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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf drahtlose Übertragungssysteme
und insbesondere auf ein Verfahren zum Vergrößern der Kapazität eines
Kodeteilvielfachzugriffs(CDMA-) Netzes.
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Stand der
Technik
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Ein
zellulares CDMA-Netz ist ein digitales Breitbandübertragungssystem. Das CDMA-Netz
enthält mehrere
Basisstationen, die jeweils digitalen Dienst an mobile Einheiten
liefern, die sich in unterschiedlichen geographischen Regionen befinden.
Die Übertragung
zwischen einer mobilen Einheit und einer Basisstation geschieht
in einem CDMA-Netz auf Rückwärts- und
Vorwärts-CDMA-Kanälen. Der
Rückwärtskanal
ist die Übertagungsrichtung
von einer mobilen Einheit zu einer Basisstation und überträgt Verkehrs-
und Signalisierungsinformation. Der Vorwärtskanal ist eine Übertragungsrichtung
von einer Basisstation zu einer mobilen Einheit und überträgt Pilot-,
Synchron- und Pagingsignale zusätzlich
zu Verkehrssignalen.
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CDMA-Netze
sind unterschiedlich zu analogen und anderen digitalen Netzen entwickelt.
CDMA-Netze sind typischerweise mit der Fähigkeit ausgestattet, auf nur
einer Frequenz zu arbeiten, weil zusätzliche Frequenzen, obgleich
möglich,
zusätzliche
Hardware erfordern. Zur Steigerung des Abdeckungsbereichs verwenden
konventionelle CDMA-Netze eine Sendung auf gemeinsamer Frequenz
und weiche Übergabemechanismen.
Dieses führt
zu einem Vorteil von etwa 3 bis 4 dB im Sendekanalhaushalt und somit
zu einer größeren Zellengröße für Verwendungszwecke.
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Übergaben
treten typischerweise auf, wenn mobile oder tragbare Einheiten die
Zellengrenzen des Netzes überschreiten.
Eine "weiche Übergabe" geschieht, wenn
die mobile Einheit die Kommunikation mit einer neuen Basisstation
auf derselben CDMA-Frequenzzuweisung beginnt, bevor sie die Kommunikation
mit der alten Basisstation beendet. Eine "harte Übergabe" andererseits ist durch eine vorübergehende
Unterbrechung des Verkehrskanals der mobilen Einheit gekennzeichnet.
Harte Übergaben
geschehen beispielsweise, wenn die CDMA-Frequenzzuweisung wechselt
oder wenn die mobile Einheit von einem CDMA-Verkehrskanal auf einen
analogen Sprachkanal geleitet wird.
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Die
Kapazität
eines CDMA-Netzes ist eine komplexe Funktion der Übergabebedingung
des Netzes, der Ausbreitungsumgebung und der Belastung der umgebenden
Zellen. In einem typischen CDMA-Netz ist die Kapazität des Rückwärtskanals
durch Interferenz von mobilen Einheiten beschränkt, die in anderen Zellen
arbeiten. Dieses beschneidet die Kapazität des Rückwärtskanals um etwa 30 bis 40%
in einer typischen Ausbreitungsumgebung mit einem Wegverlustexponenten
von 3,5 bis 4. Die Verminderung der Kapazität des Rückwärtskanals wird in Form eines
Frequenzwiederverwendungsfaktor gemessen. 1 ist ein
Graph des Frequenzwiederverwendungsfaktors als Funktion des Wegverlustexponenten
in einem auf einer einzigen Frequenz entwickelten CDMA-Netzes.
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In
manchen Fällen
vermindert Interferenz zwischen Zellen die Kapazität des CDMA-Netzes
beträchtlich,
speziell wenn der Ausbreitungskoeffizient sehr niedrig ist (d.h.
Wegverlustexponent von 1 oder 2, was 10 oder 20 dB Signalstärkeverlust
pro Dekade Distanzänderung
entspricht). Unter diesen Umständen
ist ein Großteil
des Signals, das an der Basisstation empfangen wird, das Ergebnis
von Interferenz von anderen Zellen. Dieses beschränkt die
Kapazität
des CDMA-Netzes.
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Die
maximale Rückwärtskanalkapazität oder Polkapazität ist eine
Funktion vieler CDMA-Parameter und kann annähernd ausgedrückt werden
durch:
in der
N die Anzahl der Benutzer darstellt, W die Signalbandbreite (z.B.
1,23 MHz) ist, R die Informationsrate (z.B. 9,6 kbps oder 14,4 kbps
Für Rate
Set I oder Rate Set II), E
b/N
o das
empfangene Signal gegenüber
dem Rauschpegel (typischerweise 7dB) ist, d der Sprechaktivitätsfaktor
ist, F der Frequenzwiederverwendungsfaktor ist (d.h. das Verhältnis von
Interferenz im Band zu außerhalb
des Bandes) und G der Sektorisierungsgewinn (z.B. 2,55 für eine Antenne
von 120°).
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Ein
typischer Satz Parameter, in dem d = 40%, R = 9,6 kbps und F = 0,6
sind, führt
zu 39 Kanälen
pro Frequenzkanal (1,23 MHz). CDMA-Netze arbeiten typischerweise
mit 50% Rückwärtskanalkapazität, was bedeutet,
dass das Netz etwa 19 Verkehrskanäle pro Träger realisiert.
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Der
Frequenzwiederverwendungsfaktor F ist definiert als F = (Interferenz innerhalb
der Zelle): (Interferenz innerhalb der Zelle + Interterenz zwischen
Zellen) (2)
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Interferenz
innerhalb der Zelle stellt die Interferenz dar, die durch Nebenmobileinheiten
verursacht wird, die innerhalb der Zelle arbeiten, und Interferenz
zwischen Zellen stellt Interferenz dar, die von mobilen Einheiten
verursacht wird, die in anderen Zellen arbeiten. Interferenz zwischen
Zellen bezieht sich von der verfügbaren
Kapazität
des Netres ab und muss vermindert werden, um den Frequenzwiederverwendungsfaktor auf
sein theoretisches Maximum von eins zu steigern.
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Heutzutage
wird CDMA-Netzoperatoren eine größere Frequenzbandbreite
gewährt,
als gegenwärtig verwendet,
das CDMA-Netz zu entwickeln. Diese Operatoren verwenden jedoch weiterhin
eine einzige Frequenz und nutzen die Vorteile weicher Übergaben,
um die Rufqualität
zu verbessern. Weiche Übergaben
werden typischerweise aus zwei Gründen verwendet: (1) die Abdedeckung
zu steigen, und (2) den Übergabevorgang
zu verbessern. Wenn die Zellen kapazitätsbeschränkt sind, wie beispielsweise
in Bereichen hohen Verkehrsaufkommens, besteht jedoch verminderte
Notwendigkeit der Vorteile weicher Übergabe. Als Folge die CDMA-Netre
weiterhin begrenzte Kapazität.
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Es
besteht daher eine Notwendig, die Kapazität von CDMA-Netren zu steigern,
die auf einer einzigen Frequenz arbeiten.
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Die
Druckschrift US-A-5 839 074 beschreibt, dass in einem Verfahren
zum Zuweisen von Frequenzen zu Basisstationen eines mobilen Funknetzes,
welches Verfahren auf Eingangsinformation beruht, die wenigstens
die Anzahl der für
jede Basisstation erforderlichen Frequenzen enthält, die im mobilen Funknetz
zulässigen
Frequenzen und Information über
mögliche
Störungseinflüsse zwischen
den Basisstationen im Falle identischer und/oder benachbarter Frequenzen,
ein Satz von Wählschritten
alternativ entsprechend einiger Frequenzwahlkriterien ausgeführt wird.
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Offenbarung
der Erfindung
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Systeme
und Verfahren, die zu den Prinzipien der vorliegenden Erfindung
passen, richten sich auf diese Notwendigkeit, indem sie vom Vorteil
zusätzlicher
verfügbarer
Frequenzen Gebrauch machen und harte Übergabemechanismen verwenden,
um die Kapazität
einzelner Sektoren und Zellen zu steigern.
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Gemäß dem Zweck
der Erfindung, wie verkörpert
und hier breit beschrieben, steigert das den Prinzipien der vorliegenden
Erfindung gehorchende System die Kapazität eines CDMA-Netzes, das mehrere
Zellenstandorte enthält.
Das System bestimmt einen Bestand für die Zuweisung verfügbarer Frequenzen
und weist eine der verfügbaren
Frequenz jedem der Zellenstandorte zu, um die Anzahl benachbarter
Zellenstandorte zu minimieren, denen dieselbe der verfügbaren Frequenzen
zugewiesen ist. Durch Verwendung unterschiedlicher Frequenzen in
den Zellenstandorten wird der Umfang an Interferenz, die durch benachbarte
Zellenstandorte verursacht wird, vermindert. Als Folge kann die
Kapazität
eines jeden Zellenstandortes, der auf einer einzigen Frequenz arbeitet,
gesteigert werden, so lange genügend
Leistung verbleibt, die innerhalb des Zellenstandortes arbeitenden
mobilen Einheiten zu erreichen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen:
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1 ist
ein Graph des Frequenzwiederverwendungsfaktors als eine Funktion
des Wegverlustexponenten, erhalten durch Berücksichtigung einer hexagonalen
Anordnung von Zellen in einem CDMA-Netz, das auf einer einzigen
Frequenz arbeitet:
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2A und 2B sind
Flussdiagramme eines Verfahrens zur Vergrößerung der Kapazität eines
CDMA-Netzes in einer Weise, die mit den Prinzipien der vorliegenden
Erfindung einhergeht;
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3 ist
ein Diagramm einer Erweiterung einer effektiven Zellenabddeckung,
die als Ergebnis der Verwendung unterschiedlicher Frequenzen auftritt,
in einer Weise, die mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung
einhergeht;
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4 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, in dem eine mobile oder tragbare
Einheit sich zwischen Zellen bewegt, die mit unterschiedlichen Frequenzen
arbeiten;
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5 ist
ein Graph des Frequenzwiederverwendungsfaktors als eine Funktion
des Wegverlustexponenten und der Zahl verwendeter Frequenzen in
einem CDMA-Netz, das mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung
einhergeht;
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6 ist
ein Diagramm eines Beispiels eines Frequenzplans mit zwei verwendeten
Frequenzen;
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7 ist
ein Diagramm eines Beispiels eines Frequenzplans mit vier verwendeten
Frequenzen; und
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8 ist
ein Diagramm eines Beispiels eines Frequenzplans mit sechs verwendeten
Frequenzen.
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Beste Art
zur Ausführung
der Erfindung
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Die
folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung bezieht sich auf
die begleitenden Zeichnungen. Die Beschreibung enthält beispielhafte
Ausführungsformen,
andere Ausführungsformen
sind möglich,
und Änderungen
können
an den beschriebenen Ausführungsformen
vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die
folgende detaillierte Beschreibung beschränkt die Erfindung nicht. Vielmehr
ist der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche bestimmt.
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Über die
letzten Jahre hat sich das Merkmal der harten Übergabe bei CDMA dramatisch
verbessert wegen der gesteigerten Notwendigkeit, in der Lage zu
sein, auf andere CDMA-Operatoren an den Grenzen des CDMA-Netzes überzugehen,
und wegen Fällen,
bei denen das CDMA-Netz mit mehreren geschichteten Frequenzen arbeitet,
um die Interferenz zwischen neu geschaffenen Netzen und vorhandenen
Mikrowellenbetreibern zu reduzieren.
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Mit
den Prinzipien der vorliegenden Erfindung übereinstimmende Systeme und
Verfahren vergrößern die
Kapazität
von CDMA-Netzen durch Betreiben benachbarter Zellen mit unterschiedlichen
Frequenzen und durch Verwendung von harten Übergabemechanismen zwischen
den Zellen, falls notwendig, wenn eine mobile oder tragbare Einheit
sich durch das Netz bewegt.
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2A und 2B sind
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Vergrößern der Kapazität eines CDMA-Netzes
in einer Weise, die den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gehorcht.
Das Verfahren wird durch ein Rechnersystem ausgeführt, wie
beispielsweise durch einen PC oder einen größeren Hauptrahmenrechner. Das
Rechnersystem arbeitet mit einem simulierten CDMA-Netz, um dessen Kapazität zur Verwendung
in einem realen CDMA-Netz zu steigern. Während Systeme und Verfahren,
die den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gehorchen, als die
Kapazität
eines simulierten CDMA-Netzes zum Aufbau eines realen CDMA-Netzes
beschrieben werden, könnten
die Systeme und Verfahren auch als ein Netzverwalter zur dynamischen
Aktualisierung eines vorhandenen CDMA-Netzes verwendet werden.
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Das
Rechnersystem beginnt das Verfahren durch Bestimmen des CDMA-Netzabdeckungsbereiches (Schritt 2110).
Die Bestimmung des CDMA-Netzabdeckungsbereiches umfasst das Identifizieren
der Zellen, einschließlich
der CDMA-Grenze und von Bakenzellen, das Spreizen von CDMA-Verkehr
und das Einstellen von CDMA-Parametern. Spreizen von CDMA-Verkehr
umfasst die Bezeichnung einer Verkehrsabbildung für das Netz,
um den erwarteten CDMA-Netzverkehr über die
besten Dienstbereiche aller Zellen und Sektoren zu verteilen. Die
CDMA-Parameterumfassen
Leistungseinstellungen für
alle Kanäle,
Antennenverstärkung,
Kabelverlust, Übergabeschwellenwerte
usw..
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Sobald
der CDMA-Netzabdeckungsbereich bestimmt ist, wird der Bestand verfügbarer Frequenzen definiert
(Schritt 2120). Die Anzahl Frequenzen im Frequenzbestand
wird vom Benutzer gewählt.
Nachdem der verfügbare
Frequenzbestand bestimmt worden ist, weist das System jeder Zelle
eine einzige Frequenz aus dem Frequenzbestand zu. Das System tut
dies durch Wahl einer Zelle für
die Zuordnung (Schritt 2130) und die Ermittlung, ob den
der ausgewählten
Zelle benachbarten Zeilen bereits Frequenzen zugewiesen worden sind
(Schritt 2140). Wenn keiner der Nachbarzellen Frequenzen
zugeordnet worden sind, weist das System der ausgewählten Zelle
aus dem Frequenzbestand eine Frequenz zu (Schritt 2150).
Diese Zuweisung kann durch willkürliche
Wahl einer Frequenz aus dem Bestand verfügbarer Frequenzen ausgeführt werden.
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Wenn
einigen der Nachbarzellen bereits Frequenzen zugewiesen worden sind,
ermittelt das System, welche Frequenzen diesen Nachbarzellen zugeordnet
worden sind (Schritt 2160). Auf der Grundlage dieser Ermittlung,
der Anzahl der Frequenzen, die aus dem Frequenzbestand verfügbar sind,
dem Wegverlust, der Verkehrsumgebung usw. weist das System der ausgewählten Zelle
eine Frequenz zu (Schritt 2170). Das System weist diese
Frequenz so zu, dass die Anzahl der Nachbarzellen, denen dieselbe
Frequenz zugewiesen ist, minimal ist.
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Sobald
der ausgewählten
Zelle eine Frequenz zugewiesen ist, ermittelt das System, ob allen
Zellen im CDMA-Netz Frequenzen zugewiesen worden sind (Schritt 2210, 2B).
Wenn einigen der Zellen keine Frequenzen zugewiesen worden sind,
kehrt das System zum Schritt 2130 zurück, wo es die nächste Zelle
für die Frequenzzuweisung
auswählt.
Wenn jedoch allen Zellen Frequenzen zugewiesen worden sind, misst
das System den Umfang an Interferenz, die an jeder Zelle auftritt
und durch Nachbarzellen verursacht wird, die auf derselben Frequenz
arbeiten (Schritt 2220).
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Auf
der Grundlage, ob der Umfang der von Nachbarzellen verursachten
Interferenz akzeptabel ist, möglicherweise
auf der Grundlage eines Vergleichs mit einem vorbestimmten Schwellen wert,
ermittelt das System, ob der Bestand verfügbarer Frequenzen vergrößert werden
sollte (Schritt 2230). Wenn der Frequenzbestand vergrößert werden
sollte, kehrt das System zum Schritt 2120 zurück, wo der
Benutzer den Bestand verfügbarer
Frequenzen neu bestimmt. Wenn der Frequenzbestand nicht zu vergrößern ist,
dann wird die Frequenzzuweisung als akzeptabel bestimmt, und das
Verfahren endet.
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Durch
Verwendung unterschiedlicher Frequenzen in einer Weise, die den
Prinzipien der vorliegenden Erfindung gehorcht, kann die effektive
Abdeckung einer Zelle erweitert werden. 3 ist ein
Diagramm der Erweiterung der effektiven Abdeckung, die als Ergebnis
der Verwendung unterschiedlicher Frequenzen entsprechend den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung sich ergibt. Die größeren Adiscs@ 3100, 3200 und 3300 stellen
Zellen dar, die auf gleichen Frequenzen arbeiten.
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Die
Frequenz und Anordnung gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung sind derart, dass harte Übergabemechanismen
verwendet werden, um zwischen den Zellen zu wandern. 4 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, in der sich eine mobile oder
tragbare Einheit zwischen Zellen bewegt, die auf unterschiedlichen
Frequenzen arbeiten. 4 zeigt drei Zellen 4110, 4120 und 4130 und
die mobile Einheit 4200, die sich ursprünglich in der Zelle 4110 befindet.
Die Zellen 4110 und 4130 arbeiten auf der Frequenz
F1. Die Zelle 4120, die zwischen den Zellen 4110 und 4130 liegt,
arbeitet auf der Frequenz F2.
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Wenn
die mobile Einheit 4200 die Zelle 4120 auf ihrem
Weg zur Zelle 4130 durchquert, kann eines von zwei Dingen
geschehen. Wenn die Signale von den Zellen 4110 und 4130 ausreichend
stark sind, führt
die mobile Einheit 4200 einen weichen Übergang von Frequenz F1, die
von Zelle 4110 verwendet wird, zu Frequenz F1, die von
Zelle 4130 verwendet wird, durch, ohne einen harten Übergang
zur Frequenz F2 ausführen zu
müssen,
die von Zelle 4120 verwendet wird. Wenn jedoch die Signale
von den Zellen 4110 und 4130 nicht stark sind,
führt die
mobile Einheit 4200 einen harten Übergang von der Frequenz F1,
die von Zelle 4110 verwendet wird, zu Frequenz F2 durch,
die von Zelle 4120 verwendet wird. Wenn dieses geschieht,
führt die
mobile Einheit 4200 auch einen harten Übergang zur Frequenz F1 durch,
die von Zelle 4130 verwendet wird, nachdem die mobile Einheit 4200 in
die Zelle 4130 eintritt.
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Eine
mobile oder tragbare Einheit, die das Netz durchquert, kann somit
einen weichen Übergang
zwischen Zellen ausführen,
die auf derselben Frequenz arbeiten, oder einen harten Übergang
auf eine Nachbarzelle, die auf einer anderen Frequenz arbeitet.
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Durch
Vergrößerung des
Bestandes für
die Zuweisung verfügbarer
Frequenzen, wie oben beschrieben, vermindert sich der Umfang an
Interferenz zwischen Zellen, und die Kapazität auf den verwendeten Frequenzen
steigt. 5 ist ein Graph des Frequenzwiederverwendungsfaktors
als eine Funktion des Wegverlustexponenten und der Anzahl verwendeter
Frequenzen in einem CDMA-Netz gemäß den Prinzipien der vorliegenden
Erfindung. Linie 1 stellt einen Frequenzbestand dar, der eine einzige
Frequenz enthält, ähnlich dem in 1 gezeigten
Graph, Linie 2 stellt einen Frequenzbestand dar, der zwei Frequenzen
hat, Linie 3 stellt einen Frequenzbestand dar, der vier Frequenzen
hat, und Linie 4 stellt einen Frequenzbestand dar, der sechs Frequenzen
hat.
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Wenn
eine einzige Frequenz verwendet wird (Linie 1), kann der Frequenzwiederverwendungsfaktor für einen
Wegverlustexponenten von 2 beispielsweise so niedrig wie 20 bis
30% sein, je nach Abschattung und den speziellen Übergabeparametereinstellungen.
Dies bedeutet, dass der Großteil
des potentiell verwendbaren Signals am Basisstationsempfänger in
Wirklichkeit Störungen
von Mobileinheiten in anderen Zellen sind, anstelle Signale aus
derselben Zelle. Durch Verdoppeln des Frequenzbestandes (Linie 2)
nimmt die Zellenkapazität
um ungefähr
75% für
einen Wegverlustexponenten von 2 zu. Eine weitere Vergrößerung des
Frequenzbestandes auf vier (Linie 3) oder sechs (Linie 4) Frequenzen
vergrößert die
Zellenkapazität
für einen
Wegverlustexponenten von 2 um etwa 180 bzw. 220°.
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Die
Vorteile können
bei höheren
Wegverlustexponentwerten weniger dramatisch sein. Beispielsweise für einen
Wegverlustexponenten von 4 ist der Frequenzwiederverwendungsfaktor
für eine
einzige verwendete Frequenz etwa 65 bis 70%. Wenn zwei, vier oder
sechs Frequenzen verwendet werden, nimmt die Zellenkapazität um etwa
25 bis 45% zu.
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Die 6 bis 8 sind
Diagramme von Frequenzplänen
mit zwei, vier bzw. sechs verwendeten Frequenzen. Diese Figuren
zeigen die hexagonale Anordnung der Zellen, die auf einer gleichen
Frequenz arbeiten, für
zwei Frequenzen (6), vier Frequenzen (7)
und sechst Frequenzen (8).
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Systeme
und Verfahren nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung vergrößern die
Zellenkapazität
in einem CDMA-Netz durch Verwendung mehrerer Frequenzen und Verwendung
harter Übergabemechanismen
zwischen Zellen.
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Die
Systeme und Verfahren nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung
sind sowohl für
Vorwärts- als
auch für
Rückwärts-CDMA-Kanäle anwendbar
und haben ihren maximalen Vorteil in mikrozellularen Szenarien,
bei denen der Wegverlustexponent niedrig ist und ausreichend Verkehr
ist, um die Verwendung zusätzlicher
Frequenzen zu rechtfertigen, und wo Frequenzresourcen kein Thema
sind, wie beispielsweise bei Frequenzen von Personal Commuications
Services (PCS).
