DE4290393C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbessern der Signalqualität eines in einem Übertragungskanal eines zellularen Nachrichtenübertragungssystems übertragenen Signals - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5 angegebenen Art.

Bei einem aus der US-PS 4 475 010 bekannten Verfahren bzw. einer Vorrichtung der in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5 genannten Art wird jede Zelle eines zellularen Nachrichtenübertragungssystems in drei Überdeckungsbereiche unterteilt, die jeweils von einer ihnen individuell zugeordneten Richtantenne bedient werden. Dadurch kann bei einer vorgegebenen Vielzahl von Übertragungskanälen der Nachrichtenverkehr erhöht werden. Andererseits sind jedem Überdeckungsbereich, also jeder diesem individuell zugeordneten Richtantenne eine bestimmte Anzahl von Übertragungskanälen individuell zugeordnet, so daß diese bestimmte Anzahl von Übertragungskanälen der gesamten Vielzahl von Übertragungskanälen in anderen Überdeckungsbereichen der gleichen Zelle nicht zur Verfügung stehen.

Aus der DE-PS 28 06 178 ist ein zellulares Nachrichtenübertragungssystem bekannt, bei dem jeder Zelle mehrere Sektorantennen zugeordnet werden können, wobei jede Sektor­ antenne mit einem ihr individuell zugeordneten Nachrichtenkanal, bzw. einer ihr indivi­ duell zugeordneten Frequenz arbeitet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der in den Oberbe­ griffen der Patentansprüche 1 und 5 genannten Art so auszubilden, daß in jeder Zelle der Nachrichtenverkehr weiter verdichtet werden kann, ohne daß es zu Störungen zwischen den in unterschiedlichen Übertragungskanälen übertragenen Signalen kommen kann.

Bei einem Verfahren sowie einer Vorrichtung der genannten Art ist diese Aufgabe durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 5 angegebenen Merk­ male gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie auch die Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, daß jeder Überdeckungsbereich nochmals in mindestens zwei Untersektoren unterteilt ist, die jeweils von ihnen individuell zugeordneten Richtantennen bedient werden. Jedem Überdeckungsbereich ist trotzdem die gleiche Vielzahl von Übertra­ gungskanälen zugeordnet, aus denen bei einer Anforderung von einer Mobilstation entweder frei oder aber nach einem bestimmten Algorithmus ein Nachrichtenkanal zufällig ausgewählt wird. Aufgrund dieser zufälligen Auswahl eines Nachrichtenkanals aus der gesamten Vielzahl der dem jeweiligen Überdeckungsbereich zugeordneten Nachrichtenkanäle ist die Wahrscheinlichkeit äußerst gering, daß z. B. in zwei benachbarten Untersektoren der jeweils gleiche Nachrichtenkanal zur Übertragung unterschiedlicher Signale, also zu einer Nachrichtenverbindung zwischen der gleichen Basisstation und zwei unterschiedlichen Mobilstationen benutzt wird. Da trotzdem jedoch die gesamte Vielzahl von Nachrichtenkanälen eines jeden Überdeckungsbereiches auch jedem Untersektor zur Verfügung steht, ist eine weit größere Anzahl von Nachrichten­ verbindungen in dem jeweiligen Überdeckungsbereich gleichzeitig störungsfrei herzu­ stellen.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 schematisch ein zellulares Nachrichtenübertragungssystem in geogra­ phischer Ausdehnung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Nachrichtenübertragungsausrüstung, mit der ein Überdeckungsbereich in mehrere Untersektoren unterteilbar ist;

Fig. 3 schematisch die Sektorunterteilung eines Überdeckungsbereichs;

Fig. 4 Überdeckungsgebiete eines Nachrichtenübertragungssystems, das in einem im wesentlichen identischen, ausrichtungsspezifischen Muster unterteilt ist;

Fig. 5 vier Untersektoren, die von Richtantennen innerhalb eines Sektors bedient werden;

Fig. 6 Ergebnisse einer Computersimulation eines Betriebs eines Nachrichten­ übertragungssystems innerhalb eines 1-Zellen-Wiederholungsmusters;

Fig. 7 Ergebnisse einer Computersimulation eines Betriebs eines Nachrichten­ übertragungssystems nach einem weiteren Ausführungsbeispiel innerhalb eines 1- Zellen-Wiederholungsmusters;

Fig. 8 Ergebnisse einer Computersimulation eines Betriebs eines Nachrichten­ übertragungssystems innerhalb eines 3-Zellen-Wiederholungsmusters;

Fig. 9 Ergebnisse einer Computersimulation eines Betriebs eines Nachrichten­ übertragungssystems nach einem weiteren Ausführungsbeispiel innerhalb eines 3- Zellen-Wiederholungsmusters;

Fig. 10 Ergebnisse einer Computersimulation eines Betriebs eines Nachrichten­ übertragungssystems innerhalb eines 4-Zellen-Wiederholungsmusters;

Fig. 11 eine Tabelle mit Ergebnissen der Computersimulationen und

Fig. 12 ein Blockschaltbild eines Matrixschalters für ein Antennensystem.

Entsprechend einem Ausführungsbeispiel ist ein Nachrichtenübertragungs- bzw. Kommunikationssystem (Fig. 1) in eine Anzahl von Überdeckungsbereiche 10 bis 14 unterteilt, mit jeweils einer zentral angeordneten Basisstation 100 bis 104 innerhalb des Überdeckungsbereichs oder -gebiets. Die Überdeckungsgebiete innerhalb des Kommunikationssystems (Fig. 1) sind um die Basisstationen 100 bis 104 in 120-Grad- Bögen (Fig. 3, Sektor 1, Sektor 2 und Sektor 3) unterteilt. Benachbarte Überdeckungs­ gebiete sind so unterteilt, daß die Teilungslinien der entsprechenden Sektoren benachbarter Überdeckungsgebiete im wesentlichen parallel sind, wodurch sie im wesentlichen identische, ausrichtungsspezifische Muster von wenigstens drei Sektoren pro Überdeckungsgebiet bilden (Fig. 4).

Innerhalb des Kommunikationssystems ist ein Satz von Kommunikationsbetriebsmitteln F verfügbar, die in drei Untergruppen F1, F2 und F3 unterteilt sind. Die Untergruppen F1, F2 und F3 werden den drei Sektoren jedes Überdeckungsgebiets in einem im wesentlichen identischen, ausrichtungsspezifischen Muster zugeteilt, wobei die Unter­ gruppe F1 dem Sektor 1 zugeteilt wird, die Untergruppe F2 dem Sektor 2 zugeteilt wird, sowie die Untergruppe F3 dem Sektor 3 zugeteilt wird.

Jeder Sektor jedes Überdeckungsgebiets ist mit wenigstens vier sehr schmalstrahligen Richtantennen (VNBAs) ausgestattet, die an der Basisstation angeordnet sind und jeden Sektor radial in wenigstens vier sich teilweise überlappende Untersektoren Fig. 5, 500, 501, 502 und 503 unterteilen. Die vier Untersektoren 500, 501, 502 und 503 umfassen den Sektor 2, Fig. 3. Durch ihr Design verstärkt eine VNBA, die einen Untersektor 500, 501, 502 oder 503 bedient, Signale, die aus dem bedienten Untersektor 500, 501 oder 503 herrühren, und dämpft Signale, die von außerhalb des Untersektors herrühren.

Gezeigt ist (Fig. 2) ein Blockschaltbild eines Sektors einer Basisstation 100, 101, 102, 103 und 104. An der Basisstation befindet sich eine Anzahl von Sende/Empfängern 301, 303, 305 und 307, eine Anzahl von Steuerungs-Sende/Empfängern 302, 304, 306 und 308 und ein die Einrichtung zum Vorsehen eines Übertragungszugriffs bildender Stationskontroller 300. Jeder Sende/Empfänger 301, 303, 305 und 307 und jeder Steuerungs-Sende/Empfänger 302, 304, 306 und 308 ist mit einem Antennenzeichen dargestellt, das den bedienten Untersektor 500, 501, 502 und 503 angibt.

Der dargestellte Sektor (Fig. 2) ist der Sektor 3. Die Zeichnung (Fig. 2) kann durch Hinzufügen von Sende/Empfängern 301, 303, 305 und 307 und Steuerungs-Sende/ Empfängern 302, 304, 306 und 308 erweitert werden, um die Sektoren 1 und 2 zu umfassen.

Beim Anfordern von Kommunikationsdiensten sendet eine in dem Überdeckungsgebiet 11, Sektor 3, Untersektor 500 befindliche Kommunikationseinheit (Fig. 1) zuerst eine Betriebsmittelanforderung 400 an einen Steuerungs-Sende/Empfänger 302. Da der Untersektor 500 von einer sich an der Basisstation 101 befindlichen VNBA überdeckt wird, wird die Betriebsmittelanforderung ausschließlich von dem Steuerungs-Sende/ Empfänger 302 empfangen.

Die Betriebsmittelanforderung 400 kann eine ID der Kommunikationseinheit bzw. Mobil­ station 200 und eine Adresse eines Zieles (nicht gezeigt) umfassen. Der Stationskon­ troller 300 dekodiert bei Erhalt der Betriebsmittelanforderung 400 durch den Steuerungs- Sende/Empfänger 302 die Anforderung und antwortet mit einer Betriebsmittelzuweisung 401, die durch den Steuerungs-Sende/Empfänger 302 an die Mobilstation 200 gesendet wird. Die gesendete Betriebsmittelzuweisung 401 kann zusätzlich zu Informationen bezüglich der anfordernden Kommunikationseinheit bzw. Mobilstation 200 Informationen zum Identifizieren eines von der Kommunikationseinheit 200 während des Kommunika­ tionsvorgangs zu verwendenden Betriebsmittels umfassen.

In Verbindung mit der Übertragung der Betriebsmittelzuweisung 401 kann der Stations­ kontroller 300 auch einen Sende/Empfänger für die Bedienung der Kommunikations­ vorgänge anweisen. Bei Erhalt der Betriebsmittelzuweisung 401 stellt sich die Kommuni­ kationseinheit 200 auf das zugewiesene Betriebsmittel ein und beginnt mit der Sendung eines Vorgangssignals 402 und sendet das Signal 402 an das Ziel (nicht gezeigt).

Das in dem obigen Beispiel innerhalb des Sektors 3 zugewiesene Betriebsmittel umfaßte ein Betriebsmittel aus der Untergruppe F3. Die Zuweisung eines Betriebsmittels aus F3 für die Kommunikationseinheit 200 in dem Überdeckungsgebiet 11, Sektor 3, Untersektor 500 schließt die Wiederverwendung des Betriebsmittels in den verbleibenden Untersek­ toren 501, 502 oder 503 des Sektors 3 aus. Die Zuweisung eines Betriebsmittels an einen Untersektor innerhalb eines Sektors wird auf der anderen Seite auf einer Zufallsbasis (innerhalb des Sektors) oder nach einem geeigneten, in den Stationskontroller 300 eingegebenen Algorithmus, der die Betriebsmittelzuweisung innerhalb des Sektors steuert, durchgeführt.

Die Verwendung von VNBAs begrenzt die Sendung und den Empfang eines Signals auf einem Betriebsmittel auf ein Gebiet von ungefähr 25% eines Sektors. Die Verwendung einer VNBA begrenzt die Möglichkeit für eine gegenseitige Störung auf ein Gebiet, das radial um die Basisstation angeordnet ist. Da die Zuweisung innerhalb eines Sektors auf einer Zufallsbasis durchgeführt wird, wird die Wiederverwendung desselben Betriebs­ mittels in einem anderen Überdeckungsgebiet, was zu sich gegenseitig störenden Signalen führt, beträchtlich verringert.

Der Betrieb einer Kommunikationseinheit innerhalb eines Kommunikationssystems von irgendeiner von einer Anzahl von Basisstationen aus (wie oben beschrieben) hängt von einem ausreichenden C/I-Verhältnis ab. Die Verwendung einer VNBA innerhalb eines Sektors erhöht das mittlere C/I-Verhältnis durch Dämpfung von Signalen, die außerhalb eines von dem Untersektor des VNBA gebildeten Bogens oder in einem anderen, nahegelegenen Überdeckungsgebiet erzeugt werden. Die Erhöhung des C/I-Verhält­ nisses ermöglicht per Definition einen verringerten Wiederverwendungsfaktor, da eine Zunahme von C/I Basisstationen, die auf demselben Betriebsmittel arbeiten, ermöglicht, in näherer Nachbarschaft zu arbeiten.

Es ist eine Computersimulation eines zellularen Kommunikationssystems für ein CDMA- Kommunikationssystems mit langsamer Sprungrate gezeigt (Fig. 6). Die Simulation nimmt ein Ein-Zellen-Wiederholungsmuster (Wiederholungsfaktor), 3 Sektoren pro Überdeckungsgebiet, vier VNBAs pro Sektor und 18 sich störende Kommunikations­ einheiten an. Die obere und linke Kurve stellt einen Wahrscheinlichkeits-Verteilungsfaktor für die Störung dar. Die untere und linke Kurve zeigt ein erwartetes C/I-Verhältnis, das von einer unter den beschriebenen Bedingungen arbeitenden Kommunikationseinheit festgestellt wird. Die erste Zeile in Fig. 11 gibt eine Zusammenfassung der in Fig. 6 gezeigten Information. Wie gezeigt (Fig. 11), übersteigt das C/I-Verhältnis (Fig. 6) 5,6 dB für 95% der Zeit, 10 dB für 90% aus der Zeit und 17,6 dB für 50% der Zeit.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel; hier sind für ein Ein-Zellen-Wiederholungs­ muster die 3 Sektoren in jedem Überdeckungsgebiet in 6 Untersektoren unterteilt, die jeweils von einer 20-Grad VNBA bedient werden. Fig. 11, Zeile 2 zeigt, daß in diesem Ausführungsbeispiel (Fig. 7) ein C/I-Verhältnis, das 7,5 dB für 95% der Zeit, 10,9 dB für 90% der Zeit und 18,8 dB für 50% der Zeit übersteigt.

Fig. 8 zeigt die Ergebnisse für ein 3-Zellen-Wiederholungsmuster, 3 Sektoren pro Zelle und vier Untersektoren pro Sektor. Wie gezeigt (Fig. 11, Zeile 3) übersteigt C/I 12,9 dB für 95% der Zeit, 15,7 dB für 90% der Zeit und 25,5 dB für 50% der Zeit.

Fig. 9 stellt ein 3-Zellen-Wiederholungsmuster mit 6 Untersektoren pro Sektor dar. Fig. 11, Zeile 4, zeigt ein C/I-Verhältnis über 14 dB für 95% der Zeit, über 17,25 dB für 90% der Zeit und über 26,5 dB für 95% der Zeit an.

Fig. 10 stellt ein 4-Zellen-Wiederholungsmuster mit 4 Untersektoren pro Sektor dar. Fig. 11, Zeile 5, zeigt ein C/I-Verhältnis von 15,6 dB für 95% der Zeit, von 19 dB für 90% der Zeit und größer als 30 dB für 50% der Zeit.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die VNBA eine steuerbare Antenne umfassen, wobei die Steuerungsfunktion und die Richtsignaldetektion durch eine Phasenbearbeitung des empfangenen Signals durchgeführt wird. Die steuerbare Antennenfunktion kann auch durch Mehrfachantennen mit steuerbaren toten Punkten erreicht werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein identischer Satz von System-Kommuni­ kationsbetriebsmitteln den Überdeckungsgebieten ohne Verwendungseinschränkungen innerhalb der drei Sektoren zugewiesen. Dienstanforderungen können von irgendeiner von zwölf VNBAs, die das Überdeckungsgebiet abdecken, empfangen werden, wobei eine solche Anforderung zusammen mit der Identifizierung der die Anforderung empfangenen VNBA an den Stationskontroller 300 übermittelt wird. Ein Kommunika­ tionsbetriebsmittel wird zufällig oder durch einen geeigneten Algorithmus zur Zuteilung für die anfordernde Kommunikationseinheit identifiziert. Der Dienst wird der anfordernden Kommunikationseinheit durch die VNBA zur Verfügung gestellt, die das Gebiet bedient, in dem sich die Kommunikationseinheit befindet.

Ein Blockschaltbild eines Matrixschalters zum Bereitstellen eines Dienstes für eine Kommunikationseinheit in einem von einer VNBA und exklusiv von der VNBA bedienten Gebiet ist gezeigt. In der Matrixschaltanordnung sind eine Anzahl von Antennen 1A bis NA, eine Anzahl von linearen Leistungsverstärkern PAs 1 bis N, ein Sendematrixschalter TX-Matrix, ein Empfangsmatrixschalter Rx-Matrix, ein Sendepuffer 600 in einem Speicher 300b und ein Empfangspuffer 601 in dem Speicher 300b vorgesehen.

Wie gezeigt (Fig. 12), wird eine Dienstanforderung 400 von einer Dienstanforderung 400 von einer anfordernden Kommunikationseinheit 200 von einer Antenne 1A empfangen. Die Dienstanforderung 400 wird über einen Verteilungsverstärker 1 empfangen, mit der Identität der Quell-VNBA 1A innerhalb des Empfangsmatrixschalters Rx-Matrix kodiert und in dem Puffer 601 in dem Speicher 300b des Stationskontrollers 300 gespeichert. Der Stationskontroller 300 antwortet mit einer Betriebsmittelzuweisung 401, die in dem Puffer 600 in dem Speicher 300b des Stationskontrollers 300 gespeichert wird. Die Betriebsmittelzuweisung 401 wird über den Matrixschalter Tx-Matrix übertragen und über einen linearen PA 1 und die Antenne 1 an die anfordernde Kommunikationseinheit 200 gesendet.

Nach Zuweisung eines Betriebsmittels für die Bedienung eines Kommunikationsvorgangs zwischen der Kommunikationseinheit 200 und einer Zieleinheit (nicht gezeigt) kann der Stationskontroller einen Senderpufferplatz Tx1600 und einen Empfängerpufferplatz Rx1 601 zur Bedienung des Vorgangs zuteilen. Die Zuteilung der Sender- Tx1 und Empfänger- Rx1 Pufferplätze ermöglicht, daß die Kommunikationsinformation durch die VNBA 1A, die das Gebiet bedient, in dem sich die anfordernde Kommunikationseinheit 200 befindet, fließt. In dem obigen Ausführungsbeispiel, in dem ein Kommunikations­ betriebsmittel durch eine VNBA 1A auf einer Zufallsbasis über das Bedeckungsgebiet einer Kommunikationseinheit 200 zugeteilt wird, ist die statistische Möglichkeit einer gegenseitigen Störung durch ein umgebendes Dienst-Überdeckungsgebiet sehr gering.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Kommunikationszugriff einer Kommu­ nikationseinheit 200 innerhalb eines Überdeckungsgebiets durch eine von wenigstens zwei Richtantennen, die das Überdeckungsgebiet überdecken, in dem sich die Kommunikationseinheit 200 befindet, bereitgestellt. Betriebsmittelzuweisungen an die anfordernde Kommunikationseinheit 200 finden auf einer Zufallsbasis aus einer Mehrzahl von Kommunikationsbetriebsmitteln, die innerhalb des Systems verfügbar sind, für die anfordernden Kommunikationseinheiten statt. Gegenseitige Störungen werden durch die zufällige Natur der Betriebsmittelzuweisungen und durch die gerichtete Natur der Kommunikationsantennen unterdrückt. Gegenseitige Störungen können weiter durch eine geeignete Kodierungstechnik, wie der CDMA, unterdrückt werden, um einen Wiederbenutzungsfaktor von eins unter den Überdeckungsgebieten zu erzeugen. Die Verwendung der CDMA-Kodierungstechnik und von wenigstens zwei Richtantennen erlaubt auch die Wiederverwendung von Kommunikationsbetriebsmitteln von benachbarten Untersektoren und von benachbarten Überdeckungsgebieten.

Claims (6)

1. Verfahren zum Verbessern der Signalqualität eines in einem Übertragungskanal zwischen einer Mobilstation (200), die sich innerhalb einer von einer Basisstation (100, 101, 102, 103, 104) bedienten Zelle (10, 11, 12, 13, 14) eines zellularen Nachrichtenübertragungssystems befindet, und der Basisstation (100, ... 104) übertragenen Signals, wobei jede Zelle (10, ... 14) in mehrere Überdeckungsbereiche (1, 2, 3) unterteilt ist, gekennzeichnet durchdie Schritte:

• A) Unterteilen jedes Überdeckungsbereiches (1, 2, 3) in minde­ stens zwei Untersektoren (500, 501, 502, 503), von denen jeder von einer Richtantenne (1A, 2A, ... NA) bedient wird, und
• B) Vorsehen eines Übertragungszugriffs zu der sich in einem Un­ tersektor (500, ... 503) befindenden Mobilstation (200) über die diesen Untersektor bedienende Richtantenne (1A, ... NA) in einem Übertragungskanal, der aus einer Vielzahl der dem Über­ deckungsbereich zugeordneten Übertragungskanäle zufällig ausge­ wählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt: Zuordnen einer Vielzahl von Übertragungskanälen zu jedem Über­ deckungsbereich (1, 2, 3) zur exklusiven Verwendung in diesem Überdeckungsbereich in einem unter einer Vielzahl von Basissta­ tionen (100, ... 104) des Nachrichtenübertragungssystems im we­ sentlichen identischen ausrichtungsspezifischen Muster.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal in einen CDMA-Format übertragen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Zelle (10, ..., 14) in einem im wesentlichen identischen ausrichtungsspezifischen Muster in mindestens drei Überdeckungsbereiche (1, 2, 3) unterteilt ist und
daß jeder Überdeckungsbereich (1, 2, 3) in mindestens vier sich teilweise überlappende Untersektoren (500, ... 503) unterteilt ist, wobei mindestens einige aus der Vielzahl von Übertragungs­ kanälen jedem Überdeckungsbereich (1, 2, 3) zugeordnet werden.

5. Vorrichtung zum Verbessern der Signalqualität eines in einem Übertragungskanal zwischen der Mobilstation (200), die sich in­ nerhalb einer von einer Basisstation (100, 101, 102, 103, 104) bedienten Zelle (10, 11, 12, 13, 14) eines zellularen Nachrich­ tenübertragungssystems befindet, und der Basisstation (100, ... 104) übertragenen Signals, wobei jede Zelle (10, ... 14) in mehrere Überdeckungsbereiche (1, 2, 3) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• A) jeder Überdeckungsbereich (1, 2, 3) in mindestens zwei von je einer Richtantenne (1A, 2A, ... NA) bediente Untersektoren (500, 501, 502, 503) unterteilt ist, und
• B) eine Einrichtung (300, 300b) zum Vorsehen eines Übertra­ gungszugriffs zu der sich in einem Untersektor (500, ... 503) befindenden Mobilstation (200) über die diesen Untersektor be­ dienende Richtantenne (1A, ... NA) in einem Übertragungskanal vorgesehen ist, der aus einer Vielzahl der dem Überdeckungsbe­ reich (1, 2, 3) zugeordneten Übertragungskanäle zufällig ausge­ wählt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtantenne (1A, ... NA) steuerbar ist.