CN100481986C - 根据测量的质量函数给移动站分配信道数量的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信***中的方法，并且特别涉及通过使用基于用户的调度补偿来控制各方效应从而更好地利用此类***中的可用无线资源。根据本发明的调度补偿基于控制信道/频率/代码/时隙/的数量或者取决于通过***获得的关于无线信道质量的信息来给终端提供一部分信道使用。

Description

根据测量的质量函数给移动站分配信道数量的方法和设备

发明领域

本发明涉及诸如蜂窝通信***之类的无线通信***中的方法和设备，此***包括无线通信站。本发明尤其涉及一种用于在无线通信***中更好地利用可用无线资源的方法和方案。

背景技术

诸如CDMA(码分多址)和WCDMA(宽带码分多址)***之类的当前数字蜂窝***使用逻辑基站，这些逻辑基站使用时间、频率或代码分割或它们的组合来分开与移动站的通信。使用CDMA技术的无线接入***管理三个主要的资源：

·上行链路中的干扰，其中，上行链路是从移动站到逻辑基站的信号传送。

·功率。

·下行链路中的OVSF(正交可变扩频因子)码，其中，下行链路是从逻辑基站到移动站的信号传送。OVSF码的使用在下行链路物理信道之间保持正交性。

为了将在使用无线通信***的通信装置之间的干扰最小化，无线信号的功率电平可以被调节。例如，通过调节移动站和基站的发射功率电平，在移动无线话***中使用相同无线信道的不同呼叫连接之间的干扰可以被减少。目的是确保只有为保持满意的呼叫质量所必需的发射功率被使用，因此在使用相同无线信道的各个呼叫之间的干扰可能被减少。

在现有的***中，如此设计每个小区，以便在处于正常通信量情况下的例如大约90％小区中可以获得最小信号与干扰比(SIR)。如果不调节发射功率，则在每个小区中心的大多数呼叫具有比必需的SIR值好得多的SIR值，并且可以在其它小区***使用高发射功率电平作出呼叫以使那些呼叫被清楚地听到。换言之，如果不调节发射功率，则在小区中心的呼叫比必需的产生更多干扰。

蜂窝电话***功率调节的另一个优点是：假定所有呼叫的SIR都一样，则与一个未调节的***相比其能够增加大约70％的***容量。把功率保持在最低的可能电平上的另一理由是可以减少移动站消耗的能量。因此，在功率便携式移动站中使用的电池容量可以相对较小，结果便携式移动站就能被制造得更小。

然而，实际上，很难获得最佳功率调节，因为干扰电平随着时间以及发射和接收方的距离/位置的改变而变化颇大。

正如在J.Zander的”Optimum Power Control in cellular RadioSystems”(蜂窝无线***中的最佳功率控制)(KTH，report No.TRITTA-TTT 9101(1991年1月))中描述的一样，对于蜂窝***中的每个业务方案，存在能被所有呼叫获取的最大SIR比值，因此所有呼叫都具有相同的SIR比值。在功率调节方案中，所希望的是调节功率以便获得所述的最大SIR值，但是实际上，很难确定目标值。如果这个值设置过高或过低，则所有已调节的发射机功率将被增加到最高电平或者减少到最低电平，这由***的物理限制所确定。这种现象在本公开文件中被称为＂各方效应＂。

当尝试在整个小区中实现恒定的SIR比值时发现了各类问题，而各方效应是其中之一。例如，如果不同小区群中的两个小区使用相同的频率并且具有额定的最低功率电平和最高功率电平，相应小区中的移动电话可以对准该最低功率电平而不能以最高功率电平发射信号，则这将导致一个不稳定的***。位于第一小区的移动电话增加它们的发射功率电平以克服由第二小区中的移动电话所引起的同信道干扰并且从而达到恒定的SIR比值。同样地，第二小区中的移动电话增加它们的发射功率电平以克服目前已增加的来自第一小区中的移动电话的同信道干扰。第一小区中的移动电话然后又往上调节它们的功率发射电平。这种效应一直继续到第一和第二中的所有移动电话都用它们的最高电平发射信号为止，这导致在干扰问题以及电池供电的移动电话的功率消耗问题上没有改进。

最近，分组数据已被引入移动通信***。大多数分组数据应用可以被使用，并且它们利用不同的可用带宽，即它们是＂弹性的＂。分组数据应用可以在低比特率起作用，但是分组数据应用在高比特率被察觉到更好。为了优化无线资源，应该充分利用可用带宽。此外，分组数据应用对延迟偏差是更加不敏感的。

移动通信***正在从信道限制朝着干扰限制的方向发展。现今的可用信道和无线收发机容量比频谱更多。利用无线收发机的全部容量不会总是导致最高的总通过量，即最大网络容量。

所希望的是在无线网络不超载的前提下利用频谱容量，其产生许多用户被***临时拒绝的事实。所有用户平稳降低比划分选定的用户数目更为可取。

Tobagi及其他于1992年12月18日申请的美国专利文件5,446,735公开了一种在诸如交换式集线器中的端口、桥接器、或路由器之类的网络接口装置和一个或多个移动站之间共享的传输信道中分配带宽的方法，那些移动站使用了一种称为载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的技术。CSMA/CD技术在将下面被更详细地公开。在网络接口装置中，存储了关于信道中的分组发射成功或失败信息的变量被保持。如果信道被检测为等待状态，则网络接口装置用概率1发射分组。如果信道被检测为忙碌状态，则网络接口装置检测信道中的载波结束信号，其后等候一段等于干扰间隔的时期。另外，在附加的延迟期之后，网络接口装置重新尝试在信道中发射分组。即，美国专利文件5,446,735公开了当存在干扰时用于重新执行发射的算法。然而，当已经进入发射状态的用户一直占据该信道时，该类算法是无用的。

应当指出，CSMA/CD协议已经被设计用于包括具有两个主目标的多个移动站的网络。

(i)向连接到网络的所有移动站提供公平的接入，和

(ii)通过适配负载和增加重新调度分组的时段来避免比率很高的重复冲突。

在此，指数补偿算法的实施将被更详细地公开。在分组将从第一移动站被发射的情况下，在t2时刻受到它的秒连续冲突。根据指数补偿算法，该分组将被调度在时刻t2+k重发，其中，k是从范围[0、1、2、3]中选择的随机整数。例如，如果整数k被选择等于2或3，则几个时隙将被开放给其它移动站来在网络上发射一个或多个分组。从而，指数补偿算法自动地为其它逻辑基站或网络接口装置提供一部分带宽。

在Magnus Almgren等人于1993年5月14日申请的美国专利文件A-5,5574982中，公开了一种使用通信信道的信号与干扰比值来稳定无线***中的发射功率电平调整的方法。然而，电平控制并不可能总是被使用，并且有时电平控制对大多数频谱是无效的。例如，根据EGPRS(增强通用分组无线业务)标准的***有关于功率控制的限制。

发明内容

本发明打算解决的问题如下所列：

功率控制不可能总是被使用，并且功率控制有时候对频谱无效。

移动站的寻求通信的许可控制对所有用户来说都同等地没有降低质量，并且没有利用分组数据应用的弹性特性。

在诸如UMTS(通用移动电话***)之类的所有类型的无线接入***和GPRS***上，发射冲突不能被检测到。在被许可接入信道之后，重发射之前的等待没有控制负载。

本发明涉及特别诸如GPRS、WCDMA和WLAN之类的无线通信***的调度，并且本发明中说明的技术打算通过基于调度补偿的用户速率来控制各方效应，既不使用小区中的每个可用信道。根据本发明的调度补偿方法是基于控制信道/频率/代码/时隙的数目和取决于从***获得的关于无线信道质量的信息来给终端提供部分信道使用，例如从连接的终端获取下行链路质量。然而，它同样地可应用于上行链路控制。在那种情况下，质量信息从基站被获得。关于部分的信道使用，当发射分组数据时，几个用户共享相同的信道(频率/代码)，其中，信道按时分配。在那种情况下，按时配置可以被延长以至于一些时段被遗弃不用，即部分信道被提供和控制。

取决于不同的函数并且基于比如信道速率、一个或多个诸如C/I(载波干扰比值)、信号强度、BER(误码率)、BEP(误码概率)、FER(误帧率)和消耗功率之类的不同的测量，被分配给用户/移动电话的信道数量被控制。这些测量中的一个或多个可以被使用和组合用于根据本发明的调度。

根据本发明的一方面，可用信道极少负载，其中，质量好的无线信道被允许有高部分的负载，而信道质量越差则负载部分越低。本发明方法可以与功率控制一起被使用或者代替功率控制。最佳补偿调度因数β被使用，其用最小的***速率损失来最大化用户速率公平性。

本方法的一个优点在于，在功率并且频率可用性方面，它在对所有连接用户的接入中增加了用户公平性，以及不使网络过载而利用了***容量，从而根据网络的当前负载来调节和匹配所有当前用户的通信质量。例如，诸如TCP之类的弹性应用将被更均匀地对待。本发明方法还使得各方效应的危险性降至最小，并且在不可能使用功率控制来控制无线通信业务或者功率控制不是最有效的控制方法的***中，也可以使用本方法。

本发明的再一个优点是给诸如1-reuse EDGE、W LAN和UMTS之类的紧频率复用网络提供了增强的频谱效率。

本发明还有一个优点是它使每个小区/逻辑基站能独立运行并且在无线网络控制器中没有网络函数。网络函数被综合为算法和产品。

当干扰相对可用信道数量来说是一种更重要的限制因素时，调度补偿是更加有效的。

根据本发明的又一方面，功率和调度可以被组合用于某些应用。即施加功率控制并且使用受控功率作为信道质量测量之一。

在小区中提供了比有效利用无线资源所需的更多的信道/频率/代码的***中，本发明是尤其适当和有效的。

此说明书中使用的术语”comprises/comprising”(包括)是用于指定所述的特征、整数、步骤或元件的存在，其不排除一个或多个其它的特征、整数、步骤、元件或以上群体的存在或添加。

本发明适用性的进一步的范围将通过下文给出的详细说明而变得明显。然而应当理解的是，指出本发明优化实施列的详细说明和具体实例仅仅是说明性质的，因为本领域内技术人员通过此详细说明应该清楚，在本发明精神和范围内可以作出不同的改变和修改。

附图说明

图1是一个蜂窝通信***的基本结构的示意图。

图2是一个说明下行链路调度补偿的使用的框图。

图3是一个说明对于根据本发明的不同调度因数β的用户速率CDF的实例框图。

图4是一个说明作为补偿调度因数β的函数的信道使用率的框图。

图5是一个说明作为补偿调度因数β的函数的用户速率百分比的框图。

图6是一个说明根据本发明的两个不同补偿函数和所期望的信道使用的框图。

图7是一个说明两个不同补偿调度算法和根据本发明的结合调度补偿和功率控制的实例框图。

本发明将参照其中的优选实施例以及参照附图被详细说明。

具体实施方式

图1说明典型的蜂窝移动无线通信CDMA***中的十个小区C1-C10，并将其作为在本发明中使用的无线通信***的实例。一般来说，蜂窝移动无线通信***将用超过十个小区来实现。每个小区C1-C10分别与逻辑基站BS1-BS10，其在3GPP标准规范中称作结点B。逻辑基站可以支持FDD(分频双工)模式，TDD(时分双工)模式或双模式操作。图1还说明九个移动站MS1-MS9，这些移动站可以在这些小区内从一个小区移动到另一个小区。在此公开文件中，一个移动站被定义为任何类型移动站，例如装备有无线通信器材的移动电话或便携式电脑。在典型的蜂窝移动无线通信***中一般会有更多的基站和移动站。实际上，其中的逻辑基站的数目一般是移动站数目的好几倍。

图1还说明了无线网络控制器RNC。图1中说明的RNC通过电缆或干线被连接到所有的逻辑基站BS1-BS10，图中只示出了少数电缆。RNC和逻辑基站之间的接口还被称作Iub接口。无线网络控制器RNC通过Iu接口被连接到核心网络CN。Iu接口没有在图中被示出。RNC选择将被***移动站活动组的小区。活动组同时被连接到给定的移动站的小区组。核心网络是连接到一组RNC的网络，例如属于竞争运营商的固定网路或无线网络。

除了图1中作出说明的无线网络控制器RNC之外，还可能有通过电缆或固定的无线链路被连接到逻辑基站的其它RNC，称作Iub接口。无线网络控制器RNC、逻辑基站和移动站全部都是由计算机控制的。每个RNC负责其逻辑基站组中的资源。两个或更多的RNC可以借助Iur接口被互相连接。Iur接口可以通过两个或更多的RNC或使用任何适当的传输网络的虚拟网络之间的直接物理连接而被传送。Iur接口是允许在不同厂商销售的RNC之间进行软切换的接口。Iu和Iur都是逻辑接口。

图2说明了一个使用根据本发明的对发射下行链路进行调度补偿的方法的***。图2示出一个逻辑基站BS和一个移动站MS。逻辑基站包括三个块：块210，其中，测量数据被映射到信道速率；块220，其包括补偿算法；和块230，其中，被发射到移动站的数据量被控制。分组数据从逻辑基站BS被发送到移动站MS。移动站执行对接收的数据质量进行分析。分析结果然后在逻辑基站BS中作为报告被发射到块210。该报告包括与诸如C/I(信号与干扰比值)、BER(误码率)FER(误帧率)和/或BEP(误码概率)之类的下行链路无线信道有关的无线质量测量。如果一个或多个测量是可用的，则它们可以被组合以改进信道速率估算的准确度。在块210中，接收的无线质量测量Q根据下面的等式被映射到信道速率R_ref

R_ref＝f(Q)           等式(1)

其中，R_ref是给定信道的速率，例如一个时隙。比如，如果速率为10kbps的半个时隙被使用，则信道速率R_ref＝20kbps/时隙。

作为替换，信道速率R_ref还可以作为达到的速率被测量。确认信息然后可以被用来测量达到的移动站用户速率。用户速率与给定移动站当前正在使用的单个信道的信道/百分比数量有关。然后，用户速率可以被映射到信道速率。如果没有补偿，将被使用的期望信道数量是：即没有信道限制

$U_{\mathrm{des}}=\frac{R_U}{R_{\mathrm{ref}}}$       等式.(2)，

其中，R_u是所期望的用户速率。例如，如果所期望的用户速率R_u＝15kbps，而信道速率是20kbps，则四分之三的时隙被期望。从等式2可见，当信道速率R_ref降低时，更多的信道数量被期望。由于信道使用的增加导致了干扰的增加，所以降低的信道速率可能导致各方效应。为了防止所述的各方效应，所用信道的数量必须被限制。

具有所期望的补偿调度的部分补偿的调度控制算法被示为一个用于控制各方反应的工具，部分补偿在此公开文件中被称作β因数。部分赔偿导致了信道使用得越多，目标和达到的质量就越低。调度补偿功能被用来限制所使用的信道：

U_use＝g(R_u，R_ref)        等式(3)

信道质量越差，所期望的信道数量函数就越降低。本领域普通技术人员应当理解：两个函数等式(1)和等式(3)可以被合并以便获得作为被报告的信道质量函数的所用信道：

U_use＝h(R_u，Q)         等式(4)

在有功率控制的***中，消耗功率补偿信道质量。例如，在UMTS中，快速的功率控制通过平衡C/I来充分地补偿信道质量。在那种情况下，消耗功率可以用作等式(4)中的质量测量(Q)。补偿函数等式(3)的实例是指数补偿函数：

$U_{\mathrm{use}}={\left(\frac{R_U}{R_{\mathrm{ref}}}\right)}^{\mathrm{\β}}$       等式(5)

其中，指数B位于0和1之间(1代表没有补偿)。蜂窝***的好的选择是

$\mathrm{\β}=\frac{B}{B+20}$         等式(6)

其中，B是根据Okumara-Hata模式的传播常数。Okumara-Hata模式的完整定义可以在例如Garry C.Hess，Artech House Publishers的”Handbook of land-mobile radio system coverage”(地面移动无线***覆盖范围手册)中找到。举例来说，图3是一个说明以千位/秒(kbps)表示的用户速率与补偿调度因素的关系曲线的框图。该框图是用EDGE的无线网络模拟(GSM发展增强数据速率)***而获得的。每个基站在4个时隙上的1秒中使用表示所有RLC块(无线链路控制)的200个信道。只有下行链路被模拟。每个用户使用所有通过算法(100％负载)被分配的资源(RLC块和速率)。

这种状态类似于一个分组数据排队等候到所有用户的过载***，其中，没有用户能够在模拟的秒/急射中结束其通信。下列测量和调节回路在每个急射(秒)都被重复：1)RLC块(信道)被随机分配到移动电话。通过调度补偿算法，每个移动电话的RLC块数目U_use被控制；2)测量每个RLC块的C/I值。没有迅速衰退被模式化，因此到移动电话的所有的RLC块都具有相同的C值，同时还因为随机的RLC块分配而具有不同的I值；3)C/I(dB)被映射到RLC块速率(kbit/block)。RLC块的平均速率被计算并且用作调度补偿算法中的R_RLC。在20次重复之后，结果用户速率被测量为到每个用户的所有RLC块的速率总和。为了避免在干扰限制之前达到信道限制，一个1-reuse频率计划被使用(所有的可用频率被用于每个小区)。因为这是一种是EDGE没有被信道限制并且调度补偿优于功率控制的方案，所以100％的1-reuse被模拟。术语1-reuse被定义为每个小区中的所有可用频率都被使用。术语100％负载被定义为每个可用频率都被用于发射。

所期望的用户速率Ru被设置为10kbps/用户。结果用户速率CDF(累积密度函数)在图3中被示出。

正如所看到的，因为β的增加，从而更多的信道被分配给每个移动电话以达到所期望的10kbps的速率从而产生增加的达到用户速率。对于β为0的情况，6个或少于所有的移动电话会通过增加的β而增益。对于β为0的情况，7个或更多一些的移动电话将被降低，该降低是由产生更多降低的被增加的信道使用率造成的。信道使用率的增加在图4中被示出，其中，示出了信道使用率由于β比7大而增加颇大。用户速率百分值在图5中被示出。

从实例可以看出，公平性的改进是相当可观的。通过根据本发明的调度补偿，β为7/11，以3,2kbps被提供服务的用户百分比从56％被提高到89％，即传播常数B＝35。

根据等式(3)的补偿函数的另一个实例是一个干扰能量补偿：

$R_{\mathrm{ref}}=\frac{R_U-10\·\log U_{\mathrm{use}}}{U_{\mathrm{use}}}$       等式(7)

在这种情况下，U_use被数字地求解出给出的信道速率。然而，当能够使用图表时，这不是一个重要的实施问题。

图6是一个说明所期望的所用信道U_des以及两个补偿函数等式(5)和等式(7)的U_use和R_ref的关系曲线的图表。

根据本发明，功率和调度可以被结合用于某些应用。即，因为等式1中的信道质量测量Q而施加功率控制和使用结果功率。一个实例将针对某个C/I目标施加一个充分的补偿功率控制(没有β因数)。然后，根据唯一的测量，功率然后反映出链路质量良好并且可以被使用。因为功率被充分地补偿，所以必须用调度补偿来防止各方效应。干扰能量补偿可以被修改以考虑到消耗功率：

$P=\frac{R_U-10\·\log U_{\mathrm{use}}-U_{\mathrm{use}}{R}_{\mathrm{ref}}}{20/B}$       等式(8)。

R_ref在这种情况下不被测量，它是一个常数，即达到在功率控制中使用的C/I目标的信道速率。

在图7中，调度补偿函数的两个实例和调度补偿与功率控制相结合的一个实例被与功率控制相比较。根据以上所述从模拟得出结果。对于EDGE，C/I目标值最好选择为7.5db，发明者从谱效率角度发现这是一个最佳选择。该目标值被用于功率控制算法。通过许多本领域技术人员熟知的如软件和硬件方法，本发明可以在无线通信***中被实现。如果使用软件，则本发明可以被存储在适当的诸如机械存储器装置等等之类的计算机可读媒介中，该存储器装置可以被CPU访问从而执行本发明。这些测量对于本领域普通技术人员而言是熟知的，因此就不在此详细说明了。

已说明的实施例集中于控制下行链路信道使用，即在蜂窝***中从基站到移动电话。然而，本领域普通技术人员应当理解，本发明对于控制蜂窝***中的上行链路同样是可用的和适当的，这是因为已说明的算法位于本地的并且不需要网络资料或控制。在这种情况下，该算法可以执行于移动终端中。此外，诸如WLAN之类的特定网络也是可适用的技术区域，其中，算法可以被执行于移动终端中。

本发明从而这样被说明，显而易见的是，相同部分可以在许多方面作出变化。这类变化被认为没有偏离本发明的精神和范围，并且对于本领域技术人员来说显而易见的是，所有这类修改都被认定在下列权利要求规定的范围内。

Claims (12)

1．一个方法，用于给无线通信***中的移动站分配信道，该***具有至少一个逻辑基站和至少一个移动站，该方法包括下列步骤：

测量所述至少一个移动站所使用的信道的质量，其中，被分配给该至少一个移动站的信道数量根据被测量的信道质量的函数而被控制，

其特征在于：所述至少一个移动站使用的所述信道的信道速率被估算或者测量，并且被分配给所述至少一个移动站的信道的数量Uuse根据所述估算或测量的信道速率的函数而被确定，其中 $U_{\mathrm{use}}={\left(\frac{R_U}{R_{\mathrm{ref}}}\right)}^{\mathrm{\&beta;}},$ R_U是期望／目标用户速率，R_ref是被估算或测量的信道速率，和β是调度控制指数，0<β<1。

2．权利要求1的方法，其特征在于：信号干扰比被测量并被用于估算R_ref。

3．权利要求1的方法，其特征在于：信号强度被测量并被用于估算R_ref。

4．权利要求1的方法，其特征在于：BEP被测量并被用于估算R_ref。

5．权利要求1的方法，其特征在于：BER被测量并被用于估算R_ref。

6．权利要求1的方法，其特征在于：FER被测量并被用于估算R_ref。

7．权利要求1的方法，其特征在于：根据 $\mathrm{\&beta;}=\frac{B}{B+20},$ 指数β被设置为期待的环境传播常数的一个函数，其中，B是根据Okumafa-Hata模型的传播常数。

8．权利要求1的方法，其特征在于：指数β被设置为0.7。

9．一个设备，用于给无线通信***中的移动站分配信道的***，该无线通信***具有至少一个逻辑基站和至少一个移动站，该设备包括：

用于发射数据到所述至少一个移动站的装置：

用于接收有关由所述至少一个移动站所用信道的质量的信息的装置；和

用于控制被分配给该至少一个移动站的信道数量，作为被测信道质量的函数的装置，其特征在于：

所述用于控制被分配的信道数量的装置根据权利要求1所述的方法确定分配的信道数量。

10.一个移动站，用于给无线通信***中的移动站分配信道的***，该无线通信***具有至少一个逻辑基站，该移动站包括：

用于接收从所述的至少一个逻辑基站发射的数据的装置；包括：

用于测量和分析被接收的数据质量的装置；和

用于发射分析结果到所述的至少一个逻辑基站的装置，该分析结果形成控制被分配的信道数量的根据，其特征在于：该分析根据权利要求1被执行。

11.一个移动站，用于给无线通信***中的移动站分配信道的***，该无线通信***具有至少一个逻辑基站，该移动站包括：

用于发射数据到所述的至少一个逻辑基站的装置，包括：

用于接收有关所述至少一个移动站所用信道的质量的信息的装置；和

用于控制被分配给该至少一个移动站的信道数量，作为被测量的信道质量的函数的装置，其特征在于：被分配的信道数量根据权利要求1被确定。

12.一个设备，用于给无线通信***中的移动站分配信道的***，该无线通信***至少具有一个逻辑基站和至少一个移动站，该设备包括：

用于接收从所述至少一个移动站发射的数据的装置；

用于测量和分析被接收的数据质量的装置；和

用于发射分析结果到所述至少一个移动站的装置，该分析结果形成控制被分配的信道数量的根据，其特征在于：该分析通过根据权利要求1的函数被执行。

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