DE69534566T2

DE69534566T2 - Pcs-taschentelefon/mikrozellen-funkübertragungsprotokoll

Info

Publication number: DE69534566T2
Application number: DE69534566T
Authority: DE
Inventors: B. Gary ANDERSON; N. Ryan JENSEN; K. Bryan PETCH; O. Peter PETERSON
Original assignee: Xircom Wireless Inc
Current assignee: Xircom Wireless Inc
Priority date: 1994-03-21
Filing date: 1995-03-20
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2015-03-21
Also published as: CA2186031A1; EP0763300B1; EP1347659B1; HK1055370A1; JP3404045B2; EP1347583A3; EP1347659A2; ATE442756T1; ATE308852T1; EP1347658B1; HK1012477A1; EP1347660A2; DE69534566D1; WO1995026094A1; EP1347659A3; US6161013A; DE69535780D1; US5818820A; EP0763300A1; EP1367846A1

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Kommunikation und insbesondere dasjenige der Kommunikationssysteme, die von Spreizspektrum-Methoden und Funk-Protokollen für Mobiltelefone Gebrauch machen.
Ein Mobiltelefonsystem kann grundsätzlich eine Menge von „Benutzerstationen", typischerweise mobile und Endpunkte eines Kommunikationswegs, und eine Menge von „Basisstationen", typischerweise ortsfeste sowie Zwischeneinrichtungen enthalten. In einem Mobiltelefonsystem ist ein wesentlicher Punkt die Fähigkeit von mobilen Stationen, mit Basisstationen in einfacher, flexibler und rascher Weise zu kommunizieren. Das Kommunikationsprotokoll zwischen Benutzerstationen und Basisstationen sollte rasch abwickelbar sein, so daß Benutzerstationen nicht auf die Einrichtung einer Übertragungsstrecke warten müssen. Das Protokoll sollte einfach sein, damit Benutzerstationen keine teure Ausrüstung zu seiner Implementierung anschaffen müssen. Das Protokoll sollte flexibel sein, damit Benutzerstationen Übertragungskanäle in möglichst vielen Kommunikationsumgebungen schaffen können, soweit dies vernünftig ist.
Es wäre also von Vorteil, ein einfaches und flexibles Funkprotokoll zur Verwendung bei einem Mobiltelefonsystem zur Verfügung zu haben. Eine Klasse von Systemen, bei der dies von besonderem Vorteil wäre, ist diejenige von Personal-Kommunikationssystemen, speziell solchen mit Handtelefonen in einer Mikrozelle oder einem anderen Typ von zellularem Kommunikationssystem.
Die EP 0 328 100 beschreibt ein Verfahren für die Übergabe von Zellen, wenn sich die Benutzerstation von dem Bedienungsbereich einer Basisstation zu demjenigen einer anderen bewegt.
Die in dem beigefügten Patentanspruch definierte Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellung und zum Halten einer Übertragungsverbindung zwischen Basis- und Benutzerstationen.
Die Erfindung läßt sich in einem einfachen und flexiblen Funkprotokoll zur Verwendung bei einem Mobiltelefonsystem, beispielsweise einem Personal-Kommunikationssystem (PCS) mit Handtelefonen in einem zellularen Kommunikationssystem ausführen. Das Protokoll läßt sich anpassen an „Taschentelefone", beispielsweise kleine handgroße Telefone, die von einer zellularen Kommunikationstechnik Gebrauch machen, wobei die Erfindung auch in irgendeinem zellularen oder Mobiltelefonsystem genutzt werden kann. Das Protokoll definiert in Verfahren, bei dem Benutzerstationen, beispielsweise Zellular- oder Mobiltelefon-Handapparate mit einer oder mehreren Basisstationen kommunizieren, um Telefonanrufe abzusetzen oder zu empfangen. Das Protokoll schafft eine Funk-Kanal-Lebendigkeit zwischen Basisstationen und Benutzerstationen bei gleichzeitiger Schaffung einer sicheren Sprach- oder Datenverbindung sowie der Fähigkeit, Anrufe zwischen Basisstationen in deren Verlauf weiterzureichen.
Jede Basisstation kann eine Menge von „Funkkanälen" aufweisen, die sie abfragt, beispielsweise durch Senden an diese Kanäle in einer Reihenfolge. Die Funkkanäle, die von jede Basisstation unterstützt werden, werden als „Abfrageschleife" für eine spezielle Basisstation bezeichnet. Eine Benutzerstation kann Information über einen nicht belegten Funkkanal empfangen, die Sendung der Basisstation empfangen und Information an die Basisstation senden. Jede Basisstation kann folglich mit so vielen Benutzerstationen gleichzeitig kommunizieren, wie es Funkkanäle in seiner Abfrageschleife enthält. Die Fähigkeit einer Benutzerstation, mit irgendeinem nicht belegten Funkkanal zu kommunizieren, macht das Funk-Kanal-Protokoll agil. Jede Basisstation sendet kontinuierlich über jeden einzelnen seiner Funkkanäle in einer vorbestimmten Sequenz. An jede Basisstation-Sendung kann sich eine erste Lücke, eine Benutzerstation-Sendung (wenn irgendeine Benutzerstation den Versuch macht, zu kommunizieren) und eine zweite Lücke anschließen, bevor die Basisstation über den nächsten Funkkanal sendet. Eine Basisstations-Sendung, eine erste Lücke, eine Benutzerstations-Sendung und eine zweite Lücke werden kollektiv als „kleiner Rahmen" bezeichnet. Eine Abfrageschleife, in der jeder Funkkanal abgefragt wird, wird als „großer Rahmen" bezeichnet.
Die Stabilität von Benutzerstations- und Basisstationstakten kann die Funkkanäle, Lücken und kleinen Rahmen definieren. Die Benutzerstation kann sich selbst mit dem Takt der Basisstation dadurch synchronisieren, daß sie einen kleinen Rahmen detektiert und ihren Takt so einstellt, daß er synchron mit der Basisstation ist, wenn die erste Bitfolge des kleinen Rahmens detektiert ist. Die Stabilität der Benutzerstations- und Basisstationstakte kann dann die Benutzerstation und die Basisstation in Synchronisation halten, solange die Benutzerstation periodisch Sendungen von der Basisstation empfangen kann. Sollte der Empfang in der einen oder der anderen Richtung für zu lange Zeit unterbrochen werden, können die Takte von Basisstation und Benutzerstation voneinander wegdriften, und möglicherweise muß die Benutzerstation die Übertragung seitens der Basisstation zurückgewinnen. Weiterreichungen werden vorzugsweise seitens der Benutzerstation eingeleitet, die kontinuierlich verfügbare Funkkanäle von derselben und von konkurrierenden Basisstationen während der Totzeit überwacht. Eine Benutzerstation kann innerhalb ein und derselben Abfrageschleife weitergereicht werden, um eine Kommunikation in einem neuen kleinen Rahmen einzurichten, oder kann derart weitergereicht werden, daß eine Kommunikation in einem neuen kleinen Rahmen innerhalb einer Abfrageschleife einer anderen Basisstation eingerichtet wird. In letzterem Fall kann eine Basisstations-Steuerung den Transfer des Anrufs von einer Basisstation zu einer anderen unterstützen.
Variable Datenraten werden gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ermöglicht. Eine Benutzerstation kann ihre Datenrate dadurch steigern, daß in mehreren kleinen Rahmen während eines großen Rahmens gesendet und/oder empfangen wird, oder sie kann ihre Datenrate dadurch reduzieren, daß in weniger als in jedem großen Rahmen gesendet und/oder empfangen wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1A ein Diagramm eines Kommunikationssystems mit Basisstationen und Benutzerstationen;
1-1 ein Diagramm eines Kommunikationssystems mit abwechselnden Netzwerkverbindungen;
1-2 ein Diagramm einer Netzwerkarchitektur, die unterschiedliche Systemkomponenten zeigt;
1-3 ein Diagramm einer Netzwerkarchitektur, die Verbindungen zwischen Basisstationen und einem Netzwerk zeigt;
1-4, 1-5, 1-6 und 1-7 Diagramme von Netzwerkarchitekturen, die verschiedene Systemkomponenten zeigen;
1-8 und 1-9 Diagramme einer Erfassungsprozedur für einen Handapparat-Funkkanal einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ein Diagramm von Rahmen- und Nachrichtenformaten in einer Abfrageschleife;
2-1 ein Diagramm einer bevorzugten zellularen Umgebung, in der die Erfindung arbeiten kann;
2-2 ein Diagramm eines TDMA/TDD-Rahmenstruktur für eine Ausführungsform der Erfindung;
2-3 ein Diagramm einer Abfrageschleife für eine Ausführungsform der Erfindung;
2-4 ein Blockdiagramm eines Sprachkodierers für eine Ausführungsform der Erfindung;
2-5 ein funktionelles Blockdiagramm eines Sprachkodier-Steuerpfads für eine Ausführungsform der Erfindung;
2-6 ein Diagramm einer Paketstruktur für eine Ausführungsform der Erfindung;
2-7 und 2-8 Diagramme von Zeitschlitz-Zuordnungen für eine Ausführungsform der Erfindung;
2-9 ein Diagramm einer Sprachkodierer-Pufferstruktur für eine Ausführungsform der Erfindung;
3 ein Diagramm von Formaten für Nachrichtentypen; und
3-1 und 3-2 abgeschätzte Abdeckungsdiagramme für Zellenradien für eine Ausführungsform der Erfindung.
Es wird der Fall betrachtet, daß die Kommunikation zwischen Basisstationen und Benutzerstationen mit Hilfe einer Spreizspektrummethode durchgeführt wird. Es gibt mindestens drei Verfahren zur Schaffung von Synchronisation und Kommunikation, die jeweils bevorzugt von einer M-stufigen Methode Gebrauch machen, nach der mehrere Datenbits für jedes Spreizspektrum-Symbol übertragen werden, beispielsweise durch Senden und Empfangen mehrerer verschiedener Spreizcodes, und interpretieren des empfangenen Codes von jenen mehreren unterschiedlichen Spreizcodes am Empfänger, um mehrere Datenbits zu erhalten. Die Synchronisation kann entweder erreicht werden durch (1) automatisch Synchronisation gemäß der US 5 761 239 ; der US 5 790 591 und der US 5 724 383 , durch (2) Synchronisieren mit angepaßten Filtern, durch (3) Demodulation und Entspreizen unter Verwendung von gleitenden Korrelatoren, oder durch (4) eine Kombination dieser Methoden, beispielsweise mittels abgestimmter Filter zur Synchronisation, zuzüglich Gleit-Korrelatoren zum Demodulieren und zum Entspreizen, oder mit Hilfe angepaßter Filter zur Synchronisation, zuzüglich Autosynchronisation zum Demodulieren und Entspreizen.
1A ist ein Diagramm eines Kommunikationssystems mit Basisstationen und Benutzerstationen.
Ein Kommunikationssystem 101 für die Kommunikation unter mehreren Benutzerstationen 102 kann eine Mehrzahl von Zellen 103 mit jeweils einer Basisstation 104, die sich typischerweise im Zentrum der Zelle 103 befindet, enthalten. Jede Station (sowohl Basisstationen 104 als auch Benutzerstationen 102) kann im großen und ganzen einen Empfänger und einen Sender enthalten. Die Benutzerstationen 102 und Basisstationen 104 kommunizieren vorzugsweise unter Verwendung des Zeitmultiplex-Mehrfachzugriffverfahrens (TDMA) oder des Zeitmultiplex-Duplexverfahrens (TDD), wie weiter unten näher erläutert wird, bei denen spezifizierte Zeitsegmente oder Hauptrahmen unterteilt sind in zugeordnete Zeitschlitze oder kleine Rahmen für jede einzelne Kommunikation.
2-1 ist ein Diagramm einer bevorzugten zellularen Umgebung, in der die Erfindung arbeiten kann. Eine geographische Zone ist aufgeteilt in eine Mehrzahl von Zellen 103. Zugeordnet zu jeder Zelle 103 ist eine eigene Frequenz und ein eigener Spreizspektrum-Code. Vorzugsweise sind drei verschiedene Frequenzen F1, F2 und F3 derart zugewiesen, daß zwei einander benachbarte Zellen nicht die gleiche eigene Frequenz F1, F2 oder F3 haben. Der Effekt eines derartigen Frequenz-Mehrfachverwendungsmusters besteht in der Minimierung der Interferenz zwischen einander benachbarten Zellen.
Um die Möglichkeit einer Interferenz zwischen den Zellen weiter zu verringern, werden, wie in benachbarten Clustern 110 dargestellt ist, unterschiedliche orthogonale Spreizspektrum-Codes C1 bis C6 zugeordnet. Obschon in 2-1 sechs Spreizspektrum-Codes C1 bis C6 zugeordnet sind, kommen auch weniger oder auch mehr solche Codes in Betracht, abhängig von der speziellen Information. Weitere Information bezüglich einer bevorzugten zellularen Umgebung findet sich in der US 5 402 413 mit dem Titel „Three Cell Wireless Communication System", vom 8. April 1991 von Robert C. Dixon.
Die Verwendung von Spreizspektrum zur Trägermodulation ermöglicht einen äußerst effizienten Frequenz-Neuverwendungsfaktor von N = 3 bei der Zuweisung verschiedener Trägerfrequenzen F1, F2 und F3 zu benachbarten Zellen 103. Interferenz zwischen Zellen 103 bei Verwendung gleicher Trägerfrequenz F1, F2 oder F3 reduziert sich durch die Ausbreitungsdämpfung aufgrund der die Zellen 103 trennenden Distanz (keine zwei Zellen 103 mit gleicher Frequenz F1, F2 und F3 haben voneinander einen Abstand von weniger als zwei Zellen 103, außerdem durch die Spreizspektrum-Verarbeitungsverstärkung der Zellen 103, die die gleiche Trägerfrequenz F1, F2 oder F3 benutzen.
Die bevorzugte Spreizspektrum-Bandbreite kann abhängig vom Arbeitsfrequenzband variieren. Wird im PCS mit Frequenzbändern A, B oder C gearbeitet, die jeweils eine Breite von 15 MHz haben, so liegen die Mittenfrequenzen F1, F2 und F3 vorzugsweise bei 2,5 MHz; 7,5 MHz bzw. 12,5 MHz, ausgehend von dem untersten Rand des Frequenzbandes A, B oder C.
Die Bänder D, E oder F des PCS andererseits haben eine Breite von 5 MHz, wobei es sich um die gleiche Bandbreite wie eine bevorzugte Spreiz-Bandbreite für ein Spreizspektrumsignal handelt, welches in der speziellen zellularen Umgebung benutzt wird. Folglich wird eine einzelne Trägerfrequenz in der Mitte des Bands D, E oder F plaziert, und man verwendet einen Frequenz-Neuverwendungsfaktor von N = 1, weil das Spreizspektrumsignal die gesamte verfügbare Bandbreite abdeckt. Weil von einem Frequenz-Neuverwendungsmuster N = 1 Gebrauch gemacht wird, muß die geforderte Interferenzabweisung zwischen den Zellen durch Spreizspektrum-Code-Orthogonalität und/oder die Verwendung von sektorförmig angelegten Antennenmustern erreicht werden. Zur Vermeidung von Interferenz zwischen den Zellen kann auch von einem Wechsel der interferierenden Funkkanäle oder Zeitschlitze Gebrauch machen, wie es an anderer Stelle hier beschrieben wird.
Wird in einem nicht lizenzierten PCS-Band gearbeitet, welches eine Bandbreite von 20 MHz besitzt und in einzelne Kanäle von einer Breite von nur 1,25 MHz unterteilt ist, so läßt sich die Zerhakungs-Rate des Spreizspektrums auf etwa 1,25 Mcps reduzieren. Die TDMA-Burstrate oder Anzahl von TDMA-Zeitschlitzen (oder kleinen Rahmen) innerhalb jeder Abfrageschleife läßt sich ebenfalls reduzieren, um die geforderte Spreizspektrum-Verarbeitungsverstärkung zur Abweisung von Interferenz zwischen den Zellen zu erhalten. Man kann auch für ein anderes als ein Spreizspektrum-TDMA/TDD-Signalmodulationsformat sorgen, um im nicht lizenzierten Band zu arbeiten.
1-2 ist ein Diagramm einer Netzwerkarchitektur, welches verschiedene Systemkomponenten veranschaulicht.
Ein bevorzugtes Kommunikationssystem ist um eine objektbasierte Software-Architektur herum entworfen, und sie sorgt für Flexibilität bei der gegenseitigen Verbindung von verschiedenen Netzwerken, darunter das öffentliche Fernsprechnetz, AIN-, GSM- und IS-41-Netzwerk-Infrastrukturen. Es kommt außerdem in Betracht, daß das Kommunikationssystem eine Schnittstelle zu einem Kabel-Fernsehübertragungsnetzwerk bildet, wobei eine solche Schnittstelle möglicherweise aber die Hinzufügung einer Vermittlungsarchitektur zu dem Kabelfernsehnetz erfordert, außerdem Zweiwege-Verstärker, Redundanz und eines Fernantennensystems zur Erstreckung des Abdeckungsbereichs von einer Basisstation 104, um den Koaxialteil des Kabel-TV-Netzwerks nutzen zu können.
Das Gesamtsystem bietet folglich Flexibilität für den Anschluß einer Vielfalt verschiedener Netzwerke, abhängig vom gewünschten Anwendungsfall. Um eine Verbindung zu diversen Netzwerken zu ermöglichen, macht das System Gebrauch von internen Kommunikationen basierend auf ISDN-Nachrichten, sogenannten „Noten", um notwendige Information unter Komponenten innerhalb des Systems zu übermitteln. Diese „Noten" werden so genannt, um keine Verwechselung mit dem ISDN-spezifischen Protokoll selbst zu schaffen. Netzwerknachrichten (basierend beispielsweise auf Q.921-, Q.931-Protokollen und dergleichen) werden von dem System in „Noten" umgewandelt, um innerhalb der Hardware-Plattform einen effizienten Betrieb zu erreichen.
In 1-2 sind verschiedene Komponenten einer bevorzugten Systemarchitektur dargestellt, darunter mehrere Basisstationen 104 zur Kommunikation mit Benutzerstationen 102. Jede Basisstation 104 kann von irgendeiner aus einer Vielfalt von Anschlußeinrichtungen 109 an eine Basisstation gekoppelt sein, wobei die Verbindungseinrichtung beispielsweise örtliche Datenzugangsleitungen (LADA-Leitungen), T1- oder Teil-T1-Leitungen, ISDN-BRI-Elemente, Kabelfernsehleitungen, optische Faserkabel, Digitalradioleitungen, Mikrowellenverbindungen oder private Leitungen umfassen. Wie die Darstellung in 1-2 zeigt, können mehrere Basisstationen 104 an eine Basisstations-Steuerung 105 dadurch angekoppelt werden, daß zunächst ein Anschluß an ein Koaxialkabel 111 vorgenommen wird, der anschließend mit einem Faseroptik-Kabel 113 an einem Faserknoten 112 verbunden wird. Das Faseroptik-Kabel 113 ist in der dargestellten Weise mit der Basisstations-Steuerung 105 verbunden.
Jede Basisstations-Steuerung 105 kann derart mit einem Netzwerk 106, beispielsweise dem öffentlichen Fernsprechnetz (PSTN) oder mit einem Personal-Kommunikationssystem-Vermittlungszentrum (PCSC) über eine Vielfalt von Netzwerkverbindungen 108 verbunden sein, die die gleichen Grundkategorien von Transportmitteln wie die Verbindungseinrichtung 109 beinhalten. Basisstations-Steuerungen 105 können außerdem über eine X.25-Verbindung 114 an das Netzwerk 106 gekoppelt sein.
Das System nach 1-2 beinhaltet außerdem die Verwendung einer „intelligenten" Basisstation (IBS) 107, die mit der LEC-basierten AIN-Architektur kompatibel ist, die direkt mit einem Netzwerk 106 ohne die Einfügung einer Basisstations-Steuerung 105 verbunden sein kann. Die intelligenten Basisstationen 107 können daher die Basisstations-Steuerungen 105 bei lokalen Weiterreichungen und Vermittlungen umgehen und statt dessen diese Funktionen über das Netzwerk 106 ausführen. In AIN-basierten Architekturen kann die Nachrichtenübermittlung mit Hilfe von Standard-Übertragungsprotokollen erfolgen, beispielsweise mittels SS7 und IS-41.
Im Betrieb formatieren und senden die Basisstationen 104 digitale Information zu der Basisstations-Steuerung 105 (oder direkt zum Netzwerk 106 im Fall einer intelligenten Basisstation 107). Die Basisstations-Steuerungen 105 konzentrieren Eingangssignale von mehreren Basisstationen 104, unterstützen die Weiterreichungen zwischen Basisstationen 104 und konvertieren und formatieren Kanalinformation sowie Meldeinformation zur Weitergabe an das Netzwerk 106. Die Basisstations-Steuerungen 105 können außerdem eine örtliche Cache-VLR-Datenbank verwalten und außerdem grundlegende Operationen, Verwaltungs- und Managementfunktionen wie beispielsweise Rechnungsstellung, Überwachung und Prüfungen handhaben. Jede Basisstations-Steuerung 105 kann unter der Steuerung des Netzwerks 106 eine örtliche Registrierung und Verifizierung ihrer zugehörigen Basisstationen 104 verwalten und kann Aktualisierungen bezüglich des Status der Basisstationen 104 an das Netzwerk 106 geben.
Das Netzwerk 106 verbindet die Basisstations-Steuerungen 105 für ankommende und abgehende Anrufe. Die Verbindung zwischen dem Netzwerk 106 und einer Basisstations-Steuerung 105 kann Gebrauch machen von der Schnittstelle Bellcore „Generic C", die Q.921, Q.931 und Modifikationen von Q.931 enthält.
Intelligente Basisstationen 107 können zur Registrierung ISDN-Nachrichtenübermittlung benutzen, außerdem Anruf-Übergabe sowie Weiterreichung über eine öffentliche Telefonvermittlungsstelle. Die intelligente Basisstation 107 kann sämtliche allgemeinen Fähigkeiten einer Basisstation 104 enthalten, beinhaltet aber außerdem eine BRI-Karte, zusätzliche Intelligenz und örtliche Sprachkodierung. Die Verbindung zwischen dem Netzwerk 106 und der intelligenten Basisstation 107 kann Gebrauch machen von der Schnittstelle Bellcore „Generic C", die Q.921, Q.931 und Modifikationen von Q.931 enthält.
Ist das Netzwerk 106 ein GSM-Netzwerk, können die Basisstationen 104 an das Netzwerk 106 über eine definiert „A"-Schnittstelle verbunden sein. Merkmale und Funktionalität des GSM werden über die A-Schnittstelle in einer für den Endverbraucher transparenten Weise an die Basisstationen 104 gegeben und von diesen empfangen.
Wie bereits angemerkt, kann das System auch an Kabel-Fernsehverteilernetzwerke angeschlossen sein. Die Basisstationen 104 können bis zu dem Punkt miniaturisiert sein, an welchem sie sich im Inneren der standardmäßigen Kabel-TV-Verstärkerboxen unterbringen lassen. Die Anschlüsse können unter Verwendung analoger Fernantennensysteme und digitaler Transportmechanismen erfolgen. Beispielsweise können für die Anschlüsse vom Kabel-TV-Netzwerk T1- und FT1-Digitalmultiplexer-Ausgänge verwendet werden, ferner Basisraten (BRI-) ISDN-Links zum Transport digitaler Kanäle.
Eine Zellenort-Diagnose kann aus der Ferne über entweder den Steuerkanal auf der digitalen Übertragungsstrecke in der Basisstation 104 oder über ein Anwähl-Modem für einige Implementierungen erfolgen. Diese Diagnosen können für jede Bauteile-Platine der Basisstation 104 durchgeführt werden. Darüber hinaus lassen sich die Basisstationen 104 und die Basisstations-Steuerungen 105 aus der Ferne überwachen und je nach Bedarf mit aktualisierter Software laden. In ähnlicher Weise können auch die Benutzerstationen 102 durch Herunterladen von Software über Funkkanäle bedarfsweise versorgt werden zum Zweck der Wartung oder für Systemerweiterungen.
Die Benutzerstationen 102 enthalten in einer Ausführungsform mobile Handapparate, die sich für den Mehrfachband- und/oder Mehrfachmodus-Betrieb eignen. Die Benutzerstationen 102 können in der Weise im Multi-Modus arbeiten, daß sie in der Lage sind, entweder eine Spreizspektrum-Kommunikation oder eine konventionelle schmalbandige Kommunikation abzuwickeln. Die Benutzerstationen 102 können mehrbandig in dem Sinne sein, daß sie für den Betrieb bei mehreren verschiedenen Frequenzen eingestellt werden können, so zum Beispiel Frequenzen in entweder den lizenzierten oder den nicht lizenzierten Frequenzbändern.
Beispielsweise kann eine Benutzerstation 102 so eingestellt werden, daß sie bei einer beliebigen Frequenz zwischen 1850 und 1990 MHz in Schritten von 625 kHz arbeitet. Damit kann jede Benutzerstation 102 einen Frequenz-Synthesizer aufweisen, der so programmiert ist, daß er irgendeine von 223 Frequenzen empfängt und sendet. Wenn die Benutzerstation 102 ausschließlich im lizenzierten PCS-Band arbeitet, können die programmierbaren Frequenzschritte allerdings Inkremente von 5 MHz aufweisen, in welchem Fall der erste Kanal bei 1852,5 MHz, der nächste bei 1857,5 MHz usw. zentriert ist. Beim Betrieb im isochronen Band zwischen 1920 und 1930 MHz kann der erste Kanal bei 1920,625 MHz zentriert sein, wobei der Kanalabstand 1,25 MHz im Rest des isochronen Bands beträgt. Die Benutzerstationen 102 brauchen nicht im Band von 1910 bis 1920 MHz zu arbeiten, welches für asynchrone, nicht-lizenzierte Geräte reserviert ist.
Weitere Einzelheiten bezüglich Mehrband- und Mehrfachmodus-Aspekten für Benutzerstationen 102 finden sich in den US-Patenten 5 887 020; 5 815 525; 5 796 772; 5 790 587 und 5 694 414 sowie im US-Patent 6 389 059. Die Mehrband-Mehrfachmodus-Fähigkeit ermöglicht den Benutzerstationen 102, von den Vorteilen einer Vielfalt unterschiedlicher Systemarchitekturen zu profitieren, die hier beschrieben werden, und an verschiedene unterschiedliche Netzwerke mit einem Minimum an Hardware- oder Software-Einstellungen angeschlossen zu werden.
Basisstationen 104 können ähnlich wie die Benutzerstationen 102 auch mit Mehrband- und Mehrfachmodus-Fähigkeiten ausgestattet sein, wie sie oben beschrieben sind.
RAHMEN- UND NACHRICHTENFORMATE
2 zeigt Rahmen- und Nachrichtenformate in einer Abfrageschleife.
In einer einzelnen Zelle 103 kann eine Basisstation 104 Benutzerstationen 102 innerhalb der Zelle 103 abfragen. Die Basisstation 104 kann wiederholt einen großen Rahmen 201 senden, bestehend aus einer Sequenz von kleinen Rahmen 202. Wie oben angemerkt, kann jeder kleine Rahmen 202 einen Abfrageaustausch für eine einzige Benutzerstation 102 enthalten, während jeder große Rahmen 201 einen vollständigen Abfragedurchlauf für Benutzerstationen 102 innerhalb der Zelle 103 enthalten kann.
Die Basisstation 104 kann diese Abfrageübermittlungen mit Hilfe eines Satzes von Funkkanälen 203 durchführen. Jeder der Funkkanäle 203 kann einen separaten Übertragungskanal aufweisen, beispielsweise ein getrenntes Frequenzband für die FM- oder AM-Kodierung, einen getrennten Spreizcode für die Spreizspektrum-Kodierung, eine getrennte räumliche Örtlichkeit oder eine weitere Unterteilung von Kommunikations-Schlitzen zwischen Basisstationen 104 und Benutzerstationen 102. Die Basisstation 104 kann jeden einzelnen ihrer Funkkanäle 203 in einer vorbestimmten Folge innerhalb eines einzelnen großen Rahmens 201 abfragen.
Während die Basisstation 104 jeden einzelnen ihrer Funkkanäle 203 innerhalb eines einzelnen großen Rahmens 201 abfragen kann, versteht der Fachmann aber auch nach der Lektüre der vorliegenden Anmeldung, daß die Basisstation 104 ihre Abfragetätigkeit auf lediglich einen Teil ihrer Funkkanäle 203 innerhalb jedes großen Rahmens der Hauptrahmens 201 beschränken kann, solange wie sämtliche Funkkanäle 203 irgendwann abgefragt werden, auch in einer Reihenfolge, gemäß der jede Benutzerstation 102 bestimmen kann, innerhalb welchen kleinen Rahmens 202 sie antworten sollte.
Jeder kleine Rahmen 202 kann eine Basisübertragung 204 durch die Basisstation 104, eine erste Lücke 205, eine Benutzerübertragung 206 durch eine Benutzerstation 102 (falls irgendeine Benutzerstation 102 antwortet) und eine zweite Lücke 207 umfassen. Während der Basisübertragung 204 kann eine Benutzerstation 102, die einen Übertragungsweg einrichten möchte, die Basisübertragung 204 empfangen und ermitteln, ob der Funkkanal 203 belegt ist oder nicht. Ist er nicht belegt, kann die Benutzerstation 102 mittels der Benutzerübertragung 206 antworten.
Um einen effizienten Dienst in dünn besiedelten länglichen Bereichen bereitzustellen, können die Zellenradien auf große Entfernungen ausgedehnt werden (zum Beispiel über 8 Meilen hinaus), indem erhöhte Schutzzeiten eingerichtet werden, wie sie erforderlich sind für längere Rundum-Ausbreitungsverzögerungen, die in größeren Zellen gegeben sind. Zellen mit großen Radien können dadurch unterstützt werden, daß man die Anzahl von kleinen Rahmen 202 pro Hauptrahmen 201 auf eine geringere Anzahl reduziert (zum Beispiel von 32 auf 25). Da solche Zellen mit großen Radien sich üblicherweise in Gebieten mit geringer Bevölkerungsdichte befinden, stellt eine verringerte Zellenkapazität aufgrund der verkleinerten Anzahl von kleinen Rahmen 202 pro großem Rahmen 201 keinen einschneidenden Nachteil dar.
Eine Basisübertragung 204 kann ein Kopfstellen-Feld 207, bei dem es sich um ein Feld fester Länge für sechzehn Bits handelt, ein D-Feld 208, welches ein Feld fester Länge von acht Bits sein kann, und ein B-Feld 209, bei dem es sich um ein Feld fester Länge von 160 Bits handeln kann, umfassen, oder das B-Feld kann variable Länge haben. Bei Verwendung eines B-Felds variabler Länge, 209, kann die variable Länge abhängig von der Abfrageschleifenzeit und der Datenrate bestimmt werden, die unterstützt werden muß. Beispielsweise kann in einem 30-Kanal-System das B-Feld 209 eine Länge von 160 Bits haben.
Die Benutzerübertragung 206 kann ähnliche Felder wie die Basisübertragung 204 aufweisen.
Das Kopfstellen-Feld 207 kann ein Ursprungsbit 210 haben, welches den Wert „1" für Basisübertragungen 204 und ein Bit „0" für Benutzerübertragungen 206 enthält. Die übrigen Teile des Kopfstellen-Felds 207 können Information über die Basisübertragung 204 oder die Benutzerübertragung 206 selbst enthalten, zum Beispiel, welchen Nachrichtentyp die Basisübertragung 208 oder die Benutzerübertragung 206 beinhaltet. Das Kopfstellen-Feld 207 kann außerdem einen CSC- oder CRC-Code 211 (eine zyklische Redundanzprüfung) mit vier Bit enthalten.
Das D-Feld 208 kann Steuerinformation enthalten, die zwischen den Basisstationen 104 und den Benutzerstationen 102 zu übermitteln ist, nachdem eine Übertragungsstrecke eingerichtet ist. Diese Steuerinformation kann allgemein für die ISDN-Kommunikation zwischen Basisstationen 104 und Benutzerstationen 102 verwendet werden, so wie Steuerinformation, die im allgemeinen mit Hilfe des ISDN-D-Kanals übertragen wird. Weil das D-Feld 208 von dem B-Feld 209, welches normalerweise den Großteil des Informationstransfers aufgrund seiner höheren Datenrate abwickelt, getrennt angelegt oder gleichzeitig mit ihm übertragen wird, kann das D-Feld 208 auch für Paging-Anwendungen, Mitteilungen (zum Beispiel Sprachpost), Kurznachrichten (ähnlich GSM) oder andere Benutzeranwendungen verwendet werden. Auf diese Weise ermöglicht die Simultan- Beschaffenheit des D-Felds 208 und des B-Felds 209 die Übermittlung von Funktionen auch dann, wenn die Benutzerstation 102 „in Betrieb" ist.
Während der Verbindungs-Erweiterung, die hier in Verbindung mit 3 erläutert wird, kann das D-Feld 208 auch einen Benutzer-Spitznamen 212 zur Übertragung von der Basisstation 104 und eine benannte Benutzerstation 102 enthalten. Der Benutzer-Spitzname 212 kann eine vorübergehende Kennung für die Benutzerstation 102 aufweisen, die von der Basisstation 104 ausgewählt wird.
Das B-Feld 209 kann Daten, Sprache (digital oder anderweitig kodiert) oder andere Information enthalten. Das B-Feld 209 kann außerdem spezifizierte Information ur Einrichtung von Kommunikationsverbindungen zwischen Basisstationen 104 und Benutzerstationen 102 enthalten. Ferner kann das B-Feld 209 seinen eigenen FCW- oder CRC-Code 211 mit sechzehn Bits enthalten (mit 160 Informationsbits, also insgesamt 176 Bits).
Es kann 32 Funkkanäle 203 geben; der große Rahmen oder Hauptrahmen 201 kann demzufolge 32 kleine Rahmen oder Unterrahmen 202 in Folge enthalten. Damit kann jeder kleine Rahmen 202 etwa 307 Mikrosekunden lang sein, jeder Funkkanal 203 (in einem TDD- oder TDMA-System) kann etwa 667 Mikrosekunden lang sein, und jeder große oder Hauptrahmen 201 kann etwa 20 Millisekunden lang sein. Pro Funkkanal 203 können 160 Bits übertragen werden, so daß das 32-Kanal-System eine Doppelweg-Datenrate von insgesamt etwa 256 Kilobit/Sekunde hätte. Andere Zeitwerte sind in der Figur dargestellt.
Information kann mit einer Rate von fünf Bits in jeweils 6,4 Mikrosekunden mit Hilfe einer 32-stufigen Codeumtasttechnik gesendet werden. Damit kann alle 6,4 Mikrosekunden einer von 32 verschiedenen Codes gesendet werden, das sind 32 unterschiedliche Möglichkeiten entsprechend fünf Informationsbits. Als Alternative kann einer von 16 verschiedenen Codes gesendet werden, mit einem zusätzlichen Phasen-Bit auf dem Träger (oder in einer zweiten Alternative mit mehr als einem Phasenbit auf dem Träger), wiederum mit 32 verschiedenen Möglichkeiten, was fünf Informationsbits entspricht.
Ein kleiner Rahmen 203 kann in einem asymmetrischen Modus in dem Sinne arbeiten, daß der größere Teil eines kleinen Rahmens 202 entweder der Basisübertragung 204 oder der Benutzerübertragung 206 gewidmet ist. Ein Datentransport mit hoher Geschwindigkeit in die eine oder die andere Richtung (das heißt von der Basisstation 104 zu der Benutzerstation 102 oder umgekehrt) kann in dem asymmetrischen Modus bereitgestellt werden, mit oder ohne Bestätigung und/oder ARQ.
Ein spezieller Untermodus des oben beschriebenen asymmetrischen Modus kann als Rundfunk-Modus-bezeichnet werden, bei dem im wesentlichen der gesamte kleine Rahmen der Einwege-Kommunikation zugeteilt ist. Im Rundfunk-Modus können ein oder mehrere Rundfunk-Unterkanäle durch eine spezielle Rundfunk-Kennung markiert werden. Auf diese Weise lassen sich bis zu 255 Rundfunkkanäle unterscheiden. Für diese Punkt-Mehrfachpunkt-Anwendungen werden Rundfunkrahmen nicht bestätigt.
Steuerimpuls
Eine Benutzerstation 102 in einer zellularen Umgebung besitzt vorzugsweise Mittel zum Steuern der Sendeleistung, um Interferenz mit Nachbarzellen zu vermeiden. Anders als bei einer Umgebung einer ortsfesten Station, in welcher Antennenorte, Muster und die Übertragungsleistung der ortsfesten Station für minimale Interferenz mit anderen ortsfesten Stationen einstellbar sind, ist die Beschaffenheit einer zellularen Umgebung mit mobilen Benutzerstationen 102 derart beschaffen, daß es möglicherweise zu einem Konflikt zwischen Benutzerstationen 102 an sich schneidenden Zellengrenzen kommt. Dies erzeugt Bedarf an einer gewissen Leistungssteuerung in den Benutzerstationen 102. Beispielsweise kann eine an der Grenze eines Abdeckungsbereichs eine Basisstation 104 betriebene Benutzerstation 102 genötigt sein, mit voller Leistung zu senden, um in Kontakt zu bleiben. Andererseits kann eine Benutzerstation 102, die relativ nahe bei ihrer eigenen Basisstation 104 arbeitet, auf das Senden bei voller Leistung verzichten, und dennoch guten Kontakt haben. Durch passende Leistungssteuerung können Benutzerstationen 102 einen adäquaten Kontakt mit den Basisstationen 104 aufrechterhalten, ohne übermäßig in die Übertragungen einer Nachbarzelle zu stören, was eine HF-Kanal-Neuverwendung in benachbarten Zellen gestattet. Die Leistungssteuerung kann außerdem Interferenz mit ortsfesten Mikrowellen-Benutzern reduzieren und Batterieleistung in den Benutzerstationen 102, beispielsweise in Handapparaten, einsparen.
Die Leistungssteuerung wird erreicht durch Verwendung eines Leistungssteuerimpulses, der periodisch von jeder Benutzerstation 102 ausgestrahlt wird. Nach Einrichtung einer Übertragungsverbindung, hier in Verbindung mit 3 erläutert, kann eine Steuerimpulszeit 213 sowie eine dritte Lücke 214 direkt vor Beginn des kleinen Rahmens 202 reserviert werden, worin die Benutzerstation 102 einen Steuerimpuls 215 überträgt. Der Steuerimpuls 215 liefert an die Basisstation 104 eine Leistungsmessung des Funkkanals 203, die kennzeichnend ist für den Übertragungsverlust in dem Übertragungsweg und die Verbindungsqualität. Jede Benutzerstation 102 sendet im allgemeinen ihren Steuerimpuls 215 innerhalb des kleinen Rahmens 202, der ihr zugeordnet ist (beispielsweise von der Benutzerstation 102 bemessen).
Der Steuerimpuls 215 kann von der Basisstation 104 empfangen und von ihr dazu verwendet werden, Information über die Nachrichtenverbindung mit der Benutzerstation 102 zu ermitteln. Beispielsweise kann die Basisstation 104 ansprechend auf die Leistung, die Hüllkurve oder die Phase des Steuerimpulses 215 die Richtung oder den Abstand zu bzw. von der Benutzerstation 104 und das Ausmaß des Rauschens oder des Mehrwegefehlers ermitteln, mit welchem die Nachrichtenverbindung mit der Benutzerstation 102 möglicherweise behaftet ist.
Ansprechend auf den Empfang des Steuerimpulses 215 ermittelt die Basisstation 104 die Qualität des empfangenen Signals, einschließlich beispielsweise der empfangenen Leistung aus dem Leistungssteuerimpuls 215 und den Rauschabstand. Die Basisstation 104 sendet anschließend eine Nachricht zum Informieren der Benutzerstation 102, damit diese je nach Bedarf ihre Leistung einstellt. Basierend auf der Qualität des empfangenen Signals kann die Basisstation 104 die Benutzerstation 102 auffordern, ihre Sendeleistung um einen gewissen diskreten Betrag (zum Beispiel in kleinsten Schritten von 3 dB) gegenüber der laufenden Einstellung zu ändern (zu erhöhen oder zu vermindern), bis die Qualität des Steuerimpulses 215, der von der Basisstation 104 empfangen wird, über einem akzeptierbaren Schwellenwert liegt.
In ähnlicher Weise kann, wenn die Basisstation 104 die Leistungseinstellung der Benutzerstation 102 kennt, auch ihre eigene Leistung einstellen. Die Basisstation 104 kann ihre Leistung separat für jeden kleinen Rahmen 202 einstellen.
Ein bevorzugter Leistungssteuer-Befehlsimpuls von der Basisstation 104 für die Benutzerstation 102 kann gemäß der nachstehenden Tabelle 5-1 kodiert sein: Tabelle 5-1

Leistungssteuerbefehl Einstellung

000 Keine Änderung

001 –3 dB

010 –6 dB

011 –9 dB

100 +3 dB

101 +6 dB

110 +12 dB

111 +21 dB
Obschon bevorzugte Werte in der Tabelle 5-1 angegeben sind, können die Anzahl von Stufen des Leistungssteuerbefehls und die Differenz in der Leistungseinstellung zwischen den Stufen abhängig von der speziellen Anwendung und den Systemspezifikationen schwanken.
Während die Leistungssteuerung also erwünscht ist, gibt es in einigen herkömmlichen TDMA-Systemen ein Problem insofern, als die Länge der Abfrageschleife (zum Beispiel des großen Rahmens 201) zu groß ist, als daß die letzte Benutzerübertragung äußerst nützlich sein könnte zur Abschätzung der Kanalverluste und Beeinträchtigungen. In anderen Worten: die Latenz der Abfrageschleifen-Signale kann die Nutzung der Leistungsregelung verhindern. Das beschriebene Beispiel allerdings ermöglicht, daß eine Leistungssteuersequenz in wirksamer Weise innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne ausgeführt wird und damit eine Leistungsregelung ermöglicht. Vorzugsweise wird die verstrichene Zeit bei der Übertragung des Steuerimpulses 215, der Basisübertragung 204 und dem Beginn der Benutzerübertragung 206 relativ kurz gehalten (beispielsweise unter 500 μs oder etwa 2,5 % der Dauer des großen Rahmens 201), so daß die Systemantwort schnell genug sein kann, um kleinen Mehrwege-Schwundeffekten und Ausbreitungs-Schatteneffekten entgegenzuwirken.
Die Basisstation 104 kann außerdem den Steuerimpuls 215 dazu nutzen, die zeitliche Verzögerung ausgehend von einer Benutzerstation zu messen und dadurch die Distanz abzuschätzen, um die die Benutzerstation. von der Basisstation entfernt ist. Zur 911-Unterstützung kann eine Benutzerstation 102 Steuerimpulse 215 für mehrere Basisstationen 104 liefern, um eine grobe Ortsabschätzung in Notfällen zu erreichen.
Die Basisstation 104 kann eine Mehrzahl von Antennen für den Empfang und das Senden über die Übertragungsstrecke zu der Benutzerstation 102 aufweisen, und sie kann eine der mehreren Antennen für den Empfang und/oder die Übertragung auswählen in Abhängigkeit der Feststellung, die die Basisstation 104 ansprechend auf den Steuerimpuls 215 treffen kann. Die Basisstation 104 kann die Entscheidung darüber, welche Antenne verwendet wird, basierend auf der Qualität des Signals treffen, welches aus dem von der Benutzerstation 102 übertragenen Steuerimpuls 215 empfangen wird. Weil die Basisstation über die Antenne mit der besten Empfangssignalqualität aus dem Steuerimpuls 215 sowohl empfangen als auch senden kann, profitieren die Benutzerstationen 102 von der Antennen-Auswahl-Diversity, auch wenn sie möglicherweise keine expliziten Antennen-Diversity-Fähigkeit in der Benutzerstation 102 besitzt. Der Steuerimpuls 215 gestattet eine Aktualisierung der räumlichen Diversity-Steuerung während jedes kleinen Rahmens 202. Vorzugsweise verwendet die Basisstation 104 eine Hochgeschwindigkeits-TDD-Methode, so daß sich die Kennwerte des HF-Kanals innerhalb der Zeitspanne für den kleinen Rahmen 202 nicht ändern.
Information über den Steuerimpuls 215 für eine spezielle Benutzerstation 102 kann übertragen werden als Information im Steuerungsverkehr seitens einer Basisstation 104 zu einer anderen Basisstation 104 im Fall einer durch Basisstationen unterstützten Übergabe.
Es sei angemerkt, daß in dem hier beschriebenen bevorzugten TDMA-System die Anforderung an eine strickte HF-Sender-Ausgangsleistungssteuerung nicht notwendig ist, um das „Nah-Fern"-Problem zu lösen, welches üblicherweise CDMA-Systemen anhaftet. Der Zweck des Steuerimpulses 215 besteht vornehmlich in der Reduzierung des Batterieverbrauchs in Benutzerstationen 102, um die Interferenz bei Übertragungen zwischen benachbarten Zellen 103 zu minimieren, die möglicherweise auf dem gleichen oder auf benachbarten HF-Kanälen arbeiten, und um Interferenz mit in der Nähe befindlichen ortsfesten Mikrowellen-Benutzern zu minimieren.
Der Steuerimpuls 215 kann auch als Synchronisations-Datenanfangsetikett fungieren, um den Anfang von M-stufigen Datensymbolen innerhalb des kleinen Rahmens 202 festzulegen. Ein Leistungssteuer-Befehlsimpuls, in der Länge ähnlich dem Steuerimpuls 215, und von der Basisstation 104 während der Basisübertragung 204 oder zu einem anderen Zeitpunkt übertragen, kann in ähnlicher Weise als Synchronisations-Datenanfangsetikett in der Benutzerstation 102 dienen, zusätzlich zur Bereitstellung eines Leistungssteuerbefehls, mit welchem der Leistungsausgangspegel in der Benutzerstation 102 eingestellt wird.
Basisstations-Ausgangsleistung
Weil eine einzelne Basisstation 104 möglicherweise mit einer großen Anzahl von Benutzerstationen 102 (zum Beispiel bis zu 64 Benutzerstationen 102) zur gleichen Zeit kommuniziert, deren jeweiliger Abstand von der Basisstation 104 schwanken kann von nahezu Null bis zum Radius der Zelle 103, ist es möglicherweise nicht praktikabel, die Sendeleistung der Basisstation 104 zu steuern, um einen nahezu konstanten Empfangsleistungspegel in jeder Benutzerstation 102 während jedes kleinen Rahmens 202 aufrecht zu erhalten. Ausgangsleistungssteuerung des Senders in der Basisstation 104 könnte eine beträcht liche Änderung (beispielsweise von mehr als 40 dB) in der Sendeleistung während jedes kleinen Rahmens 202 (beispielsweise alle 625 μs) des großen Rahmens 201 erforderlich machen. Als Alternative für die Leistungssteuerung im kleinen Rahmen 202 auf der Basis des kleinen Rahmens kann die Ausgangsleistungssteuerung in der Basisstation 104 über ein Zeitintervall, welches länger ist als jeder kleine Rahmen 202, gemittelt werden.
Antennencharakteristik
Die reziproke Natur des Zeitduplex (TDD) ermöglicht die Verwendung gemeinsamer Antennen zum Senden und zum Empfangen sowohl in der Basisstation 104 als auch in den Benutzerstationen 102, ohne Antennen-Diplexer zu benötigen. Es können gemeinsame Antennen deshalb zum Senden und zum Empfangen verwendet werden, weil diese Funktionen an jedem der Anschlüsse zeitlich getrennt sind. Weil außerdem TDD von der gleichen HF-Frequenz für Sende- und für Empfangsfunktionen Gebrauch macht, sind die Kanal-Kennwerte für sowohl die Basisstation 104 als auch eine spezielle Benutzerstation 102 im wesentlichen gleich.
Die Benutzung gemeinsamer Antennen resultiert in der Einfachheit der Basisstation 104 und der Benutzerstation 102, was die Ausgestaltung der Engeräte angeht. Die Verwendung der gleichen HF-Frequenz und Antenne sowohl für Sende- als auch für Empfangsfunktionen in der Basisstation 104 und der Benutzerstation 102 schafft reziproke Ausbreitungswege zwischen den Anschlüssen der Basisstation 104 und der Benutzerstation 102. Diese reziproke Natur ermöglicht es der Basisstation 104, die Kanalvermessung des von der Benutzerstation 102 gesendeten Steuerimpulses 215 dazu zu benutzen, den Doppelweg-Verlust zwischen der Basisstation 104 und der Benutzerstation 102 zu bestimmen, außerdem zu bestimmen, welche der räumlichen Diversity-Antennen in der Basisstation 104 zu verwenden ist, sowohl für den Empfang seitens der Benutzerstation 102 als auch zum Senden zu der Benutzerstation 102.
Es können unterschiedliche Antennentypen von der Basisstation 104 verwendet werden, abhängig vom Anwendungstyp. Für Vororte oder ländliche Gebiete geringer Dichte kann eine omnidirektionale Antenne verwendet werden, die eine maximale Abdeckung bei kleinstmöglicher Anzahl von Basisstationen 104 bietet. Beispielsweise kann eine omnidirektionale Antenne mit einem vertikalen Gewinn von etwa 9 dB verwendet werden. Die 9 dB Gewinn ermöglichen eine Zelle mit relativ großem Radius auch dann, wenn ein omnidirektionales Horizontalmuster verwendet wird.
In Vorstadt- und Stadtbereichen mit geringer Dichte können Richtantennen mit Azimuth-Strahlbreiten von 120 Grad und 9 dB vertikalem Gewinn an der Basisstation 104 verwendet werden, so daß eine Zelle 103 in drei Teilsektoren aufgeteilt werden kann, von denen jeder Sektor eine volle Last von Benutzerstationen 102 bedient (beispielsweise 32 Vollduplex-Benutzerstationen 102).
Die Verwendung von TDD ermöglicht außerdem die Verwendung einer einzelnen gesteuerten Phased-Array-Antenne an der Basisstation 104 für Anwendungen, die einen hohen Gewinn und Richtantennen mit hoher Richtwirkung erfordern. Eine ähnliche Einrichtung bei CDMA- oder FDMA-Systemen würde hingegen komplexer und kostspieliger werden, da diese Systeme gleichzeitig gesteuerte Strahlen für jede Benutzerstation 102 innerhalb der Zelle 103 erfordern.
Um zum Beispiel einer einzelnen Basisstation 104 zu ermöglichen, ein großes, dünn besiedeltes Gebiet abzudecken, kann man eine gesteuerte Array-Antenne mit bis zu 20 dB Horizontal-Richtwirkung verwenden. Eine solche Antenne wird sequentiell zu jeder Benutzerstation 102 innerhalb einer Zelle 103 bei jedem kleinen Rahmen 202 gesteuert. Die gleiche Antenne kann sowohl für Übertragung als für Empfang verwendet werden, was einer reziproken Vorwärts- und Rückwärts-Ausbreitungscharakteristik entspricht. Die gesteuerte Array-Antenne kann von zirkularer Polarisation Gebrauch machen, so daß verzögerte Echosignale hohen Pegels, die von Gebäuden oder anderen Hindernissen innerhalb des Strahlausbreitungswegs reflektiert werden, nicht die Empfangssignale von den Benutzerstationen 102 stören. Da reflektierte Signale typischerweise eine umgekehrte Polarisation besitzen, werden sie von der zirkular polarisierten Antenne zurückgewiesen. Es sei angemerkt, daß Richtantennen mit so hohem Gewinn außerdem die Verzögerungs streuung in schwierigen Mehrwege-Umgebungen durch Zurückweisung von Mehrwegekomponenten reduzieren, die von außerhalb des Hauptstrahls der Antenne ankommen.
Die Benutzerstation 102 verwendet eine Halbwellen-Dipolantenne, die linear polarisiert ist und einen Gewinn von 2 dB mit einem omnidirektionalen Muster rechtwinklig zur Antennenachse liefert. Bei einer Nennfrequenz von 1900 MHz beträgt die halbe Wellenlänge ungefähr 3 Zoll, was gut zu dem Gehäuse eines Handapparats paßt.
NACHRICHTENTYPEN UND -PROTOKOLL
3 zeigt Nachrichtentypen sowie ein Protokoll, welches von solchen Nachrichtentypen Gebrauch macht.
Nachrichten (Basisübertragungen 204 und Benutzerübertragungen 206) können einem von drei Typen entsprechen: einer Allgemeinabfragenachricht 201, einer Spezialabfragenachricht 302 und einer Informationsnachricht 303. Wenn eine Nachricht von einer Benutzerstation 102 gesendet wird, wird sie als „Antwort" bezeichnet, beispielsweise eine Allgemeinabfrageantwort 304, eine Spezialabfrageantwort 305 und eine Informationsantwort 306.
Benutzerstations-Initiierung einer Verbindung
Eine Benutzerstation 102 kann eine Basisstation 104 mit Hilfe einer Sequenz von Quittungsaustausch-Schritten „akquirieren". In einem Allgemeinabfragenschritt 307 kann die Basisstation 104 ihre Allgemeinabfragenachricht 301 über einen Funkkanal 203 als Teil eines kleinen Rahmens 202 senden. Die Benutzerstation 102 empfängt die Allgemeinabfragenachricht 301, und nur dann, wenn diese fehlerfrei empfangen wurde, sendet sie ihre Allgemeinabfragenantwort 304 über denselben Funkkanal 203. Die Allgemeinabfragenachricht 301 beinhaltet eine Basis-ID 308, die 32 Bits lang sein kann, und die durch die Benutzerstation 102 aufgezeichnet werden kann. In ähnlicher Weise umfaßt die Allgemeinabfrageantwort 304 eine Benutzer-ID 309, die 32 Bits lang sein und von der Basis station 104 aufgezeichnet werden kann. Die Basis-ID 308 kann während des Weiterreichens verwendet werden, wie es hier beschrieben ist.
Nach Erhalt einer Allgemeinabfrageantwort 304 in einem Spezialabfrage-Schritt 310 kann die Basisstation 104 eine spezielle Abfragenachricht 302 senden, die die Benutzer-ID 309 enthält, welche von der Basisstation 104 als Teil der Allgemeinabfrageantwort 304 empfangen wurde. Die Spezialabfragenachricht 302 kann über den gleichen Funkkanal 203 wie die Allgemeinabfragenachricht 301 gesendet werden, sie kann aber auch über einen anderen Funkkanal 203 gesendet werden, solange die Benutzerstation 102 in der Lage ist, sie aufzufinden.
Die Benutzerstation 102 kann sämtliche Funkkanäle 203 bezüglich ihrer spezifischen Benutzer-ID 309 überwachen. Die Benutzerstation 102 empfängt die Spezialabfragenachricht 302, und nur dann, wenn diese fehlerfrei und mit der gleichen Benutzer-ID 309 empfangen wurde, sendet sie ihre Spezialabfrageantwort 305 über den gleichen Funkkanal 203. Die Spezialabfrageantwort 305 enthält die gleiche Benutzer-ID 309 wie die Allgemeinabfrageantwort 304.
Allerdings kann man die Spezialabfragenachricht 302 als redundant entfernen. Die Benutzerstation 102 kann deshalb der Allgemeinabfrageantwort 304 mit einer Spezialabfrageantwort 305 auf einem ausgewählten Funkkanal 203 folgen. Dieser Funkkanal 203 kann von der Basisstation 104 in einem Teil des Informationsfelds 209 der Allgemeinabfragenachricht 301 bestimmt werden, er kann von der Benutzerstation 102 in einem Teil des Informationsfelds 209 der Allgemeinabfrageantwort 304 bezeichnet werden, oder kann von der Benutzerstation 102 ansprechend auf einen nicht belegten Funkkanal 203 ausgewählt werden (zum Beispiel kann die Benutzerstation 102 einen unbelegten Kanal 203 belegen). Die letztgenannte dieser drei Alternativen wird von den Erfindern derzeit bevorzugt.
Bei Empfang einer Spezialabfrageantwort 305, die eine Benutzer-ID 309 enthält, die mit jener der Allgemeinabfrageantwort 304 übereinstimmt, kann in einem Verbindungs- Einrichtungs-Schritt 311 die Basisstation 104 eine Informationsnachricht 303 senden. An dieser Stelle haben die Basisstation 104 und die Benutzerstation 102 eine Nachrichtenverbindung 312 in einem bezeichneten Funkkanal 203 eingerichtet, typischerweise demjenigen Funkkanal 203, der ursprünglich von der Basisstation 104 abgefragt wurde, möglicherweise aber auch ein anderer Funkkanal 203. Die Basisstation 104 kann eine Kopplung einer Telefonleitung zu diesem Funkkanal 203 herstellen, und die Benutzerstation 102 kann den Normalbetrieb auf einem Telefonnetzwerk beginnen (beispielsweise kann die Benutzerstation 102 einen Rufton empfangen, eine Nummer wählen, eine Telefonverbindung herstellen und andere Telefonoperationen ausführen). Die Basisstation 104 und die Benutzerstation 102 können Informationsnachrichten 303 und Informationsantworten 306 solange austauschen, bis die Übertragungsverbindung 312 freiwillig aufgegeben wird, bis eine Fehlermeldung die Benutzerstation 102 auffordert, erneut die Basisstation 104 erneut zu akquirieren, oder bis eine Übergabe der Benutzerstation 102 zu einer anderen Basisstation 104 erfolgt.
Sollten mehr als eine Benutzerstation 102 auf die Allgemeinabfragenachricht 301 im selben kleinen Rahmen 202 antworten, kann die Basisstation 104 beabsichtigt nicht antworten. Das Fehlen einer Antwort seitens der Basisstation 104 signalisiert den betroffenen Benutzerstationen 102, sich für eine berechnete Zeitspanne zurückzuhalten, bevor der Versuch unternommen wird, dieselbe Basisstation 104 unter Verwendung des Protokolls der Allgemeinabfragenachricht 301 und der Allgemeinabfrageantwort 304 zu akquirieren. Die Zurückhaltezeit kann auf der Benutzer-ID 309 basieren, und deshalb hält sich jede Benutzerstation 102 für eine andere Zeitdauer zurück, um weitere Kollisionen zu vermeiden.
Die Allgemeinabfragenachricht wird von der Basisstation 104 über einen oder mehrere derzeit nicht belegte Funkkanäle 203 gesendet. Ursprünglich kann daher beim Hochfahren der Basisstation 104 die Basisübertragung 204 für sämtliche Funkkanäle 203 die Allgemeinabfragenachricht 301 beinhalten.
Aufbau einer Verbindung durch eine Basisstation
Wenn ein ankommender Telefonanruf in der Basisstation 104 empfangen wird, sendet die Basisstation 104 in einem Schritt 313 „ankommender Anruf" eine Spezialabfragenachricht 302 mit der Benutzer-ID 309 der angegebenen Empfangs-Benutzerstation 102 (wobei die Allgemeinabfragenachricht 301 und die Allgemeinabfrageantwort 304 übersprungnen werden) über einen verfügbaren Funkkanal 203.
Jede Benutzerstation 102 hört auf jedem Funkkanal 203 wiederholt auf die Spezialabfragenachricht 302, um diese innerhalb einer vorbestimmten Zeit nach ihrem Absenden zu empfangen. Damit kann jede Benutzerstation 102 periodisch jeden Funkkanal 203 aufeinanderfolgend empfangen, um die Spezialabfragenachricht 302 abzuhören.
Wenn die Spezialabfragenachricht 302 empfangen wird, vergleicht die Benutzerstation 102 die Benutzer-TD 309 in der Nachricht mit ihrer eigenen Benutzer-ID, und wenn sie übereinstimmen, setzt sie den Schritt 311 der Verbindungseinrichtung fort. Die Basisstation 104 kann hierdurch eine Übertragungsverbindung 312 mit jeder Benutzerstation 102 innerhalb des Verbindungsbereichs erzeugen.
Verbindungserweiterung und -verringerung
Die Datenübertragungsrate zwischen einer Basisstation 104 und einer Benutzerstation 102 läßt sich erweitern oder verkürzen im Verlauf der bestehenden Übertragungsverbindung.
Die Basisstation 104 erhöht die Datenübertragungsrate durch Senden mehrfacher Informationsnachrichten 303 an die Benutzerstation 102 während eines großen Rahmens 201, wobei einer einzelnen Benutzerstation 102 mehrere kleine Rahmen 201 zugeordnet werden. Diese höheren Datenraten, auch als „Superraten" bekannt, werden mit Hilfe einer zielgerichteten Informationsnachricht 303 implementiert. In einer zielgerichteten Informationsnachricht 303 kann die Basisstation 104 den Benutzer-Spitznamen 212 in dem D-Feld 208 zusammen mit der Information übertragen, die an die bezeichnete Benutzerstati on 102 im B-Feld 209 übertragen wird. Erkennt die Benutzerstation 102 den Benutzer-Spitznamen 212, der ihr zugewiesen ist, so empfängt sie die zielgerichtete Informationsnachricht 303.
Der Benutzer-Spitznamen 212 kann von der Basisstation 104 innerhalb der Spezialabfragenachricht 302 an die Benutzerstation gesendet werden. In einer Ausführungsform, in welcher die Spezialabfragenachricht 302 als redundant entfernt wurde, kann der Benutzer-Spitzname 212 von der Basisstation 104 an die Benutzerstation 102 bit-seriell in einem bestimmten Bit des Kopfstellen-Felds 207 gesendet werden.
Weil die Datenübertragungsrate in Beziehung steht zu der Anzahl der kleinen Rahmen 202, die einer spezifischen Benutzerstation 102 zugeordnet sind, nimm die Datenübertragungsrate in Schritten von beispielsweise 8 Kbps zu. Es kann vorkommen, daß einer einzelnen Benutzerstation 102 Vollduplex-Schlitze bis hin zu der vollen Anzahl von 32 Schlitzen oder 256 Kbps (Vollduplex) zugeordnet werden.
Datenraten unterhalb der Basisrate (das heißt weniger als ein kleiner Rahmen 202 pro Hauptrahmen 201 oder weniger als 8 Kbps) stehen zur Verfügung. Die geringere Datenrate wird erreicht, indem Hauptrahmen 201 auf periodischer Grundlage übersprungen werden. Damit können Datenraten von 4 Kbps, 2 Kbps usw. erreicht werden. In einer Ausführungsform können bis zu 24 aufeinanderfolgende Haupt- oder große Rahmen 201 übersprungen werden, was eine Minimum-Datenrate von 320 bps effektiv zur Verfügung gestellt werden (das heißt ohne Verwendung der Raten-Adaption). Zwischenraten oder noch geringe Raten können durch Raten-Adaption erreicht werden.
Die Fähigkeit der Schaffung variabler Datenraten abhängig vom Bedarf, eingeschlossen die Verfügbarkeit eines asymmetrischen Modus in einem gegebenen kleinen Rahmen 202, wie es oben erläutert wurde, ermöglicht eine effiziente und flexible Datenübertragung für einen großen Bereich von Daten-, Video-, Multimedia- und Rundfunkanwendungen. Beispielsweise kann jeder kleine Rahmen 202 mit der Mehrheit der Dauer für die kleinen Rahmen 202 konfiguriert werden, die entweder der Basisübertragung 204 oder der Benut zerübertragung 206 zugeordnet sind, oder er kann mit einer symmetrischen Verteilung konfiguriert werden, bei der die Hälfte der Dauer des kleinen Rahmens 202 sowohl der Basisübertragung 204 als auch der Benutzerübertragung 206 zugeordnet ist. Typischerweise macht der Sprachverkehr von einer symmetrischen Verteilung Gebrauch, bei der an dem einen oder anderen Ende der Verbindung Sprachverkehr gesendet wird. Beim Datenaustausch allerdings werden typischerweise mehr Daten in die eine Richtung und weniger Daten in die andere Richtung gesendet. Wenn beispielsweise Fax-Daten zu einer Benutzerstation 102 gesendet werden, so ist eine höhere Datenrate für die Basisübertragung 204 von Vorteil und wird von der beschriebenen Konfiguration unterstützt. Für noch höhere Datenraten-Anwendungen kann eine spezielle Basisstation 104 oder eine spezielle Benutzerstation 102 eine Zuordnung von Mehrfach-Untenahmen 202 innerhalb eines einzelnen Hauptrahmens 201 erfolgen. Diese Betriebsarten mit hoher Datenrate können beispielsweise eine gesteigerte Sprachqualität, Videodaten- oder Rundfunkdatenanwendungen unterstützen.
Weitergabe und Netzwerkverwaltung
Wenn eine Basisstation 104 und eine Benutzerstation 102 erst einmal eine Übertragungsverbindung 312 eingerichtet haben, kann während des Schritts 311 der Verbindungs-Herstellung die Benutzerstation 102 sämtliche Informationsnachrichten 303 empfangen und sämtliche Informationsantworten 306 auf dem gleichen Funkkanal 203 oder auf spezifizierten Mehrfach-Funkkanälen 203 senden. Diese Ausgestaltung beläßt den Rest des Hauptrahmens 201 frei für andere Aktivitäten. Eine derartige Aktivität ist das Abfragen weiterer Basisstationen 104 und das Bewahren von Netzwerkinformation wie zum Beispiel über die Verbindungsqualität oder die Kanalverfügbarkeit in nahegelegenen Basisstationen 104, um Übergaben von einer Basisstation 104 zu einer anderen Basisstation 104 zu erleichtern.
Basisstationen 104 übertragen Netzwerkinformation als Teil der Allgemeinabfragenachricht 301 und der Spezialabfragenachricht 302 in einem Kanal-Ausnutzungs-Feld 314 oder anderweitig. Die Netzwerkinformation kann zum Beispiel die Identität nahegelege ner Basisstationen, die Identität oder den relativen Anteil freier Kanäle an einer speziellen nahegelegenen Basisstation und/oder der laufenden Basisstation, die Verbindungsqualität für nahegelegene Basisstationen und/oder die laufende Basisstation, und Frequenzen sowie Spreizspektrum-Codes beinhalten, die von nahegelegenen Basisstationen verwendet werden.
In einem Netzwerkverwaltungs-Schritt 315 kann die Benutzerstation 102 einen oder mehrere verschiedene Funkkanäle 203 abhören, zusätzlich zu dem einen oder den mehreren, die gerade von der Benutzerstation 102 belegt werden, um die Allgemeinabfragenachricht 301 und die Spezialabfragenachricht 302 von nahegelegenen Basisstationen 104 zu erkennen. Die Benutzerstation 102 setzt die Kommunikation über den oder die ihr zugeordneten Funkkanäle 203 mit der laufenden Basisstation 104 fort und antwortet bedarfsweise auf von der Basisstation 104 kommende Informationsnachrichten 303. Ohne Einleitung der im folgenden beschriebenen Übergabeprozedur sendet allerdings die Benutzerstation 102 nicht als Antwort auf andere nahe Basisstationen 104 und belegt mithin keine Funkkanäle 203 solcher Basisstationen 104.
Es ist vorgesehen, daß das System entweder eine Übergabe „Verbinden vor der Unterbrechung" für nahtlose, nicht erkennbare Übergaben durchführt, oder eine Übergabe „Unterbrechung vor Verbindung" in Notfallsituationen, in denen sämtliche Kommunikationen mit einer Basisstation 104 verloren gehen, bevor eine neue Verbindung zustande kommt.
Bei einer Übergabe „Verbinden vor Unterbrechung" kann, wenn die Übertragungsverbindung 312 zwischen der Basisstation 104 und der Benutzerstation 102 zu stark fehlerbehaftet ist, die Benutzerstation 102 eine der nahegelegenen Basisstationen 104 in ähnlicher Weise akquirieren, wie sie die laufende Basisstation 104 akquiriert hat. Eine derartige Übergabeprozedur kann unter Bezugnahme auf die 1-3 näher erläutert werden.
In 1-3 wird angenommen, daß eine Benutzerstation 102, die derzeit in Verbindung mit einer laufenden oder Original-Basisstation 405 steht, festgestellt hat, daß es wünschenswert wäre, die Verbindung zu einer anderen Basisstation 104 zu transferieren, bei spielsweise einer mit einer gemeinsamen Basisstations-Steuerung 407 gekoppelten ersten Terminal-Basisstation 410, oder einer zweiten Terminal-Basisstation 406, die mit einer anderen Basisstations-Steuerung 408 gekoppelt ist. Eine Übergabe an die erste Terminal-Basisstation 410 wird als „Intra-Cluster"-Übergabe bezeichnet, während eine Übergabe zu der zweiten Terminal-Basisstation 406 als „Inter-Cluster"-Übergabe bezeichnet wird. Die folgende Erläuterung konzentriert sich auf eine Intra-Cluster-Übergabe zu der ersten Terminal-Basisstation 410, wobei allerdings zahlreiche der Schritte die gleichen sind wie bei einer Inter-Cluster-Übergabe, und die hervorstechenden Unterschiede zwischen einer Intra-Cluster- und einer Inter-Cluster-Übergabe angegeben werden, wenn dies notwendig ist.
Allgemein gilt: wenn die Benutzerstation 102 feststellt, daß eine Übergabe angezeigt ist, akquiriert die Benutzerstation 102 einen Funkkanal der neuen oder Terminal-Basisstation 410 und signalisiert der mit der laufenden Basisstation 405 gekoppelten Basisstations-Steuerung 407 ein Umschalten der ankommenden Telefonverbindung von der laufenden Basisstation 405 zu der neuen Basisstation 410.
Insbesondere kann eine Übergabeprozedur eingeleitet werden, wenn der Empfangssignalpegel an einer Benutzerstation 102 unter einen akzeptierbaren Wert abfällt. Während die Benutzerstation 102 Trägerverkehr von ihrer ursprünglichen Basisstation 405 empfängt, mißt die Benutzerstation 102 die Empfangssignalqualität (zum Beispiel RSSI) ihrer Übertragungsverbindung 312. Der Wert der Empfangssignalqualität bestimmt zusammen mit Messungen der laufenden Rahmenfehlerrate und des Fehlertyps die gesamte Verbindungsqualität. Wenn die Gesamt-Verbindungsqualität unter einen ersten Schwellenwert (den Meßschwellenwert) absinkt, beginnt die Benutzerstation 102, verfügbare Funkkanäle 203 (das heißt Zeitschlitze) zu suchen, zunächst solche, die von der ursprünglichen Basisstation 104 ausgehen, anschließend (unter Verwendung passender Frequenzen und Spreizspektrum-Codes) von benachbarten Basisstationen 104 benachbarter oder nahegelegener Zellen 103. Wie erwähnt, besitzt die Benutzerstation 102 vorzugsweise erhaltene Information über die Identitäten benachbarter Basisstationen 104 (einschließlich Information über Spreizspektrum-Codes und Frequenzen) von der ursprünglichen Basisstation 405, erhalten durch Herunterladen der Information zu der Benutzerstation 102 während des Verkehrmodus oder anderweitig.
Während die Benutzerstation 102 mögliche neue Funkkanäle 203 unter Verwendung passender Frequenz- und/oder Spreizspektrumcode-Einstellungen abtastet, mißt die Benutzerstation 102 die Empfangssignalqualität und zeichnet sie auf. Die Benutzerstation 102 liest ein in sämtlichen Basisübertragungen 204 enthaltenes Feld, welches die laufende Zeitschlitz-Ausnutzung der Basisstation 104 beschreibt. Die Benutzerstation 102 macht von diesen beiden Informationsstücken Gebrauch, um eine Leistungszahl für neue Basisstationssignale zu bilden, einschließlich der ursprünglichen Basisstation 405, um anschließend die Basisstationen 104 nach der Leistungszahl zu sortieren. Diese Prozedur ermöglicht es der Benutzerstation 102, die Qualität verfügbarer Funkkanäle 203 für sowohl die ursprüngliche Basisstation 405 als auch andere nahegelegen Basisstationen 104 zu bewerten.
Wenn ein Funkkanal 203 (oder gegebenenfalls Funkkanäle 203) für die ursprüngliche Basisstation 405 eine bessere Qualität besitzt als der Kanal irgendeiner Basisstation 104 in einer benachbarten oder nahegelegenen Zelle 103, kommt eine Zeitschlitzaustausch(TSI-)Übergabe in Betracht, welche die Verbindung mit der ursprünglichen Basisstation 405 über einen anderen Funkkanal 203 aufrechterhält, als er zuvor von der Benutzerstation 102 benutzt wurde.
Wenn die Verbindungsqualität unter einen zweiten Schwellenwert sinkt, fordert die Benutzerstation 102 (während eines trägerfreien Zeitschlitzes) eine Übergabe von der Basisstation 104 mit der höchsten Leistungszahl an (wobei es sich um eine TSI-Übergabe mit der ursprünglichen Basisstation 405 handeln könnte). Die Übergabe wird angefordert durch Belegen eines Funkkanals 203, Absenden einer Übergabenachricht-Anforderung und Warten auf eine Bestätigung seitens der neuen Basisstation 410. Die Übergabe-Mitteilungsnachricht beinhaltet eine Beschreibung des Schaltkreises, der die ursprüngliche Basisstation 405 mit dem Netzwerk verbindet, wobei die Beschreibung an die Benutzerstation 102 zur Zeit des Anrufaufbaus übergeben wurde. Wenn die neue Basisstation 104 die Übergabeanforderung (durch Bestätigung) akzeptiert, wird die neue Basisstation 104 die neue Terminal-Basisstation 410. Es sei angemerkt, daß die Benutzerstation 102 ihren ursprünglichen Funkkanal 203 zur Verbindung mit der ursprünglichen Basisstation 405 während dieser Übergabeprozedur behält, zumindest solange, bis ein neuer Funkkanal 203 akquiriert ist.
Um eine Intra-Cluster-Übergabe zu vervollständigen, sendet die Benutzerstation 102 in einem Übergabeschritt 316 an die neue Basisstation 410 die Basis-ID 308 der alten Basisstation 405. Die alte Basisstation 405 und die neue Basisstation 410 können dann die Handhabung jedes im Ablauf befindlichen Telefonanrufs transferieren.
Insbesondere sendet die Terminal-Basisstation 410 eine Nachricht in Form einer „Note" (wie sie oben erläutert wurde) an ihre Basisstations-Steuerung 407 mit der Forderung, daß der ursprüngliche Schaltkreis umgelegt wird von der ursprünglichen Basisstation 405 zu der Terminal-Basisstation 410. Wenn die Basisstations-Steuerung 407 die gemeinsame Steuerung für sowohl die ursprüngliche Basisstation 405 als auch die Terminal-Basisstation 410 ist, wird der Übergabevorgang als Intra-Cluster-Ereignis bezeichnet, und die Basisstations-Steuerung 407 überbrückt den Schaltkreis von der ursprünglichen Basisstation 405 zu der Terminal-Basisstation 410. Dann sendet die Basisstations-Steuerung 407 eine Note „Umschaltung vollständig" an die ursprüngliche Basisstation 405 und auch an die Terminal-Basisstation 410, um letztere anzuweisen, den Übergabeprozeß fortzusetzen.
Im Fall einer Inter-Cluster-Übergabe ist die Basisstations-Steuerung 408 nicht der ursprünglichen Basisstation 401 und der Terminal-Basisstation 406 gemeinsam. Für diese Typen von Übergaben sendet wie bei Intra-Cluster-Übergaben die Terminal-Basisstation 406 eine Nachricht in Form einer Note an ihre Basisstations-Steuerung 408 und fordert, daß der ursprüngliche Schaltkreis umgelegt wird von der ursprünglichen Basisstation 405 auf die Terminal-Basisstation 406. Die Basisstations-Steuerung 408 übersetzt die Übergabe-Note in die Signalisiersprache des Netzwerk-Hauptrechners 409 (zum Beispiel eines PCSC) und fordert auf Netzwerkebene eine Inter-Cluster-Übergabe an.
In einigen Netzwerkarchitekturen kann das Hauptnetzwerk 409 eine Übergabe-Anforderung von einer abschließenden Basisstations-Steuerung 408 nicht akzeptieren, in welchem Fall ein Zwischenschritt ausgeführt wird. Die Übergabe-Anforderung kann über eine X.25-Verbindung zu der Basisstations-Steuerung 407 gesendet werden, die mit der ursprünglichen Basisstation 405 verbunden ist. Die ursprüngliche Basisstations-Steuerung 407 übersetzt dann die Übergabeanforderung und leitet sie an den Netzwerk-Hauptrechner 409 weiter. Der Netzwerk-Hauptrechner 409 bestätigt die Schaltkreisumlegung auf die ursprüngliche Basisstations-Steuerung 407, die anschließend eine Note „Umschaltung vollständig" an die Terminal-Basisstation 406 sendet.
Wenn die Terminal-Basisstation 406 die Note „Umschaltung vollständig" empfängt, beginnt die Terminal-Basisstation 406, die Benutzerstation 102 mit einer spezifischen Abfrage zu beschicken, und die ursprüngliche Basisstation 405 signalisiert der Benutzerstation 102, einen Transfer zu der Terminal-Basisstation 406 zu vollziehen. Wenn die Benutzerstation 102 das Signal für den Transfer zu der Terminal-Basisstation 406 empfängt, oder wenn die Verbindung während des Übergabevorgang verloren geht, schaltet die Benutzerstation 102 auf die Terminal-Basisstation 406 um und sucht nach einer Spezialabfragenachricht 302. Wenn die Benutzerstation 102 die Spezialabfragenachricht 302 empfängt, vervollständigt die Benutzerstation 102 die Verbindung zu der Terminal-Basisstation 406, und die Übergabeprozedur ist abgeschlossen.
Sollte die Verbindung zwischen der Benutzerstation 102 und der ursprünglichen Basisstation 405 oder der abschließenden Basisstation 406 (oder 410) zu irgendeiner Zeit vollständig unterbrochen werden, so sucht die Benutzerstation 102 die die höchste Qualität aufweisende Basisstation 104 in der Liste potentieller Übergaben, um eine Übergabe ohne Kommunikation mit der vorhergehenden Basisstation 405 zu versuchen. Diese Möglichkeit gestattet es der Benutzerstation 102, sich aus Situationen zu erholen, in denen die ursprüngliche Verbindung unterbrochen wurde, bevor die normale Übergabeprozedur abgeschlossen werden konnte.
Eine Intra-Cluster-Übergabe einschließlich einer Neuherstellung eines Trägerkanalverkehrs kann üblicherweise zwischen weniger als 10 Millisekunden bis hin zu 40 Millisekunden dauern. Da unter normalen Umständen die Übergabezeit kürzer ist als ein Abfrageschleifen-Intervall, werden Trägerpakete unterbrechungsfrei zu der Benutzerstation 102 gesendet. Die Zeiten für eine Inter-Cluster-Übergabe hängen teilweise ab von den Verzögerungen im Host-Netzwerk 409 und sind nicht immer ohne weiteres vorhersagbar.
Ein einzigartiger Aspekt der oben beschriebenen „mobilen gerichteten" oder „mobilen zentrischen" Übergabemethode besteht darin, daß die Benutzerstation 102 die Entscheidung darüber trifft, eine Übergabe zwischen Zellen zu vollziehen, und sie die Basisstations-Steuerung oder das Netzwerk anweist, eine Leitungsumschaltung auszuführen, wenn erst einmal eine alternative Basisstation 104 akquiriert ist. Diese Vorgehensweise unterscheidet sich völlig von einer „Netzwerk-gerichteten" oder „Netzwerk-zentrischen" Vorgehensweise, wie sie in Systemen wie AMPS, IS-54 und GSM eingesetzt wird. Die mobile zentrische Vorgehensweise unterscheidet sich auch deutlich von dem sogenannten „Mobile Assisted Handoff" (MAHO), bei der das Netzwerk Information sammelt und sämtliche oder die meisten der Übergabefunktionen lenkt, wobei die Benutzerstation 102 in erster Linie als zusätzlicher Abhörposten benutzt wird, während das Netzwerk immer noch die Übergabe leitet. Die MAHO-Methode erfordert also von Haus aus beträchtliche Meldungen und Nachrichten zwischen Basisstationen, Basisstations-Steuerungen und Vermittlungsstellen, wodurch Übergaben länger dauern als mit den hier beschriebenen mobilen zentrischen Methoden.
Ein Hauptvorteil des mobilen zentrischen Verfahrens besteht darin, daß es möglicherweise mobile Geschwindigkeits-Übergaben (beispielsweise 65 MPH) auch in sehr kleinen oder sehr großen Zellen ermöglicht, zum Beispiel in Zellen, die kleiner als 1000 Fuß und größer als 20 Meilen im Durchmesser sind.
Das System ist auch in der Lage, eine Übergabe vom Typ „Unterbrechen vor Verbindung" auszuführen. Eine Übergabe „Unterbrechen vor Verbindung" erfolgt typischerweise in einer Situation, in der eine plötzliche Abschattung eintritt, so zum Beispiel dann, wenn eine Verbindung mit der laufenden Basisstation 405 aufgrund einer schwerwiegenden Signalblockage (zum Beispiel stärker als 40 dB) in der Nähe der Grenze des Zellenbereichs verlorengeht, was dann eintreten kann, wenn in einem dichten städtischen Gebiet mit hohen Gebäuden rasch um eine Ecke gefahren wird. In einer solchen Situation prüft die Benutzerstation 102 ihre zuvor erstellte „Prioritätsliste" verfügbarer Basisstationen in der Nähe, und versucht, Kontakt mit einer neuen Basisstation 104 zu knüpfen, möglicherweise auf einer neuen Frequenz und/oder in einem neuen Zeitschlitz. Die Benutzerstation 102 kann als Teil dieser Steuerlogik einen Parameter „Verharren" beinhalten, der einen Zusammenbruch der Verbindung vor einem vollen Neuaufbau einer Duplexverbindung ausschließt.
Das eigentliche Problem der „harten Übergabe" (das heißt eines verlorenen Funkkanals) läßt sich in zahlreichen Fällen äußerst rasch behandeln durch die Fähigkeit der Benutzerstation 102, die ursprüngliche Basisstation 405 neu zu akquirieren oder äußerst rasch eine andere Basisstation 104 zu akquirieren, selbst dann, wenn für die Benutzerstation 102 bei Verlust der Verbindung keine Information verfügbar ist. Selbst in einer solchen Notfall-Übergabesituation „Unterbrechen vor Verbindung" kann die Übergabe in gewöhnlicher Weise in nur 16 bis 250 Millisekunden erreicht werden. Im Gegensatz dazu wird ein vollständiger Verlust einer Verbindung in traditionellen zellularen Architekturen ein „gefallener Anruf".
Ein Problem, welches möglicherweise während der Übergabe entsteht, ist eine Situation, in der es wiederholte Versuche gibt, umzuschalten zwischen zwei oder mehr Basisstationen 104 in solchen Zeiten, in denen zum Beispiel die gemessene Qualität der Empfangssignale von zwei miteinander konkurrierenden Basisstationen 104 sehr ähnlich ist, oder dann, wenn Umwelteinflüsse zu sich rasch ändernden Abweichungen in der relativen Signalqualität der von miteinander konkurrierenden Basisstationen 104 kommenden Signale führen. Das wiederholte Umschalten zwischen konkurrierenden Basisstationen 104 läßt sich als „Flattern" bezeichnen und kann die unerwünschte Wirkung haben, übermäßige Kapazität aus dem Netzwerk in Anspruch zu nehmen. Um den Effekt des Flattern einzuschränken, können Hysterese-Messungen von mehreren Basisstationen 104 durch die Be nutzerstation 102 derart vorgenommen werden, daß eine Übergabe nicht eher erfolgt, bis die Qualität des Signals von einer neuen Basisstation 104 die Qualität des Signals der ursprünglichen Basisstation 405 um eine vorbestimmte Spanne übersteigt. Auf diese Weise werden wichtige Funkkanal-Ressourcen im Netzwerk erhalten.
In seltenen Fällen können zwei Benutzerstationen 102 auf dem gleichen kleinen Rahmen 202 in verschiedenen Zellen 103, jedoch auf der gleichen Frequenz, Ausbreitungs-Kennwerte antreffen, bei denen die räumliche und Code-Trennung unzureichend ist, um Bitfehler zu vermeiden, so daß die Benutzerstationen 102 eine Beeinträchtigung ihrer HF-Verbindungen erleiden. In derartigen Fällen kann ein Zeitschlitz-Austausch (TSI) durchgeführt werden, bei dem eine oder beide der im Konflikt befindlichen Benutzerstationen 102 unterschiedlichen kleinen Rahmen 202 in ihren jeweiligen Hauptrahmen 201 zugeordnet werden, um weitere Kollisionen auszuschließen. Eine derartige Prozedur läßt sich betrachten als zeitliches Äquivalent der dynamischen Kanalzuordnung, da das System entweder der Benutzerstation 102 einen unbelegten Funkkanal 203 zuordnet oder den kleinen Rahmen 202 der Benutzerstation 102 einer anderen Benutzerstation 102 innerhalb derselben Zelle 103, die geographisch von dem Störgebiet entfernt ist, zuordnet.
Sicherheit und Fehlerbehandlung
Das Protokoll schützt Übertragungen gegen Fehler auf unterschiedliche Weise: Protokoll-Handshaking, Benutzer-ID-Verifzierung und Neu-Verifizierung, außerdem Synchronisation durch Neu-Akquirierung der Basisstation. Handshaking (Quittungsaustausch), Verifizierung und Synchronisation schützen sowohl die Basisstation 104 als auch die Benutzerstation 102 vor dem Empfang von Telefonanrufen auf irgendeinem anderen Funkkanal 203.
Durch den Allgemeinabfrageschritt 307 und den Spezialabfrageschritt 310 gebildetes Handshaking erfordert, daß die richtige Nachricht mit der passenden Kopfstelle nicht nur gesendet und empfangen wird, sondern dies auch in passender Reihenfolge. Innerhalb jeder Nachricht wird das Kopfstellen-Feld 207 (sechszehn Bits) durch einen CRC-Code 211 (vier Bits) geschützt. Ein Fehler in dem Kopfstellen-Feld 207 oder dem CRC-Code 211 weist auf einen Fehler hin und verursacht, daß das Protokoll den Handshake-Ablauf mit dem Allgemeinabfrageschritt 307 neu startet.
Die Benutzer-ID wird zweimal verifiziert, einmal durch die Basisstation 104 und einmal durch die Benutzerstation 102. In der Allgemeinabfragenachricht 301 und der Spezialabfragenachricht 302 ist die Benutzer-ID 309 durch einen CRC-Code 211 (sechzehn Bits) geschützt, in ähnlicher Weise wie der CRC-Code 211 das Kopfstellen-Feld 207 schützt. Ein Fehler in der Benutzer-ID 309 oder im CRC-Code 211 bewirkt einen Neustart des Handshake-Ablaufs mit dem Allgemeinabfrageschritt 307 durch das Protokoll.
Beim Verbindungsaufbau-Schritt 311 werden die Basisstation 104 und die Benutzerstation 102 gegen Drift und/oder Desynchronisation auch dann geschützt, wenn ein Sende- oder Empfangsvorgang unterbrochen wird. Wenn ein Schwellenwert für eine Fehlerrate überschritten wird, beenden die Basisstation 104 und die Benutzerstation 102 jeweils unabhängig voneinander das Senden von Daten in Informationsnachrichten 303 und Informationsantworten 306, und es erfolgt eine Rückkehr zu dem Spezialabfrageschritt 310 zwecks Neusynchronisation. Wenn die Spezialabfragenachricht als redundant eliminiert wurde, können die Basisstation 104 und die Benutzerstation 102 mit Hilfe eines benannten Bits innerhalb des Kopfstellen-Felds 207 eine Neusynchronisation festlegen.
Im Spezialabfrageschritt 310 sendet die Basisstation 104 die Spezialabfragenachricht 302 und die Benutzerstation 102 sucht den Hauptrahmen 201 nach einer Spezialabfragenachricht 302 mit einer Benutzer-ID 309 ab, die mit der eigenen Benutzer-ID 309 übereinstimmt. Anschließend läuft der Handshake-Vorgang weiter, und die Basisstation 104 und die Benutzerstation 102 kehren zum Verbindungsaufbauschritt 311 zurück und fahren fort mit dem Senden und dem Empfangen von Informationsnachrichten 303 und Informationsantworten 306.
Diese Methode zur Wiederherstellung der Synchronisation, auch als „Neu-Akquirierung der Basisstation" bezeichnet, hat den Vorteil, daß sowohl die Basisstation 104 als auch die Benutzerstation 102 unabhängig erneut die Benutzer-ID 309 verifizieren, bevor die Kommunikation wieder aufgenommen wird. Dies garantiert, daß die Basisstation 104 und die Benutzerstation 102 synchron bleiben und nur über den vereinbarten Funkkanal 203 kommunizieren. Sollten die Basisstation 104 und die Benutzerstation 102 nicht in der Lage sein, die Übertragungsverbindung 312 wieder aufzubauen, wird der Telefonanruf durch die Basisstation 104 beendet.
Beim Verbindungsaufbauschritt 311 sendet die Basisstation 104 außerdem wiederholt und periodisch die Benutzer-ID 309 im D-Feld 208 der Informationsnachricht 303. Die Benutzerstation 102 prüft die Benutzer-ID 309, um sicherzugehen, daß die Basisstation 104 und die Benutzerstation 102 jeweils auf dem richtigen Funkkanal 203 kommunizieren. Wenn diese Benutzer-ID 309 nicht übereinstimmt, erfolgt eine Rückkehr zu dem Spezialabfrageschritt 310, um die Basisstation 104 neu zu akquirieren, wie oben ausgeführt wurde.
Protokoll-Flexibilität
Das oben beschriebene Protokoll bietet Flexibilität bei einer geringen Anzahl von einzigartigen Nachrichten. Das Protokoll ist immun gegenüber Änderungen in der Länge der Abfrageschleife und in der Anzahl zulässiger Funkkanäle. Die Anzahl gleichzeitiger Benutzer ist daher abhängig von der Sprachkomprimierung und Datenraten-Beschränkungen, nicht aber von dem Protokoll. Das Protokoll schafft außerdem eine unbegrenzte Anzahl von Benutzerstationen in einem gegebenen Gebiet mit der Maßgabe, daß die Anzahl gleichzeitiger Anrufe nicht die Anzahl von Funkkanälen überschreiten kann. Eine unbegrenzte Anzahl von Basisstationen wird ebenfalls unterstützt, so daß die Basisstations-Geographie zu einer Funktion verfügbarer Frequenzen und der Reichweite wird, aber nicht eine Funktion des Protokolls. Die Fähigkeit, bei einer fehlerhaften Verbindung Alternativ-Basisstationen abzufragen und zu akquirieren, sorgt für eine Expansion des Mikrozellen-Netzwerks, die Basisstations-Übergaben benutzen können, um Anrufe zu Basisstationen innerhalb des Gebiets zu führen.
System-Synchronisation
Um die System-Durchgangskapazität zu maximieren, werden die TDMA-Rahmenzeiten für sämtliche Basisstationen 104 innerhalb einer geographischen Zone vorzugsweise auf einen Bereich in einer spezifizierten Toleranz synchronisiert. Beispielsweise beginnen sämtliche Basisstationen 104 Sendevorgänge für den gleichen Rahmen innerhalb von 6 Mikrosekunden.
Der Hauptstandard für das Daten-Timing in einem digitalen Netzwerkverteilungssystem wie beispielsweise T1, ISDN BRI oder PRI ist die Takt-Norm für das öffentliche Fernsprechwählnetz (PSTN). Um die Daten-Präzession an einem Überlauf oder Unterlauf zu hindern, sind sämtliche Basisstations-Steuerungen 105 und Basisstationen 104 derartiger Systeme auf die Taktnorm des PSTN synchronisiert.
Auf Systemebene wird ein GPS-Empfänger in jeder Basisstations-Steuerung 105 (und optional in jeder Basisstation 104) dazu benutzt, den primären Referenz-Zeitsteuermarkierer für den TDMA-Rahmentakt zu generieren. Diese Markierung wird an der Basisstations-Steuerung 105 jede Sekunde eingefangen und zu den angeschlossenen Basisstationen 104 gesendet. Eine Basisstations-Steuerung kann vorübergehend jeden Hauptrahmen 201 oder Unterrahmen 202 einer gegebenen Zelle 103, die möglicherweise mit einer Nachbarzelle 103 interferiert, abschalten.
Jede Basisstation 104 liefert die grundlegende TDMA-Schleifen-Taktstruktur für ihre Zelle oder ihren Sektor. Wie oben angemerkt, wird eine Synchronisations-Präambel in Form eines Steuerimpulses 215 oder ein Leistungssteuerbefehl zu Beginn jedes kleinen oder Unterrahmens 202 durch die Benutzerstation 102 bzw. die Basisstation 104 gesendet. Wenn die passende Präambel, bestehend aus einer Codesequenz von 48 Chips Länge, empfangen wird, erzeugt ein auf die spezifische Präambel abgestimmter digitaler Korrelator (das heißt ein angepaßtes Filter) einen internen Synchronisationsimpuls, der sehr kurz sein kann (zum Beispiel zwei Chips Dauer oder 400 Nanosekunden). Der interne Syn chronisationsimpuls kann dann dazu benutzt werden, den Beginn eines M-stufigen Symboldetektiervorgangs zu synchronisieren.
Das als Omnipoint-System bezeichnete System setzt sich aus den folgenden vier hierarchischen Netzwerkelementen zusammen: Mobilstation (MS), Basisstation (BS), Basisstations-Steuerung (BSC) und Personal-Kommunikationvermittlungsstelle (PCSC).
Mobilstation (MS)
Die Mobilstation (MS) ist ein Teilnehmeranschluß (Terminal). Sie kommuniziert mit einer Basisstation (mehr während der Übergabe) und ist für folgendes verantwortlich:
Mobilitätsverwaltung: Anders als die meisten voll-mobilen Systeme steuert die Omnipoint-MS die Übergabeaktionen für das System. Sie ist verantwortlich für die Überwachung der Qualität der ablaufenden Trägerverbindung mit der zugehörigen Basisstation sowie für die Qualität der Signale, die von anderen in der Nähe befindlichen Basisstationen/Zellen empfangen werden. Wenn die Qualität des Trägerkanals unter einen akzeptierbaren Wert absinkt, initiiert die MS eine Übergabe zu einer besseren BS. Die MS ist auch verantwortlich für die Aufrechterhaltung einer Ausrichtung mit der laufenden BS sowie der an die BSC gerichteten Anweisung, eine Umschaltung der BSs als Teil des Übergabevorgangs auszuführen.
Anrufsteuerung.
Die MS ist verantwortlich für die Einleitung abgehender Anruf-Anforderungen und für die periodische Überwachung ankommender Anrufseiten. Die Seitenüberwachung wird auf Tastverhältnis-Basis geplant, um den Leistungsverbrauch zu verringern.
Sendevorgang.
Die MS sorgt für die Erhaltung des Funkkanals aus der Mobil-Perspektive. Sie führt sämtliche benötigten zeitlichen Steuervorgänge, Schlitz-Zusammenstellungen und Fehlerbeseitigungen durch.
Authentifizierung.
Die MS führt den Teilnehmer-Geheimschlüssel und führt die erforderlichen Berechnungen durch, um das Gerät zu authentifizieren.
Anwendungen.
Die MS führt die passenden herunterladbaren Benutzeranwendungen aus. Die Anwendungen implementieren den Kurznachrichtendienst, Rundfunkdienst und Datendienste. Zusätzliche benutzerspezifische Anwendungen, die die Systemdatendienste benutzen, können ebenfalls heruntergeladen und ausgeführt werden.
Teilnehmer-Schnittstelle.
Die MS implementiert die Einrichtung zum Aktivieren der Teilnehmer-Schnittstelle sowie der Schnittstelle mit spezifischen heruntergeladenen Anwendungen innerhalb der MS.
Basisstation (BS)
Die Basisstation (BS) ist ein intelligentes Gerät, die das Funksignal steuert und als Anrufsteuerung fungiert. Sie kommuniziert mit mehreren MSs und einer Basisstations-Steuerung. Sie sorgt für folgende Funktionalität:
Funkressourcen-Verwaltung.
Die BS steuert die Funkzeitschlitze für den TDMA-Spreizspektrum-Sendeempfänger. Die BS weist diese Schlitze basierend auf MS-Anfangsdienstanforderungen, Übergabe-Bandbreitenanforderungen, Spezialdienstanforderungen und OA&M-Tests sowie Betriebseinschränkungen zu. Darüber hinaus ist die BS diejenige Komponente, der die Zuordnung der spezifischen Schlitze, Super-Schlitze und Unter-Schlitze zur Aufrechterhaltung der geforderten Bandbreite obliegt.
Mobilitätsverwaltung.
Die BS spricht an auf MS-Übergabeanforderungen, wenn Ressourcen verfügbar sind. Die BS ordnet Netzwerk- und Funkressourcen der MS zu und sendet eine Anforderung an die Basisstations-Steuerung, um eine Übergabe auszuführen. Die BS führt Registrierungen mit MSs innerhalb ihrer Zelle durch. Diese Registrierungs-Information wird in einem Stub oder Cache einer Besucherdatei (VLR) geführt.
Zeitschlitz-Austausch (TSI).
Diese Funktion ermöglicht es einer Mobilstation oder einer Basisstation, den Betriebszeitschlitz zu wechseln, wenn eine Störung erkannt wird, wodurch der Vorteil der statistischen Plazierung von Mobilstationen sowohl in der ursprünglichen als auch in der neu verwendeten Zelle genutzt wird. Das System unterstützt den TSI sehr rasch innerhalb einer einzigen Abfrageschleife (das heißt innerhalb von weniger als 20 ms), falls dies gefordert wird und verfügbar ist.
Anrufsteuerung.
Die BS interpretiert den Funk-Signalisierverkehr und übersetzt diesen Verkehr aus seiner knappen Form in ein passendes, Netzwerk-unabhängiges Format, bezeichnet als Noten. Diese Noten sind dazu ausgelegt, die Netzwerk-Latenz und die Bandbreite zu verringern, während eine Kommunikation von knapper Information zu den höheren Elementen innerhalb des Netzwerks stattfindet.
Sendebetrieb.
Die BS ist verantwortlich für die Zuordnung von Netzwerkkanälen zu den entsprechenden Zeitschlitzen. Die BS steuert diese Ressourcen sowohl für ankommende als auch für abgehende Anrufe. Audioverbindungen über Netzwerkkanäle werden in ihrer komprimierten Form geführt. Um eine große Vielfalt von Bandbreiten zu den MSs zu unterstützen, können mehrere Netzwerk-Zeitschlitze einer spezifischen MS zugeordnet werden. Die BS ist außerdem verantwortlich für die Überwachung der Störung im Funkverkehr und die Einstellung ihrer Schlitz-Ausnutzung zur Minimierung der Störung. Darüber hinaus mißt die BS die Signalqualität von Signalen seitens der dazugehörigen MSs, und sie wählt Anten nen für die Raum-Diversity und Polarisation aus, wenn dies angezeigt ist, außerdem steuert sie die Leistung der MS.
Authentifizierung.
Die Basisstation spricht an auf Noten seitens der Basisstations-Steuerung, um eine gegebene MS zu authentifizieren. Die BS sendet die passenden Funksignale zu der MS und vergleicht die Authentifikations-Antwort mit dem passenden Wert.
Operationen, Verwaltung und Wartung.
Die Basisstation führt Abrechnungsinformation für jede Verbindung in einem Abrechnungsbuch. Diese Information wird zusammen mit Wartungs-Statistiken zu der Basisstations-Steuerung und höheren Einheiten -mittels Noten transferiert. Noten werden auch dazu eingesetzt, Netzwerkkanäle zu Wartungszwecken zu sperren, zu entsperren und mittels Rückschleife zu testen. Der PCSC sorgt auch für OA&M.
Basisstations-Steuerung (BSC)
Die Basisstations-Steuerung (BSC) ist ein intelligentes Vermittlungsmittel, welches Vermittlungsfunktionen für eine Gruppe von Basisstationen, die als Cluster bezeichnet werden, steuert und durchführt. Sie kommuniziert mit mehreren Basisstationen und einer PCSC. Die Basisstations-Steuerungs-Funktionalität beinhaltet:
Mobilitätsverwaltung.
Die BSC interpretiert Übergabeanforderungen seitens ihrer Basisstationen. Wenn die Übergabeanforderung für eine Intra-Cluster-Übergabe steht, das heißt eine Übergabe zwischen zwei Basisstationen mit derselben BSC, so schaltet die BSC sämtliche Schaltkreise in Verbindung mit der MS um von der ursprünglichen BS zu der Anschluß BS. Wenn die Übergabe-Anforderung besagt, daß die Ursprungs-BS sich bei einer anderen BSC befindet, so wird die Übergabe-Note in eine Form übersetzt, die für den Host-PCSC geeignet ist, und wird in dieser Form zu dem Host-PCSC gesendet.
Anrufsteuerung.
Die BSC ist verantwortlich für die Cluster-Plazierung der MSs. Registrierungs-Information, die von einer BS kommt, wird in einem lokalen Stub-Besucherregister (VLR) aufgezeichnet, das sich in der BSC befindet. Dies dient zum Orten der MS während Alarmierungs-Operationen. Von der BS gelieferte Kanalressourcen-Anforderungen werden ebenfalls in dieser Stub-VLR geführt. Darüber hinaus übersetzt die BSC die Befehle und Daten, die in Noten enthalten sind, die ihr von der BS zugeleitet werden, in Mitteilungen, die sich für das Host-PCSC-System eignen. In diesem Sinn arbeitet die BSC als Übersetzer zwischen dem Omnipoint-System und dem Host-System.
Sendevorgang.
Die BSC ist verantwortlich für die Zuordnung und den Abschluß von Hauptschaltkreisen zwischen der BSC und dem Host-PCSC. Die BSC ist außerdem verantwortlich für die Umcodierung von komprimiertem Audioformat in das Hauptleitungsformat. Die BSC dient außerdem als Zwischenarbeitsfunktion zwischen dem Format für die Omnipoint-Daten und anderen Netzwerkformaten.
Arbeitsweise, Verwaltung und Wartung.
Die BSC speichert Rechnungsinformation, die ihr von den BSs zugeleitet wird. Diese Information wird übersetzt in eine für das Host-System geeignete Form und wird der PCSC zugeleitet. Darüber hinaus ist die BSC verantwortlich für das Sperren, Entsperren und das Prüfen von Schaltungen auf Anforderung seitens der PCSC.
Personal-Kommunikationsvermittlungsstelle (PCSC)
Die PCSC ist die Haupt-Vermittlungsstelle und die Verbindung zu dem PSTN (dem öffentlichen Fernsprechwählnetz. Das Omnipoint-System ist so ausgelegt, daß es eine Verbindung zu einer Vielfalt existierender und vorgeschlagener Vermittlungssysteme schafft, darunter das AIN-Netzwerk, die amerikanisierte Version des GSM, IS-41 sowie Netzwerken auf ATM-Basis. Die Arbeitsweise dieser Systeme liegt außerhalb seines Verantwortungsbereichs.
Mobilitätsverwaltung.
Die PCSC sorgt für die Inter-Cluster- und die Inter-PCSC-Übergabefähigkeit. Darüber hinaus schafft die PCSC Heimatdatei-(HLR-) und Besucherdatei-(VLR-)Dienste. In diesem Rahmen spricht die PCSC an auf ihre normalen Meldenachrichten, wie sie durch die BSC-Übersetzungsfunktion bereitgestellt werden.
Anrufsteuerung.
Die grundlegenden Arbeitsabläufe, die notwendig sind für eine Anrufsteuerung, das Routing, die Anruf-Merkmale, werden von der PCSC unterstützt.
Sendebetrieb.
Sämtliche PSTN-Übertragungseinrichtungen werden von der PCSC verwaltet.
Authentifizierung.
Authentifikations-Anforderungen und Daten werden von der PCSC initiiert oder in ihr gespeichert.
Arbeitsabläufe, Verwaltung und Wartung.
Sämtliche OA&M-Funktionen werden von der PCSC initiiert.
Das Omnipoint-System macht Gebrauch von einer einzigartigen Kombination aus Frequenz-, Zeit- und Codemultiplex. Innerhalb einer Zelle wird Gebrauch gemacht von Zeitduplex (TDD) und Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff (TDMA), was bis zu 32 gleichzeitige Vollduplex-Benutzer mit 8 Kbps oder 64 Vollduplex-Benutzer mit 4 Kbps ermöglicht, während benachbarte Zellen auf andere Frequenzkanäle (FDMA) bei minimaler (N = 3) Architektur eingerichtet sind. Zellen jenseits von benachbarten Zellen machen Gebrauch von einer Vielfalt von Multiplex-Hilfsmitteln und Möglichkeiten, darunter die Code-(CDMA-) und Zeitschlitz-(TDMA-)Separierung sowie den Zeitschlitzaustausch (TSI) für zusätzliche Multiplex-Trennung zwischen den Zellen. Unter gewissen Umständen kann mit Hilfe der Sprachaktivitätserfassung (VAD) die Anzahl von Sprachbenutzern erhöht werden (theoretisch bis zum Doppelten der Halbduplex-Anzahl). Das Heruntergehen auf 4 Kbps ermöglicht außerdem eine doppelte Anzahl von Sprachbenutzern ohne irgendeine Änderung der CAI- oder Basisstations-Hardware.
Die TDD/TDMA-Struktur basiert auf einer 20-ms-Abfrageschleife, welche 32 Vollduplex-Zeitschlitze mit 8 Kbps einer Dauer von 625 μs unterstützt und dafür sorgt, daß jede Mobilstation in der Lage ist, mehrere Schlitze zusammenzufassen, um einem Benutzer mehr oder weniger Bandbreite als erforderlich zuzusprechen. Asymmetrische Datenraten können auf einer Rahmen-Zu-Rahmen-Basis unterstützt werden, so daß VAD, ein Hochgeschwindigkeits-Datentransport und Daten-Rundfunk möglich sind. Damit können beispielsweise für Rundfunkanwendungen sämtliche Daten so eingerichtet werden, daß sie von der Basis zu der Mobilstation mit einer 16 Kbps betragenden Datentransferrate in einem Schlitz gelangen, und zwar mit einer Schlitz-Zusammenfassung von bis zu 512 Kbps.
Sämtliche Vollduplex-Übertragungen von der BS zu der MS und von der MS zu der BS sind synchron (vergleiche Abschnitt 4.17), so daß Basisstationen von Zelle zu Zelle während des zugewiesenen Anteils des Schlitzes senden und Mobilstationen während ihrer zugewiesenen Zeit innerhalb des Schlitzes senden (vergleiche 4). Innerhalb jeder Zelle sendet nur die BS oder eine der zahlreichen Mobilstationen zu einem gegebenen Zeitpunkt.
Intrazellen-Multiplexbetrieb.
Da jede Mobilstation innerhalb einer Zelle im Zeitduplexbetrieb arbeitet, und mit allen weiteren Mobilstationen innerhalb der gleichen Zelle ein Zeitmultiplexbetrieb mit Hilfe einer durch die Basisstation gesteuerten Synchron-Schlitzstruktur stattfindet, sind sie nicht durch Lagebeschränkungen (Nah/Fern) innerhalb der Zelle behindert, was eine „perfekte" zeitliche Trennung zwischen den mobilen Einheiten ermöglicht.
Zwischenzellen-Trennung und Neuverwendung.
Auf der Zwischenzellen-Basis sorgt eine Reihe von Multiplex-Hilfsmitteln und -Fähigkeiten für eine beträchtliche Trennung von einer Zelle zur anderen, darunter TSI, Lei stungssteuerung, Code-Orthogonalität, Antennen-Diversity und Strahl-Richtungsabhängigkeit. In den meisten „Reale-Welt"-Situationen sorgen die Ausbreitungscharakteristika und eine signifikante Abschattung (speziell bei 1,8 GHz) für sich meistens für eine ausreichende Zellen-Trennung. Darüber hinaus nutzt das System den Vorteil von Mechanismen, die deutlich höhere Grade der Trennung zwischen neu verwendeten Zellen liefern, unter anderem:
Zeitschlitz-Austausch (TSI).
Diese Funktion ermöglicht es mobilen oder Basisstationen, den Betriebszeitschlitz zu wechseln, wenn Störung nachgewiesen wird, wobei der Vorteil der statistischen Plazierung von Mobilstationen sowohl der ursprünglichen als auch der neu verwendeten Zellen genutzt wird. Das System unterstützt eine sehr rasche TSI innerhalb einer einzigen Abfrageschleife (das heißt innerhalb von weniger als 20 ms), wenn dies erforderlich und verfügbar ist.
Sendeleistungssteuerung.
Durch Steuern der Mobil-Sendeleistung in diskreten Schritten (mindestens jeweils 3 dB), reduziert die kleinste abgestrahlte HF-Leistung die Störung in andere Zellen hinein. Die Zeitschlitzstruktur ermöglicht eine Leistungseinstellung innerhalb von weniger als 500 μs und mildert sowohl Interferenz als auch Fading.
Antennen-Diversity und Richtwirkung.
Das System unterstützt sowohl Antennen-Diversity als auch Richtantennen, sowohl gesteuerte Phased-Array- oder sektorisierte Architekturen. Indem das System Phased-Array-Antennen unterstützt, können stark richtungsabhängige HF-Strahlbündel benutzt werden, die Interferenz gegenüber anderen Zellen drastisch verringern und eine Verzögerungs-Streuung vermindern.
Zeitschlitz-Austausch, Leistungssteuerung, Antennen-Diversity und Richtwirkungsmöglichkeiten, einhergehend mit Abschattung, Ausbreitung und statistischen Örtlichkeitseffekten sorgen für drastische Trennungs-Gewinne zwischen Basisstation und Mobilstatio nen, die bei Neuverwendungs-Situationen den gleichen Frequenzkanal teilen. Darüber hinaus erzielt das Omnipoint-System zusätzliche Gewinne bei Einsatz in einer Umgebung, die mehr als drei diskrete Frequenzkanäle umfaßt.
TDMA-Zugriffsstruktur
Abfrageschleifen-Beschreibung
Die Omnipoint-Abfrageschleife setzt sich zusammen aus 32 Vollduplex-Zeitschlitzen mit 8 Kbps. Jeder Schlitz wird aus einem von drei Rahmen-Typen gebildet;

A) einen symmetrischen Basis-Zu-MS-Rahmen und MS-Zu-Basis-Rahmen,
B) einen asymmetrischen Basis-Zu-MS-Rahmen und den MS-Zu-Basis-Rahmen mit Bestätigung oder
C) einen einzelnen Simplex-Rundfunkrahmen ohne Bestätigung. Nicht-Rundfunk-Rahmen können entweder im Abfrage- oder im Verkehrsmodus arbeiten.

Darüber hinaus ist in dem Omnipoint-System ein ISDN-ähnliches „D"-Kanalformat in jedem Paket für anwendungsspezifische Information vorgesehen. Diese Information kann benutzt werden zur Signalgebung, Kurznachrichtendienste (wie zum Beispiel beim GSM), Sprachmitteilungen, Paging während Kommunikationsabläufen oder andere Datennachricht-Anwendungen. Derzeit steht der D-Kanal in seiner Gesamtheit dem Benutzer zur Verfügung und dient nicht für irgendwelche Anruf-Verarbeitungen oder Omnipoint-Systeminformation. Fehlerkorrekturalgorithmen ähnlich wie bei LAPD oder Q.921 dienen bei der Datenübertragung über den D-Kanal dazu, Ablieferung und Bestätigung der Information zu garantieren.
Paketinhalte
Das folgende ist eine Darstellung eines Omnipoint-Pakets, das entweder normalen oder Steuerverkehr beinhaltet.
Figur B
Die Kopfstelle in dem Paket kennzeichnet die Basisstation oder die MS, den Paket-Typ, die Verbindungsqualität und weitere Information, die für das System für einen effizienten Betrieb erforderlich ist. Das Paket enthält außerdem Signalisier- und/oder Nachrichteninformation in dem D-Kanal sowie die Trägerinformation.
Multiplexbetrieb und Zellentrennung
Das Omnipoint-System macht Gebrauch von einer Kombination aus CDMA, TDMA und FDMA zur Separierung von Benutzern und Zellen. Innerhalb einer Zelle wird für die Trennung von Benutzern ein Hochgeschwindigkeits-Direktsequenz-Spreizspektrum-TDMA-Protokoll verwendet.
VERGLEICHE 2-1
Wie in 2-1 gezeigt ist, werden benachbarte Zellen getrennt mit Hilfe der Frequenz (FDMA), wobei CDMA dazu dient, das Wiederverwendungsmuster bis N = 3 in der Standardkonfiguration zu verbessern, wenn Frequenzen wiederholt werden. Darüber hinaus dienen Zeitschlitzaustausch (TSI) und Richtantennen zur Schaffung einer zusätzlichen Trennung von Benutzern in den Zellen.
Man beachte, daß jeder Benutzer innerhalb einer Zelle den gleichen Satz von Direktsequenz-Codefolgen verwenden kann. Dies steht im Gegensatz zu Systemen mit ausschließlich CDMA, die Codes für Nutzertrennung innerhalb einer Zelle einsetzen. Das Omnipoint-System macht Gebrauch von einem unterschiedlichen Codesatz bei jeder Wiederverwendung derselben Frequenz (in der vorhergehenden Abbildung mit C1, C2 und C3 bezeichnet). Die Spreizcodes dienen ebenfalls innerhalb einer Zelle zur Erzielung von deutlich höheren Datenraten und mithin mehr TDMA-Benutzern pro HF-Kanal, als dies im allgemeinen bei traditionellen CDMA-Systemen für vollmobile Anwendungen als möglich erachtet wurde. Dieses Direktsequenz-Spreizspektrumverfahren entspricht nicht einer herkömmlichen Verwendung von CDMA, sondern stellt einen einzigartigen Weg der Verwendung von Code-Technologie für Funksysteme dar. In dem Onmipoint-System dient die Codeseparierung in Kombination mit räumlicher und zeitlicher Trennung dazu, sicherzustellen, daß Benutzer auf derselben Frequenz in verschiedenen Zellen sich nicht gegenseitig stören.
Der wichtigste Vorteil der Omnipoint-Systemarchitektur besteht darin, daß die Kosten pro Benutzerkanal dann sinken, wenn die Anzahl von Benutzern pro Basisstation zunimmt, im Gegensatz zu jedem anderen System. Allgemein bleiben in traditionellen zellularen Systemen die Kosten pro Sprachkanal linear mit jedem zusätzlichen gleichzeitigen Benutzer. Als Konsequenz bietet das Omnipoint-System eine fünf- bis zwanzigfache Reduzierung der Kosten durch Bereitstellung der Sprachkanäle im gesamten Zellengebiet.
Die Omnipoint-Methode unterscheidet sich auch dadurch sehr stark von ausschließlich CDMA verwendenden Systemen, daß sie auf Präzisions-Leistungssteueralgorithmen beruht und eine weiche Übergabe erfordert, um hohe Kapazitätswerte zu erreichen und Nah/Fern-Probleme abzumildern, was zu entsprechenden Kosten und Komplexität in Handapparaten, Basisstationen und Basisstations-Steuerungen führt. Das Omnipoint-System kann dann von einer weichen Übergabe Gebrauch machen, wenn die Kosten unwichtig sind, es erfordert aber nicht die Einhaltung von PCS-Leistungs- und -Kapazitätsanforderungen. Bei dem Omnipoint-System beträgt die von einer gesamten Zelle erzeugte Störung nie mehr als die von einem einzelnen Benutzer hervorgerufene Störung, da nicht mehr als ein Sender in einer Zelle zu einem gegebenen Zeitpunkt eingeschaltet ist. Dies ist besonders wichtig für die Frequenzplanung und OFS-Koordination in frühen PCS-Systemen.
Mobiler Zugriff/Verbindungsaufbau
Beschreibung der Abfrageschleife
Eine Abfrageschleife besteht aus 32 Zeitduplexschlitzen (TDD), wie sie in 2-3 dargestellt sind. Jeder Zeitschlitz ist aufgeteilt in zwei Teile, ein BS-MS-Sendeintervall und ein MS-BS-Intervall, und ist strukturiert in Form von 64 Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff(TDMA)Zeitschlitzen. Duplexbetrieb wird erreicht durch Zeitduplexbildung jedes TDMA-Zeitschlitzpaares. Die Schlitze sind nicht numeriert, und es gibt keinen zu der Abfrageschleife gehörigen Index. Die Schlitz-Synchronisation wird ausschließlich durch Zeitsteuerung erreicht. Der erste Teil eines TDD-Schlitzes ist der Senderahmen zum Senden von der Basisstation (BS) zur Mobilstation (MS), und der zweite Teil eines TDD-Schlitzes ist der MS-BS-Senderahmen. Die BS leitet sämtliche Transaktionen zwischen der BS und der MS ein. Ein Allgemeinabfragerahmen betrifft den Ablauf, wie eine MS eine Verbindung zu einer BS schafft. Jeder Zeitschlitz, der nicht von einer MS belegt wird, enthält einen Allgemeinabfragebefehl im BS-MS-Teil. Um einen Schlitz zu belegen, antwortet die MS auf die Allgemeinabfrageantwort mit einer Allgemeinabfrageantwort. Die BS sendet bei Erhalt der Allgemeinabfrageantwort eine Spezialabfrageantwort, vergleiche 2-3. Im Anschluß an den Signalisierdatenaustausch beginnen die BS und die MS mit dem Trägerverkehraustausch.
Abfrageschleifen-Entwurf – Omnipoint-Version 2T.X
Eine 20 ms dauernde Schleife dient in dem Omnipoint-System der Version 2T.X für insgesamt 64 Simplex-Zeitschlitze von 8 Kbps oder in einem Standard-Sprachmodus für 32 Vollduplex-Benutzer von 8 Kbps pro Basisstation-HF-Kanal. 2-3 veranschaulicht den Schleifenaufbau.
Das Omnipoint-System unterstützt zwei Typen von Abfragen, die dazu dienen können, eine Kommunikation zwischen der Basisstation und den Handapparaten innerhalb einer Zelle abzuwickeln. Diese umfassen:
Allgemeinabfragen – Allgemeinabfragen dienen der Basisstation dazu, einem Handapparat zu ermöglichen, mit einer Basisstation zu dem Zweck zu kommunizieren, einen verfügbaren Zeitschlitz zu belegen oder Information über die Basisstation zu erlangen, bevor ein Übergabeprozeß beginnt.
Spezialabfragen – Spezialabfragen dienen der Basisstation, eine Antwort von einem spezifischen Handapparat zu fordern. Diese Art von Abfrage dient der Basisstation zur Auffindung und/oder Einleitung der Kommunikation mit einem spezifischen Handapparat.
Abfragen werden von der Basisstation dazu benutzt, Kommunikation mit sämtlichen Handapparaten einzurichten und aufrechtzuerhalten, die sich innerhalb dieses Zellenabdeckungsgebiets befinden.
Allgemeinabfrage
Die Allgemeinabfrage ist ein von der BS an irgendeinen derzeit nicht belegten Schlitz gesendeter Befehl. Beim Hochfahren der BS enthalten sämtliche 32 BS-Sendeschlitze eine Allgemeinabfrage. Die Allgemeinabfrage ist eine Einladung an irgendeine oder jede MS, den Zeitschlitz zu belegen. Aus der Software-Sicht einer BS ist die Information in der Senderahmen-Kopfstelle, die eine Allgemeinabfrage definiert, ein Bit, welches besagt, daß es sich um einen Abfragetyp-Rahmen handelt, ein Bit, welches besagt, daß die BS der Ursprung für diesen Rahmen ist, Befehlsbits, die besagen, daß es sich um eine Allgemeinabfrage handelt, und eine Basis-ID im Datenteil des Rahmens. Wenn eine MS den Wunsch hat, einen Zeitschlitz zu belegen, empfängt sie eine Allgemeinabfrage innerhalb eines verfügbaren Zeitschlitzes und antwortet im MS-BS-Teil des Zeitschlitzes mit einer Allgemeinabfrageantwort. Aus der BS-Softwaresicht ist die Information in der Kopfstelle der Allgemeinabfrageantwort ein Bit, welches sie als Abfragetyp-Rahmen kennzeichnet, wobei kein Sendefehler-Bit gesetzt ist, und wobei die MS-ID (PID) im Datenteil des Rahmens vorhanden ist. Bei Erhalt der Allgemeinabfrageantwort sendet die BS eine Spezialabfrage an die MS. Sollten mehr als eine MS auf eine Allgemeinabfrage in einem speziellen Zeitschlitz antworten, verursacht die Kollision und das anschließende Fehlen einer Antwort von der BS, daß die betreffende MS sich für ein berechnetes Zeitintervall zurückzieht, bevor sie erneut einen Versuch unternimmt, über die Allgemeinabfrage und Allgemeinantwort auf einen Zeitschlitz zuzugreifen. Der Rückzieh-Algorithmus verwendet die MS-ID, demzufolge jede MS sich für eine unterschiedlich lange Zeitspanne zurückzieht.
Spezialabfrage
Die Spezialabfrage ist ein von der BS an die MS gesendeter Befehl ansprechend auf eine Allgemeinabfrageantwort seitens einer speziellen MS, vergleiche 2-3. Die Allgemeinabfrageantwort enthält die PID der MS. Aus der BS-Software-Sicht ist die Information in dem Senderahmen-Kopf, der eine Spezialabfrage definiert, ein Bit, welches besagt, daß die BS der Ursprung für diesen Rahmen ist, Befehlsbits, die besagen, daß es sich um eine Spezialabfrage handelt, und die MS-PID im Datenteil des Rahmens. Dies PID wird als Teil des Spezialabfrage-Befehls ausgegeben, so daß nur die Ursprungs-MS die Spezialabfrage empfängt. Bei Erhalt einer Spezialabfrage antwortet die MS mit einer Spezialabfrageantwort in dem MS-BS-Sendeintervall des Zeitschlitzes. Aus der BS-Software-Sicht ist die Information in der Spezialabfrageantwort-Kopfstelle ein Bit, welches darauf hinweist, daß es sich um einen Abfragetyp-Rahmen handelt, wobei kein Übertragungsfehler-Bit gesetzt ist und die MS-ID (PID) im Datenteil des Rahmens übereinstimmt mit der in der Spezialabfrage gesendeten PID. Wenn die BS die Spezialabfrageantwort empfängt, führt sie einen Signalisierverkehraustausch mit der MS durch, was direkt zu dem Trägerverkehr-Austausch führt.
Eine Kanalakquisition erfolgt immer dann, wenn ein Handapparat Zugriff zu einem Basisschlitz anstrebt oder eine Neu-Synchronisation mit einem Basisschlitz anfordert. Während der Kanal-Akquisition beginnt der Handapparat mit der Suche nach einer verfügbaren Basisstation in seiner allgemeinen Nähe, indem er eine gemeinsame Signalgeber-Abfrage in jedem Zeitschlitz in irgendeiner möglichen Frequenz sucht. Nachdem eine Basis mit ausreichender Signalstärke und angemessener Last als verfügbar geortet ist, greift der Handapparat sofort auf einen Funkschlitz zu, ansprechend auf die Allgemeinabfrage der Basisstation, und der Handapparat beliefert die Basis mit ID- und Benutzerinformation. Anschließend sendet die Basisstation eine Spezialabfrage für diesen Handapparat, um Kommunikation zu beginnen. An dieser Stelle wird dieser Zeitschlitz aus dem allgemeinen Signalisiermodus herausgenommen, und der Handapparat und die Basisstation sind bereit für den Übergang in den Verkehrsmodus und den Kommunikationsbeginn in diesem Zeitschlitz. Kollisionen während der Zeitschlitz-Akquisition werden durch eine 802.3-ähnliche Rückzugsprozedur aufgelöst.
Der Verkehrsmodus in dem Omnipoint-System erfolgt, nachdem eine Basisstation und ein Handapparat eine Übertragungsstrecke mit passender Zuweisung von Funkschlitz-Ressourcen für den Dienst aufgebaut haben.
Im Verkehrsmodus können zwei grundlegende Nachrichtentypen unterstützt werden. Diese beinhalten:
Normaler oder Trägerverkehr – Trägerverkehr besteht aus der aktuellen Information, die über die Funkverbindung geführt wird, entweder über eine Sprachverbindung oder irgendeine andere Form digitaler Information. Omnipoint unterstützt einen Trägerkanal für 128 Bits pro Rahmen in jeder Richtung (256 Bits pro Rahmen im Vollduplexbetrieb).
Steuerverkehr – Steuerverkehr liefert verbindungsspezifische Datennachrichten oder Anrufsteuerinformation.
In extrem seltenen Fällen können sich zwei Benutzer im gleichen Zeitschlitz in verschiedenen Zellen auf allerdings gleicher Frequenz bezüglich der Ausbreitungscharakteristika treffen, wobei die räumliche und die Code-Trennung nicht ausreicht, um Bitfehler zu verhindern, demzufolge die Benutzer eine Verschlechterung ihrer Funkverbindungen bemerken. In solchen Fällen führt das Omnipoint-System einen Zeitschlitz-Austausch (TSI) durch, bei dem einer oder beide im Widerstreit stehende Handapparate verschiedenen Zeitschlitzen innerhalb ihrer Basisstation zugeordnet werden, um die Kollisionen zwischen den beiden Benutzern zu beseitigen. Es ist dies das zeitliche Äquivalent einer dynamischen Kanalzuordnung, und das System ordnet dem Handapparat entweder einen freien Zeitschlitz zu, oder tauscht den Zeitschlitz des Handapparats mit demjenigen eines anderen Benutzers innerhalb derselben Zelle, welcher geographisch von der Störungsstelle entfernt ist. Die Wirkungsweise ist die, daß die Störung behoben wird, die die Benutzer ursprünglich bemerkt haben aufgrund schwacher ortsspezifischer C/I-Verhältnisse.
Trägerverkehr-Austausch
Nachdem die MS erst einmal auf einen Zeitschlitz zugegriffen hat und eine Gültigkeitsprüfung bestanden hat (D-Kanal-Daten), führt der Austausch zwischen MS und BS zu dem Trägerverkehraustausch (B-Kanal-Daten). Bei dem Trägerverkehr kann es sich um Sprachdaten, fehlergesteuerte Daten oder nicht-fehlergesteuerte Daten (Rohdaten) handeln. Aus der Sicht der BS-Software ist die Information in der Trägerverkehr-Kopfstelle das Fehlen eines Bits, welches besagt, daß es sich um einen Abfragetyp-Rahmen handelt, wobei kein Übertragungsfehler-Bit gesetzt ist und kein Signalisierdaten kennzeichnendes Bit vorhanden ist. Jeder TDD-Schlitz kann konfiguriert werden in der Weise, daß der große Teil des Zeitschlitzes für die BS-MS-Richtung verfügbar ist, die Mehrheit des Zeitschlitzes für die MS-BS-Richtung verfügbar ist, oder eine symmetrische Verteilung von 50 % der Zeit für sowohl die BS als auch die MS gegeben ist. Typischer Sprachverkehr benutzt den Trägerkanal symmetrisch, da beide Enden der Verbindungsstrecke Sprachverkehr senden. Beim Datenaustausch werden typischerweise mehr Daten in die eine Richtung und weniger Daten in die andere Richtung gesendet. Wenn beispielsweise Faxdaten zu einer MS gesendet werden, wäre eine höhere Datenrate in BS-MS-Richtung von Vorteil. In diesem Fall wird der größte Teil des TDD-Zeitschlitzes der MS-BS-Verbindung zugewiesen. Innerhalb einer einzigen Abfrageschleife können einer speziellen BS-MS-Verbindung und/oder MS-BS-Verbindung mehrere Schlitze zugewiesen werden. Dies kann die Trägerkanaldaten für jede zweite oder jede vierte Abfrageschleife drastisch erhöhen, während die Datenrate deutlich beschnitten wird. Diese Methode ist nützlich für Instrumenten-Telemetriedaten, Fax- und Video-Steuerkanäle etc.
Während hier eine bevorzugte Ausführungsform offenbart ist, sind zahlreiche Abwandlungen möglich, die im Schutzumfang der Erfindung gemäß den beigefügten Ansprüchen liegen, und diese Abwandlungen sind für den Fachmann nach Lektüre der vorliegenden Beschreibung, Zeichnungen und des Anspruchs ersichtlich.
Beispielsweise wird Information, die vom Sender zu einem Empfänger übertragen wird, hier als „Daten" bezeichnet, es ist dem Fachmann aber nach der Lektüre der vorliegenden Anmeldung ersichtlich, daß diese Daten Allgemeindaten, Sprache (digital oder anderweitig kodiert), Fehlerkorrekturcodes, Steuerinformation oder andere Signale sein können und daß dies auch im Schutzumfang der Erfindung liegt.
Während die Beschreibung sich auf den TDMA-Multiplexbetrieb von Funkkanälen bezieht, ist es für den Fachmann nach Lektüre dieser Anmeldung ersichtlich, daß Funkkanäle durch andere Mittel im Multiplexbetrieb arbeiten können, darunter FDMA (Frequenzmultiplex), in dem Funkkanälen unterschiedliche Frequenzbänder zugeordnet werden, CDMA (Codemultiplex), bei dem Funkkanälen verschiedene Spreizspektrum-Codes zugewiesen werden, weitere Multiplexmethoden oder Kombinationen derartiger Multiplexmethoden, wobei all dies im Schutzumfang der Erfindung liegt.

Claims

Verfahren zum Herstellen und Halten einer Verbindung zwischen einer Basisstation (104) und einer von mehreren Benutzerstationen (102) in einem Zeitmultiplex-Kommunikationssystem, umfassend folgende Schritte: Senden einer allgemeinen Abfragenachricht aus der Basisstation in einem derzeit nicht belegten Zeitschlitz; Empfangen der allgemeinen Abfragenachricht an der einen Benutzerstation; Senden einer allgemeinen Abfrageantwort aus der Benutzerstation, wobei die allgemeine Abfrageantwort eine Kennung der Benutzerstation enthält; Empfangen der allgemeinen Abfrageantwort in der Basisstation; Senden einer ersten spezifischen Abfragenachricht aus der Basisstation, welche die Benutzerstation dazu einlädt, den laufenden Zeitschlitz zu belegen; Empfangen der ersten spezifischen Abfragenachricht an der einen Benutzerstation; Senden einer ersten spezifischen Abfrageantwort aus der einen Benutzerstation; Empfangen der ersten spezifischen Abfrageantwort in der Basisstation; anschließendes Senden und Empfangen von Informationsnachrichten zwischen der Basisstation und der einen Benutzerstation über eine aufgebaute Kommunikationsverbindung; an der Benutzerstation – Messen der Qualität der Kommunikationsverbindung zwischen der Basisstation und der einen Benutzerstation und von weiteren freien Zeitschlitzen bei der Basisstation; wenn die gemessene Qualität der Kommunikationsverbindung unterhalb eines Schwellenwerts liegt, Senden einer Verbindungsübergabenachrichten-Anforderung aus der Benutzerstation; Empfangen der Verbindungsübergabenachrichten-Anforderung in der Basisstation; Senden einer zweiten spezifischen Abfragenachricht aus der Basisstation; Empfangen der zweiten spezifischen Abfragenachricht in der einen Benutzerstation; Senden einer zweiten spezifischen Abfrageantwort aus der einen Benutzerstation ansprechend auf die zweite spezifische Abfragenachricht; Empfangen der zweiten spezifischen Abfragenachricht in der Basisstation; und anschließendes Senden und Empfangen weiterer Informationsnachrichten zwischen der Basisstation und der einen Benutzerstation über die neu aufgebaute Kommunikationsverbindung.