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Sachgebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf das Gebiet
der Telekommunikation und insbesondere auf die Steuerung der Datenübertragung
in einem zellularen Funktelekommunikationsnetz.
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Hintergrund
der Erfindung und Stand der Technik
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Die
Nachfrage nach Datenkommunikationsdiensten hat mit der Akzeptanz
und der verbreiteten Nutzung des Internets explosionsartig zugenommen. Während Daten
historisch über
Kabelverbindungen übertragen
wurden, verlangen die Mobilfunkteilnehmer heute von ihren Mobilfunk-Endgeräten auch
die Unterstützung
der Datenkommunikation. Viele Mobilfunkteilnehmer erwarten heute,
mit ihren Mobiltelefonen, mobilfunktauglichen Organizern (Personal
Data Assistants, PDAs), kabellos vernetzten Notebook-Rechnern und/oder
anderen Mobilfunkgeräten im
Internet "surfen", ihren E-Mail-Verkehr
abwickeln und andere Aktivitäten
rund um die Datenkommunikation bewerkstelligen zu können.
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Bedeutende
Aspekte hinsichtlich der Leistungsfähigkeit gilt es zu berücksichtigen,
wenn ein Mobilfunknetz zum Abwickeln der Datenkommunikation eingesetzt
wird. Mobilfunknetze wurden ursprünglich dafür entwickelt, die wohldefinierten
Anforderungen der Sprachkommunikation zu erfüllen. Allgemein gesagt, erfordert
die Sprachkommunikation eine feste Bandbreite mit möglichst
niedrigem Signal-Rausch-Verhältnis
(Signal-to-Noise Ratio, SNR) und kontinuierlicher Verfügbarkeit.
Im Vergleich dazu stellt die Datenkommunikation andere Leistungsanforderungen.
Eine Datenkommunikation erfolgt typisch stoßweise (in "Bursts"), also diskontinuierlich, und kann
während
der aktiven Intervalle eine relativ hohe Bandbreite erfordern.
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Die
Mobilfunknetz-Infrastruktur muß sowohl die
Sprachübertragung
mit niedriger Bitrate als auch die Datenkommunikation mit ihrer
variablen Datenrate unterstützen.
Insbesondere muß die
Netzwerk-Infrastruktur die gegenüber
Verzögerungen
empfindlichen Sprachsignale zusammen mit den Daten übertragen,
die hohe Bitraten haben, aber verzögerungstolerant sind.
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Daher
ist ein Kommunikationssystem wünschenswert,
das in der Lage ist, sowohl verzögerungsempfindliche
Sprachsignale mit niedrigerer Datenrate als auch verzögerungstolerante
Daten mit höherer
Datenrate unter möglichst
guter Ausnutzung der spektralen Kapazität zu übertragen. Ferner ist ein Kommunikationssystem
wünschenswert,
mit welchem auch Burst-Datenverkehr
für mehrere
Datenbenutzer bei optimaler Ausnutzung des zugewiesenen Spektrums
abgewickelt werden kann.
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Ein
Beispiel für
ein solches Kommunikationssystem ist das System UTRAN (UMTS Terrestrial
Radio Access Network, mit UMTS für "Universal Mobile Telecommunications
System"). Bei UTRAN
handelt es sich um ein System der dritten Generation, das in mancherlei
Hinsicht auf der Funkzugangstechnologie GSM (Global System for Mobile
communications) aufbaut. UTRAN ist ein Breitband-CDMA-System (Wideband-CDMA-System
oder W-CDMA, mit CDMA für "Code Division Multiple
Access" = Codemultiplex-Zugang).
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Ein
Ziel des Projekts 3GPP (Third Generation Partnership Project) ist
die Weiterentwicklung der auf UTRAN und GSM basierenden Funkzugangsnetztechnologien.
Von besonderem Interesse ist hier die Unterstützung von Diensten mit variablen Datenübertragungsraten
im Mobilfunk- Kommunikationssystem
der dritten Generation sowohl bei Echtzeit- als auch bei verzögerungstoleranten
Nicht-Echtzeit-Diensten.
Da die Teilnehmer auf dieselben Funknetzressourcen zugreifen, muß das Funkzugangsnetz
einzelnen Benutzergeräteverbindungen (User-Equipment-
oder UE-Verbindungen)
in Abhängigkeit
von Dienstqualitätsanforderungen
wie zum Beispiel Diensten mit variablen Datenraten und von der Verfügbarkeit
von Funknetzressourcen sorgfältig Ressourcen
zuweisen.
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Beispielsweise
kann ein Transportdienst in einer Multimediasitzung eine Sprachverbindung transportieren,
während
ein anderer Transportdienst eine Videoverbindung und ein dritter
Transportdienst eine Paketdatenverbindung transportiert. Die einzelnen
Verbindungen werden vom UTRAN auf physikalische Transportkanäle verteilt.
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Zwischen
UE und UTRAN kann eine Verbindung auf einen oder mehrere zugewiesene
Transportkanäle
(Dedicated Channels DCHs) oder auf einen gemeinsamen Transportkanal
wie zum Beispiel einen Zugriffs-Transportkanal (Random Access Common
Channel, RACH), einen Kontrolldaten-Transportkanal (Forward Access
Common Channel, FACH), einen gemeinsamen Paketkanal (Common Packet
Channel, CPCH), einen gemeinsam genutzten Downlink-Kanal (Downlink Shared
Channel, DSCH) und einen gemeinsam genutzten schnellen Downlink-Kanal
(High-Speed Downlink Shared Channel, HS-DSCH) verteilt werden.
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Echtzeitverbindungen
werden auf fest zugewiesene Kanäle
verteilt. Auf einem fest zugewiesenen Kanal können Ressourcen garantiert
werden, um einen bestimmten Dienst bereitzustellen, so zum Beispiel
eine Mindestübertragungsrate
für Sprachverbindungen.
Weitere Informationen zu Transportkanälen sind in den UMTS-3GPP-Spezifikationen
3G TS 25.211, V3.5.0; 3G TS 25.221, V3.5.0; und 3G TS 25.331, V3.5.0,
3G TR 25.848, V0.6.0; 3GPP TR 25.858 V1.0.4, 3GPP TR 25.950 V4.0.0,
zu finden, deren Veröffentlichungen
durch Verweis in das vorliegende Dokument einbezogen werden.
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Um
UMTS weitgehend multimediatauglich zu machen, wird derzeit das Verfahren
HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) entwickelt, das die Übermittlung
von Paketdaten an eine Mobilstation z.B. mit bis zu 4 Mbps erleichert.
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Das
HSPDA-Konzept wurde kürzlich
im 3GPP für
UMTS standardisiert (vgl. 3GP TR 25.858, V1.0.4, Januar 2002). Darin
werden Erweiterungen berücksichtigt,
die auf UTRA angewandt und zur Bereitstellung eines sehr schnellen
Downlink-Paketzugriffs über
einen gemeinsam genutzten schnellen Downlink-Kanal (HS-DSCH) genutzt
werden können.
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Für die Grundstruktur
von HS-DSCH wurden zwei Architekturen in Betracht gezogen, und zwar eine
auf einem Funknetz-Controller
(Radio Network Controller, RNC) basierende und mit der R99-Architektur
vereinbare Architektur und eine auf dem B-Knoten basierende Architektur für die zeitliche
Koordinierung (das "Scheduling"). Das Verlagern
des Schedulings auf die B-Knoten
ermöglicht
eine effizientere Implementierung, da der Scheduler mit den aktuellsten
Kanalinformationen arbeiten kann. Der Scheduler kann die Modulation
so angleichen, daß sie
besser an die aktuellen Kanalbedingungen und Schwundeffekte (Fadings)
in der Betriebsumgebung angepaßt
ist. Darüber
hinaus kann der Scheduler die Mehrbenutzer-Diversität nutzen,
indem er nur die Benutzer in konstruktiven Fadings zeitlich koordiniert.
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In
CDMA-Systemen werden unterschiedliche Signale gleichzeitig innerhalb
desselben Frequenzbandes übertragen,
d.h. die Sende-Leistungsverstärker
(Transmit Power Amplifiers, TPAs) müssen ein Eingangssignal verarbeiten,
das durch Addieren einer Vielzahl von Sendesignalen für unterschiedliche Benutzer
und Verkehrskategorien entsteht. Im Fall der Übertragung auf mehreren Trägerfrequenzen
ist dieses Eingangssignal gleich der Summe der Eingangssignale für mehrere
Frequenzbänder.
Der Bereich dieses Mehrträger-Summensignals muß im linearen
Bereich des TPA-Eingangs liegen. Außerdem muß die mittlere Leistung des
Mehrträger-Summensignals um
einen bestimmten Betrag unter einer maximal zulässigen Leistungsschwelle liegen,
damit auch kurze Leistungsspitzenwerte noch im linearen Bereich
bleiben.
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Anders
ausgedrückt,
muß die
auf den TPA wirkende Belastung überwacht
und ein eventueller Überlastungszustand
(also ein Betriebszustand, in dem die obengenannten Bedingungen
nicht erfüllt sind)
so geregelt werden, daß die
Stabilität
des Netzes und die Dienstqualität
(Quality of Service, QoS) für
die Netzteilnehmer erhalten bleibt.
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In
dieser Hinsicht beschreiben EP-A-1 237 296 und WO 02 056498 A ein
Verfahren zum Steuern der Sendeleistung in einem Mobilkommunikationssystem,
bei welchem Informationen kontinuierlich mit einer ungefähr konstanten Übertragungsrate
auf individuellen Kanälen
und in Pakete unterteilte Daten mit variierenden Übertragungsraten
auf einem gemeinsamen Kanal übertragen
werden. Die Sendeleistung für
den gemeinsamen Kanal wird in Abhängigkeit von einer Differenz
zwischen einer Belastung eines Sende-Leistungsverstärkers und
einer Belastung des individuellen Kanals geregelt.
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Zusammenfassende
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren, ein Computerprogramm-Produkt,
eine Basisstation und ein zellulares Funktelekommunikationsnetz gemäß den beigefügten Ansprüchen vor.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Übertragen von
Daten über
erste und zweite Kanäle
vor. Die ersten Kanäle
haben eine zuvor festgelegte Dienstgüte, die auch als Dienstqualität (Quality
of Service, QoS) bezeichnet wird. Diese zuvor festgelegte Dienstgüte wird
für Echtzeitverbindungen
wie zum Beispiel Sprechverbindungen benötigt. Die zweiten Kanäle haben
eine variable Dienstgüte
beispielsweise für
die Übertragung
von stoßweisem
Datenverkehr. Eine solche variable Dienstgüte wird als Datenverkehr mit bestmöglicher Übertragungsqualität ("Best-Effort"-Datenverkehr) bezeichnet.
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Die
Datensignale der ersten und zweiten Kanäle werden addiert und bestimmen
die Belastung des Sende-Leistungsverstärkers, der
zum Senden der Daten verwendet wird. Ein Teil dieser Gesamtbelastung
entsteht durch die Übermittlung
von Daten über
die ersten Kanäle.
Die Differenz zwischen dieser Belastung und der maximalen Gesamtbelastung des
Sende-Leistungsverstärkers
kann für
die Übertragung
von Daten über
die zweiten Kanäle
genutzt werden. Da die Dienstgüte
auf den zweiten Kanälen variieren
kann, wird die Datenübertragung über die zweiten
Kanäle
in Abhängigkeit
von dieser Differenz gesteuert, um die gesamte verfügbare Leistung
maximal zu nutzen, ohne die zulässige
Leistungsgrenze zu überschreiten.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die ersten Kanäle
fest zugewiesene Transportkanäle,
während
es sich bei den zweiten Kanälen
um gemeinsam genutzte, schnelle Downlink-Kanäle in einem CDMA-System – beispielsweise einem
Breitband-CDMA-System und insbesondere einem UMTS – handelt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die Steuerung von einem Scheduler für die zweiten
Kanäle
bewerkstelligt, der für
die zeitliche Koordinierung der Übertragung ("Scheduling") sorgt und unabhängig von
einem Scheduler für
die ersten Kanäle
arbeitet. Beispielsweise ist der Scheduler für die zweiten Kanäle im MAC-hs
des B-Knotens implementiert, während
der Scheduler für die
ersten Kanäle
im MAC-d des Funknetz-Controllers (RNC) implementiert ist.
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Einer
der Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß alle Träger mehrerer
Zellen eines Mehrträger-Sende-Leistungsverstärkers (TPAs)
gemeinsam verarbeitet werden. Durch diese integrative Vorgehensweise
können
die verfügbaren
Systemressourcen maximal genutzt werden. Wenn beispielsweise das
Verkehrsvolumen auf einem Träger
relativ niedrig ist, wird einem anderen Träger gestattet, zusätzliche
Best-Effort-Datenpakete
zu senden, da die gesamte Leistungsgrenze nicht überschritten wird.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung eingehender beschrieben, wobei auf die Zeichnungen
Bezug genommen wird, von denen
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1 ein
Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Telekommunikationssystems der
vorliegenden Erfindung ist und
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2 das
Steuern der Datenübermittlung über Kanäle mit variabler
Dienstgüte
veranschaulicht.
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Ausführliche
Beschreibung
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1 zeigt
ein Telekommunikationssystem 100. In der bevorzugten Ausführungsform
von 1 ist das Telekommunikationssystem 100 ein CDMA-System
wie etwa ein Breitband-CDMA-System, beispielsweise ein System vom
UMTS-Typ.
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Jeder
B-Knoten des Telekommunikationssystems 100 verfügt über einen
Sende-Leistungsverstärker
(TPA) 102. TPA 102 ist mit einer oder mehreren
Antennen 104 zum Aussenden eines Mehrträger-CDMA-Datensignals 106 gekoppelt.
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Die
momentane Belastung von TPA 102 wird vom Lastmonitor 108 ermittelt.
Ferner verfügt
der B-Knoten über
einen Scheduler 110, der auf der MAC-hs-Ebene implementiert
ist. Die MAC-hs-Ebene übergibt
die zu übertragenden
Datenpakete an das Funkverarbeitungsmodul 112, während der Scheduler 110 Steuerungsinformationen
für die Übertragung
der Datenpakete, beispielsweise Datenraten und Modulations- und/oder
Kodierverfahren, an das Funkverarbeitungsmodul 112 der
HSDPA-Ebene 1 übergibt.
Das Funkverarbeitungsmodul 112 gibt die zu übertragenden
Daten über
einen schnellen Downlink-Kanal (HS-DSCH) an den Addierer 114 weiter.
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Das
Telekommunikationssystems 100 verfügt ferner über einen Funknetz-Controller
(RNC) für den
B-Knoten. Der RNC besitzt einen Scheduler 116 für Daten,
die über
zugewiesene Transportkanäle (DCHs)
zu übertragen
sind. Dies wird für
mehrere Zellen x, y, ... bewerkstelligt, die vom selben TPA 102 abgedeckt
werden. Der Scheduler 116 gibt Steuerungsinformationen
für die
Ebene-1-Funkverarbeitungsmodule 118, 120,
... der jeweiligen Zellen x, y, ... aus. Die über die DCHs zu übertragenden
resultierenden Daten werden ebenfalls auf den Addierer 114 gegeben,
der das kombinierte Signal 122 liefert; dieses kombinierte
Signal 122 gelangt zur Leistungsverstärkung auf TPA 102 und
wird dann über
eine oder mehrere Antennen 104 ausgesandt.
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TPA 102 hat
eine Leistungsgrenze, die nicht überschritten
werden sollte, damit gewährleistet
ist, daß TPA 102 in
seinem linearen Bereich arbeitet und zudem nicht beschädigt wird.
Alternativ dazu ist die Leistungsgrenze nicht durch TPS 102 festgelegt, sondern
ein Resultat der Zellenplanung.
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Im
Betrieb ermittelt der Lastmonitor 108 den momentanen Belastungszustand
von TPA 102. Dies kann bewerkstelligt werden, indem die
Ausgangsleistung von TPA 102 gemessen oder das Signal 122 analysiert
wird, um festzustellen, welche Sendeleistung für die Übertragung des Signals benötigt wird. Wenn
die Gesamtsendeleistung Tx einen zulässigen Schwellenwert für die Gesamtsendeleistung überschreitet, übermittelt
der Lastmonitor 108 ein Rückmeldesignal an den Scheduler 110.
Als Reaktion darauf reduziert der Scheduler 110 die Datenübermittlung über den
HS-DSCH, bis das Rückmeldesignal vom
Lastmonitor 108 verschwindet. Auf diese Weise wird die über den
HS-DSCH bereitgestellte Dienstgüte
vorübergehend
gesenkt, während
die Dienstgüte auf
den DCHs weiterhin aufrechterhalten wird.
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Alternativ
dazu meldet der Lastmonitor 108 die momentane Belastung
von TPA 102 ständig
an den Scheduler 110. Da der Scheduler 110 von
der zuvor geplanten Datenübertragung über den
HS-DSCH Kenntnis hat, kann er den Anteil der momentanen Gesamtbelastung
ermitteln, der durch die DCHs verursacht wird. Die Differenz zwischen
dem Belastungsanteil, der durch die Übertragung über die DCHs verursacht wird,
und der maximal zulässigen Leistung
von TPA 102 ergibt die Leistung, die für die Übertragung vom HS-DSCH-Typ
zur Verfügung steht.
Der Scheduler 110 führt
die zeitliche Koordinierung der Datenübertragung über den HS-DSCH in Abhängigkeit
von dieser Differenz durch, um die Sendeleistungsressourcen, die
für die
Kommunikation über
die DCHs nicht benötigt
werden, maximal auszunutzen.
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Diese
Steuerungsmethodik ist auch in 2 veranschaulicht.
In 2 ist die Momentanleistung von TPA 102 über der
Zeit dargestellt. Die durchgezogene Linie 124 im Diagramm
gibt die mittlere Amplitude der Mehrträger-Echtzeitdaten aufgrund der Datenübertragung über die
DCHs wieder. Anders ausgedrückt,
gibt die Linie 124 den Verlauf der Gesamtleistung wieder,
die von der gesamten verfügbaren
Leistung (der mittleren Gesamtleistung) zur Übertragung von Daten über die
DCHs mit einer zuvor festgelegten Dienstgüte benötigt wird.
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Der
durch die gestrichelte Linie 126 angedeutete Abstand zwischen
der Linie 124 und der maximalen mittleren Leistung wird
durch die Übertragung
von Best-Effort-Datenpaketen über
HS-DSCH vom Scheduler 110 ausgefüllt (vgl. 1).
Auf diese Weise arbeitet TPA 102 ungefähr bei seiner maximal zulässigen mittleren
Leistung, wobei jedoch ein Sicherheitsabstand zu seiner maximalen
Spitzenleistung 128 eingehalten wird.
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Einer
der Vorteile dieser Steuerungsmethodik besteht darin, daß eine Funküberlastungsbegrenzung
bewerkstelligt werden kann, ohne daß die Verbindungsqualität für Echtzeitverkehr
vermindert wird. Statt dessen wird das Volumen des Best-Effort-Verkehrs begrenzt,
nämlich
durch Verringern des Durchsatzes des Best-Effort-Verkehrs bei einer Überlastungssituation.
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Ein
weiterer Vorteil ist, daß diese
Lösung nicht
mit dem Leistungsbegrenzungsmechanismus in Konflikt gerät, der üblicherweise
für den
Echtzeitverkehr in einem UMTS angewandt wird. Die Funküberlastungsbegrenzung
gemäß der Erfindung
kann im Gegenteil mit solchen Leistungsregelungsmechanismen nach
dem bisherigen Stand der Technik kombiniert werden. Derartige Mechanismen
zur Leistungsbegrenzung oder Funküberlastungsbegrenzung nach
dem bisherigen Stand der Technik können vom B-Knoten zusätzlich für die Zellen
x, y, ... verwendet werden.
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Ein
weiterer Vorteil ist, daß die
Scheduling-Instanz für
den Nicht-Echtzeitverkehr in den MAC-hs des B-Knotens angeordnet
ist. Diese Nähe zum
TPS 102 ermöglicht
die Durchführung
einer schnellen Funküberlastungsbegrenzung
z.B. Slot für Slot
oder Subframe für
Subframe.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, daß der HSDPA-Abdeckungsradius aufgrund der verbesserten
Ausnutzung der verfügbaren
Systemressourcen erweitert werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft, um
eine Flächendeckung
für sogenannte "Hotspots" zu bewerkstelligen.
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- 100
- Telekommunikationssystem
- 102
- Sende-Leistungsverstärker (TPA)
- 104
- Antenne
- 106
- Signal
- 108
- Lastmonitor
- 110
- Scheduler
- 112
- Funkverarbeitungsmodul
- 114
- Addierer
- 116
- Scheduler
- 118
- Funkverarbeitungsmodul
- 120
- Funkverarbeitungsmodul
- 122
- Signal
- 124
- Linie
- 126
- Linie
- 128
- Maximale
Spitzenleistung
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[Bildlegende 2 Seiten
Zeichnungen]
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- Fig. Abb.
- Real-Time Data... Echtzeitdaten MAC-d-Scheduler im SRNC
- Best-Effort Data... Best-Effort-Daten MAC-hs-Scheduler im B-Knoten
- Cells x, y, ... Zellen x, y, ... Funkverarbeitung HSDPA-Ebene 1
- Load Monitor... Lastmonitor (pro TPA); Rückmeldung, wenn TxPWR (gesamt)
x > Schwellenwert
(gesamt)
- Cell y DCH Zelle y DCH
- Cell x DCH Layer 1... Zelle x DCH, Funkverarbeitung Ebene 1
- TPA in NodeB TPA im B-Knoten
- Antenna Antenne
- Multi-Carrier Amplitude Mehrträgeramplitude
- Max. peak Max. Spitzenwert
- Safety Margin... Sicherheitsabstand (z.B. 11 dB)
- Max. Mean Max. Mittelwert
- Best-Effort Packets Best-Effort-Pakete
- Multi-Carrier Real... Mittlere Amplitude der Mehrträger-Echtzeitdaten (z.B.
DCHs)
- Total Load Monitor... Gesamtbelastungs-Monitor (z.B. gleitendes
Fenster)
- Time Zeit
- Multi-Carrier... Mehrträger-Scheduler,
Best-Effort-Paketdaten
(z.B. MAC-hs im B-Knoten)
- Scheduler (one... Scheduler (Einzelträger) Echtzeitdaten (z.B. MAC-d
im SRNC)
- Multi-Carrier Mehrfachträger