EP1121831A2 - Funkeinrichtung mit einer rahmenstruktur - Google Patents
Funkeinrichtung mit einer rahmenstrukturInfo
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- EP1121831A2 EP1121831A2 EP99959201A EP99959201A EP1121831A2 EP 1121831 A2 EP1121831 A2 EP 1121831A2 EP 99959201 A EP99959201 A EP 99959201A EP 99959201 A EP99959201 A EP 99959201A EP 1121831 A2 EP1121831 A2 EP 1121831A2
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- EP
- European Patent Office
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- central unit
- radio
- radio device
- container
- time
- Prior art date
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- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
- H04B7/24—Radio transmission systems, i.e. using radiation field for communication between two or more posts
- H04B7/26—Radio transmission systems, i.e. using radiation field for communication between two or more posts at least one of which is mobile
- H04B7/2643—Radio transmission systems, i.e. using radiation field for communication between two or more posts at least one of which is mobile using time-division multiple access [TDMA]
- H04B7/2656—Radio transmission systems, i.e. using radiation field for communication between two or more posts at least one of which is mobile using time-division multiple access [TDMA] for structure of frame, burst
Definitions
- the invention relates to a radio device with a frame structure for the transmission of digital data in a radio system.
- Methods are known from mobile radio technology which allow the simultaneous use of a frequency band by several base stations.
- a central unit e.g. B. operated a base station, which can also be a terminal itself.
- This central unit spans a radio cell which indicates the spatial extent of the coverage area of the central unit.
- radio cells are shown as a hexagon or circle in plan view.
- FIG. 1 shows a cellular network with radio cells Rl to R8. If a radio cell is now opened, the terminals and the central unit generate interferences that extend beyond the limit of the radio cell.
- the method according to the invention is very well suited for operating sectorized radio cells.
- FIG. 3 shows a signaling principle for transmitted ATM cells
- FIG. 4 shows the structure of an overframe
- FIG. 5 shows the structure of a cellular network
- FIG. 6 shows a snapshot of a container occupancy within a transmission frame
- FIG. 7 shows a snapshot as in FIG
- Figure 8 shows an example of a collision resolution within a container
- Figure 9 sectorized radio cells and Figure 10 shows a container assignment for a specific radio cell.
- a protocol (cf. [1], [2], [3]) of layer 2 (DLC layer) is used, which is briefly explained below.
- ATM cells are preferably used as data packets.
- data packets from other protocols above the DLC layer, e.g. IP (Internet Protocol), Ethernet or UMTS.
- IP Internet Protocol
- Ethernet or UMTS.
- a layer is introduced between the DLC layer and the protocol of the higher layer, which adapts the data packets of the higher layer to the requirements of the DLC layer.
- the transmission is preferably carried out according to the TDD (Time division duplex) system.
- the physical channel is divided into time slots, each of which receives a data burst.
- Such a data burst contains an ATM cell including the necessary overhead for a training sequence, synchronization, forward error correction, FEC and
- the central controller assigns each terminal a specific transmission capacity in the form of time slots for a specific time interval, called SP (signaling period), depending on transmission resource requirements of the terminals.
- SP signaling period
- the total number of slots in an SP is variable and varies over time. Another option: the duration of the SP is fixed, the assignment flexible.
- An uplink phase consists of a number of bursts sent by the terminals and an uplink signaling phase.
- the terminals are authorized to send signaling messages to the central controller if they have not been allocated reserved time slots for transmission within the normal bursts (piggy-back procedure). Polling or random access can be used for uplink signaling.
- the signaling PDU protocol data unit
- all bursts are sent from the central controller to the terminals.
- all necessary information for the next SP is transmitted to the terminals.
- the signaling PDU contains feedback messages for previously sent uplink
- Signaling information that is necessary, for example, for collision resolution or functions such as automatic repeat requests (ARQ). With this information, the terminals know when they can send and receive bursts. If different types of bursts, e.g. B. be used short or long, the type of bursts is announced by the central controller within the signaling PDU.
- ARQ automatic repeat requests
- [5] describes a possible method for channel assignment in wireless ATM networks. The reasons why existing methods cannot be used are also listed there.
- frame is used differently than in connection with the description of the present invention. What is called frame (transmission frame) here means signaling period; what is called in [5] frame is called superframe in the following, so that one superframe can consist of several containers.
- the method according to [5] refers to frames with a flexible duration, even if the simulations were carried out with a fixed frame duration.
- the use of a fixed frame duration is particularly important in connection with the invention.
- an ATM cell is filled at 64 kbit / s approximately every 6 ms. This depends on the AAL (adaptation layer) used.
- the present invention proposes to use one container per radio sector, each of which transmits a complete frame (transmission frame).
- a complete frame transmission frame
- the invention provides for the inclusion of voice services in the division of a superframe into several containers in such a way that the duration of an superframe corresponds to the duration during which a data packet, for example an ATM cell, with voice data, e.g. B. a 64 kbit / s connection is filled.
- a data packet for example an ATM cell
- voice data e.g. B. a 64 kbit / s connection
- T index F T index S
- T index R T index S / N index R
- the superframe S is divided into six containers Cl ... C6.
- other numbers of containers are also conceivable.
- a cellular network as shown in FIG. 5 is used. Three frequency channels are available and an overframe consists of six containers.
- the radio cells R1, R2, R4 and R5 are initially active in this example, a snapshot of the frequencies and containers used being shown in FIG. 6.
- Radio cells R1, R2, R3 and R4 have essentially settled in, so that the containers used do not change much from frame to frame.
- the required transmission capacity of the central unit ZE in radio cell R4 has changed before the change from superframe SI
- Superframe S2 increases so that radio cell R4 occupies another container, namely container C5 on frequency channel F3, in superframe S2.
- the central unit ZE in radio cell R3 goes into operation. It initially listens to the channel for a certain time, namely at least for the duration of an overframe, and determines that the frequency channels are occupied in the manner shown in FIG. It is not important that the central unit ZE in radio cell R3 knows the numbering of the containers, nor must the boundary of the overframe be recognized. It is only important to recognize the time limits between the containers.
- the periodicity of the pattern results from listening to a single superframe from the known duration of a superframe, which all central units ZE that operate in these frequency channels must know.
- the central unit ZE concludes that, among other things, the containers C3, C4 and C6 of the frequency channel F3 are free and occupies in
- radio cell R3 would have listened to the superframe SI and determined that the container C5 of the frequency channel F3 is free, and would have decided to occupy it in the superframe S2. In this case there would have been a collision between the central unit ZE in radio cell R5 and the central unit ZE in radio cell R3, which would have used the same container in this case.
- a method such as is used for example in Ethernet-based LANs can be used.
- This procedure is called CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection; see IEEE 802.3) and means that when a collision is detected, both central units ZE immediately refrain from occupying the container and access to it or to another free container, which may be on a different frequency channel, try again after a time that is determined individually by each central unit according to a random process.
- the problem with this method is the collision detection by the sending devices themselves. Therefore, the CSMA / CA (Carrier Sense / Collision Avoidance), as explained below.
- Another way of avoiding collisions when occupying the container is to use procedures which have been developed and which have already been standardized for competition-based MAC protocols for use in wireless LANs (Local Area Networks). These methods are based on the so-called CSMA / CA principle (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance). Such methods are already used in the standards of HIPERLAN Type 1 and IEEE 802.11 systems, see also [6] and [7]. The purpose of the CSMA / CA method used in these standards is to describe a procedure that specifies how multiple devices that want to communicate with each other share and access the shared channel.
- the point is that devices that do not want to communicate with each other use the CSMA / CA method for occupying channels with the aim of not getting in each other's way.
- this enables devices whose communication methods are different and which therefore cannot communicate with one another to share a frequency band in the manner described.
- each central unit ZE selects one or more randomly selected points in time at which it accesses the new container and otherwise listens to whether another central unit ZE is also accessing it.
- a central unit ZE which wants to reserve a container, sends a signal at irregular and randomly selected intervals, with which it announces that it wants to occupy the container in the following superframes. She listens to the container between her own mailings to determine whether another central unit also wants to occupy the container.
- the central unit ZE which has noticed the collision, withdraws and proceeds as described above: Retry access to this container or to another free container, which may also be on another frequency channel , after a time that is determined individually by each central unit ZE according to a random process.
- FIG. 8 An example of such a collision resolution is shown in FIG. 8.
- the central units ZE7 and ZE8, the z. B. could come from Figure 5, try to occupy the same container. To do this, they alternate between listening to the channel and sending out a signal to be used on the channel. Switching between sending and receiving is generally not possible without a time break, which is shown in the drawing by the fact that there is a time gap between sending and listening to the channel (transceiver turnaround interval, TTT).
- TTT time gap between sending and listening to the channel
- the central unit ZE7 selects a shorter time interval than the central unit ZE8, so that the central unit Unit ZE8 hears the central unit ZE7 and gives up trying to occupy the container. Since the central unit ZE7 has not noticed the attempt to access the central unit ZE8, it continues the process until the end of the container.
- the method for collision avoidance can also be used to resolve the “hidden station” problem.
- a central unit ZE1 already uses the container, but is not heard by a central unit ZE2 that wants to occupy the container because it z.
- a terminal that communicates with the central unit ZE1 may very well hear the central unit ZE2 and, when this container is occupied by the central unit ZE2, in its communication with the central unit
- Another solution to the "hidden station” problem is to extend the listening interval (carrier sense). Since a terminal does not necessarily transmit in every frame, it can easily happen that a central unit ZE accepts a container as free after a single listening the listening time before occupying a container is increased so that an active terminal is highly likely to transmit at least once within this listening time, and then the central unit, which tries to handle the container, recognizes that this container already exists is used and the communication in other radio cells would be disturbed by the own assignment.
- the method described above is also very suitable for use in sectored radio cells.
- a system is shown in FIG. 9.
- the central unit ZE In the middle of each radio cell, which is divided into three sectors, there is a central unit ZE. In each of the sectors there is no, one or more terminals that want to communicate with the central unit ZE. It should first be assumed that the central unit ZE serves all sectors with only one frequency. This then results in the occupancy of containers in the frequency channel F3 for the radio cell R3, as shown in FIG. 10. The container assignment of the radio cells R1 and R2 are not shown.
- the sector R3.1 occupies the containers C1 and C4, the sector R3.2 the container C2 and the sector R3.3 does not occupy a container since there is no terminal in it.
- Sectorization reduces the interference between the radio cells. This is mainly due to the directionally selective effect of the sectorization of the radio cells. So it can e.g. B. in certain application scenarios that the container C2 of the frequency channel F3 can already be used again in sector R1.3. In the overall view of a cellular network, this results in a significant improvement in the reusability of frequencies by reducing the interference.
- the duration of an overframe is a multiple of the filling duration Tp.
- a central unit ZE which must support at least one voice connection, can occupy containers that are spaced in time Tp. It is also possible that these containers do not have the exact distance Tp, but that they have approximately the distance Tp, the time offset being limited by the permitted delay variance (Cell Delay Variation, CDV) of the voice connection.
- the container occupancy of a central unit ZE was basically limited to one frequency in the above exemplary embodiments, i.e. different containers of a single frequency channel were occupied. This is often cheap from an implementation perspective. However, it is also possible (and already described in [5]) that a ZE occupies several containers that are on different frequencies. This is also possible in the case of sectored radio cells. If there is only one transmitting / receiving unit in the central unit ZE, this is generally the case
- Transceiver turnaround time must be taken into account, which can lead to the fact that at least one container that is not used by the central unit ZE must lie between occupied containers on different frequency channels. Provided that a ZE more than one
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Abstract
Es wird eine Funkeinrichtung mit einer Rahmenstruktur für die Übertragung digitaler Daten in einem Funksystem vorgeschlagen, wobei ein Überrahmen (S) verwendet wird, der aus mehreren Containern (C1, C2, C3, C4, C5, C6) besteht. Die Dauer des Überrahmens (S) wird so gewählt, dass während dieser Zeit ein Datenpaket mit Sprachdaten einer vorgegeben Bitrate gefüllt werden kann. Ein Container wird so gross gewählt, dass ein vollständiger Übertragungsrahmen darin untergebracht werden kann.
Description
Funkeinrichtung mit einer Rahmenstruktur
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Funkeinrichtung mit einer Rahmenstruktur für die Übertragung digitaler Daten in einem Funksystem. Aus der Mobilfunktechnik sind Verfahren bekannt, die die gleichzeitige Nutzung eines Frequenzbandes durch mehrere Basisstationen erlauben. In einem solchen Funksystem werden mehrere Terminals durch eine zentrale Einheit, z. B. eine Basisstation, die aber auch selbst ein Terminal sein kann, bedient. Diese zentrale Einheit spannt eine Funkzelle auf, die die räumliche Ausdehnung des Abdeckungsbereichs der zentralen Einheit angibt. Im allgemeinen werden solche Funkzellen in der Draufsicht als Sechseck oder Kreis dargestellt . Ein solches System ist in Figur 1 dargestellt . Figur 2 zeigt ein zellulares Netz mit Funkzellen Rl bis R8. Wenn nun eine Funkzelle aufgespannt wird, erzeugen die Terminals und die zentrale Einheit Interferenzen, die über die Grenze der Funkzelle hinausreichen. Dadurch kann der Betrieb einer zweiten Funkzelle, die den gleichen Frequenzkanal verwendet, ganz oder teilweise unmöglich gemacht werden. So könnte z. B. in Figur 2 in Funkzellen Cl und C4 die gleiche Frequenz verwendet werden. Aufgrund der geringen Entfernung sind die Signale von C4 störend für den Betrieb in Cl und umgekehrt . Dieses Problem tritt vorwiegend dann auf, wenn die Anzahl der erlaubten Frequenzkanäle gering ist .
Um dieses Problem zu lösen wurden bisher vielfältige Lösungen vorgeschlagen, die im Wesentlichen auf einer Trennung der Funkkanäle in Frequenz- oder Coderichtung (FDMA und CDMA) beruhen. In letzter Zeit gibt es darüber hinaus Vorschläge, die Kanäle in Zeitrichtung zu trennen. Ein Beispiel hierfür ist das DECT-System.
Vorteile der Erfindung
Mit den Maßnahmen der Erfindung ist eine Unterstützung von Sprachdiensten über ATM (Voice over ATM) möglich. Es läßt sich eine effektive Ausnutzung der Funkressourcen erreichen, da der Aufwand für Overhead aufgrund der relativ großen Länge eines Übertragungsrahmens geringer wird. In Weiterbildungen der Erfindung wird angegeben, wie
Kollisionen auf einfache Weise aufgelöst werden. Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich sehr gut zum Betreiben sektorisierter Funkzellen.
Zeichnungen
Anhand der weiteren Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen
Figur 3 ein Signalisierungsprinzip für übertragene ATM- Zellen,
Figur 4 den Aufbau eines Überrahmens,
Figur 5 den Aufbau eines zellularen Netzes,
Figur 6 eine Momentanaufnahme einer Containerbelegung innerhalb eines Übertragungsrahmens, Figur 7 eine Momentanaufnahme wie in Figur 6 nach
Hinzukommen einer weiteren Funkzelle,
Figur 8 ein Beispiel für eine Kollisionsauflösung innerhalb eines Containers und
Figur 9 sektorisierte Funkzellen und
Figur 10 eine Containerbelegung für eine bestimmte Funkzelle .
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Bevor der Aufbau der Rahmenstruktur nach der Erfindung näher erläutert wird, werden zuvor einige Vorraussetzungen und Definitionen erläutert, die in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung benutzt werden.
Für das hier betrachtete Ausführungsbeispiel wird ein Protokoll (vgl. [1], [2], [3]) der Schicht 2 (DLC-Schicht) verwendet, das im Folgenden kurz erläutert wird. Als Datenpakete werden vorzugsweise ATM-Zellen verwendet. Es ist aber auch möglich, Datenpakete anderer Protokolle oberhalb der DLC-Schicht zu verwenden, z.B. IP (Internet Protocol) , Ethernet oder UMTS . In diesem Falle wird eine Schicht zwischen der DLC-Schicht und dem Protokoll der höheren Schicht eingeführt, die die Datenpakete der höheren Schicht an die Erfordernisse der DLC-Schicht anpaßt.
Gemäß Figur 3, die das Grundprinzip der DSA-Protokolls (Dynamic Slot Assignment) zeigt, ausführlich beschrieben in der deutschen Patentanmeldung P 197 26 120.5, erfolgt die Übertragung vorzugsweise nach dem TDD (Time division duplex) -System. Der physikalische Kanal ist in Zeitschlitze unterteilt, die jeweils einen Datenburst aufnehmen. Ein solcher Datenburst enthält eine ATM-Zelle einschließlich dem notwendigen Overhead für eine Trainingssequenz, Synchronisation, Vorwärtsfehlerkorrektur, FEC und
Schutzzeiten. Im Downlink-Signalisierungsburst teilt der zentrale Controller jedem Terminal eine bestimmte Übertragungskapazität in Form von Zeitschlitzen für ein spezifisches Zeitintervall, SP (Signaling Period) genannt, zu in Abhängigkeit von Übertragungsressourcenanforderungen
der Terminals. Die Gesamtzahl der Schlitze eines SP ist variabel und variiert über der Zeit. Weitere Möglichkeit: die Dauer der SP ist fix, die Belegung flexibel.
Eine Uplink-Phase besteht aus einer Anzahl von Bursts, die von den Terminals gesendet werden, und einer Uplink- Signalisierungsphase . Während der Uplink- Signalisierungsphase sind die Terminals berechtigt, Signalisierungsmeldungen an den zentralen Controller zu senden, wenn sie keine reservierten Zeitschlitze zugeteilt bekommen haben für die Übermittlung innerhalb der normalen Bursts (Piggy-Back-Verfahren) . Für die Uplink-Signalisierung ist Polling oder Random Access anwendbar. In der Downlink- Phase werden die Signalisierungs-PDU (Protocoll Data Unit) und alle Bursts vom zentralen Controller zu den Terminals gesendet. Innerhalb einer Signalisierungs-PDU werden alle notwendigen Informationen für die nächste SP einschließlich der Signalisierungsschlitze zu den Terminals übertragen. Zusätzlich enthält die Signalisierungs-PDU Feedback- Meldungen für zuvor ausgesendete Uplink-
Signalisierinformationen, die beispielsweise für eine Kollisionsauflösung oder Funktionen wie automatische Wiederholungsanforderungen (ARQ) notwendig sind. Mit diesen Informationen wissen die Terminals, wann sie Bursts senden dürfen und empfangen können. Wenn unterschiedliche Arten von Bursts, z. B. kurz oder lang, benutzt werden, wird die Art der Bursts vom zentralen Controller innerhalb der Signalisierungs-PDU angekündigt.
Der Grund für die Verwendung eines solchen Protokolls der DLC-Schicht ist die Notwendigkeit, Dienstgüte für ATM- Verkehr zu garantieren, siehe auch [4] . Deswegen wird ein zentral gesteuertes MAC-Protokoll verwendet, daß sich so in keinem bisher im Einsatz befindlichen Funksystem findet. Dies bedingt wiederum, daß bereits eingeführte Verfahren für
die gemeinsame Nutzung für Frequenzen hier nicht verwendet werden können, wie z. B. das DECT-Verfahren.
In [5] ist ein mögliches Verfahren zur KanalZuweisung in drahtlosen ATM-Netzen beschrieben. Dort sind auch die Gründe aufgeführt, warum bestehende Verfahren nicht verwendet werden können. In [5] wird der Begriff Rahmen (Frame) anders verwendet als im Zusammenhang mit der Beschreibung vorliegender Erfindung. Was hier Rahmen (Übertragungsrahmen) heißt, heißt dort Signaling Period; was in [5] Frame heißt, das wird im folgenden Überrahmen genannt, so daß ein Überrahmen aus mehreren Containern bestehen kann.
Es wird später unter anderem auf die Verwendung des beschriebenen Verfahrens für die günstige Implementierung eines solchen Systems für sektorisierte Funkzellen eingegangen werden.
Das Verfahren gemäß [5] bezieht sich auf Rahmen (Frames) mit flexibler Dauer, auch wenn die Simulationen mit fester Rahmendauer durchgeführt wurden. Besonders wichtig im Zusammenhang mit der Erfindung ist allerdings die Verwendung einer festen Rahmendauer.
In [5] wird ein Rahmen auf mehrere Container aufgeteilt.
Dies erfordert einen sehr hohen Verwaltungsaufwand für die zeitliche Steuerung sowohl in der zentralen Einheit ZE als auch in den Terminals. Außerdem gibt [5] keine bestimmte Dauer für einen Überrahmen an. Der kritischste Dienst in ATM-Netzen ist der Sprachdienst. Sprache hat zwar eine recht geringe Datenrate, z. B. <= 64 kbit/s, hat dafür aber sehr hohe Anforderungen an die Ende-zu-Ende Verzögerung der Pakete sowie die Varianz dieser Verzögerung. Angenommen die Ende-zu-Ende Verzögerung ist begrenzt auf 50 ms, dann kann jedes Netzelement einen gewissen Anteil dieser Verzögerung
erzeugen. Im Falle des drahtlosen Übertragungssystems seien dies 5 ms Verzögerung und etwa 2 ms Verzögerungsvarianz . Zudem muß in Betracht gezogen werden, daß bei 64 kbit/s etwa alle 6 ms eine ATM-Zelle gefüllt wird. Dies hängt vom verwendeten AAL (Adaption Layer) ab. Eine ATM-Zelle enthält 48 Nutzbytes, davon verwenden: AAL5 =1 Byte; AAL1 =2 Byte; AAL2 =3 Byte, so daß nur noch 47, bzw. 46, bzw. 45 Nutzbytes zur Verfügung stehen. Das ergibt eine Füllzeit für AAL5 = 5,875 ms; AAL1 = 5,75 ms; AAL2 = 5,625 ms. Wenn für Sprachverbindungen nicht mindestens ein Container im Abstand der Füllzeit für eine Sprachverbindung zur Verfügung steht, ist die Unterstützung von Sprachdiensten über ATM (Voice over ATM) nicht möglich. Daher sieht die vorliegende Erfindung vor, einen Überrahmen mit einer Dauer von der Füllzeit eines Datenpaketes vorzugsweise ca. 6 ms oder Vielfachen davon zu verwenden.
Die vorliegende Erfindung schlägt in einer Ausgestaltung vor, pro Funksektor einen Container zu verwenden, der jeweils einen kompletten Rahmen (Übertragungsrahmen) überträgt. Durch die Berücksichtigung der 6 ms Füllzeit für Sprachverbindungen läßt sich damit eine effizientere Ausnützung der Funkressourcen erreichen, da der Aufwand für Overhead aufgrund der relativ großen Länge eines Rahmens geringer wird.
Die Erfindung sieht die Einbeziehung von Sprachdiensten in die Aufteilung eines Überrahmens in mehrere Container derart vor, daß die Dauer eines Überrahmens der Dauer entspricht, während derer ein Datenpaket, beispielsweise, eine ATM- Zelle, mit Sprachdaten z. B. einer 64 kbit/s-Verbindung gefüllt wird. Als erfindungsgemäße Ausgestaltung soll die Dauer, die für das Füllen einer ATM-Zelle mit Sprachinformationen benötigt wird (T Index F) in etwa der Dauer eines Überrahmens entsprechen. Es gilt dann:
T Index F = T Index S Die Dauer eines einzelnen Rahmens T Index R wird errechnet aus der Dauer eines Überrahmens T Index S geteilt durch die Anzahl der Rahmen pro Überrahmen (N Index R) : T Index R = T Index S/ N Index R
Damit ergibt sich, daß die Dauer eines Containers T Index C gleich der Dauer eines Rahmens ist :
T Index C = T Index R
Dieser Sachverhalt ist in Figur 4 dargestellt. Im angeführten Beispiel wird der Überrahmen S in sechs Container Cl ... C6 unterteilt. Es sind allerdings auch andere Anzahlen von Containern denkbar . Im folgenden wird ein zellulares Netz wie in Figur 5 gezeigt zugrunde gelegt. Es seien drei Frequenzkanäle verfügbar und ein Überrahmen bestehe aus sechs Containern. Die Funkzellen Rl, R2 , R4 und R5 sind in diesem Beispiel zunächst aktiv, wobei eine Momentaufnahme der verwendeten Frequenzen und Container in Figur 6 zu sehen ist. Die Zentraleinheiten ZE in den
Funkzellen Rl, R2, R3 und R4 haben sich im wesentlichen eingeschwungen, so daß sich die verwendeten Container von Rahmen zu Rahmen nicht sehr ändern. Die benötigte Übertragungskapazität der zentralen Einheit ZE in Funkzelle R4 hat sich vor dem Wechsel von Überrahmen SI nach
Überrahmen S2 erhöht, so daß die Funkzelle R4 in Überrahmen S2 einen weiteren Container, nämlich den Container C5 auf Frequenzkanal F3 , belegt . Im nächsten Schritt geht die zentrale Einheit ZE in Funkzelle R3 in Betrieb. Sie hört zunächst eine gewisse Zeit, nämlich mindestens für die Dauer eines Überrahmens, den Kanal ab und stellt fest, daß die Frequenzkanäle in der Weise wie in Figur 6 dargestellt belegt sind. Dabei ist es nicht wichtig, daß die zentrale Einheit ZE in Funkzelle R3 die Nummerierung der Container kennt, noch muß die Grenze des Überrahmens erkannt werden.
Es ist lediglich wichtig, die zeitlichen Grenzen zwischen den Containern zu erkennen. Außerdem ergibt sich die Periodizität des Musters aus dem Abhören eines einzigen Überrahmens aus der bekannten Dauer eines Überrahmens, die alle zentralen Einheiten ZE kennen müssen, die in diesen Frequenzkanälen arbeiten.
Aus dem Ergebnis des Abhörens des Überrahmens S2 schließt die zentrale Einheit ZE, daß unter anderem die Container C3, C4 und C6 des Frequenzkanals F3 frei sind, und belegt in
Überrahmen S3 zunächst den Container C4 des Frequenzkanals F3. Das sich nun ergebende Muster der benutzten Container ist in Figur 7 gezeigt.
Angenommen Funkzelle R3 hätte den Überrahmen SI abgehört und festgestellt, daß der Container C5 des Frequenzkanals F3 frei ist, und hätte sich entschieden, diesen in Überrahmen S2 zu belegen. In diesem Falle hätte es eine Kollision zwischen der zentralen Einheit ZE in Funkzelle R5 und der zentralen Einheit ZE in Funkzelle R3 gegeben, die in diesem Fall den gleichen Container verwendet hätten. Um dies zu vermeiden, kann ein Verfahren wie es beispielsweise in Ethernet-basierten LANs verwendet wird, zum Einsatz kommen. Dieses Verfahren heißt CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection; siehe IEEE 802.3) und bedeutet, daß bei Erkennung einer Kollision beide zentralen Einheiten ZE sofort von der Belegung des Containers absehen und den Zugriff auf diesen oder auf einen anderen freien Container, der auf einem anderen Frequenzkanal liegen kann, nach einer Zeit, die von jeder zentralen Einheit individuell nach einem Zufallsprozeß ermittelt wird, erneut versuchen. Die Problematik bei diesem Verfahren ist die Kollisionserkennung durch die sendenden Geräte selbst . Daher wurde für die MAC- Schicht in drahtlosen LANs das CSMA/CA-Verfahren (Carrier
Sense/Collision Avoidance) entwickelt, wie nachfolgend erläutert wird.
Eine weitere Möglichkeit, Kollisionen bei der Belegung des Containers zu vermeiden, sind Verfahren, wie sie für wettbewerbsbasierte MAC-Protokolle für den Einsatz in drahtlosen LANs (Local Area Networks) entwickelt und bereits standardisiert worden sind. Diese Verfahren beruhen auf dem sogenannten CSMA/CA-Prinzip (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) . Solche Verfahren kommen bereits in den Standards von HIPERLAN Typ 1 und IEEE 802.11-Systemen zum Einsatz, siehe auch [6] und [7] . Das in diesen Standards verwendete CSMA/CA-Verfahren hat den Zweck, eine Prozedur zu beschreiben, die festschreibt, wie mehrere Geräte, die miteinander kommunizieren wollen, sich den gemeinsam genutzten Kanal teilen und darauf zugreifen. Im Falle der vorliegenden Erfindung geht es darum, daß Geräte die nicht miteinander kommunizieren wollen, das CSMA/CA-Verfahren zur Belegung von Kanälen verwenden mit dem Ziel, einander nicht in die Quere zu kommen. Dies ermöglicht es insbesondere, daß Geräte, deren Kommunikationsverfahren unterschiedlich sind und die daher nicht miteinander kommunizieren können, sich ein Frequenzband in der beschriebenen Weise teilen.
Im Gegensatz zu den in [6] und [7] beschriebenen Verfahren ist es im Rahmen der Verfahren der Erfindung nicht nötig, daß der Zugriff prioritätengesteuert vonstatten geht. Vielmehr reicht es aus, wenn sich jede zentrale Einheit ZE einen oder mehrere zufällig gewählte Zeitpunkte aussucht, zu denen sie auf den neuen Container zugreift, und ansonsten zuhört, ob eine andere zentrale Einheit ZE ebenfalls zugreift .
Eine weitere Möglichkeit ergibt sich, wenn man einen ganzen Container für die Kollisionsvermeidung verwendet. Dies ist
z. B. sinnvoll, wenn die Dauer eines Containers einem ganzen Rahmen entspricht, denn dann paßt nach der Kollisionsvermeidungsphase sowieso kein ganzer Rahmen mehr in den Container. In diesem Fall sendet eine zentrale Einheit ZE, die einen Container reservieren will, in unregelmäßigen und zufällig gewählten Zeitabständen ein Signal, mit dem sie bekanntgibt, daß sie den Container in folgenden Überrahmen belegen will. Zwischen den eigenen Aussendungen hört sie den Container ab, um festzustellen, ob eine andere zentrale Einheit ebenfalls den Container belegen will. Wenn sie feststellt, daß dies der Fall ist, zieht sich die zentrale Einheit ZE, die die Kollision bemerkt hat, zurück und geht vor wie zuvor beschrieben: Erneuter Zugriffsversuch auf diesen oder auf einen anderen freien Container, der auch auf einem anderen Frequenzkanal liegen kann, nach einer Zeit die von jeder zentralen Einheit ZE individuell nach einem Zufallsprozeß ermittelt wird.
Ein Beispiel für eine solche Kollisionsauflösung ist in Figur 8 gezeigt. Die zentralen Einheiten ZE7 und ZE8, die z. B. aus Figur 5 stammen könnten, versuchen, den gleichen Container zu belegen. Dazu wechseln beide zwischen Abhören des Kanals und Aussenden eines Signals, mit dem der Kanal belegt werden soll. Das Umschalten zwischen Senden und Empfangen ist im allgemeinen nicht ohne zeitliche Pause möglich, was in der Zeichnung dadurch dargestellt ist, daß zwischen Senden und Abhören des Kanals eine zeitliche Lücke besteht (Transceiver Turnaround Intervall, TTT) . Zunächst hören beide zentralen Einheiten ZE den Kanal ab. Dann beginnen beide, leicht zeitversetzt zu senden. Aufgrund des TTT bemerken aber beide nicht, daß gleichzeitig auch ein Zweiter sendet . Sie senden beide noch ein zweites Mal fast gleichzeitig und bemerken sich dabei nicht. Beim dritten Mal wählt die zentrale Einheit ZE7 einen kürzeren zeitlichen Abstand als die zentrale Einheit ZE8, so daß die zentrale
Einheit ZE8 die zentrale Einheit ZE7 hört und den Versuch aufgibt, den Container zu belegen. Da die zentrale Einheit ZE7 nichts vom Zugriffsversuch der zentralen Einheit ZE8 bemerkt hat, setzt sie den Vorgang weiter bis zum Ende des Containers fort .
Das Verfahren zur Kollisionsvermeidung kann auch zur Auflösung des „Hidden Station" Problems verwendet werden. In diesem Fall verwendet eine zentrale Einheit ZEl bereits den Container, wird aber von einer zentralen Einheit ZE2, die den Container belegen will, nicht gehört, weil sie z. B. gerade nicht im Funkempfangsbereich ist. Es kann aber sein, daß ein Terminal, das mit der zentralen Einheit ZEl kommuniziert, sehr wohl die zentrale Einheit ZE2 hören und durch eine Belegung dieses Containers durch die zentrale Einheit ZE2 in seiner Kommunikation mit der zentralen Einheit ZEl gestört werden könnte. In diesem Fall kann es günstig sein, wenn das Terminal den Zugriffsversuch der zentralen Einheit ZE2 vereitelt, in dem es in eine Sendepause der zentralen Einheit ZE2 hinein sendet (siehe
Figur 8) , auch wenn es dadurch kurzzeitig die Kommunikation in der Funkzelle, die von der zentralen Einheit ZEl ausgebildet wird, stört.
Eine weitere Lösung des „Hidden Station" Problems ist die Verlängerung des Abhörintervalls (Carrier Sense) . Da ein Terminal nicht zwingend in jedem Rahmen sendet, kann es leicht passieren, daß eine zentrale Einheit ZE einen Container nach einmaligem Abhören als frei annimmt. Dazu muß die Abhördauer vor Belegung eines Containers so erhöht werden, daß ein aktives Terminal mit hoher Wahrscheinlichkeit innerhalb dieser Abhördauer mindestens einmal sendet. Dann erkennt die zentrale Einheit, die sich um den Container bemüht, daß dieser Container bereits
benutzt wird und durch die eigene Belegung die Kommunikation in anderen Funkzellen gestört würde.
Das zuvor beschriebene Verfahren eignet sich auch sehr gut zur Nutzung in sektorisierten Funkzellen. Ein solches System ist in Figur 9 dargestellt. In der Mitte jeder Funkzelle, die jeweils in drei Sektoren eingeteilt sind, befindet sich eine zentrale Einheit ZE . In jedem der Sektoren hält sich kein, ein oder mehrere Terminals auf, die mit der zentralen Einheit ZE kommunizieren wollen. Es soll zunächst angenommen werden, daß die zentrale Einheit ZE alle Sektoren mit nur einer Frequenz bedient. Dann ergibt sich für die Funkzelle R3 die Belegung von Containern im Frequenzkanal F3 wie in Figur 10 abgebildet. Die Containerbelegung der Funkzellen Rl und R2 sind nicht dargestellt . Der Sektor R3.1 belegt die Container Cl und C4 , der Sektor R3.2 den Container C2 und der Sektor R3.3 belegt keinen Container, da sich in ihm kein Terminal befindet .
Durch die Sektorisierung wird die Interferenz zwischen den Funkzellen vermindert. Dies beruht vorwiegend auf der richtungsselektiven Wirkung der Sektorisierung der Funkzellen. So kann es z. B. in bestimmten Anwendungsszenarien möglich sein, daß der Container C2 des Frequenzkanals F3 bereits in Sektor R1.3 wieder verwendet werden kann. Dies ergibt in der Gesamtsicht eines zellularen Netzes eine erhebliche Verbesserung der Wiederverwendbarkeit von Frequenzen durch Verminderung der Interferenzen.
Es ist auch möglich, die zuvor angeführten erfindungsgemäßen Maßnahmen auszuführen, wenn die Dauer eines Überrahmens ein Vielfaches der Fülldauer Tp beträgt. In diesem Fall kann eine zentrale Einheit ZE, die mindestens eine Sprachverbindung unterstützen muß, Container belegen, die zeitlich den Abstand Tp haben. Es ist auch möglich, daß
diese Container nicht genau den Abstand Tp haben, sondern daß sie ungefähr den Abstand Tp haben, wobei der zeitliche Versatz durch die erlaubte Verzögerungsvarianz (Cell Delay Variation, CDV) der Sprachverbindung begrenzt wird.
Die Containerbelegung einer zentralen Einheit ZE wurde in den obigen Ausführungsbeispielen grundsätzlich auf eine Frequenz begrenzt, d.h. es wurden verschiedene Container eines einzigen Frequenzkanals belegt . Dies ist oft günstig aus Implementierungssicht. Es ist allerdings auch möglich (und in [5] bereits beschrieben) , daß eine ZE mehrere Container belegt, die auf verschiedenen Frequenzen liegen. Dies ist auch im Falle von sektorisierten Funkzellen möglich. Ist in der zentralen Einheit ZE nur eine Sende- /Empfangseinheit vorhanden, ist im allgemeinen die
Transceiver Turnaround Time zu berücksichtigen, was dazu führen kann, daß zwischen belegten Containern auf verschiedenen Frequenzkanälen mindestens ein Container liegen muß, der von der zentralen Einheit ZE nicht verwendet wird. Unter der Voraussetzung, daß eine ZE mehr als einen
Sende- und Empfangszweig hat, ist es allerdings möglich, daß eine ZE verschiedene Container auf verschiedenen Frequenzkanälen verwendet, die zeitlich gleich oder direkt hintereinander liegen.
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Claims
1. Funkeinrichtung mit einer Rahmenstruktur für die Übertragung digitaler Daten in einem Funksystem, welches insbesondere mehrere zentrale Einheiten (ZE) umfaßt, denen jeweils mehrere Teilnehmer zugeordnet sind, unter Einbeziehung von digitalen Sprachdiensten, wobei die einzelnen Sprachdienste in Datenpakete innerhalb der Rahmenstruktur untergebracht sind, mit folgenden Merkmalen: -es wird ein Überrahmen (S; SI, S2 , S3... ) verwendet, der aus mehreren Containern (C; Cl, C2, C3 , ... ) besteht, -ein Container (C; Cl, C2 , C3... ) ist so groß gewählt, daß mindestens ein vollständiger Übertragungsrahmen, insbesondere bestehend aus Uplink-und Downlinkdatenpaketen sowie zugehöriger Signalisierungsdaten, darin untergebracht werden kann.
2. Funkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Überrahmens (S; SI, S2, S3... ) so gewählt ist, daß während dieser Zeit oder Vielfachen hiervon ein Datenpaket unter Berücksichtigung von Verzögerungen innerhalb des Funksystems mit Sprachdaten einer vorgegebenen Bitrate gefüllt werden kann.
3. Funkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene zentrale
Einheiten/Basisstationen (ZE) einen Zeitschlitz für einen Übertragungsrahmen oder einen Container belegen können und Maßnahmen zur Kollisionsvermeidung vorgesehen sind.
4. Funkeinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer Funkzelle (Rl, R2 , R3... ) des Funksystems nur ein oder mehrere Container (C) sowie nur ein oder mehrere Frequenzkanäle zugeordnet sind.
5. Funkeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Kollisionsvermeidung folgende Maßnahmen vorgesehen sind:
-eine zentrale Einheit (ZE) , die die Belegung eines Überrahmens beabsichtigt, hört zumindest einen kompletten Überrahmen ab,
-aus dem Ergebnis des Abhörens werden freie Kapazitäten für Übertragungsrahmen in den jeweiligen Frequenzkanälen festgestellt, -es wird ein noch freier Frequenzkanal belegt,
-wenn es zu einer Kollision mit einer weiteren zentralen Einheit (ZE) kommt, die den gleichen Zeitschlitz für einen Übertragungsrahmen in einem der Frequenzkanäle ebenfalls benutzt, sieht/sehen eine oder beide zentrale/n Einheit/en (ZE) sofort von der Belegung dieses Zeitschlitzes ab und versucht/versuchen nach einer Zeitspanne erneut die Belegung .
6. Funkeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Kollisionsvermeidung folgende Maßnahmen vorgesehen sind:
-eine zentrale Einheit (ZE) , die die Belegung eines Überrahmens mit einem ganzen Container beabsichtigt, sendet in unregelmäßigen, insbesondere zufälligen, Abständen ein Signal, mit dem sie bekannt gibt, daß sie den Container im folgenden Überrahmen belegen möchte,
-zwischen den eigenen Aussendungen hört sie den Container ab, um festzustellen, ob eine andere zentrale Einheit (ZE) ebenfalls den Container belegen möchte, -wenn sie feststellt, daß dies der Fall ist, zieht sich die zentrale Einheit (ZE) , die die Kollision bemerkt hat, zurück und versucht nach einer Zeitspanne erneut die Belegung.
7. Funkeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Kollisionsvermeidung ein an sich bekanntes CSMA/CA-Verfahren verwendet wird.
8. Funkeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich jede zentrale Einheit (ZE) den Zeitpunkt eines erneuten Belegungsversuches nach einer festgestellten Kollision, insbesondere nach dem Zufallsprinzip, wählt.
9. Funkeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine zentrale Einheit (ZE) für einen Belegungsversuch anstelle eines Zeitschlitzes für einen Übertragungsrahmen einen ganzen Container (C) reserviert .
10. Funkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Funksystem aus sektorisierten Funkzellen besteht.
11. Funkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale Einheit (ZE) jeweils nur einen Container (C) insbesondere pro Funksektor belegt .
12. Funkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale Einheit (ZE) mehrere Container (C) in einem oder unterschiedlichen Frequenzkanälen belegt .
13. Funkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale Einheit (ZE) mit mehreren Sende- und Empfangszweigen verschiedene Container
(C) auf verschiedenen Frequenzkanälen belegt, die zeitlich gleich oder direkt hintereinander liegen.
14. Funkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Datenpaket eine ATM-Zelle verwendet wird.
15. Funkeinrichtung nach Anspruch 14 , dadurch gekennzeichnet, daß ein zentral gesteuertes Protokoll, insbesondere ein MAC-Protokoll , oder ein Internet-, Ethernet- oder ein UMTS-Protokoll zur Funkverkehrsabwicklung verwendet wird.
16. Funkeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahmen zur Kollisionsvermeidung zur Auflösung des „Hidden Station Problems", d.h. insbesondere wird ein Terminal deshalb nicht bemerkt, weil es außerhalb des Funkempfangsbereiches seiner zentralen Einheit (ZE) liegt oder eine zentrale Einheit liegt außerhalb des Funkempfangsbereiches einer anderen zentralen Einheit (ZE) , verwendbar sind und daß ein durch einen solchen Belegungsversuch gestörtes Terminal gegebenenfalls in eine Sendepause der den Belegungsversuch vornehmenden zentralen Einheit (ZE) hinein sendet, um diesen Belegungsversuch zu vereiteln.
17. Funkeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kollisionsvermeidung die Abhördauer für die einen Belegungsversuch vornehmende zentrale Einheit (ZE) so groß gewählt wird, daß während dieser Zeit ein aktives Terminal mit hoher Wahrscheinlichkeit einmal sendet, insbesondere wenn es nicht in jedem Übertragungsrahmen sendet.
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