DE19548631C2 - Verfahren zur Auslegung eines zellulares Funknetzes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung eines zellularen Funknetzes für die drahtlose Datenübertragung, mit an Netzknotenpunkten angeordneten Funksende- Empfangseinrichtungen, die auf konzentrischen Ringen um eine als Vermittlungseinrichtung ausgebildete Funksende-Empfangseinrichtung herum angeordnet sind.

Zellulare Funknetze, insbesondere mit hexagonaler Netzstruktur, sind aus der Mobilfunktechnik beispielsweise als GSM-Netze bekannt und werden vorzugsweise zur drahtlosen Übertragung von Telefongesprächen zwischen mobilen Teilnehmern eingesetzt. Bei derartigen Funknetzen sind feste Funksende-Empfangseinrichtungen an den Netzknotenpunkten angeordnet, deren Abstand durch die Sendeleistung, die Empfängerempfindlichkeit und die Empfangsbedingungen bestimmt wird. Die Übertragung der Telefongespräche per Funk erfolgt durch die Weiterleitung der Signale von einer Funksende-Empfangseinrichtung zu einer der nächstliegenden Funksende- Empfangseinrichtungen. Dabei werden für die Dauer der Telefonverbindung zwei Funkkanäle gleichzeitig bereitgestellt, je ein Funkkanal für den Hinweg und für den Rückweg der zu übertragenden Signale, d. h. die Funksende-Empfangseinrichtungen arbeiten im Voll- Duplex-Modus.

Mit einem derartigen Mobilfunknetz können selbstverständlich auch Datenpakete übertragen werden. Allerdings ist die Aufrechterhaltung zweier durchgehender Funkkanäle (Voll-Duplex- Modus) in vielen Anwendungsfällen mit moderaten Datenraten, also bei regelmäßig geringem Datendurchsatz, sehr uneffektiv, da ein solches Funknetz für diesen Anwendungsfall überdimensioniert ist. Insbesondere ist die Errichtung und das Betreiben eines derartigen Funknetzes technisch sehr aufwendig und teuer. Hinzu kommt, daß ein derartiges Netz nicht einfach schnell aufgebaut und wieder abgebaut werden kann.

Aus der DE 41 01 909 A1 ist eine sog. "Umbrella-Zelle" bekannt, durch die eine einwandfreie Übertragung der Handgeräte oder der Mobilfunkstationen von einer Zelle zur anderen möglich ist, ohne daß eine Verschlechterung der Gesprächsqualität oder ein Abbruch der Gespräche auftritt.

Nicht das Funknetz selbst, sondern nur die Grundbausteine eines zellularen Funknetzes werden in der DE 33 37 646 A1 beschrieben.

Zur Erhöhung der Kapazität eines Mobilfunknetzes ergeben sich Vorschläge aus der DE 35 39 698 C2, wobei es im wesentlichen um die Verteilung der Frequenzen geht, um die Gleich - und Nachbarkanalstörung klein zu halten.

Schließlich seien noch die Lit.stelle "Sussmann, S. M. - A survivable network of ground relays- in: IEEE Trans. on communications, Vol. Com 28, No. 9, 1980, S. 1616-1624 und die DE 34 23 780 C2 erwähnt.

Während sich die Lit.stelle vorrangig mit einem Netzwerk für die militärische Datenübertragung beschäftigt, betrifft die DE 34 23 780 C2 eine Halb-Duplex-Übertragung und die technische Spezifikation des Übertragungsprotokolls.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zellulares Funknetz zur drahtlosen Übertragung von Datenpaketen mit an den Netzknotenpunkten angeordneten Funksende- Empfangseinrichtungen anzugeben, das mit sehr geringem technischen und wirtschaftlichen Aufwand errichtet werden kann; insbesondere in sehr kurzer Zeit aufbaubar als auch abbaubar ist und trotzdem stabil, d. h. ohne Datenstaus, arbeitet, die Datenpakete also mit geringster Zeitverzögerung überträgt und jederzeit verfügbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Durch die kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche 2 bis 5 ist das Verfahren in vorteilhafter Weise weiter ausgestaltbar.

Die Erfindung sieht vor, daß die Funksende-Empfangseinrichtungen als Halb-Duplex- Einrichtungen mit dynamischer Kanalzuteilung ausgebildet sind, welche um eine als Vermittlungseinrichtung ausgebildete Funksende-Empfangseinrichtung herum angeordnet sind, und zwar auf konzentrischen Ringen, d. h. die Funksende-Empfangseinrichtungen eines Ringes liegen alle auf einem gedachten geschlossenen Kurvenzug, der die Orte der Funksende-Empfangseinrichtungen ohne gegenseitige Kurvenüberschneidungen miteinander verbindet, wobei sich die Kurvenzüge der einzelnen Ringe ebenfalls nicht überschneiden. Ferner erfolgt die Datenübertragung zwischen benachbarten Funksende- Empfangseinrichtungen nur zwischen denen unmittelbar benachbarter Ringe, so daß die Übertragung der Datenpakete nur entweder zur Vermittlungseinrichtung hin oder von ihr weg erfolgt. Dabei weist jede Funksende-Empfangseinrichtung eine Mindestkanalkapazität auf, die bestimmt ist durch den vorgegebenen lokalen Verkehr, den sich daraus unmittelbar ergebenden, proportionalen lokalen Serviceverkehr und den Knotendurchgangsverkehr, der wiederum die Summe von abgehendem und ankommendem Durchgangsverkehr des Netzknotenpunkts ist.

Ein solches zellulares Funknetz ermöglicht die drahtlose Datenübertragung, ohne daß Datenstaus auftreten; das Funknetz ist damit für die Teilnehmer am Verkehr jederzeit verfügbar, d. h. jeder Teilnehmer kann zu jedem Zeitpunkt mit einer vorgegebenen Erfolgswahrscheinlichkeit Nachrichten mit Hilfe dieses zellularen Funknetzes übertragen. Darüber hinaus ist ein solches Funknetz aufgrund der leicht zu installierenden Halb-Duplex-Einrichtungen, die eine dynamische Kanalzuteilung ermöglichen, mit geringem technischen Aufwand und geringen Kosten aufbaubar und auch wieder abbaubar; ein derartiges zellulares Funknetz kann sehr einfach, beispielsweise an ein sich veränderndes lokales Verkehrsaufkommen angepaßt werden.

Die Verwendung von Halb-Duplex-Einrichtungen ermöglicht es mit Vorteil, an jedem Netzknotenpunkt eine Vielzahl von Funksende-Empfangseinrichtungen anzuordnen, insbesondere solche, die über genau einen Funkkanal verfügen. Es muß lediglich die Bedingung erfüllt sein, daß die Summe der Kanalkapazitäten (entspricht z. B. der Zahl der Funkkanäle) der einzelnen Halb-Duplex-Geräte gleich der vorgegebenen Mindestkanalkapazität an dem entsprechenden Knotenpunkt ist. Eine besonders gleichmäßige Flächenabdeckung wird bei einem solchen zellularen Funknetz dadurch erreicht, daß die Struktur der Netzzellen hexagonal ist.

Die Mindestkanalkapazität der Funksende-Empfangseinrichtungen für eine vorgegebenen Nutzungsrate ist die Lösung des folgenden Gleichungssystems, in dem t_ij der vorgegebene lokale Verkehr der entsprechenden Netzzellen ist, aus dem sich ein proportionaler Serviceverkehr s_ij ableiten läßt; die q_ij = s_ij/(s_ij + t_ij) sind die dem Serviceverkehr zugeordneten Wahrscheinlichkeiten; die α_ij sind die Übergangswahrscheinlichkeiten der Wegematrix:

wobei i = 1, 2, ..., n und j = 1, 2, ..., 6i, mit den Randbedingungen

und

mit

wobei i = 1, 2, ..., n und j = 1, 2, ..., 6i, mit den Randbedingungen

wobei sich das gesamte Verkehrsaufkommen einer Funksende-Empfangseinrichtung zu

für i = 1, 2, ..., n und j = 1, 2, ..., 6i ergibt, wobei die Mindestkanalkapazität für eine vorgegebene Nutzungsrate r, mit 0 < r < 1, durch

bestimmt ist. Die Mindestkanalkapazität ist dann die kleinste ganze Zahl, die größer als c_ij ist.

Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Vermittlungseinrichtung mit einem Großrechner verbunden ist, der beispielsweise Serviceleistungen direkt zur Verfügung stellt.

Die Leistungsfähigkeit des Funknetzes läßt sich insbesondere erhöhen, wenn die Vermittlungseinrichtung mit mindestens einem Datenfestnetz verbunden ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein hexagonales Funknetz in schematischer Darstellung mit an den Knotenpunkten angeordneten Funksende-Empfangseinrichtungen,

Fig. 2 zulässige Routen eines Funknetzes gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine weitere Variante für zulässige Routen eines Funknetzes gemäß Fig. 1 und

Fig. 4 eine Zelle des Funknetzes gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist schematisch ein hexagonales Funknetz mit an den Netzknotenpunkten angeordneten Funksende-Empfangseinrichtungen, wobei sich im Zentrum des Netzes eine mit (0,1) bezeichnete zentrale Vermittlungseinrichtung befindet, die wie die Funksende-Empfangseinrichtungen mit einem Sender und Empfänger für Funkwellen ausgestattet ist. Dabei sind, wie Fig. 1 erkennen läßt, die Funksende- Empfangseinrichtungen auf konzentrischen Ringen um die Vermittlungseinrichtung herum angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel gibt es genau drei konzentrische Ringe, welche die Form eines regelmäßigen Sechsecks aufweisen. Der Abstand von Ring zu Ring ist gleich dem Abstand zweier unmittelbar benachbarter Funksende-Empfangseinrichtungen, also gleich dem zweier unmittelbar benachbarter Funksende-Empfangseinrichtungen. Die Funksende-Empfangseinrichtungen auf einem Ring sind in Fig. 1 entgegen dem Uhrzeigersinn durchnumeriert. So sind auf dem ersten Ring sechs Funksende-Empfangseinrichtungen angeordnet, auf dem zweiten zwölf und auf dem dritten achtzehn. Selbstverständlich muß der Abstand der Funksende-Empfangseinrichtungen auf einem Ring nicht jeweils gleich sein; die einzelnen als Sechsecke ausgebildeten Ringe können selbstverständlich auch die Form eines unregelmäßigen Sechsecks haben; allerdings dürfen sich die Sechsecke nicht gegenseitig nicht überschneiden. Die hexagonale Struktur hat den Vorteil einer gleichmäßigen Abdeckung eines gegebenen Versorgungsgebietes mit einer minimalen Anzahl an Funksende-Empfangseinrichtungen bei vorgegebener Sender- und Empfängerreichweite, die dabei in etwa dem Abstand zweier unmittelbar benachbarter Funksende-Empfangseinrichtungen entspricht.

Die Funksende-Empfangseinrichtungen werden im Funknetz so betrieben, daß die Übertragung der Daten zwischen benachbarten Funksende-Empfangseinrichtungen nur zwischen denen unmittelbar benachbarter Ringe möglich ist. In Fig. 2 sind zulässige Routen des in Fig. 1 dargestellten hexagonalen Funknetzes dargestellt. Bei größerer Reichweite oder geringerem Abstand der Funksende-Empfangseinrichtungen ist auch die in Fig. 3 dargestellte Routenverteilung möglich, bei der eine Verbindung auch zu mittelbar benachbarten Funksende-Empfangseinrichtungen aufgenommen wird. Jedes Datenpaket enthält Informationen über den Ursprung des Datenpakets und sein Ziel. Die Datenübertragung in dem Funknetz unterliegt ferner der Bedingung, daß die Daten von Funksende-Empfangseinrichtung zu Funksende-Empfangseinrichtung nur entweder zur Vermittlungseinrichtung hin oder von ihr weg übertragen werden können. Zur Verfügungstellung von Serviceleistungen ist die zentral angeordnete Vermittlungseinrichtung im Ausführungsbeispiel mit einem Großrechner und außerdem mit einem Datenfestnetz verbunden. Die Funksende-Empfangseinrichtungen können beispielsweise in den Sparkassen-Filialen einer Stadt oder eines geographischen Gebietes angeordnet sein, und diese mit dem Zentralrechner der Sparkasse verbinden.

Die Funksende-Empfangseinrichtungen des Funknetzes weisen eine Mindestkanalkapazität auf. Speziell ist es vorgesehen, an den Netzknotenpunkten eine Vielzahl von Funksende-Empfangseinrichtungen anzuordnen, und zwar so, daß die Summe der Kanalkapazitäten der gemeinsam an einem Netzknotenpunkt angeordneten Funksende-Empfangseinrichtungen gleich dieser Mindestkanalkapazität ist, die einer entsprechenden Kanalzahl entspricht.

Die Mindestkanalkapazität einer jeden Funksende-Empfangseinrichtung ist bestimmt durch den vorgegebenen lokalen Verkehr innerhalb der entsprechenden Zelle, in deren Zentrum sich die entsprechende Funksende-Empfangseinrichtung befindet. Eine derartige Zelle ist in Fig. 4 dargestellt; die zentrale Funksende-Empfangseinrichtung einer Zelle wird üblicherweise als Basisstation bezeichnet. Der lokale Verkehr oder das lokale Verkehrsaufkommen wird durch die Teilnehmer hervorgerufen, die sich innerhalb der jeweiligen Zelle befinden und das Funknetz zur Datenübertragung in Anspruch nehmen. Beispielsweise kann es sich bei den Teilnehmern um Personen handeln, die an Geldautomaten Bargeld von der Sparkasse abheben wollen. In einem solchen Falle werden beispielsweise die Kenndaten des entsprechenden Kontoinhabers an die zentrale Vermittlungseinrichtung übertragen. Im Regelfall ist die Auszahlung von Bargeld am Automaten mit der Rückübertragung von Daten insbesondere in Form von Abfragen zum entsprechenden Geldautomaten verbunden; der lokale Verkehr erzeugt folglich einen direkt proportionalen lokalen Serviceverkehr, der durch Rückfragen, Bestätigungen usw. zustande kommt, wobei der Proportionalitätsfaktor üblicherweise bekannt ist. Damit wird aber jede Funksende- Empfangseinrichtung neben dem lokalen Verkehr und dem Serviceverkehr von dem Knotendurchgangsverkehr belastet, der wiederum durch die Summe von abgehendem und ankommendem Durchgangsverkehr bestimmt ist.

Bei den Funksende-Empfangseinrichtungen handelt es sich um Halb-Duplex- Einrichtungen, mit mindestens einem Funkkanal; also um Einrichtungen, die auf einem Kanal entweder nur senden oder nur empfangen können. Dabei verfügen diese über eine dynamische Kanalzuteilung, d. h. diese Funksende-Empfangseinrichtungen sind in der Lage, einen Teil der Kanalkapazität zum Senden und den restlichen Teil zum Empfangen zu verwenden; die Kanalkapazität teilt sich dabei selbsttätig in Empfangs- oder Sendekanal auf. Hierzu wird vor der Herstellung einer Datenverbindung die Umgebung durch die Halb-Duplex-Einrichtungen selbsttätig abgetastet, um freie Kanäle benachbarter Funksende-Empfangseinrichtungen zu erfassen. Die Funk­ verbindung selbst wird dann in Form von entsprechenden Protokollen beispielsweise im Handshake-Verfahren durchgeführt.

Voraussetzung dafür, daß es in einem solchen Funknetz mit dynamischer Kanalzuteilung mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit zu keinem Datenstau kommt, ist, daß die Funksende-Empfangseinrichtungen eine Mindestkanalkapazität in Abhängigkeit vom lokalen Verkehr aufweisen, die für jede einzelne Funksende- Empfangseinrichtung bei vorgegebener Nutzungsrate des Funknetzes durch folgendes Gleichungssystem bestimmt ist:

(t_ij ist der vorgegebene lokale Verkehr der entsprechenden Netzzelle (i, j) (s. Fig. 4), für den sich erfahrungsgemäß sofort ein resultierender proportionaler Serviceverkehr s_ij ableiten läßt, der vom lokalen Verkehr verursacht, nämlich als rückkommender Verkehr, von der Vermittlungseinrichtung in Richtung Teilnehmer läuft; die q_ij = s_ij/(s_ij + t_ij) sind die dem Serviceverkehr direkt zuordenbaren Wahrscheinlichkeiten; die α_ij sind die Übergangswahrscheinlichkeiten in der Wegematrix, die anschließend für den stationären Fall iterativ berechnet werden.)

wobei i = 1, 2, ..., n und j = 1, 2, ..., 6i, mit den Randbedingungen

und

mit

wobei i = 1, 2, ..., n und j = 1, 2, ..., 6i, mit den Randbedingungen

wobei sich das gesamte Verkehrsaufkommen einer Funksende-Empfangseinrichtung zu

für i = 1, 2, ..., n und j = 1, 2, ..., 6i ergibt, wobei die Mindestkanalkapazität für eine vorgegebene Nutzungsrate r, mit 0 < r < 1, durch

bestimmt ist. Die Mindestkanalkapazität ist die kleinste ganze Zahl, die größer als C_ij ist.

Die drahtlose Weiterleitung des lokalen Verkehrs als auch des daraus direkt resultierenden proportionalen Serviceverkehrs führt dazu, daß jede einzelne Funksende-Empfangseinrichtung zusätzlich mit einem von der räumlichen Verteilung dieses lokalen Gesamtverkehrs bestimmten Knotendurchgangsverkehr belastet wird. Der Gesamtverkehr und damit die erforderliche Mindestkanalkapazität für jeden Knotenpunkt ergibt sich aus dem o. a. Gleichungssystem. Die dazu benötigten α_ij werden bestimmt, indem der Verkehr für jeden Knotenpunkt in den ankommenden (total inbound traffic) Verkehr u_nj und abgehenden (total outbound traffic) Verkehr v_nj zerlegt wird.

Der Verkehr ergibt sich für jeden Knotenpunkt aufgrund der Randbedingungen direkt aus

für j = 1, 2, ..., 6n
für den ankommenden Verkehr zu

und für den abgehenden Verkehr zu

Dabei ist der von allen Netzknotenpunkten erzeugte Gesamtverkehr:

und

bekannt. Somit ist der ankommende Verkehr für den stationären Fall aus den obengenannten Gleichungen einfach zu bestimmen.

Der abgehende Verkehr eines jeden Netzknotens ergibt sich mit

für k = 1, 2, . . ., 6i
aus der Lösung des Gleichungssystems:

die man durch Minimierung des Quadrats des folgenden Betrages erhält (in Vektorschreibweise):

Als Lösung erhält man mit der Methode der Eigenwertzerlegung

wobei L T|i-1,k und R_i-1,k jeweils der linke und der rechte singuläre Verktor ist. σ_i-1,k ist der k-te singuläre Wert des Matrix B_i-1.

Die σ_i-1,k sind also die zu berechnenden sogenannten Singularwerte. Die Lösung kann man beispielsweise iterativ nach folgendem Schema berechnen:

• 1. Man setze y_n = v_n und e = 0.
• 2. Man setze y_i,j = v_i,j + e/i und berechne x_i-j für i = n - 1, n - 2, .....; 2, 1 unter Benutzung von
  mit
  
• 3. Für i = 1, 2, ..., n und j = 1, 2, ..., 6i berechne man
  
• 4. Man vergleiche v₀ mit der Summe
  

Wenn v'₀ < v₀, dann setze man e = e + δ, hierbei ist δ eine kleine Zahl (z. B. δ = 0, 1), und gehe zurück zu Punkt 2. Wenn v'₀ < v₀ beende man das Verfahren.

Die Mindestkapazitäten ergeben sich sofort aus den für den stationären Fall errechneten Übergangswahrscheinlichkeiten α_i,j der Wegematrix, die sich, wenn das Funknetz sich im stationären Gleichgewicht befindet, wie beschrieben allein anhand des lokalen Verkehr bei davon direkt abgeleitetem Serviceverkehr iterativ bestimmen lassen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Auslegung eines zellularen Funknetzes für die drahtlose Datenübertragung, mit an Netzknotenpunkten angeordneten Funksende- Empfangseinrichtungen, die auf konzentrischen Ringen um eine als Vermittlungseinrichtung ausgebildete Funksende-Empfangseinrichtung herum angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet,
daß als Funksende-Empfangseinrichtungen Halb-Duplex-Einrichtungen mit dynamischer Kanalzuteilung eingesetzt werden,
daß die Daten nur zwischen benachbarten Funksende-Empfangseinrichtungen unmittelbar benachbarter Ringe übertragen werden, wobei die Daten entweder zur Vermittlungseinrichtung hin oder von ihr weg übertragen werden, und
daß die kleinste Kanalkapazität jeder Funksende-Empfangseinrichtung durch den vorgegebenen lokalen Verkehr in der jeweiligen Funkzelle und durch die Summe von abgehendem und ankommendem Durchgangsverkehr auf rechnerischem Wege bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Netzknotenpunkt eine Vielzahl von Funksende- Empfangseinrichtungen angeordnet werden, wobei die Summe der Kanalkapazitäten der einzelnen Funksende-Empfangseinrichtungen gleich der Mindestkanalkapazität an dem entsprechenden Knotenpunkt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Funksende-Empfangseinrichtung mit genau einem Funkkanal ausgerüstet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zellulare Funknetz als hexagonales Netz ausgebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestkanalkapazität der Funksende-Empfangseinrichtungen für eine vorgegebene Nutzungsrate durch folgendes Gleichungssystem bestimmt wird, anhand des vorgegebenen lokalen Verkehrs t_ij der entsprechenden Netzzellen, des Serviceverkehrs s_ij, der dem Serviceverkehr zugeordneten Wahrscheinlichkeiten q_ij = s_ij/(s_ij + t_ij) und der Übergangswahrscheinlichkeiten der Wegematrix α_ij:
wobei i = 1, 2, ..., n und j = 1, 2, ..., 6i, mit den Randbedingungen
und
wobei i = 1, 2, ..., n, j = 1, 2, ..., 6i und
wobei i = 1, 2, ..., n und j = 1, 2, ..., 6i, mit den Randbedingungen
wobei sich das gesamte Verkehrsaufkommen einer Funksende- Empfangseinrichtung zu
für i = 1, 2, ..., n und j = 1, 2, ..., 6i ergibt, wobei die Mindestkanalkapazität für eine vorgegebene Nutzungsrate r, mit 0 < r < 1, durch
bestimmt ist, wobei die Mindestkanalkapazität die kleinste ganze Zahl ist, die größer als c_ij ist.