Die
Erfindung bezieht sich auf ein Telekommunikationssystem zur drahtlosen
Mobiltelekommunikation im TDD-Modus nach dem Oberbegriff von Anspruch
1. Ein solches Telekommunikationssystem ist in dem Fachartikel "GSM-Funkschnittstelle,
Elemente und Funktionen" von
P. Smolka, veröffentlicht in "Telekom Praxis", 4/93, S. 17–24, beschrieben.
In
Nachrichtensystemen mit einer Nachrichtenübertragungsstrecke zwischen
einer Nachrichtenquelle und einer Nachrichtensenke werden zur Nachrichtenverarbeitung
und -übertragung
Sende- und Empfangsgeräte
(Sender und Empfänger)
verwendet, bei denen
- 1) die Nachrichtenverarbeitung
und Nachrichtenübertragung
in einer bevorzugten Übertragungsrichtung
(Simplex-Betrieb) oder in beiden Übertragungsrichtungen (Duplex-Betrieb)
erfolgen kann,
- 2) die Nachrichtenverarbeitung analog oder digital ist,
- 3) die Nachrichtenübertragung über die
Fernübertragungsstrecke
drahtgebunden ist oder auf der Basis von diversen Nachrichtenübertragungsverfahren
FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple
Access) und/oder CDMA (Code Division Multiple Access) – z.B. nach
Funkstandards wie DECT, GSM, WACS oder PACS, IS-54, IS-95, PHS,
PDC etc. [vgl. IEEE Communications Magazine, January 1995, Seiten
50 bis 57; D.D. Falconer et al: "Time Division
Multiple Access Methods for Wireless Personal Communications"] drahtlos (z.B.
durch Funkübertragung)
erfolgt.
"Nachricht" ist ein übergeordneter
Begriff, der sowohl für
den Sinngehalt (Information) als auch für die physikalische Repräsentation
(Signal) steht. Trotz des gleichen Sinngehal tes einer Nachricht – also gleicher
Information – können unterschiedliche Signalformen
auftreten. So kann z. B. eine einen Gegenstand betreffende Nachricht
- (1) in Form eines Bildes,
- (2) als gesprochenes Wort,
- (3) als geschriebenes Wort,
- (4) als verschlüsseltes
Wort oder Bild
übertragen
werden. Die Übertragungsart
gemäß (1) ...
(3) ist dabei normalerweise durch kontinuierliche (analoge) Signale
charakterisiert, während bei
der Übertragungsart
gemäß (4) gewöhnlich diskontinuierliche
Signale (z. B. Impulse, digitale Signale) entstehen.
Ausgehend
von dieser allgemeinen Definition eines Nachrichtensystems bezieht
sich die Erfindung auf ein Telekommunikationssystem zur drahtlosen
Mobiltelekommunikation im TDD-Modus,
insbesondere ein im ungepaarten Frequenzband arbeitendes Universal-Mobil-Telekommunikationssystem (UMTS).
Telekommunikationssysteme
zur drahtlosen Mobiltelekommunikation im TDD-Modus bzw. FDD-Modus,
insbesondere ein im ungepaarten bzw. gepaarten Frequenzband arbeitendes
Universal-Mobil-Telekommunikationssystem
(UMTS), wie sie in den Druckschriften (1): Nachrichtentechnik Elektronik,
Berlin 45, 1995, Heft 1, Seiten 10 bis 14 und Heft 2, Seiten 24
bis 27; P.Jung, B.Steiner: „Konzept
eines CDMA-Mobilfunksystems mit gemeinsamer Detektion für die dritte
Mobilfunkgeneration";
(2): Nachrichtentechnik Elektronik, Berlin 41, 1991, Heft 6, Seiten 223
bis 227 und Seite 234; P.W.Baier, P.Jung, A.Klein: „CDMA – ein günstiges
Vielfachzugriffsverfahren für
frequenzselektive und zeitvariante Mobilfunkkanäle"; (3): IEICE Transactions on Fundamentals
of Electonics, Communications and Computer Sciences, Vol. E79-A,
No. 12, December 1996, Seiten 1930 bis 1937; P.W.Baier, P.Jung: „CDMA Myths and
Realities Revisited";
(4): IEEE Personal Communications, February 1995, Seiten 38 bis
47; A.Urie, M.Streeton, C.Mourot: „An Advanced TDMA Mobile Access
System for UMTS";
(5): telekom praxis, 5/1995, Seiten 9 bis 14; P.W.Baier: „Spread-Spectrum-Technik
und CDMA – eine
ursprünglich
militärische
Technik erobert den zivilen Bereich"; (6): IEEE Personal Communications,
February 1995, Seiten 48 bis 53; P.G.Andermo, L.M.Ewerbring: „An CDMA-Based Radio Access
Design for UMTS";
(7): ITG Fachberichte 124 (1993), Berlin, Offenbach: VDE Verlag
ISBN 3-8007-1965-7, Seiten 67 bis 75; Dr. T.Zimmermann, Siemens
AG: „Anwendung von CDMA
in der Mobilkommunikation";
(8): telcom report 16, (1993), Heft 1, Seiten 38 bis 41; Dr. T.
Ketseoglou, Siemens AG und Dr. T. Zimmermann, Siemens AG: „Effizienter
Teilnehmerzugriff für
die 3. Generation der Mobilkommunikation – Vielfachzugriffsverfahren
CDMA macht Luftschnittstelle flexibler" dargestellt und beschrieben sind, basieren
auf CDMA-, FDMA- und/oder
TDMA-Vielfachzugriffsmethoden und werden mit Ausblick auf ein Universelles
Mobiles Telekommunikations-System (UMTS) als das zukünftige Funk-Telekommunikationsszenario
der dritten Generation bezeichnet.
Das
Funk-Telekommunikationsszenario der zweiten Generation wird zur
Zeit z.B. im lizenzierten Piko-, Mikro- und/oder Makrozellenbereich
vom auf dem FDMA/TDMA/FDD-Übertragungsprinzip
(Frequency Division Duplex) basierenden GSM-spezifischen Funk-Telekommunikationssystem
[Groupe Speciale Mobile oder Global System for Mobile Communication;
vgl. (1): Informatik Spektrum 14 (1991) Juni; Nr. 3, Berlin, DE;
A.Mann: "Der GSM-Standard – Grundlage
für digitale
eurppäische
Mobilfunknetze",
Seiten 137 bis 152; (2): R.Steele: Mobile Radio Communications,
Pentech Press, 1992 (Reprint 1994) , Chapter 8: The Pan-European
Digital Cellular Mobile Radio System – known as GSM, Seiten 677 ff.;
(3): telekom praxis 4/1993, P. Smolka: „GSM-Funkschnittstelle – Elemente
und Funktionen", Seiten
17 und 24] und im unlizenzierten Pikozellenbereich vom auf dem FDMA/TDMA/TDD-Übertragungsprinzip
(Time Division Duplex) basierenden DECT-Telekommunikationssystem [Digital Enhanced (früher: European)
Cordless Telecommunication; vgl. (1): Nachrichtentechnik Elektronik
42 (1992) Jan./Feb. Nr. 1, Berlin, DE; U. Pilger „Struktur
des DECT-Standards",
Seiten 23 bis 29 in Verbindung mit der ETSI-Publikation ETS 300175-1...9,
Oktober 1992; (2): telcom report 16 (1993), Nr. 1, J. H. Koch: „Digitaler
Komfort für
schnurlose Telekommunikation – DECT-Standard
eröffnet
neue Nutzungsgebiete", Seiten
26 und 27; (3): tec 2/93 – Das
technische Magazin von Ascom „Wege
zur universellen mobilen Telekommunikation", Seiten 35 bis 42; (4): Philips Tele communication
Review Vol. 49, No. 3, Sept. 1991, R.J. Mulder:" DECT, a universal cordless access system"; (5): WO 93/21719
(1 bis 3 mit dazugehöriger Beschreibung)] geprägt.
1 zeigt die für die Nutzdatenübertragung auf
dem Verkehrskanal (Traffic CHannel TCH) aus den Druckschriften „(1): Informatik
Spektrum 14 (1991) Juni, Nr. 3, Berlin, DE; A.Mann: "Der GSM-Standard – Grundlage
für digitale
europäische Mobilfunknetze", Seiten 137 bis
152; (2): R.Steele: Mobile Radio Communications, Pentech Press,
1992 (Reprint 1994) , Chapter 8: The Pan-European Digital Cellular
Mobile Radio System – known
as GSM, Seiten 677 ff.; (3): telekom praxis 4/1993, P. Smolka: „GSM-Funkschnittstelle – Elemente
und Funktionen", Seiten
17 und 24" bekannte
TCH-Multirahmen-, TDMA-Rahmen- und TDMA-Zeitschlitz-Struktur des GSM-Mobilfunkkonzeptes,
bei dem die in der dargestellten Struktur eingebetteten Daten gemäß dem FDD-Prinzip
in der Aufwärtsstrecke
bzw. Aufwärtsrichtung
(uplink; Übertragung „Mobilstation → Basisstation") im Frequenzband
zwischen 890 MHz und 915 MHz und in der Abwärtsstrecke bzw. Abwärtsrichtung
(downlink; Übertragung „Basisstation → Mobilstation") im Frequenzband
zwischen 935 MHz und 960 MHz übertragen
werden.
2 zeigt die aus der Druckschrift „Nachrichtentechnik
Elektronik 42 (1992) Jan./Feb. Nr. 1, Berlin, DE; U. Pilger „Struktur
des DECT-Standards", Seiten
23 bis 29" bekannte
Multirahmen-, TDMA-Rahmen- und TDMA-Zeitschlitz-Struktur des DECT-Mobilfunkkonzeptes,
bei dem die in der dargestellten Struktur eingebetteten Daten gemäß dem TDD-Prinzip
in der Abwärtsstrecke
bzw. Abwärtsrichtung
(downlink; Übertragung „Basisstation → Mobilstation") in den Zeitschlitzen
0...11 und in der Aufwärtsstrecke
bzw. Aufwärtsrichtung
(uplink; Übertragung „Mobilstation → Basisstation") in den Zeitschlitzen
12...23 übertragen
werden.
3 zeigt ausgehend von der
Druckschrift Nachrichtentechnik Elektronik, Berlin 45, 1995, Heft 1,
Seiten 10 bis 14 und Heft 2, Seiten 24 bis 27; P.Jung, B.Steiner: „Konzept
eines CDMA-Mobilfunksystems mit gemeinsamer Detektion für die dritte
Mobilfunkgeneration" einen
möglichen
FDMA/TDMA/CDMA-Vielfachzugriff
für die
Aufwärtsstrecke (uplink; Übertragungsrichtung „Mobilstation → Basisstation") und Abwärtsstrecke
(uplink; Übertragungsrichtung „Mobilstation → Basisstation") eines Telekommunikationssystems
mit CDMA-,FDMA- und
TDMA-Vielfachzugriffskomponenten, z.B. eines Joint Detection-CDMA-Mobilfunkkonzeptes,
bei dem entweder – wie
bei dem GSM-System (vgl. 1) – die Daten
gemäß dem FDD-Prinzip in der Aufwärtsstrecke
bzw. Aufwärtsrichtung
(uplink; Übertragung „Mobilstation → Basisstation") und in der Abwärtsstrecke bzw.
Abwärtsrichtung
(downlink; Übertragung „Basisstation → Mobilstation") in unterschiedlichen
Frequenzbändern übertragen
werden oder – wie
bei dem DECT-System (vgl. 2) – die Daten
gemäß dem TDD-Prinzip
in der Aufwärtsstrecke
bzw. Aufwärtsrichtung
(uplink; Übertragung „Mobilstation → Basisstation") und in der Abwärtsstrecke
bzw. Abwärtsrichtung
(downlink; Übertragung „Basisstation → Mobilstation") im gleichen Frequenzband übertragen
werden.
Die
Anzahl der in einem Zeitschlitz gleichzeitig aktiven Teilnehmer
ist z.B. K=8. Die verwendete Trägerbandbreite
B liegt zwischen 1,2 und 1,6 MHz.
4 zeigt ausgehend von der
Darstellung des Vielfachzugriffs in 3 die
aus der Druckschrift Nachrichtentechnik Elektronik, Berlin 45, 1995,
Heft 1, Seiten 10 bis 14 und Heft 2, Seiten 24 bis 27; P.Jung, B.Steiner: „Konzept
eines CDMA-Mobilfunksystems mit gemeinsamer Detektion für die dritte
Mobilfunkgeneration" bekannte,
insbesondere in Bild 5 der Druckschrift dargestellte Zeitschlitzstruktur (Burststruktur)
der Aufwärtsstrecke
(up links Übertragungsrichtung „Mobilteil → Basisstation") des Joint Detection-CDMA-Mobilfunkkonzeptes.
Die
in 4 angegebenen 24
Datensymbole der Nutzdatenblökke
enthalten jeweils mit einem teilnehmerspezifischen Spreizcode mit
einem Spreizfaktor von Q=14 gespreizte als „chip" ausgebildete Datenelemente.
In
der ETSI-Publikation „Tdoc
SMG2, Nr. 359/97, Evaluation Document 3.0, part 1 'system description – performance
evaluation' -, Kap.
2.9 'Support of
TDD', Seiten 33ff." ist auf dem 'ETSI SMG2'-Meeting vom 1, bis
5. Dezember 1997 in Cork/Irland von der „ETSI SMG2 CONCEPT GROUP ALPHA" ein WCDMA/TDD-Vorschlag
(Wideband Direkt Sequence Code Division Multiple Access/Time Division
Duplex) mit zwei TDD-Modi beschrieben.
Beim
ersten Modus wechseln sich Sende- und Empfangszeitschlitz periodisch
ab. Beim zweiten Modus senden und empfangen die Basisstation bzw. die
Mobilstation während
mehrerer aufeinanderfolgender Zeitschlitze. Die Anzahl der einer Übertragungsrichtung
[z.B. der Aufwärtsrichtung
(uplink)] zugeteilten Zeitschlitze erfolgt dabei entsprechend der Asymmetrie
der Datenrate. Beiden Moden ist gemeinsam, daß sich die Übertragungszustände „Senden" und „Empfangen" abwechseln. Dies
bedeutet, daß die
Teilnehmersignale explizit durch CDMA-Codes getrennt werden und daß in einer Übertragungsrichtung
keine Separierung der Teilnehmersignale auf TDMA-Basis bzw. durch
eine TDMA-Komponente erfolgt.
Nachteilig
bei diesem Vorschlag ist weiterhin, daß die Gleichkanalunterdrückung linear
abhängig
ist vom Spreizfaktor. Dieser Spreizfaktor ist im allgemeinen so
gering, daß eine
ausreichende Gleichkanalunterdrückung
nicht gegeben ist. Dies zeigt sich insbesondere bei Residential-Anwendungen
des WCDMA/TDD-Systems, wo die sonst bei Public-Anwendungen WCDMA/TDD-Systems
vorhandenen Systemeigenschaften bzw. Systemmerkmale, wie Soft-Handover
(SHO) und eine zellulare Leistungsregelung (Power-Control), fehlen.
Aus diesem Grund wei sen z.B. die insbesondere für Residential-Anwendungen ausgelegten
bekannten DECT-, (CT1+)–, PHS-
und PACS-Systeme eine TDMA-Komponente in der Zugriffsstruktur auf.
Durch die TDMA-Komponente
kann eine Gleichkanalunterdrückung
von bis zu 100dB erzielt werden.
In
der ETSI-Publikation „Tdoc
SMG2, Nr. 899/97, Evaluation Document 3.0, part 1 'system description – performance
evaluation' –, Seiten
14ff." ist auf dem 'ETSI SMG2'-Meeting vom 1. bis
5. Dezember 1997 in Cork/Irland von der „ETSI SMG2 CONCEPT GROUP DELTA" ein WB-TDMA/CDMA-Vorschlag
(Wide Band-Time
Division Multiple Access/Code Division Multiple Access) mit einem TDD-Modus
beschrieben.
Diese
Lösung
zum TDD-Betrieb von TD/CDMA verwendet Träger der Bandbreite von 1,2
MHz bis max. 1,6 MHz. Der für
die Frequenzplanung maßgebende
Reuse-Faktor ist größer als
1, z.B. 3. Beim Systemmerkmal „Handover" ist „Hard-Handover" (HHO) vorgesehen.
Außerdem
werden TDMA-Zeitrahmen mit 8 Zeitschlitzen verwendet. Ein Teil der
8 Zeitschlitze ist für
die Abwärtsrichtung
(uplink), der andere für
die Aufwärtsrichtung
(downlink) nutzbar. Der Umschaltpunkt (Switching-Point) zwischen „Uplink" und „Downlink" im TDMA-Zeitrahmen
ist variabel.
Nachteilig
ist, daß ein
TDMA-Zeitrahmen nur 8 Zeitschlitze hat. Dadurch ist Flexibilität bei der
Zuweisung der physikalischen Ressourcen (Resource-Allocation) wesentlich
eingeschränkt.
Bei den angegebenen Trägerbandbreiten
von 1,2 bis 1,6 MHz ist außerdem
im TDD-Betrieb keine Datenrate von 2 Mbit/s möglich, da 1–2 Zeitschlitze des TDMA-Rahmens
für die „andere" Übertragungsrichtung reserviert
ist bzw. sind. Nachteilig, insbesondere für Residential-Anwendungen,
ist auch die Frequenzplanung bei einem Reuse-Faktor größer als
1.
Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Telekommunikationssystem
zur drahtlosen Mobiltelekommunikati on im TDD-Modus, insbesondere
ein im ungepaarten Frequenzband arbeitendes Universal-Mobil-Telekommunikationssystem
(UMTS), an ein FDD-WCDMA-Mobiltelekommunikationssystem, insbesondere
an ein im gepaarten Frequenzband arbeitendes Universal-Mobil-Telekommunikationssystem
(UMTS), bezüglich
Trägerbandbreite,
Zeitrahmen und Chiprate zu harmonisieren bzw. soweit wie möglich kompatibel
zu adaptieren.
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Die
der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht – gemäß Patentanspruch 1 – darin,
eine auf den Zugriffsprinzipien CDMA, FDMA und TDMA basierende Luftschnittstelle
eines Telekommunikationssystems, insbesondere eines im ungepaarten/gepaarten
Frequenzband arbeitendes Universal-Mobil-Telekommunikationssystem
(UMTS), – z.B.
Mobilstation, Basisstation, Netz etc. - zur drahtlosen Mobiltelekommunikation
universell – d.h.
unabhängig
von Systemumgebung (z.B. Haus, Stadt, Land, Gebirge etc. in Verbindung
mit der Interferenz-Problematik) und Systemsituation (z.B. Residential-Anwendung
im unlizenzierten Bereich, Public-Anwendung im lizenzierten Bereich) – für große Datenraten
an Sprach- und/oder Paketdaten (voice data and/or packet data), z.B.
in der Größenordnung
von 2Mbit/s, auszulegen.
Für das vorstehend
dargelegte Konzept im TDD-Modus wird vorgeschlagen, die Chiprate – wie beim
WCDMA/TDD-Vorschlag – auf
4,096 Mchip/s zu erhöhen.
Je nach spektraler Formung der Chips hat der Träger dann eine Bandbreite von
4–5 MHz.
Die Anzahl der Zeitschlitze wird gemäß Anspruch 2 vorzugsweise von
8 (WB-TDMA/CDMA-Vorschlag) auf 32 und gemäß Anspruch 3 von 8 auf 24 erhöht. Dadurch
ist eine größere Flexibilität bei der
Zuweisung der physikalischen Ressourcen gegeben.
Da
die Bandbreite gegenüber
dem WB-TDMA/CDMA-Vorschlag in etwa um den Faktor 3 erhöht wurde,
bleibt die Brutto-Datenrate pro Zeitschlitz und CDMA-Code näherungsweise
konstant. Eine Frequenzplanung ist wegen des vorgeschlagenen Reuse-Faktors
von 1 nicht notwendig. Mit Hilfe der Methode „Fractional-Loading" (Teilbelegung von
physikalischen Ressourcen; Stw.: Dynamic Channel Allocation DCA
bzw. Dynamic Resource Alocation DRA) wird der „Quality of Service", insbesondere bei Hard-Handover (HHO), sichergestellt.
Darüber hinaus
ist im Unterschied zu den bisher bekannten zellularen Telekommunikationssystemen
zur drahtlosen Mobiltelekommunikation auch kein Soft-Handover (SHO)
erforderlich, wodurch der Systemaufbau erheblich vereinfacht wird.
Die
Brutto-Datenrate pro CDMA-Code und Zeitschlitz ist bei Verwendung
des „4
PSK"-Modulationsverfahrens
ca. 13kbit/s; die Netto-Datenrate beträgt ca. 8 kbit/s. Diese Werte
für die
Datenrate können
durch die Verwendung des „16
QAM"-Modulationsverfahrens
statt des „4
PSK"-Modulationsverfahrens
verdoppelt werden.
In
den Ansprüchen
4 bis 9 sind die einzelnen Parameter des Systems angegeben.