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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Datenübertragung für mobile
Satellitenkommunikationen. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung
ein verbessertes Verfahren zum Übertragen
von Zufallszugriffsignalen bereit, die zum Anruf einleiten oder
Personenrufbestätigen
in mobilen Satellitenkommunikationssystemen verwendet werden.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist ein typisches mobiles
Funkkommunikationssystem gezeigt. Das typische System umfasst eine
Anzahl von Basisstationen ähnlich
der Basisstation 110 und eine Anzahl mobiler Einheiten
oder Stationen ähnlich
der mobilen Einheit 120. Sprach- und/oder Datenkommunikation
kann anhand dieser Geräte
oder gleichwertiger Geräte
durchgeführt
werden. Die Basisstation enthält
eine Steuer- und Verarbeitungseinheit 130, die mit der
MSC (mobilen Vermittlungszentrale) 140 verbunden ist, die
wiederum mit dem vermittelten Fernsprechnetz (nicht gezeigt) verbunden
ist.
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Die
Basisstation 110 versorgt eine begrenzte geographische
Deckungszone und umfasst eine Vielzahl von Sprachkanälen, die
von dem Sprachkanal-Empfänger-Sender 150 gehandhabt
wird, der von der Steuer- und Verarbeitungseinheit 130 gesteuert
wird. Ferner umfasst jede Basisstation einen Steuerkanal-Sender-Empfänger 160,
der in der Lage sein kann, mehr als einen Steuerkanal zu handhaben.
Der Steuerkanal-Empfänger-Sender 160 wird von
der Steuer- und Verarbeitungseinheit 130 gesteuert. Der
Steuerkanal-Empfänger-Sender 160 sendet
Steuerinformation über
den Steuerkanal der Basisstation zu Mobileinheiten, die mit diesem
Steuerkanal synchronisiert sind. Der Sprachkanal-Empfänger-Sender
sendet die Verkehrs- oder
Sprachkanäle,
die eine digitale Steuerkanallokalisationsinformation enthalten
können.
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Beim
Eintreten in einen Ruhezustand tastet die Mobileinheit
120 in
regelmäßigen Abständen die Steuerkanäle von Basisstationen
wie der Basisstation
110 auf die Gegenwart eines Personenrufbündels, das
zu der Mobileinheit
120 adressiert ist, ab. Das Personenrufbündel informiert
die Mobileinheit
120, mit welcher Basisstation sie sich
synchronisieren oder an welcher sie anklopfen soll. Die Mobileinheit
120 empfängt die
absolute und relative Informationsübertragung auf einem Steuerkanal
an ihrem Sprach- und Steuerkanal-Empfänger-Sender
170. Dann
bewertet die Verarbeitungseinheit
180 die empfangene Steuerkanalinformation,
die die Merkmale der Kandidatenzellen enthält und bestimmt, mit welcher
Zelle sich die Mobileinheit synchronisieren soll. Die empfangene
Steuerkanalinformation enthält
nicht nur absolute Information über
die Basisstation, zu der sie gehört,
sondern enthält
auch relative Information in Zusammenhang mit benachbarten Deckungszonen, zu
welchen der Steuerkanal gehört.
Diese benachbarten Deckungszonen werden in regelmäßigen Abständen während der Überwachung
des Primärsteuerkanals
abgetastet, um zu bestimmen, ob es einen besser geeigneten Kandidaten
gibt. Zusätzliche
Information in Zusammenhang mit Besonderheiten von Mobileinheit-
und Basisstationsimplementierungen findet man in US Patent Nr.
US 5 745 523 mit dem Titel „Multi-Mode
Signal Processing".
Es ist klar, dass diese Basisstation durch einen oder mehrere Satelliten
in einem Mobilfunksystem auf Satellitenbasis ersetzt werden kann.
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Um
die Kommunikationssystemkapazität
zu steigern, können
digitale Kommunikations- und Mehrfachzugrifftechniken, wie zum Beispiel
Frequency Division Multiple Access (FDMA), Time Division Multiple
Access (TDMA) und Code Division Multiple Access (CDMA) verwendet
werden. Die Zielsetzung jeder dieser mehreren Zugriffstechniken
besteht darin, Signale von verschiedenen Quellen auf einem gemeinsamen Übertragungsmedium
derart zu kombinieren, dass die verschiedenen Kanäle an ihren Zielorten
ohne gegenseitige Störung
getrennt werden können.
In einem FDMA-System teilen sich die Benutzer das Funkspektrum in
dem Frequenzbereich. Jedem Benutzer wird ein Teil des Frequenzbands
zugewiesen, das während
eines Gesprächs verwendet
wird. In einem TDMA-System
teilen sich die Benutzer das Funkspektrum im Zeitbereich. Jeder
Funkkanal oder jede Trägerfrequenz
ist in eine Reihe von Zeitintervallen unterteilt, und einzelnen Benutzern
wird ein Zeitintervall zugewiesen, während welchem der Benutzer
Zugang zu dem gesamten Frequenzband hat, das dem System zugeordnet ist
(Breitband-TDMA) oder nur zu einem Teil des Bands (Schmalband-TDMA).
Jedes Zeitintervall enthält
ein „Bündel" von Information
von einer Datenquelle, zum Beispiel einen digital verschlüsselten
Teil einer Sprachkonversation. Die Zeitintervalle werden in aufeinander
folgende TDMA-Rahmen mit vorausbestimmter Dauer gruppiert. Die Anzahl
von Zeitintervallen in jedem TDMA-Rahmen hängt von der Anzahl der verschiedenen
Benutzer ab, die sich gleichzeitig den Funkkanal teilen können. Wenn
jedes Zeitintervall in einem TDMA-Rahmen einem anderen Benutzer
zugeordnet ist, ist die Dauer eines TDMA-Rahmens die Mindestmenge
an Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Zeitintervallen, die
dem gleichen Benutzer zugewiesen sind. In einem CDMA-System wird
jedem Benutzer ein einzelner Pseudozufallsbenutzercode zugewiesen,
um einzig auf den Frequenz-Zeitbereich zuzugreifen. Beispiele für CDMA-Techniken
umfassen Spread-Spektrum und Frequenzsprung.
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Die Übertragung
von Signalen in einem TDMA-System erfolgt in einem Puffer-und-Bündel- oder nicht
kontinuierlichen Übertragungsmodus:
Jede Mobileinheit überträgt oder
empfängt
nur während
ihrer zugewiesenen Zeitintervalle in den TDMA-Rahmen auf der der Mobileinheit zugewiesenen
Frequenz. Bei Vollrate zum Beispiel, kann eine Mobilstation während des
Intervall 1 übertragen,
während
des Intervalls 2 empfangen, während des Intervalls 3 im
Ruhezustand sein, während
des Intervalls 4 übertragen, während des
Intervalls 5 empfangen und während des Intervalls 6 im
Ruhezustand sein und dann den Zyklus während aufeinander folgender
TDMA-Rahmen wiederholen. Die Mobileinheit, die mit Batterie betrieben
werden kann, kann ausgeschaltet werden (oder „schlafen"), um während der Zeitintervalle, in welchen
sie weder überträgt noch
empfängt,
an Strom zu sparen.
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In
einem TDMA-System bilden die aufeinander folgenden Zeitintervalle,
die dem gleichen Benutzer zugewiesen sind, welche gewöhnlich nicht
aufeinander folgende Zeitintervalle auf dem Funkträger sind,
den digitalen Verkehrskanal des Benutzers, der als ein dem Benutzer
zugewiesener logischer Kanal betrachtet wird. Die Organisation von
TDMA-Kanälen,
die zum Beispiel den GSM-Standard benutzen, ist in 2 gezeigt.
Die TDMA-Kanäle
umfassen Verkehrskanäle
TCH und Signalisierungskanäle
SC. Die TCH-Kanäle
umfassen Vollraten- und
Halbratenkanäle
zum Übertragen
von Sprach- und/oder Datensignalen. Die Signalisierungskanäle SC übertragen Signalisierungsinformation
zwischen der Mobileinheit und dem Satelliten (oder der Basisstation).
Die Signalisierungskanäle
SC umfassen drei Typen von Steuerkanälen: Rundfunksteuerkanal (BCCH),
gemeinsame Steuerkanäle
(CCCH), die zwischen mehreren Abonnenten geteilt werden, und dedizierte Steuerkanäle (DCCH),
die einem einzelnen Abonnenten zugewiesen sind. Ein BCCH umfasst
typisch einen Frequenzkorrekturkanal (FCH) und einen Synchronisationskanal
(SCH), welche beide Abwärtsverbindungskanäle sind.
Die gemeinsamen Steuerkanäle
(CCCH) umfassen Abwärtsverbindungspersonenrufkanäle (PCH)
und Zugangsgewährungskanäle (AGCH)
sowie den Aufwärtsverbindungs-Zufallszugriffskanal
(RACH). Die dedizierten Steuerkanäle DCCH umfassen einen schnellen
zugeteilten Steuerkanal (FACCH), einen langsamen zugeteilten Steuerkanal
(SACCH) und einen autonomen dedizierten Steuerkanal (SDCCH). Der
langsame zugeteilte Steuerkanal ist einem Verkehrskanal (Sprache
oder Daten) oder einem autonomen dedizierten Steuerkanal (SDCCH)
zugewiesen. Der SACCH-Kanal stellt Leistung und Rahmenjustierung
sowie Steuerinformation für
die Mobileinheit bereit.
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Der
Zufallszugriffskanal RACH wird von den Mobileinheiten verwendet,
um Zugang zu dem System anzufordern. Der logische RACH-Kanal ist
ein Einrichtungs-Aufwärtsverbindungskanal
(von der Mobileinheit zu der Basisstation oder zum Satelliten), den
sich einzelne Mobileinheiten teilen (ein RACH pro Zelle reicht in
typischen Systemen, auch während Perioden
starker Nutzung). Die Mobilgeräte überwachen
kontinuierlich den Zustand des RACH-Kanals, um zu bestimmen, ob
ein Kanal besetzt oder frei ist. Ist der BACH-Kanal frei, sendet
eine Mobileinheit, die einen Zugriff wünscht, Zugriffsdaten, wie zum
Beispiel die Identifikationsnummer der Mobileinheit, Anrufherstellungsursache,
und die gewünschte
Telefonnummer auf dem RACH zur Basisstation oder zum Satelliten.
Die mobile Vermittlungszentrale empfängt diese Information von der
Basisstation oder von dem Satelliten und weist der Mobilstation
einen freien Sprachkanal zu und überträgt die Kanalidentifikation an
die Mobileinheit über
die Basisstation oder den Satelliten über den Zugriffsgewährungskanal
AGCH, so dass sich die Mobilstation auf den neuen Kanal abstimmen
kann. Alle Zeitintervalle auf dem RACH-Aufwärtsverbindungskanal
werden für
Mobilzugriffsanforderungen verwendet, entweder nach dem Konkurrenzverfahren
oder auf einer Reservierungsbasis. Zugriffsschemata gemäß dem Konkurrenzverfahren
umfassen ALOHA, CSMA, CSMA-CD und andere Zugriffsprotokolle. Der
Zugriff auf Reservierungsbasis ist in dem US Patent Nr. 5 420 864
mit dem Titel „Method
of Effecting Random Access in a Mobile Radio System" beschrieben. Ein
wichtiges Merkmal des RACH-Betriebs besteht darin, dass der Empfang
bestimmter Abwärtsverbindungsinformation
erforderlich ist, durch die die Mobilstationen Echtzeitfeedback
für jedes
Bündel,
das sie auf dem Aufwärtsverbindungskanal
senden, empfangen. Das ist als Layer 2 ARQ oder automatische Wiederholungsrückfrage
auf dem RACH bekannt. Vorzugsweise umfasst die Abwärtsverbindungsinformation
zweiundzwanzig Bits, die man als einen weiteren Abwärtsverbindungsunterkanal
betrachten kann, der dem Tragen von Layer 2-Information, die für die Aufwärtsverbindung
spezifisch ist, in der Abwärtsverbindung
dediziert ist. Dieser Informationsstrom, der geteiltes Kanalfeedback
genannt werden kann, verbessert die Durchsatzleistung des RACH,
so dass eine Mobilstation schnell bestimmen kann, ob irgendein Bündel irgendeines
Zugriffsversuchs erfolgreich empfangen wurde.
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Bei
herkömmlichen
terrestrischen Zellularkommunikationssystemen, wie zum Beispiel
GSM, umfasst ein Zufallszugriffskanal (RACH)-Bündel 68,25 Bits als Schutzzeit,
um Kollisionen mit Verkehrsbündeln
auf benachbarten Zeitintervallen zu vermeiden. Die Schutzbits erlauben
das Empfangen von Zufallszugriffsbündeln auf der Basisstation
innerhalb eines vorausgesagten Zeitintervalls, für eine Mobilstation innerhalb
von 35 km von der dazu gehörenden
Basisstation. Spezifisch erfasst das Mobiltelefon die Synchronisation
von einem Abwärtsverbindungskanal,
wie zum Beispiel dem Rundfunksteuerkanal (BCCH). Das Mobiltelefon überträgt dann
ein Signal auf dem RACH-Kanal auf einem Zeitintervall eine Anzahl
von Zeitintervallen nach der ursprünglichen Synchronisationsinformation.
Das Offset zum Übertragen
des RACH-Signals kann ein Zufallsoffset oder ein spezifiziertes
gleich bleibendes Offset sein. Das übertragene RACH-Bündel wird
an der Basisstation innerhalb des vorausgesagten Zeitintervalls empfangen,
wenn die Entfernung zwischen der Basisstation und dem Mobiltelefon
die oben angegebene ist. Die Schutzbits sind erforderlich, weil
das RACH-Bündel
gesendet wird, bevor das Mobiltelefon einen Zeitvorlaufbefehl von
der Basisstation erhalten hat.
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Bei
mobilen Satellitenkommunikationen sind die Strahlen eines einzelnen
Satelliten Deckungszonen analog zu den Zellen in einem terrestrischen System.
Typisch hat jeder Satellit 140 Strahlen, wobei jeder Strahl
eine Deckungszone mit einem Durchmesser von etwa 500 km oder mehr
bereitstellt. Aufgrund der Größe eines
Strahls besteht eine Laufzeit von Ende zu Ende von etwa 6 ms innerhalb
eines Strahls, was eine Zeitmehrdeutigkeit innerhalb eines Strahls
von ± 3
ms ergibt. Daher löst
der Einsatz von Schutzbits wie in einem herkömmlichen System die Kollisions-
und Mehrdeutigkeitsprobleme nicht, weil ein Zeitintervall-RACH in
einem Satellitensystem eine sehr lange Schutzzeit benötigen würde.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Erhalten von Zugang durch einen Sender/Empfänger zu
einem TDMA-Kommunikationssystem bereitgestellt, umfassend die folgenden Schritte:
Empfangen
eines Synchronisationssignals von einer Steuerstation,
Übertragen
von Zugriffskanaldaten von dem Sender/Empfänger zu der Steuerstation,
wobei die Zugriffskanaldaten einen vorausgesagten TDMA-Rahmen für die Kommunikation
der Zugriffskanaldaten von dem Sender/Empfänger zu der Steuerstation identifizieren,
wobei der vorausgesagte TDMA-Rahmen
durch eine der Rahmeninformationen oder durch ein einzelne Bit identifiziert
wird, das auf den geradzahligen oder ungeradzahligen Status eines vorausgesagten
Rahmens hinweist, oder eine Sender-/Empfängeridentifikation, die der
Steuerstation bekannt ist, und
an der Steuerstation Bestimmen
einer Zeitjustierung, die für
eine Kommunikation zwischen dem Sender/Empfänger und der Steuerstation
auf der Grundlage der Zugriffskanaldaten und einer bestimmten Zeitintervallnummer
erforderlich ist, wobei das bestimmte Zeitintervall entweder durch
die Zeitintervallinformation oder durch eine Sender-/Empfängeridentifikation
identifiziert wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
oben stehenden Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden leichter bei der Lektüre der folgenden detaillierten Beschreibung
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen verstanden, in welchen:
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1 ein
Blockschaltbild eines beispielhaften Mobilfunkkommunikationssystems
ist,
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2 ein
Diagramm der Organisation von Kanälen in einem typischen GSM-Digitalfunksystem ist,
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3 ein
Diagramm eines mobilen Funkkommunikationssystems auf Satellitenbasis
ist, bei dem das Signalübertragungsverfahren
der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann,
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4 ein
Flussdiagramm ist, das ein Zufallszugriffsverfahren gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschreibt, und
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5 ein
Flussdiagramm ist, das ein Zufallszugriffsverfahren gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschreibt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Auch
wenn die folgende Beschreibung einen Kurztextdienst (SMS) betrifft,
der in einem Funkkommunikationssystem auf Satellitenbasis implementiert wird,
ist es klar, dass die vorliegende Erfindung auch an andere Typen
von Kommunikationssystemen angewandt werden kann.
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Unter
Bezugnahme auf 3 ist ein Mobilkommunikationssystem
auf Satellitenbasis, in dem das Verfahren der vorliegenden Erfindung
implementiert werden kann, gezeigt. Das System umfasst einen oder
mehrere Satelliten 10, eine mobile Vermittlungszentrale
MSC, die Kommunikationssignale mit einem oder mehreren Satelliten
austauscht und mit dem öffentlichen
vermittelten Fernsprechnetz verbunden ist, sowie eine beliebige
Anzahl von Mobileinheiten MUn. In einem
solchen System können
Kommunikationsverbindungen zum Austauschen von Sprache oder Daten
zwischen einer Mobileinheit und entweder einem Standardtelefon oder
einer zweiten Mobileinheit über
einen Satelliten, mehrere Satelliten oder eine Kombination eines
oder mehrerer Satelliten und dem vermittelten Fernsprechnetz aufgebaut werden.
Es kann wünschenswert
sein, dass ein solches System eine weite geographische Deckung hat, in
welcher wenige oder keine Basisstationen gegenwärtig sind, und in der zusätzliche
Basisstationen nicht praktisch sind, wie zum Beispiel in ländlichen Gegenden.
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Unter
Bezugnahme auf 4 ist ein Flussdiagramm gezeigt,
das die Schritte eines beispielhaften Verfahrens der vorliegenden
Erfindung beschreibt. Der Prozess beginnt im Schritt 100,
in dem die Mobileinheit die Synchronisationsinformation von dem
Satelliten erhält.
Die Synchronisationsinformation kann von einer Vielzahl von Quellensignalen
erhalten werden, die von dem Satelliten übertragen werden, wie zum Beispiel
ein Hochleistungs-SMS-Dienst
(HP-SMS)-Bündel,
das wie in US-A-6 046 990 mit dem Titel „High Penetration Transmission
Method For A Radiocommunication System" beschrieben übertragen wird. In Schritt 102 überträgt die Mobileinheit
auf dem Aufwärtsverbindungs-RACH-Kanal
ein oder mehrere RACH-Bündel, die
vorzugsweise Information wie zum Beispiel verschlüsselte Mitteilungsdaten
(die Information und Redundanzbits enthalten), verschlüsselte Rahmeninformation,
die einen vorausgesagten Rahmen identifizieren, auf dem eine Mobileinheit übertragen
möchte (nach
einer zufälligen
Anzahl von Rahmen) und verschlüsselte
Zeitintervallinformation umfasst, die ein vorausbestimmtes Zeitintervall
identifiziert, auf welchem die Mobileinheit übertragen möchte (nach einer zufälligen Anzahl
von Zeitintervallen). In einem Schritt 104 berechnet der
Satellit die erforderliche Zeitjustierung aus der verschlüsselten
Rahmeninformation und verschlüsselten
Zeitintervallinformation, indem er ein beliebiges Verfahren zum
Berechnen der Zeitjustierungen verwendet.
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Alternativ
kann die Mobileinheit nur ein einziges Rahmenbit übertragen,
um anzuzeigen, ob die Rahmennummer ein geradzahliger oder ein ungeradzahliger
Rahmen sein soll. Diese Einzelbitinformation reicht, um es dem Satelliten
zu erlauben, die erforderliche Zeitjustierung für Laufzeitdifferenzen zu bestimmen,
die weniger als zwei Mal die Länge
eines TDMA-Rahmens haben, was ein Merkmal der meisten regionalen
Mobil-Satellitensysteme ist.
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Für einen
Satellitenstrahl, der eine relativ kleine Größe und kleine Laufzeitdifferenz
hat, ergibt sich aus diesem Schema eine hohe Kollisionswahrscheinlichkeit.
Um das zu vermeiden, kann eine Mobileinheit ein bestimmtes Zeitintervall
auswählen,
um das RACH-Bündel
auf der Grundlage der der Mobileinheit gehörenden Identifikationsnummer
zu übertragen,
zum Beispiel den vorübergehenden
Mobilstationsidentifikator (TMSI) oder den internationalen Mobilstationsidentifikator
(IMSI). Derart kann der RACH-Verkehr gleichmäßig über die Dauer eines Rahmens
verteilt werden, um die Kollisionswahrscheinlichkeit zu verringern.
Da die Identifikationsnummer der Mobileinheit der Basisstation bekannt ist,
weiß die
Satelliten- oder Basisstation, auf welchem Zeitrahmen die Mobileinheit
die RACH-Bündel überträgt und kann
die erforderliche Zeitjustierung für die Mobileinheit bestimmen.
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In
dem Fall, in dem die maximale Laufzeitdifferenz innerhalb eines
Strahls des gesamten Systems immer kleiner ist als ein Rahmen, braucht
das erfindungsgemäße Verfahren
nicht verwendet zu werden, und die Mobileinheit braucht den vorausgesagten
Rahmen oder die Zeitintervallnummer, auf welchem sie übertragen
will, nicht anzuzeigen.
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Das
Zufallszugriffsübertragungsschema kann
ferner vereinfacht werden, indem vorausbestimmt wird, dass alle Übertragungen
von einer bestimmten Mobileinheit in einem gegebenen Zeitintervall
eines gegebenen Rahmens auftreten. Durch Vorausbestimmen des Übertragungszeitintervalls
und der Rahmennummer braucht die Zufallszugriffskanalinformation
keine verschlüsselte
Zeitintervallinformation zu erhalten, was die Information, die in
den RACH-Bündeln
erforderlich ist, noch weiter verringert. Durch Übertragen nur des geradzahligen
oder ungeradzahligen Zustands des gewünschten Rahmens und durch Vorabzuweisen
einer Zeitintervallnummer für
jede Mobileinheit, kann die Zufallszugriffskanalinformation (verschlüsselte Rahmen-
und Zeitintervallnummern) auf ein einziges Informationsbit verringert
werden. Dementsprechend ist die Notwendigkeit von Schutzbits unnötig und
wird wesentlich durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung verringert,
wobei die Übertragungseffizienz
gesteigert wird.
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Unter
Bezugnahme auf 5 ist ein Flussdiagramm, das
die Schritte einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung beschreibt, gezeigt. Die Ausführungsform
der 5 unterscheidet sich von der der 4 darin, dass
die Ausführungsform
der 5 einen Schritt 101 zum Empfangen eines
Personenrufsignals vor dem Übertragen
der Zufallszugriffsinformation zu dem Satelliten in Schritt 102 umfasst.
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Auch
wenn die oben stehende Beschreibung zahlreiche Details und Besonderheiten
aufweist, versteht es sich von selbst, dass sie allein der Erklärung dienen
und nicht als Einschränkungen
der Erfindung ausgelegt werden können.
Zahlreiche Änderungen an
den beschriebenen Beispielen sind dem Fachmann zugänglich und
weichen nicht vom Geltungsbereich der Erfindung, wie er in den folgenden
Ansprüchen
definiert ist, ab.