DE19901755A1 - Frequenzbandvergabe an Funk-Kommunikationssysteme - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemäß wird davon ausgegangen, daß sich zumindest zwei Funk-Kommunikationssysteme räumlich überlagern und in einem Funk-Kommunikationssystem die Funkschnittstelle zumindest 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-Kommunikationssystems zwischen den Frequenzen des ersten und zweiten Frequenzbands angeordnet. Es liegt also ein Mindestabstand zwischen den an einem Standort verwendeten Frequenzbändern vor. Damit kann im UMTS ein Frequenzband des FDD-Modus in Aufwärtsrichtung auch im TDD-Modus genutzt und asymmetrische Datendienste besser unterstützt werden.

Description

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.

Claims (9)

1. Funk-Kommunikationssystem mit Basisstationen (BS) und Teilnehmerstationen (MS), die über eine Funkschnittstelle miteinander verbunden sind,
wobei die Funkschnittstelle zumindest ein erstes und ein zweites Frequenzband (f5, f9) für eine Übertragungsrichtung (UL) umfaßt und Funkschnittstellen eines weiteren räumlich überlagerten Funk-Kommunikationssystems benachbarte Frequenz­ bänder (f6, f10) umfassen, dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest ein Frequenzband (f6, f10) des weiteren Funk- Kommunikationssystems zwischen den Frequenzen des ersten und ein zweiten Frequenzbands (f5, f9) angeordnet ist.

2. Funk-Kommunikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Frequenzbänder (f6, f7, f8) mehrerer Funk-Kommunikationssysteme zwischen den Frequenzen des ersten und zweiten Frequenzbands (f5, f9) angeordnet sind.

3. Funk-Kommunikationssystem nach einem der vorherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Fre­ quenzen des ersten und zweiten Frequenzbands (f5, f9) ein möglichst großer Abstand vorgesehen ist.

4. Funk-Kommunikationssystem nach einem der vorherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Fre­ quenzband (f5) ein Frequenzduplex-Verfahren (FDD) und im zweiten Frequenzband (f9) ein Zeitduplex-Verfahren (TDD) zur Separierung der Übertragungsrichtungen (UL, DL) benutzt wird.

5. Funk-Kommunikationssystem nach Anspruch 4, da durch ge­ kennzeichnet, daß im ersten Frequenzband (f 5) die Funk­ übertragung in Aufwärtsrichtung (UL) durchgeführt wird.

6. Funk-Kommunikationssystem nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Übertragung mit Zeitduplex-Verfah­ ren verkehrsabhängig und/oder zeitabhängig hinzugeschaltet wird.

7. Funk-Kommunikationssystem nach einem der vorherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite der Frequenzbänder (f1 bis f16, g5 bis g16) 5 MHz beträgt.

8. Funk-Kommunikationssystem nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Teilnehmerseparierung in den Fre­ quenzbändern (f1 bis f16, g5 bis g16) nach einem CDMA-Teil­ nehmerseparierungsverfahren erfolgt.

9. Funk-Kommunikationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Stand­ ort eine oder mehrere Basisstationen (B5) eines oder mehrerer Funk-Kommunikationssystem angebracht sind, wobei deren Fre­ quenzbänder (f1 bis f16, g5 bis g16) nicht aneinandergrenzen.