-
Das
Gebiet der Erfindung ist dasjenige zellularer Funkkommunikationssysteme
und im Besonderen der Systeme, die mehrfache Modulationsverfahren
unterstützen.
-
Die
Kapazität
des zellularen Funkkommunikationssystems kann als die Durchschnittsbitrate
pro Sektor definiert werden, wobei ein Sektor als ein Kommunikationskanal
in dem Funkkommunikationssystem angesehen wird. In einer zellularen
Anordnung hängt
die Kapazität
direkt mit dem Träger-zu-Interferenz-Verhältnis (C/I)
zusammen, das in den verschiedenen Sektoren des Systems erreicht
wird.
-
Für ein gegebenes
Modulationsverfahren bestimmt die Demodulatorleistung hinsichtlich
der Bitfehlerrate (BER) den Arbeitspunkt des Funkkommunikationssystems.
In Abhängigkeit
von der Kanalcodierung kann diese BER-Leistung stark verbessert werden,
dies sollte jedoch mit dem durch den Steuerungsaufwand ("Overhead") der Kanalcodierung
bedingten Kapazitätsverlust
ausgeglichen werden.
-
In
der nachfolgenden Beschreibung beziehen wir uns auf die Nutzung
von zwei Modulationsverfahren mit unterschiedlicher Modulationseffizienz, zum
Beispiel 4QAM und 16QAM. Die Modulationseffizienz entspricht hierbei
der Anzahl codierter Bits pro Symbol. Die Erfindung kann auch auf
einen beliebigen Modulationstyp mit einer anderen Modulationseffizienz
angewendet werden.
-
Wenn
die Bitfehlerrate BER vor der Kanaldecodierung an einem Empfänger des
zellularen Funkkommunikationsnetzes kleiner ist als ein vordefinierter
Schwellenwert, zum Beispiel 10–4, führt die Verwendung eines geeigneten
Fehlerkorrekturcodes, zum Beispiel des Reed-Solomon-Codes, zu einem praktisch
fehlerfreien Kanal nach der Decodierung. Die Bitfehlerraten BER,
die kleiner als der vordefinierte Schwellenwert sind, werden durch
das Sicherstellen unterschiedlicher C/I-Werte am Empfänger in
Abhängigkeit
vom verwendeten Modulationsverfahren erreicht. Die erforderlichen
C/I-Werte am Empfänger, um
eine Bitfehlerrate BER von 10–4 zu bekommen, werden
als 12 dB für
4QAM und 19 dB für
16QAM angenommen. Diese Werte ermöglichen einen Implementierungsspielraum
von 2 dB. Wenn wir annehmen, dass die maximale Ausgangsleistung
für 4QAM erreicht
ist, benötigen
wir einen um 2 dB größeren Freiraum
für 16QAM.
-
Parameter
für die
Berechnung von C/I auf der Empfängerseite
sind die Position der interferierenden entfernten Teilnehmer, der
Ausgangsleistungsverstärker,
die Antennengewinne, die Signalbandbreite und die Empfängerrauschzahl.
Wenn allerdings im Uplink eine Leistungsregelung durchgeführt wird,
hängen
der Störpegel
und der C/I-Wert an der empfangenden Basisstation hauptsächlich von der
Position der die Störung
verursachenden entfernten Endnutzer ab.
-
Die
folgende Beschreibung analysiert die Kapazitätserhöhung in der Uplink-Richtung eines Funkkommunikationssystems,
zum Beispiel eines zellularen Systems mit Mehrfachnutzung von Frequenzen,
das mit mehreren Frequenzkanälen,
welche dieselbe Polarisation nutzen, eingesetzt wird. Die Erfindung
kann auf ein Funkkommunikationssystem erweitert werden, welches
mit Kreuzpolarisation arbeitende Frequenzkanäle nutzt. Von dem Funkkommunikationssystem
wird angenommen, dass es eine von der zeitlich schwankenden Verbindungsqualität abhängige Verbindungsanpassung
nutzt.
-
1 hilft,
den Störpegel
in einem bekannten zellularen Funkkommunikationssystem unter Verwendung
einer rechteckigen Zellenstruktur mit einer Sektorisierung von 90° zu analysieren.
-
1 zeigt
eine ideale Darstellung eines zellularen Systems, das sich über eine
Fläche
erstreckt, die von 5·5
auf einem rechteckigen Gitter angeordneten Basisstationen abgedeckt
wird. Die Basisstationen sind durch dicke Punkte dargestellt. Eine
Basisstation liegt in der Mitte einer in vier 90°-Sektoren unterteilten rechteckigen
Zelle, von denen jeder einen unterschiedlichen Frequenzkanal unterstützt. Die verschiedenen
Fülleffekte
stellen die unterschiedlichen in den verschiedenen Sektoren genutzten
Frequenzkanäle
dar.
-
Man
bezeichne die untere linke Basisstation von 1 als Referenzbasisstation
B1. Der obere rechte Sektor von Referenzbasisstation B1, genannt Referenzsektor
S1, nutzt einen Frequenzkanal, der durch zur rechten Seite von 1 geneigte
unterbrochene Linien dargestellt ist.
-
Im
Uplink überträgt ein in
einem gegebenen Sektor befindlicher Endnutzer sein Signal an die
zu diesem Sektor gehörende
Basisstation mit einer vordefinierten, von der Antenne des Endnutzers
abhängigen
Richtwirkung.
-
Eine
mögliche
Störung
im Referenzsektor S1 kommt nur von Endnutzern, die sich in entfernten Sektoren
befinden, welche denselben Frequenzkanal nutzen wie Referenzsektor
S1. Wenn die Antennenrichtwirkung als sehr eng angenommen wird,
erzeugen nur entfernte Endnutzer, die auf ihre zugehörige Basisstation
und auf die Referenzbasisstation B1 ausgerichtet sind, eine Störung im
Referenzsektor S1. Bei der in 1 beschriebenen
Zellenstruktur erzeugen interferierende Endnutzer, die sich entlang fett
gezeichneter Abschnitte der Linien L1, ..., L8 in Sektoren entfernter
Basisstationen befinden, welche denselben Frequenzkanal wie Referenzsektor
S1 nutzen, Störungen
bei der Referenzbasisstation B1.
-
Der
Störpegel
hängt von
der Entfernung zwischen den interferierenden Endnutzern und der
Referenzbasisstation B1 ab. Drei Standorte entlang fett gezeichneter
Abschnitte von Linie L1, L2, L3 ergeben ein C/I bis zu 14 dB, wenn
sich interferierende Endnutzer darauf befinden. Fünf weitere
durch fett gezeichnete Abschnitte von Linie L4, ..., L8 dargestellte Standorte
ergeben ein C/I von 19 dB, und sieben nicht auf 1 dargestellte
Standorte einen Störpegel
von 22 dB unter dem Trägerpegel.
In Abhängigkeit
vom Verkehrsaufkommen an diesen Standorten werden die im Referenzsektor
S1 befindlichen Endnutzer von diesen interferierenden Endnutzern
beeinträchtigt.
-
In
Lösungen
nach dem bisherigen Stand der Technik wird der ungünstigste
Fall betrachtet, um den für
den gesamten Sektor zu berücksichtigenden
Störpegel
zu bestimmen. In diesem Fall ist ein C/I von 14 dB der ungünstigste
Fall. Um eine Bitfehlerrate BER von 10–4 vor
dem Decodieren zu gewährleisten,
kann die Nutzung einer 4QAM[-Modulation] in dem Sektor angebracht
sein. Der Nachteil dieses ungünstigsten Falles
ist, dass er suboptimal ist.
-
Da
sich der Störpegel
entlang der fett gezeichneten Linien L1, ..., L8 in den Sektoren,
welche denselben Frequenzkanal wie der Referenzsektor S1 nutzen,
in Abhängigkeit
vom Verkehrsaufkommen rasch ändern
kann, würde
eine mögliche
Lösung
zur Erhöhung
der Kapazität
des Funkkommunikationssystems darin bestehen, die Verbindungskapazität in Echtzeit
an den Störpegel
anzupassen.
-
Diese
Lösung
könnte
durch die Nutzung adaptiver Antennen erreicht werden. Ein Produkt
dieser Art ist jedoch noch nicht verfügbar und scheint für den Millimeterfrequenzbereich
auch nicht bald verfügbar
zu sein.
-
EP-A-0
845 916 offenbart die Bestimmung eines maximalen Bereichs für verschiedene
Modulationstypen [und] die Zuweisung von Modulationstypen entsprechend
dem gewünschten
Bereich. In US-A-5 828 695 wird die Qualität eines Kanals beurteilt, bevor
ein Modulationstyp zugewiesen wird. Das Dokument Vadgama, S. K., "Adaptive bit rate
transmissions for personal communications", Proceedings of the Nordic seminar
on digital land mobile radio communications (DMR), FI, Helsinki,
Telecom Finland, Band Seminar 4, 1990, Seite 1–9, XP000515571, offenbart
die Bildung konzentrischer Zonen in großen Zellen. In verschiedenen
Zonen werden unterschiedliche Modulationsverfahren genutzt.
-
Ein
besonderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zum Erhöhen
der Kapazität
eines zellularen Funkkommunikationssystems mit geringeren Erfordernissen
hinsichtlich der Echtzeit-Anforderungen bereitzustellen.
-
Dieses
Ziel und andere, die weiter unten ersichtlich sind, werden durch
ein Verfahren zum Erhöhen
der Kapazität
eines zellularen Funkkommunikationssystems erreicht, bei dem jede
seiner Zellen eine Basisstation und Endnutzer umfasst, welche in der
Lage sind, mit der Basisstation unter Verwendung eines ersten Modulationstyps über einen
ersten Kommunikationskanal zu kommunizieren. Jede Zelle erfährt einen
Störpegel
von entfernten Endnutzern, die mit ihren zugehörigen entfernten Basisstationen unter
Verwendung desselben ersten Kommunikationskanals kommunizieren.
Gemäß dem Verfahren der
Erfindung kommunizieren die Endnutzer, die sich in mindestens einem
Bereich der Zelle befinden, in welchem der Störpegel niedriger ist als ein
vordefinierter Störpegel,
mit der Basisstation, indem sie einen zweiten Modulationstyp über einen
zweiten Kommunikationskanal verwenden, wobei der zweite Modulationstyp
eine höhere
Effizienz aufweist als der erste Modulationstyp. Die Größe und die
Lage der Bereiche hängen
von der Antennenrichtwirkung der Endnutzer und von den relativen
Positionen der entfernten Basisstationen und der Basisstation ab.
-
Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Kapazität eines
zellularen Netzes mit geringen Kosten erhöht wird.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein zellulares System gemäß Anspruch
6.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform ersichtlich werden,
die als Veranschaulichung ohne einschränkende Wirkung angegeben wird,
sowie aus den beigefügten
Zeichnungen, auf denen:
-
1 ein
bekanntes zellulares Funkkommunikationssystem ist, das eine rechteckige
Zellenstruktur mit einer Sektoreinteilung von 90° verwendet;
-
2 eine
Zelle des zellularen Systems gemäß der Darstellung
in 1 zeigt, wobei zwei Modulationstypen auf zwei
Kommunikationskanälen
gemäß der vorliegenden
Erfindung unterstützt
werden;
-
3 eine
Zelle des zellularen Systems gemäß der Darstellung
in 1 zeigt, wobei zwei Modulationstypen auf vier
Kommunikationskanälen
gemäß der vorliegenden
Erfindung unterstützt
werden.
-
Wie
bereits weiter oben beschrieben, liegen die in 1 dargestellten,
fett gezeichneten Abschnitte der Linien L1, ..., L8 in fünf Richtungen,
welche eine Störquelle
bilden und mit der Nutzung einer Modulation mit höherer Effizienz
unvereinbar sind. Dagegen sind andere Richtungen nur von einer sehr geringen
Störung
betroffen und mit der Nutzung einer Modulation höherer Effizienz vereinbar.
Die fünf
oben erwähnten
Richtungen im Referenzsektor S1 und ein Bereich um diese Richtungen
(zur Berücksichtigung der
nicht zu vernachlässigenden
Antennenrichtwirkung; eine mögliche
Antennenrichtwirkung beträgt 6°) werden
vorzugsweise einem genutzten fest zugeordneten ersten Kommunikationsunterkanal
zugewiesen. Die auf diesem ersten Unterkanal verwendete Modulation
ist 4QAM. Die anderen Gebiete werden vorzugsweise einem zweiten,
vom ersten Unterkanal verschiedenen Unterkanal zugewiesen. Die auf
diesem zweiten Unterkanal verwendete Modulation ist vorzugsweise
16QAM.
-
Bei
einer Antennenrichtwirkung von 6° (ungünstigster
Fall) auf Endnutzerseite sind die Teile von Sektor S1 berechnet
worden, die nicht für
die Verwendung von 16QAM geeignet sind, d. h. die ein C/I kleiner
als 19 dB aufweisen. Dies ist in 2 gezeigt. 2 stellt
den Referenzsektor S1 von 1 dar.
-
Die
Nutzer, die sich in den fünf
Unterbereichen SA1, ..., SA5 befinden, nutzen den ersten Kommunikationsunterkanal
mit 4QAM-Modulation, und die Endnutzer, die sich im übrigen Teil
des Sektors befinden, nutzen den zweiten Kommunikationsunterkanal
mit 16QAM-Modulation. Vorzugsweise entsprechen die Kommunikationsunterkanäle, die,
wie in 1 dargestellt, im Referenzsektor S1 genutzt werden, jeweils
der Hälfte
der Bandbreite, die nach dem bisherigen Stand der Technik einem
Sektor zugewiesen wurde.
-
Die
Gesamtfläche,
auf der eine 16QAM-Modulation verwendet werden kann, entspricht
54% der Zellenfläche,
die anderen 46% entsprechen einem Bereich, in dem die 4QAM-Modulation
verwendet werden muss. Wenn die Nutzer gleichmäßig in der Zelle verteilt sind,
ist die Kapazitätserhöhung gleich
1 × 0,54
+ 2 × 0,46
= 1,46, verglichen mit der gleich eins gesetzten 4QAM-Kapazität. Der Regeneffekt
hat nur einen geringen Einfluss auf den Wert dieses Koeffizienten.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird der ursprüngliche
Frequenzkanal in vier Unterkanäle
mit jeweils 1/4 der Bandbreite der Gesamtbandbreite unterteilt,
die einem Sektor nach dem bisherigen Stand der Technik zugewiesen
wurde. Der Referenzsektor S1 ist in vier Gebietstypen unterteilt.
-
3 stellt
den Referenzsektor S1 dar, wobei die zwei Arten gestreifter Bereiche
diejenigen Bereiche sind, in denen ein Endnutzer einen hohen Störpegel von
anderen entfernten Nutzern erfahren kann. Die Endnutzer innerhalb
dieser gestreiften Bereiche werden dann 2 spezifischen Unterkanälen zugewiesen,
die ein 4QAM-Modulationsverfahren
verwenden. Die zwei Arten gepunkteter Bereiche sind diejenigen Bereiche,
in denen ein Endnutzer den geringsten Störpegel von anderen entfernten
Sektoren erfahren kann. Diese gepunkteten Bereiche können dann
die beiden weiteren Kommunikationsunterkanäle mit einem 16QAM-Modulationsverfahren
nutzen.
-
Wie
in der obigen Beschreibung gezeigt, stellt die vorliegende Erfindung
ein Verfahren zur Erhöhung
der Kapazität
im Uplink eines zellularen Funkkommunikationsnetzes bereit, indem
einige Teile der Sektoren fest zugeordneten Unterkanälen zugewiesen
werden und indem sowohl die 4QAM- als auch die 16QAM-Modulation verwendet
wird.
-
Die
Erfindung gilt auch für
jedes zellulare Funkkommunikationsnetz mit beliebiger Topologie, vorausgesetzt
dass der Standort der Basisstation und die Sektoren der Zelle bekannt
sind.
-
Das
zellulare Funkkommunikationssystem gemäß der Erfindung umfasst vorzugsweise
ortsfeste Endnutzer, die über
eine Funkverbindung mit ihrer entsprechen den Basisstation kommunizieren.
Die Verwendung der Modulation hängt
nur vom Standort des ortsfesten Endnutzers ab. Der Endnutzer kann dann
nur den Modulationstyp unterstützen,
der in dem Bereich, in dem er sich befindet, verwendet wird.
-
In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung umfasst das zellulare Funkkommunikationssystem mobile
Endnutzer, die sich von einem Bereich, der eine erste Modulation
verwendet, in einen anderen Bereich, der eine zweite Modulation
verwendet, bewegen können.
In diesem Fall sollte das System auch Mittel unterstützen, die
bewirken, dass das Endgerät
von einem ersten Modulationstyp zu einem anderen Modulationstyp
umschaltet, je nach dem Ort, zu dem es sich gerade bewegt. Dies
kann durch die Nutzung eines Positionsbestimmungssystems, zum Beispiel
GPS, erreicht werden, um die Bewegungen der Endnutzer zu verfolgen
und die Ergebnisse des Positionsbestimmungssystems mit einem Signalisierungsmechanismus
zu koppeln, um mit dem Endnutzer zu kommunizieren, wenn es den verwendeten Modulationstyp ändern muss.
Die Basisstation, innerhalb derer sich der Endnutzer derzeit befindet, oder
die Basisstation in Verbindung mit der Funkvermittlungsstelle können für dieses
Verfahren verantwortlich sein.
-
Der
Grundgedanke der Erfindung kann auch auf die Downlink-Richtung eines
zellularen Funkkommunikationsnetzes angewendet werden.
-
Der
Grundgedanke der Nutzung von Unterkanälen in einer zugewiesenen Bandbreite
kann, wie in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beschrieben,
als Einrichtung von Frequenzunterkanälen verstanden werden, wobei
die zugewiesene Bandbreite in unterschiedliche Frequenzunterkanäle unterteilt
wird. Eine andere Möglichkeit
kann die Einrichtung zeitlicher Unterkanäle sein, bei der die zugewiesene
Bandbreite in mehrere Zeitunterkanäle unterteilt wird, oder die
Einrichtung von Code-Unterkanälen,
bei denen die zugewiesene Bandbreite in mehrere Code-Unterkanäle unterteilt
wird.
-
Die
Erfindung sollte nicht auf die Nutzung von zwei unterschiedlichen
Modulationen mit unterschiedlicher Effizienz beschränkt werden.
Es können mehr
als zwei Modulationen mit unterschiedlichen Modulationseffizienzen
in Betracht kommen.