CN101448182B - 通信系统中分配空间无线电资源的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通信系统中分配空间无线电资源的方法，所述方法包括：依据通信系统的至少一个参数决定阈值；依据上述阈值，决定通信系统中至少一个无线通信装置是否是能够使用空间无线电资源的候选；调度每一无线通信装置是所述候选的多个无线通信装置的优先级；以及依据每一无线通信装置是所述候选的多个无线通信装置的优先级分配空间无线电资源。本发明提供的通信系统中分配空间无线电资源的方法，以多个无线通信装置的优先级分配空间无线电资源，保证支持具有差通信条件的无线通信装置，从而提高通信系统的服务质量。

Description

通信系统中分配空间无线电资源的方法
技术领域
本发明是有关于通信系统中分配空间无线电资源(spatial radio resource)的方法，特别是关于分配无线电波束(beam)至具有差通信条件(communicationcondition)的特定用户的方法。
背景技术
通常，无线通信中无线电资源管理(radio resource management)在时域与频域管理无线电资源。随着自适应天线系统(adaptive antenna systems，AAS)的发展，空间无线电资源的利用越来越可实现，因此管理空间无线电资源越来越重要。例如，IEEE 802.16标准族采用自适应天线系统作为增加小区(cell)容量(capacity)与涵盖(coverage)的一种选择。自适应天线系统的特征是其能够通过引导波束至特定用户来减少干扰(interference)。因此，可提高信号干扰噪声比(signal-to-interference-and-noise ratio，以下简称为SINR)。
通过自适应天线系统的进一步应用，空分多址(spatial division multipleaccess，以下简称为SDMA)的多个波束可同时支持多个用户。图1是采用SDMA的无线通信系统的简要示意图。在小区C1中，基站(base station)BS1形成并且分别分配波束B1、B2与B3至移动台MS1、MS2与MS3。由于波束B1、B2与B3相互不干扰，在小区C1内，移动台MS1、MS2与MS3可在相同的时间与频率存取无线电资源。如此，无线通信系统的频谱效率(spectral efficiency)高，并且小区容量可以显著增加。此外，可以获得干扰抑制以及SINR增加。并且，可以增加作为常用的带宽效率与减少干扰的折衷方法的频率重用因子(frequency reuse factor)。由于应用自适应天线系统的主要目的是干扰抑制，因此在相同频率重用因子下可通过波束形成(beam-forming)来降低干扰。
通常，SDMA与其它多重存取策略结合，例如，时分多址(time divisionmultiple access，以下简称为TDMA)或者正交频分多址(orthogonal frequencydivision multiple access，以下简称为OFDMA)。一些管理无线电资源的调度算法(scheduling algorithm)已被提出，例如，空间分组算法(spatial groupingalgorithm)与SDMA/TDMA调度算法。然而，现有的调度算法无法通过波束形成来支持通信系统中差通信条件的用户，并且因此，通信系统的服务质量(quality of service，QoS)不能够得到保证与提高。
发明内容
本发明为了解决现有技术中无法有效地支持通信系统中差质量的用户的技术问题，提供一种通信系统中分配空间无线电资源的方法。
依据本发明的一个实施方式，其提供一种通信系统中分配空间无线电资源的方法，包括：依据通信系统的至少一个参数决定阈值；依据上述阈值，决定通信系统中至少一个无线通信装置是否是能够使用空间无线电资源的候选；调度每一无线通信装置是所述候选的多个无线通信装置的优先级；以及依据所述多个无线通信装置的优先级分配空间无线电资源，其中依据所述多个无线通信装置的多个优先级分配所述空间无线电资源的步骤包含：依据所述多个无线通信装置的多个优先级，架构并分配波束至从所述多个无线通信装置中选择的至少一个无线通信装置；估计正被分配波束的所述无线通信装置的信号干扰噪声比；以及当所述信号干扰噪声比小于预定值时，放弃分配所述波束至所述无线通信装置，然后以最早期限优先调度策略服务所述无线通信装置。
本发明提供的通信系统中分配空间无线电资源的方法，以多个无线通信装置的优先级分配空间无线电资源，保证支持具有差通信条件的无线通信装置，从而提高通信系统的服务质量。
附图说明
图1是采用SDMA的无线通信系统的简要示意图。
图2是采用TDMA与OFDMA的无线通信系统的无线电资源单元池的简要示意图。
图3是采用TDMA、OFDMA与SDMA的无线通信系统的无线电资源单元池的简要示意图。
图4是依据本发明的实施方式的在通信系统中分配空间无线电资源的方法的流程图。
具体实施方式
在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包括”是为一开放式的用语，故应解释成“包括但不限定于”。另外，“耦接”一词在此是包括任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。
配合附图，通过以下详细的描述、范例，可更了解本发明所揭露的所有实施方式的各个观点。
在无线通信系统中，例如全球互通微波接入(Worldwide Interoperability forMicrowave Access，WiMAX)系统、全球移动通信系统(Global System forMobile communications，GSM)等，一个基站通常同时服务小范围内、例如六角网格小区(hexagonal grid cell)内、的多个无线通信装置。为了避免干扰并且增加小区容量，基站必须管理无线电资源，以较佳地服务无线通信装置。图2是采用TDMA与OFDMA的无线通信系统的无线电资源单元池(radioresource unit pool)200的简要示意图。无线电资源单元池200包括时域与频域无线电资源，并且指示在一个传输周期(例如一个帧时间)内哪个无线电资源单元可以被利用。如图2所示，频域无线电资源包括4个正交频率单元F1-F4，并且时域无线电资源包括4个非重迭时隙(time slot)T1-T4。可通过利用无线电资源单元，例如在时隙T1利用频率单元F1，在基站与无线通信装置之间传输数据单元，例如封包(packet)。
图3是采用TDMA、OFDMA与SDMA的无线通信系统的无线电资源单元池300的简要示意图。无线电资源单元池300指示在一个传输周期(例如一个帧时间)内哪个无线电资源单元可以被利用。在时隙T1-T3，无线电资源单元池300与无线电资源单元池200相似，包括时域与频域无线电资源。在时隙T4，除了时域与频域无线电资源，无线电资源单元池300更包括空间无线电资源B1与B2。空间无线电资源B1与B2可为由基站的自适应天线系统形成的两个空间可分离的波束。时隙T1-T3的持续时间可作为非自适应天线系统区(non-AAS zone)，并且时隙T4可作为自适应天线系统区(AAS zone)。通常，自适应天线系统区的带宽比非自适应天线系统区的带宽窄。例如，自适应天线系统区的带宽可仅为15°，而非自适应天线系统区的带宽可为120°。第一数据单元与第二数据单元可分别通过利用在相同的时隙T4的相同的频率单元F1的波束B1与B2由基站传输至两个不同的无线通信装置。与时隙T1-T3中每一时隙比较，在时隙T4双倍数据单元可被传输。
在传输周期的起始时段分配非自适应天线系统区具有以下优势：当无线通信装置进入由基站控制的通信区域，无线通信装置能够以传统的程序记录(register)至基站，而不考虑自适应天线系统。需注意的是，自适应天线系统区与非自适应天线系统区可以在传输周期内交错(interlace)，例如，在传输周期起始时段首先分配第一非自适应天线系统区，接着第一非自适应天线系统区分配第一自适应天线系统区，接着第一自适应天线系统区分配第二非自适应天线系统区，并且接着第二非自适应天线系统区分配第二自适应天线系统区。
在一个实施方式中，一个帧时间的传输周期分为首先分配的非自适应天线系统区与接着非自适应天线系统区的自适应天线系统区。举例而言，非自适应天线系统区的持续时间为自适应天线系统区的持续时间的三倍。非自适应天线系统区与自适应天线系统区的比率，或者(换言之)非自适应天线系统区与自适应天线系统区的阈值边界(threshold boundary)，可依据至少一个参数决定，举例来说，上述参数是无线通信系统的服务质量、SINR、突发报告(burst report)、实时无线通信装置报告(real-time wireless communicationapparatus report)、或者其它设计需要。例如，当服务质量指示差通信条件的用户量增加时，基站可减少非自适应天线系统区的持续时间，并且增加自适应天线系统区的持续时间，以允许更多差通信条件用户在自适应天线系统区被服务。由于在无线通信系统中通信环境变化迅速，阈值边界可以动态地被决定。因此，可以依据不同的需求而决定每一帧或者每多个帧的阈值边界。
在一个实施方式中，在基站调度的多个数据单元等待经由无线电资源单元被传输至多个无线通信装置。数据单元可为封包或者其它形式的数据。基站决定在最先帧时间传输哪个封包，以及决定经由哪个无线电资源单元传输。每一封包具有其截止期限(deadline)。如果一个封包没有及时地被传输，上述封包是延迟封包(delay packet)。延迟封包的数量越多，通信系统的服务质量越差。举例来说，在互联网电话(voice over internet protocol，VoIP)应用中，延迟封包可导致通话中的滞后。在文件传输协议(file transfer protocol，FTP)应用中，延迟封包可减少吞吐量(throughput)。封包的截至期限定义如下：
截至期限＝DB-Age-Tt                                    等式(1)
其中DB代表延迟边界(delay bound)，是依据不同的应用而决定并合理的定义，例如互联网电话应用中是20ms，Age是封包在基站的媒体接入控制(Medium Access Control，MAC)层停留的时间，并且Tt是封包由基站至无线通信装置的估计传输时间。在另一实施方式中，对于非即时服务，软延迟边界(soft delay bound)是作为延迟边界，并且定义与封包大小及最小保留流量速率(Reserved Traffic Rate)的关系如下：
软延迟边界＝封包大小/最小保留流量速率                等式(2)
在现有通信系统中，通常使用最早期限优先(early dead first，EDF)调度策略，其中具有较早截止期限的封包应具有较高的优先级(priority)。然而，最早期限优先调度策略不能够考虑到在差通信条件下的无线通信装置，因此通信系统的服务质量不能够保证。图4是依据本发明的实施方式的在通信系统中分配空间无线电资源的方法的流程图。上述方法主要的目标在于以波束形成与调度策略在差通信条件下支持无线通信装置。上述方法包括以下步骤：
步骤410：决定通信系统中无线通信装置的一个封包的截止期限是否大于阈值边界，如果大于，执行步骤420；否则，执行步骤470；
步骤420：将无线通信装置分类为多个无线通信装置组；
步骤430：依据最早期限优先调度策略调度同一组内无线通信装置的优先级；
步骤440：依据步骤430中决定的优先级架构并且分配波束；
步骤450：估计正被分配波束的无线通信装置的SINR，并且检查上述SINR是否小于预定值，如果大于，则执行步骤460，如果小于，则执行步骤470；
步骤460：在自适应天线系统区以波束服务无线通信装置；
步骤470：放弃分配波束至无线通信装置，然后以最早期限优先调度策略服务无线通信装置。
在步骤410中，基站依据阈值边界决定无线通信系统中是否至少一个无线通信装置是能够利用空间无线电资源的一个候选(candidate)。基站检查调度的封包。如果一个封包的截止期限大于非自适应天线系统区与自适应天线系统区之间的阈值边界，基站决定接收上述封包的无线通信装置是上述候选。如果一封包的截至期限小于阈值边界，上述封包应在非自适应天线系统区传输以避免延迟，并且因此，接收上述封包的无线通信装置不适合为上述候选，并且接收上述封包的无线通信装置应以最早期限优先调度策略调度，即上述方法执行步骤470。
在步骤420中，基站调度多个无线通信装置的优先级，其中每一无线通信装置是上述候选，并且依据无线通信装置的SINR或调制方式(modulationschemes)分类无线通信装置(其中每一无线通信装置是上述候选)为多个无线通信装置组。为了保证服务质量，基站应给上述差通信条件下的无线通信装置较高的优先级。由于以波束形成服务差通信条件下的无线通信装置将显著地增加其通信条件，因此与服务较佳通信条件下的无线通信装置相比较，以具有较高收益或者增益(benefits or gains)的波束形成服务上述差通信条件下的无线通信装置。举例来说，第一无线通信装置与第二无线通信装置皆为候选。第一无线通信装置的SINR大于第二无线通信装置的SINR。基站应决定第二无线通信装置与第一无线通信装置相比较具有较高的优先级。
在步骤430中，对于一些具有相似通信条件的无线通信装置，服务其中任一个可获得相似的收益。因此，最早期限优先调度策略可应用至上述无线通信装置，以配置接收紧急的封包的无线通信装置较高的优先级。基站依据其SINR分类无线通信装置(其中每一无线通信装置是上述候选)为多个无线通信装置组。举例来说，基站分类其SINR在16-20dB之间的无线通信装置为第一组，分类其SINR在21-25dB之间的无线通信装置为第二组，分类其SINR在26-30dB之间的无线通信装置为第三组。通常来讲，第一组的无线通信装置具有大于第二组内无线通信装置的优先级，第二组内无线通信装置具有大于第三组内无线通信装置的优先级。换言之，属于映射(map)至较高SINR范围的组(例如属于第三组)的无线通信装置的优先级低于属于映射至较低SINR范围的组(例如属于第一组或第二组)的无线通信装置的优先级。对于相同组内的无线通信装置，可依据最早期限优先调度策略调度其优先级。
无线通信装置的调制方式通常与其SINR高度相关。例如，当SINR为20dB时，无线通信装置可采用二进制相移键控(binary phase-shift keying，BPSK)，并且当SINR为25dB时，无线通信装置可采用正交相移键控(quadraturephase-shift keying，QPSK)。通常，具有较差的SINR的无线通信装置可采用较低阶调制方式来与基站通信。因此，依据调制方式分类无线通信装置(其中每一无线通信装置是上述候选)为多个组与依据其SINR分类无线通信装置相似。因此，基站应决定具有较高阶调制方式(例如正交相移键控)的无线通信装置与具有较低阶调制方式(例如二进制相移键控)的无线通信装置相比较具有较低的优先级。相似地，具有相同的调制方式的无线通信装置的优先级可依据最早期限优先调度策略调度。
在步骤440中，基站依据步骤430中决定的优先级架构并且分配波束至上述无线通信装置，如果存在上述无线通信装置。由于基站仅仅能够架构有限的波束，基站首先分配有限的波束至优先级较高的无线通信装置，直到所有有限的波束分配完。
在步骤450中，为了保证波束形成的有效性，基站估计正被分配波束的无线通信装置的SINR，并且检查上述SINR是否小于预定值。如果估计的SINR小于预定值，则分配波束至上述无线通信装置并没有显著地提高其SINR与其通信条件。基站可放弃配置波束至上述无线通信装置，然后以最早期限优先调度策略服务上述无线通信装置，即上述方法执行步骤470。此外，基站可释放波束至其它无线通信装置。需注意的是，上述预定值是测量波束形成有效性的准则，并且可以其它的限制替代，例如估计的SINR应提高至一定的程度，以使无线通信装置的估计的调制方式提高至高阶的调制方式。举例来说，在波束形成之前，调制方式为二进制相移键控。如果估计的调制方式没有增加至正交相移键控或者其它的高阶的调制方式，基站可放弃分配波束至上述无线通信装置。
此外，为了保证分配的波束彼此不相互干扰，基站在分配最近的波束之后检查估计的SINR。举例来说，基站分配第一波束至具有较高优先级的第一无线通信装置，其中上述第一无线通信装置是自每一无线通信装置是上述候选的无线通信装置中选取。然后，上述基站估计第一无线通信装置的第一SINR。接着，基站分配第二波束至具有较低优先级的第二无线通信装置，其中第二无线通信装置也自每一无线通信装置是上述候选的无线通信装置中选取。基站检查并且估计第一SINR是否被第二波束干扰。如果第一SINR被第二波束干扰，基站放弃分配第二波束至第二无线通信装置，并且释放第二波束至其它无线通信装置。
在步骤460中，通过考虑波束形成的有效性，基站分配所有的波束至具有差估计通信条件的无线通信装置。基站决定哪个封包以波束形成在自适应天线系统区被服务。需注意的是，上述方法能够以帧为基础运作，以适应快速变化的通信环境，例如，上述方法能够以每一帧或者每多个帧运作。
简要总结起来，本发明上述实施方式提供的方法能够以波束形成以及保证波束形成的有效性来支持具有差通信条件的无线通信装置、以及差通信条件用户。以上述方式，通信系统的服务质量可以保证并且提高。
本发明虽以较佳实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属于本发明的涵盖范围。

Claims (14)

1.一种通信系统中分配空间无线电资源的方法，其特征在于，所述方法包括：
依据所述通信系统的至少一个参数决定阈值；
依据所述阈值，决定所述通信系统中至少一个无线通信装置是否是能够使用所述空间无线电资源的候选；
调度每一无线通信装置是所述候选的多个无线通信装置的多个优先级；以及
依据所述多个无线通信装置的多个优先级分配所述空间无线电资源，
其中依据所述多个无线通信装置的多个优先级分配所述空间无线电资源的步骤包含：
依据所述多个无线通信装置的多个优先级，架构并分配波束至从所述多个无线通信装置中选择的至少一个无线通信装置；
估计正被分配波束的所述无线通信装置的信号干扰噪声比；以及
当所述信号干扰噪声比小于预定值时，放弃分配所述波束至所述无线通信装置，然后以最早期限优先调度策略服务所述无线通信装置。
2.根据权利要求1所述的通信系统中分配空间无线电资源的方法，其特征在于，所述阈值是以帧为基础来动态地被决定。
3.根据权利要求1所述的通信系统中分配空间无线电资源的方法，其特征在于，所述至少一个参数包括所述通信系统的服务质量、信号干扰噪声比、突发报告、以及实时无线通信装置报告中至少一个。
4.根据权利要求1所述的通信系统中分配空间无线电资源的方法，其特征在于，决定所述通信系统中至少一个无线通信装置是否是所述候选的步骤包括：
当所述通信系统中所述无线通信装置的封包的截止期限大于所述阈值，决定所述无线通信装置是所述候选。
5.根据权利要求4所述的通信系统中分配空间无线电资源的方法，其特征在于，所述截止期限等于所述封包的延迟边界减去第一持续时间与第二持续时间，所述第一持续时间是所述封包停留在所述通信系统的基站的媒体接入控制层的时间周期，并且所述第二持续时间是所述封包自所述基站至所述无线通信装置的估计传输时间。
6.根据权利要求1所述的通信系统中分配空间无线电资源的方法，其特征在于，调度所述多个无线通信装置的多个优先级的步骤包括：
依据所述多个无线通信装置的多个信号干扰噪声比来调度所述多个优先级。
7.根据权利要求6所述的通信系统中分配空间无线电资源的方法，其特征在于，所述无线通信装置包括第一无线通信装置与第二无线通信装置，所述第一无线通信装置的信号干扰噪声比大于所述第二无线通信装置的信号干扰噪声比，以及所述第二无线通信装置与所述第一无线通信装置相比较，具有较高的优先级。
8.根据权利要求6所述的通信系统中分配空间无线电资源的方法，其特征在于，所述多个无线通信装置依据所述多个无线通信装置的多个信号干扰噪声比被分类至多个组，以及在同一组内的无线通信装置的优先级是依据最早期限优先调度策略来调度。
9.根据权利要求8所述的通信系统中分配空间无线电资源的方法，其特征在于，每一组是映射至信号干扰噪声比范围，以及属于映射至较高信号干扰噪声比范围的一组的无线通信装置与属于映射至较低信号干扰噪声比范围的一组的无线通信装置相比，具有较低优先级。
10.根据权利要求6所述的通信系统中分配空间无线电资源的方法，其特征在于，所述多个无线通信装置依据所述多个无线通信装置的调制方式分类至多个组，以及在同一组内的无线通信装置的优先级是依据最早期限优先调度策略来调度。
11.根据权利要求10所述的通信系统中分配空间无线电资源的方法，其特征在于，具有较高阶调制方式的无线通信装置与具有较低阶调制方式的无线通信装置相比较，具有较低优先级。
12.根据权利要求1所述的通信系统中分配空间无线电资源的方法，其特征在于，所述方法更包括：
分配第一波束至具有较高优先级的第一无线通信装置，其中所述第一无线通信装置是从所述多个无线通信装置中选择；
估计所述第一无线通信装置的第一信号干扰噪声比；
分配第二波束至具有较低优先级的第二无线通信装置，其中所述第二无线通信装置是从所述多个无线通信装置中选择；
估计所述第一信号干扰噪声比是否被所述第二波束干扰；以及
当所述第一信号干扰噪声比被所述第二波束干扰时，放弃分配所述第二波束至所述第二无线通信装置。
13.根据权利要求1所述的通信系统中分配空间无线电资源的方法，其特征在于，所述空间无线电资源是由与所述多个无线通信装置通信的基站分配。
14.根据权利要求1所述的通信系统中分配空间无线电资源的方法，其特征在于，所述方法以帧为基础运作。
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