DE69929050T2

DE69929050T2 - Schnelle nutzkanalerfassung für eine stark wechselnde datenrate

Info

Publication number: DE69929050T2
Application number: DE69929050T
Authority: DE
Inventors: A. James PROCTOR
Original assignee: Tantivy Communications Inc
Current assignee: Tantivy Communications Inc
Priority date: 1998-06-01
Filing date: 1999-05-26
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2019-05-27
Also published as: EP1084587A2; JP2012213217A; JP4887444B2; US7480280B2; CA2333654C; JP2013081254A; US20020163898A1; CN1304625A; WO1999063682A3; KR20090006214A; JP5524147B2; JP2012019528A; US20020054581A1; JP5639201B2; EP2262177B1; CA2834031C; NO326627B1; NO336327B1; JP5524281B2; CA2636713A1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die zunehmende Verwendung von drahtlosen Telefonen und Personalcomputern hat zu einer entsprechenden Nachfrage nach fortschrittlichen Telekommunikationsdiensten geführt, von denen einst gedacht wurde, dass sie lediglich für die Verwendung in spezialisierten Anwendungen bestimmt seien. In den 1980er Jahren wurde drahtlose Sprachkommunikation durch das zellulare Telefonnetz weitgehend verfügbar. Solche Dienste wurden aufgrund der erwarteten hohen Kosten für die Teilnehmer zuerst als ausschließlich zum Wirkungskreis von Geschäftsleuten gehörend betrachtet. Dasselbe galt auch für den Zugang zu dezentral verteilten Computernetzen, weshalb bis vor sehr kurzer Zeit nur Geschäftsleute und große Institutionen sich die erforderlichen Computer und Ausrüstungen für Drahtleitungszugang leisten konnten. Als Ergebnis aus der weit verbreiteten Verfügbarkeit von beiden Technologien wünscht sich die allgemeine Bevölkerung nun nicht nur in zunehmendem Maße, über Zugang zu Netzen wie beispielsweise Internet und private Intranets, sondern auch über drahtlosen Zugang zu solchen Netzen zu verfügen. Dies liegt insbesondere im Interesse der Benutzer von tragbaren Computern, Laptop-Computern, tragbaren persönlichen digitalen Assistenten und dergleichen, die es vorziehen würden, auf solche Netze zuzugreifen, ohne an eine Telefonleitung angebunden zu sein.
Es besteht immer noch keine weitgehend verfügbare zufrieden stellende Lösung zum Bereitstellen von niedrigen Kosten, breiter geographischer Abdeckung, Hochgeschwindigkeitszugang zum Internet, privaten Intranets und anderen Netzen unter Verwendung der bestehenden drahtlosen Infrastruktur. Diese Situation ist höchstwahrscheinlich ein Pro dukt aus verschiedenen unglücklichen Umständen. Zunächst einmal kann die typische Art und Weise, in der Hochgeschwindigkeits-Datendienste in der Geschäftsumgebung über das Drahtleitungsnetz bereitgestellt werden, nicht leicht an den Sprachdienst angepasst werden, der in den meisten Haushalten oder Büros verfügbar ist. Solche Standard-Hochgeschwindigkeits-Datendienste eignen sich auch nicht gut zur effizienten Übertragung über dem Standard entsprechende zellulare drahtlose Handapparate. Ferner wurde das bestehende zellulare Netz ursprünglich nur zum Liefern von Sprachdiensten konstruiert. Demzufolge liegt der Schwerpunkt in gegenwärtigen digitalen drahtlosen Kommunikationsschemen auf Sprache, obgleich bestimmte Schemen wie beispielsweise CDMA ein gewisses Maß an asymmetrischem Verhalten für die Unterbringung von Datenübertragung bereitstellen. Zum Beispiel kann die Datenrate auf einem IS-95 Vorverkehrskanal in Erhöhungen von 1.2 kbps bis zu 9.6 kbps für den so genannten Rate Set 1 und in Erhöhungen von 1.8 kbps bis zu 14.4 kbps für Rate Set 2 angepasst werden. Auf dem Rückverbindungs-Verkehrskanal ist die Datenrate indes bei 4.8 kbps fest.
Bestimmte vorgeschlagene CDMA-Systeme, wie beispielsweise das, was in dem US-Patent 5,442,625 beschrieben wird, die auf Gitlin ausgestellt ist, ermöglichen eine Anzahl von parallelen Codekanälen, die derart zu definieren sind, dass einem Benutzer zu einer bestimmten Zeit mehr als ein Codekanal zugeordnet werden kann. In diesem System kann ein Benutzer zusätzliche Bandbreite anfordern, um in einem Hochgeschwindigkeits-Stoßbetrieb zu übermitteln. Zum Beispiel kann der Benutzer, nachdem ein primärer Codekanal C₁ zugeordnet wurde, über den primären Codekanal C₁ eine Anfrage nach M zusätzlichen Kanälen übertragen. Beim Empfang der Erlaubnis von der Basisstation kann der Benutzer unter Verwendung des vorhergehend zugeordneten primären Codes C₁ die Codes C₂ bis C_M erzeugen.
Die bestehenden errichteten Systeme sorgen indes typischerweise nur für Zugang zu einem einzelnen kodierten Kanal, der in der Vorwärtsrichtung bestenfalls maximale Datenraten im Bereich von nur 14.4 Kilobit pro Sekunde (kbps) unterbringen kann. Solch ein Kanal mit einer niedrigen Datenrate eignet sich nicht direkt zum Übertragen von Daten bei Raten von 28.8 oder sogar 56.6 kbps, die nun allgemein unter der Verwendung von kostengünstigen Drahtleitungsmodems verfügbar sind, ganz zu schweigen von noch höheren Datenraten wie die 128 kbps, die mit Ausrüstungen von Typ des dienstintegrierenden Digitalnetzes (ISDN) verfügbar sind. Datenraten in dieser Höhe werden schnell zu Mindestraten, die für Tätigkeiten wie beispielsweise das Browsen auf Netzseiten akzeptabel sind. Die Verwendung von anderen Typen von Datennetzen, die Bausteine mit höheren Geschwindigkeiten wie beispielsweise digitalen Teilnehmerleitungsdienst (xDSL) verwenden, beginnt soeben in den Vereinigten Staaten. Ihre Kosten wurden indes erst kürzlich bis zu einem Punkt reduziert, an dem sie für den Wohnsitz des Kunden attraktiv werden.
Obgleich solche Netze zum größten Teil zum Zeitpunkt, an dem die zellularen Systeme ursprünglich errichtet wurden, bekannt waren, bestehen keine Vorkehrungen für das Bereitstellen von ISDN- oder xDSL-Datendiensten mit höheren Geschwindigkeiten über zellulare Netztopologien. Unglücklicherweise ist in drahtlosen Umgebungen der Zugang auf die Kanäle durch mehrere Teilnehmer teuer und der Konkurrenz ausgesetzt. Ob der Vielfachzugriff durch herkömmlichen Frequenzteiler-Vielfachzugriff (FDMA) unter Verwendung von analoger Modulation auf einer Gruppe von Hochfrequenzträgern oder durch neuere digitale Modulationsschemen bereitgestellt wird, die das Teilen eines Hochfrequenzträgers unter Verwendung eines Zeitteiler-Vielfachzugriffs (TDMA) oder Codeteiler-Vielfachzugriffs (CDMA) ermöglichen, die Natur des Hochfrequenzspektrums ist so, dass es ein Medium darstellt, bei dem vorgesehen ist, dass es geteilt wird. Dies unterscheidet es recht stark von der herkömmlichen Umgebung für Datenübertragung, in der das Drahtleitungsmedium relativ kostengünstig erhalten werden kann und aus diesem Grund typischerweise nicht geteilt werden muss.
Andere Erwägungen gelten den Eigenschaften der Daten selbst. Zum Beispiel ist zu erwägen, dass Zugang zu Netzseiten im Allgemeinen stoßorientiert mit asymmetrischen Datenraten-Übertragungserfordernissen ist. Insbesondere gibt der Benutzer eines entfernt gelegenen Client-Computers zuerst die Adresse einer Netzseite in ein Browser-Programm ein. Das Browser-Programm sendet dann diese Netzseiten-Adressdaten, die typischerweise eine Länge von 100 Bytes oder weniger haben, über das Netz an einen Server-Computer. Der Server-Computer antwortet dann mit dem Inhalt der angeforderten Netzseite, der von 10 Kilobyte bis zu mehreren Megabyte Text-, Bild-, Audio- oder sogar Videodaten umfassen kann. Der Benutzer kann dann zumindest einige Sekunden oder sogar einige Minuten damit verbringen, den Inhalt der Seite zu lesen, bevor er das Herunterladen einer anderen Seite anfordert. Deshalb sind die erforderlichen Vorkanal-Datenraten, das heißt, von der Basisstation zum Teilnehmer, typischerweise um ein Vielfaches größer als die erforderlichen Rückkanal-Datenraten.
In einer Büroumgebung besteht die Art der Computer-Arbeitsgewohnheiten der meisten Angestellten typischerweise dann, dass einige wenige Netzseiten geprüft werden, und dann während eines ausgedehnten Zeitraums etwas anderes getan wird, wie beispielsweise Zugreifen auf lokal gespeicherte Daten oder sogar vollständiges Beendigen der Benutzung des Computers. Deshalb ist, obgleich solche Benutzer erwarten können, während eines ganzen Tages kontinuierlich mit dem Internet oder einem privaten Intrnet verbunden zu bleiben, insgesamt die tatsächliche Art des Bedarfs, eine erforderliche Datenübertragungstätigkeit zu und von einer bestimmten Teilnehmereinheit zu unterstützen, tatsächlich eher sporadisch.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Problemstellung
Was benötigt wird, ist ein effizientes Schema zum Unterstützen von drahtloser Datenübertragung, wie beispielsweise von tragbaren Computern zu Computernetzen, wie beispielsweise dem Internet und privaten Intranets, unter Verwendung von weitgehend verfügbarer Infrastruktur. Unglücklicherweise stellen selbst die modernsten drahtlosen Standards, deren Verwendung weit verbreitet ist, wie beispielsweise CDMA, keine angemessene Struktur zur Unterstützung der gängigsten Tätigkeiten, wie beispielsweise Browsen auf Netzseiten, bereit. In den Vor- und Rückverbindungsrichtungen beträgt die maximale verfügbare Kanalbandbreite in einem CDMA-System des Typs IS-95 nur 14.4 kbps. Da IS-95 leitungsvermittelt ist, kann zum gleichen Zeitpunkt nur ein Maximum von 64 leitungsvermittelten Benutzern aktiv sein. In der praktischen Anwendbarkeit ist diese Grenze schwer erreichbar und es werden typischerweise 20 oder 30 simultane Benutzer verwendet.
Zusätzlich erfordert das bestehende CDMA-System bestimmte Betriebsabläufe, bevor ein Kanal verwendet werden kann. Sowohl die Zugangs- als auch die Verkehrskanäle werden durch so genannte Sequenzen von Langcode-Pseudorauschen (PN) moduliert; daher muss der Empfänger, damit er richtig funktionieren kann, zuerst mit dem Sender synchronisiert werden. Das Einrichten und Abbrechen von Kanälen erfordert deshalb Overhead, um solche Synchronisierung durchzuführen. Dieser Overhead ergibt für den Benutzer der Teilnehmereinheit eine merkliche Verzögerung.
Ein attraktives Verfahren zum Steigern der Datenrate für einen bestimmten Benutzer ist das Teilen von Kanälen in sowohl der Vor- als auch der Rückverbindungsrichtung. Dies ist eine attraktive Option, insbesondere durch die Leichtigkeit, mit der Vielfachzugriff mit CDMA erhalten werden kann; zusätzliche Benutzer können unterstützt werden, indem einfach zusätzliche Codes für die Vorverbindung oder Codephasen in der Rückverbindung für ein IS-95-System hinzugefügt werden. Idealerweise würde dieser Unterkanaloverhead minimiert, so dass, wenn einer Verbindung zusätzliche Unterkanäle zugeordnet werden müssen, diese so schnell wie möglich verfügbar sind.
Um die Synchronisation aufrechtzuerhalten, ist es deshalb vorteilhaft, die Unterkanäle derart bereitzustellen, dass die Verbindung mit der geringstmöglichen Geschwindigkeit auf einer Rückverbindung bereitgestellt wird, während gleichzeitig auf Anfrage effizientes und schnelles Hochlaufen von zusätzlichen Codephasenkanälen aufrechterhalten wird. Dies würde wiederum die Anzahl von verfügbaren Verbindungen maximieren, während der Einfluss auf die Gesamtsystemkapazität minimiert würde.
US-A-5,414,728 stellt den bisherigen Stand der Technik für die vorliegende Patentanmeldung dar. US-A-5,442,625 offenbart ein Verfahren zum Bereitstellen von drahtloser Übertragung von digitalen Signalen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gekennzeichnet. Wahlfreie Merkmale werden in den abhängigen Ansprüchen vorgetragen.
Die vorliegende Erfindung ist ein Dienstoptions-Überlagerungsverfahren für ein IS-95 ähnliches drahtloses CDMA-Übertragungssystem, das die vorhergehenden Anforderungen erfüllt. Insbesondere ist eine Anzahl von Unterkanälen für eine Vorverbindung innerhalb einer einzelnen CDMA-Hochfrequenzkanalbandbreite, wie beispielsweise durch Zuteilen unterschiedlicher orthogonaler Codes zu jedem Unterkanal, definiert. Vielfache Unterkanäle werden auf der Rückverbindung durch Zuteilen unterschiedlicher Codephasen eines bestimmten Pseudorauschen-Langcodes (PN) zu jedem Unterkanal definiert. Die momentanen Bandbreitenbedürfnisse jeder angeschlossenen Teilnehmereinheit werden dann durch dynamisches Zuordnen von keinem, einem oder mehreren Unterkanälen basierend auf den Erfordernissen für jeden Netzschichtanschluss erfüllt.
Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung in effizienter Art und Weise auf der Rückverbindung während ausgedehnter inaktiver Zeiträume, wie beispielsweise, wenn Computer, die mit den Teilnehmereinheiten verbunden sind, eingeschaltet sind, aber gegenwärtig nicht aktiv Daten senden oder empfangen, eine relativ große Anzahl von virtuellen physischen Verbindungen zwischen den Teilnehmereinheiten und den Basisstationen bereit. Diese Aufrechterhaltungs-Unterkanäle ermöglichen es der Basisstation und den Teilnehmereinheiten im Phasen- und Zeitsynchronismus zu verbleiben. Dies ermöglicht wiederum eine schnelle Erfassung von zusätzlichen Unterkanälen gemäß dem Bedarf, durch Zuordnen neuer Codephasen-Unterkanäle. Vorzugsweise werden die Codephasen der neuen Kanäle gemäß einer vorbestimmten Codephasenrelation in Bezug auf die Codephase des entsprechenden Aufrechterhaltungs-Unterkanals zugeordnet.
In einem inaktiven Betriebszustand sendet die Teilnehmereinheit eine Synchronisations- oder „Herzschlag"-Nachricht auf den Aufrechterhaltungs-Unterkanal bei einer Datenrate, die lediglich schnell genug sein muss, um der Teilnehmereinheit das Aufrechterhalten der Synchronisation mit der Basisstation zu ermöglichen.
Die Dauer des Herzschlagsignals wird unter Berücksichtigung des Erfassungs- oder Synchronisierbereichs der Codephasen-Synchronisierschaltungen im Empfänger an der Basisstation bestimmt.
Zum Beispiel hat der Empfänger typischerweise einen PN-Codekorrelator, der bei der Codechiprate läuft. Ein Beispiel von einem solchen Codekorrelator verwendet eine Verzögerungsregelschleife, die aus einem Früh-Spät-Detektor besteht. Ein Schleifenfilter steuert die Bandbreite der Schleife, die wiederum bestimmt, wie lange dem Codekorrelator das Arbeiten zu ermöglichen ist, bevor die Phasenrastung gewährleistet werden kann. Diese Schleifenzeitkonstante bestimmt das Ausmaß von „Jitter", das toleriert werden kann; Phasenrastung wird typischerweise als erhältlich betrachtet, wenn diese gleich einem Bruchteil einer Chipzeit, wie beispielsweise ungefähr 1/8 einer Chipzeit ist.
Die Herzschlagnachrichten werden vorzugsweise in auf den Unterkanälen durch die Codephasen definierten Zeitfenstern gesendet. Die Verwendung von Zeitfenstern ermöglicht es einer minimalen Anzahl von dedizierten Basisstationsempfängern, die inaktiven Rückverbindungen aufrecht zu erhalten. Insbesondere werden die Rück-Aufrechterhaltungskanal-Verbindungen unter Verwendung von vielfachen Phasen des gleichen Langcodes sowie durch Vergeben eines Zeitfensters auf einem solchen Code an jede Teilnehmereinheit bereitgestellt. Dies reduziert den Overhead des Aufrechterhaltens von einer großen Anzahl von Verbindungen bei der Basisstation.
Aufgrund der zeitgefensterten Art des Rück-Aufrechterhaltungskanals kann der Empfänger der Basisstation auch unter den verschiedenen Rückverbindungen zeitlich verzahnt werden. Um dies zu ermöglichen, lädt der Empfänger der Basisstation während jedes einer bestimmten Teilnehmereinheit zugeordneten Zeitfensters zuerst Informationen, die den letzten bekannten Zustand ihrer Phasenrastung, wie beispielsweise den letzten bekannten Zustand von Früh-Spät-Korrelatoren betreffen. Er unterrichtet dann die Früh-Spät-Korrelatoren über die erforderliche Zeit, um zu gewährleisten, dass die Phasenrastung immer noch gültig ist, und speichert den Zustand der Korrelatoren am Ende des Zeitfensters.
Wenn zusätzliche Unterkanäle erforderlich sind, um der Bandbreitennachfrage gerecht zu werden, werden die zusätzlichen Codephasen in einer vorbestimmten Phasenrelation in Bezug auf den geregelten Code vergeben, um Overheadübertragungen, die andernfalls vom Basisstations-Verkehrskanalprozessor erforderlich wären, zu minimieren. Folglich können viele tausend inaktive Teilnehmereinheiten auf einem einzelnen CDMA-Rückverbindungs-Hochfrequenzkanal unterstützt werden während gleichzeitig Anlaufverzögerungen minimiert werden, wenn Kanäle zugeordnet werden müssen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorhergehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden spezielleren Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht, in denen gleiche Bezugszeichen sich über die unterschiedlichen Ansichten hinweg auf gleiche Teile beziehen, ersichtlich werden.
1 ist ein Blockdiagramm eines drahtlosen Kommunikationssystems, das Gebrauch von einem Bandbreiten-Managementschema gemäß der Erfindung macht.
2 ist ein Diagramm, das zeigt, wie Unterkanäle innerhalb eines bestimmten Hochfrequenz (HF) Vorverbindungs-Kanals vergeben werden.
3 ist ein Diagramm, das zeigt, wie Unterkanäle innerhalb eines bestimmten Rückverbindungs-HF-Kanals vergeben werden.
4 ist ein Zustandsdiagramm für eine Rückverbindungs-Bandbreiten-Managementfunktion in der Teilnehmereinheit; und
5 ist ein Zustandsdiagramm der Rückverbindungs-Bandbreiten-Managementfunktion in der Basisstation.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nun wird die Aufmerksamkeit auf die Zeichnungen gerichtet, wobei insbesondere 1 ein Blockdiagramm eines Systems 100 zum Bereitstellen von Hochgeschwindigkeits-Daten- und Sprachdiensten über eine drahtlose Verbindung durch nahtloses Integrieren eines digitalen Datenprotokolls, wie zum Beispiel eines dienstintegrierenden Digitalnetzes (ISDN) mit einem digital modulierten drahtlosen Dienst, wie beispielsweise Codeteiler-Vielfachzugriff (CDMA), ist.
Das System 100 besteht aus zwei unterschiedlichen Komponententypen, die die Teilnehmereinheiten 101-1, 101-2, ..., 101-u (gemeinsam die Teilnehmereinheiten 101) und eine oder mehrere Basisstationen 170 umfassen. Die Teilnehmereinheiten 101 und Basisstationen 170 wirken zusammen, um die Funktionen bereitzustellen, die notwendig sind, um drahtlose Datendienste für eine tragbare Computereinrichtung 110, wie beispielsweise einen Laptop-Computer, einen tragbaren Computer, einen persönlichen digitalen Assistenten (PDA) oder dergleichen, bereitzustellen. Die Basisstation 170 wirkt auch mit den Teilnehmereinheiten 101 zusammen, um die Endübertragung von Daten zu und von der Teilnehmereinheit und dem öffentlichen Fernsprechnetz (Public Switched Telephone Network – PSTN) 180 zu ermöglichen.
Insbesondere werden Daten- und/oder Sprachdienste auch durch die Teilnehmereinheit 101 an den tragbaren Computer 110 sowie eine oder mehrere andere Einrichtungen, wie beispielsweise Telefone (in den Zeichnungen nicht gezeigt – die Telefone können selbst wiederum mit anderen Modems oder Computern verbunden sein, die ebenfalls nicht in 1 gezeigt werden), geliefert. In der üblichen ISDN-Ausdrucksweise werden der tragbare Computer 110 und die Telefone als Endeinrichtungen (Terminal Equipment – TE) bezeichnet. Die Teilnehmereinheit 101 stellt die Funktionen bereit, die als ein Netzabschluss-Typ 1 (NT-1) bezeichnet werden. Die veranschaulichte Teilnehmereinheit 101 ist insbesondere dafür vorgesehen, mit einem ISDN-Anschluss des so genannten Basic Rate Interface (BRI) Typs zu arbeiten, der zwei Träger- oder „B"-Kanäle und einen einzelnen Daten- oder „D"-Kanal bereitstellt, was in der üblichen Bezeichnung 2B + D ergibt.
Die Teilnehmereinheit 101 selbst besteht aus einem ISDN-Modem 120, einer Einrichtung, die hierin als Protokollkonverter 130 bezeichnet wird, die die verschiedenen Funktionen gemäß der Erfindung einschließlich des Spoofings 132 und des Bandbreitenmanagements 134 durchführt, einem CDMA-Sender/Empfänger 140 und einer Antenne 150 der Teilnehmereinheit. Die verschiedenen Komponenten der Teilnehmereinheit 101 können in getrennten Einrichtungen oder als eine integrierte Einheit ausgeführt werden. Zum Beispiel kann ein bestehendes, leicht von einer Anzahl von Herstellern verfügbares herkömmliches ISDN-Modem 120 gemeinsam mit bestehenden CDMA-Sender/Empfängeren 140 verwendet werden. In diesem Fall werden die spezifischen Funktionen vollständig durch den Protokollkonverter 130 bereitgestellt, der als eine separate Einrichtung verkauft werden kann. Alternativ können das ISDN-Modem 120, der Protokollkonverter 130, und die CDMA-Sender/Empfänger 140 als eine vollständige Einheit integriert sein und als eine einzelne Teilnehmereinheit-Einrichtung 101 verkauft werden. Andere Typen von Schnittstellenverbindungen wie Ethernet oder PCMCIA können verwendet werden, um die Rechnereinrichtung mit dem Protokollkonverter 130 zu verbinden.
Das ISDN-Modem 120 konvertiert Daten- und Sprachsignale zwischen den Endeinrichtungen 110 in das Format, dass für die Standard-ISDN-„U"-Schnittstelle erforderlich ist. Die U-Schnittstelle ist in ISDN-Systemen ein Bezugspunkt, der einen Punkt der Verbindung zwischen dem Netzabschluss (NT) und der Telefongesellschaft bezeichnet.
Der Protokollkonverter 130 führt die Spoofing- 132 und die grundlegende Bandbreitenmanagementfunktionen 134 aus. Im Allgemeinen besteht Spoofing 132 darin, zu gewährleisten, dass die Teilnehmereinheit 101 der Endeinrichtung 110, die an der anderen Seite der Basisstation 170 an das öffentliche Fernsprechnetz 180 angeschlossen ist, zu jedem Zeitpunkt erscheint. Die Bandbreitenmanagementfunktion 134 ist für das Zuordnen und das Aufheben der Zuordnungen der CDMA-Hochfrequenzkanäle 160 wie erforderlich verantwortlich. Das Bandbreitenmanagement 134 umfasst auch das dynamische Management der einer bestimmten Session zugeordneten Bandbreite durch dynamisches Vergeben von Unterteilen der CDMA-Hochfrequenzkanäle 160 in einer Art und Weise, die untenstehend vollständiger beschrieben werden wird.
Die CDMA-Sender/Empfänger 140 akzeptiert die Daten vom Protokollkonverter 130 und formatiert diese Daten neu in eine Form, die für die Übertragung durch eine Antenne 150 der Teilnehmereinheit über die CDMA-Hochfrequenzverbindung 160-1 geeignet ist. Die CDMA-Sender/Empfänger 140 kann über nur einen einzelnen 1.25 MHz-Hochfrequenzkanal arbeiten oder alternativ in einer bevorzugten Ausführungsform über mehrere Funkfrequenzkanäle, die zugeordnet werden können, abstimmbar sein.
CDMA-Signalübertragungen werden dann durch die Basisstationsausrüstung 170 empfangen und verarbeitet. Die Basisstationsausrüstung 170 besteht typischerweise aus Vielfachkanalantennen 171, Vielfach-CDMA-Sendern/Empfängern 172 und einer Bandbreiten-Managementfunktion 174. Das Bandbreitenmanagement 174 steuert die Zuordnung der CDMA-Hochfrequenzkanäle 160 und Unterkanäle auf eine Art, die analog zur Teilnehmereinheit 101 ist. Die Basisstation 170 koppelt dann die demodulierten Hochfrequenzsignale an das öffentliche Fernsprechnetz (PSTN) 180 auf eine Art, die in der Fachwelt gut bekannt ist. Zum Beispiel kann die Basisstation 170 mit dem PSTN 180 über irgendeine Anzahl von unterschiedlichen effizienten Kommunikationsprotokollen, wie beispielsweise Primänaten-ISDN oder andere LAPD-basierte Protokolle, wie beispielsweise IS-634 oder V5.2, kommunizieren.
Es sollte auch verstanden werden, dass Datensignale bidirektional über die CDMA-Hochfrequenzkanäle 160 reisen. Mit anderen Worten werden die Datensignale, die vom PSTN 180 empfangen werden, mit dem tragbaren Computer 110 in einer Vorverbindungsrichtung gekoppelt und Datensignale, die aus dem tragbaren Computer 110 hervorgehen, werden mit dem PSTN 180 in einer so genannten Rückverbindungsrichtung gekoppelt. Die vorliegende Erfindung umfasst insbesondere die Art der Ausführung der Rückverbindungskanäle.
Immer noch kurz auf 1 Bezug nehmend, umfasst das Spoofing 134 deshalb das Zurückschleifen dieser synchronen Datenbits über den ISDN-Übertragungsweg durch die CDMA-Sender/Empfänger 140 zum Spoofing der Endeinrichtungen 110, 112, damit diese glauben, dass eine ausreichend breite drahtlose Übertragungsverbindung 160 kontinuierlich verfügbar ist. Drahtlose Bandbreite wird indes nur zugeordnet, wenn tatsächlich Daten zur Übertragung von der Endeinrichtung zur drahtlosen Sende-/Empfangseinheit 140 vorhanden sind. Deshalb muss die Netzschicht die vergebene drahtlose Bandbreite nicht für die ge samte Übertragungssession zuordnen. Das heißt, wenn keine Daten der Netzeinrichtung über die Endeinrichtung präsentiert werden, hebt die Bandbreiten-Managementfunktion 134 die Zuordnung der anfangs vergebenen Hochfrequenzkanal-Bandbreite 160 auf und macht sie für eine andere Sende-/Empfangseinheit und eine andere Teilnehmereinheit 101 verfügbar.
Um besser zu verstehen, wie das Bandbreitenmanagement 134 und 174 die dynamische Zuordnung von Hochfrequenzkanälen bewerkstelligt, wird die Aufmerksamkeit nun auf 2 gerichtet. Diese Figur veranschaulicht einen möglichen Frequenzplan für die drahtlosen Verbindungen 160 gemäß der Erfindung. Insbesondere kann eine typische Sende-/Empfangseinheit 170 auf Befehl auf einen 1.25 MHZ Kanal innerhalb einer viel breiteren Bandbreite, wie beispielsweise bis zu 30 MHZ abgestimmt werden. Im Fall eines Standorts in einem bestehenden zellularen Hochfrequenzband werden diese Bandbreiten typischerweise im Bereich von 800 bis 900 MHZ verfügbar gemacht. Für drahtlose Systeme vom Typ eines persönlichen Kommunikationssystems (PCS) wird die Bandbreite typischerweise im Bereich von ungefähr 1.8 bis 2.0 GigaHertz (GHz) zugeordnet. Zusätzlich bestehen typischerweise simultan zwei aktive zusammenpassende Bänder, die durch ein Sicherheitsband, wie beispielsweise 80 MHZ getrennt sind; die zwei zusammenpassenden Bänder bilden eine Vor- und Rück-Vollduplexverbindung.
Jede der CDMA-Sender/Empfängeren, wie beispielsweise die Sende-/Empfangseinheit 140 in der Teilnehmereinheit 101 und die Sende-/Empfangseinheiten 172 in der Basisstation 170 sind in der Lage, zu irgendeinem bestimmten Zeitpunkt auf einen bestimmten 1.25 MHZ-Hochfrequenzkanal abgestimmt zu werden. Es wird allgemein verstanden, dass ein solcher 1.25 MHZ-Hochfrequenzträger bestenfalls eine Übertragung bereitstellt, die innerhalb der akzeptablen Bitfehlerraten beschränkungen insgesamt gleichwertig mit einer maximalen Datenrate von ungefähr 500 bis 600 kbps ist.
Im Gegensatz dazu unterteilt die vorliegende Erfindung die verfügbare Datenrate von ungefähr 500 bis 600 kbps in eine relativ große Anzahl von Unterkanäle. Im veranschaulichten Beispiel wird die Bandbreite in vierundsechzig (64) Unterkanäle 300 geteilt, von denen jeder eine Datenrate von 8 kbps bereitstellt. Ein bestimmter Unterkanal 300 wird physisch durch Kodieren einer Übertragung mit einem von einer Anzahl von unterschiedlichen Pseudozufallscodes, die vergeben werden können, ausgeführt. Zum Beispiel können die 64 Unterkanäle 300 innerhalb eines einzelnen CDMA-HF-Trägers unter Verwendung eines unterschiedlichen orthogonalen Codes für jeden definierten Unterkanal 300 für zum Beispiel die Vorverbindung definiert werden.
Wie vorhergehend erwähnt, werden die Unterkanäle 300 nur nach Bedarf zugeordnet. Zum Beispiel werden Vielfach-Unterkanäle 300 während Zeiträumen vergeben, während derer eine bestimmte ISDN-Teilnehmereinheit 101 anfordert, dass große Mengen von Daten übermittelt werden sollen. Diese Unterkanäle 300 werden während Zeiten, während derer die Teilnehmereinheit 101 relativ leicht belastet ist, schnell freigegeben.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Aufrechterhalten der Rückverbindung, so dass die Synchronisation der Unterkanäle nicht jedes Mal wieder eingerichtet werden muss, wenn Kanäle entfernt und dann wieder zurück vergeben werden.
3 ist ein Diagramm, das die Anordnung, in der die Unterkanäle auf der Rückverbindung vergeben werden, veranschaulicht. Es ist wünschenswert, bis zum möglichen Ausmaß ein einzelnes Hochfrequenz-Trägersignal auf der Rückverbindung zu verwenden, um Energie zu spa ren, sowie um die Ressourcen des Empfängers zu schonen, die an der Basisstation verfügbar gemacht werden müssen. Deshalb wird ein einzelnes 1.2288 MHZ Band 350 vom verfügbaren Hochfrequenzspektrum ausgewählt.
Eine relativ große Anzahl N, wie beispielsweise 1000 einzelne Teilnehmereinheiten werden dann unter Verwendung eines einzelnen Pseudorauschen-Langcodes (PN) auf eine bestimmte Art unterstützt. Zuerst wird eine Anzahl p von Codephasen von den verfügbaren 2⁴²-1 unterschiedlichen Langcodephasen ausgewählt. Eine bestimmte Langcodephase ist für eine bestimmte Teilnehmereinheit eindeutig und ändert sich nie. Wie beschrieben werden wird, gilt dies auch für zusätzliche Codephasen. Die Verschiebungen der Codephase p werden dann verwendet, um p Unterkanäle bereitzustellen. Als nächstes wird jeder der p Unterkanäle weiter in s Zeitfenster unterteilt. Das Zeitfenstern wird nur während des inaktiven Betriebsmodus verwendet und stellt zwei Vorteile bereit; es reduziert die Anzahl von „Aufrechterhaltungs-Empfängern" in der Basisstation und es reduziert die Auswirkung auf die Rückkanalkapazität durch Reduzieren der Übertragungsenergie und somit der Interferenz. Deshalb entspricht die maximal unterstützbare Anzahl von unterstützbaren Teilnehmereinheiten, N, p mal s. Während des inaktiven Betrebsmodus stellt die Verwendung desselben PN-Codes mit unterschiedlichen Phasen und Zeitfenstern viele unterschiedliche Unterkanäle bereit, was die Verwendung eines einzelnen Rake-Empfängers in der Basisstation 104 ermöglicht.
Im vorhergehend erwähnten Kanalzuordnungsschema wird erwartet, dass Hochfrequenzressourcen nach Bedarf zugeordnet werden. Es muss indes auch die Tatsache in Betracht gezogen werden, dass normalerweise zum Einrichten eines neuen CDMA-Kanals einem bestimmten Rückverbindungskanal Zeit gegeben werden muss, um beim Empfänger Codephasenrastung zu erlangen. Die vorliegende Erfindung ver meidet die Notwendigkeit, jedes Mal zu warten, bis jeder Kanal die Codephasenrastung erlangt hat, wenn er durch verschiedene Mechanismen, die untenstehend vollständiger beschrieben werden, eingerichtet wird. Im Allgemeinen besteht die Technik darin, ein Aufrechterhaltungssignal bei einer Rate zu senden, die ausreicht, um sogar in Abwesenheit von Daten Codephasenrastung für jeden Unterkanal aufrechtzuerhalten.
Das Ziel hier ist das Minimieren der Größe von jedem Zeitfenster, was wiederum die Anzahl von Teilnehmern maximiert, die in einem inaktiven Betriebsmodus aufrechterhalten werden können. Die Größe t von jedem Zeitfenster wird durch die Mindestzeit bestimmt, die notwendig ist, um Phasenrastung zwischen dem Sender an der Teilnehmereinheit und dem Empfänger in der Basisstation zu gewährleisten. Insbesondere muss ein Codekorrelator im Empfänger ein Aufrechterhaltungs- oder „Herzschlag"-Signal empfangen, das aus mindestens einer bestimmten Anzahl von Aufrechterhaltungsbits über eine bestimmte Zeiteinheit besteht. Innerhalb der Grenzen wird dieses Herzschlagsignal durch Senden von mindestens einem Bit von jeder Teilnehmereinheit auf jeder Rückverbindung zu einer vorbestimmten Zeit, z.B. ihres bestimmten Zeitfensters auf einem vorbestimmten Kanal der N Unterkanäle, gesendet.
Die Mindest-Zeitfensterdauer t ist daher abhängig von einer Anzahl von Faktoren, die das Verhältnis von Signal zu Rauschen und die erwartete Maximalgeschwindigkeit der Teilnehmereinheit innerhalb der Zelle umfasst. In Bezug auf das Verhältnis von Signal zu Rauschen, ist dies abhängig von Eb/No + Iowo Eb die Energie pro Bit, No das Umgebungsgeräusch, und Io die gegenseitige Interferenz von den anderen kodierten Übertragungen der anderen Unterkanäle auf der Rückverbindung, die das gleiche Spektrum teilen, ist. Typischerweise erfordert das Schließen der Verbindung eine Integration über 8 Chipzeiten beim Empfänger und ein Vielfaches von 20 Mal, was typischerweise erforderlich ist, um die Detektion zu gewährleisten. Deshalb sind typischerweise ungefähr 160 Chipzeiten erforderlich, um das kodierte Signal korrekt auf der Rückverbindung zu empfangen. Für einen 1.2288 MHZ Code Tc ist die Chipzeit 813.33 ns, so dass diese Mindestintegrationszeit ungefähr 130 μs beträgt. Dies stellt wiederum die absolute Mindestdauer eines Datenbits und deshalb die Mindestdauer einer Fensterzeit t ein. Die Mindestfensterzeit von 130 μs bedeutet, dass für jedes phasencodierte Signal maximal 7692 Zeitfenster pro Sekunde verfügbar gemacht werden können.
Zur Übereinstimmung mit bestimmten Leistungsregelungs-Gruppenzeitsteuerungsanforderungen kann die Zeitfensterdauer etwas gelockert werden. Zum Beispiel erfordert im IS-95-Standard eine Leistungsregelungs-Gruppenzeitsteuerungsanforderung alle 1.25 ms eine Leistungsausgabeabtastung von jeder Teilnehmereinheit.
Nachdem die Codephasenrastung erworben wurde, wird die Dauer des Herzschlagsignals unter Berücksichtigung des Erfassungs- oder Synchronisierungsbereichs der Codephasen-Synchronisierungsschaltungen im Empfänger an der Basisstation bestimmt. Zum Beispiel verfügt der Empfänger typischerweise über einen PN-Codekorrelator, der bei der Codechiprate läuft. Ein Beispiel von einem solchen Codekorrelator verwendet eine Verzögerungsregelschleife, die aus einem Früh-Spät-Detektor besteht. Ein Schleifenfilter steuert die Bandbreite dieser Schleife, die wiederum bestimmt, wie lang es dem Codekorrelator ermöglicht werden muss, zu arbeiten, bevor er Phasenrastung gewährleisten kann. Diese Schleifenzeitkonstante bestimmt das Ausmaß des Zeitversatzes, das im Codekorrelator toleriert werden kann, wie beispielsweise 1/8 einer Chipzeit Tc.
In der bevorzugten Ausführungsform, ist das System 100 dazu bestimmt, so genannte nomadische Mobilität zu unterstützen. Das heißt, es wird nicht erwartet, dass Betrieb mit hoher Mobilität innerhalb von sich bewegenden Fahrzeugen, der für zellulare Telefonie typisch ist, notwendig ist. Stattdessen bewegt sich der typische Benutzer eines tragbaren Computers, der aktiv ist, nur mit raschen Schrittgeschwindigkeiten von ungefähr 4.5 Meilen pro Stunde (MPH). Bei 4.5 MPH, was einer Geschwindigkeit von 6.6. Fuß pro Sekunde entspricht, wird ein Benutzer sich in 1/8 der 1/1.2288 MHZ Chipzeit (Tc) 101 Fuß bewegen. Daher werden ungefähr 101 Fuß geteilt durch 6.6 Fuß oder ungefähr 15 Sekunden erforderlich sein, damit ein solcher Benutzer eine Distanz zurücklegt, die für ihn ausreichend groß ist, damit nicht mehr gewährleistet werden kann, dass die Codephasen-Synchronisierungschleife synchronisiert bleibt. Deshalb wird die Rückverbindungsschleife synchronisiert bleiben, solange ein vollständiges Synchronisierungssignal alle 15 Sekunden für einen bestimmten Rückverbindungskanal gesendet wird.
4 ist ein Zustandsdiagramm für eine Rückverbindungs-Bandbreitenmanagementfunktion in der Teilnehmereinheit. In einem inaktiven Betriebsmodus 400 wird in einen ersten Zustand 401 eingetreten, in dem die Teilnehmereinheit eine Zeitfenstervergabe für ihren Codephasen-Rückkanal erhält. Dieses Zeitfenster wird nur im inaktiven Betriebszustand verwendet. Die gleiche Langcodephase wird vorhergehend zugeordnet und ist für die Teilnehmereinheit permanent.
In einem nächsten Zustand 402 wird das Herzschlagsignal in den vergebenen Zeitfenstern gesendet. Dann wird in einen Zustand 403 eingetreten, in dem die Teilnehmereinheit seine internen Datenpuffer kontrolliert, um festzustellen, ob zusätzliche Codephasenkanäle erforderlich sind, um die Einrichtung einer Rückverbindung mit einer Bandbreite zu unterstützen, die ausreicht, um einen aktiven Verkehrskanal zu unter stützen. Wenn dies nicht der Fall ist, kehrt die Teilnehmereinheit zurück zum Zustand 402 und bleibt im inaktiven Betriebsmodus 400.
Vor dem Eintreten in den aktiven Zustand 4050 vom inaktiven Betriebszustand 400, muss die Teilnehmereinheit eine Anfrage an die Basisstation machen. Wenn dies gewährt wird (Schntt 403-b), fährt die Verarbeitung mit Schntt 451 fort, und wenn dies nicht gewährt wird, fährt die Verarbeitung mit Schritt 402 fort. Wenn die Teilnehmereinheit indes Daten hat, die zu senden sind, wird in den aktiven Betriebsmodus 450 eingetreten. Im ersten Zustand 451 dieses Betriebsmodus werden im Zustand 452 neue Codephasen berechnet, wenn neue Codephasenkanäle erforderlich sind. Spezifisch weiß die Teilnehmereinheit, dass Codephasenkanäle in einer vorbestimmten Relation zum Codephasenkanal ihres Basiskanals an sie vergeben werden, d.h.
wo P_n+1 die Codephase für den neuen Kanal (n+1) und P₀ die Codephase ist, die an den Basiskanal für den bestimmten Teilnehmer vergeben wurde. Eine solche Codephasenrelation
kann zum Beispiel das einheitliche Auswählen von den verfügbaren 2⁴² Codes alle 2⁴²/2¹⁰te oder jede 2³² te Codephase in einem System sein, das für einen einzelnen Teilnehmer 1024 (2¹⁰) Rückverbindungen unterstützt.
Eine Anzahl C dieser neuen Codephasen wird deshalb sofort einfach basierend auf der Anzahl von zusätzlichen Codephasenkanälen und ohne Bedarf des Anforderns von Codephasensynchronisation für jeden neuen Kanal berechnet.
Nachdem der Schntt 452 verarbeitet wurde, wird eine Anfrage nach Codephasenkanälen vorgenommen. Wenn diese erteilt werden (Schritt 452-b), fährt die Verarbeitung fort mit Schritt 453, und wenn diese nicht erteilt werden, fährt die Verarbeitung fort mit Schritt 451, um die zusätzlichen Kanalanforderungen zu verarbeiten. In einem nächsten Zustand 453 beginnt die Teilnehmereinheit mit dem Übermitteln ihrer Daten auf ihren vergebenen Codephasenkanälen. Im Zustand 454 fährt sie mit dem Kontrollieren ihrer internen Datenpuffer und ihres verbundenen Vorzugangskanals fort, um zu bestimmen, wann in den inaktiven Betriebsmodus 400, zum Zustand 451, um zu bestimmen, ob neue Codephasenkanäle vergeben werden müssen, oder zum Zustand 455, wo ihre Zuordnung aufgehoben wird, zurückzukehren ist.
5 ist ein Zustandsdiagramm von einer Verarbeitung in einem inaktiven Betriebsmodus in der Rückverbindungs-Managementfunktion in der Basisstation 104. In einem ersten Zustand 501 wird für jede inaktive Teilnehmereinheit 101 in einen Zustand 502 eingetreten, in dem ein gespeicherter Zustand der Konrrlatoren für das gegenwärtige Zeitfenster (p, s) von einer vorhergehenden Synchronisationssession gelesen wird. In einem nächsten Zustand 503 wird ein Früh-Spät-Korrelator für die Zeitfensterdauer t neu unterrichtet. In einem nächsten Zustand 504, wird der Korrelatorzustand gespeichert; im Zustand 505 wird die Schleife für jeden Teilnehmer fortgesetzt.
ENTSPRECHUNGEN
Während wir vorhergehend eine bestimmte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben haben, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen in Form und Details vorgenommen werden können. Zum Beispiel können anstatt ISDN andere Drahtleitungs- und Netzprotokolle, wie beispielsweise xDSL, Ethernet und X.25 verkapselt werden, und aus diesem Grund das hierin beschriebene dynamische drahtlose Unterkanalvergabeschema vorteilhaft verwenden.

Claims

Verfahren zur drahtlosen Übertragung digitaler Signale, die zwischen einer Anzahl drahtloser Teilnehmereinheiten (110) und einer Basisstation (170) übertragen werden, wobei die digitalen Signale übertragen werden, indem zumindest ein Hochfrequenzkanal (160) mit über eine Codeteiler-Vielfachzugriffseinrichtung (CDMA) modulierten Hochfrequenzsignalen benutzt wird, die durch Langcodes mit Pseudozufallsrauschen (PN) gebildet sind, wobei die digitalen Signale außerdem eine gegebene nominelle Datenrate haben, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen einer Anzahl Unterkanäle (300) innerhalb jedes CDMA-Hochfrequenzkanals, wobei die Datenrade jedes Unterkanals geringer ist als die nominelle Datenrate der digitalen Signale; Zuordnen verfügbarer Unterkanäle auf Bedarfsbasis zu Anschlüssen, die aktiv Daten zwischen den Teilnehmereinheiten und der Basisstation senden; gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: Vergeben eines selben PN-Langcodes an mindestens zwei verschiedene Teilnehmereinheiten, jedoch unter Benutzung unterschiedlicher Codephasen, um Unterkanäle so zu definieren, dass zumindest zwei verschiedene Teilnehmereinheiten den gleichen PN-Langcode verwenden, jedoch bei unterschiedlichen Codephasen; und Zuordnen von Unterkanälen zum Aufrechterhalten einer Rückverbindung in den Unterkanälen für Teilnehmereinheiten, die zwar eingeschaltet sind, aber gegenwärtig nicht aktiv Daten senden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Aufrechterhaltung der Rückverbindung an der Teilnehmereinheit das Senden eines Herzschlagsignals mit einer Datenrate umfasst, die niedrig genug ist, um die Bitsynchronisation mit der Basisstation aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Datenbitdauer des Herzschlagsignals etwa 130 μs beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Herzschlagsignal unter inaktiven Fenstern zeitgefenstert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem, um in einen aktiven Zustand einzutreten, die Teilnehmereinheiten einen Befehl mit der Anforderung einer höheren Datenbetriebsrate senden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei bei Empfang einer Anforderung von Daten mit höherer Kapazität oder von Sprachverkehr die Basisstation die anfordernde Teilnehmereinheit einem Rückkanal-Verkehrsprozessor übergibt und die höhere angeforderte Datenrate dann durch die Basisstation zur Verfügung gestellt wird, die zusätzliche Codephasen der Teilnehmereinheit zuordnet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zusätzlichen Codephasen in einer vorbestimmten Phasenrelation zugeordnet werden, um Overheadübertragungen vom Verkehrskanalprozessor der Basisstation zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Hochlaufen der Datenrate in zwei Phasen auftreten kann, indem der Teilnehmereinheit zuerst Zugang zu einem Kanal mit niedrigerer verfügbarer Rate gewährt wird, bevor Zugang zu einem Kanal mit voller Rate gewährt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem, wenn die Basisstation feststellt, dass die maximale Datenrate für eine Verbindung zu einer bestimmten Teilnehmereinheit nicht ausreicht, zusätzliche Codephasen der Teilnehmereinheit zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dass die zusätzlichen Codephasen eine vorbestimmte Relation haben, um Overheadsendungen von einem Verkehrskanalprozessor der Basisstation zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Dauer der Zeitfenster auf der Basis einer erwarteten maximalen Geschwindigkeit für die Teilnehmereinheiten bestimmt wird, die im Bereich der Basisstation wandern.