Die Erfindung betrifft ein Funk-Kommunikationssystem mit
Basisstationen und Teilnehmerstationen, dessen Nutzung von
Frequenzbändern für die Funkschnittstelle mit denen weiterer
räumlich überlagerter Funk-Kommunikationssysteme koordiniert
ist.
In Funk-Kommunikationssystemen werden Nachrichten (beispiels
weise Sprache, Bildinformation oder andere Daten) mit Hilfe
von elektromagnetischen Wellen über eine Funkschnittstelle
übertragen. Die Funkschnittstelle bezieht sich auf eine Ver
bindung zwischen einer Basisstation und Teilnehmerstationen,
wobei die Teilnehmerstationen Mobilstationen oder ortsfeste
Funkstationen sein können. Das Abstrahlen der elektromagne
tischen Wellen erfolgt dabei mit Trägerfrequenzen, die in dem
für das jeweilige System vorgesehenen Frequenzband liegen.
Für zukünftige Funk-Kommunikationssysteme, beispielsweise das
UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) oder andere
Systeme der 3. Generation sind Frequenzen im Frequenzband von
ca. 2000 MHz vorgesehen.
Für UMTS erfolgt die Frequenzvergabe an die Netzbetreiber
demnächst. Das UMTS-Band besteht aus ungepaarten Bändern
(unpaired band) und gepaarten Bändern (paired band). Für die
dritte Mobilfunkgeneration sind zwei Modi vorgesehen, wobei
ein Modus einen FDD-Betrieb (frequency division duplex),
siehe ETSI STC SMG2 UMTS-L1, Tdoc SMG2 UMTS-L1 221/98, vom
25.8.1998, und der andere Modus einen TDD-Betrieb (time
division duplex), siehe DE 198 27 700, bezeichnet. Die Be
triebsarten sollen nach den Beschlüssen der Standardisle
runsbehörde in unterschiedlichen Frequenzbändern ihre Anwen
dung finden.
In den ungepaarten Bändern soll TDD zum Einsatz kommen, wo
gegen in den gepaarten Bändern FDD zum Einsatz kommen soll.
Das eine ungepaarte Band ist im Frequenzbereich von 1900 bis
1920 MHz und das andere im Frequenzbereich von 2010 bis 2025
MHz. Das Band für die Aufwärtsrichtung des gepaarten Bandes
ist im Frequenzbereich von 1920 bis 1980 MHz und das Band für
die Abwärtsrichtung des gepaarten Bandes im Frequenzbereich
von 2110 bis 2170 MHz. Der Duplexabstand für das gepaarte
Band beträgt somit 190 MHz.
Teile dieser Bänder werden an unterschiedliche Netzbetreiber
vergeben, wobei wie bei den bisherigen Funk-Kommunikations
systemen (siehe GSM global system for mobil communications)
jeweils ein zusammenhängender Block von Frequenzbändern an
einen Netzbetreiber zugeteilt werden soll. Fig. 1 zeigt dazu
einen Vergabeplan der Bänder f1 bis f16 an vier verschiedene
Netzbetreiber (Operatoren) Op1 bis Op4.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, mit geringen Kosten
eine flexiblere Nutzung der einem Funk-Kommunikationssystem
zur Verfügung stehenden Frequenzbänder zu erreichen. Diese
Aufgabe wird durch das Funk-Kommunikationssystem mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbil
dungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß wird davon ausgegangen, daß sich zumindest
zwei Funk-Kommunikationssysteme räumlich überlagern und in
einem Funk-Kommunikationssystem die Funkschnittstelle zumin
dest ein erstes und ein zweites Frequenzband umfaßt. Im Sinne
der Frequenzvergabe werden einem Funk-Kommunikationssystem
mehrere Frequenzbänder nicht blockweise vergeben, sondern
zumindest ein Frequenzband eines weiteren Funk-Kommunika
tionssystems zwischen den Frequenzen des ersten und zweiten
Frequenzbands angeordnet. Es liegt also ein Mindestabstand
zwischen den an einem Standort verwendeten Frequenzbändern
vor.
Im gepaarten Band ist die zur Verfügung stehende Übertra
gungskapazität in beiden Übertragungsrichtungen gleich. Ist
im Funk-Kommunikationssystem die Datenübertragung im Mittel
asymmetrisch, also in Auf- und Abwärtsrichtung sind nicht die
gleichen Datenmengen zu übertragen, so ergibt sich ein Prob
lem bezüglich der Kapazitätsauslastung. Erfindungsgemäß be
steht jedoch zwischen den Frequenzbändern eines Standorts,
d. h. beispielsweise einer Basisstation ein Mindestabstand,
der eine gegenseitige Störung der Funkübertragung in beiden
Frequenzbändern verringert, selbst wenn in der Basisstation
alle dem Netzbetreiber zur Verfügung gestellten Frequenzbän
der genutzt werden. Damit ist auch eine höhere Flexbilität
bei einer wahlweisen Nutzung unterschiedlicher Übertragungs
modi in den Frequenzbändern gegeben.
Der Mindestabstand beträgt zumindest ein Frequenzband, vor
teilhafterweise jedoch mehrere Frequenzbänder, die beispiels
weise mehreren Funk-Kommunikationssystemen zugeteilt sind. Es
ist zur Störungsminimierung vorteilhaft, daß zwischen den
Frequenzen des ersten und zweiten Frequenzbands ein möglichst
großer Abstand vorgesehen ist.
Um die Kapazitätsauslastung in einem UMTS-System zu verbes
sern, werden im ersten Frequenzband ein Frequenzduplex-Ver
fahren und im zweiten Frequenzband ein Zeitduplex-Verfahren
zur Separierung der Übertragungsrichtungen benutzt. Beim
Zeitduplex-Verfahren kann in einem Frequenzband durch Ver
schiebung von Umschaltpunkten zwischen Auf- und Abwärts
richtung die Kapazitätsvergabe an die Übertragungsrichtungen
beeinflußt werden.
Nach der folgenden vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
wird im ersten Frequenzband die Funkübertragung in Aufwärts
richtung durchgeführt. Bei asymmetrischen Datendiensten kann
man davon ausgehen, daß höhere Datenraten in Abwärtsrichtung
als in Aufwärtsrichtung gefordert werden. Im Frequenzband für
die Aufwärtsrichtung (gepaartes Band) besteht eine Überkapa
zität, die durch Einsatz eines Zeitduplex-Verfahrens zumin
dest teilweise und/oder zeitweilig für die Abwärtsrichtung
genutzt werden kann. Man kann die Hinzuschaltung verkehrs
abhängig oder auch zeitabhängig durchführen.
Um die Vorteile der flexiblen Kapazitätserhöhung (soft capa
city) durch Zuweisung zusätzlicher Codes oder eine Verände
rung des Spreizfaktors zu nutzen, sind die Frequenzbänder
breitbandig und die Datenanteile sind mit einem teilnehmer-
bzw. kanalindividuellen Spreizcode gespreizt. In den Fre
quenzbändern erfolgt eine Teilnehmerseparierung deshalb nach
einem CDMA-Teilnehmerseparierungsverfahren.
Bei einer entsprechenden Frequenzbandvergabe sind ohne Ein
schränkung der Flexibilität an einem Standort eine oder meh
rere Basisstationen eines oder mehrerer weiterer Funk-Kom
munikationssystem angebracht. Die Frequenzbänder der Basis
stationen, die für einen anderen Übertragungsmodus (z. B. TDD)
genutzt werden, dürfen dabei jedoch nicht an andere Frequenz
bänder des gleichen Standorts angrenzen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beilie
genden Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen
Fig. 1 eine Frequenzvergabe an mehrere Netzbetreiber nach
dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine Frequenzvergabe an mehrere Netzbetreiber nach
dem Stand der Technik unter Nutzung unterschied
licher Übertragungsverfahren im gepaarten Band,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Frequenzvergabe an vier Netz
betreiber,
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Frequenzvergabe an vier Netz
betreiber mit zum Teil gleichem Standort der Basis
stationen und beliebiger Nutzung unterschiedlicher
Übertragungsverfahren im gepaarten Band,
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Frequenzvergabe an sechs
Netzbetreiber,
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Frequenzvergabe an sechs
Netzbetreiber mit zum Teil gleichem Standort der
Basisstationen und beliebiger Nutzung unterschied
licher Übertragungsverfahren im gepaarten Band,
Fig. 7 Blockschaltbild eines Funk-Kommunikationssystems,
und
Fig. 8 die Koexistenz zweier Funk-Kommunikationssysteme.
In Fig. 2 ist die blockweise Vergabe von Frequenzbändern an
die Netzbetreiber Op1 bis Op4 gezeigt, wobei in einigen der
Frequenzbänder f5, f9, f10, f14 und f16 der Aufwärtsrichtung
UL des gepaarten Bandes statt dem ursprünglich im UMTS vorge
sehenen FDD-Modus der TDD-Modus verwendet wird. Der TDD-Modus
ist ein Zeitduplex-Verfahren zur Separierung der Übertra
gungsrichtungen UL, DL, so daß im Gegensatz zum Frequenz
duplex-Verfahren (FDD) auch in einem Frequenzband für die
Aufwärtsrichtung UL durch entsprechende Einstellung der Um
schaltpunkte Übertragungskapazität in Abwärtsrichtung DL zur
Verfügung gestellt werden kann. Die Gestaltung der Funk
schnittstelle im TDD-Modus kann beispielsweise DE 198 27 700
entnommen werden. Durch den TDD-Modus besonders unterstützte
asymmetrische Datendienste sind beispielsweise Internet- oder
Paketdatendienste.
Geht man im TDD-Modus von 16 Zeitschlitzen aus, von denen
zwei Zeitschlitze für Kontrollkanäle benutzt werden, so
bleiben für die Verkehrsdaten noch 14 Zeitschlitze übrig.
Eine asymmetrische Kapazitätszuteilung sieht z. B. 13 Zeit
schlitze in Abwärtsrichtung DL und nur einen in Aufwärts
richtung UL vor. Bei der Anforderung von symmetrischen Daten,
wie z. B. Sprache oder anderen durchgeschalteten Diensten
(circuit switched services) werden die Zeitschlitze gleich
mäßiger auf die Übertragungsrichtungen verteilt.
Es liegt weiterhin im Rahmen der Erfindung, daß der Einsatz
des TDD-Modus in diesen Frequenzbändern f5, f9, f10, f14 und
f16 je nach Bedarf zu- und abgeschaltet werden kann. Ist in
einem Funk-Kommunikationssystem und für eine Basisstation der
Verkehr in beiden Übertragungsrichtungen völlig gleich, so
ist es vorteilhafter, beide gepaarte Frequenzbänder z. B. f5
und g5 im FDD-Modus zu betreiben.
Die Entscheidungen über die Einstellung des Umschaltpunktes
bzw. über die Benutzung der Modi wird abhängig vom Verkehrs
aufkommmen von einer Einrichtung zum Funkressourcenmanagement
getroffen. Damit können auch zeitlich schwankende besonders
hohe Datenraten in Abwärtsrichtung DL bei gleichzeitig guter
Kapazitätsauslastung für ein Funk-Kommunikationssystem unter
stützt werden. Bei der Ressourcenvergabe sollte beachtet
werden, daß der TDD-Modus oder der FDD-Modus in nur einer
Übertragungsrichtung bevorzugt von den asymmetrischen Dien
sten und der FDD-Modus in beiden Übertragungsrichtungen von
den symmetrischen Diensten benutzt wird.
Ferner ist noch zu erwähnen, daß zu jeden Unterband f5 bis
f16 auch ein Oberband g5 bis g16 gehört. Somit liegt eine
ungeichmäßige Verteilung der Teilnehmer im gepaarten Band
vor, falls eine Frequenz für TDD benutzt wird.
Ist zum Beispiel ein Frequenzband der Aufwärtsrichtung UL im
gepaarten Band für TDD vergeben, so hat man in Abwärtsrich
tung DL des gepaarten Bands ein Frequenzband frei. Auf dieses
freie Frequenzband kann man auch Teilnehmer in Abwärtsrich
tung DL des gepaarten Bandes verteilen. Hat beispielsweise
ein Netzbetreiber die Frequenzbänder f1, f5, f9 und f13, dann
gehören dazu im Oberband die Frequenzbänder g5, g9 und g13.
Wird jetzt das Frequenzband f5 für den TDD-Modus verwendet,
dann stehen für den FDD-Modus Aufwärtsrichtung UL die Fre
quenzbänder f9 und f13 zur Verfügung, aber für den FDD-Modus
Abwärtsrichtung DL kann er die Frequenzbänder g5, g9 und g13
benutzen. Er hat somit die Möglichkeit, die Teilnehmer in Ab
wärtsrichtung DL auf drei Frequenzbänder zu verteilen anstatt
wie in Aufwärtsrichtung UL auf nur zwei Frequenzbänder. Da
durch reduzieren sich die Interferenzen in Abwärtsrichtung
DL.
Falls jedoch ein Netzbetreiber, z. B. Op1, an einem Standort
den TDD- (f6) und den FDD-Modus (f5, f7) im gepaarten Band in
Aufwärtsrichtung UL benutzen möchte und die Frequenzen wie in
Fig. 2 benachbart sind, dann stört die Abwärtsrichtung DL des
TDD-Modus (Senden der Basisstation in f6) die Aufwärtsrich
tung UL des FDD-Modus (Empfangen der Basisstation in f5, f7).
Um diese Störungen (Interferenzen) zwischen der Signalüber
tragung der Nachbarfrequenzen auf ein Minimum zu reduzieren
sind die Anforderungen an ein Sendefilter des TDD-Modus sehr
hoch, so daß mindestens 14 High-Q-Keramik-Resonantor Filter
benötigt werden. Solche Filter sind sehr teuer und haben ein
großes Volumen.
Sind die Frequenzbänder des TDD- und FDD-Modus an einem
Standort nicht benachbart, so sind die Anforderungen an das
Sendefilter nicht so hoch. In diesem Fall können die Sende
filter mit einfacheren Filtern realisiert werden und sind
daher preisgünstiger und haben auch ein kleineres Volumen.
Geht man beispielsweise von einer Bandbreite im UMTS-Mobil
funksystem von 5 MHz aus, so ist bei einer Nutzung von
Frequenzen f5 und f9 an einem Standort der Frequenzabstand
gleich 15 MHz. Hierbei sind die Störungen, verusacht durch
den Sendebetrieb im TDD-Modus, so gering, daß ein 6 High-Q-
Keramik-Resonator Filter als Sendefilter zur Reduzierung der
Störungen ausreichend ist. Solch ein Filter ist auch aus
reichend, wenn nur 5 MHz zwischen den Frequenzbändern der
beiden Modi liegen (nur ein Frequenzband liegt dazwischen).
Damit der TDD- und der FDD-Modus im gepaarten Band an einem
Standort in beliebiger Konstellation koexistieren kann wird
vorgeschlagen, keine blockweise Vergabe der Frequenzbänder an
die Netzbetreiber und damit an die Funk-Kommunikationssysteme
vorzusehen, sondern zwischen den Frequenzbändern ein oder
mehrere Frequenzbänder freizulassen und diese anderen Netz
betreibern zuzuteilen. Man kann in diesem, in Fig. 3 gezeigten
Fall, von einem Interleaving der Frequenzen sprechen.
Eine mögliche Konstellation der Frequenzvergabe für vier
Netzbetreiber ist in Fig. 3 gezeigt. Dabei bezeichnen die Fre
quenzbänder f1 bis f4 das ungepaarte Band, die Frequenzbänder
f5 bis fl6 die Aufwärtsrichtung UL des gepaarten Bands und
die Frequenzbänder g5 bis g16 die Abwärtsrichtung DL des
gepaarten Bands.
Mit solch einer Frequenzvergabe besteht sogar die Möglich
keit, daß mindestens zwei Netzbetreiber einen gemeinsamen
Standort benutzen, ohne höhere Anforderungen an die Sende
filter der Basisstation zu stellen. Zwischen den Frequenz
bändern ist immer ein Abstand von 5 MHz. In diesem, in Fig. 4
gezeigten Fall können die Netzbetreiber an einem Standort den
gesamten Frequenzvorrat ausschöpfen, um eine große Kapazität
den Benutzern zur Verfügung zu stellen.
Falls nicht vier, sondern sechs Netzbetreiber parallel exi
stieren, sind die Frequenzvergaben nach Fig. 5 und Fig. 6 vor
teilhaft. Dabei stehen pro Funk-Kommunikationssystem statt
drei nur je zwei Frequenzbänder in beiden Übertragungsrich
tungen UL, DL des gepaarten Bandes zur Verfügung und nicht
jedes Funk-Kommunikationssystem hat auch ein eigenes Fre
quenzband im ungepaarten Band. Bei der in Fig. 6 gezeigten
Konstellation können auch drei Betreiber einen gemeinsamen
Standort nutzen.
Das in Fig. 7 dargestellte Funk-Kommunikationssystem ent
spricht in seiner Struktur einem bekannten GSM-Mobilfunknetz,
das aus einer Vielzahl von Mobilvermittlungsstellen MSC be
steht, die untereinander vernetzt sind bzw. den Zugang zu
einem Festnetz PSTN herstellen. Weiterhin sind diese Mobil
vermittlungsstellen MSC mit jeweils zumindest einer Einrich
tung zum Funkressourcenmanagement RNC verbunden. Jede Ein
richtung zum Funkressourcenmanagement RNC ermöglicht wiederum
eine Verbindung zu zumindest einer Basisstation BS. Eine
solche Basisstation BS ist eine Funkstation, die über eine
Funkschnittstelle eine Funkverbindung zu Teilnehmerstationen,
z. B. Mobilstationen MS aufbauen kann.
In Fig. 7 ist beispielhaft eine Funkverbindung zur Übertragung
von Nutzinformationen und Signalisierungsinformationen zwi
schen einer Mobilstation MS und einer Basisstation BS darge
stellt. Ein Operations- und Wartungszentrum OMC realisiert
Kontroll- und Wartungsfunktionen für das Mobilfunknetz bzw.
für Teile davon. Die Funktionalität dieser Struktur wird vom
Funk-Kommunikationssystem nach der Erfindung genutzt; sie ist
jedoch auch auf andere Funk-Kommunikationssysteme, z. B. zum
drahtlosen Teilnehmeranschluß, übertragbar, in denen die Er
findung zum Einsatz kommen kann.
In Fig. 8 sind zwei Basisstationen BS unterschiedlicher, räum
lich überlagerter Funk-Kommunikationssysteme, z. B. betrieben
von Netzbetreibern Op1 und Op2 dargestellt. Jede der Basis
stationen BS nutzt Frequenzbänder f5, f9, f13 bzw. f6, f10,
f14 in der Aufwärtsrichtung UL des gepaarten Bandes die je
weils keinen zusammenhängenden Block bilden, sondern durch
mindestens ein Frequenzband eines weiteren Funk-Kommunika
tionssystems getrennt sind. Damit ergibt sich innerhalb eines
Standorts eine Trennung der Mittenfrequenzen der Frequenz
bänder f5, f9, f13 von hier 20 MHz. Sollten die zwei Basis
stationen BS an einem gemeinsamen Standort montiert werden,
dann sollte die zweite Basisstation die Frequenzbänder f7,
f11 und f15 nutzen.