FI100076B - Johdottoman tilaajaliitännän toteuttava radiojärjestelmä - Google Patents

Description

100076

Johdottoman tilaajaliitännän toteuttava radiojärjestelmä Tämä keksintö koskee johdottoman tilaajaliitännän toteuttavaa radiojärjestelmää, johon kuuluu tukiasemia ja 5 tilaajaverkkoelementti, joka liittää johdottomat päätelaitteet kiinteän verkon puhelinkeskukseen. Erityisesti järjestelmässä on johdottoman päätelaitteen ja tukiaseman välinen ilmarajapinta pääosin sellaisen TDMA-matkaviestin-järjestelmän mukainen, jossa signalointitaajuisen (cO) kelo hyksen ainakin yksi aikaväli on ohjauskanavan aikaväli, jolla tukiasema lähettää vakioteholla johdottomille päätelaitteille tarkoitettua ohjausinformaatiota.

Puhelinverkkoa rakennettaessa on keskuksen ja tilaajalaitteiden välisten tilaajajohtojen asennus paitsi 15 huomattava kustannuserä myös paljon aikaa vievä toimenpide. Tavallisesti tilaajajohtojen verkko muodostuu siten, että lukuisista tilaajalaitteista lähtevät parikaapelit viedään ristikytkentälaitteeseen, lukuisista ristikytken-tälaitteista lähtevät kaapelit yhdistetään toisessa ris-20 tikytkentälaitteessa, josta lähtevä kaapeli viedään keskukseen. Keskuksen tilaajajohtoihin päin oleva signaloin-tirajapinta on standardoitu ja on joko 2-johtimisten analogisten tilaajajohtojen liitäntä, CCITTsn V2-suosituksen mukainen multiplekserirajapinta tai ETSI:n V5.1-suosituk-25 sen mukainen sanomapohjainen multiplekserirajapinta. Muutosten tekeminen kiinteisiin tilaajajohtoihin on työlästä ja ylläpitokustannukset etenkin seudulla, jossa tilaajajohdot ovat ilmajohtoja, voivat olla merkittävät. Eräs ratkaisu näihin ongelmiin on korvata keskuksen ja tilaaja-30 laitteiden välinen kiinteä yhteys radioyhteydellä. Ratkaisu on tunnettu nimellä WLL-järjestelmä (Wireless Local Loop System).

WLL-järjestelmän periaate on esitetty kuvassa 1. Langaton kiinteä päätelaite T käsittää antennilla varus-35 tetun radioyksikön 4 ja puhelinadapterin, joka yhdistää 2 100076 standardin mukaisen tilaajalaitteen 5 päätelaitteeseen. Tilaajalaite voi olla tavallinen puhelinkone, telefax-laite tai modeemi. Se on liitetty päätelaitteeseen työntämällä standardi pistoke päätelaitteen adapteriliitäntään.

5 Käyttäjä käyttää tilaajalaitetta 5 kuten tavallisessa kiinteässä verkossa, vaikka tilaajajohtoyhteys muodostuukin päätelaitteen T ja tukiaseman BS 2 tai 3 välisestä radioyhteydestä. Tukiasema voi palvella lukuisia tilaaja-laitteita. Tukiasema on liitetty erityiseen tilaajaverkko-10 elementtiin 1, joka puolestaan on kytketty standardin mukaiseen puhelinkeskukseen. Yhteen tilaajaverkkoelementtiin 1 voidaan liittää useita tukiasemia.

WLL-järjestelmä voidaan rakentaa siten, että sovelletaan jonkin olemassa olevan matkapuhelinjärjestelmän ra-15 kenneosia. Matkapuhelinjärjestelmä voi olla esim. analoginen NMT-järjestelmä tai digitaalinen GSM-järjestelmä. Tällöin WLL-järjestelmän signalointi on kyseisen järjestelmän mukaista, tukiasemat ovat ko. järjestelmän standardituki-asemia ja päätelaitteen radio-osa samanlainen kuin matka-20 viestimen radio-osa tai päätelaite voi olla matkapuhelinjärjestelmän matkaviestin. WLL-järjestelmän tärkeä komponentti on tilaajaverkkoelementti, joka liittää tilaajat standardin mukaiseen paikalliskeskukseen. Tilaajaverkkoelementti muuttaa WLL-verkon signaloinnin, esim. NMT- tai 25 GSM-signaloinnin, kiinteään verkkoon (esim. PSTN) soveltuvaksi merkinannoksi ja vastaavasti sovittaa kiinteän verkon merkinannon WLL-verkon rajapintaan.

Verkkoelementti liittyy paikalliskeskukseen V2- tai V5.1 tyyppisellä avoimella 2 Mbit/s PCM-järjestelmää käyt-30 tävällä multiplekseriliitännällä. Jos paikalliskeskus tukee vain 2-johdinliitäntää, verkkoelementti liitetään keskukseen konvertoimalla V2-signalointi multiplekserin avulla analogiseksi 2-johdin tilaajaliittymärajapinnaksi. Verkkoelementin ja siihen liitettyjen tukiasemien välinen 35 signalointi on sovelletun matkapuhelinverkon signalointia, I! 3 Ί 0007 6 kuitenkin modifioituna siten, että solukkoverkolle tyypilliset toiminnot kuten solunvaihto (cell handover) ja roaming ovat estetty. Tilaajan on siis pysyttävä sille määrätyn tukiaseman peittoalueella. Tulevan ja lähtevän puhelun 5 reititys perustuu verkkoelementin tilaajatiedostoon. Verkkoelementin toiminta vastaa keskittimen toimintaa: puhelu välitetään tilaajaliittymästä keskukseen ja numeroiden analysoiminen, laskenta ym. toiminnot suoritetaan keskuksessa.

10 Edellä sanotun mukaisesti WLL-verkko voi pohjautua tunnettuun GSM-järjestelmään. GSM on aikajakomonipääsyyn pohjautuva digitaalinen solukkojärjestelmä. Selostetaan seuraavassa sen kanavia.

Loogiset kanavat jakaantuvat puhetta sekä dataa vä-15 littäviin liikennekanaviin TCH ja signalointia sekä synk-ronointidataa välittäviin ohjauskanaviin. Ohjauskanavia ovat yleislähetyskanavat (broadcast), yhteiskanavat (common) ja yhteyskohtaiset kanavat (dedicated). Yleislähetyskanavat BCH ovat tukiasemalta matkaviestimelle (downlink) 20 suuntautuvia kanavia ja niitä ovat (i) taajuuskorjauskana-va FCCH, jonka informaatiota matkaviestin käyttää taajuus-korjaukseensa, (ii) synkronoitumiskanava SCH, joka välittää matkaviestimelle kehyssynkronointi-informaatiota ja tukiaseman tunnisteen, ja (iii) yleislähetyskanava BCCH 25 (Broadcast Control Channel), joka välittää yleistä tukiasemaa koskevaa informaatiota. Yhteiskanaviin CCCH (Common Control Channel) kuuluvat downlink-suunnassa kutsukanava PCH (Paging Channel), jolla matkaviestimille lähetetään hakukutsut, uplink-suunnassa hajasaantikanava RACH (Random 30 Access Channel), jolla matkaviestimet pyytävät verkolta kanavaa sekä downlink-suunnassa kutsun kuittauskanava AGCH (Access Grant Channel), jolla verkko kuittaa matkaviestimien lähettämät pyynnöt. Yhteyskohtaisiin kanaviin kuuluvat yhteyskohtainen ohjauskanava SDCCH (Stand Alone Dedi-35 cated Control Channel) ja liikennekanaviin liittyvät hidas 100076 4 ja nopea rinnakkainen ohjauskanava SACCH ja FCCH (Slow Associated Control Channel, Fast Associated Control Channel ).

Loogiset kanavat kuvautuvat radiotien fyysisiksi 5 kanaviksi. Fyysinen kanava koostuu tunnetusti peräkkäisistä "ikkunoista", joita määrittää aikaväli ja taajuus. Tietty fyysinen kanava käyttää aina samaa aikavälinumeroa jokaisessa kahdeksasta aikavälistä muodostuvassa TDMA-ke-hyksessä mutta taajuus voi muuttua käytettäessä taajuus-10 hyppelyä.

51 kpl TDMA-kehyksiä muodostaa ohjauskanavaylike-hyksen, jota on esitetty kaaviollisesti kuvassa 2. Sekä FCCH:11a että SCHslla on sama rakenne: SCH aikaväli seuraa FCCH-aikaväliä yhden kehyksen päässä ja ylikehyksessä on 15 kummallekin kanavalle varattu viisi aikaväliä. Kumpikin kanava käyttää kehyksen aikaväliä TNO. Yleislähetyskanava BCCH käyttää neljä aikaväliä ylikehyksestä ja aikavälit ovat peräkkäisissä kehyksissä. Loput 36 aikaväliä (kukin omassa TDMA-kehyksessä) on varattu yhteiskanavalle CCCH, 20 ts. downlink-suunnan kehyksen tapauksessa kutsu- ja kutsun kuittaus -kanaville PCH ja AGCH ja uplink-suunnan kehyksen tapauksessa RACH-kanavalle. Käytännön syistä sekä BCCH että CCCH kanava käyttää myös aikaväliä TNO. Ohjauskanava-ylikehyksen toistopituus on siten 51 TDMA-kehyksen kestoa. 25 Aikavälissä TNO ei ole sallittu suorittaa taajuushyppelyä, vaan tätä aikaväliä käyttävien em. kanavien täytyy käyttää saamaa kiinteää taajuutta. Spesifikaation mukaisesti BCCH kantoaaltoa on lähetettävä kuitenkin kaikissa aikaväleissä jatkuvasti vakioteholla ja vakiotaajuudella, tavallisesti 30 suurimmalla sallitulla teholla. Kantoaallon taajuutta, jolla ohjausinformaatio välitetään, merkitään merkinnällä cO. Aikaväleissä, joissa ei lähetetä mitään informaatiota, muodostetaan täytebittejä käyttäen purske, ns. dummy burst. Jatkuvasti vakioteholla ja vakiotaajuudella lähe-35 tettävää BCCH kantoaaltoa cO hyödynnetään siten, että matti 100076 5 kaviestin mittaa jaksottain naapurisolujen BCCH-kanavien kantoaallon signaalivoimakkuutta ja lisäksi se määrittää bittivirhesuhteen avulla yhteyden laadun, jolloin mittaustuloksia käytetään hyväksi handover-toiminnossa.

5 GSM-järjestelmässä käytetään liikennekanavalla mah dollisimman suuren radiosiirron virheettömyyden saavuttamiseksi virheenkorjaavaa koodausta. Koodaus on kaksivaiheinen kanavakoodaus, jossa kevyttä lohkokoodausta käytetään lähinnä vain virheen ilmaisuun ja konvoluutiokoodaus-10 ta virheen korjaukseen. Konvoluutiokoodauksessa virheiden täytyy olla ajallisesti satunnaisesti jakautuneina ennen kuin koodia voidaan tehokkaasti käyttää. Tämän vuoksi käytetään lomitusta, jossa kanavakoodattu lohko siirretään vähintään neljässä aikavälissä, kanavakoodatun lohkon bi-15 tit sekoitetaan ennen lähetystä, jolloin siirtovirheet satunnaistuvat, ja vierekkäisiä lohkoja lomitetaan siirrettäväksi samassa aikavälissä. Lomittelu sinänsä riittää, jos matkaviestin on liikkeessä, mutta lisäksi käytetään taajuushyppelyä, joka edesauttaa hitaasti liikkuvan tai 20 paikallaan pysyvän matkaviestimen tapauksessa virheiden jakautumista satunnaisesti. Taajuushyppelyn etu on lisäksi se, että saman kanavan häiriö (co-channel interference) keskiarvoistuu, joka häiriö syntyy jossain toisessa solussa olevan toisen käyttäjän ollessa samalla taajuudella.

25 Koodauksen ja taajuushyppelyn taustana on se, että vastaanotettu signaali on Rayleigh-häipyvien ja erilaisen viiveen omaavien signaalien summa, jolloin signaalitason ja laadun vaihtelu on voimakasta. Taajuushyppely ja hyppelyn nopeus pienentää ja parhaassa tapauksessa poistaa pe-30 räkkäisten purskeiden välisen korrelaation, jolloin lomit-telun ja bittien uudelleen järjestelyn ansiosta virheet satunnaistuvat.

Voimakas jatkuvasti lähettävä kantoaalto on kuitenkin eräissä tapauksissa ongelma. Se aiheuttaa sen, että 35 verkossa häiriötaso nousee ts. kun solussa liikennekanavan 6 100076 kantoaalto on sama kuin lähellä olevan solun BCCH-kanto-aalto, aiheuttaa häiriöitä vastaanotossa. Tämä alentaa verkon kapasiteettia. Sellaisissa pienikapasiteettisissa soluissa, joissa käytetään vain yhtä lähetys- ja vastaan-5 ottotaajuutta liikennekanavalla ts. yhtä TRX:ää, on taa-juushyppelyä käytettäessä lisättävä tukiasemalle ylimääräinen lähetin/vastaanotin, joka lähettää BCCH-kantoaaltoa ajallisesti samassa aikavälissä, kun varsinaisella lähe-tin/vastaanottimella muodostetaan liikennekanavan taajuus.

10 Näin on tehtävä siksi, koska yhdellä lähetin/vastaanotti-mella voidaan syntesoida suuri määrä taajuuksia mutta vain yhtä taajuutta kerrallaan.

Nämä häiriöongelmat koskevat myös alussa kuvattua WLL-järjestelmää sovellettaessa GSM-järjestelmää sellaise-15 naan WLL-käyttöön. Etenkin sovellettaessa WLL-järjestelmää harvaan asutulla seudulla on hyvin todennäköistä, että tukiasema käyttää vain yhtä lähetys- ja vastaanottotaajuutta (yksi TRX taajuus) ja että tukiaseman peittoalue on laaja. Tällöin, paitsi että BCCH-kantoaallon lähetysteho on suuri, 20 mikä kasvattaa saunan kanavan häiriötä puhelinliikenteessä -ja alentaa verkon kapasiteettia, on tukiasemalle lisättävä taajuushyppelyä varten myös ylimääräinen lähetin/vastaanotin BCCH-kantoaallon cO muodostamiseen. Taajuushyppely on myös yhden TRX:n tapauksessa tarpeen tai ainakin toivotta-25 vaa, sillä sen puute aiheuttaa sen, että konvoluutiokoo-dauksen tehokkuus heikkenee, koska liikkumattomien tai vain hitaasti liikkuvien tilaajalaitteiden kyseessä ollen ei pelkkä lomittelu riitä tuottamaan satunnaista virhejakau-tumaa. Myös verkon kapasiteetti pienenee johtuen siitä, 30 että koska saman kanavan häiriötä ei keskiarvoisteta taa-juusdiversiteetillä, on käytettävä suurempaa taajuustoistu-maa ts. Selmalla taajuusallokaatiolla saadaan vähemmän kanavia.

Tämän keksinnön tavoitteena on sellainen TDMA-jär-35 jestelmään, erityisesti GSM-järjestelmään, pohjautuva joh- I! 100076 7 elottoman tilaajaliitännän toteuttava radiojärjestelmä/ jossa BCCH-kantoaalto cO ei tuota sellaisia edellä sanottuja ongelmia, joita GSM-järjestelmän standardi BCCH-kantoaallon käyttö aiheuttaisi.

5 Asetettu tavoite saavutetaan patenttivaatimuksessa 1 esitetyllä tavalla.

Keksinnön mukaisessa WLL-radiojärjestelmässä BCCH-kantoaaltoa cO lähetetään vakioteholla vain sinä aikavälinä, jossa lähetetään ohjausinformaatiota ja muina aikavä-10 leinä kantoaaltoa ei lähetetä lainkaan tai muita aikavälejä käytetään tarpeen mukaan liikennekanaviin, joiden aikana BCCH-kantoaallon tehoa säädetään normaalilla tavalla. Näissä muissa aikaväleissä ei siten ole lähetystä, jos ei ole liikennettä. Jos on liikennettä, käytetään tehonsäätöä, 15 taajuushyppelyä ja epäjatkuvaa lähetystä DTX (Discontinuous

Transmission). DTX tarkoittaa sitä, että puhetaukojen aikana lähetys katkaistaan. Näin saavutetaan vastaanotossa pienempi häiriö, hyvä taajuusdiversiteetti ja parempi koodin suorituskyky.

20 Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin viitaten oheisiin kuviin, joista kuva 1 esittää WLL-järjestelmän periaatetta kuva 2 kuvaa ohjauskanavan ylikehystä ja kuva 3 on esimerkki keksinnön mukaisesta BCCH-kanto-25 aaltojärjestelystä.

WLL-sovelluksissa voi tilaaja liikkua kotisolussaan mutta solujen välinen handover on estetty. Sen vuoksi on tarpeetonta mitata naapuriasemien BCCH kantoaallon voimakkuutta. Tämän vuoksi ei keksinnön mukaisessa WLL-jär jestel-30 mässä BCCH kantoaaltoa tarvitse lähettää jatkuvasti tätä kantoaaltotaajuutta cO käyttävän kehyksen kaikissa aikaväleissä vaan lähetetään maksimiteholla vain aikaväleissä, jotka muodostavat BCCH kanavan ja CCCH kanavan. Tämä aikaväli on kuvassa 3 RF-kanavan cO aikaväli TNO. Muita kanto-35 aaltotaajuutta cO käyttävän kehyksen aikavälejä TN1,... ,TN7 8 100076 voidaan käyttää liikennekanava-aikaväleinä tarpeen mukaan. Näissä aikaväleissä taajuudelle cO käytetään tehonsäätöä normaaliin tapaan. Koska kantoaaltoa ei lähetetä maksimiteholla tai ei lähetä lainkaan, alenee yhteiskanavahäiriö 5 merkittävästi.

Kun solulle on allokoitu vain yksi TRX, kuvassa 3 taajuus cO, voidaan silti suorittaa taajuushyppy BCCH-taa-juuden cO ja syntetoitavan taajuuden cl välillä käyttämällä samaa lähetin/vastaanotinta. Erästä mahdollista taajuushyp-10 pelyä käyttävää kanavaa on esitetty näiden RF-kanavien aikavälejä yhdistävällä nuolilla. Kanava muodostuu kehyksen neljännestä aikavälistä. Yhdellä taajuussyntetoijalla selvitään, koska lähetettäessä pursketta taajuuden Cl neljännessä aikavälissä ei samanaikaisessa taajuuden cO neljän-15 nessä aikavälissä tarvitse lähettää lainkaan BCCH-kantoaal-toa.

Kun solulle on allokoitu useita TRX-taajuuksia, voidaan taajuushyppely suorittaa näiden taajuuksien välillä ja pitää BCCH-kantoaalto cO poiskytkettynä aikaväleinä 20 TNl,...,TN7. Mainittuja aikavälejä voidaan tietysti hyö dyntää liikennekanavakäyttöön, jolloin kantoaallolle suoritetaan normaalin tehonsäätö ja jolloin nämä aikavälit ovat käytettävissä myös taajuushyppelyyn.

Käytettäessä keksinnön mukaista järjestelyä BCCH-25 kantoaallon suhteen voidaan standardin mukaisesta GSM-jär-jestelmästä jättää eräitä ominaisuuksia pois: hand-over-al-goritmia ei tarvitse suorittaa ja siksi tukiaseman ei tarvitse lähettää naapurisolujen luetteloa eikä tilaajalaitteen tarvitse monitoroida naapurisolujen BCCH-kantoaaltoa 30 ja suorittaa siihen liittyviä mittauksia eikä raportoida mittaustuloksia verkkoon päin. Jos taajuushyppelyä ei suoriteta, ei BCCH-kantoaaltoa tarvitse lähettää jatkuvasti vaan ainoastaan aikavälissä ΤΝ0.

Edellisen lisäksi keksinnön etu on, että erityisesti 35 pienikapasiteettisten solujen kyseessä ollen on verkossa tl 100076 9 taajuuksien uudelleenkäyttö tehokkaampaa, koska voimakas kantoaalto ei ole jatkuvasti päällä. Lisäksi päätelaitteen tehonkulutus pienenee, koska ei tarvitse monitoroida naapu-ritukiasemien BCCH-kantoaaltoa. Tämä on tärkeä seikka, sil-5 lä useissa tapauksissa päätelaitteet ovat akkukäyttöisiä.

On ymmärrettävä, että edellä oleva selitys ja siihen liittyvät kuviot on ainoastaan tarkoitettu havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä. Alan ammattimiehille tulevat olemaan ilmeisiä erilaiset keksinnön variaatiot ilman että 10 poiketaan oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnön suojapiiristä ja hengestä.

Claims (7)

10 100076 Patenttivaatimukset s

1. Johdottoman tilaajaliitännän toteuttava radiojärjestelmä, johon kuuluu tukiasemia ja tilaajaverkkoelement- 5 ti, joka liittää johdottomat päätelaitteet (T) kiinteän verkon puhelinkeskukseen, johdottoman päätelaitteen ja tukiaseman (2, 3) välisen ilmarajapinnan ollessa pääosin sellaisen TDMA-matkaviestinjär jestelmän mukainen, jossa kehyksen, jonka kantoaalto on signaloinnin peruskantoaalto 10 (cO), ainakin yksi aikaväli (esim. TNO) on ohjauskanavan (FCCH, SCH, BCCH, CCCH) aikaväli, jolla tukiasema lähettää vakioteholla johdottomille päätelaitteille tarkoitettua ohjausinformaatiota, tunnettu siitä, että mainitun kehyksen muissa aikaväleissä ( esim. TN1,...,TN7) lähete- 15 tään purske vain tarvittavissa aikaväleissä (esim. TN2).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiojärjestelmä, tunnettu siitä, että aikaväli (esim. TN2), jolla purske lähetään, on liikennekanavan aikaväli ja että purs-keen kantoaaltona toimivan signaloinnin kantoaallon (cO) 20 lähetystehoa säädetään matkaviestinjärjestelmän edellyttämällä tavalla.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiojärjestelmä, tunnettu siitä, että kehyksen aikavälin ollessa muu kuin liikennekanavan aikaväli tai ohjauskanavan aikaväli, 25 ei signaloinnin kantoaaltoa (cO) lähetetä lainkaan.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiojärjestelmä, tunnettu siitä, että kehyksen liikennekanavan aikavälissä on taajuushyppely sallittu.

5. Patenttivaatimuksen 2 tai 4 mukainen radiojärjes- 30 telmä, tunnettu siitä, että liikennekanavalla käytetään epäjatkuvaa lähetystä (DTX).

6. Patenttivaatimuksen 1 tai 4 mukainen radiojärjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmässä on tukiasemalle osoitettu yksi TRX taajuus, joka on signaloinnin 35 kantoaallon taajuus (cO) ja ainakin yksi muu taajuus (cl) II -10007 6 11 ja että liikennekanavalla taajuushyppy on TRX-taajuuden ja muun taajuuden (cl) välillä, jolloin molemmat taajuudet muodostetaan samalla taajuussyntetoijalla.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiojärjestelmä, 5 tunnettu siitä, että johdoton päätelaite (T) kuun-telee vain sille määrätyn tukiaseman ohjauskanavalla lähettämää informaatiota. 12 100076