CN1304624A - 移动无线电系统中的小区选择 - Google Patents

Abstract

总的来说,本发明涉及在移动通信系统中为了例如进行小区切换而选择小区的问题,更具体地说涉及在由于空中接口模式不同而具有不同能力的小区中选择最佳小区的问题。通过使用额外的判据,将移动台和可能是候选对象的基站由于调制和编码方案不同而导致的不同能力考虑进去,小区选择和切换的已知算法得到了扩展。在信号强度或者C/I、不同的小区能力、多时隙能力等等的基础之上,为不同的候选小区预测服务质量(“QoS”)。然后选择预测QoS最大的小区。在本发明的另一个实施方案里,通过进一步考虑进从系统的角度看适合例如避免明显地增加断线概率或者干扰程度的判据,本发明得到了扩展。本发明更多地使用基站支持高数据率。结果是总的系统吞吐量得到了提高。

Description

移动无线电系统中的小区选择

发明领域

总的来说，本发明涉及在移动通信系统中为了例如越区切换而选择小区的问题，具体地说，涉及在由于空中接口模式不同而具有不同能力的小区中选择最佳小区的问题。

相关技术

图1画出了一个典型的移动系统，它有许多小区和许多移动台(“MS”)。这些小区中的每一个小区都有一个有关的基站(“BS”)，它负责跟小区内移动台空中接口中的无线电通信。对于给定时刻的给定MS，一般都有一个提供服务的小区，MS从其中的基站接收信号，这样MS就可以通过提供服务的这一基站进行通信。

现代蜂窝系统的一个特征是，当移动台在移动通信系统里从一个小区移动到另一个小区时，蜂窝系统能够将呼叫从一个基站切换到另一个基站。这叫做越区切换或者切换。在移动通信系统里，切换过程利用移动台、提供服务的基站和/或周围基站的测量结果，在切换决策过程中使用这些测量结果。这些测量可以对连接质量，或者MS和基站或者周围的基站之间的链路进行。“链路质量”测量包括例如原始(raw)误码率(“BER”)和MS跟它的服务基站之间或者MS和周围的基站之间各种链路上接收信号的强度。

例如，在已知为GSM(“全球移动通信系统”)的移动通信系统里，移动台监视从服务小区基站收到的信号(下行链路信号)的链路质量(例如原始BER估计和接收信号的强度)，以及以接收程度表示的链路质量，也就是服务小区的相邻小区中基站下行链路信号的信号强度。另外，小区的基站监视它服务的每一个移动台发送给它的信号的质量(上行链路信号)。

然后，当MS/BS的测量结果表明目前服务小区的链路质量很低，而且可以从相邻小区获得更好的质量，或者一个相邻小区允许以更低的发射程度通信时，就进行越区切换。

目前的系统中越区切换碰到的问题概括起来就是，采取的策略是保持移动台跟“最好的”小区连接。目前的系统中选择“最好的”小区这个问题跟未来几年内要开发的新系统比起来非常简单。这些未来的系统将以不同的无线电干涉模式为基础(例如有不同的编码和调制方案)。

这些未来系统中的一个开发实例是在现有的系统中，例如GSM系统中，逐步引入一种调制和编码方案。调制基本上是让电磁场(例如幅度和频率)的特性携带要发射的一组规则和数据(这些规则和数据“调制”发射的信号)。在目前的GSM情形里，是电磁场的相位在携带信息。常常是一方面区分调制和解调，另一方面区分发射和接收。第一对过程将数据变换成一个低频率调制信号以及反过来，第二对过程将这一低频率调制信号转换成电磁场以及反过来。

在目前的GSM系统里，使用的调制方法是高斯最小移频键控(“GMSK”)。GMSK在相当高的频谱效率和合理的解调复杂性之间折衷。在目前的IS-136里，调制方案是π/4相移差分四相移频移键控(DQPSK)。

在GSM和D-AMPS这样的第二代蜂窝系统的发展过程中，人们建议修改调制方案，以便在相同频带中提供更高的比特率。建议了几个方案。一个方案是差分编码二进制连续相位调制(“DPCPM”)。这是一组调制类型，它的一个实例是π/4 DPCPM，它的优点是功率放大器的效率很高。建议的另一个方案是四进制偏移正交幅度调制(“Q-O-QAM”)，也叫做偏移16QAM。

这些不同调制方法之间的主要差别是它们为用户提供不同的数据率。这些系统的发展目的是提高用户比特率。结果是这些系统使用不同的调制方案，常常是在相邻的小区中这样做，以便为不同的用户提供更多的数据率供他们选择使用。另外，不同的数据率常常需要不同的信道编码方案。还有，几个编码方案可以用于一个调制方法。结果是有许多的编码和调制方案提供不同的数据率。

目前的切换算法在基站和移动台之间建立能够提供最高链路质量的链路。虽然这一基本方案确实存在许多变化，其中采用了额外的判据，比方说汽车速度，就象WO 9702716“在多蜂窝通信系统中决定是否进行越区切换的方法”中所介绍的一样，或者其它小区中的干扰，就象WO 9528808“越区切换方法和装置”所介绍的一样。然而，现有方法中没有一个方法考虑了在发展起来的蜂窝系统中会存在的这一问题，例如在具有不同空中接口模式(例如具有不同的调制和编码方案)的小区里选择最佳小区进行切换的问题。

发明简述

总的来说，本发明涉及在移动通信系统中为了例如小区切换而选择小区的问题，更具体地说，涉及上面讨论过的问题。下面综述本发明中解决这些问题的方法。

如上所述，目前存在一个问题，因为目前的切换方法在决定切换到哪一个小区去的时候，不考虑具有不同空中接口模式的不同小区的能力。还应当指出，在切换的过程中选择最佳小区所碰到的总的问题，在需要选择小区的其它场合也存在，例如在建立呼叫的时候，或者当移动台在空闲模式中连续选择小区的时候。

在目前的移动通信系统里，这一小区选择方法不是一个问题，因为除了典型情况下只使用一个载波和时隙以外，目前的系统通常都是只使用一种调制方案和一种编码方案。相比而言，提出和开发了新的系统，例如GSM的发展。在这些发展起来的系统中，同时存在不同的系统和不同的小区，每一个都有不同的调制和/或编码方案，为不同的用户提供不同的数据率。目前这些发展起来的系统中，小区选择方法不是以最佳的方式选择“最好”的小区进行切换。

因此，本发明的一个目的是提供一种方法，用来从用户的观点，也就是从最佳服务质量(“QoS”)的角度，选择最佳小区。最佳QoS可以以例如更高的数据/比特率或者吞吐量来表示。选择最佳小区的这一新方法是通过扩展小区选择和切换的已知算法，然后采用额外的判据，这些判据考虑了移动台和可能是候选对象的基站的能力，来实现的。最好根据收到的不同小区的信号的强度，或者C/I估计，它们的不同能力，多时隙可用度，等等，为不同的候选小区预测可以实现的数据率(对于“透明”业务)或者吞吐量(对于“不透明”业务)，选择预测的数据率或者吞吐量最高的小区。

对于数据率和吞吐量的预测，应当考虑空中接口模式对抗噪声和干扰的不同程度的鲁棒性。对于内在的不透明业务，这可以通过估计以吞吐量表示的服务质量来做到。对于透明业务，以比特率和要求的误比特率来表示的服务质量，是一个合适的判据。这后一种情形中的策略是选择提供所需要QoS的“最接近的”小区，例如测量在广播信道上接收到的信号的强度。

通过应用本发明的小区选择扩展算法，在某些连接上将以更高的干扰为代价提高数据率或者吞吐量。这样，本发明的另一个实施方案是将负荷和估计的干扰程度考虑在内。为了让运营商只有在对系统影响很小的时候才能够以高数据率进行这样的远距离连接，这样做是有用的。当系统负荷较低的时候确实是这样。

虽然前面综述了本发明，但是本发明的方法是根据权利要求1和21来定义的。各种实施方案在从属权利要求2～20和22中进一步定义。

虽然本发明主要是针对GSM系统环境讨论的，但是本领域里的技术人员应当明白，本发明同样可以用于其它类型的系统，比方说发展起来的IS-136。

附图简述

下面将参考本发明的优选实施方案，更加详细地介绍本发明，给出这些实施方案的只是将它们作为实例，介绍的时候要参考以下附图：

图1是蜂窝移动通信系统的一个示意图。

图2a是图1所示系统中移动台和切换候选对象的一个示意图。

图2b是说明给定干扰程度的情况下数据率和信号功率相互关系的一个图。

图3a和3b是说明本发明的方法步骤流程图。

图4a和4b是说明对于不透明业务本发明的方法步骤流程图。

图5a和5b是说明对于透明业务本发明的方法的骤流程图。

发明详述

在图2a中，可以看到有多个小区和有关的基站的一个移动系统200中的一些邻近小区，例如210、220，的视图。还画出了一个移动台(“MS”)，当然，虽然本发明不局限于具有这里所说明个数的小区的系统。这里的MS正在准备切换到几个可能的候选对象去。虽然这里的方法是为了专门说明切换程序的，但是本发明的方法是为了一般的“小区选择”，同样可以用于解决例如在空闲状态的移动台建立呼叫或者选择小区的过程中初始小区的选择问题。

为了进行说明，这里给出了两个合适的候选对象，第一个小区210或者第二个小区220。第一个小区210的空中接口215上的通信是由第一基站BS1负责的。第二个小区220空中接口225上的通信是由第二个基站BS2负责的。

这里假设MS支持几个空中接口模式(例如方案S1、S2和S3)，它们以不同的编码和调制方案为基础。这些方案提供不同的数据率。然而，为这些方案中的每一个方案提供给定链路质量和干扰程度所需要的信号功率不同。

如图2a所示，第一个基站BS1也支持这三个空中接口方案S1、S2和S3。而第二个基站BS2只支持一个方案S1，提供最低的数据率。但是应当强调，本发明并不限于有这一特定方案数的基站。例如，建议的GSM标准打算让基站支持多达八个不同的方案。

下面描述的总的方法将适合于所有情形，例如，如果(1)MS支持S1-3,BS1支持S1-3(如图2a所示)，或者(2)MS支持S1-2，BS1支持S1-3，或者(3)MS支持S1-3，BS1支持S1-2，或者(4)MS和BS1在所有地方支持S1的目前的标准切换情形。目前的方法同样适合，而不管MS或者BS支持多少方案。总的来说，检查所有可能的链路寻找最高的QoS或者吞吐量，选择提供最高QoS或者吞吐量的链路。

在图2b里，说明了对于给定干扰(和噪声)程度要获得所需误比特率所需要的信号功率，跟空中接口提供的数据率(包括前向纠错)之间的典型关系。可以看出，所需要的信号功率通常都随着数据率的增加而增加。结果，这些空中接口模式S1、S2和S3能够提供不同的数据率，但是另一方面，对干扰(和噪声)具有不同的敏感程度。判断哪一个方案将提供最佳的数据率的时候，哪一个切换选择最佳的估计应当考虑这一敏感性。再看图2a，如果我们在这里假定从BS2到MS的链路225的质量比从BS1到MS的要高，那么，小区选择和切换的标准算法将导致在MS和BS2之间建立通信连接，尽管可以通过允许在MS和BS1之间建立通信连接来提高吞吐量，如果其中的方案可以使用更高的数据率。

然而，如果我们假设MS采用本发明的小区选择算法，我们会得到一个不同的结果。根据这一新算法，不仅仅为了看谁的链路质量最好而检查链路MS-BS1 215和MS-BS2 225，而是同时考虑这两个基站BS1和BS2以及MS的能力。在这种情况下，以及在前面的情形中，链路质量可以用一个或者几个度量给出，例如在广播信道上接收信号的电平，载波干扰功率比(“C/I”)，原始BER估计。在这里，跟BS1的连接有可能比跟BS2的连接拥有更高的数据率，或者更高的吞吐量。在这种情况下，BS1的小区210被本发明的选择算法选中，它通常是网络一侧的一个控制单元完成的，例如在GSM系统中的基站控制器(“BSC”)中完成的。

这一算法的应用随着提供的服务是一种“透明的”服务还是一种“不透明的”服务而不同。下面依次简短解释这一点。已知对于给定的噪声和干扰程度以及给定的信道状况，提供了纠错的时候传输特性是数据吞吐量、传输延迟和剩余差错率(the remaining error rate)之间的一个折衷。在GSM这样的现代系统里，没有一种折衷适合于这里所有的不同服务类型(例如语音和数据)。超出这些可能性，不管相对较高的出错率使用一个较短的延迟在某些情况下更好，然而(例如传真)为了获得更好的传输质量，长延迟是可以忍受的。

由于这些原因，GSM提供了几种类型的连接。对于传输是“透明的”那些服务(例如语音)，系统提供一种比特率不变的连接。对于“不透明的”服务(例如传真)，没有任何连续的连接。信息以数据报的形式传送，出现错误的时候可以重新传输，导致“有效比特率”更低，用术语“吞吐量”来描述。

本发明将数据率和吞吐量的预测用在越区切换判决过程中。为了做到这一点，考虑了空中接口抗噪声和干扰不同程度的鲁棒性模式。对于不透明的业务，这是通过估计吞吐量来做到的。对于透明业务，例如以比特率和需要的比特率表示的服务质量(“QoS”)是最合适的判据。也可以为不透明业务定义QoS，然后它等于吞吐量。QoS的这一普适定义特别用于本发明下面的一般性描述中。

在图3a里，一个流程图说明了本发明的算法的一个实施方案。这一实施方案是独立于业务介绍的，可以用于不透明业务，也可以用于透明业务。算法中第一步310是通过监视来判断候选BS的能力。这些能力包括例如所支持的编码方案，所支持的调制方案，多载体能力和多时隙能力。不断地进行这一判断，这一判断通常是在例如基站控制器BSC中完成的。另外，还必须在第一步310里检查MS的能力。这是因为MS不一定需要支持每一个候选BS可用的所有方案。只有MS支持的BS上的链路的能力需要考虑。

算法的第二步是测量候选BS的链路质量。链路质量可以用多个可能度量中的一个或者多个给出，包括，但不限于，(1)在广播信道BCH上接收信号的强度，(2)BCH或者业务信道上的载波干扰(“C/I”)估计，和(3)业务信道上的原始BER估计。

这一算法的第三步330是估计跟每一个候选基站的每一条可能连接的服务质量(“QoS”)的算法。这一估计程序可以按照合适的算法进行，但这不是本发明的主题。目的是利用每一个小区的可用信息，例如跟小区能力合并的接收信号的强度，为每一个小区估计最佳的QoS。

算法的最后一步340是从这一列切换候选对象中选择其连接能够提供最佳QoS的BS。然后对切换到这一个小区，以提供最佳的QoS。

图3b给出了这最后一步的其它选择。图3a中最前面的三个步骤在图3b所示的实施方案里有相应的等价步骤315、325和335。在图3b里，选择具有最佳QoS的BS的最后估计程序345可以另外考虑系统判据，比方说负荷和干扰程度，就象下面进一步描述的一样。在图3a所描述的算法中，没有明确地使用任何系统判据。相反，这些值可以由各种链路上最佳QoS的估计在内部考虑。然而，应当指出，负荷这样的系统参数还可以明显地用于图3b。

用于图3b的这些进一步的判据是那些从系统的角度看适合于避免明显地增大平均断线概率或者干扰程度的。一个这种系统判据可以是候选基站的负荷。这一信息可以在实现小区选择算法的控制单元，例如BSC，中得到。简单的实施方式是只有BS1上的负荷低于预定阈值的时候才允许连接例如MS-BS1。这可以由所用业务信道的百分比来定义。利用这一额外的判据，可以避免对总的干扰的影响。

网络运营商可以独立地修改这一扩展小区算法的参数。例如，有可能让有更高优先级的MS跟其它MS相比，建立高数据率连接。这可以通过针对允许的负荷使用不同的阈值选择提供更高数据率的小区来实现。

然而，在干扰的增大更为关键的地方，系统判据“负荷”可能不够，负荷只是已知的一个粗略估计。在这种情况下，通过选择具有更高数据率的链路MS-BS1，小区选择的合适系统判据是干扰增加量的估计。

另外，判据显然可以合并起来考虑几个方面。组合判据的一个实例是单条链路上提供的数据率跟单个BS上负荷的组合。计算Q=a*(提供的数据率)-b*(BS上的负荷)，其中的a和b是正常数。这里，将选择具有最大值Q＞0的基站。

在图4a里画出了一个流程图，它说明在不透明业务的折衷情形下本发明中算法的一个实施方案。算法的第一步是通过监视来判断候选BS的能力。这些能力包括，例如，支持的编码方案、支持的调制方案、多载波能力和多时隙能力。这一判断不断地进行，通常会在例如基站控制器BSC中进行。另外，还必须检查MS的能力。这是因为MS不一定要支持每一个候选BS上所有可以获得的方案。只需要考虑MS支持的BS上的链路能力。

算法的第二步420是测量候选BS的链路质量。链路质量可以由一个或者多个可能的度量来给出，包括，但不限于，(1)广播信道BCH上的接收信号强度，(2)BCH或者业务信道的载波干扰(“C/I”)估计，和(3)业务信道的原始BER估计。

算法的第三步430是估计所有BS的吞吐量。这可以跟图3a和3b中的方法比较。就象在图4a、4b中一样，提供不透明业务时，图3a、3b中一般方法的最佳QoS，成为最高的数据吞吐量。吞吐量的这一估计程序可以按照合适的算法来完成，这不是本发明的一部分。目的是利用每一小区的可用信息，例如接收信号的强度和小区能力，来估计每一小区的最大吞吐量。

这一算法最后的步骤440是在候选切换对象中选择跟它的连接能够提供最大吞吐量的BS。然后，切换到提供最大吞吐量的小区。

图4b给出了这一最后步骤的可选扩展。图4a中的前三个步骤410、420和430在图4b所示的实施方案中有对应的步骤415、425和435。在图4b里，选择具有最佳QoS的BS的最后的选择步骤可以另外将负荷和干扰程度这样的系统判据考虑在内，就象前面参考图3b进一步介绍过的一样。在图4a描述的算法里，没有明显地采用任何系统判据。相反，可以通过估计各种链路能够达到的吞吐量将这些值考虑在内。然而应当指出，也可以象图4b里一样明显地使用负荷这样的系统参数。

图5a给出了一个流程图，它说明在透明服务情形下本发明的算法的一个实施方案。算法中的第一步510是通过监视来判断候选BS的能力。这些能力包括例如所支持的编码方案、所支持的调制方案、多载波能力和多时隙能力。这一判断连续地进行，一般都是在例如基站控制器BSC中进行。另外，还必须检查MS的能力。这是因为MS不一定要支持每一个候选BS可以获得的所有方案。只有MS支持的BS上链路的能力需要考虑。

算法的第二步520是测量候选BS的链路质量，就象前面讨论的一样。链路质量可以由一个或者多个可能的度量给出，包括，但不限于，(1)在广播信道BCH上收到的信号强度，(2)BCH或者业务信道上的载波干扰(“C/I”)估计，和(3)业务信道上的原始BER估计。载波干扰比，C/I，提供链路质量的更好估计。

图5a中算法的第三步530说明了本发明用于透明业务跟图3a、3b中一般方法，以及图4a和4B中的不透明业务，之间的差别。算法的第三步是用所有候选BS的比特率和需要的误比特率估计业务质量(“QoS”)。然后预先选择这些为被请求的业务提供足够的QoS的BS。

在利用固定的源速率的透明服务情形里，高QoS等价于数据率足够高的时候的低BER，如图5a、5b所示。在利用自适应源速率的透明业务情形中，其它实施方案将高QoS看成等价于具有高数据率的足够的BER。在语音业务实施方案里，高QoS将被看成等价于高语音质量。这将用于使用几个语音编解码器的情形中，在GSM里这是具有自适应多速率(“AMR”)的情形。

算法的最后一步540是从候选BS中选择具有最大链路质量的那一个BS，例如通过测量接收到的BCH信号的强度，从提供足够QoS的那些BS中选择，如图5a所示。然后切换到提供足够QoS的那一个小区。

图5b给出了这最后一步的一个可选扩展。图4a中的前三个步骤510、520和530在图5b所示的实施方案里有对应的等价步骤515、525和535。在图5b里，选择具有足够QoS的BS的最后的选择步骤545可以进一步将负荷和干扰程度这样的系统判据考虑进去，就象前面参考图3b所做的介绍一样。实际上，图5b中算法的最后步骤545包括同时检查哪一个BS满足两个先决条件：  最高链路质量和使用的系统判据。

上面介绍的实施方案只是用于说明，而不是限制。对于本领域里的普通技术人员而言，显然可以偏离上述实施方案而不偏离本发明的实质和范围。不应当认为本发明仅限于所介绍的实例，而是应当认为跟以下权利要求的范围一样。

Claims (22)

1．蜂窝式移动通信系统里选择小区的一种方法，该系统有多个小区，每一个小区都有至少一个基站，还有一个移动台跟所述移动系统通信，利用这至少一个基站和移动台支持的空中接口方案，通过空中接口链路连接到所述至少一个基站中的一个基站，包括以下步骤：

测量所述移动台和基站之间的链路质量；

所述方法的特征在于还包括以下步骤：

确定所述基站和移动台的通信能力；

为所述移动台和基站之间每一条可能的链路估计服务质量值；和

选择其基站具有最高服务质量估计的小区。

2．权利要求1的方法，其特征还在于：

每一个空中接口方案都是基于不同编码方案和调制方案的。

3．权利要求1或2的方法，其特征还在于：

所述基站和移动台的通信能力是以所述空中接口方案的能力来度量的。

4．权利要求1或2的方法，其特征还在于：

所述基站和移动台的能力是用到所述基站的链路上多时隙可用度度量的。

5．权利要求1或2的方法，其特征还在于：

所述基站和移动台的能力是用到所述基站的链路上多载波可用度度量的。

6．权利要求1～5的方法，其特征还在于：

所述最高服务质量等价于所述链路上最高的数据吞吐量。

7．权利要求1～5的方法，其特征还在于：

所述最高服务质量等价于最低误比特率和足够数据率的组合。

8．权利要求1～5的方法，其特征还在于：

所述最高服务质量等价于足够的误比特率和最高的数据率的组合。

9．权利要求1～5的方法，其特征还在于：

最高服务质量等价于最高语音质量。

10．以上权利要求的方法，其中的方法还包括以下步骤：

用给定系统判据进行测试。

11．权利要求10的方法，其特征还在于：

所述系统判据是负荷是否低于给定阈值。

12．权利要求10的方法，其特征还在于：

所述系统判据是干扰程度的增加是否低于给定阈值。

13．权利要求10的方法，其特征还在于：

所述系统判据是，在负荷、干扰程度和需要的数据率的组合的基础之上，测试系统判据是否低于给定阈值。

14．以上权利要求的方法，其特征还在于：

所述移动台正在从第一个基站访问所述移动系统，所述小区选择的目的是从所述移动台切换到第二个基站。

15．权利要求1～13的方法，其特征还在于：

所述移动台正在准备访问所述移动系统，所述小区选择的目的是选择通过它能够访问所述系统的最佳小区。

16．权利要求1～13的方法，其特征还在于：

所述小区选择是在所述移动台处于空闲模式的情况下进行的。

17．以上权利要求的方法，其特征还在于：

所述移动台和基站都支持相等数量的空中接口方案。

18．权利要求1～16的方法，其特征还在于：

所述移动台和至少一个基站支持相等数量的空中接口方案，至少一个基站支持的空中接口方案比移动台支持的更少。

19．权利要求1～16的方法，其特征还在于：

所述移动台和至少一个基站支持相等数量的空中接口方案，至少一个基站支持的空中接口方案比所述移动台多。

20．权利要求1～16的方法，其特征还在于：

所述移动台、至少一个基站和第二个基站中的每一个都支持不同数量的空中接口方案。

21．在蜂窝式移动通信系统里选择小区的一种系统，该通信系统有多个小区，每一个小区都有至少一个基站，还有一个移动台跟所述移动系统通信，通过连接到所述至少一个基站中一个基站的空中接口链路，包括：

测量所述MS和基站之间链路质量的装置；

其特征还在于：

所述移动台和基站支持至少一个空中接口方案；

确定所述基站和移动台的能力的装置；

为所述移动台和基站之间的每一条可能链路估计服务质量的装置；和

选择其基站具有最高服务质量估计的小区的装置。

22．权利要求21的小区选择系统，其特征还在于：

用给定系统判据进行测试的装置。

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