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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet drahtloser Telekommunikationen
und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung für ein Mobilkommunikations-Endgerät, um ein
Bake-Signal mit niedrigem Taktverhältnis zu erfassen und zu synchronisieren.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Mobilfunksystem-Basisstationen,
wie zum Beispiel die Basisstationen, die in großflächigen Zellulartelefonsystemen
oder für
drahtlose Heimtelefone verwendet werden, senden ein Steuersignal
mit fester Frequenz auf einem Bake- oder Steuerkanal. Ein Bake-Kanal dient den folgenden
Zwecken: (1) er stellt eine Zeit, eine Frequenz und eine Signalleistungsreferenz
für Mobil-Endgeräte zur Verfügung; (2) er
stellt Netzwerk-Broadcast-Information
zur Verfügung;
und (3) er wird verwendet, um die Zugriffssteuerung zu vereinfachen.
Die Referenzfunktion des Bake-Kanals ist insbesondere wichtig, um
ein Mobil-Endgerät
auf einen festen Basisstationskanal für Kommunikationen dazwischen
festzulegen.
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Wenn
ein Mobil-Endgerät
das erste Mal eingeschaltet wird, dann schaltet es normalerweise
seine Leistung hoch, und zwar ohne vorherige Kenntnis bezüglich der
Frequenz oder Zeitsteuerung von einer Funkbasisstation.
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Folglich
ist es für
das Mobil-Endgerät
erforderlich, sowohl für
die Frequenz als auch für
die Zeitsteuerung nach einem korrekten Referenzsignalmuster zu suchen,
auf das das Endgerät
dann festgelegt werden kann. Bei früheren analogen Kommunikationssystemen
waren diese Zeit- und Frequenzunsicherheiten beim Hochfahren der
Leistung durch Senden eines kontinuierlichen Wellenträgers (CW)
von der Basisstation getrennt. Die Mobil-Endgeräte waren in der Lage, aus dem
CW-Signal eine Frequenzreferenz abzuleiten. Derzeit werden in fortschrittlicheren
digitalen Funksystemen, wie zum Beispiel das globale System für Mobilkommunikationen (GSM)
in Europa, das persönliche
digitale Kommunikationssystem (PDC) in Japan, das digitale fortschrittliche
mobile Telefonsystem (D-AMPS) in Nordamerika, das digitale europäische drahtlose
Telefonsystem (DECT) und das neue persönliche Kommunikationssystem
(PCS), die Zeit- und Referenzfrequenzsignal in einem einzigen Referenz-Burst
kombiniert, der periodisch auf einer einzigen Trägerfrequenz gesendet wird.
Das Mobil-Endgerät
muß diesen
Burst finden, sowohl hinsichtlich Zeit als auch Frequenz, um sich
mit diesem zu synchronisieren (festzulegen).
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Allgemein
werden bei vorhandenen digitalen Systemen zwei Techniken verwendet,
um ein Referenz-Burst zu erfassen und mit diesem synchronisiert zu
werden. Bei der ersten Technik verwendet ein Mobil-Endgerät eine Vielzahl
von Online-Korrelatoren, um kontinuierlich das empfangene Signal
nach einem feststehenden Referenzmuster zu durchsuchen. Jeder Korrelator
wird verwendet, um in einem unterschiedlichen Frequenz-Offset zu
suchen. Bei der zweiten Technik tastet ein Mobil-Endgerät einen
geeigneten Bereich des empfangenen Signals ab und verarbeitet dann
die abgetasteten Daten offline, um in den verschiedenen Frequenz-Offsets
nach dem feststehenden Referenzmuster zu suchen.
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Die
erste der vorstehend beschriebenen Erfassungstechniken ist eine
technische Weiterentwicklung, aber sie erfordert eine beträchtliche
Menge an Hardware, um in dem Fall implementiert zu werden, dass
eine große
Frequenzunsicherheit vorliegt, da jeder verwendete Korrelator, nur
einen begrenzten Frequenzunsicherheitsbereich abdecken kann. Außerdem ist
die erste Technik relativ unflexibel, da sie immer dann wesentliche
Hardwareveränderungen
in den Endgeräten
erforderlich macht, wenn ein neues Basisstations-Referenzsignal verwendet wird.
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Die
zweite Erfassungstechnik ist sehr viel flexibler als die erste Technik,
und zwar primär
deshalb, weil die zweite Technik durch Software implementiert werden
kann. Folglich kann dann, wenn das Endgerät ein empfangenes Signal abgetastet
hat, ein digitaler Prozessor in dem Endgerät die Abtastwerte in einem
Speicher speichern und sie während
eines relativ großen
Zeit- und Frequenzfensters testen. Jedoch ist die zweite Technik
immer noch dadurch begrenzt, dass durch Absenkung des Taktverhältnisses des
Referenzsignals die Signalabtastzeit verlängert wird. Eine Verlängerung
der Abtastzeit benötigt
mehr Speicher- und Verarbeitungsanforderungen bezüglich der
Hardware des Endgeräts.
Für eine
geeignet schnelle Signalerfassungszeit sollten nämlich die abgetasteten Daten
zumindest ein komplettes Referenz-Burst enthalten. Um sicher zu
sein, dass ein vollständiges
Referenz-Burst abgetastet wird, muß die Dauer des abgetasteten
Signals länger
sein als die Periode zwischen zwei aufeinanderfolgenden Referenz-Bursts,
zuzüglich
der Periode des Referenz-Bursts selbst.
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Die
US-Patente Nr. 5,428,668 und 5,535,259 beschreiben ein kürzlich entwickeltes
Privatfunksystem, das für
die Verwendung mit zellularen Mobiltelefonen ausgestaltet wurde.
Das Referenzsignal, das von der Basisstation des Privatfunksystems
gesendet wird, hat ein sehr niedriges Taktverhältnis und kann eine sehr große Frequenzunsicherheit
haben. Folglich kann eine wesentliche Menge an Daten während der
relativ langen Periode zwischen aufeinanderfolgenden Frequenz-Bursts
abgetastet werden. Diesbezüglich
machen die vorliegenden Endgerät-Speicher-
und Verarbeitungsbeschränkungen
die vorhandenen Zeit- und Frequenzsynchronisationstechiken ungeeignet.
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Die
EP 0 445 887 offenbart ein
DECT-System unter Verwendung von TDMA, bei dem ein Referenzsignal
mit einem niedrigen Taktverhältnis
an einem Kommunikations-Endgerät von einem
anderen Kommunikations-Endgerät
empfangen wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, es einem Mobil-Endgerät zu ermöglichen,
ein Referenzsignal mit niedrigem Taktverhältnis mittels begrenzter Speicherkapazität zu erfassen.
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Es
ist außerdem
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, es einem Mobil-Endgerät zu ermöglichen,
ein Referenzsignal mit einem niedrigen Taktverhältnis offline und über eine
großen
Frequenzbereich zu erfassen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die vorstehend genannten
und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren
und durch eine Vorrichtung für
ein Mobil-Endgerät
gelöst,
um ein Referenzsignal mit niedrigem Taktverhältnis sowohl bezüglich der
Frequenz als auch der Zeit mit einem Offline-Betrieb zu erfassen,
der alternativ Signaldaten über
einen großen Frequenzbereich
abtastet und verarbeitet, wobei jedoch die Anzahl an Abtastwerten
klein genug ist, um in dem Speicher des Endgeräts gespeichert werden zu können.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die vorstehend
genannten und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung durch ein
Verfahren und eine Vorrichtung für
ein Mobil-Endgerät
gelöst,
um ein Referenzsignal mit niedrigem Taktverhältnis sowohl hinsichtlich Frequenz
als auch Zeit mit einer Offline-Verarbeitung
zu erfassen, bei der alternativ Signaldaten über einen großen Frequenzbereich
abgetastet und verarbeitet werden, wobei die Abtast- und Verarbeitungsperioden
so ausgewählt
sind, dass nicht mehr als ein Referenz-Burst während dieser Offline-Perioden verfehlt
werden kann.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Man
erhält
ein vollständigeres
Verständnis von
dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung zusammen
mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm höchster
Ebene ist, das ein Beispiel von einer Privatfunk-Heim-Basisstation darstellt, die in
einem Mobilkommunikations-Netzwerk-Überdeckungsgebiet arbeitet;
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2 eine
Darstellung ist, die eine Multiframe-Sequenz zeigt, die in einem GSM-Broadcast-Kanal übertragen
wird;
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3 eine
Darstellung ist, die eine typische FCCH- und SCH-Erfassungssequenz mit einem
hohem Taktverhältnis
zeigt, die in einem GSM-Mobil-Endgerät verwendet
wird;
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4 eine
Darstellung ist, die verwendet wird, um ein Verfahren zum Erfassen
eines Bake-Signals mit niedrigem Taktverhältnis an einem Mobil-Endgerät gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darzustellen;
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5 eine
Darstellung ist, die zeigt, wie ein Referenz-Bake mit niedrigem
Taktverhältnis,
das durch eine Privatfunksystem-Basisstation gesendet wird, durch
ein zellulares Mobil-Endgerät erfasst
werden kann, und zwar gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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6 eine
Tabelle ist, die Beispiele von Werten für Parameter K, N1 und N2 zeigt,
die unten Bezugnahme auf 5 beschrieben werden.
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Detaillierte
Beschreibung der Zeichnungen
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Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung und dessen Vorteile werden am besten
unter Bezugnahme auf 1–6 der Zeichnungen
verstanden, wobei gleiche Bezugszeichen für gleiche oder entsprechende
Teile in den verschiedenen Zeichnungen verwendet werden.
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm höchster Ebene, das ein Beispiel
von einer "Privatfunk-Heim-Basisstation"(HBS) zeigt, die
in einem Mobilkommunikations-Netzwerk-Überdeckungsgebiet betrieben
wird. Ein Privatfunksystem HBS 10 ist gezeigt, das ein
relativ kleines Überdeckungsgebiet 20 definiert.
Ein zellulares Mobil-Endgerät 30,
das sich innerhalb des Überdeckungsgebiets 20 befindet, ist über eine
Luftschnittstelle mit dem HBS 10 verbunden. Das Mobil-Endgerät 30 wird
mit HBS 10 in einem drahtlosen Modus betrieben. Wenn sich
das Mobil-Endgerät 30 außerhalb
des HBS-Überdeckungsgebiets 20,
aber innerhalb des Überdeckungsgebiets 50 befindet,
kann es mit der Basisstation 60 in einem zellularen Modus
betrieben werden. Das HBS 10 ist über eine Drahtleitung mit einem PSTN 40 verbunden.
Das Mobil-Endgerät 30 und
das HBS 10 befinden sich in dem relativ großen zellularen Überdeckungsgebiet 50,
das durch die Basisstation 60 definiert ist. Die Basisstation 60 enthält einen Sender/Empfänger-Abschnitt
und ist eine Komponente von einem öffentlichen Land-Mobil-Netzwerk (PLNM) 70.
In diesem darstellenden Beispiel kann angenommen werden, dass PLMN 70 das
GSM ist. Eine detaillierte Beschreibung der Struktur und der Funktion
von einem Privatfunk-HBS und einem zellularen Mobil-Telefon, die
in einem drahtlosen Modus betrieben werden, erfolgt in dem US-Patenten Nr. 5,428,668
und 5,535,259.
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Allgemein
bildet das Referenzsignal, das von einer Funkbasisstation gesendet
wird, das Rückgrat des
Mobil-Netzwerks.
Das Referenzsignal stellt den Mobil-Endgeräten eine Zeit- und Frequenzreferenz, um
mit dieser synchronisiert oder auf diese eingestellt zu werden,
und schließlich
eine Einrichtung für die
Endgeräte
zur Verfügung,
um auf das Netzwerk zuzugreifen. Digitale zellulare Kommunikationssysteme,
wie zum Beispiel GSM, PDC, D-AMPS, DECT und PCS, die Zeitvielfachzugriff-Systeme
(TDMA) sind, senden periodisch ein Referenzsignal als ein Burst
mit fester Information. Dieses Referenz-Burst wird auf einer einzigen
Trägerfrequenz
gesendet und bildet ein Referenz-Bake für die Endgeräte, um sich darauf
festzustellen. Anschließend
wird das GSM als ein darstellendes Beispiel verwendet, um die Beschreibung
der vorliegenden Erfindung zu unterstützen, aber es soll verstanden
werden, dass es nicht beabsichtigt ist, dass die Erfindung ausschließlich auf
das GSM beschränkt
ist. Irgendein Funksystem, das eine gepulste Bake-Übertragung
zur Synchronisation verwendet, kann im Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung liegen.
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In
dem GSM sendet der Frequenzkorrekturkanal (FCCH) der Basisstation
(z.B. Basisstation 60) Bakes, die verwendet werden, um
eine genaue Frequenzsynchronisation und eine grobe Zeitsynchronisation
für die
Mobil-Endgeräte
zu ermöglichen
(z.B. das Mobil-Endgerät 30).
Der Synchronisationskanal (SCH) der Basisstation sendet Bakes, die
verwendet werden, um eine genaue Zeitsynchronisation für die Endgeräte zu ermöglichen. 2 ist
eine Darstellung, die eine Multiframe-Sequenz zeigt, die in dem GSM-Broadcast-Kanal
(BCH) übertragen
wird. Wie gezeigt ist, finden die FCCH- und SCH-Bursts alle zehn
TDMA-Frames statt, getrennt durch vier Broadcast-Steuerkanal-Frames
(BCCH) und vier gemeinsame Steuerkanal-Frames (CCCH). Ein Leer-Frame wird
einmal an dem Ende von jeder Multiframe-Sequenz übertragen.
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Wenn
die Leistung von dem Mobil-Endgerät 30 hochgefahren
wird, sucht es anfänglich
(unter Verwendung eines internen Prozessors) nach einem FCCH-Burst.
Wenn das Endgerät
ein FCCH-Burst findet, kann es eine grobe Zeit- und Frequenz-Synchronisation durchführen. Danach
kann der SCCH-Burst schnell gefunden und durch das Endgerät für eine genaue
Zeit- und Frequenz-Synchronisation verwendet werden.
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Irgendeine
Anzahl von bekannten Techniken kann zum Auffinden des FCCH-Bursts
verwendet werden. Beispielsweise verwendet das GSM ein Gaußsches Minimal-Phasenlagen- Modulationsverfahren.
Da ein FCCH-Burst lediglich Nullen enthält, führt dies folglich zu einer
Rampe konstanter Phase, die auf einfache Weise in dem GMSK-modulierten
Signal erfasst werden kann, das an dem Mobil-Endgerät empfangen
wird. Das Mobil-Endgerät
verwendet das erfasste FCCH als eine grobe Zeit- und Frequenz-Referenz.
Basierend auf der Frame-Position von dem FCCH kann das Mobil-Endgerät bestimmen,
wo sich das SCH in dem empfangenen Signal befindet (z.B. die nachfolgende
TDMA-Frame-Position). 3 ist eine Darstellung, die
eine typische FCCH- und SCH-Erfassungssequenz
zeigt, die einem GSM-Mobil-Endgerät verwendet wird. Es sei angemerkt,
dass die Entfernung in dem GSM zwischen zwei aufeinanderfolgenden
FCCH-Bakes 10 TDMA-Frames beträgt, mit Ausnahme von dem letzten FCCH-Burst
in einem Multiframe und dem ersten FCCH-Burst in dem nachfolgenden
Multiframe, wobei in diesem Fall die Entfernung 11 TDMA-Frames beträgt (infolge
des Vorhandenseins eines zusätzlichen
Leer-Frames).
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Die
Referenzquellen in dem zellularen System sind relativ genau (z.B.
ist die Referenzgenauigkeit in den GSM-Basisstationen besser als
0,05 ppm), was zu einem minimalen relativen Offset zwischen der
Basisstation und dem Mobil-Endgerät von etwa ±25 ppm führt (wobei der gesamte Temperaturbereich
in Betracht gezogen wird), und zwar infolge der ungenauen Kristalle,
die in dem Mobil-Endgerät verwendet
werden. Jedoch ist die Genauigkeit der Kristalle, die in den privaten
Basisstationen verwendet werden, aus Kostengründen sehr viel kleiner als die
der Kristalle, die in den zellularen Basisstationen verwendet werden.
Normalerweise ist die Genauigkeit der in den privaten Basisstationen
verwendeten Kristalle gleich denen, die in den Mobil- Endgeräten gefunden
werden. Dies führt
zu einem maximalen relativen Offset zwischen einer privaten Basisstation und
einem Mobil-Endgerät
von ±50
ppm (schlechtester Fall). Daher ist die Frequenzunsicherheit zwischen
einem Mobil-Endgerät
und einer privaten Basisstation doppelt so hoch wie die Frequenzunsicherheit
zwischen dem Mobil-Endgerät
und einer zellularen Basisstation.
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4 ist
eine Darstellung, die verwendet werden kann, um ein Verfahren zum
Erfassen eines Bake-Signals mit niedrigem Taktverhältnis an
einem Mobil-Endgerät
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darzustellen. Die Darstellung in 4 zeigt
den Bake-Kanal, der durch eine exemplarische Privatfunksystem- Basisstation
gesendet wird, die mit dem GSM kompatibel ist. Eine detaillierte
Beschreibung von einem solchen Bake-Kanal mit niedrigem Taktverhältnis ist
in der gleichzeitig übertragenen
anhängigen
US-Patentanmeldung Nr.08/704,901 angegeben. Da die Zeitperiode zwischen
zwei aufeinanderfolgenden FCCH-Bakes relativ lang ist (z.B. 52 TDMA-Frames gegenüber 10 in
dem GSM), sind die herkömmliche Offline-Erfassungstechniken
nicht geeignet, da eine große
Menge an Daten durch das Mobil-Endgerät für eine solche lange Zeitperiode
abgetastet werden muß,
und das Endgerät
muß diese
große
Datenmenge offline analysieren.
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5 ist
eine Darstellung, die darstellt, wie ein Referenz-Bake mit niedrigem
Taktverhältnis,
das von einer Privatfunksystem-Basisstation gesendet wird, durch
ein zellulares Mobil-Endgerät
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung erfasst werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel
ist der Bake-Kanal
des Privatsystems kompatibel mit dem GSM-Luftschnittstellen-Protokoll. Es ist
wesentlich, dass während
der Bake-Erfassungsperiode und unter der Steuerung einer geeigneten
Software das Mobil-Endge rät
(z.B. das Endgerät 30)
abwechselnd das Privatfunk-Bake-Frequenzspektrum
abtastet und die empfangenen Signale verarbeitet, bis das Referenz-Bake
gefunden ist. Während
jeder Abtastung ist lediglich eine begrenzte Länge an Abtastzeit erlaubt,
um die Menge an abgetasteten Daten handhabbar zu halten (z.B. innerhalb
der Anforderungen des Speicherplatzes). Die Verarbeitungszeit wird
so gewählt,
dass sie für das
Endgerät
lang genug ist, um eine erforderliche (Software-) Analyse der abgetasteten
Daten durchzuführen.
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Während der
Verarbeitungsperiode können keine
neuen Daten abgetastet und empfangen werden, da die alten Daten
verarbeitet werden müssen, bevor
wieder genug Speicherplatz verfügbar
ist, um die neuen Daten zu empfangen. Folglich kann ein übertragenes
Referenz-Burst während
der Verarbeitungsperiode verfehlt werden. Die Abtastzeit und die Verarbeitungszeit
sind jedoch so gewählt,
dass dann, wenn ein Referenz-Burst während einer Verarbeitungsperiode
verfehlt wird, das nächste
nachfolgende Referenz-Burst gefunden wird. Folglich kann das Endgerät beim Hochfahren
der Leistung zumindest die zweite aufeinanderfolge Bake-Referenz,
die durch die private Basisstation übertragen wird, erfassen und
damit synchronisiert werden. Vorzugsweise ist die Verarbeitungszeit
des Endgeräts
so kurz wie möglich
gemacht, um die Wahrscheinlichkeit des Verfehlens eines übertragenen
Bake zu minimieren.
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Unter
spezieller Bezugnahme auf das darstellende Beispiel, das in 5 gezeigt
ist, überträgt eine
private Basisstation (z.B. Basisstation 10) ein Bake mit
einer Trennung von 2*26 TDMA-Frames zwischen FCCH/SCH-Paaren. Das Mobil-Endgerät (z.B.
Endgerät 30)
tastet die Bake-Kanal-Frequenzen für eine erste vorbestimmte Zeit
N1 ab. Das Endgerät verarbeitet
und analysiert dann die abgetasteten Daten für eine zweite vorbestimmte
Zeit N2. Wenn die Zeit (Abstand) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bakes
gleich P TDMA-Frames beträgt
und ein Bake (FCCH oder SCH) sich in einer Schlitzposition in einem
TDMA-Frame befinden kann, dann müssen
folgende Bedingungen (A, B) gleichzeitig erfüllt sein, um zu verhindern,
dass das Endgerät
aufeinanderfolgende Bakes verfehlt:
- A:K·N1
+ (K – 1)·N ≥ P + 1
- B: K·N2
+ (K – 1)·N1 ≤ P – 1
wobei
die Parameter K, N1, N2 und P Ganzzahlen sind und K die Zahl der
Abtast/Prozess-Perioden in einem Bake-Intervall ist. Beispielsweise ist für die beschriebene
Bake-Struktur in der gemeinsam übertragenen
anhängigen
US-Patentanmeldung Nr. 08/704,901 P gleich 52.
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6 ist
eine Tabelle, die Beispiele von Werten zeigt, die für K, N1
und N2 ausgewählt
sind, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 5 beschrieben
ist, wobei die Bedingungen A und B gleichzeitig erfüllt werden
können.
Beispielsweise stellt in der zweiten Zeile von oben in der Tabelle
der für
den Parameter N1(11) gezeigte Wert eine Abtastlänge dar, die nahe der ist,
die in dem GSM verwendet werden kann. Um so für ein GSM-Mobil-Endgerät ein Bake zu
erfassen, das durch eine Privatfunk-Basisstation übertragen
wird (wie beispielsweise in 5 gezeigt),
kann das Endgerät
die Bake-Frequenzen für 11
aufeinanderfolgende TDMA-Frames
(N1) erfassen und abtasten und die abgetasteten Daten während 4
aufeinanderfolgenden TDMA-Frames (N2) verarbeiten. Wenn ein Bake
an dem Endgerät
während
der Verarbeitungsperiode eintritt und verfehlt wird, wird das Endgerät das nächste nachfolgende Bake
beim Eintreffen finden, indem die vorstehend beschriebenen Bedingungen
(A, B) erfüllt
werden.
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Obwohl
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung in den beiliegenden Zeichnungen
dargestellt und in der vorstehenden detaillierten Beschreibung beschrieben
ist, soll verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten
Ausführungsbeispiele
beschränkt
ist, sondern dass zahlreiche neue Anordnungen, Modifikationen und
Ersetzungen möglich sind,
ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der durch
die nachfolgenden Ansprüche definiert
ist.