WO2004075437A1 - Verfahren zur signalübertragung in einem funk-kommunikationssystem - Google Patents

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WO2004075437A1
WO2004075437A1 PCT/EP2004/001707 EP2004001707W WO2004075437A1 WO 2004075437 A1 WO2004075437 A1 WO 2004075437A1 EP 2004001707 W EP2004001707 W EP 2004001707W WO 2004075437 A1 WO2004075437 A1 WO 2004075437A1
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stations
station
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frequency channels
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PCT/EP2004/001707
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Rüdiger Halfmann
Matthias Lott
Egon Schulz
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W74/00—Wireless channel access
    • H04W74/04—Scheduled access
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/24—Radio transmission systems, i.e. using radiation field for communication between two or more posts
    • H04B7/26—Radio transmission systems, i.e. using radiation field for communication between two or more posts at least one of which is mobile
    • H04B7/2615—Radio transmission systems, i.e. using radiation field for communication between two or more posts at least one of which is mobile using hybrid frequency-time division multiple access [FDMA-TDMA]
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W72/00—Local resource management
    • H04W72/20—Control channels or signalling for resource management

Definitions

  • the invention relates to a method for signal transmission in a radio communication system, in particular in a mobile radio system.
  • Radio systems will support very high data rates in order to be able to serve multimedia applications with the required quality of service.
  • a further increasing number of participants can also be expected, so that further frequency bands have to be developed for use by radio systems.
  • Various methods for resource allocation and multiplexing are used in radio systems.
  • various frequency channels are implemented using the FDM method (Frequency Division Multiplex).
  • FDM method Frequency Division Multiplex
  • a broad frequency spectrum is divided into many frequency channels separated in the frequency range, each with a narrow bandwidth, which results in a frequency channel grid defined by the spacing of the carrier frequencies. This advantageously allows several subscribers to be served simultaneously on different frequency channels and the resources to be better adapted to the individual needs of the subscribers.
  • a sufficient distance between the frequency channels ensures that Interference between the channels can be reduced and controlled.
  • the transmitters and receivers each have to coordinate and select an appropriate carrier frequency.
  • the corresponding resource i.e. of the radio channel
  • the resource is then reserved and the reservation may be communicated to other potential stations, so that these stations subsequently do not simultaneously access the resource and cause collisions.
  • the challenge here is to make the use of these frequencies as efficient as possible with little effort and, if possible, only one transmitter and receiver (transceiver) per terminal.
  • Wired LAN wireless local area network
  • IEEE 802.11 IEEE 802.11
  • a station cannot decide which frequency channel to suggest or to communicate with another station should select.
  • a station does not know when another station is ready to receive what frequency. A station could therefore generally not establish a connection to another station if the frequency channels were chosen arbitrarily by both.
  • a broadcast service on a frequency would only reach a portion of the stations that happen to be ready to receive on that frequency.
  • the frequencies are assigned by a central station, the base station (BS - base station), to the mobile stations (MS - mobile station) located in a radio cell of the base station.
  • GSM Global System for Mobile Communication
  • a central frequency channel per radio cell is used to transmit general information, which is used by the mobile stations to find out the frequency channel for the registration and request for resources. If a mobile station wishes to transmit data, it requests this from the base station on the frequency channel known to it. The base station then informs the mobile station of the corresponding carrier frequency on which it can communicate with the base station.
  • the allocation and management of the available resources is controlled centrally in a base station controller (BSC - Base Station Controller) and is signaled by the base station. lome.
  • BSC Base Station Controller
  • WLAN systems Wellness Local Area Network
  • HIPERLAN Type 2 the document ETSI / BRAN "Broadband Radio
  • BRAN BRAN
  • DLC Functional Specification Data Link Control
  • the cordless telephone standard DECT Digital Enhanced Cordless Telephone
  • DECT Digital Enhanced Cordless Telephone
  • the procedure for using the resources is called Dynamic Channel Selection (DCS).
  • DCS Dynamic Channel Selection
  • a base station exclusively controls the allocation of resources, the relaying of data packets is supported. For this purpose, the availability of the resources is checked and documented, similar to a distributed, decentralized system.
  • DECT specifies a frame with 24 time slots for each carrier frequency, with 12 time slots for the downlink (downlink) and 12 for the uplink (uplink) with fixed allocation in time division duplex (TDD) methods, see FIG. 1.
  • DECT is thus an FDMA / TDMA / TDD system in which 10 carrier frequencies can implement up to 120 communication channels (bearers).
  • a station measures various communication channels.
  • the received signal strength indicator (RSSI) obtained in this way is registered in a table. All channels with a lower than the lowest signal level (-93dBm) are classified as "quiet” and can be used for establishing a communication channel.
  • the upper limit which is classified as "busy”, defines the area occupied channels and is variable. Usually the upper limit is -33dBm. Channels with signal levels above this limit must not be used to set up a communication channel.
  • the maximum number of channels in a cell depends on the number of base station transceivers. If there is only one transceiver per base station, only one mobile station per time unit (time slot) can be operated. A free allocation of time slots for a direct communication between mobile stations parallel to the communication between a mobile station and base station is not specified. However, this "walkie-talkie" mode is supported by DECT. As soon as a mobile station with only one transceiver occupies a channel, the other frequency channels are marked in parallel to this time slot as so-called blind slots, see FIG. 1. Stations can be on these blind slots Neither transmit nor receive and carry out reception signal level measurements depending on how quickly the stations switch from transmission to reception and vice versa (transceiver
  • time slots before and after are also to be marked as blind slots.
  • the base station sends control information about the current occupied time slot periodically to all mobile stations. With this information, the mobile stations can measure the remaining unused time slots, which can be used as potential candidates for future communication between the base station and the mobile station. Due to the special role of the base station, the described methods implemented in the DECT system cannot be applied to the target system in which no central instance exists, but a simultaneous use of time slots on different frequencies is to be made possible.
  • the object of the invention is therefore to enable the most efficient use of several available frequency channels in a decentrally organized system. These tasks are solved by the features of patent claim 1. Further developments of the invention can be found in dependent patent claims.
  • FIG. 2 shows an exemplary frequency selection based on frequency patterns.
  • the allocation of resources in particular the use of different frequencies, be carried out using an FDMA method with periodically recurring control channels.
  • a station can use all frequency channels as desired during a first time interval and must change to a specific frequency during a second time interval.
  • the assigned control channel is used for a coordinated exchange of relevant control messages and protocol operations as well as the management of the available radio resources, for example in accordance with the so-called Radio Resource Management (RRM).
  • RRM Radio Resource Management
  • the proposed method defines so-called frequency patterns, frequency patterns, as are exemplified in FIG. 2. These frequency patterns consist of a so-called exchange phase on the coordination frequency fcoord and a so-called transmission phase on one or more arbitrary carrier frequencies fi, which follow one another in time.
  • a station receives and / or transmits at a defined frequency, the coordination frequency fcoord.
  • This frequency is known to the stations in a network. On this frequency, for example, a station announces reservation requests, sends out beacons for the network organization and / or can send broadcast calls with relevant or time-critical content to the neighboring stations.
  • a station can use any of the available frequencies
  • the phases of the frequency pattern are equidistant in the time domain.
  • a station selects the frequency pattern P1, it starts operating on the coordination frequency fcoord " in frame 1, and then changes to one or more arbitrary frequencies fi during two successive transmission phases or frames 2 and 3, and then in frame 4 and to switch back to the coordination frequency fcoord 1.
  • the phases correspond to a respective frame duration, which is 10 ms in the case of the UTRA TDD standard, for example
  • the frequency selection begins again.Stations which are based on the other exemplarily illustrated patterns P2 and P3 change at different times or frames to the coordination frequency fcoord, for example for P2 in the first 1 and third frame 3, and for P3 in the third 3 and fourth frames 4.
  • the invention it is also proposed to use exactly three frequency patterns. This ensures a maximum delay of four frames for any data exchange between stations, although the stations can freely select and use all frequencies. This means that any station arrives after four frames at the latest regardless of what frequency pattern it uses. This is of particular interest if quality of service is to be guaranteed in a radio network. In particular, this is the smallest number of frequency patterns that enables all frequencies to be used at any time.
  • a station can choose one of the patterns. Depending on how many stations have already selected a pattern or how much capacity is still available in the coordination phase, and which stations are to be used for communication, the corresponding pattern is selected. If all transmission resources in a group are assigned a corresponding frequency pattern, another frequency pattern will be selected, which may provide additional free resources that exist during the coordination phase of the previously selected pattern.
  • the invention also supports more than three frequency patterns with the same advantages described.
  • Transceiver of the stations. Since several frequencies have to be operated, the switchover times between the frequencies and the switchover times from transmission to reception and vice versa should be as short as possible. In addition, only one transceiver is required per station in order to be able to use all frequency channels simultaneously by the stations within the radio range.
  • a station only has to decode the time slots during the coordination phase, since it can only assume during this time that other stations are ready to receive and transmit Messages are registered. During this time, the allocation of resources and reservation requests can be announced, which advantageously simplifies the management of resources.
  • Another advantage results from an energy saving implicitly associated with the method according to the invention. Since a station must only be ready to receive during the coordination phase, it can switch to an energy-saving mode during the remaining time.
  • a comparable method for only one carrier frequency to save energy is described in Y.-C. Tseng, C.-S. Hsu, T.-Y. Hsieh. "Power-saving protocols for IEEE 802.11-based multi-hop ad hoc networks," in Proc. IEEE INFOCOM'02, New York, 23-27 June, 2002.
  • a time pattern is defined in it, which consists of two phases. During one phase the station is ready to receive, while in the other so-called sleep phase it switches off the receiver to save energy.
  • the method according to the invention is also accompanied by efficient use of the available frequency channels.
  • the procedure allows the use of all frequencies at any time. From a station's point of view, this free choice is only restricted during the coordination phases. However, since different patterns are available, stations with a corresponding pattern can transmit data at any frequency at any time.
  • the organization of the frames according to the invention realizes a virtual fragmentation of user groups that use different frequencies. For example, different groups of stations use different frequencies, though all stations are physically within the decoding range, the stations are separated as if they were not directly accessible. Although the stations are divided into smaller groups and then have more transmission capacity available, accessibility in the network is reduced.
  • the broadcast call is virtually fragmented, ie although all stations could be reached, only some of the stations receive. Multicast / broadcast messages must therefore be transmitted in several parts (fragments) until all stations have received the corresponding information.
  • a clear frequency pattern can be seen.
  • a certain frequency is used at recurring intervals for a certain duration.
  • Corresponding frequency patterns can be defined in the standard of the system in order to determine the common times for coordination. Alternatively, corresponding algorithms or generator polynomials for pattern generation can be defined in the system standard. To enable an exchange between stations with different frequency patterns, all participating stations will use this common frequency channel after a certain time. In order to limit the delays, this duration will be in the range of a MAC frame (MAC - Medium Access Control), for example.
  • MAC - Medium Access Control MAC - Medium Access Control
  • a feature according to the invention is, in particular, the introduction of an FDMA method for the efficient use of a large number of frequency channels at any time, without placing any particular demands on the radio hardware of the stations.
  • the method is preferably used in decentrally organized systems.
  • a station changes periodically between two phases that define a frequency pattern. In one phase, it sends and receives on a predetermined frequency, which is used to organize the radio medium. During the other phase, a station can choose any frequency channel. By introducing at least three frequency patterns, there is always the possibility of one Select any frequency channel, depending on the choice of one of the possible frequency patterns.

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  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

Verfahren zur Signalübertragung in einem Funk-Kommunikationssystem mit zumindest zwei Frequenzkanälen zur Signalübertragung, wobei zumindest ein erster (fcoord) der zumindest zwei Frequenzkanäle für eine Organisation von Funkressourcen, und zumindest ein zweiter (fi) der zumindest zwei Frequenzkanäle für eine Signalübertragung zwischen Stationen des Systems genutzt werden, bei dem die Signalübertragung von/zu Stationen auf den Frequenzkanälen gemäß einem vorgegebenen zeitlichen Muster (P1,P2,P3) erfolgt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Signalübertragung in einem Funk-Kommunikations- system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Signalübertragung in einem Funk-Kommunikationssystem, insbesondere in einem Mobilfunksystem.
Zukünftige Funksysteme werden sehr hohe Datenraten unterstützen, um multimediale Anwendungen mit einer erforderlichen Dienstgüte bedienen zu können. Es ist zudem eine weiter zunehmende Anzahl Teilnehmerzahl zu erwarten, so dass weitere Frequenzbänder für die Nutzung durch Funksysteme erschlossen werden müssen. Zur effizienten Nutzung dieser Frequenzbänder müssen Funksysteme jedoch über einen großen Frequenzbereich operieren.
In Funksystemen werden verschiedene Verfahren zur Ressourcen- aufteilung und zum Multiplexen verwendet. Neben dem Multiplexen im Zeitbereich (Time Division Multiplex, TDM) und Codebereich (Code Division Multiplex, CDM) werden verschiedene Frequenzkanäle durch das FDM-Verfahren (Frequency Division Multiplex) realisiert. Bei dem FDM-Verfahren wird ein breites Frequenzspektrum in viele, im Frequenzbereich getrennte Frequenzkanäle mit jeweils schmaler Bandbreite aufgeteilt, wodurch ein durch die Abstände der Trägerfrequenzen definiertes Frequenzkanalraster entsteht. Vorteilhaft können hierdurch gleichzeitig mehrere Teilnehmer auf unterschiedlichen Fre- quenzkanälen bedient und die Ressourcen besser individuellen Bedürfnisse der Teilnehmer angepasst werden. Ein ausreichender Abstand zwischen den Frequenzkanälen stellt sicher, dass Störungen zwischen den Kanälen verringert und kontrolliert werden können.
Für die Nutzung der sch albandigen Frequenzkanäle durch ein entsprechendes, FDMA (Frequency Division Multiple Access) genanntes Zugriffsverfahren müssen die Sender und Empfänger koordiniert jeweils eine entsprechende Trägerfrequenz auswählen. Vor einer Nutzung der entsprechenden Ressource, d.h. des Funkkanals, muss weiterhin überprüft werden, ob die gewählte Ressource nicht bereits von anderen Stationen genutzt wird. Anschließend wird die Ressource reserviert und die Reservierung gegebenenfalls anderen potenziellen Stationen mitgeteilt, so dass diese Stationen im folgenden nicht zeitgleich auf die Ressource zugreifen und Kollisionen verursachen. Da- bei besteht die Herausforderung, mit wenig Aufwand und möglichst nur einem Sender und Empfänger (Transceiver) je Endgerät die Nutzung dieser Frequenzen möglichst effizient zu gestalten. Hinzu kommt gegebenenfalls die Randbedingung, dass alle Stationen gleichberechtigt sind, d.h. keine Station Kon- trollfunktionen über mehrere Stationen zur Vergabe der Frequenzkanäle übernimmt. Insbesondere in selbstorganisierenden Netzen und Netzen ohne Infrastruktur, so genannten Ad-hoc- Netzen, existieren häufig gleichberechtigte Stationen, die gleiche Algorithmen und Protokolle durchführen. Ein bekanntes Beispiel für derartige Netze ist das drahtlose lokale Netz (Wireless LAN) nach dem Standard IEEE 802.11.
Sind in solchen Netzen die Stationen nicht über die Nutzung der Frequenzkanäle weiterer Stationen informiert, da entspre- chende Informationen nicht durch eine zentrale Station gesammelt und verteilt werden, so kann eine Station nicht entscheiden, welchen Frequenzkanal sie für eine Kommunikation mit einer anderen Station vorschlagen bzw. auswählen soll. Zudem weiß eine Station nicht, wann eine andere Station auf welcher Frequenz empfangsbereit ist. Eine Station könnte somit in der Regel keine Verbindung mit einer weiteren Station aufbauen, wenn die Frequenzkanäle von beiden beliebig gewählt würden. Außerdem würde ein Verteildienst (Broadcast) auf einer Frequenz nur einen Teil der Stationen erreichen, die zufällig auf dieser Frequenz empfangsbereit sind.
Es ist daher erforderlich, die Nutzung dieser orthogonalen Ressourcen zu koordinieren. Falls zu diesem Zweck eine bestimmte Frequenz zu fest vorgegebenen Zeiten genutzt werden soll, d.h. alle Stationen sind auf dieser Frequenz empfangsbereit, dann können die parallel dazu vorhandenen Frequenzen nicht genutzt werden. Diese Ressourcen wären dann ungenutzt und nicht verfügbar für diese Stationen.
In bestehenden zellularen Mobilfunksystemen werden die Frequenzen durch eine zentrale Station, die Basisstation (BS - Base Station) , den in einer Funkzelle der Basisstation be- findlichen Mobilstationen (MS - Mobile Station) zugewiesen. Im GSM (Global System for Mobile Commuication) wird beispielsweise ein zentraler Frequenzkanal je Funkzelle zur Aussendung von allgemeinen Informationen verwendet, der von den Mobilstationen dazu genutzt wird, den Frequenzkanal für die Anmeldung und Anforderung von Ressourcen zu erfahren. Möchte eine Mobilstation Daten übertragen, so fordert sie diese auf dem ihr bekannten Frequenzkanal bei der Basisstation an. Die Basisstation teilt daraufhin der Mobilstation die entsprechende Trägerfrequenz mit, auf der sie mit der Basisstation kommunizieren kann. Die Zuweisung und das Management der zur Verfügung stehenden Ressourcen wird zentral in einer der Basisstation übergeordneten Basisstationssteuerung (BSC - Base Station Controller) gesteuert und von der Basisstation signa- lisiert. Gleiches gilt für Systeme der dritten Generation UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) , die ebenfalls nach dem zentralen Ansatz mit Hilfe einer Basisstation die Zuordnung von Frequenzen signalisieren.
Aufgrund der zentralen Steuerung kann dieser Ansatz nicht in einem dezentral organisierten System ohne zentrale Instanz angewendet werden. Andere Systeme, wie z.B. WLAN-Systeme (Wi- reless Local Area Network) nach dem Standard HIPERLAN Typ 2, beispielsweise aus dem Dokument ETSI/BRAN "Broadband Radio
Access Networks (BRAN) ; HIPERLAN Type 2 Functional Specifica- tion Data Link Control (DLC) Layer Part 4 - Extension tor Home Environments., Draft DTR/BRAN-0020004-4, ETSI, Sophia Antipolis, France, April 2000, bekannt, oder nach dem Stan- dard IEEE 802.11 verwenden für die Kommunikation nur eine Trägerfrequenz. Der Wechsel auf eine andere Frequenz dient dazu, Störungen auszuweichen. Wird eine neue, nutzbare Trägerfrequenz gefunden, so senden und empfangen alle Stationen auf dieser Frequenz. In HIPERLAN/2 ist dieses Verfahren unter dem Begriff Dynamic Frequency Selection (DFS) bekannt. Eine gleichzeitige bedarfsabhängige Nutzung mehrerer Frequenzen durch beliebige Stationen zur Erhöhung der möglichen Gesamtkapazität des System bzw. einer individuellen Verbindung ist jedoch nicht vorgesehen. Die maximale Datenrate ist somit auf einen Frequenzkanal begrenzt.
Ähnlich dem DFS-Verfahren nach dem HIPERLAN/2 Standard wird in dem Dokument R. Sakata, K. Naka, H. Murata, S. Yoshida, Performance Evaluation of Autonomous Decentralized Vehicle- grouping Protocol tor Vehicle-to-vehicle Communications, in Prov. IEEE VTC, Boston, MA ,Sep. 24-28, 2000, pp.153-157, ein System vorgeschlagen, in dem Fahrzeuge Gruppen formen, die unterschiedliche Frequenzen nutzen. Benachbarte Fahrzeuge teilen sich dabei dieselbe Trägerfrequenz. Durch Messung der aktiven Frequenzkanäle ist es möglich, gleichzeitig in mehreren Gruppen zu partizipieren und Gruppen zu wechseln, um die sich ändernden Netztopologien zu berücksichtigen. Dabei wird davon ausgegangen, dass in der Regel nur eine Frequenz für den Datenaustausch genutzt wird, während auf den anderen Frequenzen nur empfangen wird, um die Belegung und einen möglichen Frequenzwechsel vorzubereiten. Damit gleichzeitig auf anderen Frequenzen empfangen werden kann, wird vorgeschlagen, zwei Transceiver zu verwenden, einen für den Datenaustausch, und den zweiten für die Messung anderer, potentieller Frequenzen. Eine Nutzung mehrerer, verfügbarer Frequenzen für die Kommunikation mit benachbarten Stationen für den Datenaustausch wird jedoch auch hierin nicht beschrieben.
In dem Schnurlos-Telefon-Standard DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone) ist eine flexible Nutzung der Ressourcen inklusive verschiedener Frequenzkanäle spezifiziert. Das Verfahren zur Nutzung der Ressourcen wird Dynamic Channel Selec- tion (DCS) genannt. Obwohl in dem System in dem so genannten "Basic Mode" eine Basisstation exklusiv die Ressourcenvergabe steuert, wird die Weiterleitung (engl. Relaying) von Datenpaketen unterstützt. Dazu wird ähnlich wie in einem verteilten, dezentralen System die Verfügbarkeit der Ressourcen geprüft und belegt.
DECT spezifiziert für jede Trägerfrequenz einen Rahmen mit 24 Zeitschlitzen, wobei 12 Zeitschlitze für die Abwärtsstrecke (Downlink) und 12 für die Aufwärtsstrecke (Uplink) mit fester Zuordnung in Zeitgetrenntlagenverfahren (Time Divsion Duplex, TDD) vorgesehen sind, siehe hierzu FIG 1. DECT ist somit ein FDMA/TDMA/TDD System, bei dem 10 Trägerfrequenzen bis zu 120 Kommunikationskanäle (Bearer) realisieren können. Vor einem Verbindungsaufbau misst eine Station verschiedene Kommunikationskanäle. Die so gewonnenen E p- fangspegel (Received Signal Strength Indicator, RSSI) werden in einer Tabelle registriert. Alle Kanäle mit einem kleineren als dem niedrigsten Signalpegel (-93dBm) werden als „ruhig" (quiet) klassifiziert und können für einen Aufbau eines Kommunikationskanals verwendet werden. Die obere Grenze, die als „belegt" (busy) klassifizier wird, definiert den Bereich belegter Kanäle und ist variabel. In der Regel liegt die obere Grenze bei -33dBm. Kanäle mit Signalpegeln oberhalb dieser Grenze dürfen nicht für einen Aufbau eines Kommunikationska- nals genutzt werden.
Die maximale Anzahl Kanäle in einer Zelle hängt von der Anzahl der Transceiver der Basisstation ab. Wenn nur ein Trans- ceiver je Basisstation vorhanden ist, kann nur eine Mobilstation je Zeiteinheit (Zeitschlitz) bedient werden. Eine freie Zuordnung von Zeitschlitzen für eine direkte Kommunikation zwischen Mobilstationen parallel zu der Kommunikation zwischen einer Mobilstation und Basisstation ist nicht näher spezifiziert. Dieser „Walkie-Talkie"-Mode wird aber von DECT unterstützt. Sobald eine Mobilstation mit nur einem Transcei- ver einen Kanal belegt, werden die übrigen Frequenzkanäle parallel zu diesem Zeitschlitz als so genannte Blindslots markiert, siehe FIG 1. Stationen können auf diesen Blindslots weder übertragen noch empfangen und Empfangssignalpegelm.es- sungen durchführen. Je nachdem, wie schnell die Stationen vom Senden zum Empfangen und umgekehrt umschalten (Transceiver
Turn-Around) können, sind zudem Zeitschlitze davor und danach ebenfalls als Blindslots zu markieren. Die Basisstation sendet Steuerinformationen über die aktuellen belegten Zeit- schlitze periodisch an alle Mobilstationen. Mit dieser Information können die Mobilstationen die übrigen nicht belegten Zeitschlitze messen, die als potenzielle Kandidaten für eine zukünftige Kommunikation zwischen Basisstation und Mobilsta- tion genutzt werden können. Aufgrund der besonderen Rolle der Basisstation sind die beschriebenen, in dem DECT-System realisierten Verfahren nicht anwendbar auf das Zielsystem, in dem keine zentrale Instanz existiert, jedoch eine gleichzeitige Nutzung- von Zeitschlitzen auf verschiedenen Frequenzen ermöglicht werden soll.
Aufgabe der Erfindung ist somit, in einem dezentral organisierten System eine möglichst effiziente Nutzung mehrerer zur Verfügung stehender Frequenzkanäle zu ermöglichen. Diese Auf- gäbe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind abhängigen Patentansprüchen entnehmbar.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei- spiels näher erläutert. Es zeigen dabei
FIG 1 eine zeitliche Struktur eines bekannten DECT- Zeitrahmens (Frame) , und
FIG 2 eine beispielhafte Frequenzauswahl auf Basis von Frequenzmustern (frequency pattern) .
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Ressourcenvergabe, insbesondere die Nutzung unterschiedlicher Frequenzen, durch ein FDMA-Verfahren mit periodisch wiederkehrenden Kontrollka- nälen zu verwirklichen. Dabei kann eine Station während eines ersten Zeitintervalls alle Frequenzkanäle beliebig nutzen, und muss während eines zweiten Zeitintervalls zu einer bestimmten Frequenz wechseln. Ein dieser bestimmten Frequenz zugeordnete Steuerkanal dient einem koordinierten Austausch relevanter Steuernachrichten und Protokolloperationen sowie der Verwaltung der zur Verfügung stehenden Radioressourcen, beispielsweise gemäß dem bekannten so genannten Radio Re- source Management (RRM) .
Das vorgeschlagene Verfahren definiert so genannte Frequenzmuster Frequency Pattern, wie sie beispielhaft in der FIG 2 angegeben sind. Diese Frequenzmuster bestehen aus einer so genannten Austauschphase (Exchange Phase) auf der Koordinationsfrequenz fcoord und einer so genannten Übertragungsphase (Transmission Phase) auf einer oder mehreren beliebigen Trägerfrequenzen fi, die zeitlich aufeinander folgen.
Während der Austauschphase empfängt und/oder überträgt eine Station auf einer fest definierten Frequenz, der Koordinationsfrequenz fcoord. Diese Frequenz ist den Stationen eines Netzes bekannt. Auf dieser Frequenz kündigt beispielsweise eine Station Reservierungswünsche an, sendet so genannte Bea- con für die Netzorganisation aus und/oder kann Rundsenderufe (Broadcast) mit relevanten oder zeitkritischen Inhalten zu den Nachbarstationen absetzen.
In der verbleibenden Zeit, der Übertragungsphase, kann eine Station eine beliebige der verfügbaren Frequenzen nutzen
(Free usage of all frequencies) , und uss lediglich die eigenen zeitlich gewählten Frequenzkanäle für die Übertragung mit anderen Stationen berücksichtigen bzw. koordinieren. Weiterhin kann diese Phase dazu genutzt werden, Frequenzkanäle für eine gegebenenfalls spätere Nutzung zu messen.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Phasen des Frequenzmusters äquidistant im Zeitbereich. Es bestehen dabei mindestens drei Frequenzmuster mit wechselnden Phasen und unterschiedlichen Sequenzen der Austauschphase und Übertragungsphase, wie es in FIG 2 dargestellt ist.
Wählt z.B. eine Station das Frequenzmuster Pl, so beginnt sie mit dem Betrieb auf der Koordinationsfrequenz fcoord" in dem Rahmen 1, und wechselt dann während zwei aufeinanderfolgender Ubertragungsphasen bzw. Rahmen 2 und 3 auf eine oder mehrere beliebige Frequenzen fi, um anschließend in Rahmen 4 und 1 wieder zurück zur Koordinationsfrequenz fcoord zu wechseln. Für eine Integration des erfindungsgemäßen Verfahrens in existierende Systeme entsprechen die Phasen einer jeweiligen Rahmendauer, die z.B. im Fall des UTRA TDD Standards 10ms beträgt. Nach vier Rahmen 1 bis 4 wiederholt sich das Muster und die Prozedur der Frequenzwahl beginnt von neuem. Stationen, die sich nach den anderen beispielhaft dargestellten Mustern P2 und P3 richten, wechseln zu anderen Zeiten bzw. Rahmen zu der Koordinationsfrequenz fcoord, z.B. für P2 im ersten 1 und dritten Rahmen 3, und für P3 im dritten 3 und vierten Rahmen 4. Bei einer derartigen Konfiguration existieren gemeinsame Zeiten bzw. Rahmen, in denen Stationen mit unterschiedlichen Frequenzmustern die Koordinationsfrequenz fcoord gemeinsam nutzen, z.B. Rahmen 1 für die Muster Pl und P2 (Coordination on co mon frequency) . Es wird damit sicher- gestellt, dass zwei Frequenzmuster immer eine gemeinsame Phase innerhalb vier aufeinanderfolgender Phasen haben.
Erfindungsgemäß wird ferner vorgeschlagen, genau drei Frequenzmuster zu verwenden. Hierdurch wird eine maximale Verzö- gerung von vier Rahmen für einen beliebigen Datenaustausch zwischen Stationen sichergestellt, obwohl die Stationen alle Frequenzen frei wählen und nutzen können. Dies bedeutet, dass nach spätestens vier Rahmen eine beliebige Station erreicht werden kann, unabhängig davon, welches Frequenzmuster sie nutzt. Dies ist dann von besonderem Interesse, wenn Dienstgüte in einem Funknetz garantiert werden soll. Insbesondere ist dies die kleinste Anzahl von Frequenzmustern, die zu je- der Zeit eine Nutzung aller Frequenzen ermöglicht. Eine Station kann eines der Muster wählen. Je nachdem, wie viele Stationen ein Muster bereits gewählt haben bzw. wie viel Kapazität in der Koordinationsphase noch verfügbar ist, und mit welchen Stationen eine Kommunikation angestrebt wird, wird das entsprechende Muster ausgewählt. Sind alle Übertragungsressourcen in einer Gruppe mit entsprechendem Frequenzmuster belegt, wird ein anderes Frequenzmuster gewählt werden, welches unter Umständen weitere freie Ressourcen bereitstellt, die während der Koordinationsphase des vorher gewählten -Mus- ters existieren. Selbstverständlich unterstützt die Erfindung auch mehr als drei Frequenzmuster mit den gleichen beschriebenen Vorteilen.
Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens sind zum einen ge- ringe Komplexitätsanforderungen an Sender und Empfänger
(Transceiver) der Stationen. Da mehrere Frequenzen bedient werden müssen, sollten jedoch die Umschaltzeiten zwischen den Frequenzen sowie die Umschaltzeiten von Senden zum Empfangen und umgekehrt möglichst kurz sein. Außerdem wird nur ein Transceiver je Station benötigt, um alle Frequenzkanäle gleichzeitig durch die Stationen innerhalb der Funkreichweite nutzen zu können.
Des weiteren ergeben sich Vorteile aufgrund eines geringen Aufwands beim Decodieren und Ressourcenmanagement. Eine Station muss nur während der Koordinationsphase die Zeitschlitze decodieren, da sie nur während dieser Zeit annehmen kann, dass andere Stationen empfangsbereit sind und ausgesendete Nachrichten registriert werden. Damit können während dieser Zeit die Belegung der Ressourcen sowie Reservierungswünsche bekannt gegeben werden, wodurch die Verwaltung der Ressourcen vorteilhaft erleichtert wird.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch eine implizit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbundene Energieeinsparung. Da eine Station nur während der Koordinationsphase empfangsbereit sein uss, kann sie während der verbleibenden Zeit in einen Energiesparmodus wechseln. Ein vergleichbares Verfahren für nur eine Trägerfrequenz zur Einsparung von Energie wird in Y.-C. Tseng, C.-S. Hsu, T.-Y. Hsieh. "Power-saving proto- cols far IEEE 802.11-based multi-hop ad hoc networks," in Proc. IEEE INFOCOM'02, New York, 23.-27. June, 2002, be- schrieben. Darin wird ein Zeitmuster definiert, welches aus zwei Phasen besteht. Während der einen Phase ist die Station in Empfangsbereitschaft, während sie in der anderen so genannten Schlafphase den Empfänger ausschaltet, um Energie zu sparen.
Einher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geht außerdem eine effiziente Nutzung der zur Verfügung stehenden Frequenzkanäle. Das Verfahren erlaubt die Nutzung aller Frequenzen zu jeder Zeit. Aus Sicht einer Station ist diese freie Wahl le- diglich während der Koordinationsphasen eingeschränkt. Da aber verschiedene Muster zur Verfügung stehen, können zu jeder Zeit Stationen mit einem entsprechenden Muster auf beliebigen Frequenzen Daten übertragen.
Die erfindungsgemäße Organisation der Rahmen verwirklicht eine virtuelle Fragmentierung von Nutzergruppen, die unterschiedliche Frequenzen nutzen. Verwenden z.B. verschiedene Gruppen von Stationen unterschiedliche Frequenzen, obwohl alle Stationen sich physikalisch innerhalb der Decodierreich- weite befinden, werden die Stationen so getrennt, als wären sie nicht direkt erreichbar. Zwar werden die Stationen in kleinere Gruppen aufgeteilt und haben dann mehr Übertragungs- kapazität zur Verfügung, jedoch verringert sich die Erreichbarkeit im Netz. Außerdem wird der Rundsenderuf virtuell fragmentiert, d.h. obwohl alle Stationen erreichbar wären, empfängt nur ein Teil der Stationen. Damit muss Multi- cast/Broadcast-Nachrichten in mehreren Teilen (Fragmenten) übertragen werden, bis alle Stationen die entsprechende Information erhalten haben.
Da ein Broadcast möglichst viele Teilnehmer erreichen soll, würde eine Fragmentierung in verschiedene Gruppen, die konti- nuierlich unterschiedliche Frequenzen nutzen, dieser Zielsetzung entgegenwirken. Eine Kommunikation mit den Teilnehmern einer anderen Gruppe, die ständig einen bestimmten Frequenzkanal nutzt, kann dann nur durch Frequenzwechsel und unter Umständen zusätzlich nur durch aufwendige Weiterleitungsver- fahren realisiert werden. Die Komplexität wäre damit vergleichbar, dass sich einige Stationen außerhalb der Funkreichweite von anderen Stationen aufhalten, d.h. es wäre vergleichbar mit einem teilvermaschten Netz. Damit müssen jedoch auch die Herausforderungen eines solchen Netzes bewerkstel- ligt werden, wie z.B. Multihop-Übertragung. Weiterhin muss mindestens eine Station jeder Gruppe zwei Gruppen angehören, um eine Kommunikation zwischen Gruppen zu realisieren. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein koordiniertes Vorgehen definiert, bei dem alle Stationen ohne den Wechsel einer Gruppe bzw. eines zugehörigen, neuartigen Frequenzmusters miteinander kommunizieren können. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein eindeutiges Frequenzmuster zu erkennen. In wiederkehrenden Abständen wird eine bestimmte Frequenz während einer bestimmten Dauer genutzt. Entsprechende Frequenzmuster können im Stan- dard des Systems festgelegt werden, um die gemeinsamen Zeiten zur Koordination zu determinieren. Alternativ können entsprechende Algorithmen oder Generatorpolynome zur Mustergenerie- rung im System-Standard definiert werden. Damit ein Austausch zwischen Stationen mit unterschiedlichen Frequenzmustern er- möglicht wird, werden alle partizipierenden Stationen diesen gemeinsamen Frequenzkanal nach einer bestimmten Zeit nutzen. Um die Verzögerungen zu begrenzen, wird diese Dauer beispielsweise im Bereich eines MAC-Rahmens (MAC - Medium Access Control) liegen. Weiterhin werden während dieser Phasen, in denen eine bestimmte Frequenz benutzt wird, Informationen zur Organisation des Funkmediums ausgetauscht bzw. signalisiert, welche Frequenzen belegt sind (Zustandsinformationen) und welche Frequenzkanäle zukünftig belegt werden sollen (Reservierungswünsche) .
Ein erfindungsgemäßes Merkmal liegt insbesondere in der Einführung eines FDMA-Verfahrens zur effizienten Nutzung einer Vielzahl von Frequenzkanälen zu jeder Zeit, ohne besondere Anforderungen an die Funkhardware der Stationen zu stellen. Vorzugsweise wird das Verfahren in dezentral organisierten Systemen eingesetzt. Eine Station wechselt dabei periodisch zwischen zwei Phasen, die ein Frequenzmuster definieren. In einer Phase sendet und empfängt sie auf einer vorgegebenen Frequenz, die zur Organisation des Funkmediums genutzt wird. Während der anderen Phase kann eine Station einen beliebigen Frequenzkanal wählen. Durch Einführung von mindestens drei Frequenzmustem existiert zu jeder Zeit die Möglichkeit einen beliebigen Frequenzkanal auszuwählen, je nach Wahl eines der möglichen Frequenzmuster.
Zur Vermeidung von Reservierungskonflikten, und damit ausrei- chend Ressourcen zur Verfügung stehen, werden für die Kommunikation zwischen Stationen einer Gruppe zunächst alle Übertragungsressourcen während der Zeiten genutzt, die exklusiv nur von dieser Gruppe genutzt werden können. Diese Zeiten treten auf, wenn gemäß dem Beispiel der FIG 2 zwei andere Gruppen gerade über die Koordinationsfrequenz Daten austauschen. Möglichst nur für eine Kommunikation zwischen zwei Gruppen wird die Phase verwendet, während der alle Stationen die Frequenzen frei nutzen dürfen. Zudem kann die gemeinsame Koordinationsphase zum Datenaustausch zwischen zwei Gruppen genutzt werden. Für Multicast und Broadcast wird die Phase genutzt, während der alle Stationen auf den Frequenzen übertragen dürfen. Das Verfahren ist in gleicher Weise auch für zentral organisierte Systeme anwendbar. Der Vorteil besteht dann darin, dass die zentrale Instanz lediglich die gleiche Komplexität aufweisen muss wie die übrigen Stationen. So könnte die zentrale Rolle, wie z.B. bei HIPERLAN/2 oder Bluetooth, jeder Station dynamisch übertragen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Signalübertragung in einem Funk-Kommunikati- onssystem mit zumindest zwei Frequenzkanälen zur Signalüber- tragung, wobei zumindest ein erster (fcoord) der zumindest zwei Frequenzkanäle für eine Organisation von Funkressourcen, und zumindest ein zweiter (fi) der zumindest zwei Frequenzkanäle für eine Signalübertragung zwischen Stationen des Systems genutzt werden, bei dem die Signalübertragung von/zu Stationen auf den Frequenzkanälen gemäß einem vorgegebenen zeitlichen Muster (P1,P2,P3) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem
Stationen stationsindividuelle Muster (P1,P2,P3) zur Nutzung der Frequenzkanäle (fcoord, fi) zugeordnet werden.
3. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem auf dem zumindest einen ersten Frequenzkanal (fcoord) Steuernachrichten, Informationen bezüglich Protokolloperationen und/oder Verwaltung von Funkressourcen übertragen werden.
4. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Funk-Kommuni ationsSystem ein dezentral organisiertes System ist.
5. Station eines Funk-Kommunikationssystem, mit Mitteln zum Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 1.
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