DE4242808A1 - Verfahren zur Planung zellularer Mobilfunknetze - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Planung zellularer Mobilfunknetze mit ortsfesten Funkstationen (BTS - Base Transceiver Stations), welche in räumlicher Anordnung ein Zellularsystem mit Funkzonen bilden.

Mit der Entwicklung von Mobilfunknetzen, wie z. B. AMPS, NMT, C450 oder ähnlichen wurde es nötig, entsprechende Planungen für den Aufbau dieser Netze durchzuführen. Dabei wird, ausgehend von für die einzelnen ortsfesten Funksta­ tionen durch Rechnung oder Messung ermittelten Feldstär­ keverteilungen, durch Einzelvergleich dieser Feldstärke­ verteilungen untereinander eine Störmatrix ermittelt, in welcher festgehalten ist, ob eine Frequenzwiederverwendung zwischen den entsprechenden ortsfesten Funkstationen mög­ lich ist oder nicht. Dieser Vergleich ist aufwendig und zwar insbesondere dann, wenn sehr viele ortsfeste Funksta­ tionen zu einem Planungsgebiet gehören. Die Ergebnisse des Vergleiches, der beispielsweise am Bildschirm in Form einer Überlagerung von zwei Feldstärkeverteilungen durch­ geführt wird, sind recht subjektiv und haben überdies den Nachteil, daß die Lage der Zellgrenzen in dem zellularen Mobilfunknetz, welche die Relevanz von gestörten Flächen stark beeinflußt, unberücksichtigt bleibt. Bei der ermit­ telten Störmatrix wird nur eine Entscheidung festgehalten, ob eine Frequenzwiederverwendung zwischen den beiden be­ treffenden ortsfesten Funkstationen erlaubt ist oder nicht. Auf dieser Störmatrix setzt ein Algorithmus auf, welcher eine Zuweisung der für das Planungsgebiet mögli­ chen Frequenzen auf die einzelnen ortsfesten Funkstatio­ nen vornimmt.

Bedingt durch den digitalen Charakter der Störmatrix, d. h. die Ja/Nein-Entscheidung über eine Frequenzwiederverwen­ dung, ist die Zahl der insgesamt den ortsfesten Funksta­ tionen zuweisbaren Frequenzen von Anfang an begrenzt. Die Höchstzahl zuweisbarer Frequenzen hängt dabei vom Ablauf des Zuweisungsalgorithmus ab. Eine gefundene Frequenzver­ teilung kann auch nicht mehr weiter optimiert werden, da sie das Kriterium "Störmatrix" schon von Anfang an erfüllt und kein weiteres Kriterium existiert für eine Beurtei­ lung, ob eine Veränderung der Frequenzverteilung zu einer Verbesserung der Störsituation im Netz geführt hat.

Damit ist es auch nur in bestimmten Fällen möglich, eine feste Anzahl von erforderlichen Frequenzen pro ortsfeste Funkstation (z. B. aus Verkehrskapazitätsforderungen resul­ tierend) vorzugeben und unter dieser Randbedingung eine Frequenzverteilung mit möglichst geringen Störungen zu finden.

Bedingt durch die Art der Ermittlung der Störmatrix selbst und der Zuweisung der Frequenzen kann keine Frequenzver­ teilung gefunden werden, welche bei möglichst geringen Störungen eine höchstmögliche Gesamtverkehrskapazität des Funknetzes ergibt.

Auch ist eine Optimierung von Parametern der ortsfesten Funkstationen des Funknetzes hinsichtlich einer minimier­ ten Gesamtstörsituation recht aufwendig, weil jede Ände­ rung der BTS-Konfiguration die Störmatrix beeinflußt, wo­ durch neue interaktive Vergleiche zwischen den betreffen­ den ortsfesten Funkstationen notwendig werden, was über­ dies eine Ermittlung der ortsfesten Funkstationen voraus­ setzt, die von den Änderungen im Netz betroffen sein könn­ ten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Planung von zellularen Mobilfunknetzen zu schaffen, bei dem die pro ortsfeste Funkstation erforderliche Fre­ quenzzahl fest vorgegeben werden kann, eine frequenzspek­ trum-effiziente und störungsminimierte Frequenzverteilung ermittelt wird und eine Optimierung von BTS-Parametern hinsichtlich der Gesamtstörsituation einfach durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale ge­ löst.

Das erfindungsgemäße Verfahren, welches auf der Anwendung eines integrierten Funknetzplanungstools basiert, baut auf den rechnerisch oder auch meßtechnisch gewonnenen Feld­ stärkeverteilungen der zum Planungsgebiet gehörenden orts­ festen Funkstationen auf. In einem nächsten Verfahrens­ schritt werden simultan über das gesamte Planungsgebiet die Zellgrenzen zwischen den von den einzelnen ortsfesten Funkstationen versorgten Funkzellen ermittelt. Danach wird die Störmatrix bestimmt. Dabei wird ermittelt, wie stark die Störungen jeder anderen ortsfesten Funkstation inner­ halb der Funkzellen der betrachteten ortsfesten Funksta­ tion wären, wenn ein Gleichkanal-Reuse oder auch ein Nach­ barkanal-Reuse zwischen den ortsfesten Funkstationen vor­ genommen wurde. Die Störmatrix ist damit eine Matrix von die Stärke dieser möglichen Störungen beschreibenden Wer­ ten. Durch die Berücksichtigung der vorherberechneten Zellgrenzen werden dabei gestörte Flächen, die außerhalb der Funkzellen liegen, bei der Bestimmung der Stärken die­ ser möglichen Störungen eliminiert.

Auf dieser Störmatrix setzt zunächst ein Frequenzzuwei­ sungsalgorithmus auf. Dieser verteilt die Frequenzen eines vorgegebenen Frequenzspektrums auf die ortsfesten Funksta­ tionen des Planungsgebietes in der Weise, daß jeder orts­ festen Funkstation so viele Frequenzen zugeordnet werden, wie zur Abdeckung des Verkehrs in ihrer Funkzelle notwen­ dig sind und daß entsprechende planungs- und systemspezi­ fische Randbedingungen möglichst gut erfüllt werden.

Durch diese auf der Störmatrix basierende Frequenzzuwei­ sung wird zwar Frequenz-Reuse zwischen ortsfesten Funksta­ tionen mit hohen gegenseitigen Störungen vermieden, jedoch ist es nicht zwingend gegeben, daß die ermittelte Fre­ quenzverteilung hinsichtlich der gesamten Störsituation schon optimal ist. Um das zu erreichen, wird, basierend auf dem Ergebnis der Frequenzerstzuweisung und der Störma­ trix, eine Frequenzoptimierung durchgeführt. Dabei werden die Frequenzen zwischen den ortsfesten Funkstationen ge­ tauscht bzw. in den ortsfesten Funkstationen geändert. Nach jedem Vertauschungs- oder Änderungszyklus wird mit­ tels der Störmatrix ein die Störsituation im Gesamtnetz beschreibender Zielfunktionswert berechnet. Verbessert sich dieser Zielfunktionswert über eine bestimmte Anzahl von Zyklen nicht mehr, so ist die unter den entsprechenden planungs- und systemspezifischen Randbedingungen, die natürlich auch während der Optimierung berücksichtigt wer­ den, optimale Frequenzverteilung gefunden. Optimal heißt dabei, daß die durch die Frequenzanzahlen pro ortsfeste Funkstation vorgegebene Verkehrsverteilung bei den ent­ sprechenden Feldstärkenverteilungen jeder ortsfesten Funk­ station mit geringstmöglichen Störungen im Planungsgebiet abgedeckt wird und auch ggf. weitere eingegebene Randbe­ dingungen, wie beispielsweise minimale Anzahl von Anten­ nensystemen pro BTS und gesperrte oder fixierte Frequenzen pro BTS, erfüllt sind.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber bekannten Verfahren liegen besonders darin, daß die Anzahl der in den ortsfesten Funkstationen zuweisbaren Frequenzen nicht von Beginn an durch einen Zuweisungsalgorithmus be­ grenzt wird und daß wegen der verfahrensgemäßen Störmatrix das Ergebnis der Frequenzerstzuweisung durch eine Optimie­ rung noch deutlich verbessert werden kann.

Da die Planungsschritte vorzugsweise gleichzeitig für alle ortsfesten Funkstationen des Planungsspektrums durchge­ führt werden, ist eine interaktive Arbeit innerhalb eines Verfahrensdurchlaufes nicht erforderlich. Das führt zu einer wesentlichen Vereinfachung und zeitlichen Beschleu­ nigung der Planung, wenn in einem Funknetz die BTS-Parame­ ter nicht nur hinsichtlich der Feldstärkenbedeckung, son­ dern auch hinsichtlich der Störsituation optimiert werden sollen.

Nach erfolgter Frequenzzuteilung erfolgt eine Analyse des so generierten Frequenz-Reuse. Dieses Analyseverfahren beurteilt die Frequenzaufteilung nach der Wahrscheinlich­ keit, daß bestimmte, definierbare Qualitätskriterien unterschritten werden. Im Gegensatz zu anderen Verfahren ermöglicht dieses Verfahren für beliebig viele Störer mit hinreichender Genauigkeit die voraussichtliche Gesprächs­ qualität zu jedem Planungsort und jeder Frequenz zu beur­ teilen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist allgemein zur Planung von zellularen Mobilfunknetzen geeignet. Nachstehend wird die Erfindung anhand spezieller funktioneller Merkmale bei der Durchführung des Verfahrens für die Planung der gerade realisierten und in Vorbereitung befindlichen Mobil­ funknetze, nämlich GSM, DCS und PCN näher erläutert. Das beschriebene Verfahren zum Planen und Optimieren von Mobilfunknetzen wird mittels eines integrierten Tools durchgeführt, welches spezifische Funktionen für diese Mobilfunknetze enthält. Das dabei erzielte Planungsergeb­ nis beinhaltet alle Daten der Luftschnittstelle der ge­ planten Basisstationen, d. h. ortsfesten Funkstationen (z. B. Sendeleistung, Antennentyp, Antennen-Hauptstrahl­ richtung, Antennenhöhe, Antennen-Kippwinkel, Sendefrequen­ zen, Zeitschlitzzuweisung usw.).

Die wichtigsten Funktionen des Tools für die Funknetzgestaltung und Optimierung sind:

1. Grobplanung der Störung und Feldstärkebedeckung ohne Topo- und Morpho-Daten, aber mit vollständigen Basis­ stations-Daten und Antennendiagrammen. Der Benutzer kann zwischen drei unterschiedlichen Morphostrukturen wählen, nämlich Freiland, Stadt und Großstadt. Zur Bestimmung der Feldstärke werden empirische Formeln nach Hata & Okumura verwendet.

2. Dämpfungsberechnung

Hierbei werden im Tool die Median-Werte der Dämpfung berechnet unter Berücksichtigung der topographischen sowie morphographischen Daten. Die Berechnung er­ mittelt die Dämpfungswerte für jeden Punkt der Ver­ bindungslinie von der Basisstation zur Mobilstation und wählt automatisch die notwendige Vorhersage­ methode, wobei im verwendeten Tool u. a. folgende Methoden enthalten sind: free line-of-sight, free space loss calculation, empirische Vorhersagefaktoren und Formeln von Hata & Okumura, für quasi-open terrain, für irregular terrain, für verschiedene Morphostrukturen usw.

3. Zellgrenzberechnung

Im Tool sind die Handover-Algorithmen der entspre­ chenden Funknetzempfehlungen, beispielsweise die GSM- Recommandations, implementiert. Dazu gehören Power Budget, absolute Feldstärke und absolute Entfernung. Ein Rasterelement wird jeder ortsfesten Funkstation zugeordnet, bei der die Berechnung des Power Budget ein Maximum ergibt, falls eine ausreichende Empfangs­ leistung am Standort der Mobilstation vorhanden ist. Wenn es keine ortsfeste Funkstation gibt, die dieses Rasterelement versorgen könnte, wird dieses Element als unterversorgt gekennzeichnet. Die Gleichkanal- Störungsberechnung schließt unterversorgte Rasterele­ mente aus.

Es werden der Empfangspegel und die Versorgungs­ wahrscheinlichkeit unter Verwendung der vorher be­ rechneten und gespeicherten Dämpfungsdaten berechnet. Die Zellgrenzberechnung verwendet während ihres Ab­ laufes die Log-normal-Verteilung, morphographische Standardabweichung, Antennen-Charakteristik und BTS- Parameter (Sendeleistung, Dämpfung usw.). Nach der Bestimmung der Zellgrenzen und der Berechnung der Feldstärkewerte wird eine automatische Erstellung der Nachbarschaftsrelationen durchgeführt.

4. Störmatrixberechnung

Die Störmatrix ist die Grundlage für die automatische Frequenzzuweisung und -optimierung. Es gibt zwei Matrizen, eine für Gleichfrequenz-Reuse und eine für Nachbarfrequenz-Reuse. Jedes Element der Matrizen enthält für jede einzelne Basisstation die Störwahr­ scheinlichkeit durch eine Reuse-Basisstation.

5. Verkehrsplanung

Aus einer Verkehrsdichtedatenbank, welche die Vertei­ lung der Teilnehmer im Planungsgebiet beinhaltet, wird die Anzahl der Teilnehmer für jedes Basissta­ tions-Gebiet ermittelt. Der Planer kann die Parameter für das Verkehrsmodell, welches das Verhalten der Teilnehmer beschreibt, und Systemparameter, die eine konkrete Software-Konfiguration der Systemkomponenten (Anzahl PCH′s = Paging Channels und AGCH′s = Access Grant Channels, paging groups, periodical location updates usw.) beschreiben, eingeben. Hieraus wird die Anzahl der benötigten TCHs (Traffic Channels) und CCHs (Control Channels) für jede Basisstation ermittelt. Aus diesen Daten kann die jeweilige Anzahl an Sendefrequenzen berechnet werden, wobei es möglich ist, zusätzliche Frequenzen zu reservieren. Die gefundenen Anzahlen der Frequenzen können für die nachfolgende Frequenzoptimierung genutzt werden.

6. Frequenzoptimierung

Nach einer Frequenzzuweisung wird anschließend eine Frequenzoptimierung durchgeführt. Außerdem werden die Frequenzen auf Combiner zugewiesen, eine BCCH-Fre­ quenz (Broadcast Channel-Frequenz) bestimmt und die benötigten logischen Kanäle auf die Zeitschlitze aufgeteilt.

Bei der Frequenzzuweisung, d. h. der Erstzuweisung wird zunächst jeder Basisstation eine Frequenz zuge­ wiesen, die nach den vom Planer entschiedenen Strate­ gien "Störungsminimierung" oder "Combiner-Minimie­ rung" ausgewählt wird. Die Optimierung arbeitet nach dem Zielfunktionskonzept der nichtlinearen Optimie­ rung. Es wird jede in der Basisstation erlaubte Fre­ quenz geprüft, ob sie einen geringeren Wert der Ziel­ funktion hervorruft als eine bereits zugewiesene Frequenz. Falls dies der Fall ist, wird die alte Frequenz ersetzt. Ebenso wird geprüft, ob eine Ver­ tauschung der Frequenzen zweier Basisstationen die Zielfunktion verbessert. Bei der Ermittlung von Stö­ rungen wird berücksichtigt, wie stark eine Frequenz in das Gebiet einer Reuse-Basisstation hineinstört und nicht nur eine Entscheidung zwischen "Interferenz Ja/Nein" gefällt. Nach der Frequenzoptimierung be­ steht die Möglichkeit, die geplanten Frequenzen auto­ matisch den Combinern der Basisstation zuzuweisen.

7. Störungsberechnung

Diese Berechnung ermittelt die Störwahrscheinlichkeit für ein Rasterelement durch Signale von anderen Zellen, welche dieselbe Frequenz benutzen. Der Algo­ rithmus bestimmt den Medianwert für C/I (Carrier/ Interferer) in jedem Rasterelement für jede Reuse- Basisstation. Eine Basisstation gilt dann als ge­ stört, wenn die Wahrscheinlichkeit, daß ein bestimm­ tes C/I unterschritten wird, größer ist als ein vom Planer wählbarer Wert. Falls mehrere Basisstationen an der Störung beteiligt sind, wird die Überschnei­ dungswahrscheinlichkeit ermittelt.

Die Ergebnisse dieser Analyse geben dem Planer einen Einblick, welche Flächen oder Basisstationen bei der gewählten Belegung zu stark stören wurden. Er muß nun entscheiden, ob die Resultate annehmbar sind oder er Änderungen vornehmen muß, die die Ergebnisse verbes­ sern könnten (z. B. Anzahl benötigter Frequenzen, Sen­ deleistung, verwendete Antenne und deren Richtung, Anzahl der Basisstationen etc.).

Das Planungstool berechnet außerdem die Störwahr­ scheinlichkeit für jede einzelne Frequenz einer Basisstation. Die Berechnung berücksichtigt jedes Rasterelement der Planung. Außerdem wird auch die Gesamtstörung für jede Basisstation ermittelt (Qualitätsaussage der Planung).

Eine Störberechnung kann sowohl mit den vom Planer eingegebenen Daten als auch mit den Ergebnissen der Frequenzoptimierung durchgeführt werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur Planung zellularer Mobilfunknetze mit ortsfesten Funkstationen (BTS-Base Transceiver Stations), welche in räumlicher Anordnung ein Zellularsystem mit Funkzonen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß, basierend auf Feldstärkeverteilungen von zu planenden ortsfesten Funkstationen innerhalb eines Planungsgebietes die von den einzelnen ortsfesten Funkstationen zu versorgenden Funkzonen (Zellen) ermittelt werden, daß die Stärke der gegenseitigen Störungen, die jede ortsfeste Funkstation innerhalb der von einer anderen ortsfesten Funkstation zu versorgenden Funkzone verursacht, in einem Gesamtschritt ermittelt wird und diese Stärken vorzugsweise in Form eines Prozentwertes in einer Störmatrix abgelegt werden, daß, basierend auf der Störmatrix, einem benutzbaren Frequenzspektrum und einer für jede ortsfeste Funkstation feststehende Anzahl erforderlicher Kanäle eine Frequenzanfangszuweisung durchgeführt wird und die damit gefundene Frequenzverteilung innerhalb des Planungsgebietes nachfolgend durch Vertauschungs- und Neuzuweisungsalgorithmen schrittweise mit dem Ziel der Verringerung der Gesamtstörungen bei bestmöglicher Ausnutzung des Frequenzspektrums optimiert wird und daß ferner bei der Frequenzanfangszuweisung und der nachfolgenden Optimierung systemspezifische und planungsbedingte Randbedingungen berücksichtigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Verfahrensschritte für alle ortsfesten Funkstationen eines Planungsgebietes gleichzeitig durchgeführt werden.