CN101204101A - 无线通信系统的频率重用 - Google Patents

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Abstract

一种提高具有多个小区的无线通信系统的频率利用率的方法包括以下步骤。为每一个小区分配至少一个主信道，该主信道与所述小区的相邻小区的主信道不同。为每一个小区分配一个或多个次信道，该次信道具有与其相应主信道相同的频率，但是配置不同，所述次信道的频率与同一小区中的所述主信道的频率不同。当同一小区的主信道正在被使用的容量超过预定阈值时，启用该小区的次信道以用于承载通信流量。

Description

无线通信系统的频率重用
相关申请的交叉引用
本申请涉及2005年4月28日提交的美国临时专利申请No.60/675,782和2005年8月16日提交的美国专利申请No.11/204,493，并要求它们的优先权，这两个申请的标题都为“FREQUENCY REUSE FOR WIRELESSCOMMUNICATION SYSTEM”。
背景技术
本发明总地涉及无线通信系统，更具体地涉及用于在系统群集(cluster)的小区中分配信道频率以提高频率利用率的方法。
无线通信系统的总容量与可用于该系统的总频谱成比例。这里的容量指的是系统可以服务的用户数目，或者在某时间段内系统可以向其用户或从其用户传送的信息量。如果频谱可以在整个系统中被重复地重用，则可以增加系统容量。在无线通信系统的各个小区中重复地重用公共频带(下文中称作频率信道)被称为频率重用。
传统的频率重用是通过将许多信道分配给许多小区以形成频率重用模式(frequency reuse pattern)来实现的。多个这样的模式被重复使用，从而提供更大的通信服务覆盖区域。这些模式中的每一个模式都包含系统可用的所有信道。
很显然，频率重用模式中所包含的小区数目(通常被称为频率重用因数k)决定了频率利用率。越小的频率重用因数意味着相同的频带被越频繁地重用，反之亦然。但是，不可以任意地减小重用因数k，因为当重用因数k被减小时，重用相同的频率信道的两个小区之间的空间隔离被减小，从而导致更高的同信道干扰。
分配信道的传统方法是：首先设置对信干比(signal-to-interferenceratio)的最低要求，然后基于该信干比要求来决定频率重用模式的最小尺寸。该传统方法的一个缺点在于其没有针对可用信道资源的最有效使用而被优化。由此，希望具有可以平衡上述竞争因素的为小区分配信道的方法。具体而言，希望具有减小频率重用因数从而提高频率利用率的方法。
发明内容
本发明公开了一种用于提高具有多个小区的无线通信系统的频率利用率的方法。该方法包括以下步骤。为每一个小区至少分配一个主信道，该主信道与其相邻小区的主信道不同。为每一个小区分配一个或多个次信道，该次信道具有与其相应的主信道相同的频率，但是配置不同，所述次信道的频率与同一小区的主信道的频率不同。当同一小区的主信道正在被使用的容量超过预定阈值时，启用该小区的次信道以用于承载通信流量。
但是，当结合附图来阅读具体实施例的以下描述时，根据该描述可以最佳地理解本发明的构造和操作方法，以及本发明的其它目的和优点。
附图说明
图1示出了具有被分配的频率信道的小区的群集，其中，一个频率重用模式包含三个小区。
图2示出了包含三个全向小区的频率重用模式。
图3示出了包含三个扇形小区的频率重用模式。
图4示出了根据本发明一个实施例的包含12个小区的频率重用模式，其中每一个小区都被分配了一个由大写字母指示的主信道。
图5示出了根据本发明实施例的包含12个小区的频率重用模式，其中每一个小区都被分配了一个或多个由小写字母指示的次信道。
图6示出了根据本发明实施例的具有减小了的频率重用因数的频率重用模式。
图7示出了根据本发明一个实施例的小区群集，其中，次小区的信道功率低于主小区的信道功率；以及
图8示出了根据本发明另一个实施例的小区群集，其中，次小区的信道功率低于主小区的信道功率。
具体实施方式
本发明描述了提高频率利用率的频率重用方法。以下仅仅出于说明本发明原理的目的来示出本发明的各个实施例。应当了解，本领域技术人员将可以设计各种等同物，这些等同物虽然没有在这里得到清楚的描述，但是其体现了本发明的原理。
图1示出许多频率重用模式，每一个重用模式都包含三个小区，因此其频率重用因数k为3。由大写字母A、B和C来指示的三个不同信道被分配给一个频率重用模式中的各个小区。
频率重用模式中的小区可以是诸如全向、扇形或其组合等之类的类型的小区。在全向小区(omni cell)中，其基站收发站(BTS)被置于小区的中间，具有360°方位的天线辐射模式。在扇形小区(sector cell)中，BTS被置于小区边界处，并且其辐射模式是定向的。图2是全向小区的示例，而图3是扇形小区的示例。两者都是针对频率重用因数等于3的情况。
在频率重用模式中，分配给不同小区的信道频率不同，并且可以向每一个小区分配多个信道。信道分配应当满足特定的系统性能标准，例如针对同信道和相邻信道干扰的可接受的载干比(C/I)。如果每一个小区都仅使用被分配给其的信道，则使用频率重用模式的任何无线通信系统都将正常操作。
对于每一个小区，利用初始频率规划而被分配的信道将被指定作为其相应小区的主信道。类似地，对于每一个信道，被分配了主信道的小区被指定作为该信道的主小区。由于同一信道将被根据频率重用模式、在无线通信系统上重复地重用，因此每一个信道都将与多个主小区相关联。
任何信道都可以在其主小区中被使用，以用于按照与传统频率重用方案类似的方式来承载通信流量。但是，根据本发明的一个实施例，如果满足特定的预定标准，则信道不仅可以在其主小区中被用作主信道，而且还可以被其它小区(不仅仅是其主小区)借用，以用于承载通信流量。当被用在除了其主小区之外的小区时，信道被指定作为该借用小区的次信道。在这个实施例中，以下标准提供了检查信道借用是否可行的根据：主小区和借用小区之间的地理距离；根据主小区和借用小区之间的路径损耗而得到的隔离度；在信道被用在借用小区中的情况下所预测或测得的同信道和相邻信道C/I比；当信道被用在借用小区中作为次信道时的系统性能的启发性数据(例如分组错误率、系统吞吐量和呼叫阻塞率)。当信道和并非该信道的主小区的小区满足上述标准时，信道可以被视为该借用小区的次信道候选者之一。
例如，如果：信道的主小区和借用小区之间的地理距离大于阈值(例如2英里)；根据主小区和借用小区之间的路径损耗而得到的隔离度大于阈值(例如20dB)；在信道在借用小区中被使用的情况下所预测或测得的同信道和相邻信道C/I比大于阈值(例如15dB)；以及当信道被用在借用小区中作为次信道时不存在性能恶化，则该信道将被视为该借用小区的次信道候选者之一，用以承载通信流量。
以上的标准清单提供了在信道可以被除了其主小区之外的小区使用的情况下需要考虑的因素的示例。该清单绝非是排他性的，应当了解，本领域技术人员将可以加入或设计各种其它标准，这些其它标准虽然没有在这里清楚地描述，但是其体现了本发明的原理。
图4示出了初始频率重用模式的频率重用因数等于12的情况的示例。被分配的信道是主信道，由大写字母示出。对于每一个小区，外环小区的主信道可以被视为内部小区的次信道候选者。如图5所示，次信道用小写字母来示出。因此，如果所有次信道都在其借用小区中被实际用于承载流量，则可以实现有效的频率重用因数k＝3，如图6所示。这将频率重用因数从图5所示的12减小到图6所示的3。
如果信道在除了其主小区之外的小区中被实际用作次信道，则该信道将与其在被用作其主小区中的主信道的情况不同地被配置。以下是可以根据信道是被用作主信道还是次信道而变化的信道配置属性的清单：被分配的最大信道功率；功率控制方案；分配优先级；信道保持时间；编码方案；调制方案；和服务质量(QoS)目标。应当了解，该清单仅仅提供了一个示例，并且绝非是排他性的。
当信道被用作次信道时具有不同信道配置的原因是，为了创建在信道被用作除了其主小区之外的小区中的次信道时有助于最小化干扰的可能性的特定机制。
例如，可以这样来配置次信道，以使得被分配的最大信道功率是A-10dB，其中A是被分配给主信道的最大信道功率。因此，用于次信道的最大功率比主信道的最大功率小10dB。这将有效地将次信道的覆盖区域限制在靠近BTS的区域，如图7和8所示。由于干扰很可能发生在小区之间的边界处，因此将次信道的覆盖区域排除在边界区域之外将最小化由于使用次信道而导致的干扰。
还可以这样来配置次信道，以使得功率控制方案允许功率降低速率高于功率增加速率。这将使得次信道很难提高其功率。例如，当次信道的信噪比(SNR)或PER或误比特率(BER)降低到特定阈值以下时，可以按1dB的增量来增加信道功率，只要其功率还在所分配的最大信道功率以下即可。但是，当存在额外的信道功率时，将按3dB的增量或者可以使信道功率变为期望水平的量来降低信道功率。同样地，这样做的原因是为了最小化由于使用次信道而导致的干扰的可能性。
还可以基于信道分配优先级来配置次信道。对于非关键服务，次信道首先被分配。如果不存在次信道，例如因为所有次信道都在使用中，或者次信道的状况不满足特定标准(稍后将说明)，则可以考虑分配主信道。
还可以基于信道保持时间来配置次信道。信道保持时间是即使信道质量已经降到特定阈值以下，特定信道也将被保持的最长时间。对于次信道，信道保持时间将被设置为比主信道的信道保持时间短很多。因此，与主信道相比，更容易从次信道切离。
次信道配置还可以基于特定的编码方案。用于次信道的编码方案将比主信道更强大，以使得次信道可以利用较少的信道功率来鲁棒地工作。
次信道的配置还可以基于特定的调制方案来配置。次信道可以使用较低级的调制方案，以使得它们可以利用较少的信道功率来鲁棒地工作。
最后，次信道的配置还可以基于QoS目标来配置。次信道的QoS目标理想情况下要低于主信道的QoS目标。
这里描述的信道配置属性及其值的清单仅仅是可以被用于区分次信道和主信道并确保在除了其主小区之外的小区中的信道使用不会导致系统性能的任何损害的因素的示例。本领域技术人员将可以添加或设计各种其它参数，这些其它参数虽然没有在这里清楚描述，但是其体现了本发明的原理。
参考图7，主信道用大写字母(A、B和C)来标示，而次信道用小写字母(a、b和c)来标示。利用相同字母(A或a，B或b，以及C或c)标示的信道是相同的信道，但是这些信道根据它们是在其主小区中被用作主信道还是在其它小区中被用作次信道而被不同地配置。这里，次信道被配置有较低的信道功率，从而使得它们的覆盖区域被限制在靠近BTS的区域。这将最小化由于在除了其主小区之外的小区中使用信道而导致的干扰。
参考图8，主信道用大写字母(A、B和C)来标示，而次信道用小写字母(a、b和c)来标示。利用相同字母(A或a，B或b，以及C或c)标示的信道是相同的信道，但是这些信道根据它们是在其主小区中被用作主信道还是在其它小区中被用作次信道而被不同地配置。这里，次信道被配置有较低的信道功率，从而使得它们的覆盖区域被限制在靠近BTS的区域。这将最小化由于在除了其主小区之外的小区中使用信道而导致的干扰。
对于次信道分配和再分配，初始频率重用模式和信道分配是以这样的方式被设计的，该方式使得如果所有小区都仅使用其主信道，则系统将正常操作，具有很少的同信道或相邻信道干扰。但是，在流量需求超过主信道的阈值容量的情况下，次信道将被启用以增加小区容量，从而提高频率利用率。
对于每一个小区，存在可以在主信道容量有限时被使用的次信道候选者(及其优选信道配置)的清单。在实际的实现方式中，每一个小区都不断地监测主信道的流量和使用容量。如果主信道的使用容量超过某个百分比，例如70％，则系统可以被设置以启用候选清单上的一些或所有次信道，以用于流量承载。
BTS向其所有终端广播活动次信道的清单。终端监测活动次信道所占据的频率上的下行链路干扰电平，并周期性地将它们报告回BTS。类似地，BTS监测活动次信道所占据的频率上的上行链路干扰电平。该下行链路和上行链路干扰电平将被用作针对用于流量承载的次信道的一个选择标准。
当存在终端的信道请求时，BTS将首先查看主信道的信道使用情况。如果主信道的使用容量超过某个百分比，例如75％，则系统可以被设置以考虑分配次信道。系统可以查看所有次信道，并选择具有最高的考评分数的一个或一些以用于分配给那个终端。
次信道的考评分数可以根据在次信道所占据的频率上所测得的干扰电平以及次信道系统性能的启发性数据来获得。
干扰电平度量可以是当前时间所测得的干扰电平，或者可以是在某一时间段内的加权平均电平。系统性能的启发性数据是当次信道在小区中被终端实际使用时在某一时间段内被收集的。系统性能包括诸如数据率、C/I比和系统总吞吐量之类的参数。收集时间段理想情况下应当相对地比帧持续时间长。
当系统考虑选择次信道来分配时，其使用以下逻辑来对所有的活动次信道进行评分：在比帧长度(例如1小时)长很多的某一时间段T内，次信道实际用于终端的时间是Tu。Tp是系统性能不好的时间量。如果Tu＞A，并且Tp/Tu＞B，则在时间段Tb内，该次信道将被中止用于所述终端，其中，A和B是常数。
例如，A可以是1分钟；B可以是50％。在中止(blackout)时间段Tb期间，用于所述终端的次信道的分数为负的无穷大，并且Tb可以是1小时。
如果系统性能的启发性数据通过该标准(次信道当前没有被中止用于所述终端)，则其干扰电平将被检查。如果上行链路干扰电平或下行链路干扰电平超过其阈值，即，Iu＞_Iu阈值，或者Id＞_Id阈值，则该次信道的分数将是负的无穷大。这个次信道将不会被考虑分配给所述终端。如果不是，则其分数将按如下所示地计算：
分数＝A*(Iu_阈值-Iu)+B*(Id_阈值-Id)
其中，A和B是对于所有的分数计算都保持恒定的两个正数。引入它们以使得对于上行链路干扰电平和下行链路干扰电平可以具有不同的权重。例如，可以使用A＝0.7，而B＝0.3，从而在考评分数上，上行链路干扰具有比下行链路干扰更大的权重。Iu_阈值可以被设置为热噪声底线值(thermalnoise floor)，加上例如5dB的恒定偏置。类似地，Id_阈值可以被设置为热噪声底线值，加上例如10dB的恒定偏置。Iu_阈值不必等于Id_阈值。
如果不存在可以通过选择标准的次信道，则将向那个终端分配主信道。这就是为什么系统需要在主信道被用尽之前开始考虑分配次信道的原因。对于信道请求，系统经常无法找到合适的次信道，并不得不采取主信道。
无论次信道是否被实际用于流量，都将连续地执行在所有活动次信道上的干扰电平的监测。但是，仅当次信道被用于流量时，系统性能的启发性数据才被收集。
所有的活动次信道的考评分数都可以连续地被更新，例如1秒钟一次。这个时候，如果被占用的次信道的更新之后的分数低于特定阈值，则系统将释放该次信道，并重新选择用于所述终端的次信道或主信道。
以上说明提供了许多不同实施例，或者用于实现本发明的不同特征的实施例。对部件或过程的具体实施例进行描述是为了有助于阐明本发明。当然，这些仅仅是实施例，并且它们并不意图对本发明进行限制以脱离权利要求中所描述的。
虽然在这里本发明被说明并描述成在一个或多个具体示例中实施，但是，其绝不意图被限制于所示出的详细内容，因为可以在不脱离本发明的精神的情况下并且在权利要求的等同物的范围内对本发明进行各种修改和结构改变。因此，可以宽泛地并且以与如以下的权利要求所阐述的本发明的范围相一致的方式来解释所附的权利要求。

Claims (23)

1.一种用于提高具有多个小区的无线通信系统的频率利用率的方法，包括：
为每一个小区分配至少一个主信道，所述主信道与所述小区的相邻小区的主信道不同；
为每一个小区分配一个或多个次信道，所述次信道具有与其相应的主信道相同的频率，但是配置不同，所述次信道的频率与同一小区中的所述主信道的频率不同；以及
当所述同一小区的所述主信道正在被使用的容量超过预定阈值时，启用所述小区的所述次信道以用于承载通信流量。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述为每一个小区分配一个或多个次信道的步骤还包括：
基于一个或多个预定因素来选择多个小区；以及
将与被选择的小区相关联的所述主信道重新配置成所述次信道。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述预定因素包括在所述被选择的小区与被分配了所述次信道的小区之间的地理距离。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所述预定因素包括在所述被选择的小区与被分配了所述次信道的小区之间的隔离程度。
5.如权利要求2所述的方法，其中，所述预定因素包括针对同信道和相邻信道干扰的载干比。
6.如权利要求2所述的方法，其中，所述预定因素包括：当所述次信道被启用以用于承载所述通信流量时的系统性能的启发性数据。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述分配一个或多个次信道的步骤减小所述无线通信系统的频率重用因数，该频率重用因数被定义为在所述无线通信系统的重复性小区模式中所包含的所述小区的数目。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述次信道及其相应的主信道在它们的以下方面被不同地配置：最大信道功率、功率控制方案、用于承载所述通信流量的分配优先级、信道保持时间、编码方案、调制方案或者服务质量目标。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述次信道的最大信道功率低于其相应的主信道的最大信道功率。
10.如权利要求1所述的方法，其中，根据基于从所述次信道的干扰电平和系统性能的启发性数据得到的所述次信道的考评分数的优先级来选择性地启用所述次信道。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述考评分数是由基站收发站基于从至少一个与所述基站收发站相关联的终端接收到的信道性能报告来计算得到的。
12.一种用于提高具有多个小区的无线通信系统的频率利用率的方法，包括：
为每一个小区分配至少一个主信道，所述主信道与所述小区的相邻小区的主信道不同；
基于一个或多个预定因素来选择多个小区；
将与所述被选择的小区相关联的所述主信道重新配置成次信道；
为每一个小区分配一个或多个次信道，所述次信道具有与其相应的主信道相同的频率，但是配置不同，所述次信道的频率与同一小区中的所述主信道的频率不同；以及
当所述同一小区的所述主信道正在被使用的容量超过预定阈值时，启用所述小区的所述次信道以用于承载通信流量。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述预定因素包括：在所述被选择的小区与被分配了所述次信道的小区之间的地理距离、它们之间的隔离程度、针对同信道干扰和相邻信道干扰的载干比、或者当所述次信道被启用以用于承载所述通信流量时的系统性能的启发性数据。
14.如权利要求12所述的方法，其中，所述分配一个或多个次信道的步骤减小所述无线通信系统的频率重用因数，该频率重用因数被定义为在所述无线通信系统的重复性小区模式中所包含的小区的数目。
15.如权利要求12所述的方法，其中，所述次信道及其相应的主信道在它们的以下方面被不同地配置：最大信道功率、功率控制方案、用于承载所述通信流量的分配优先级、信道保持时间、编码方案、调制方案或者服务质量目标。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述次信道具有的最大信道功率低于其相应的主信道的最大信道功率。
17.如权利要求12所述的方法，其中，根据基于从所述次信道的干扰电平和系统性能的启发性数据得到的所述次信道的考评分数的优先级来选择性地启用所述次信道。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述考评分数是由基站收发站基于从至少一个与所述基站收发站相关联的终端接收到的信道性能报告来计算得到的。
19.一种用于提高具有多个小区的无线通信系统的频率利用率的方法，包括：
为每一个小区分配至少一个主信道，所述主信道与所述小区的相邻小区的主信道不同；
基于一个或多个预定因素来选择多个小区；
将与被选择的小区相关联的所述主信道重新配置成次信道；
为每一个小区分配一个或多个次信道，所述次信道具有与其相应的主信道相同的频率，但是配置不同，所述次信道的频率与同一小区中的所述主信道的频率不同；
当所述同一小区的所述主信道正在被使用的容量超过预定阈值时，启用所述小区的所述次信道以用于承载通信流量；并且
其中，所述预定因素包括：在所述被选择的小区与被分配了所述次信道的小区之间的地理距离、它们之间的隔离程度、针对同信道干扰和相邻信道干扰的载干比、或者当所述次信道被启用以用于承载所述通信流量时的系统性能的启发性数据。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述分配一个或多个次信道的步骤减小所述无线通信系统的频率重用因数，该频率重用因数被定义为在所述无线通信系统的重复性小区模式中所包含的小区的数目。
21.如权利要求19所述的方法，其中，所述次信道及其相应的主信道在它们的以下方面被不同地配置：最大信道功率、功率控制方案、用于承载所述通信流量的分配优先级、信道保持时间、编码方案、调制方案或者服务质量目标。
22.如权利要求19所述的方法，其中，根据基于从所述次信道的干扰电平和系统性能的启发性数据得到的所述次信道的考评分数的优先级来选择性地启用所述次信道。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述考评分数是由基站收发站基于从至少一个终端接收到的信道性能报告来计算得到的。
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