r auf einen Basiswert wiederhergestellt wird, zum Beispiel 1. Wenn ein Verändern der Anzahl von Bits pro Symbol m nicht zufriedenstellende Ergebnisse liefert, dann wird r erneut reduziert bis es unterhalb von mk–1/mk–1 ist, worauf die Anzahl von Bits pro Symbol von mk–1 zu mk–1 verändert wird und r erneut wiederhergestellt wird auf einen Basiswert, z. B. 1. Dieser Prozess kann wiederholt werden, bis der Übertragungskanal den Leistungsanforderungen genügt.
  • Dieses Verbindungsanpassungsschema nimmt an, dass der Sender separate Modulations- und Codiermodule enthält, so dass der Modulationsgewinn durch z. B. eine Erhöhung in der Euklidischen Distanz und der Codiergewinn durch z. B. eine Erhöhung der Hamming-Distanz erhalten werden kann. In einem Sender mit codierter Modulation kann die Modulation fest bei m sein und die Codierrate r würde reduziert werden zum Erhalten eines Codiergewinns durch eine Euklidische Distanz. In diesem Fall ändert sich nur die Codierrate r und die Kanalbandbreite W ist umgekehrt proportional zur Codierrate r.
  • Wenn die gemessene Signalleistung S oberhalb des erforderlichen Schwellenwertes ist, wird angenommen, dass eine externe Interferenz verantwortlich ist für eine Kanalleistungsverschlechterung, und der Kanal wird als interferenz-begrenzt bezeichnet. In einem adaptiven Kanalzuteilungssystem kann das Funkspektrum abgetastet werden zum Finden eines geeigneten Unterbandes. Die Erfolgswahrscheinlichkeit dieser Suche ist eine Funktion der Kanalbandbreite. Reduzieren der Kanalbandbreite erhöht die Wahrscheinlichkeit des Findens eines ungestörten Frequenzsegments. Ähnlich, in Frequenzsprungsystemen, erhöht ein Verringern der Kanalbandbreite die Anzahl von verfügbaren Kanälen, das dann wieder die Wahrscheinlichkeit einer Interferenz in dem belegten Frequenzspektrum reduziert. Für ein festes Funkspektrum bedeutet dies, dass die Sprungkanal-Bandbreite abnimmt.
  • Somit antwortet in einem Aspekt die vorliegende Erfindung auf eine interferenz-begrenzte Umgebung durch Aufteilen des belegten Funkspektrums in mehrere schmalere Kanäle unterstützende Träger. Bezug nehmend auf 2a und 2b entspricht die zugeteilte Kanalbandbreite W vorzugsweise dem Trägerabstand D. 2a zeigt ein Frequenzspektrum, das in zwei MHz-Kanäle mit der Mittenfrequenz von jedem Träger, die durch ungefähr 2 MHz getrennt ist, aufgeteilt ist. Es ist erkennbar, dass Frequenzschutzbänder zwischen Kanälen zugeteilt sind. Ein Erhöhen der Anzahl von (nicht-überlappenden) Kanälen erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Findens eines interferenz-freien Kanals für adaptive Kanalzuteilungssysteme und reduziert die Kollisionswahrscheinlichkeit für Frequenzsprungsysteme.
  • Unter der Annahme, dass die Netto-Benutzer-Rate R konstant gehalten wird, erfordert ein Reduzieren der Bandbreite W (d. h., Reduzieren der Anzahl von Bits pro Symbol) des Übertragungskanals einen Anstieg von r (d. h., Entfernen von Codierbits) und/oder m (d. h., Anwenden eines komplexeren Modulationsschemas). Diese Veränderungen können durchgeführt werden, wenn sichergestellt ist, dass das S/N-Verhältnis ausreichend zum Unterstützen der gewünschten Netto-Benutzer-Rate R verbleibt. Wenn die Kanalbandbreite W auf einen Punkt reduziert wird, der verursacht, dass das S/N-Verhältnis unzureichend zum Unterstützen der gewünschten Netto-Benutzer-Rate R wird, dann verändert sich der Kanal vom interferenz-begrenzten Dasein zum rausch-begrenzten Dasein. Entfernen von Codieren und Hinzufügen von mehr Bits pro Symbol wird ein höheres S/N-Verhältnis erfordern. Ein Reduzieren der Bandbreite W kann deshalb einen Anstieg in der erforderlichen Signalsendeleistung erfordern.
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betrieb einer Kommunikationseinheit gemäß einem Aspekt der Erfindung erläutert. Es wird verstanden werden, dass jeder Block des Flussdiagramms und Kombinationen von Blocks in den Flussdiagramm-Erläuterungen durch Computerprogrammbefehle implementiert werden können. Diese Computerprogrammbefehle können in einen Computer oder andere programmierbare Vorrichtungen geladen werden zum Erzeugen einer Maschine, derart, dass die Befehle, die auf dem Computer oder anderen programmierbaren Vorrichtungen ablaufen, Mittel schaffen zum Implementieren der in dem Flussdiagrammblock oder -Blöcken spezifizierten Funktionen. Diese Computerprogrammbefehle können auch in einem Computer-lesbaren Speicher gespeichert werden, der einen Computer oder eine andere programmierbare Vorrichtung lenken kann zum Funktionieren auf eine bestimmte Weise, so dass die in dem Computer-lesbaren Speicher gespeicherten Befehle einen Gegenstand einer Herstellung erzeugen mit Befehlsmitteln, die die in dem Flussdiagrammblock oder -Blöcken spezifizierte Funktion implementiert. Die Computerprogrammbefehle können auch auf einen Computer oder eine andere programmierbare Vorrichtung geladen sein, um zu bewirken, dass eine Serie von zu auf dem Computer oder einer anderen programmierbaren Vorrichtung durchzuführenden Arbeitsschritten einen Computer-durchgeführten Prozess erzeugt, so dass die Befehle, die auf dem Computer oder einer anderen programmierbaren Vorrichtung ablaufen, Schritte zum Implementieren der in dem Flussdiagrammblock oder -Blöcken spezifizierten Funktionen bereitstellen.
  • Demgemäß unterstützen Blöcke der Flussdiagrammerläuterungen Kombinationen von Mitteln zum Durchführen der spezifizierten Funktionen und Kombinationen von Schritten zum Durchführen der spezifizierten Funktionen. Es wird ebenfalls verstanden werden, dass jeder Block der Flussdiagrammerläuterungen, und Kombinationen von Blocks in den Flussdiagrammerläuterungen durch Spezialzweck-Hardware-basierte Computersysteme implementiert werden können, die die spezifizierten Funktionen oder Schritte, oder Kombinationen von Spezialzweck-Hardware- und Computerbefehlen durchführen.
  • Bezugnehmend auf 5 wird eine Kommunikationsverbindungsleistung bei Schritt 510 getestet. Eine Verbindungsleistung kann durch Vergleichen eines oder mehrerer Verbindungsparameter gegenüber gewünschten Leistungsstandards getestet werden. Gegenwärtig in Kommunikationssystemen verwendete exemplarische Leistungsparameter beinhalten z. B. die Bitfehlerrate (BER) und die Rahmenfehlerrate (FER); jedoch ist erkennbar, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Parameter beschränkt ist.
  • Wenn die Kommunikationsverbindungsleistung zufriedenstellend ist, wird dann bei Schritt 520 die gegenwärtige Kanalbandbreite W mit einer maximal belegbaren Bandbreite Wmax verglichen. Wenn der Kommunikationskanal die maximal bewegbare Bandbreite verwendet, wird die Steuerung zurück zu Schritt 510 gegeben. Im Gegensatz dazu, wenn der Kommunikationskanal weniger als die maximal belegbare Bandbreite verwendet, wird dann bei Schritt 530 die Kanalbandbreite W erhöht, z. B. durch Verringern von m und/oder r. Die Steuerung kann dann zu Schritt 510 zurückgegeben werden. Der durch Schritte 510 bis 530 definierte Ablauf stellt sicher, dass die Kommunikationsverbindung die maximal belegbare Bandbreite verwendet in Übereinstimmung mit einem Aufrechterhalten eines akzeptablen Leistung, die dem Sender ermöglicht, auf einem niedrigen Leistungspegel zu arbeiten.
  • Im Gegensatz dazu, wenn bei Schritt 510 die Verbindungsleistung unterhalb eines akzeptablen Niveaus ist, wird die RSSI mit einem für das verwendete Codier- und Modulationsschema erforderlichen Schwellenwert E(m, r) verglichen (Schritt 540). Wenn die RSSI oberhalb des Schwellenwertes E(m, r) ist, wird dann angenommen, dass die Verbindungsverschlechterung durch Interferenz verursacht wird, und der Kanal kann als "Interferenz-begrenzt" charakterisiert werden.
  • Wenn die Kommunikationseinheit ein adaptives Kanalzuteilungsschema oder ein Frequenzsprungschema verwendet, dann sollte die Kommunikationseinheit, um eine konstante Benutzer-Rate R aufrecht zu erhalten, das belegbare Funkspektrum in mehr Träger aufteilen, die schmalere Kanäle als Antwort auf einen Interferenz-begrenzten Kanal unterstützen, wie in 2 erläutert.
  • Ein Reduzieren der Kanalbandbreite erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Findens eines ungestörten Frequenzunterbandes. Ähnlich reduziert ein Erhöhen der Anzahl von Sprungkanälen die Wahrscheinlichkeit einer Interferenz. Wenn die Menge eines belegbaren Funkspektrums fest ist, dann erfordert ein Erhöhen der Anzahl von Sprungkanälen ein Reduzieren der einem jeden Sprungkanal zugeteilten Bandbreite. Wie in 2a und 2b illustriert, entspricht die Bandbreite von jedem Träger vorzugsweise ungefähr dem Trägerabstand D.
  • Mit Verweis auf Gleichung 3 und unter der Annahme, dass die Benutzer-Rate R konstant gehalten wird, wird ein Reduzieren der Bandbreite W (d. h., ein Reduzieren der Anzahl von Bits pro Symbol) ein Entfernen von Codierbits (d. h., Erhöhen der Codierrate r) und/oder Verwenden eines robusteren Modulationsschemas (d. h., Erhöhen der Anzahl von Bits pro Symbol, m) erfordern. Verringern der Codierbits und Erhöhen der Anzahl von Bits pro Symbol wird dem Kommunikationskanal auferlegen, ein höheres S/N-Verhältnis aufrecht zu erhalten zum Tragen derselben Netto-Benutzer-Rate R.
  • Somit wird bei Schritt 550 die Kanalbandbreite W reduziert, und die Modulation und/oder Codierung wird vorzugsweise angepasst zum Aufrechterhalten einer konstanten Benutzer-Rate R. Die Steuerung kann dann zu Schritt 510 zurückgegeben werden.
  • Mit Rückverweis auf Schritt 540, wenn die RSSI unterhalb des Schwellenwertes E(m, r) ist, wird dann angenommen, dass die Verbindungsverschlechterung durch Rauschen verursacht ist, und der Kanal kann als "rausch-begrenzt" charakterisiert werden. In einem Aspekt reagiert die vorliegende Erfindung auf einen rausch-begrenzten Kanal entweder durch Erhöhen der Sendeleistung Ptx oder durch Verringern der Benutzer-Rate R. Es wird erkannt werden, dass Erhöhen der Sendeleistung Ptx den Leistungsverbrauch der Sendeeinheit erhöht und auch den auf andere Kommunikationseinheiten anwendbaren Interferenzpegel. Deshalb wird die Übertragungsleistung Ptx vorzugsweise auf dem minimalen Pegel gehalten, der zum Unterstützen einer gewünschten Benutzer-Rate R erforderlich ist. Wenn die Kommunikationsverbindung eine Benutzer-Rate R erfordert, die nicht aufrechterhalten werden kann beim gegenwärtigen Übertragungsleistungspegel, dann kann die Übertragungsleistung Ptx erhöht werden. Bei Schritt 560 kann eine Kostenfunktion ausgeführt werden zum Feststellen des Kompromisses zwischen Erhöhen der Übertragungsleistung Ptx und Verringern der Benutzer-Rate R. Die Kostenfunktion kann von der Netzwerkeinrichtung und den durch das Netzwerk angebotenen Diensten abhängen, und kann Kompromisse zwischen Übertragungsleistung und Bandbreite reflektieren. Zum Beispiel kann eine Kostenfunktion dargestellt werden durch: f = (px/p0)α(R/R0)β wobei px die Übertragungsleistung ist, p0 eine Referenz-Übertragungsleistung ist, R die Datenrate ist, R0 eine Referenz-Datenrate ist, und α und β Gewichtungsfunktionen sind. In einem Beispielsystem kann eine Kommunikationseinheit versuchen, die Kostenfunktion auf einem konstanten Wert, z. B. 1, aufrecht zu erhalten. Die Einbeziehung von Gewichtungsfaktoren α und β ermöglicht der Kommunikationseinheit verhältnismäßig mehr oder weniger Bedeutung auf Sendeleistung oder Datenrate zu legen. Erhöhen von α erhöht die verhältnismäßige Wichtigkeit der Übertragungsleistung. Ähnlich erhöht ein Erhöhen von β die verhältnismäßige Wichtigkeit der Datenrate. Vorteilhafterweise kann eine Kommunikationseinheit (oder eine Gruppe von Kommunikationseinheiten) Parameter auswählen zum Anpassen der der Korrekturverbindung eigentümlichen Netzwerkbedingungen.
  • Mit Verweis auf 5, wird bei Schritt 570 die Übertragungsleistung erhöht und/oder die Benutzer-Rate R wird reduziert basierend auf der bei Schritt 560 ausgeführten Kostenfunktion. Die Steuerung wird dann zu Schritt 510 zurückgegeben.
  • Das beschriebene Verbindungsanpassungsschema kann verwendet werden, zum automatischen Anpassen von Korrekturverbindungs-Parametern zum Bereitstellen einer gewünschten Kombination von Netto-Benutzer-Rate, Reichweite, Kapazität, und Leistungsdissipation. Vorteilhafterweise können diese Parameter wie gewünscht in einem unkoordinierten Kommunikationssystem modifiziert werden, da die Bandbreite W variabel ist. Wenn sich z. B. die Ausbreitungsentfernung zwischen den Kommunikationseinheiten erhöht, kann die Sendeleistung erhöht werden oder die Benutzer-Rate R kann reduziert werden zum Ermöglichen der Verwendung von zusätzlichem Codieren. Alternativ, wenn die Anzahl von Einheiten zunimmt, so dass gegenseitige Interferenz ein Problem wird, kann die Kanalbandbreite wie gewünscht reduziert werden, bis das erforderliche S/N niedriger wird als es angeboten werden kann (Reichweitengrenze). In diesem Fall kann die Benutzer-Rate R verringert werden oder die Sendeleistung kann erhöht werden. Somit kann im Gegensatz zu zellularen Systemen, wo das Spektrum in Unterbänder von fester Größe aufgeteilt ist, in unkoordinierten Systemen die Kanalbandbreiten-Variation verwertet werden unter Verwenden der hier beschriebenen Techniken zum Verbessern der Systemkapazität oder Verbindungsqualität.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn eine Kommunikationseinheit in einem unkoordinierten ACA oder FH Funksystem eine Verschlechterung in der Kanalleistung detektiert, versucht dann die Kommunikationseinheit, den Grund der Leistungsverschlechterung zu bestimmen. Zum Beispiel kann eine Kommunikationseinheit den Signalpegel eines empfangenen Signals messen durch Bestimmen z. B. der Empfangssignalstärke-Anzeige (RSSI). In einem Frequenzsprungsystem können die bei unterschiedlichen Sprungkanälen gemessenen RSSI-Werte über eine gewünschte Zeitdauer gemittelt werden. Wenn der RSSI-Pegel eine Verringerung in der empfangenen Signalleistung S, die einen Schwellenwert überschreitet, anzeigt, dann kann der Kanal als rausch-begrenzt charakterisiert werden.
  • Als Antwort auf einen rausch-begrenzten Kanal kann die Kommunikationseinheit zusätzliche Fehlercodierung verwenden oder ein robusteres Modulationsschema implementieren. Verwenden einer zusätzlichen Fehlercodierung reduziert die Codierrate r. Ähnlich reduziert ein Implementieren eines robusteren Modulationsschemas die Anzahl von Bits/Symbol m. Wenn die Kommunikationseinheit versucht, eine konstante Netto-Benutzer-Rate R aufrecht zu erhalten, dann wird ein Reduzieren von r und m einen Anstieg in der Symbolrate erfordern, was einen entsprechenden Anstieg in der Bandbreite W erfordern wird (siehe Gleichung 3). Wenn die Bandbreite bereits bei ihrem Maximum ist, dann muss die Sendeleistung erhöht werden, wenn die Leistung ungenügend bleibt.
  • Unter der Annahme, dass der Sender die Modulation (z. B. durch Variieren einer Euklidischen Distanz) und den Codiergewinn (z. B. durch Erhöhen der Hamming-Distanz) unabhängig anpassen kann, dann können, in einer beispielhaften Ausführungsform, die Codierrate R und die Anzahl von Bits/Symbol m angepasst werden, so dass die Bandbreite W um einen Betrag erhöht werden kann, der ausreicht, um das System in den Stand zu setzen, um den Leistungsanforderungen unter den erfassten S/N-Bedingungen zu genügen. In vielen Sendern kann sich die Anzahl von Bits pro Symbol m nur in diskreten Schritten ändern, aber die Codierung r kann bei einer viel höheren Auflösung verändert werden, z. B. durch Verwenden einer punktierten Faltungscodierung. In vielen Sendern kann m die monoton zunehmenden Werte m1, m2, m3, ... mk, ..., mmax annehmen und der Sender verwendet gegenwärtig mk Bits/Symbol. Unter diesen Umständen wird r reduziert bis r niedriger wird als mk–1/mk, an welchem Punkt die Anzahl von Bits pro Symbol von mk auf mk–1 Bits/Symbol verändert wird und die Codierrate r auf einen Standardwert gestellt wird, der 1 sein kann. Wenn die Verbindungsleistung ungenügend bleibt, dann wird r erneut reduziert bis es unterhalb von mk–1/mk–2 ist. Dann wird die Anzahl von Bits pro Symbol verändert von mk–1 auf mk–2 Bits/Symbol, und die Codierrate r wird auf einen Standardwert gestellt, der 1 sein kann. Dieser Prozess kann wiederholt durchgeführt werden, bis die Verbindungsleistung zufriedenstellend ist, oder bis die minimale Anzahl von Bits pro Symbol erreicht ist.
  • Im Gegensatz dazu, wenn eine Kommunikationseinheit unfähig ist zum unabhängigen Anpassen der Modulation und des Codiergewinns, dann kann die Modulation bei einer Rate m festgesetzt sein und die Codierrate r kann reduziert werden. Unter diesen Bedingungen ändert sich nur die Codierrate r und die Kanalbandbreite W ist umgekehrt proportional zur Codierrate. Alternativ kann die Codierrate r festgesetzt werden und die Modulation kann verändert werden zum Erhöhen (oder Verringern) der Kanalbandbreite W.
  • 3 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Funk-Transceivers 300, der angepasst ist zum Verwenden eines Verbindungsanpassungsschemas gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Sendeabschnitt besteht aus einer Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) Codiereinheit 310, die fähig ist zum Variieren der Codierrate r und einer Modulationseinheit 312, in der ein Modulationsschema mit m Bits/Symbol ausgewählt werden kann. Die Ausgabe von Modulationseinheit 312 wird durch eine Verstärkereinheit 314 verstärkt, bevor sie zu einer Antenneneinheit 326 zur Übertragung geliefert wird.
  • Der Empfängerabschnitt von Funk-Transceiver 300 hat eine Filtereinheit 318, wo die Empfangsfilter-Bandbreite W verändert werden kann, eine Demodulationseinheit 320, die sich an die verwendete Modulation anpassen kann, und einen FEC-Decodierungsteil 322, der sich an die verwendete Codierung anpassen kann. Die Empfangsbandbreite W wird auf die TX- Bandbreite angepasst, die durch die Codierung und das Modulationsschema bestimmt werden kann.
  • Der Funk-Transceiver 300 kann aus einem im wesentlichen konventionellen Entwurf bestehen und enthält eine Steuereinheit 324 zum Implementieren eines Verbindungsanpassungsschemas gemäß der vorliegenden Erfindung, z. B. wie in Verbindung mit 5 beschrieben. Steuereinheit 324 misst die Verbindungsleistung und die Stärke eines empfangenen Signals (z. B. die RSSI), und berechnet eine gewünschte Codierrate r und eine gewünschte Anzahl von Bits pro Symbol m. Diese Information kann zu dem Senderabschnitt eines Funk-Transceivers in Kommunikation mit Transceiver 300 übertragen werden, um dem Sender ein Modifizieren seiner Codierrate r und des Modulationsschemas wie oben beschrieben zu ermöglichen. Diese Übertragung kann explizit ergriffen werden, z. B. durch Übertragen über einen Steuerkanal oder einen anderen separaten Kommunikationskanal. Steuereinheit 324 wendet die Codierrate r auch auf den FEC-Decodierer 322 des Empfängers und die Anzahl von Bits pro Symbol m auf den Demodulator 320 an.
  • Alternativ kann sich Steuereinheit 324 auf die Gegenseitigkeit bzw. Reziprozität des Kanals zwischen Transceiver 300 und einem anderen Transceiver stützen und kann die Codierrate r für den FEC-Codierer 310 und die Anzahl von Bits pro Symbol m für dem Modulator 312 in ihrem Senderabschnitt basierend auf den Empfängereinstellungen modifizieren. Steuereinheit 324 berechnet auch eine gewünscht Anzahl von Bits pro Symbol m, die auf den Modulator 312 und den Demodulator 320 angewendet werden kann. Zusätzlich berechnet Steuereinheit 324 eine gewünschte Kanalbandbreite W, die auf das Empfangsfilter 318 angewendet wird.
  • Die Tabelle in 6 erläutert eine beispielhafte Verbindungsanpassungsprozedur gemäß der vorliegenden Erfindung. In einer rein Interferenz-begrenzten Situation (oberste Zeile) kann der Kommunikationskanal mit 64-QAM Modulation arbeiten und einer FEC Codierrate, r = 1. Wenn die Signalstärke unangemessen ist (z. B., wenn RSSI < E(m, r)), dann wird angenommen, dass der Kanal rausch-begrenzt ist, und die Steuereinheit 324 reduziert die FEC Codierrate von 1 auf 3/4 zum Expandieren der Kanalbandbreite von 1/3W auf 4/9W. Wenn der Kommunikationskanal rausch-begrenzt bleibt, dann kann die Steuereinheit 324 das Modulationsschema von 64-QAM auf 16-QAM verändern und kann die FEC Codierrate auf 1 zurücksetzen, was die Kanalbandbreite von 4/9W auf 1/2W expandiert. Die übrigen Zeilen erläutern beispielhafte Veränderungen in dem Modulationsschema, FEC Codierrate r, und der Anzahl von Bits pro Symbol m, die die Steuereinheit 324 implementieren kann zum Expandieren der Kanalbandbreite zum Kompensieren eines rausch-begrenzten Kanals. In diesem Beispiel wird angenommen, dass die Codierrate r zwischen den Werten 1, 3/4, 2/3, 1/2, und 1/3 variieren kann. Die Anzahl von Bits pro Symbol m kann zwischen 2, 3, 4 und 6 variieren. Diese entspricht z. B. QPSY, 8-PSIC, 16-QAM, und 64-QAM. Die Kanalbandbreite reicht von 1/3W in dem rein Interferenz-begrenzten Fall bis zu 3W in dem rausch-begrenzten Fall. Die Netto-Benutzer-Rate ist auf 2M Bits/s festgesetzt.
  • 4 ist eine schematische Erläuterung von Veränderungen der Kanalbandbreite zum Kompensieren von Rauschen oder Interferenz. 4a illustriert die Kanalbandbreite, bevor eine Verbindungsanpassung gezeigt wird. Beispielhaft kann der Kanal anfangs QPSK Modulation mit einer Symbolrate von 1 Mb/s und einer Kanalbandbreite von 1 MHz verwenden. Wenn der Kanal als rausch-begrenzt bestimmt wird, dann wird die Kanalbandbreite wie in 4b erläutert expandiert. Beispielhaft kann die Kanalbandbreite auf 2 MHz expandiert werden, und ein QPSK Modulationsschema kann verwendet werden, das 2 Bits pro Symbol bereitstellt. Bei dem Referenzsignal wird keine FEC Codierung angenommen. Wenn die Empfangssignalleistung abfällt, werden FEC Codierbits hinzugefügt. Der Codiergewinn sollte die Verringerung des Signalpegels kompensieren. Um die Netto-Benutzer-Rate auf 2 Mb/s zu halten, wird die Symbolrate auf 2 Ms/s erhöht, und die Kanalbandbreite wird zu 2 MHz. Da sich die Signalbandbreite verbreitert, kann die Leistungsdichte (W/Hz) verringert werden zum Aufrechterhalten einer konstanten Sendeleistung. Expandieren der Bandbreite ist immer vorzuziehen, da dieses es der Verbindung ermöglicht, bei einer niedrigeren Sendeleistung zu arbeiten.
  • Im Gegensatz dazu, wenn eine Verschlechterung in dem Kommunikationskanal aufgrund von Interferenz auftritt, dann kann die Kanalbandbreite reduziert werden, z. B. durch Reduzieren der Symbolrate von 1 Ms/s auf 0,5 Ms/s, was in 4c dargestellt ist. Gleichzeitig kann das Modulationsschema von QPSK auf 16-QAM verändert werden zum Bereitstellen von 4 Bits pro Symbol und somit Aufrechterhalten der Netto-Benutzer-Rate bei 2 Mb/s. Die Leistungsdichte kann erhöht werden, so dass die gesamte Sendeleistung konstant bleibt. Die Einheiten, die das Spektrum verbreitern, belegen mehr Bandbreite und erzeugen somit mehr Interferenz, aber die Leistungsdichte nimmt ab, was etwas des Interferenzanstiegs ausgleicht, besonders für entfernte Einheiten. Im Gegensatz dazu, werden Einheiten, die ihre Kanalbandbreite reduzieren, weniger Bandbreite belegen, aber die Leistungsdichte erhöhen.
  • Das beschriebene Verbindungsanpassungsschema passt das System automatisch an zum Bereitstellen einer Netto-Benutzer-Rate, Reichweite, und Kapazität. Diese drei Systemparameter können ausgetauscht werden, vorausgesetzt die Bandbreite W ist variabel. Wenn die Ausbreitungsentfernung zunimmt, nimmt die Bandbreite zu, bis der Empfang Interferenz-begrenzt wird oder die maximale Bandbreite W erreicht worden ist. Wenn diese Grenze getroffen wird, wird die Benutzer-Rate R reduziert, um weiterhin das Hinzufügen einer Codierung zu ermöglichen, oder die Sendeleistung muss erhöht werden. Wenn sich die Anzahl von Einheiten erhöht, so dass gegenseitige Interferenz ein Problem wird, kann die Kanalbandbreite reduziert werden. Dies kann einen Anstieg in der Sendeleistung oder eine Reduktion in der Benutzer-Rate R erfordern. Im Gegensatz zu zellularen Systemen, wo das Spektrum in Unterbänder von fester Größe aufgeteilt ist, kann in unkoordinierten Systemen die Variation einer Kanalbandbreite zum Kapazitätsoptimieren genutzt werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist mit Verweis auf besondere Ausführungsformen beschrieben worden. Es wird verstanden werden, dass die Ansprüche nicht auf die hier beschriebenen besonderen Ausführungsformen begrenzt sind, sondern sollten zum Abdecken von strukturellen Äquivalenten und mit Modifikationen, die mit der gewöhnlichen Fähigkeit in der Technik konsistent sind, aufgefasst werden. Zusätzlich sollte betont werden, dass der Term "umfasst/umfassend" bei Verwenden innerhalb dieser Spezifikation hergenommen wird zum Spezifizieren des Vorliegens von angegebenen Eigenschaften, ganzen Zahlen, Schritten, oder Komponenten, aber nimmt nicht die Gegenwart oder Hinzufügung von einer oder mehreren Eigenschaften, ganzen Zahlen, Schritten, Komponenten, oder Gruppen davon vorweg.

Claims (15)

  1. Ein Verfahren zum Anpassen von Kommunikationskanal-Parametern eines Kommunikationskanals zwischen einem Sender und einem Empfänger mit den Schritten von: (a) Messen eines Leistungsparameters des Kommunikationskanals bei dem Empfänger; (b) Erhöhen der Kanalbandbreite bei dem Sender, wenn der Leistungsparameter des Kommunikationskanals anzeigt, dass die Leistung der Kommunikationsverbindung zufriedenstellend ist und die Kanalbandbreite geringer als eine maximal zuteilbare Bandbreite ist. (c) Vergleichen, in dem Empfänger, eines Signalstärke-Anzeigers eines Kommunikationssignals von dem Sender mit einem Schwellenwert; (d) Verringern der dem Übertragungskanal zwischen dem Sender und dem Empfänger zugeteilten Bandbreite, wenn der Signalstärke-Anzeiger des Kommunikationssignals bei dem Empfänger den Schwellenwert überschreitet und wenn der Leistungsparameter des Kommunikationskanals anzeigt, dass die Leistung des Kommunikationskanals nicht zufriedenstellend ist; und (e) Durchführen von mindestens dem Erhöhen der Übertragungsleistung oder dem Reduzieren der Benutzerübertragungsrate, wenn der Signalstärke-Anzeiger des Kommunikationssignals bei dem Empfänger unterhalb des Schwellwertes oder gleich dem Schwellwert ist und wenn der Leistungsparameter des Kommunikationskanals anzeigt, dass die Leistung des Kommunikationskanals nicht zufriedenstellend ist.
  2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Signalstärke-Anzeiger die Empfangssignalstärke-Anzeige ist.
  3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Erhöhens der dem Kommunikationskanal zugeteilten Bandbreite das Verringern der auf ein Kommunikationssignal angewendeten Codierungsrate bei dem Sender umfasst.
  4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Erhöhens der dem Kommunikationskanal zugeteilten Bandbreite das Verringern der während der Modulation eines Kommunikationssignal angewendeten Anzahl von Bits pro Symbol bei dem Sender umfasst.
  5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Verringerns der dem Kommunikationskanal zugeteilten Bandbreite das Erhöhen der auf ein Kommunikationssignal angewendeten Codierungsrate bei dem Sender umfasst.
  6. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Verringerns der dem Kommunikationskanal zugeteilten Bandbreite ferner das Erhöhen der während der Modulation eines Kommunikationssignals angewendeten Anzahl von Bits pro Symbol bei dem Sender umfasst.
  7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Erhöhens der dem Kommunikationskanal zugeteilten Bandbreite das Verringern der Übertragungsleistung umfasst.
  8. Ein tragbares Kommunikationsgerät (300) mit: einem Empfänger (316, 318, 320, 322) zum Empfangen eines Kommunikationssignals von einem entfernten Funksender über einen Kommunikationskanal; eine mit dem Empfänger verbundene Steuereinheit (324) mit: (a) Mitteln zum Messen eines Leistungsparameters des Kommunikationskanals; (b) Mitteln zum Erzeugen eines Signals, das den entfernten Sender zum Erhöhen der Kanalbandbreite anweist, wenn der Leistungsparameter des Übertragungskanals anzeigt, dass die Leistung des Übertragungskanals zufriedenstellend ist und die Kanalbandbreite geringer als eine maximal zuteilbare Bandbreite ist; (c) Mitteln zum Vergleichen eines Signalstärke-Anzeigers eines Kommunikationssignals von dem entfernten Funksender mit einem Schwellenwert; (d) Mitteln zum Erzeugen eines Signals, das den entfernten Sender zum Verringern der Kanalbandbreite anweist, wenn der Signalstärke-Anzeiger des Kommunikationssignals von dem entfernten Funksender den Schwellenwert überschreitet und wenn der Leistungsparameter des Übertragungskanals anzeigt, dass die Leistung des Übertragungskanals nicht zufriedenstellend ist; und (e) Mitteln zum Durchführen mindestens des Erhöhens der Übertragungsleistung oder des Reduzierens der Benutzerübertragungsrate, wenn der Signalstärke-Anzeiger des Kommunikationssignals bei dem Empfänger unterhalb des Schwellenwerts oder gleich dem Schwellenwert ist und wenn der Leistungsparameter des Übertragungskanals anzeigt, dass die Leistung des Übertragungskanals nicht zufriedenstellend ist.
  9. Ein tragbares Kommunikationsgerät gemäß Anspruch 8, wobei der Signalstärke-Anzeiger die Empfangssignalstärke-Anzeige ist.
  10. Ein tragbares Kommunikationsgerät gemäß Anspruch 8, wobei die Mittel zum Erzeugen eines Signals, das den entfernten Sender zum Erhöhen der Kanalbandbreite anweist, ein Signal erzeugen, das den entfernten Sender zum Verringern der auf ein Kommunikationssignal angewendeten Codierungsrate anweist.
  11. Ein tragbares Kommunikationsgerät gemäß Anspruch 8, wobei die Mittel zum Erzeugen eines Signals, das den entfernten Sender zum Erhöhen der Kanalbandbreite anweist, ein Signal erzeugen, das den entfernten Sender zum Verringern der während der Modulation eines Kommunikationssignals angewendeten Anzahl von Bits pro Symbol anweist.
  12. Ein tragbares Kommunikationsgerät gemäß Anspruch 8, wobei die Mittel zum Erzeugen eines Signals, das den entfernten Sender zum Verringern der Kanalbandbreite anweist, ein Signal erzeugen, das den entfernten Sender zum Erhöhen der auf ein Kommunikationssignal angewendeten Codierungsrate anweist.
  13. Ein tragbares Kommunikationsgerät, gemäß Anspruch 8, wobei die Mittel zum Erzeugen eines Signals, das den entfernten Sender zum Verringern der Kanalbandbreite anweist, ein Signal erzeugen, das den entfernten Sender zum Erhöhen der während der Modulation eines Kommunikationssignals angewendeten Anzahl von Bits pro Symbol anweist.
  14. Ein tragbares Kommunikationsgerät gemäß 8, wobei die Mittel zum Erzeugen eines Signals, das den entfernten Sender zum Erhöhen der Kanalbandbreite anweist, ein Signal erzeugen, das den entfernten Sender zum Verringern der Übertragungsleistung anweist.
  15. Ein Computerprogrammprodukt zum Anpassen von Kommunikationskanalparametern von einem Kommunikationskanalbetriebsmittel zwischen einem Sender und einem Empfänger mit: einem computer-lesbaren Speichermedium mit in dem Medium aufgenommenen computer-lesbaren Programmcode-Mitteln, wobei die computer-lesbaren Programmcode-Mittel beinhalten: computer-lesbare Programmcode-Mittel zum Messen eines Leistungsparameters eines Kommunikationskanals; computer-lesbare Programmcode-Mittel zum Erzeugen eines Signals, das den entfernten Sender zum Erhöhen der Kanalbandbreite anweist, wenn der Leistungsparameter des Übertragungskanals anzeigt, dass die Leistung des Übertragungskanals zufriedenstellend ist und die Kanalbandbreite geringer als eine maximale zuteilbare Bandbreite ist; computer-lesbare Programmcode-Mittel zum Vergleichen eines Signalstärke-Anzeigers eines Übertragungssignals von dem entfernten Funksender mit einem Schwellenwert; computer-lesbare Programmcode-Mittel zum Erzeugen eines Signals, das den entfernten Sender zum Verringern der Kanalbandbreite anweist, wenn der Signalstärke-Anzeiger des Kommunikationssignals von dem entfernten Funksender den Schwellenwert überschreitet und wenn der Leistungsparameter des Übertragungskanals anzeigt, dass die Leistung des Übertragungskanals nicht zufriedenstellend ist; und computer-lesbare Programmcode-Mittel zum Durchführen mindestens des Erhöhens der Übertragungsleistung oder des Reduzierens der Benutzerübertragungsrate, wenn der Signalstärke-Anzeiger des Übertragungskanal bei dem Empfänger unterhalb des Schwellenwertes oder gleich dem Schwellenwert ist und wenn der Leistungsparameter des Kommunikationskanals anzeigt, dass die Leistung des Kommunikationskanals nicht zufriedenstellend ist.
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