SE522655C2 - Skalbart, trådlöst kommunikationsnät - Google Patents

Description

l0 15 20 25 30 35 522 655 2 i det andra systemet p g a återanvändning av radiofrek- venser.

Vissa arkitekturer för trådlösa kommunikations- system, såsom de som baseras på den tillfälliga standar- den, IS-95-A, för ett trådlöst, koduppdelat, fleraccess- kommunikationssystem (CDMA), övervinner dock begräns- ningarna i radiofrekvensresurser genom att erbjuda en möjlighet för ett flertal användare att använda vanliga radiofrekvenser. Kapacitetsproblem eller begränsningar av en användares möjlighet att begära access till och an- vända dessa system kan kvarstå som ett resultat av en be- gränsning av antalet användare som systemet kan behandla.

Den uppenbara lösningen här är att utöka systemets kapa- citet. Olyckligtvis är dagens systemarkitekturer inte konstruerade för enkel utökning, eller skalning, av systemkapaciteten.

Exempelvis torde det vara tänkbart att genom att helt enkelt lägga till ytterligare utrustning för hante- ring av de ytterligare användarna skulle kapacitetspro- blemen lösas. Tillägget av utrustning, och i synnerhet CDMA-baserade, trådlösa kommunikationssystem, skapar dock vissa systemprestandaproblem. Allt eftersom ytterligare systemkapacitet i formen av t ex ytterligare bassänd- tagarstationer (BTS), basstationsstyrenheter (BSC) och mobila omkopplingscentra (MSC) läggs till blir det sam- manlagda området som täcks av varje MSC-BSC/BTS-grupp mindre. Detta medför flera skarvar, dvs fler gränssnitt mellan täckningsområden.

Ytterligare skarvar i kommunikationssystemet kan medföra mer frekventa hand-offzer och i synnerhet flera "hårda" hand-off:er. Ytterligare skarvar kan också kräva ytterligare användande av behandlingsresurser och kan resultera i ökade röstfördröjningar p g a trafiksamman- koppling och ökad väntetid för exekvering av samtalbe- handlingsprocedurer. Skarvar kräver ytterligare system- _ n ~»-. vw., w. v» 10 15 20 25 30 35 522 655 3 teknik och leder i många fall till minskad samtalskvali- tet.

CDMA-kommunikationssystem nyttjar en procedur, som är känd som "mjuk" eller "mjukare" hand-off, för minsk-. ning av samtalskvalitetsförsämring, som härrör från hårda hand-offzer, genom att ge mobilstationen möjlighet att kommunicera med ett flertal BTS:er. Mjuk hand-off används fördelaktigt när mobilstationen rör sig från ett område som täcks av en BTS till ett område som täcks av en annan BTS. Under mjuk hand-off står mobilstationen alltid i aktiv förbindelse med åtminstone en BTS, även när den förflyttar sig genom systemet från BTS-täckningsområde till BTS-täckningsomràde. Detta möjliggörs av att varje BTS arbetar med styrning från en särskild BSC, som an- vänder en gemensam uppsättning radiofrekvenser.

Hårda hand-off-skarvar har nästan alltid en negativ inverkan på samtalskvaliteten och undviks därför så mycket som möjligt. En hård hand-off kan uppstå när en mobilstation flyttas från ett geografiskt område, som betjänas av en första BSC, till ett geografiskt område, som betjänas av en andra BSC. En hand-off mellan en BTS som betjänas av den första BSC:n och en BTS som betjänas av den andra BSC:n erfordrar att en kommunikationslänk etableras i den andra BSC:n genom den lämpliga BTS som är associerad med den andra BSC:n. När en hand-off är nöd- vändig, dvs när mobilstationen rör sig ut ur den första BTS:ns trafikomràde till området som betjänas av den andra BTS:n, måste mobilstationen återigen etablera sam- talet genom den andra BSC:n. Kommunikation med ett fler- tal BTS:er är i allmänhet inte möjlig i denna mod. Av större vikt är att kommunikation mellan mobilstationen och BTS:n/BSC:n vanligtvis avbrytes momentant. Sålunda torde det inses att utökning av kapacitet med hjälp av ytterligare MSC:r, BSC:r och BTS:r kommer att öka antalet skarvar och kan i synnerhet resultera i en ökning av skarvar med hård hand-off och tillhörande tjänstavbrott. so: øn 10 15 20 25 30 35 522 655 .aa ==: 4 Sålunda finns det ett behov av en arkitektur för ett trådlöst kommunikationssystem vilken är enkel att skala, dvs expandera allt eftersom antalet användare av systemet ökar. Det är viktigt att sådana systemutökningar kan åstadkommas till en minimal kostnad och utan att minska systemprestandan.

Kort beskrivning av ritningarna Fig 1 visar schematiskt ett trådlöst kommunikations- system enligt känd teknik.

Fig 2 visar schematiskt ett trådlöst kommunikations- system enligt känd teknik, vilket har expanderats till dubbel kapacitet.

Fig 3 visar schematiskt det trådlösa kommunikations- systemet i fig 1, vilket är omkonstruerat enligt en före- dragen utföringsform av föreliggande uppfinning.

Fig 4 visar schematiskt illustration av ett trådlöst kommunikationssystem som är utökat till dubbel kapacitet enligt en föredragen utföringsform av föreliggande upp- finning.

Fig 5 visar schematiskt ett trådlöst kommunikations- system som är utökat till dubbel kapacitet enligt en alternativ, föredragen utföringsform av föreliggande upp- finning.

Detalierad beskrivning av de föredragna utföringsformerna Föreliggande uppfinning kommer att beskrivas med hjälp av ett flertal föredragna utföringsformer och sär- skilt med hjälp av ett trådlöst kommunikationssystem enligt IS-95-A-standarden för ett trådlöst, koduppdelat, fleraccess- (CDMA) kommunikationssystem. I fig 1 visas i exemplifierande syfte ett trådlöst kommunikationssystem 10 enligt känd teknik, vilket innefattar en mobil omkopp- lingscentral (MSC) 12, en första basstationsstyrenhet (BSC) 14 och en andra BSC 16 vilka var och en betjänar ett trafikomràde 18 resp 20 i ett totalt trafikomràde 22.

Som är känt för sådana system har varje BSC 14 och 16 till sig associerade ett flertal bassändtagarstationer n - an. nu 10 15 20 25 30 35 522 655 5 (BTS) 24 resp 26. Ehuru endast tvà BTS:er visas per trafikomràde 18 och 20 torde det inses att ytterligare eller färre BTS:er kan implementeras efter behov och utan att fràngà uppfinningstanken. MSC 12, BSC:er 14 och 16 och BTS:er 24 och 26 är specificerade och verkar enligt IS-95-A-standarden för àstadkommande av trådlösa kommu- nikationstjänster till mobila stationer (allmänt visade som 30) som verkar i trafikomràdena 18 och 20. Återigen är föreliggande uppfinning dock inte begränsad till den särskilda kommunikationsstandarden som är implementerad, och uppfinningen är användbar i sådana andra standarder som analogcellulär, GSM-digitalcellulär (Global System for Mobile Communications) och digitala, tidsuppdelade, fleraccess-cellulärsystem (TDMA) enligt IS-55.

BTS:erna, som är associerade till BSC 14 och är anordnade enligt IS-95-A-standarden, tillhandahåller betjäning i trafikomràdet 18 med hjälp av radiofrekvens- kanaler, eller bärare, Cl och C2. Likaså tillhandahåller BSC 16 betjäning i området 20 genom användning av radio- frekvenskanaler C1 och C2. Uppdelning av systemet 10 på detta sätt bildar en skarv 28 med hård hand-off mellan trafikomràdena 18 och 20. När en mobilstation 30 flyttas fràn trafikomràdet 18 till trafikomràdet 20 kan sålunda en hand-off av mobilstationen 30 från BTS 24, som är associerad till BSC 14, till BTS 26, till BSC 16, I fig 2 visas ett utökningsscenario 10' för kommu- som är associerad krävas. nikationssystemet 10. I fig 2 betecknas elementen fràn systemet 10 med samma siffror men med ett tillägg av bokstaven "a". Komponenter som lagts till för att utöka kapaciteten betecknas med samma referenssiffror som mot- svarande komponenter i system 10, men med ett tillägg av bokstaven "b". Kapaciteten för systemet 10' är fördubblad jämfört med systemet 10 genom tillägget av en MSC 12b och BSC:er 14b och 16b. För enkelhetens skull visas inte BTS:erna, men det underförstàs att dessa nyttjas i varje 10 15 20 25 30 35 522 655 n: :vf 6 trafikomràde 18a, 20a, l8b och 20b. BSC:erna l4a och l6a fortsätter att tillhandahålla betjäning i respektive trafikomràde l8a och 20a. BSC:erna l4b och l6b tillhanda- hälla betjäning i trafikområdena l8b och 20b. Varje BSC 14a, l6a, l4b och l6b nyttjar bärare Cl, C2, C3 och C4 för tillhandahållande av betjäning för mobilstationer som verkar i motsvarande trafikomràden. Såsom framträder tyd- ligast i fig 2 har utökandet av systemet 10 till systemet 10' pà detta sätt skapat ytterligare skarvar med hårda hand-offzer. Skarvar 28a med hàrda hand-offzer kvarstår mellan BSC l4a och l6a, en ny skarv 28b är skapad mellan BSC l4b och l6b, och en ny skarv 28c är skapad mellan BSC l6a/MSC 12a och BSC l4b/MSC l2b. Dessutom är den fysiska storleken för varje trafikomràde minskad, vilket leder till en ökad takt av hårda hand-offzer. På detta sätt åstadkommer systemet 10' ökad kapacitet genom tillägget av två ytterligare bärare och ytterligare utrustning, men V till priset av mindre trafikomràden och flera skarvar med hàrda hand-offzer.

I fig 3 visas systemet 10 i fig 1 omkonstruerat som system 100 enligt en föredragen utföringsform av före- liggande uppfinning. Systemet 100 innefattar BSC:er 114 och 116 som är anordnade att tillhandahålla betjäning i vart och ett av två trafikomràden 118 och 120 på en av bärarna Cl resp C2. BSC:erna 114 och 116 är visade som att de understödjer en enda bärare, CX, men det torde inses att de visade bärarna kan vara en uppsättning bärare. Exempelvis kan bäraren Cl vara en uppsättning bärare innefattande bärarna CA, CB, ..., CN. Bärarupp- sättningarna Cl och C2 måste dock vara distinkta. Dess- utom kan det vara möjligt att tillhandahålla ett visst överskott ifall en av BSC:erna 114 och 116 skulle falle- ra. I en sådan implementering kan en bäraruppsättning, t ex bäraruppsättningen C2, som är tilldelad BSC:n 116, användas av en aktiv BSC, dvs BSC:n 114, i den händelse 10 15 20 25 30 35 OO I!! O I II OI ä! il I II Û i, u ~« n. I u nu u | u. a u . . i o n» u 1 u s u. o . v u v _ n: u: -= u -n nu; v. en v . z i p o a m c v. o o v: u I I o a . ~ u .o n en vn av 7 att en BSC, dvs BSC:n 116, fallerar. Detta visas i fig 3 med hjälp av streckade linjer.

Den fysiska storleken för vart och ett av trafik- områdena 118 och 120 motsvarar det totala trafikområdet. 122 för systemet 100, och varje trafikområde 118 och 120 täcker väsentligen samma fysiska område som det totala trafikområdet 122. BSC:erna 114 och 116 är kopplade (genom användning av lämplig ledning och tillbakakanal, eller nät, ej visat i figuren) till basstationerna 124 resp 126, vilka nu är logiskt delade av båda BSC:erna 114 och 116 för tillhandahållande av betjäning för mobilsta- tionerna 30 som verkar i något av trafikomràdena 118 och 120.

Som torde inses ur fig 3 tillhandahåller systemet 100 trådlösa kommunikationstjänster till hela trafikom- rådet 122 utan skarven med hårda hand-offzer som finns i systemet 10. Var och en av BSC:erna 114 och 116 är för- delaktigt kopplad till att nyttja BTS:erna 124 och 126 och att nyttja antingen bäraren Cl eller C2 eller båda.

Typisk BTS-utrustning, såsom den som är tillgänglig hos Motorola, Inc., Schaumburg, Illinois, har kapacitet för ett flertal bärare. I systemet 100 delas en BTS med två bärare logiskt av BSC:erna 114 och 116. Alternativt kan, i frånvaron av BTS:er med ett flertal bärare, två BTS:er med en enda bärare anslutas till BSC 114 resp BSC 116 genom användning av en delad antenn och möjligtvis annan radiofrekvenssändnings- och mottagningshárdvara såsom effektförstärkare, upp- och nedfrekvensomvandlare och dylikt. I detta senare arrangemang kan ett flertal BTS:er ses som att de logiskt delar en och samma fysiska posi- tion och fysiskt delar sändnings- och mottagningshård- vara. Som torde inses tillhandahàlles lämpliga ledningar, backkanaler och nät (ej visade) och de är distinkta för var och en av BSC:erna 114 och 116.

Mobilstationen 30 begär och ges åtkomst till syste- met 100 på det sätt som specificeras i den använda sys- 10 15 20 25 30 35 522 655 8 temstandarden. Systemet 100 är dock ytterligare implemen- terat med lämplig belastningsdistributions- och avlast- ningslogik pà så sätt att baserat pá systembelastning och tillgänglighet tilldelas mobilstationen 30 antingen BSC:n 114 eller 116. När mobilstationen 30 exempelvis försöker begära åtkomst till systemet och det finns flera mobil- stationer tilldelade BSC:n 114, kan mobilstationen 30 tilldelas BSC:n 116. BSC-tilldelning kan också baseras pà mobilstationstypen, tjänsteval, position och/eller ak- tuell eller förutspädd rörlighet. Dessutom är det tänk- bart att mobilstationer 30, som verkar i systemet 100, kan överföras mellan BSC:erna 114 och 116 för balansering av systemet. Det torde inses att ett flertal lämpliga mobilstationstilldelningskriterier kan implementeras utan att man frängàr uppfinningstanken.

Fig 4 visar ett system 100', som utgör systemet 100 expanderat till dubbel kapacitet. Ehuru det i denna diskussion diskuteras om expansion till dubbel kapacitet enligt föredragna utföringsformer, torde det vara uppen- bart att expansion till större eller mindre grad kan implementeras utan att frångà uppfinningstanken. Enheter som finns i systemet 100', såsom visas i fig 3 tilldelas samma referenssiffra med ett tillägg av bokstaven "a".

Liknande enheter som de som visas i fig 3, men som lagts till för utökning av kapaciteten för systemet 100 har samma referenssiffror med ett tillägg av bokstaven "b".

Under fortsatt hänvisning till fig 4 som visar sys- temet 100' innefattande BSC 114a, BSC 116a, BSC 114b resp BSC 116b som var och en är kopplad till MSC 112. Även om en enda MSC visas, kan ett flertal MSC:er användas för att ytterligare utöka kapaciteten och förbättra system- överskottet. Varje BSC 114a, 116a, 114a och 116b är kopp- lad till basstationer (ej visade i fig 4) i totaltrafik- omràdet 122 för tillhandahållande av kommunikations- tjänster i trafikomràdena 118a, 120a, 118b och 120b. Som är var och en av BSC:erna torde inses, och som visas, :nu nu . ~.- q. 10 15 20 25 30 35 522 655 :sgøfgywgïft 9 ll4a, ll6a, 114b och 116b tilldelad en av bärarna Cl, C2, C3 och C4 i ett av trafikområdena ll8a, l20a, ll8b och l20b. Trafikomràdena ll8a, ll8b och l20b täcker vardera väsentligen samma fysiska område, dvs totaltrafikområdet. 122. görande syfte.) BTS:erna är BTS-utrustning med ett fler- (Trafikomràdena visas separerade i fig 4 i klar- tal bärare eller kan de vara kombinationer av BTS-utrust- ning med enstaka eller ett flertal bärare, som fysiskt delar en och samma antenn och tillhörande hårdvara och som logiskt delar en och samma fysiska position i syste- met 100. Alternativt kan BSC:erna 114a, ll6a, l14b och 1l6b driva bärarpar i respektive par för trafikområdena ll8a, l20a, ll8b och l20b.

Såsom antytts ovan är lämplig lastbalanserings- och utjàmningslogik implementerad som antingen en del av BTS:erna och/eller MSC:erna, men den kan också vara implementerad som en del av BSC:erna. Mobilstationer 30 som begär åtkomst till systemet 100' enligt den använda standarden, tilldelas en av bärarna och därigenom en av BSC:erna ll4a, ll6a, ll4b och l16b som betjänar total- området 122.

Systemet 100' visas med trafikomràdena ll8a, 120a, ll8b och l20b likformigt överlappande varandra och täckande hela totala trafikomràdet 122. Som torde inses kan dock trafikområdena vara förskjutna baserat pà bas- stationspositioner och inriktning, antenndelning och andra kända tekniker för trafikomràdeskonstruktion. Ett sådant arrangemang visas för systemet 100" i fig 5. Lika referenssiffror används igen för att beskriva lika en- heter med tillägget av ett '-tecken för trafikomràden ll8a', l20a', ll8b' och l20b', vilka nu är förskjutna med avseende på varandra, men delar en gemensam del 132, såsom visas i fig 5. På detta sätt kan expandering ut- sträckas bortom det ursprungliga totala täckningsomràdet 122. resurser i begränsade områden, såsom den gemensamma delen Eller, såsom också är föredraget, kan hopslagning av ...ann 1 '- canon: v- suv. «v-. 10 15 20 25 30 35 522 655 10 132 där kommunikationstrafiktätheten är hög, förbättra utnyttjande och tillgänglighet av kommunikationsresurser.

Under fortsatt hänvisning till fig 5 är det också viktigt att påpeka att med avseende pà systemen 100 och 1oo' kan Bsc erna 114a, 114b, 116a och 11sb vara, och företrädesvis är, placerade fysiskt ätskilda från var- andra. I den händelse av att systemet fallerar vid en BSC-plats år de återstående BSC:erna tillgängliga för àstadkommande av betjäning av totaltrafikomrádet 122.

Kapaciteten kan minskas p g a ett funktionsavbrott i en del av utrustningen men total nedsläckning av trafikområ- den elimineras. BTS:erna för varje trafikomràde är före- trädesvis samplacerade inom en gemensam basstationsbygg- nad och kopplade till en antenn som är placerad vid bas- stationsbyggnaden. Företrädesvis är BTS:erna placerade i ett gemensamt utrustningsstativ i basstationsbyggnaden.

Genom diskussionen av föreliggande uppfinning har en enda kommunikationsstandard för trafikomràden inbegri- pits. Det torde inses att systemet kan implementeras så att ett första område betjänas av kommunikationsutrust- ning enligt en första standard och ett andra trafikomràde betjänas av kommunikationsutrustning enligt en andra standard. Exempelvis är ett första system anpassat för röstkommunikation och ett andra system anpassat för data- kommunikation. Eller är vart och ett av systemen anpassat för röstkommunikation, men enligt olika kommunikations- standarder. I vilket av fallen delar högnivàkommunika- tionsenheter logiskt basstationsutrustning, medan bas- stationerna fysiskt delar viss sändnings- och mottag- ningshàrdvara.

Flera föredragna utföringsformer av föreliggande uppfinning har beskrivits under hänvisning till de med- följande ritningarna. Fackmän torde inse att föreliggande uppfinning kan användas utöver de särskilda utförings- former som beskrivits häri. Sålunda skall uppfinningen ' " n I > a fl °" "', .I | . . . . » ø . I | n n lv 522 655 ll inte utgöra och är inte begränsad till de visade före- dragna utföringsformerna.

Claims (9)

10 15 20 25 30 u u o u ø ø .. , , , ' _ . I 0 ' ' ø v ' » ø n. 522 655 /2 unna . P A T E N T K R A V

1. Trådlöst kommunikationssystem innefattande: en första kommunikationssystemsstyrenhet, som âr anordnad att verka enligt ett kommunikationssystemprotokoll och använda en första kommunikationsresurs; en andra kommunikationssystemsstyrenhet, som är anordnad att verka enligt kommunikationsprotokollet och använda en andra kommunikationsresurs; ett flertal basstationer, som är placerade inom ett trafikområde för trådlöskommunikation för tillhandahållande av trådlösa kommunikationstjänster till detta, varvid en första av basstationerna âr kopplad till den första och den andra kommunikationssystemstyrenheten och kapabel att tillhandahålla betjáning till ett första trafikområde via den första och andra kommunikationsresursen och en andra av basstationerna är kopplad till den första och den andra kommunikationssystemstyrenheten och kapabel att tillhandahålla betjáning till ett andra trafikområde via den första och andra kommunikationsresursen, varvid den första och andra kommunikationsresursen är anordnad via en inbördes exklusiv första och andra kommunikationsbârfrekvens.

2. Trådlöst kommunikationssystem enligt krav 1, varvid den första och andra basstationen är basstation med ett flertal bârfrekvenser vilka âr anordnade för användning av de inbördes exklusiva första och andra kommunikationsbârfrekvenserna.

3. Trådlöst kommunikationssystem enligt krav 1, varvid den första kommunikationsresursen är anordnad att tillhandahålla en första betjâningstyp och den andra kommunikationsresursen âr anordnad att tillhandahålla en andra betjâningstyp. 70595nya krav.doc; 2003-08-27 10 15 20 25 30 522 655 13 ' ° I 0 o o | v a, ' v n o o . . , v o ono- ,

4. Trådlöst kommunikationssystsem enligt krav 3, varvid de första och andra kommunikationsbetjâningstyperna är inbördes exklusiva som en i gruppen som består av: röst och data.

5. Trådlöst kommunikationssystem innefattande: organ för styrning av ett första flertal av kommunikationssignaler i enlighet med ett första kommunikationsprotokoll; V organ för styrning av ett andra flertal av kommunikationssignaler enligt det första kommunikationsprotokollet; första organ som är kopplade till vart och ett av de första och andra styrorganet för sândtagning, i ett första trafikområde, av det första och andra flertalet kommunikationssignaler genom nyttjande av en första respektive en andra kommunikationsresurs; andra organ som är kopplade till vart och ett av de första och andra styrorganet för sândtagning, i ett andra trafikområde, av det första och andra flertalet kommunikationssignaler genom nyttjande av den första respektive den andra kommunikationsresursen, varvid den första och andra kommunikationsresursen âr anordnade genom motsvarande och inbördes exklusiva bârfrekvenser.

6. Trådlöst kommunikationssystem enligt krav 5, varvid sândtagarorganet innefattar en första bassândtagarstation som âr kopplad till det första styrorganet och en andra bassândtagarstation som âr kopplad till det andra styrorganet, och varvid både den första och den andra sândtagarstationen är kopplad till en gemensam sândnings- och mottagningsanordning.

7. Trådlöst kommunikationssystem enligt krav 6, varvid den gemensamma sândnings- och mottagningsanordningen är en i gruppen: en antenn, en förstärkare, en uppfrekvensomvandlare, en nedfrekvensomvandlare. '70595nya kramdoc; 2003-08-27 522 ßßåïfiïf: 14

8. Trådlöst kommunikationssystem enligt krav 5, varvid kommunikationsprotokollet innefattar ett i/ur gruppen: koduppdelat, fleraccess (CDMA), tidsuppdelat, fleraccess (TDMA), globalt system för mobil kommunikation (GSM) och analog cellulâr.

9. Kommunikationssystem enligt krav 5, varvid kommunikationsprotokollet innefattar ett i gruppen: röst och data. 70595nya krav.doc; 2003-08-27