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Verfahren zur wirksamen Frequenzspektrumausnutzung in
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Mobilfunkanlagen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachrichtendbertragung
zwischen einer Feststation und jeder von einer Vielzahl von Mobilstationen in einer
Mobilfunkanlage, die in eine Vielzahl von zellenförmigen Bereichen unterteilt ist,
wobei jede Zelle wenigstens eine Feststation besitzt.
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Unter der Einwirkung von Rayleigh-Schwund liefert, wenn ein Signal
und Störungen aus allen Richtungen kommen, ein Raumdiversity-Empfänger, der das
gewünschte Signal gleichphasig empfängt, eine kohärente Kombination des gewünschten
Signals und eine inkohärente Kombination der Störungen. Wenn keine Störungen vorhanden
sind, ergibt eine Raumdiversity-Kombination eine Glättung der Amplitudenschwankungen
des Empfangssignals. Beispielsweise ist es bei Auftreten von Rayleigh-Schwund erforderlich,
um sicherzustellen, daß ein einzelner Zweigempfänger für 99,9 % der Zeit oberhalb
eines bestimmten
Schwellenwertes bleibt, daß die empfangene mittlere
Leistung etwa 30 dB oberhalb dieses Schwellenwertes liegt, während der gleiche Schwellenwert
während des gleichen Zeitanteils um eine um 26 dB kleinere Sendeleistung verringert
werden kann, wenn vier Raumdiversity-Zweige verwendet werden. Gleiches gilt unter
dem Einfluß von Störungen. Wenn die Anzahl der Diversityzweige 10 oder mehr erreicht,
verschwinden Hüllkurvenschwankungen des Empfangssignals im wesentlichen, und das
Signal-Störungsverhältnis steigt proportional der Anzahl der Diversityzweige an.
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Die Bereitstellung eines Mobilfunk-Fernsprechdienstes für eine Großzahl
von Teilnehmern ist dann am wirksamsten, wenn Frequenzen über zellenförmige Blöcke
hinweg erneut verwendet werden. Häufig werden hierbei hexagonale Zellen verwendet,
da sie eine verhältnismäßig gute Annäherung an Kreise darstellen. Da außerdem Hexagone
eine Ebene mosaikartig auslegen, wird eine Frequenzneuverwendung auf geordnete Weise
erreicht. In. einem Aufsatz "Advanced Mobile Phone Service: The Cellular Concept"
von V. H. MacDonald in "The Bell System Technical Journal", Band 58, Nr. 1, Januar
1979, Seiten 15-41, wird eine Mobilfunk-Fernsprechanlage beschrieben, die hexagonale
Zellen enthalten'kann, bei denen drei abwechselnde Ecken mit Feststationen ausgestattet
sind, die 120°-Richtantennen enthalten. Es werden Kanalgruppen definiert und über
die verschiedenen Zellen verteilt, um Gleichkanal- und Nachbarkanalstörungen innerhalb
annehmbarer Grenzen zu halten. Hinsichtlich von hexagonalen Zellenbereichen wird
außerdem verwiesen auf die US-Patente 3 582 787 urd 4 128 740. Bei dem letztgenannten
Patent
werden Sektor-Hörner für die Zellen-Nachrichtenübertragung
benutzt.
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Als alternatives Verfahren für den Mobilfunk sind in den letzten Jahren
Verfahren mit verteiltem Spektrum und einer Frequenzverteilung vorgeschlagen worden.
Im Prinzip beruht der Erfolg von Frequenzneuverwendungsverfahren mit verteiltem
Spektrum darauf, daß Gleichkanalstörungen durch die Kombination von Frequenzdiversity-Kanälen
in dieser oder jener Form beseitigt werden können. Außerdem ist das Frequenzdiversity-Verfahren
ein bekanntes, wirksames Mittel,um den Rayleigh-Schwund auszugleichen. Es leuchtet
jedoch ein, daß jedes Frequenzdiversity-Verfahren als Preis einen verringerten Wirkungsgrad
bei der Ausnutzung des Frequenzspektrums zahlen muß.
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Wenn die Kosten und die Komplizierung des Empfängers nicht von herausragender
Bedeutung sind, ermöglicht die Raumdiversity sowohl bei der Mobilstation als auch
bei der Feststati^n einen sehr guten spektralen Wirkungsgrad sowie eine Verringerung
des Schwundes.
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Die sich aus dem Stand der Technik ergebende Aufgabe besteht darin,
eine Mobilfunk-Nachrichtenanlage zu schaffen, die einen verbesserten Spektrum-Wirkungsgrad
besitzt und einen bemerkenswerten Vorteil hinsichtlich des Abschattungschwundes
ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Verfahren
der eingangs genannten Art und ist gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
a)
Übertragen von Informationen, die für jede der Mobilstationen in einer zugeordneten
Zelle bestimmt sind, auf einem getrennten Primärkanal einer Vielzahl von Primärkanälen
in einem ersten Teil eines Gesamtfrequenzspektrums der Anlage, wenn eine Mobilstation
keiner Störung oberhalb eines bestimmten Störungspegels durch Übertragungen auf
entsprechenden Primärkanälen in anderen Zellen der Anlage ausgesetzt ist; b) Umschalten
einer individuellen Mobil station in der zugeordneten Zelle auf einen getrennten,
vorbestimmten Sekundärkanal einer Vielzahl von Sekundärkanälen, die in einem gewählten
Abschnitt eines verbleibenden zweiten Teils des Gesamtfrequenzspektrums verfügbar
sind, wenn die individuelle Mobilstation auf ihrem ursprünglich lich zugeordneten
Primärkanal einer Störung von anderen Zellen oberhalb des vorbestimmten Störungspegels
ausgesetzt ist, wobei der gewählte Abschnitt des verbleibenden zweiten Teils des
Gesamtfrequenzspektrums der Anlage verschieden von dem gewählten Abschnitt ist,
der bei der Durch führung des Verfahrensschrittes b) in einem angrenzenden Abschnittsbereich
einer benachbarten Zelle der Vielzahl von Zellen benutzt wird, die der Mobilstation
am nächsten sind.
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Entsprechend einem Merkmal der Erfindung wird eine Mobilfunk-Nachrichtenübertragungsanlage
geschaffen, die Sektor-Hornantennen in den Feststationen benutzt, um eine merkliche
Sicherung
gegen einen Abschattungsschwund zu ermöglichen. Im einzelnen werden die Mobilstationen
in jeder Zelle durch wenigstens eine Feststation bedient, die an der Grenze der
zugeordneten Zelle angeordnet sein kann und eine Richtantenne mit einer Strahlbreite
besitzt, die der Grenze der zugeordneten Zelle auf beiden Seiten der Feststation
entspricht.
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Jede Feststation einer zugeordneten Zelle kann dann Primär-und Sekundär-Funkkanäle
zu Mobil stationen aufbauen, die keiner Störung ausgesetzt sind bzw. entsprechend
der obigen Erläuterung von benachbarten Zellen aus gestört werden. Zur Erzielung
eines ähnlichen Ergebnisses sind auch alternative Anordnungen mit unterschiedlichen
Stellen für die Feststationen unter Verwendung von Sektor-Hornantennen möglich.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen bebeschrieben,
wobei gleiche Beæugszahlen gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten bezeichnen.
Es zeigt: Fig. 1 eine graphische Darstellung einer bekannten, zellenförmigen Hochfrequenz-NachrichtenUbertragungsanlage
mit einer Ausleuchtung von der Mitte her; Fig. 2 eine graphische Darstellung einer
bekannten Anlage gemäß Fig. 1 unter Verwendung eines Planes mit drei Frequenzbändern;
Fig. 3 eine graphische Darstellung einer bekannten, zeigt lenförmigen Hochfrequenz-Nachrichtenübertragungsanlage
mit einer Ausleuchtung von den Ecken her;
Fig. 4 eine graphische
Darstellung einer von den Ecken her ausgeleuchteten, zellenförmigen Hochfrequenz-Nachrichtenübertragungsanlage
entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Teil des Frequenzspektrums
zur Überwindung von Störungen in drei Abschnitte unterteilt ist, die nicht benachbarte
Zellen bedienen; Fig. 5 ein Diagramm des gesamten Frequenzbandes der Anlage, das
in einen größeren und einen kleineren Ab; schnitt unterteilt ist, wobei der kleinere
Abschnitt entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach einem Plan mit
drei Frequenzbändern unterteilt ist; Fig. 6 eine graphische Darstellung einer von
den Ecken ausgeleuchteten, zellenförmigen Hochfrequenz-IXJachr7chtenübertragungsanlage,
wobei ein Teil des Frequenz spektrums in drei Abschnitte unterteilt ist, die so
zugeordnet sind, daß Störungen in einer alternativen Anordnung zu der nach Fig.
4 übera = den werden; Fig. 7 das Blockschaltbild einer Feststation nach einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Fig. 1 stellt eine bekannte Auslegung mit hexagonalen Zellen für eine
Mobilfunk-Nachrichtenübertragungsanlage mit 12 Zellen 10 bis 21 dar, wobei sich
eine Feststation 22 in der Mitte Jeder Zelle befindet. Nimmt man an, daß die Mobilstationen
und die Feststation 22 in jeder Zelle Rundstrahlantennen besitzen, Vielzweig-Raumdiversityempfänger
verwenden und entweder eine
Phasenumtastmodulation (PSK) oder Frequenzmodulation
tFM) benutzen, dann versorgt für einen Spektrum-Wirkungsgrad von 100 , das System
insgesamt N = § Benutzer in jeder Zelle, wobei W die Gesamtbandbreite der Anlage
und R die Informationsrate oder die Kanalbandbreite jedes Benutzers sind.
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Zur Erläuterung sei angenommen, daß die Feldstärke des übertragenen
Signals mit der dritten Potenz des Abstandes abfällt, daß eine Mobilstation sich
in einer Umgebung mit Rayleigh-Schwund befindet und daß die Antennenelemente unabhängige
Signale aufnehmen, deren Mittelwerte gleich sind.Mit diesen Annahmen tritt die schlechteste
Situation bezüglich der Störungen für eine Mobilstation bei der Anordnung nach Fig.
1 dann auf, wenn sich die Mobilstation an der äußersten Ecke befindet, an der drei
Zellen zusammenstoßen. Beispielsweise tritt die schlechteste Störungssituation für
eine Mobilstation 24 in der Zelle 14 dann auf, wenn die Mobilstation 24 sich in
der äußersten Ecke befindet, an der die Zelle 14 mit den' Zellen 15 und 18 zusammenstößt.
Unter diesen Bedingungen empfängt die Mobil station 24 ihr zuständiges Kanalsignal
von der Feststation 22 der Zelle 14 und Störsignale von den Feststationen 22 weiterer
Zellen 10-13 und 15-21, die ebenfalls Informationen auf dem gleichen Kanal übertragen,
wobei sich die Feststationen 22 auf Kreisen mit vorbestimmten Abständen von der
Mobil station 24 befinden.
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Berechnungen zur Ableitung der Gesamtstörleistung Pl für einen einzelnen
Zweig wurde gefunden, daß diese Störleistung zu
PI = 3 angenähert
werden kann. Das Verhältnis der mittleren Signalleistung P5 zur mittleren Störleistung
Pl beträgt da-PS her an der Zellenecke = -4,8 dB. Darüberhinaus kann die PI Signalhüllkurve
einem Schwund unterliegen, der zu einem noch schlechteren Träger-Störverhältnis
führt. Durch Einsatz eines L-Zwieg-Raumdiversity-Empfängers bei der Mobilstation
24 können die Signale kohärent kombiniert werden, wobei die von anderen Feststationen
eintreffenden Störungen inkohärent kombinieren. Das Verhältnis für die Signal-Störleistung
wird dann ## = L/3 . Da die Signalleistung PS sich aus der kohärenten Kombination
von L unabhängigen Kanälen mit Rayleigh-Schwund ergibt, zeigt die Ausgangsleistung
scheinbar keinen Schwund und ist nahezu konstant, vorausgesetzt, daß eine genügend
große Anzahl von Elementen benutzt wird. Die Störung ist. eine Kombination einer
großen Zahl von Zufallsvariablen mit ungleicher Stärke und wird als Gauss-Verteilung
angenommen. Beispielsweise beträgt zur Erzielung einer Bitfehlerrate von das das
erforderliche Träger-Rauschverhältnis (CNR) für kohärente Zweiphasen-PSK-Modulation
6,9 dB. Läßt man eine Sicherheit von 1 dB für eine Detektor-Verschlechterung zu,
so ergeben L = 20 Elemente eine solche Güte.
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Der schlechteste Fall bezüglich des Störwertes für eine Feststation
22 tritt dann auf, wenn sich die gewünschte Mobilstation an der Kante der zugeordneten
Zelle befindet und die störenden Mobilstationen in allen anderen Zellen so dicht
wie möglich an der betrachteten Feststation sind. Unter diesen Bedingungen ergibt
sich für das Signal-Störverhältnis
PI = 10 = -10 dB. Zur Erzielung
einer Bitfehlerrate von Pe = 10-3 wäre für diesen schlechtesten Fall ein Raumdiversity-Empfänger
mit 67 Elementen an der Feststation 22 erforderlich. Eine realistischere Näherung
nimmt jedoch an, daß eine störende Mobilstation überall innerhalb ihrer eigenen
Zelle sein kann, wobei die vorherrschende Störung von den ersten 6 Umgebungszellen
kommt. Unter diesen Bedingungen wurde festgestellt, daß ein Raumdiversity-Empfänger
mit 24 PS Elementen an der Feststation 22 einen Wert = - 8,2 dB er-Pr gibt, der
zur Aufrechterhaltung einer Bitfehlerrate von 10 genügt.
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Fig. 2 zeigt eine bekannte Auslegung mt hexagonalen Zellen gemäß Fig.
1, die die Zellen 10-21 und eine zentrale Feststation 22 aufweist, von der Anordnung
nach Fig. 1 aber dadurch sich unterscheidet, daß das gesamte Frequenzspektrum für
die Anlage in drei gleiche Abschnitte unterteilt ist und - wie gezeigt - ein getrennter
Abschnitt jeder Zelle so zugeordnet ist, daß angrenzende Zellen nicht den gleichen
Frequenzband-Abschnitt benutzen. Bei einer solchen Anordnung tritt der schlechteste
Fall hinsichtlich der Störungen bei einer Mobilstation 24 in der Zelle 14 weiterhin
dann auf, wenn sich die Mobilstation 24 an derjenigen Edce aufhält, die am dichtesten
bei einer Zelle liegt, die den gleichen Frequenzband-Abschnitt benutzt, beispielsweise
bei der Zelle 19. Es läßt sich leicht erkennen, daß die durch die Festatation 22
in den Zellen 12, 19 und 20 an der Mobilstation 24 erzeugte Störung nicht so groß
ist wie die Störung für die Mobilstation 24 bei d&r Anordnung
nach
Fig. 1, da ein größerer Abstand zwischen den störenden Feststationen und der Mobilstation
24 vorhanden und die Zahl der Feststationen kleiner ist. Es wurde festgestellt,
daß für die Anordnung nach Fig. 2 ein Raumdiversity-Empfänger mit vier Zweigen an
der Mobilstation 24 dem geforderten Wert von 10 3 für die Bitfehlerrate genügt.
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Entsprechend zeigen Berechnungen für die Störungen an einer Feststation
22 von Mobilstationen in nahegelegenen Zellen, die den gleichen Frequenzband-Abschnitt
benutzen, daß ein Raumdiversity-Empfänger mit fünf Zweigen an der Feststation 22
einen Betrieb mit einer Bitfehlerrate von 10 3 ermöglicht.
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Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung einer bekannten Mobilfunk-Nachrichtenübertragungsanlage
mit hexagonalen Zellen und einer Eckenausleuchtung. Die Anordnung gemäß Fig. 3 ermöglicht
ohne Vergrößerung der Zahl von Feststaionen 22 gepläf) Fig.1 eine Sicherheit gegen
Abschattung, die nicht allein durch Raumdiversity-Empfänger erreicht werden kann,
und außerdem läßt sich die Anzahl von erforderlichen Diversity-Zweigen verringern,
wenn die Feststationen jeweils an jeder zweiten Zellenecke angeordnet und mit Sektor-Hornantennen
ausgestattet sind. Im einzelnen wird die hexagonale Zelle 14 durch die Feststationen
30, 31 und 32 bedient, die sich an jeder zweiten Zellenecke befinden. Jede der Feststationen
30, 31 und 32 strahlt mit einer Bandbreite von 1200 in Ausrichtung zu der Grenze
der zugeordneten Zelle 14 auf beiden Seiten der Feststation. Neben der Zelle 14
versorgt die Feststation 30 auch Zellen 11 und 15 mit einer Strahlbreite
von
je 1200. Entsprechend bedient die Feststation 31 auch die Zellen 17, 18 und die
Feststation 32 die Zellen 10,13 mit einer Antennenstrahlbreite von je 1200. In entsprechender
Weise besitzt jede Zelle 10-21 drei Feststationen, die an jeder zweiten Ecke angeordnet
und in Fig.3 durch starke Punkte angedeutet sind, wobei jede Feststation alle angrenzenden
Zellen mit getrennten Antennenstrahlen mit einer Breite von 120° versorgt.
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Bei der Anordnung nach Fig.3 wird jede Mobil station in einer Zelle
durch eine der drei zugeordneten Feststationen versorgt. Nimmt man-an, daß sich
eine Mobilstation 24 in der Zelle 14 an der Zellenecke befindet, an der die Zellen
14, 15 und 18 zusammenstoßen, und durch die Feststation 30 versorgt wird, wobei
die Antenne jeder Feststation einen Winkel von genau 1200 entlang den Zellengrenzen
überdeckt. Wenn die Anlage für einen Spektrum-Wirkungsgrad von 100 % ausgelegt ist,
dann kommt die am nächsten gelegene Störung von der Feststation 34 in der Zelle
15. Die Feststation 34 verwendet die gleiche Kanalfrequenz der Mobil station 24
in den Zellen 15 und 18, aber da angenommen wurde, daß die beiden Antennendiagramme
sich nicht überlappen, stört höchstens eine dieser Antennen der Feststation 34 die
Mobilstation. In Fig. 3 wird willkürlich angenommen, daß die Störung von der Station
34 statt von der die Zelle 15 versorgenden Feststation 35 kommt, wobei der Rest
der Störungen dadurch markiert ist, daß stark ausgezogene Linien die Feststationen
und die Sektor-Antennen angeben, die eine bestimmte Zelle bedienen. Zusätzlich geben
stark
ausgezogene, gestrichelte Linien , die zur Mobilstation 24 fuhren, die Störungen
an, die von mehreren gewählten, weiter entfernten Feststationen zusätzlich zur Feststation
34 kommen, die durch eine ausgezogene Linie angedeutet ist.
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Für die Anordnung nach Fig.3 beträgt das Verhältnis für die mittlere
Signalleistung zur mittleren Störleistung je Ein-PS zelzweig = 1,76 dB, und ein
Raumdiversity-Empfänger mit Pr 12 Zweigen für die Mobilstation 24 ergibt eine Bitfehlerrate
von 10 3. Störungen in einer Feststation gemäß Fig. 3 ergeben sich durch den Empfang
von Signalen von Mobilstationen in allen anderen Zellen, die innerhalb des Antennendiagrainnis
mit 1200 für die zugeordnete Feststationsantenne liegen.
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Nimmt man an, daß störende Mobillstationen sich beliebig innerhalb
ihrer zugeordneten Zelle befinden können, so wurde festgestellt, daß ein Raumdiversity--Empfänger
mit 12 Zweigen in der Feststation eine Bitfehlerrate von 10-3 ergibt.
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Die Hauptfunktion eines Raumdiversity-Empfängers besteht in der kohärenten
Kombination der unabhängigen Signale mit Rayleigh-Schwund in jedem Antennenzweig.
Es sind zahlreiche Pilotverfahren und Pilotverfahren mit verzögertem Signal oder
Rückkopplungsanordnungen bekannt. Neben der Einfachheit haben die Rückkopplungsverfahren
den weiteren Vorteil, daß sie die volle Signalstärke zur Ableitung der richtigen
Phaseninformation benutzen. Eine Version dieses Verfahrens mit zwei Zweigen, die
häufig Granlund-Kombinierer genannt wird, ist ein Beispiel für einen solchen Empfänger.
Dieses Signal-
Rückkopplungsverfahren, das für zellenförmige Anordnungen
mit großem Träger-Störungsverhältnis gut funktioniert, neigt dazu, seine Brauchbarkeit
zu verlieren, wenn das Träger-Störungsverhältnis vor der Kombination nahe Eins liegt.
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Unter diesen Bedingungen rastet der Empfänger abwechselnd bei einer
der Modulationen ein und wählt diejenige, die im Augenblick die stärkste ist.
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Ein anderer Typ eines Signalrückkopplungs-Diversityempfänger; der
für Satelliten-Nachrichtenübertragungen bekannt ist, kann das gewünschte Signal
selbst dann auswählen, wenn es schwächer ist als das Störungssignal. Solche Empfänger
erscheinen brauchbar für Mobilfunkanlagen mit wirksamer Ausnutzung des Spektrums,
die anhand der Fig.1-3 beschrieben worden sind, sowie für eine Anlage nach der vorliegenden
Erfindung mit wirksamer Ausnutzung des Spektrums, die nachfolgend beschrieben werden
soll. Es wird hierzu beispielsweise auf die US-Patente 3 911 364 und 4 027 247 verwiesen.
Jeder geeignete Raumdiversity-Empfänger kann zur praktischen Verwirklichung der
Erfindung entsprechend der nachfolgenden Erläuterung benutzt werden.
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Es gibt wenigstens zwei Wege zur Erzielung eines Spektrum-Wirkun,sgrades
größer als 100 %. Ein Weg ergibt sich anhand der Feststationen oder der Bodenflächen.
Es sei ein System betrachtet, bei dem die Zellengrößen gewählt worden sind und ein
gewisser Anfangs-Spektrumwirkungsgrad erreicht worden ist. Wenn die Bodenflächen
lediglich so angeändert werden, daß mehr Kanäle benutzt werden kön.nen, dann läßt
sich ßagell,
daß der Wirkungsgrad vergrößert worden ist. Beispielsweise
kann durch Verwendung von drei Richtantennen für dede Zellenfläche gemäß Fig. 3
und Anwendung der Raumdiversity sowohl in den Feststationen als auch den Mobilstationen
theoretisch ein Spektrum-Wirkungsgrad von 300 96 erzielt werden.
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Das bedeutet, daß das gesamte Spektrum dreimal in jeder Zellenfläche
wiederbenutzt wird und daß die Kanaldichte je Bereichseinheit dreifach ist. In Fig.
3 würden beispielsweise in der Zelle 14 zur Erzielung eines Spektrum-Wirkungsgrades
von 300 % Antennen in den Feststationen 30, 31 und 32 das gesamte Frequenzband dreimal
benutzen, um gleichzeitig mit den verschiedenen Mobilstationen in der Zelle 13 in
Verbindung zu treten. Für eine Mobilstation in der Zelle 14, die über eine Antenne
mit einer Feststation 30 in Verbindung steht, kommt beispielsweise die primäre Störung
von Antennenaussendungen der Feststationen 31 und 32, die ebenfalls die Zelle 14
bedienen.
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Es sollte jedoch berücksichtigt werden, was erforderlich legt, um
drei Kanäle gleichzeitig an jedem Punkt in einer Zelle verwenden zu können, wobei
sich ein Spektrum-Wirkungsgrad von 300 % ergibt. An jedem beliebigen Punkt in der
Zelle überträgt jede Mobilstation über eine andere Feststation.
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Wenn die Mobilstationen sich am gleichen Punkt befinden, können die
Wegverluste zurück zur Jeweiligen Feststation stark schwanken. Eine Überwachung
der Sendeleistung jeder Feststation gleicht die Signalstärken an dem Punkt an, bei
dem sich die Mobilstationen befinden. Jede Mobilstation arbeitet dann mit einem
Signal-Störverhältnis (SIR) von -6 dB unter Vernachlässigung
der
Störung von benachbarten Zellen und verwendet eine Raumdiversity, um ihr Signal
auf einen brauchbaren Pegel anzuheben.
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Für die Strecken von den Mobilstationen zu den Feststationen wird
angenommen, daß alle Mobil stationen die gleiche Leistung abstrahlen. Wiederum muß
jede Feststation eine ausreichende Zahl von Raumdiversity-Elementen verwenden, um
ein Signal-Störverhältnis von -6 dB zu übersteigen. Für eine Strecke mit Sichtverbindung
von der Feststation zu Mobilstationen wäre es unmöglich, an der gleichen Stelle
befindliche Mobil stationen zu unterscheiden, da angenommen worden ist, daß alle
Mobilstationen ungerichtete Antennen benutzen.
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Glücklicherweise ist dieser Fall bei Mobilfunk-Nachrichtenübertragungen
selten. In der Umgebung normalen Schwundes erzeugen sehr dicht benachbarte Mobilstationen
(beispielsweise in Kraftfahrzeugen, die Stoßstange an Stoßstange stehen) unkorrelierte
Signale in der Feststation, die die Funktionsfähigkeit eines Raumdiversity-Betriebs
ermöglichen.
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Für Mobilstationen, die sich an beliebigen Punkten innerhalb der Zelle
befinden, dürfte klar sein, daß dieses System ohne irgendeine Form einer Anrufweiterleitung
auf eine andere Station mit stärkerem Signal innerhalb der Zelle nicht funktionsfähig
ist. Es sei eine Mobilstation dicht bei der Feststation 31 betrachtet, die aber
der Feststation 30 zugeordnet worden ist. Ohne Leistungssteuerung würde dann offensichtlich
die Station 31 alle Aussendungen der Station 30 überdecken. Selbst wenn eine Leistungssteuerung
in den Feststationen
verwendet wird, so ist es weiterhin wahrscheinlich,
daß - wenn die Feststation 31 mit einer entfernten Mobilstation in Verbindung steht
- nahe befindliche Mobilstationen Uberdeckt werden, wenn sie mit einer anderen Feststation
Nachrichten austauschen. Die Lösung dieses Problems liegt in den Zuordnungs- und
Neuzuordnungsverfahren. Wenn Mobilstationen innerhalb der Zelle immer der Station
mit dem größten Signal zugeordnet sind, dann ist der schlechteste Wert für das Signal-Störverhältnis
-6 dB gegenüber den anderen beiden Feststationen, die die Zelle ebenfalls bedienen,
abzüglich eines Betrags für die Störungen von benachbaren Zellen.
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Wenn alle Störungen um 10 dB größer als das gewünschte Signal sind,
so reichen 67 Diversity-Zweige aus, um eine Bitfehlerrate (BER) von 10 v aufrecht
zu erhalten.
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Die Mobilstation-Feststation-Störung macht es wiederum erforderlich,
daß die Mobilstationen über diejenige Feststation Nachrichten austauschen, von der
sie das stärkste Signal in der Zelle empfangen. Demgemäß beträgt innerhalb der Zelle
der schlechteste Wert für das 3ignal-Störungsverhältnis -6 dB. Außerdem treten schwierige
Fälle dann auf, wenn drei Mobilstationen in benachbarten Zellen nahe den Zellgrenzen
gelegen sind, die die Übertragung von der Mobilstation zur Feststation stören. Dann
beträgt die Störleistung etwa 10 dB, während die Signalleistung Eins ist. Wiederum
stellen 67 Diversity-Zweige eine Bitfehlerrate von 10 5 sicher.
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Vorstehend ist gezeigt worden, daß bei den als Beispiel erläuterten
Verfahren mit an den Ecken angeordneten Feststationen
die Störungen
im schlechtesten Fall sehr stark sein können, so daß eine große Zahl von Diversity-Elementen
für einen brauchbaren Empfang an jeder Feststation und jeder Mobilstation erforderlich
sind. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird dieses Problem dadurch
überwunden, daß einige wenige Kanäle zur Bedienung der Bereiche hoher Störung in
jeder Zelle vorgesehen werden.
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Fig. 4 zeigt die interessierenden Störungsbereiche in den Zellen 10-21
in Form von halbkreisförmigen Bereichen an denwenigen Zellen-ecken, an welchen sich
keine Feststation befindet. Die nachfolgende Erläuterung befaßt sich in erster Linie
mit der Mobilstation 24 in der Zelle 14, die mit den Feststationen 30 und 31 in
Verbindung steht. Die Hauptstörung für die Mobilstation 24 in der Zelle 14 kommt
von der Feststation 34 in der Zelle 15, wobei Feststationen in jeder Zelle über
entsprechende Kanäle senden.
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Gemäß Fig. 5 ist das gesamte Frequenzspektrum f in einen ersten oder
Hauptteil fm und einen zweiten oder kleineren Teil fi unterteilt, wobei der kleinere
Teil fi in drei Abschnitte oder Frequenzunterbänder f fI, f) entsprechend einem
Plan mit drei Frequenzen unterteilt ist. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist jeder der drei Frequenzabschnitte fl, f2, 3 des kleineren Teils
fi ausschließlich nicht benachbarten Zellen entsprechend der Darstellung in Fig.
4 zugeordnet. Die Frequenzabschnitte oder Unterbänder f f2' fji sollen die Störungsbereiche
bedienen, können aber überall innerhalb der Zelle verwendet werden.
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Außerdem sind Primärkanäle Cp vorhanden, die den Hauptteil des gesamten
Frequenzspektrums der Anlage darstellen und einen gemeinsamen Vorrat von Kanälen
bilden, die für jede Mobilstation in jeder Zelle zur Verfügung stehen, welche durch
eine der drei Feststationen an den Ecken versorgt werden.
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Berechnungen haben gezeigt, daß mit einer mäßigen Anzahl vorn Diversity-Zweigen
(beispielsweise 4) der Bereich einer'vollständigen Frequenzneuverwendung von Zelle
zu Zelle ein sehr großer Bruchteil des Zellenbereiches ist. Für den Fall, daß die
Mobil stationen gleichmäßig in den Zellen verteilt sind, können die Kanäle entsprechend
der bedienten Fläche zugeordnet werden, und unter diesen Bedingungen läßt sich ein
Kanalwirkungsgrad-Faktor von 88 96 unter Verwendung von nur 4 Diversity-Zweigen
erreichen. Im einzelnen ist die Fläche eines Hexagons mit der Seitenlänge a gleich
Ohne Verlust an Verallgemeinerung kann man setzen a=1.
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Für den gemeinsamen Vorrat an Kanälen tritt der schlechteste Fall
für Störungen bei Aus sendungen von der Feststation 30 zu einer Mobilstation 24
in der Zelle 14 an dem Punkt auf, an dem die Mobilstation 24 in Fig. 4 dargestellt
ist.
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An diesem Punkt beträgt der Abstand dI von der der Mobilstation 24
am nächsten gelegenen Feststation 34 in der Zelle 15, die die gleiche Frequenz benutzt,
dI = 1 + r (2) und der Signalabstand d5 von der Feststation 30 zur obilstation
24
beträgt
Unter Verwendung einer Diversity mit 4 Zweigen ist ein Kombinierer-Ausgangssignal
mit einem Signal-Störungsverhältnis (SIR von Signal-Interference Ratio) von 10 dB
erforderlich, um eine Bitfehlerrate (BER von Bit Error Rate) von 10 3 zu erreichen.
Demgemäß ist an der Mobilstation 24 für jeden Zweig folgender Wert für das Signal-Störungsverhältnis
erforderlich: SIR = 10 (4) oder
Demgemäß gilt:
Durch Auflösen nach r erhält man:
Die durch gesondert zugeordnete Kanäle bediente Fläche beträgt:
Demgemäß beträgt das Verhältnis der Fläche mit gesondert zugeordneten Kanälen zur
Gesamtfläche
Eine Zuteilung von Kanälen abhängig von der Fläche bedeutet,
daß
jede Zelle etwa 6 % der Gesamtsprechkreise dieser Zelle erfordert, die den Störungsbereich
bedienen. Wenn drei Gruppen von gesondert zugeordneten Kanälen erforderlich sind,
um eine vernachlässigbar kleine Störung sicherzustellen, so läßt sich die Anzahl
von Kanälen, die zur Neuverwendung zur Verfügung stehen, finden zu CT = C - + 3Cd,
wobei CT die Gesamtzahl von Kanälen ist, Cp die Anzahl von Kanälen im Hauptabschnitt
zum des Frequenzspektrums f in Fig. 5 darstellt und Cd die Anzahl von Kanälen ist,
die in jedem der drei Abschnitte f1, f2 oder f3 des kleineren Teiles fi des Frequenzspektrums
gemäß Fig. 5 gebildet sind.
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Mit CT = 100 % und Cd = 6 % erhält man Cp 82 %.
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Der Wirkungsgrad wird bestimmt durch die Anzahl von Sprechkreisen,
die in einer Zelle zur Verfügung stehen, geteilt durch die Gesamtzahl von Sprechkreisen.
In diesem Fall ergibt sich: Cp + Cd # = 88 % (10).
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CT Es besteht die Möglichkeit, eine Frequenzneuverwendung von 100
% zu erhalten, d.h. eine Verwendung aller Kanäle in jeder Zelle, und zwar durch
eine'Abänderung der gesondert zugeordneten Kanäle. In diesem Fall werden alle gesondert
zugeordneten Kanäle in jeder Zelle benutzt, es können aber nur bestimmte Kanäle
in jeder Feststation verwendet werden, um mit Mobilstationen in Verbindung zu treten,
die eine Störung oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes zeigen, beispielsweise
an den gestörten Ecken. Dieses Konzept, das eine
alternative Anordnung
nach der Erfindung darstellt, ist in Fig. 6 gezeigt. In der Zelle 14 werden beispielsweise
die Kanäle im Frequenzunterband f1 in den Feststationen 30 und 31 benutzt, um den
sektorförmigen, zwischen ihnen gelegenen Störungsbereich zu bedienen, der mit f1
bezeichnet ist. In entsprechender Weise verwenden die Feststationen 31 und 32 Kanäle
im Frequenzunterband f2, um den sektorförmigen Störungsbereich 9 zu bedienen, und
die Feststationen 30 und 32 verwenden Kanäle im Frequenzunterband f3, um den sektorförmigen
Störungsbereich f3 zu versorgen. Eine solche Anordnung ergibt zwei Feststationen,
die einen Abschattungsschwund zu vermeiden suchen.
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Alle Frequenzunterbänder f1, f2 und f3 werden bei dieser Anordnung
in jeder Zelle 10-21 und auch in den drei sektorförmigen, aneinandergrenzenden Störungszonen
verwendet. Im einzelnen wird - wie oben angegeben - in jeder Zelle, beispielsweise
der Zelle 14, jede der drei sektorförmigen Störungszonen durch ein getrenntes Frequenæunterband
der drei Frequenzunterbänder f1, f2 oder 3 bedient, die den kleineren Teil fi des
Gesamtfrequenzspektrums f gemäß Fig. 5 bilden. Außerdem wird jede der bis zu drei
sektorförmigen Störungszonen am Schnittpunkt von drei benachbarten Zellen, an dem
sich keine Feststation befindet, ebenfalls durch ein getrenntes Frequenzunterband
der drei Unterbänder f1, f2 oder f3 bedient. Beispielsweise verwenden in der Zelle
14 in Fig. 6 die Feststationen 30 und 31 das Frequenzunterband t1 um den zwischen
ihnen gelegenen Störungsbereich zu versorgen, während die Feststationen 30 und 34
das Frequenzunterband
9 benutzen, um den zwischengelegenen Störungsbereich
in der Zelle 15 zu bedienen, und die Feststationen 34 und 31 benutzen das Frequenzunterband
f um den zwischengelegenen Störungsbereich der Zelle 18 zu versorgen, Auf entsprechende
Weise verwenden die sektorförmigen Störungsbereiche in allen benachbarten Zellen
10-21 unterschiedliche Frequenzunterbänder der drei Unterbänder, um eine Nachrichtenverbindung
mit Mobilstationen außerhalb der zugeordneten Vorratskanäle Cp herzustellen, wenn
bei einer Mobilstation eine Störung oberhalb eines vorbestimmten Störungspegels
auftritt, während ein zugeordneter Kanal im Hauptteil fm des Frequenzspektrums der
Anlage verwendet wird.
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Wie oben angegeben, benutzt jede Feststation eine Sektroantenne, die
unter 120° entlang den Grenzen der hexagonalen Zelle auf beiden Seiten der Feststation
abstrahlen. Wenn eine solche Antenne verwendet wird, um sowohl die zugeordneten
Kanäle Cp im Hauptteil fm des Frequenzspektrums f und die besonders zugeordneten
Störungskanäle Cd,in zwei der drei Frequenzunterbänder f1, f2 und f3" zu den beiden
nächstgelegenen, sektorförmigen Störungsbereichen auf beiden Seiten der Feststation
in einer Zelle zu übernehmen, dann erkennt man, daß eine Mobil station im Störungsbereich
f1 der Zelle 14 die Kanalaussendung f1 von der Feststation 30 und zusätzlich alle
Kanal störungen f1 von Feststationen in anderen Zellen aufnimmt, deren Antennen
auf den Störungsbereich f1 der Zelle 14 gerichtet sind. Im einzelnen ergibt sich,
wenn man den sektorförmigen Störungsbereich f1 der
Zelle 14 betrachtet,
daß die nächsten Feststationen in anderen Zellen, die eine störende Kanalinformation
f1 aus sein den können die Feststationen 34, 35 und 36 der Zellen 15 und 18 sind,
die an die Zelle 14 angrenzen.
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Zur Verringerung der Störungen in den sektorförmigen Störungsbereichen
gemäß Fig. 6 kann ein Antennendiagramm mit 1200 in Jeder Feststation benutzt werden,
um die zugeordneter Kanäle Cp im Hauptteil fm des Frequenzspektrums auszustrahlen,
und eine getrennte Antenne, die mit einem Strahlungsdiagramm von 60e von jeder Feststation
aus entlang der benachbarten Zellengrenze in Richtung auf die zugeordnete,n-, sektorförmigen
Störungsbereiche strahlt. Mit einer solchen Anordnung würden die Feststationen 34,
35 und 36 den Bereich f1 der Zelle 14 mit ihren f1-Kanala'ussendungen nicht überlappen,
und die nächsten Feststationen, die Aussendungen Bereich f1 der Zelle 14 stören
könnten, sind die Feststationen 37, 38, 39 und 40 der Zellen 12, 20, 11 bzw. 17
, die weiter vom Bereich f1 der Zelle 14 entfernt sind als die Feststationen 34-36
bei Benutzung eines Strahlungsdiagramms von 120° für alle Aussendungen.
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Mit dem für Fig. 6 beschriebenen Plan wird die von jeder zugeordneten
Gruppe von Kanälen versorgte Fläche in jeder Zelle US, 1/3 herabgesetzt. Demgemäß
ist die durch den Bereich f1 bediente Fläche gleich
während die Gesamtflächen, die zugeordnete Kanäle benutzen,
betragen:
In diesem Fall wird der Bruchteil der zum Vorrat gehörenden Kanäle
und für 4 Diversityzweige erhält man zur = O;167 und Cp = 94 %. Bei diesem Beispiel
hat also jede einzelne Feststation einen Wirkungsgrad von 96 %, d.h. sie benutzt
96 % der insgesamt verfügbaren Kanäle.
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Wenn die Mobil stationen gleichmäßig in der Zelle verteilt sind, dann
kann der Kanalwirkungsgrad in jeder Zelle 100 % betragen, da alle gesondert zugeordneten
Kanäle gleichzeitig in Betrieb sein können, vorausgesetzt, daß Mobilstationen in
den jeweiligen Bereichen vorhanden sind. Für den größten Teil der Zellenfläche können
immer 94 % der Kanäle benutzt werden, und es lassen sich tatsächlich alle Kanäle
an jedem Punkt verwenden, an dem die Flächendeckung dies zuläßt, da -wie oben gezeigt
- die Sektorantennen mit 600 nur die Hälfte der Zelle überstreichen. Nur in denjenigen,
besonderen Bereichen, in denen gesondert zugeordnete Kanäle vorgesehen sind, ist
die Kanalbenutzung beschränkt. Es.hat sich gezeigt, daß bei dieser Anordnung gemäß
Fig. 6 mit gleichmaßig verteilten Mobilstationen nur 2 96 gesondert zugeordneter
Kanäle in jedem problembehafteten Bedienungsbereich erforderlich sind. Wegen der
Zufälligkeit der Bewegungen von Mobil stationen und der Gesprächsversuche dürfte
es zweckmäßig sein, eine größere Zahl von gesondert zugeordneten
Kanälen
für diese Bereiche vorzusehen. Sieht man 6 oder sogar 10 gesondert zugeordnete Kanäle
vor, so stehen für jede Feststation immer noch 88 bzw. 80 Kanäle von einer Gesamtzahl
von 100 Kanälen zur Verfügung . Außerdem können für Zeiten hohen Verkehrsaufkommens
die Störungskanäle zur Bereitstellung zusätzlicher Kanäle wann immer möglich benutzt
werden.
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Fig. 7 zeigt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für eine
Feststation zur praktischen Verwirklichung der Erfindung. Im Betrieb überwacht eine
Mobilstation normalerweise das Signal-Störungsverhältnis (SIR) ihres Kanals, und
wenn dieses Verhältnis unter einen vorbestimmten Schwellenwert abfällt, so setzt
die Mobil station die Feststation über ihren Signalkanal davon in Kenntnis, der
beispielsweise aus bestimmten, gesondert zugeordneten Bits einer Aussendung besteht.
Eine solche Aussendung wird an der Antenne 50 der zugeordneten Feststation aufgenommen
und im Empfänger 52 unter Verwendung der richtigen Demodulationsfrequenz für den
zugeordneten Primärkanal demoduliert. Ein Signalbit-Detektor 54 stellt die Signalbits
in der empfangenen Aussendung fest und setzt ein Steuergerät 56 davon in Kenntnis,
daß die Mobilstation eine Störung oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes zeigt.
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Das Steuergerät 56 wählt einen freien Sekundärkanal in dem jeweiligen
Frequenzabschnitt fl' 2 oder f3 gemäß Fig. 5, der für eine NachrichtenUbertragung
mit der Mobilstation benutzt werden kann, die die Störung zeigt, und überträgt
die
durchgeführte' Wahl mit Hilfe entsprechend codierter Signalbits dber die Leitung
58 zum Sender 60. Die normalen Nachrichtensignale zuzüglich der Signalinformation
auf der Leitung 58 werden im Modulator 62 des Senders 60 auf die richtige Trägerfrequenz
des Primärkanals moduliert, die durch einen Frequenz-Synthetisierer 64 erzeugt wird,
und das Kanal signal wird dann über die Antenne 66 zur Mobilstation ausgesendet.
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Beim Empfang einer solchen Signalinformation kann die Mobilstation
diese Wahl des Sekundärkanals über ihren Primärkanal bestätigen. Diese Übertragung
wird im Signalbit-Detektor 54 festgestellt, der das Steuergerät 56 über diese, Bestätigung
informiert. Das Steuergerät 56 überträgt dann Betätigungssignale über die Leitung
58 zur Mobilstation sowie über die Leitung 68 zum Empfänger 52 und zum Frequenzsynthetisierer
6 des Senders 60, um zu veranlassen, daß die Trägerfrequenzen auf die richtige Frequenz
des Sekundärkanals verschoben werden.
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Auch am Ausgang des Empfängers wird ein Signal-Störungsdetektor 70
benutzt, um festzustellen, wenn die Übertragung von der Mobilstation eine Störung
oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes zeigt. Wenn dieser Störungspegel überschritten
wird, setzt der Detektor 70 das Steuergerät 56 davon in Kenntnis, und die Übertragung
zwischen der Mobilstation und der Feststation wird auf eine andere Feststation einer
Zelle umgeschaltet, die ein stärkeres Signal von der Mobilstation empfängt, oder
wird auf einen geeigneten Sekundärkanal
umgeschaltet, wie oben
beschrieben, wenn die jeweilige Feststation das stärkste Signal von der Mobilstation
empfängt. Es kann jede geeignete Schaltung für jeden der Blöcke in Fig. 7 benutzt
werden, die die beschriebene Funktion für das Bauteil ausführen kann.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die beschriebenen Ausführungsbeispiele
lediglich die Grundgedanken der Erfindung erläutern. Der Fachmann kann zahlreiche
Abänderungen im Rahmen der Erfindung treffen.
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Beispielsweise kann das Verfahren einer Übertragung von Informationen
auf Primärkanälen (Cp) eines ersten Teils des Gesamtfrequenzspektrums zu Mobilstationen,
die keine Störung oberhalb eines vorbestimmten Störungspegels zeigen, und Umschalten
der Mobilstationen auf Sekundärkanäle eines Vorrats von Kanälen in einem zweiten
Teil des Gesamtfrequenzspektrums auch auf die Anordnung gemäß Fig. 1 angewendet
werden. Darüberhinaus können die Frequenzunterbänder fl, 2 und f3 auch auf andere
Weise den sektorförmigen Störungsbereichen zugeordnet werden, die gemäß Fig. 6 aneinandergrenzen,
solange jede Zelle alle drei Unterbänder benutzt und keine aneinandergrenzenden
Störungsbereiche das gleiche Unterband verwenden