【 01 EINFÜHRUNG 】
Die wachsende Zahl von Smartphone-Nutzern führt zu einem stetig steigenden Bedarf an Sprach- und Datenkapazität in Mobilfunknetzen. Dieses Problem betrifft alle Mobilfunkbetreiber weltweit und wird auch mit dem Aufkommen neuer Technologien und Frequenzspektrums bestehen bleiben. Das enorme Wachstum des drahtlosen Datenverkehrs, beispielsweise durch Videokonferenzen, Medienstreaming und mobiles Fernsehen, erhöht kontinuierlich den Kapazitätsbedarf im Mobilfunk.
Insbesondere in Stadien, auf Plätzen und anderen Orten mit hohem Smartphone-Aufkommen ist der Bedarf an Sprach- und Datenkapazität enorm. Um diesen Bedarf zu decken, prüfen die Dienstanbieter verschiedene Möglichkeiten zur Erweiterung des Netzes.
1) Der Ausbau des Mobilfunknetzes ist zwar effektiv, aber kostspielig. Die Suche nach neuen Standorten ist in der Regel zeitaufwendig und zunehmend unerschwinglich. Da die durchschnittlichen Abstände zwischen den Standorten in dicht besiedelten Stadtgebieten von 5 km auf 2 km und in jüngster Zeit sogar auf unter 200 m gesunken sind, bleibt dem Netzbetreiber weniger Auswahl an bezahlbaren Grundstücken. Eine Verdopplung der Anzahl der Mobilfunkstandorte verdoppelt annähernd die Netzkapazität und den Durchsatz pro Nutzer (bei gleichbleibender Nutzerdichte) und verbessert die maximale Nutzerkapazität sowie den Gesamtdurchsatz pro km² erheblich.
2)Die Erweiterung der Bandbreite (genauer gesagt, der Frequenz) erhöht die Kapazität direkt. Der LTE-Standard nutzt die erhöhte Bandbreite besonders effizient. In den USA erlaubt die FCC zudem eine Erhöhung der Sendeleistung mit der Bandbreite in den PCS-, AWS- und den unteren 700-MHz-Bändern, was eine verbesserte Netzdurchdringung und -abdeckung ermöglicht. Eine Verdopplung der Bandbreite verdoppelt mindestens den Datendurchsatz.
3)Rauschunterdrückung. In 3G- und 4G-LTE-Netzen ist die Rauschunterdrückung im Funkpfad entscheidend. Externes Rauschen aus verschiedenen Quellen – darunter Mehrwegeausbreitung, Umgebungsrauschen und Interferenzen benachbarter Zellen – kann die Empfängerempfindlichkeit an der Basisstation erheblich verringern. Mit zunehmendem Rauschen im Sektor erhöhen Mobilgeräte ihre Sendeleistung, was zu verstärkten Uplink-Interferenzen führt. Auch Rauschen im Funkpfad selbst ist problematisch, wobei thermisches Rauschen und passive Intermodulation (PIM) die Hauptursachen darstellen.
4)Steigerung der Frequenzwiederverwendung. Eine weitere Möglichkeit zur Kapazitätserhöhung besteht darin, durch eine übergeordnete Sektorisierung mehr Möglichkeiten zur Frequenzwiederverwendung zu schaffen.
5)Unter den oben genannten Strategien bergen sowohl die traditionelle Methode des Zellenausbaus als auch der Erwerb zusätzlicher Frequenzen erhebliche Kosten- und Zeitrisiken. Normalerweise können Standortakquise und -bau zwei bis drei Jahre dauern. Die Gesamtkosten belaufen sich aufgrund von Akquisition, Bau und Inbetriebnahme auf über 200.000 US-Dollar. Die Erweiterung des Frequenzspektrums kann, sofern verfügbar, leicht Milliarden von Dollar kosten. Der Einsatz von Small Cells wird zwar als hervorragende Möglichkeit zur Erhöhung der Netzwerkkapazität angepriesen, kann aber den unmittelbaren Kapazitätsbedarf der Dienstanbieter nicht decken.
【 02 TRADITIONELLE SEKTORISIERUNG 】
Um Interferenzen in kanalisierten Systemen zu vermeiden, müssen Frequenzkanäle geografisch getrennt werden. Durch die Sektorisierung verringert sich die Anzahl der störungsanfälligen Sektoren (Zellen), da die Sendeleistung des jeweiligen Sektors nach vorne fokussiert wird.
In den letzten 50 Jahren hat sich die Kapazität drahtloser Netzwerke um etwa das 1.000.000-Fache erhöht. Dieses Wachstum ist auf eine verbesserte Spektraleffizienz, ein größeres Spektrum und eine höhere Anzahl an Zellen/Sektoren zurückzuführen. Seit den 1990er-Jahren zählt die Sektorisierung zu den beliebtesten und effektivsten Strategien zur Steigerung der Standort- und Netzwerkkapazität.
Die ersten sektorisierten Systeme ersetzten die standardmäßigen 360-Grad-Rundstrahlantennen durch drei separate Richtantennen. Die am häufigsten eingesetzte Konfiguration verwendet drei Antennen mit jeweils einem nominalen Azimut-Strahlwinkel von 65 Grad. Obwohl die Antennen innerhalb einer sektorisierten Zelle eine gemeinsame Basisstation (BTS) nutzen, wird jede Antenne unabhängig mit eigener Sendeleistung, eigenen Frequenzen und Kanälen verwaltet und betrieben.
Der Einsatz von drei Richtantennen anstelle einer Rundstrahlantenne reduziert die Gleichkanalstörungen der Zellen erheblich und verdreifacht die Möglichkeiten zur Frequenzwiederverwendung. Dadurch erzielen die Dienstanbieter signifikante Kapazitätsgewinne.
【 03Sektorisierung höherer Ordnung 】
Vor über zehn Jahren begannen die Mobilfunkanbieter, das Kapazitätspotenzial durch Sektorisierung höherer Ordnung zu erforschen. Dabei wird das herkömmliche Drei-Sektor-System in ein Sechs-Sektor-System aufgeteilt. Bei einer Sechs-Sektor-Konfiguration werden zwei 33°-Schmalstrahlantennen anstelle einer 65°-Sektorantenne eingesetzt. Dank der geringen Azimut-Strahlbreite reduziert die Sektorisierung höherer Ordnung nicht nur die Überlappungsinterferenzen, sondern auch den Bereich für weiche Übergänge und verbessert so die Frequenzwiederverwendungseffizienz.
Im Vergleich zu einer herkömmlichen 65°-Sektorantenne bietet die 33°-Schmalwinkelantenne ein steileres Abstrahlverhalten sowie eine bessere Unterdrückung von Neben- und Rückkeulen. Darüber hinaus können zwei gleich große Sektoren unabhängig voneinander angesteuert werden, um das Netzwerk zu optimieren und die Ausleuchtungszone des Mobilfunkstandorts individuell anzupassen, wenn eine herkömmliche Sektorantenne durch zwei Schmalwinkelantennen ersetzt wird.
Abbildung 1 veranschaulicht die signifikante Reduzierung der Sektorüberlappung beim Wechsel von einer 65-Grad- zu einer 33-Grad-Antenne. Die Verringerung der Überlappung verkleinert den Bereich des sanften Handovers und führt zu zusätzlichen Kapazitätsgewinnen.
Bei der Sechs-Sektoren-Implementierung können zwei Übergangspegel zwischen den aufgeteilten Sektoren auf -6 bis -10 dB optimiert werden, was ein guter Übergangspegel für die Übergabe zwischen den Sektoren für 2G-, 3G- und LTE-Systeme ist.
【 04 DER NACHTEIL DER SEKTORISIERUNG HÖHERER ORDNUNG DURCH 】
Die herkömmliche Methode zur Einrichtung einer Sechs-Sektor-Anlage besteht darin, drei 65°-Sektorantennen durch sechs schmalstrahlige Panelantennen zu ersetzen. Dies bedeutet bei höherer Sektorordnung eine Verdopplung der Antennenanzahl. Die höhere Antennenanzahl führt zu einer Verdopplung der Kosten für Anschaffung, Verpackung, Transport und Installation.
Normalerweise ist eine 33°-Schmalstrahlantenne aufgrund der benötigten zusätzlichen Antennenanordnung zur Erzielung eines schmaleren Azimutstrahls deutlich größer als eine 65°-Panelantenne. Die größere Größe wirkt sich daher stark auf das Erscheinungsbild des Standorts aus. Darüber hinaus erzeugt die größere Oberfläche der Panelantenne im Vergleich zur 65°-Panelantenne eine wesentlich höhere Windlast. Außerdem erhöht die größere Schmalstrahlantenne das Gewicht des Turms im Vergleich zur 65°-Panelantenne.
Ein weiteres Problem beim Einsatz zweier schmalstrahliger Antennen anstelle der 65°-Panelantenne sind Ausrichtungsfehler während der Installation. Zwei schmalstrahlige Antennen müssen präzise ausgerichtet werden, um einen 120°-Sektor zu ersetzen und so die Überlappungsfläche, die Interferenz innerhalb des Sektors und die Übergangspunkte zu optimieren.
Aus den oben genannten Gründen hat die Sechs-Sektoren-Anlage mit schmalstrahligen Antennen auf dem Telekommunikationsmarkt nicht viel Beachtung gefunden.
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