WO2001089104A2 - Mobilstation und oszillator für einen einsatz in der mobilstation - Google Patents

Abstract

Eine Mobilstation mit einem Sender zum Senden von Daten an eine Basisstation und mit einem Empfänger zum Empfangen von Daten von der Basisstation umfasst einen weiteren Sender, der Daten zu einer oder mehreren weiteren Mobilstationen senden kann. Ferner enthält die Mobilstation wenigstens einen weiteren Empfänger, der Daten von einer oder mehreren Mobilstationen empfangen kann.

Description

Beschreibung

Mobilstation und Oszillator für einen Einsatz in der Mobilstation

Die Erfindung betrifft eine Mobilstation mit einem Sender zum Senden von Daten an eine Basisstation und mit einem Empfänger zum Empfangen von Daten von der Basisstation.

Die Erfindung betrifft ferner einen Oszillator für einen Einsatz in einer Mobilstation.

Der heute erreichte Ausbau der GSM (Global System for mobile co munication) -Netze ermöglicht dem Teilnehmer, praktisch überall und jederzeit einen Zugang. Allerdings kann es bei Netzüberlastungen zu temporären Netzzugangssperren kommen. Jede Funkzelle kann nur eine begrenzte Anzahl von zeitgleich geführten Gesprächen verwalten. Dabei macht es netztechnisch keinen Unterschied, ob sich zwei Mobiltelefone räumlich nahe oder entfernt befinden. Bedingt durch die zellulare, hierarchische Netzstruktur und den Verbindungsaufbau ist es notwendig, dass zum ordnungsgemäßen Betrieb des GSM-Netzes ständig zusätzlich eine Vielzahl unterschiedlicher, nicht sprachlicher Signale zwischen den Komponenten ausgetauscht werden müssen.

Damit ein Informationsaustausch zwischen den Komponenten stattfinden kann, uss das Wer, Was, Wann, Wo und Wie vereinbart sein. Das geschieht durch die Schnittstellen und ihre Protokolle. Der Engpass eines jeden Mobilfunksystems ist die Luftschnittstelle zwischen den Mobilstationen und den Basisstationen. Über sie werden sowohl die von den Teilnehmern angeforderten Telekommunikationsdienste durchgeführt, als auch die für den Netzbetrieb notwendigen Informationen ausge- tauscht. Gespräche laufen selbst dann über Basisstationen (BSen) , wenn physikalisch eine direkte Verbindung zwischen Mobilgeräten möglich wäre.

Das zur Verfügung stehende Frequenzspektrum ist aus physika- lischen Gründen begrenzt und die benötigte Frequenzbandbreite wächst mit der zu übertragenden Informationsmenge. Für den wirtschaftlichen Aufbau und Betrieb eines öffentlichen Mobilfunknetzes ist deshalb eine hohe spektrale Effizienz gefordert, d. h., bei vorgegebenem Frequenzspektrum sollen mög- liehst viele Teilnehmer bedient werden können. Eine Verbindung belegt im GSM Frame jeweils eine festgelegte Bandbreite. Dieser GSM-Grundsatz führt recht schnell zu den oben angeführten hohen Netzauslastungen, beziehungsweise Netzüberlastungen, mit der Folge der Zugangsbeschränkung oder -sper- rung.

Bei Mobilgeräten werden zwei Betriebsarten unterschieden: der aktive Betrieb und der Betrieb im dle mode" . Im aktiven Betrieb wird dafür gesorgt, dass eine laufende Sprach- oder Da- tenübertragung auch dann aufrechterhalten bleibt, wenn der

Teilnehmer sich bewegt (Handover) . Ein Beispiel ist das Telefonieren im fahrenden Auto. Im Idle mode" -Betrieb tauschen Mobilgerät und Netz in gewissen Abständen Nachrichten über den Aufenthaltsort des Teilnehmers aus. Dadurch ist es mög- lieh, jeden erreichbaren Teilnehmer gezielt zu rufen. Erst nach Abschalten des Mobilgerätes wird der Kontakt zum Netz beendet .

Das GSM-Frequenzspektrum teilt sich in ein unteres Band (890- 915 MHz) für die Kommunikation von den Mobilstationen (MSen) zu den Basisstationen (BSen) und in ein oberes Band (935-960 MHz) für die Kommunikation in umgekehrter Richtung. Das gesamte GSM-Frequenzspektrum von 2*25 MHz ist in 2*125 Frequenzkanäle a 200 kHz Bandbreite aufgeteilt. Zwei Frequenzka- näle im Abstand von 45 MHz bilden jeweils ein Duplexpaar für die wechselseitige Kommunikation. Die Duplexfrequenzkanäle 0 und 125 werden als Schutzabstände zu den nicht-GSM Nachbarbändern freigehalten.

In Deutschland teilen sich Dl und D2 das Frequenzspektrum. Dem Dl-Netz sind die Duplexfrequenzkanäle 14 bis 49 sowie 82 bis 102 zugeordnet. Für das D2-Netz stehen die Frequenzkanäle 1 bis 12, 51 bis 80 und 105 bis 119 zur Verfügung. Mit der Anzahl der Frequenzkanäle und der Zeitschlitze ist die Funk- kapazität des GSM-Netzes (Dl und D2) ungefähr 8*124=992 *Ka- näle" für die "Füll rate"-Sprachübertragung (13 kbit/s) . Das heisst, eine Basisstation könnte maximal 992 *Kanäle" gleichzeitig bedienen. Die Zahl der *Kanäle" pro Basisstation ist jedoch dadurch begrenzt, .dass sich die Funksignale benachbar- ter Basisstationen stören können. Die Aufteilung der Frequenzkanäle auf die Basisstationen ist für die Kapazität eines zellularen Mobilfunknetzes von entscheidender Bedeutung. So werden zum Beispiel Funkzellen, deren Frequenzbelegung sich wiederholt, in ein Cluster zusammengefasst . Der typische Frequenzwiederholungsfaktor für das GSM-Netz liegt bei sieben. Damit ergibt sich die zellulare Funkkapazität von 992/7 = 142 'Kanälen" pro Funkzelle. Für die Funkzellenplanung bedeutet das, dass die Funkzellengröße entsprechend dem erwarteten Verkehrsaufkommen in einem Gebiet so gewählt wird, dass die Funkzelle gut ausgelastet wird, aber auch keine für die Teilnehmer störende Überlast vorliegt.

Bisher betriebene Funkzellen fordern außerdem weitere Maßnahmen. So ist zu beachten, dass mindestens ein *Kanal" pro Ba- sisstation für die Übertragung von Funkparametern und Signalisierung reserviert ist. Die tatsächlich realisierte Funkkapazität hängt von den Verhältnissen (Topologie und Morphologie) vor Ort, der Robustheit des Funkübertragungsverfahrens gegen Störungen und dem erwarteten Verkehrsaufkommen ab. Im GSM ist der Funkzellenradius außerdem durch das Funkübertra- gungsverfahren auf maximal 35 km begrenzt.

Weitere bekannte Mobilfunknetze, beispielsweise das in Deutschland eingesetzte E-Plus-Netz, basieren auf einem für den Frequenzbereich um 1800 MHz modifizierten GSM Standard, dem DCS 1800. Für die ^NDCS 1800" -Netze sind die Frequenzbänder von 1710-1785 MHz für die Kommunikation von der Mobilstation zur Basisstation, beziehungsweise 1805-1880 MHz für die umgekehrte Richtung vorgesehen. E-Plus sind davon die 75 Fre- quenzkanäle im Bereich 1760,2-1775 MHz, beziehungsweise 1855,2-1870 MHz zugeteilt.

Die Kapazität des Dl-, D2- und E-Plus-Netzes wird auf zusammen ca. 30 Millionen Teilnehmer geschätzt (vorausgesetzt höchstens 10% der Teilnehmer telefonieren gleichzeitig) . Das entspricht einem Durchdringungsgrad von etwas über 30% der Wohnbevölkerung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mobilstation zu entwickeln, mit der eine Kommunikation auch in weitgehend ausgelasteten Kommunikationsnetzen möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine gattungsgemäße Mobilstation so ausgestattet wird, dass die Mobilstation einen weiteren Sender enthält, der Daten zu einem oder mehreren weiteren Mobilstationen senden kann und dass die Mobilstation wenigstens einen weiteren Empfänger enthält, der Daten von einer oder mehreren weiteren Mobilstationen empfangen kann.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Mobilstation eine Erweiterung mobiler Endgeräte um einen Zusatzoszillator vor , der die direkte Verbindung zwischen zwei mobilen Endgeräten herstellt, ohne die eingeschränkte, beziehungsweise stark ausgelastete Bandbreite des GSM Netzes oder auch zukünftige Netze nach dem UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) Standard zusätzlich zu belasten. Der Verbindungsaufbau ist immer dann möglich, wenn eine direkte Verbindung über die Luftschnittstelle zwischen zwei mobilen Endgeräten aufgebaut werden kann.

Die Erfindung ist mit mehreren Vorteilen verbunden. Die Bandbreite des durch Basisstationen abgedeckten Kommunikations- netzes, das beispielsweise nach dem GSM-Standard oder nach dem UMTS gestaltet ist, wird für zusätzliche, andere mobile Endgeräte frei (Nichtbelegen eines Frequenzkanals und Zeitschlitzes) . Außerdem ist die Verbindung zwischen den Geräten über den Zusatzoszillator kostenfrei, da die GSM-Netz Infrastruktur in diesem Fall nicht für die Sprachübermittlung ver- wendet wird (drahtlose Direktverbindung zweier Mobilgeräte) .

Durch die Erfindung ist es möglich, mehrere Kommunikationen gleichzeitig aufrecht zu erhalten, beispielsweise eine erste Datenübertragung über einen ersten Kommunikationskanal und eine zweite Datenübertragung über einen zweiten Kommunikationskanal .

Es ist gleichermaßen vorteilhaft, die Mobilstation so auszugestalten, dass die Mobilstation in mindestens zwei verschie- denen Betriebszuständen betreibbar ist.

Vorzugsweise wird diese Mobilstation so gestaltet, dass der Wechsel zwischen den verschiedenen Betriebszuständen über eine Benutzerschnittstelle steuerbar ist.

In einem besonders einfachen und zweckmäßigen Fall beinhaltet die Benutzerschnittstelle einen Taster.

Es ist besonders zweckmäßig, die Mobilstation so auszugestal- ten, dass in einem der Betriebszustände eine Kommunikation zwischen der Mobilstation und der Basisstation erfolgt.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Mobilstation zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Betriebszustand eine Kommunikation zwischen der Mobilstation und einer oder mehreren anderen Mobilstationen erfolgt.

Aus technischen Gründen (Störungsfreiheit) und rechtlichen Gründen (Frequenznutzungspläne), eignen sich besonders zwei Frequenzbänder, die im Folgenden kurz beschrieben werden.

Die ISM-Bänder (Industry-Science-Medical-Band) in den Frequenzbereichen 433,05 MHz - 434,79 MHz und 2,412 GHZ - 2,4835 GHz bieten Raum für Datenübertragungen für industrielle, wis- senschaftliche und medizinische Anwendungen. Das europäische Standardisierungsinstitut für Telekommunikationsangelegenheiten ETSI (European Telecommunications Standards Institute) hat in seinem Standard ETS 300 328 die technischen Voraussetzungen definiert und die Zulassungskriterien für Sprach- und Datenfunksysteme in diesen Frequenzbändern festgelegt.

Das ISM-Band zum Beispiel im 2,4 GHz-Bereich ist in 13 Kanäle unterteilt, beginnend bei 2,412 GHz in 5 MHz-Schritten bis zu 2,472 GHz. Die Sendeleistung in diesem Bereich darf nach ETS 300 328 nicht mehr als 100mW betragen. Die Beschränkung auf maximal 100mW ist auch der Grund dafür, dass ISM-Band- konforme Geräte in Krankenhäusern eingesetzt werden dürfen, in denen der Betrieb von herkömmlichen Mobiltelefonen verboten ist, um Störeinflüsse auf medizinische Einrichtungen aus- zuschließen. Mobiltelefone haben normalerweise eine Sendeleistung von etwa 2W.

Eine wichtige Forderung an Mobilgeräte ist ein geringer Stromverbrauch. Auch hier wirkt sich die begrenzte maximale Sendeleistung von 100 mW positiv aus. Die Anzahl von 13 Kanälen erscheint zunächst relativ gering. Wegen der geringen zugelassenen Sendeleistung ist die Reichweite mehr oder weniger auf Sichtverbindung beschränkt, je nach Bebauung 200 m bis 5 km und bietet daher den Vorteil, dass in relativ eng bebauten Gebieten die Reichweite eher gering ist und somit Störungen von anderen Geräten auf dem gleichen Kanal bei einer Entfernung von mehr als 200 Metern nicht auftreten. Hingegen erhöht sich auf freiem Feld, wo statistisch weniger Kanäle benötigt werden, die Reichweite aus physikalischen Gründen und somit größere Entfernungen überbrückt werden können. Bei Verwendung von code- oder time- multiplexed Signalen (siehe unten) , kann die Bandbreite noch weiter erhöht werden.

Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung.

Die Zeichnung zeigt einen Oszillator, der in einer erfindungsgemäßen Mobilfunkstation einsetzbar ist.

Der dargestellte Oszillator weist eine Antenne a auf.

Die Antenne a ist mit einer Sende- und Empfangseinheit c für zwei verschiedene Frequenzen verbunden.

Vorzugsweise befindet sich zwischen der Antenne und der Sen- de- und Empfangseinheit ein Eingangsfilter.

Ein Datenausgang der Sende- und Empfangseinheit ist mit einem Datenaufbereitungsmittel d verbunden.

Die Sende- und Empfangseinheit c ist mit zwei voneinander verschiedenen lokalen Oszillatoren e, f verbunden.

Der erste der lokalen Oszillatoren f dient zur Erzeugung von Schwingungen in einem Frequenzbereich, der einem mit Basis- Station versehenen Netz entspricht.

Ein weiterer lokaler Oszillator dient zur Erzeugung von Schwingungen in einem weiteren Frequenzbereich, vorzugsweise für eine direkte Kommunikation mit weiteren Mobilstationen.

Durch einen Einsatz eines Mehrfach-Frequenzsynthesizers g ist es möglich, dass die Sende- und Empfangseinheit c abwechselnd mit einem der lokalen Oszillatoren verbunden wird.

Die Funktionen der Sende- und Empfangseinheit, des Datenaufbereitungsmittels d und des Mehrfach-Frequenzsynthesizers g werden vorzugsweise durch eine geeignete Steuereinheit h kontrolliert. In dem dargestellten Fall ist die Steuereinheit h als ein Mikrocontroller gestaltet.

Durch ein geeignetes Modul, insbesondere einen Firmware- Baustein i erfolgt eine Auswahl des jeweils gewünschten Sende- und Empfangsbandes, im dargestellten Fall einerseits des ISM-Bandes, andererseits eines GSM- oder UMTS-Bandes.

Der Mikrocontroller und das Firmwaremodul werden vorzugsweise durch ein geeignetes Programm gesteuert, das in einem Hauptspeicher j geladen ist. Der Hauptspeicher enthält vorzugsweise auch weitere Daten zum Betrieb des Mikrocontrollers und der von ihm gesteuerten weiteren Geräte.

Der Mikrocontroller h ist mit einer oder mehreren Ein- oder Ausgabeschnittstellen k verbunden.

Bei den Ausgabeschnittstellen handelt es sich beispielsweise um ein Display 1, das vorzugsweise auch Informationen über das Netz, beziehungsweise die Netze, in denen die Mobilstation betrieben wird, enthält.

Eine Eingabeschnittstelle ist vorzugsweise mit einer Tastatur verbunden, die im dargestellten Fall eine Zusatztaste für einen Aufbau einer Verbindung in einem weiteren Frequenzband, im dargestellten Fall einem ISM-Band enthält.

Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Frequenzbänder beschränkt, jedoch ist ein Einsatz in den nachfolgend dargestellten Frequenzbändern besonders sinnvoll.

Für die technische Realisierung bieten sich mehrere Möglich- keiten der Übertragungsverfahren an.

Ein bevozugtes Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Nutzung des GSM-Verfahrens im Basisband für ISM. Auf der Basis des freigegebenen Frequenzspektrums für GSM und der verfügbaren Technologie, wurde für GSM eine digitale Übertragung für

*schmalbandige" Teledienste konzipiert. Bei Nutzung des TDMA- Verfahrens, angepasst an das ISM-Band, ergibt sich der Vorteil, dass im Mobilgerät bereits vorhandene Hardware und Software genutzt werden kann, um Verbindungen zwischen zwei Mobilgeräten aufzubauen. Fordert ein Teilnehmer eine Sprachübertragung im ISM-Band an, wird ihm ein geeigneter Frequenzkanal mit einem freien Zeitschlitz zugewiesen. Das Mobilgerät nutzt den zugewiesenen Zeitschlitz in jedem folgenden TDMA- Rahmen, bis die Sprachübermittlung beendet wird.

Die Gespräche werden in den Mobilgeräten fortlaufend digitalisiert und als Folge von Binärzeichen (Bits) dargestellt. Die Sprachbits werden in Blöcken zusa mengefasst und, ähnlich wie ein Strom von Paketen, blockweise in den zugeordneten Zeitschlitzen der kontinuierlich aufeinanderfolgenden TDMA- Rahmen übertragen. Damit läßt sich die effektive Anzahl der verfügbaren Kanäle erhöhen. Die digitale Übertragung innerhalb eines Zeitschlitzes geschieht in Anlehnung an das GSM- Verfahren mit Hilfe der Normalbursts .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet eine Nutzung des DSSS-Verfahrens . Im DSSS-Verfahren kann je nach Datenrate bei 1 Mbit/s Datenrate das Differential Binary Phase Shift Keying (DBPSK) und bei 2 Mbit/s das Differential Quadrature Phase Shift Keying (DQPSK) eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren wird jedes zu übertragende Bit in einer Bitfolge, dem sogenannten Chip, kodiert und auf 13 MHz Bandbreite aufgespreizt gesendet. Da der Abstand zwischen den Kanälen nur 5 MHz beträgt, überlappen sich also die Si- gnale auf benachbarten Kanälen. Erfolgt die Kodierung jedes Bits in einer Bitfolge im Mcode Division Multiple Access (CDMA) Verfahren, ist es möglich, dass auch beim DSSS mehrere Stationen im gleichen Frequenzbereich senden können, ohne sich gegenseitig so zu stören, dass kein korrekter Empfang mehr möglich ist. Nur einem autorisierten Empfänger ist es möglich, die Bitfolge zu erkennen und zu entschlüsseln.

Es ist zweckmäßig, ein mobiles Telekommunikationsendgerät (Mobilgerät) mit einem Zusatzoszillator auszustatten, der es erlaubt, eine direkte Verbindung zu einem anderen Mobilgerät herzustellen, das ebenfalls mit dem ISM-Zusatzoszillator ausgestattet ist.

Die Aktivierung des Zusatzoszillators erfolgt über eine Ta- stenkombination oder besser eine zusätzlich auf dem Mobilgerät angebrachte Taste mit dem Hinweis, zum Beispiel "lokaler Verbindungsaufbau" , so dass eindeutig klar ist, dass die herzustellende Verbindung nicht über GSM-Netzdienste, sondern über das ISM-Band abgewickelt werden soll und sich damit die Erreichbarkeit des Empfängers auf einen Umkreis von maximal 200 m bis 5 km (je nach örtlichen Gegebenheiten) einschränkt. Die Verbindung ist dann kostenfrei und darf wegen der geringeren Sendeleistung auch in Krankenhäusern, oder anderen öffentlichen Einrichtungen genutzt werden.

Nach Aktivierung des Zusatzoszillators werden zum Verbindungsaufbau betätigte Zifferntasten auf DTMF-Tonfolgen (Dual- Tone Multi-Frequency-Tonfolgen) abgebildet und vom Zusatzoszillator gesendet. Auf der Empfängerseite werden die empfan- genen DTMF-Tonfolgen dekodiert und bei Übereinstimmung mit der Rufnummer des Empfängers eine Verbindung nach einem der oben beschriebenen Verfahren zur Sprachübertragung aufgebaut.

Claims

Patentansprüche :

1. Mobilstation mit einem Sender zum Senden von Daten an eine Basisstation und mit einem Empfänger zum Empfangen von Daten von der Basisstation, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Mobilstation einen weiteren Sender enthält, der Daten zu einem oder mehreren weiteren Mobilstationen senden kann und dass die Mobilstation wenigstens einen weiteren Empfän- ger enthält, der Daten von einer oder mehreren weiteren Mobilstationen empfangen kann.

2. Mobilstation nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Mobilsta- tion in mindestens zwei verschiedenen Betriebszuständen betreibbar ist.

3. Mobilstation nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Wechsel zwischen den verschiedenen Betriebszuständen über eine Benutzerschnittstelle steuerbar ist.

4. Mobilstation nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Benutzer- Schnittstelle einen Taster aufweist.

5. Mobilstation nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in einem der Betriebszustände eine Kommunikation zwischen der Mobilstation und der Ba- sisstation erfolgt.

6. Mobilstation nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t, dass in einem Betriebszustand eine Kommunikation zwischen der Mobilstation und einer oder mehreren anderen Mobilstationen erfolgt.

Mobilstation nach einem oder mehreren der vorangegange- nen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kommunikation zwischen der Mobilstation und der Basisstation in einem GSM-Netz erfolgt.

Mobilstation nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kommunikation zwischen der Mobilstation und der Basisstation in einem UMTS-Netz erfolgt.

Mobilstation nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kommunikation zwischen den Mobilstationen in einem ISM-Band erfolgt.

Mobilstation nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass sie wenigstens zwei voneinander verschiedene lokale Oszillatoren aufweist.

Oszillator für einen Einsatz in einer Mobilstation, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Oszillator zwei voneinander verschiedene lokale Oszillatoren aufweist, von denen ein erster lokaler Oszillator für eine Kommunikation in einem Frequenzbereich dient, der einem mit Basisstationen versehenen Mobilfunknetz entspricht und dass der zweite lokale Oszillator Schwingungen in einem weiteren Frequenzbereich erzeugt.