DE69418647T2

DE69418647T2 - Verfahren zum Datenaustausch zwischen Basisstation eines Mobilfunkkommunikationsnetzes und Mobilstation dieses Netzes

Info

Publication number: DE69418647T2
Application number: DE69418647T
Authority: DE
Inventors: Pierre Dupuy
Original assignee: Alcatel SA; Nokia Inc
Current assignee: Alcatel Lucent SAS; Nokia Inc
Priority date: 1993-05-28
Filing date: 1994-05-26
Publication date: 1999-10-14
Anticipated expiration: 2014-05-27
Also published as: EP0627828B1; AU670192B2; ATE180609T1; EP0627828A1; FR2705849A1; FR2705849B1; FI942440A0; FI942440A7; DE69418647D1; AU6332494A; CN1102279A; US5535423A; CN1061492C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Datenaustausch zwischen einer Basisstation eines Mobilfunk- Kommunikationsnetzes, z. B. vom Typ GSM (Global System for Mobile communications) und einem sich in diesem Netz bewegenden mobilen Gerät.
Ein zellulares Mobilfunk-Kommunikationsnetz umfaßt insbesondere eine Mehrzahl von geographisch verteilten Basisstationen. Jede dieser Basisstationen ist vorgesehen für die Funkabdeckung einer bestimmten, als Zelle bezeichneten geographischen Zone. Jede Basisstation befindet sich im allgemeinen in der Mitte der zugeordneten Zelle; sie wird mit der Abkürzung BTS für englisch Base Transceiver Station bezeichnet.
So ist der Raum in Zellen unterteilt, und ein mobiles Gerät (wie z. B. ein Funktelefon), das sich in dem von einem solchen Netz von Basisstationen abgedeckten Raum bewegt, kann immer an eine gegebene Zelle angeschlossen sein, so daß es Nutzdaten (meist Sprachdaten) und Signalisierungsdaten in Form von Funksignalen mit der Basisstation austauscht, die die Zelle abdeckt, in der es sich befindet.
Wenn der Benutzer eines mobilen Gerätes eine Kommunikation mit dem Benutzer eines anderen mobilen Gerätes oder einem ortsfesten Benutzer etablieren, d. h.. Sprachdaten übertragen und empfangen will, werden die Sprachdaten über die entsprechende Basisstation ausgetauscht, die zu diesem Zweck mit wenigstens einem Sender und wenigstens einem Empfänger ausgestattet ist, die wenigstens einer Antenne zugeordnet sind.
Die Antenne der BTS kann ungerichtet sein und in alle Richtungen Signale mit einer hohen Leistung senden.
Allerdings ist bekannt, daß die von einer wenig gerichteten Antenne empfangenen Signale von schlechterer Qualität sind, als die, die von einer stark gerichteten Antenne empfangen werden. Deshalb muß, damit die von den mobilen Geräten gesendeten Signale durch die mit einer ungerichteten Antenne ausgerüstete BTS verwertbar sind, ihre Sendeleistung ab den mobilen Geräten hoch sein.
Die Sendeleistung der mobilen Geräte ist jedoch begrenzt, insbesondere um ihre Netzunabhängigkeit zu erhöhen, so daß, wenn sie zu weit vom Zentrum der Zelle entfernt sind, der Empfang an der BTS schlecht ist, das Signal somit einen zu niedrigen Pegel hat, um von Interferenzen oder Rauschen unterschieden zu werden.
Ein Verfahren, um diesen Nachteil zu beheben, besteht darin, die Zellen, insbesondere diejenigen mit großer Abdeckung (d. h. die einen Radius in der Größenordnung von mehreren Kilometern haben) in eine Mehrzahl von Elementarzellen, als Sektoren bezeichnet, zu unterteilen, die bündelartig um die BTS der ursprünglichen Zelle angeordnet sind, die als Hauptzelle bezeichnet wird. So kann eine Zelle je nach ihrer Größe, dem Kommunikationsverkehr in der Zone, die sie abdeckt, und der Leistung der mobilen Geräte, die sie empfangen können muß, in z. B. 3, 6 oder 12 Sektoren unterteilt sein.
Jede der Elementarzellen ist dann mit einer Richtantenne versehen, wobei alle Richtantennen am gleichen Ort zusammengefaßt sind, im allgemeinen im Zentrum der Hauptzelle. Sprachmißbräuchlich wird die durch alle Sektoren gebildete Anordnung weiterhin als Zelle bezeichnet, obwohl jeder Sektor eine unabhängige Zelle in dem oben definierten Sinn darstellt.
Zwei Haupttypen von Daten vom Typ derjenigen, die im ISDN- Netz (Integrated Services Data Network) ausgetauscht werden, können zwischen einem mobilen Gerät und der Basisstation der Zelle, in der es sich befindet, ausgetauscht werden:
- sogenannte Nutzdaten, d. h. Sprache (Sprachdaten) oder Informatikdaten,
- sogenannte Signalisierungs- und Steuerdaten, die insbesondere die Informationen enthalten, die es dem mobilen Gerät ermöglichen, sich an das zellulare Netz anzuschließen (wobei dieser Anschluß üblicherweise als "Zugang" bezeichnet wird) oder eine laufende Kommunikation aufrechtzuerhalten, wenn es die Zelle wechselt (dieser Wechsel wird üblicherweise "Handover" genannt).
So ist jeder Hauptzelle ein Satz von Frequenzen zugeordnet, die wenigstens umfassen: eine als Abwärts-Leitweg bezeichnete Frequenz für die Übertragung in Abwärtsrichtung (d. h. in Richtung von der Basisstation zum mobilen Gerät) der allgemeinen Signalisierungsdaten, wobei dem Abwärts-Leitweg eine als Aufwärts-Leitweg bezeichnete Frequenz für die Übertragung in Aufwärtsrichtung (d. h. in Richtung vom mobilen Gerät zur Basisstation) der allgemeinen Signalisierungsdaten zugeordnet ist, wobei dieser Leitweg in der GSM- Terminologie als BCCH (für Broadcast Control Channel) bezeichnet wird.
Für die Übertragung der Nutzdaten kann man entweder die nicht für die Signalisierungskanäle auf den Aufwärts- und Abwärts-Leitwegen benutzten Kanäleoder, wenn der Kommunika tionsverkehr in der Zelle stärker ist, wenigstens eine als Abwärts-Verkehrsfrequenz bezeichnete Frequenz benutzen, die ein Frequenzpaar zusammen mit einer sogenannten Aufwärts- Verkehrsfrequenz für die Übertragung der Nutzdaten in Aufwärtsrichtung bildet.
In diesem Fall sind die Aufwärts- und Abwärts-Leitwege sowie die Aufwärts- und Abwärts-Verkehrsfrequenzen paarweise unterschiedlich.
Im Falle von sektorisierten Zellen einer Zelle mit großer Abdeckung und geringem Verkehr sind jeweils ein Aufwärts- Leitweg und ein Abwärts-Leitweg jeder Elementarzelle zugeordnet, und jede Elementarzelle ist somit mit einem Sender und einem Empfänger ausgestattet. Es ist möglich, daß diese zwei Frequenzen ausreichen, um in jeder Elementarzelle die Signalisierung und den Verkehr zu gewährleisten.
Aufgrund der Anwendung des Prinzips des Vielfachzugriffes im Zeitmultiplex (englisch TDMA für Time Division Multiple Access) in den zellularen Netzen vom GSM-Typ wird einem mobilen Gerät, wenn es sich an das zellulare Netz anschließt, ein Verkehrskanal TCH (für Traffic CHannel) zugewiesen, wobei dieser Verkehrskanal einem Sendezeitintervall entspricht, das ihm auf dem Aufwärts-Leitweg (oder auf einer besonderen Aufwärts-Verkehrsfrequenz, wenn eine solche existiert) vorbehalten ist. Ein entsprechender Verkehrskanal wird ihm für den Empfang auf dem Abwärts- Leitweg (oder auf der Abwärts-Verkehrsfrequenz, die ein Paar mit der Aufwärts-Verkehrsfrequenz bildet, sofern sie vorhanden ist) zugewiesen. Der Aufwärts-Verkehrskanal ist in Bezug auf den Abwärts-Verkehrskanal zeitversetzt.
In der Praxis ist es bei einem Netz vom GSM-Typ möglich, acht Kanäle pro Frequenz zu nutzen. Da die Zeitintervalle des Leitwegs, die nicht für die allgemeine Signalisierung der Zelle benutzt werden, auch für den Verkehr verfügbar sind, bleiben im allgemeinen auf dem Leitweg sieben Verkehrskanäle zusätzlich zum Signalisierungskanal.
In ländlichen Gebieten, wo die Zellen im allgemeinen eine große Abdeckung haben, so daß sie sektorisiert sind, sind deshalb zahlreiche Verkehrskanäle verfügbar (weil es wenigstens ein Paar von Leitfrequenzen pro Elementarzelle gibt), und sehr wenige werden aufgrund der sehr geringen Kommunikationsdichte in der Praxis benutzt. Die Bereitstellung wenigstens eines Leitfrequenzpaares pro Sektor erfordert jedoch, daß jeder Sektor mit einem Sender und einem Empfänger ausgestattet ist.
Infolgedessen sind die Anlagenkosten bei einer geringen Ausnutzung der Verfügbarkeiten hoch, so daß die Rentabilität eines solchen Systems mäßig ist.
Das Dokument WO 84/00654 beschreibt eine Basisstation, die dieses Problem löst; sie umfaßt einen einzigen Sender, der mit einer ungerichteten Antenne ausgestattet ist und die Funkabdeckung aller Elementarzellen beim Senden sicherstellt, so daß die von der Basisstation in Form von Funksignalen zu einem sich in einem beliebigen der Elementarzellen befindenden mobilen Gerät von diesem Sender gesendet werden.
Nach dem Dokument WO 84/00654 wird die beim Etablieren der Verbindung mit einer mobilen Station oder beim Zellenwechsel notwendige Steuerung durch die Basisstation selber durchgeführt. Dies macht die Basisstation komplex und kostspielig. Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, dieses Problem zu lösen.
Die vorliegende Erfindung schlägt zu diesem Zweck ein Verfahren zum Datenaustausch zwischen einer Basisstation eines zellularen Mobilfunkkommunikationsnetzes, die dazu bestimmt ist, Daten in Form von Funksignalen mit mobilen Geräten auszutauschen, die sich in einer als Hauptzelle bezeichneten geographischen Zone bewegen, wobei die Hauptzelle eine Mehrzahl von sogenannten Elementarzellen abdeckt, die jeweils einem vorgegebenen Abschnitt der Hauptzelle entsprechen und jeweils einem mit einer Richtantenne versehenen Empfänger zugeordnet sind, wobei die Basisstation einen einzigen mit einer ungerichteten Antenne versehenen Sender umfaßt und die Funkabdeckung beim Senden aller Elementarzellen gewährleistet, einerseits und einem sich in der Hauptzelle bewegenden mobilen Gerät andererseits vor, wobei der Datenaustausch insbesondere dazu bestimmt ist, zwischen dem mobilen Gerät und der Basisstation eine Funkverbindung zu etablieren, derart, daß ein Verkehrskanal auf einer Aufwärts-Verkehrsfrequenz und ein Verkehrskanal auf einer Abwärts-Verkehrsfrequenz dem mobilen Gerät für die Übertragung von Nutzdaten zugewiesen werden, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es folgende Operationen umfaßt:
- das mobile Gerät sendet in Richtung zur Basisstation auf einem als Zugangskanal bezeichneten speziellen Kanal auf einem Aufwärts-Leitweg wenigstens eine als Zugangsanforderung bezeichnete Verbindungsanforderung,
- ein für die Basisstation zuständiger Basisstationscontroller bestimmt für jeden der Empfänger den Pegel und/oder die Qualität des sogenannten Zugangssignals, das durch die Anforderung gebildet wird und an jedem der Empfänger empfangen wird, und wählt so als den Empfänger, der dazu bestimmt ist, die Übertragung der von dem mobilen Gerät kommenden Nutzdatensignale zu gewährleisten, denjeni gen Empfänger aus, für den das Zugangssignal die beste Qualität und/oder den besten Pegel hat,
- ein sogenannter Aufwärts-Verkehrskanal wird dem mobilen Gerät auf der Aufwärts-Verkehrsfrequenz zugewiesen, wobei der Aufwärts-Verkehrskanal nur für das mobile Gerät benutzt wird,
- ein entsprechender sogenannter Abwärts-Verkehrskanal wird dem mobilen Gerät auf der Abwärts-Verkehrsfrequenz zugewiesen, wobei dieser Verkehrskanal in Bezug auf den Aufwärts-Verkehrskanal zeitlich versetzt ist,
- jedes der anderen sich in der Hauptzelle bewegenden und an die Basisstation angeschlossenen mobilen Geräte wird einem Abwärts-Verkehrskanal auf der Abwärts-Verkehrsfrequenz, der in Bezug auf alle den anderen mobilen Geräten auf der Abwärts-Verkehrsfrequenz zugeordneten Verkehrskanäle zeitlich versetzt ist, und einem Aufwärts-Verkehrskanal auf der Aufwärts-Verkehrsfrequenz zugeordnet, der in Bezug auf alle den anderen mobilen Geräten auf der Aufwärts- Verkehrsfrequenz zugewiesenen Verkehrskanäle zeitlich versetzt ist.
Dieses Verfahren ist vorteilhaft, weil es dem Basisstationscontroller ermöglicht, direkt die Etablierung der Verbindung zu steuern und so die von der Basisstation durchzuführenden Operationen erheblich zu vereinfachen. Dies ist besonders nützlich, weil die Basisstation dann auf das absolute Minimum reduziert werden kann, d. h. praktisch nur einen Empfänger umfassen muß. So werden die Anlagenkosten deutlich verringert.
Ein Verfahren wie oben beschrieben, das ferner dazu bestimmt ist, die Verbindung des mobilen Gerätes mit der Basisstation aufrechtzuerhalten, wenn das mobile Gerät von einer der Elementarzellen, als ehemalige Elementarzelle bezeichnet, in eine andere, als neue Elementarzelle bezeichnete Zelle übergeht, umfaßt die folgenden Operationen:
- während des Zeitintervalls, das dem dem mobilen Gerät zugewiesenen Aufwärts-Verkehrskanal entspricht, empfängt jeder Empfänger einschließlich des sogenannten ehemaligen Empfängers, der die Übertragung der von dem mobilen Gerät gesendeten Nutzdatensignale gewährleistet, die von dem mobilen Gerät gesendeten Nutzdatensignale,
- nach Demodulation jedes Nutzdatensignals wird das durch Kombination der Nutzdatensignale erhaltene Signal ins Basisband zurückversetzt und an den Controller übertragen,
- die Komunikation läuft auf dem gleichen Aufwärts- Verkehrskanal über einen neuen Empfänger weiter.
Ein anderes Verfahren zum Datenaustausch, das dazu bestimmt ist, die Verbindung des mobilen Gerätes mit der Basisstation aufrechtzuerhalten, wenn das mobile Gerät von einer der Elementarzellen, als ehemalige Elementarzelle bezeichnet, in eine andere, als neue Elementarzelle bezeichnete Zelle übergeht, umfaßt folgende Schritte:
- während des Zeitintervalls, das dem dem mobilen Gerät zugewiesenen Aufwärts-Verkehrskanal entspricht, empfängt jeder Empfänger einschließlich des sogenannten ehemaligen Empfängers, der die Übertragung der von dem mobilen Gerät gesendeten Nutzdatensignale gewährleistet, die von dem mobilen Gerät gesendeten Nutzdatensignale,
- die von jedem Empfänger ausgegebenen Nutzdatensignale werden ins Basisband zurückversetzt und dann an den Basisstationscontroller übertragen,
- der Basisstationscontroller unterbricht die Kommunikation und wählt nach einem oder mehreren vorgegebenen Kriterien denjenigen der Empfänger, der dazu bestimmt ist, die Fortsetzung der Kommunikation und damit die Übertragung der von dem mobilen Gerät kommenden Nutzdatensignale zum Basisstationscontroller zu gewährleisten,
- die Kommunikation wird auf dem gleichen Aufwärts- Verkehrskanal wiederhergestellt,
- die von dem mobilen Gerät kommenden und von dem ausgewählten Empfänger ausgegebenen Nutzdaten- und Signalisierungsdatensignale werden ins Basisband zurückversetzt und dann an den Controller übertragen.
Das verwendete Kriterium kann der Empfangspegel innerhalb jedes Empfängers oder die Qualität vor oder nach Decodierung des von jedem Empfänger ausgegebenen Signals oder eine Kombination dieser zwei Kriterien sein.
Die zwei letzteren Verfahren, die soeben beschrieben wurden, sind Verfahren, die die Durchführung des Handover gestatten.
Während bei den herkömmlichen Handover-Verfahren das mobile Gerät ständig die Qualität des auf dem Abwärts-Leitweg von jeder der umgebenden Zellen empfangenen Signals bestimmt, ist eine solche Messung im Fall einer Basisstation wie im Dokument WO 84/00654 beschrieben nicht möglich, weil es für diese Hauptzelle nur einen Abwärts-Leitweg gibt. Die oben erwähnten Verfahren erlauben es, die Verbindung aufrechtzu erhalten und dabei ein anderes Verfahren als das der Messung der Qualität des Abwärts-Leitwegs zu benutzen.
Die Erfindung betrifft auch eine Basisstation und einen Basisstationscontroller, die für die Anwendung der genannten Verfahren geeignet sind.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus, der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung, die zur Verdeutlichung, nicht aber zur Beschränkung angegeben wird. In den folgenden Figuren zeigen:
- Fig. 1 schematisch die Konfiguration einer sektorisierten Zelle, die der geographischen Abdeckung einer Basisstation wie im Dokument WO 84/00654 beschrieben entspricht,
- Fig. 2 die zeitliche Aufteilung des Ausstrahlungskanals und der Abwärts-Verkehrskanäle,
- Fig. 3 die zeitliche Aufteilung des Zugangskanals und der Aufwärts-Verkehrskanäle,
- Fig. 4 ist ein Schema, das das Auswahlverfahren des Empfängers zeigt, das für die Fortsetzung der Kommunikation beim Handover genutzt wird,
- Fig. 5 ist ein Schema, das eine Variante des Auswahlverfahrens nach Fig. 4 zeigt.
In allen Figuren tragen die gemeinsamen Elemente die gleichen Bezugszahlen.
In Fig. 1 ist schematisch eine Hauptzelle C dargestellt, die der geographischen Abdeckung einer Basisstation BTS nach dem Dokument WO 84/00654 entspricht.
Bei dem gewählten Beispiel kann die Zelle C im allgemeinen und zur Vereinfachung als kreisrund angesehen werden, und die Basisstation BTS befindet sich in ihrem Mittelpunkt.
Die Zelle. C ist sektorisiert, d. h. sie ist in mehrere Elementarzellen oder Sektoren (drei in Fig. 1) unterteilt, die mit S1, S&sub2; und S&sub3; bezeichnet sind.
Die Basisstation BTS umfaßt sehr schematisch:
- einen mit einer ungerichteten Antenne A&sub0; versehenen Sender E,
- drei Empfänger R&sub1;, R&sub2; und R&sub3;, die jeweils mit einer Richtantenne A&sub1;, A&sub2; und A&sub3; versehen sind, die die Funkabdeckung der Sektoren S1, S&sub2; bzw. Ss gewährleisten.
Aus Gründen der Deutlichkeit sind die Empfänger R&sub1;, R&sub2; und R&sub3; in Bezug auf den Sender E geringfügig versetzt dargestellt, doch ist offensichtlich, daß alle diese Elemente im wesentlichen am gleichen Ort zusammengefaßt sind, um die Basisstation BTS zu bilden. Die Anordnung, die die Empfänger und den einzigen Sender umfaßt, bildet die Basisstation.
Die Abdeckung der Basisstation BTS ist nicht die gleiche in den zwei Übertragungsrichtungen (der Aufwärtsrichtung und der Abwärtsrichtung). In Abwärtsrichtung ist nämlich die Zelle einer nicht sektorisierten Zelle mit einem einzigen Sender äquivalent.
In Aufwärtsrichtung ist die Zelle C vereinfacht gesagt einer sektorisierten Zelle mit einem Empfänger pro Sektor äquivalent.
Aus diesem Grund sind zwei unterschiedliche Umrisse für die Zelle C dargestellt:
- ein erster Umriß CE, der die Zelle definiert, so wie sie in Abwärtsrichtung erscheint,
- ein zweiter Umriß CR, der die Zelle definiert, so wie sie in Aufwärtsrichtung erscheint.
Aus Gründen der Deutlichkeit sind die Umrisse CE und CR in der Figur nicht überlagert, doch versteht sich, daß sie in der Praxis zusammenfallen.
Die für die Datenaustäusche in der Zelle C verfügbaren Frequenzen sind die folgenden:
- eine Verkehrsfrequenz, als Abwärts-Verkehrsfrequenz bezeichnet, zum Befördern der Nutzdaten von der Basisstation BTS zu ein oder mehreren mobilen Geräten MS,
- eine Abwärts-Signalisierungsfrequenz, als Abwärts- Leitweg bezeichnet und von der Abwärts-Verkehrsfrequenz verschieden,
- eine Verkehrsfrequenz, als Aufwärts-Verkehrsfrequenz bezeichnet, zum Befördern der Nutzdaten von den mobilen Geräten MS zur Basisstation BTS, wobei die Aufwärts- Verkehrsfrequenz von dem Abwärts-Leitweg und der Abwärts- Verkehrsfrequenz verschieden ist,
- eine Aufwärts-Signalisierungsfrequenz, als Aufwärts- Leitweg bezeichnet, die von allen anderen soeben definierten Frequenzen verschieden ist.
Selbstverständlich können, wenn der Verkehr gering ist, wie oben angegeben, die zwei Signalisierungsfrequenzen ausreichend sein.
In Fig. 2 ist stark vereinfacht die Verteilung in Funktion der Zeit der verschiedenen Verkehrskanäle, die auf der Abwärts-Verkehrsfrequenz befördert werden, und des sogenannten Ausstrahlungskanals gezeigt, der auf dem Abwärts- Leitweg befördert wird und dazu bestimmt ist, Signalisierungs- und Steuerdaten (einschließlich insbesondere Informationen, die für die mobilen Geräte notwendig sind, damit sie sich an die Basisstation BTS anschließen können, Synchronisierungsinformationen, Steuerinformationen etc.) an alle mobilen Geräte MS zu übertragen, die sich in der Zelle C befinden.
Genauso ist in Fig. 3 stark vereinfacht die Verteilung in Funktion der Zeit der verschiedenen auf der Aufwärts- Verkehrsfrequenz beförderten Verkehrskanäle und des sogenannten Zugangskanals RACH (für Random Access CHannel) gezeigt, der auf dem Aufwärts-Leitweg befördert wird und dazu bestimmt ist, Signalisierungsdaten (bestehend aus Zugangsanforderungen der mobilen Geräte MS) an die Basisstation BTS zu übertragen.
Allgemein besteht ein beliebiger Kanal aus der periodischen Wiederholung (wobei die Periode vom Typ des betrachteten Kanals abhängt) eines Zeitintervalls bei einer gegebenen Frequenz (die ihrerseits auch vom Typ des betreffenden Kanals abhängt). In der Praxis ist die Zeit in Rahmen unterteilt, wobei jeder Rahmen in acht Zeitintervalle (Time Slots) unterteilt ist.
Ein Rahmenschema TE, das in Fig. 2: dargestellt ist, wird von der Basisstation BTS beim Senden verwendet; der Rahmen TE ist in acht mit TSOE bis TS7E bezeichnete Zeitintervalle unterteilt. Das Zeitintervall TSOE ist dem vom Abwärts- Leitweg beförderten Ausstrahlungskanal zugewiesen, der sich an alle sich in der Zelle C befindenden mobilen Geräte richtet, und die Zeitintervalle TSIE bis TS7E sind den Abwärts-Verkehrskanälen zugewiesen. Jedem sich in der Zelle C befindenden mobilen Gerät ist ein anderer Abwärts- Verkehrskanal zugewiesen.
Die Periode, die zwei Zeitintervalle vom Typ TSOE trennt, ist größer als die, die zwei Zeitintervalle trennt, die einem gegebenen Abwärts-Verkehrskanal, d. h. einem gegebenen mobilen Gerät zugewiesen sind, so daß sieben oder acht mobile Geräte Funksignale von der Basisstation auf der Abwärts-Verkehrsfrequenz empfangen können.
Die Fig. 3 stellt das Schema eines Rahmens TR dar, der von der Basisstation beim Empfang aus einem beliebigen der Sektoren S1, S&sub2; oder S&sub3; verwendet wird; das Rahmenschema ist in den drei Sektoren das gleiche. Der Rahmen TR ist in acht Zeitintervalle TSOR bis TS7R unterteilt. Das Zeitintervall TSOR ist dem vom Aufwärts-Leitweg beförderten Zugangskanal zugewiesen und kann somit von jedem beliebigen mobilen Gerät MS benutzt werden, egal wo es sich in der Zelle C befindet.
Ferner sind die Zeitintervalle TS1R bis TS7R den Aufwärts- Verkehrskanälen zugewiesen. Im Gegensatz zur Verwendung des Zugangskanals ist jedem mobilen Gerät MS ein anderer Aufwärts-Verkehrskanal zugewiesen. Die Wiederholungsperioden des Zugangskanals und der Abwärts-Verkehrskanäle sind so, daß sieben oder acht mobile Geräte Funksignale auf der Abwärts-Verkehrsfrequenz senden können.
Es wird nun das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben, das es einem mobilen Gerät MS ermöglicht, mit der Basisstation BTS Daten auszutauschen, die es ihm ermöglichen, sich an letztere anzuschließen.
In im GSM-System herkömmlicher Weise beginnt ein mobiles Gerät, wenn es sich über eine Basisstation an das Netz anschließen möchte, d. h. eine Aufwärts-Verkehrsfrequenz und eine Abwärts-Verkehrsfrequenz und auf jeder dieser Frequenzen einen Verkehrskanal, der es ihm erlaubt, zu kommunizieren, zugewiesen haben möchte, damit (z. B. mit Hilfe von Empfangspegelmessungen) den Abwärts-Leitweg zu bestimmen, den es am besten empfängt (es sei hier gesagt, daß zu diesem Zweck ein Signal von der Basisstation BTS eines jeden Sektors oder einer jeden Zelle ständig auf ihrem Abwärts-Leitweg übertragen wird), dann sendet es auf dem Zugangskanal des zugeordneten Aufwärts-Leitwegs als Zugangsanforderung bezeichnete Signale. Sobald die Zugangsanforderung des mobilen Gerätes empfangen ist, werden dem mobilen Gerät ein Aufwärts-Verkehrskanal und ein Abwärts- Verkehrskanal zugeteilt.
In dem herkömmlichen Fall hat jede Zelle oder jeder Sektor seinen eigenen Aufwärts-Leitweg, so daß es für das mobile Gerät einfach ist, seinen Sektor oder seine Anschlußzelle zu bestimmen, indem der am besten empfangene Abwärts- Leitweg identifiziert wird. So werden die Zugangsanforderungen, die auf dem Aufwärts-Leitweg gesendet werden, der dem am besten empfangenen Abwärts-Leitweg zugeordnet ist, von dem einzigen Empfänger empfangen, der dem diesem Aufwärts-Leitweg entsprechenden Sektor zugeordnet ist. Dies ist nicht der Fall bei der Basisstation aus Fig. 1.
Bei dieser Basisstation gibt es nämlich nicht nur ein einziges Paar von Leitwegen für die drei Sektoren. So sendet das mobile Gerät ein oder mehrere Zugangsanforderungen auf dem Aufwärts-Leitweg, und jeder der Empfänger R&sub1;, R&sub2; und R&sub3; empfängt diese Zugangsanforderung(en).
Um zu bestimmen, an welchen Sektor das mobile Gerät MS angeschlossen werden soll, und infolgedessen, um zu bestimmen, welcher Empfänger gewählt wird, um die von dem mobilen Gerät MS gesendeten Nutzdaten- oder Signalisierungsdatensignale zu übertragen, bestimmt der Basisstationscontroller, der für die Basisstation BTS zuständig ist, den Pegel und/oder die Qualität des Empfangs des durch die Zugangsanforderung gebildeten Signals innerhalb jedes der Empfänger R&sub1;, R&sub2; und R&sub3;. Der ausgewählte Empfänger ist dann derjenige, in dem die Qualität und/oder der Pegel des Empfangs der Zugangsanforderung die besten sind.
Nachdem der Empfänger bestimmt ist, wird der dem mobilen Gerät MS auf der Aufwärts-Verkehrsfrequenz zugeteilte Verkehrskanal, d. h. in der Praxis die Nummer des Zeitintervalls, das diesem zum Senden der Funksignale reserviert ist, in Abhängigkeit von den bereits für andere mobile Geräte benutzten Aufwärts-Verkehrskanälen bestimmt: nur ein Aufwärts-Verkehrskanal, der einem Zeitintervall mit bisher nicht benutztem Rang entspricht, kann dem mobilen Gerät zugewiesen werden. Außerdem ist das Zeitintervall 0 dem Zugangskanal mit einer Wiederholungsperiode zugewiesen, die größer als die der Verkehrskanäle ist, so daß es auch für einen Verkehrskanal genutzt werden kann.
Um die Nutzdatenaustäusche in Abwärtsrichtung zu ermöglichen, wird dem mobilen Gerät MS auch ein Verkehrskanal auf der Abwärts-Verkehrsfrequenz zugewiesen. Dieser Abwärts-Verkehrskanal ist um mehrere Zeitintervalle (z. B. drei) in Bezug auf den entsprechenden Aufwärts-Verkehrskanal zeitlich versetzt.
In der Praxis ist der Empfänger, der zum Empfangen und Übertragen der Daten des Aufwärtskanals ausgewählt wird, auch derjenige, der die von dem mobilen Gerät kommenden Signalisierungsdaten überträgt. Die anderen Empfänger sind auch in der Lage, die von dem mobilen Gerät kommenden Nutz- und Signalisierungsdaten zu empfangen, übertragen sie jedoch nicht und werden, wie man später im Bezug auf die Handover-Verfahren sehen wird, nur benutzt, um die Auswahl des besten Empfängers durchzuführen.
Ein anderes Verfahren, das im Rahmen der Erfindung wichtig zu beschreiben ist, ist dasjenige, das dazu bestimmt ist, die laufende Kommunikation des mobilen Gerätes MS aufrechtzuerhalten, wenn dieses letztere z. B. vom Sektor S&sub1; in den Sektor S&sub2; übergeht.
Sprachmißbräuchlich, aber aus Gründen der Deutlichkeit der Beschreibung wird dieses Verfahren "Handover" genannt.
Beim herkömmlichen Handover mißt das mobile Gerät den Empfangspegel des Abwärts-Leitwegs einer jeden Zelle, die derjenigen, an die es angeschlossen ist, benachbart sind, und schickt regelmäßig auf einem als SACCH (Slow Associated Controll CHannel) bezeichneten Kanal die Ergebnisse dieser Messungen zur Basisstation, an die es angeschlossen ist. Es ist dann für ein als BSC (Base Station Controller) bezeichnetes Steuerorgan, das unter seiner Kontrolle eine bestimmte Zahl von Basisstationen hat, darunter diejenige, an die das mobile Gerät angeschlossen ist, möglich, zu bestimmen, an welchem Zeitpunkt es opportun ist, daß die Anschließung des mobilen Gerätes sich ändert. Vereinfacht gesagt wird die Handover-Prozedur ausgelöst, wenn der Empfangspegel des Abwärts-Leitwegs, der der Zelle zugeordnet ist, an die das mobile Gerät angeschlossen ist, kleiner wird als ein Empfangsniveau des Abwärts-Leitwegs einer Nachbarzelle.
Es versteht sich, daß im Fall der Basisstation aus Fig. 1, da es nur einen Abwärts-Leitweg für alle Elementarzellen oder Sektoren gibt, die herkömmliche Prozedur nicht verwendet werden kann.
Da die anderen Empfänger des Sektors, die nicht derjenige sind, an den das mobile Gerät MS angeschlossen ist, nicht von anderen mobilen Geräten auf dem Zeitintervall benutzt werden, das dem vom mobilen Gerät MS benutzten Aufwärts- Verkehrskanal entspricht, können diese Empfänger ebenfalls vom mobilen Gerät MS gesendete Signale auf der Aufwärts- Verkehrsfrequenz empfangen.
Mehrere Optionen sind dann in der Praxis möglich. Gemäß einer ersten Option kann das Handover lokal in Höhe der Basisstation BTS entschieden werden: Diesewählt denjenigen der Empfänger R&sub1;, R&sub2; oder R&sub3; aus, der effektiv benutzt wird, um die vom mobilen Gerät MS gesendeten Signale zu übertragen. Wie man in Fig. 4 erkennt, wird innerhalb der BTS mit Hilfe einer Auswahl-"Matrix" M am Ausgang der Empfänger R&sub1;, R&sub2; oder R&sub3; eine Auswahloperation durchgeführt. Die Matrix M wählt den Empfänger, der dazu bestimmt ist, für die Übertragung benutzt zu werden, indem sie nach einem oder mehreren vorgegebenen Kriterien dasjenige der von den drei Empfängern R&sub1;, R&sub2; oder R&sub3; ausgegebenen Signale auswählt, das effektiv übertragen wird. Das ausgewählte Signal wird anschließend von der Vorrichtung BB ins Basisband rückumge setzt und dann an einen Basisstationscontroller BSC übertragen, der für die Basisstation BTS zuständig ist und es erlaubt, die Nachricht an ihren Empfänger zu übertragen.
Ein erstes Auswahlkriterium kann darin bestehen, den Empfänger auszuwählen, der das mobile Gerät am besten empfängt, d. h. z. B. denjenigen, der die Signale mit der größten Leistung empfängt, oder denjenigen, der die Signale mit der besten Qualität empfängt, wobei diese Qualität vor oder nach Decodierung bestimmt wird. Man kann auch die Auswahl durch Kombinieren der zwei vorgenannten Kriterien durchführen.
Die laufende Kommunikation setzt sich dann über den ausgewählten Empfänger fort, d. h. daß in der Praxis das übertragene Signal, egal ob es Nutz- oder Signalisierungsdaten enthält, dasjenige ist, das von dem ausgewählten Empfänger kommt. Die anderen Empfänger empfangen weiterhin von dem mobilen Gerät gesendete Signale, um die Durchführung der vorgenannten Auswahl jedesmal zu ermöglichen, wenn dieses notwendig ist.
Man kann so entscheiden, daß in jedem Zeitintervall eine Auswahloperation wie oben definiert ausgeführt wird. Eine solche Möglichkeit kann insbesondere gewählt werden, wenn die Auswahlmatrix M sehr schnell den besten der drei Empfänger bestimmen kann, z. B. durch Verzögern der empfangenen Signale während eines Zeitraumes, der ausreichend ist, um ihren Leistungspegel messen zu können.
Gemäß einer anderen Auswahlweise wird eine Kombination der von den drei Empfängern empfangenen Signale innerhalb der Auswahlmatrix M nach Demodulierung dieser Signale nach einem Prinzip durchgeführt, das an das der Antennendiversi tät erinnert. Dieses von der Kombination ausgegebene Signal wird an den BSC über die Vorrichtung BB übertragen.
Die erste soeben beschriebene Option ist für das mobile Gerät transparent, d. h. das mobile Gerät ist beim "Handover" passiv; (der Ausdruck Handover wird hier zwischen Anführungsstrichen benutzt, weil die angewendete Prozedur nicht im eigentlichen Sinne als Handover angesprochen werden kann; bei einem herkömmlichen Handover ändert sich nämlich die dem mobilen Gerät zugeteilte Verkehrsfrequenz, und der BSC wird bei der Steuerung dieser Änderung tätig).
Gemäß einer zweiten Option, die für das mobile Gerät nicht mehr transparent ist, wird der Handover über den BSC durchgeführt. Wie man in Fig. 5 sieht, werden die von den Empfängern R&sub1;, R&sub2; und R&sub3; ausgegebenen Signale ins Basisband mit Hilfe der Vorrichtungen BB1, BB2 und BB3 rückumgesetzt, und innerhalb des BSC erfolgt nach Unterbrechung der laufenden Kommunikation die Auswahl des Empfängers, der es erlaubt, die Kommunikation fortzusetzen. Dieser Empfänger ist derjenige, der zum Übertragen sowohl der Nutzdaten als auch der Signalisierungsdaten vom mobilen Gerät MS benutzt wird; die anderen Empfänger empfangen weiterhin die vom mobilen Gerät gesendeten Signale, dienen aber nur dazu, die vom BSC betätigte Auswahl in Abhängigkeit vom Pegel und/oder der Qualität auszuführen.
Wie im Fall des herkömmlichen Handover schickt der BSC somit Steuernachrichten an das mobile Gerät, insbesondere um es aufzufordern, die Verbindung nach dem Handover wieder zu etablieren, ohne dabei aber den Kanal zu ändern. Auch hier ist der Handover fiktiv, weil sich die Kommunikationsfrequenz nicht ändert und die Verbindung des mobilen Gerätes nach dem Handover unter Beibehaltung des gleichen Verkehrskanals wieder hergestellt wird.
Der Vorteil dieser zweiten Option im Vergleich zur vorhergehenden beruht in der Tatsache, daß das Handover-Protokoll innerhalb der Basisstation mit demjenigen identisch ist, das in der herkömmlichen Handover-Prozedur mit Basisstationen nach dem Stand der Technik benutzt wird. In diesem Fall ändert sich nur das Protokoll auf dem Niveau des Basisstationscontrollers, so daß die Kosten der Basisstation dadurch vermindert werden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die soeben beschriebene Ausgestaltung beschränkt.
Insbesondere ist die Erfindung nicht: nur auf ein zellulares Netz vom GSM-Typ anwendbar, sondern auch auf jeden anderen Typ von zellularem Netz.
Außerdem kann die Erfindung, obwohl sie zahlreiche Vorteile bei ihrer Anwendung auf Zellen mit großer Abdeckung in ländlichen Gebieten hat, auch auf Basisstationen für Zellen mit beliebiger Abdeckung eingesetzt werden, insoweit sie eine ausreichende Anzahl von Verkehrskanälen unter Berücksichtigung des erwarteten Kommunikationsverkehrs verfügbar macht.
Die in Bezug zu einer erfindungsgemäßen Basisstation beschriebenen Anschluß- und Handover-Verfahren betreffen ein zellulares Netz vom GSM-Typ. Es ist offensichtlich, daß sie, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, an jeden Typ von zellularem Netz angepaßt werden können.
Beim Anschlußverfahren kann die Auswahl des Empfängers, der die beste Qualität und/oder den besten Pegel bietet, auf die gleiche Weise wie bei dem erfindungsgemäßen Handover- Verfahren durchgeführt werden, d. h. entweder durch die BTS mit Hilfe der Auswahlmatrix M oder über den BSC durch Prozeduren analog denjenigen, die für den herkömmlichen Handover benutzt werden.
Des weiteren sind diese Verfahren aus Gründen der Deutlichkeit der Darstellung unter Heranziehung einer extrem vereinfachten Organisation der Kanäle innerhalb der Zelle als Beispiel beschrieben worden. Es ist selbstverständlich, daß es im Rahmen des fachmännischen Könnens liegt, diese Verfahren an komplexere Kanalorganisationen anzupassen, und zwar ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Insbesondere stellt man fest, daß wenn der dem Zeitintervall 0 entsprechende Ausstrahlungskanal in mehrere Unterkanäle unterteilt ist, einen für die Ausstrahlung reservierten Unterkanal, so wie oben beschrieben, und wenigstens einen zweiten, für einen als SDCCH (Stand-Alone Dedicated Control CHannel) in der GSM-Technologie bezeichneter Kanal, reservierten Unterkanal, dieser zweite Unterkanal nicht gleichzeitig in mehreren unterschiedlichen Sektoren verwendet werden kann, im Gegensatz zum Ausstrahlungs-Unterkanal. Hingegen können mehrere dieser Unterkanäle in verschiedenen Sektoren benutzt werden.
Schließlich kann jedes Mittel durch ein äquivalentes Mittel ersetzt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Datenaustausch zwischen einer Basisstation eines zellularen Mobilfunk-Kommunikationsnetzes einerseits, die dazu bestimmt ist, Daten in Form von Funksignalen mit mobilen Geräten (MS) auszutauschen, die sich in einer begrenzten geographischen Zone bewegen, die als Hauptzelle (C) bezeichnet wird, wobei diese Hauptzelle (C) eine Mehrzahl von sogenannten Elementarzellen (S1, S&sub2;, S&sub3;) abdeckt, die jeweils einem bestimmten Abschnitt der Hauptzelle (C) entsprechen und von denen jede einem Empfänger (R&sub1;, R&sub2; R&sub3;) zugeordnet ist, der mit einer Richtantenne (A&sub1;, A&sub2;, A&sub3;) versehen ist, wobei die Basisstation einen einzigen Sender (E) umfaßt, der mit einer ungerichteten Antenne (Aa) versehen ist und die Funkabdeckung beim Senden aller der Elementarzellen (S1, S&sub2;, S&sub3;) gewährleistet, und einem sich in der Hauptzelle bewegenden mobilen Gerät andererseits, wobei dieser Datenaustausch insbesondere dazu bestimmt ist, zwischen dem mobilen Gerät und der Basisstation eine Funkverbindung zu etablieren, derart, daß ein Verkehrskanal auf einer Aufwärts-Verkehrsfrequenz und ein Verkehrskanal auf einer Abwärts-Verkehrsfrequenz dem mobilen Gerät für die Übertragung von Nutzdaten zugewiesen werden, wobei das Verfahren die folgenden Operationen umfaßt

- das mobile Gerät sendet an die Basisstation auf einem als Zugangskanal bezeichneten speziellen Kanal auf einem Aufwärts-Leitweg wenigstens eine als Zugangsanforderung bezeichnete Verbindungsanforderung,

- ein Basisstationscontroller, der für die Basisstation zuständig ist, bestimmt für jeden der Empfänger den Pegel und/oder die Qualität des als Zugangssignal bezeichneten Signals, das durch die Anforderung gebildet ist und an jedem der Empfänger empfangen wird, und wählt so als denjenigen der Empfänger, der dazu bestimmt ist, die Übertragung der von dem mobilen Gerät kommenden Nutzdatensignale zu gewährleisten, denjenigen Empfänger aus, für den das Zugangssignal die beste Qualität und/oder den besten Pegel hat,

- ein sogenannter Aufwärts-Verkehrskanal wird dem mobilen Gerät auf der Aufwärts-Verkehrsfrequenz zugewiesen, wobei der Aufwärts-Verkehrskanal nur für dieses mobile Gerät benutzt wird,

- ein entsprechender sogenannter Abwärts-Verkehrskanal wird dem mobilen Gerät auf der Abwärts-Verkehrsfrequenz zugewiesen, wobei dieser Verkehrskanal in Bezug auf den Aufwärts-Verkehrskanal zeitlich versetzt ist,

- jedes der anderen sich in der Hauptzelle bewegenden und an die Basisstation angeschlossenen mobilen Geräte wird einem Abwärts-Verkehrskanal auf der Abwärts-Verkehrsfrequenz zugeordnet, der in Bezug auf alle den anderen mobilen Geräten auf der Abwärts-Verkehrsfrequenz zugewiesenen Verkehrskanäle zeitlich versetzt ist, und einem Aufwärts-Verkehrskanal auf der Aufwärts-Verkehrsfrequenz zugeordnet, der zeitlich in Bezug auf alle den anderen mobilen Geräten auf der Aufwärts-Verkehrsfrequenz zugewiesenen Verkehrskanäle zeitlich versetzt ist.

2. Verfahren zum Datenaustausch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenaustausch ferner dazu bestimmt ist, die Verbindung des mobilen Gerätes mit der Basisstation aufrechtzuerhalten, wenn das mobile Gerät von einer der Elementarzellen, als ehemalige Elementarzelle bezeichnet, in eine andere, als neue Elementarzelle bezeichnete Zelle übergeht, wobei das Verfahren dann die folgenden Operationen umfaßt:

- während des Zeitintervalls, das dem dem mobilen Gerät zugewiesenen Aufwärts-Verkehrskanal entspricht, empfängt jeder der Empfänger einschließlich des sogenannten ehemaligen Empfängers, der die Übertragung der von dem mobilen Gerät gesendeten Nutzdatensignale gewährleistet, die von dem mobilen Gerät gesendeten Nutzdatensignale,

- nach Demodulierung jedes der Nutzdatensignale wird das durch Kombination der Nutzdatensignale erhaltene Signal in das Basisband rückversetzt und an den Controller übertragen,

- die Kommunikation wird auf dem gleichen Aufwärts- Verkehrskanal über einen neuen Empfänger fortgesetzt.

3. Verfahren zum Datenaustausch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenaustausch ferner dazu bestimmt ist, die Verbindung des mobilen Gerätes mit der Basisstation aufrechtzuerhalten, wenn das mobile Gerät von einer der Elementarzellen, als ehemalige Elementarzelle bezeichnet, in eine andere, als neue Elementarzelle bezeichnete Zelle übergeht, wobei das Verfahren dann die folgenden Operationen umfaßt:

- die von jedem der Empfänger ausgegebenen Nutzdatensignale werden ins Basisband rückversetzt und dann an den Basisstationscontroller übertragen,

- der Basisstationscontroller unterbricht die Kommunikation und wählt nach einem oder mehre ren vorgegebenen Kriterien denjenigen der Empfänger aus, der dazu bestimmt ist, die Fortsetzung der Kommunikation und damit die Übertragung der vom mobilen Gerät kommenden Nutzdatensignale an den Basisstationscontroller zu gewährleisten,

- die Kommunikation wird auf dem gleichen Aufwärts- Verkehrskanal wieder etabliert,

- die von dem mobilen Gerät kommenden und von dem ausgewählten Empfänger ausgegebenen Nutz- und Signalisierungsdatensignale werden ins Basisband rückversetzt und dann an den Controller übertragen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eines der vorgegebenen Kriterien der Empfangspegel in jedem der Empfänger ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eines der vorgegebenen Kriterien die Qualität, vor oder nach Decodierung, des von jedem der Empfänger ausgegebenen Signals ist.

6. Basisstationscontroller, dadurch gekennzeichnet, daß er an die Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 angepaßt ist.

7. Basisstation, dadurch gekennzeichnet, daß sie an die Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 angepaßt ist.