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Die
vorliegende Erfindung betrifft Kommunikationssysteme und insbesondere
ein Verfahren und System für
Endbenutzervorrichtungen zum Konkurrieren um Zugriff auf geteilte
Betriebsmittel eines Kommunikationskanals.
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Jüngste Verbesserungen
an Mehrzugriffsverfahren erlauben konkurrierenden Endbenutzervorrichtungen
ordnungsgemäßen Zugriff
auf geteilte Vernetzungsbetriebsmittel. Mit dem Kommen drahtloser
Kommunikationsnetze sind viele Zugriffsverfahren für die Zuteilung
von geteilten Betriebsmitteln ungeeignet geworden. Insbesondere
können
die unterschiedlichen Verkehrsarten und unterschiedlichen QoS-Anforderungen
(Quality of Service – Dienstgüte) jedes
Benutzers die durch jeden Benutzer erreichte Signalgüte (d.h.
SNR) drastisch beeinflussen. Mit der Vielzahl von Anwendungen, die über ein
Kommunikationsnetz zur Verfügung
gestellt werden können, gewinnt
das Problem der Zuweisung geteilter Betriebsmittel auf Grundlage
der von jedem Endbenutzer erforderten QoS und der wirkungsvollen
Benutzung von Bandbreite in einem praktischen Kommunikationssystem
zunehmend an Bedeutung. Die Nachteile der bestehenden Systeme treten
bei mobilen drahtlosen Kommunikationssystemen zwischen einem mobilen
Endbenutzer und einer Basisstation mehr in den Vordergrund, besonders
wenn eine integrierte Verkehrsmischung wie beispielsweise Sprache,
audiovisuell und Datenkommunikation auf den gleichen Kanälen unterstützt wird.
Die QoS-Erfordernisse jedes Endbenutzers können sich drastisch während einer
hergestellten Verbindung ändern,
und die Verkehrsart zwischen Endbenutzern und Basisstationen kann
sich drastisch ändern.
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In
US 57 517 08 von Mark J.
Karol und Kai Y. Eng und der Schrift "Distributed-Queueing (sic) Request Update
Mulitiple Access (DQRUMA) for Wireless Packet (ATM) Networks" (Mehrfachzugriff
mit Anforderungsaktuali sierung für
verteilte Warteschlangen für
drahtlose Paket-(ATM-)Netze) von Mark J. Karol, Zhao Liu und Kai
Y. Eng., IEEE International Conference on Communications, 18.–22. Juni
1995, ICC'95 Seattle,
Gateway to Globalization, Seiten 1224–1231, ist ein Zugriffsverfahren
beschrieben, das einer Endbenutzervorrichtung erlaubt, Anforderungen
von Zugriff auf ein geteiltes Kommunikationsbetriebsmittel im Huckepackverfahren
mit einer Paketübertragung
zu übertragen.
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In
US 5598417 A ist
ein drahtloses TDM-Kommunikationssystem
(time division multiplex) beschrieben, wo das einzige Betriebsmittel
ein Zeitschlitz ist. Das System beschränkt die Kommunikationsdienste
auf zwei Gruppen. Eine Gruppe bearbeitet Sprachverbindungen, Leitungsdatenverbindungen
und Systemsteuerungsinformationen, die ein Schlitz pro Rahmen übertragen
werden (ein Rahmen besteht aus einer Anzahl von Schlitzen). Die
andere Gruppe bearbeitet paketvermittelte Daten, die in den übrigen Schlitzen
des Rahmens übertragen
werden. Das System erreicht eine flexible Übertragungsrate für einen
gewissen Dienst nur dadurch, daß es
unterschiedliche Anzahl von Schlitzen pro Rahmen zuteilt.
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In
US 5572546 ist ein Direktzugriffsprotokoll beschrieben,
das segmentiertem ALOHA entspricht, und wird angenommen, daß alle Endgeräte einander zuhören können. Dieses
System ist von sich aus für mobile
zellulare Systeme ungeeignet, wo die mobilen Endgeräte nur auf
Basisstationen hören
können.
Die Anwendung des Protokolls liegt hauptsächlich in Mehrsprung-Modems
und Koaxialkabeln.
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Aus
der oben erwähnten
Schrift von Mark Karol, Zhao Liu und Kai Y. Eng ist bekannt, ein
Verfahren für
eine Endbenutzervorrichtung zum Anfordern von Betriebs mitteln in
einem Kommunikationssystem mit folgenden Schritten bereitzustellen:
Erzeugen einer Mehrzahl von durch diese Endbenutzervorrichtung zu übertragenden
Informationspaketen; Übertragen
dieser Informationspakete über
einen Kommunikationskanal in diesem Kommunikationssystem, wobei
jedes Informationspaket ein Huckepackfeld enthält, das eine Anforderung der
Endbenutzervorrichtung von Betriebsmitteln zur Übertragung eines weiteren Informationspakets
anzeigt.
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Die
vorliegende Erfindung ist gegenüber
der Offenbarung dieser Schrift dadurch gekennzeichnet, daß das Kommunikationssystem
ein CDMA-Kommunikationssystem (code division multiple access) ist, jede
Anforderung an eine Kommunikationssystemsteuerung gerichtet ist
und von der Endbenutzervorrichtung angeforderte Betriebsmittel anzeigt,
wobei die Betriebsmittel Datenrate, Laufzeit und Code einschließen.
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Die
Informationen erlauben, eine Anzahl von Endbenutzervorrichtungen über den
gleichen Kommunikationskanal zu übertragen,
indem das Signal jedes Benutzers so gemultiplext wird, daß der Summenverkehr
optimal ist. Es kann ein optimaler Kanaldurchsatz erreicht werden,
mit Berücksichtigung
der auf dem Kommunikationskanal verfügbaren endlichen Betriebsmittel.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Flexibilität des für jede Endbenutzervorrichtung
bereitgestellten Dienstes mit minimalen Kosten und ohne Einsatz
jeglicher zusätzlicher
Organisationskanäle
erreicht werden kann.
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Die
sich ändernden
Erfordernisse einer Endbenutzervorrichtung können berücksichtigt werden und können zusätzliche
oder verringerte Bandbreite einschließen. Huckepack-Anforderungen
von Änderungen
der zukünftigen
Betriebsmittelzuteilung ist besonders geeignet zur Verwendung in
einem paketvermittelten Kommunikationssystem, das in Abhängigkeit
von dem QoS-Parameter
einer bestimmten Endbenutzervorrichtung möglicherweise mindestens einige
Zeit lang wie ein leitungsvermitteltes Kommunikationssystem funktionieren
kann.
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Um
einen gewissen Dienst zu unterstützen, erfordert
ein mobiles Endgerät
eine gewisse Informationsdatenrate mit einem gewissen Laufzeiterfordernis.
Das Huckepackfeld kann daher eine Menge von Werten darstellen, die
einen Bereich der Datenraten und Laufzeitempfindlichkeiten darstellen.
Die Basisstation wird wann immer möglich den Laufzeitempfindlichkeitswert
zum Zuweisen ihrer Betriebsmittel zur Unterstützung der angeforderten Datenrate
benutzen.
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Eine
Luftschnittstelle weist eine endliche Menge von Betriebsmitteln
auf, mit denen sie eine angeforderte Datenrate unterstützen kann.
Die Luftschnittstelle kann ihr Spektrum in Frequenzsegmente, Zeitsegmente,
Spreizcodes oder jede Kombination von diesen aufteilen. Fortgeschrittenere
Systeme trennen das Betriebsmittel wahrscheinlich durch die Verwendung
von Richtantennen räumlich
auf. Ungeachtet dessen, wie das dem System zugeteilte Spektrum eingeteilt
wird, ist das Betriebsmittel endlich und kann nur eine endliche
Summendatenrate unterstützen,
die zwischen den vielen mobilen Benutzern des Systems aufgeteilt
werden muß.
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Bei
CDMA beispielsweise ist die Anzahl von Codes, die benutzt werden
können,
durch die Korrelation zwischen den Spreizcodes begrenzt. Je höher die
durch einen Code unterstützte
Datenrate, desto größer die
Korrelation dieses Codes bezüglich
der anderen Codes im System. Die Basisstation muß daher einen Kompromiß schließen, indem
sie eine große
Menge von Codes bereitstellt, die jeweils eine niedrige Datenrate
unterstützen,
wobei eine kleine Menge von Codes jeweils eine hohe Datenrate unterstützt. Die
Anforderung einer gewissen Datenrate durch die Huckepackfelder kann
durch die Basisstation berücksichtigt
werden, indem sie einfach dem Mobilgerät erlaubt, zum entsprechenden
Code zu wechseln, vorausgesetzt, daß das Codebetriebsmittel zur
Verfügung
steht.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird beispielhafterweise unter Bezugnahme auf die
nachfolgenden Figuren beschrieben. In den Figuren zeigt:
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1 ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Mobilfunkkommunikationssystems;
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2 die
in den Ausführungsformen
eingesetzten Kommunikationskanäle;
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3 ein
Flußdiagramm
eines erfindungsgemäßen Mobilfunkkommunikationssystems;
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4 ein über einen
Kommunikationskanal eines erfindungsgemäßen Mobilfunkkommunikationssystems
gesendetes Signal; und
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5 eine
weitere Darstellung eines über ein
erfindungsgemäßes Mobilfunkkommunikationssystem
gesendeten Signals.
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6 eine
dritte Darstellung eines über
ein erfindungsgemäßes Mobilfunkkommunikationssystem
gesendeten Signals.
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Eine
Endbenutzervorrichtung (Mobilstation 1) kann ein beliebiges
einer Anzahl von Kommunikationsprotokollen zum Kommunizieren mit
einer Netzsteuerung (z.B. Basisstation 13 und Mobilvermittlungsstelle 14) über die
Antennen 10 und 11 über eine Luftschnittstelle 12 benutzen.
Bei der nachfolgenden Ausführungsform
ist das benutzte Kommunikationsprotokoll CDMA (code division multiple
access). Damit können
die Mobilstationen unter Verwendung eines codierten Spreizspektrumsignals
mit beinahe unkorrelierten Codes kommunizieren, wodurch ein Mehrzugriffs-Kommunikationsprotokoll
bereitgestellt wird, bei dem die Kollisionen nicht andere gleichzeitig
rundgesendeten Signale zerstören.
Sobald ein Kommunikationskanal zwischen der Mobilstation 1 und
ihrer nächsten
Basisstation 13 hergestellt worden ist, kann die Mobilvermittlungsstelle 14 eine
weitere Verbindung zu einer anderen Mobilvermittlungsstelle 15 oder
zu den öffentlichen
Sprach- oder Datennetzen 16 herstellen.
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2 zeigt
die zwischen Mobilstationen (1, 2, ... n) und
einer Basisstation 20 über
die Luftschnittstelle 12 hergestellten Logikkanäle, nachdem
die Mobilstationen mit dem Mobilkommunikationsnetz verbunden worden
sind. Jede Mobilstation (1, 2, ... n) kann um
Erlaubnis konkurrieren, ein Datenpaket unter Verwendung des Direktzugriffskanals
RACH (random access channel) zur Systemsteuerung 21 zu senden.
Die Basisstation benutzt eine dynamische Betriebsmittelzuteilungstabelle 22 (DRA – dynamic resource
allocation), um festzustellen, ob genügend Betriebsmittel im Netz
zur Verfügung
stehen, und wenn ja, gewährt
auf dem Rückkanal
Erlaubnis zur Übertragung
des Datenpakets. Die Mobilstation überträgt dann das Datenpaket auf
dem Verkehrskanal TCH (traffic channel).
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3 zeigt
ausführlicher
das zur Übertragung
von Daten von der Mobilstation erforderliche Protokoll. Sobald eine
Verbindung hergestellt worden ist, verbleibt die Mobilstation in
Bereitschaft, bis der Benutzer wünscht,
eine Sprachverbindung herzustellen, eine Internet-Verbindung aufzubauen,
ein Telefax oder ein E-Mail zu senden oder irgendeinen anderen Datenaustauschprozeß zu tätigen. Sobald
Daten in Pakete eingeteilt worden sind und im Puffer angekommen
sind, fordert die Mobilstation einen Verkehrskanal an, indem sie
eine Anforderung auf dem RACH rundsendet. Da die Ankunft von Anforderungen
auf dem RACH im wesentlichen ein Zufallsvorgang ist, tritt ein Fehlzugriff
ein, wenn 1) konkurrierende Endbenutzervorrichtungen zufälligerweise
den gleichen Code zur gleichen Zeit auswählen, eine Codecrosskorrelation
unter einem vorbestimmten Schwellwert angeben (d.h. harte Blockierung)
oder 2), wenn das SNR des physikalischen Kanals sich so verschlechtert,
daß die
Anforderungen nicht decodiert werden können (d.h. sanfte Blockierung).
Ein Fehlzugriff erfordert, daß die
Endbenutzervorrichtung die Anforderung unter Verwendung eines Zurückstellungs- und Wiederholungsprotokolls
im segmentierten ALOHA wiederholt. Die RACH-Anforderungen enthalten
die Zugriffskennung (Access ID) der Mobilstationen und eine Anzeige
der Dienstanforderungen (z.B. bestimmte erforderte Verkehrsart,
Anzahl von Paketen usw.). Sobald eine RACH-Anforderung erfolgreich
decodiert worden ist, bestätigt
die Systemsteuerung die Anforderung (RAAck) auf dem Abwärts-Zugriffskanal
(FACH – forward
access channel). Die Bestätigung
enthält
die Access-ID der Mobilstationen und wird unter Verwendung des gleichen, von
der Mobilstation ausgewählten
orthogonalen Codes übertragen.
Die Systemsteuerung greift auf die DRA-Tabelle 22 zu (die
die Access-ID und Übertragungserfordernisse
für eine
bestimmte Mobilstation enthält)
und bestimmt die auf dem Kommunikationskanal verfügbaren Betriebsmittel.
Die Systemsteuerung 21 verhandelt mit der Mobilstation über die
Benutzung der Betriebsmittel (z.B. Bandbreite, Multicodes, Spreizfaktor,
Datenrate, Laufzeit usw.) und den erforderlichen QoS-Schwellwert.
Die Mobilstation erwartet dann die Erlaubnis zur Übertragung
(TxPerm), was anzeigt, daß die
ausgehandelten Betriebsmittel zugeteilt worden sind und daß die Systemsteuerung
die DRA-Tabelle 22 entsprechend aktualisiert hat. Die Mobilstation überträgt dann
das Datenpaket, indem sie ein Huckepackfeld im Huckepack in die
Daten einfügt, das
jede Änderung
der zur Übertragung
des nächsten
oder eines nachfolgenden Pakets erforderlichen Betriebsmittel anzeigt.
Diese Betriebsmittel können Änderungen
der Bandbreitenerfordernis enthalten, was zu einem Signalbandbreitenprofil
nach der Darstellung in 4 führt. Wenn zur Steuerung der
Aufwärts-
und Abwärtskommunikationen
zwischen Mobilstationen und einer Basisstation TDD (time division
duplex) benutzt wird, kann das Huckepackfeld zur Anforderung von
Zugriff auf einer bestimmten Aufwärtsstrecke benutzt werden. Wenn
zur Kontrolle der Zeitgabe von Paketübertragung ein Protokoll nach
segmentiertem ALOHA benutzt wird, kann das Huckepackfeld zur Anforderung von
Zugriff in einem bestimmten Schlitz benutzt werden. Sobald ein Datenpaket
erfolgreich empfangen und decodiert worden ist, überträgt die Systemsteuerung 21 eine
Sendebestätigung
(TxAck – transmit acknowledgement)
auf dem FACH, die der Mobilstation anzeigt, das das zuletzt übertragene
Paket aus dem Puffer verworfen werden kann. Die Mobilstation und
die Systemsteuerung können
dann jede von der Mobilstation erforderte Änderung von Betriebsmitteln aushandeln,
und die Systemsteuerung kann die DRA-Tabelle entsprechend aktualisieren.
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5 zeigt
ein Datenpaket der Art, das zur Verwendung in dem oben beschriebenen
CDMA-Protokoll geeignet sein könnte.
Das Paket beginnt mit einigen Pilotbit (Pilot), die der Basisstation die
Erkennung des Beginns eines Pakets ermöglichen, gefolgt von Leistungsregelbit
(TPC), die anzeigen, ob die Basisstationsleistung erhöht oder
erniedrigt werden sollte. Dem folgen Rateninformationsbit (RI),
die der Basisstation die Übertragungsrate
mitteilen, die der Benutzer zu benutzen wünscht. Das Huckepackfeld (PGBK – piggyback
field) wird vor den Daten eingefügt.
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6 zeigt
eine alternative Art von Datenpaket, die zur Verwendung in dem oben
beschriebenen CDMA-Protokoll geeignet ist. Bei dieser Alternative wird
ein zweiter assoziierter Zweiweg-Organisationskanal (ACCH – associated
control channel) benutzt, der bei Zuteilung des Verkehrskanals hergestellt wird.
Der Verkehrskanal wird zur Übertragung
der Daten benutzt, der ACCH überträgt die Steuerungsinformationen
(nämlich
Pilotbit, TPC-Bit, RI-Bit und das Huckepackfeld PGBK). Die Dateninformationen und
die Steuerungsinformationen sind gleichphasig/quadratur-gemultiplext.
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Das
obige ist als beispielhaft für
die Erfindung auszulegen, und einem Fachmann würden ähnliche Ausführungsformen
offenbar sein. Beispielsweise kann zur Übertragung von Datenpaketen ein
anderes Kommunikationsprotokoll wie beispielsweise TDMA oder FDMA
benutzt werden. In jedem Protokoll kann die Paketübertragung
dynamisch ausgehandelt werden, oder wenn sich die ursprüngliche Zuteilung
als ungenügend
erweist, kann die Zuteilung dynamisch während des Bestehens der Verbindung
geändert
werden.