CN100493248C - 适应非对称上下行业务分布的动态信道分配方法 - Google Patents

Abstract

一种适于CDMA的接入系统下的非对称上下行业务分布的动态信道分配方法，包括步骤：在基于可变上下行时隙的定长帧结构的时分双工系统中，形成包括可变时隙或时频区域和码道等信道资源；网络根据各小区业务分布信息决定是否对可变上下行时隙的定长帧结构中的可变时隙或时频域区域和码道等进行资源重分配；当决定时隙重分配时，系统根据业务分布在可变时隙区域为需要的小区划分共享时隙或时频区域和优先时隙或优先时频区域；各小区分配的优先时隙或优先时频区域将由该小区自行确定是用于上行或者下行传输。本发明用于减少系统处理负荷，减少共道干扰和MAI干扰。系统资源被划分给网络中不同实体进行分配，从而兼顾了系统的复杂性要求。

Description

适应非对称上下行业务分布的动态信道分配方法

技术领域

本发明涉及资源分配技术，特别涉及多小区蜂窝系统的非对称上下行业务分布下的信道资源动态分配方法。

背景技术

近年来，随着移动用户数量的快速增长，以及多媒体技术的应用，大大增加了在无线通信过程中对包括带宽在内的网络资源的需求。如何对包括带宽在内的有限的网络资源进行有效而且合理的分配，使其适合网络中业务的分布，减少信道间干扰，提高系统利用率，成为了无线网络中资源分配的研究热点。

通常情况下，在无线通信过程中，通过信道划分，无线频谱资源被划分成多个无干扰的信道，这些信道可按业务需求被分配给相应的呼叫连接。这种信道划分技术包括了频分，时分和码分等方式。在频分方式中频谱资源被划分为多个频带，在时分方式下信道是通过时隙资源的划分来完成的。而在码分方式下信道是通过不同的码划分的，用户则可通过码的正交或者相关特性完成对信道的传输信息的解码。码分复用(CDMA)是近年来用于数字蜂窝移动通信的一种先进的无线扩频通信技术。码分复用(CDMA)系统采用直序扩频(DS-SS)，以克服信道中的频率选择性衰落，但其容量受限于多址干扰(Multiple Access Interference，MAI)，MAI来源于不完备的扩频码的自相关和互相关特性。一种在频率选择性衰落信道中抑制切普间干扰的方法是将CDMA技术和多载波调制，如正交频分复用(OFDM)技术相组合，以达到更高的频谱效率。多载波CDMA(Multi Carrier-CDMA，MC-CDMA)和正交频域码分复用(Orthogonal Frequency and Code DivisionMultiplexing，OFCDM)就是CDMA和OFDM技术相结合的接入方式的典型代表。基于CDMA技术和多载波调制技术，廖敬一，王海等人在“基于可变扩频和跳频的正交时频域的码分多址接入方法”(已申请专利)提出了基于可变扩频和跳频的正交时频域的码分多址接入技术(VSFH-OTFCDM)。其思路就是利用跳频和变扩频因子在时频域共同控制正交码道，采用变速率正交扩频，并将扩频信息映射到时频域的子载波，并通过OFDM系统传输。在VSFH-OTFCDM系统中，时间、频率和正交码共同组成了用于数据传输的信道资源。

扩展CDMA技术和多载波调制技术到多蜂窝无线网络环境，特别是用于单频多小区(Single Frequency Network，SFN)网络，在对时间、频率和正交码等资源的分配时，既需要适合网络中不同小区的业务分布，以提高系统利用率，也需要减少信道间的干扰。I.Katzela和M.Naghshimeh等人在“Channel Assignmentschemes for cellular mobile telecommunication systems：Acomprehensive survey”，IEEE personal communication，June，1996一文中，按照信道划分和小区之间是否存在固有关系，将现有的多种信道分配方法归纳成固定信道分配，动态信道分配和混合信道分配等多种信道分配方法。在固定信道分配中，信道划分和小区之间存在一定关系，因而分配方法简单，但问题是灵活性差以及对多小区业务分布变化的适应性差。在动态信道分配中，信道划分和当前的业务分布变化之间存在一定关系，也即动态信道分配是业务分布相关的信道分配方法，因而带来了灵活性以及对多小区业务分布变化的适应性的特点。但同时增加了算法的复杂性。如何从算法复杂性和业务分布变化的适应性和灵活性中权衡取舍是动态信道分配方法的研究重点。混合信道分配则是固定信道分配和动态信道分配的混合方法。I.Katzela和M.Naghshimeh等人在上文中综述并分析了包括固定信道分配，动态信道分配和混合信道分配等多种信道分配方法，并对比了这些信道分配方法的性能。

信道分配方法和系统提供的多址接入方式是密切相关的。在CDMA和OFDM技术相结合的接入方式，如在VSFH-OTFCDM系统中，在相同的时频域可复用由多个正交码组成的传输信息，复用后的信息将通过OFDM系统进行传输。但由于经历频率选择性衰落信道，VSFH-OTFCDM系统的容量将受限于多址干扰(MultipleAccess Interference，MAI)，减少MAI干扰将有利于系统性能的提高。另一方面，当将CDMA技术和多载波调制技术相结合的接入系统应用到时分双工模式(TDD)的多蜂窝无线网络环境，特别是用于单频多小区(Single Frequency Network，SFN)网络时，在信道分配中，需避免以多小区上下行干扰类型为代表的共道干扰。多小区上下行干扰表现为当某小区的基站正处于下行(基站到移动站)传输阶段，邻接小区处于上行(移动站到基站)传输阶段，这种情况下的该小区的下行传输对邻接小区的上行传输将造成严重干扰，从而严重影响TDD系统性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种适应非对称上下行业务分布的动态信道分配方法，用于CDMA技术和多载波调制技术相结合的时分双工模式(TDD)下的动态信道分配。

为实现上述目的，一种适于CDMA系统的非对称上下行业务分布的动态信道分配方法，包括步骤：

在基于可变上下行时隙的定长帧结构的时分双工系统中，形成包括可变时隙或时频区域和码道信道资源；

网络根据各小区业务分布信息决定是否对可变上下行时隙的定长帧结构中的可变时隙或时频区域和码道进行资源重分配；

当决定时隙重分配时，系统根据业务分布在可变时隙区域为需要的小区划分共享时隙或时频区域、优先时隙或优先时频区域；

各小区分配的优先时隙或优先时频区域将由该小区自行确定是用于上行或者下行传输。

本发明提出的非对称上下行业务分布的动态信道分配方法是基于定长帧结构的，定长帧包括了固定时隙部分和可变时隙部分。其中，在固定时隙部分中，只适合于业务的上行或者下行传输。而在可变时隙部分，资源的分配将适合于各小区当前的业务分布。在TDD模式下采用CDMA和OFDM技术相结合的接入方式，信道分配资源将包括时隙(或者时频域)和码道资源，为了适应多小区业务分布的不均匀性，提供的有效的动态信道分配方案，用于减少系统处理负荷，减少共道干扰和MAI干扰。系统资源被划分给网络中不同实体进行分配，从而兼顾了系统的复杂性要求。

附图说明

图1是适应非对称上下行业务分布的动态信道分配方法框架；

图2(a)是可变上下行时隙的帧格式示意图1；

图2(b)是可变上下行时隙的帧格式示意图2；

图3是VSFH-OTFCDM的正交扩频SC-SFHP信道的时频分配示意图；

图4是码道分配方式示意图；

图5是两个小区时隙分配实例；

图6是多小区优先区域分配实例示意图。

具体实施方式

本发明提出的适合CDMA技术和多载波调制技术相结合的时分双工模式(TDD)下的动态信道分配方法，满足对多小区，特别是单频多小区(Single Frequency Network，SFN)网络的业务分布变化的适应性，也即满足多小区上下行业务分布的不均匀性，并且减少多址干扰和共道干扰。系统资源被划分给网络中不同实体进行分配，从而兼顾了系统的复杂性要求。

时分双工模式系统(TDD)的优点之一就是适合非对称业务的分布，为适应多蜂窝无线网络环境中多小区业务时变的特性，有必要提出适应非对称上下行业务分布的动态信道分配方法。采用诸如VSFH-OTFCDM(见相关专利)的CDMA和OFDM技术相结合的接入方式可以在频率选择性衰落信道中抑制切普间干扰，从而提高系统传输性能。在VSFH-OTFCDM系统中，可在相同的时频域复用由多个正交码组成的传输信息。但由于经历频率选择性衰落信道，VSFH-OTFCDM系统的容量将受限于多址干扰(MultipleAccess Interference，MAI)，减少MAI将有利于系统性能的提高。另一方面，当将CDMA技术和多载波调制技术相结合的接入系统应用到时分双工模式(TDD)的多蜂窝无线网络环境，特别是多小区单频网络(Single Frequency Network，SFN)时，若当某小区的基站正处于下行(基站到移动站)传输阶段，邻接小区处于上行(移动站到基站)传输阶段，这种情况下的该小区的下行传输对邻接小区的上行传输将造成严重干扰，从而严重影响TDD系统性能。因而信道分配不仅应考虑到多小区的业务量分布，而且应考虑到减少或者避免包括多小区的上下行信道干扰在内的共道干扰。

为了适应多小区业务分布的不均匀性，提供的有效的动态信道分配方案，用于减少系统处理负荷，减少共道干扰和MAI干扰。本发明提出的非对称上下行业务分布的动态信道分配方法是基于定长帧结构的，定长帧包括了固定时隙部分和可变时隙部分。其中，在固定时隙部分中，只适合于业务的上行或者下行传输。而在可变时隙部分，资源的分配将适合于各小区当前的业务分布。可变时隙可进一步被划分为多个时频区域，包括多小区的共享时隙或时频区域、各小区的优先时隙或优先时频区域。在TDD模式下采用CDMA和OFDM技术相结合的接入方式，将系统资源进一步细化为时隙(或者时频域)和码道资源，并将这些资源由网络中不同的实体完成分配，其中，时隙是从资源分配的时间域上进行定义的，一个时隙(或者时频域)内包括有多个码道的传输信息。时隙(或者时频域)将由网络中的中心控制器或者多小区协同完成分配，对应某小区的特定时隙内的码道则是由该小区负责分配。在采用网络中的中心控制器控制时隙资源分配时，该中心控制器将具有对可变时隙区域进行重新划分的控制能力，该中心控制器将把时隙分配结果通知本网络中的小区。在由多小区协同完成分配时隙(或者时频域)资源时，各小区将自主选择合适的时隙资源，并将选择结果通知其他小区，和其他小区协同完成最终的时隙分配。本发明可被视作在共道干扰和MAI干扰共存的情况下，共道干扰被优先处理，并在随后的分配过程中，减少MAI干扰的处理策略。这主要是因为对于TDD系统，以多小区的上下行信道干扰为代表的共道干扰将严重影响系统性能，并且这种共道干扰难以处理。而对于CDMA和OFDM技术相结合的接入系统中的MAI干扰，则可通过提高信道均衡和信道估计能力来加以减轻。

本发明对时隙和码道资源提供了进一步的分配步骤，也即将这些资源交由网络中不同的实体完成分配，从而兼顾了系统的复杂性要求。当新的一次分配发生时，时隙资源的分配将由多个小区的中心控制器(如RNC)分配或者采用分布式处理单元分配，时隙资源的分配将有利于避免共道干扰，而对应某小区的特定时隙内的码道则是由该小区负责分配重组，以减少多址干扰。包括以下步骤：

(a)在基于可变上下行时隙的定长帧结构的时分双工(TDD)系统中，形成包括可变时隙(或时频区域)和码道等信道资源。网络根据各小区业务分布信息决定是否对可变上下行时隙的定长帧结构中的可变时隙(或者时频域区域)和码道等进行资源重分配。

(b)当决定时隙重分配时，系统根据业务分布在可变时隙区域为需要的小区划分共享时隙(或时频区域)和优先时隙(或优先时频区域)，共享时隙(或时频区域)将被所有小区共有，各小区分配的优先时隙(或优先时频区域)将由该小区自行确定是用于上行或者下行传输。若不决定时隙重分配，则跳转到步骤(c)。

(c)小区决定是否进行码道重分配，当确定需要重分配码道时，各小区将在各自被分配的对应该小区的时隙或者时频域内进行码道重分配。

图1表示的是提出的适合非对称上下行业务分布的动态信道分配方法框图。网络根据各小区业务分布信息102决定是否对可变时隙或者时频域区域进行重分配104。当决定时隙重分配时，系统根据业务分布在可变时隙区域为需要的小区划分优先时隙或优先时频区域106，各小区将在分配的优先时隙区域确定是用于上行或者下行传输108。若不决定时隙重分配，则跳转到步骤110。各小区继续决定是否在各自分配的时隙或者时频域进行码道重分配110，分配的目标是减少MAI干扰。当确定需要重分配码道时，各小区将在各自分配的对应该小区的时隙内进行码道重分配112。

实施例

以VSFH-OTFCDM系统作为实施例，本发明提出了CDMA技术和多载波调制技术相结合的时分双工模式(TDD)下的动态信道分配方法。本发明提出的适应非对称上下行业务分布的动态信道分配方法是基于可变上下行时隙的定长帧结构的。图2(a)和图2(b)分别为所示的TDD模式下可变上下行时隙的两种典型的定长帧结构，包括上下行时隙和上下行时隙间的保护带202。其中，上行时隙由固定上行时隙204和可变上行时隙206组成，下行时隙由可变下行时隙208，固定下行时隙210组成。可变上行时隙和可变下行时隙区域中的时隙资源可由系统灵活分配。下面将针对这种可变上下行时隙进行分配。

图3所示是VSFH-OTFCDM的正交扩频SC-SFHP(Sub-Channelunder a Selected Frequency Hopping Pattern，SC-SFHP)信道的时频分配示意图。在本实例中，TFC由多个频域子载波组成。从时间轴上看，按功能划分包括训练序列34和由SC-SFHP信道组成的业务/控制信道部分；从频域轴上，在可用的子信道中，包括多个TFC块36。在码域，具有相同跳频图案的多个SC-SFHP信道32可在码域叠加，由于SC-SFHP信道映射到不同时域的TFC中，所以SC-SFHP信道的时间周期T_SC-SFHP将由这些时域的TFC的时间周期决定。VSFH-OTFCDM可用于上行或者下行的信息传输。本实例是假定下行信息传输采用了VSFH-OTFCDM的接入和信道形式。一个时隙可包括由一个或多个时间周期为T_SC-SFHP的传输信息。

在这一系统下，多个子信道可以在同一时频资源上分配，也可在不同时频资源上分配。如图4所示的信道分配方式中，子信道SC-SFHP信道可以分配在不同时隙，如图4(a)的信道分配方式1，在这个例子中，SC-SFHP信道1分配在时隙s0到s1之间，SC-SFHP信道2分配在时隙s1到s2之间，SC-SFHP信道1和2的分配在不同的时/频域。由于SC-SFHP信道1和2采用了不同的正交码，他们也可采用如图4(b)的信道分配方式2，在这个例子中，SC-SFHP信道1和2叠加在相同的时/频域。在接收端对SC-SFHP信道1和2的区分将取决于正交码的特性。但在频率选择性衰落信道中，由于信道均衡不理想，将破坏正交码的正交特性。因此，在实际情况下，信道分配方式2下的多址干扰将大于信道分配方式1，在业务量不大的情况下减少信道分配方式2的情况，也即尽可能将码道在分配的时隙和时频区域内平均分配，将有助于减少系统的多址干扰，从而提高系统性能。但另一方面，在多蜂窝TDD系统当中，特别是SFN网络，信道资源的分配需考虑到减少多小区干扰，特别是不同小区的上下行干扰。对于TDD系统，当某个时刻一个小区处于下行周期，而邻近小区处于上行周期时，该小区的下行信号将严重影响相邻小区的上行信号的接收和处理，从而影响系统的性能。因而，系统信道资源的分配不仅应考虑到减少多址干扰，还应考虑到避免多小区的上下行干扰。

为适合非对称上下行业务分布，在提出的动态信道分配方法中，当每次分配时刻到来，中心控制器将可根据多小区业务分布状态在可变上下行时隙区域为多个小区划分共享时隙或时频区域和优先时隙或优先时频区域，共享时隙或时频区域将被所有小区共有，各小区的优先时隙或优先时频区域则专被该小区用于上行或者下行传输，优先时隙或时频区域的分配将避免多小区的上下行干扰。各小区则在各自被分配的对应该小区的时隙或者时频域内分配码道，码道的分配将满足正交性。

图5表示的是两个小区时隙分配实例，假定网络中有两个小区情况，分别为小区1和小区2，以说明这种动态信道分配的方法。在这个实例中，各小区均采用定长帧结构，在定长帧结构52中，小区1和小区2具有相同的从时隙s1到s2的固定的上行时隙和相同的从时隙s5到s6的固定的下行时隙，而从时隙s2到s5的区域则为可变的上下行时隙分配区域。对在时隙s2到s5的可变时隙的分配有利于适合多小区业务分配变化，从而提高信道分配的灵活性和对业务分布变化的适应性。T0时刻和T1时刻分别表示的是在这两个时刻对这两个小区的信道分配的状况。在T0时刻，假定小区1和小区2的业务分布均匀，并且各自的上下行业务比例类似，则这时候，可设定小区1和小区2在可变时隙分配区域具有相同的上下行时隙分配区域，也即具有相同的上下行切换点A，这种分配情况下，在小区1和小区2之间不存在上下行干扰。为了进一步减少多址干扰，小区1和小区2中的码道在各自时隙(或时频域)的分配应尽量平均化，以减少多码道在相同时频单元的叠加状况，也即减少图4(b)的分配状况，从而减少MAI干扰。

在T1时刻，假定网络中业务分布发生了变化，小区1的上行业务量增加，下行业务量减少，而此时小区2的业务变化不大。为适合小区1的上行业务量分布，有必要针对小区1，将其可变时隙区域的切换点从A移到B，也即此时对小区1而言，时隙s2到s4是再分配后的可变上行时隙区域，以满足小区1的上行业务量增加的情况。而对小区2而言，为避免小区间上下行干扰，在小区2中，将时隙s3到s4的可变时隙区域设置为空闲区域，小区2的可变时隙区域的切换点也从A移到B，在分配的下行时隙区域，小区2的码道将重组，也即通过码道的叠加(如图4(b)的分配方式)完成码道的重分配。

在这一分配方案中，可以看出，是在以多小区上下行干扰和多址干扰都存在的情况下，采取的是为多小区设定优先区域，对上下行干扰优先避免的处理，而对MAI干扰则尽量减少的策略。这主要是因为，多小区上下行干扰对系统性能影响很大，而且很难处理。而MAI干扰的解决可得益于信道均衡和信道估计等处理。因而，相对多小区上下行干扰引发的共道干扰而言，MAI干扰的减轻更易处理些。

图6是多小区优先区域分配实例(该实例未示出上下行间的保护边带)。在这个帧格式中，包括固定上行时隙602和固定下行时隙610部分，假定该SFN网络中划分有N个小区，为适合各小区业务分布，并减少彼此间的共道干扰，在该帧格式的可变时隙区域中，继续划分了可变共享时隙区域和优先时隙区域。其中，包括了可变上行共享时隙604，可变下行共享时隙区域608，以及满足这N个小区业务分布的优先时隙区域606。在优先时隙区域606中，为各小区分配的时隙或者时频域可用于上行或者下行业务传输。共享区域和各小区优先区域中的码道分配策略不同：为避免上下行干扰，应尽量将某小区的业务分配到该小区的优先时隙或时频区域。在共享区域中分配的码道应尽量分配平均化。各小区的专有优先区域的码道分配由各小区自主分配。

Claims (12)

1.一种适于CDMA系统的非对称上下行业务分布的动态信道分配方法，包括步骤：

在基于可变上下行时隙的定长帧结构的时分双工系统中，形成包括可变时隙或时频区域和码道信道资源；

网络根据各小区业务分布信息决定是否对可变上下行时隙的定长帧结构中的可变时隙或时频区域和码道进行资源重分配；

当决定时隙重分配时，系统根据业务分布在可变时隙区域或时频区域为需要的小区划分共享时隙或时频区域和优先时隙或优先时频区域；

各小区分配的优先时隙或优先时频区域将由该小区自行确定是用于上行或者下行传输。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于还包括步骤：

当小区确定需要重分配码道时，各小区将在各自被分配的对应该小区的时隙或者时频区域内进行码道重分配。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的可变上下行时隙的定长帧结构包括固定上下行时隙和可变上下行时隙，其中，可变上行时隙和可变下行时隙区域中的时隙资源由系统分配。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的定长帧结构中的固定上行或下行时隙用于多小区的共同的上行或下行传输，时隙的位置不随时间变化而变化。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，共享时隙区域或时频区域用于多小区的共同的上行或下行传输。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，可变时隙区域或时频区域进一步被划分为多个时隙区域或时频区域，包括多小区的共享时隙或时频区域和各小区的优先时隙或优先时频区域。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，由网络中不同的实体完成可变时隙或者时频区域和码道的分配，其中可变时隙或时频区域由网络中的中心控制器或者多小区协同完成分配，对应某小区的特定时隙内的码道由该小区负责分配。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述中心控制器把时隙分配结果通知本网络中的小区。

9.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，各小区将自主选择合适的时隙资源，并将选择结果通知其他小区，和其他小区协同完成最终的时隙分配。

10.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，各小区决定在分配的时隙或者时频区域进行码道重分配时，应首先将某小区的业务分配到该小区的优先时隙或时频区域。

11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，当该小区的优先时隙或时频区域中的被占用的码道资源多于共享时隙或时频区域中时，再将业务分配到多小区共享时隙或时频区域。

12.按照权利要求11所述的方法，其特征在于在多小区共享时隙区域中分配的码道分配平均化。

Images