CN1286004A - 在移动网中采用跳频方法消除干扰 - Google Patents

Abstract

本发明的构思是通过调整跳频状态的使用分配来优化干扰的消除,使用分配并不一定是均匀的。相反,在跳频模式中各种跳频状态有不同的使用率。换句话说,一些跳频状态使用频率比其它跳频状态高。跳频状态的分配最好通过使预定的补偿函数最小来确定。比如,最佳的分配可基于网络几何结构、预测或测量的场强度和业务数据的计算确定。一旦频率的使用分配确定,就能确定将要使用的连接的跳频模式。由优化算法决定的特定连接的频率可能被利用的概率越高,该频率在跳频序列中使用得就越频繁。

Description

在移动网中采用跳频方法消除干扰

本发明涉及在移动网中采用跳频方法消除干扰。

在移动通信系统中，移动台和基站能通过使用所谓的无线电接口信道建立连接。取决于所涉及数据类型的不同需求，受到与数据传输率、数据准确度和传输延迟相关的连接的影响。

移动网总是被分配使用一个特定的频率范围。这个频率范围再细分成很多信道，这些信道的传输容量被优化以与移动网提供的服务匹配。为确保分配给移动网的有限频带有足够的容量，必须重复使用可获取的信道。为达到这个目的，系统的覆盖区域被分成由单个基站覆盖区域构成的小区，这也是为什么常常称这种系统为蜂窝无线电系统的原因。

通过无线电连接，移动台可以获得移动网提供的服务。图1描述了一个已知的移动网系统的结构草图，该网包括许多相互连接的移动业务交换中心(MSC)。一个移动业务交换中心(MSC)能与其它移动业务交换中心(MSC)或其它诸如综合业务数据网(ISDN)、公众交换电话网(PSTN)、因特网(Internet)、分组数据网(PDN)、异步传递方式(ATM)以及分组无线电业务(GPRS)的电信网建立连接。每个移动业务交换中心(MSC)都有多个基站控制器(BSC)与之相连。类似地，每个基站控制器(BSC)与多个基站相连。基站能与移动台(MS)建立连接。网管系统(NMS)用于在网上收集数据和重新编程网络单元。

基站和移动台之间的空中接口能以许多种不同方式划分为信道。已知的方法至少包括时分多路复用(TDM)，频分复用(FDM)和码分复用(CDM)。在TDM系统中，分配的带宽被分成序列时隙。特定数量的序列时隙构成一个周期性重复的时帧。信道由时帧中使用的时隙定义。在FDM系统中，信道由使用的频率定义，而在CDM系统中，是由跳频模式或散列码定义。也可使用上述信道划分方法的不同组合。

图2中提供了已知的FDM/TDM信道划分的一个例子。图中纵轴代表频率，而横轴代表时间。分配的频率范围被分成从F1到F6表示的6个频率。此外，由每个单一频率构成的频率信道再细分成由8个序列时隙构成的重复时帧。信道总是成对(F，TS)定义，其中，F为频率，TS为时帧中所用的时隙。

为使容量达到最大，信道必须在相互之间距离尽可能近的小区中重复利用，然而，条件是使用这些信道的连接质量仍能满足要求。连接的质量受传送信号的灵敏度，无线电信道中产生的传输错误，以及无线电信道质量的影响。对信号传输错误的恢复取决于被发送信息的特性，并可通过信道编码处理信息，通过在数据发送之前交叉存取，以及通过对错误传输帧重传的方法加以改进。

无线电信道的质量特别受到连接引起的互干扰程度的影响，这取决于连接使用的信道，连接的地理分布以及使用的传输功率。这些因素可能受到适当考虑到这些干扰的各个小区中信道的系统分配，传输功率调整，以及均衡各种连接引起的干扰等的影响。

即使信道的分配是成功的，不同的连接容易受不同的干扰电平的影响。结果，一些连接可能深受干扰之苦，严重影响了它们的质量，而同时另外一些连接却可忍受较高的干扰电平。如果为包含故障的信道建立的连接实现的信噪比在预定的范围之内，只有很小的比例(如5％)，那么可以分配一个信道。如果可以降低各个连接之间的干扰电平的起伏，那么所述连接质量可以在更密集的信道重复利用率的情况下实现，这可提高系统的容量。

消除连接之间的相对干扰的已知方法包括，FDM系统中使用的频率跳频以及TDM系统中使用的时隙跳频。这些和其它一些基于信道更迭的方法在下面的描述中将集中称之为信道跳频方法。在CDM系统中，连接之间的干扰差值可通过使用多种多样的散列码抑制。然而在这个方法中，所有的连接利用同一个频率，这就大大增加了平均交叉干扰。

通过跳频，连接使用的频率在很短的时间间隔内连续变化。这样，传输频率用作跳频参数。该方法可分成慢速和快速跳频。在快速跳频中，连接频率比载波频率变化更频繁。而在慢速频率跳频中，连接频率变化的频率不如载波频率。

例如，在已知的GSM系统中，实现跳频以便单个的脉冲串总是以一个频率发送，而下一个时隙中的脉冲串以另一个频率发送。结果，单个脉冲串能够承受高的干扰电平。由于信道编码和交叉存取的作用，通过确保没有受到严重干扰的传输脉冲串有足够高的百分比，能够实现所要求的连接质量。通过跳频，即使一些脉冲串受到较大的干扰，这些要求也都能满足，特别是针对每个连接来说。

图3示意了各种脉冲串使用频率的跳频方法。从F1到F4的4个频率被分配给小区使用。在小区以频率F4、F2、F3和F1的特定顺序发送序列脉冲串，其中跳频模式是周期性的，而且这个周期在每完成一次后就重复。因为该周期的长度是4个脉冲串，在如图2例子所示的采用8个时隙帧的系统中建立的单个连接，每4个脉冲串使用同一频率。结果，在移动台和基站之间的连接产生的衰落在所有单个连接中均分。通过跳频，当相邻小区使用的跳频模式相互独立时，实现最佳的干扰消除性能。这是通过应用精心选择周期或伪随机跳频模式实现的。

在时隙跳频中，跳频数就是连接采用的TDMA帧时隙。图4示意了一个时隙跳频模式，其中，信号在序列帧的时隙1、4、0和6上发送，之后又重复该周期。为实现最可能的性能，时隙跳频中使用的跳频模式也必须在相邻的小区中保持相互独立。

为使跳频方法提供的效果最显著，必须采取步骤以优化跳频模式。已知最好的方法是跳频采用的动态确定频率的方法。

美国专利5，541，954(Emi)描述了宽带通信系统使用的跳频方法，其中，频率随一预定的散列码变化。这个方法监视接收数据中的错误，并计算在指定的跳频频率上检测到的错误数。当在指定的跳频模式频率下的错误数超过预定的限制，该频率就变成在该特定时刻可获取的另一个频率。

根据上述公开的方法，跳频模式中的频率集基本的变化作为检测错误功能。然而，频率集中的频率使用机会均等。

颁证给Bantz等人的美国专利5，394，433描述了一种控制和执行跳频操作的方法。该公开书中介绍的发明特别与跳频模式的确定、干扰的检测以及跳频模式的变化有关。跳频频率根据跳频频率集和控制频率使用的一个跳频码定义，其中，只有跳频频率集可以更改。频率使用机会均等。

颁证给Dent美国专利5，425，049描述了通过在相邻基站的跳频之间采用交错延迟增加干扰分集。移动台和基站之间链路上采用的频率根据随动均匀使用分配的伪随机跳频模式的变化而改变。

移动网中的用户数和需要较宽带宽的应用(如多媒体应用)的发展很迅速。结果，系统中的传输信息量增加，使得系统内的平均干扰电平增高。于是，更迫切地要求有消除干扰的方法，而且为此目的开发的现有技术方法已不再能够提供所要求的性能。

本发明的目的是解决上述的问题。这可通过独立的权利要求书中所描述的方法实现。

本发明的构思是通过调整跳频状态的使用分配来优化干扰的消除，使用分配并不一定是均匀的。相反，在跳频模式中各种跳频状态有不同的使用率。换句话说，一些跳频状态使用频率比其它跳频状态高。

跳频状态的分配最好通过使预定的补偿函数最小来确定。比如，最佳的分配可基于网络几何结构、预测或测量的场强度和业务数据的计算确定。

一旦频率的使用分配确定，就能确定将要使用的连接的跳频模式。由优化算法决定的特定连接的频率可能被利用的概率越高，该频率在跳频序列中使用得就越频繁。

当用于固定的信道分配时，本发明提供了一个频率计划方案，用于配置频率分配以及小区中无线电收发器实现的跳频序列。在动态分配的情况下，本发明提供了一种动态地改变所涉及小区中的连接可用的频率分配和定义跳频序列的方法。

本发明关于下面的附图有详细描述，其中，

图1示出了本发明必需的移动网的部分

图2示出了FDM/TDM分配；

图3通过一个例子示意了一种作为时间功能的无线电连接跳频模式；

图4通过一个例子示意了一种在TDMA系统中无线电连接的时隙跳频模式；

图5A、5B和5C示意了频率使用的分配。

本发明介绍的目前跳频方法的主要变化单元见图5A、5B和5C。虽然这些图采用一种跳频系统作为例子，但本发明并不局限于这种系统；相反，任何跳频方法，如时隙跳频，都能替代频率跳频。

图5A示出了不采用跳频的现有技术方案，此处的连接仅使用频率2。图5B示意的现有技术方案中，连接采用由两个频率2和5构成的跳频序列。这两个频率使用机会均等，也就是说，频率2占用50％的时间，而频率5占用剩余的50％的时间。图5C示出了根据本发明的方案，此方案中跳频的跳频频率根据自由概率分配来采用。在图中所示的例子中，频率1占用10％的时间，频率2占用15％，频率3占用25％，频率5占用50％的时间。于是，连接就能在低干扰电平下更有效地利用频率，而不导致这些频率的干扰电平的过度增加。由此实现系统整体上的改善的干扰消除。

确定频率使用分配是一个优化工作。在设计阶段，最佳的分配可通过网络几何结构、预测或测量的场强度和基于业务数据的补偿函数实现。例如，连接i的误码比(BER)的期望值E(BER(i))可用作如下补偿函数： $E\left(\mathrm{BER}\left(i\right)\right)=\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{b}_{\mathrm{ij}}\·P(k\left(i\right)=k\left(j\right))=\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{b}_{\mathrm{ij}}\·\underset{k}{\mathrm{\Σ}}P(k_i=k)\·P(k_j=k),--\left(1\right)$

其中b_ij是当连接j和连接i使用同一信道时两个连接所引起的误码比的期望值，P(k(i)=(j))是使用同一信道连接i和j的概率。

例如，优化算法可用于使连接的最大误码比maxE(BER(i)))最小，或使在特定极限maxBER之下实现误码比的连接数最小，或更一般的是，不超过极限maxBER的概率。

根据本发明的方案获得的一个重要好处是，频率使用的状态空间是连续的。这使使用基于微分，如梯度法的优化方法成为可能。这特别对使用动态信道分配的系统有益，在这种系统中，信道根据业务需求动态地分配给小区，于是系统在业务需求变化时，知道分配给各个连接的频率应该怎样改变，这就使实现快速刷新成为可能。当网络载荷较低时，可给连接分配固定的频率。当载荷增加时，可使用多个频率，并且在非均匀分配的基础上使用这些频率。

一旦为频率定义了使用分配，就可能为连接确定跳频模式。频率在优化确定的指定连接中使用的概率越高，该频率在跳频序列使用就越频繁。比如，如果为一连接定义的频率使用分配为：

Fi	P(Fi)
F1	0.1
F2	0.15
F3	0.25
F4	0
F5	0.5

那么，实现所预期的使用分配的跳频模式为(F1，F1，F2，F2，F2，F3，F3，F3，F3，F3，F5，F5，F5，F5，F5，F5，F5，F5，F5，F5)。信号以伪随机或周期序列方式在20个元素之间跳频。如果分配更复杂，那么必须近似地定义设计用来实现期望的使用分配的跳频模式。所得到的频率分配的精确度由序列表的最大长度确定。

当然，该定义可通过各种方式实现，上述的方法只是一个例子。

让我们在只使用频率F1和F2的情况下测试两个连接之间的误码比。当连接使用同一个信道时，连接相互之间由的误码比为b=0.05。为清晰起见，在本例中忽略来自相邻信道的干扰。来自其它连接的干扰如下表所示：

	BER(F1)	BER(F2)
Con.1	C11=0.01	C12=0.075
Con.2	C21=0.015	C22=0.1

假定频率的联合分配为：

Con.2/Con.1	F1	F2
F1	f11	f12
F2	f21	f22

连接的近似误码比可由下式得到：

BER(connection 1)=f11*(b+c11)+f12*c12+f21*c11+f22(b+c12)和

BER(connection 2)=f11*(b+c21)+f12*c21+f21*c22+f22(b+c22)

让我们首先测试在连接的频率使用不同步，但互相独立的情况下，根据本发明的一个自由分配的例子如下所示：

	P(F1)	P(F2)
Con.1	0.82	0.18
Con.2	0.92	0.08

因为连接的频率使用不同步，频率的联合分配为

Con.2/Con.1	F1	F2
F1	0.7544	0.1656
F2	0.0656	0.0144

类似地，均匀分配的频率方法为：

	P(F1)	P(F2)
Con.1	0.5	0.5
Con.2	0.5	0.5

提供的联合分配为：

Con.2/Con.1	F1	F2
F1	0.25	0.25
F2	0.25	0.25

如果使用固定的、非跳频频率分配，如分配(F1，F2)(F1给连接1，F2给连接2)，那么频率分配为：

	F1	F2
Con.1	1	0
Con.2	0	1

频率的联合分配为：

Con.2/Con.1	F1	F2
F1	0	0
F2	1	0

在不同分配方式中，连接1和2的误码比的期望值如下表所示：

该表指出，在这个例子中，与非跳频和均匀分配的频率方案相比，普通分配在最大误码比值上有约7％的改善。

如果同步不同连接中同时使用的频率的话，能获得更好的效果。这使采取管理步骤以防止两个相互干扰的连接使用同一条信道成为可能。

一般情况下，N次连接使用的频率可由N维的张量

表示，它的元素

代表连接i₁，i₂，i₃，…，i_N同时采用频率k₁，k₂，k₃，…，k_N的概率。对于每个张量元素，即连接的频率状态，如果能协调各个连接的频率使用，则连接有特定的干扰，这有可能阻塞连接相互问主要干扰的频率状态。

让我们测试连接的频率组合可受控的同步跳频，根据本发明的对自由同步频率使用的联合分配的一个例子为：

Con.2/Con.1	F1	F2
F1	0	0.6
F2	0.4	0

类似地，对使用均匀分配的传统的同步跳频的频率的联合分配为：

Con.2/Con.1	F1	F2
F1	0	0.5
F2	0.5	0

使用同步频率方法，上面提供的公式所产生的误码比的期望值如下：

BER	普通分配	均匀分配
Con.1	0.0490	0.0425
Con.2	0.0490	0.0575

该表指出，在这个例子中，与非跳频和均匀分配的频率方案相比，普通分配在最大误码比值上有约15％的改善。

为清晰起见，该应用中的例子涉及只采用两个频率的系统。跳频方法带来的效果随使用频率数量的增加而增大。类似地，根据本发明方案提供的状态空间尺寸的增大和可能的优化，导致更高的效率，即获得的频率数增加。

本发明可由各种信道分配方法实现。已知的信道分配方法有固定信道分配(FCA)，动态信道分配(DCA)，和基于FCA和DCA组合的混合信道分配(HCA)。固定信道分配的思路是根据系统启动之前预定的频率分配方案，为单个小区的系统分配可获取的信道。在动态信道分配中，从放置在信道池中的所有信道选出由一些预定的标准定义的最佳信道使用。在混合信道分配中，系统可用的一些信道在FCA的基础上被指定到单个小区，而其余的信道放在信道池中接着动态分配到任何小区。这些各种方法在出版物“蜂窝移动通信系统的信道分配方法综述”(IEEE个人通信，pp 10-31，1996年6月)中有相当详细的描述。

对于固定的信道分配，本发明提供了一种频率方案准备的方法，通过这个方法，频率分配和跳频序列的实现被分配到无线电收发器。对于动态分配，本发明提供了一种动态改变小区使用的频率分配和定义跳频序列的方法。

本发明允许更有效地利用频率带宽。此外，通过动态分配，跳频模式可依赖于业务载荷，这使在任何特定时刻优化使用业务带宽成为可能。该方法不仅覆盖了不采用跳频的情况，而且覆盖了跳频模式中所有频率的均匀使用。由此，就不需要算法决定是否使用跳频。

之前本发明已就使用跳频的系统作了详细论述。然而，本发明并不局限于此，而可以与其它诸如时隙跳频的跳频方法一起使用。

Claims (15)

1．一种在移动网中消除干扰的方法。该移动网至少包含移动台和基站，它能在移动台和基站之间建立无线电连接，并使用诸如频率或时隙跳频方法的跳频方法消除干扰，其特征在于：

确定属于一个连接的跳频模式的跳频状态；

确定跳频状态变量的使用概率；

确定实现使用概率分配所必不可少的一种跳频模式。

2．根据权利要求1的方法，其特征在于跳频状态使用的概率密度函数由优化方法定义。

3．根据权利要求2的方法，其特征在于通过最小化由系统中连接的错误概率组成的函数来定义密度函数。

4．根据权利要求2的方法，其特征在于网络几何结构、场强和业务量信息用于优化算法。

5．根据权利要求4的方法，其特征在于场强信息由场强的理论预测组成。

6．根据权利要求4的方法，其特征在于场强信息由场强测量的结果组成。

7．根据权利要求4的方法，其特征在于业务量信息由预测的业务量组成。

8．根据权利要求4的方法，其特征在于业务量信息是业务量测量的结果。

9．根据权利要求1的方法，其特征在于跳频状态的使用概率分配固定地分配给基站收发机，特别是分配给单个的收发机。

10．根据权利要求1的方法，其特征在于跳频状态的使用概率分配根据业务载荷动态地分配给基站的收发机。

11．根据权利要求1的方法，其特征在于跳频模式中的特定跳频状态数高于其它跳频状态数。

12．根据权利要求11的方法，其特征在于跳频模式是一个伪随机序列。

13．根据权利要求11的本方法，其特征在于跳频模式是一个周期性序列。

14．根据权利要求11的方法，其特征在于用于连接的跳频模式处于同步，以便连接相互之间的干扰尽可能的小。

15．根据权利要求14的方法，其特征在于跳频模式处于同步，以便连接不会同时使用信道，当连接同时使用信道时，将导致严重的相互干扰。

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