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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten über einen
von mehreren Terminals gemeinsam benutzten Funkkanal, bei welchem
eine Regelung der Sendeleistung erfolgt. Weiterhin betrifft die
Erfindung ein Terminal, eine Basisstation und ein Kommunikationssystem.
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In
sogenannten CDMA (Code Division Multiple Access) Kommunikations-Systemen,
bei denen sich alle Teilnehmer das gleiche Frequenzspektrum teilen
und sich lediglich durch unterschiedliche Codes (vgl. Abschnitt
Begriffsklärungen)
unterscheiden, muss gewährleistet
werden, dass ein Terminal nahe der Basisstation nicht das Signal
von weiter entfernten Terminals überlagert.
Aus diesem Grund wird eine dynamische Leistungskontrolle bzw. "Powercontrol" vorgenommen. Dafür sind auf
den dedizierten Kanälen
spezielle Bits vorgesehen, mit denen ein Terminal eine Rückmeldung
an die Basisstation senden kann, um so z.B. die bei schlechtem Empfang
eine Leistungserhöhung
durch die Basisstation anzufordern. Auf der anderen Seite sendet
die Basisstation Kontrollbits an die jeweiligen Terminals und fordert
jedes einzelne Terminal auf, die Sendeleistung zu erhöhen, beizubehalten
oder abzusenken.
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Diese
geschlossene Leistungseinstellung existiert allerdings nur auf den
dedizierten Kanälen
und nicht auf den gemeinsam genutzten Kanälen.
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Die
Problematik bei gemeinsamen Kanälen
wird im folgenden anhand eines Beispiels eines nach dem UMTS (Universal
Mobile Telecommunications System)-Standard arbeitenden Komunikationssystems
geschildert. Für
eine ausführlichere
Erklärung
bzw. Begriffsklärungen
sei auf die Figurenbeschreibung verwiesen:
Derzeit sind im
FDD-Modus zur Paketdatenübertragung
für den
Uplink zwei Typen von physikalischen Kanälen spezifiziert: der zugeordnete
physikalische Datenkanal bzw. "Dedicated
Physical Data Channel" DPDCH
sowie der physikalische Zufallszugriffskanal bzw. "Physical Random Access
Channel" PRACH.
Der DPDCH erlaubt maximale Paketdatenübertragungsraten bis 5.76 Mbps
(Megabits pro Sekunde) als Bruttodatenrate, allerdings ist dieser
Kanal nicht optimal für
stoßartigen
Datenverkehr, wie es typisch ist für Paketdatenübertragungen,
da der Auf- und Abbau des Kanals verhältnismäßig viel Zeit erfordert. Der
gemeinsame Kanal PRACH hingegen ist für stoßartigen Paketdatenverkehr
ausgelegt, allerdings erlaubt der PRACH nur maximale Datenraten
bis 120 kbps (Kilobits pro Sekunde) als Bruttodatenrate. Im Fall
einer aufzubauenden Paketdatenverbindung zwischen dem Terminal UE
und dem UMTS-Netzwerk
UTRAN wird in Abhängigkeit
von der aktuellen Verkehrssituation in der Funkzelle und der angefragten
Dienstqualität
bzw. „Quality
of Service" QoS
des Terminals vom UTRAN entweder dedizierte oder gemeinsame Funkressourcen
allokiert.
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Im
UMTS FDD-Mode ermöglicht
der gemeinsame Kanal PRACH die Uplink-Übertragung von burstartigen
Datenverkehr, welcher Signalisierungsinformationen oder Nutzerdaten
enthalten kann, bis 120 kilo Bits pro Sekunde (kbps) als Bruttodatenrate.
Maximal können
bis zu 16 PRACHs in einer Zelle konfiguriert werden. Die Konfiguration
der PRACHs wird in den Systeminformationsblöcken bzw. "system information Blocks" (SIB) 5 bzw. 6 über dem
Broadcast-Kanal BCH in der Zelle übertragen. Innerhalb von SIB
5/SIB 6 wird die Konfiguration für
jeden PRACH im Informationselement bzw. "information element" (IE) „PRACH system information list" festgelegt.
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Tabelle
1 zeigt die Liste der Informationselemente im „PRACH system information
list".
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Tabelle
1: Informationselemente des „PRACH
system information list" nach
UMTS-Release 5
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Die
Funktion bzw. Bedeutung der einzelnen Informationselemente ist wie
folgt:
- – PRACH
info: Hierbei wird die Konfiguration des PRACHs hinsichtlich der
verfügbaren
Signaturen, Zugriffszeitschlitze bzw. "Access Slots" AS, Spreizfaktoren SF für den Datenteil
sowie des für
die Präambel verwendeten
Verwürfel- bzw. "Scrambling"-Codes signalisiert;
- – Transport
channel identity: Gibt die Identität des RACH-Transportkanals an, welcher auf den
PRACH abgebildet ist;
- – RACH
TFS: Gibt die Menge der erlaubten Transportformate für den konfigurierten
RACH an;
- – RACH
TFCS: Gibt die Menge der erlaubten Transportformat-Kombinationen für den konfigurierten
RACH an;
- – PRACH
partitioning: Basierend auf die im IE "PRACH Info" konfigurierten Signaturen und Zugriffszeitschlitze
AS werden in diesem Informationselement bis zu acht Zugriffsserviceklassen
ASC signalisiert. In jeder ASC kann jeweils eine Untermenge von
den insgesamt verfügbaren
Signaturen und Zugriffszeitschlitze konfiguriert werden, so dass
eine ASC eine Unterteilung bzw. Partition der PRACH-Ressourcen darstellt;
- – Persistence
scaling factors: Gibt die Ubertragungswahrscheinlichkeiten an, mit
der eine RACH-Übertragungsprozedur
von der MAC-Protokollschicht gestartet wird;
- – AC-to-ASC
mapping table: Hiermit wird die Abbildung der Access Classes zu
den Access Service Classes signalisiert, mit der ein "idle mode"-Terminal UE in der
Lage ist, eine initiale Nachricht im Uplink zu senden;
- – Primary
CPICH DL TX power: Die Leistung mit der der P-CPICH in der Funkzelle gesendet wird,
wird zur Berechnung der initialen Ausgangsleistung der PRACH-Präambel herangezogen;
- – Constant
value: Konstanter Wert, der zur Berechnung der initialen Ausgangsleistung
der PRACH Präambel
herangezogen wird;
- – PRACH
power offset: Gibt die Parameter für die PRACH Präambelübertragung
an, wie die Schrittweite für
die Leistungseinstellung und die maximale Anzahl der Präambel-Retransmissionen;
- – RACH
transmission parameters: Gibt die Parameter zur Kontrolle der RACH-Übertragung
auf der MAC-Protokollschicht-Ebene
an, weitere Details sind im Zusammenhang mit Tabelle 4 näher erläutert;
- – AICH
info: Gibt die Parameter für
den jeweiligen PRACH assozierten AICH an.
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Im
Fall einer Paketdatenübertragung über den
PRACH, sendet das Terminal UE nach einem festgelegten Muster mit
Zufallskomponenten (ALOHA-Verfahren) zunächst eine Präambel zum
UTRAN und hört
in einem genau vorgegebenen Zeitschlitz auf dem AICH auf eine Bestätigung.
Das UTRAN kann hier den Wert 0, 1, –1 senden. Eine "0" steht für keine Bestätigung aber auch
keine Ablehnung. Dies ist der Standardwert und wird auch gesendet,
wenn das UTRAN die Präambel
nicht eindeutig einem Terminal UE zuordnen konnte. Eine "1" bedeutet eine Bestätigung (ACK) und eine "–1" eine Ablehnung (NRCK). Erst nach Empfang
eines ACK sendet das Terminal Daten auf dem PRACH.
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Im
Einzelnen ist die Leistungssteuerung bzw. Leistungseinstellung auf
dem PRACH dabei wie folgt spezifiziert:
Eine Basisstation sendet
auf einem von allen Terminals in der Funkzelle empfangbarem Sammelruf-
bzw. "Broadcast"-Kanal BCH die Parameter
für die
Nutzung der in der Funkzelle konfigurierten PRACHs. Durch Empfang
und Auswertung dieser Daten weiß jedes
Terminal, mit welchem Code und zu welcher Zeit zuzüglich eines
zufälligen
Zeitintervall es auf dem PRACH senden kann. Es wird ebenfalls eine
Initial-Leistung für
das Senden der Präambel
als Parameter mitgeteilt. Nach Auswahl eines bestimmten PRACHs sendet
das Terminal nun mit der als Initial-Leistung vorgegebenen Sendeleistung
eine Präambel
und hört
in einem bestimmten Zeitschlitz auf eine Bestätigung von dem Netzwerk auf
dem AICH. Bei einer Ablehnung wird zu einem anderen Zeitpunkt erneut
eine Präambel
mit der Initial-Leistung
gesendet. Empfängt
das Terminal nur den Standardwert, der weder Bestätigung noch
Ablehnung bedeutet, sendet es die Präambel erneut. Allerdings diesmal
mit einer um ein ebenfalls in den Parametern spezifiziertem Delta
erhöhten
Sendeleistung. Erfolgt eine Bestätigung,
kann ein Datenpaket auf dem PRACH in Abhängigkeit von der Leistung der
letzten erfolgreich übertragenen
Präambel
gesendet werden.
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Prinzipiell
können
alle Terminals UE innerhalb einer UMTS-Zelle gemeinsam die PRACHs zur Datenübertragung
verwenden. Der Zugriff der Terminals UE auf einen PRACH ist nach
dem "Slotted ALOHA"-Verfahren geregelt,
bei der jedes Terminal UE einen passenden PRACH zufällig auswählt und
diesen nur zu Beginn von festen Zeitintervallen, den sogenannten
Zugriffszeitschlitzen bzw. "access
slots" (AS), sendet.
Dabei hängt
die Nutzung des zufällig
ausgewählten
PRACHs von den Zugriffsserviceklassen ASCs (Access Service Classes)
ab, die im IE „PRACH
partitioning" spezifiziert
werden. Tabelle 2 zeigt die Parameter, mit der jeder ASC konfiguriert
wird. Durch die ASCs wird eine priorisierte PRACH-Nutzung geregelt.
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Tabelle
2: Informationselemente des „PRACH
partitioning" zur
ASC-Konfiguration nach UMTS-Release 5
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Der
PRACH besteht aus einem Präambelteil
(preamble part) und einem Nachrichtenteil (message part). Der PRACH-Nachrichtenteil wiederum
besteht aus einem Kontrollteil und einem Datenteil. Die Random Access-Übertragung
besteht aus einem oder mehreren Präambeln der Länge 4096
Chips und der eigentlichen Nachricht. In den Präambeln wird eine zufällig gewählte Signatur
s übertragen.
Nach einer positiven Bestätigung
(ACK) für
den korrekten Empfang der Präambel
auf dem Aquisition Indicator Channel (AICH) durch die Basisstation,
sendet das Terminal UE die Daten auf dem PRACH-Nachrichtenteil zu einem festgelegten
Zeitpunkt auf Basis der Zugriffszeitschlitze AS. In 3 ist ein Beispiel für eine Random Access-Übertragung
dargestellt, in der das Terminal UE erst bei der zweiten Präambel ein
ACK vom Basisstation erhält.
Dabei ist τp–p der
timing offset zwischen zwei Präambeln, τp–m der
Zeitversatz bzw. "timing
offset" zwischen
Präambel
und PRACH Nachrichtenteil und τp–a der
timing offset zwischen dem Beginn des Uplink Zugriffszeitschlitzes,
in dem das Terminal UE eine Präambel
sendet und dem Beginn des korrespondierenden Downlink Zugriffszeitschlitz, in
dem die Basisstation den AICH sendet. Im Beispiel nach 3 wurde für den PRACH-Nachrichtenteil
eine Übertragungszeitlänge von
TTI = 10ms gewählt.
Für die
timing offsets wurden folgende Werte gesetzt: τp–p = τp–m =
3 AS und τp–a =
1.5 AS, wobei die Länge
eines Zugriffszeitschlitzes AS 5120 Chips beträgt.
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Die
Sendeleistung des PRACH-Nachrichtenteils wird dabei auf Basis der
Sendeleistung des erfolgreich gesendeten Präambels eingestellt. Des weiteren
werden die OVSF-Channelisation Codes für den PRACH Nachrichtenteil
aus der erfolgreich übertragenen
Präambel-Signatur
bestimmt. Maximal gibt es 16 dieser Signaturen, die auf einen der
16 Knoten im OVSF-Codebaum zeigen. Die Signaturen korrespondieren
mit einem Code mit Spreizfaktor SF = 16. Abhängig von der Signatur s wird
der darunterliegende Code-Subbaum für den PRACH Nachrichtenteil
verwendet.
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Die
Anzahl der Signaturen und Uplink-Zugriffszeitschlitze AS, die einem
Terminal UE zur Datenübertragung über den
PRACH zur Verfügung
stehen, wird durch die Priorität
der ASCs festgelegt. Maximal können bis
zu 8 ASCs für
ein PRACH spezifiziert werden, wobei diese ASCs so numeriert sind,
so dass die Zugriffsdienstklasse mit der Nr. 0 bzw. "ASC#0" die höchste Priorität und die
Zugrfiffsdienstklasse mit der Nr. 7 bzw. "ASC#7" die niedrigste Priorität hat. Je
höher die
Priorität
ist, desto grösser
kann die Anzahl der verfügbaren Signaturen
und der Uplink Zugriffszeitschlitze AS (zusammengefasst in den sogenannten
RACH-Subchannels) im ASC konfiguriert sein. Im inaktiven Übertragungsmodus
bzw. im "Idle Mode" wählt die
Funk-Ressourcen-Kontroll- bzw. "Radio
Resource Control" (RRC)-Schicht
im Terminal UE die Zugriffsdienst klasse ASC auf Basis der Zugriffsklassen
bzw. "Access Classes" (AC) aus. Bei den
Zugriffsklassen bzw. "Access
Classes" handelt
es sich hierbei um einen Mechanismus, mit dem ein Netzwerkbetreiber
den Zugriff von im Untätigkeitsmodus
bzw. "Idle Mode
Terminals in seiner Funkzelle kontrollieren kann. Im UMTS-Standard sind insgesamt 16
ACs spezifiziert, beispielsweise erlaubt die Zugriffsklasse AC15
nur einen Zugriff von Terminals, die zu Mitarbeitern des Netzwerkbetreibers
gehören.
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In 1 ist ein Schema für den Ablauf
einer zu bestätigenden
Random Access-Übertragung
(auf dem PRACH) zwischen Terminal und ein UTRAN, welche über die
Basisstation BS läuft,
dargestellt. Das Kommunikationssystem K umfasst das UTRAN, die Basisstation
BS und das Terminal UE.
- 1. Vor Start der eigentlichen
Nachrichtenübertragung
sendet die Terminal UE eine zufällig
gewählte
Präambel
der Länge
4096 Chips zum UTRAN. Falls das UTRAN die Präambel kor rekt detektieren kann,
sendet es eine positive Bestätigung
(ACK) auf dem Akquisitions-Indikator-Kanal bzw. "Acquisition Indicator Channel" AICH zum Terminal
UE. Falls das UTRAN die Präambel
nicht korrekt detektieren kann, sendet es eine negative Bestätigung (NACK)
auf dem AICH zum Terminal UE.
- 2. Es wird angenommen, dass das UTRAN die vom Terminal UE gesendete
Präambel
nicht korrekt detektieren konnte, so dass ein NACK auf dem AICH
zurückgesendet
wird.
- 3. Die Terminal UE sendet nach einer zufälligen Wartezeit eine neue
zufällig
gewählte
Präambel
zum UTRAN. Dabei wird diese Präambel
mit einer etwas höheren
Leistung als bei der vorherigen Präambel-Übertragung gesendet.
- 4. Diesmal kann das UTRAN die vom Terminal UE gesendete Präambel korrekt
detektieren, so dass ein ACK auf dem AICH zurückgesendet wird.
- 5. Die Sendeleistung für
den folgenden PRACH Nachrichtenteil bzw. "message part" wird auf Basis der Sendeleistung der
erfolgreich gesendeten Präambel
eingestellt. Terminal UE sendet die Nachricht auf dem PRACH Nachrichtenteil
zum nächstmöglichen
Zeitpunkt zum UTRAN und wartet auf eine Bestätigung über den S-CCPCH.
- 6. Es wird angenommen, dass das UTRAN die vom Terminal UE gesendete
Nachricht auf dem PRACH Nachrichtenteil fehlerfrei empfangen konnte,
so dass ein ACK über
dem S-CCPCH zurückgesendet
wird. Damit ist die Zufallszugriffsübertragung beendet.
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Nachteilhafterweise
erfolgt keine weitere Leistungsanpassung bis zum Ende der Datenübertragung. Der
PRACH wird unter anderem zum initialen Verbindungsaufbau durch das
Terminal UE verwendet.
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In 3 ist der bisher übliche Ablauf
einer Zufalls-Zugriffsübertragung
im UMTS-FDD-Modus zu sehen, in der das Terminal UE erst bei der
zweiten Präambel-Übertragung
ein ACK von der Basisstation erhält. Es
ist für
die Basisstation BS und das Terminal UE je ein Zeitstrahl dargestellt,
der in einzelne Zugriffszeitschlitze AS unterteilt ist. Für die Basistation
BS und das Terminal UE ist je ein Zeitstrahl aufgetragen, der in
einzelne Zeitschlitze unterteilt ist. Das Terminal UE sendet zunächst eine
Präambel
PA, warten dann eine Zeit τp–p bevor sie
die Präambel
PA wieder mit erhöhter
Leistung sendet, da es weder eine positive noch negative Bestätigung auf
dem AICH von der Basisstation erhält. Dabei ist τp–p der
Zeit-Offset zwischen zwei Präambeln, τp–m der Zeit-Offset
zwischen Präambel
und HS-PRACH Nachrichtenteil und, wie im folgenden beschrieben, τp–a der Zeit-Offset
zwischen dem Beginn des Uplink-Zugriffszeitschlitzes, in der das
Terminal eine Präambel
sendet, und dem Beginn des korrespondierenden Downlink-Zugriffszeitschlitzes,
in der die Basisstation den AICH sendet.
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Die
Basisstation sendet mit einem gewissen Zeitversatz bzw. "time offset" TO, dessen Länge gleich τp–a ist,
eine Bestätigung
(0, +1, –1) über den
AICH. Im Fall einer positiven Bestätigung ACK (+1) beginnt das Terminal
UE dann nach einer Zeit τp–m den
PRACH Nachrichtenteil PRACH NT zu senden, welcher einen Datenteil
D und einen Steuerteil C enthält.
Im Beispiel nach 3 wurde
für den
PRACH-Nachrichtenteil eine Übertragungsrahmenlänge bzw.
eine für
das Senden aufgewendete Zeitdauer bzw. "Transmission Time Interval" von TTI = 10ms gewählt. Für die Zeit-Offsets
wurden folgende Werte gesetzt: τp–p = τp–m =
3 Zugriffszeitschlitze und τp–a =
1.5 Zugriffs zeitschlitze, wobei die Länge eines Zugriffszeitschlitzes 5120 Chips
beträgt.
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Wie
bereits geschrieben, findet dabei nach der anfänglichen Leistungsanpassung
keine weitere Leistungsanpassung mehr statt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren für
eine geschlossene Leistungsregelung auf gemeinsam benutzten Kanälen anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die Ansprüche
1, 3, 4 und 5 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung basiert auf dem Gedanken, Parameter zu definieren, mittels
derer eine Leistungsregelung auf einem von mehreren Terminals benutzten
Kanal erfolgen kann.
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Es
ist Kern der Erfindung, bei einem UMTS FDD System für den Fall,
dass ein gemeinsamer Zufallszugriffskanal für eine Aufwärtsrichtungs-Übertragung
genutzt wird, einen gemeinsamen Kontrollkanal als Rückkanal
für eine
Sendeleistungskontrolle bei einer paketorientierten Übertragung
zu nutzen. Der vorgeschlagene gemeinsame Aufwärtskanal wird im Rahmen der
Anmeldung mit HS-PRACH bezeichnet, der gemeinsame Kontrollkanal
als HS-S-CCPCH.
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Nach
erfolgreichem Ablauf einer Anfrage zur Benutzung des gemeinsamen
Zufallszugriffskanals mittels eines Präambelteils, sendet das Terminal
einen Nachrichtenteil auf dem gemeinsamen Aufwärtsrichtungs-Übertragungskanal.
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Über den
gemeinsamen Kontrollkanal werden von der Basisstation Bestätigungen über den
Erhalt von Daten zurück
an das Terminal gesendet. Aufgrund des Inhalts der Bestätigung stellt
das Terminal die Sendeleistung ein.
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Zur
Einstellung wird zumindest einer der folgenden Parameter verwendet:
Ein Leistungserhöhungsparameter,
ein Wiederholungsparameter, ein Leistungserhöhungsschwellenparameter, ein
Leistungserniedrigungsparameter sowie ein Leistungserniedrigungsschwellenparameter.
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So
wird beispielsweise im Falle einer negativen Bestätigung (NACK)
nach einer durch den Leistungserhöhungsschwellenparameter festgelegten
Anzahl von Empfängen
einer negativen Bestätigung
die Sendeleistung um einen durch den Leistungserhöhungsparameter
festgelegten Wert erhöht.
Der Wiederholungsparameter gibt dabei an wie oft ein Übertragungsrahmen
mit erhöhter
Leistung gesendet wird.
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Analog
kann im Falle des Empfangs, einer bestimmten, durch den Leistungserniedrigungsschwellenparameter
festgelegten Anzahl von positiven Bestätigungen (ACK) die Sendeleistung
um einen durch den Leistungserniedrigungsparameter definierten Wert
erniedrigt werden.
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Bei
zusätzlicher
Nutzung des HS-PRACH für
eine verbesserte Uplink-Verbindung, insbesondere bei stoßartigem
Datenaufkommen und die Verteilung auf einen längeren Zeitraum, kann die Leistungskontrolle
so deutlich verbessert werden.
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Ein
Terminal oder eine Basisstation, welche sich für diese Verfahren eignen, sind
zumindest mit einer Sende-/Empfangseinrichtung und einer Prozessoreinrichtung
ausgestattet, wel che so zusammenwirken, dass eine Leistungsregelung
erfolgen kann.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im folgenden anhand
von Figuren erklärt. Es
zeigen:
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1 den Ablauf einer Zufallszugriffsübertragung
im UMTS FDD-Modus;
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2 eine Rahmenstruktur für den Uplink-PRACH;
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3 den Ablauf einer Zufallszugriffsübertragung
im UMTS FDD-Modus;
-
4 den Ablauf einer Leistungserhöhung bei
einer Zufallszugriffsübertragung
im UMTS FDD-Modus;
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5 den Ablauf einer Leistungsabsenkung
bei einer Zufallszugriffsübertragung
im UMTS FDD-Modus.
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Zunächst sollen
die im Rahmen der Anmeldung verwendeten Begriffe näher erklärt werden.
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1. Begriffsklärungen
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Bei
einem Kommunikationssystem oder Kommunikationsnetzwerk handelt es
sich um eine Struktur zum Austausch von Daten. Es kann sich hierbei
um ein zellulares Mobilfunk-netzwerk handeln, das beispielsweise
nach dem GSM- (Global System of Mobile Communications)- Standard
oder dem UMTS- (Universal Mobile Telecommunications System)-Standard
arbeitet. In einem Kommunikationssys-tem sind allgemein Terminals
und Basisstationen vorgesehen, die über eine Funkschnittstelle
miteinan der in Verbindung treten. Im UMTS weist das Kommunikationssystem
oder Funküber-tragungsnetzwerk
zumindest Basisstationen, hier auch NodeB genannt, sowie Funknetzwerk-Steuerungseinheiten
bzw. "Radio Network
Controller" (RNC)
zum Verbinden der einzelnen Basis-stationen auf. Das terrestrische
Funkzugriffsnetz bzw. "Universal
Terrestrial Radio Access Network" (UTRAN)
ist der funktechnische Teil eines UMTS-Netzes, in dem beispielsweise auch die Funkschnittstelle
zur Verfügung
gestellt wird. Eine Funkschnittstelle ist stets genormt und definiert
die Gesamtheit der physikalischen und protokollarischen Festlegungen
für den
Datenaustausch, beispielsweise das Modulationsverfahren, die Bandbreite,
den Frequenzhub, Zugangsverfahren, Sicherungsprozeduren oder auch Vermittlungstechniken.
Das UTRAN umfasst also zumindest Basisstationen sowie zumindest
einen RNC.
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Bei
zellulären
Mobilfunksystemen können.
verschiedene Funkübertragungstechnologien
vorgesehen sein, die definieren, wie die physikalischen Verbindungsressourcen
aufgeteilt werden. Im Falle von UMTS ist momentan ein Frequenzmehrfachzugriffs-Modus bzw. Frequency
Division Duplex (FDD)-Modus vorgesehen, sowie unterschiedliche Zeitmehrfachzugriffs-Modi
bzw. Time Division Duplex (TDD)-Modi. Beim FDD-Modus erfolgt die
Datenübertragung
von sogennanten "Up-" und "Downlink"-Verbindungen auf
unterschiedlichen Frequenzen per Frequenzmultiplex, während bei
den beiden TDD-Modi die Datenübertragung
von Up- und Downlink auf der gleichen Frequenz per Zeitmultiplex
erfolgt.
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Eine
Basisstation ist eine zentrale Einheit in einem Kommunikationsnetzwerk,
die im Falle eines zellulären
Mobilfunknetzwerks Terminals oder Kommunikationsendgeräte innerhalb
einer Zelle des Mobilfunknetzwerks über einen oder mehrere Funkkanäle bedient.
Die Basisstation stellt die Luftschnittstelle zwischen Basisstation
und Terminal bereit. Sie übernimmt
die Abwicklung des Funkbetriebs mit den mobilen Teilnehmern und überwacht
die physikalische Funkverbindung. Darüber hinaus überträgt sie die Nutz- und Statusnachrichten
an die Terminals. Die Basisstation hat keine Vermittlungsfunktion,
sondern lediglich eine Versorgungsfunktion. Eine Basisstation umfaßt zumindest
eine Sende/Empfangseinheit.
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Ein
Terminal kann ein beliebiges Kommunikationsendgerät sein, über das
ein Benutzer in einem Kommunikationssystem kommuniziert. Es fallen
beispielsweise Mobilfunkendgeräte
wie Mobiltelefone oder tragbare Computer mit einem Funkmodul darunter.
Ein Terminal wird oft auch als "Mobilstation" (MS) oder in UMTS "User Equipment" (UE) bezeichnet.
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Im
Mobilfunk wird zwischen zwei Verbindungsrichtungen unterschieden.
Die Abwärtsverbindung
bzw. "Downlink" (DL) bezeichnet
die Übertragungsrichtung
von der Basisstation zum Terminal. Die Aufwärtsverbindung bzw. "Uplink" (UL) bezeichnet
die entgegengesetzte Übertragungsrichtung
vom Terminal zur Basisstation.
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In
Breitbandübertragungssystemen,
wie beispielsweise einem UMTS-Mobilfunknetz ist ein Kanal ein Teilbereich
einer zur Verfügung
stehenden Gesamtübertragungskapazität. Als Funkkanal
wird im Rahmen dieser Anmeldung ein drahtloser Kommunikationsweg
bezeichnet.
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In
einem Mobilfunksystem, beispielsweise UMTS, gibt es für die Übertragung
von Daten zwei Arten von physikalischen Kanälen: festzugeordnete Kanäle bzw. "Dedicated Channels" und gemeinsam benutzte bzw. "Common Channels". Bei den Dedicated
Channels wird eine physikalische Ressource nur für die Über tragung von Informationen
für ein
bestimmtes Terminal reserviert. Bei den Common Channels können Informationen übertragen
werden, die für
alle Terminals gedacht sind, beispielsweise der primäre gemeinsame
physikalische Steuerungskanal bzw. "Primary Common Control Physical Channel" (P-CCPCH) im Downlink,
oder aber alle Terminals teilen sich eine physikalische Ressource,
indem jedes Terminal diese nur kurzzeitig nutzen darf. Dies ist
beispielsweise beim physikalischen Zufalls Zugriffskanal bzw. "Physical Random Access
Channel" (PRACH)
im Uplink der Fall.
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Bei
der Übertragung über einen "Common Channel" oder "Dedicated Channel" werden die Daten
neben einer Bandbreitenspreizung mittels eines Spreiz-Codes bzw. "Channelisation Codes" zur robusteren Übertragung
zusätzlich
einer Verwürfel
bzw. "Scrambling" Prozedur zur Kennzeichnung
einer spezifischen Verbindung unterzogen. Dazu werden in Abhängigkeit
der Übertragungsrichtung,
des Kanaltyps und der Funkübertragungstechnologie
verschiedene Typen von Verwürfel-Codes
bzw. "scrambling
codes" eingesetzt.
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Während ein
Bit aus einer Datensequenz meist als Symbol bezeichnet wird, wird
ein Bit einer bandbreiten-gespreizten Sequenz als Chip bezeichnet.
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In
Mobilfunksystemen, wie beispielsweise solchen basierend auf UMTS,
sind neben leitungsvermittelten bzw. "circuit switched" Diensten auch paketorientierte bzw. "packet switched" Dienste vorgesehen.
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Insbesondere
in Mobilfunksystemen der 2. bzw. 3. Generation, wie dem GSM bzw.
UMTS, erfolgt die Datenübertragung über den
Funkkanal allgemein in einer fest vorgegebenen zeitlichen Struktur,
dem Übertragungsrahmen,
welcher oft auch nur als Rahmen oder Frame bezeichnet wird. Ein Übertragungsrahmen
stellt also die periodische Basis-Zeitstruktur dar, mit der Daten
physikalisch übertragen
werden. In UMTS beträgt
ein Rahmen 10 ms. Zur Durchführung
von bestimmten Funktionen, wie Kanalschätzung und Leistungskontrolle, ist
ein Rahmen in Zeit-schlitze unterteilt, beispielsweise in UMTS in
15 Zeitschlit-ze. Ein Zeitschlitz ist also ein fest zugeordneter
Zeitab-schnitt innerhalb eines Übertragungsrahmens.
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Auf
Basis der zeitlichen Struktur, bestehend aus Rahmen und Zeitschlitzen,
kann man weitere zeitliche Unterstrukturen, beispielsweise Unterrahmen
bzw. "Subframes", definieren. Beispielsweise
könnte
man in UMTS einen Unterrahmen definieren, der drei Zeitschlitze
umfassen soll, so dass sich ein Rahmen dann aus 5 Unterrahmen zusammensetzt.
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Eine Übertragungsrahmenlänge bzw.
ein Übertragungszeitintervall
bzw. "transmission
time interval" (TTI)
bezeichnet die Zeitlänge, über die
Daten, welche zusammen kodiert wurden, aufgrund einer Verwürfelung,
z.B. einem sogenannten "Scrambling" oder "Interleaving", zeitlich aufgespreizt
werden. Ein TTI kann beispielsweise in Bezug auf Zeitschlitze angegeben
werden.
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Damit
kann insbesondere das Übertragungszeitintervall,
in dem Daten von der Medium-Zugangsschicht bzw. "Medium Access Layer" (MAC) (OSI-Schicht 2, OSI: Open System
Interconnecti-on) zur physikalischen Schicht (OSI-Schicht 1) in
Form von sog. Transportblöcken
(= Verbund von Datenpaketen fester Länge) übertragen werden, bezeichnet
sein. Weiterhin kann damit beispielsweise das Übertragungszeitintervall, in
dem die Daten dann physikalisch über
die Luftschnittstelle übertragen
werden, bezeichnet sein.
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Beispielsweise
im Fall, für
den gilt TTI = 40ms, werden zum einen alle 40ms Daten von der MAC-Schicht
zur physikalischen Schicht gesendet. Zum anderen werden diese Daten
dann von der physikalischen Schicht innerhalb von 4 Rahmen übertragen.
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2. Ausgestaltungen
der Erfindung
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2.1 Kombination der Leistungsregelungsparameter
mit verkürzten
Rahmenformaten
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Eine
mögliche
Erweiterung zur effizienteren Datenübertragung auf dem HS-PRACH
ist die Segmentierung eines Datenpaketes in mehrere kleinere Abschnitte,
die innerhalb eines festgelegten Abschnittes zu einem zufälligen Zeitpunkt
gesendet werden. Es erfolgt eine Bestätigung über den Empfang der einzelnen Segmente über den
HS-S-CCPCH. Bei fehlgeschlagener Bestätigung innerhalb einer vorgegebenen
Zeit wird das Segment wiederholt. Die Gesamtlänge zur Übertragung eines Paketes kann
sich dadurch deutlich erhöhen.
Je länger
eine Datenübertragung
andauert, um so bedeutsamer wird die Verwendung einer geschlossenen
Leistungskontrolle.
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2.2 Spezifizierung der
Leistungsregelungsparameter
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Wird
der HS-PRACH als zusätzliche
Datenverbindung genutzt, um die Interferenz in der Zelle zu verringern,
wird gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung einer Erweiterung der sekundäre gemeinsame
Kontrollkanal bzw. "Secondary
Common Control Physical Channel" (S-CCPCH),
nämlich
der im folgenden als Hoch geschwindigkeitskanal bzw. HS-S-CCPCH bezeichnete
Kanal, als separater Rückkanal
für eine
erweiterte Leistungskontrolle während
der Datenübermittlung
genutzt.
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Wesentlich
für eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist eine effiziente Leistungsregelung für den gemeinsam benutzten Kanal
PRACH im UMTS FDD-Modus, insbesondere vorteilhaft im Fall verkürzter Rahmenlängen. Im
folgenden wird eine Ausführungsform
mit folgenden Merkmalen vorgeschlagen:
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a) Erweiterung der ASC
mit neuen Parametern
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Innerhalb
des Informationselementes „PRACH
system information list" (Tabelle
1) wird im IE „PRACH partitioning" (Tabelle 2) die
ASC-Konfiguration um folgende fünf
Parameter erweitert:
- – Ein Leistungserhöhungsparameter "PowerUp NACK "Delta" (PND): Stellt ein
Delta in der Einheit dBm ein, um das im Falle des Empfangs von NACK
die Leistung erhöht
wird.
- – Ein
Leistungserhöhungswiederholparameter "PowerUp NACK Repeat" (PNR): Stellt die
Anzahl der Wiederholungen mit Leistungserhöhung im Falle des Empfangs
von NACK ein.
- – Eine
Leistungserhöhungsschwelle "PowerUp Treshold" (PUT): Stellt die
aufeinanderfolgende Anzahl der empfangenen NACKs ein, bei der die
Leistung erhöht
wird.
- – Ein
Leistungserniedrigungsparameter "PowerDown
Delta" (PDD): Stellt
ein Delta in der Einheit dBm ein, um das im Falle des Empfangs von
ACK die Leistung gesenkt wird.
- – Eine
Leistungserniedrigungsschwelle „PowerDown Treshold" (PDT): Stellt die
aufeinanderfolgende Anzahl der empfangenen ACKs ein, bei der die
Leistung gesenkt wird.
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Tabelle
3 zeigt das erweiterte Informationselement IE „PRACH partitioning" zur ASC-Konfiguration
mit den entsprechenden Wertebereiche der neuen Parameter. Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung können alle
Parameter oder nur eine Auswahl aus ihnen vorgesehen sein.
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Tabelle 3
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b) Leistungskontrolle
bzw. Leistungseinstellung auf dem PRACH
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Bei
Empfang einer festgelegten Anzahl von NACKs (Hysterese) wird das
Datenpaket-Segment mit der um den im Parameter „PowerUp NACK Delta" festgelegten Wert
erhöhten
Leistung wiederholt. Die Wiederholung geschieht bis zu der angegebenen
Anzahl in „PowerUp
NACK Repeat", bevor
ein erneuter Verbindungsaufbau mit Präambel und initialisierter Leistung
geschieht (siehe 1).
Ebenfalls bei Empfang des Standardwertes 0 wird die Sendeleistung
bei der nächsten
Wiederholung erhöht.
Bei einer bestimmten Anzahl von ACKs (Hysterese), angezeigt durch
den Parameter „PowerDown
Treshold", kann
die Leistung für
das nächste Datenpaket
gesenkt werden.
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In 2 ist die Rahmenstruktur
für den
PRACH-Nachrichtenteil
dargestellt. Der "Radio
Frame" oder Funkrahmen
des Nachrichtenteils umfasst, eine Zeit von 10ms, welche in der
Figur mit TRACH bezeichnet ist. Dieser Radiorahmen ist in 15 Zeitschlitzen
S#0 bis S#14 aufgeteit. Jeder Zeitschlitz enthält einen Datenteil D und einen
Kontrollteil bzw. Steuerteil C. Der Kontrollteil ist wiederum in
einen Pilotabschnitt und einen Transportformat-Kombinationsindikator-Abschnitt aufgeteilt.
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Auf
dem Kontrollteil werden nur spezifische Kontrollinformationen der
physikalischen Schicht gesendet, wie sog. "Pilot-Bits" zur
Kanalschätzung
und "TFCI-Bits" als Transportformat-Kombinationsindikator
für den
Datenteil. Auf dem Datenteil wird die eigentliche Nachricht vom
RACH-Transportkanal gesendet. Die Anzahl der auf dem Kontroll- und
Datenteil übertragenen
Datenbits pro Rahmen bzw. Zeitschlitz NPilot, NTFCI, NData ergibt
sich aus dem Spreizfaktor (SF) des verwendeten OVSF-Spreiz-Codes
(OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor) und der im Uplink verwendeten
Modulationsart BPSK (Binary Phase Shift Keying). Der Kontrollteil
wird hierbei immer mit einem Spreiz-Code mit einem Spreizfaktor
von 256 gespreizt, so dass 10 Bits in einem Zeitschlitz der Länge 2560
Chips übertragen
werden. Für
den Datenteil sind Spreiz-Codes mit einem Spreizfaktor von 32, 64,
128 oder 256 möglich.
Dies bedeutet, dass pro Zeitschlitz der Länge 2560 Chips zumindest 10
Bits bei einem Spreizfaktor von 256 bis maximal 80 Bits bei einem
Spreizfaktor von 32 übertragen
werden können.
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Die
verschiedenen Ausgestaltungen und Ausführungsformen der Erfindung
ermöglichen
somit eine effiziente Uplink-Datenübertragung
für stoßartige
Paketdatenanwendungen im UMTS FDD-Modus mit Hilfe des für Leistungsanpassung über den
HS-S-CCPCH verbesserten
PRACHs.
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2.3 Detaillierte Ausführungsbeispiele
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Für die folgenden
zwei Ausführungsbeispiele
gelten folgende Annahmen:
- – In einer UMTS-Zelle stehen
sowohl PRACHs und HS-PRACHs bzw. S-CCPCHs und HS-SCCPCHs zur effizienteren
Datenübertragung
im Uplink zur Verfügung.
- – Es
wird ein Terminal UE im "Connected" Mode betrachtet,
das auf dem HS-PRACH eine Präambel
sendet und auf dem AICH ein ACK empfängt.
- – Für den HS-PRACH
wurden die neuen Parameter im ASC wie folgt konfiguriert:
– PowerUp
NACK Delta (PND) = 3
– PowerUp
NACK Repeat (PNR) = 3
– PowerUp
Treshold (PUT) = 2
– PowerDown
Delta (PDD) = 3
– PowerDown
Treshold (PDT) = 2
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Ausführungsbeispiel 1: Sendeleistungserhöhung bei
Random Access-Übertragung
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In 4 ist der Ablauf einer Leistungserhöhung bei
einer Zufallszugriffsübertragung
im UMTS FDD-Modus zu sehen. Oben ist die Sendeleistung SP gegenüber der
Zeit aufgetragen, und zwar für
die Basisstation für
die Kanäle
HS-S-CCPCH und AICH, für
das Terminal für
den erweiterten HS-PRACH.
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Die
Basisstation BS verwendet den AICH nur als Rückkanal für die vom Terminal UE gesendete
Präambel,
während
die Basisstation BS den HS-S-CCPCH nur als Rückkanal für den gesendeten HS-PRACH verwendet.
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Nach
mehrmaligen, beispielsweise 2-maligen Erhalt eines NACK sendet das
Terminal UE den HS-PRACH-Nachrichtenteil HS-PRACH NT mit erhöhter Sendeleistung.
In 4 ist dargestellt,
wie das Terminal UE den HS-PRACH-Nachrichtenteil HS-PRACH NT mehrmals
sendet und nach 2-maligen Erhalt eines NACK von der Basisstation
BS die Sendeleistung erhöht.
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Das
erste Ausführungsbeispiel
ist in 4 graphisch veranschaulicht.
Das Terminal UE sendet nach dem ALOHA-Verfahren eine Präambel auf
dem HS-PRACH mit einer initialen Leistungseinstellung. Der HS-PRACH
sei ein zusätzlicher
für die
Ran dom-Access-Datenübertragung
verwendeter Kanal zur Uplink-Datenübertragung
auf Basis einer neuen Unterrahmen-Struktur, um im Uplink Interferenzen
in der Zelle zu minimieren. Es basiert auf der in den 2 und 3 dargestellten Spezifikation des PRACH,
welche verbesserte Übertragungseigenschaften
aufweist.
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In
diesem Beispiel sei angenommen, dass UTRAN durch ein ACK auf dem
AICH zum definierten Zeitpunkt von τp–a =
1.5 Zugriffszeitschlitze eine Bestätigung sendet. Somit kann das
Terminal UE die eigentlichen Daten auf dem HS-PRACH zum definierten
Zeitpunkt von τp–m =
3 Zugriffszeitschlitze versenden. Das erste Datensegment 1 wird
mit einer aus der bei der Präambel
verwendeten Leistungseinstellung abgeleiteten Leistung gesendet.
In diesem Beispiel sei angenommen, dass UTRAN, einen gestörten Empfang
dieser Daten durch ein NACK auf dem HS-S-CCPCH bestätigt. Das
erste Datensegment 1 wird daher wiederholt. Dabei wird keine Änderung
in der Leistungseinstellung vorgenommen, da der "PowerUp Treshold" auf zwei eingestellt ist und somit
erst bei der zweiten Wiederholung eine Änderung der Sendeleistung erfolgt.
Auch das wiederholte Segment wird vom UTRAN durch ein NACK auf dem
HS-S-CCPCH negativ bestätigt.
Nun erfolgt bei der zweiten Wiederholung eine Leistungsänderung
nach dem Wert "PowerUp
Delta" PND um +3dBm.
Das gleiche Verfahren würde
auch bei dem Empfang des Standardwertes 0 erfolgen.
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In
diesem Beispiel würde
das Terminal UE bis zu maximal drei Wiederholungen des gleichen
Datensegmentes mit jeweils erhöhter
Leistung senden, da der Parameter "PowerUp Repeat" PUR hier auf drei eingestellt ist und
der Schwellwert "PowerUp
Treshold" PUT bereits
erreicht ist. Dabei wird die im Stand der Technik für den PRACH
definierten maximalen Leistung nicht überschritten.
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Der
weitere Verlauf des Ausführungsbeispiel
ist nicht mehr Bestandteil der 4.
Es sei angenommen, dass UTRAN nun den Empfang der zweiten Wiederholung
des Datensegments durch ein ACK auf dem HS-S-CCPCH bestätigt. Das
nächste
Datensegment kann bei gleichbleibender Leistungseinstellung gesendet werden.
Der Vorgang einer späteren
Absenkung der Sendeleistung wird in dem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
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Ausführungsbeispiel 2: Sendeleistungsabsenkung
bei Random Access-Übertragung
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Das
zweite Ausführungsbeispiel
ist in 5 graphisch dargestellt.
Wie in 4 ist auch hier
die Sendeleistung SP gegenüber
der Zeit aufgetragen, für
die Basistation BS sind wiederum HS-S-CCPCH und AICH aufgeführt, für das Terminal
UE der HS-PRACH.
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Wieder
sendet das Terminal UE nach dem ALOHA-Verfahren eine Präambel auf
dem HS-PRACH mit einer initialen Leistungseinstellung. In diesem
Beispiel sei ebenfalls angenommen, dass UTRAN durch ein ACK auf
dem AICH zum definierten Zeitpunkt eine Bestätigung sendet. Das Initialisierungs-Verfahren
weicht nicht von dem Standard ab, so dass der Fall eines nicht erfolgreichen
Sendens der Präambel
hier nicht weiter berücksichtigt
werden muss. Das Terminal UE kann wie im ersten Beispiel die eigentlichen
Daten auf dem HS-PRACH versenden. In diesem Beispiel sei angenommen,
dass UTRAN, den fehlerfreien Empfang des ersten Datensegments 1
durch ein ACK auf dem HS-S-CCPCH bestätigt.
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Die
Zeitdauer, welche das Senden des HS-PRACH Nachrichtenteils beansprucht,
ist mit HS-PRACH TTI bezeichnet.
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Das
zweite Datensegment 2 wird vom Terminal UE gesendet. Dabei wird
keine Änderung
in der Leistungseinstellung vorgenommen, da die "PowerDown Treshold" PDT auf zwei eingestellt ist und somit
erst nach zwei aufeinanderfolgend bestätigten Segmenten eine Änderung
der Sendeleistung in dem dritten Segment erfolgt. Auch der Empfang
des zweiten Segmentes wird von UTRAN durch ein ACK auf dem HS-S-CCPCH
bestätigt.
Nun erfolgt bei Senden des dritten Datensegmentes 3 eine Leistungsänderung
nach dem Wert "PowerDown
Delta" PDD um –3dBm. Die
nächste
Absenkung der Sendeleistung erfolgt nicht sofort im darauffolgenden
bestätigten
Datensegment 4, sondern erst nach erneutem Erreichen des Schwellwertes "PowerDown Treshold" PDT. Denkbar ist
noch eine minimale Sendeleistung einzuführen, die nicht unterschritten
weiter werden soll.
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Auch
wenn die vorliegende Erfindung insbesondere anhand von Beispielen
aus UMTS beschrieben wurde, so ist sie doch auch eine Vielzahl unterschiedlicher
Kommunikationssysteme und Kanäle
in ihnen anzuwenden. Als Hinweis auf die Einsatzbreite dienen auch
die Begriffsklärungen
unter Ziffer 1.
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Abkürzungen
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- ACK Acknowledgement
- AICH Acquisition Indicator Channel
- ASC Access Service Class
- BCH Broadcast Channel
- CCCH Common Control Channel
- CPICH Common Pilot Channel
- DCCH Dedicated Control Channel
- DL Downlink
- DPDCH Dedicated Physical Data Channel
- FBI Feedback Information
- FDD Frequency Division Duplex
- HS-PRACH High Speed PRACH
- HS-S-CCPCH High Speed S-CCPCH
- kbps kilo bits per second
- Mbps Mega bits per second
- Mcps Mega chips per second
- NACK Negative Acknowledgement
- PRACH Physical Random Access Channel
- QoS Quality of Service
- S-CCPCH Secondary Common Control Physical Channel
- SF Spreading Factor
- TDD Time Division Duplex
- TFCI Transport Format Combination Indicator
- TFL Transmission Frame Length
- TFS Transport Format Set
- TM Transparent Mode
- TPC Transmit Power Control
- TST Transmission Start Time
- TSTP Transmission Start Time Probability
- TTI Transmission Time Interval
- TX Transmit
- UE User Equipment
- UMTS Universal Mobile Telecommunications System
- UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network
