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Die vorliegende Erfindung betrifft zellulare Kommunikationsnetze.
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Die Topologie eines zellularen Kommunikationsnetzes wird in der Regel durch
die Position der Basisstationen in dem vom zellularen Kommunikationsnetz
abzudeckenden Gebiet, sowie durch die Anordnung der Kommunikationskanäle in
den Zellen bestimmt.
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Eine wohlbekannte Topologie eines zellularen Kommunikationsnetzes besteht
aus der Nebeneinanderstellung sechseckiger Zellen in dem abzudeckenden Gebiet.
Diese Nebeneinanderstellung sechseckiger Zellen wird im Folgenden Hexagonal-
Zellen-Cluster genannt. Wie in Fig. 1 gezeigt, erhält man einen solchen Hexagonal-
Zellen-Cluster durch Positionierung der Basisstationen des zellularen
Kommunikationsnetzes auf eine solche Weise, dass jede Basisstation die Mitte einer
fiktiven sechseckigen Zelle C1 bildet, die von sechs anderen identischen sechseckigen
Zellen C2, ..., C7 umgeben ist, in deren Mitte sich sechs andere Basisstationen
befinden. Dieser Cluster kann dazu benutzt werden, einen beliebigen Bereich zu
belegen, der durch ein zellulares Kommunikationsnetz abgedeckt werden soll. Der
Hexagonal-Cluster wird zum Beispiel im Funkkommunikationsnetz GSM verwendet.
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Wenn die Position der Basisstationen festgelegt wurde, muss die Anordnung der
Kommunikationskanäle geeignet gewählt werden. In der Regel wird ein
Kommunikationskanal durch eine Frequenz aus einem Satz mehrerer möglicher
Frequenzen repräsentiert. Zum Beispiel kann jeder Zelle eine Frequenz zugeordnet
sein. Jedes Endgerät, das sich in einer Zelle befindet, kommuniziert mit der
entsprechenden Basisstation, indem es die entsprechende Frequenz benutzt. Wie in
Fig. 1 gezeigt, werden die in Zelle C1 befindlichen Endgeräte die Frequenz F1
benutzen, die in Zelle C2 befindlichen benutzen Frequenz F2, und so weiter.
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In der Regel wird an der Basisstation eine Rundstrahlantenne zur Abdeckung
der gesamten Zelle benutzt. Innerhalb einer Zelle kann ein Vielfachzugriff im
Zeitmultiplex verwendet werden, so dass mehr als ein Teilnehmer mit der Basisstation
kommunizieren kann.
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Diese Topologie vermeidet, dass die in einer Zelle C1 befindlichen Endgeräte in
ihren benachbarten Zellen C2, ..., C7 Störungen in Richtung zur Basisstation
verursachen, da sie unterschiedliche Frequenzbereiche benutzen. Diese Topologie
begrenzt auch die Störungen in Richtung zum Teilnehmer, da die von einer
Basisstation in Zelle C1 benutzte Frequenz nicht von den Endgeräten ihrer
benachbarten Zellen C2, ..., C7 benutzt wird.
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Da die Anzahl möglicher Frequenzen jedoch begrenzt ist, muss eine Frequenz
in entfernten Zellen des zellularen Kommunikationsnetzes erneut verwendet werden,
wodurch Gleichkanalstörungen für die Richtung zur Basisstation und zum Teilnehmer
verursacht werden, zum Beispiel wird die Frequenz F1 in den Zellen C1, C8 und C9
erneut verwendet.
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In dicht besiedelten Gebieten erweist sich die oben beschriebene
Netzwerktopologie aus den folgenden Gründen als ungeeignet. Erstens müssen die
Zellen sehr klein sein, wodurch nicht vernachlässigbare Gleichkanalstörungen
zwischen entfernten Zellen verursacht werden, welche die gleiche Frequenz benutzen.
Die Anzahl benötigter Frequenzen ist oft höher als das dem zellularen
Kommunikationsnetz zugeteilte Frequenzband.
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Eine bekannte Lösung dieses Problems besteht in der Aufteilung einer Zelle in
mehrere Sektoren, von denen jeder seinen eigenen Frequenzkanal hat. Diese
Anordnung von Frequenzkanälen ermöglicht es, mit einer kleinen Zahl
unterschiedlicher Frequenzen die Gleichkanalstörungen besser handhaben und
reduzieren zu können.
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Dieses Prinzip wurde bereits in festen drahtlosen Kommunikationsnetzen für
dicht besiedelte Gebiete verwendet (zum Beispiel Local Multipoint Distribution Services
LMDS). Der Begriff "fest" bezieht sich auf die festen Standorte der Teilnehmer. Da sich
die Teilnehmer nicht bewegen, muss im Netzwerk kein Basisstationswechsel
implementiert werden. Folglich kann Systemkapazität, die andernfalls dazu verwendet
worden wäre, eine gleichmäßige Abdeckung für mobile Teilnehmer sicherzustellen,
anders eingesetzt werden, um einen höheren Durchsatz für dicht besiedelte Gebiete
bereitzustellen.
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In einer Zelle wird der Bereich von 360º um die Basisstation in mehrere
Unterbereiche aufgeteilt, von denen jeder durch eine geeignete Richtantenne
abgedeckt wird. Die Richtantennen strahlen vom Standort der Basisstation ab und
decken die unterschiedlichen Sektoren der Zelle ab. Sie bilden ein sektorisiertes
Antennensystem.
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Ein bekannter Zellen-Cluster, bei dem ein sektorisiertes Antennensystem in
einem LMDS-Netzwerk verwendet wird, ist ein quadratischer Zellen-Cluster, der in vier
quadratische Sektoren unterteilt ist, wie in Fig. 2 gezeigt.
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Jede Zelle ist ein Quadrat mit der Seitenlänge α, das in vier Quadrate unterteilt
ist, welche die Seitenlänge α/2 haben. Ein sektorisiertes Antennensystem SAS befindet
sich in der Mitte jeder Zelle und besteht aus vier Richtantennen, die von der Mitte der
Zelle mit einem Öffnungswinkel von 90º abstrahlen und von denen jede einen der vier
quadratischen Sektoren abdeckt. In dem in Fig. 2 gezeigten Zellen-Cluster werden im
gesamten Netzwerk vier Frequenzkanäle F1, F2, F3, F4 benutzt. Jedem Sektor der
Zelle wird einer der vier Frequenzkanäle zugeordnet. Die in einer benachbarten Zelle
benutzten Frequenzkanäle werden aus den in der Referenzzelle verwendeten durch
Symmetrie abgeleitet.
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Diese Art von Cluster ermöglicht eine bessere Frequenz-Wiederverwendung im
Funkkommunikationssystem. Gleichkanalstörungen bleiben jedoch im Netzwerk
vorhanden. Störungen in Richtung zur Basisstation sind in dem üblichen quadratischen
Zellen-Cluster mit vier Sektoren besonders kritisch. Tatsächlich erfordert die
Demodulation eines Zeitmultiplexsignals in Richtung zur Basisstation eine hohe
Signalqualität, und es ist folglich besonders empfindlich gegen Störungen.
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Fig. 3 zeigt die Positionen von Teilnehmern, welche in einem Sektor einer Zelle
die meisten Störungen in Richtung zur Basisstation verursachen. Sektor S30 wird als
Referenzsektor genommen. Den Sektoren S31, S32, S33 in entfernten Zellen ist
derselbe Frequenzkanal F4 zugeordnet, wie Sektor S30. Die an den fett gezeichneten
Linien L31, L32 und L33 befindlichen Teilnehmer verursachen bei der Kommunikation
mit ihren jeweiligen Basisstationen direkte Störungen der in Sektor S30 befindlichen
Teilnehmer.
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Abhängig vom verwendeten Modulationstyp sollte ein vorher definiertes
Verhältnis von Träger zu Störungen C/I erreicht werden, damit eine gute Funktion des
Netzwerks sichergestellt ist. Das folgende Beispiel erläutert die Anforderungen
bezüglich C/I für einen quadratischen Zellen-Cluster, der vier quadratische Sektoren
hat. In dieser Konfiguration verursachen die auf den fett gezeichneten Linien L31 und
L33 befindlichen, Störungen zur Basisstation bewirkenden Teilnehmer einen C/I-Wert
von 14,8 dB in Sektor S S30, die auf der fett gezeichneten Linie L32 befindlichen,
Störungen bewirkenden Teilnehmer verursachen einen C/I-Wert von 15,3 dB in Sektor
S30. Der in Sektor S30 auftretende Gesamt-Störpegel ist gleich 14 dB, während ein
C/I von 17 dB erreicht werden sollte, um die Effekte der Störungen in Richtung zur
Basisstation zu vernachlässigen. Diese Werte werden nur zur Erläuterung angegeben
und hängen von der im Netzwerk verwendeten Modulationsart, sowie von der Qualität
der Empfangskette ab.
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In der Europäischen Patentanmeldung EP 0 720 405 wird eine Methode zur
Verringerung der Störungen in einem zellularen Funkkommunikationsnetzwerk mit
Frequenz-Wiederverwendung offen gelegt, das aus sechseckigen Zellen besteht, die in
vier Sektoren unterteilt sind. Die Art der Störungen, die in dieser Patentanmeldung
behandelt werden, ist eine Mischung aus Gleichkanalstörungen, die durch ein Signal
zum Teilnehmer erzeugt werden, das in einer benachbarten Zelle auf einer
Kommunikation zur Basisstation in der betrachteten Zelle ausgesendet wird, wenn
sowohl das Signal zum Teilnehmer als auch zur Basisstation dasselbe Frequenzband
benutzen. Gemäß dieser Patentanmeldung sollten die Begrenzungslinien des Sektors
in Abhängigkeit von der Linie gewählt werden, die von der Mitte einer Zelle zur Mitte
der am nächsten Liegenden Zelle mit der gleichen Frequenz führt. Eine Drehung dieser
Begrenzungslinie wird in einem vordefinierten Winkelbereich toleriert.
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In der Europäischen Patentanmeldung EP 0 994 632 wird eine Methode zur
Verringerung der Störungen in einem zellularen Funkkommunikationsnetzwerk offen
gelegt. In dieser Patentanmeldung werden Gleichkanalstörungen in Richtung zur
Basisstation betrachtet, die durch ein Signal zur Basisstation erzeugt werden, das in
einer benachbarten Zelle auf einem Signal zur Basisstation in der betrachteten Zelle
erzeugt wird, wenn beide Signale zur Basisstation denselben Frequenzkanal benutzen.
Eine in dieser Patentanmeldung offen gelegte Lösung besteht in der Kombination eines
vorher definierten Frequenz-Wiederverwendungs-Schemas mit dem Einsatz von
angepassten Antennen, die ein Antennendiagramm mit Einkerbungen haben.
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Solche Antennen haben den Nachteil, dass sie kompliziert und teuer sind.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Zellen-Clusters
und einer Anordnung von Kommunikationskanälen im Zellen-Cluster, um die
Gleichkanalstörungen in Richtung zur Basisstation in einem Funkkommunikationsnetz
zu minimieren und die Netzwerkkapazität zu erhöhen.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines sektorisierten
Antennensystems zum Einsatz in dem oben beschriebenen Zellen-Cluster.
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Diese Ziele und weitere, die unten erscheinen, werden durch ein
Funkkommunikationsnetzwerk gemäß Anspruch 1, sowie durch den Einsatz eines
sektorisierien Antennensystems gemäß Anspruch 5 erreicht.
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Der Hexagonal-Zellen-Cluster mit vier 90º-Sektoren gemäß der vorliegenden
Erfindung hat den Vorteil, dass die Anzahl der zur Abdeckung einer vordefinierten
Fläche benötigten Basisstationen minimiert wird.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass er wegen der Standort-Konfiguration die Störungen
verringert, insbesondere bei Änderungen des wirklichen Clusters bezogen auf den
idealen.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden Antennen mit einem
3dB-Winkel von unter 45º im Hexagonal-Cluster mit vier 90º-Sektoren verwendet.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung können abhängig von der
Gestalt des abzudeckenden Sektors zwei verschiedene Arten von sektorisierten
Antennen verwendet werden.
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Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung werden in den abhängigen
Ansprüchen definiert.
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Weitere Charakteristiken und Eigenschaften der Erfindung werden beim Lesen
der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Implementation deutlich, die durch
nicht einschränkende Erläuterungen angegeben wird, sowie aus den begleitenden
Zeichnungen, in denen
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- Fig. 1 einen üblichen Hexagonal-Zellen-Cluster mit einer Frequenz
pro Zelle zeigt, wie er in einem GSM-Netzwerk verwendet wird
(bisheriger Stand der Technik);
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- Fig. 2 einen quadratischen Zellen-Cluster mit vier quadratischen
Sektoren zeigt, wie er aus einem üblichen festen drahtlosen LMDS-
Netzwerk bekannt ist (bisheriger Stand der Technik);
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- Fig. 3 die Position der wichtigsten störenden Teilnehmer zeigt, die
Störungen in Richtung zur Basisstation in einem festen drahtlosen
Netzwerk, wie in Bild 2 gezeigt, erzeugen (bisheriger Stand der
Technik);
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- Fig. 4 ein Funkkommunikationsnetzwerk (Fig. 4a) mit Hexagonal-
Zellen-Cluster mit vier 90º-Sektoren (Fig. 4b) gemäß der bevorzugten
Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
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- Fig. 5 die Position der wichtigsten Teilnehmer zeigt, die Störungen in
Richtung zur Basisstation in einem festen drahtlosen Netzwerk
verursachen, wie in Fig. 4a gezeigt.
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Die Fig. 1, 2 und 3 wurden bereits in Zusammenhang mit dem bisherigen
Stand der Technik beschrieben.
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Fig. 4a stellt einen Teil des Funkkommunikationsnetzes gemäß der
vorliegenden Erfindung dar, das aus nebeneinander gestellten sechseckigen Zellen
besteht, von denen jede in vier 90º-Sektoren unterteilt ist. Ein sektorisiertes
Antennensystem SAS befindet sich in der Mitte jedes Sechsecks und besteht aus vier
sektorisierten Antennen, die aus der Mitte des Sechsecks abstrahlen. Das sektorisierte
Antennensystem befindet sich vorzugsweise am selben Standort wie die Basisstation,
welche die Kommunikation innerhalb der Zelle steuert.
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Fig. 4b stellt eine der Zellen des in Fig. 4a gezeigten
Funkkommunikationsnetzes dar. Die vier 90º-Sektoren in der sechseckigen Zelle S41,
..., S44 sind durch zwei Sektor-Begrenzungslinien DL1, DL2 begrenzt, die sich in der
Mitte C des Sechsecks schneiden. Die erste Begrenzungslinie DL1 erhält man durch
Drehung einer Diagonale D des Sechsecks um 45º um die Mitte C des Sechsecks, die
andere Begrenzungslinie DL2 der Sektoren steht rechtwinklig auf der ersten
Begrenzungslinie DL1.
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Die Hauptrichtung einer sektorisierten Antenne zur Abdeckung eines Sektors
sollte der Halbierungslinie entsprechen, welche den Sektor in zwei gleiche Teile teilt.
Als Folge davon liegt die Hauptrichtung von zwei sektorisierten Antennen, welche die
Sektoren S41 und S43 abdecken, entlang der Diagonale D des Sechsecks, und die
Hauptrichtung für die sektorisierten Antennen, welche die Sektoren S42 und S44
abdecken ist rechtwinklig zur Diagonale D des Sechsecks.
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Zwei Sektoren S41 und S43 haben eine erste Gestalt Sh1 und die beiden
anderen Sektoren S42 und S44 haben eine zweite Gestalt Sh2.
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Der jedem Sektor zugeordnete Kommunikationskanal kann durch die
verwendete Kanalfrequenz, durch den benutzten Modulationstyp und durch weitere
Kriterien charakterisiert werden, wie einem Fachmann bekannt ist. Aus Gründen der
Einfachheit werden die Kommunikationskanäle durch die verwendete Frequenz
charakterisiert.
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Es werden den verschiedenen Sektoren der sechseckigen Zellen vier mögliche
Frequenzen F1, ..., F4 zugeordnet, wie in Fig. 4a gezeigt. Die vier unterschiedlichen
Muster, welche die unterschiedlichen Sektoren füllen, stellen die vier verschiedenen
benutzten Frequenzen dar.
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Die Frequenzen werden in benachbarten Zellen erneut verwendet, wie in Fig.
4a gezeigt, so dass in einer Gruppe von vier Zellen C41, C42, C43, C44 die vier
Sektoren, die zu einem Punkt P in der Mitte dieser Gruppe zeigen, in diesem Beispiel
dieselbe Frequenz F1 benutzen.
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Fig. 5 zeigt die Position der wichtigsten störenden Teilnehmer, die Störungen
in Richtung zur Basisstation in einem Sektor erzeugen. Für einen Sektor der Gestalt
Sh1 gibt es zwei Gruppen wesentlicher Störer, die sich auf den fett gezeichneten Linien
L51, L52 befinden. Für einen Sektor der Gestalt Sh2 gibt es nur eine Gruppe
wesentlicher Störer, die sich auf der fett gezeichneten Linie L53 befinden.
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In einem Zellen-Cluster gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl
wesentlicher Störer kleiner oder gleich zwei pro Sektor, während sie für den Fall des im
Abschnitt über den bisherigen Stand der Technik beschriebenen quadratischen Zellen-
Clusters gleich drei pro Sektor ist.
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Es sollte von Fachleuten anerkannt werden, dass der Winkel von 45º zwischen
der Diagonale D und der ersten Begrenzungslinie in einem kleinen Bereich um 45º
auch anders gewählt werden könnte, das wichtigste ist, die Anzahl der Gruppen
wesentlicher Störer kleiner oder gleich zwei zu halten.
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Der Wert C/I des Hexagonal-Zellen-Clusters mit vier Sektoren gemäß der
Erfindung ist gleich 15,3 dB. Folglich sind die Störungen in Richtung zur Basisstation,
die durch in entfernten Sektoren befindliche Teilnehmer verursacht werden, welche
denselben Kommunikationskanal benutzen, kleiner als im quadratischen Zellen-
Cluster. Es wird ein Gewinn von mehr als 1 dB im Vergleich zum üblichen
quadratischen Muster erzielt.
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Das Antennendiagramm der verschiedenen sektorisierten Antennen wird so
gewählt, dass der gesamte Sektor abgedeckt wird. Dies wird mit sektorisierten
Antennen garantiert, die eine Öffnung von 90º oder mehr und einen präzisen 3dB-
Winkel von 45º haben, wobei der 3dB-Winkel zwischen der Hauptrichtung der
sektorisierten Antenne und der Richtung gemessen wird, in der die Antennenleistung
um 3dB kleiner ist.
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In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung können, da zwei
unterschiedliche Gestalten Sh1, Sh2 erhalten werden, zwei unterschiedliche Arten von
Antennen verwendet werden, damit das Antennendiagramm so gut wie möglich zur
Gestalt des Sektors passt. Zu diesem Zweck sollte die Haupt-Strahlungskeule des
Antennendiagramms so nahe wie möglich der Gestalt des Sektors entsprechen.
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In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung hat mindestens
eine der sektorisierten Antennen einen 3dB-Winkel von weniger als 45º. Antennen der
Klasse II mit einer Öffnung von 60º können eine ausreichende Abdeckung des 90º-
Sektors sicherstellen, ohne dass Lücken im Abdeckungsbereich auftreten.
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Tatsächlich sollte bei dem Typ der Sektoren S41 und S43 die meiste Leistung an
der Halbierungslinie des Sektors bereitgestellt werden, da die größte Entfernung
zwischen der sektorisierten Antenne und dem Rand des Sektors auf der
Halbierungslinie des Sektors vorliegt.
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Bei dem Typ der Sektoren S42 und S44 muss die meiste Leistung in beide
Richtungen bereitgestellt werden, die einen Winkel von ungefähr 30º mit der
Halbierungslinie des Sektors bilden.
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Die Verwendung von Antennen mit einer Öffnung von 60º wird speziell für
Sektor S41 und S43 empfohlen, da der Schutz auf den Nebenkeulen nicht so groß
sein muss.
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Als Folge davon erstreckt sich die Abdeckung nicht über den Sektor hinaus, im
Gegensatz zum quadratischen Zellen-Cluster, bei dem die meiste Leistung am Rand
des Sektors bereitgestellt werden muss, wodurch sich automatisch ergibt, dass die
Abdeckung über den abzudeckenden Sektor hinaus reicht.
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Der Vorteil hiervon ist, dass derselbe Frequenzkanal im benachbarten Sektor
erneut verwendet werden kann. Als Folge davon werden in einer anderen Ausführung
der vorliegenden Erfindung mehrere Ebenen von Frequenzkanälen in derselben Zelle
überlagert. Vorzugsweise bildet die in Fig. 4a dargestellte Frequenzzuordnung eine
erste Ebene, und eine zweite Frequenzebene könnte wie folgt erhalten werden:
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- allen Sektoren, denen die Frequenz F1 in der ersten Ebene zugeordnet
wurde, wird die Frequenz F2 in der zweiten Ebene zugeordnet,
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- allen Sektoren, denen die Frequenz F2 in der ersten Ebene zugeordnet
wurde, wird die Frequenz F1 in der zweiten Ebene zugeordnet,
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- allen Sektoren, denen die Frequenz F3 in der ersten Ebene zugeordnet
wurde, wird die Frequenz F4 in der zweiten Ebene zugeordnet,
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- allen Sektoren, denen die Frequenz F4 in der ersten Ebene zugeordnet
wurde, wird die Frequenz F3 in der zweiten Ebene zugeordnet.
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Der Zellen-Cluster gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich besonders für
feste drahtlose Kommunikationsnetze, wie z. B. LMDS. Er kann jedoch auch in
Mobilfunk-Kommunikationsnetzen eingesetzt werden, in denen übliche
Basisstationswechsel-Prozeduren implementiert sind, wenn ein mobiler Teilnehmer sich
über eine Sektor-Begrenzungslinie bewegt oder die Zelle wechselt.