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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf drahtlose Kommunikationssysteme
und insbesondere auf ein drahtloses Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommunikationssystem,
in dem die Modulation-and-Coding-Adaptation zusammen mit der Einstellung
der Leistung des Aufwärtskanals
mit asymmetrischer Hysterese zwischen zwei bekannten Gruppen von Korrekturwerten
eingesetzt wird.
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Bisheriger
Stand der Technik
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In
Punkt-zu-Mehrpunkt-Funksystemen sind eine Master-Station und eine
oder mehrere Terminal-Station(en) definiert. Die Übertragungen
von der Master-Station an eine oder mehrere der Terminal-Stationen
erfolgen über
einen Kanal, der auch als „Abwärtskanal" bezeichnet wird, üblicherweise
im TDMA-Verfahren
(TDMA = Time Division Multiple Access, Vielfachzugriff im Zeitmultiplex).
Die Übertragungen
von den Terminal-Stationen an die Master-Station erfolgen über einen
anderen Kanal, auch „Aufwärtskanal" genannt. Der Aufwärtskanal
ist von dem Abwärtskanal
durch TDD (TDD = Time Division Duplexing, Zeitduplex) oder FDD (FDD
= Frequency Division Duplexing, Frequenzduplex) getrennt, das heißt, die Übertragung
in Aufwärtsrichtung
kann entweder über
unterschiedliche Frequenzkanäle
oder über
denselben Frequenzkanal, dann aber in verschiedenen Zeitintervallen
erfolgen.
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Mit
dem Begriff „PHY-Modus" wird die Kombination
von Modulation und FEC (Forwarding Error Correction, Vorwärtsfehlerkorrektur)
bezeichnet. Jeder PHY-Modus ist gekennzeichnet durch eine andere
spektrale Effizienz und eine andere Robustheit gegen Fehler. Die
adaptive Modulation oder der adaptive PHY-Modus ist ein zentrales
Merkmal von Punkt-zu-Mehrpunkt-Funksystemen.
Master-Station und Terminal-Stationen sind jeweils mit Mitteln ausgestattet,
die dafür
geeignet sind, mit PHY-Modi zu senden bzw. zu empfangen, die innerhalb
desselben Frequenzkanals adaptiv geändert werden, wenn äußerliche
Bedingungen auftreten, die die Qualität des übertragenen Signals signifikant
verändern.
Im Folgenden wird Bezug genommen auf die adaptive Modulation, wobei
jedoch die Erweiterung auf den adaptiven PHY-Modus trivial ist und
als eine der Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung zu betrachten ist.
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Bekannte
Umschalt-Algorithmen für
die adaptive Modulation und Leistungsregelungs-Algorithmen, die
so genannten ATPC-Algorithmen
(ATPC = Automatic Transmit Power Control, automatische Sendeleistungsregelung),
sind voneinander abhängig.
Umschalt-Algorithmen für
die adaptive Modulation können
beispielsweise im Abwärtskanal
und im Aufwärtskanal
mit unterschiedlichen Verfahren arbeiten. Der Abwärtskanal
zeichnet sich in der Regel dadurch aus, dass die Sendeleistung für alle PHY-Modi konstant
ist. Der Aufwärtskanal
ist dagegen gekennzeichnet durch eine Sendeleistung, die von dem
jeweiligen PHY-Modus abhängig
ist. Signale, die im Aufwärtskanal
mit unterschiedlichen PHY-Modi übertragen
werden, werden an der Master-Station mit unterschiedlichem Empfangssignalpegel
empfangen: Die Master-Station tendiert dazu, von allen Terminal-Stationen,
die in demselben PHY-Modus senden, Signale mit gleichem Empfangssignalpegel
zu empfangen. ATPC-Algorithmen werden dazu verwendet, diesen Pegel über die
Zeit und unabhängig
von der Entfernung, in der sich die Terminal-Stationen befinden,
konstant zu halten. Wenn eine Master-Station eine Terminal-Station
anweist, den PHY-Modus zu wechseln, muss auch die Sendeleistung
der betreffenden Terminal-Station geändert werden, wie es dem neuen
PHY-Modus entspricht.
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Ein
Algorithmus für
die PHY-Modus-Umschaltung bei adaptiver Modulation in seinen Einzelheiten
wird in der Patentanmeldung
EP1318617 beschrieben.
Die darin offenbarte Erfindung definiert eine asymmetrische Hysterese
mit unterschiedlichen Korrekturen der Sendeleistung bei der Umschaltung von
einem generischen PHY-Modus A in einen generischen PHY-Modus B bzw.
bei der Umschaltung von B auf A. Diese Implementierungsform kann
in einigen Fällen
in der höchsten
Effizienz resultieren. In diesem Fall sollte die Terminal-Station
eine Nachricht empfangen, die die Umschaltung des PHY-Modus anordnet,
sowie eine Nachricht, die die Korrektur der Sendeleistung anordnet,
da nach dem bisherigen Stand der Technik die Möglichkeit gegeben ist, die
nominale Leistungsdifferenz zwischen den PHY-Modi zu assoziieren und eine derartige
Korrektur automatisch auszuführen,
wenn von A auf B oder von B auf A umgeschaltet wird, wobei jedoch
die Korrektur in beiden Richtungen identisch ausfiele. Die Grenzen
des bisherigen Stands der Technik liegen in der Symmetrie dieser
Korrekturen, die auf der nominalen Leistungsdifferenz zwischen den
PHY-Modi basieren. Aus diesem Grund können effizientere Algorithmen,
die asymmetrische Übergänge erfordern,
sich nicht auf eine automatische Leistungskorrektur stützen und benötigen zwei
Nachrichten, eine für
die PHY-Modus-Umschaltung und eine für die Korrektur der Sendeleistung.
Hauptproblem hierbei ist, dass die beiden Nachrichten eine strikte
Synchronisation erfordern, die in der Praxis jedoch nicht immer
erreicht werden kann.
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Die
internationale Patentanmeldung WO 99/20016 beschreibt ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Gewährleistung
einer vorab definierten Übertragungsqualität in einem
drahtlosen MAN-Netz (MAN = Metropolitan Area Network), das Router
umfasst, welche mit Transceivern gekoppelt sind, um die Router über eine
drahtlose Verbindung untereinander zu verbinden. Beispielsweise
wird die Stärke
des Empfangssignals über
eine drahtlose Kommunikationsverbindung in regelmäßigen Abständen überwacht,
um den Signalpegel durch Einstellung der Sendeleistung innerhalb
eines vorab definierten Bereichs zu halten. Bleibt der Empfangssignalpegel
unterhalb des vorab definierten Bereichs, obwohl die Sendeleistung
auf den maximal zulässigen
Wert eingestellt wurde, und nähert
sich die Fehlerrate einem zuvor definierten Schwellenwert, werden
selektiv eine oder mehrere Verfahren einzeln oder in Kombination
angewandt, um die Fehlerrate zu reduzieren und dabei gleichzeitig
eine ausreichend hohe Durchsatzleistung im Netz zu gewährleisten.
Zu diesen adaptiven Verfahren zählen
das Ändern
der Datenrate, des Modulationspegels, der Fehlerkorrekturcodierung
und der Spektrum-Spreizung. Beispielsweise kann die aktuelle Übertragung
entweder auf einen robusteren und weniger frequenzökonomischen PHY-Modus
(4QAM, 50 Mbit/s) oder auf einen weniger robusten, dafür aber frequenzökonomischeren PHY-Modus
(16QAM, 100 Mbit/s) umgeschaltet werden, je nach dem, ob der Empfangssignalpegel
(RSL, Received Signal Level) jeweils abnimmt oder zunimmt in Richtung
der relevanten Umschalt-Schwellenwerte. Zwischen zwei Empfangssignalpegel-Schwellenwerten
für die
Umschaltung in einen nächsthöheren bzw.
nächstniedrigeren
PHY-Modus ist ein Warn-Schwellenwert für den Empfangssignalpegel vorgesehen,
der zum Ziel hat, beim Wechseln zwischen diesen Modi eine Hysterese
einzuführen. Jeder
Router stellt den Wert der Sendeleistung ein, bevor der PHY-Modus
gewechselt wird. Die Einstellwerte werden nach einem empirischen
Kriterium ermittelt, das auf der Sättigung des Leistungsverstärkers in
Verbindung mit verschiedenen Toleranzen bezüglich der AM-AM- und AM-PM-Verzerrungen
des spezifischen Modus basiert. Obwohl mit diesem Kriterium das
Senden von Nachrichten zur Leistungseinstellung zwischen den Routern
bei jeder Umschaltung des PHY-Modus vermieden werden kann, ist es zu
starr, da Hersteller daran gebunden sind, Leistungsverstärker mit
exakt gleichen Verstärkungskurven
zu verwenden.
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Aufgabe der
Erfindung
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Die
hauptsächliche
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Schranken des bisherigen Standes
der Technik zu überwinden
und ein drahtloses Kommunikationssystem des Punkt-zu-Mehrpunkt-Typs aufzuzeigen,
dessen Terminal-Stationen die Sendeleistung bei Umschaltung des
PHY-Modus automatisch korrigieren dürfen, ohne zusätzliche Nachrichten
von der Master-Station an die Terminal-Stationen, in denen die Leistungsregelung
ausdrücklich
angeordnet wird, zu erfordern.
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Zusammenfassung
und Vorteile der Erfindung
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist daher ein drahtloses Kommunikationssystem
des Punkt-zu-Mehrpunkt-Typs, wie es in Anspruch 1 beschrieben wird.
Das System gemäß der Erfindung umfasst
eine Master-Station und eine oder mehrere Terminal-Station(en). Die
Master-Station beinhaltet Mittel zum Erzeugen und Senden einer Rundsende-Nachricht
an alle Terminal-Stationen,
um diese über
Einstelllungen der Sendeleistung zu informieren, die bei einer Umschaltung
des PHY-Modus ausgeführt
werden müssen.
Insbesondere sind zwei Sätze
von Sendeleistungskorrekturen definiert, die an die Terminal-Stationen weitergegeben
werden müssen:
Bei dem einen Satz werden die Terminal-Stationen über die
Korrektur der Sendeleistung bei einer Herunterstufung des PHY-Modus,
das heißt,
bei Umschaltung in einen robusteren, aber weniger frequenzökonomischen
PHY-Modus informiert; der zweite Satz informiert die Terminal-Stationen über die
Korrektur der Sendeleistung, wenn in einen frequenzökonomischeren,
dafür aber
weniger robusten PHY-Modus hochgestuft wird. Je nach Richtung der Umschaltung,
also Hochstufung oder Herunterstufung des PHY-Modus, und in Abhängigkeit
von dem neuen PHY-Modus wählt
die angesteuerte Terminal-Station den richtigen Wert der Leistungseinstellung
für die
Korrektur der Sendeleistung.
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Die
Nachricht mit den beiden Sätzen
von Sendeleistungseinstellungen wird in regelmäßigen Abständen an die Terminal-Stationen
gesendet oder immer dann, wenn die Master-Station die Entscheidung
trifft, dass dies erforderlich ist; weitere Nachrichten zur Einstellung
der Sendeleistung bei Umschaltung des PHY-Modus sind nicht erforderlich. Das
bedeutet, dass die Terminal-Stationen bereits im Voraus wissen,
welche Leistungseinstellung auf die Sendeleistung anzuwenden ist,
wenn sie angewiesen werden, die PHY-Modus-Umschaltung auszuführen.
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Durch
die beiden Sätze
von Sendeleistungseinstellungen ist es möglich, eine asymmetrische Leistungseinstellung
zu realisieren, welche eine sehr große Flexibilität bei der
Definition und Anwendung effizienter PHY-Modus-Umschalt- und ATPC-Algorithmen
bietet.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Merkmale der vorliegenden Erfindung, die als neuartig angesehen
werden, sind in den beigefügten
Patentansprüchen
ausführlich
beschrieben. Die Erfindung sowie weitere Aufgaben und Vorteile davon
werden verständlich
anhand der folgenden ausführlichen
Beschreibung einer Ausführungsform der
Erfindung und in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, die rein der
Erläuterung
dienen und keinerlei einschränkenden
Charakter haben, wobei:
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1 eine
vereinfachte Darstellung des Aufbaus einer Nachricht im Abwärtskanal
ist, die von dem System gemäß der vorliegenden
Erfindung dazu verwendet wird, bei einer Hochstufung oder Herunterstufung
des PHY-Modus die Sendeleistung der Terminal-Stationen einzustellen;
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2 ein
Diagramm der Sendeleistung und des Empfangssignalpegels bei einer
Herunterstufung des PHY-Modus darstellt;
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3 ein
Diagramm der Sendeleistung und des Empfangssignalpegels bei einer
Hochstufung des PHY-Modus darstellt.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung betrifft ein drahtloses Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommunikationssystem,
das mindestens eine Master-Station umfasst, welche mit mehreren
Terminal-Stationen verbunden ist. Die implementierten Modalitäten für den Zwei-Wege-Zugriff und
den Duplexbetrieb wurden bereits in der Einleitung erläutert. Die
Master-Station und die Terminal-Stationen sind mit bekannten Mitteln
ausgerüstet, die
dafür ausgelegt
sind, mit einer Kombination aus Modulation und Fehlerkorrekturcode
(PHY-Modus) zu senden
und zu empfangen, die adaptiv (innerhalb desselben Frequenzkanals)
geändert
wird, wenn gewisse externe Bedingungen auftreten, die die Qualität des Signals
signifikant verändern.
Spezieller sind darin folgende Mittel enthalten:
- – Blockcodierung/-decodierung
- – Verschachtelung
(Interleaving)/Entschachtelung
- – Burst-Formatierung/-Deformatierung
- – Verschlüsselung/Entschlüsselung
- – digitale
Modulation/Demodulation
- – Abwärts-/Aufwärtskonvertieren
der Frequenz
- – HF-Leistungsverstärkung und
- – Messen
der hauptsächlichen
Qualitätsparameter
des empfangenen Signals, beispielsweise: Signal-Geräusch-Abstand,
Signal-Geräusch-plus-Störungs-Abstand,
Bitfehlerrate, Blockfehlerrate etc.
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Ferner
beinhaltet die Master-Station Mittel, die dafür ausgelegt sind, eine Nachricht
zu generieren, welche an die Terminal-Stationen rundgesendet wird,
um diese über
die Sendeleistungseinstellungen zu informieren, die bei einer Umschaltung
des PHY-Modus durchzuführen
sind. Diese Mittel nutzen einen Mikroprozessor, der bereits für die Zusammenstellung
anderer Protokollnachrichten verwendet wird. Für die Dualität umfasst
jede Terminal-Station Mittel, die dafür ausgelegt sind, die besagten
Korrekturwerte zu empfangen und zu verwenden wie im folgenden noch
näher erläutert wird.
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1 zeigt
den Aufbau einer Nachricht, die in der Master-Station erzeugt und
an alle Terminal-Stationen gesendet wird, um die Leistung, die von
den verschiedenen Terminal- Stationen
abgestrahlt wird, bei einer Hochstufung oder Herunterstufung des
PHY-Modus einzustellen.
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Es
wird Bezug genommen auf 1; hier ist der gesamte Informationsgehalt
dargestellt, der sich auf die Kanalbetriebsparameter in der Rundsende-Nachricht
bezieht. Die Nachricht beinhaltet ein Feld (PHY Mode Set Descriptor),
das eine Liste (Uplink Powe Mode Change List) der Sendeleistungs-Korrekturwertepaare
P1, P2, P3 enthält,
jeweils eins pro Paar benachbarter PHY-Modi; jedes Sendeleistungs-Korrekturwertepaar
beinhaltet einen Korrekturwert (Einstellwert) für die Hochstufung von dem gegen
Fehler robusteren in den frequenzökonomischeren PHY-Modus, sowie
einen weiteren Korrekturwert für
die Herunterstufung von dem frequenzökonomischeren PHY-Modus in
den gegen Fehler robusteren Modus. In regelmäßigen Abständen, oder wenn die Master-Station
die Entscheidung trifft, dass es erforderlich ist, wird die Nachricht
aus 1 mit den beiden Sätzen von Leistungseinstellungen
an die Terminal-Stationen gesendet.
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2 zeigt
die Verwendung der in. 1 dargestellten Nachricht für die Herunterstufung
von PHY-Modi. Mit Bezug auf die 2 wird zugelassen,
dass der Empfangssignalpegel sinkt, bis er einen vorab definierten
Wert erreicht, beispielsweise 3 dB unter dem Arbeitspunkt des aktuellen
PHY-Modus und 1 dB über
dem Arbeitspunkt des nächsten,
robusteren PHY-Modus. Daraufhin sendet die Master-Station an die Terminal-Station
einen Befehl, die Umschaltung von PHY-Modus 3 auf PHY-Modus 2 durchzuführen. Die
Terminal-Station,
die die Umschaltung durchführt,
reguliert dabei automatisch die Sendeleistung, indem sie den korrekten
Wert aus dem Satz von Sendeleistungseinstellungen für die Herunterstufung
wählt,
der in diesem Beispiel mit 1 dB definiert wäre, sodass unmittelbar nach
Eingehen des Befehls die Terminal-Station beginnt, mit dem Nennleistungspegel
des neuen PHY-Modus zu senden.
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3 zeigt
die Verwendung der in 1 dargestellten Nachricht für die Hochstufung
der PHY-Modi. Mit Bezug auf 3 wird der
Empfangssignalpegel am Arbeitspunkt gehalten, bis die Terminal-Stationen über ausreichend
Leistung verfügen, um
in den nächsten,
frequenzökonomischeren PHY-Modus
umschalten zu können.
Daraufhin sendet die Master-Station an die Terminal-Station einen Befehl,
die Umschaltung durchzuführen,
beispielsweise von PHY-Modus 2 auf PHY-Modus 3. Die Terminal-Station,
die die Umschaltung durchführt,
reguliert dabei automatisch die Sendeleistung, indem sie den korrekten
Wert aus dem Satz von Sendeleistungseinstellungen für die Hochstufung
wählt.
In dem vorliegenden Beispiel betrage der Korrekturwert 4 dB, was
exakt der nominalen Leistungsdifferenz zwischen den beiden PHY-Modi
entspricht und ein von dem vorstehend beschriebenen Fall der Herunterstufung
verschiedener Wert ist.
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Es
werden nun die 2 und 3 betrachtet;
die beiden vorstehend erwähnten
Werte für Sendeleistungseinstellungen
bei der Umschaltung von PHY-Modus 3 auf PHY-Modus 2 bzw. von PHY-Modus 2 auf PHY-Modus
3 sind voneinander verschieden, und die in 1 dargestellte
Nachricht enthält,
im Gegensatz zu den Lehren des bisherigen Standes der Technik, beide
Werte. Erfolgt die Umschaltung von einem robusteren PHY-Modus in
einen frequenzökonomischeren
PHY-Modus, wählt
die Terminal-Station
den korrekten Wert für
die Sendleistungskorrektur aus dem Satz für die Hochstufung des PHY-Modus,
der in der Nachricht gemäß vorliegender
Erfindung enthalten ist. Im anderen Fall, wenn die Umschaltung aus
einem frequenzökonomischeren
in einen robusteren PHY-Modus erfolgt, wählt die Terminal-Station einen
Wert aus dem Satz von Sendeleistungskorrekturwerten für die Herunterstufung
des PHY-Modus. Jedes
Mal, wenn die Master-Station die Terminal-Station anweist, den PHY-Modus
umzuschalten, führt
die besagte Terminal-Station die Umschaltung durch und kann gleichzeitig
die Sendeleistung automatisch um den Betrag ändern, der von der Master-Station
angegeben wurde. Letztere hat somit die volle Kontrolle und kann
einen beliebigen effizienten und optimierten Algorithmus für ATPC und PHY-Modus-Umschaltung
implementieren, ohne zusätzliche
ATPC-Nachrichten zu erfordern.
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Abschließend lässt sich
also sagen, dass es mithilfe der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen
Nachricht möglich
ist, auf sehr effiziente und robuste Art und Weise den Terminal-Stationen
(oder einer Untergruppe der Terminal-Stationen) die korrekten Werte für die Einstellung
der Sendeleistung mitzuteilen, wobei die Werte für die Herunterstufung und für die Hochstufung
des PHY-Modus voneinander verschieden sind.
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Obwohl
hier eine spezifische Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die sich auf ein Punkt-zu-Mehrpunkt-Funksystem
bezieht, aufgezeigt und beschrieben wird, versteht es sich von selbst,
dass die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt ist,
da von Fachleuten auf diesem Gebiet der Technik auch weitere Ausführungsformen
realisiert werden können,
ohne den Schutzbereich der folgenden Patentansprüche zu verlassen.