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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Übertragen von Daten von einem
Funknetz-Subsystem zu Nutzerausrüstung
in einem Mobiltelefonsystem. Die Erfindung bezieht sich insbesondere
auf das Ändern
der Datenübertragungsrate eines
Verkehrskanals, insbesondere eines Paketverkehr-Kanals während einer
Funkverbindung in einem universellen Mobiltelefonsystem bzw. Universal
Mobile Telephone System.
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Hintergrund
der Erfindung
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Eines
der größten Probleme
in Mobiltelefonsystemen ist eine effiziente Verwendung einer begrenzten
Funkkapazität.
In bestehenden Systemen ist eine bestimmte Kapazitätsmenge
für jeden
Nutzer für
einen leitungsvermittelten Ruf während
der gesamten Funkverbindung reserviert. Bei Verwendung von paketvermittelter Übertragung,
bei der die zu übertragenden
Daten typischerweise unregelmäßig gehäuft erzeugt
werden, ist es eine Verschwendung von Funkkapazität, die Funkkapazität ständig gemäß dem größten augenblicklichen
Datenübertragungsbedarf
weiter zu reservieren.
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In
Systemen, die das Codemultiplex-Verfahren (CDMA, „code division
multiple access")
verwenden, verwenden verschiedene Nutzer in einer Abwärtsstrecke
von einem Funknetz-Subsystem zu Nutzerausrüstung den gleichen Codebaum,
in dem die im System verwendeten Spreizcodes paarweise orthogonal
angeordnet sind. Falls ein Spreizcode mit einem kleinen Spreizfaktor,
der eine hohe Übertragungsrate
zulässt,
für einen
Nutzer reserviert ist, kann der betrachtete Code einen großen Teil
der Kapazität
des betrachteten Funknetz-Subsystems oder seiner Basis-Sender/Empfänger-Station
reservieren. In einem von einer Basis-Sender/Empfänger-Station verwendeten
Codebaum kann ein Sektor der Basis-Sender/Empfänger-Station beispielsweise
sechzehn paarweise orthogonale, sechzehn Zeichen lange Spreizcodes
verwenden, in diesem Fall kann die gesamte Kapazität der Basis-Sender/Empfänger-Station
zu einem Zeitpunkt verwendet werden, und ein neuer Nutzer hat keinen
Zugang zu irgendwelchen Datenübertragungs-Ressourcen
für eine Abwärtsstrecke.
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Auf
der Aufwärtsstrecke
existiert dieses Problem nicht, da jeder Nutzer Zugang zum gesamten Codebaum
der Basis-Sender/Empfänger-Station
hat. Verschiedene Nutzer werden durch einen senderspezifischen Verwürfelungscode
voneinander unterschieden. Beispielsweise kann ein Universal Mobile Telecommunication
System (UMTS), das ein Direktsequenz-Breitband-Codemultiplex-Verfahren
(DS WCDMA, „direct-sequence
wideband code division multiple access") verwendet, 512 verschiedene Verwürfelungscodes
und 256 verschiedene Spreizcodes auf einer Abwärtsstrecke haben. Auf einer
Aufwärtsstrecke
kann die Anzahl von Verwürfelungscodes
viel größer sein,
sogar Millionen verschiedener Codes. Es ist interessant anzumerken,
dass eine Basis-Sender/Empfänger-Station
normalerweise nur einen Verwürfelungscode
für jeden
Sender verwendet.
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In
bestehenden Mobiltelefonsystemen waren die sowohl für Sprache
als auch für
Daten verwendeten Datenübertragungsraten
relativ niedrig, und es war möglich,
das Ressourcenproblem unter Kontrolle zu halten. In neuen Mobiltelefonsystemen
werden aufgrund der drahtlosen Fernnutzung verschiedener Rechneranwendungen
die verwendeten Datenübertragungsraten
wesentlich höher
sein als in den bestehenden Systemen. Die Rechneranwendungen schließen verschiedene
Datenbankanwendungen, e-Mail, WWW-Browser usw. ein.
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Beispielsweise
offenbart das CDMA2000-System eine Lösung, in der fundamentale Kanäle und Zusatzkanäle verwendet
werden. Der fundamentale Kanal überträgt die Signalisierung
der MAC- (Medium-Zugriffskontrolle bzw. „Medium Access Control") Subschicht der
Sicherungsschicht, die angibt, ob zusätzlich zum fundamentalen Kanal
ein Zusatzkanal mit einer höheren Übertragungsrate
verwendet wird. Ein Problem dieser Lösung ist, dass sie keinen schnellen
Wechsel der Kanal-Übertragungsrate
durch Ändern
des Spreizcodes unterstützt,
da die Signalisierung der MAC-Subschicht zum Ändern des Spreizcodes verwendet
wird, und dies ein relativ langsamer Prozess ist.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine das
Verfahren implementierende Vorrichtung zu entwickeln, um die vorangehenden
Probleme zu lösen.
Dies wird durch das im Folgenden beschriebene Verfahren erreicht.
Das betrachtete Verfahren ist ein Verfahren zum Übertragen von Daten von einem
Funknetz-Subsystem zu Nutzerausrüstung
in einem Mobiltelefonsystem, wobei dieses aufweist: das Funknetz-Subsystem überträgt einen physikalischen
Steuerkanal zur Nutzerausrüstung;
das Funknetz-Subsystem überträgt einen
physikalischen Verkehrskanal variabler Datenübertragungsrate zur Nutzerausrüstung; während der Übertragung
spreizt das Funknetz-Subsystem jeden Kanal mit einem Spreizcode;
der zum Spreizen des Verkehrskanals verwendete Spreizcode wird gemäß der benötigten Datenübertragungsrate
geändert.
Bei dem betrachteten Verfahren gibt jeder Rahmen des Steuerkanals
den Spreizcode an, mit dem der entsprechende Verkehrskanal-Rahmen
beim Übertragen
gespreizt ist.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Funknetz-Subsystem, das angepasst ist zur: Übertragung
eines physikalischen Steuerkanals zur Nutzerausrüstung; Übertragung eines physikalischen Verkehrskanals
variabler Datenübertragungsrate
zur Nutzerausrüstung;
Spreizung jedes Kanals während der Übertragung
mit einem Spreizcode; Änderung des
zum Spreizen des Verkehrskanals verwendeten Spreizcodes gemäß der benötigten Datenübertragungsrate.
Das Funknetz-Subsystem ist angepasst, um in jedem Steuerkanal-Rahmen
den Spreizcode anzugeben, mit dem der entsprechende Verkehrskanal-Rahmen
beim Übertragen
gespreizt ist.
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Die
Erfindung bezieht sich des Weiteren auf Nutzerausrüstung, die
angepasst ist zum: Empfang eines vom Funknetz-Subsystem übertragenen
physikalischen Steuerkanals; Empfang eines physikalischen Verkehrskanals
variabler Datenübertragungsrate,
der vom Funknetz-Subsystem übertragen
wird; Entspreizung jedes Kanals mit einem Spreizcode. Die Nutzerausrüstung ist
angepasst, um von jedem Steuerkanal-Rahmen den Spreizcode zu lesen,
mit dem der entsprechende Verkehrskanal-Rahmen gespreizt ist.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
offenbart.
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Die
Erfindung basiert darauf, dass in jedem Steuerkanal-Rahmen der Spreizcode
angegeben ist, mit dem der entsprechende Verkehrskanal gespreizt ist.
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Das
Verfahren und das System der Erfindung bieten mehrere Vorteile.
Die Datenübertragungsrate
kann schnell und sogar rahmenweise durch Auswahl eines geeigneten
Spreizcodes geändert
werden. Dies ermöglicht
eine effiziente Nutzung der Funkressourcen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Im
Folgenden wird die Erfindung ausführlich in Verbindung mit bevorzugten
Ausführungsbeispielen
und Bezug auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben, in der
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1A und 1B ein
Mobiltelefonsystem zeigen,
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2A einen
Sender und einen Empfänger des
Mobiltelefonsystems zeigt,
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2B die
im Sender durchgeführte
Spreizung und Modulation zeigt,
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3 Kanäle des Mobiltelefonsystems
in einem Rahmen zeigt,
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4A einen
Codebaum zeigt,
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4B einen
Sub-Codebaum zeigt,
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5 eine
Nutzerausrüstung
zeigt und
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6 ein
Flussdiagramm der Operationen der Erfindung zeigt.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung kann in verschiedenen Mobiltelefonsystemen verwendet werden,
die das Codemultiplex-Verfahren (CDMA) verwenden. Die Beispiele
veranschaulichen die Verwendung der Erfindung in einem Universal
Mobile Telephone System, das ein Direktsequenz-Breitband-Codemultiplex-Verfahren
verwendet, ohne jedoch die Erfindung darauf zu begrenzen. Die Beispiele
basieren auf der Spezifikation des WCDMA-Systems, weitere Informationen zu diesem
sind in der ETSI- (European Telecommunications Standards Institute)
Spezifikation „The ETSI
Universal Mobile Telecommunication System Terrestrial Radio Access
(UTRA) ITU-R RTT Candidate Submission" (Tdoc SMG2 260/98, Mai/Juni 1998) erhältlich.
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Die
Struktur eines Universal Mobile Telephone System wird mit Bezug
auf die 1A und 1B beschrieben. 1B beinhaltet
nur die Blöcke,
die zur Beschreibung der Erfindung erforderlich sind, für einen
Fachmann ist es jedoch offensichtlich, dass ein übliches Mobiltelefonsystem
auch andere Funktionen und Strukturen beinhaltet, die hier nicht ausführlich beschrieben
werden müssen.
Die Hauptteile eines Mobiltelefonsystems sind ein Kernnetz bzw. „core network" CN, ein Universal
Mobile Telephone System (UMTS) terrestrisches Funkzugangsnetz bzw. „Terrestrial
Radio Access Network" UTRAN,
und Nutzerausrüstung
bzw. „user
equipment" UE. Die
Schnittstelle zwischen CN und UTRAN wird als lu und die Luftschnittstelle
zwischen UTRAN und UE als Uu bezeichnet.
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Das
UTRAN umfasst Funknetz-Subsysteme bzw. „radio network subsystems" RNS. Die Schnittstelle
zwischen RNSen wird mit lur bezeichnet. Ein RNS umfasst eine Funknetz-Steuerung bzw. „radio network
controller" RNC
und einen oder mehrere Knoten B. Die Schnittstelle zwischen RNC
und B wird als lub bezeichnet. Der Bedienungsbereich von Knoten
B, d. h. die Zelle, ist in 1B mit
C gekennzeichnet.
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Da
die Darstellung in 1A sehr abstrakt ist, wird sie
deshalb in 1B dadurch verdeutlicht, dass
die Teile des GSM-Systems dargelegt sind, die in etwa den Teilen
des UMTS entsprechen. Es ist anzumerken, dass die Zuordnung keinesfalls
verbindlich, sondern eine Annäherung
ist, da die Zuständigkeiten
und Funktionen der verschiedenen Teile des UMTS noch immer geplant
werden.
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1B zeigt
eine Paketübertragung
von einem Rechner 100, der mit einem Mobiltelefonsystem verbunden
ist, durch das Internet 102 zu einem tragbaren Rechner 122,
der mit Nutzerausrüstung
UE verbunden ist. Die Nutzerausrüstung
UE kann zum Beispiel ein ortsfestes Endgerät, ein in einem Fahrzeug angeordnetes
Endgerät
oder ein tragbares Endgerät
sein. Die Infrastruktur eines Funknetzes UTRAN umfasst Funknetz-Subsysteme
RNS, d. h. Basis-Sender/Empfänger-Stationssysteme.
Ein Funknetz-Subsystem
RNS umfasst eine Funknetz-Steuerung RNC, d. h. eine Basisstations-Steuerung,
und zumindest einen von ihr gesteuerten Knoten B, d. h. eine Basis-Sender/Empfänger-Station.
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Die
Basis-Sender/Empfänger-Station
B hat einen Multiplexer 114, Sender/Empfänger 116 und eine
Steuereinheit 118, die die Operation der Sender/Empfänger 116 und
des Multiplexers 114 steuert. Mit dem Multiplexer 114 werden
die von mehreren Sender/Empfängern 116 genutzten
Verkehrs- und Steuerkanäle
in die Übertragungsverbindung
lub angeordnet.
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Die
Sender/Empfänger 116 der
Basis-Sender/Empfänger-Station B sind mit
einer Antenneneinheit 120 verbunden, mit der eine bidirektionale
Funkverbindung Uu zu Nutzerausrüstung
UE implementiert ist. Die Struktur der Rahmen, die über die
bidirektionale Funkverbindung Uu zu übertragen sind, ist klar festgelegt.
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Die
Funknetz-Steuerung RNC umfasst ein Gruppen-Koppelfeld 110 und
eine Steuereinheit 112. Das Gruppen-Koppelfeld 110 wird
zur Sprach- und Datenverbindung und zum Verbinden von Signalisierungs-Schaltkreisen
verwendet. Das durch die Basis-Sender/Empfänger-Station B und die Funknetz-Steuerung
RNC gebildete Basisstations-System weist auch einen Codewandler 108 auf.
Die Arbeitsverteilung zwischen der Funknetz-Steuerung RNC und der
Basis-Sender/Empfänger-Station
B kann, wie auch deren physikalische Struktur, abhängig von der
Implementierung variieren. Typischerweise erledigt die Basis-Sender/Empfänger-Station
B die Funkpfad-Implementierung wie vorangehend beschrieben. Die
Funknetz-Steuerung RNC erledigt typischerweise folgendes: Management
der Funkressourcen, Steuerung von Verbindungsübergabe zwischen Zellen, Leistungsanpassung,
Zeitsteuerung und Synchronisierung, und Funkruf bzw. „Paging" der Nutzerausrüstung.
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Der
Codewandler 108 befindet sich normalerweise so nahe wie
möglich
bei einer Mobilfunkvermittlung 106, weil Sprache dann im
Mobiltelefonsystem-Format zwischen dem Codewandler 108 und
der Funknetz-Steuerung RNC übertragen
werden kann, wobei Übertragungskapazität gespart
wird. Der Codewandler 108 konvertiert die verschiedenen
digitalen Codierformate von Sprache, die zwischen dem öffentlichen
Fernsprechwählnetz
und dem Mobiltelefonnetz verwendet werden, damit diese miteinander kompatibel
sind, zum Beispiel vom 64 kbit/s-Format eines öffentlichen Netzes zu einem
anderen (z. B. 13 kbit/s) Format eines zellularen Netzes, und umgekehrt.
Die benötigte
Hardware ist hier nicht ausführlich beschrieben,
aber es kann angemerkt werden, dass im Codewandler 122 anderen
Daten als Sprache nicht konvertiert werden. Die Steuereinheit 112 erledigt
die Rufsteuerung, das Mobilitätsmanagement,
die Sammlung von Statistiken und die Signalisierung.
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Das
Kernnetz CN weist eine einem Mobiltelefonsystem zugeordnete Infrastruktur
außerhalb
des UTRAN auf. 1B beschreibt zwei der Komponenten
in einem Kernnetz CN, d. h. eine Mobilfunkvermittlung 106 und
eine Gateway-Mobilfunkvermittlung 104,
die die Verbindungen des Mobiltelefonsystems zur Außenwelt
erledigt, in diesem Fall zum Internet 102.
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5 zeigt
ein Beispiel der Struktur von Nutzerausrüstung UE. Die wesentlichen
Teile der Nutzerausrüstung
UE sind: eine Schnittstelle 504 zur Antenne 502 der
Nutzerausrüstung,
ein Sender/Empfänger
506, ein Steuerteil 510 der Nutzerausrüstung und eine Schnittstelle 512 zu
einer Batterie 514. Die Nutzerschnittstelle weist normalerweise
eine Anzeige 500, eine Tastatur 508, ein Mikrofon 516 und
einen Lautsprecher 518 auf.
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2A beschreibt
die Operation eines Funksender/Funkempfänger-Paares. 2A beschreibt
einen Abwärtsstrecke-Fall,
bei dem sich der Funkempfänger
im Knoten B und der Funkempfänger
in der Nutzerausrüstung
UE befindet.
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Der
obere Teil von 2A beschreibt die wesentlichen
Funktionen des Funksenders. Verschiedene im physikalischen Kanal
angeordnete Dienste umfassen Sprache, Daten, Video- oder Standbilder
und Steuerkanäle
des Systems, die im Steuerteil 214 des Funksenders verarbeitet
werden. Die Figur zeigt die Verarbeitung des Steuerkanals und der
Daten. Verschiedene Dienste benötigen
verschiedenen Quellcodierungs-Einrichtungen, zum Beispiel benötigt Sprache
einen Sprach-Codec. Der Klarheit wegen sind Quellcodierungs-Einrichtungen
jedoch nicht in 2A beschrieben.
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Verschiedene
Kanalcodierung wird dann für verschiedene
Kanäle
in den Blöcken 202A und 202B durchgeführt. Kanalcodierung
umfasst beispielsweise verschiedene Blockcodes, wobei zyklische
Redundanzprüfung
(CRC, „cyclic
redundancy check")
ein Beispiel hierfür
ist. Zudem werden typischerweise Faltungscodierung und ihre verschiedenen
Modifikationen, wie beispielsweise punktierte Faltungscodierung
oder Turbo-Codierung, verwendet.
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Wenn
die verschiedenen Kanäle
kanalcodiert wurden, werden sie in einer Verschränkungseinrichtung bzw. „Interleaver" verschränkt. Der
Zweck von Verschränkung
ist es, Fehlerkorrektur zu ermöglichen.
Beim Verschränken
werden die Bits verschiedener Dienste in einer bestimmten Weise
zusammengemischt, so dass ein vorübergehender Schwund im Funkpfad
die übertragene
Information nicht notwendigerweise unidentifizierbar macht. Die verschränkten Bits
werden dann mit einem Spreizcode gespreizt, mit einem Verwürfelungscode
verwürfelt
und in den Blöcken 206A, 206B,
deren Operation in 2B ausführlich beschrieben ist, moduliert.
Individuelle Signale werden im Block 208 kombiniert, um
durch einen Sender übertragen
zu werden.
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Schließlich wird
das kombinierte Signal zu Hochfrequenz-Teilen 210 weitergeleitet,
die verschiedene Leistungsverstärker
und Filter, die die Bandbreite begrenzen, aufweisen können. Das
analoge Funksignal wird dann durch eine Antenne 212 zum Funkpfad
Uu übertragen.
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Der
untere Teil von 2A beschreibt die wesentlichen
Funktionen des Funkempfängers.
Der Funkempfänger
ist typischerweise ein RAKE-Empfänger.
Ein analoges Hochfrequenzsignal wird mit einer Antenne 234 vom
Funkpfad Uu empfangen. Das Signal wird zu den Hochfrequenz-Teilen 232 weitergeleitet,
die ein Filter aufweisen, das alle Frequenzen außerhalb der gewünschten
Bandbreite unterdrückt. Anschließend wird
das Signal in einem Demodulator 230 in ein Zwischenband
oder direkt in ein Basisband konvertiert, und das somit konvertierte
Signal wird dann abgetastet und quantisiert.
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Da
das betrachtete Signal ein Mehrwegeausbreitungs-Signal ist, ist
es das Ziel, die Signalkomponenten, die sich über verschiedene Pfade ausgebreitet
haben, im Block 228, der mehrere RAKE-Finger gemäß dem Stand
der Technik aufweist, zu kombinieren. Nach den Signalkomponenten,
die zu verschiedenen Zeitverzögerungen
von den RAKE-Fingern empfangen werden, wird durch Korrelation des
empfangenen Signals mit den verwendeten, um vorbestimmte Zeitverzögerungen
verzögerten Spreizcodes
gesucht. Wenn die Zeitverzögerungen der
Signalkomponenten gefunden wurden, werden die zum selben Signal
gehörenden
Signalkomponenten kombiniert. Gleichzeitig werden die Signalkomponenten
durch Multiplizieren des Signals mit dem Spreizcode des physikalischen
Kanals entspreizt. Der empfangene physikalische Kanal wird dann durch
eine Entschränkungs-Vorrichtung 226 entschränkt.
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Der
entschränkte
physikalische Kanal wird dann in einem Demultiplexer 224 auf
die Datenströme
verschiedener Kanäle
verteilt. Die Kanäle
werden jeweils zu ihren eigenen Kanaldecodierungsblöcken 222A, 222B geführt, wo
die bei der Übertragung
verwendete Kanalcodierung, beispielsweise Blockcodierung oder Faltungscodierung,
decodiert wird. Faltungscodierung wird vorzugsweise mit einem Viterbi-Decodierer
decodiert. Jeder übertragene
Kanal 220A, 220B kann dann zu einer notwendigen
weiteren Verarbeitung weitergeleitet werden, beispielsweise werden
Daten 220 zu einem Rechner 122 weitergeleitet,
der mit der Nutzerausrüstung
UE verbunden ist. Die Steuerkanäle
des Systems werden zum Steuerteil 236 des Funkempfängers weitergeleitet.
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2B beschreibt
ausführlich
das Spreizen eines Kanals mit einem Spreizcode und seine Modulation.
In der Figur kommt der Bitstrom des Kanals von links am Block S/P
an, in dem jede Zwei-Bit-Sequenz von seriellem Modus in parallelen
Modus konvertiert wird, d. h. ein Bit wird zum I-Zweig des Signals
weitergeleitet, und das zweite Bit zum Q-Zweig. Dann werden die
I- und Q-Zweige des Signals mit dem gleichen Spreizcode Cch multipliziert, wobei die relativ schmalbandige
Information auf ein breiteres Frequenzband gespreizt wird. Jede
Verbindung Uu hat ihren eigenen Spreizcode, durch den der Empfänger für ihn bestimmte Übertragungen
identifiziert. Das Signal wird dann durch Multiplizieren mit einem Verwürfelungscode
Cverwürf verwürfelt, der
für jeden Sender
unterschiedlich ist. Das Impulsformat des erhaltenen Signals wird
mit einem Filter p(t) gefiltert. Schließlich wird das Signal auf einen
Hochfrequenzträger
durch Multiplizieren seiner verschiedenen, um 90 Grad gegeneinander
versetzten Zweige moduliert, die somit erhaltenen Zweige werden
in einen Träger
kombiniert, der abgesehen von möglicher
Filterung und Leistungsverstärkung
bereit ist, um zum Funkpfad Uu übertragen
zu werden. Das beschriebene Modulationsverfahren ist QPSK (Quadraturphasenumtastung bzw. „Quadrature
Phase Shift Keying").
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4A beschreibt
verschiedene Spreizcodes. Jeder Punkt 400 repräsentiert
einen möglichen
Spreizcode. Die vertikalen gestrichelten Linien veranschaulichen
verschiedene Spreizfaktoren SF = 1, SF = 2, SF = 4, SF = 8, SF =
16, SF = 32, SF = 64, SF = 128 und SF = 256. Die Codes auf jeder
vertikalen gestrichelten Linie sind paarweise orthogonal. Es ist
daher möglich,
gleichzeitig höchstens
zweihundertsechsundfünfzig
paarweise orthogonale Spreizcodes zu verwenden. Beispielsweise entspricht
bei UMTS, wenn ein 4,096-Megachip-Träger verwendet wird, ein Spreizfaktor
von SF = 256 einer Übertragungsrate
von zweiunddreißig
Kilobit pro Sekunde, und entsprechend wird die höchstmögliche Übertragungsrate mit Spreizfaktor
SF = 4 erreicht, mit dem die Datenübertragungsrate zweitausendachtundvierzig
Kilobit pro Sekunde ist. Die Übertragungsrate
im Kanal variiert daher Schritt für Schritt, 32, 64, 128, 256,
1024 und 2048 kbit/s, während
sich der Spreizfaktor entsprechend ändert, 256, 128, 64, 32, 16,
8 und 4. Die für
den Nutzer verfügbare
Datenübertragungsrate
hängt von
der verwendeten Kanalcodierung ab. Wenn beispielsweise 1/3-Faltungscodierung verwendet
wird, ist die Datenübertragungsrate
des Nutzers ungefähr
ein Drittel der Datenübertragungsrate
des Kanals. Der Spreizfaktor gibt die Länge des Spreizcodes an. Zum
Beispiel ist der Spreizcode, der dem Spreizfaktor SF = 1 entspricht,
(1). Der Spreizfaktor SF = 2 hat zwei paarweise orthogonale Spreizfaktoren
(1, 1) und (1, –1).
Des Weiteren hat der Spreizcode SF = 4 vier paarweise orthogonale Spreizcodes:
unter dem Spreizcode (1, 1) der höheren Ebene sind die Spreizcodes
(1, 1, 1, 1) und (1, 1, –1, –1), und
unter dem zweiten Spreizcode (1, –1) der höheren Ebene sind die Spreizcodes
(1, –1,
1, –1) und
(1, –1, –1, 1).
Die Bildung von Spreizcodes wird auf diese Weise in Richtung der
unteren Ebenen des Codebaums fortgesetzt. Die Spreizcodes einer
bestimmten Ebene sind immer paarweise orthogonal.
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Gleichermaßen ist
ein Spreizcode einer bestimmten Ebene orthogonal zu allen Spreizcodes niedrigerer
Ebenen, die von einem anderen Spreizcode der gleichen Ebene abgeleitet
sind.
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Mit
Bezug auf 3 wird ein Beispiel dazu beschrieben,
welche Art von Rahmenstruktur in einem physikalischen Kanal verwendet
werden kann. Die Rahmen 340A, 340B, 340C, 340D sind
der Reihe nach von eins bis zweiundsiebzig nummeriert, und formen
einen 720-Millisekunden langen Superrahmen. Die Länge eines
Rahmens 340C ist 10 Millisekunden. Ein Rahmen 340C ist
in sechzehn Schlitze 330A, 330B, 330C, 330D unterteilt.
Die Länge
eines Schlitzes 330C ist 0.625 Millisekunden. Ein Schlitz 330C entspricht
typischerweise einer Leistungsanpassungs-Periode, während der die Leistung beispielsweise
um ein Dezibel nach oben oder unten angepasst wird.
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Physikalische
Kanäle
sind in zwei verschiedene Typen unterteilt: zugewiesene physikalische Datenkanäle (DPDCH, „dedicated
physical data channels") 310 und
zugewiesene physikalische Steuerkanäle (DPCCH, „dedicated physical control
channels") 312.
Zugewiesene physikalische Datenkanäle 310 werden zum Übertragen
von Daten 306, die auf der zweiten und höheren OSI-
(Open Systems Interconnection) Schichten erzeugt werden, d. h. von
den zugewiesenen Steuerkanälen
und zugewiesenen Verkehrskanälen,
verwendet. Zugewiesene physikalische Steuerkanäle 312 übertragen
Steuerinformation, die auf der ersten OSI-Schicht erzeugt wird.
Die Steuerinformation umfasst: bei der Kanalschätzung verwendete Pilotbits 300,
Befehle zur Steuerung der Übertragungsleistung
(TPC, „transmit
power control") 302,
und optional einen Transportformat-Indikator (TFI) 304.
Der Transportformat-Indikator 304 gibt dem Empfänger die Übertragungsrate
an, die für
jeden zugewiesenen physikalischen Datenkanal der Aufwärtsstrecke
zu einer bestimmten Zeit verwendet wird.
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Wie
in 3 gezeigt, werden die zugewiesenen physikalischen
Datenkanäle 310 und
die zugewiesenen physikalischen Steuerkanäle 312 auf der Abwärtsstrecke
Zeit-gemultiplext. Auf der Aufwärtsstrecke
werden die betrachteten Kanäle
jedoch parallel übertragen,
so dass sie zu jedem Rahmen 340C IQ/Code-gemultiplext (I
= In-Phase, Q =
Quadratur) sind, und sie werden unter Verwendung von Zwei-Kanal
QPSK-Modulation (Zwei-Kanal Quadratur-Phasenumtastungs-Modulation bzw. „dual-channel
quadrature phase-shift keying modulation") übertragen. Wenn
zusätzliche
zugewiesene physikalische Datenkanäle 310 übertragen
werden müssen,
werden sie zum I- oder Q-Zweig des ersten Kanalpaares Code-gemultiplext.
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Das
Verfahren der Erfindung zum Übertragen
von Daten von einem Funknetz-Subsystem RNS zu Nutzerausrüstung UE
kann durch das Flussdiagramm in 6 veranschaulicht
werden. Die Ausführung
des Verfahrens für
einen einzelnen Funkrahmen wird vom Block 600 aus gestartet.
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Als
Nächstes
wird im Block 602 der Spreizcode, der zum Spreizen des
Verkehrskanals verwendet wird, gemäß der benötigten Datenübertragungsrate
geändert.
Der für
den Verkehrskanal ausgewählte
Spreizcode wird mit X bezeichnet.
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Als
Nächstes
zeigt im Block 604 jeder Steuerkanal-Rahmen den Spreizcode
an, mit dem der entsprechende Verkehrskanal-Rahmen beim Übertragen
gespreizt ist. Das heißt,
die Identifizierungsdaten des Spreizcodes X werden in den Steuerkanal-Rahmen
eingegeben.
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Im
Block 606 überträgt das Funknetz-Subsystem
RNS einen zugewiesenen Steuerkanal-Rahmen zur Nutzerausrüstung UE.
Während
der Übertragung
wird beispielsweise die Operation im Block 608 durchgeführt, in
der das Funknetz-Subsystem RNS jeden Kanal mit einem Spreizcode
spreizt. Der hier für
den Steuerkanal ausgewählte
Spreizcode wird mit Y bezeichnet.
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Im
Block 610 überträgt das Funknetz-Subsystem
RNS einen zugewiesenen Verkehrskanal variabler Datenübertragungsrate
zur Nutzerausrüstung UE.
Die variable Datenübertragungsrate
wird durch Ändern
des Spreizcodes erreicht; wie in Verbindung mit 4A beschrieben,
hat jeder Spreizfaktor eine unterschiedliche Datenübertragungsrate.
Während der Übertragung
wird beispielsweise die Operation in Block 612 durchgeführt, in
der das Funknetz-Subsystem RNS jeden Kanal mit einem Spreizcode
spreizt, d. h., der Verkehrskanal wird mit dem ausgewählten Spreizcode
X gespreizt.
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In
der Erfindung überträgt somit
der Sender den mit dem Spreizcode X gespreizten Verkehrskanal-Rahmen.
Der Sender überträgt den mit
dem Spreizcode Y gespreizten Steuerkanal-Rahmen, der mit dem betrachteten
Verkehrskanal in Beziehung steht. Der Steuerkanal-Rahmen gibt an,
dass der entsprechende Verkehrskanal-Rahmen mit dem Spreizcode X
gespreizt wurde. Dadurch kann der Empfänger den betrachteten Verkehrskanal-Rahmen entspreizen.
Der Empfänger
muss daher nicht im Voraus wissen, was die Datenübertragungs-Kapazität/der Spreizcode
des betrachteten Verkehrskanal-Rahmens ist.
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Die
Beziehung zwischen dem Steuerkanal-Rahmen und dem Verkehrskanal-Rahmen
muss irgendwie angegeben sein. Am einfachsten kann dies durch Kombination
der Beziehung mit Zeitsteuerung geschehen, so dass die Rahmen beispielsweise zur
ungefähr
gleichen Zeit übertragen
werden. Die miteinander in Beziehung stehenden Steuerkanal-Rahmen
und Verkehrskanal-Rahmen werden vorzugsweise auf der gleichen Frequenz,
mit unterschiedlichen Spreizcodes gespreizt und im Wesentlichen
zeitgleich, d. h. durch höchstens
eine Rahmenlänge
getrennt, übertragen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung werden die Identifizierungsdaten des Spreizcodes X, der
zum Spreizen des Verkehrskanals verwendet wird, in den Transportformat-Indikator
im Steuerkanal-Rahmen eingegeben. Dies bietet den Vorteil, dass
für diese
Funktion keine neuen Felder definiert werden müssen.
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Ein
Teil des in 4A gezeigten Codebaums muss
für die
Verwendung der Steuerkanäle
reserviert sein. Durch Ausweiten des Codebaums auf niedrigere Ebenen
kann der Spreizfaktor auch auf beispielsweise 1024 erhöht werden,
wodurch eine entsprechende Datenübertragungsrate
von acht Kilobit pro Sekunde erreicht werden kann.
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4B zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel,
in dem der Codebaum in Sub-Codebäume unterteilt
ist, und ein Zweig in einer Ebene ein Baum-Zugangspunkt zu einem
Sub-Codebaum ist, und
die Zweige unterhalb des Baum-Zugangspunkts dem
betrachteten Sub-Codebaum zugewiesen sind. In 4B wurde
einer der acht Spreizcodes des Spreizfaktors SF = 8 als Baum-Zugangspunkt
bzw. „tree
access point" TAP
des Sub-Codebaums ausgewählt.
Die Größe des Sub-Codebaums
wurde ebenfalls begrenzt, so dass die Spreizcodes des Spreizfaktors
SF = 256 nicht zur Verwendung bestimmt sind, da ihre Datenübertragungsrate
von 32 kbit/s relative niedrig ist. Datenübertragungsraten von 64 kbit/s,
128 kbit/s, 256 kbit/s, 512 kbit/s und 1024 kbit/s können somit
mit dem ausgewählten
Sub-Codebaum erreicht werden. Der vorliegende Sub-Codebaum ist nur
ein Beispiel für
mehrere mögliche Sub-Codebäume, die
Spezifikation von Sub-Codebäumen
im System hängt
von den im System benötigten
Eigenschaften ab, beispielsweise dem Verkehrsvolumen. Die Datenübertragungsrate
des Verkehrskanals wird durch Ändern
der Länge
seines Spreizcodes geändert,
d. h. durch Bewegen zwischen den Ebenen des Sub-Codebaums.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
jeder Spreizcode eines Sub-Codebaums in einer festgelegten Weise
nummeriert, und die betrachtete Nummer wird in den Transportformat-Indikator
eingegeben. Im Beispiel von 4B sind
die Spreizcodes von 1 bis 32 nummeriert. Die Nummern 1 bis 31 identifizieren
jeweils einen Spreizcode, und die Nummer 32 gibt an, dass im betrachteten
Rahmen kein Spreizcode verwendet wird, d. h., dass die Kapazität des betrachteten
Rahmens von einer anderen Verbindung mit bestimmten Einschränkungen
frei verwendet werden kann.
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Die
Einschränkungen
existieren aufgrund der Tatsache, dass die in jedem Moment verwendeten
Spreizcodes paarweise orthogonal sein müssen. Ein Spreizcode kann nur
verwendet werden, falls kein anderer Code auf dem Pfad zum Baum-Zugangspunkt
TAP des Sub-Baums verwendet wird, und keiner der Spreizcodes auf
den Pfaden auf den Ebenen unterhalb des betrachteten Spreizcodes
verwendet wird. Falls beispielsweise der Spreizcode 4 verwendet
wird, können
die Spreizcodes 8, 9, 16, 17, 18 und 19 auf den darunter liegenden
Ebenen nicht verwendet werden. Stattdessen können die Spreizcodes 5, 6,
7 und alle Spreizcodes auf Ebenen unterhalb dieser, d. h. 10 bis
15 und 20 bis 31, verwendet werden. Falls der Spreizcode 1 verwendet
wird, kann keiner der Spreizcodes 2 bis 31 des Sub-Codebaums verwendet
werden.
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Die
Nummerierung der Spreizcodes in einem Sub-Codebaum kann auch derart
implementiert sein, dass sich eine Nummer auf zwei oder mehr parallele Spreizcodes
bezieht. Dadurch kann bei Verwendung von Mehr-Code-Empfang im Empfänger die
Verwendung von zu kleinen Spreizverhältnissen vermieden werden,
zum Beispiel bei ungünstigen
Ausbreitungsbedingungen von Funkwellen oder aufgrund der Restriktionen
des Empfängers
in der Nutzerausrüstung. Wenn
höhere Übertragungsraten
benötigt
werden, kann die Nummerierung des Sub-Codebaums von den niedrigeren
Spreizcode-Ebenen aus begonnen werden.
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Eine
typische Situation könnte
sein, dass das System mehrere Nutzer einer 64 kbit/s-Verbindung hat,
was bedeutet, dass beispielsweise die Spreizcodes 16 bis 27 verwendet
werden. In diesem Fall können
die Spreizcodes 1 bis 6 und 8 bis 13 selbstverständlich nicht verwendet werden.
Stattdessen sind die Spreizcodes 7, 14, 15 und 28 bis 31 zur Verwendung
verfügbar.
Das System kann somit zusätzlich
zu den vorangehenden Nutzern beispielsweise einen Nutzer haben,
der den Spreizcode 7, und damit die Übertragungsrate 256 kbit/s
verwendet.
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Gemäß den vorangehend
beschriebenen Regeln ist es somit möglich, vom gleichen Sub-Codebaum
einen Spreizcode für
eine oder mehre Nutzerausrüstungs-Einheiten
auszuwählen.
Das Funknetz-Subsystem reserviert die Spreizcodes. Wenn der Sub-Codebaum überlastet
wird, kann die Nutzerausrüstung
zu einem anderen Sub-Codebaum transferiert werden. Das beschriebene
Verfahren ist auch hinsichtlich der Datensicherheit gut, da es nichts
ausmacht, falls ein Empfänger,
zu dem ein Rahmen nicht zugewiesen ist, den Rahmen versehentlich
detektieren sollte, da der auf den höheren Schichten verwendete
Schutz, zum Beispiel Chiffrierung in einem GSM-System, sicherstellt,
dass die Daten innerhalb des Rahmens nicht gelesen werden können. Alternativ
kann diese Angelegenheit durch Verwürfelung behandelt werden, wie
dies in der ersten Schicht des CDMA2000-Systems getan wird.
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Die
Verarbeitung von Kanälen
in der Funkschnittstelle Uu wird mit einer Protokollarchitektur durchgeführt, die
eine physikalische Schicht, eine Sicherungsschicht und eine Netzwerkschicht
des ISO- (International Standardisation Organisation) OSI (Open
Systems Interconnection) Modells aufweist. Die Protokollprofile
befinden sich sowohl im Funknetz-Subsystem RNS als auch in der Nutzerausrüstung UE.
Die Sicherungsschicht ist in zwei Subschichten unterteilt: die MAC-
(Medium-Zugriffskontrolle)
Subschicht und die LAC- (Verbindungs-Zugriffskontrolle bzw. „Zink Access
Control") Subschicht.
Typischerweise bestimmen die von der physikalischen Schicht für die höheren Schichten
bereitgestellten Dienste den Übertragungskanal
und seine Eigenschaften, wie zum Beispiel den verwendeten Spreizcode.
Die Aufgabe der MAC-Subschicht ist es, den Zugriff auf die physikalische
Schicht zu kontrollieren; die Auswahl des Transportformat-Indikators beispielsweise
wird in dieser Subschicht durchgeführt. Die Signalisierungen der
physikalischen Schicht, der Sicherungsschicht und der Netzwerkschicht
werden im Steuerkanal übertragen.
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Die
Nutzerausrüstung
sendet dem Funknetz-Subsystem keine Bestätigung nachdem sie den Transportformat-Indikator
erhalten hat, stattdessen wird diese Signalisierung als Signalisierung
der physikalischen Schicht ohne Bestätigung durchgeführt. Bei
schlechten Funkbedingungen kann dies dazu führen, dass die Nutzerausrüstung den
Spreizcode nicht lesen kann, mit dem der entsprechende Verkehrskanal-Rahmen übertragen
wurde. In diesem Fall regeln die Protokolle der höheren Schichten
das Neu-Senden des
Pakets unter Verwendung des ARQ- (automatische Wiederholungsanforderung bzw. „Automatic
Repeat Request")
Verfahrens.
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Das
Funknetz-Subsystem signalisiert den Baum-Zugangspunkt des Sub-Codebaums
zur Nutzerausrüstung,
und die Nutzerausrüstung
sendet eine Bestätigung
zum Funknetz-Subsystem.
Diese Signalisierung wird vorzugsweise zwischen den MAC-Subschichten
durchgeführt,
da der Baum-Zugangspunkt
des Sub-Codebaums nicht sehr oft geändert wird, und es notwendig
ist, sicherzustellen, dass im Fall eines Fehlers bei der Signalisierung
eine relativ schwierige Neu-Signalisierung nicht durchgeführt werden
muss.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel überträgt das Funknetz-Subsystem
die Verkehrskanal-Rahmen auf eine synchronisierte Weise zu den Nutzerausrüstungs-Einheiten,
die dem gleichen Sub-Codebaum zugewiesen sind. Dies bietet den Vorteil,
dass die Reservierung des Sub-Codebaums zwischen
verschiedenen Verbindungen einfacher ist, da immer zu bestimmten
Zeitpunkten die Reservierungen verschiedener Codes freigegeben und
die Reservierungen neuer Codes gemacht werden, im Allgemeinen in
Abständen
von einem Rahmen.
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In
der Erfindung ist die benötigte
Datenübertragungsrate
des Steuerkanals vorzugsweise so niedrig wie möglich, da die benötigte Signalisierung nicht
viel Datenübertragungs-Kapazität benötigt; eine möglich Datenübertragungsrate
ist acht Kilobit pro Sekunde.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Steuerkanal
Pilotbits zur Kanalschätzung. Dadurch
werden Pilotbits nicht notwendigerweise im Verkehrskanal benötigt, d.
h. der Verkehrskanal enthält
nur Nutzlast des Nutzers. Die Kanalschätzung kann mittels der Pilotbits
des Steuerkanals allein durchgeführt
werden, da das Signal den gleichen Kanal passiert, nur der Spreizcode
ist unterschiedlich.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel überträgt das Funknetz-Subsystem
die Steuerkanal-Rahmen verschiedener Nutzerausrüstung so nicht-simultan wie
möglich.
Diese Prozedur erleichtert die Kanalschätzung, da sich die Pilotbits
während verschiedenen
Verbindungen so wenig wie möglich überlappen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden
andere als Steuerdaten, zum Beispiel Daten oder Sprache, in der
freien Kapazität
des Steuerkanal-Rahmens übertragen.
Die Daten können
sogar leitungsvermittelte Verbindungspakete sein, da die Steuerkanal-Kapazität während der
gesamten Verbindung, während
der die Datenübertragungsrate des
Steuerkanals festgelegt ist, reserviert ist.
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Zum
Spreizen des Steuerkanals wird typischerweise immer der gleiche
Spreizcode verwendet. Nur während
einer Verbindungsübergabe
kann der Spreizcode des Steuerkanals zu ändern sein. Der betrachtete
Spreizcode des Steuerkanals wird wie vorangehend beschrieben entweder
von dem Teil des Codebaums ausgewählt, der für die Verwendung des Steuerkanals
reserviert ist, oder von einem Coderaum außerhalb des Codebaums. Die
Spreizcodes müssen
jedoch paarweise orthogonal sein, weshalb der Klarheit wegen alle
Systemcodes üblicherweise durch
einen Codebaum gebildet werden.
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Die
Erfindung wird vorzugsweise durch Software implementiert. Die benötigte Verarbeitung
im Funknetz-Subsystem
macht Änderungen
der Protokollverarbeitungs-Software
und der Steuerung der Senderoperation erforderlich. Entsprechend
ist es in der Nutzerausrüstung
notwendig, an der Protokollverarbeitungs-Software und an der Steuerung
der Empfängeroperation Änderungen
vorzunehmen.
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Obwohl
die Erfindung im Vorangehenden mit Bezug auf Beispiele gemäß der beigefügten Zeichnung
erklärt
wurde, ist es offensichtlich, dass die Erfindung nicht auf diese
begrenzt ist und auf verschiedene Weise im Rahmen der erfinderischen
Idee, die in den beigefügten
Ansprüchen
offenbart ist, modifiziert werden kann.