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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf zellulare Kommunikationssysteme
und im Besonderen auf die Übertragung
und den Empfang von Daten in einem zellularen Netzwerk.
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Zellulare
Funktelekommunikationsnetze umfassen im Allgemeinen Funkvermittlungsstellen (MSC),
die an ein öffentliches
Telefonnetz (PSTN) gekoppelt sind, Basistransceiverstationen (BTS)
und Funktelefonteilnehmereinheiten, die häufig als Mobilstationen bezeichnet
werden.
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Jede
aus einer Mehrzahl von Basistransceiverstationen definiert im Allgemeinen
einen geographischen Bereich oder eine Zelle in der Nähe der BTS,
um Versorgungsbereiche zu erzeugen. Zellengrößen reichen typischerweise
von 200 Metern im Durchmesser in städtischen Bereichen bis zu 60
Kilometern in ländlichen
Bereichen. Häufig
sind Basistransceiverstationen in regelmäßigen Intervallen in der Nähe von Hauptstraßen angeordnet,
um Autofahrern eine Kommunikati onsdienstversorgung zur Verfügung zu
stellen. Jede BTS umfasst die Funkfrequenzkomponenten und die Antennen
zum Kommunizieren mit den Mobilstationen. Üblicherweise befinden sich
mehrere Basistransceiverstationen unter der Steuerung einer Basisstationssteuerung,
die ihrerseits direkt durch eine Landleitung oder Mikrowellenverbindung
mit einer MSC kommuniziert. Mehrere Basisstationssteuerungen können einer
MSC berichten.
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Mehrfachzugriffsverfahren
erlauben die gleichzeitigen Übertragungen
von mehreren Mobilstationen zu einer einzelnen BTS. Das GSM-System (globales
System für
mobile Kommunikationen) verwendet Mehrfachzugriff im Zeitmultiplex
(TDMA), in dem ein Kommunikationskanal aus einem Zeitschlitz in
einem periodischen Zug von Zeitintervallen über die selbe Frequenz besteht.
Jeder Mobilstation wird ein spezifischer Zeitschlitz zur Kommunikation
mit einer BTS in einem wiederholenden Zeitrahmen zugeordnet. Eine
andere Art von Mehrfachzugriffstechnik, eine die für das Universalmobiltelekommunikationssystem
der dritten Generation (UMTS) vorgeschlagen worden ist, ist als
CDMA bekannt, das Spreizspektrumsignalisierung einsetzt. Individuelle
Anwender in dem CDMA-Kommunikationsnetz verwenden die selbe RF-Trägerfrequenz,
sind aber durch die Verwendung von individuellen Spreizcodes getrennt. Somit
werden mehrere Kommunikationskanäle
durch Verwenden einer Mehrzahl von Spreizcodes in dem Teil des Funkspektrums
zugeordnet, wobei jeder Code einer Mobilstation eindeutig zugewiesen
wird.
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Mit
Hilfe der oben genannten Netzwerkkomponenten ist ein zellulares
Netzwerk imstande (unter anderem), die Zahl von Anrufen zu überwachen,
die durch eine Mobilstation durchgeführt werden, das "Handover" der Kommunikationsver bindung
von der Mobilstation an die Basistransceiverstationen zu steuern,
wenn sie sich von einer Zelle zu einer anderen bewegt, die gerundete
Reisezeit (oft als der Timingvorlauf bezeichnet) der Kommunikationsverbindung
zwischen der Mobilstation und der BTS zu berechnen und den Standort
einer Mobilstation in dem Netzwerk mit Hilfe einer Standortaktualisierungssequenz
zu verfolgen.
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Zusätzlich zur
Sprache gibt es eine Bestrebung, andere Formen von Daten (zum Beispiel
Fax, E-Mail, Video und Mul-timedia)
durch Funktelekommunikationsnetze bereitzustellen. Da mehrere zellulare
Netze, die verschiedene Datenraten unterstützen (zum Beispiel GSM, Allgemeines
Paketfunksystem (GPRS), die modifizierte Form von GSM, bekannt als
EDGE und UMTS), in dem selben geographischen Bereich zur Verfügung stehen
müssen,
ist es wünschenswert,
die Bereitstellung dieser Daten hinsichtlich von durch das Netzwerk
zugeordneter Ressourcen (zum Beispiel Datenraten) und der Bedürfnisse
und/oder des Verhaltens des Teilnehmers zu optimieren. Diese Optimierung
ist in dem Zusammenhang der UMTS-Entwicklung
in Europa von besonderem Interesse, das in seiner ersten Stufe an isolierten
Orten (zum Beispiel größeren Städten) existieren
wird. Als ein Beispiel betrachten wir einen Teilnehmer in einem
Auto, der eine Datei von mehreren M-Bytes (eine typische Größe heute
verwendeter Dokumente) über
das GSM-Netz senden möchte. Aufgrund
sehr niedriger verfügbarer
Bitraten (heute 9,6 K-Bits, mehr, wenn die Zelle allgemeine Paketfunkdienste
unterstützt)
präsentiert
die Verwendung des GSM-Netzes mehrere Nachteile. Zum Beispiel muss
die GSM-Verbindung für
eine vergleichsweise lange Zeit aufrecht erhalten werden. Dies kann
mehrere Handovers, während
sich der Teilnehmer bewegt, und die nachfolgende ge stiegene Wahrscheinlichkeit,
dass ein Anruf unterbrochen wird, erfordern. Weiterhin ist die Wahrscheinlichkeit,
ein Übertragungsproblem
zu haben, proportional zu der Verbindungszeit (es ist gut bekannt,
dass das Herunterladen einer Datei von mehreren M-Bytes aus dem
Internet eine riskante Operation ist, wenn ein Modem mit niedriger
Bitrate verwendet wird).
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Aus
den oben genannten Gründen
ist es vorteilhaft, die Datenübertragung
zu planen, bevor sie ausgeführt
wird. Zum Beispiel kann, wenn die zukünftige Bandbreitenverfügbarkeit
abgeschätzt
werden kann, der Datenübertragungsprozess
optimiert werden.
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Die
US-5 572 221 (Marveli et al.) offenbart Verfahren zum Vorhersagen
von Bewegungen von mobilen Funktransceivern, wodurch somit die Auswahl
einer Zelle für
ein zukünftiges
Handover erleichtert wird. Diese Verfahrenskriterien sind statisch
und bieten keine dynamische Auswahl eines Dienstes mit stets der
besten Qualität.
Außerdem
beruht dieses Verfahren auf einem Lernen der Bewegungsmuster eines
jeden der individuellen mobilen Funktransceiver. Da diese mit den
persönlichen
Angewohnheiten von Anwendern verbunden sind, ist die Lernaufgabe beschwerlich
und führt
zu unverlässlichen
Ergebnissen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Steuern der Übertragung
von Daten zwischen einer Basisstation und einer Mobilstation in
einem zellularen Funktelekommunikationsnetz, wie in den begleitenden
Ansprüchen beschrieben,
zur Verfügung.
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Die
Vorrichtung kann zum Beispiel in einer Funkvermittlungsstelle oder
in einer Basisstationssteuerung eingebaut sein.
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Ausführungsformen
der Erfindung sind imstande, die Trajektorie einer Mobilstation
durch vorheriges Beobachten des Verhaltens einer ganzen Population
der Mobilstationen über
einen geographischen Bereich, der vorzugsweise viele Zellen umfasst,
vorherzusagen.
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Ein Überwachen
der Bewegungen der Mobilstation kann durch Verwenden einer beliebigen
von mehreren Messtechniken, die in GSM-Systemen bekannt sind, durchgeführt werden.
Zum Beispiel kann die Mobilstation verfolgt werden (zum Beispiel
durch die MSC), wenn sie ein Handover von einer BTS in einer ersten
Zelle zu einer zweiten BTS in einer zweiten angrenzenden Zelle durchführt, während ein
Anruf im Gange ist. Wenn kein Anruf im Gange ist und sich die Mobilstation
in einem Ruhezustand befindet, kann die Mobilstation durch Überwachen
ihrer Standortaktualisierungsanforderungen verfolgt werden, wenn
sie sich von einer Gruppe von Zellen, die über eine erste Lokalnetzidentifizierung
("local area identity") verfügt, zu einer
anderen Gruppe, die über
eine zweite Lokalnetzidentifizierung verfügt, bewegt.
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Die
Mittel zum Steuern der Übertragung
von Daten können
zum Beispiel konfiguriert sein, um Datenraten anzupassen oder den
Beginn einer Übertragung
für eine
bestimmte Zeitperiode zu verzögern.
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Durch
die Fähigkeit,
vorherzusagen, wo sich die Mobilstation befinden wird, wenn sie
ihre Daten empfängt
oder überträgt, kann
der Empfangs-/Übertragungsprozess
optimiert werden. Wenn zum Beispiel vorhergesagt wird, dass sich
die Mobilstation bald aus den Grenzen des Netzwerkes heraus bewegt,
kann der Übertragung
eine schnelle Datenrate zugeordnet werden.
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Vorzugsweise
werden stationäre
Mobilstationen in der überwachten
Population durch den Gruppierungsprozess ignoriert. Solche Mobilstationen leisten
keinen nützlichen
Beitrag zu dem durch die Erfindung dargestellten Gesamtlernprozess.
Wenn eine bestimmte Mobilstation für eine lange Zeitperiode stationär ist, besteht
die beste Entscheidung für die
angeforderten Daten darin, sofort bei einer festen Datenrate übertragen
zu werden.
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Es
ist nicht möglich,
für alle
Mobilstationen eine vollständig
richtige Vorhersage zu treffen. Wenn jedoch eine falsche Entscheidung
getroffen wird, wird nichts kritisches passieren (das heißt, die
Anrufabbruchrate und Qualität
eines Dienstes werden die selben sein, wie sie ohne den durch die
Erfindung angebotenen Lernprozess gewesen wären). Die von den statistischen
Beobachtungen einer Population von Mobilstationen abgeleiteten Vorhersagen
erhöhen
jedoch statistisch die Wahrscheinlichkeit, die richtige Entscheidung
zu treffen, wodurch die Gesamtqualität von Diensten und die Anrufabbruchrate verbessert
wird.
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Einige
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun nur beispielhaft beschrieben, wobei Bezug
auf die Zeichnungen genommen wird, von denen
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1 ein
schematisches Diagramm eines Kommunikationsnetzes ist;
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2 ein
schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist;
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und 3 ein
schematisches Diagramm ist, das darstellt, wie die Vorrichtung von 2 realisiert werden
kann.
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1 zeigt
eine Mehrzahl von Zellen 1, 2 in einem Telekommunikationsnetz,
von denen die meisten GSM-Zellen und ein paar (schattiert) UMTS-Zellen
sind. Jede Zelle wird durch eine Basistransceiverstation (BTS) 3 versorgt.
Eine Ellipse bezeichnet eine Zone 5, die einige GSM-Zellen 1 und
einige UMTS-Zellen 2 umfasst. Der Überwachungsprozess der Erfindung
findet in der Zone 5 statt.
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Das
Netzwerk wählt
zufällig
einige Mobilstationen in der Zone 5 zur Überwachung
aus. Die Ergebnisse des Überwachungsprozesses
ermöglichen eine
Vorhersage der Trajektorie anderer Mobilstationen, die in der Zone 5 aktiv
sind oder durch die Zone 5 passieren. Je mehr Mobilstationen überwacht
werden, umso genauer ist die Vorhersage.
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2 zeigt
eine Vorrichtung zum Steuern eines Empfangs und einer Übertragung
von Daten, die in einer Funkvermittlungsstelle (MSC) eingebaut ist, die
in dem Netzwerk von 1 arbeitet.
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Ein Überwachungsmodul 6 empfängt Information
von Basistransceiverstationen (nicht gezeigt), die von der MSC gesteuert
werden. Diese Information bezieht sich auf das Verhalten solcher
Mobilstationen, die in der Zone 5 arbeiten und mit den
Basistransceiverstationen eingetragen sind. Zum Beispiel empfängt das
Modul 6 Berichte von seinen angeschlossenen Basistransceiverstationen,
die solche Mobilstationen identifizieren, die aktuell mit bestimmten
Basistransceiverstationen eingetragen sind. Somit ist das Modul 6 durch
Empfangen dieser Berichte imstande, die Bewegungen einer beliebigen
Mobilstation zu überwachen,
die sich in der Zone 5 von Zelle zu Zelle bewegt.
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Die überwachten
Bewegungen einer jeden Mobilstation werden in einem Speichermodul 7 gespeichert.
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Eine
Ausgabe des Überwachungsmoduls 6 wird
in ein Klassifizierungsmodul 8 eingespeist, das jede überwachte Mobilstation
in Gruppen klassifiziert. Mobilstationen, die ein ähnliches
Verhalten in ihren Bewegungen über
die Zeit zeigen, werden der selben Gruppe zugeordnet. Gruppen sind
somit durch ihre verschiedenen Verhaltensmuster unterscheidbar.
Die Merkmale, die für
jede Gruppe durch die Klassifizierungsmodule 8 abgeleitet
werden, werden in einen Speicher 9 eingespeist.
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Ein
Empfangsmodul 10 empfängt
ein Signal, das die MSC darüber
informiert, dass eine Anforderung an eine bestimmte Mobilstation
in der Zone 5 gestellt worden ist, Daten zu empfangen oder
zu übertragen.
Das empfangene Signal kann durch die vorsorgende BTS der Mobilstation
in Reaktion auf ein Signal von der Mobilstation erzeugt werden,
oder kann von dem PSTN kommen.
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Die
Identifizierung der besagten bestimmten Mobilstation wird von dem
Empfangsmodul 10 zu einem Eingang eines Gruppenabgleichungs-
und Vorhersagemoduls 11 überführt. Das Gruppenabgleichungs-
und Vorhersagemodul 11 verfügt über einen zweiten Eingang,
der an einen Ausgang des Speichers 7 angeschlossen ist,
und einen dritten Eingang, der an einen Ausgang des Speichers 9 angeschlossen
ist. Der Zweck des Moduls 11 besteht darin, das jüngste Verhalten
der bestimmten Mobilstation (aus dem Speicher 7 bekannt)
mit jedem Verhalten einer klassifizierten Gruppe (aus dem Speicher 9)
zu vergleichen, um zu bestimmen, mit welcher Gruppe die bestimmte
Mobilstation am besten übereinstimmt. Nach
einem Identifizieren einer Übereinstimmung
mit einer bestimmten Gruppe kann das Gruppenabgleichungs- und Vorhersagemodul 11 die
Trajektorie der bestimmten Mobilstation durch Lesen der Verhaltensmuster
der gewählten
Gruppen aus dem Speicher 9 vorhersagen.
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Das
Gruppenabgleichungs- und Vorhersagemodul 11 speist dann
diese vorhergesagte Trajektorie in ein Datenübertragungsentscheidungsmodul 12 ein.
Das Datenübertragungsentscheidungsmodul 12 empfängt außerdem eine
Eingabe von dem Empfänger 10,
durch die es über
die Natur, zum Beispiel die Größe, der
zu übertragenen
Daten informiert wird. In Kenntnis der Größe der Daten und der vorhergesagten
Bewegungen der besagten Mobilstation erzeugt das Entscheidungsmodul 12 ein
Steuersignal auf der Leitung 13, das durch die versorgende
BTS zu verwenden ist, die die Datenrate und die Zeit für einen Beginn
der angeforderten Übertagung
einstellt.
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Optional
kann das Entscheidungsmodul 12 konfiguriert sein, um andere
Faktoren, wie zum Beispiel Zellenbeladung zu berücksichtigen.
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Um
eine effiziente Datenbereitstellung sicherzustellen, können für den Fall,
dass die Vorhersage falsch ist, einige Verfahren eingerichtet werden. Solche
Gegenmaßnahmen
sind gut bekannt. Es ist möglich,
Zeitüberwachungsprozessoren
oder feste räumliche
Grenzen zu verwenden, um sicherzustellen, dass die Übertragung
tatsächlich
beginnt.
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Da
das Verfahren der Erfindung auf der Netzwerkebene abläuft, ist
die Beteiligung der Mobilstation sehr gering. Unter bestimmten Umständen kann es
erforderlich sein, die Größe der Datenüberführung, die
Prioritätenfolge
und möglicherweise
einige optionale Eingaben, wie zum Beispiel die Identifizierung
der letzten Zelle, mit der sie eingetragen war, zu senden.
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Ein
Beispiel des Betriebs der Erfindung wird nun unter Bezug auf 3 beschrieben.
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Die
zwölf Zellen 14–25 decken
eine Zone ab. Einige sind GSM-Zellen und andere (schattiert) sind UMTS-Zellen.
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Die
Mobilteilnehmer leben im "Zuhause", Zelle 14.
Sie arbeiten entweder am "Arbeitsplatz
1" oder "Arbeitsplatz 2". An Wochenenden
gehen sie zu der "Freizeit"-Zelle 24.
Die Zellen 15–22 decken
die dazwischenliegenden Straßen
ab.
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Es
gibt 3 definierte Gruppen von Teilnehmern. Alle Teilnehmer in der
selben Gruppe zeigen ein ähnliches
Verhalten. Die Gruppen sind:
- 1. Die Teilnehmer,
die an dem "Arbeitsplatz
1" arbeiten. An
Wochentagen verlassen sie ihr Zuhause zwischen 08:00 Uhr und 08:30
Uhr, um zur Arbeit zu fahren (die tatsächliche Abfahrtszeit wird mit
einer gleichförmigen
Wahrscheinlichkeit gewählt),
und verlassen die Arbeit zwischen 18:00 und 18:30 Uhr. Am Wochenende
brechen sie in die "Freizeit" um 13:00 Uhr auf
und kommen um 21:00 Uhr zurück.
- 2. Die Teilnehmer, die an dem "Arbeitsplatz 2" arbeiten. An Wochentagen verlassen
sie ihr Zuhause zwischen 10:00 Uhr und 10:30 Uhr, um zur Arbeit
zu fahren, und verlassen die Arbeit zwischen 18:00 Uhr und 18:30
Uhr. Am Wochenende brechen sie um 13:00 Uhr in die "Freizeit" auf und kehren um
21:00 Uhr zurück.
- 3. Einige Teilnehmer, die an dem "Arbeitsplatz 1" arbeiten und spät ankommen. Sie verlassen ihr Zuhause
zwischen 11:00 Uhr und 11:15 Uhr. Ansonsten sind sie identisch mit
der ersten Gruppe.
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In
konstanten Zeitintervallen werden für jeden Teilnehmer der aktuelle
Tag (Wochentag oder Wochenende), die aktuelle Zeit, der Standort
des Teilnehmers und sein Standort während der vier vorangehenden
Zeitintervalle aufgezeichnet. Zum Beispiel für einen Teilnehmer 26:
Wochentag, 19:00 Uhr, 14, 15, 16, 17, 18.
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Nur
solche Aufzeichnungen, die sich auf Bewegungen beziehen, werden
behalten, andernfalls sind die Ergebnisse voreingenommen, weil die
Teilnehmer die meiste Zeit still stehen und somit der nützlichste
Teil des Lernprozesses verborgen ist.
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In
diesem Beispiel kann abgeleitet werden, dass der Teilnehmer 26 in
die zweite Gruppe fällt.
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Nun
wird gezeigt, wie diese Ableitung und die gespeicherten Merkmale
des Verhaltens jeder Gruppe verwendet werden können, um die Übertragungszeit
einer Datendatei zu verringern. Es wird angenommen, dass die Übertragungsrate
in einer GSM-Zelle 9,6 K-Bits pro Sekunde und in einer UMTS-Zelle
144 K-Bits pro Sekunde ist. Es wird angenommen, dass ein Teilnehmer
6 Minuten benötigt, um
sich von einer Zelle zu der nächsten
zu bewegen.
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Es
wird angenommen, dass der Teilnehmer 26 sein Zuhause in
der Zelle 14 verlässt,
um durch Überqueren
der Zellen 15, 16, 17, 18, 19 und 21 zu seiner
Arbeitsstätte
2 in der Zelle 25 zu gehen, und eine 2 M-Bytes-Datei übertragen
möchte.
Ohne den Vorteil der vorliegenden Erfindung beginnt die Übertragung
sofort. Während
des Überquerens
der Zellen 15, 16 und 17 werden 1,24
M-Bytes durch Verwenden von GSM übertragen
worden sein (3 × 6 × 60 × 9600 =
10368000 Bits). Der Rest wird durch Verwenden von UMTS in der Zelle 18 übertragen.
Dies wird 0,74 Minuten benötigen
((2 – 1,24) × 1024 × 1024 × 8/144000
= 44,5 Sekunden). Die Gesamtübertragungszeit
beträgt
daher 18,7 Minuten.
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Durch
Verwenden der vorliegenden Erfindung kann der Netzwerkbetreiber
entscheiden, den Beginn einer Übertragung
zu verzögern,
bis die Bewegung des Teilnehmers in die UMTS-Zelle 18 eintritt. Bei einem
Verwenden von UMTS beträgt
die Übertragungszeit
2 × 1024 × 1024 × 8/144000
= 116,5 Sekunden oder 1,94 Minuten (was weniger ist, als die Zeit,
die sich der Teilnehmer in der Zelle 18 aufhält. Somit
beträgt
die Gesamtübertragungszeit 1,94
Minuten.
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Wenn
es dem System nicht gelingt, die richtige Trajektorie für den Teilnehmer 26 vorherzusagen,
ist der schlimmste Fall, dass die ganze Datei durch GSM zu übertragen
ist. Dies erfordert 29,1 Minuten (2 × 1024 × 1024 × 8/9600 = 1747,6 Sekunden oder
29,1 Minuten).
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Mit
einer Erfolgsrate von 90% für
das System beträgt
die durchschnittliche Übertragungszeit
maximal 0,1 × 29,1
+ 0,9 × 1,94
= 4,7 Minuten. Die vorliegende Erfindung gestattet eine Verringerung
der Übertragungszeit
um einen Faktor von durchschnittlich 18,74/4,7 = 4. Die Wahrscheinlichkeit, über eine signifikante
Anrufabbruchrate zu verfügen,
ist dann sehr verringert.