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Netzzelle für ein Funknetz
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Die Erfindung betrifft eine Netzzelle für ein Funknetz mit Zellenstruktur,
wie es z.B. aus der deutschen Patentanmeldung P 29 23 088.4 bekannt ist. Dieses
bekannte Funknetz, das besonders für mobile automatische Telefoniesysteme geeignet
ist, besteht aus Netzzellen, die nach Art eines Wabenmusters aus sechseckigen Kleinzellen
so aufgebaut sind, daß eine Kleinzelle, die zentrale Kleinzelle, von einem oder
mehreren Ringen aus sechs, zwölf, achtzehn usw. Kleinzellen umschlossen sind.
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Für die Kleinzellen sind Frequenzgruppen vorgesehen, die wiederholt
verwendet werden. Außerdem sind jeder Kleinzelle Sende- und Empfangsantennen zugeordnet.
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Jede zentrale Kleinzelle hat eine Rundstrahlantenne, die im Zellenmittelpunkt
steht, während alle umschliessenden Kleinzellen mit Richtantennen, die mit einem
angenähert cos2-förmigen Strahlungsdiagramm senden und empfangen, ausgestattet sind.
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Die Richtantennen der umschließenden Kleinzellen stehen an denjenigen
Schnittpunkten ihrer Umkreise mit den vom Mittelpunkt der zentralen Kleinzelle zu
ihren Mittelpunkten- führenden Verbindungsgeraden, die den geringsten Abstand vom
Mittelpunkt der zentralen Kleinzelle haben. Die Richtantennen sind in Richtung der
Verbindungsgeraden nach außen gerichtet.
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Dadurch, daß die Antennen der umschließenden Kleinzellen an ihren
besonderen Standorten mit einem angenähert cos -förmigen Strahlungsdiagramm senden
und empfangen, ist es möglich, dieselben Frequenzgruppen innerhalb einer Netzzelle
mehreren Kleinzellen zuzuordnen, ohne daß dabei nennenswerte Gleichkanalstörungen
auftreten.
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So ist als ein Ausführungsbeispiel in dieser Anmeldung eine Netzzelle
angegeben, bei der die zentrale Kleinzelle von zwei Ringen aus sechs und zwölf Kleinzellen
umschlossen wird. Der zentralen Kleinzelle ist eine Frequenzgruppe zugeordnet und
für die umschließenden achtzehn Kleinzellen sind vier Frequenzgruppen vorgesehen,
die wiederholt verwendet werden.
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Für diejenigen umschließenden Kleinzellen gleicher Frequenzgruppen,
in denen die größten Gleichkanalstörungen auftreten, ist das Feldstärkenverhältnis
an dem Punkt angegeben, wo in einer Kleinzelle ei-ne bewegliche Funkstation von
der festen Funkstation dieser Kleinzelle mit der geringsten Feldstärke empfängt,
dagegen von der festen Funkstation der benachbarten Kleinzelle mit der gleichen
Frequenzgruppe am stärksten gestört wird. Das Verhältnis der Feldstärken ist zur
zweiten Potenz der Abstände zwischen Empfänger und Sender sowie Empfänger und störendem
Sender umgekehrt proportional. Als Wert für das Abstandsverhältnis ist 15,9 angegeben,
so daß sich für das Feldstärkenverhältnis ein Wert von ungeführ 253 ergibt. Dieser
Wert gilt nur für umschließende Kleinzellen gleicher Frequenzgruppen, jedoch nicht
für zentrale Kleinzellen gleicher Frequenzgruppe.
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Die größten Gleichkanalstörungen in einer zentralen Kleinzelle treten
in dem Punkt ihres Umkreises auf, der den geringsten Abstand zum Mittelpunkt der
nächsten zentralen Kleinzelle gleicher Frequenzgruppe hat, denn dort empfängt eine
bewegliche Funkstation mit der geringsten Feldstärke von der Feststation dieser
Kleinzelle, wird aber mit der größten Feldstärke von der benachbarten zentralen
Kleinzelle gestört.
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Bei einem Funknetz, dessen Netzzellen aus jeweils einer zentralen
Kleinzelle und zwei Ringen umschließender Kleinzellen aufgebaut sind und bei dem
fünf verschiedene Frequenzgruppen für die Kleinzellen vorgesehen sind, ergeben sich
nun folgende Werte für Gleichkanalstörungen in den zentralen Kleinzellen.
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Wie in der Figur 6 der bekannten Anmeldung zu sehen ist, beträgt der
Abstand dieses kritischen Punktes vom Mittelpunkt der nächsten zentralen Kleinzelle
ungefähr 7R, wenn R der Radius einer Kleinzelle ist. Für das Verhältnis der Abstände
ergibt sich dann der Wert 7R/R=7 und für die Feldstärken (7R/R) 2=49 Verglichen
mit dem Wert von 253 bei den umschließenden Kleinzellen ist der Wert von 49 bei
dn zentralen Kleinzellen schlecht. Eine Verbesserung dieses ungünstigen Wertes auf
etwa den gleichen Wert wie bei umschließenden Kleinzellen wird erzielt, wenn man
für zentrale Kleinzellen nicht eine, sondern vier verschiedene Frequenzgruppen vorsieht
und sie, wie in Figur 8 der Anmeldung P 29 23 088.4 gezeigt, gleichmäßig auf die
Netzzellen symetrisch zu ihren Mittelpunkten verteilt.
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I gçsçlmt bnöt-igt aber dann dieses Funknat acht anstatt fünf verschiedene
Frequenzgruppen.
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Es können bei dem Funknetz mit fünf verschiedenen Frequenzgruppen
außerdem Gleichkanalstörungen in den sechs Kleinzellen auftreten, die die zentrale
Kleinzelle umschließen, weil jeweils zwei einander gegenüber liegendu Kleinzellen
dieselbe Freqenzgruppe zugeordnet ist und weil die Richtantennen dieser umschließenden
sechs Kleinzellen Rückkeulen aufweisen, die sich im allgemeinen bei Richtantennen
nie ganz vermeiden lassen.
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Wenn der Radius der zentralen Kleinzelle genügend groß ist, sind die
sie umschließenden Kleinzellen wo weit voneinander entfernt, daß durch die Rückkeulen
der Richtantennen keine Gleichkanalstörungen mehr verursacht werden. Anders sieht
die Lage jedoch aus, wenn in einem Gebiet mit viel Funksprechverkehr, z.B. im Zentrum
einer Großstadt, wegen der Vielen Teilnehmer die Größe der Kleinzellen sehr klein
gewählt werden muß. Dann treten tatsächlich die beschriebenen Gleichkanalstörungen
in den Kleinzellen auf, die eine zentrale Kleinzelle umschließen.
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Diese Gleichkanalstörungen lassen sich bei Kleinzellen mit geringem
Radius nur vermeiden, wenn anstatt fünf verschiedener Frequenzgruppen sieben Frequenzgruppen
vorgesehen sind. Wie in der Fig.4 der deutschen Anmeldung P 29 23 088.4 gezeigt,
ist der zentralen Kleinzelle eine Frequenzgruppe zugeordnet, den sie umschließenden
sechs Kleinzellen sind die restlichen sechs Frequenzgruppen zugeordnet.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, sowohl Gleichkanalstörungen in
zentralen Klein zellen als auch in den sechs jeweils eine zentrale Kleinzelle umschließenden
Klein-
zellen eines Funknetzes, das nach der eingangs angegebenen
Art wabenförmig aufgebaut ist, zu verringern, ohne die Anzahl der Frequenzgruppen
wesentlich erhöhen zu müssen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß zentrale Kleinzellen
in sechs gleiche Sektoren aufgeteilt sind, wobei die Sektoren gleichseitige Dreiecke
sind, die aus den Seiten und Radien der sechseckigen zentralen Kleinzellen gebildet
werden, daß die Sektoren von gerichteten Sende- und Empfangsantennen, die in den
Mittelpunkten zentraler Kleinzellen stichen, ausgeleuchtet werden, daß einem Sektor
und der unmittelbar an ihn angrenzenden Kleinzelle dieselbe Frequenzgruppe zugeordnet
ist, daß für jeden der sechs Sektoren einer zentralen Kleinzelle eine von sechs
Frequenzgruppen vorgesehen ist und daß in jeder zentralen Kleinzelle die gleichen
sechs Frequenzgruppen für die Sektoren verwendet werden.
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Anhand eines Funknetzes, bei dem die Netzzellen aus 37 Kleinzellen
aufgebaut sind, sei die Erfindung näher erläutert.
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In den Figuren 1.und 2 ist eine Netzzelle mit 37 Kleinzellen gezeigt.
Während in der Figur 1 die Antennen und ihre Hauptstrahlrichtungen angedeutet sind,
sind in der Figur 2 der besseren Übersichtlichkeit wegen nur die Frequenzgruppen
eingezeichnet.
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Die zentrale Kleinzelle ist in sechs gleiche Sektoren aufgeteilt,
die gleichseitige Dreiecke sind und aus den Radien und Seiten der zentralen Kleinzelle
gebildet werden. Jedem Sektor ist eine Sende- und Empfangsantenne zugeordnet, die
als Richtantennen mit einem Öffnurlgswinkel von 60 Grad ausgebildet sind, so daß
jeder Sektor vom Mittelpunkt der zentralen Kleinzelle aus, wo
die
Richtantennen für die sechs Sektoren stehen, von einer gerichteten Sende- und Empfangsantenne
ausgeleuchtet wird.
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Die Sende- und Empfangsantennen aller die zentrale Kleinzelle umschließenden
Kleinzellen sind ebenfalls 2 Richtantennen, die jedoch ein angenähert cos -förmiges
Strahlungsdiagramm aufweisen. Diese Richtantennen mit dem cos²-förmigen Strahlungsdiagramm
sind nicht wie bei der zentralen Kleinzelle im Zellenmittelpunkt aufgestellt, sondern
sie stehen an denjenigen Schnittpunkten der Umkreise aller die zentrale'Kleinzelle
umschließenden Kleinzellen mit den vom Mittelpunkt der zentralen Kleinzelle zu den
Mittelpunkten der umschließenden KlcinxcJ 3 en fahrenden Verbindungsgeraden, die
den geringsten Abstand vom Mittelpunkt der zentralen Kleinzelle haben.
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Die Sende- und Empfangsantennen der umschließenden Kleinzellen sind
außerdem in Richtung der Verbindungsgeraden, die vom Mittelpunkt der zentralen Kleinzelle
zu den Mittelpunkten der umschließenden Kleinzellen führen, nach außen gerichtet.
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Für die Netzzelle sind insgesamt sechs verschiedene Frequenzgruppen
1, 2, 3, 4, 5, 6 vorgesehen die wiederholt den Kleinzellen zugeordnet sind. Jedem
Sektor ist eine der sechs Frequenzgruppen zugeordnet. Von den sechs die zentrale
Kleinzelle umschließenden Kleinzellen ist für jede Kleinzelle diejenige Frequenzgruppe
vorgesehen, die auch dem unmittelbar an ihr angrenzenden Sektor der zentralen Kleinzelle
zugeordnet ist.
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Die Verteilung der einzelnen Frequenzgruppcn auf die Kleinzellen ist
aus der Figur 2 ersichtlich. Bei der Beschreibung der Frequenzgruppenverteilung
ist zu be-
achten, daß von drei umschließenden Kleinzellen, deren
Mittelpunkte auf einer zum Mittelpunkt der zentralen Kleinzelle führenden Verbindungsgeraden
liegen, ausgegangen wird und daß die umschließenden Kleinzellen im Uhrzeigersinn
zu durchlaufen sind.
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Beginnend mit den ersten sechs umschließenden Kleinzellen sind die
Frequenzgrllppen der Reihe nach aufgezählt: Die erste Frequenzgruppe 1, die zweite
Frequenzgruppe 2, die dritte Frequenzgruppe 3, die vierte Frequenzgruppe 4, die
fünfte Frequenzgruppe 5 und die sechste Frequenzgruppe 6.
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Bei den nächsten zwölf umschließenden Kleinzellen sieht die Reihenfolge
der Frequenzgruppen folgendermaßen aus: 5, 4,.6, 5, 1, 6, 2, 1, 3, 2, 4 und 3.
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Bei den äußeren achtzehn umschließenden Kleinzellen sieht die Reihenfolge
der Frequenzgruppen schließlich so aus: 5, 4, 6, 6, 5, 1, 1, 6, 2, 2, 1, 3, 3, 2,
4, 4, 3 und 5.
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In der Figur 3 ist ein Ausschnitt eines Funknetzes gezeigt, das wabenförmig
aus den oben beschriebenen Netzzellen aufgebaut ist. Daß bei der Erfindung Gleichkanalstörungen
in zentralen Kleinzellen weitaus geringer sind als bei den bekannten Funknetzen
ist aus der Figur 3 ersichtlich. Bei bekannten Funknetzen wird eine bewegliche Funkstation,
die sich in einer zentralen Kleinzelle befindet, von allen umliegenden sechs Kleinzellen
gestört und ebenso wird durch diese bewegliche Funkstation der Funkverkehr in allen
sechs umliegenden Kleinzellen gestört.
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Bei der Erfindung dagegen stört eine bewegliche Funkstation, die sich
in einer zentralen Kleinzelle aufhält, nicht den Funkverkehr allen sechs umliegenden
zentralen Kleinzellen, sondern jeweils nur in einem Sektor bei zwei umliegenden
zentralen Kleinzellen. In der anderen Funkrichtung wird diese bewegliche Funkstation
auch nur von den beiden umliegenden zentralen Kleinzellen gestört, in denen sie
selbst Gleichkanalstörungen hervorruft.
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In der Figur 3 ist eine bewegliche Funkstation A eingezeichnet. Sie
stört in den beiden Sektoren B und C der zentralen Kleinzellen I und II, nicht dagegen
in den restlichen Sektoren der sechs um die bewegliche Funkstation herum gruppierten
zentralen Kleinzellen 1, II, III, IV, V und VI.
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Es treten auch keine Gleichkanalstörungen mehr auf, die durch die
Rückkeulen der Richtantennen in den sechs eine zentrale Kleinzelle umschließenden
Kleinzellen verursacht werden.
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Besonders geeignet sind die Netzzellen dieses Ausführungsbeispieles
für Gebiete, die Zentren mit sehr viel Funkverkehr aufweisen. Die zentrale Kleinzelle
und die sie unmittelbar umschließenden sechs Kleinzellen liegen z.B. im Zentrum
einer Großstadt, während die restlichen umschließenden Kleinzellen die Außenbezirke
der Großstadt überdecken.
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Im Zentrum mit viel Funkverkehr stehen insgesamt sechs verschiedene
Frequenzgruppen zur Verfügung, in den Randgebieten dagegen können gleiche Frequenzgruppen
wiederholt verwendet werden, weil der Funkverkehr hier geringer ist und deshalb
weniger Frequenzen benötigt werden.
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Vergleicht'man die vorliegende Erfindung mit einem Funknetz, bei dem
in den Mittelpunkten der Kleinzellen Antennen mit einem Rundstrahldiagramm stehen,
so läßt sich anhand eines Zahlenbeispiels leicht zeigen, daß mit der Erfindung beträchtliche
Kosten eingespart werden können.
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Es sei z.B. angenommen, daß eine Großstadt mit 12 000 beweglichen
Teilnehmern durch eine Netzzelle, die aus Kleinzellen aufgebaut ist, abgedeckt wird.
Geht man von einer mittleren Gesprächsdauer von 2 Minuten je Teilnehmer aus, so
sind das 2/60 = 0,03 Erl pro Teilnehmer.
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Das Funknetz für die Großstadt hat demnach einen Verkehrswert von
0,03 x 12 000 = 360 Erl.
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Die Erfindung benötigt nun infolge der Richtantennen 6 verschiedene
Frequenzgruppen, dagegen sind in einem Funknetz mit Rundstrahlantennen für ein Großstadtgebiet
erfahrungsgemäß mindestens 12 verschiedene Frequenzgruppen nötig, da sonst zu große
Gleichkanalstörungen auftreten.
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Angenommen, es stehen insgesamt 144 Kanäle zur Verfügung, so hat bei
der Erfindung eine Frequenzgruppe 24 Kanäle, bei einem Funknetz mit Rundstrahlantennen
aber nur 12 Kanäle. Bei einem Verlust von 10 % ergibt sich nach der Erlang-Tabelle
bei der Erfindung ein Verkehrswert von ungefähr 21 Erl, bei einem Funknetz mit Rundstrahlantennen
ein Verkehrswert von ungefährt 9 Erl je Kleinzelle. Um nun im gesamten Großstadtbereich
den Verkehrswert von 360 Erl zu erreichen, sind bei der Erfindung mindestens 360/21
= 19 Kleinzellen nötig, beim Funknetz mit Rundstrahlantennen sind dagegen mindestens
360/9 = 40 Kleinzellen dazu nötig. Während also im einen Fall das Großstadtgebiet
in 19 Kleinzellen aufgeteilt werden muß, ist im anderen Fall eine Aufteilung in
40 Kleinzellen erforderlich. Aus der Tatsache, daß in jeder Kleinzelle eine ortsfeste
Funkstation mit Sendern, Empfångern, Antennen usw. steht, wird die Kostenersparnis
bei der Erfindung deutlich: nur 19 ortsfesten Funkstationen steht der Aufwand von
40 ortsfesten Funk-
stationen gegenüber.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel weist Vorrichtungen auf, die es ermöglichen,
daß der Funkverkehr mit einer geweglichen Funkstation, die in einer zentralen Kleinzelle
von Sektor zu Sektor fährt, immer über die Sende-und Empfangsantennen desjenigen
Sektors abgewickelt wird, in dem sie sich gerade befindet. Weitere Vorrichtungen
sind dafür vorgesehen, daß sich der Funkverkehr mit einer beweglichen Funkstation,
die von einer Kleinzelle in eine andere wechselt, stets über die Sende-und Empfangsantennen
derjenigen Kleinzelle abspielt, in der sich die bewegliche Funkstation augenblicklich
aufhält. Die Umschaltung der Funkgespräche auf andere Sende- und Empfangsantennen,
die zum Beispiel nach Empfänger-Diversity erfolgen kann, geschieht ohne eine störende
Unterbrechung des Funkverkehrs, so daß die Teilnehmer die Umschaltung nicht wahrnehmen.
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Schließlich sind Mittel vorgesehen, die verhindern, daß dieselbe Frequenz
in aneinander grenzenden Kleinzellen mit der gleichen Frequenzgruppe sowie in einem
Sektor einer zentralen Kleinzelle und der an ihn grenzenden Kleinzelle gleicher
Frequenzgruppe zweimal verwendet wird und daß dadurch Gleichkanalstörungen verursacht
werden.
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Solche Mittel können z.B. Steuereinrichtungen sein, die für solche
Kleinzellen, denen die gleiche Frequenzgruppe zugeordnet ist und die unmittelbar
aneinander grenzen, vorgesehen sind. Diese Steuereinrichtungen steuern die Verwendung
der Frequenzen für Funkverbindungen so, daß eine bereits in einer Kleinzelle benutzte
Frequenz nicht mehr in einer der an diese Kleinzelle angrenzenden Kleinzelle verwendet
wird. Ebenso sind für die Sektoren zentraler Kleinzellen und für die an sie grenzenden
Klèinzellen Steuereinrichtungen vorgesehen. Auch diese Steuereinrichtungen steuern
die Verwendung der
Frequenzen so, daß eine bereits benutzte Frequenz,
sei es entweder in einem Sektor oder in der an ihn angrenzenden Kleinzelle, nicht
mehr in der angrenzenden Kleinzelle bzw. dem Sektor verwendet wird.