DE19736085A1 - Übergabe-Managementsystem für zelluläres Netzwerk - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen zelluläre Ra­ diokommunikations-Netzwerke, und insbesondere das Management der Übergabe der Kommunikation bei einer Mobilstation von einer Basisstation zu einer weiteren in einem derartigen Netzwerk.

In einem typischen zellulären Radionetzwerk ist der Bereich, über den die Dienstleistung anzubieten ist, in eine Anzahl kleinerer Bereiche geteilt, welche Zellen genannt werden, von denen jede von ihrer eigenen Basisstation bedient wird. Jede Zelle hat ihre eigene Antenne oder Antennen zur Übertragung an und zum Empfang von einer Benutzerstation, normalerweise einer Mobilstation. Wenn sich ein Benutzer aus dem Bereich bewegt, der von einer Zelle abgedeckt wird, und einen bestimmten Anruf führt, wird der Anruf an eine einer Anzahl von Nachbarzellen übergeben.

Der Prozeß der Übergabe kann in drei Phasen geteilt werden. Zuerst gibt es eine Identifizierung, daß eine Übergabe erfor­ derlich ist, zweitens gibt es eine Identifizierung einer geeig­ neten Basisstation als Übergabekandidat und letztlich gibt es ein Schalten des Rufs von einer Basisstation zur anderen.

Üblicherweise wird die Bestimmung, ob eine Übergabe erforder­ lich ist, durchgeführt, indem die Signalqualität überwacht wird, die Qualität mit vorbestimmten Schwellenwerten verglichen wird und eine Übergabe initiiert wird, wenn die überwachte Qua­ lität unter eine vorbestimmte Schwelle fällt. Der Prozeß kann ebenfalls Messungen berücksichtigen, welche hinsichtlich der Signalqualität benachbarter Zellen durchgeführt werden, und die Übergabe kann auf der Basis des relativen Pegels der von der bedienenden Zelle und von den Nachbarzellen empfangenen Signals initiiert werden.

Die allgemeinen Prinzipien, welche das Management der Übergabe in einem typischen Netzwerk, das unter dem GSM(Global System for Mobile Communications)-Protokoll arbeitet, sind in der Ver­ öffentlichung mit dem Titel "European digital cellular communi­ cations system (Phase 2): Radio subsystem link control," GSM 05.08 version 4.9.0, vom 15. April 1994, von dem European Tele­ communications Standards Institute (ETSI) beschrieben.

Die Kapazität einer Zelle ist durch die Anzahl von Kanälen, d. h. der Frequenzen, bestimmt, welche für den Besitzer des Dienstes verfügbar sind. Da diese Anzahl begrenzt ist, können die Zellbereiche reduziert werden, um die Kapazität zu erhöhen, da dies ermöglicht, daß verfügbare Frequenzen wiederverwendet werden, ohne daß eine intolerable Interferenz in das Netzwerk eingeführt wird. Somit tendieren die Zellen in ländlichen Be­ reichen, wo die Verkehrsdichte gering ist, dazu groß zu sein, während die Verkehrsdichte in städtischen Bereichen höher zu sein tendiert, was die Verwendung kleinerer Zellen erfordert.

Für solche Verkehrsbereiche mit hoher Dichte wurde vorgeschla­ gen, daß eine Mehrschicht-Zellstruktur vorgesehen wird, welche aus einer Überlagerung üblicher Zellen, definiert als Makrozel­ len, besteht, wobei kleinere Zellen unterlegt sind, welche als Mikrozellen definiert sind, welche kleine Bereiche, wie z. B. Blöcke innerhalb eines Bezirkes, bedienen. Eine weitere Schicht noch kleinerer Zellen, definiert als Picozellen, kann weiterhin vorgesehen sein, um die individuellen Gebäude oder Stockwerke innerhalb eines Gebäudes zu bedienen.

In solche einem Netzwerk, welches als hierariches Netzwerk be­ zeichnet wird, macht eine Anzahl von Faktoren, wie z. B. die Be­ wegung einer Mobilstation innerhalb einer Zelle die Verarbei­ tung der Übergabe in Übereinstimmung mit den üblichen Techni­ ken, auf die oben Bezug genommen wurde, unzulänglich. Insbeson­ dere wird, falls sich eine Mobilstation mit solcher Geschwin­ digkeit bewegt, daß sie innerhalb einer Zelle der unteren Ebene eine sehr kurze Zeit lang bleibt, die Anzahl von Übergaben, die erforderlich sind, unverwaltbar hoch werden. Weiterhin können Probleme bei der Identifizierung geeigneter Übergabekandidaten­ stationen für sich schnell bewegende Mobilstationen auftreten, da das Auffrischen der Kandidatenstation-Identifizierungscodes nicht schnell genug durchgeführt werden kann. Dementsprechend gibt es bei hierarchischen Systemen eine Notwendigkeit für ein verbessertes Übergabe-Managementsystem.

Die Erfindung nützt die Tatsache aus, daß zelluläre Netzwerke typischerweise Daten vorsehen, welche üblicherweise durch die Mobilstation gesammelt werden, welche die Nachbarstationen mit der höchsten potentiellen Fähigkeit, eine zuverlässige Verbin­ dung mit einer gegebenen Mobilstation zu erzeugen, Identifizie­ ren. Diese Daten werden auf regelmäßiger Basis aufgerischt. Beispielsweise versorgt in einem GSM-Netzwerk eine Basisstation eine laufend bediente Mobilstation mit einer Liste weiterer be­ nachbarter Basisstationen (der BA-Liste), welche die Mobilsta­ tion überwachen soll und hinsichtlich der sie periodische Be­ richte an die Basisstation bezüglich der Signalqualität liefern soll.

Gemäß der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 1 ist ein Über­ gabe-Management-System für ein hierarisches zelluläres Radio­ netzwerk mit einer Vielzahl von Basisstationen geschaffen, wel­ che jeweils in der Lage sind, Daten von Mobilstationen inner­ halb ihres Servicebereichs zu sammeln, um potentielle Kandida­ ten-Basisstationen zur Übergabe auf der Basis der laurenden po­ tentiellen Signalqualität zu identifizieren. Mit einer Raten­ meßeinrichtung zum Messen der Änderungsrate potentieller Kandi­ datenstationen, welche so identifiziert werden, einer Ver­ gleichseinrichtung zum Vergleichen solcher Rate mit einem vor­ bestimmten Schwellwert sowie einer Übergabe-Steuereinrichtung, welche auf die Vergleichseinrichtung anspricht, um eine Kommu­ nikation zwischen einer Mobilstation und einer Basisstation hö­ herer Ebene in der Hierarchie aufrechtzuerhalten oder um eine Übergabe an eine untere Ebene auf der Basis des Vergleichs zu ermöglichen.

In einem Netzwerk in Übereinstimmung mit dem GSM-Protokoll muß jede Mobilstation die Identitäten der sechs besten potentiellen Übergabekandidaten berichten und einen Basisstations- Identifizierungscode (BSIC) an die Basisstation für jeden die­ ser Kandidaten übertragen. In solch einem System können die be­ richteten Identitäten bequem kontinuierlich an der Basisstation überwacht werden, und falls die Anzahl von Änderungen in der Zellidentität für als Mikrozellen klassifizierte Zellen unter­ halb einer vorbestimmten Schwelle fällt, kann die Übergabesteu­ ereinrichtung die Mobilstation an eine niedrigere Ebene in der Hierarchie übergeben.

Ein Übergabe-Managementsystem als Ausführung der Erfindung wird typischerweise in eine Basisstation eingegliedert sein, welche einen Teil des Netzwerks bildet.

Es ist weiterhin nach Anspruch 7 ein Verfahren geschaffen zum Managen der Übergabe in einem hierarchischen zellulären Radio­ netzwerk mit einer Vielzahl von Basisstationen, welche jeweils in der Lage sind, Daten von Mobilstationen innerhalb ihres Ser­ vicebereichs zu sammeln, um potentielle Kandidaten-Basis­ stationen zur Übergabe auf der Basis der laufenden potentiellen Signalqualität zu identifizieren, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Messen der Änderungsrate potentieller Kandi­ datenstationen, welche so identifiziert werden, Vergleichen der derartigen Raten mit einem vorbestimmten Schwellwert und Auf­ rechterhalten einer Kommunikation zwischen einer Mobilstation und einer Basisstation einer höheren Ebene in der Hierarchie oder Ermöglichen einer Übergabe an eine niedrigere Ebene auf der Basis des Vergleichs.

Damit die Erfindung gut verstanden wird, wird eine bevorzugte Ausführungsform davon jetzt mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 in vereinfachter Form eine hierarchisches zelluläres Netzwerk; und

Fig. 2 einen Fließplan zum Zeigen der Implementierung der vorliegenden Erfindung in ein zelluläres GSM-Netzwerk.

Zunächst mit Bezug auf Fig. 1 sind zwei übliche Zellen eines zellulären Netzwerks, die Makrozelle 1 und die Makrozelle 2 ge­ zeigt. Innerhalb der Makrozelle 1 ist eine Unterlegung von Mi­ krozellen vorgesehen, welche typischerweise Basisstationen mit geringer Leistung repräsentieren, und zwar mit Antennen, die beispielsweise unterhalb der mittleren Dachfirsthöhe gelegen sind. Die Zahlen innerhalb der Mikrozellen repräsentieren die durch die jeweiligen Basisstationen verwendeten Frequenzen; in dem gezeigten Beispiel teilen 16 Mikrozellen 4 Frequenzen. Da diese Mikrozellen sich typischerweise auf 100 bis 500 m er­ strecken, kann die verwendete Leistung auf einem sehr geringen Pegel gehalten werden, weil spezifische Pegel der Gebäudedurch­ dringung erzielt werden. Falls die Verkehrsdichte besonders hoch ist, kann eine noch niedrigere Ebene noch kleinerer Zellen von noch geringerer Leistung, als Picozellen bezeichnet, welche individuelle Gebäude oder sogar Stockwerke innerhalb eines Ge­ bäudes bedienen, vorgesehen sein. Da die Radiowellenausbreitung effektiv durch Gebäude begrenzt wird, welche entlang einer Straße stehen, oder durch die Wände und Unterteilungen der ein­ zelnen Gebäude, wird man erkennen, daß der Abstand zwischen po­ tentiell interferierenden Stationen in dieser Situation oft re­ duziert werden kann. Wenn jedoch die Zellgröße kleiner wird, werden die Effekte der Bewegung einer Mobilstation innerhalb einer Zelle dramatisch ansteigen.

Da weiterhin die Zellabdeckung in viel größerem Ausmaße im hierarischen System als in einem nicht hierarischen System überlappt, kann die Situation oft auftreten, in der eine Makro­ zelle Mikrozellen- oder Picozellen-Nachbarn unter Verwendung identischer Frequenzen aufweist. In dieser Situation können die Nachbarn nur durch kodierte Identifizierung, wie z. B. den BSIC-Code, welcher in dem oben bezeichneten GSM-System verwendet wird, identifiziert werden.

Fig. 2 zeigt eine Auswirkungsform der Erfindung in einer Ba­ sisstation eines hierarischen Systems, weiche das GSM-Protokoll implementiert. Solch eine Basisstation enthält einen Prozessor, der unter der Steuerung von Programmodulen arbeitet, um eine Signalverarbeiturig und Übergabe-Steueroperationen, welche durch die GSM-Spezifikation erforderlich sind, durchführt. Obwohl ei­ ne speziell gewidmete Verarbeitungseinrichtung vorgesehen sein kann, um die Operationen durchzuführen, welche nachstehend in bezug auf die Erfindung beschrieben werden, wird normalerweise eine hinreichende Kapazität in dem existierenden Prozessor ver­ fügbar sein. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind zusätzli­ che Programmodule vorgesehen, welche den existierenden Prozes­ sor steuern, damit er die mit Bezug auf Fig. 2 beschriebenen Schritte durchführt.

Innerhalb eines GSM-Systems muß jede Mobileinheit eine Anzahl von Trägerfrequenzen überwachen, welche durch Information be­ stimmt sind, die die Basisstation, die gegenwärtig diese Ein­ heit bedient, sendet. Diese Information enthält eine Liste von Frequenzen (die BA-Liste), aber, wie aus der Beschreibung eines hierarischen Systems oben mit Bezug auf Fig. 1 verstanden wird, bestimmt eine Frequenzliste allein nicht eindeutig, wel­ che Zelle die Mobileinheit gegenwärtig überwacht. Die Mobilein­ heit wird dementsprechend instruiert, den Zellidentifizierung­ scode (BSIC) für jedes überwachte Signal zu dekodieren und zu prüfen, daß er der Nachbarlisteninformation entspricht, welche durch die Basisstation gesendet wird, welche die Einheit gegen­ wärtig bedient. Nach dem anfänglichen Dekodieren muß die Mobil­ einheit unter Auffrischintervallen, welche 10 Sek. unter dem GSM-Protokoll nicht überschreiten können, die Zellidentitäts­ codes der Zelle dekodieren, für welche sie die Überwachung durchführt, um zu verifizieren, daß diese Zellen noch in der gesendeten Nachbarliste liegen. Zusätzlich muß die Mobilstation unter dem GSM-Protokoll die sechs stärksten der überwachten Frequenzen zusammen mit ihren Identifizierungscodes berichten, wenn das periodische Auffrischen stattfindet.

Mit Bezug auf Fig. 2 findet der beschriebene Überwachungspro­ zeß in Schritt (1) statt. In Übereinstimmung mit der Erfindung wird bei Schritt (2) die Anzahl von Änderungen in den BSIC-Identifizierungen über ein vorbestimmtes Meßintervall T be­ stimmt. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Gewich­ tungen den BSIC-Abtastungen gemäß dem Zeitablauf der Abtastung zugeordnet, und ein progressiver Mittelungsprozeß wird auf die Abtastungen angewendet, welcher die Gewichtungen gemäß dem so­ genannten "Leckeimer"-Prinzip bzw. "leaky bucket"-Prinzip be­ rücksichtigt. Dieses Verfahren entwickelt einen Mittelwert über dem Intervall T, welcher aufgefrischt wird, wenn neue Abtastun­ gen genommen werden und alte Abtastungen aus dem Prozeß ge­ wichtet werden.

Bei Schritt (3) wird ein Vergleich zwischen dem in Schritt (2) erhaltenen Mittelwert und eine vorbestimmte Schwellzahl durch­ geführt. Falls der Mittelwert oberhalb der bestimmten Schwelle ist, wird der Überwachungsprozeß für ein weiteres Intervall T fortgesetzt. Falls jedoch der Mittelwert unterhalb der vorbe­ stimmten Schwelle liegt, wird die Übergabe bei Schritt (4) ini­ tiiert. Zu diese Punkt wird bei Schritt (5) eine Feststellung der potentiellen Funktionstüchtigkeit verfügbarer Mikrozellen- Übergabekandidaten auf der Basis der Signalstärke, wie bei­ spielsweise durch den Wert des GSM-Parameters Rxlev angezeigt, durchgeführt. Zum Treffen einer verläßlichen Entscheidung wird dieser Wert über eine vorbestimmte Anzahl von Messungen m er­ mittelt, und eine Auswahl des Übernahmekandidaten wird gemacht. Unter der Annahme, daß dieser Kandidat für die Übergabe verfüg­ bar ist, wird der Prozeß bei Schritt (6) vervollständigt.

Die Schwellzahl und die Meßintervalle können derart eingestellt werden, daß sie sich an verschiedene Verkehrsbedingungen rich­ ten. Jedoch werden sie normalerweise derart eingestellt, daß sie einen akzeptablen Pegel der Übergabeaktivität für Benutzer­ stationen, die sich innerhalb des Netzwerks bewegen, in Über­ einstimmung mit durch den Netzwerkbetreiber errichteten Regeln aufrechterhalten.

Zum Bestimmen der Übergabekandidaten mit einem größeren Präzi­ tionsgrad können Register vorgesehen sein, um die Länge der Zeit aufzunehmen, während der jede potentielle Kandidatenzelle eine geeignete Funktionstüchtigkeit aufgewiesen hat, und zwar beispielsweise gemessen durch die Anzahl n von Auffrischinter­ vallen T, über die eine solche Funktionstüchtigkeit gemessen worden ist.

Obwohl in Verbindung mit Schritt (5) in Fig. 2 ein Prozeß der Überwachung basierend auf der Signalstärke beschrieben worden ist, wird man verstehen, daß weitere Parameter, wie z. B. die Signalqualität, wie angezeigt wird durch die Anzahl von Bitfeh­ lern bei der Übertragung (in einem GSM-System der Parameter rxqual), berücksichtigt werden können.

Claims (10)

1. Übergabe-Managementsystem für ein hierarisches zelluläres Radionetzwerk mit einer Vielzahl von Basisstationen, welche je­ weils in der Lage sind, Daten von Mobilstationen innerhalb ih­ res Servicebereichs zu sammeln, welche potentielle Kandidaten­ basisstationen zur Übergabe auf der Basis der laufenden poten­ tiellen Signalqualität identifizieren, mit einer Ratenmeßein­ richtung (2) zum Messen der Änderungsrate potentieller Kandida­ tenstationen, welche so identifiziert werden, einer Vergleichs­ einrichtung (3) zum Vergleichen der derartigen Rate mit einem vorbestimmten Schwellwert und einer Übergabesteuereinrichtung (4, 5), welche auf die Vergleichseinrichtung anspricht, um eine Kommunikation zwischen einer Mobilstation und einer Basissta­ tion höherer Ebene in der Hierarchie aufrechtzuerhalten oder um eine Übergabe an eine niedrigere Ebene auf der Basis des Ver­ gleichs zu ermöglichen.

2. System nach Anspruch 1 für ein zelluläres Radionetzwerk, welches unter dem GSM-Protokoll arbeitet, wobei die Raten­ meßeinrichtung derart gestaltet ist, daß sie die Änderungsrate der Basisstationsidentitäts (BSIC)-Codes in Berichten mißt, wel­ che durch eine Mobilstation für eine bedienende Basisstation geschaffen werden.

3. System nach Anspruch 2, bei dem die Ratenmeßeinrichtung ein progressiver Mittlungsprozessor ist, der derart gestaltet ist, daß der nach dem "Leckeimer"-Prinzip arbeitet.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ratenmeßeinrichtung derart gestaltet ist, daß sie die Basissta­ tion identifiziert, welche ein Kandidat für eine längere Zeit­ spanne als andere Kandidaten geblieben ist, und daß die Überga­ be-Steuereinrichtung (5) auf die Ratenmeßeinrichtung anspricht, um solch einen Kandidaten zur Übergabe auszusuchen.

5. Übergabe-Managementsystem für ein hierarisches zelluläres Radionetzwerk, welches im wesentlichen mit Bezug auf die be­ gleitenden Zeichnungen beschrieben worden ist.

6. Basisstation für ein hierarisches zelluläres Netzwerk ein­ schließlich eines Übergabe-Managementsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

7. Verfahren zum Managen der Übergabe in einem hierarischen zellulären Radionetzwerk mit einer Vielzahl von Basisstationen, welche jeweils in der Lage sind, Daten von Mobilstationen in­ nerhalb ihres Servicebereichs zu sammeln, welche potentielle Kandidatenbasisstationen zur Übergabe auf der Basis ihrer lau­ fenden potentiellen Signalqualität identifizieren, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Messen der Änderungsrate der so identifizierten potentiellen Datenstationen, Vergleichen der derartigen Rate mit einem vorbestimmten Schwellwert und Aufrechterhalten einer Kommunikation zwischen einer Mobilstati­ on und einer Basisstation höherer Ebene in der Hierarchie oder Ermöglichen einer Übergabe an eine niedrigere Ebene auf der Ba­ sis des Vergleichs.

8. Verfahren nach Anspruch 7 für ein zelluläres Radionetz­ werk, welches unter dem GSM-Protokoll arbeitet, bei dem die Än­ derungsrate der Basisstationsidentitäts (BSIC)-Codes, welche durch eine mobile Station an eine Basisstation in Übereinstim­ mung mit dem Protokoll berichtet werden, über eine vorbestimmte Zeitspanne gemittelt wird, um einen Ratenwert zum Vergleich mit dem vorbestimmten Schwellwert zu erzeugen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Ratenwert unter Verwendung des "Leckeimer"-Prinzips entwickelt wird.

10. Verfahren zum Managen der Übergabe in einem hierarischen zellulären Radionetzwerk, welches im wesentlichen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben worden ist.