Technisches Umfeld
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb
eines Funkkommunikationssystems mit einem Random Access Channel (Direktzugriffskanal).
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein derartiges System und auf
primäre und sekundäre Stationen zur Verwendung in einem derartigen System.
Obwohl die vorliegende Spezifikation ein System unter besonderer Bezugnahme auf
das aufkommende Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) beschreibt, versteht
es sich, dass derartige Verfahren gleichermaßen für die Verwendung in
anderen Mobilfunksystemen geeignet sind.
Hintergrund zum Stand der Technik
Ein Random Access Channel ist eine normale Komponente eines Funkkommunikationssystems,
die es einer Mobilstation (MS) ermöglicht, kurze Nachrichten an eine Basisstation
(BS) zu senden. Zu den Anwendungen gehören das Signalisieren an die BS, wenn
die MS eingeschaltet wird, das Senden eines Datenpakets an die BS, wenn die MS nicht
an einem Gespräch beteiligt ist, und das Auffordern der BS, eine Ressource
zur Verwendung durch die MS zuzuordnen.
Es wurde eine Vielzahl von Verfahren für die Implementierung
eines Random Access Channel vorgeschlagen. Ein Beispiel für die Anwendung im
UMTS (in einem Breitband-CDMA-FDD-Modus (Code Division Multiple Access Frequency
Division Duplex)) ist in 2 dargestellt. Eine MS greift
auf einen Uplink-Kanal zu, indem sie eine Präambel (P) 102 gefolgt
von einem Nachrichtenpaket (MSG) 104 sendet. Eine BS kann mit der Verarbeitung
des Nachrichtenpakets 104 beginnen, wenn sie die Präambel
102 erhalten hat. Nachdem die BS die Nachricht 104 erhalten hat,
sendet sie eine Quittierung (ACK) 106 auf einem Downlink-Kanal, um der
MS mitzuteilen, dass die Nachricht 104 empfangen und korrekt decodiert
wurde. Typischerweise könnte die Präambel 102 1 ms dauern, gefolgt
von einem Zeitintervall von 0,25 ms und dann von einer 10-ms-Nachricht
104.
Ein Problem bei diesem Verfahren besteht im Fehlen jeglicher Leistungsregelung.
Idealerweise sollte die Sendeleistung der MS so gewählt werden, dass die Präambel
102 und die Nachricht 104 von der BS mit dem Leistungspegel empfangen
werden, der für eine korrekte Decodierung der Nachricht 104 erforderlich
ist. Wenn die MS mit einem zu hohen Leistungspegel sendet, kann ihr Signal andere
bei der BS empfangene Signale verdrängen, und wenn sie mit einem zu geringen
Leistungspegel sendet, wird ihr Signal eventuell überhaupt nicht von der BS
empfangen.
Hier bestimmt die MS die Leistung, mit der gesendet wird, indem sie
die von der BS über den Downlink-Kanal empfangene Leistung misst und anhand
dieser Messung den Pfadverlust im Uplink-Kanal schätzt. Ein derartiges Verfahren
ist jedoch nicht sehr zuverlässig. Zwei Probleme sind, dass die erforderliche
Empfangsleistung bei der BS nicht konstant ist, sondern sich mit den Funkkanalbedingungen
und der Geschwindigkeit der MS verändert, und dass Uplink- und Downlink-Kanal
nicht unbedingt reziprok sind.
Wenn die Nachricht 104 nicht korrekt von der BS empfangen
wird, wird keine Quittierung 106 übertragen. Die MS schließt
aus dem Fehlen einer Quittierung 106, dass ihr Zugriffsversuch fehlgeschlagen
ist, und wiederholt den Versuch nachdem Ablauf einer Wartezeit. Dieses Modell hat
den Nachteil, dass eventuell mehrere erneute Übertragungen benötigt werden,
wodurch es zu erheblichen Verzögerungen kommen kann.
Ein verbessertes Modell ist in 3 dargestellt.
Die MS überträgt erst eine Präambel 102 auf einem reduzierten
Leistungspegel. Wenn die BS die Präambel korrekt empfängt und decodiert,
sendet sie eine Präambel-Quittierung (A) 204. In dem in
3 dargestellten Beispiel wird nach der Übertragung
der ersten Präambel keine Quittierung in dem hierfür vorgesehenen Schlitz
202 zurückgesendet (der typischerweise eine Länge von 1 ms haben
könnte). Die MS sendet daher eine weitere Präambel 102 auf einem
höheren Leistungspegel. Wieder wird im Schlitz 202 keine Quittierung
empfangen, so dass die MS eine weitere Präambel 102 auf einem noch
höheren Leistungspegel sendet. Diese wird von der BS empfangen und decodiert,
die eine Quittierung 204 sendet. Nachdem die MS diese Quittierung empfangen
hat, ist sie in der Lage, die Nachricht 104 zu senden.
Dieses verbesserte Modell liefert jedoch noch immer keinen geschlossenen
Leistungsregelkreis für die Nachricht 104, was bedeutet, dass ein
höherer Eb/No-Wert (Energie pro Bit/Rauschdichte) erforderlich ist als bei
normalen Datenübertragungen. Somit benötigt die MS im Durchschnitt mehr
Sendeleistung und erzeugt mehr Interferenzen als üblich, und es wird eventuell
System-Uplink-Kapazität vergeudet.
In der internationalen Patentanmeldung WO 97/46041 wird ein Verfahren
zum Aufbau einer Verbindung in einem CDMA-Funksystem mit einer oder mehreren Basisstationen
und Teilnehmer-Endgeräten beschrieben, das eine Leistungsregelung enthält.
Gemäß diesem Verfahren umfasst ein von einem Teilnehmer-Endgerät
übertragenes Direktzugriffssignal eine Präambel. Wenn eine Basisstation
die Präambel empfängt, startet sie den geschlossenen
Leistungsregelkreis des Teilnehmer-Endgeräts. Anschließend sendet das
Teilnehmer-Endgerät einen Identifizierer. Bis der Identifizierer von der Basisstation
empfangen wird, kann die Basisstation die Leistungsregelungssignale nicht an ein
spezifisches Teilnehmer-Endgerät richten.
In der britischen Patentanmeldung GB
2324 441 A wird ein Leistungsregelungsverfahren für Funktelefone beschrieben.
Es wird die Signalisierung zwischen einer Mobilstation und einer Basisstation für
den Aufbau eines Gesprächs beschrieben, jedoch liefert die Beschreibung keine
Lösung für die Adressierung der Signale an eine bzw. von einer bestimmten
Mobilstation.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen geschlossenen
Leistungsregelkreis für einen Random Access Channel zu schaffen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird
eine Basisstation zur Verwendung in einem Funkkommunikationssystem mit einem Random
Access Channel für die Übertragung von Nachrichten von einer Mobilstation
an die Basisstation geschaffen, wobei die Basisstation Folgendes umfasst: Mittel
zum Empfangen einer mit einer Signatur codierten Präambel, die von der Mobilstation
auf dem Random Access Channel übertragen wurde; Mittel zum Bestimmen der Leistung
einer von der Mobilstation empfangenen Übertragung; Mittel, um nach dem erfolgreichen
Empfang der Präambel ein Steuersignal zu übertragen, das Leistungsregelungsinformationen
für die Mobilstation enthält, um die Ausgangsleistung ihres Senders zu
verändern, gekennzeichnet durch Mittel zum Auswählen eines Kanalisierungscodes
für den das Steuersignal transportierenden Kanal, wobei der Kanalisierungscode
für die Signatur der Präambel spezifisch ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird
eine Mobilstation zur Verwendung in einem Funkkommunikationssystem mit einem Random
Access Channel für die Übertragung von Nachrichten an eine Basisstation
geschaffen, wobei die Mobilstation Folgendes umfasst: Mittel zum Übertragen
einer mit einer Signatur codierten Präambel auf dem Random Access Channel;
Mittel zum anschließenden Übertragen der Nachricht, und Mittel zum Justieren
der Ausgangsleistung ihres Senders in Reaktion auf den Empfang eines durch die Basisstation
gesendeten Steuersignals, gekennzeichnet durch Mittel zum Decodieren des Steuersignals
unter Verwendung eines für die Signatur der Präambel spezifischen Kanalisierungscodes.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird
ein Verfahren zum Betrieb einer Basisstation in einem Funkkommunikationssystem mit
einem Random Access Channel für die Übertragung von Nachrichten von einer
Mobilstation an die Basisstation geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Empfangen einer mit einer Signatur codierten Präambel, die von der Mobilstation
auf dem Random Access Channel übertragen wurde; Bestimmen der Leistung einer
von der Mobilstation empfangenen Übertragung; nach dem erfolgreichen Empfang
der Präambel Übertragen eines Steuersignals mit Leistungsregelungsinformationen
für die Mobilstation, um die Ausgangsleistung ihres Senders zu verändern,
gekennzeichnet durch das Auswählen eines Kanalisierungscodes für den das
Steuersignal transportierenden Kanal, wobei der Kanalisierungscode für die
Signatur der Präambel spezifisch ist.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird
ein Verfahren zum Betrieb einer Mobilstation in einem Funkkommunikationssystem mit
einem Random Access Channel für die Übertragung von Nachrichten an eine
Basisstation geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Übertragen
einer mit einer Signatur codierten Präambel auf dem Random Access Channel;
anschließendes Übertragen der Nachricht; und Justieren der Ausgangsleistung
ihres Senders in Reaktion auf den Empfang eines durch die Basisstation gesendeten
Steuersignals, gekennzeichnet durch das Decodieren des Steuersignals unter Verwendung
eines für die Signatur der Präambel spezifischen Kanalisierungscodes.
Die Erfindung schafft auch ein Funkkommunikationssystem mit einer
Basisstation und einer Mobilstation gemäß dem ersten bzw. dem zweiten
Aspekt der Erfindung, und ein Verfahren zum Betrieb eines Funkkommunikationssystems
mit einer Basisstation und einer Mobilstation gemäß dem dritten bzw. dem
vierten Aspekt der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden
beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Funkkommunikationssystems
gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein grundlegendes Random-Access-Channel-Modell ohne
Leistungsregelung, wie oben beschrieben;
3 ein erweitertes Random-Access-Channel-Modell, mit
einer Erhöhung der Präambel-Leistung und schneller Quittierung, wie oben beschrieben;
4 ein grundlegendes Random-Access-Channel-Modell mit
Leistungsregelung gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 ein Random-Access-Channel-Modell mit Erhöhung
der Präambel-Leistung mit Leistungsregelung gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
6 ein Random-Access-Channel-Modell mit Erhöhung
der Präambel-Leistung mit Quittierung und Leistungsregelung gemäß
der vorliegenden Erfindung.
In den Zeichnungen sind übereinstimmende Merkmale mit den gleichen
Bezugszeichen bezeichnet.
Arten zur Ausführung der Erfindung
Das in 1 dargestellte System umfasst
eine primäre Station (BS) 50 und eine Vielzahl von sekundären
Stationen (MS) 60. Die BS 50 umfasst einen Mikrocontroller (&mgr;C)
52, Transceiver-Mittel 54, die mit Funkübertragungsmitteln
56 verbunden sind, und Verbindungsmittel 58 für die Verbindung
mit dem Festnetz oder einem privaten Netzwerk. Jede MS 60 umfasst einen
Mikrocontroller (&mgr;C) 62, Transceiver-Mittel 64, die mit
Funkübertragungsmitteln 66 verbunden sind, und Leistungsregelungsmittel
68 zum Verändern des Sendeleistungspegels. Die Kommunikation von der
BS 50 zur MS 60 erfolgt auf einem Downlink-Kanal 72,
während die Kommunikation von der MS 60 zur BS 50 auf einem
Uplink-Kanal 74 erfolgt.
Das als ein Beispiel einer Anwendung der vorliegenden Erfindung verwendete
UMTS-System nutzt ein CDMA-System, um Basis- und Mobilstationen Übertragungskanäle
zuzuordnen. Auf dem Downlink-Kanal 72 wird eine Anzahl von Kanalisierungscodes
verwendet, um für unterschiedliche Benutzer gedachte Übertragungen zu
trennen, und es wird ein zusätzlicher Verwürfelungscode angewandt, um
die sendende BS 50 zu unterscheiden. Um eine für sie vorgesehene Nachricht
zu decodieren, muss eine MS 60 also sowohl den Code für die die Daten
sendende BS 50 als auch den Code für ihren Kanal kennen.
Auf dem Uplink-Kanal werden auf ähnliche Weise ein Kanalisierungscode
zum Wählen des Kanals, auf dem die MS 60 senden soll, und ein für
die MS 60 spezifischer Verwürfelungscode benutzt. Während der
Präambel sendet eine MS 60 eine Signatur, bei der es sich um eine
zufällig gewählte spezifische Codesequenz handelt.
Eine grundlegende Implementierung der vorliegenden Erfindung ist in
4 dargestellt. Eine MS 60 greift auf die gleiche
Weise wie in 2 abgebildet auf einen Uplink-Kanal
74 zu, indem sie eine Präambel 102 gefolgt von einem Nachrichtenpaket
104 sendet. Die Nachricht 104 könnte so definiert werden,
dass sie eine feste Länge hat, oder, wenn sie eine variable Länge hat,
könnte sie Informationen zur Längenangabe enthalten. Wenn eine BS
50 die Präambel 102 erkennt, sendet sie einen Physical Control
CHannel (PCCH) 302 auf einem Downlink-Kanal 72. Der PCCH enthält
Leistungsregelungsinformationen, um der MS 60 mitzuteilen, ob sie ihren
Sendeleistungspegel erhöhen oder verringern soll, und dauert für die Dauer
der Nachricht 104 an.
Der für den Steuerkanal 302 verwendete Kanalisierungscode
muss der MS 60 im Vorhinein bekannt sein, damit die Leistungsregelungsinformationen
decodiert werden können, was erfordert, dass er zuvor zugeordnet wird. Der
Code sollte auch für die Präambel-Signatur spezifisch sein, um Konflikte
auf dem Downlink-Kanal 72 infolge von Anforderungen von verschiedenen Mobilstationen
zu minimieren. Die Vorab-Zuordnung kann zu einem Codemangel führen.
Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, einen Verwürfelungscode
auf dem Steuerkanal 302 zu verwenden, der sich von dem für die Haupt-Downlink-Übertragung
verwendeten Code unterscheidet. Die Auswirkung der Verwendung eines derartigen sekundären
Verwürfelungscodes durch die BS 50 wird hinsichtlich der Systemkapazität
vernachlässigbar sein, da sowohl die Bitrate als auch der Tastgrad niedrig
sein werden.
Das Zeitintervall zwischen Präambel und Nachricht sollte lang
genug sein, um sicherzustellen, dass bei oder vor dem Beginn der Nachricht
104 ein Steuerkanal 302 aufgebaut werden kann, wodurch die Wahrscheinlichkeit
eines fehlerfreien Empfangs maximiert wird. Dieses Zeitintervall lässt Verarbeitungszeit
der BS 50 und Laufzeiten zu. Für die Verwendung in Zellen mit einem
Radius von bis zu ca. 38 km (viel größer als die typischen 2 km) sollte
das Intervall beispielsweise mindestens 250 &mgr;s betragen.
Es wäre auch möglich, Leistungsregelungsinformationen zu
der Uplink-Übertragung (die bereits einen PCCH hat) hinzuzufügen. Dies
würde eine Leistungsregelung des Downlink-Steuerkanals 302 ermöglichen,
obwohl dies in der Praxis wahrscheinlich nicht erforderlich ist, weil die Bitrate
niedrig ist.
Eine alternative Implementierung zur Verwendung in einem System mit
einer Erhöhung der Präambel-Leistung ist in 5
dargestellt. Dieses Modell hat den Vorteil, dass der anfängliche Leistungspegel
der Nachricht 104 ungefähr korrekt ist, bevor ihr Pegel in Reaktion
auf Leistungsregelungsinformationen im Steuerkanal 302
justiert werden kann. Neben ihrer primären Funktion, den korrekten Empfang
der Präambel 102 durch die BS 50 zu quittieren, kann die
Quittierung 204 weitere Funktionen ausüben, zum Beispiel mitteilen,
dass das System besetzt ist oder dass der Zugriff abgelehnt wurde.
6 zeigt eine Abwandlung dieses Modells, bei der die
Funktionen der Quittierung und Leistungsregelung in einem einzigen Steuerkanal
502 kombiniert sind. Bei einem derartigen System würde der Beginn
des Steuerkanals 502 den Empfang der Präambel 102 durch die
BS 50 angeben. Die Unterbrechung des Steuerkanals 502 könnte
dann verwendet werden, um anzugeben, dass die Uplink-Übertragung beschädigt
war, wodurch die MS 60 in die Lage versetzt wird, die Übertragung
der Nachricht 104 zu beenden, bevor sie versucht, sie erneut zu senden.
Ein derartiges Verfahren zum Mitteilen einer Beschädigung der Uplink-Übertragung
könnte auch unabhängig oder in Kombination mit jedem der anderen oben
beschriebenen Modell verwendet werden.
Aus der Lektüre der vorliegenden Beschreibung werden für
den Fachkundigen weitere Abwandlungen offensichtlich sein. Derartige Abwandlungen
können weitere Merkmale umfassen, die bereits aus Funkkommunikationssystemen
sowie Komponenten davon bekannt sind und die an Stelle von oder zusätzlich
zu den bereits hier beschriebenen Merkmalen verwendet werden können.
In der vorliegenden Spezifikation und den Ansprüchen schließt
das Wort „ein" oder „eine" vor einem Element nicht das Vorhandensein
einer Vielzahl derartiger Elemente aus. Ferner schließen das Wort „umfassen"
und seine Konjugationen nicht das Vorhandensein anderer Elemente oder Schritte als
der erwähnten aus.
Anwendbarkeit in der Industrie
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Reihe von Funkkommunikationssystemen
anwendbar, zum Beispiel auf das UMTS.