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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Zellularnetze der 3. Generation,
und dort speziell das ATM-Backbone-Vermittlungsnetz zwischen einer
Basisstation und anderen Basisstationen oder anderen Netzen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Zellularfunksysteme der ersten und zweiten Generation sind heute überall in
der Welt vielfach im Einsatz und stellen mobilen Nutzern Telekommunikationsleistungen
zur Verfügung.
Um mit dem Kapazitätsbedarf
zusammenhängende
Probleme zu überwinden
und um Text- und Datennachrichten übertragen zu können, wurden
Funksysteme der 3. Generation vorgeschlagen. Ein solches System der
3. Generation ist das von der Organisation „Third Generation Partnership
(3GPP)" vorgeschlagene UMTS-System
(universal mobile telecommunications system, universelles System
für mobile
Telekommunikation).
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In
den letzten Jahren ist eine sehr starke Steigerung der Nachfrage
nach Netzkapazität
und -bandbreite entstanden. Eine bevorzugte Netztechnologie ist
die ATM-Technologie (asynchronous transfer mode, asynchroner Übertragungsmodus). Die
ATM-Technologie verbessert die herkömmlichen Vermittlungsnetze
durch Einführung
virtueller Leitungen und intelligenter Vermittlungsverfahren. Die
Zuweisung von Bandbreite an die virtuellen Leitungen und deren Übertragungseigenschaften
wie etwa Laufzeiten und Laufzeitänderungen
können
für die Anforderungen
jeder speziellen Anwendung maßgeschneidert
werden.
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Darüber hinaus
arbeiten ATM-Netze typischerweise in einem breiteren und höheren Geschwindigkeitsbereich
als andere Netztopologien, die üblichen
Leitungsübertragungsraten
für Daten
liegen bei 600 Mbps, wobei aber in bestimmten Anwendungen auch mehr
als 10 Gbps erreicht werden. Das ATM-Protokoll ist für die Übertragung über eine
zuverlässige
physikalische Schicht wie etwa Glasfaserkabel, Richtfunkstrecken
etc. bestimmt.
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Die
ATM-Technologie ist für
die Übertragung von
Nutz- und Steuerungsdaten (die „Daten") zwischen Basisstationen und der steuernden
Instanz, als RNC (radio network controller, Funknetz-Steuereinheit) bezeichnet,
spezifiziert worden. Die von den einzelnen Basisstationen kommenden
Daten werden über
einen Knoten (bei 3G-Systemen als „B-Knoten" bezeichnet) über eine ATM-Vermittlung zu einer
RNC geleitet, oder es kommunizieren – in Gebieten mit hoher Basisstationsdichte – mehrere
B-Knoten mit einem B-Knoten-Konzentrator, wo die ATM-Kommunikation
mit der RNC stattfindet. In „MA-WATM:
A new approach towards an adaptive wireless ATM-network" (AGHA AL K et al.)
vom 2. Mai 1999 wird ein ATM-Funknetz beschrieben.
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Es
werde nun 1 betrachtet,
die ein 3G-Netz zeigt: Basisstationen 12 arbeiten als Schnittstellen
zwischen mobilen Nutzern 10 und der RNC 14 (Iub-Schnittstellen),
ansonsten von der 3GPP als ein B-Knoten bezeichnet; der B-Knoten sendet
und empfängt
Signale an die bzw. von der RNC 16. Dementsprechend gehört jeder
B-Knoten zur Funkschnittstellen-Infrastruktur
(Transceiver, Leistungsverstärker,
Antennen sowie zugehörige Steuerungseinrichtungen)
und bildet eine terrestrische Übertragungs-Infrastruktur. Ein
B-Knoten könnte
ein ATM-Konzentrator (ATM-Switch) sein, welcher IMA (inverse multiplexing
over ATM, inverses Multiplexen über
ATM) unterstützt,
oder er könnte
ein B-Knoten sein, welcher zugleich als UMTS-Basisstation und ATM-Konzentrator
arbeitet. Die letztgenannte Konfiguration wird oft als Iub-Hub-Konfiguration bezeichnet.
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Ein
B-Knoten-Konzentrator kann deshalb als kosteneffizienter angesehen
werden. Die Entwicklung von 3G-Netzen hat sich bisher als kostenträchtig erwiesen
und es werden Kostensenkungsmaßnahmen
ergriffen, wo immer es geht. Der Einsatz einer Verbindung zwischen
B-Knoten-Konzentrator und RNC ermöglicht die Verlegung von Übertragungsleitungen
hoher Bitraten.
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Zum
kosteneffizienten Vergrößern der
Bandbreite wird inverses Multiplexen über ATM (auch ATM (IMA) genannt)
verwendet. Günstigerweise
kann man mittels ATM (IMA) durch Gruppieren billiger E1-Leitungen
mit 2 Mbit/s oder durch Verwenden von Richtfunkstrecken eine Übertragungsverbindung
mit einer Bandbreite von n × 2
Mbit/s realisieren. Bei 3GPP könnten
zusätzlich
zu E1-Leitungen auch T1- Leitungen
(1,5 Mbit/s) benutzt werden. Das IMA kann auf E1-, J1- und T1-Leitungen
basieren: Standardisierungsgremien in Europa, Japan und Amerika tendieren
dazu, diese Leitungen anzunehmen. Diese Leitungen ermöglichen
eine vom Carrier-Protokoll unabhängige
Datenübertragung,
d. h. sie sind für
das jeweilige Carrier-Protokoll transparent. Zur Vereinfachung der
Beschreibung wird im Folgenden bei Bezügen auf solche Protokolle immer
nur E1 angegeben, doch ist es offensichtlich, dass auch J1-, T1- oder
gleichwertige Standards genutzt werden können. In ähnlicher Weise ist überall der
Ausdruck „B-Knoten" verwendet worden,
worunter auch gleichwertige Arten vom Knoten zu verstehen sind.
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Im
Falle des Ausfalls einer Übertragungsverbindung
neigt ein gemäß 1 aufgebautes System zu
einem Ausfall der gesamten Kommunikation.
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Ziel der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung will ein zellulares Kommunikationssystem der
3. Generation mit einer verringerten Ausfallwahrscheinlichkeit ermöglichen.
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Überblick über die
Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Funkkommunikationsnetz der
3. Generation vorgestellt, welches mehrere Basisstations-Funkschnittstellen,
die eine zellulare Funkabdeckung bieten, sowie mindestens einen
(1) B-Knoten und eine Funknetz-Steuereinheit (RNC) umfasst,
- wobei
die zwischen den Funkschnittstellen und der RNC übertragenen Signale und Signalisierungsdaten über den
besagten mindestens einen B-Knoten geroutet werden;
- wobei der besagte mindestens eine B-Knoten eine IMA-Funktionalität besitzt;
- wobei die zwischen dem besagten mindestens einen Knoten und
der RNC übertragenen
Signale und Signalisierungsdaten im ATM-Modus übertragen werden;
- und wobei es zwischen dem besagten mindestens einen Knoten und
der RNC mindestens 2 Signalwege gibt, mittels derer ein IMA-Schutzmodus oder
ein IMA-Aggregationsmodus bereitgestellt wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
gibt es mehrere Netzinstanzen, die B-Knoten und eine RNC umfassen,
- wobei
jeder Knoten mit mindestens 2 anderen Knoten oder mit mindestens
einem (1) anderen B-Knoten und der RNC kommunizieren kann;
- wobei es physische Verbindungen zwischen der Funkschnittstelle
und jeden B-Knoten gibt;
- wobei es zwischen jedem B-Knoten und mindestens 2 anderen Netzinstanzen
mindestens 2 Signalwege gibt.
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Bei
einer dritten Ausführungsform
gibt es mehrere Knoten,
- wobei die B-Knoten so gruppiert
sind, dass sie mit mindestens einem (1) B-Knoten-Konzentrator kommunizieren;
- wobei der mindestens eine Konzentrator mit der RNC kommuniziert;
- und wobei es zwischen dem mindestens einen B-Knoten-Konzentrator
und der RNC mindestens 2 Übertragungswege
gibt.
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Vorzugsweise
gibt es zwischen den B-Knoten und den Knoten-Konzentratoren mehrere Übertragungswege.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
eine kosteneffiziente Nutzung von Invers-Multiplexern in Zellularnetzen
der 3. Generation. Die vorliegende Erfindung ermöglicht außerdem eine Erhöhung der Bandbreite
und eine Verbesserung der Bandbreitenverfügbarkeit, beides erreicht unter
Nutzung von billigen, schmalbandigen Übertragungsleitungen wie etwa
E1-Leitungen mit 2 Mbit/s.
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Kurzbeschreibung
der Abbildungen
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Die
Erfindung ist leichter verständlich
und verschiedene weitere ihrer Aspekte und Eigenschaften lassen
sich erkennen, wenn man die nachfolgende Beschreibung und die beigefügten Abbildungen hinzuzieht.
Es sind folgende Abbildungen vorhanden:
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1 zeigt ein Beispiel eines
Netzes der 3. Generation, konfiguriert gemäß dem derzeit definierten Standard.
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2 zeigt ein Beispiel einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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3 zeigt zwei Arten von Invers-Multiplexer-Verbindungen
mit E1-Leitungen.
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4 zeigt ein Beispiel einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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5 und 6 zeigen die Auswirkung von Ausfällen bei
der ersten und zweiten Ausführungsform
der Erfindung entsprechend aufgebauten Netzen.
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7 zeigt das Prinzip des
inversen Multiplexens über
ATM.
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8 zeigt die Selbstheilungseigenschaften
eines der Erfindung entsprechend aufgebauten ATM-Netzes.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Es
wird nun anhand eines Beispiels die Art und Weise beschrieben, die
nach Meinung der Erfinder die am besten geeignete zum Realisieren
der Erfindung ist. In der folgenden Beschreibung werden bestimmte
Einzelheiten genannt, um ein vollständiges Verstehen der vorliegenden
Erfindung zu ermöglichen.
Der Fachmann wird allerdings erkennen, dass die vorliegende Erfindung
auch mit Abänderungen dieser
bestimmten Einzelheiten in die Praxis umgesetzt werden kann.
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1 zeigt ein gemäß dem derzeitigen Standard
konfiguriertes 3G-System. Ein mobiler Nutzer 10 kommuniziert
per Funk mit einer zu einem B-Knoten 14 gehörenden Funkschnittstelle 12.
Der B-Knoten kommuniziert über
ein ATM-Übertragungsnetz 18 mit
einer Funknetz-Steuereinheit
(RNC) 16. Tritt an irgendeiner Stelle des Übertragungsnetzes ein
Ausfall auf, so ist eine Kommunikation zwischen Knoten auf unterschiedlichen
Seiten der Ausfallstelle unmöglich.
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2 zeigt eine erste Ausführungsform
der Erfindung. Ein mobiler Nutzer 10 kommuniziert per Funk
mit einer Basisstations-Funkschnittstelle 12. Das
ATM-Netz ist in diesem Falle allerdings ein dezentrales Netz, in
welchem jeder B-Knoten 14 über mindestens 2 Übertragungswege
oder -verbindungen 18 mit der Funknetz-Steuereinheit 16 kommunizieren
kann. Praktischerweise bestehen die Verbindungen aus einer Anzahl
n von E1-Verbindungen. Der Übertragungsweg
kann eine Glasfaserverbindung, eine Funkverbindung oder eine andere
Verbindung sein. Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wie
sie 2 zeigt, ist jeder
B-Knoten mit einem Invers-Multiplexer 20 ausgerüstet, welcher
ein inverses Multiplexen über
ATM zwischen dem Ursprungs-B-Knoten – über irgendwelche dazwischen liegende
B-Knoten – mit
der Funknetz-Steuereinheit erlaubt.
Das IMA tauscht zwecks Signalisierung spezielle Steuerungs-ATM-Zellen
(ICP) zwischen IMA-Knoten aus. Diese Funktion wird auch IMA-Signalisierung
oder ATM-Schicht-Signalisierung
genannt.
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Es
gibt verschiedene Verfahren, nach denen der Invers-Multiplexer arbeiten
kann. In den 3a und 3b beinhaltet ein Übertragungsweg 18 eine
Anzahl von E1-Leitungen 30 sowie die Blöcke 22, 24, 26 u. 28,
welche Transceiver darstellen, die das Durchführen von E1-Kommunikation über den Übertragungsweg
ermöglichen.
Die E1-Leitungen
können entweder
(wie in 3a gezeigt)
selektiv mit den zu jedem B-Knoten gehörenden Invers-Multiplexern 20 verbunden
werden, oder es können
sämtliche E1-Leitungen
mit dem Invers-Multiplexer 20 verbunden
werden.
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Folglich
beinhaltet die Kommunikation zwischen zwei B-Knoten über einen
dazwischen liegenden B-Knoten ein zu dem Invers-Multiplexer des
dazwischen liegenden B-Knoten gehörendes inverses Multiplexen
oder auch nicht.
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Es
werde nun 4 betrachtet,
die eine zweite Ausführungsform,
einen B-Knoten-Konzentrator 32 enthaltend, zeigt:
Die
B-Knoten kommunizieren hinsichtlich einer Funknetz-Steuereinheit
unter Nutzung des Knoten-Konzentrators. Es gibt 2 Verbindungen zwischen
dem Knoten-Konzentrator und der Funknetz-Steuereinheit, und es gibt
2 Verbindungen zwischen jedem B-Knoten und dem B-Knoten-Konzentrator 32.
Bei dieser zweiten Ausführungsform
kann mit Übertragungsleitungen
höherer
Bitrate gearbeitet werden, was typischerweise in Gebieten hoher
Nutzeraktivitäten
der Fall ist. Gemäß der Erfindung
wird IMA (inverses Multiplexen über
ATM) verwendet, um kosteneffizient die Bandbreite zu erhöhen und
mindestens 2 Übertragungsleitungswege
zwischen Quell- und Zielknoten verfügbar zu machen. Hierbei ergibt
sich ein Vorteil durch Redundanz: Wenn eine Übertragungsleitung oder ein
Datenweg unterbrochen ist, kann der Kommunikationsverkehr auf den
oder die verbleibenden Datenwege umgeschaltet werden. Darüber hinaus
verbessert das Bereitstellen von mindestens 2 Kommunikationswegen
die Kanalverfügbarkeit.
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In
den 5 and 6 ist die Auswirkung einer Unterbrechung
eines Kommunikationsweges zu einer Funknetz-Steuereinheit illustriert:
Die Unterbrechungen 44 bzw. 46 in der jeweiligen
Abbildung können
durch das Fortbestehen der Signalisierung überwunden werden, wenn auch
nur auf dem Weg über die
verbleibende, aus mehreren E1-Leitungen bestehende Übertragungsleitung.
Selbstverständlich
ist es möglich,
im ersteren Fall mehr als 2 Übertragungsleitungen
zu haben. Die Richtung der Signalisierung von den betroffenen B-Knoten
aus wird durch mit 34, 36 ,38 und 40 bezeichnete
Pfeile angedeutet.
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Es
werde nun 7 betrachtet,
anhand der nun die Prinzipien des inversen Multiplexens über ATM
besprochen werden. Das inverse Multiplexen über ATM (IMA) kann dazu benutzt
werden, n Stück 2-Mbit/s-Übertragungsleitungen
zu zwischen 51 und 52 liegenden IMA-Gruppen mit einer
Bandbreite von n × 2
Mbit/s zusammenzufassen. Für
den Fall, dass eine der n Übertragungsleitungen
ausfällt,
kann das inverse Multiplexen über
ATM so konfiguriert werden, dass eine standardisierte Selbsterholung
der IMA-Gruppe möglich
wird. Bei dieser Umschaltung kann der Betrieb der IMA-Gruppe fast
unterbrechungslos unter Nutzung der verbleibenden Leitungen weiterlaufen.
Jede 2-Mbit/s-Leitung kann fast jeden beliebigen Weg durch das UMTS-Funkzugangsnetz
nutzen, weil IMA Laufzeitunterschiede von 25 ms oder mehr zwischen
den Leitungen ausgleichen kann (siehe „ATM Forum Technical Specification af-phy-0086.00x").
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Bei
guter Netzplanung können
sämtliche zum
Verbinden der B-Knoten-Konzentratoren
mit der RNC benutzten 2-Mbit/s-Leitungen so angeordnet werden, dass
eine dem oben beschriebenen, geschlossenen Ring vergleichbare Struktur
entsteht. IMA-Gruppen fassen 2 oder mehr Leitungen zwischen der
RNC und jedem B-Knoten-Konzentrator zusammen. Es werde nun 8 betrachtet; wenn – wie abgebildet – dieser
IMA-Ring aufgetrennt wird (d. h. wenn eine Verbindung ausfällt), dann
stellt der Selbsterholungs-Mechanismus des IMA-Schutzmodus sicher,
dass die B-Knoten-Konzentratoren mit der RNC verbunden bleiben.
Eine einfache Verkehrssteuerung stellt sicher, dass es – nach einer
Ringunterbrechung – zwischen
der RNC und jedem B-Knoten-Konzentrator
eine ausreichende Menge von in IMA-Gruppen zusammengefassten Übertragungs-Ressourcen
gibt: Im IMA-Schutzmodus ist der Bandbreitenparameter beispielsweise
bei E1 äquivalent
zu n × 1812
Zellen/s. Die Verbindungsannahmesteuerung muss allerdings sicherstellen,
dass die vorgeschlagene Verbindung eines neuen ATM-Knotens mit PCRi (peak cell rate, Spitzen-Zellrate) akzeptabel
ist, falls SIGMA PCRi < Bandbreitenparameter ist. (Dies ist
die Verkehrssteuerung für
den Schutzmodus.)
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Im
IMA-Aggregationsmodus, in dem die Kosten der dominante Faktor sind,
wird IMA lediglich zur Erhöhung
der Bandbreite genutzt. Fällt
eine einzelne Leitung aus, so wird die gesamte IMA-Gruppe außer Betrieb
genommen, bis die defekte/n Leitung/en repariert ist/sind. Im IMA-Aggregationsmodus
ist der Bandbreitenparameter beispielsweise bei E1 äquivalent
zu n × 3849
Zellen/s. Die Verbindungsannahmesteuerung muss allerdings sicherstellen,
dass die vorgeschlagene Verbindung eines neuen ATM-Knotens mit PCRi akzeptabel ist, falls SIGMA PCRi < Bandbreitenparameter
ist. (Dies ist die Verkehrssteuerung für den Aggregationsmodus.)
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In 7 wird ein einzelner Strom 53 von ATM-Zellen
der ATM-Schicht
an einem Eingang 55 in die IMA-Gruppe 51 geführt. Die
virtuelle IMA-Verbindung umfasst 3 physische Verbindungen 56, 57 und 58,
die zu den zur IMA-Gruppe 51 gehörenden Ein-/Ausgängen 59, 60 und 61 für physische
Verbindungen gehören.
An den Ein-/Ausgängen 62, 63 und 64 der
IMA-Gruppe 52 sind die 3 physischen Verbindungen angeschlossen.
Die Zellen 65, 66 und 67 des Stroms von
ATM-Zellen werden über
physische Verbindungen 56, 58 der IMA-Gruppe 51 zur
IMA-Gruppe 52 transportiert,
wo sie wieder miteinander vereinigt werden, um den ursprünglichen
Strom von ATM-Zellen zu repräsentieren.
In 8 ist die physische
Verbindung 56 außer
Betrieb: Die ATM-Zelle 65 wird über die
physische Verbindung 58 transportiert.
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Zusammenfassend
gesagt, wird durch das Bereitstellen von mehreren Datenwegen in
3G-Netzen und den Einsatz inversen Multiplexens für ATM ein
Schutzmodus oder ein Aggregationsmodus verfügbar, deren Vorteile sich aus
der bisherigen, sich mit dem Standard befassenden Literatur weder schließen lassen
noch darin beschrieben sind. Die Nutzeffekte der Erfindung werden
für so
groß gehalten,
dass sie jeden denkbaren Vorteil beim Erreichen niedriger Einrichtungskosten
bei weitem überwiegen. Im
IMA-Schutzmodus stellt eine einfache Verkehrssteuerung sicher, dass
es – nach
einer Ringunterbrechung – zwischen
der RNC und jedem B-Knoten-Konzentrator eine ausreichende Menge
von in IMA-Gruppen zusammengefassten Übertragungs-Ressourcen gibt.