CN1126406C - 蜂窝无线电***基站的信道分配 - Google Patents

Abstract

蜂窝无线电***的基站利用相互基本正交信道与蜂窝无线电***的移动站进行无线电通信。为控制信道的使用，所述信道划分为具有不同优先级的组，以使基站主要使用具有最高优先级的信道组。属于不同优先级组的信道以选择方式进行使用以响应基站的负荷。

Description

蜂窝无线电***基站的信道分配

本发明涉及蜂窝无线电***中的基站如何分配用于连接的无线电接口上可用的频率、时隙和/或区域代码，这些连接需要移动站与基站之间的数据传输能力。本发明也涉及频率、时隙和/或区域代码的分配如何在相互靠近的蜂窝无线电***基站中进行协调。

蜂窝无线电***设计中一个重要因素是如何防止出现在相邻网孔中的这样的无线电传输相互干扰。例如，在GSM(全球移动电信***)***中，发送与接收在200KHz的宽频带上进行，其数量在两个方向中是124，分别将频带或简称为频率分配给基站，以致不允许相邻基站使用相同频率。频率分配给基站称为频率规划，并且所导致的频率使用划分称为复用模式。能定义频率复用因子，它描述需要离开现在网孔多远才能找到与现在网孔中频率相同的网孔。频率复用因子越大，能在一单个网孔中使用的所有可能的频率部分越小。为了在GSM与许多其他第二代数字蜂窝无线电***中分配频率，采用TDMA时分多址联接方式，根据TDMA给定频率在网孔内划分为循环重复的时隙，因而同一频率能适应网孔内几个有效连接(在GSM中数量为8)。

在基于CDMA码分多址的蜂窝无线电***中，传输频率在所有网孔中能是相同的，以便利用相互正交或几乎正交分隔码相互分开传输。现在上述频率规划利用码规划替代，根据此码规划分隔码指定给网孔使用，以便在相邻网孔中不必使用相同的码。

在第三代数字蜂窝无线电***中，在由可变数量的具有可变大小的时隙组成的帧中安排基站与移动站之间接口中的发送与接收。每个时隙所代表的数据传输容量数量由所述的时隙的持续时间、频率方向中的时隙宽度和可能由此时隙中使用的分隔码确定。从共享频率的观点出发，第二代***中的频率与代码以及第三代***中的时隙能全部称为正交信道或简称为信道。

基于固定信道复用模式上的***相对业务情况中的瞬时变化是不能改变的。如果几个移动终端例如由于某一大活动而瞬时集中在一个网孔中，分配给所述网孔的信道可能用尽。同时，在相邻网孔中可能有未用的容量，但由于相邻网孔的基站的覆盖区域不延伸至重负荷区域，所以不能使用未用的信道。

有可能提供一种***，其中相互靠近的相邻网孔能“借出”未用的容量给负载网孔，但这要求在基站之间传送大量的信令，因为基站必须相互通知信道的需求和可用性，并且也必须准备转移情况，在这种情况中负荷网孔的部分移动终端可以移到其中由于将信道借给重负荷网孔使用而减少信道的那个网孔。

本发明的一个目的是提供借此能以灵活方式完成蜂窝无线电***基站中的信道分配的方法和***。本发明的另一个目的是提供仅要求基站之间少量信令的方法。

本发明的目的通过将分配给每个基站的信道分成具有优先级的组并且通过根据需求以优先级顺序使用信道组来达到。

根据本发明的用于控制利用相互基本上正交的信道与蜂窝无线电***的移动终端进行无线电通信的蜂窝无线电***基站中的信道使用的方法的特征在于：在所述信道划分为具有不同优先级的组时，基站主要使用具有最高优先级的信道组。

本发明也涉及蜂窝无线电***，其特征在于：在至少一个基站中提供用于记录划分为优先级组的蜂窝无线电***信息的装置以及用于有选择地使用不同优先级组的信道以响应基站负荷的装置。

根据本发明，分配给每个基站的信道分成具有优先级的组。单个基站优先级顺序中最高优先级信道是在位于附近的其他基站优先级顺序中尽可能低的信道。当负荷小时，每个基站使用优先级最高的信道，从而使信道复用因子高并且网孔之间的干扰低。在负荷增加时，除了已在使用的信道之外，基站还使用位于优先级顺序中较低的信道，从而使***电平上的信道复用因子降低。这样一来，网孔之间干扰的可能性增长，但通过采用跳频和/或跳时能消除其影响。在负荷再次降低时，基站返回到仅使用优先级别中最高的信道。

下面结合利用示例表示的一些优选实施例和附图更详细地解释本发明，其中：

图1a表示轻负荷期间蜂窝无线电***中的网孔；

图1b表示在另一负荷情况中图1的蜂窝无线电***；

图1c表示在第三种负荷情况中图1的蜂窝无线电***；和

图1d表示根据图1b的情况中可选择的程序。

在附图中相同部分使用相同标号。

图1a-1d是简单蜂窝无线电***中网孔的示意图。为简明起见，网孔101-109表示为规划形状的相切的六边形；在实际蜂窝无线电***中，网孔形状不一定如此，并且它们相互之间位置关系更加不规划。在图1a-1d中，假定：负责蜂窝无线电***操作的操作者具有三个可用信道，它们是信道1、2与3。对于蜂窝无线电***中的所有网孔，定义分成所谓的优先级组的某些信道，能利用所谓的由几列矢量Pi，i∈[1，n]组成的优先矩阵PV即PV＝[P1，P2，…Pn]描述信道分成n个优先级组。为简明起见，在图1a-1d中未示出优先矩阵。位于优先矩阵PV左手边上最远处的列矢量P1包含属于第一优先级组的信道，即是所述网孔优先级别中最高的那些信道的符号，下一列矢量P2包含属于第二优先级组的信道，等等。由位于右手边最远处的列矢量Pn表示的信道是所讨论网孔的优先级别中最低的。

优先矩阵的垂直尺寸即包含在优先矩阵中的基本单元数量与在任一优先级组中找到的信道的最大数量一样多。如果每个优先级组仅包含一个信道，则优先矩阵可以是1×n矩阵。如果包含在一个优先级组中的最大数量是m，则优先矩阵是m×n矩阵。

图1a-1c表示优先矩阵是1×3矩阵的蜂窝无线电***，以致在三个优先级组的每一个优先级组中仅有一个信道，并且在每个列矢量中分别仅有一个基本单元。在图1a中，整个网络中的负荷轻。在网孔101、108、110、112、114、116与118中，只有信道1在使用，这意味着：在这些网孔的优先矩阵中，位于左手边最远处的列矢量是〔1〕。在网孔102、104、106、111、115与119的优先矩阵中位于左手边最远处的列矢量分别是〔2〕，并且在网孔103、105、107、109、113与117的优先矩阵中位于左手边最远处的列矢量分别是〔3〕。在图1b中假定中间网孔101中的负荷增加，在这种情况中这个网孔开始使用属于第二优先级组的信道。在这种情况中，第二优先级组仅包含信道，即优先矩阵的第二列矢量是〔2〕。在负荷进一步增加并且分布在更宽区域中时，我们结束图1c所示的情况。在图1c中，在最重负荷的网孔101中也开始使用属于第三优先级组的信道3，并且在网孔102-107中，也开始使用属于每个网孔的第二优先级组的信道。

根据图1a-1c，能推论网孔的优先矩阵如下：

网孔101、108、110、112、114、116与118：PV＝〔1 2 3〕

网孔102、104、106、111、115与119：PV＝〔2 3 1〕

网孔103、105、107、109、113与117：PV＝〔3 1 2〕

图1d表示对应图1b的情况中的可选程序。在图1d中，在每个网孔的信道之中有第一优先级组中的一个信道和第二优先级组中的两个信道。现在优先矩阵能是如下的矩阵：网孔101、108、110、112、114、116与118： $\mathrm{PV}=\left[\begin{array}{cc}1& 2\\ 0& 3\end{array}\right]$ 网孔102、104、106、111、115与119： $\mathrm{PV}=\left[\begin{array}{cc}2& 1\\ 0& 3\end{array}\right]$ 网孔103、105、107、109、113与117： $\mathrm{PV}=\left[\begin{array}{cc}3& 1\\ 0& 2\end{array}\right]$

在以上述方式表示优先矩阵时，要指出：矩阵元素0不表示信道数为零(这里我们假定还未定义这样的信道)，但它表示空。

作为一个稍为更复杂***的示例，让我们观察具有16个可***作者使用的信道的蜂窝无线电***。形成有16个不同的优先矩阵，并且网孔分成16组，使属于同一组的所有网孔具有相同的优先矩阵。应用从常规频率规划中了解的方法，来安排属于不同组的网孔，使属于同一组的两个网孔之间的距离尽可能长。每个优先矩阵的第一列矢量仅包含一个信道，以致具有属于第一组的网孔的矩阵中位于左手最远处的列矢量是〔10000000〕^T，具有属于第二组的网孔的矩阵中位于左手最远处的列矢量是〔20000000〕^T，等等。如果在每个网孔中仅使用属于第一优先级组的信道，信道复用因子是16，第二优先级组也仅包含每个网孔中的一个信道。如果所有网孔也使用属于第二优先级组的这个信道，则信道复用因子降为8。第三优先级组包含每个网孔中的两个信道，第四优先级组包含四个信道并且第五优先级组包含八个信道。如果所有网孔使用三个第一优先级组的信道，信道复用因子是4。

如果所有网孔使用四个第一优先级组的信道，则信道复用因子是2。

如果在所有网孔中使用所有信道，则信道复用因子是1。

上述16信道***中一个优先矩阵可以是如下的矩阵： $\mathrm{PV}=\left[\begin{array}{ccccc}1& 9& 5& 3& 2\\ 0& 0& 13& 7& 4\\ 0& 0& 0& 11& 6\\ 0& 0& 0& 15& 8\\ 0& 0& 0& 0& 10\\ 0& 0& 0& 0& 12\\ 0& 0& 0& 0& 14\\ 0& 0& 0& 0& 16\end{array}\right]$

对于本领域技术人员来说，如何构造其他优先矩阵是显而易见的，以使得在所有信道未在使用时，相邻网孔包含尽可能少的相同信道。

在第三代蜂窝无线电***中，诸信道对应于以给定频率在发送与接收中使用的帧结构时隙。如果网孔间干扰影响利用时隙分配和跳时与跳频减少，则相邻或重叠网孔能使用相同频率。根据一个可能的安排，在一个频率上使用的帧结构可具有不多于64的时隙。另外，帧能组合为具有n个帧长度的超帧，以致时隙的预留逐帧进行。如果也可能有几个频率在使用，信道总数易于增长为非常大并且例如能达512个信道。优先矩阵甚至可以包括数十行与列。为了防止优先矩阵变得太复杂，在512个时隙的优先实施例中，时隙划分为四个优先级组，第一优先级组包含64个时隙，第二优先级组包含64个时隙，第三优先级组包含128个时隙并且第四优先级组包含256个时隙。一些时隙预留用于发送***维护所需的信息，例如用于发送某一个行链路BCCH信道(广播控制信道)。

能以许多不同方式定义当在给定网孔中被迫使用更多信道或分别能减少当前使用的信道数量时情况的条件。一个选择是测量当前使用的信道所提供的数据传输容量的多大一部分被预留。假定：诸信道是诸频率，并且在每个频率上采用时分多址。现在在一个频率上一次能发送一定数量的有效连接，例如在GSM***中是八个连接，因为GSM帧包含8个时隙，每个时隙能预留用于一个不同的连接。当在给定网孔中基站以当前使用频率检测时，空时隙数量降到低于一个给定第一门限值，基站开始使用属于下一个优先级组的频率。而在网孔中的基站以使用的频率检测时，空时隙数量增加超过一个给定第二门限值，基站不使用属于使用中的最低优先级组的频率。能利用模拟与尝试找到合适的门限值。上行链路与下行链路方向中信道数量不必相等。根据预留容量的信道启用与停用易于从上述基于频率与时隙的安排推广至以某一其他方式定义信道的安排。

另一可能条件取决于网孔中基站和/或移动站在正在使用的信道上所使用的发送功率。在下行链路传输中，基站测量它在当前使用的信道上发送时使用的平均功率、总功率和/或峰值功率。如果任一个所测量的功率值，例如每信道总的下行链路传输功率高于给定的第一门限功率，则基站将更多的信道投入下行链路方向中使用。而如果任一个所测量的功率值低于给定的第二门限功率，则基站不使用属于最低的当前使用的优先级组的下行链路信道。利用模拟与尝试能找到哪个测量的功率值最适于作为判定准则，以及哪些是合适的门限功率。为了能在上行链路传输中遵循相同的程序，基站必须知道包括在其网孔中的移动站在哪个频率上发送。为了从移动站发送此信息给基站，能采用如此公知的信令。

当网络中负荷轻时，仅有一些信道在根据本发明起作用的网孔中进行使用。这减少为了消除出现在某些信道中的干扰影响而在信道之间使用跳跃(例如在信道是频率时的跳频)的可能性。另一方面，此时信道复用因子最高，并且从一个网孔传送到另一网孔的干扰最低。而且，例如在基于诸频率的TDMA安排中，能采用跳时，尽管频率数仅是1。一个网孔中可用的信道越多，采用公知信道跳跃算法来避免就信道而言的干扰的机会更多。采用跳时与跳频也是有利的，因为它增加信道的分集性，即它排除干扰。另外，能在网孔之间采用循环跳跃，这表示网孔在它们之间交换当前使用的信道。能实现循环跳跃，以使位于优先矩阵中左手边最远处的列矢量或从左手边开始的一些矢量在基站之间进行交换。例如在图1的情况中，这表示其中位于优先矩阵左手边上最远处的列矢量是〔1〕的那些基站(哪些网孔)替代此矩阵开始使用列矢量〔2〕；原始具有〔2〕为位于左手边上最远处的列矢量的那些基站使用列矢量〔3〕，并且原始具有〔3〕为位于左手边上最远处的列矢量的那些基站使用列矢量〔1〕。在给定时间周期之后，重复所述交换程序，这要求基站之间相当好的同步。

也能在网孔内的容量划分中使用优先矩阵；基站确定正在使用的哪些容量单元(时隙，频率和/或代码)分配用于有效连接。包含在最高优先级组中即在优先矩阵的左手边上最远处的列矢量中的信道是具有由其他网孔引起的可能最低检测到的干扰的那些信道。因此，这些信道能预备用于利用某一公知机构定义为最重要的这样的连接。例如，基站能发送要求实时与非实时数据传输的连接。基于实时数据传输的连接不允许重发纠错，因此能在假定具有最低干扰的信道中进行连接。另一方面，位于网孔边缘的移动站更容易受到来自相邻网孔的干扰，以致也能通过指导它们使用包含在最高优先级组中的信道使它们受到“偏爱”。为了维持信道分集性，在采用信道跳跃的***中将最重要的连接限制为仅包含在最高优先级组中的一个(些)信道不是有利的，但应规划它们的信道跳跃算法，以使它们使用比其余信道更多的包含在最高优先级组中的信道。

在上面描述中，我们已主要解释了如何在蜂窝无线电***的基站之间分配信道。让我们接下来观察能在基站中用于预留信道给荷载，即用于在正在所述基站网孔中使用的那些信道中设置有效连接的有益程序。这儿，“荷载”表示利用影响基站与给定移动站之间数据传输的所有这样的因素形成的单元，概念“荷载”包括数据传输速率、延迟、误码率以及在这些数据传输速率、延迟、误码率的给定最小值与最大值之间出现的变化。荷载能理解为由所有这些因素产生的数据传输路径，数据传输路径连接基站与给定移动站，并通过此路径能发送有用数据，即有用负荷。一个荷载总是仅连接一个移动站到一个基站，多功能移动站能同时保持几个连接移动站到一个或几个基站的荷载。

在基站中负责在帧结构时隙中设置目前和未来荷载的算法称为CA(信道分配)算法，它保持描述上行链路与下行链路方向中帧结构时隙预留情况的预留表。为企图使帧结构分段(fragmentation)最小的事实限制时隙的选择，即在帧结构中，给定数量的相对均匀区域努力保持为空，这些区域在必要时能作为一个高容量时隙预留给与比其余带宽更宽带宽的连接。而且，许多移动站对于预留给它们的时隙在帧结构中能相互位于多近以及预留给同一个移动站的上行链路与下行链路时隙相互之间应如何进行同步设置限制。

为了实施CA算法的操作，假定能给每个连接定义给定重要性或优先级值。影响连接优先级值的一个特性是连接是要求实时还是要求非实时数据传输的事实。一般地，要求实时数据传输的连接即RT(实时)连接认为比NRT(非实时)连接更重要。企图使RT连接似乎随机地位于帧结构空闲时隙中，记住分段最小化和其他可能的限制因素。NRT连接设置在由于RT连接剩下空闲的时隙中。

每个NRT连接在连续帧或超帧持续期间发送获得时隙请求给CA算法，所请示的时隙数量取决于要发送的NRT数据量、所采用的信道编码、调制方法和交错深度以及基站或移动站给一次进行处理的最大可能的数据量所设置的限制。CA算法能根据其目前真实有效比特率分类有效的NRT连接，所述比特率例如定义为至可发送的NRT数据存在于所述连接中的时间为止经无线电接口成功发送的比特比率。在预留时隙中，现在的目的是有助于真实数据传输速率相对数据传输要求和可能性是最低的那些NRT连接。另外，CA算法可以有助于使用尽可能低的传输功率的NRT连接，因为它们给***引起的干扰负载是最低的。而且，CA算法可以有助于在建立连接的同时已保证最小数据传输速率的NRT连接。

CA算法符合下列原则：

1.预留情况的更新通过处理请求释放给定容量的那些请求开始。

2.在跳时与跳频中，采用给定最小单元，例如1/16帧大小单元。

3.为了防止分段，努力使帧结构中的大时隙(例如1/16帧大小的时隙)在从仍全部未预留的相同大小的时隙中预留容量之前完全填满，其中部分帧结构已填满较小的预留时隙(例如，1/64帧大小时隙)。

4.RT连接具有比NRT连接更高的优先级。

5.努力使新的RT连接设置在空闲的时隙中。如果未找到合适的空时隙，RT连接设置在直到现在预留给某一NRT连接的时隙中。

6.在建立连接的同时保证最小数据传输速率但在保持所述最小速率方面有困难的这样的NRT连接具有比其他NRT连接更高的优先级。

7.限制同时有效的NRT连接的数量，以防止信令负荷过度增长。

8.在连接的优先级划分中，应注意连接是否发送相互有关系的例如属于同一用户的这样的荷载。

用于维持帧结构中预留情况的有益方法解释在芬兰专利申请号946308和1997年2月19日提交的相应美国专利申请号802645中。

在硬件方面，本发明要求基站具有用于记录有关蜂窝无线电***信道及其划分为优先级组的数据的装置以及用于使用必需数量的信道的装置和用于实现保持帧结构中预留情况的CA算法的装置。除此之外，本发明还要求移动站和基站都具有借此移动站能发送预留信道的请求并且基站能将哪些信道预留给移动站通知移动站的装置。同样，基站必须能给移动站发送在每个特定时刻使用的操作模式具体细节的信息，例如如何实现跳频与跳时的信息。在要求传输功率变化的实施例中，基站与移动站必须自然具有用于测量当前传输功率的装置。硬件方面要求利用公知的微处理器控制设施，通过编程使之以本发明所要求的方式起作用来实现。

Claims (6)

1.用于控制蜂窝无线电***基站中信道使用的一种方法，其中基站利用相互基本正交的信道与蜂窝无线电***的移动站进行无线电通信，其特征在于，所述信道划分为具有不同优先级的组，并且基站主要使用具有最高优先级的信道组，和

该基站也划分利用已在有效连接之间使用的信道表示的数据传输容量，以使要求实时数据传输的连接相对要求非实时数据传输的连接对数据传输容量享有特权。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：在负荷增加时，除了已在使用的信道之外，基站还使用具有最高优先级的未用的信道组。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于：在负荷降低时，基站停止使用具有最低优先级的信道组中的信道。

4.根据权利要求2或3的方法，其特征在于：用于增加或降低负荷的准则是利用当前使用的信道表示的数据传输容量的预留情况，以致在观察所述数据传输容量的预留情况时，预留部分大于给定的第一门限值，除了当前使用的信道之外，基站还使用具有最高优先级的未用信道组，并且在观察所述数据传输容量的预留情况时，预留部分小于给定的第二门限值，基站停止使用具有最低优先级的信道组中的信道。

5.根据权利要求2或3的方法，其特征在于：用于增加或降低负荷的准则是当前使用的信道中的传输功率，使在观察到传输功率高于给定的第一门限功率时，除了当前使用的信道之外，基站还使用具有最高优先级的信道组，并且在观察到传输功率低于给定的第二门限功率时，基站停止使用具有最低优先级的信道组中的信道。

6.包括基站的蜂窝无线电***，其特征在于：至少在一个基站中提供用于记录划分为优先级组的蜂窝无线电***信道的信息的装置以及用于选择地使用不同优先级组的信道以响应基站负荷的装置，和

用于划分利用已在有效连接之间使用的信道表示的数据传输容量，以使要求实时数据传输的连接相对要求非实时数据传输的连接对数据传输容量享有特权的装置。

Images