CN1364000A - 无线资源分配方法 - Google Patents

Abstract

一种无线资源分配方法,由无线通信平台和地面的多个移动通信用户以及多个固定通信用户组成的无线通信系统,1)首先,对一个无线频率资源分配方案中使用同一信道的所有小区的通信用户求出其中最小的SINR值;2)然后,对于所有的无线信道重复上述1)所述的计算,在所有信道的最小值中间进一步找出其中的最小值;3)接着,对所有的无线资源分配方案进行上述计算,并找出2)所述各个最小值中的最大值;4)如果该最大值大于设定的SINA阈值,则该无线资源分配方案就作为最优化的分配方案加以采用。本发明提供了一种新的动态无线资源分配手段,应用于平流层通信以及卫星通信等空间通信系统,有效地增加系统的容量,改善无线频率资源的利用效率,并且提高了动态信道(DCA)方式的稳定性。

Description

无线资源分配方法

一、技术领域

本发明是关于信息通信领域使用的无线资源分配方法，是一种特别适合于利用平流层通信平台或卫星通信平台等高空无线通信平台并采用空间分割多址接入方式的无线通信系统的无线资源分配方法。

二、背景技术

近年来，国内外的移动通信市场不断扩大，特别是实现了移动终端接入互连网的功能之后，用户的数量急剧地增加。对无线通信频率资源的需求越来越大。为此，必须开发可以更有效地利用频率资源的新技术。

在目前正在使用的具有提高频率资源利用率特征的无线通信系统当中，我们可以举出下面的两个典型例子。

(1)现有的卫星移动通信系统的例子

图1显示了使用载有12个波束的多波束天线的人造卫星的MSAT通信系统，它覆盖了整个北美地区的移动通信用户，为其提供服务。该图出自于参考文献1(John Litva and Titus Kwok-Yeung Lo，Digital Beamforming in WirelessCommunications，Chapt.7，Artech House Publishers，1996)。

在该系统的情况下，为了抑制同一信道之间的干扰和提高频率资源的利用率，整个频率资源划分成4段，依次分配给多波束天线的各个不同的波束。对覆盖地面相邻两小区的两个波束分配不同的频率资源，对间隔一定距离的不同小区所对应的波束允许分配使用同一频率的资源。它通常被称为空间分割多址接入方式(SDMA)。图1表示了采用该方式构成的无线通信系统。图中的数字依次表示不同的频率资源。

但是，这种方式中没有考虑到用户的具体位置信息，而是在各个用户每时每刻都在整个蜂窝小区内任意移动的假定前提下进行频率资源的划分。这样的频率资源分配过于浪费，对此方法进行改进，提高频率资源的利用率是完全可能的。

(2)地面蜂窝通信系统的例子

近年来，有一些论文资料提出了与自适应阵列天线和地面SDMA方式一起根据各呼叫用户以及通话中用户的信噪比(SINR，Signal Interference plusNoise Ratio)预测值进行信道分配的方法。例如，参考文献2(鈴木 達、大鐘 武雄、大川 恭孝，“アダプテイブアレ一を用いたSDMA方式におけるチヤネル利用效率の檢討”，信学技報SST99-75，ITS99-71，A.P99-197，RCS99-217，MW99-237(2000-02).)以及参考文献3(原嘉孝，“予测SINRを用いたSDMA/TDMAスロツト割り当て法の檢討”，信学技報，RCS2000-40(2000-06).)所提出的方法。图2是这些方法的概念示意。这些方法的特征是指向用户1的天线波束在用户2的方向上的场强最小，同时，指向用户2的天线波束在用户1的方向上场强最小。这样，即使在同一小区内使用同样的信道也不容易引起互相的干扰。

但是，这些的方法存在下述问题：

问题一，通过这样的分布方式进行SINR预测信道分配时，一个小区内的信道分配有可能对邻近小区内已经被分配使用同一信道用户的SINR性能产生不利的影响，使得分配方法的稳定性降低，从而，破坏该信道分配方法的性能。关于该问题的分析可以在参考文献4(M.Serizawa and D.J.Goodman，“Instability and deadlock of distributed dynamic channel allocation”，Proc.43rdIEEE VTC，pp.528-531，1993)中发现。

问题二，为了提高该方法的稳定性，必须向一个蜂窝小区内的基站提供周围小区用户的位置信息以及信道分配信息。它需要在各个基站之间通过无线信道或通信线路进行频繁地通信，为此需要增加通信成本，耗费通信时间。

综上所述，对于传统的卫星移动通信系统以及地面蜂窝移动通信系统的无线资源分配方法，无线信道的分配或者是过于浪费，或者是为了实现稳定的通信需要增加大量的通信成本。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种克服上述缺陷，实现最优的无线资源分配提案的无线资源分配方法。

为了实现上述目的，本发明所提供的一种无线资源分配方法，对于包含多个地面移动通信用户或者多个固定通信用户、使用多波束天线实现数字双方向无线通信的无线通信平台这样的无线通信系统，

通过阵列天线的加权系数求解呼叫用户和通话中用户的位置信息，再通过多波束天线的波束模式求解参数SINR的预测值，

对一个无线通信平台覆盖的各地面蜂窝的呼叫用户以及通话中用户的SINR预测值，通过通信平台内部的信号处理手段或通信手段的方式实现集中动态无线资源分配：

1)首先，通过某种无线资源分配方案使得对应的各蜂窝小区拥有对应的无

  线频率资源，求出使用某一个频率资源的用户所发射信号的SINR值中

  的最小值，

2)对所有的频率资源搜索，重复上述1)的计算，找出各最小值中的最小

  值，

3)对所有的无线频率资源分配方案重复上述2)的计算，找出各最小值中

  的最大值，

4)如果该最大值大于系统规定的SINR阈值，则采用该分配方案为最优无

  线频率分配方案。

上述的无线资源分配方法，在上述集中动态无线资源分配的实现过程中，还包括对呼叫用户的呼损率以及通信中用户的强制中断率参数实行优化取值，从中选取特性最佳的无线资源分配方案。

采用上述的技术方案，通过在整个平流层无线蜂窝移动通信系统中，预测SINR而后进行信道分配的方法，与传统的FCD(固定信道分配)方法相比，本发明采用DCA和SDMA组合工作方式，在保同样的呼损率条件下，平流层通信系统大幅度地增加了系统的容量。例如，在呼损率保持为10-3时，系统的容量增加了将近10倍。同时，随着通信流量的加大，呼损率的改善程度也渐渐变小。但是，即使在最坏的情况下，即使通信用户的数目达到系统的极限，在相邻小区之间可以共用的信道完全消失的时候，该方法的呼损率性能也不会比FCA(固定信道分配)方法的更差。因此，本发明提供了一种新的动态无线资源分配手段，将它应用于平流层通信系统可以有效地增加系统的容量，改善无线频率资源的利用效率，并且提高了动态信道(DCA)方式的稳定性。此外，该动态无线资源分配方法也可以应用于卫星通信等空间通信系统，可以取得同样的系统容量改善效果。

四、附图说明

图1是MSAT系统中的波束覆盖示意图；

图2是地面SDMA方式的概念示意图；

图3是平流层平台的地面覆盖示意图；

图4是装有多波束天线的平流层平台的部分覆盖区域：(A)为小区内部的用户分布位置；(B)为覆盖相邻两小区的波束模式；

图5是波束模式的二维横截面图；

图6是呼损率与流量的关系曲线图；

图7是本发明为了获得最佳无线资源分配参数组合的算法。

五、具体实施方式

下面对本发明的实施方式通过附图加以详细的说明。

本发明提出与平流层平台通信系统等地球表面空中平台通信系统以及SDMA(空间分割多址接入方式)同时使用的无线资源分配方法。该方法也适用于卫星通信系统。所述平流层平台通信系统等地球表面空中平台的SDMA方式的记载请参见文献5(G.M.Djuknic，J.Freidenfelds，and Y.Okunev，“Establishing wireless communications services via high-altitude aeronauticalplatforms：a concept whose time has come”，IEEE Communications Magazine，pp.128-135，Sept.1997)。

本发明的方法将用户的地理位置信息加以利用，原则上系统所拥有的整个无线频率资源为各个蜂窝的用户所共有，通过同时采用动态信道分配方法，构造了在立体3维空间中的新的空间接入方式(SDMA)，实现了空间通信系统的容量增加。

本发明的方法从装有DBF(Digital Beam Forming，数字波束形成)天线的平流层平台发出多个波束，其中的每一个波束就相当于地面蜂窝移动通信系统的一个基站。从平流层通信系统的功能上来看，可以认为在一个平流层通信平台里安装了多个无线移动通信基站。在这种情况下，地面蜂窝移动通信系统各个基站之间的通信在可以通过安装于平流层通信平台上的各个通信机器之间的内部通信方式很简单地实现。

所以，利用该特点，平流层通信平台一侧可以收集同信道用户的信息，在掌握各个地面蜂窝用户SINR预测值的基础上，实行无线资源的分配管理，即使不断有新的用户加入呼叫，仍然可以对整个系统的性能实现最优化。

本发明的特点是使平流层平台对地面各个小区全体用户的位置信息进行综合管理，在平台内部通过信号处理，特别是通过组合优化的方式，同时实现比较稳定而且高效的SDMA和DCA(动态信道分配，Dynamic ChannelAssignment)方法，以提高频率资源的利用效率。

如图3所示，本发明是在通过安装与平流层平台的多波束天线形成多个波束，每一个波束覆盖地面覆盖区域内的一个小区这样的系统。整个系统所拥有的无线频率资源原则上为各个波束所共有。此外，该无线频率资源分配方法是在利用从用户的位置推出的SINR信息的基础上，按照下述方法进行的。

对此，可以通过图4加以说明。在图4中给出了地面覆盖区中的一部分：A、B、C、D四个小区。我们将A、B小区中的部分通信用户用A_i、B_i(i＝1，2，3，4)表示，使用具有小区直径相同的波束宽度HPBW的波束A与波束B分别覆盖。其中，用户A₁和B₄虽然分别属于相邻的小区，但是两者之间隔开相当的距离，很显然，即使两个用户同时使用一个信道，相互之间也不会产生太大的干扰，两者的SINR值可以控制在允许的范围内。

首先，我们假设在一个平流层平台的覆盖区域内部包含有N个小区C_ij，i＝1，2，…，n；j＝1，2，…m，n×m＝N。系统所拥有的整个频率资源划分成T个逻辑信道，而与每一个逻辑信道所对应的物理信道可以是载频(CF：carrierfrequencies)、时隙(TS：time-slots)或扩频码(SSC：Spread Spectrum Codes)。

所有的T个信道为各个小区所共有。假设对小区C_ij中的第r号用户u_ij ^r，_k分配了第k条信道，则该用户在平流层平台一侧的SINR可以用SINR_ij ⁽¹⁾ _k表示，此处的1(小写英文字母el)表示第1种信道分配方案。如果发射机的输出功率以及电波传播损失在一段时间里保持不变，则SINR_ij ⁽¹⁾ _k与相应的通信用户以及其他小区中分配使用同一信道的用户的空间分隔位置有关系。采用电波入射方向探测(DOA)技术可以获得新呼叫用户以及通话中用户的位置信息，根据电波的入射方向以及多波束天线的波束模式可以计算推定SINR_ij ⁽¹⁾ _k。此外，即使不使用DOA技术，从自适应天线阵列的DBF(Digital Beam Forming)天线的加权系数进行计算，也可以直接求出SINR_ij ⁽¹⁾ _k值。

随后，改变i或者j，对于所有小区内分配使用第k条信道的通信用户，求出最小的SINR值，并定义该最小值为SINR_ch ⁽¹⁾ _k。通常，整个信道的分配方法不唯一，有多种方案，在各个信道对应的SINR_ch ⁽¹⁾ _k中选取最小的值，作为所选取的第1号信道分配方案所对应的SINR特性，并用GSINR⁽¹⁾来定义和表示。

另一方面，我们定义新呼叫用户的呼损率为P_b ⁽¹⁾，通信中用户的强制中断率为P_h ⁽¹⁾。此处的呼损率表示对于要求通信的呼叫用户系统接入失败的概率，而强制中断率表示通信中的用户被强制中断的概率。

随后，同时实现对覆盖区域内部的所有小区中的用户的SINR性能的最优化目标以及对呼损率以及强制中断率的最小化目标。这意味着同时实行最大化max{GSINR⁽¹⁾}、最小化min{P_b ⁽¹⁾}以及最小化min{P_h ⁽¹⁾}，这是一个多目标组合最优化问题。

对于这种最优化数学模型，通常可以认为随着组合数的增加其求解的计算量呈指数式上升。可是，采用人工神经网络或者遗传算法等工具，人们有可能求得这种组合最优化问题的解。

在这里，我们给出利用遗传算法对公式(1)表示的组合最优化模型求解，以增加通信系统容量的一个计算机模拟的例子。

此时，用O₁表示新呼叫用户与通信中用户的一个排队序列，用F(O₁)表示第1号信道分配方案的评价函数，则最优化问题就转化为求F(O₁)最大化的问题，可以写成下面的形式。在这里，GSINR表示与信道分配对应的SINR特性，P_b ⁽¹⁾表示新呼叫用户的呼损率，P_h ⁽¹⁾表示通信中用户的强制中断率，w表示最优化加权系数，M表示迭代次数的上限值，C表示小区的集合，C_ij是集合中的一个元素，T是逻辑信道的数目。

该系统模拟中使用了具有9个波束的多波束天线，平流层平台的地面覆盖区域分成对应的9个小区，每个波束覆盖一个小区，图5表示了一个波束的二维横截面图形。

同时，系统的整个频率资源被分成12个逻辑信道，由所有的小区用户共同拥有。表1表示了本系统模拟所使用的主要参数。

    表1.平流层通信系统模拟参数

平流层平台高度(height of the SPF)	20 km
		多波束天线的波束数目(number of beams for theDBF antenna)	9

所覆盖的地面服务区域的小区数目(number of cellsin terrestrial coverage)	9
		小区半径radius of a cell	2km
波束宽度(beamwidth(HPBW)for one beam)	11°
		天线旁瓣电平(side lobe level)	-33dB
平流层平台可使用信道数目(available channels inthe SPF system)	12
		系统的SINR阈值(required SINR threshold)	20 dB
产生呼叫信号的概率分布(call arrival probabilitydistribution)	Poisson
		平均通话保持时间(average call hold time)	180 s

所有9个小区在地面上按x-y坐标形式以3×3方式排列，对于边缘的小区为了准确地考虑周围小区的同信道干扰，在整个覆盖区的外围增配一圈虚拟小区。另外，为了对SINR进行评价，首先计算由相邻波束的主波瓣引起的同信道干扰，然后，考虑到旁波瓣的影响，在系统采用9个波束的时候，平流层通信平台的旁波瓣电平将增加9.5dB。如果将天线发出波束的旁波瓣影响控制在-32.5dB以下的话，接收端的SINR下限可以维持在20dB。

为了对本发明的DCA方法性能进行评价，我们使用了图2所示的频率利用因子为4的固定信道分配方法(FCA)做为一个对照的例子。

另外，为了简化计算，这次的模拟中没有考虑传播损失和多径干扰。同时，公式(7)中的系数设定为w₁＝0.1，w₂＝40，w₃＝0，对采用该DCA方法时候的通信流量对应的呼损率进行分析。具体计算采用了如图7所示的算法。

1)首先，对一个无线频率资源分配方案中使用同一信道的所有小区的

  通信用户求出其中最小的SINR值；

2)然后，对于所有的无线信道重复上述1)所述的计算，在所有信道的

  最小值中间进一步找出其中的最小值；

3)接着，对所有的无线资源分配方案进行上述计算，并找出2)所述各

  个最小值中的最大值；

4)如果该最大值大于设定的SINA阈值，则该无线资源分配方案就作为

  最优化的分配方案加以采用。

  整个计算结果如图6所示。

从计算机模拟的结果可以看出，与传统的FCD方法相比，采用本发明的DCA和SDMA组合工作方式，在保同样的呼损率条件下，平流层通信系统大幅度地增加了系统的容量。例如，在呼损率保持为10^-3时，系统的容量增加了将近10倍。同时，随着通信流量的加大，呼损率的改善程度也渐渐变小。但是，即使在最坏的情况下，即使通信用户的数目达到系统的极限，在相邻小区之间可以共用的信道完全消失的时候，该方法的呼损率性能也不会比FCA的更差。

综上所述，本发明提出了一种新的动态无线资源分配手段，将它应用于平流层通信系统可以有效地增加系统的容量，改善无线频率资源的利用效率。

此外，该动态无线资源分配方法也可以应用于卫星通信系统，我们相信可以取得同样的系统容量改善效果。

Claims (2)

1.一种无线资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

对于包含多个地面移动通信用户或者多个固定通信用户、使用多波束天线实现数字双方向无线通信的无线通信平台这样的无线通信系统，

通过阵列天线的加权系数求解呼叫用户和通话中用户的位置信息，再通过多波束天线的波束模式求解参数信噪比的预测值；

对一个无线通信平台覆盖的各地面蜂窝的呼叫用户以及通话中用户的信噪比预测值，通过通信平台内部的信号处理手段或通信手段的方式实现集中动态无线资源分配：

1) 首先，通过某种无线资源分配方案使得对应的各蜂窝小区拥有对应的无

   线频率资源，求出使用某一个频率资源的用户所发射信号的信噪比值中

   的最小值，

2) 对所有的频率资源搜索，重复上述1)的计算，找出各最小值中的最小

   值，

3) 对所有的无线频率资源分配方案重复上述2)的计算，找出各最小值中

   的最大值，

4) 如果该最大值大于系统规定的信噪比阈值，则采用该分配方案为最优化

   的无线频率分配方案。

2.根据权利要求1所述的一种无线资源分配方法，其特征在于：在上述集中动态无线资源分配的实现过程中，还对包括了呼叫用户的呼损率以及通信中用户的强制中断率参数的系统频率资源分配性能实行优化。

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