DE69327521T2 - Kommunikationsnetz mit zwei moden - Google Patents

Kommunikationsnetz mit zwei moden

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kommunikationssysteme und insbesondere auf ein Kommunikationsnetz mit zwei Moden.
  • In den gegenwärtigen zellulären Kommunikationssystemen haben Fußgänger Zugang zum zellulären Mobilfunknetz. Dieses zelluläre Mobilfunknetz stellt die kontinuierlichen Messungen im Hintergrund zur Verfügung, die vom System genutzt werden, um die Kanalqualität aufrechtzuerhalten oder die Gesprächsweiterleitung durchzuführen. Da diese Messungen dieselbe Menge an Rechenkapazität erfordern, unabhängig davon ob der Nutzer mobil ist oder nicht, muß ein Fußgänger für die Benutzung seines Telephons die gleiche Gebühr zahlen, wie ein mobiler Nutzer.
  • Aus diesem Grund besteht seitens der Industrie ein Bedarf an einem persönlichen Kommunikationssystem (PCS), das für Fußgänger ein nachrangiges System mit reduzierten Kosten zur Verfügung stellt. Das nachrangige System würde über eine Radiofrequenz (RF) den Zugang zu einem zellulären Basisnetz herstellen, das die Möglichkeit zur Gesprächsweiterleitung bietet oder auch nicht. Für diese Diskussion ist ein zu Fuß gehender Nutzer jemand, der sich langsam bewegt (10 km/h, Kilometer pro Stunde, oder weniger), im Gegensatz zum mobilen Nutzer (bis zu 100 km/h oder mehr).
  • Die europäische Patentanmeldung EP-A-415 502 beschreibt ein Kommunikationssystem mit einem Modus, das sich von GSM und DECT ("different from GSM and DECT") unterscheidet, obwohl es Merkmale aufweist, durch die unter Benutzung von Komponenten, die für GSM- und DECT-Ausrüstung entwickelt wurden, oder auf solchen Komponenten basierend eine schnelle Implementierung ermöglicht wird und als Folge das System schnell eingerichtet werden kann ("has features which enable it to be implemented by using components developed for, or based on those developed for, GSM and DECT equipment and in consequence the system can be established rather rapidly").
  • Das Kommunikationsnetz mit zwei Moden umfaßt ein erstes Kommunikationssystem mit einer Rahmenstruktur und einem ersten Verkehrskanal-Protokoll und ein zweites Kommunikationssystem mit derselben Rahmenstruktur und einem zweiten Verkehrskanal- Protokoll. Jedes der ersten oder zweiten Verkehrskanal-Protokolle unterstützt im Netz eine Vorwärtsfehlerkorrektur-Kodierung. Das Kommunikationsnetz mit zwei Moden ist durch eine Steuervorrichtung (91) gekennzeichnet, die basierend auf Parametern des Kommunikationsnetzes automatisch das erste Verkehrskanal-Protokoll oder das zweite Verkehrskanal-Protokoll auswählt, wobei nur eines der ersten oder zweiten Verkehrskanal-Protokolle eine Vorwärtsfehlerkorrektur-Kodierung und eine Kombination aus einem Kodemultiplex- und Zeitmultiplexvielfachzugriffsverfahren benutzt und das andere des ersten oder zweiten Verkehrskanal- Protokolls ein Zeitmultiplexvielfachzugriffsverfahren benutzt.
  • Fig. 1 ist ein Blockdiagramm mit der Zellenstruktur für ein Kommunikationssystem als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 2 zeigt die Rahmenstruktur für ein nachrangiges Kommunikationssystem als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das die Funktion eines vorrangigen Modems als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
  • Fig. 4 zeigt die Rahmenstruktur für ein vorrangiges Kommunikationssystem als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das die Funktion eines nachrangigen Modems als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
  • Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, das die Sendeseite eines Modems als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
  • Fig. 7 ist ein Blockdiagramm, das die Empfangsseite eines Modems als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
  • Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, das einen Modem als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und
  • Fig. 9 zeigt die Rahmenstruktur für eine Kombination eines vorrangigen / nachrangigen Kommunikationssystems als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm der Zellenstruktur, allgemein mit 10 bezeichnet, eines Kommunikationssystems gezeigt, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Zellenstruktur 10 besteht aus einer Vielzahl von nachrangigen Zellen 12, die in einer Art eines sich wiederholenden Musters für die Verkehrskanäle angeordnet sind (21 Zellen, 7 Zellen, etc.). in dieser Beschreibung bezeichnet der Begriff nachrangig ein Kommunikationssystem, das als Preis für geringere Betriebskosten eine große Verzögerung, eine kürzere Reichweite und eine langsamere Gesprächsweiterleitung aufweist. Zusätzlich zu dem nachrangigen Teil des Systems für Fußgänger, besteht ein Bedarf an den Funktionen eines zellulären Mobilfunksystems als dem vorrangigen Teil des PCS. In dieser Beschreibung bezeichnet der Begriff vorrangig ein Kommunikationssystem, das mindestens die gleichen Leistungsmerkmale, Reichweite und Fähigkeit zur Gesprächsweiterleitung aufweist, wie die derzeitigen zellulären Systeme. Dieses vorrangige System wird durch die Zellen 11 dargestellt, die in dieser bevorzugten Ausführungsform ein sich wiederholendes Muster einer Zelle darstellen. Die vorrangigen und nachrangigen Systeme arbeiten zusammen und bieten einen transparenten, einheitlichen Service für den Nutzer.
  • Ein Beispiel für diesen ist ein Fußgänger, der eine Straße entlang geht und ein Funktelefon im nachrangigen System benutzt. Der Nutzer steigt dann während eines Gesprächs in ein Auto ein und fährt los. Das System muß in der Lage sein, zu ermitteln, daß ein Wechsel stattgefunden hat, und das Gespräch in einer für den Nutzer transparenten Weise vom nachrangigen zum vorrangigen System zu übergeben.
  • Um jedoch die Notwendigkeit auszuschalten, Telefone mit zwei Moden oder mehrere Telephone mit sich zu tragen, ist es wünschenswert, ein System mit zwei Moden zu haben, in dem das vorrangige und das nachrangige System miteinander kompatibel sind, so daß eine einzige Sende-/Empfangseinheit (eine Teilnehmereinheit) benutzt werden kann. Daher schafft die vorliegende Erfindung ein System mit zwei Moden, bei dem die Verkehrskanal- Protokolle für jedes System mit derselben Rahmenstruktur arbeiten, so daß eine einzige Teilnehmereinheit in beiden Moden betrieben werden kann.
  • In der folgenden Tabelle 1 sind die Spezifikationen für die Verkehrskanäle für das nachrangige (Fußgänger) und vorrangige (mobile) System angegeben. Tabelle 1 Verkehrskanal-Protokolle mit zwei Moden
  • Im nachrangigen (Fußgänger-) Kommunikationssystem wird ein Verkehrskanal-Protokoll verwendet, das einen ADPCM- (Adaptiven Delta-Pulskodemodulations-) Sprachkodierer mit 32 kbps (Kilobit pro Sekunde) benutzt, um Gespräche in Fernsprechqualität zu ermöglichen. Fehlerkorrektur oder Entzerrung ist im nachrangigen System nicht erforderlich. Im vorrangigen System wird ein LD- CELP- (Low Delay - Code Excited Linear Predictive-) Sprachkodierer mit einer Halbraten-Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) und 16 Bit benutzt. Jedoch würden ein 32 kbps-ADPCM, der zwei Fenster pro Rahmenbenutzt, oder ein 8 kbps-Kodierer, der ein Fenster in jedem weiteren Rahmen benutzt, ebenfalls annehmbare, vorrangige Kodier-Alternativen bieten.
  • Wie aus Tabelle 1 hervorgeht und in Fig. 2 ersichtlich ist, ist der Rahmen für das vorrangige System, allgemein mit 15 bezeichnet, ein mit 20 Sprüngen verschachtelter Rahmen 16. Jeder Sprung besteht aus einem 10 Slot TDMA- (Zeitmultiplexvielfachzugriff-) Rahmen 17. Jeder TDMA-Rahmen besteht aus 100 Bits, die aus 6 Ramp-up-Bits, 20 Pilot-Bits, 68 kodierten Daten-Bits (Sprach-Bits) und 6 Ramp-down-Bits bestehen. Die 68 Sprach-Bits bestehen aus verschachtelter Sprache, FED- und Signalisierungs- Bits. Jedes Fenster ist 200 us (Mikrosekunden) lang. Dies ergibt einen TDMA-Rahmen von 2 ms (Millisekunden) und einen verschachtelten Rahmen von 40 ms. Da dieses Protokoll Kodemultiplexvielfachzugriff mit langsamem Frequenzsprungverfahren (d. h. mit Sprungsequenz) verbunden mit einem Zeitmultiplexvielfachzugriffsverfahren (Konfiguration mit mehreren Fenstern) verwendet, kann dieses Protokoll am besten als Kombination aus CDMA- und TDMA- Methode charakterisiert werden.
  • Ein Blockdiagramm mit der Arbeitsweise eines vorrangigen Modems, allgemein mit 30 bezeichnet, ist in Fig. 3 abgebildet. Ein Sprach-/Informationssignal wird an einem Eingang einer Rahmenerzeugungsvorrichtung 31 empfangen, und ein Signalisierungs-Signal wird an einem zweiten Eingang empfangen. In der bevorzugten Ausführungsform wird das Sprachsignal mit 16 kbps und das Signalisierungs-Signal mit 0,5 kbps empfangen. Am Ausgang der Rahmenerzeugungsvorrichtung 31 liegt ein Signal mit 16,5 kbps an. Dieser Rahmen ist die Eingabe für eine Vorwärtsfehlererfassungsvorrichtung (FED) 32, welche ein weiteres Signal mit 0,5 kbps zu dem Signal mit 16,5 kbps von der Rahmenerzeugungsvorrichtung 31 zufügt. Der Ausgang von FED 32 ist der Eingang zu einer Vorwärts fehlerkorrekturvorrichtung (FEC) 33. Diese empfängt am Eingang 17 kbps und kodiert ihn, um ein Ausgangssignal mit 34 kbps zu erzeugen. Das Signal mit 34 kbps wird dann im Interleaver 34 verschachtelt. Die Ramp-up-, Pilot- und Ramp-down-Bits (16 kbps), Block 36, werden dann im Rahmenerzeugungsblock 35 zu dem Signalrahmen hinzugefügt, der ein Ausgangssignal mit 50 kbps des Verkehrskanals erzeugt. Dies läßt sich mit den 100 Bit-Fenstern in Fig. 2 vergleichen, da in Fig. 2 jeder Rahmen 2 ms lang ist oder sich 500 Rahmen pro Sekunde ergeben. Mit 100 Bit pro Rahmen errechnet sich die gleiche Rate von 50 kbps. Genauso ergeben die 32 Bit, die pro Rahmen für die Rampen- und Pilot-Bits verwendet werden, 16 kbps für 500 Rahmen pro Sekunde.
  • In Fig. 4 ist ein nachrangiger Rahmen, allgemein mit 25 bezeichnet, abgebildet. Da bei dem nachrangigen System keine Frequenzsprünge erfolgen, gibt es keinen Satz von verschachtelten Rahmen. Daher ist im nachrangigen System der Rahmen mit der höchsten Ordnung der TDMA Rahmen 17, der 10 Fenster besitzt. Wie im vorrangigen System enthält jedes Fenster 100 Bits, die aus 6 Ramp-up-Bits, 2 differentiellen Bits, 9 Signalisierungs-Bits, 64 Sprach-Bits, 13 FED-Bits und 6 Ramp-down-Bits bestehen. Ebenso hat, wie im vorrangigen System, jedes Fenster eine Dauer von 200 us, was für jeden TDMA-Rahmen 2 ms ergibt. Während die Übertragung vom Teilnehmer ein TDMA-Protokoll ist, könnte die Übertragung zur Basisstation entweder TDMA sein, wobei nur die benötigten Fenster benutzt werden, oder Zeitmultiplex (TDM), bei dem alle Fenster aufgefüllt sind, unabhängig davon ob sie nun aktiv benutzt werden oder nicht. Daher kann das nachrangige System dadurch charakterisiert werden, daß es entweder ein TDMA- oder ein TDM/TDMA-Protokoll hat.
  • In Fig. 5 ist ein Blockdiagramm mit der Arbeitsweise eines nachrangigen Modems, allgemein mit 50 bezeichnet, abgebildet. Der nachrangige Modem benutzt viele von denselben Funktionen des vorrangigen Modems, die in der gleichen oder einer anderen Weise arbeiten können. In Fig. 5 empfängt die Rahmenerzeugungsvorrichtung 31 das Sprachsignal mit 32 kbps und die Signalisierungs- Information mit 4,5 kbps. Diese werden in der Rahmenerzeugungsvorrichtung 31 verbunden und ergeben ein Signal mit 36,5 kbps. Das Signal mit 36,5 kbps wird zum FED 32 geleitet, der für die Fehlererfassung 6,5 kbps hinzufügt. Die resultierenden 43 kbps werden im Rahmenerzeugungsblock 35 zu einem Signal mit 7 kbps hinzugefügt, das aus Ramp-up-, differentiellen, und Ramp-down- Bits von Block 51 besteht. Dies ergibt ein Verkehrssignal mit 50 kbps.
  • Wie im Vergleich der Fig. 2 und 4 ersichtlich, stimmt der Satz von TDMA-Rahmen des nachrangigen Systems mit dem TDMA Anteil des Satzes von CDMA/TDMA-Rahmen des vorrangigen Systems überein. Durch die Verwendung des gleichen Satzes von Rahmen sowohl im vor- als auch im nachrangigen System, kann ein einzelner Sender/Empfänger entworfen werden, der in beiden Systemen arbeitet und viele der gleichen Komponenten verwendet und so eine kleinere, billigere Kommunikationseinheit ermöglicht.
  • Ein Blockdiagramm des Sendeteils, allgemein mit 60 bezeichnet, für einen Modem, der in einem System mit zwei Moden benutzt werden kann, ist in Fig. 6 abgebildet. Das empfangene Sprach-/ Informationssignal wird in den Modem eingespeist und wird zu einem vorrangigen Vocoder 61 und einem nachrangigen Vocoder 62 weitergeleitet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der vorrangige Vocoder 61 ein 16 kbps-LD-CELP-Vocoder, und der nachrangige Vocoder ist ein 32 kbps-ADPCM-Vocoder. Das Sprachsignal wird von dem Vocoder verarbeitet, der durch den Steuereingang ausgewählt ist. Die kodierten Signale werden dann in der Rahmenerzeugung 63 in einen Rahmen gebracht und werden im FED 64 mit Vorwärtsfehlererfassungs-Bits versehen.
  • Wenn der Modem im vorrangigen System arbeitet (was durch das Steuersignal bestimmt wird), werden dem mit einem Rahmen versehenen Signal im FEC 65 Bits zur Vorwärtsfehlerkorrektur hinzugefügt und im Interleaver 66 verschachtelt. Nach dem Interleaver 66 im vorrangigen System oder dem FED 64 im nachrangigen System werden zu dem Signal Ramp-up-, Ramp-down- und differntielle oder Pilot-Bits in der Rahmenerzeugung 67 hinzugefügt. Das Signal wird dann im Modulator 69 moduliert. Der Typ des benutzten Modulationsschemas wird eine Form einer QPSK- (Quadratur- Phasenumtastung-) Modulation sein (wie etwa π/4-QPSK, Offset-QPSK, differentielle QPSK) und ist in dieser bevorzugten Ausführungsform eine gefilterte QPSK- oder QAM- (Quadratur-Amplituden- Modulati on-) Modulation. Wenn der Modem im vorrangigen Modus arbeitet, wird das Signal dann im Mischer 71 mit der Sprungfrequenz von Block 70 gemischt. Die Signale werden dann durch die Antenne 72 ausgegeben.
  • In Fig. 7 ist ein Blockdiagramm des Empfangsteils, allgemein mit 75 bezeichnet, für den Modem abgebildet. Wenn er arbeitet, wird ein Verkehrssignal in Antenne 76 empfangen. Wenn er im vorrangigen Modus arbeitet (wie vom Steuereingang bestimmt), wird das Signal im Mischer 78 mit einer De-Hopping-Frequenz von Block 77 gemischt. Das Signal wird dann in Block 79 demoduliert.
  • In einer Umgebung mit einem durch Verzögerungen gedehnten Spektrum werden eine Vielzahl von Strahlen eines gegebenen Signals zu verschiedenen Zeiten und mit verschiedenen Phasen empfangen, die sich durch Reflexionen des Signals an verschiedenen Objekten (z. B. Gebäuden, Bergen) ergeben. Daher wird das Signal, wenn der Modem im vorrangigen Modus arbeitet, zu einem MLSE- (Maximum Likelihood Sequence Estimator-) Entzerrer 88 geleitet, der aus einem Entzerrer 81 und einer Löschstufe 80 für Intersymbolstörungen (ISI) besteht. Die Ausgabe von Entzerrer 81 ist ein Satz von "harten Entscheidungen" oder logischen Nullen und Einsen, die die Eingabe für die Löschstufe 80 bilden. Die ISI 80 empfängt das Ausgangssignal der "harten Entscheidungen" von dem Entzerrer 81 und benutzt dieses Ausgangssignal, um die Intersymbolstörungen vom Eingangssignal zu eliminieren. Das resultierende Abtastsignal und ein Satz von "weichen Entscheidungen" von der Löschstufe 80 werden in einem De-Interleaver 82 ausgepackt und dann einem Viterbi-Dekoder zur Dekodierung zugeführt.
  • Nach dem Dekoder 83 oder im nachrangigen Modus dem Demodulator 79 wird das Signal in einem geeigneten Dekoder 84 oder 85 dekodiert. Das Sprachsignal wird dann von dem Modem ausgegeben.
  • In Fig. 8 ist ein allgemeines Blockdiagramm eines Modems, der allgemein mit 90 bezeichnet ist, abgebildet, der sowohl im vorrangigen als auch im nachrangigen Modus arbeiten kann. Der Modem 90 besteht aus einem vorrangigen Abschnitt 93, einem nachrangigen Abschnitt 94 und einem gemeinsamen Abschnitt 95 von Komponenten, die sowohl im vorrangigen als auch im nachrangigen Modus benutzt werden. Der Modem 90 wird im Betrieb von einer Steuervorrichtung 91 gesteuert.
  • Die Steuervorrichtung 91 kann basierend auf einem oder mehreren Parametern auswählen, ob der Modem 90 im vorrangigen oder nachrangigen Modus arbeitet.
  • Alternativ kann die Steuervorrichtung 91 für die Auswahl die Verfügbarkeit des nachrangigen Modus zugrundelegen. Wenn der Nutzer beispielsweise sich nicht in einer Gegend befindet, die eine nachrangige Überdeckung aufweist (z. B. eine dünn besiedelte Gegend), müßte die Steuervorrichtung 91 den vorrangigen Modus auswählen, um den Dienst zu erhalten.
  • Ein anderer Steuerparameter kann die Bitfehlerrate (BER) sein. Wenn die BER zu groß wäre, würde die Steuervorrichtung 91 den vorrangigen Modus wählen. In einem anderen Beispiel kann der Nutzer im nachrangigen Modus starten und dann in den vorrangigen Modus übergeben oder weitergeleitet werden, wenn die Geschwindigkeit des Nutzers so groß wird, daß die BER inakzeptabel wird. Die Messung eines Verhältnisses zwischen Träger und Interferenz (C/I) hätte den gleichen Effekt.
  • Wie aus der Ähnlichkeit der Rahmenstrukturen und dem Entwurf des Modems, der sich diese Ähnlichkeit zunutze macht, ersichtlich ist, wurde daher ein System und ein Modem erläutert, das einem Nutzer die Möglichkeit gibt, entweder in einem vorrangigen zellulären Mobilfunknetz oder in einem nachrangigen Fußgängersystem zu arbeiten.
  • In Fig. 9 ist nun eine Rahmenstruktur, die allgemein mit 96 bezeichnet ist, gezeigt, die eine Kombination aus vorrangigem und nachrangigem Kommunikationssystem als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Der Rahmen 96 besteht aus 10 Fenstern. Die Daten in jedem Fenster sind so organisiert, daß entweder ein Protokoll I (PI) 98 oder ein Protokoll II (PII) 97 benutzt wird. Obwohl nur zwei verschiedene Protokolle hier erläutert sind, versteht es sich, daß so viele Protokolle verwendet werden können, wie es Fenster gibt. In dieser Ausführungsform ist das PI Protokoll das vorrangige Protokoll von Fig. 2 und das PII Protokoll das nachrangige Protokoll von Fig. 4. Im Betrieb würde eine Basisstation die Signale kodieren, indem sie ein für diesen Nutzer angemessenes Protokoll benutzt und die Signale in der gewünschten Reihenfolge der Fenster kombiniert.
  • Somit ist für den Fachmann ersichtlich, daß erfindungsgemäß ein Kommunikationssystem mit zwei Moden geschaffen wird, durch welches die Aufgabe, die Ziele und die Vorteilen vollständig erreicht werden, die vorher genannt wurden.
  • Obwohl die vorliegenden Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, daß viele Abänderungen, Modifikationen und Verbesserungen im Sinne der vorangehenden Beschreibung für den Fachmann denkbar sind.

Claims (6)

1. Kommunikationsnetz mit zwei Moden, das umfaßt:
ein erstes Kommunikationssystem (10) mit einer Rahmenstruktur und einem ersten Verkehrskanal-Protokoll,
ein zweites Kommunikationssystem (11) mit dieser Rahmenstruktur und einem zweiten Verkehrskanal-Protokoll,
wobei das Kommunikationsnetz mit zwei Moden gekennzeichnet ist durch
eine Steuervorrichtung (91) zur automatischen Auswahl des ersten Verkehrskanal-Protokolls oder des zweiten Verkehrskanal- Protokolls in Abhängigkeit von Parametern des Kommunikationsnetzes, wobei nur eines der ersten und zweiten Verkehrskanal- Protokolle eine Kodierung zur Vorwärtsfehlerkorrektur und eine Kombination aus Kodemultiplex- und Zeitmultiplexvielfachzugriffsverfahren benutzt und das andere des ersten und zweiten Verkehrskanal-Protokolls ein Zeitmultiplexvielfachzugriffsverfahren verwendet.
2. Kommunikationsnetz mit zwei Moden nach Anspruch 1, bei dem eines von dem ersten und zweiten Verkehrskanal-Protokoll, das eine Kodierung zur Vorwärtsfehlerkorrektur benutzt, außerdem eine Verschachtelung durchführt.
3. Kommunikationsnetz mit zwei Moden nach Anspruch 1, bei dem eines von dem ersten und zweiten Verkehrskanal-Protokoll, das eine Kodierung zur Vorwärtsfehlerkorrektur benutzt, außerdem Diversity mit Maximalwertüberlagerung benutzt, und das andere von dem ersten und zweiten Verkehrskanal-Protokoll Diversity mit Antennenumschaltung benutzt.
4. Kommunikationsnetz mit zwei Moden nach Anspruch 1, bei dem die Parameter des Kommunikationsnetzes die Verfügbarkeit des ersten und des zweiten Kommunikationssystems einschließen.
5. Kommunikationsnetz mit zwei Moden nach Anspruch 1, bei dem die Parameter des Kommunikationsnetzes die Bitfehlerrate einschließen.
6. Kommunikationsnetz mit zwei Moden nach Anspruch 1, bei dem die Parameter des Kommunikationsnetzes ein Verhältnis zwischen Träger und Interferenz einschließt.
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