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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein zellulares Mobilfunkkommunikationssystem.
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Bei den bekannten Mobilfunkkommunikationssystemen
laufen die Kommunikationen mit den Mobilstationen über Sende-/Empfangsmittel wie etwa
fest installierte Basis-Sende-/Empfangsstationen
(auch als Basisstationen bezeichnet).
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Die geographische Abdeckung einer
Basisstation wird als Zelle bezeichnet und entspricht der Zone,
in der das von einer Mobilstation empfangene elektrische Feld ausreichend
ist, um dessen normalen Betrieb zu gewährleisten. Schematisch sind
diese Zellen durch Sechsecke dargestellt.
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Jede Zelle verfügt über eine Frequenz oder einen
Satz von mehreren paarweise verschiedenen Frequenzen für den Austausch
von Funksignalen zwischen der Basisstation und den sich in ihrer
Abdeckung befindenden Mobilstationen. Die Zahl der jeder Zelle zugewiesenen
Frequenzen hängt
theoretisch ab von dem innerhalb dieser Zelle erwarteten Kommunikationsverkehr:
für die
Zellen mit geringem Verkehr ist a priori eine einzige Frequenz notwendig, wohingegen
für die
Zellen mit hohem Verkehr wenigstens zwei verschiedene Frequenzen
notwendig sind. Außerdem
gibt es im Allgemeinen eine Frequenz pro Übertragungsrichtung, doch ist
dies nicht zwingend.
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Jenseits eines Grenzabstandes von
der Basisstation ist das empfangene elektrische Feld schwach; Interferenzen
zwischen zwei auf der gleichen Frequenz übertragenen und durch wenigstens den
erwähnten
Grenzabstand getrennten Signalen sind daher praktisch nicht wahrnehmbar.
Daher ist es möglich,
die Frequenzen wiederzuverwenden. Diese Wiederverwendung führt zur
Bildung von Gruppen (auch als Muster bezeichnet) von Zellen, wobei
die Zahl von Zellen pro Muster (wenigstens zwei) von der Zahl von
verfügbaren
Frequenzen abhängt.
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Alle innerhalb eines gegebenen Musters
verwendeten Frequenzen sind paarweise unterschiedlich, und die untereinander
identischen, das heißt
aus identischen Zellen aufgebauten Muster, werden periodisch wiederholt,
um die Funkabdeckung des gewünschten
Raumes zu gewährleisten.
Im Allgemeinen ist diese Wiederholung regelmäßig, das heißt, die
Positionen der Muster in Bezug zueinander sind identisch. Allerdings
ist die Regelmäßigkeit
der Wiederholung nicht zwingend, insbesondere muss man sich den
Unregelmäßigkeiten
des abzudeckenden Raumes anpassen.
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Ferner verwenden bei den bekannten
Systemen alle Zellen von gleichem Rang, das heißt die Zellen, die zu verschiedenen
Mustern gehören
und innerhalb dieser Muster identische Positionen in Bezug auf die
anderen Zellen des Musters einnehmen, gleiche Frequenzen oder Frequenzsätze.
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Da das Spektrum der für Mobilfunkkommunikation
verfügbaren
Frequenzen begrenzt ist, muss ein Kompromiß getroffen werden zwischen
der Verwendung einer minimalen Zahl von Frequenzen und der Qualität der übertragenen
Funksignale, insbesondere der Sprache enthaltenden Signale.
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In der Praxis kann nämlich die
Qualität
dieser Signale durch zwei Haupttypen von Störungen beeinträchtigt werden.
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Diese Störungen werden in erster Linie
verursacht durch Mehrwegübertragungen
der Funkwellen: Der Ausbreitungsweg der Funkwellen variiert in Abhängigkeit
von angetroffenen Hindernissen (Gebäude, Bodenprofile, metallische
Massen etc. ...), was dazu führt,
dass der Empfänger
ein gleiches Signal zeitversetzt empfängt. Diese Situation führt zur Erzeugung
eines Systems von stationären
Wellen, die in Höhe
der Knoten zu einem vollständigen
oder teilweisen Verschwinden des resultierenden Signals führen. Dieses
Phänomen
wird Rayleigh-Dämpfung (oder
englisch Fading) genannt.
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Die Platzierung der Knoten des Systems
von stationären
Wellen ist selbstverständlich
verknüpft mit
der für
die Übertragung
der Signale verwendeten Frequenz und der Position des Senders und
des Empfängers
in Bezug auf die Hindernisse, genauer gesagt mit der Wellenlänge des übertragenen
Signals und den jeweiligen Abständen
zwischen dem Hindernis und dem Sender und zwischen dem Hindernis
und dem Empfänger,
die das Ausmaß der Dämpfung bestimmen.
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Jenseits einer unteren Grenze des
Pegels des Empfangssignals ist Letzteres vom Empfänger nicht
benutzbar, das heißt,
der enthaltene Informationsinhalt kommt nicht mehr beim Empfänger an.
Natürlich
ist die Qualität
der Signale dadurch stark beeinträchtigt, insbesondere, wenn
das Signal immer auf der gleichen Frequenz übertragen wird.
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Um die Auswirkungen des Dämpfungsphänomens zu
verringern, ist es bekannt, zyklische Frequenzänderungen durchzuführen; diese
erlauben es, die Dauer der Dämpfungen
zu verringern und machen dadurch das Phänomen für den Benutzer nicht wahrnehmbar.
Dieses Prinzip wird zyklischer Frequenzsprung genannt.
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Durch Anwendung dieses Prinzips wird
jede Zelle des Systems mit wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen
verknüpft,
und die Frequenz der zwischen einer Mobilstation und einer Basisstation ausgetauschten
Funksignale ändert
sich im Laufe der Zeit: alle Frequenzen des der betreffenden Zelle zugewiesenen
Frequenzsatzes werden nacheinander im Laufe der Übertragung der Funksignale
benutzt, so dass die zeitliche Abfolge dieser Frequenzen zyklisch
und der Mobilstation sowie der Basisstation bekannt ist.
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Wenn das Dämpfungsphänomen bei einer gegebenen Signalübertragung
auf einer Frequenz des der betreffenden Zelle zugewiesenen Frequenzsatzes
auftritt, wobei dieser Frequenzsatz n Frequenzen umfasst, die nach
dem Prinzip des zyklischen Frequenzsprungs nacheinander in einer
vorgegebenen Reihenfolge benutzt werden, tritt die Dämpfung in
jedem Zyklus nur während
eines Bruchteiles von 1/n der Zeit auf, so dass die Übertragungsqualität deutlich
verbessert ist im Vergleich zu dem Fall, wo die Übertragung der Signale nur
auf der Frequenz erfolgt, bei der das Dämpfungsphänomen auftritt.
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Außerdem werden Störungen,
die die Qualität
der übertragenen
Funksignale beeinträchtigen, auch
durch Interferenzen verursacht. Aufgrund der Begrenzung des verfügbaren Spektrums
und des kleinen Durchmessers der Zellen in bestimmten Zonen, wo
der Verkehr stark ist, kommt es vor, dass zwei einander relativ
nah benachbarte Zellen die gleiche Frequenz oder den gleichen Satz
von Frequenzen benutzen.
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In diesem Fall besteht die Gefahr,
dass die Funksignalübertragungen
zwischen Basisstationen und Mobilstationen innerhalb dieser zwei
Zellen miteinander interferieren, was zu einer quasi vollständigen Verstümmelung
der Funksignale und infolgedessen zu einer sehr starken Beeinträchtigung
der Qualität
der Übertragung
führt.
Dieses Phänomen
ist unter der Bezeichnung Nutzkanalinterferenz bekannt.
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Selbstverständlich ist das Problem der
Nutzkanalinterferenz allgemein, das heißt, es ist nicht mit der Benutzung
des Prinzips des zyklischen Frequenzsprunges in dem betrachteten
Mobilfunkkommunikationssystem verknüpft.
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Während
der zyklische Frequenzsprung es zwar erlaubt, die Qualität der Übertragung
bei Auftreten von Dämpfungsphänomenen
zu verbessern, ist es nicht befriedigend, was die Nutzkanalinterferenz angeht.
Es kann nämlich
vorkommen, dass eine Funksignalübertragung
gleichzeitig in Zellen gleichen Ranges beginnt, denen, wie bereits
gesagt, der gleiche Frequenzsatz zugewiesen ist. In diesem Fall
ist der verfolgte Zyklus, der im Allgemeinen für die Zellen von gleichem Rang
derselbe ist, während
dieser Übertragung
innerhalb jeder dieser Zellen exakt der gleiche (dies kann wenigstens
jedes n-te Mal vorkommen, wobei n die Zahl der Frequenzen des der betreffenden
Zelle zugewiesenen Frequenzsatzes ist). Das Problem der Nutzkanalinterferenz
wird also in solchen Fällen,
die relativ häufig
sind, durch Anwendung des Prinzips des zyklischen Frequenzsprungs
nicht vermieden.
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Im Allgemeinen umfassen in den bekannten Mobilfunkkommunikationssystemen
die verwendeten Muster jeweils sieben Zellen, eine zentrale Zelle und
sechs periphere Zellen. In diesem besonderen Fall ist jede Zelle "nah" zu sechs Zellen
vom gleichen Rang, die somit sechs mögliche Quellen für eine vollständige Verstümmelung
der Übertragungen
darstellen.
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Um die Auswirkungen der Nutzkanalinterferenz
zu verringern, ist es bekannt, das Prinzip des zufälligen Frequenzsprunges
zu verwenden. Die Anwendung dieses Prinzips schließt die des
Prinzips des zyklischen Frequenzsprunges aus.
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Nach dem Prinzip des zufälligen Frequenzsprunges ändert sich
die Übertragungsfrequenz
der Funksignale nicht zyklisch im Laufe der Zeit, sondern nach einer
aleatorischen Sprungregel, die vom Netz jedem Kanal bei seiner Aktivierung
zugewiesen wird, wobei die Frequenzen des der betreffenden Zelle
zugewiesenen Frequenzsatzes benutzt werden. In der Praxis ist der
Frequenzsprung nicht wirklich aleatorisch. Die Frequenzen werden
nämlich
nicht im Laufe der Übertragung
der Signale zufällig
festgelegt, sondern sie folgen einer vorgegebenen Regel aleatorischer
Art, so dass der Frequenzsprung als "pseudoaleatorisch" bezeichnet werden kann; die Bezeichnung "aleatorisch" wird verwendet,
um anzugeben, dass die aufeinanderfolgenden Sequenzen voneinander
teilweise oder vollständig
entkorreliert sind.
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Bekanntlich müssen in bestimmten Systemen,
insbesondere in den Systemen nach der GSM-Norm, die Signale, die
Signalisierung enthalten, immer von einer gleichen Frequenz, als
Signalisierungsfrequenz oder Bakenfrequenz bezeichnet, getragen
sein.
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Für
die Übertragung
solcher Signale wird das Prinzip des zyklischen oder aleatorischen
Frequenzsprunges also nicht angewendet.
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Durch das Prinzip des aleatorischen
Frequenzsprunges ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Übertragungen
in nahen Zellen, die die gleichen Frequenzsätze benutzen, miteinander interferieren,
aufgrund des aleatorischen Charakters der zeitlichen Abfolge der
Frequenzen deutlich verringert; die Gefahr, dass zwei Signalübertragungen
während
eines gegebenen Zeitraumes zu jedem Zeitpunkt die gleiche Frequenz
benutzen, ist signifikant verringert (in der Praxis ist sie deutlich
kleiner als 1/n, wobei n die Zahl von in jeder Zelle verfügbaren Frequenzen
ist). Die Verwendung des Prinzips des aleatorischen Frequenzsprunges
gleicht die Störpegel
auf jeder Frequenz aus, indem sie die Stör- oder Verstümmelungsquellen
verteilt.
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Die Anwendung des Prinzips des aleatorischen
Frequenzsprunges wirft jedoch ein Problem auf. Dieses Problem beruht
auf der Tatsache, dass eine Frequenz, bei der für eine gegebene Übertragung
das Dämpfungsphänomen auftritt, "überrepräsentiert" sein kann, das heißt, dass sie im Laufe eines relativ
kurzen Zeitraums viele Male nacheinander verwendet wird, weil die
Frequenzen des der betreffenden Zelle zugewiesenen Frequenzsatzes
nicht nacheinander und zyklisch verwendet werden.
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Wenn zum Beispiel der Frequenzsatz
die Frequenzen f1, f2 und
f3 umfasst, wobei f1 die
Frequenz ist, bei der das Dämpfungsphänomen auftritt, und
wenn die Folge der Frequenzen beim aleatorischen Springen f1f1f1f2f1f3f1f1 ... ist, sind
die Zeiten, bei denen die Übertragung
eine deutlich beeinträchtigte Qualität hat, zahlreicher
als in dem Fall, wo der zyklische Frequenzsprung angewendet wird.
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In Anbetracht des oben Gesagten ist
das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein zellulares Mobilfunkkommunikationssystem
zu entwickeln, bei dem das Spektrum der verfügbaren Frequenzen bestmöglich ausgenutzt
wird und dabei die Beeinträchtigung
der Qualität
der übertragenen
Funksignale aufgrund von Dämpfungs- und Interferenzphänomenen
auf dem Nutzkanal so weit wie möglich
verringert wird.
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Aus dem Dokument IEEE Journal on
Selected Areas in Communication, Band 5 Nr. 5 Juni 1987, New York,
USA, Seiten 835 bis 848, Dornstetter et al., „Cellular Efficiency wit Slow
Frequency Hopping : Analysis of the Digital SFH 900 Mobile System" ist ein zellulares
Mobilfunkkommunikationssystem bekannt, bei dem die Frequenzsätze, die
zwei beliebigen Zellen zugewiesen sind, die zu verschiedenen und
benachbarten Mustern gehören
und innerhalb dieser jeweiligen Muster in Bezug auf die anderen
Zellen dieser Muster die gleiche Position einnehmen, teilweise identisch
sind, das heißt
wenigstens eine identische und wenigstens eine unterschiedliche
Frequenz umfassen.
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Ziel des Systems wie in diesem Dokument beschrieben
ist jedoch nicht, das Spektrum der verfügbaren Frequenzen bestmöglich auszunutzen
und dabei die Beeinträchtigungen
der Qualität
der übertragenen
Funksignale durch die Phänomene
der Dämpfung
und der Interferenz auf dem Nutzkanal so weit wie möglich zu
verringern, sondern die Nutzung von Mustern mit geringer Zellenzahl
(insbesondere von drei Zellen) trotz des hohen Anteiles an Interferenzen
auf dem Nutzkanal zu ermöglichen,
der üblicherweise
in einem solchen Fall existiert, indem die Zahl der verfügbaren Frequenzen
vergrößert wird und
in jedem neuen Wiederbenutzungsabstand Frequenzsätze verwendet werden, die nicht
mehr vollständig
identisch, sondern nur teilweise identisch sind.
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Die vorliegende Erfindung nutzt das
erwähnte
Merkmal teilweise identischer, als gleichrangig bezeichneten Zellen
zugewiesener Frequenzsätze,
allerdings um ein zellulares Mobilfunkkommunikationssystem zu realisieren,
in welchem das Spektrum der ver fügbaren
Frequenzen bestmöglich
ausgenutzt wird und dabei so weit wie möglich die Beeinträchtigungen
der Qualität
der übertragenen
Funksignale aufgrund von Dämpfungs-
und Interferenzphänomenen
auf dem Nutzkanal verringert wird.
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Indem ferner eine Zahl P von Mustern
gewählt
wird, für
die die den Zellen von gleichem Rang zugewiesenen Frequenzsätze teilweise
identisch sind, die in einer besonderen Beziehung mit der Zahl N
von Zellen eines Musters steht, erlaubt es die Erfindung, einen
zusätzlichen
Erfolg zu erzielen, der mit dem im oben besprochenen Dokument beschriebenen
System nicht erreicht werden kann, und der aus einer besseren geographischen
Diversität
der Störquellen
besteht.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist also ein zellulares Mobilfunkkommunikationssystem mit einer
Mehrzahl von Zellen, zusammengefaßt zu identischen Mustern von
jeweils wenigstens zwei Zellen, die sich im Raum periodisch wiederholen, derart,
dass:
- – jede
Zelle Basis-Sende-/Empfangsmitteln zugeordnet ist, die vorgesehen
sind, um Funksignale zu senden oder zu empfangen, die für Mobilstationen
bestimmt sind oder von Mobilstationen kommen, wenn sich Letztere
in einer geographischen Zone befinden, die im Wesentlichen mit der
den Sende-/Empfangsmitteln zugeordneten Zelle übereinstimmt,
- – jedes
der Sende-/Empfangsmittel Funksignale auf einem der zugeordneten
Zelle zugeordneten Satz von Frequenzen sendet und empfängt, der wenigstens
zwei unterschiedliche Frequenzen umfasst, wobei alle Frequenzen
von den Zellen eines gleichen Musters zugeordneten Frequenzsätzen paarweise
unterschiedlich sind,
- – die
Frequenz der zwischen einer Mobilstation und den Sende-/Empfangsmitteln
einer Zelle ausgetauschten Funksignale im Laufe der Zeit variiert,
so dass mehrere der Frequenzen des der Zelle zugeordneten Frequenzsatzes
im Laufe der Übertragung
der Funksignale nacheinander verwendet werden,
- – die
Frequenzsätze,
die zwei beliebigen Zellen zugeordnet sind, die zu verschiedenen
und benachbarten Mustern gehören
und innerhalb dieser Muster in Bezug zu den anderen Zellen dieser Muster
jeweils die gleiche Position einnehmen, wobei diese zwei Zellen
als von gleichem Rang bezeichnet werden, teilweise identisch sind,
das heißt,
dass sie wenigstens eine identische Frequenz und wenigstens eine
verschiedene Frequenz umfassen,
wobei das System dadurch
gekennzeichnet ist, dass der Plan dieses Mobilfunkkommunikationssystems erhalten
wird durch Überlagern
der Pläne
von mehreren Mobilfunk-Kommunikationssystemen, die jeweils eine
unterschiedliche Zahl von Zellen pro Muster haben, wobei diese Mobilfunk-Kommunikationssysteme
herkömmliche
Systeme sind, das heißt
Systeme, in denen die Zellen von gleichem Rang zugeordneten Frequenzsätze identisch
sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen System
sind zwei Zellen, denen exakt die gleichen Frequenzen zugewiesen
sind, wesentlich weiter voneinander entfernt als bei den herkömmlichen
Systemen, wo die Zellen gleichen Ranges von benachbarten Mustern den
gleichen zugeordneten Frequenzsatz haben. So tritt die vollständige Verstümmelung
einer Übertragung
praktisch nicht mehr auf.
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Umgekehrt gibt es für eine gegebene
Zelle des erfindungsgemäßen Systems
eine größere Zahl von
Störquellen,
doch sind diese Störquellen
nur partiell, da sie zwar zu Mustern gehören, die demjenigen, zu dem
die betreffende Zelle gehört,
benachbart sind, da sie aber nur teilweise die gleichen Frequenzen
wie Letztere benutzen.
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Bei einer Übertragung von Funksignalen
zwischen einer Mobilstation und einer Basisstation dieser Zelle
wirken die Störquellen
als solche nur während
eines Teiles der Zeit, weil in dem erfindungsgemäßen System der Frequenzsprung
angewendet wird und weil die den Störquellen zugeordneten Frequenzsätze nur
teilweise mit dem der betreffenden Zelle identisch sind. Die Leistung
der Interferenzen ist daher nicht ständig auf einen gleichen Frequenzzyklus
konzentriert, sondern verteilt sich zeitlich auf mehrere Frequenzzyklen,
so dass der Interferenzpegel sich überall unterhalb der für die Nutzbarkeit
der übertragenen
Signale akzeptablen Schwelle befindet.
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Wenn man außerdem das Prinzip des zyklischen
Frequenzsprunges anwendet, sind die Auswirkungen des Dämpfungsphänomens auf
die Qualität der übertragenen
Signale verringert.
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Einer vorteilhaften Ausgestaltung
zufolge ist das Muster ein Muster mit N Zellen, und es gibt in dem
System P Muster mit N Zellen, für
die die den Zellen von gleichem Rang zugeordneten Frequenzsätze teilweise
identisch sind.
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N und P können untereinander teilerfremd sein.
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So erhält man ein "Muster von Mustern", das P Muster enthält, die als elementar bezeichnet
werden können.
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In der Praxis erlaubt es die Erfindung
so, die Größe des verwendeten
Musters virtuell zu vergrößern. Der
Unterschied zwischen einem herkömmlichen
Muster, bei dem alle verwendeten Frequenzen paarweise unterschiedlich
sind, und dem erfindungsgemäß erhaltenen "Muster von Mustern" ist die teilweise
Wiederverwendung von bestimmten Frequenzen.
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Dadurch kann vorteilhaft ein "Muster" mit N × P Zellen
erhalten werden, indem eine deutlich kleinere Zahl von Frequenzen
verwendet wird als die, die notwendig ist, wenn alle Frequenzen
des Musters mit N × P
Zellen paarweise unterschiedlich wären. So wird das Spektrum der
verfügbaren
Frequenzen bestmöglich
ausgenutzt.
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Einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung zufolge,
bei der das Muster ein Muster mit N Zellen ist, gibt es P × Q Muster
mit N Zellen, für
die die den Zellen von gleichem Rang zugeordneten Frequenzsätze teilweise
identisch sind.
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Zum Beispiel ist N = 9, P = 4 und
Q = 13.
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Das erfindungsgemäße System kann vorteilhaft
das Prinzip des Mehrfachzugriffs im Zeitmultiplex (TDMA) einsetzen.
In diesem Fall kann der Frequenzwechsel zum Beispiel in jedem Zeitintervall durchgeführt werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
auch ein Betriebsorgan eines zellularen Mobilfunkkommunikationsnetzes
wie oben definiert, mit Mitteln zum Zuweisen von Frequenzen zu jeder
der Zellen des Systems, wobei diese Mittel zum Zuweisen derart sind, dass
die Frequenzsätze,
die zwei beliebigen, zu verschiedenen und benachbarten Mustern gehörenden und
innerhalb dieser jeweiligen Muster in Bezug zu den anderen Zellen
dieser Muster die gleiche Position einnehmenden Zellen zugewiesen
sind, teilweise identisch sind, das heißt, dass sie wenigstens eine identische
Frequenz und wenigstens eine verschiedene Frequenz umfassen, und
derart sind, dass der Plan dieses Mobilfunkkommunikationssystems
erhalten wird durch Überlagern
der Pläne
von mehreren Mobilfunkkommunikationssystemen mit jeweils einer anderen
Zahl von Zellen pro Muster, wobei diese Mobilfunkkommunikationssysteme
herkömmliche
Systeme sind, das heißt
Systeme, in denen die Frequenzsätze,
die Zellen von gleichem Rang zugeordnet sind, identisch sind.
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Andere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines
besonderen Ausführungs beispiels
der Erfindung, das zur Erläuterung,
nicht aber zur Einschränkung
angegeben wird. Es zeigen:
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1 sehr
schematisch ein herkömmliches zellulares
Mobilfunkkommunikationssystem, das ein Muster mit 7 Zellen verwendet,
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2 sehr
schematisch ein herkömmliches Mobilfunkkommunikationssystem,
das ein Muster mit 9 Zellen verwendet;
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3 sehr
schematisch ein erfindungsgemäßes Mobilfunkkommunikationssystem,
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4 ein
Blockdiagramm der Hauptelemente der Infrastruktur eines zellularen
Mobilfunkkommunikationssystems, das bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung
eingesetzt wird.
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In allen Figuren tragen gemeinsame
Elemente die gleichen Bezugszeichen.
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Außerdem entsprechen diese Figuren
insbesondere, beispiels- aber
vorteilhafterweise dem Fall, wo der verwendete Frequenzsprung ein
zyklischer Frequenzsprung ist.
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In 1 sieht
man den Plan eines herkömmlichen
zellularen Mobilfunkkommunikationssystems 10. Bekanntlich
können
die Zellen eines solchen Systems schematisch in Form von Sechsecken
dargestellt werden.
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Der Plan des Systems 10 besteht
aus der regelmäßigen Wiederholung
im Raum eines Musters M, das 7 Zellen, mit 1 bis 7 bezeichnet, umfasst.
Die Zelle 1 befindet sich in der Mitte des Musters M, und die Zellen
2 bis 7 umgeben die Zelle 1. Der Rand jedes Musters M ist in 1 mit dicken Strichen dargestellt.
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Als Beispiel wird angenommen, dass
jeder der Zellen 1 bis 7 ein Satz von drei Frequenzen zugeordnet
ist, wobei die innerhalb eines gegebenen Musters M verwendeten 21
Frequenzen paarweise verschieden sind. Jeder dieser Sätze von
Frequenzen wird im Folgenden mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet
wie die Zelle des Musters M, der er zugeordnet ist.
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In 2 ist
der Plan eines anderen herkömmlichen
Mobilfunkkommunikationssystems 20 gezeigt.
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Der Plan des Systems 20 besteht
aus der regelmäßigen Wiederholung
eines Musters M',
das neun mit A bis I bezeichnete Zellen umfasst. Der Rand jedes
Musters M' ist in 2 mit dicken Strichen dargestellt.
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Immer noch als Beispiel wird angenommen, dass
jeder der Zellen A bis I eine einzige Frequenz zugeordnet ist. Jede
dieser Frequenzen wird im Folgenden mit dem gleichen Bezugszeichen
bezeichnet wie die Zelle des Musters M', der sie zugeordnet ist.
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Der Plan eines erfindungsgemäßen zellularen
Mobilfunkkommunikationssystems ist in 3 gezeigt.
Dieser Plan wurde erhalten durch Überlagern der Pläne der Systeme 10 und 20.
Die Bezugszeichen der Zellen des Systems 30 sind erhalten durch
Nebeneinanderstellen der Bezugszeichen der überlagerten Zellen der Systeme 10 und 20,
die ihnen entsprechen, beginnend mit dem Buchstaben. Zum Beispiel
ist die Zelle, die sich aus der Überlagerung
der Zellen 1 und A ergibt, mit A1 bezeichnet. Die gleiche Konvention
wird auf die resultierenden Frequenzsätze angewendet.
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Die Ränder der ursprünglichen
Muster M sind weiterhin mit dicken Linien dargestellt, da die Muster
M das Grundmuster des erfindungsgemäßen Systems 30 bilden.
Anders als bei dem herkömmlichen
System 10 und aufgrund der Überlagerung der Pläne der Systeme 10 und 20 benutzen
die Zellen von gleichem Rang von zwei benachbarten Mustern M jedoch
nicht exakt die gleichen Frequenzsätze.
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So haben zum Beispiel die Zellen
A1 und B1, die die zentralen Zellen von zwei benachbarten Mustern
sind, die Frequenzen des Frequenzsatzes 1 gemeinsam, doch ihre vollständigen zugeordneten
Frequenzsätze
unterscheiden sich durch die Frequenzen A und B.
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So ist ein "Muster von Mustern" mit 63 Zellen (9 × 7), in 3 mit M" bezeichnet, entstanden, dessen Rand
mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Jeder Zelle ist ein Satz
von 4 Frequenzen (3 + 1) zugeordnet. Anders als bei einem herkömmlichen
Muster sind die innerhalb dieses "Musters" verwendeten Frequenzen nicht alle paarweise
unterschiedlich.
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Es werden somit weniger Frequenzen
verwendet als bei einem herkömmlichen
Muster mit 63 Zellen, denen jeweils ein Satz von 4 Frequenzen zugeordnet
ist, wobei die 252 (63 × 4)
in diesem Muster verwendeten Zellen paarweise verschieden sind. Das
erfindungsgemäße Muster
M" verwendet nämlich nur
30 (7 × 3
+ 9) unterschiedliche Frequenzen.
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Nun wird die Leistungsfähigkeit
im Hinblick auf die Signalqualitäten
der übertragenen
Funksignale in einem System, das ein Muster mit 63 Zellen und 252
Frequenzen verwendet, und einem erfindungsgemäßen System verglichen.
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Es liegt auf der Hand, dass bei gleicher
Größe der Zellen
die Beeinträchtigungen
aufgrund von Interferenzen auf dem Nutzkanal bei einem System, das
Muster mit 63 Zellen und 252 Frequenzen verwendet, geringer sind
als bei einem System, das "Muster" mit 63 Zellen und
30 Frequenzen verwendet. Bei einem System wie dem System der 3 ist nämlich die Zahl der möglichen
nah benachbarten Störquellen
innerhalb des Musters selbst hoch. Wie man gesehen ist, sind jedoch
diese Störquellen
partielle Störquellen,
weil ihre Frequenzsätze
alle teil weise voneinander verschieden sind und da der zyklische
Frequenzsprung angewendet wird.
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Auf diese Weise erhält man nur
durch Anwendung des Prinzips des zyklischen Frequenzsprunges die
kombinierten Vorteile des zyklischen Frequenzsprunges und des aleatorischen
Frequenzsprunges.
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Es ist nämlich bekannt, dass der Vorteil
des allein in einem herkömmlichen
System angewendeten aleatorischen Frequenzsprunges in der Tatsache beruht,
dass der Pegel der Interferenzen im Laufe einer gegebenen Übertragung
von Signalen zwischen einer Mobilstation und einer Basisstation
variiert, wohingegen der Pegel der Interferenzen praktisch konstant
ist, wenn man das Prinzip des zyklischen Frequenzsprunges anwendet.
Der aleatorische Frequenzsprung erlaubt es, die Interferenzen zu
mitteln.
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Dies erklärt sich dadurch, dass der Pegel
der im Laufe einer Übertragung
wahrgenommenen Interferenzen der Mittelwert der Pegel der durch
zahlreiche andere Übertragungen
verursachten Interferenzen ist. Daraus ergibt sich, dass das System
in Bezug auf Interferenzen um so besser ist, je mehr Störquellen
es gibt. Dies wird als Störer-Diversität bezeichnet.
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In dem System wie dem der 3 wird die Störer-Diversität nicht
durch Anwendung des Prinzips des aleatorischen Frequenzsprunges
erzielt, sondern durch teilweise Wiederverwendung bestimmter Frequenzen
innerhalb von benachbarten Mustern und Anwendung eines zyklischen
Frequenzsprunges auf diese Frequenzen.
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Die Vorteile des aleatorischen Frequenzsprunges
werden also in den erfindungsgemäßen Systemen
dadurch erzielt, dass die Interferenzen im Laufe der Zeit variieren
(zum Beispiel von einem Zeitintervall zum anderen bei Systemen,
die das TDMA-Prinzip
einsetzen).
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Bei den Systemen nach der GSM-Norm,
die das TDMA-Prinzip anwenden, muss es in jeder Zelle eine Frequenz,
als Signalisierungs- oder Bakenfrequenz bezeichnet, geben, die teilweise
(im Allgemeinen im ersten Zeitintervall) für die Übertragung von Signalen reserviert
ist, die Signalisierung zwischen den Mobilstationen und der Basisstation
enthalten. Die GSM-Norm schreibt vor, dass es nicht zulässig ist,
den Frequenzsprung auf den logischen Kanal anzuwenden, der durch
das erste Zeitintervall jedes Rahmens und die Bakenfrequenz definiert
ist.
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Infolgedessen müssen bei dem obigen Anwendungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung die Vorschriften der Norm eingehalten
werden, wenn das betrachtete System ein GSM-System ist. Dies ändert nichts
daran, dass bei anderen Zeitintervallen als dem ersten Zeitintervall
jedes Rahmens auf der Bakenfrequenz, das heißt für die logischen Kanäle mit Ausnahme
des Signalisierungskanals, die Anwendung des Frequenzsprungprinzips
möglich
bleibt.
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Die Anwendung der Erfindung in bereits
existierenden zellularen Mobilfunkkommunikationssystemen nach der
GSM-Norm erfordert weder eine Veränderung der Mobilstationen
noch der Basisstationen. Die Vorrichtungen sind nämlich in
diesen Letzteren bereits der GSM-Norm zufolge vorgesehen, um die
Anwendung des einen oder anderen Frequenzsprungprinzips zu ermöglichen.
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Da die Erfindung das Prinzip des
Frequenzsprunges in herkömmlicher
Weise einsetzt und im Vergleich zum Stand der Technik sich nur die
Verteilung der Frequenzen ändert,
ist es nicht notwendig, Änderungen
an den Mobilstationen und den Basisstationen vorzunehmen.
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Umgekehrt ist es innerhalb des mit
der Nutzung und Wartung beauftragten Organs des Systems notwendig,
die Frequenzplanungssoftware in Übereinstimmung
mit dem Prinzip der vorliegenden Erfindung zu verändern.
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Dieses Nutzungs- und Wartungsorgan überträgt diese
Planung, damit sie im Gelände
angewendet werden kann, an die verschiedenen Controller von Basisstationen,
die jeweils für
eine vorgegebene Gruppe von Basisstationen zuständig sind.
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In 4 ist
ein Nutzungs- und Wartungsorgan 40 dargestellt, dessen
Planungssoftware mit 401 bezeichnet ist. Das Organ 40 ist
im Allgemeinen auf dem Drahtweg 41 mit mehreren Basisstationscontrollern
(BSC) 42 (drei sind in 4 dargestellt)
verbunden, die jeweils mit den Basisstationen 43, für die sie zuständig sind, über den
Drahtweg 44 verbunden sind. Man sieht, dass nur die Elemente,
die in direkter Beziehung zur Durchführung der Erfindung stehen,
in 4 dargestellt worden
sind.
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Das in Übereinstimmung mit den Prinzip
der vorliegenden Erfindung programmierte Planungsprogramm 401 führt Steuermittel 421,
die zu den BSC-Controllern gehören,
damit die geeigneten Frequenzen jeder der Zellen (das heißt jedem
der angepaßten
Steuermittel 431 innerhalb der Basisstationen 43,
die ihrerseits mit den Sende-/Empfangsmitteln 432 der letzteren
verbunden sind) zugewiesen werden.
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Für
Systeme, bei denen die Anwendung eines Frequenzsprungprinzips nicht
von Anfang an vorgesehen ist, ist es notwendig, entsprechend Änderungen
an den Mobilstationen, den Basisstationen und den Nutzungsorganen
vorzusehen, das heißt:
- – an
der Basisstation die notwendigen zusätzlichen Sender-/Empfänger (es
sind davon so viele erforderlich, wie es Frequenzen im zugeordneten Frequenzsatz
gibt), sowie die angepaßten
Schalteinrichtungen zu installieren, sofern diese nicht bereits
existieren, oder den/die Sender der Basisstationen mit Frequenzsynthesizern
auszurüsten,
- – das
gleiche an den Mobilstationen zu tun,
- – das
Nutzungsprogramm zu modifizieren, um die Planung der Frequenzen
mit der in der vorliegenden Erfindung vorgesehenen konform zu machen.
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Selbstverständlich stellt die obige Ausgestaltung
nur ein Anwendungsbeispiel der Erfindung dar.
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Insbesondere ist es möglich, erfindungsgemäße Systeme
zu erhalten, indem mehr als zwei herkömmliche Systeme überlagert
werden.
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Genauso ist es nicht notwendig, dass
die Zahlen der Zellen der überlagerten
Symbole zueinander teilerfremd sind, auch wenn so eine optimale Nutzung
der Frequenzen erreicht wird.
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Zum Beispiel kann man einen Plan
eines zellularen Systems gemäß der vorliegenden
Erfindung erhalten, indem man die Pläne von drei herkömmlichen
Systemen mit jeweils 9, 12 bzw. 13 Zellen überlagert. In diesem Fall hat
man ein "Muster
von Mustern" mit
468 Zellen (468 = 9 × 4 × 13, 36
[9 × 4]
ist das kleinste gemeinsame Vielfache von 9 und 12), wobei das Grundmuster
des erfindungsgemäßen Systems
ein Muster mit 9 Zellen ist.
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Wenn jeder Zelle dieses Musters mit
9 Zellen 3 Frequenzen zugeordnet sind (zum Beispiel dadurch, dass
in jedem der herkömmlichen
bei der Überlagerung
verwendeten Systeme eine einzige Frequenz jeder Zelle zugeordnet
ist), unterscheiden sich die teilweise identischen Sätze von
zwei Zellen mit gleichem Rang, die zu benachbarten Mustern gehören, durch
zwei Frequenzen.
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Die mit einem solchen System erreichten Vorteile
sind die gleichen wie die mit dem System 30 aus 3 erhaltenen.
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Außerdem ist die Erfindung auch
anwendbar auf die Systeme, bei denen bestimmte Zellen sektorisiert
sind, wobei jeder Sektor mit Mitteln zum Senden/Empfangen derart
ausgestattet ist, dass er einer Zelle äquivalent ist. In diesem allgemeinen
Sinn wird das Wort "Zelle" in allem vorher
Gesagten verstanden.
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Außerdem sind zwei als benachbart
bezeichnete Muster derart, dass sie sich nebeneinander befinden,
das heißt,
dass sie einerseits nicht durch ein anderes Muster getrennt sind,
andererseits aber auch nicht notwendigerweise eine gemeinsame Grenze
haben. Entsprechend haben die Zellen eines gleichen Musters nicht
notwendigerweise eine gemeinsame Grenze.
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Die Zellen eines gleichen Musters
sind in Form von sämtlich
gleichen Sechsecken dargestellt worden. Eine solche Darstellung
ist jedoch schematisch, da die Umrisse der Zellen beliebig sein
können und
es nicht notwendig ist, dass alle Zellen in ihrer Oberfläche und
ihrer Form identisch sind.
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Es ist auch nicht notwendig, dass
alle Frequenzsätze
exakt die gleiche Zahl von Frequenzen enthalten.
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Schließlich kann man jedes Mittel
durch ein äquivalentes
Mittel ersetzen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.