Slanina, Peter (Wehrgasse 13 Judenau, A-3441, AT)
Mecklenbräuker, Christoph (Langobardenstrasse 126/2/23 Wien, A-1220, AT)
Slanina, Peter (Wehrgasse 13 Judenau, A-3441, AT)
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, D-80506, DE)
| 1. | Verfahren zur Signalübertragung in einem Kanal (RACH) zum willkürlichen Zugriff eines FunkKommunikationssystems, bei dem mehrere Teilnehmerstationen (MS) den Kanal (RACH) zum will kürlichen Zugriff unkoordiniert benutzen, die Teilnehmerstationen (MS) eine Signalübertragung in diesem Kanal (RACH) mit einer einstellbaren Sendeleistung vornehmen, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilnehmerstationen (MS) die Sendeleistung nach einem Zufallsprinzip einstellen. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Zufallsprinzip nur für eine Teilmenge der ersten Aus sendungen der Signalübertragung angewendet wird. |
| 3. | Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem für einen die Sendeleistung einstellenden Zufallsgenerator die mittlere Sendeleistung vorgegeben ist. |
| 4. | Verfahren nach Anspruch 3, bei dem sich die mittlere Sendeleistung an gemessenen Dämpfungswerten der Funkschnittstelle zwischen Basisstation (BS) und Teilneh merstation (MS) orientiert. |
| 5. | Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Dämpfungswerte durch Auswertung der Empfangsleistung eines Organisationskanals (BCCH) bestimmt werden. |
| 6. | Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem für einen die Sendeleistung einstellenden Zufallsgenerator die Varianz der Sendeleistung mehrerer Aussendungen vorge geben ist. |
| 7. | Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem für einen die Sendeleistung einstellenden Zufallsgenerator der Korrelationskoeffizient für die Sendeleistungen mehrerer aufeinanderfolgender Aussendungen einer Teilnehmerstation (MS) vorgegeben ist. |
| 8. | Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Aussendungen als Aufforderung zur Zuteilung funktech nischer Ressourcen, als Quittierung oder als Meldungen zur Aktualisierung des Aufenthaltsortes von Teilnehmerstationen (MS) gesendet werden. |
| 9. | Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Kanal (RACH) breitbandig ist und nach einem TDDoder FDDModus eines UMTSMobilfunksystems organisiert ist. |
| 10. | Teilnehmerstation (MS) für ein FunkKommunikationssystem, wobei das FunkKommunikationssystem einen Kanal (RACH) zum willkürlichen Zugriff aufweist, den mehrere Teilnehmer stationen (MS) unkoordiniert benutzen, mit einer Sendeeinrichtung zur Signalübertragung im Kanal (RACH) zum willkürlichen Zugriff, mit einer Steuereinrichtung, die die Sendeleistung der Sig nalübertragung entsprechend einem Zufallsprinzip einstellt. |
In Funk-Kommunikationssystemen werden Nachrichten (beispiels- weise Sprache, Bildinformation oder andere Daten) mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen über eine Funkschnittstelle übertragen. Die Funkschnittstelle bezieht sich auf eine Ver- bindung zwischen einer Basisstation und Teilnehmerstationen, wobei die Teilnehmerstationen Mobilstationen oder ortsfeste Funkstationen sein können. Das Abstrahlen der elektromagne- tischen Wellen erfolgt dabei mit Trägerfrequenzen, die in dem für das jeweilige System vorgesehenen Frequenzband liegen.
Für zukünftige Funk-Kommunikationssysteme, beispielsweise das UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) oder andere Systeme der 3. Generation sind Frequenzen im Frequenzband von ca. 2000 MHz vorgesehen.
Ein Kanal zum willkürlichen Zugriff (RACH random access chan- nel) eines Funk-Kommunikationssystems zeichnet sich dadurch aus, daß der Zugriff auf diesen Kanal nicht koordiniert ist.
Die Mobilstationen einer Funkzelle können diesen Kanal ohne vorherige Zuteilung nutzen, um beispielsweise eine darauf- folgende Zuteilung von funktechnischen Ressourcen z. B. beim Verbindungsaufbau anzufordern.
Durch den unkoordinierten Zugriff kommt es jedoch zu Kolli- sionen zwischen den Aussendungen der einzelnen Mobilsta- tionen. Wenn sich bei einer empfangenden Basisstation die Aussendungen mehrerer Mobilstationen überlagern, dann sind die Aussendungen nicht mehr detektierbar und die Mobilsta- tionen erhalten damit auch keine Quittierung der Aussendung.
Nach einer Kollision versuchen die Mobilstationen erneut, im Kanal für den willkürlichen Zugriff zu senden. Je häufiger der Zugriff wiederholt werden muß, um so länger ist die War- tezeit und um so mehr sinkt die Effizienz dieses Zugriffs- verfahrens.
In DE 198 17 771 wurde daher vorgeschlagen, zueinander zeit- liche orthogonale Zugriffsblöcke zuzulassen und durch Wahl eines von mehreren unterschiedlichen Zugriffsblöcke, d. h. von unterschiedlichen Sendezeitpunkten innerhalb des Kanals, die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zu verringern. Aus ETSI SMG2 UMTS Ll Expert Group, Tdoc SMG2 UMTS-L1 455/98,14.
Oktober 1998, ist eine weitere Möglichkeit bekannt geworden, die Effizienz des Verfahrens zu verbessern. Hierbei wird vorgeschlagen, eine schrittweise Leistungserhöhung vorzu- sehen. Die Mobilstation beginnen mit einer zur normalen Leistungseinstellung reduzierten Sendeleistung und erhöhen die Sendeleistung schrittweise bis eine Empfangsbestätigung der Basisstation vorliegt.
Diese Verfahren stellen die Sendeleistung nach rein deter- ministischen Gesichtspunkten ein, so daß es bei gleichem Szenario immer wieder zu den gleichen Kollisionsproblemen kommt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz der Signalübertragung im Kanal zum willkürlichen Zugriff weiter zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Teilnehmerstation mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbil- dungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß benutzen mehrere Teilnehmerstationen den Kanal zum willkürlichen Zugriff unkoordiniert und übertragen Signale in diesem Kanal mit einer Sendeleistung, die nach einem Zufallsprinzip eingestellt wird. Die deterministische Sendeleistungsregelung wird durch eine stochastische Sende-
leistungsregelung ersetzt. Für eine wiederholte Aussendung zweier Teilnehmerstationen ist es unwahrscheinlich, daß beide wiederum mit der gleichen Sendeleistung senden. Kommt es zu Kollisionen zwischen zwei Aussendungen, die nunmehr nicht die gleiche Empfangsleistung bei der Basisstation haben, dann ist bei ausreichendem Leistungsunterschied zumindest das lei- stungsstärkere Signal auswertbar ("Capture Effect") und nur die Aussendung des leistungsschwächeren Signals muß wieder- holt werden. Damit verringert sich im Durchschnitt die Verzö- gerung bis zu einem erfolgreichen Empfang der Aussendungen.
Besonders bei stationären Teilnehmerstationen, bei denen gleiche Kollisionsszenarios wiederholt eintreten, schafft die Erfindung eine höhere Detektionswahrscheinlichkeit für zu- mindest eine Aussendung einer Teilnehmerstation in einem Zu- griffsblock.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird fur eine Teilmenge von Aussendungen bzw. Anwendungen die stocha- stische Sendeleistungsregelung eingesetzt. Andere Aussen- dungen bzw. Anwendungen können z. B. durch Einstellung einer regelmäßig überhöhten Sendeleistung bezüglich der Wahrschein- lichkeit einer sofortigen Detektion priorisiert werden. Eine solche Priorisierung kann für manche Anwendungen, z. B. als Aufforderung zur Zuteilung funktechnischer Ressourcen, als Quittierung oder als Meldung zur Aktualisierung des Aufent- haltsortes von Teilnehmerstationen, oder für eine Teilmenge der Teilnehmerstationen oder eine Teilmenge von Diensten gelten. Damit wird es dem Betreiber des Funk-Kommunikations- systems ermöglicht, eine Differenzierung innerhalb von An- wendungen, Teilnehmerstationen oder Diensten vorzunehmen und sich eine höhere Qualität entsprechend vergüten zu lassen.
Ein Zufallsgenerator, der die Sendeleistungen nach dem Zu- fallsprinzip einstellt, kann nach vorteilhaften Ausgestal- tungen der Erfindung bestimmte Verteilungseigenschaften be- rücksichtigen :
Eine mittlere Sendeleistung, die z. B. an der Dämpfung der Funkschnittstelle-gemessen über den BCCH (broadcast control channel)-gibt den gewünschten Mittelwert für zufällig ge- wählte Sendeleistungen vor.
Eine Varianz der Sendeleistungen gibt den Bereich der mög- lichen Abweichung vom Mittelwert vor. Je größer die Varianz, um so größer die Wirksamkeit des"Capture Effects", jedoch steigt das Risiko, das eine einzelne Aussendung aufgrund zu geringer Sendeleistung nicht mehr detektierbar ist.
Die Korrelation zwischen aufeinanderfolgenden Aussendungen gibt ein Maß vor, wie stark sich deren Sendeleistungen bei ansonsten gleichem Szenario unterscheiden können. Durch Kor- relationskoeffizienten werden Parameter definiert, die den Grad der stochastischen Regelung vorgeben.
Diese Verteilungseigenschaften können funkzellenindividuell vorgegeben und den Teilnehmerstationen signalisiert werden.
Somit ist eine Optimierung des Zugriffs auf den Kanal zum willkürlichen Zugriff möglich, der die konkreten Gegeben- heiten der Funkzelle berücksichtigt.
Besonders wichtig ist die Ausnutzung einer Ressourceneinheit der funktechnischen Ressourcen bei Funk-Kommunikationssy- stemen mit breitbandigen Kanälen, da die kleinste Ressour- ceneinheit verhältnismäßig groß ist. Die Kanäle sind nach einem TDD-oder FDD-Modus eines UMTS-Mobilfunksystems orga- nisiert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beilie- genden Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen Fig 1 ein Funk-Kommunikationssystem, Fig 2 eine schematische Darstellung einer TDD-Funk- schnittstelle, Fig 3 eine vereinfachte Darstellung der Sendeleistungs- einstellung,
Fig 4 eine stochastische Verteilung von Sendeleistungen, und Fig 5 eine mögliche Wahrscheinlichkeitsdichte des Sende- leistung.
Das in Fig 1 dargestellte Mobilfunksystem als Beispiel eines Funk-Kommunikationssystems besteht aus einer Vielzahl von Mo- bilvermittlungsstellen MSC, die untereinander vernetzt sind bzw. den Zugang zu einem Festnetz PSTN herstellen. Weiterhin sind diese Mobilvermittlungsstellen MSC mit jeweils zumindest einer Einrichtung RNC zur Steuerung der Basisstationen BS und zum Zuteilen von funktechnischen Ressourcen, d. h. einem Funk- ressourcenmanager, verbunden. Jede dieser Einrichtungen RNC ermöglicht wiederum eine Verbindung zu zumindest einer Basis- station BS. Eine solche Basisstation BS kann über eine Funk- schnittstelle eine Verbindung zu einer Teilnehmerstation, z. B. Mobilstationen MS oder anderweitigen mobilen und statio- nären Endgeräten, aufbauen. Durch jede Basisstation BS wird zumindest eine Funkzelle gebildet.
In FIG 1 sind beispielhaft Verbindungen Vl, V2, V3 zur Über- tragung von Nutzinformationen ni und Signalisierungsinforma- tionen als Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen Mobilsta- tionen MS und einer Basisstation BS und ein Organisations- kanal BCCH als Punkt-zu-Multipunkt-Verbindung dargestellt. Im Organisationskanal BCCH werden Organisationsinformationen oi mit einer bekannten konstanten Sendeleistung von der Basis- station BS übertragen, die für alle Teilnehmerstationen MS auswertbar sind und Angaben über die in der Funkzelle ange- botenen Dienste, über die Konfiguration der Kanäle der Funk- schnittstelle und ggf. über Verteilungseigenschaften der Sendeleistung enthalten. In Aufwärtsrichtung UL wird für die Teilnehmerstationen MS ein Kanal RACH zum willkürlichen Zu- griff angeboten.
Ein Operations-und Wartungszentrum OMC realisiert Kontroll- und Wartungsfunktionen für das Mobilfunksystem bzw. für Teile
davon. Die Funktionalität dieser Struktur ist auf andere Funk-Kommunikationssysteme übertragbar, in denen die Erfin- dung zum Einsatz kommen kann, insbesondere für Teilnehmer- zugangsnetze mit drahtlosem Teilnehmeranschluß und für im unlizensierten Frequenzbereich betriebene Basisstationen und Teilnehmerstationen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Mobilfunksystems mit einer Funkschnittstelle im TDD-Übertragungsverfahren (time division duplex) erklärt, wobei ein Einsatz im FDD- Übertragungsverfahren (frequency division duplex) ebenso möglich ist.
Die Rahmenstruktur einer TDD-Funkübertragung ist aus Fig 2 ersichtlich. Gemäß einer TDMA-Komponente (time division multiple access) ist eine Aufteilung eines breitbandigen Fre- quenzbands, beispielsweise der Bandbreite B = 5 MHz in meh- rere Zeitschlitze ts gleicher Zeitdauer, beispielsweise 16 Zeitschlitze tsO bis tsl5 pro Rahmen fr vorgesehen. Ein Teil der Zeitschlitze ts werden in Abwärtsrichtung DL und ein Teil der Zeitschlitze werden in Aufwärtsrichtung UL benutzt. Bei diesem TDD-Ubertragungsverfahren entspricht das Frequenzband für die Aufwärtsrichtung UL dem Frequenzband für die Abwärts- richtung DL.
Innerhalb eines Zeitschlitze ts6 werden Informationen meh- rerer Verbindungen in Funkblöcken FB übertragen. Die Daten d sind verbindungsindividuell mit einer Feinstruktur, einem Spreizkode c, gespreizt, so daß empfangsseitig beispielsweise n Verbindungen durch diese CDMA-Komponente (code division multiple access) separierbar sind.
Ein Zeitschlitz ts7 in Aufwärtsrichtung UL wird als Kanal für den willkürlichen Zugriff RACH benutzt, auf den die Mobilsta- tionen MS unkoordiniert zugreifen können. Dieser willkür- liche, unkoordinierte Zugriff kann für folgende Anwendungen eingesetzt werden :
-erstmaliger Zugriff für einen Verbindungsaufbau, -Übertragung kleiner Datenpakete, -Übertragung einer Quittierung empfangener Datenpakete, -Anfrage der Mobilstation MS zur Zuteilung von funktech- nischen Ressourcen während einer Verbindung, -Auffrischen (update) des Aufenthaltsortes der Mobilstation MS im sogenannten"idle state".
Die Mobilstationen MS benutzen den Kanal zum willkürlichen Zugriff RACH zwar unkoordiniert, aber mit geregelter Sende- leistung. Dazu werden vorab Dämpfungswerte (path loss) durch Messungen bestimmt. Die Dämpfungswerte können vorteilhafter- weise durch Auswertung der Empfangsleistung des Organisati- onskanals BCCH bestimmt werden, siehe Fig 3. Der Organisa- tionskanal BCCH ist ständig zugänglich und sendet mit be- kannter Sendeleistung.
Aus der gemessenen Empfangsleistung bei der Mobilstation MS und den zellenweise durch Bekanntgabe im Organisationskanal BCCH vorgegebenen Verteilungseigenschaften : mittlere Sende- leistung, Varianz und Korrelationskoeffizient kann eine als Zufallsgenerator ausgebildete Steuereinrichtung in der Mo- bilstation MS die für eine bestimmte Empfangsleistung bei der Basisstation BS notwendige Sendeleistung einer Sendeeinrich- tung der Mobilstation MS nach einem Zufallsprinzip errechnen.
Der Mittelwert der Sendeleistung orientiert sich an der Dämp- fung, d. h. an der Empfangsleistung des Organisationskanals BCCH bei der Mobilstation MS. Je kleiner die Empfangsleistung bei der Mobilstation MS, umso größer muß in Aufwärtsrichtung UL der Mittelwert gewählt werden.
Die zufällige Wahl der Sendeleistung bedeutet in Fig 3, daß die erste Mobilstation MS1 eine Sendeleistung über den Dämp- fungsausgleich hinaus einstellt, währenddessen die zweite Mobilstation MS2 ihre Sendeleistung geringer einstellt. Damit ergibt sich für die gleichzeitigen Aussendungen der beiden Mobilstation MS1, MS2 im Kanal mit willkürlichem Zugriff RACH
bei der Basisstation BS eine Empfangsleistung für die Anteile der beiden Mobilstationen MS, die eine wesentlich stärker Leistung für die erste Mobilstation MS1 im Vergleich zur zweiten Mobilstation MS2 bedeutet.
Dadurch sind die Aussendungen der ersten Mobilstation MS1 trotz der Kollision auswertbar. Nur die zweite Mobilstation MS2 muß wiederholt senden. Die Wiederholung erfolgt ggf. mit einer anderen Sendeleistung und in einem zeitlichen Abstand der von jeder Mobilstation MS individuell und unterschiedlich festlegbar ist, um eine erneute Kollision zu vermeiden.
Einige der Mobilstationen MS, Anwendungen oder Dienste können jedoch von der zufälligen Wahl der Sendeleistung abweichen.
Eine Teilmenge der Anwendungen, Mobilstationen MS oder Dien- ste (z. B. anhand der Dienstqualität QoS) sind priorisiert, so daß beispielsweise eine überhöhte Sendeleistung bei der er- sten Aussendung benutzt wird.
Im Vergleich zu einer nur auf die Dämpfung bezogenen Sende- leistung kann die von einer Mobilstation MS1 gewählte Sende- leistung kleiner, gleich oder entsprechend einer bestimmten Stufe überhöht werden, siehe Fig 4. Angenommen die mittlere Sendeleistung ist über eine gewisse Zeitdauer konstant, z. B. die Mobilstation MS1 bewegt sich nicht, dann erfolgen die aufeinanderfolgenden Aussendungen der Mobilstation MS1 trotz- dem nicht mit einer konstanten Sendeleistung. Innerhalb einer vorgegebenen Varianz kann die Mobilstation MS1 die Sendelei- stung willkürlich nach einem Zufallsprinzip wählen.
Zwischen den Sendeleistungen mehrerer Aussendungen können die Korrelationen gering oder groß sein. Geringe Korrelation be- deutet, daß sich die Sendeleistung aufeinanderfolgender Aus- sendungen stark unterscheiden. Die Regelung der Sendeleistung erfolgt sehr stochastisch. Bei größeren Korrelationen unter- scheiden sich aufeinanderfolgende Sendeleistungen nur gering.
Das Gedächtnis für die vorangegangenen Sendeleistungen wird
stärker berücksichtigt. Diese Ausprägung der Sendeleistungs- einstellung hat dann ein teilweise deterministisches Verhal- ten.
In Fig 5 ist eine mögliche Wahrscheinlichkeitsdichte der Sendeleistung dargestellt, wobei eine Gleichverteilung der logarithmischen Sendeleistung vorgeschlagen wird.