DE69825105T2

DE69825105T2 - Digitale Funkkommunikationsstation

Info

Publication number: DE69825105T2
Application number: DE69825105T
Authority: DE
Inventors: Gerard Marque-Pucheu
Original assignee: Nortel Networks France SAS
Current assignee: Nortel Networks France SAS
Priority date: 1997-08-08
Filing date: 1998-08-06
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2018-08-07
Also published as: DE69825105D1; EP0896443A1; CA2244562A1; SG65089A1; FR2767245A1; EP0896443B1; ATE271730T1; FR2767245B1; US6442209B1

Description

Die Erfindung betrifft die digitale Funkkommunikation. Sie ist insbesondere auf professionelle Systeme zur Funkkommunikation mit mobilen Einrichtungen anwendbar.
In diesem Bereich sollen im Allgemeinen zwei Ziele erreicht werden.
Einerseits muss ein Funkkommunikationsnetz eine möglichst ausgedehnte funktechnische Abdeckung bieten und gleichzeitig eine möglichst kleine Anzahl von Basisstationen haben.
Andererseits muss das Funkkommunikationssystem die Durchführung einer maximalen Anzahl von gleichzeitigen Verbindungen in einem gegebenen Frequenzband gestatten. Dies impliziert eine spektrale Wirksamkeit, die um so größer ist, je höher die Kommunikationsdichte der Umgebung ist, wie dies in Stadtbereichen häufig der Fall ist.
Diese beiden Ziele sind schwer miteinander zu vereinen, da sie bei der Definierung der Parameter des Telekommunikationssystems sich widersprechenden Bedingungen entsprechen. Die Verringerung der spektralen Besetzung der Verbindungen bringt nämlich eine Senkung der Empfindlichkeit der Funkempfänger mit sich. Dies führt zu einer Verringerung der Reichweite der Sender und zur Notwendigkeit, die Anzahl der Basisstationen bei gegebener Abdeckung und gegebener Qualität zu erhöhen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile durch Schaffung einer besonderen Art der Organisation der Funkübertragungskanäle zu beseitigen.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung eine digitale Funkkommunikationsstation mit einer Quelle für ein codiertes Wortsignal mit einem gegebenen Durchsatz und Modulationsmittel zur Formung eines Funksignals aus dem von der Quelle kommenden codierten Wortsignal vor. Erfindungsgemäß umfasst die Station außerdem einen Redundanzcodierer mit einer Codierleistung der Form K/N, wobei K und N solche ganzen Zahlen sind, dass 0 < K < N, sowie Steuermittel zum Wählen eines Betriebsmodus der Station aus mindestens einem ersten Betriebsmodus, in dem die Modulationsmittel direkt das von der Quelle kommende codierte Wortsignal empfangen und es in ein Funksignal überführen, das einen bestimmten Teil der Zeit auf einer Trägerfrequenz besetzt, und einem zweiten Betriebsmodus, in dem der Redundanzcodierer das von der Quelle kommende codierte Wortsignal empfängt und die Modulationsmittel das Ausgangssignal des Redundanzcodierers empfangen und es in ein Funksignal überführen, das das N/K-fache dieses bestimmten Teils der Zeit auf einer Trägerfrequenz besetzt.
Der zweite Betriebsmodus liefert eine höhere Empfindlichkeit der in Verbindung befindlichen Stationen zum Preis einer stärkeren Besetzung der verfügbaren spektralen Ressourcen. So kann ein und dieselbe Station (Basisstation oder tragbarer Terminal), die dieselbe Quelle eines codierten Wortsignals und dieselben Modulationsmittel verwendet, auf vorteilhafte Weise im ersten Betriebsmodus im Fall einer hohen umgebenden Verkehrsdichte (typischerweise in Stadtgebieten) und im zweiten Betriebsmodus in den Zonen mit geringerer Verkehrsdichte verwendet werden, in denen man die Funkbedeckung maximieren möchte.
Die Erfindung ist auf vorteilhafte Weise auf Funkkommunikationssysteme mit Mehrfachzugriff durch Frequenz-Teilung (FDMA: "Frequency-Division Multiple Access") oder durch Code-Teilung (CDMA) anwendbar. In diesem Fall ist dieser bestimmte Teil der Zeit auf einer Trägerfrequenz gleich K/N. Die zeitliche Besetzung der Trägerfrequenz wird in regelmäßige Zeitintervalle geteilt. Eine Verbindung verwendet 100 % dieser Zeitintervalle im zweiten Modus und nur einen Anteil K/N im ersten Modus. Es ist zweckmäßig, dass diese Zeitintervalle jeweils einem Block des codierten Wortsignals entsprechen.
Die Erfindung ist auch auf Funkkommunikationssysteme mit Mehrfachzugriff durch Zeitteilung (TDMA) anwendbar. Die Zuteilung eines mehr oder weniger großen Teils der Zeit auf einer gegebenen Trägerfrequenz an eine Verbindung kann nun durch Reservierung einer angemessenen Anzahl von Einzelzeitintervallen TDMA auf der Trägerfrequenz durchgeführt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von nicht begrenzenden Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung. In dieser zeigen:
1 und 3 Blockschaltbilder des Sendeteils und des Empfangsteils einer erfindungsgemäßen Funkkommunikationsstation,
2 ein Zeitdiagramm, das die Struktur von in einer erfindungsgemäßen Station verwendeten Funkkommunikationskanälen zeigt, und
4 eine schematische Ansicht einer Einzelheit einer vorteilhaften Variante des Empfangsteils der Station.
Der in 1 dargestellte Sendeteil der Station besitzt eine Quelle 10 für das codierte Wortsignal SN. Bei dem dargestellten Beispiel verarbeitet diese Quelle ein Wortsignal S, das an sie mit Hilfe eines Quellencodierers 11 übermittelt wird. Das vom Codierer 11 abgegebene komprimierte Wortsignal wird einem Kanalcodierer 12 geliefert, der an diesem eine Fehlerkorrekturcodierung und/oder eine Schachtelung vornimmt. Das codierte Wortsignal SN wird von dem Signal des Kanalcodierers 12 gebildet. Es besitzt einen gegebenen digitalen Durchsatz D, der durch die Merkmale der Codierer 11 und 12 festgelegt ist.
Die in 1 dargestellte Quelle 10 für das codierte Wortsignal kann die in einem tragbaren Terminal enthaltene Quelle sein, wobei das Signal S vom Mikrofon des Terminals kommt. Sie kann auch in einer Basisstation enthalten sein, wenn das Wortsignal S an dieser Basisstation verfügbar ist. Wenn dagegen die Basisstation über das codierte Signal SN, aber nicht über das Ursprungssignal S verfügt, besteht die Quelle für das codierte Wortsignal aus den Empfangs- und Verarbeitungsteilen der Station, die das zu übertragende digitale Signal SN abgeben.
Der Sendeteil der Station besitzt einen Modulator 15, der ein digitales Signal empfängt, das aus dem codierten Wortsignal SN erhalten wird. Auf herkömmliche Weise liefert der Modulator 15 zwei um neunzig Grad phasenverschobene Komponenten I, O im Basisband, die eine zugeordnete Funkstufe 16 zwei um neunzig Grad phasenverschobenen Wellen mit einer Trägerfrequenz beimischt, um das Funksignal SR zu erzeugen, das von der Antenne der Station gesendet wird.
Wie in der schematischen Darstellung von 1 mit zwei Umschaltern 17 symbolisiert wird, besitzt die Funkkommunikationsstation zwei Betriebsmoden.
Im ersten Modus wird das codierte Wortsignal SN direkt zum Eingang des Modulators 15 übermittelt. Im zweiten Modus wird dieses Signal SN dem Eingang eines Redundanzcodierers 18 geliefert, dessen Ausgang das Signal liefert, das an den Modulator 15 angelegt wird. Dieser Redundanzcodierer 18 hat eine Codierausbeute von der Form K/N mit 0 < K < N, das heißt bei K empfangenen Symbolen des codierten Wortsignals SN liefert er dem Eingang des Modulators 15 N Symbole.
Bei einer einfachen Ausführungsform der Erfindung kann der Redundanzcodierer 18 ein konvolutiver Codierer sein. Bei dem dargestellten Beispiel ist er ein konvolutiver Codierer CC (2,1,3) mit der Leistung ½ (K = 1, N = 2).
Der Modulator 15 wendet bei beiden Betriebsmoden der Station dasselbe Modulationsschema an.
Man betrachtet als Beispiel den Fall eines FDMR-Systems, in dem der Modulator 15 einen digitalen Eingangsdurchsatz von 15 kBit/s zulässt, mit Funkkanälen mit einer Breite von 12,5 kHz. Der mittlere digitale Durchsatz D des von der Quelle 10 kommenden Signals SN ist in einem Verhältnis K/N kleiner als dieser Wert von 16 kBit/s. Er beträgt bei diesem Beispiel D = 8 kBit/s. Die Quelle 10 liefert das Signal SN in Form von aufeinander folgenden binären Blöcken mit einer Dauer Δt zwischen 10 und 30 ms, bei spielsweise Δt = 20 ms. Um Platz für die Redundanzbits zu lassen, wenn der Codierer 18 verwendet wird, wird nur jede zweite Blockperiode von der Dauer Δt durch einen Block des Signals SN besetzt, der aus binären Symbolen mit einer momentanen Folge von 16 kBits/s besteht.
Auf diese Weise nimmt das Funksignal SR, das sich aus der Umwandlung des von der Quelle 10 kommenden Signals SN durch den Modulator 15 ergibt, im ersten Betriebsmodus der Station nur einen Teil K/N der Zeit auf der Trägerfrequenz ein. Dies ist in der ersten Zeile der 2 dargestellt, die eine Verbindung 1 zeigt, deren aufeinander folgende Blöcke 1a, 1b, 1c ... jeweils eines von zwei Zeitintervallen Δt einnehmen. Die anderen Zeitintervalle können verwendet werden, um einen anderen logischen Kanal zu schaffen, der für eine andere Funkverbindung verwendbar ist (Block 2a, 2b, 2c, ... einer anderen Verbindung 2).
Im zweiten Modus liefert der Redundanzcodierer 18 dem Modulator 15 ein Signal mit 16 kßit/s mit der vollen Zeit. Jeder Block 1a, 1b, 1c, ... nimmt eine Dauer (N/K)·Δt = 2·Δt ein, so dass das resultierende Funksignal SR des Ausgangs der Quelle 10 die Gesamtheit der Zeit auf der Trägerfrequenz einnimmt, das heißt das N/K-fache des entsprechenden Teils im ersten Modus. Wie die zweite Zeile von 2 zeigt, ist der physische Kanal im zweiten Modus nicht in der Lage, eine andere Verbindung aufzunehmen.
Der erste Betriebsmodus erhöht also die Verkehrskapazitäten bezüglich des zweiten Modus. Dieser erste Modus eig net sich für Zonen mit hoher Verkehrsdichte, wie Stadtgebiete.
Dagegen verbessert der zweite Modus dank der durch den Codierer 18 eingeführten Redundanz die Empfindlichkeit der Empfänger von 3 auf 5 dB in dem Fall, in dem K/N = 1/2. Mit anderen Worten, die Reichweite der Kommunikation kann erhöht werden, so dass der zweite Modus sich gut für Zonen eignet, in denen die geografische Dichte der Einrichtung von Basisstationen relativ gering ist.
Man bemerkt, dass diese gute Anpassung der Stationen an verschiedene Umgebungen erhalten wird, indem dieselbe Quelle 10 für das codierte Wortsignal und dieselbe Modulationskette 15, 16 verwendet werden. Es genügt im Wesentlichen, den Redundanzcodierer 18 vorzusehen, der einen sehr einfachen Aufbau hat, sowie geeignete Steuermittel, um ihn je nach Umgebung selektiv in Betrieb zu setzen.
Diese Steuermittel bestehen in dem Schaltbild von 1 aus einem Modul 20. In dem der Errichtung einer Verbindung auf einem Verkehrskanal vorhergehenden Signalaustausch zwischen einer Basisstation und einem tragbaren Terminal meldet die Basisstation dem tragbaren Terminal, welcher Betriebsmodus verwendet werden muss. Dieser Modus hängt im Wesentlichen von dem Standort ab, an dem sich die Basisstation befindet. Dennoch kann man bemerken, dass dieselbe Basisstation, die mehrere Verbindungen mit tragbaren Terminals zu einem gegebenen Zeitpunkt unterhält, bei diesen Verbindungen einwandfrei in verschiedenen Moden arbeiten kann. So könnte die Festlegung des Betriebsmodus von Parametern wie einer Priorität, die einer Verbindung gegenüber anderen eingeräumt wird, abhängen (beispielsweise könnte vorgesehen werden, dass eine vorrangige Verbindung im zweiten Modus mit besserer Empfindlichkeit selbst in Zonen mit hoher Verkehrsdichte stattfindet). Man kann auch Protokolle erstellen, in denen der Betriebsmodus, der für eine gegebene Kommunikation verwendet wird, von der Qualität der Funkverbindung abhängt, die während der Funkkommunikation festgestellt wird.
Sobald die beiden Stationen den anzunehmenden Betriebsmodus kennen, lösen ihre Module 20 die Inbetriebnahme oder die Desaktivierung ihrer Redundanzcodierer 18 und ihrer zugeordneten Decodierer für die Übertragung der Sprechfunksignale auf dem Verkehrskanal aus.
Wenn das Funkkommunikationssystem Verbindungen im Walkie-Talkie-Modus zulässt, das heißt direkt von tragbarem Terminal zu tragbarem Terminal, werden diese Verbindungen vorzugsweise im zweiten Modus ausgeführt, um die Probleme der Synchronisierung zu vereinfachen.
Die gemeinsam genutzten Kanäle für die Zeichengabe, die insbesondere von der Basisstation verwendet werden, um dem tragbaren Terminal den zu verwendenden Betriebsmodus zu melden, beruhen auf dem zweiten Betriebsmodus, das heißt die Zeichengabesignale werden dem Eingang des Redundanzcodierers 18 geliefert, bevor sie an den Modulator 15 angelegt werden. So können die tragbaren Terminals, die sich nahe bei der Empfindlichkeitsgrenze des zweiten Modus befinden, die übertragenen Zeichengabeinformationen korrekt decodieren. Angesichts der Bedeutung dieser Zeichengabeinformationen ist für diese ein zusätzlicher Schutz vorgesehen. Hierfür werden die Zeichengabeinformationen an einen anderen Fehlerkorrekturcodierer angelegt, bevor sie zum Redundanzcodierer übertragen werden, damit die Empfangsstation Übertragungsfehler der Zeichengabeinformationen erfassen und/oder korrigieren kann. Dieser andere Redundanzcodierer legt vorzugsweise einen Code in Blöcken an, wie z.B. einen BCH-Code oder Reed-Solomon-Code.
Der Empfangsteil der Station, von dem 1 den Sendeteil zeigt, ist schematisch in 3 dargestellt. Dieser Empfangsteil ist vorgesehen, um das Funksignal SR', das von einem Sender gemäß 1 erhalten wurde, zu verarbeiten. Auf herkömmliche Weise wandelt eine Funkstufe 21 dieses Signal SR' in zwei um neunzig Grad phasenverschobene Komponenten I', Q' im Basisband um, die zum Demodulator 22 übermittelt werden. Je nach dem verwendeten Betriebsmodus setzt ein Steuermodul 20 wahlweise einen Decodierer 24 in Betrieb. Die Schätzung SN' des codierten Wortsignals SN wird im ersten Betriebsmodus am Ausgang des Demodulators 22 wiedergegeben und im zweiten Betriebsmodus am Ausgang des Decodierers 24.
Der Demodulator 22 führt die Operationen aus, die zu denen des Modulators 15 dual sind. Der Decodierer 24 wertet die durch den Codierer 18 eingeführte Redundanz aus, um eventuelle Übertragungsfehler zu erfassen und/oder zu korrigieren. Er besteht beispielsweise aus einem Decodierungsgitter, das nach dem Viterbi-Algorithmus arbeitet. Die Schätzung SN' des codierten Wortsignals wird einer Verarbeitungskette 25 geliefert, die beispielsweise einen Kanaldecodierer 26 und einen Quellendecodierer 27 aufweist, die dem Codierer 12 bzw. 11 des Senders entsprechen.
Bei der Ausführungsform von 3 bringt der Codierer 24 im zweiten Betriebsmodus einen Empfangsgewinn von etwa 3 dB gegenüber dem ersten Modus in dem Fall, in dem K/N = 1/2.
Dieser Gewinn kann noch verbessert werden, indem zwei Demodulatoren 22, 30 verwendet werden, die in Abhängigkeit vom Betriebsmodus von dem Steuermodul 20 ausgewählt werden, wie in 4 dargestellt ist. Der im ersten Betriebsmodus verwendete Demodulator 22 ist dem ähnlich, der in der Ausführungsform von 3 verwendet wird. Er ist beispielsweise ein Demodulationsgitter, das den Viterbi-Algorithmus auf der Basis der Zustände des digitalen Modulators 15 von 1 verwendet. Der andere Demodulator 30 liefert direkt die Schätzung SN' des codierten Wortsignals aus den Komponenten I', Q' im zweiten Betriebsmodus. Dieser Demodulator 30 kombiniert die Zustände des Redundanzcodierers 18 und des digitalen Modulators 15 des Senders gemäß dem Prinzip der codierten Modulationen (vgl. G. Ungerboeck "Channel Coding with Multilevel/Phase Signals", IEEE Transactions on Information Theory, Band IT-28, Nr. 1, Januar 1982). Dieser Demodulator 30 kann insbesondere ein Demodulations- und Decodierungs-Hypergitter sein, das nach dem Viterbi-Algorithmus mit kombinierten Modulations- und Codierzuständen CC(2,1,3) arbeitet. Der Demodulator 30 gestattet es, im zweiten Betriebsmodus Empfangsverstärkungen bis zu etwa 5 dB gegenüber dem ersten Modus im Fall von K/N = 1/2 zu erhalten.

Claims

Digitale Funkkommunikationsstation mit einer Quelle (10) für ein kodiertes Wortsignal mit einem gegebenen Durchsatz (D) und Modulationsmitteln (15, 16) zur Formung eines Funksignals (SR) aus dem von der Quelle kommenden kodierten Wortsignal (SN), dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen Redundanzkodierer (18) mit einer Kodierleistung der Form K/N aufweist, wobei K und N solche ganze Zahlen sind, daß 0 < K < N, sowie Steuermittel (20) zum Wählen eines Betriebsmodus der Station aus mindestens einem ersten Betriebsmodus, in dem die Modulationsmittel direkt das von der Quelle kommende kodierte Wortsignal empfangen und es in ein Funksignal überführen, das einen bestimmten Teil der Zeit auf einer Trägerfrequenz besetzt, und einem zweiten Betriebsmodus, in dem der Redundanzkodierer das von der Quelle kommende kodierte Wortsignal empfängt und die Modulationsmittel das Ausgangssignal des Redundanzkodierers empfangen und es in ein Funksignal überführen, das das N/K-fache dieses bestimmten Teils der Zeit auf einer Trägerfrequenz besetzt.
Funkkommunikationsstation nach Anspruch 1, die ferner einen Fehlerkorrekturkodierer aufweist, an den Zeichengabeinformationen angelegt werden, und bei der diese Zeichengabeinformationen im zweiten Betriebsmodus übertragen werden, wobei der Ausgang des Fehlerkorrekturkodierers zum Eingang des Redundanzkodierers (18) mit der Leistung K/N übertragen wird.
Funkkommunikationsstation nach Anspruch 2, bei der der Fehlerkorrekturkodierer einen Kode in Blöcken anlegt.
Funkkommunikationsstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der K = 1 und N = 2.
Funkkommunikationsstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Redundanzkodierer mit der Leistung K/N ein konvolutiver Kodierer (18) ist.
Funkkommunikationsstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der vorbestimmte Teil gleich K/N ist und die zeitliche Besetzung einer Trägerfrequenz in regelmäßigen Zeitintervallen (Δt) verteilt ist, die der Quelle (10) für das kodierte Wortsignal in dem zweiten Betriebsmodus ganz zugewiesen sind und in dem ersten Betriebsmodus regelmäßig im Verhältnis K/N zugewiesen sind.
Funkkommunikationsstation nach Anspruch 6, bei der die Zeitintervalle (Δt) einer Einheit des kodierten Wortsignals entsprechen.
Funkkommunikationsstation nach Anspruch 6 oder 7, bei der die Zeitintervalle (Δt) 10 bis 30 ms betragen.
Funkkommunikationsstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die außerdem Empfangsmittel (21-25) aufweist, um ein Funksignal (SR') zu verarbeiten, das von einer anderen Station übertragen wird, die ebenfalls zwei Betriebsmoden besitzt, wobei die Empfangsmittel einen ersten Demodulator (22) aufweisen, der im ersten Betriebsmodus Operationen ausführt, die zu denen der Modulationsmittel (15) der anderen Station dual sind, sowie einen zweiten Demodulator (30), der im zweiten Betriebsmodus verwendet wird und der die Zustände des Redundanzkodierers (18) und der Modulationsmittel (15) der anderen Station kombiniert.