CN101940019A - 在包括一组小区的蜂窝网络中根据射频频谱分配带宽的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在包括一组小区的蜂窝网络中根据射频频谱分配带宽的方法。每个小区包括为该小区中的一组移动台服务的基站。每个基站周围的区域被划分为中心区和边界区。在每个基站中，根据小区间干扰协调(ICIC)协议预留用于所述中心区的带宽，并且根据所述ICIC协议和基站协作(BSC)协议预留用于所述边界区的带宽。于是，当移动台在所述中心区和所述边界区中与基站通信时，根据所述预留带宽将所述带宽分配给移动台。

Description

在包括一组小区的蜂窝网络中根据射频频谱分配带宽的方法
技术领域
本发明总体上涉及无线蜂窝网络中的动态无线资源分配，更具体地，涉及减少小区间干扰。
背景技术
OFDMA
正交频分复用(OFDM：Orthogonal frequency-division multiplexing)是一些无线网络在物理层(PHY：physical layer)使用的调制技术，例如，根据众所周知的IEEE 802.11a/g和IEEE 802.16/16e标准设计的网络。正交频分多址(OFDMA：Orthogonal Frequency Division Multiple Access)是基于OFDM的多址接入协议。在OFDMA中，分离的多组正交子载波(子信道或频率)和时隙被基站(BS：base station)分配给多个收发机或移动台(MS：mobile station)，从而收发机可以并发地通信。由于OFDMA在无线资源分配中的有效性和可变性，其在诸如基于3GPP长期演进(LTE)和IEEE 802.16m标准的网络的许多下一代蜂窝网络中被广泛地采用。
OFDMA资源分配
射频(RF：Radio frequency)通过在频带内改变波的振幅、频率和相位的组合来承载信息。许多政府通过频率分配来管制射频频谱的使用。
如在此使用和定义的，带宽表示射频频谱的一部分。例如，IEEE802.11a使用5GHz U-NII频带中的带宽，提供8个不重叠信道，802.g使用2.4GHz频带中的带宽，与802.11b类似，但是802.g中的基于OFDM的传输方案与802.11a相同。IEEE 802.16a被修正为802.16并使用2-11GHz频带中的带宽，以进行多点通信，802.16e使用可扩展的OFDMA数据，支持1.25MHz到20MHz之间的信道带宽，可多达2048个子载波，并且，802.16m预期工作在20MHz或更高的RF带宽上。
带宽和时间是无线通信中的两个稀缺资源，因此需要有效的分配方法。无线应用和用户收发机，即，移动台(MS)的迅速增长，需要可以增加网络容量并减少调度开销的优良的无线资源管理(RRM：Radio resource management)方法。因此，针对OFDMA开发有效的无线资源分配协议对于无线通信具有重要意义。
主要的挑战是在大地理区域中针对大量的收发机(也被称为用户、节点或终端)分配有限的可用RF频谱的带宽。通常，基站分配资源。换言之，相同的频谱可以在多个地理区域或小区中被使用。当邻近小区中的收发机或移动台(MS)同时使用相同的频谱时，将不可避免地导致小区间干扰(ICI：inter-cell interference)。事实上，ICI被证明是无线蜂窝网络的主要性能限制因素。
为了使频谱效率最大化，在OFDMA小区调度中使用1作为频率复用因子，即，相同的频谱同时由BS和MS重复使用。可惜的是，该高频谱效率不可避免地导致ICI。因此，需要优良的ICI管理协议。
针对单个小区，大多数传统的分配方法在每一个MS利用不同的子信道以便避免小区内干扰的假设之下对功率或吞吐量进行优化。即，小区中所有的MS使用不相交的子载波来发送和接收信号。从而，可以没有干扰。
在单小区资源分配中的另一个重要的假设是BS已经获得了子信道的信噪比(SNR：signal-to-noise ratio)。在从BS到MS的下行链路(DL：downlink)信道中，通常由MS估计SNR并将该SNR反馈到BS。在从MS至BS的上行链路信道中，BS可以基于从BS接收的信号直接估计SNR。
在多小区情形下，难以得到信号干扰噪声比(SINR：signal-to-interference-and-noise ratio)，因为干扰可以来自多个小区中的BS和MS，并且取决于多种因素，诸如，干扰源(interferer)的距离、位置和所占据的信道状态，而这些因素在资源分配之前是未知的。这导致与ICI的相互依存并使资源分配问题复杂化。从而，需要有实用的多小区资源分配方法，其无需关于SINR的全面的、完美的知识。
小区间干扰协调(ICIC)
小区间干扰协调(ICIC：inter-cell interference coordination)是在小区的相对地远离BS的区域中，即，在小区边界的区域中可以有效地减少ICI的协议。通过向与不同的小区关联的小区边界附近的MS分配不相交的信道资源来实现ICIC。因为边界MS最易于出现高ICI，所以，通过在边界MS之间协调信道分配，可以大幅度减少总的ICI。更具体地，ICIC通过向地理上离得很远的MS分配相同的资源来减少ICI干扰，从而减少了由于干扰导致的路径损耗。
然而，纯粹基于避免边界MS的资源冲突的ICIC仅为下行链路通信提供有限的性能增益，因为它没有考虑由于在小区中心从BS到MS的传输所导致的干扰。
空分多址接入(SDMA)
空分多址接入(SDMA：space division multiple access)通过使用具有预编码和多用户调度的多输入多输出(MIMO)技术来提供多用户信道接入。SDMA使用小区内的MS位置的空间信息。利用SDMA，信号的辐射模式适用于在特定方向上获得最高的增益。这常被称为波束成形或波束调向。波束成形是用于定向信号的发送或接收的信号处理技术。波束成形利用干扰来改变信号的方向性。当发送时，波束成形器控制信号的相位和相对振幅来生成相长干扰和相消干扰的模式。当接收时，将来自不同天线的信息相结合，以使得可以优先观察到所期望的辐射模式。
支持SDMA的BS利用相同的资源向多个移动台同时发送信号。SDMA可以增加网络容量，因为，SDMA允许空间复用。然而，即使使用SDMA，ICI仍然是关键问题。
基站协作(BSC)
基站协作(BSC：base station cooperation)允许多个基站利用波束成形同时向单个MS发送信号，而且共享相同的资源，即，时间和频率。
BSC将SDMA技术用于BS，以便向MS协作地发送信号。BSC特定地用于在多个BS的发射范围之内的边界MS。在此情况下，来自另一BS的干扰信号现在成为有用信号的一部分。从而，BSC具有两个优点，空间分集和ICI降低。
分集组
通常，每个MS登记一个被称为锚定BS或服务BS的BS，并且与该BS通信。然而，在诸如切换的一些情形中，会发生与多个BS的并发通信。在IEEE 802.16e标准中定义了分集组来达到此目的。分集组记录锚定BS和在MS的通信范围之内的邻近BS。分集组的信息也在MS处得到维护和更新。
宏分集切换(MDHO)
在宏分集切换(MDHO：macro diversity handover)期间，多个基站向在切换(HO)区域中的一单个MS发送相同的信号。宏分集增加所接收的信号强度并减小HO区域中的衰落。当MS经由边界区从一个小区移动到另一个小区时，使用MDHO。通过使BS向MS发送相同信息的多个拷贝使得可以在MS处执行RF合并或分集合并，从而利用从BS至MS的下行链路(DL)完成转换。
在从MS至BS的上行链路(UL：uplink)中，通过使两个或更多个BS从HO区中的MS接收相同信号来完成转换，从而选择分集可以使用“最佳的”上行链路。尽管对于复制的信号使用相同的资源，但是，MDHO可以减小ICI。即，因为MS使用来自多于一个小区的资源，所以，MDHO浪费了资源，否则，这些资源可以被其它MS利用。
发明内容
本发明的实施方式提供一种用于在无线网络中分配资源的方法，该方法整合了干扰管理协议，即，小区间干扰协调(ICIC：inter-cell interference coordination)和基站协作(BSC：base station cooperation)。
小区区域被划分为小区中心区和小区边界区。小区中心区接近基站，而边界区远离基站。边界区进一步被划分为一组扇区，例如，三个。假设基站知道该区域的大致几何形状和移动台(MS)在区域中的位置。
预留最小的带宽，用于小区中心区和小区边界区中的MS的带宽分配。因此，避免了消耗所有的带宽，并且MS不会被不必要地拒绝接入。确保的带宽的确切量取决于实际的设计，可以进行相应调整。
对于中心区的MS，使用ICIC。对于边界区的MS，支持ICIC和BSC这两种干扰管理协议。为ICIC分配固定的带宽，而为BSC分配可变的带宽。BSC带宽的可变性可以适应通信负荷的变化，即，被服务的MS的数量。可选地，如果有需要，BSC带宽可以部分地或全部地切换到ICIC的用途。
然而，BSC带宽的适应性变化可能导致在相同的BSC中所不会涉及到的扇区内的频谱重叠，从而发生ICI。然而，由于小区边界区的扇区划分导致在该特定的资源分配协议中该影响最小，其中，所述小区边界区的扇区划分隔离非BSC协作扇区。
附图说明
图1A是根据本发明实施方式的无线资源分配协议的示意图；
图1B是根据本发明实施方式在邻近小区实现的ICIC频谱分配的示意图；
图1C是根据本发明实施方式在邻近小区实现的BSC频谱分配的示意图；
图2A是根据本发明实施方式的带宽重复使用设计的示意图；
图2B是根据本发明实施方式的另选的带宽重复使用设计的示意图；
图2C是根据本发明实施方式的另选的带宽重复使用设计的示意图；
图3是根据本发明实施方式针对ICIC情形的具有两个移动台和两个基站的蜂窝网络的示意图；
图4是根据本发明实施方式针对BSC协议的具有两个移动台和两个基站的蜂窝网络的示意图；
图5是根据本发明实施方式的小区划分的示意图；以及
图6是根据本发明实施方式的资源分配方法的流程图。
具体实施方式
资源分配
图1A示出根据我们的发明的实施方式的无线资源分配结构。图1A示出蜂窝网络的七个小区100。为简化该图，以六边形形状100示出在每个小区中服务的区域。应理解的是，这是小区形状的近似，例如，取决于小区中的地形、拓扑和建筑(如，建筑物)，也可以是其它形状。
在每一小区的大致中心处有基站110。基站在小区中为移动台(MS)111服务。应理解的是，BS可以利用基础设施400或网络的主干来彼此协作，如在现有技术中已知的并且在图4中示出的。
图1A的配置可以推广至多于七个小区。这里，频率复用因子是1。即，每一小区使用分配给网络的全部带宽。针对小区1至7，每一小区区域在地理上被划分为小区中心区(D)101和小区边界区102。
如在此定义的，小区区域是关于整个小区的，而区则是对该区域的划分。在所示的实施方式中，小区区域被划分为中心区和多个小区边界区，例如，三个小区边界区。然而，应理解的是，也可以是其它划分。在该说明中，针对带宽分配目的的多种划分被有效地应用于区内的基站和移动台。
小区中心区101离邻近小区更远，从而向小区中心区的移动台的发射导致对邻近小区中的移动台的较少小区间干扰(ICI)。相反地，小区边界区102毗邻邻近小区的边界区，从而向边界区的移动台的发射会导致及遭受更强的ICI。
换言之，应该更加谨慎地管理边界区域中(对移动台)的资源分配，以使得ICI减少。通过结合诸如ICIC或基站协作(BSC)的ICI管理协议来执行针对边界区的计划，可以减少ICI。
具体地，通过在邻近小区边界区(例如，A1、A2和A3；或B1、B6和B7；或C1、C4和C5)中向移动台分配非重叠带宽资源来实现ICIC。图1B用不同的影线标记代表非重叠带宽分配来示出非重叠资源。
相比之下，通过向位于邻近小区边界区的并涉及相同的BSC操作的移动台分配相同的带宽资源来实现BSC。这在图1C中示出。注意到，我们的无线资源分配协议允许同时使用ICIC和BSC管理协议。
带宽分配
图2A至图2C示出根据本发明实施方式的带宽分配协议的示例。如在此使用并定义的，带宽表示射频频谱的一部分。在这些附图中，水平轴指示可用带宽，而垂直轴指示小区中心区(D)和边界区(ABC)。应理解的是，当我们描述对于区的带宽分配时，我们表示将预留的带宽分配给各区内的基站和移动台之间的通信。
最初，在计划期间，基站可以彼此通信，确定它们的地理关系和不同的区。在该计划阶段确定的预留带宽可以随后在MS进入和退出不同的区时分配给移动台。
在如图2A所示的各个小区中，全部可用的网络带宽被划分为两部分：第一部分预留给小区中心201中的移动台，而第二部分预留给小区边界区202中的移动台。
这两部分的比率取决于通信负荷，并可以随着负荷的变化而动态地调整。这里，我们示出对小区边界区和小区中心区相等的预留带宽，使得该比率为1∶1。小区中心对于所有小区使用带宽D。假设小区中心在地理上是分离的，使得ICI不是问题。
对不同小区区域的小区边界区中的移动台的分配是经过仔细设计的，以实现ICIC或允许BSC，或者这两者均得到实现。
如图2A所示，我们对小区边界区的带宽分配允许使用这两个协议，即，ICIC(固定的)203和BSC(可变的)204。
在图2A中，在同一列中示出的区内的移动台分配到相同的带宽。为了实现ICIC 203，邻近扇区内的移动台分配到不相交的频带，以减小ICI。例如，区A1(205)、A2(206)和A3(207)是物理上邻近的区，并且这些区内的移动台分配到不相交的频带。这也适用于区B1、B6、B7和C1、C4、C5。
为了实现BSC 204，在邻近区内的移动台，例如，A1 205、A2 206、A3 207，分配到相同的带宽以允许BSC协议。
如图2A所示，在各个不同的区内，可分配的频带的大小可以动态地适应通信负荷。如图2B所示，在没有通信负荷使用BSC的极端情形中，例如在区A1(251)、A2(252)和A3(253)内的移动台可以从BSC转换至ICIC而不影响其它区。这种可变性是非常令人满意的，因为，BSC协议需要多个天线，而ICIC则不需要。因此，在该实施方式中，可以将ICIC视为干扰管理的主要方法，而将BSC视为干扰管理的次要方法。
图2C示出另一种分配可能性。与图2A的不同是对小区边界区的ICIC带宽分配。具体地，首先将带宽分配至小区边界区，使得任何邻近的小区(例如小区1、2和3)具有不相交的带宽。通过这样做，具有最强干扰的移动台(例如，在区A1 271、A2 272、A3 273内的移动台)在不相交的频带上通信。然后，任何剩余的带宽被分配给小区中心区(内的移动台)。
ICIC情形
图3示出针对ICIC情形具有两个BS(301和302)和两个MS(303和304)的网络。在图3中，一个小区边界MS 303与其BS 301通信，而另一个小区边界MS 304与其BS 302通信。由于它们接近，如果MS 303和MS 304同时使用相同的频带，则将导致干扰306和307。因此，ICIC协议在不同的频带上分开两个干扰信号，从而干扰被最小化。
BSC情形
图4示出具有两个MS和两个BS的BSC情形。在非BSC情况下，两个小区边界MS(403和404)单独地与其BS(分别为401和402)通信。利用BSC，可能的干扰信号405至408变成有用的信号，从而通过允许MS与两个BS同时地通信来抑制ICI。
只要基站具有可以支持BSC运行的多个天线，图4示出的两个MS、两个BS的网络可以运行在相同的时间和频率资源上。
单个小区分区
图5示出单个小区区域501和其小区中心区502。小区中心区502的尺寸影响如图2A所示的小区中心区201和小区边界区202之间的带宽分配。
如图1A所示，如果MS近似均匀地分布于小区内，并且每个移动台具有相似的通信负荷，那么小区中心区502与整个网络带宽的带宽比(BR)和中心区502与小区区域501的尺寸的比率是成比例的。一些示例性的r和a的值以及所得到的BR列于下表A中。
表A
  r/a   BR
  1/2   0.3023
  2/3   0.5374
  3/4   0.6802
  4/5   0.7739
用于小区边界区内的MS的BSC的容量增益随着r/a的增加而增加。图2A、2B和2C使用0.5的BR，大致对应于r/a等于2/3的情形。
图6示出在蜂窝网络中预留和分配带宽的一般方法的步骤。
在计划阶段，基站601利用基础设施605来确定网络的拓扑。
拓扑被划分620成针对每个基站的区域，并且每个区域被进一步划分成中心区621和边界区622。边界可以被进一步划分为一组扇区。
根据ICIC协议为每个中心区预留630带宽以供使用，同时，根据ICIC和BSC协议，边界区预留640带宽以供使用。为ICIC预留的带宽是固定的，而为BSC预留的带宽是可变的。
在预留了带宽资源645之后，当移动台602进入网络的不同区时，可以将这些带宽资源645分配给移动台602。预留的资源645可以被动态地更新660并重新分配，以适应对通信负荷和网络拓扑的改变。
虽然通过优选实施方式的示例描述了本发明，但是，应当理解的是，在本发明的精神和范围之内可以做各种其它改变和修改。因此，所附权利要求的目的是在本发明的真正的精神和范围内包括所有这类变化和修改。

Claims (18)

1.一种用于在包括一组小区的蜂窝网络中根据射频频谱分配带宽的方法，其中，每个小区包括为该小区中的一组移动台服务的基站，该方法包括以下步骤：
将每个基站周围的区域划分为中心区和边界区；
在每个基站中预留带宽，用于根据小区间干扰协调协议在所述中心区中进行分配；
在每个基站中预留带宽，用于根据所述小区间干扰协调协议和基站协作协议在所述边界区中进行分配；并且
当所述中心区内的所述移动台和所述边界区内的所述移动台相应地与所述基站通信时，向所述移动台分配所预留的带宽。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述划分的步骤利用所述网络的基础设施。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，为所述中心区预留的所述带宽与为边界区预留的所述带宽是不相交的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述边界区用于所述小区间干扰协调协议的所述带宽和在同一小区的所述边界区用于所述基站协作协议的所述带宽是不相交的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，为特定小区的中心区预留的所述带宽与为邻近小区的边界预留的所述带宽是不相交的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在特定小区的所述中心区为所述小区间干扰协调协议预留的所述带宽与在邻近小区的所述边界区为所述小区间干扰协调协议预留的所述带宽重叠。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述边界区为所述基站协作协议预留的所述带宽也被用于所述小区间干扰协调协议。
8.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：
将每个边界区划分为一组扇区，并且所述方法还包括以下步骤：
当所述移动台使用所述小区间干扰协调协议时，为不同小区中邻近的边界区预留并分配不相交的带宽；并且
当所述移动台使用所述基站协作协议时，为不同小区中邻近的边界区预留并分配相同的带宽。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，为特定小区的所述中心区预留的所述带宽与为同一小区的所述一组扇区预留的所述带宽是不相交的。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，针对所述一组扇区为所述小区间干扰协调协议预留的所述带宽与针对同一小区的所述一组扇区为所述基站协作协议预留的所述带宽是不相交的。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，为所述中心区预留的所述带宽与为邻近小区的所述边界区中的所述一组扇区预留的所述带宽是不相交的。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述中心区为所述小区间干扰协调协议预留的所述带宽与在邻近小区的所述边界区为所述小区间干扰协调协议预留的所述带宽重叠。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，针对所述边界区的所述一组扇区为所述基站协作协议预留的所述带宽也用于所述小区间干扰协调协议。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，为所述小区间干扰协调协议预留的所述带宽是固定的，而为所述基站协作协议预留的所述带宽是可变的。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，为所述中心区预留的所述带宽与为所述边界区预留的所述带宽的比率取决于通信负荷。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述比率随着通信负荷的变化而动态地调整。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述比率取决于所述中心区和所述边界区的尺寸。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述移动台在所述一组小区的所述中心区和所述边界区之间是移动的，并且所述分配动态地进行更新。
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