Beschreibung
Verfahren und Kommunikationssystem zur Übertragung von Daten einer Kombination mehrerer Dienste über gemeinsam genutzte physikalische Kanäle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Kommunikationssystem zur Übertragung von Daten einer Kombination mehrerer Dienste über gemeinsam genutzte physikalische Kanäle, insbe- sondere in Mobilfunksystemen mit breitbandigen Funkkanälen.
Ein Kommunikationssystem stellt für eine Übertragung von Daten zwischen einer Datenquelle und einer Datensenke ein oder mehrere physikalische Übertragungskanäle bereit. Die Übertragungskanäle können unterschiedlichster Art sein, z.B. für eine leitungsgebundene Übertragung mit elektrischen oder optischen Signalen oder für eine Funkübertragung über eine Funkschnittstelle mit Hilfe elektromagnetischer Wellen. Im Folgenden wird insbesondere auf die Funkübertragung einge- gangen, ohne die Allgemeinheit des Einsatzgebietes der Erfindung einzuschränken.
Die Funkübertragung wird in Mobilfunksystemen genutzt, um eine Verbindung zu nichtstationären Teilnehmerendgeräten herzustellen. Eine Mobilstation eines Mobilfunksystems ist ein solches nichtstationäres Teilnehmerendgerät. Die Mobilstation kann innerhalb der Netzabdeckung von beliebigen Standorten aus eine Verbindung anfordern bzw. es kann eine Verbindung zur Mobilstation aufgebaut werden. Das weitver- breitetste Mobilfunksystem ist GSM (global System for mobile Communications) , das für einen einzigen Dienst, zur Sprachübertragung entwickelt wurde. Das GSM-Mobilfunksystem wird als System der 2. Generation bezeichnet.
Für die darauffolgende, die 3. Mobilfunkgeneration, die z.Z. in Europa unter der Bezeichnung UMTS (universal System for mobile Communications) standardisiert wird, ist im Gegensatz
dazu eine Mehrzahl von Diensten vorgesehen, die innerhalb eines Übertragungsprotokolls über gemeinsam genutzte physi¬ kalische Kanäle übertragen werden sollen.
Die Standardisierungsdokumente ETSI SMG2/UMTS L23 expert group, Tdoc SMG2 UMTS-23 257/98, vom 6.10.1998, Tdoc SMG2 508/98 und Tdoc SMG2 515/98, vom 16.11.1998, geben einen Überblick über den heutigen Entwicklungsstand der Standar¬ disierung und insbesondere über die Anforderungen dahmge- hend, wie ein Ubertragungsprotokoll den Transport von Daten mehrerer Dienste unterstutzen kann.
Die Nutzung eines gemeinsamen physikalischen Kanals für die Übertragung von Daten mehrerer Dienste setzt voraus, daß eine eindeutige Abbildungsvorschrift die Zuordnung der Dienste zu unterschiedlichen Segmenten des physikalischen Kanals angibt. Ein physikalischer Kanal wird beispielsweise durch ein Fre¬ quenzband, einen Spreizkode (CDMA code division multiple access) und ggf. einen Zeitschlitz innerhalb eines Rahmens definiert.
Zur Beschreibung der Abbildungsvorschrift werden folgende Begriffe verwendet:
Transport Format (TF) :
Ein Transportformat definiert eine Datenrate, eine Kodierung, eine Verwürfelung (Interleaving), eine Datenratenanpassung durch Punktierung und eine Fehlerschutzvorschrift eines Transportkanals für einen Dienst.
Transport Format Set (TFS) :
Hiermit wird ein Satz möglicher Transportformate bezeichnet, die für einen speziellen Dienst erlaubt sind.
Transport Format Combination (TFC) :
Dieser Begriff gibt eine mögliche Kombination von Transportformaten der verschiedenen Dienste an, die auf einen gemeinsamen physikalischen Kanal abgebildet werden.
Transport Format Combination Set (TFCS) :
Hiermit wird ein Satz möglicher TFC als Teilmenge aller TFC bezeichnet, die für eine spezielle Verbindung erlaubt sind.
Transport Format Combination Identifier (TFCI): Diese Information gibt die aktuell verwendete Kombination von Transportformaten innerhalb des TFCS an.
Beispiele zu den Transportformaten können ETSI SMG2/UMTS L23 expert group, Tdoc SMG2 UMTS-23 257/98, vom 6.10.98, S.14-16, entnommen werden.
Für eine bedarfsgerechte Wahl der aktuell verwendeten Kombination von Transportformaten der verschiedenen Dienste ist eine Anderbarkeit des TFC und damit eine regelmäßig Signali- sierung des TFCI notwendig. Diese Signalisierung bindet jedoch Übertragungskapazität. Je großer die Anzahl möglicher Kombinationsmoglichkeiten (TFCS), umso mehr Kapazität wird zur Signalisierung benotigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Kommunikationssystem anzugeben, die die benotigte Sig- nalisierungskapazitat reduzieren ohne die Anzahl der Kombinationsmoglichkeiten und deren Auswahl einzuschränken. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach den Merkmalen des An- spruchs 1 und das Kommunikationssystem mit den Merkmalen des Anspruch 10 gelost. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteranspruchen zu entnehmen.
Erfmdungsgemäß wird die Tatsache ausgenutzt, daß unabhängig von der Kombination der Transportformate eine Gesamtdatenrate für alle Dienste dem Empfanger bekannt ist. Diese Gesamtdatenrate ergibt sich aus einer vorangegangenen Ressourcenzu-
teilung (Anzahl Spreizkodes und/oder Zeitschlitze, Spreizfaktor, etc.), durch eine sogenannte „blinde Detektion" der Empfangsseite (Feststellung der Datenrate bzw. des Spreizfaktors) wahrend der Detektion oder durch empfangsseitiges Erkennen der momentan genutzten Ressourcen innerhalb des Pools zugeteilter Ressourcen (z.B. beim DTX discontmuous transmission) . Die bestimmte Gesamtdatenrate ist eine implizit vorhandene Information für die Kombination der Transportformate, da bei einer gegebenen Gesamtdatenrate nur bestimmte Kombinationen möglich sind. Dieser Ausschluß von Kombina- tionsmoglichkeiten für eine gegebene Gesamtdatenrate wird zur Verringerung des Signalisierungsbedarfs ausgenutzt.
Es wird damit sendeseitig nur eine Teilinformation bezuglich der Kombination der aktuell benutzten Transportformate erzeugt und zur Empfangsseite signalisiert, die eine binare Kodierung mit einer Stellenzahl verwendet, die im Vergleich zur Gesamtheit der erlaubten Kombinationen reduziert ist. Wurden normalerweise mit n Bits nur 2 Kombinationsmoglich- keiten signalisierbar sein, so kann diese Zahl entsprechend der Erfindung beträchtlich erhöht werden bzw. die benotigten Bits zur Signalisierung reduziert werden. Damit sinkt die zur Signalisierung benotigte Übertragungskapazität. Diese eingesparte Übertragungskapazität kann zur Nutzdatenubertragung und damit zur Steigerung der Leistungsfähigkeit des Kommunikationssystems eingesetzt werden.
Die Gesamtdatenrate, die bei der Bestimmung der Kombination der Transportformate berücksichtigt wird, gibt eine Bit- oder Symbolrate vor oder nach einer Kanalkodierung an. Die Gesamtdatenrate bezeichnet die Summe aller Datenraten der physikalischen Kanäle, auf die sich die Teilinformation bezieht. Die Symbolrate nach der Kanalkodierung gibt die Rate auf dem physikalischen Kanal bzw. den physikalischen Kanälen (z.B. der Funkschnittstelle) an. Alternativ kann die Gesamtdatentrate auch die Nutzbitrate bedeuten. Es muß also vorab sende- und empfangsseitig eine gemeinsame Referenzgroße für die Gesamt-
datenrate definiert werden. Die Symbolrate wird durch den Spreizfaktor bestimmt.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Datenübertragung über eine Funkschnittstelle eines Funk- Kommunikat onsSystems . Bei Funk-Kommunikationssystemen, z.B. UMTS, sind die Ubertragungsressourcen besonders knapp. Die Anzahl verfugbarer Frequenzbander ist begrenzt und jeder Betreiber kann davon nur einen gewissen Teil nutzen. Trotzdem sollen für manche Dienste hohe Datenraten (bis 2 Mbit/s) angeboten werden. Die Erfindung bringt bei einem solchen Funk- Kommunikationssystem besondere Vorteile.
Eine besonders flexible Zuteilungsstrategie von Ubertragungs- kapazitaten zu Verbindungen wird ermöglicht, wenn eine Funk- schnittstelle durch einen breitbandigen Frequenzkanal (z.B. 5 MHz) gebildet wird, wobei Signale m mehreren durch Spreizkodes bzw. zusätzlich durch Zeitschlitze separierbare physikalischen Kanälen gleichzeitig übertragen werden. Durch eine Veränderung des Spreizkodes oder durch Zuteilung zusätzlicher Spreizkodes können die Übertragungskapazitäten schnell dem Bedarf angepaßt werden. Die Erfindung eignet sich sowohl für den Einsatz im FDD (frequency division multiplex) als auch im TDD (ti e division multiplex) Modus eines Funk-Kommunika- tionssystems .
Für eine besonders schnelle Signalisierung wird die Teilm- formation in jedem Rahmen der Datenübertragung des gemeinsamen physikalischen Kanals übertragen. Damit ergibt sich auch eine sehr schnelle Änderung der gewählten Kombination-. Die gemeinsame Übertragung von Daten mehrerer Dienste kann auf einen oder auf mehrere Kanäle bezogen sein. Bei mehreren gemeinsam genutzten Kanälen werden die Daten mehrerer Dienste auf einen kodierten gemeinsamen Transportkanal abgebildet und die Daten des kodierten gemeinsamen Transportkanals wiederum gleichmäßig auf mehrere physikalische Kanäle aufgeteilt.
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beilie¬ genden Zeichnungen naher erläutert.
Dabei zeigen Fig 1 eine schematische Darstellung eines Funk-Kommuni- kationsSystems, Fig 2 ein Schichtenmodell der Ubertragungsprotokolle, Fig 3, 4 Abbildungen von Daten verschiedener Dienste auf gemeinsame physikalische Kanäle, Fig 5, 6 Tabellen mit einer Abbildungsvorschrift unter
Berücksichtigung der Gesamtdatenrate, und Fig 7 eine rahmenweise Datenübertragung mit In-Band-
Signalisierung .
Das m Fig 1 dargestellte Mobilfunksystem als Beispiel eines Funk-Kommunikationssystems besteht aus einer Vielzahl von Mo- bilvermittlungsstellen MSC, die untereinander vernetzt sind bzw. den Zugang zu einem Festnetz PSTN herstellen. Weiterhin sind diese Mobilvermittlungsstellen MSC mit jeweils zumindest einer Einrichtung RNM zur Steuerung der Ubertragungsressour- cen verbunden. Jede dieser Einrichtungen RNM ermöglicht wiederum eine Verbindung zu zumindest einer Basisstation BS .
Eine Basisstation BS kann über eine Funkschnittstelle eine Verbindung zu Teilnehmerstationen, z.B. Mobilstationen MS oder anderweitigen mobilen und stationären Endgeraten aufbauen. Durch jede Basisstation BS wird zumindest eine Funkzelle gebildet. In Fig 1 sind Verbindungen zur Übertragung von Nutzinformationen zwischen einer Basisstation BS und Mo- bilstationen MS dargestellt. Innerhalb von einer Verbindung VI werden Daten von beispielsweise drei Diensten S (Sl, S2, S3) innerhalb eines oder mehrerer physikalischer Kanäle Phy CH und Signalisierungsmformationen, z.B. die zugeteilten funktechnischen Ressourcen für eine Verbindung VI, über einen verbmdungsbegleitenden Kontrollkanal FACH (Forward link Access CHannel) übertragen.
Ein Operations- und Wartungszentrum OMC realisiert Kontroll- und Wartungsfunktionen für das Mobilfunksystem bzw. für Teile davon. Die Funktionalität dieser Struktur ist auf andere Funk-Kommunikationssysteme übertragbar, m denen die Erfin- düng zum Einsatz kommen kann, insbesondere für Teilnehmer- zugangsnetze mit drahtlosem Teilnehmeranschluß .
Im Funk-Kommunikationssystem nach Fig 1 sind sowohl m den Basisstationen BS als auch den Mobilstationen MS Datenuber- tragungsmittel, Empfangsmitteln und Signalisierungsmittel vorgesehen, die miteinander kommunizieren. Die Datenuber- tragungsmittel dienen der Übertragung von Daten einer Kombination mehrerer Dienste S über die aktuell verfugbaren gemeinsamen physikalischen Kanäle Phy CH. Die Signalisierungs- mittel bestimmen Teilinformationen TFCI zu den ausgewählten Kombinationen von Transportformaten für Dienste Sl, S2, S3 und fuhren eine In-band-Signalisierung der Transportformate TF durch.
Das Schichtenmodell nach Fig 2 zeigt eine Einteilung der
Protokolle des Funkkommunikationssystems m drei Schichten. Schicht 1: physikalische Schicht zur Beschreibung aller Funktionen zur Bitubertragung über ein physikalisches Medium (z.B. Kodierung, Modu_αtιon, Sendeleistungskontrolle, Syn- chronisation etc.),
Schicht 2: Schicht der Datenverbindung zur Beschreibung der
Abbildung von Daten auf die physikalische Schicht und deren
Kontrolle,
Schicht 3: Netzwerk-Schicht zur Steuerung der Ressourcen der Funkschnittstelle.
Weitere Einzelheiten sind auch ETSI SMG2/UMTS L23 expert group, Tdoc SMG2 508/98, vom 16.11.1998, S.9-25 (figure 11), entnehmbar. In der Schicht 3 wird für eine Verbindung das TFCS festgelegt, währenddessen m der Schicht 2 die Auswahl einer Kombination (eines TFC) erfolgt, die wie spater gezeigt mittels eines TFCI In-Band signalisiert wird.
Der Parameteraustausch zwischen den Schichten 1 und 2 unterstützt die Funktionen eines Transfers von Rahmen mit Daten der Schicht 2 über die Funkschnittstelle und der Anzeige des Status der Schicht 1 an höhere Schichten. Der Parameteraus- tausc zwischen den Schichten 1 und 3 unterstützt die Kontrolle der Konfiguration der Übertragung in der Schicht 1 und generiert Systeminformation über die Schicht 1.
Die Abbildung der Daten verschiedener Verbindungen S auf einen gemeinsamen physikalischen Kanal Phy CH entspricht dabei der Interaktion der Schichten 1 und 2.
Entsprechend der Figuren 3 und 4 ergibt sich die Notwendig- keit einer Signalisierung von Transportformaten TF für aktuell übertragene Dienste.
In Fig 3 ist als funktionelle Darstellung eine Kodier- und Multiplexeinheit gezeigt, die Daten mehrerer Datenkanäle DCH, diese entsprechen jeweils den Daten eines Dienstes Sl, S2, S3, auf einen kodierten gemeinsamen Transportkanal CCTrCH abbildet. Eine Abbildung ist dabei eine Vorschrift, nach welchem Bitmuster die Daten in eine serielle Datensequenz eingetragen werden. Ein Demultiplexer/Zuteilmittel verteilt die Daten des kodierten gemeinsamen Transportkanals CCTrCH auf mehrere physikalische Kanäle Phy CH. Über die physikalischen Kanäle Phy CH werden somit jeweils ständig Daten mehrerer Dienste Sl, S2, S3 übertragen. Kein physikalischer Kanal Phy CH ist einem Dienst Sl oder S2 oder S3 allein sondern dem kodierten gemeinsamen Transportkanal CCTrCH mit allen seinen Diensten Sl, S2, S3 zugeordnet.
Da die Empfangsseite diese Abbildung nachvollziehen und die Daten aus den physikalischen Kanälen Phy CH auslesen und wieder in getrennten Transportkanälen DCH der Dienste darstellen muß, ist eine Signalisierung vonnöten. Diese Signalisierung in Form einer Teilinformation TFCI gibt die aktuell
benutzte Kombination der Transportformate TF der Dienste wieder. Welche Kombinationen für die Verbindung zugelassen sind (TFCS) wurde zum Verbindungsaufbau vereinbart.
Fig 4 zeigt die Abbildung in leicht abgewandelter Form, wobei klarer wird, daß nur bei einer gemeinsamen Nutzung von physikalischen Kanälen Phy CH durch mehrere Dienste Sl, S2, S3 die Signalisierung der Teilinformation TFCI nötig ist. Nutzt ein Dienst Sl oder S2 oder S3 einen physikalischen Kanal Phy CH ausschließlich, so kann auf die Signalisierung der Teilinformation TFCI verzichtet werden.
Die Dienste S können unterschiedlichster Art sein. So sind Sl, S2 beispielsweise Dienste mit hohen Datenratendynamik, z.B. Sl eine Videoübertragung und S2 eine Internet-Anbindung, und S3 ein Dienst mit geringer Datenratendynamik, z.B. eine Sprachübertragung .
Die ausgewählten Kombinationen TFC der Transportformate TF sind nach einem ersten Ausführungsbeispiel entsprechen Fig 5 festgelegt, wobei zwei unterschiedliche Gesamtdatenraten GR1, GR2 möglich sind. Für eine binär kodierte Teilinformation TFCI von „0000" spielt die Gesamtdatenrate GR keine Rolle. Die mit „0000" kodierte Kombination TFC ist immer TFC0. Bei der Teilinformation „0001" wird anhand der Gesamtdatenrate
GR1 oder GR2 in zwei unterschiedliche Kombinationen TFCI oder TFC2 unterschieden. Damit ist die Anzahl von mit 4 Bits kodierbarer Kombinationen TFC größer als 2 . Oder anders betrachtet, kann eine gegebene Anzahl von Kombinationen TFC mit weniger Bit kodiert werden. Es liegt jedoch ebenso im Rahmen der Erfindung, daß andere als binäre Kodierungen verwendet werden.
In einer vollständig kodierten Kombination ist die Infor- mation über die Gesamtdatenrate GR enthalten. Diese Information ist jedoch redundant und wird entsprechend der Erfindung durch eine Teilinformation TFCI ersetzt.
Eine zweites Ausführungsbeispiel nach Fig 6 geht von insgesamt fünf unterschiedlichen Gesamtdatenraten GR aus, wobei zur Vereinfachung die Stufen zwischen den Gesamtdatenraten GR1 bis GR5 identisch zu den Stufen der Datenraten der Transportformate TF sind. Zwei Dienste Sl, S2 werden unterstützt, die jeweils vier unterschiedliche Transportformate TF11 bis TF14 und TF21 bis TF24 benutzen können. Die Abbildungsvorschrift kommt mit nur einem Bit als Teilinformation TFCI für acht mögliche Kombinationen aus. Das Symbol „-„ bedeutet, daß dieser Wert beliebig sein kann.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel sei kurz erwähnt: Besteht das TFCS aus K verschiedenen Diensten Si mit i=l..K für welche jeweils Li erlaubte Transportformate TF definiert sind.
TFC =(TFü, TFi2, ..TFiLi)
Die Teilinformation TFCI gibt im Sinne der Erfindung nur die Kombinationsmgölichkeiten der Dienste 1 bis K-l an, während das Transportformat TF des Dienstes K über die Gesamtdatenrate GR abzüglich der Datenraten der übrigen Dienste 1..K-1 bestimmbar ist. Vorteilhafterweise ist der Dienst K derjenige mit der höchsten Anzahl unterschiedlicher Transportformate. Dadurch ergibt sich die größte Reduktion der benötigten binären Symbole für die Kodierung.
Die Gesamtdatenrate GR wird in einem schnellen verbindungsbe- gleitenden Kontrollkanal FACH als Ressourcenzuteilung (Spreizkode, Spreizfaktor, Zeitschlitz) übertragen oder wird gemäß einer blinden Detektion durch die Empfangsseite aus den Signalen selbst gewonnen.
Die In-Band-Signalisierung der Teilinformation TFCI erfolgt gemäß Fig 7. Innerhalb einer rahmenweisen Übertragung von Daten (data) zusammen mit weiteren Informationen ist auch Kapazität zur Übertragung der aktuell gewählten Kombination
der Transportformate in Form der Teilinformation TFCI vorgesehen. Im FDD Modus hat ein Rahmen eine Dauer von 10 ms, wobei Bits einer Pilotsequenz (pilot) der Kanalschätzung dienen, Bits (pc) zur Sendeleistungsregelung benötigt werden und Bits zur In-Band-Signalisierung des TFCI reserviert sind. Es folgt ein Datenanteil data mit Nutzinformationen. Eine Fehlerschutzkodierung des TFCI auf z.B. 32 Bit und eine Ver- würfelung der Nutzinformationen über mehrere Rahmen sind in Fig 7 nicht gezeigt.
Die Beschreibung der gewählten Transportformate gilt für eine Übertragungsrichtung. In eine Verbindung können natürlich in beiden Übertragungsrichtungen (UL Aufwärtsrichtung von der Mobilstation MS zur Basisstation BS und DL Abwärtsrichtung von der Basisstation BS zur Mobilstation MS) Daten übertragen werden, wobei für die Datenraten durchaus asymmetrisch und entsprechend unterschiedliche Transportformate TF festgelegt sein können.