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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Telefoneinrichtung vom Typ Mobilfunk-Basisstation.
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Der
Betreiber eines Mobilfunknetzes verteilt auf dem zu bedeckenden
Gebiet die Basisstationen des Netzes, deren Bedeckungszonen die
Zellen definieren. Diese Basisstationen sind mit anderen Infrastrukturen
des mobilen Dienstes für
die Beförderung der
Kommunikationen und die Verbindung mit den Drahtnetzen verbunden.
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Manchmal
ist vorgesehen, dass manche Teilnehmer des Mobilfunknetzes an ihrem
Wohnsitz oder allgemeiner an einem privaten Ort über eine einer privaten Basisstation
entsprechende drahtlose Fernsprechstation verfügen können, die mit einem Draht-Telekommunikationsnetz
direkt verbunden ist. Wenn die mobile Station von dem Wohnsitz des
Teilnehmers aus kommuniziert, greift sie bevorzugt eher auf diese
private Basisstation zu als auf die des Mobilfunknetzes, der Anruf
wird also von dem Drahtnetz und nicht von dem Mobilfunknetz befördert. Diese Anordnungen
gestatten dem Teilnehmer, den gewöhnlich zu Hause verwendeten
Drahtterminal durch sein Funktelefongerät zu ersetzen.
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WO95/02927
beschreibt ein Funkkommunikationssystem, das einen abnehmbaren Datenträger in Verbindung
mit einer privaten Basisstation verwendet. Dieser Träger dient
jedoch nur dazu, der privaten Basisstation Betriebsparameter zu
liefern. Er gestattet nicht, zwischen dieser privaten Basisstation
und einer mobilen Station Informationen auszutauschen.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die Verwendung und die Aufstellung
solcher privater Basisstationen zu erleichtern.
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Die
Erfindung schlägt
hierzu eine Telefoneinrichtung gemäß Anspruch 1 vor.
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Das
Daten-Lese/Schreibgerät
gestattet es, zwischen dem Teilnehmeridentifizierungsmodul und der
die private Basisstation bildenden Telefoneinrichtung die für das Zusammenarbeiten
dieser Basisstation und der Mobilstationen erforderlichen Parameter auszutauschen,
und zwar einerseits die Parameter, die es der Mobilstation gestatten,
die Einrichtung zu identifizieren, wenn sie diese per Funk erfasst,
und dann die gegenüber
dem Mobilfunknetz erforderlichen Operationen auszuführen, und
andererseits die Parameter, die es der Einrichtung gestatten, eingehende
Anrufe zur Mobilstation zu befördern.
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Der
Gebrauch dieser privaten Basisstation ist nicht einem einzigen Teilnehmer
vorbehalten. Ein anderer Teilnehmer als der Inhaber der Einrichtung kann
sich bei dieser Einrichtung einschreiben, indem er ihr sein Teilnehmeridentifizierungsmodul
zuführt. Man
kann auch vorsehen, dass mehrere Teilnehmermodule gleichzeitig eingeschrieben
werden, um über die
Einrichtung kommunizieren zu können.
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Ein
anderer Vorteil besteht darin, dass die Einrichtung dem Benutzer
unabhängig
von der Mobilstation, die er zuvor erworben haben konnte, geliefert werden
kann, wobei das Lese/Schreibgerät
nur das Teilnehmermodul, das ihm zugeführt wird, zu lesen und umzuprogrammieren
hat.
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Die
Erfindung schlägt
außerdem
ein Verfahren zur Steuerung von Verbindungen gemäß Anspruch 16 vor.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine
Telefoneinrichtung vom Typ private Basisstation, umfassend eine
Drahtschnittstelle für
die Verbindung mit einem Draht-Telekommunikationsnetz und eine Luftschnittstelle
für die Verbindung
per Funk mit mobilen Stationen gemäß der Arbeitsweise eines Mobilfunknetztyps,
bei dem Fernsprechverbindungen mit einer mobilen Station, die in
Funkreichweite der Einrichtung gelegen ist, über das Drahtnetz mit Hilfe
der Drahtschnittstelle und der Luftschnittstelle hergestellt werden
können und
bei dem die Luftschnittstelle dazu ausgebildet ist, ein Pilotsignal
gemäß der Arbeitsweise
des Mobilfunknetztyps zu senden, das seine Erfassung durch eine
in Funkreichweite der Einrichtung gelegene mobile Station gestattet,
und die Sendung des Pilotsignals während einer über das
Drahtnetz hergestellten Verbindung mit einer mobilen Station einzustellen. Diese
Einrichtung umfasst vorzugsweise das oben definierte Daten-Lese/Schreibgerät.
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Diese
Einrichtung hat den Vorteil, dass sie die Funkinterferenzen begrenzt,
die sie gegenüber dem
Mobilfunknetz und/oder den anderen Einrichtungen derselben Art verursacht.
Eine einfache Lösung ist,
die Luftschnittstelle so auszubilden, dass sie während dieser Verbindung mit
der mobilen Station den physischen Kanal des Pilotsignals besetzt.
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Wenn
andererseits mehrere mobile Stationen in der Lage sind, über die
private Basisstation zu kommunizieren (beispielsweise weil ihre
Teilnehmermodule nacheinander in das Lese/Schreibgerät eingeführt worden
waren), be wirkt die Tatsache, dass eine von ihnen tatsächlich in
Kommunikation tritt, die Unterbrechung des Pilotsignals und damit
den Verlust der Erfassung der Einrichtung durch die andere bzw.
anderen mobilen Stationen. Diese lokalisieren sich nun bei dem Mobilfunknetz,
so dass sie in der Lage bleiben, trotz der Besetzung der Drahtleitung, mit
der die Einrichtung verbunden ist, Anrufe zu senden oder zu empfangen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung eines nicht begrenzenden Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beiliegende Zeichnung. In dieser zeigen:
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1 ein
Gesamtschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
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2 ein
Organigramm einer Prozedur der Konfigurierung der Einrichtung.
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1 zeigt
eine Fernsprecheinrichtung 4, die eine private Basisstation
für einen
Teilnehmer eines Mobilfunknetzes bildet. Diese Station ist am Wohnsitz
des Teilnehmers oder allgemeiner in einer Zone installiert, in der
er eine private Funkbedeckung zu erhalten wünscht.
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Die
Einrichtung 4 umfasst eine Drahtschnittstelle 5,
die an ein Draht-Telekommunikationsnetz 6, wie z.B. ein
analoges öffentliches
Fernsprechnetz, anzuschließen
ist. Die Schnittstelle 5 arbeitet auf herkömmliche
Weise gemäß den Protokollen
des Drahtnetzes 6.
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Die
Einrichtung 4 besitzt ferner eine Luftschnittstelle 8,
die mit der Sende/Empfangsantenne 9 verbunden ist. Die Funkreichweite
der Einrichtung ist typischerweise die eines gebräuchlichen
schnurlosen Telefons (weniger als 300 Meter).
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Bei
dem zur Veranschaulichung betrachteten besonderen Beispiel arbeitet
die Luftschnittstelle 8 gemäß dem europäischen Sprechfunksystem GSM, das
in zahlreichen Mobilfunknetzen verwendet wird.
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Die
Schnittstelle 8 bildet insbesondere einen gemeinsamen Übertragungskanal
(BCCH) mit einer gewissen Sendepilotfrequenz. Diese Frequenz kann der
Einrichtung von dem Betreiber des örtlichen Mobilfunknetzes zugewiesen
werden oder sie kann durch die Einrichtung automatisch aus einem
diesem Netz zugeteilten Frequenzband bestimmt werden. Für diese
Bestimmung kann die Schnittstelle 8 insbesondere die Frequenzen
des dem Netz zugeteilten Bandes hören und diejenige auswählen, auf
der die eingefangene Leistung am geringsten ist, um die Interferenzen
zu minimieren.
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Auf
dem Kanal BCCH sendet die private Basisstation 4 ein Pilotsignal,
das insbesondere einen Code zur Identifizierung des Mobilfunknetzes überträgt. Dieser
Code gestattet gewöhnlich
den mobilen Stationen, verschiedene Netze vom selben Typ (GSM im
vorliegenden Fall) zu unterscheiden, die in gewissen Zonen gleichzeitig
existieren können.
Bei der vorliegenden Anwendung identifiziert dieser mit PLMNC bezeichnete
Code ein privates Netz, das von einer einzigen Zelle gebildet wird,
die der Bedeckung der Einrichtung 4 entspricht.
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Die
mit der Einrichtung 4 arbeitenden mobilen Stationen sind
dafür ausgelegt,
gegenüber
den anderen Mobilfunknet zen vom selben Typ auf dieses private Netz
bevorzugt zuzugreifen.
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Diese
Anpassung kann einfach durch einen Mechanismus zur automatischen
Netzwahl vorgenommen werden, wie er in der Norm GSM 03.22 beschrieben
wird: "European
digital cellular telecommunications system (Phase 2); Functions
related to Mobile Station (MS) in idle mode", European Telecommunications Standards
Institute, Sophia Antipolis, Frankreich, November 1994, ETS 300
535. Bei der Inbetriebnahme einer mobilen Station, die zuvor bei der
Einrichtung 4 eingeschrieben wurde, sucht diese Station
das dieser Einrichtung entsprechende private Netz. Wenn dieses private
Netz unauffindbar ist (die mobile Station ist außerhalb der Reichweite der
Einrichtung 4), versucht die mobile Station, auf sein eigenes
Mobilfunknetz (Home PLMN) oder auf ein anderes Mobilfunknetz zuzugreifen.
wenn eine mobile Station von seinem eigenen Mobilfunknetz bedient wird,
prüft sie
periodisch, ob sie das Vorhandensein des Pilotsignals der Einrichtung 4 erfasst.
Wenn dieses Signal erfasst ist, versucht die mobile Station, auf das
private Netz zuzugreifen. Wenn dieses Signal verloren gegangen ist,
sendet die mobile Station eine Lokalisierungsaktualisierungsanfrage
zu seinem eigenen Mobilfunknetz.
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Die
mobilen GSM-Stationen arbeiten in Kombination mit einem abnehmbaren
Teilnehmeridentifizierungsmodul (SIM-Karte), das alle für den Anschluss spezifischen
Daten trägt.
Dieses Modul speichert insbesondere die internationale Mobilteilnehmerkennung
(IMSI) sowie den zugeordneten individuellen Authentifizierungsschlüssel Ki.
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Die
in 1 dargestellte Einrichtung 4 umfasst
eine Umwandlungseinheit 10 zwischen den Schnittstellen 5 und 8.
Diese Einheit 10 gewährleistet die
verschiedenen Operationen der Analog-Digital-Umwandlung oder Digital-Analog-Umwandlung, der Wort-Codierung/Decodierung
und der Formung der Signalblöcke,
die erforderlich sind, um die Schnittstellen 5 und 8 kommunizieren
zu lassen. Eine Steuereinheit 12 fängt die auf den Schnittstellen 5 und 8 empfangenen
Signalisierungsmitteilungen auf und steuert diese Schnittstellen 5 und 8 und
die Umwandlungseinheit 10 in geeigneter Weise.
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Die
Steuereinheit 12 ist mit einem Speicher 13 sowie
mit einer Benutzerschnittstelle verbunden, die beispielsweise eine
Tastatur 14 und einen Anzeigebildschirm 15 aufweist.
Sie ist andererseits mit einem Datenlese/schreibgerät 16 verbunden,
das vorgesehen ist, um die SIM-Karte 17 aufzunehmen.
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Das
Lese/Schreibgerät 16 dient
dazu, mit der SIM-Karte 17 im Rahmen einer Prozedur der
Teilnehmereinschreibung bei der Einrichtung 4 gewisse Parameter
auszutauschen. Gewisse Parameter, insbesondere die Identität des mobilen
Teilnehmers IMSI, werden auf der SIM-Karte gelesen und im Speicher 13 gespeichert,
während
andere Parameter, insbesondere der der Einrichtung 4 zugewiesene
Netzcode PLMNC, in eine in der SIM-Karte 17 verfügbare Speicherzone
eingeschrieben werden.
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Um
der privaten Basisstation 4 gewisse Parameter zuzuweisen,
kann das Lese/Schreibgerät 16 dafür vorgesehen
sein, einen anderen abnehmbaren Datenträger, Personalisierungsmodul
oder -karte genannt, aufzunehmen, der die im Nachstehenden genannten
Parameter enthält.
Dieses Personali sierungsmodul hat dasselbe Format wie eine SIM-Karte. Es
umfasst eine beispielsweise magnetische Speicherzone, dies ist jedoch
nicht notwendigerweise eine Chipkarte.
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Eine
Prozedur der Konfigurierung der privaten Basisstation 4 und
einer SIM-Karte ist als Beispiel in 2 dargestellt.
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In
einem Anfangsschritt bestimmt die Steuereinheit 12, ob
die Station 4 konfiguriert werden muss (Schritt 20).
Solches ist beispielsweise bei der Inbetriebnahme der Station 4 oder
als Antwort auf einen vom Benutzer mit Hilfe der Tastatur 14 eingegebenen Konfigurierungsbefehl
der Fall. In diesem Fall wird der Benutzer durch eine auf dem Anzeigeorgan 15 abgegebenen
Mitteilung eingeladen, seine Personalisierungskarte in das Lese/Schreibgerät 16 einzuführen (Schritt 21).
Nach Einführung
dieser Personalisierungskarte in den Leser 16 steuert die
Einheit 12 die Lesung der folgenden in dieser Karte gespeicherten
Parameter und ihre Einschreibung in den Speicher 13 (Schritt 22)
- – Netzcode
PLMNC, der der privaten Basisstation 4 zugewiesen ist;
- – privater
Authentifizierungsschlüssel
Ki, der den Authentifizierungen und Chiffrierungen
spezifisch zugewiesen ist, die im Inneren des privaten Netzes durchgeführt werden,
- – Angabe
B des Frequenzbandes, das für
die Funksignale im Inneren des privaten Netzes verwendbar ist;
- – Sendeleistung
P, die für
die Luftschnittstelle für die
Funksignale im Inneren des privaten Netzes, insbesondere für das Pilotsignal,
zugelassen ist;
- – Sendezyklusverhältnis ρ des Signals
auf dem Kanal BCCH; da das GSM-System mit Mehrfachzugriff durch
Verteilung in der Zeit (TDMA) ist, mit Unterteilung jedes TDMA-Blocks
in N = 8 aufeinander folgende Zeitintervalle, die verschiedenen Sendungen/Empfängen zugewiesen
sein können, und
da das private Netz keine andere durch die mobilen Stationen zu überwachende
Zelle umfasst, kann das Pilotsignal während n Zeitintervallen auf
N gesendet werden (1 ≤ n ≤ N), was ρ = n/N ergibt;
- – Geheimcode
NA der Autorisierung der Einschreibung eines Identifizierungsmoduls
eines Teilnehmers bei der privaten Basisstation 4.
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Diese
von der Personalisierungskarte getragenen Parameter werden von dem
Betreiber des Teilnehmeranschlussnetzes in Abhängigkeit von der Architektur
und den Merkmalen dieses Netzes bestimmt.
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Gemäß einer
Abwandlung kann die Steuereinheit 12, statt die Werte dieser
Parameter auf einer abnehmbaren Personalisierungskarte zu lesen,
diese erhalten, indem sie ein Fernladeprogramm ausführt, um über die
Schnittstelle 5 einen Server abzufragen, der mit dem Drahtnetz 6 verbunden
ist und durch den Betreiber des Mobilfunknetzes kontrolliert wird,
in welchem die betreffenden Parameter gespeichert sind.
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Im
Schritt 23 wird der Benutzer eingeladen, auf der Tastatur 6 die
Telefonbuchnummer der Leitung des Drahtnetzes 6 einzugeben,
mit der die Einrichtung verbunden ist. Nach Eingabe und Validierung
wird diese Nummer NS im Speicher 13 des Schritts 24 eingeschrieben.
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Der
Inhaber der privaten Basisstation könnte auch die Möglichkeit
der Wahl des geheimen Autorisierungscodes NA haben, der nun auf
der Tastatur 14 eingegeben wird, statt in der Personalisierungskarte gelesen
zu werden oder ferngeladen zu werden.
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Nachdem
die Station 4 konfiguriert wurde, bestimmt die Steuereinheit 12 im
Schritt 25, ob eine im Leser 16 vorhandene SIM-Karte
bei der privaten Basisstation 4 eingeschrieben werden muss,
wobei der Benutzer beispielsweise mit der Tastatur 14 eine Einschreibesteuerung
eingegeben hat. Der erste Schritt 26 dieser Einschreibung
besteht darin, vom Benutzer die Eingabe des Einschreibungsautorisierungscodes
NA zu verlangen. Wenn der Benutzer auf der Tastatur 14 den
richtigen Code eingibt, steuert die Einheit 12 die Lesung
der mobilen Identität
IMSI des Teilnehmers in dem Speicher der Karte 17 und die Einschreibung
dieser Identität
in ihrem Speicher 13 (Schritt 27). Im Schritt 28 steuert
sie dann die Einschreibung der Parameter PLMNC und Ki,
die im Schritt 22 erhalten wurden, sowie der Telefonbuchnummer
NS in einer verfügbaren
Zone des Speichers der SIM-Karte 17.
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Mehrere
SIM-Karten können
auf diese Weise bei der Basisstation 4 eingeschrieben werden.
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Nach
Beendigung dieser Einschreibung tritt die private Basisstation 4 in
ihren Nennbetriebsmodus ein.
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Insbesondere
zieht sie die im Schritt 22 der Konfigurierung erhaltenen
Parameter B, P, ρ in
Betracht, indem sie das Pilotsignal mit der maximalen Leistung P
und dem Zyklusverhältnis ρ auf einem
Kanal vom Typ BCCH sendet, dessen Frequenz im Band B auf die oben
angegebene Weise gewählt wird.
Die SIM-Karte 17 wird aus dem Lesegerät 16 gezogen und wieder
in das der mobilen Station eingeführt. Bei ihrer Inbetriebnahme
initialisiert sich diese, indem sie das private Netz privilegiert.
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Wenn
die private Basisstation 4 eine Zugriffsanfrage einer mobilen
Station erfasst (zufälliger Zugriffskanal
RACH), richtet sie einen Signalisierungskanal ein und erhält von dem
Mobiltelefon seine Identität
IMSI. Sie überprüft nun,
ob diese IMSI in ihrem Speicher 13 gespeichert ist. Diese Überprüfung vermeidet
eventuelle Konfliktprobleme zwischen zwei benachbarten privaten
Basisstationen, die den gleichen Netzcode PLMNC haben.
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Wenn
die Überprüfung negativ
ist, wird der mobilen Station der Zugriff auf das private Netz verweigert.
Andernfalls nimmt die Einrichtung 4 die Authentifizierung
der mobilen Station auf ähnliche
Weise vor, wie es im Rahmen des GSM standardisiert ist, jedoch mit
Hilfe des privaten Schlüssels
Ki. Sie erzeugt eine Zufallszahl R, die
sie der mobilen Station mitteilt, und sie errechnet mit Hilfe eines
Geheimalgorithmus einen anderen Schlüssel S in Abhängigkeit von
R und Ki. Die mobile Station, die die Zahl
R erhält,
nimmt dieselbe Rechnung mit dem Schlüssel Ki vor,
der im Schritt 28 in der SIM-Karte gespeichert wurde, und
sendet das Ergebnis S der Station 4 zurück. Im Fall der Übereinstimmung
mit dem von der Station 4 errechneten Schlüssel S,
ist der Zugriff autorisiert.
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Nachdem
der Zugriff autorisiert wurde, aktiviert die mobile Station automatisch
gegenüber
ihrem Nennlokalisierungsregister (HLR) des Mobilfunknetzes einen
Rufumlenkdienst zu der Telefonbuchnummer NS, die in der SIM-Karte
gespeichert wurde. Auf diese Weise wird jeder für den mobilen Teilnehmer bestimmte
Anruf über
seine Verbindungs leitung mit dem Drahtnetz 6 zur Einrichtung 4 befördert. Gemäß einer
Abwandlung kann der Rufumlenkdienst durch die private Basisstation 4 über das
Drahtnetz 6 und eine geeignete Schnittstelle zwischen diesem
und dem HLR aktiviert werden.
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Bei
der Herstellung eines Anrufs, der die mobile Station betrifft (rufende
oder gerufene), errechnet diese einen Chiffrierungsschlüssel mit
Hilfe des Geheimschlüssels
Ki, einer Zufallszahl und eines anderen
Geheimalgorithmus. Der gleiche Chiffrierungsschlüssel wird durch die Station 4 errechnet
und verwendet, um die Funkkommunikationen zu chiffrieren. Der Anruf
läuft dann
wie ein Anruf des Drahtnetzes über
die Schnittstellen 5 und 8 und die Umwandlungseinheit 10 ab,
wobei die mobile Station ähnlich wie
ein schnurloses Telefon verwendet wird.
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Wenn
die mobile Station die Funkverbindung mit der Einrichtung 4 verliert,
führt sie
automatisch eine Prozedur der Lokalisierungsaktualisierung bei ihrem
Teilnehmernetz aus. Diese mobile Station oder die Basisstation 4 steuert
außerdem
eine Deaktivierung des Rufumleitdienstes.
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Man
kann bemerken, dass eine automatische Übertragung (handover) zwischen
der privaten Basisstation und einer Basisstation des Mobilfunknetzes
unmöglich
ist. Dagegen kann vorgesehen sein, dass die Luftschnittstelle 8 einen
Mechanismus zur automatischen Übertragung
zwischen Zellen zulässt.
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Andererseits
kann die Luftschnittstelle 8 andere Mechanismen durchführen, die
in dem zellularen System vorgesehen sind, wie z.B. den Frequenzsprung.
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Im
Allgemeinen ist es vorteilhaft, das Sendezyklusverhältnis ρ des Pilotsignals
gleich 1/N zu nehmen, um die Interferenzen mit den Basisstationen des
Mobilfunknetzes und den anderen privaten Stationen zu begrenzen,
wobei dieses Verhältnis ρ nicht notwendigerweise
programmierbar ist. Der das Pilotsignal tragende BCCH-Kanal nimmt
nun in den TDMA-Blöcken
ein Zeitintervall auf N = 8 auf. Dieses Zeitintervall kann durch
die private Station mit Hilfe einer Abhörprozedur als die Pilotfrequenz
gewählt werden,
so dass die Interferenzen mit der Funkumgebung minimiert werden.
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Während einer
Kommunikation mit einer mobilen Station über das Drahtnetz 6 steuert
die Einheit 12 die Luftschnittstelle 8 so, dass
sie die Sendung des Pilotsignals unterbricht.
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Die
Schnittstelle 8 kann insbesondere der Abwärtsfunkverbindung
den zuvor von dem Pilotsignal eingenommenen physischen Kanal zuweisen, d.h.
das dem BCCH auf der Pilotfrequenz zugewiesene Zeitintervall TDMA.
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Jede
andere mobile Station, deren SIM-Karte eingeschrieben wurde und
die sich in Reichweite der Station 4 befindet, verliert
nun die Erfassung des Pilotsignals und lokalisiert sich von selbst
bei ihrem Teilnehmermobilfunknetz, so dass sie vollständig in der
Lage bleibt, über
das Mobilfunknetz zu kommunizieren, und zwar trotz der Besetzung
der Drahtleitung. Sobald die Verbindung beendet ist, wird das Pilotsignal
wieder errichtet und diese andere Station, wenn sie weiterhin in
Reichweite der Einrichtung ist, versucht wieder, auf das private
Netz zuzugreifen.