CN102413093A

CN102413093A - 一种ofdm网络容量估算方法

Info

Publication number: CN102413093A
Application number: CN2011104498953A
Authority: CN
Inventors: 黄学明
Original assignee: SUZHOU NG NETWORKS CO Ltd; Shanghai Jiaotong University
Current assignee: SUZHOU NG NETWORKS CO Ltd; Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-04-11
Also published as: WO2013097341A1

Abstract

本发明公开了一种OFDM网络容量估算方法，包括以下步骤：步骤101.选择具体的网络方案以及相关的参数；步骤102.定义SINR的变换为SINR_trans；步骤103.通过斜率D和截距系数G得到信道活性线性函数a_i；步骤104.从信道活性线性函数a_i中计算出单个用户的信道活性a；步骤105.确定总的上/下信道活性；步骤106.核对总的上/下信道活性是否小于1；步骤107.如果总的上/下信道活性大于1，则网络容量超载，去除相关参数，然后重新进入步骤101；步骤108.如果总的上/下信道活性小于1，则网络容量可以用于服务，保存相关参数，然后重新进入步骤101。

Description

一种 OFDM 网络容量估算方法

技术领域

本发明涉及数据通信技术领域，尤其涉及一种用于采用自适应调制和编码及正交频分复用技术的无线网络的容量计算方法，具体的说是一种OFDM网络容量估算方法。

背景技术

为了估算现有网络或者在无线网络规划网络结构时，必须确定整个网络或者部分网络的容量和覆盖以及网络预期的负载。这样一个计算对于设置天线参数，修改和匹配网络元素以及构建一个全新的无线网络都是非常需要的。容量描述了在通信网络中潜在的数据吞吐量以及通过该网络能够服务的用户数。通常，一个无线通信网络包含一些基站或天线台，每个覆盖一个固定区域。当无线网络用户位于这些覆盖区域时，将至少通过一个服务的天线连接到该网络。因此，台站的位置和天线参数设置对网络的容量以及整个网络的效率影响很大。为了优化这些网络参数，各种问题，如用户的数量以及位置，提供的服务类型，用户需求，网络设备间的干扰和噪声以及其他更多问题都要考虑。

对于数据传输，无线链接的信号被调制到一个载波信号上。这可以通过改变载波的相位，频率或者振幅。如数字调制技术有，移相键控（PSK）、移频键控（FSK）、振幅键控（ASK）。在移相键控中，被传输的信号通过改变参考信号的相位来完成调制。限定数量相位中的每一个对应一个仅有的比特模式，形成一个符号，该符号定义了允许传输一个数字信号包含的比特。接收端的解调器能够通过相位检波或变相来提取原始信号。还有许多相位可用来进行相位调制，如二进制移相键控采用两个相位以及正交移相键控采用四个相位。类似方法，移频键控的数据传输通过改变载波信号的输出频率实现，如，在两个BFSK或更多离散频率之间。振幅键控保持频率和相位不变改变振幅来传输信号, 例如采用两个不同等级的振幅来表示二进制的0和1。更多众所周知的调制方法如，正交振幅调制（QAM），采用两个不同相位的载波进行振幅调制。术语“正交”指在90°相位时这些载波进行切换。可以设想进一步的技术和组合。此外，各种编码技术使得信号更加适合传输，这将包括改善传输质量和精确度，修改信号的频谱，增加信息量，提供错误检测和纠正以及数据的安全性。许多编码方案已经比较成熟并广泛地应用于诸如前向纠错等技术。

每个调制和编码方法都有他本身的优势如带宽的实现，以及容错和抗干扰性。因此调制和编码方案对于无线通信网络的数据传输率有重要的影响。自适应调制和编码（AMC，也叫做链路自适应）充分利用了这个技术特点。通过AMC, 根据当前获得的信号质量和当前的信道情况来确定随后的通信链路中的数据传输的调制和编码方案。这可以通过反馈给发射机传输的信号质量来获得，或者假设接收到的信号近似于发射的信号。一些编码方案可支持高传输率或数据吞吐量，而另一些方案在牺牲比特率的情况下提高了抗干扰能力、降低了误码率。***可以实时选择合适的调制和编码方案以优化信号与干扰加噪比（SINR），即无线链接的信号质量。当SINR 降低到低于预定义的门限值时，为了获得一个更好的SINR应该改变调制方法。其他一些与通信链路或协议相关的参数也会随着调制和编码方案而改变。

数据传输的另外一种调制方法OFDM，不仅仅局限于无线通信网络。OFDM是一个基于多个正交子载波的调制方法。每个子载波通过以上介绍的调制方法如 QAM 或 PSK,完成低符号速率的调制。正交可以防止子载波之间的串扰，尽管子载波的频率段非常接近。

OFDM 的概念同样可用于接入方案，即 OFDMA (正交频分复用多址接入)。这个基本的方法就是将不同的OFDM子载波指定给不同的用户。不过，OFDM 也可以与其他接入方案相结合，如时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）以及码分多址（CDMA）等多址接入。

典型的采用OFDM/OFDMA 的网络有：LTE（长期演进技术），作为后3G移动通信的主流技术；WiMAX (全球互联微波接入), 目的是提供远距离的无线数据传输；以及Flash-OFDM (快速低延时无缝切换OFDM接入)，基于分组数据交换的移动通信网络。本文对这些通信网络的基本原理以及相关的技术标准不作详细讨论。

以上介绍的AMC 适用于 OFDM ***, 每个正交子载波都采用自适应调制和编码，这将进一步提高链接的稳定性。当然，AMC 也可同时应用于全部或部分子载波。

在一个基于OFDM的网络 ,一个天线服务的用户数量很大程度上取决于相邻天线的干扰。当干扰比较大的时候，获得的信噪比就小，因此AMC就会选择一个吞吐量较小但是较高噪声稳定性的调制方案。反之，来自网络中其他天线的干扰取决于他们的位置、设置、以及负载等。一个天线的负载又取决于该天线服务的用户数以及来自其他天线的干扰。因此，每个天线的传输和用户容量不能单独考虑，而应该用一个耦合方程组把所有的天线和用户因素考虑进去。由于用户数及用户位置数大大超出可能的天线位置，对应方程中用户位置的存在使得耦合方程组的解复杂化。举个例子，考虑一个网络包含100至10000个天线位置，同时要考虑的用户位置却要多达1000万个。这使得通信网络的性能估算成为一个冗长的数值方程组的求解过程。

在UMTS (通用移动通信***) 无线网络中，基本情况类似。但是，我们知道UMTS网络中采用的自适应功率控制可以线性化，这样，只需考虑用户位置的平均影响，从而可以把用户位置从耦合方程组中去除掉，很大程度上简化了方程组。通常只剩下大约100到10000个方程，可以很方便地通过数值迭代算法求解，从而得到一个简单快速的UMTS网络容量估算方法。

由于OFDM网络没有自适应功率控制机制，所有信号采用恒定的发射功率，故上述UMTS***中采用的方法不能够用于OFDM网络。因此，目前只有采用复杂而费时的仿真技术来计算OFDM网络的容量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种OFDM网络容量估算方法，采用了以下技术方案实现：

一种OFDM网络容量估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤101.选择具体的网络方案以及相关的参数；

步骤102.定义SINR的变换为SINR_trans；

步骤103.通过斜率D和截距系数G得到信道活性线性函数a_i；

步骤104.从活性线性函数a_i中计算出单个用户的信道活性a；

步骤105.确定总的上/下信道活性；

步骤106.核对总的上/下信道活性是否小于1；

步骤107.如果总的上/下信道活性大于1，则网络容量超载，去除相关参数，然后重新进入步骤101；

步骤108.如果总的上/下信道活性小于1，则网络容量可以用于服务，保存相关参数，然后重新进入步骤101。

进一步的，步骤102中，

Figure 2011104498953100002DEST_PATH_IMAGE001

。

进一步的，步骤103中，信道活性线性函数

。

进一步的，步骤105中，总的上/下行信道活性的计算公式分别为，

Figure 2011104498953100002DEST_PATH_IMAGE003

和

，其中，

Figure 2011104498953100002DEST_PATH_IMAGE005

，

，

Figure 2011104498953100002DEST_PATH_IMAGE007

，

，

Figure 2011104498953100002DEST_PATH_IMAGE009

，

，

Figure 2011104498953100002DEST_PATH_IMAGE011

，own是当前信道容量确定的天线的相关参数，other是无线网络中其他天线的相关因子，

是控制信道的信道活性，

Figure 2011104498953100002DEST_PATH_IMAGE013

是天线c的接收噪声功率，

是用户i接收设备的噪声功率，

Figure 2011104498953100002DEST_PATH_IMAGE015

是相对于天线c用户设备i 的下行接收功率，

是上行接收功率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图 1 给出了本发明的一个标准无线网络的结构示意图。

图2是一个调制和编码方案、SINR以及数据吞吐量的示例。

图3 是根据相对应的线性近似值绘制的信道活性及SINR。

图4给出了本发明的OFDM网络容量估算方法的具体步骤。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

图1通过几个天线c给出了无线通信网络的一个标准结构。该例子中天线的位置是任意选取的，这个创造性的方法通过计算潜在多元化的天线位置以及设置的情况下的容量来优化天线位置。该图只显示了c₁ 至 c₄ 天线，实际在该发明的应用中天线数n是不受限制的。每个天线周围的区域被分成独立的像素进行分析，每个像素为一个面积元。每个像素都可能有不同的参数，如地域类型(城市,乡村， …)。在每个像素，若干用户u_i(或用户终端)请求无线网络的服务。用户u_i 在该位置内可能是固定的或者移动的。该网络将提供一种或者多种服务，每种服务有不同的参数标准，如误码率，流量要求等等。服务可能包括数据服务，语音服务等等。用户数以及服务类型的需求源于现网的使用情况，或者是基于先前使用情况以及用户平均行为的预估。一个天线c_n 覆盖的区域定义为一个小区，如图1中天线周围的圆。在该例子中，只给出了网络的一种可能的状态或者一个快照，在网络性能评估中必须考虑所有潜在的用户位置。

以上参数给定后，就可以确定一个信道负载或者信道活性。信道活性定义为必要的吞吐量与可提供的吞吐量的比值。上/下行的信道活性分别定义,或者根据用户对数据传输率的需求为每个用户单独定义。上行指从移动终端或者用户设备至天线，而下行相反，从天线到用户终端。可获得或者可提供的吞吐量取决于信干噪比SINR，SINR又动态取决于提供的调制和编码方案。SINR值越大，当前的比特传输率越高。此外，用户运动速度对AMC机制也有一定影响，在相同SINR下带宽越大用户的运动速度可以越快。另外，SINR还与用户和天线或基站的相对位置有关。用户靠近天线一般获得的SINR比在边界上的用户要高。图2给出了AMC调制方案、数据吞吐量及SINR的示例值及其相互关系。

因此，根据本发明的具体实施例可以定义SINR值和信道活性之间的映射关系。该映射关系可以通过已知的（或测量得到的）SINR值以及基于不同编码和调制方案而获得的数据吞吐量得出。本发明引入了一个SINR的变换，定义为10的(-SINR/10)次方或者

Figure 2011104498953100002DEST_PATH_IMAGE017

（1）

SINR单位为dB。

当把SINR_trans 映射到在某一给定用户速率v 下的信道活性时，可以得出信道活性和SINR_trans的近似线性关系。图3显示了几个数据点以及它们之间的线性关系。由上述映射关系可以得出两个与用户速率相关的系数D和G，这两个系数定义了单个用户i的平均信道活性a_i的线性函数：

a_i = D_i + G_i ∙ SINR_trans = D_i + G_i /10^SINRi/10（2）

D和G是与用户速率相关的常数，D定义了线性信道活性函数的 y 轴截距，G 给出了斜率；a_i是每个用户的信道活性，SINR_i是单个用户的信干噪比。

在有些实施例中D 和G是通过对信道活性和SINR的测量值,如图2所示,的线性拟合获得的。图3给出了一个从信道活性值到SINR变换值的线性映射关系。图3中数据点拟合出的直线表明，这种线性近似没有太大的误差。在其他实施例中，线性函数的系数也可以通过比特能量与噪声密度之比（即 E_b/N₀ ）和传输活性因子计算得出。在很多数字通信***中E_b/N₀ 值用来指定信道传输需要的最低功率。传输活性因子表示信号在信道中的传输时间与指定的时间间隔比，因此该值在0到1范围内。

系数D 和G(以及由此计算出的信道活性)不仅仅取决于用户速率，还取决于业务的类型以及用户位于室内或者室外。上/下行信道的系数也有所不同，因此对下行信道定义一个平均的信道活性a_i ^dl 以及相关系数D^dl和 G^dl, 上行也是如此。

对于两个天线c和d，总的上/下行信道活性由该天线服务的所有用户的信道活性之和确定。结果如下方程：

（3）

Figure 2011104498953100002DEST_PATH_IMAGE019

（4）

其中，

(单位mW)为在天线c处的干扰功率，其定义为

Figure 2011104498953100002DEST_PATH_IMAGE021

（5）

方程（3）和（4）确定了天线c的总的下行信道活性和上行信道活性。系数U和V将在以下进行更加详细的讨论和定义；任何情况下，own指服务当前信道的天线的相关参数，而other描述了无线网络中其他天线的相关参数。

是控制信道的信道活性，

是天线c覆盖区内的接收噪声功率。通过解这些线性方程就可以估算出一个网络的容量。通过少量的迭代可快速得到线性方程组的数值解，这里对迭代方法不做详细讨论。

当上行或下行信道的a_c 值大于1 (a_c > 1)，这就表示相应的小区c超负荷了，该天线将不能为覆盖区内所有的用户提供服务。因此，上行和下行信道的a_c 值必须同时满足小于1的条件。这有助于规划一个高性能的网络，为足够的用户提供必要的服务，满足用户度服务质量的要求。也可以通过调整网络参数以避免某些小区出现超负荷的情况。

从方程 (3)至(5)可以看出，在下行信道，其他天线d的影响通过系数V _d ^other 和a_d包含在天线c的总的信道活性中；在上行信道，这个影响考虑在干扰功率I _c里面。在方程(3)和(5),该求和考虑了网络中除了天线c以外的所有天线。

方程中所用的参数定义如下：

（6）

Figure 2011104498953100002DEST_PATH_IMAGE023

（7）

（8）

Figure 2011104498953100002DEST_PATH_IMAGE025

（9）

（10）

Figure 2011104498953100002DEST_PATH_IMAGE027

（11）

方程(6)到(11)的求和是对所有由指定天线c服务的用户集S_c 来完成的。h_i 是用户i接收设备的噪声功率，P_c ^dl是用户i 从天线c接收到的下行接收功率，P_c ^ul 是上行接收功率，单位为mW。

以上只是这些相关系数的一个实例。在其他的实施例中，如采用定向天线，在天线的发射方向以外的区域将不会产生干扰，因此可以将这些系数设为0。

以上描述的信道活性线性近似以及SINR变换值的引入在很大程度上简化了无线网络的信道活性/负载的计算。只用少量的线性方程取代了大量的相互依赖、非线性的复杂方程。这样可以获得一个简单快速的对某一确定网络设置的覆盖和效率计算。

以上讨论假设预先定义天线位置以及用户的一些位置信息。当有多个可能的天线位置需要计算时，也可以把上述方法应用于任意的天线组合。通过对所有的计算结果（基于给定的需求情况）进行比较得出一个最佳的方案。

图4为本发明的OFDM网络容量估算方法的具体步骤。一般而言，需要考虑各种可能的无线网络组网方案，并根据其服务质量（QoS）以及服务的用户数来确定最佳方案。可调整的组网方案参数包括规划新网络时的天线位置，以及其他一些参数，如传输功率、提供的业务、业务规范、载频等等。

一个具体的网络方案以及相关的参数首先在步骤101中选择。规划和优化使用的参数可能为现有网络的参数，或者在其他网络基础上计算。在步骤102，确定了上述方程（1）中定义的SINR变换。通过该SINR变换，在步骤103中通过确定斜率和截距系数得到信道活性线性近似。如上所述，这个系数可以从信道活性与SINR变换值映射的线性拟合来获得，生成的线性函数描述了信道活性。在步骤104中确定单个用户的信道活性。考虑网络中的所有天线以及每个天线不同方式服务下的所有用户，在步骤105中通过方程（3）和（4）确定总的上/下行信道活性。出于规划和优化目的，将在步骤106中核对该总的上/下信道活性是否小于1。值大于1则表示小区会超载，值小于1则表示在给定的参数条件下能给所有的用户提供服务。因此，如果选择的网络方案显示超载，相关的参数将在步骤107中去除，再选择新的参数，重新运行上述计算方法。当网络方案显示可接受的容量值时，在步骤108中存储相关参数。再往后，在质量、成本、效率几个方面比较所有已存储的可接受的网络方案，从中选出最佳的网络方案。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。