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Hintergrund
der Erfindung
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Die zunehmende Verwendung von drahtlosen
Telefonen und Personalcomputern hat zu einem entsprechenden Bedarf
fortschrittlicher Telekommunikationsdienste geführt, welche einmal nur zur
Nutzung in spezialisierten Anwendungen gedacht waren. In den 1980-ern
wurde die drahtlose Sprachkommunikation allgemein durch das zellulare
Telefonnetz verfügbar.
Derartige Dienste wurden zuerst typischerweise wegen der erwarteten
hohen Teilnehmerkosten als der exklusive Bereich für den Geschäftsmann
betrachtet. Dasselbe galt auch für
den Zugriff auf entfernt verteilte Computernetze. Bis vor sehr kurzem
konnten sich nur Geschäftsleute
und große Institutionen
die notwendigen Computer und die Geräte für den drahtlosen Zugriff leisten.
Als eine Folge der weit gestreuten Verfügbarkeit beider Technologien
möchte
nun die allgemeine Bevölkerung
zunehmend nicht nur einen Zugang zu Netzen, wie z. B. das Internet
und private Intranets haben, sondern auch auf solche Netze auch
in einer drahtlosen Weise zugreifen. Dieses ist insbesondere für die Benutzer
von portablen Computern, Laptop-Computern, in der Hand gehaltenen
persönlichen
digitalen Assistenten und dergleichen von Bedeutung, welche es bevorzugen
würden,
auf derartige Netze zuzugreifen, ohne an eine Telefonleitung gebunden
zu sein.
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Es gibt immer noch keine breit verfügbare zufriedenstellende
Lösung
zum Bereitstellen eines preiswerten, schnellen Zugrangs zu dem Internet, privaten
Intranets und weitere Net ze unter Nutzung der vorhandenen zellularen
Drahtlosinfrastruktur. Diese Situation ist höchst wahrscheinlich ein Artefakt mehrerer
unglücklicher
Umstände.
Zu einem ist die typische Art der Bereitstellung eines Hochgeschwindigkeits-Datendienstes
in der Geschäftsumgebung über das
drahtlose Netz nicht ohne weiteres an den Sprachdienst anpassbar,
der in den meisten Häusern oder
Büros zur
Verfügung
steht. Derartige standardmäßige Hochgeschwindigkeits-Datendienste
eignen sich auch selbst nicht gut zur effizienten Übertragung über standardmäßige zellulare
drahtlose Handgeräte.
Ferner war das vorhandene zellulare Netz ursprünglich nur für die Bereitstellung
von Sprachdiensten ausgelegt. Demzufolge liegt der Schwerpunkt in
derzeitigen digitalen drahtlosen Kommunikationsverfahren auf dem
Sprachdienst, obwohl bestimmte Verfahren, wie z. B. IS-95B, ein
gewisses Maß an
asymmetrischem Verhalten für
die Anpassung an Datenübertragung
bereitstellen. Beispielsweise kann die Datenrate eines Vorwärtsverkehrskanals
nach IS-95B in Inkrementen von 1, 2 kbps bis zu 9, 6 kbps für einen
sogenannten Ratensatz 1 und in Inkrementen von 1,8 kbps bis zu 14,4
kbps für
einen Ratensatz 2 angepaßt
werden. Auf dem Rückwärtsverbindungsverkehrskanal
ist jedoch die Datenrate auf 4,8 kbps beschränkt.
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Vorhandene Systeme stellen daher
typischerweise einen Funkkanal bereit, welcher maximale Datenraten
bestenfalls in dem Bereich von 14,4 Kilobit pro Sekunde (kbps) in
der Vorwärtsrichtung
aufnehmen kann. Ein derartig langsamer Datenkanal eignet sich selbst
nicht direkt zum Übertragen
von Daten bei Raten von 28,8 oder sogar 56,6 kbps, welche nun allgemein
unter Verwendung von preiswerten drahtgebundenen Modems verfügbar sind,
geschweige denn noch höhere
Raten, wie z. B. 128 kbps, welche mit Geräten des "Dienste integrierenden digitalen Netzes" (ISDN) verfügbar sind.
Datenraten bei diesen Werten werden rasch zu den minimal akzeptablen
Raten für
Aktivi täten
wie z. B. das Abfragen von Webseiten. Andere Typen von Datennetzen,
welche Bausteine mit höheren
Geschwindigkeiten benutzen, wie z. B. der "Digitale Teilnehmerleitungs-Technik"-(xDSL)-Dienst kommen derzeit in den Vereinigten
Staaten zum Einsatz.
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Obwohl derartige Netze zu dem Zeitpunkt
als die zellularen Systeme ursprünglich
entwickelt wurden, größtenteils
bekannt waren, liegt keine Vorkehrung für die Bereitstellung von Datendiensten
mit höherer
Geschwindigkeit über
zellulare Netztopologien vor. Leider ist in drahtlosen Umgebungen
der Zugriff auf die Kanäle
durch mehrere Teilnehmer teuer und es besteht ein Wettbewerb für diese.
Unabhängig
davon, ob der herkömmliche
Frequenzvielfachzugriff (FDMA) unter Verwendung einer analogen Modulation
auf einer Gruppe von Funkträgern
oder durch neuere digitale Modulationsverfahren bereitgestellt wird, die
eine gemeinsame Nutzung eines Funkträgers unter Verwendung von Zeitmultiplexmehrfachzugriff (TDMA)
oder durch Codemultiplexmehrfachzugriff (CDMA), ist die Natur des
Funkspektrums die, daß es ein
Medium ist, dessen gemeinsame Nutzung erwartet wird. Dieses unterscheidet
sich ziemlich von der herkömmlichen
Umgebung für
eine Datenübertragung,
in welcher eine drahtgebundene Bandbreite relativ breit ist, und
daher typischerweise nicht für
eine gemeinsame Nutzung vorgesehen ist.
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Mehrfachzugriffsverfahren des CDMA-Typs sind
im allgemeinen dafür
gedacht, theoretisch die effizienteste Nutzung des Funkspektrums
bereitzustellen. CDMA-Verfahren arbeiten jedoch nur dann gut, wenn
die Leistungspegel der einzelnen Übertragungen sorgfältig geregelt
werden. Derzeitige CDMA-Drahtlossysteme, wie z. B. das IS-95B verwenden
zwei unterschiedliche Arten von Leistungsregelung in der Aufwärtsverbindung,
um sicherzustellen, daß sich
ein aus einer gegebenen Teilnehmer einheit an der Basisstation ankommendes
Signal nicht in einer unterbrechenden Weise mit von anderen Teilnehmereinheiten
ankommenden Signalen überlagert.
In einem als Leistungsregelung im offenen Regelkreis bezeichneten
ersten Prozess erfolgt eine grobe Abschätzung des korrekten Leistungsregelungspegels durch
die mobile Teilnehmereinheit selbst. Insbesondere wird sich, nachdem
ein Ruf aufgebaut ist, und wenn sich das Mobilgerät innerhalb
einer Zelle umherbewegt, der Pfadverlust zwischen der Teilnehmereinheit
und der Basisstation kontinuierlich verändern. Das Mobilgerät setzt
die Überwachung
der Empfangsleistung fort und paßt die Sendeleistung an. Insbesondere
mißt die
Mobileinheit einen Leistungspegel auf dem aus der Basisstation empfangenen
Vorwärtsverbindungssignal
und legt dann seine Rückwärtsverbindungsleistung
dementsprechend fest. Somit nimmt dann beispielsweise, wenn der Empfangsleistungspegel
relativ schwach ist, das Mobilgerät an, daß es relativ weit von der Basisstation entfernt
ist und erhöht
seinen Leistungspegel. Das Gegenteil trifft dahingehend zu, daß ein mit
einem relativ hohen Pegel empfangenes Signal anzeigt, daß das Mobilgerät relativ
nahe an der Basisstation ist, und daher mit reduzierter Leistung
senden sollte.
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Da jedoch die Vorwärts- und
Rückwärtsverbindungen
sich auf unterschiedlichen Frequenzen befinden, ist jedoch eine
Leistungsregelung in offener Regelschleife unzureichend und zu langsam,
um einen schnellen Rayleigh-Schwund zu kompensieren. Mit anderen
Worten, da der Rayleigh-Schwund frequenzabhängig ist, kann eine Leistungsregelung
mit offener Regelschleife alleine diese nicht vollständig in CDMA-Systemen
kompensieren.
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Demzufolge wird eine Leistungsregelung
in geschlossener Regelschleife ebenfalls zum Kompensieren von Leistungsschwankungen
verwendet. In dem Prozess mit geschlossener Regel schleife überwacht
die Basisstation, sobald das Mobilgerät einen Zugriff auf einen Verkehrskanal
erhält
und mit der Basisstation zu kommunizieren beginnt, den empfangenen
Leistungspegel auf der Rückwärtsverbindung. Wenn
die Verbindungsqualität
sich zu verschlechtern beginnt, sendet die Basisstation über die
Vorwärtsverbindung
einen Befehl an das Mobilgerät,
um dessen Leistungspegel zu erhöhen.
Wenn die Verbindungsqualität
eine zu hohe Leistung auf der Rückwärtsverbindung
anzeigt, befiehlt die Basisstation der Mobileinheit, die Leistung
zu senken.
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In dem IS-95B Standard sendet die
Basisstation derartige Leistungsregelungsbefehle an die Mobileinheit
unter Verwendung einer speziell codierten Meldung, die auf einem
Vorwärtsverbindungsverkehrskanal
gesendet wird. Diese eingebetteten Meldungen enthalten Leistungsregelungsbefehle
in der Form sogenannter Leistungsregelungsbits (PCBs). Der Betrag
der Leistungszunahme und Leistungsabnahme pro Bit ist nominell mit
+1 dB und –1
dB spezifiziert. Die Reaktion des Mobilgerätes auf diese Leistungsregelungsbit
ist erwartungsgemäß sehr schnell,
um den schnellen Rayleigh-Schwund zu kompensieren. Aus diesem Grunde
werden diese Bit direkt über
den Verkehrskanal gesendet. Insbesondere werden bestimmte ausgewählte Bits
aus dem Basisbandstrom in den Verkehrsstrom eingesetzt oder "punktiert", um einen getrennten
Leistungsregelungs-Unterkanal mit einer Rate von 800 Bit pro Sekunde
bereitzustellen. Die Mobileinheit empfängt somit kontinuierlich Leistungsregelungsbits
alle 1,25 ms über
eine derartige Bit-"Punktierung".
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Problembeschreibung
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In letzter Zeit sind bestimmte Optimierungen für CDMA-Systeme zur Datenübertragung
entwickelt worden. Diese Systeme verwenden bestimmte Zuordnungsverfahren
für codierte
Phasenkanäle,
welche codierte Phasenkanäle
wegnehmen, wenn sie nicht genutzt werden und sie dann wieder zuweisen, um
eine effizientere Nutzung des Funkspektrums bereitzustellen. Idealerweise
können
codierte Phasenkanäle
so rasch wie möglich
unterschiedlichen Verbindungen zugeordnet werden, während gleichzeitig
eine erforderliche Funkfrequenzsignalisierung minimiert wird. Jedoch
muß eine
virtuelle Verbindung zwischen jeder Mobileinheit und der Basisstation
unabhängig
davon offen bleiben, ob ein codierter Phasenkanal in Gebrauch ist
oder nicht. Andernfalls ist es erforderlich, beispielsweise jedesmal
eine neue Synchronisation aufzubauen, wenn ein Kanal für eine spezielle
Verbindung zugewiesen oder freigegeben wird.
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Leider gibt es insbesondere für den Fall
des Versuchs die Signalisierung für die Leistungsregelung im
geschlossenen Regelkreis zu implementieren, keinen aktiven Verkehrskanal,
in welchem die Leistungsregelungsbits alle 1,25 ms einzubetten sind.
Es wäre
nicht durchführbar,
den korrekten Leistungspegel jedesmal neu zu erfassen, wenn ein
neuer codierter Phasenkanal zugewiesen wird.
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Es ist daher erwünscht, den korrekten Leistungspegel
auf der Rückwärtsverbindung
selbst dann aufrecht zu erhalten, wenn codierte Phasenkanäle von einer
speziellen Verbindung freigegeben werden.
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Kurzbeschreibung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist eine
Technik zum Implementieren eines Codemultiplexmehrfachzugriffsystems,
welches dynamisch codierte Verkehrskanäle auf einer Bedarfsbasis zuweist.
Die Technik behält
einen bekannten Sendeleistungspegel für das Rückwärtskanalgerät selbst dann bei, wenn die
Teilnehmereinheit in einen Bereitschaftsmodus eingetreten ist, in
welchem keine Verkehrskanäle
aktiv sind.
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Dieses wird in dem Bereitschaftsmodus
dadurch erreicht, indem man die Basisstation bestimmte Qualitätsparameter
eines Wartungs-Herzschlag-Signals messen lässt, welches periodisch auf einem
Rückwärtskanal
von einer Teilnehmereinheit gesendet wird, wenn sie sich in einem
Bereitschaftsmodus befindet. Das Herzschlag-Signal ist ein Minimalsignal,
das mit einer Rate gesendet wird, welche lediglich ausreicht, eine
Codephasensynchronisierung zwischen der Teilnehmereinheit und der
Basisstation aufrecht zu erhalten. Die Rate, mit welcher Herzschlag-Signale
gesendet werden, hängt
von der maximal erwarteten Geschwindigkeit der physikalischen Bewegung
der Teilnehmereinheit ab. Beispielsweise muß in Systemen, welche erwartungsgemäß eine Gehgeschwindigkeits-Mobilität unterstützen sollen,
das Herzschlag-Signal nur alle paar Sekunden gesendet werden.
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Die Verbindungsqualitätsparameter
sind bevorzugt eine Bitfehlerratenmessung, können jedoch auch eine Rauschpegelmessung
oder eine Signalleistungspegelmessung sein.
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Die Verbindungsqualitätsinformation
wird dann von der Basisstation an die Teilnehmereinheit typischerweise
als eine Verbindungsqualitätsberichtsmeldung
formatiert. Die Verbindungsqualitätsberichte werden auf einem
Vorwärtsverbindungs-Ruf- oder Synchronisationssignal
an eine Teilnehmereinheit im Bereitschaftsmodus gesendet.
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Die Teilnehmereinheit nutzt dann
diese Verbindungsqualitätsinformation
als einen Parameter für eine
Entscheidungslogikschaltung oder Funktion, welche letztlich den
Sendeleistungspegel für
die zugeordnete Rückwärtsverbindung
festlegt.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale
und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierteren
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung ersichtlich, wie sie in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht
sind, in welchen gleiche Bezugszeichen dieselben Teile durchgängig durch
die unterschiedlichen Ansichten bezeichnen.
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1 ist
eine Blockdarstellung eines drahtlosen Kommunikationssystems, das
von einem Bandbreitenverwaltungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
Gebrauch macht.
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2 ist
eine Darstellung, welche zeigt, wie Unterkanäle innerhalb eines gegebenen
Funkfrequenz-(RF)-Kanals einer Vorwärtsverbindung zugewiesen werden.
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3 ist
eine Darstellung, welche zeigt, wie Unterkanäle innerhalb eines gegebenen
Funkfrequenz-(RF)-Kanals einer Rückwärtsverbindung
zugewiesen werden.
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4 ein
Zustandsdiagramm für
ein Verbindungsqualitäts-Meldungsverfahren
gemäß der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
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In den Zeichnungen ist insbesondere 1 eine Blockdarstellung
eines Systems 100 zur Bereitstellung eines Hochgeschwindigkeits-Daten-
und Sprachdienstes über
eine drahtlose Verbindung, indem nahtlos ein digitales Datenprotokoll,
wie z. B. das Dienste integrierende digitale Netz (ISDN), mit einem
digitalen modulierten drahtlosen Dienst, wie z. B. Codemultiplexmehrfachzugriff
(CDMA), integriert wird. Das System 100 besteht aus zwei
unterschiedlichen Komponententypen welche Teilnehmereinheiten 101-1, 101-2,
..., 101-u (zusammengenommen die Teilnehmer- oder Mobileinheiten
101) und eine oder mehrere Basisstationen 170 umfassen.
Die Teilnehmereinheiten 101 und Basisstationen 170 arbeiten
zum Bereitstellen der notwendigen Funktionen zusammen, um drahtlose
Datendienste für
eine portable Rechnereinrichtung 110, wie z. B. einen Laptop-Computer,
tragbaren Computer, persönlichen
digitalen Assistenten (PDA) oder dergleichen bereitzustellen. Die
Basisstation 170 arbeitet auch mit den Teilnehmereinheiten
101 zusammen, um die Übertragung
von Daten zwischen der Teilnehmereinheit und dem öffentlichen
Telefonnetz (PSTN) 180 bereitzustellen.
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Insbesondere werden Daten- und/oder Sprachdienste
auch von der Teilnehmereinheit 101 für den tragbaren Computer 110
sowie für
eine oder mehrere weitere Vorrichtungen, wie z. B. Telefone 112-1,
112-2 (hierin zusammengenommen als Telefone 112 bezeichnet), bereitgestellt.
Die Telefone 112 selbst können
wiederum mit weiteren Modems und Computern verbunden sein, welche
in 1 nicht dargestellt
sind. Im üblichen
Sprachgebrauch von ISDN werden der tragbare Computer 110 und die
Telefone 112 als Endgerät
(TE) bezeichnet. Die Teilnehmereinheit 101 stellt die als Netzabschlusstyp
1 (NT-1) bezeichneten Funktionen bereit. Die dargestellte Teilnehmereinheit
101 ist insbesondere dafür gedacht,
mit einer ISDN-Verbindung
des sogenannten Basisratenschnittstellen-(BRI)-Typs zu arbeiten, welche zwei Träger- oder "B"-Kanäle
und einen Daten- oder "D"-Kanal bereitstellt,
wobei die übliche
Bezeichnung 2B+D ist.
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Die Teilnehmereinheit 101 selbst
besteht aus einem ISDN-Modem 120,
einer hierin als Protokollwandler 130 bezeichneten Vorrichtung,
welche die verschiedenen Funktionen gemäß der Erfindung einschließlich Vortäuschung 132 und
Bandbreitenverwaltung 134 umfaßt, einem CDMA-Sender/Empfänger 140,
und einer Teilnehmereinheitantenne 150. Die verschiedenen Komponenten
der Teilnehmereinheit 101 können
in diskreten Vorrichtungen oder als eine integrierte Einheit realisiert
sein. Beispielsweise kann ein existierender herkömmlicher ISDN-Modem 120,
wie er beispielsweise ohne weiteres von einer Anzahl von Herstellern
erhältlich
ist, zusammen mit vorhandenen CDMA-Sender/Empfängern 140 verwendet
werden. In diesem Falle werden die besonderen Funktionen vollständig von
dem Protokollwandler 130 bereitgestellt, welcher als eine
getrennte Vorrichtung gekauft werden kann. Alternativ können der ISDN-Modem 120,
der Protokollwandler 130 und der CDMA-Sender/Empfänger 140 als eine
vollständige Einheit
integriert und als eine einzelne Teilnehmereinheitsvorrichtung 101
verkauft werden. Weitere Arten von Schnittstellenverbindungen wie
z. B. Ethernet oder PCMCIA können
zum Verbinden der Rechnervorrichtung mit dem Protokollwandler 130 verwendet
werden.
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Der ISDN-Modem 120 wandelt
Daten- und Sprachsignale zwischen dem Endgerät 110 und 112 in das von der
standardmäßigen ISDN-"U"-Schnittstelle benötigte Format um. Die U-Schnittstelle
ist ein Bezugspunkt in ISDN-Systemen, welcher einen Verbindungspunkt
zwischen dem Netzabschluss (NT) und der Telefongesellschaft bezeichnet.
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Der Protokollwandler 130 führt die
Funktionen der Vortäuschung 132 und
Grundbandbreitenverwaltung 134 aus. Im allgemeinen besteht
die Vortäuschung 132 in
der Sicherstellung, daß die
Teilnehmereinheit 101 dem Endgerät
110, 112, das mit dem öffentlichen
Telefonnetz 180 auf der anderen Seite der Basisstation 170 verbunden
ist, als jederzeit vorhanden erscheint. Die Bandbreiten-Verwaltungsfunktion 134 ist
für die
Zuordnung und Freigabe von CDMA-Funkkanälen 160 einschließlich der
Verwaltung der einer vorgegebenen Sitzung zugewiesenen Gesamtbrandbreite
durch dynamisches Zuweisen von Unterabschnitten der CDMA-Funkkanäle 160 in
einer Weise verantwortlich, welche nachstehend vollständiger beschrieben
wird.
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Der CDMA-Sender/Empfänger 140 akzeptiert
Daten aus dem Protokollwandler 130 und formatiert diese
Daten in eine geeignete Form zur Übertragung über eine Teilnehmereinheitantenne
150 über eine
CDMA-Funkverbindung 160-1 um. Der CDMA-Sender/Empfänger 140 kann über einen
einzigen 1,2288 MHz-Funkfrequenzkanal
arbeiten, oder kann alternativ in einer bevorzugten Ausführungsform über mehrere
derartige Kanäle
abstimmbar sein.
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CDMA-Signalübertragungen werden dann von
den Geräten 170 der
Basisstation empfangen und verarbeitet. Die Geräte der Basisstation 170 bestehen
typischerweise aus Mehrkanalantennen 171, mehreren CDMA-Sender/Empfängern 172 und
einer Bandbreitenverwaltungsfunktionalität 174. Die Bandbreitenverwaltung 174 steuert
die Zuweisung von CDMA-Funkkanälen 160 und
Unterkanälen
in einer Weise analog zu der Teilnehmereinheit 101. Die
Basisstation 170 leitet dann die demodulierten Funksignale
an das öffentliche
Telefonnetz (PSTN) 180 in einer im Fachgebiet allgemein
bekannten Weise weiter. Beispielsweise kann die Basisstation 170 mit
dem PSTN 180 über
eine beliebige Anzahl unterschiedlich effizienter Kommunikationsprotokolle,
wie z. B. Primärraten-ISDN-,
oder andere LAPD-basierende Protokolle wie z. B. IS-634 oder V5.2
kommunizieren.
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Gemäß weitere kurzer Bezugnahme
auf 1 beinhalten daher
die Bandbreitenverwaltung 134 und 174, daß der CDMA-Sender/Empfänger 140 Daten über den
ISDN-Übertragungspfad
zu rücksendet,
um das Endgerät
110, 112 in den Glauben zu versetzen, daß eine ausreichend breite drahtlose Kommunikationsverbindung
160 ständig
zur Verfügung
steht. Jedoch wird nur, wenn tatsächlich Daten aus dem Endgerät für den drahtlosen
Sender/Empfänger 140 zur
Verfügung
stehen, eine drahtlose Bandbreite zugewiesen. Daher muß eine Netzschichtverbindung
nicht die zugewiesene drahtlose Bandbreite für die gesamte Kommunikationssitzung zuordnen.
D. h., wenn keine Daten bei dem Endgerät für die Geräte des Netzes präsentiert
werden, hebt die Bandbreitenverwaltungsfunktion 134 die
anfänglich
zugeordnete Funkkanalbandbreite 180 wieder auf, und macht
sie für
einen anderen Sender/Empfänger
und eine andere Teilnehmereinheit 101 verfügbar.
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Es dürfte sich auch verstehen, daß Datensignale
bidirektional über
die CDMA-Funkkanäle
160 wandern. Mit anderen Worten, von dem PSTN 180 empfangene
Datensignale werden an den tragbaren Computer 110 in einer sogenannten
Vorwärtsverbindungsrichtung
weitergeleitet, und in dem tragbaren Computer 110 entstehende Datensignale
werden an das PSTN 180 in einer sogenannten Rückwärtsverbindungsrichtung
weitergeleitet. Die vorliegende Erfindung beinhaltet insbesondere
die Art der Implementation eines Leistungsregelungsmechanismus für die Rückwärtsverbindungskanäle.
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Um besser zu verstehen, wie die Bandbreitenverwaltung 134 und 174 die
dynamische Zuweisung von Funkkanälen
erreichen, werde die Aufmerksamkeit nun auf 2 gelenkt. Diese Figur veranschaulicht
einen möglichen
Frequenzplan für
die Vorwärtsdrahtlosverbindungen
160 gemäß der Erfindung.
Insbesondere kann ein typischer Sende/Empfänger 170 auf Befehl
auf jeden beliebigen 1,2288 MHz Kanal innerhalb einer wesentlich
größeren Bandbreite
von bis zu 30 MHz abgestimmt werden. Im Falle einer Unterbringung
in existierenden Zellularfunk- Frequenzbändern stehen
diese Kanäle
typischerweise in dem Bereich von 800 bis 900 MHz zur Verfügung. Für persönliche Kommunikationssysteme (PCS)
Drahtlossysteme sind die Kanäle
typischerweise in dem Bereich von etwa 1,8 bis 2,0 GHz zugeordnet.
Zusätzlich
sind typischerweise zwei gleichzeitig aktive zusammengehörige Bänder vorhanden, welche
durch ein Schutzband von beispielweise 80 MHz getrennt sind; die
zwei zusammengehörigen Bänder bilden
die Vorwärts-
und Rückwärts-Vollduplexverbindung.
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Jeder von den CDMA-Sender/Empfängern, wie
z. B. der Sender/Empfänger 140 in
der Teilnehmereinheit 101 und die Sender/Empfänger 172 in der Basisstation 170 können zu
jedem beliebigen Zeitpunkt auf einen gegebenen Funkfrequenzkanal
abgestimmt werden. Es versteht sich generell, daß beispielweise ein 1,2288
MHz Funkfrequenzträger höchstens
ein Gesamtäquivalenz
von 500 bis 600 kbps maximaler kontinuierlicher Datenratenübertragung
innerhalb akzeptabler Bitfehlerrateneinschränkungen bereitstellt.
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Um jedoch einen effizienteren Gebrauch
von der verfügbaren
Bandbreite zu machen, wird jeder 1,2288 MHz Funkkanal in der Rückwärtsverbindung in
eine relativ große
Anzahl von Unterkanälen
unterteilt. In dem dargestellten Beispiel wird die Bandbreite in
vierundsechzig (64) Unterkanäle
300 unterteilt, wovon jeder eine Datenrate von 8 kbps bereitstellt. Ein
gegebener Unterkanal 300 wird physikalisch implementiert, indem
eine Übertragung
mit einem von einer Anzahl unterschiedlich zuweisbarer pseudozufälliger Codes
und/oder Codephasen codiert wird. Beispielsweise können die
64 Unterkanäle
300 innerhalb eines einzigen CDMA-HF-Trägers unter Verwendung einer
unterschiedlichen Codephase für
jeden definierten Unterkanal 300 definiert sein.
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Wie vorstehend erwähnt, werden
Unterkanäle
300 nur nach Bedarf zugeordnet. Beispielsweise werden mehrere Unterkanäle 300 während Zeiten zugeteilt,
wenn eine spezielle ISDN-Teilnehmereinheit 101 anfordert, daß große Datenmengen übertragen
werden. Diese Unterkanäle
300 werden schnell während
Zeiten freigegeben, wenn die Teilnehmereinheit 101 relativ leicht
belastet ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
insbesondere die Aufrechterhaltung der Rückwärtsverbindung in der Weise,
daß ein
Sendeleistungspegel für
die Unterkanäle
nicht jedesmal neu festgestellt werden muß, wenn Unterkanäle weggenommen
und dann wieder zugeteilt werden.
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3 ist
eine Darstellung, welche die Anordnung veranschaulicht, wie Unterkanäle auf der
Rückwärtsverbindung
zugewiesen werden. Es ist erwünscht,
nur ein Funkträgersignal
auf der Rückwärtsverbindung
in größtmöglichen
Umfang zu nutzen, um Leistung zu sparen, sowie die Empfängerressourcen
zu schonen, welche an der Basisstation verfügbar sein müssen. Daher wird nur ein einziger 1,2288
MHz Kanal 350 aus dem verfügbaren
Funkspektrum ausgewählt.
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Eine relativ große Anzahl N, wie z. B. 1000 einzelne
Teilnehmereinheiten werden dann unter Verwendung nur eines einzigen
langen Pseudorausch-(PN)-Codes in einer speziellen Weise unterstützt. Zuerst
wird eine Anzahl p, von Phasen des Codes aus 242-1
unterschiedlichen Codephasen ausgewählt. Die p Codephasenverschiebungen
werden dann verwendet, um p Unterkanäle bereitzustellen. Anschließend wird
jeder von den p Unterkanälen
weiter in s Zeitschlitze unterteilt. Daher ist die maximal unterstützbare Anzahl
unterstützbarer
Teilnehmereinheiten N gleich p mal s. Eine Verwendung desselben
PN-Codes mit unterschiedliche Phasen und Zeitschlitzen stellt viele
unterschiedliche Unterkanäle
bereit, was die Verwendung eines ein zigen Harfen- bzw. Rechen-Empfängers in
der Basisstation 104 erlaubt.
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In dem vorstehend erwähnten Kanalzuordnungsverfahren
sollen Funkressourcen auf einer Bedarfsbasis zugewiesen werden.
Jedoch muß der
Umstand berücksichtigt
werden, daß,
um einen neuen CDMA-Kanal aufzubauen, einem gegebenen Rückwärtsverbindungskanal
normalerweise Zeit gegeben werden muß, nicht nur eine Synchronisierung
der Codephasen zu erreichen, sondern auch seine Übertragung an den korrekten
Leistungspegel anzupassen. Die vorliegende Erfindung vermeidet die
Notwendigkeit, bei jedem Kanal das Erreichen dieses jedesmal, wenn
er aufgebaut wird, abzuwarten, mittels mehrerer Mechanismen, welche
vollständiger
nachstehend beschrieben werden. Im allgemeinen besteht die Technik
darin, ein Wartungssignal mit einer ausreichenden Rate für jeden
Unterkanal selbst dann zu senden, wenn er sich in einem Bereitschaftsmodus befindet;
d. h., selbst bei Fehlen von Datenverkehr.
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Eine Aufgabe hierin besteht in der
Minimierung der Größe jedes
Zeitschlitzes, was wiederum die Anzahl von Teilnehmern maximiert,
die in einem Ruhemodus gehalten werden können. Die Größe t jedes
Zeitschlitzes ist durch die minimale Zeit bestimmt, die es dauert,
eine Phasensynchronisierung zwischen dem Sender bei der Teilnehmereinheit
und dem Empfänger
in der Basisstation zu garantieren. Insbesondere muß ein Code-Korrelator
in dem Empfänger
ein Wartungs- oder Herzschlag-Signal empfangen, welches wenigstens
aus einer bestimmten Anzahl von Wartungsbits über einer bestimmten Zeiteinheit
besteht. Im Grenzfall wird dieses Herzschlag-Signal gesendet, indem
wenigstens ein Bit aus jeder Teilnehmereinheit auf jeder Rückwärtsverbindung
zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, beispielsweise bei deren zugewiesenen
Zeitschlitz auf einem von den N Unterkanälen gesendet wird.
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Die minimale Zeitschlitzdauer t hängt daher von
einer Anzahl von Faktoren einschließlich dem Signal/Rausch-Verhältnis und
der erwarteten maximalen Geschwindigkeit der Teilnehmereinheit innerhalb der
Zelle ab. Bezüglich
des Signal/Rausch-Verhältnisses
hängt dieses
von Eb/(No + Io)ab, wobei Eb die Energie
pro Bit, No das Umgebungsgrundrauschen, und Io die wechselseitige
Interferenz von anderen codierten Übertragungen der anderen Unterkanäle auf der
dasselbe Spektrum nutzenden Rückwärtsverbindung
ist. Typischerweise erfordert das Schließen der Verbindung eine Integration über 8 Chipzeiten
an dem Empfänger
und ein Mehrfaches von 20 Mal, das typischerweise zum Garantieren
der Detektion benötigt
wird. Daher werden etwa 160 Chipzeiten typischerweise benötigt, um
das codierte Signal auf der Rückwärtsverbindung
korrekt zu empfangen. Für
einen 1,2288 MHz Code ist Tc, die Chipzeit 813,33 ns, so daß die minimale
Integrationszeit etwa 130 μs
ist. Dieses wiederum legt die absolute minimale Dauer eines Datenbits
und daher die minimale Dauer einer Schlitzzeit t fest. Die minimale
Schlitzzeit von 130 μs
bedeutet, daß im
Maximum 7692 Zeitschlitze pro Sekunde für jedes phasencodierte Signal
verfügbar
gemacht werden können.
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Sobald eine Codephasensynchronisierung erhalten
worden ist, wird die Dauer des Herzschlag-Signals unter der Berücksichtigung
des Erfassungs- oder Synchronisierungsbereichs der Codephasen-Synchronisierungsschaltungen
bei der Basisstation ermittelt. Beispielsweise besitzt der Empfänger typischerweise
einen PN-Code-Korrelator, welcher mit der Codechiprate läuft. Ein
Beispiel eines derartigen Code-Korrelators verwendet eine Verzögerungssynchronisierungsschleife,
welche aus einem Früh/Spät-Detektor
besteht. Ein Schleifenfilter regelt die Bandbreite dieser Schleife,
welche wiederum bestimmt, wie lange ein Betrieb des Code-Korrelator
zugelassen werden muß,
bevor er eine Phasensynchronisierung garantieren kann. Diese Schleifenzeitkonstante
legt den Betrag des "Jitters" fest, der in dem
Code-Korrelator toleriert werden kann, wie z. B. etwa 1/8 der Chipzeit
Tc.
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In der bevorzugten Ausführungsform
ist das System 100 dafür
gedacht, eine sogenannte Nomadenmobilität zu unterstützen. D.
h., ein Betrieb mit hoher Mobilität innerhalb sich bewegender
Fahrzeuge, welche typisch für
die Zellulartelefonie ist, wird als nicht erforderlich erwartet.
Stattdessen bewegt sich der typische Benutzer eines tragbaren Computers, welcher
aktiv ist, nur mit einer flotten Gehgeschwindigkeit von etwa 7,24
km/h (4,5 Meilen pro Stunde (MPH)). Bei 7,24 km/h (4,5 MPH), was
eine Geschwindigkeit von 1,98 m/s (6,6 feet pro Sekunde) entspricht,
bewegt sich ein Benutzer 30,78 m (101 feet in 1/8 von der 1/1,2288
MHz Chipzeit (Tc). Daher dauert es etwa 30,78 m (101 feet) geteilt
durch 1,98 m (6,6 feet) oder etwa 15 Sekunden, bis ein derartiger
Benutzer, sich über
eine Strecke bewegt, welche ausreichend weit für ihn bis zu einem Punkt ist,
an dem die Aufrechterhaltung der Codephasen-Synchronisationsschleife nicht garantiert
werden kann. Daher wird, solange ein vollständiges Synchronisationssignal
auf einem gegebenen Rückwärtskanal
alle 15 Sekunden gesendet wird, die Rückwärtsverbindungsschleife dadurch
aufrechterhalten. In der Praxis wird es bevorzugt, dieses nicht
bis an die Grenze zu treiben, und ein Synchronisations-Herzschlag-Signal
wird alle mehrere Sekunden gesendet.
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4 ist
ein Zustandsdiagramm, das einen von der Basisstation 170 und
den Teilnehmereinheiten 101 ausgeführten Satz von Operationen
darstellt. Die Reihenfolge von Zuständen in die durch die Basisstation 170 eingetreten
wird, sind in allgemeinen auf der linken Seite der Figur dargestellt
und die Reihenfolge von Zuständen
für die
Teilnehmereinheit 101 auf der rechten Seite.
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In einem ersten Zustand 400 wird
der Teilnehmer 101 beispielsweise durch Einschalten seiner Batteriestromversorgung
initialisiert. Die Teilnehmereinheit 101 sendet dann eine Initialisierungsmeldung an
die Basisstation 170. In diesem Initialisierungszustand 402 führt der
Teilnehmer eine Systemermittlung, Steuerkanalerfassung, Synchronisationserfassung
und andere Zeitfunktionen durch, wie sie beispielsweise durch den
Luftschnittstellenstandard IS-95B spezifiziert sind. Tatsächlich ermittelt
der Teilnehmer 101 den Systemtyp, in welchem er arbeitet, beispielsweise
einen Dualmodus-CDMA oder Analogmodus, führt eine Erfassung auf dem
Steuerkanal durch Synchronisierung in dessen Zeitgeberschaltungen
durch und führt
auch eine ähnliche
Zeitfunktion auf dem Synchronisationskanal aus. Zusätzlich kann
ein anfänglicher
Vorgabeleistungspegel für
die offene Schleife beispielsweise durch Messen eines auf einer
Vorwärtsverbindung
empfangenen Leistungspegels bestimmt werden, wie es im Fachgebiet bekannt
ist. Wenn der Teilnehmer 101 alle diese Aufgaben innerhalb einer
bestimmten spezifizierten Zeitdauer ausführen kann, kann er erfolgreich
in einen Bereitschaftsmoduszustand 403 eintreten.
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Nachdem sie initialisiert ist, kann
die Teilnehmereinheit 101 die Basisstation 120 über ihren
erfolgreichen Abschluß derartiger
Aufgaben informieren, indem sie eine Initialisierungsmeldung 430
an die Basis 170 sendet. Die Basisstation 120 tritt
dann in einen Zustand 450 ein, in welchem sie dem speziellen Teilnehmer
einen Rückwärtsverbindungs-Wartungskanal
101 zuweist. Dieses kann nach Bestätigung eines Pilot- und Synchronisationssignals
erfolgen, indem eine Codephase p und ein für diese spezielle Teilnehmereinheit
zu sendender Zeitschlitz s in einer Meldung gesendet wird. Eine
derartige Meldung kann beispielsweise auf dem Vorwärtsverbindungs-Rufkanal
gesendet werden, welchen die Teilnehmereinheit 101 während des
Bereitschaftsmoduszustandes 403 weiter überwacht.
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Ebenso tritt in dem Bereitschaftszustand 403,
sobald der Leistungspegel für
die offene Schleife eingestellt ist, die Teilnehmereinheit 101 periodisch
in einen Zustand 404 ein, in welchem eine Herzschlag-Meldung
an die Basisstation 120 über die Rückwärtsverbindung gesendet wird.
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Sobald die Basisstation 170 eine
derartige Herzschlag-Meldung
empfängt,
tritt sie in einen Zustand 452 ein, in welchem sie ein
Verbindungs-Qualitätsmaß für das aus
der Teilnehmereinheit 101 empfangene Rückwärtsverbindungssignal ermittelt.
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Anschließend wird im Zustand 454 dieses Rückwärtsverbindungs-Qualitätsmaß als eine
Verbindungsqualitätsberichts(LQR)-Meldung über die Rückwärtsverbindung
an die Teilnehmereinheit 101 gesendet. Die LQR-Meldung wird über einen
Ruf- oder Synchronisationskanal
gesendet, da kein Verkehrskanal während des Bereitschaftsmodus
zur Verfügung
steht.
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Die LQR kann beispielsweise acht
(8) Bit an Information enthalten. Das Verbindungs-Qualitätsmaß kann eine
Bitfehlerrate, ein als Eb/N01 ausgedrückter Rauschleistungspegel
oder ein Leistungspegel sein.
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Nach dem Empfang der LQR tritt die
Teilnehmereinheit in den Zustand 406 ein, in welchem sie
ihren Rückwärtsleistungspegel
unter Verwendung der empfangenen LQR und weitere Information berechnet.
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Die Teilnehmereinheit setzt das wiederholte Durchlaufen
der Zustände 404 bis 407 fort,
um während
des Bereitschaftsmodus einen geeigneten Leistungspegel aufrechtzuerhalten,
bis die Teilnehmereinheit eine Meldung empfängt, die anzeigt, daß sie in
einen aktiven Modus eintreten, oder anderweitig den Bereitschaftsmodus
verlassen soll.
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In ähnlicher Weise werden auf der
Basisstationsseite Zustände 452, 454 und 456 für jede der Bereitschaftsteilnehmereinheiten
wiederholt, während
sie sich in dem Ruhezustand befindet.
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Das Herzschlag-Signal 435 wird zur
Synchronisationsmeldung auf dem zugewiesenen Wartungskanal mit einer
Datenrate gesendet, welche nur schnell genug sein muß, um der
Teilnehmereinheit 101 eine Synchronisation mit der Basisstation 170 zu ermöglichen.
Die Dauer des Herzschlag-Signals wird unter Berücksichtigung des Einfangbereiches
der Codephasen-Synchronisierungsschaltungen und der Empfängerschaltungen
und der Basisstation 170 ermittelt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
soll das System eine sogenannte Nomadenmobilität unterstützen. D. h., das Antreffen
eines Betriebs mit relativ hoher Mobilität, wie z. B. innerhalb fahrender Fahrzeuge,
die typisch für
die Zellulartelefonie ist, wird nicht erwartet. Stattdessen wird
erwartet, daß der
typische Nutzer eines tragbaren Computers nur verbunden bleibt,
wenn es sich mit einer flotten Gehgeschwindigkeit von etwa 7,24
km/h (4,5 Meilen pro Stunde) bewegt. In diese Situation bewegt sich
ein Benutzer angenähert
30,5 m (100 feet) in 1/8 der Chipzeit bei 1,2288 MHz. Daher dauert
es etwa 30,78 m (101 feet) geteilt durch 1,98 m (6,6 feet) oder
etwa 15 Sekunden, bis ein derartiger Benutzer, sich über eine
Strecke bewegt, welche ausreichend weit bis zu einem Punkt ist,
an dem die Aufrechterhaltung der Codephasen-Synchronisationsschleife
nicht garantiert werden kann. Daher wird, solange ein vollständiges Synchronisationssignal
und ein Leistungsregelungswort auf einem gegebenen Rückwärtskanal
alle 15 Sekunden ausgetauscht werden, die Rückwärtsverbindung bei dem gewünschten
Leistungspegel der geschlossenen Schleife gehalten.
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Für
weitere Information bezüglich
der Anordnung des Herzschlag-Signals siehe die gleichzeitig anhängige Internationale
Anmeldung No. PCT/US 99/11607 mit dem Titel "Fast Acquisition of Traffic Channels
for a Higly Variable Data Rate",
die am 26. Mai 1999 eingereicht und demselben Zessionar wie dem
der vorliegenden Erfindung übertragen
wurde.
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Es ist nun verständlich, wie die vorliegende Erfindung
eine Leistungsregelung in geschlossener Regelschleife in einem Codemultiplexmehrfachzugriffssystem
implementiert, das dynamisch Rückwärtsverbindungsverkehrskanäle zuweist,
selbst wenn derartige Verkehrskanäle nicht zugeordnet sind. Dieses
wird erreicht, indem die Basisstation eine Verbindungsqualitätsmessung
auf der Basis eines Rückwärtsverbindungsempfangssignals
durchführt,
das als Reaktion auf Wartungs-Herzschlag-Signalen empfangen wird. Die Herzschlag-Signale werden
mit einer Rate ausgesendet, welche nur ausreichend schnell ist,
um die Codephasensynchronisation aufrechtzuerhalten. Als Reaktion
darauf wird eine Verbindungsqualitätsberichtsmeldung an die Teilnehmereinheit
auf der Vorwärtsverbindung,
wie z. B. einem Ruf- oder Synchronisationskanal, zurückgesendet.
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Anstelle von ISDN können andere
Drahtlos-Netzprotokolle wie z. B. Digital Subscriber Loop (xDSL),
Ethernet, oder X.25 eingekapselt werden, und können daher vorteilhaft das
hierin beschriebene dynamische Zuweisungsverfahren von drahtlosen Unterkanälen nutzen.