DE19700303A1 - Funkübertragungsverfahren für digitale Multimediatensignale zwischen Teilnehmerstationen in einem lokalen Netz - Google Patents
Funkübertragungsverfahren für digitale Multimediatensignale zwischen Teilnehmerstationen in einem lokalen NetzInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Funkübertragungsverfahren
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Informationsübermittlung zwischen der stark ansteigenden
Zahl von Multimedia-Endgeräten, beispielsweise Fernsehemp
fänger (tragbare oder stationäre TV-Empfänger) Videorecor
der, Rechner (ortsfeste Personalcomputer oder tragbare Lap-
Tops), persönliche Digital-Assistenten (PDA = Personal Digi
tal-Assistants), Schnurlostelefone, Alarmsysteme usw., in
einem lokalen Netz (LAN, Local Area Network), z. B. in einem
Inhausnetz (Indoor-Network), und deren Durchführung sowie
Organisation haben neuartige lokale Netze zur Folge.
Darüber hinaus ist es zur Vermeidung einer eigenen Verkabe
lung wünschenswert, daß diese lokalen Netze drahtlos über
Hochfrequenz (HF)-Funkverbindungen arbeiten. Außerdem emp
fängt jedes dieser Endgeräte noch von außen unterschiedliche
Arten von Signalen, die wiederum aus verschiedenen Netzen
stammen. Dadurch ergibt sich die Tatsache, daß ein lokales
Netz mit unterschiedlichsten Datenraten umzugehen hat. So
kann beispielsweise beim digitalen Fernsehen (DVB, Digital
Video Broadcasting) die Datenrate pro Programm bis zu
6 MBit/s oder im Falle des hochauflösenden Fernsehens HDTV
(High Definition Television) sogar bis zu 24 MBit/s betra
gen. Demgegenüber beläuft sich die Datenrate des über eine
Telefonleitung ablaufenden ISDN-Dienstes nur auf 128 kBit/s.
Für einen Datentransfer zwischen zwei Rechnern werden z. B. 2
MBit/s benötigt.
Ein Beispiel für digitale Dienste mit verschiedenen Datenra
ten innerhalb eines Hauses oder innerhalb einer Wohnung,
also einem Verband (sogenanntes Cluster) verschiedenartig
ster Teilnehmerstationen, ist in Tabelle 1 angegeben. Die
insgesamt zu bewältigende Datenrate, die sich aus den ver
schiedenen Datenraten mehrerer digitaler Dienste mit unter
schiedlichen Datenraten zusammensetzt, ist ebenfalls in der
nachfolgenden Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1
Die gesamte Datenrate innerhalb eines Clusters kann also
etwa 25 MBit/s betragen. Ein künftiges lokales Inhaus
(Indoor)-Funknetz-System sollte also in der Lage sein,
innerhalb eines Clusters solche hohe Datenraten zu
übertragen.
Als HF-Verbindung kommen beispielsweise die sogenannten
ISM(Industrial Scientific and Medical)-Bänder in Betracht,
die bei Frequenzen in den 2,4/5,8 GHz-Bereichen liegen. Die
ISM-Bänder mit einer Trägerfrequenz 2,4 bis 2,4835 GHz
(bzw. 5,725 bis 5,875 GHz) haben eine Bandbreite von
83,5 MHz (bzw. 150 MHz). Ihr Hauptvorteil ist darin zu se
hen, daß ein ausreichender Indoor-Überdeckungsbereich mit
geringem Aufwand an HF-Teilen der Sender/Empfänger erreicht
werden kann. Bei den ISM-Bändern läßt sich auch jede Art von
Modulationstechnik und jedes beliebige Vielfachzugriffssche
ma anwenden. Es gibt auch keine spezifischen Empfehlungen
oder Vorschriften hinsichtlich der einzuhaltenden Kanalab
stände. Die Sendeantenne kann integriert ausgeführt werden;
soll an einem festgelegten Ort empfangen werden, so kann
aber ebenso eine Richtantenne zum Senden eingesetzt werden.
Die für Indoor-Kommunikation verwendeten ISM-Bänder leiden
aber genauso wie andere ähnliche Frequenzen an Mehrwegeaus
breitungen (aufgrund von Reflexionen, Streuungen und Beugun
gen), an Dopplerverschiebungen und an Störungen. Der untere
Bereich des ersten Bandes bei 2,4 GHz wird auch für Funkama
teurzwecke benutzt, was eine starke Störung in einem lokalen
Indoor-Netz hervorrufen kann. Darüber hinaus können auch
Mikrowellenherde eine zusätzliche Störung im Übertragungska
nal verursachen.
Die Laufzeitspanne von Inhaus(Indoor)-Kanälen in mittelgro
ßen Räumen liegt zwischen 20 und 65 ns. Aufgrund von Umge
bungsbewegungen treten Dopplerverschiebungen auf, die bei
den verschiedenen Funkfrequenzen unterschiedlich groß aus
fallen (z. B. ca. 10 bis 17 Hz bei 2,4 GHz und ca. 20 bis
35 Hz bei 5,8 GHz). Außer Mehrwegeausbreitungen und Schwund
erscheinungen (Fading) können in den in Betracht kommenden
Frequenzbändern auch starke Störungen auftreten. Diese Stö
rungen entstammen - wie bereits erwähnt wurde - hauptsäch
lich dem Amateurfunk bis etwa 50 dBm Sendeleistung und
Mikrowellengeräten (Mikrowellenherde). Außerdem können aus
benachbarten, im gleichen Frequenzband arbeitenden Netzen
stammende Gleichkanal-Störungen (CCI, Co-channel Interfe
rence) ebenfalls die Systemleistungsfähigkeit herabsetzen.
Zur Bekämpfung der erwähnten Kanalstörungen lassen sich in
lokalen Netzen, z. B. Indoor-Netzen, Breitband-Systeme mit
Bandspreiztechnik (Spread-Spectrum) und Rake-Receiver oder
aber Schmalband-Systeme mit Entzerrer verwenden. Ein Breit
band-System mit Spread-Spectrum erfordert eine sehr große
Bandbreite. Jedes Informationssymbol wird mit einem
PN(Pseudonoise)-Code gespreizt. Das Spread-Spectrum kann in
bekannter Weise entweder auf dem Direkt-Sequenz-Verfahren
(DS-SS, Direct Sequence-Spread Spectrum) oder auf dem Fre
quenzsprung-Verfahren (FH-SS, Frequency Hopping-Spread
Spectrum) beruhen.
Im Falle des Direkt-Sequenz-Verfahrens muß der Empfänger
alle empfangenen Signalpfade über einen Rake-Empfänger auf
lösen. Der Vielfachzugriff läßt sich auch durch Verwendung
verschiedener, jeweils einem Teilnehmer im Netz zugeordneter
Spreizcodes ausführen. Bei der bekannten US-Norm IEEE.802.11
wird ein Spread-Spectrum mit DS-SS oder FH-SS eingesetzt.
Im Falle von DS-SS wird die verfügbare ISM-Bandbreite zu
nächst in äquidistante Kanäle von 10 MHz Bandbreite aufge
teilt. Jedes Informationsbit wird durch einen PN-Code mit
einem Spreizfaktor von 10 gespreizt. Zur Modulation werden
die differentielle BPSK(Binäre Phasenumtastung, Binary Phase
Shift Keying)-Modulation oder die differentielle
QPSK(Vierphasenumtastung, Quadrature Phase Shift Keying)-Mo
dulation verwendet.
Im Falle von FH-SS werden aber 79 Frequenzen jeweils mit
einer Bandbreite von 1 MHz benutzt. Die minimale Frequenz
sprungrate (Frequenzwechsel) beträgt 2,5 Sprünge/s. Insge
samt existieren 22 PN-Codes zum Wechseln. Die Modulation be
ruht auf 2- oder 4-Zustands-GFSK(Gaussian Frequency Shift
Keying). Die maximale Datenrate beträgt für beide Systeme
nur 2 MBit/s. Weder DS-SS- noch FH-SS-Systeme verwenden eine
Kanalcodierung in der physikalischen Schicht der US-Norm
IEEE.802.11.
Die zweite bekannte Möglichkeit zur Bekämpfung von Störungen
eines Indoor-Kanals besteht in der Benutzung von Schmalband-
Kanälen mit optionaler Entzerrung. Die Bandbreite jedes Ka
nals ist dabei proportional zu der zu übertragenden Daten
rate zu halten. Der Vielfachzugriff kann auf FDMA (Frequency
Division Multiple Access, Frequenzmultiplex), TDMA (Time Di
vision Multiple Access, Zeitmultiplex) oder einer Kombination
von TDMA und FDMA beruhen.
Ein solches Konzept wird beim sogenannten DECT(Digital Euro
pean Cordless Telecommunication)-Standard und auch beim Hi
perlan-Standard (ETS 300 652) benutzt. Das DECT-System ver
wendet Trägerfrequenzen von 1,88 bis 1,9 GHz mit einem Ka
nalabstand von 1,728 MHz unter Einsatz der TDMA-Multiplex
technik. Eine Kombination von FDMA/TDMA wird als Vielfachzu
griffsverfahren verwendet, wobei das Zeitduplexsystem zwi
schen dem Schnurlosempfänger und der Basisstation benutzt
wird. Zur Kanalcodierung wird nur der CRC-Code verwendet.
Der Audiokanal mit ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code
Modulation)-Kompression hat eine Datenrate von 32 kBit/s
(Sprachcodierung). Die Modulation beruht auf der sogenannten
GFSK-Modulationsweise, was eine Gesamtdatenrate von
1,152 MBit/s ergibt. Aufgrund der Übertragung mit niedriger
Datenrate ist für das DECT-System eine Entzerrung optional.
Beim Hiperlan-Sytem werden Trägerfrequenzen von 5,15 bis
5,29 GHz verwendet. Die verfügbare Bandbreite wird in fünf
Bänder von etwa 23.5 MHz aufgeteilt. In diesem System wird
eine Übertragung mit hoher Datenrate (23,5 MBit/s) und mit
mittlerer Datenrate (1,47 MBit/s) angeboten. Der Vielfachzu
griff beruht auf dem TDMA-Verfahren. Als Modulationsverfah
ren wird bei Übertragung mit hoher Datenrate GMSK (Gaussian
Minimum Shift Keying) und bei Übertragung mit mittlerer Da
tenrate FSK (Frequency Shift Keying) benutzt. Für die Ka
nalcodierung wird der BCH(31,26,3)-Code mit Zeitverschachte
lung benutzt, was die Korrektur eines Einzelbits (oder die
Detektion von zwei Bitfehlern) ermöglicht. Wegen der hohen
Datenrate wird bei diesem System ein Entzerrer verwendet, um
die Auswirkungen von Intersymbolinterferenzen (151,
Intersymbol Interference) zu minimieren.
Mit Ausnahme des DECT-Standards sind die vorhandenen Stan
dards grundsätzlich zur Datenübertragung vorgesehen. Da die
Laufzeit bei der Datenübertragung kein kritischer Punkt ist,
werden zur Erzielung einer zuverlässigen Übertragung gewöhn
lich die ARQ(Automatic Request, Automatische Rückfrage)-Pro
tokolle benutzt. Deswegen werden für diese Standards übli
cherweise nur eine Fehlerdetektion oder ein sehr einfacher
Fehlerkorrekturcode verwendet.
Das im bereits erwähnten US-Standard IEEE.802.11 angewandte
Konzept erlaubt keine höhere Datenrate als 2 MBit/s pro Ka
nal. Werden beispielsweise alle verfügbaren Kanäle benutzt,
so überschreitet die gesamte Datenrate nicht 14 MBit/s. Dar
über hinaus ist es mit diesem Konzept schwierig, eine varia
ble Datenrate zu erreichen. Wenn die von Funkamateurgeräten
oder Mikrowellenherden ausgehende Störleistung sehr hoch
ist, können ein oder mehrere Kanäle von 10 MHz Bandbreite
(im Falle von DS-SS-Systemen) für die Datenübertragung nicht
benutzt werden, was zu einer starken Verringerung der vor
handenen Ressourcen führt.
Das grundsätzlich für den Telefondienst ausgelegte DECT-Sy
stem gestattet weder die Übertragung hoher Datenraten noch
die Übertragung variabler Datenraten. Die maximale Datenrate
pro 1,728 MHz-Kanal ist auf 1,152 MBit/s begrenzt, was einer
Anwendung bei den hier in Betracht kommenden Indoor-Übertra
gungssystemen entgegensteht. Darüber hinaus ist die beim
DECT-System verwendete Netztopologie eine Zentraltopologie,
d. h. es wird eine Basisstation zur Koordinierung aller akti
ven Teilnehmer innerhalb des Netzes benötigt. Die Kommunika
tion zwischen zwei Teilnehmern innerhalb des Netzes verläuft
über eine Basisstation, was bei einem Einsatz in einem hier
in Betracht kommenden Indoor-Übertragungssystem eine sehr
niedrige spektrale Effizienz (geringe Gesamtdatenraten aller
aktiven Teilnehmerstationen) ergibt. Das Vorhandensein einer
Basisstation ist auch aus wirtschaftlichen Gründen ungün
stig.
Außerdem ist das Bitfehlerratenziel beim DECT-System erheb
lich höher als dies bei einer Videoübertragung erforderlich
ist. Die beim DECT-System vorhandene hohe Flexibilität läßt
sich bei Diensten mit hoher Datenrate nur sehr schwer len
ken. Ein Sprachkanal benötigt nur 32 kBit/s. Insgesamt gibt
es 120 für Sprachkanäle verfügbare Frequenz- und Zeit
schlitze. Deswegen ist die Wahrscheinlichkeit, daß alle Fre
quenzen in den Nachbarhäusern oder -wohnungen benutzt wer
den, sehr gering.
Somit werden keine vorher zugeteilten Frequenz- oder Zeit
schlitze benötigt. Es ist jedoch schwierig, diese Strategie
für Anwendungen mit hohen Datenraten (mehr als 25 MBit/s),
wie bei den hier in Betracht kommenden Indoor-Systemen, zu
übernehmen, da die Anzahl solcher Kanäle in der 15M-Band
breite oder in ähnlichen Bändern viel niedriger sein wird.
Das Hiperlan-System läßt zwar eine Übertragung mit hoher Da
tenrate zu, jedoch nicht eine Übertragung mit einer Daten
rate, die niedriger als 1,47 MBit/s ist, was für den ISDN-
Übertragungsfall beispielsweise bedeutet, daß ISDN-Signale
nicht effizient übertragen werden können, da dort eine
weitaus niedrigere Übertragungsdatenrate, nämlich von
128 kBit/s besteht. Die beim Hiperlan-System benutzte nied
rige Fehlerkorrektur-Kapazität der Kanalcodierung ist für
eine Video-Übertragung nicht angemessen.
Darüber hinaus müssen im Falle von Hochleistungsstörungen
ein oder mehrere Kanäle jeweils mit einer Bandbreite von
23,5 MHz ausgeschieden werden, was die spektrale Effizienz
des Gesamtsystems drastisch reduziert. Das Hiperlan-System
benutzt eine Zeitverschachtelung, was an sich den Vorteil
hat, daß die Statistiken von Fehlern am Eingang des Kanal-
Decodierers dekorreliert werden. Der Nachteil jeglicher Ver
schachtelung besteht jedoch in ihrer zusätzlichen Laufzeit,
die für interaktive Dienste wie Videophonie, Telefon usw.
ungeeignet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Funkübertra
gungsverfahren für breitbandige digitale Multimediadaten
dienste, z. B. Digitalfernsehen, Sprache, Daten, zwischen
Teilnehmerstationen in einem lokalen Netz, insbesondere in
einem Indoor-Funknetz, unter Einsatz einer völlig dezentra
lisierten, verteilten Systemtopologie zu schaffen, bei der
jede Teilnehmerstation direkt mit jeder beliebigen anderen
Teilnehmerstation im Netz kommunizieren kann, wobei die
große Spannweite der unterschiedlichen Übertragungsdatenra
ten (von einigen kBit/s bis zu mehreren MBit/s) der ver
schiedenen Dienste vollständig erfaßt wird und ein geeigne
tes Vielfachzugriffsverfahren mit robuster Kanalcodierung,
Modulation und Synchronisierungseinrichtung gewählt wird.
Die Qualitätsanforderungen (Bitfehlerrate geringer als 10⁻10
im Falle einer Videoübertragung und weniger als 10⁻3 für
Sprache sowie niedrige Laufzeit von etwa 10 ms), die an die
verschiedenen Dienste gestellt werden, sollen auch bei der
Übertragung im lokalen Netz voll erhalten bleiben. Dabei
soll der Einsatz von Sendern/Empfängern mit niedrigem Auf
wand und geringer Komplexität möglich sein. Darüber hinaus
soll eine hohe Flexibilität bezüglich der Frequenzplanung
und beim Funkressourcen-Management erreicht werden.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem gattungsge
mäßen Funkübertragungsverfahren durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Zweckmäßige Weiterbildungen des Funkübertragungsverfahrens
nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird das Funkübertragungsverfahren gemäß der Er
findung im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in Blockschaltbildform ein allgemeines Konzept für
ein System zur Durchführung des Funkübertragungsver
fahrens gemäß der Erfindung;
Fig. 2 das Blockschaltbild eines Senders im System nach Fig. 1
Fig. 3 das Blockschaltbild eines Empfängers im System nach
Fig. 1;
Fig. 4 in einem Diagramm die Frequenzbandaufteilung bei FDMA-
Vielfachzugriff;
Fig. 5 in einem Diagramm die Organisation in einem TDMA-Zeit
schlitz (Slot);
Fig. 6 in einem Diagramm eine Ausführungsmöglichkeit eines
Rahmens mit beispielsweise 100 TDMA-Zeitschlitzen;
Fig. 7 den strukturellen Aufbau eines Rahmens im einzelnen,
Fig. 8 in einem Diagramm die Organisationsstruktur in einem
Unterschlitz (Sub-Slot);
Fig. 9 in einem Flußdiagramm ein Beispiel für die Strategie
bei der Initialisierung einer Kommunikationsverbindung
für die Sendeseite;
Fig. 10 in einem Flußdiagramm ein Beispiel für die Strategie
bei der Initialisierung einer Kommunikationsverbindung
für die Empfangsseite, und
Fig. 11 ein Beispiel für ein Kanalschema, das oben Hauptka
näle und darunter einen daraus ausgewählten Hauptkanal
mit einer Vielzahl von symbolisch jeweils als Kästchen
dargestellten Zeitmultiplex(TDMA)-Rahmen enthält.
Ein allgemeines Konzept für ein System zur Durchführung des
Funkübertragungsverfahrens nach der Erfindung ist in Fig. 1
dargestellt. Wesentlich ist, daß jede Teilnehmerstation mit
anderen Teilnehmerstationen unabhängig kommuniziert, d. h.
ohne Zwischenschaltung einer Basisstation. Die Teilnehmer
station Ui empfängt mit ihrem Empfänger RX alle von den Sen
dern TX der Teilnehmerstationen U1 . . . UN ausgesendeten und
über die Übertragungskanäle CH1 . . . CHN übertragenen Signale,
wobei aus den empfangenen Signalen jede Teilnehmerstation
ihre eigenen Informationen entnimmt.
Das Blockschaltbild des Senders TX der Teilnehmerstation Ui
im System nach Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Der Sender
weist eine Signalquelle 1, einen Kanalcodierer 2, eine aus
einem Zeitschlitzauswähler 3 und einem Paketformatierer 4
bestehende Multiplexeinrichtung, eine Modulations- und Fil
tereinrichtung 5 sowie ein Frontend 6 auf, von dem die Sen
designale über eine Antenne in den freien Raum ausgesendet
werden. Der Zeitschlitzauswähler 3 und ein das Frontend 6
steuernder Trägerfrequenzauswähler 7 werden vom zugehörigen
Empfänger RX kontrolliert, was später noch im einzelnen be
schrieben wird.
Das Blockschaltbild des Empfängers RX der Teilnehmerstation
Ui im System nach Fig. 1 ist in Fig. 3 dargestellt. Grund
sätzlich werden dort die inversen Operationen zum Sender TX
nach Fig. 2 ausgeführt. Die über eine Antenne empfangenen
Signale gelangen über ein Frontend 8, eine Demodulations-,
Filter-, Synchronisierungs- und Entzerrungseinrichtung 9 und
einem Kanaldecodierer 10 zu einem Quellensignaldecodierer
11. Eine Steuereinheit 12 steuert das Frontend 8 bezüglich
der Trägerfrequenz und die Einrichtung 9 bezüglich des Zeit
schlitzes. Die Signale zur Kontrolle des zugehörigen Sen
ders, der in Fig. 2 dargestellt ist, werden aus dem Empfän
ger über Einrichtungen 13 und 14 abgeleitet, was später noch
im einzelnen hinsichtlich der Funktionen im einzelnen be
schrieben wird.
Beim Funkübertragungsverfahren nach der Erfindung wird eine
Kombination von FDMA mit TDMA verwendet. Die gesamte verfüg
bare Bandbreite wird entsprechend einer FDMA-Einstellung in
mehrere äquidistante Bänder aufgeteilt. Jedem Cluster wird
der Gebrauch nur eines oder zwei dieser Bänder gestattet.
Somit sind die Cluster nur durch verschiedene Frequenzen ge
trennt. Dann wird schließlich die TDMA-Technik bei jedem
dieser Bänder eingesetzt, um das Spektrum zwischen verschie
denen Teilnehmerstationen aufzuteilen.
Der Zugriff auf das Netz ist zufällig. Jedoch hat jede der
Teilnehmerstationen ihre spezifische Adresse innerhalb des
aus mehreren Zeitschlitzen bestehenden TDMA-Rahmens. Ent
sprechend der Datenrate ist jede Teilnehmerstation einem
oder mehreren Zeitschlitzen zugeteilt. Die Möglichkeit einer
Übertragung mit variabler Datenrate ist somit einfach.
Die freien Zeitschlitze der verschiedenen Frequenzen werden
aufgrund der Informationen bezüglich des Carrier Sensing
(der Trägerabtastung (wie später noch ausgeführt wird)) und
dem Steuersignal in der Einrichtung 13 (Fig. 3) detektiert.
Ein in Fig. 2 dargestellter Sender wird im folgenden noch
genauer erläutert. Zum Schutz der ausgesendeten Daten gegen
Kanalbeeinflussungen wird der ausgesendeten Nachricht mit
Hilfe des Kanalcodierers 2 eine Redundanz hinzugefügt. Die
Wahl der Kanalcodierung hängt von der Bitfehlerrate ab, die
für einen gegebenen Dienst und eine Sendeleistung gewährlei
stet wird. Darüber hinaus ist auch die Komplexität der emp
fangsseitig durchzuführenden Kanaldecodierung ein entschei
dender Parameter für diese Wahl.
Die Kommunikationen im lokalen Netz betreffen verschiedene
Dienste, z. B. Audio/Sprache, Daten und Video. Die geforderte
Bitfehlerraten für diese Dienste sind ganz unterschiedlich.
Beispielsweise beträgt die Bitfehlerrate (BER) für Sprach
dienste etwa BER≦10⁻3. Die Bitfehlerrate für Datenübertragung
liegt in der Größenordnung von BER≦10⁻6. Die Bitfehlerrate
für Videoübertragung erfordert dagegen eine sehr niedrige
Bitfehlerrate BER≦10⁻10. Darüber hinaus wäre zur Maximierung
der Kompatibilität mit den DVB-Standards für die Kanalcodie
rung der Gebrauch eines einfachen, aber wirksamen Reed-Solo
mon-Codes RS(204,188,17) eine gute Wahl. Reed-Solomon-Codes
sind bei der Korrektur von Fehlerbursts sehr wirkungsvoll.
Darüber hinaus ist die Indoor-Kanalzustandsänderung sehr
langsam, weswegen die Zeitverschachtelung nicht sehr wirksam
ist.
Außerdem wird im dargestellten Ausführungsbeispiel die Zeit
verschachtelung aufgrund des Laufzeitzwangs (nicht mehr als
10 ms) nicht mehr weiter betrachtet. Für laufzeitunempfind
liche Anwendungen, wie z. B. Datentransfer, kann der Einsatz
einer Zeitverschachtelung jedoch optional sein. Aus einem
späteren Teil der Beschreibung im Zusammenhang mit der Rah
menstruktur wird noch ersichtlich, daß im Falle der QPSK-Mo
dulation (bzw. 16-QAM) ein Reed-Solomon-Codewort exakt einem
Zeitschlitz (bzw. einem Viertel (1/4) eines Zeitschlitzes)
entspricht. Diese Tatsache stellt die Kompatibilität mit dem
MPEG(Moving Picture Expert Group)-Transport-Paket-Format für
digitale Videosignale sicher.
In einer Indoor-Umgebung ist die Tatsache zu berücksichti
gen, daß benachbarte Häuser/Wohnungen oder Cluster am glei
chen Gesamtspektrum teilhaben. Deswegen ist auf Störungen
zwischen solchen benachbarten Einheiten Rücksicht zu nehmen
oder es muß versucht werden, sie zu vermeiden. Darüber hin
aus leiden die ISM-Bänder oder vergleichbare Bänder, wie be
reits ausgeführt worden ist, unter dem Vorhandensein von
Hochleistungs-Schmalband-Störungen, die von Funkamateurdien
sten hervorgerufen werden. Um diesen Schwierigkeiten zu be
gegnen, wird beim Funkübertragungsverfahren nach der Erfin
dung eine Kombination von FDMA mit TDMA benutzt. Die gesamte
Bandbreite wird gemäß einer FDMA-Einstellung in mehrere
äquidistante Bandbreiten von 10,4375 MHz aufgeteilt. In je
dem Cluster darf (dürfen) nur eine einzige (oder zwei) die
ser Bandbreiten benutzt werden. Somit sind die Cluster durch
verschiedene Frequenzen getrennt. Schließlich wird bei jedem
dieser Bänder, jedoch nur innerhalb eines Clusters, die
TDMA-Vielfachzugriffstechnik angewandt.
Mit einem sehr einfachen TDMA/FDMA-Schema läßt sich jedem
Haus/jeder Wohnung ein unterschiedliches Trägerband und Re-
Use-Frequenzen zuteilen. Beispielsweise können acht ver
schiedene Frequenzbänder genügen, um eine ausreichende Tren
nung zu erreichen.
Die FDMA-Technik erlaubt viele Cluster zur Teilhabe an der
gesamten ISM-Übertragungsbandbreite. Die gesamte 83.5 MHz-
Bandbreite beim 2,4 GHz-ISM-Band (bzw. beim 5,8 GHz-ISM-Band
aus 150 MHz 146,125 MHz-Bandbreite) wird in 8 (bzw. 14) Bän
der aufgeteilt. Diese Bandaufteilung ist für den Fall des
2,4 GHz-ISM-Bandes in Fig. 4 in einem Diagramm dargestellt.
Jedes Cluster wird einem dieser Bänder zugeteilt (im Falle
von 150 MHz jedoch kann ein Cluster zwei Bänder benutzen).
Jedes Band wird durch ein Schutz(Guard)-Band von 0,4375 MHz
getrennt, wobei 10 MHz zur Datenübertragung innerhalb eines
Clusters benutzt werden.
Zeitmultiplex (TDMA) wird als Vielfachzugriffstechnik inner
halb jedes Clusters und Bands verwendet. Es gestattet vielen
Teilnehmerstationen die Teilnahme innerhalb eines Clusters,
wobei jede Teilnehmerstation das Medium für eine Zeitperiode
benutzen darf. Längere Nachrichten werden in Paketen organi
siert, die in spezifischen Zeitschlitzen gesendet werden.
Die Grundvoraussetzung besteht darin, daß jede Teilnehmer
station mit jeder anderen Teilnehmerstation innerhalb eines
Clusters ohne Benutzung einer Basisstation kommunizieren
kann.
Es kann eine Punkt-zu-Punkt- oder eine Punkt-zu-Mehr
punkt(Rundfunk)-Kommunikation bestehen, wobei auch das
ARQ-Protokoll bei ersterer angewandt werden kann (optional). Je
des Paket liegt hierbei in einem Zeitschlitz. Die Zeit
schlitzpositionen sind dem Empfänger und dem Sender bekannt.
Der Zeitschlitztakt läßt sich von jeder der aktiven Teilneh
merstationen steuern und zwar in Abhängigkeit davon, welche
Teilnehmerstation zuerst auf dem Clear-Kanal zu senden be
gonnen hat, d. h. die Zeitschlitzstruktur wird von der ersten
den Kanal benutzenden Teilnehmerstation bestimmt und von je
der beliebigen anderen Teilnehmerstation, die dazukommen
möchte, befolgt.
In Fig. 6 ist in einem Diagramm eine Ausführungsmöglichkeit
eines Rahmens mit z. B. 100 TDMA-Zeitschlitzen dargestellt.
Die Rahmenstruktur wird auch von der ersten Teilnehmersta
tion festgelegt. Jedes Paket belegt einen Zeitschlitz. Bei
spielsweise können 816 modulierte Symbole pro Paket zusam
mengefaßt sein.
Wie Fig. 5 in einem Organisationsdiagramm zeigt, enthält je
der gesendete Zeitschlitz zwischen zwei Datenteilen eine
Mittambel, die der Kanalschätzung, Entzerrung und Synchroni
sation dient. Der Zeitschlitz endet mit der sogenannten
Schutz(Guard)-Zeit Tg, die keinerlei Information enthält.
In Fig. 7 ist der strukturelle Aufbau eines Rahmenbeispiels
im einzelnen dargestellt. Jeder TDMA-Rahmen hat eine Dauer
von 10,32 ms und besteht aus 100 Zeitschlitzen mit jeweils
einer Dauer von 103,2 µs. Die ersten vier Zeitschlitze ent
halten Kontrollsignale. Jeder Kontroll-Zeitschlitz umfaßt 4
Kontrollsignale, was maximal 16 Kontrollsignale gestattet.
Jedes Kontrollsignal entspricht einer aktiven Teilnehmersta
tion innerhalb eines Clusters (aktiv bedeutet dabei Empfan
gen oder Senden oder beides; dies hängt von der Anwendung
ab, ob Rundfunk oder Punkt-zu-Punkt-Betrieb). Insgesamt dür
fen also 16 aktive Teilnehmerstationen innerhalb eines Clu
sters kommunizieren.
Jeder Zeitschlitz besteht aus drei verschiedenen Teilen,
nämlich den Daten, der Mittambel und der informationsfreien
Schutz(Guard)-Zeit Tg. Sämtliche 816 Datensymbole (oder ein
Paket) werden in 2×408 (jeweilige Dauer 48,96 µs) Symbole
aufgeteilt und vor sowie nach der Mittambel innerhalb eines
Zeitschlitzes gesendet. Die Mittambel besteht aus 20 Symbo
len von der Dauer 2,4 µs. Jeder Zeitschlitz wird mit einer
Schutz(Guard)-Zeit Tg von der Dauer 2,88 µs (oder 24 Symbolen)
abgeschlossen. Die Dauer der Schutz-Zeit Tg hängt von der
maximalen Echolänge und sowohl von der Ein/Ausschaltzeit des
Oszillators als auch von den Taktgenauigkeiten ab.
Es können bis zu acht verschiedene Sequenzen als Mittambel
gewählt werden, wobei jeweils eine der sogenannten Trai
ningssequenzen jeweils einer Frequenz zugeteilt wird. Jede
Trainingssequenz besteht aus 20 Symbolen. Aus diesen 20 Sym
bolen werden lediglich die 16 mittleren zur Kanalschätzung
benutzt. Die verbleibenden 4 Symbole (zwei am Anfang, zwei
am Ende) werden zur Echoauflösung verwendet. Diese 16 Sym
bole haben sehr gute Kreuz- und Autokorrelationseigenschaf
ten. Im folgenden sind in einer Tabelle 2 die verschiedenen
als Mittambel verwendeten Trainingssequenzen dargestellt.
Tabelle 2
Die Übertragung mit variabler Datenrate wird durch Zuteilung
einer unterschiedlichen Anzahl von Zeitschlitzen pro Dienst
unterstützt. Für Anwendungen mit niedriger Datenrate werden
ein oder zwei Schlitze pro Rahmen benutzt. Für Anwendungen
mit höherer Datenrate jedoch wird eine größere Anzahl von
Zeitschlitzen pro Rahmen zugeteilt. Die nachfolgende Tabelle
3 zeigt die sich ergebende Datenrate in bezug auf die Anzahl
von Zeitschlitzen pro Rahmen im Falle der Verwendung einer
QPSK- und 16-QAM(Quadratur Amplitudenmodulation)-Modulation
mit einem Roll-off-Faktor von α = 0,2. Wie Tabelle 3 zeigt,
beträgt die niedrigste Datenrate (1 Zeitschlitz pro Rahmen)
etwa 145 kBit/s, wogegen sich die maximale Datenrate auf
etwa 28 MBit/s beläuft (alle Zeitschlitze pro Rahmen).
Tabelle 3
Die Kontrollsignale werden zusammen mit der Technik des Car
rier Sensing zur Detektion freier Zeitschlitze und Frequen
zen benutzt. Darüber hinaus werden sie zur Auflösung von
Kollisionskonflikten und zur Initialisierung einer Kommuni
kationsverbindung verwendet. Die in diesen Signalen enthal
tenen Informationen bestehen aus der Clusteridentitätsnum
mer, welcher die aktive Teilnehmerstation angehört, der Pa
ketzieladresse, dem ersten für alle weiteren Sendungen zu
benutzenden Zeitschlitz und noch aus anderen Anweisungen.
Insgesamt stehen 16 Kontrollsignale zur Verfügung. Jede ak
tive Teilnehmerstation muß in der Lage sein, die Kontrollsi
gnale des benachbarten Clusters zu detektieren, um Frequenz
kollisionen zu vermeiden.
Ein Beispiel für eine Organisation der Kontrollsignale wird
nachfolgend angegeben:
- - Clusteridentität: 32 Bits
- - Terminalidentitätsnummer: 6 Bits
- - Zieladressenendgeräteidentität: 6 Bits
- - Senden/Empfangen/Rundfunk: 2 Bits
- - Nummer des ersten Schlitzes: 7 Bits
- - Rückmeldung: 4 Bits
- - Andere Zwecke: 25 Bits.
Da die Informationen, welche die Kontrollsignale enthalten,
die wichtigsten sind, müssen sie stark geschützt werden. In
vorteilhafter Weise kann man deswegen den Kontrollkanal so
auslegen, daß die Kontrollsignale effektiv um mehrere dB an
gehoben und damit leistungseffektiver sind als die
eigentlichen Daten.
Die hier vorgeschlagene Lösung beruht auf einer leistungsfä
higen Kanalcodierung. Die gesamten 82 Kontroll-Informations
bits pro Zeitschlitz jeder Teilnehmerstation werden mit
einem Rate 1/4-Faltungscode mit 8 Zuständen codiert. Für die
Trellis-Terminierung werden 3 Bits benötigt. Die 340 codier
ten Bits werden mit einer QPSK-Modulation moduliert, was 170
modulierte Symbole ergibt. Diese modulierten Symbole werden
einem Unter-Zeitschlitz (Sub-Slot) der Dauer 25,8 µs zugewie
sen.
Die Struktur eines solchen Unter-Zeitschlitzes ist in einem
Diagramm in Fig. 8 dargestellt. Jeder Unter-Zeitschlitz
weist eine 2,4 µs lange Mittambel (20 Symbole) und eine
Schutz(Guard)-Zeit von 3 µs (25 Symbole) auf. Es ist noch zu
erwähnen, daß ein gleichzeitiger Sende/Empfang auf seiten
einer Teilnehmerstation nicht möglich ist. Deswegen erhält
jede Teilnehmerstation einen Unter-Zeitschlitz für sich
selbst. Keine andere Teilnehmerstation sonst kann diesen Un
ter-Zeitschlitz benutzen, da sonst die beiden Teilnehmersta
tionen gegenseitig das jeweils andere Kontrollsignal nicht
hören können.
Nach der Kanalcodierung wird der codierte Datenstrom im Sen
der moduliert. Die Aufgabe des Modulators in der Modulati
ons- und Filtereinrichtung 5 (vgl. Fig. 2) besteht darin,
das digitale Signal nach der Kanalcodierung an das Übertra
gungsmedium anzupassen. Darum ist eine geeignete Wahl der
Modulation vorzunehmen, wobei die Übertragungskanaleigen
schaften, die spektrale Wirksamkeit, die ausgesendete Lei
stung und die Empfängerkomplexität zu berücksichtigen sind.
Als Modulationsverfahren läßt sich vorteilhaft eine QPSK-Mo
dulation ausführen. Für eine Übertragung mit hoher Daten
rate, z. B. für die Übertragung digitaler Videosignale,
könnte eine Modulationsform von höherer Ordnung, z. B.
16-QAM, nötig werden. Die Informationsabbildung (Mapping)
beruht z. B. auf dem Gray-Mapping. Darüber hinaus hängt die
Wahl dieser Modulationen vom Überdeckungsraum ab. Für einen
mäßig großen Überdeckungsraum (1 Wand mit 30 m Abstand oder
zwei Wände mit 10 m Abstand) wird beispielsweise die 16-QAM-
Modulation verwendet.
Für größere Überdeckungsräume (zwei Wände mit 30 m Abstand)
wird dagegen die QPSK-Modulation benutzt. Die Entscheidung
bezüglich der Wahl von QPSK- oder 16-QAM-Modulation wird in
zweckmäßiger Weise bei der ersten Verbindungserstellung zwi
schen zwei Endgeräten getroffen. Die 16-QAM-Modulation wird
zuerst gewählt. Wenn der Sender eine Quittung vom Empfänger
empfängt, kann die 16-QAM-Modulation fortgeführt werden. An
dernfalls wird für die weitere Sendung die QPSK-Modulation
gewählt.
Die Filter zur Impulsformung in der Modulations- und Filter
einrichtung 5 des Senders (Fig. 2) und in der Einrichtung 9
im Empfänger (Fig. 3) sind beide Cosinus2-Filter mit einem
Roll-off-Faktor von α = 0,2. Unter der Voraussetzung einer
16-QAM-Modulation und eines Faktors von 1,2facher Bandbrei
tenexpansion aufgrund einer Signalimpulsformung sowie einer
Kanalcodierungsrate und dem notwendigen Organisationsaufwand
(Schutz-Zeit, Mittambel, Kontrollsignale) wird folgende ma
ximale Datenrate pro Haus/Wohnung im lokalen Netz erreicht:
Im Falle der QPSK-Modulation beträgt die maximale Datenrate
pro Haus/Wohnung im lokalen Netz etwa 14 MBit/s.
Der Zugang zum Netz beruht sowohl auf Carrier-Sensing als
auch auf der Benutzung der gesendeten Kontrollsignale. Car
rier-Sensing-Vielfachzugriff (CSMA = Carrier Sensing Mul
tiple Access) bedeutet, daß Teilnehmerstationen den Kanal
abhören und ihn nur verwenden, wenn ein Zeitschlitz frei
ist. Dies hat zur Folge, daß jeder Sender (bzw. Empfänger)
einen Empfänger (bzw. Sender) zum Carrier-Sensing aufweist.
Dies läßt sich durch Ausführung einer Korrelation mit den
innerhalb jedes Zeitschlitzes ausgesendeten Mittambeln er
reichen. Es wird eine Belegungstechnik benötigt, die so ar
beitet, daß Teilnehmerstationen nicht die Entscheidung tref
fen, gleichzeitig zu senden. Es wird vorausgesetzt, daß jede
Teilnehmerstation das Vorhandensein eines Signals innerhalb
eines Zeitschlitzes detektieren kann. Dies bedeutet, daß
alle Teilnehmerstationen in der Lage sind, sich gegenseitig
zu hören.
In den Fig. 9 und 10 ist ein Strategiebeispiel für die
Sende- bzw. Empfangsseite zur Errichtung einer ersten Ver
bindung (Verbindungsaufnahme = Initialisierung) zwischen
zwei aktiven Teilnehmerstationen dargestellt. Das Endgerät,
das Daten aussenden möchte, sucht zuerst das verfügbare Netz
(oder das Vorhandensein einer Rahmenstruktur), d. h. die
durch das eigene Cluster benutzte Frequenz (vgl. Fig. 9).
Dies läßt sich durch Korrelation mit Mittambeln und durch
Prüfen der Cluster-Identifikationsnummer des jeweiligen Kon
trollkanals erreichen.
Wenn das Netz verfügbar ist, werden die freien Zeitschlitze
wieder durch Korrelation mit den Mittambeln und Gebrauch der
Kontrollkanalinformationen detektiert. Über die Kontrollka
näle führt dieses neue Endgerät eine Belegung des ersten
Zeitschlitzes durch Anrufen derjenigen Teilnehmerstation,
mit der es sprechen möchte, und durch Anzeigen des ersten
Zeitschlitzes, der für die Sendung benutzt wird, durch. Der
annehmende Empfänger antwortet auf dem Rückmeldekanal und
hört während des ernannten Zeitschlitzes. Bei Abwesenheit
des Netzes erstellt die Teilnehmerstation ihre eigene Rah
menstruktur.
Das Endgerät, das Daten empfangen möchte, sucht auch nach
dem verfügbaren Netz durch Vergleichen seiner eigenen Clu
ster-Identifikationsnummer mit allen verfügbaren Rahmen
strukturen (vgl. Fig. 10). Wenn seine eigene Cluster-Identi
fikationsnummer detektiert wird, sucht es nach einer Nach
frage in allen Kontrollkanälen durch Prüfen der Endgeräte-
Identifikationsnummer. Wenn es eine Nachfrage gibt (die
gleiche Endgeräte-Identifikationsnummer wird gefunden), in
formiert es über den Kontrollkanal seine Anwesenheit und die
Anzeige seiner Empfangszustimmung. Wenn es jedoch keine
Nachfrage gibt, teilt es den anderen Teilnehmerstationen le
diglich seine Anwesenheit durch Benutzung des Kontrollkanals
mit.
Wie bereits erwähnt worden ist, sind 16 Kontrollkanäle ver
fügbar. Die Belegung des Kontrollkanals wird in chronologi
scher Weise durchgeführt. Der erste Kontrollkanal wird durch
die erste aktive Teilnehmerstation im Netz benutzt, der
zweite Kontrollkanal durch die zweite aktive Teilnehmersta
tion im Netz usw. . Somit können bis zu 16 aktive Teilnehmer
stationen Kontrollkanäle benutzen.
Teilnehmerstationen, die aktiv werden möchten, wenn bereits
16 Teilnehmerstationen aktiv sind, haben einen Netzzugang
ohne den Gebrauch von Kontrollkanälen. Wenn zwei Teilnehmer
stationen zugleich die gleichen Anfangszeitschlitze belegen
möchten, wird der ersten Station davon der Vorrang gegeben.
Dies wird durch die Anforderung erreicht, daß Teilnehmersta
tionen ihre Wahl des Anfangszeitschlitzes modifizieren, wenn
eine andere Teilnehmerstation auf dem Kontrollkanal bereits
gesendet hat, daß sie diesen Zeitschlitz benutzen möchte.
Der Empfänger führt im wesentlichen - wie bereits erwähnt
worden ist - die inversen Operationen des Senders aus. Dar
über hinaus müssen aber noch viele Synchronisationsaufgaben
bewältigt werden, ausgehend von der Zeitschlitzsynchronisa
tion zwischen Sender und Empfänger, sowie Einzelpaketsyn
chronisationen (Position, Symbol, Träger).
Die Symbolzeitablauf-Wiedererstellung läßt sich durch Benut
zung der periodisch während jedes Zeitschlitzes gesendeten
Mittambelsymbole ausführen. Durch Detektion der Position von
anderen Paketen kann das Zeitschlitzraster durch Verwendung
eines sehr schmalen Schleifenfilters bestimmt werden.
Eine Frequenzsynchronisation wird benötigt, um die Frequenz
ablage zwischen dem lokalen Senderoszillator und dem lokalen
Empfängeroszillator zu bestimmen. Eine Anzahl von pilotun
terstützten/nichtunterstützten Algorithmen, z. B. blockweise
Viterbi (oder Crozier-Technik), sind für diesen
Zweck vorhanden. Sie sollten auf einige wenige hundertstel
Grad pro Symboldauer genau sein und einen Haltebereich ha
ben, der die Benutzung billiger und einfacher Oszillatoren
erlaubt.
Die Demodulation erfolgt kohärent unter Benutzung der Kanal
zustandsinformation. Es wurde dargestellt, daß jede Teilneh
merstation ein Nutzband von
MHz zur Datenübertragung in
nerhalb eines Clusters hat. Die Symboldauer beträgt dann
120 ns. Die maximale Echolänge des Kanals ist nicht viel
länger als die Symboldauer. Der Interferenzeffekt ist auf
nur zwei Symbole beschränkt. Der beste Weg, um diesem Inter
ferenzeffekt entgegenzutreten, besteht in der Durchführung
einer in einer optimalen Weise vorgenommenen Entzerrung,
d. h. in der Ausführung einer Viterbi-Entzerrung mit nur 2-4
Zuständen.
Die Kanalschätzung läßt sich durch Benutzung der Mittambel
information durchführen. Die empfangene Mittambel wird mit
den bekannten Symbolen korreliert, was die Kanalzustandsin
formation ergibt. Die 16 mittleren Symbole der Trainingsse
quenz werden für die Bildung der Korrelationen verwendet.
Nach der Entzerrung wird die Demapping-Operation ausgeführt,
die harte Entscheidungen zur Folge hat. Die Wahl des Demap
pings (QPSK oder 16-QAM) erfolgt auf empirisch-praktische
Weise. Erst wird das 16-QAM-Demapping ausgeführt. Wenn die
Fehleranzeige nach der Kanaldecodierung bei 1 liegt, dann
wird das QPSK-Demapping ausgeführt.
Nach der Demodulation und der Entzerrung wird der Inhalt je
des Pakets aus dem empfangenen Zeitschlitz extrahiert. Im
Falle der QPSK-Modulation entspricht dies einem Reed-Solo
mon-Rausch-Codewort. Im Falle einer 16-QAM-Modulation ent
spricht dagegen ein Paket vier Reed-Solomom-Codewörtern.
Diese empfangenen Wörter werden schließlich einer Reed-Solo
mon-Decodierung unterzogen. Die Reed-Solomon-Decodierung er
gibt das beste Codewort und korrigiert aufgetretene Bündel
fehler. Bis zu 64 aufeinanderfolgende Bitfehler lassen sich
durch die Reed-Solomom-Decodierung korrigieren. Wenn die
Reed-Solomon-Decodierung nicht in der Lage ist, ein Codewort
zu finden, dann gibt sie ein Signalisierungszeichen für das
Vorhandensein von nicht korrigierbaren Fehlern. Diese Feh
lerdetektionsfähigkeit der Reed-Solomon-Decodierung läßt
sich für ARQ-Protokolle oder für weitere Prozeduren wie z. B.
Fehlerverbergung benutzen.
In der Fig. 11 ist noch ein Beispiel für ein Kanalschema
dargestellt, das oben N Hauptkanäle und darunter einen dar
aus ausgewählten Hauptkanal mit einer Vielzahl von Zeitmul
tiplex(TDMA)-Rahmen enthält. Wie die obere Darstellung von
Fig. 11 zeigt, ist ein breiteres Frequenzband nach dem FDMA-
Verfahren in N Trägerfrequenzbereiche, nämlich die sogenann
ten Hauptkanäle, aufgeteilt. Der Hauptkanal 3 ist im
Beispiel belegt. Auf jeder Trägerfrequenzebene können nach
dem TDMA-Verfahren mehrere in einer periodischen Rahmen
struktur verteilte Zeitschlitze (Time Slots), nämlich die
sogenannten Unterkanäle, gebildet werden.
Die auszusendenden Kontrollsignale nutzen jeweils einen Teil
der pro Hauptkanalsignal-Zeitschlitzrahmen vorgesehenen
Zeitschlitze. Die Übertragung der Kontrollsignale wird in
einem Kontrollblock im TDMA-Zeitschlitzrahmen vorgenommen.
Der Kontrollblocks liegt im unten in Fig. 11 dargestellten
Beispiel am Anfang des TDMA-Zeitschlitzrahmens, so daß der
Start eines Zeitschlitzrahmens jeweils durch das Aussenden
eines Kontrollblocks kenntlich gemacht ist. Der Kontroll
block enthält im Beispiel die Kontrollsignal-Zeitschlitze K1
bis KM. Der unten in Fig. 11 im einzelnen dargestellte
Hauptkanal weist als Unterkanäle außer den Kontrollsignal-
Zeitschlitzen K1 bis KM eine Vielzahl zur Datenübertragung
genutzter Zeitschlitze D1 bis D96 auf.
Claims (59)
1. Funkübertragungsverfahren für digitale Multimediadaten
signale zwischen mehreren jeweils einen Sender und einen
Empfänger aufweisenden Teilnehmerstationen in einem lokalen
Netz, insbesondere einem Inhaus(Indoor)-Netz, unter Anwen
dung eines gemischten Frequenz- und Zeitmultiplexverfahrens
FDMA(Frequency Division Multiple Access)/TDMA (Time Division
Multiple Access), bei dem ein breiteres Frequenzband nach
dem FDMA-Vefahren in mehrere Trägerfrequenzbereiche, nämlich
die sogenannten Hauptkanäle, aufgeteilt ist und auf jeder
Trägerfrequenzebene nach dem TDMA-Verfahren mehrere in einer
Rahmenstruktur verteilte Zeitschlitze (Time Slots), nämlich
die sogenannten Unterkanäle, gebildet werden, dadurch
gekennzeichnet, daß einem Verband, also einem sogenann
ten Cluster, von Teilnehmerstationen eine begrenzte Anzahl
von Hauptkanälen, aber mindestens einer, zugeteilt wird, daß
ein Hauptkanalsignal auf ein oder mehrere zu einem Cluster
gehörende Unterkanalsignale aufgeteilt wird, die im TDMA-
Verfahren ausgesendet werden, daß jeder Sender einer akti
vierten Teilnehmerstation ein detektierbares Kontrollsignal
aussendet und daß andere, neu aktivierte Teilnehmerstationen
aufgrund Detektion dieses Kontrollsignals im jeweiligen Emp
fänger die Anwesenheit von vorhandenen Sendesignalen inner
halb eines bestimmten räumlich begrenzten Bereiches, nämlich
des jeweiligen eigenen Sendebereichs, feststellen.
2. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die auszusendenden Kontrollsignale
jeweils einen Teil der pro Hauptkanalsignal-Zeitschlitzrah
men vorgesehenen Zeitschlitze nutzen.
3. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Übertragung der Kontrollsignale
in einem Kontrollblock im TDMA-Zeitschlitzrahmen vorgenommen
wird.
4. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Übertragung des Kontrollblocks
stets am Anfang des TDMA-Zeitschlitzrahmens vorgenommen
wird, so daß der Start eines Zeitschlitzrahmens jeweils
durch das Aussenden eines Kontrollblocks kenntlich gemacht
ist.
5. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß bei der Anordnung der Kontroll-
Zeitschlitze eine bestimmte vorher festgelegte Reihenfolge
eingehalten wird.
6. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Unter
kanal aus einem Kontroll-Zeitschlitz und mindestens einem
zur Datenübertragung genutzten Zeitschlitz besteht.
7. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kontroll-Zeitschlitze eine von
den zur Datenübertragung genutzten Zeitschlitzen abweichende
Dauer haben.
8. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des
Kontrollsignals eine sowohl auf der Sendeseite als auch auf
der Empfangsseite bekannte Trainingssequenz übertragen wird,
die zur Kanalschätzung sowie zur Ermittlung der Kanalbele
gung des betreffenden Hauptkanals verwendet werden kann.
9. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Trainingssequenz in der Mitte
der Datenfolge des Kontrollsignals ausgesendet wird.
10. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des
Kontrollsignals eine sowohl auf der Sendeseite als auch auf
der Empfangsseite bekannte Sequenz übertragen wird, die ein
deutig dem betreffenden Cluster zugeordnet ist und damit zu
dessen Identifizierung benutzt werden kann.
11. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die dem betreffenden Cluster zuge
ordnete Sequenz am Anfang der Datenfolge des Kontrollsignals
ausgesendet wird.
12. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontroll
block so ausgelegt ist, daß die Kontrollsignale um mehrere
dB leistungseffektiver sind als die eigentlichen Daten.
13. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des
Kontrollsignals Sequenzen übertragen werden, welche die ei
gene Teilnehmerstationskennungsnummer (Endgeräte-Identifika
tionsnummer) und die Teilnehmerstationskennungsnummer
(Endgeräte-Identifikationsnummer) derjenigen Teilnehmersta
tionen (Endgeräte), für welche die Aussendungen bestimmt
sind, beinhalten.
14. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die die Kennungsnummern betreffen
den Sequenzen in der Datenfolge des Kontrollsignals im An
schluß an die dem betreffenden Cluster zugeordnete Sequenz
ausgesendet wird.
15. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des
Kontrollsignals eine Sequenz übertragen wird, welche die
Startposition des zuerst zu belegenden, zum weiteren Verbin
dungsaufbau benutzten Zeitschlitzes angibt.
16. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auszusen
denden Kontrollsignale mit einem Fehlerschutz versehen wer
den.
17. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 16, dadurch
gekennzeichnet, daß der Fehlerschutz durch eine Code
rate 1/4 erreicht wird.
18. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß innerhalb der zur allgemeinen Da
ten- oder Informationsübertragung benutzten Zeitschlitze je
weils eine Trainingssequenz übertragen wird, die zur Kanal
schätzung sowie zur Ermittlung der Kanalbelegung des betref
fenden Hauptkanals verwendet werden kann.
19. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 18, dadurch
gekennzeichnet, daß die Trainingssequenz jeweils in der
Mitte der Datenfolge eines Zeitschlitzes ausgesendet wird.
20. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der/die auf
grund der von einem Sender angegebenen Adresse vorgesehene/n
Empfänger eine oder weitere Rückmeldungen (Bestätigungen)
aussenden, die der Aufnahme oder Aufrechterhaltung einer
Verbindung dienen.
21. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 20, gekenn
zeichnet durch eine Rückmeldung beim Aufbau
(Initialisierung) einer Verbindung.
22. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche unter Einschluß der Ansprüche 8 und 18, dadurch
gekennzeichnet, daß mittels einer empfangsseitig in ei
ner mit Sender und Empfänger versehenen Teilnehmerstation
arbeitenden Decodiereinrichtung die Belegung eines für eine
Aussendung ins Auge gefaßten Kanals geprüft wird, wobei alle
Hauptkanäle nicht nur auf das Vorhandensein eines Signals
(Pegel), sondern auch daraufhin überprüft werden, ob ein
Kontrollsignal und ob Trainingssequenzen übertragen werden,
und bei vorhandenen Kontrollsignalen zwischen solchen, die
zum gleichen, also eigenen Cluster gehören, und solchen, die
von anderen Clustern herrühren, unterschieden wird.
23. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 22, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Entscheidung, ob es sich um ein
Signal des eigenen oder eines anderen Clusters handelt, die
Cluster-Identifikationssequenz oder die durch Auswertung er
mittelte Zahl mit derjenigen des eigenen Clusters verglichen
wird.
24. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 23, dadurch
gekennzeichnet, daß im Vergleichsergebnis bestimmte Ab
weichungen zugelassen werden.
25. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 23, dadurch
gekennzeichnet, daß bei nicht ausreichender Sicherheit
bezüglich des Vergleichsergebnisses Vergleiche mehrmals
durchgeführt werden und die Ergebnisse zusammengefaßt wer
den.
26. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Belegung
eines Hauptkanals durch den Sender einer Teilnehmerstation
nur unter zwei Voraussetzungen erfolgt, nämlich
- a) wenn das im betreffenden breiten Frequenzband je Clu ster erlaubte Kontingent an Hauptkanälen, also mindestens ein Hauptkanal, für das eigene Cluster noch nicht ausgeschöpft ist, und
- b) wenn - entsprechend den Erfassungsmöglichkeiten des prüfenden Senders bzw. des dazu notwendigen Empfangsteils einer sich aktivierenden Teilnehmerstation - der betreffende Hauptkanal nicht durch ein Signal eines sich in näherer Um gebung befindenden anderen Clusters belegt ist.
27. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche unter Einschluß von Anspruch 26, dadurch ge
kennzeichnet, daß nach dem Auffinden eines benutzbaren
Hauptkanals die Belegung eines Unterkanals durch den Sender
der sich aktivierenden Teilnehmerstation in folgenden
Schritten erfolgt:
- a) der/die zu belegenden Zeitschlitze werden auf Vorhan densein eines Signals bzw. von Signalen überprüft und es wird weiterhin geprüft, ob die erforderliche Anzahl von freien Zeitschlitzen, zumindest ein Zeitschlitz, vorhanden ist;
- b) wenn die erforderliche Anzahl freier Zeitschlitze, also mindestens ein Zeitschlitz, gefunden wurde, wird die Absicht, einen bestimmten Zeitschlitz im TDMA-Zeitschlitz rahmen als Initialzeitschlitz zu belegen, über den Kontroll kanal angemeldet;
- c) im nachfolgenden Rahmen wird der vorher angekündigte Initialzeitschlitz benutzt und es wird die Absicht, weitere Zeitschlitze im Rahmen zu belegen, durch Angabe der betref fenden Positionen im Initialzeitschlitz angekündigt;
- d) der Kontrollblock wird durch den Sender der Teilneh merstation dahingehend ausgewertet, ob eine Rückmeldung vom Empfänger, d. h. eine Bestätigung, innerhalb einer bestimmten Frist erfolgt ist,
- e) nach Empfangen der Rückmeldung erfolgt die Aussendung in den angegebenen Zeitschlitzen.
28. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 27, dadurch
gekennzeichnet, daß bei der Belegung des Unterkanals
durch den Sender einer sich aktivierenden Teilnehmerstation
der/die zu belegenden Zeitschlitze auf Vorhandensein der
Trainingssequenz überprüft werden.
29. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 27, dadurch
gekennzeichnet, daß bei der Belegung des Unterkanals
durch den Sender einer sich aktivierenden Teilnehmerstation
nach Auffinden der erforderlichen Anzahl freier Zeitschlitze
die Absicht, einen bestimmten Zeitschlitz im TDMA-Zeit
schlitzrahmen als Initialzeitschlitz zu belegen, durch Ein
fügen des dafür vorgesehenen Kennsignals
(Initialzeitschlitz-Position) im eigenen Kontrollkanal er
folgt.
30. Funkübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 27
bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Auffin
den eines benutzbaren Hauptkanals bei der Belegung eines Un
terkanals durch den Sender der sich aktivierenden Teilneh
merstation außerdem noch berücksichtigt wird, ob im Kon
trollsignalteil bereits die Belegung des als Initialzeit
schlitz ins Auge gefaßten Zeitschlitzes durch eine andere
Teilnehmerstation angekündigt ist und erfolgen wird, und daß
eine Belegung des betreffenden Zeitschlitzes durch den Sen
der dieser Teilnehmerstation dann nicht erfolgt, wenn die
andere Teilnehmerstation in der Reihenfolge der Kontrollsi
gnale vor dem Sender der sich aktivierenden Teilnehmersta
tion liegt.
31. Funkübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 27
bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Belegung
eines Unterkanals, wenn bereits ein oder mehrere Unterkanal
signale vorhanden sind, die zeitliche Lage dieses Signals
bzw. dieser Signale ermittelt und zur zeitlich korrekten
Eingliederung der eigenen Signale benutzt wird.
32. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 31, dadurch
gekennzeichnet, daß bei der Belegung des Unterkanals,
wenn bereits ein oder mehrere Unterkanalsignale vorhanden
sind, die zeitliche Lage dieses Signals bzw. dieser Signale
mit Hilfe der gesendeten Trainingssequenzen dieses Signals
bzw. dieser Signale ermittelt wird.
33. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 32, dadurch
gekennzeichnet, daß die zeitliche Lage der Trainings
sequenz bzw. der Trainingssequenzen durch Korrelation der
empfangenen Datensequenzen mit der gespeicherten Sollsequenz
ermittelt wird.
34. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertra
gungsqualität nach Belegen eines Hauptkanals vom angespro
chenen Empfänger einer sich aktivierenden Teilnehmerstation
eine gewisse Zeit überprüft und das Ergebnis dieser Überprü
fung dem betreffenden Sender dieser Teilnehmerstation mitge
teilt wird.
35. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 34, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Feststellung einer nicht aus
reichenden Qualität ein neuer Hauptkanal gesucht wird, wobei
die Auswertung der übermittelten Kontrollsignale innerhalb
der vorgesehenen Übertragungsbereiche eine sichere Aussage
darüber liefert, daß eine Übertragung stattfinden soll.
36. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Über
tragung wahlweise, d. h. je nach Anforderung an den Kanal und
nach der zu übertragenden Datenbitrate, entweder
QPSK(Vierphasenumtastung, Quadrature Phase Shift Keying)-
bzw. optional DQPSK(Differentielle QPSK)-Modulation oder
16-QAM(Quadratur Amplitudenmodulation)-Modulation verwendet
wird.
37. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Über
tragung der Kontrollsignale QPSK- bzw. optional DQPSK-Modu
lation verwendet wird.
38. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit
schlitze verschiedener Untersignale eines Hauptkanalsignals
durch sogenannte Schutzzeitintervalle (Guard Time), die aber
keine Information enthalten, getrennt werden.
39. Funkübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 26
bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß beim Suchen ei
nes Hauptkanals, sofern das Kontingent noch nicht ausge
schöpft ist, in demjenigen Fall, in welchem bei einer ersten
Prüfung ein völlig freier Kanal nicht gefunden wurde und ein
Kanal des eigenen Clusters mit genügend freier Kapazität
nicht darunter ist, die Signalstärke der Kanäle berücksich
tigt wird und derjenige Kanal - mit Ausnahme des eigenen
Clusters - neu belegt wird, der den geringsten Pegel auf
weist, was die günstigste Voraussetzung für die eigene Über
tragung darstellt und die geringste Wahrscheinlichkeit mit
sich bringt, daß die Übertragung in anderen Clustern gestört
wird.
40. Funkübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 26
bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß beim Suchen ei
nes Hauptkanals, sofern das Kontingent noch nicht ausge
schöpft ist, in demjenigen Fall, in welchem das Signal des
geprüften Hauptkanals von einem anderen Cluster herrührt,
ein definierter Grenzwert des Empfangspegels bzw. ein Feld
stärkegrenzwert berücksichtigt wird und daß eine Belegung
dann nicht vorgenommen wird, wenn ein bestimmter Wert er
reicht oder überschritten wird.
41. Funkübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 26
bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß beim Suchen ei
nes Hauptkanals Störsignale mitberücksichtigt werden, so daß
nach Möglichkeit ein ungestörter oder ein möglichst wenig
gestörter Kanal gewählt werden kann, wobei sich die Störsi
gnale dadurch bemerkbar machen, daß sie keine der definier
ten Kontrollsignale enthalten und somit bei der Prüfung kein
Ergebnis liefern.
42. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von den Sen
dern der Teilnehmerstationen jeweils wichtige, für Empfänger
von anderen Teilnehmerstationen des gleichen Clusters be
stimmte Hilfs- und/oder Steuerinformationen ausgesendet wer
den.
43. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 42, dadurch
gekennzeichnet, daß die diese Hilfs- und/oder Steuer
informationen beinhaltenden zusätzlichen Signale in den
gleichen Zeitschlitzen übertragen werden wie die Kontrollsi
gnale.
44. Funkübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 42
und 43, dadurch gekennzeichnet, daß in den Teilneh
merstationen das für einen allgemeinen Empfang von Datensen
dungen vorgesehene Empfangsteil jeweils so ausgebildet ist,
daß es während der Kanalbelegungsphase zum Prüfen der zu
sätzlichen Signale benutzt werden kann.
45. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Identi
fikationsnummern der Cluster und der Teilnehmerstationen
(Endgeräte) bei einem Markierungs- und Initialisierungsvor
gang, dem alle Teilnehmerstationen eines Clusters zu unter
ziehen sind, vergeben werden.
46. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 45, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vergabe der Identifikationsnum
mern durch Einstellung per Schalter vorgenommen wird.
47. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 45, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vergabe der Identifikationsnum
mern durch Verwendung einer einheitlichen "Smart Card" vor
genommen wird.
48. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 45, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vergabe der Identifikationsnum
mern durch eine Übertragungsmöglichkeit mittels direkter
Kopplung vorgenommen wird.
49. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 45, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vergabe der Identifikationsnum
mern durch einen automatischen Vorgang bei einem nach be
stimmten Regeln ablaufenden Einschaltvorgang vorgenommen
wird.
50. Funkübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 45
bis 49, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilnehmer
stationen (Endgeräte) zusätzlich zu den Cluster- und Teil
nehmerstationsidentifikationsnummern eine Geräteklassenum
mer, die aus einer bestimmten Menge von gleich langen Zah
len, z. B. aus 4 Binärstellen, wählbar ist, übertragen.
51. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 50, dadurch
gekennzeichnet, daß die Geräteklassenummern im Anschluß
an die Cluster- und Teilnehmerstationsidentifikationsnummern
übertragen werden.
52. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 50, dadurch
gekennzeichnet, daß die Geräteklassenummern innerhalb
des Kontrollsignalteils übertragen werden.
53. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 50, dadurch
gekennzeichnet, daß die Geräteklassenummern mit einem
Fehlerschutz übertragen werden.
54. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 50, dadurch
gekennzeichnet, daß die Geräteklassenummern zur Unter
scheidung von beispielsweise Fernsehgeräten, Videorecordern,
Rechnern und Schnurlostelefonen dienen, wobei die gleichen
Nummern auch bei anderen Clustern verwendet werden, so daß
sie also nicht zur Unterscheidung von verschiedenen Clustern
herangezogen werden können.
55. Funkübertragungsverfahren nach Anspruch 50, dadurch
gekennzeichnet, daß die Aussendung der Cluster- und
Teilnehmeridentifikationsnummern sowie der Geräteklassenum
mern nicht im betreffenden Kontrollzeitschlitz eines jeden
Zeitschlitzrahmens, sondern in größeren Abständen, z. B. in
jedem zweiten oder fünften Rahmen, erfolgt, so daß die da
durch gebildeten Freiräume für die Übertragung von anderen
Kontroll- und Steuerinformationen genutzt werden können.
56. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im nor
malen Nachrichtenteil übertragenen Informationen mit einem
dem Kanal angemessenen Fehlerschutz versehen werden.
57. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im nor
malen Nachrichtenteil übertragenen Informationen bei der
Aussendung einem Scrambling-Prozeß und bei der empfangssei
tig durchzuführenden Decodierung einem Descrambling-Prozeß
unterworfen werden.
58. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im nor
malen Nachrichtenteil übertragenen Informationen bei der
Aussendung einem Verschlüsselungs-Prozeß und bei der emp
fangsseitig durchzuführenden Decodierung einem Entschlüsse
lungs-Prozeß unterworfen werden.
59. Funkübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
im Falle des Inaktiv-Werdens eines Teilnehmers die Rahmen
struktur, trotz nunmehr leerer Zeitschlitze, unverändert
bleibt, bis ein oder mehrere neu hinzukommende Teilnehmer
die freien Zeitschlitze benutzen.
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