-
Die
Erfindung betrifft die Zuordnung von Gesprächen bzw. Datenströmen zu Kanälen in GSM-Mobilfunknetzen.
-
In
GSM-Netzwerken ist das verfügbare
Frequenzspektrum in festgelegte Frequenzbänder eingeteilt. Jede Mobilfunkzelle
erhält
eines oder mehrere solcher Frequenzbänder. Durch eine zeitliche
Aufteilung kann jede Frequenz beispielsweise bis zu acht Gespräche bedienen.
Ein solcher Zeitschlitz einer bestimmten Frequenz wird als Kanal
bezeichnet. Die Zuordnung zwischen Frequenz und Kanal kann dabei
fest sein oder aber auch auf eine bestimmte vorgegebene Weise wechseln
(frequency hopping).
-
Wenn
ein neues oder übergebenes
Gespräch
eine Zelle erreicht, muss dieses Gespräch einem Kanal zugewiesen werden.
Dies bedeutet, es muss die Frequenz und der Zeitschlitz zur Übertragung
dieses Gesprächs
entschieden werden. Bei geringer Netzbelastung oder bei interferenzfreien
Frequenzplänen
bietet jeder Kanal eine ausreichende Qualität für jeden Benutzer und die Kanalzuweisung
kann frei gewählt
werden. Die ständig
steigende Nutzerzahl bewirkt nicht nur eine höhere Netzauslastung, sondern
erfordert auch eine intensivere Wiederverwendung der Frequenzen,
was zu verstärkten
Interferenzen führt.
Ferner werden in zukünftigen
GSM-Netzwerken Dienste
in größerem Umfang
zur Verfügung
stehen als heute, was zu einem Bedarf an unterschiedlichen Übertragungsqualitäten, beispielsweise
höhere
Qualität
für Datenverbindungen
und geringere Qualitäten
für Gesprächsverbindungen,
führt.
Bisherige Verfahren tragen diesen neuen Anforderungen jedoch nur
unzureichend Rechnung.
-
Aus
der Druckschrift US 2002/0007024 A1 ist ein Verfahren bekannt zur
Gesprächs-/Kanalzuweisung in
GSM-Netzen, bei dem ein jeweiliges mobiles Endgerät einem
jeweiligen Kanal zugeordnet wird und möglichst viele mobile Endgeräte den vorhandenen
Kanälen
zugeordnet werden bei dem jede Zuordnung von je einem jeweiligen
mobilen Endgerät
zu einem jeweiligen Kanal mit Kosten bewertet wird und bei dem die
Zuordnung der mobilen Endgeräte
zu den Kanälen
so erfolgt, dass die Gesamtkosten minimal sind, das heißt dort wird
eine Kostenfunktion dahingehend minimiert, dass die systemweite
Kanalverfügbarkeit
maximiert wird.
-
Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, ein Verfahren
zur Gesprächs-/Kanalzuweisung
in GSM- Netzen anzugeben,
bei dem eine möglichst
gute Ausnutzung der bestehenden Kanäle bei unterschiedlichen Qualitätsansprüchen der
Verbindungen sowie eine optimale Anpassung an die jeweilige Zuordnungssituation
erreicht wird.
-
Diese
Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale
erfindungsgemäß gelöst. Die
weiteren Ansprüche
betreffen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Die
Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass die globale Anforderungs-
bzw. Kanalsituation an einer GSM-Basisstation berücksichtigt
wird und eine Zuordnung der Gespräche zu den freien Kanälen nicht nur
durch Auswahl des Kanals mit der geringsten Interferenz, sondern
dass weitere Parameter, wie beispielsweise Qualitätsanforderung,
in Form einer Kostenfunktion berücksichtigt
werden und eine optimale Gesprächs-/Kanalzuweisung
durch Minimierung der Gesamtkosten bei maximaler Kanalzuteilung
erfolgt.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Beispiels näher
erläutert. Die
Zeichnung zeigt beispielhaft drei mobile Endgeräte M1 ... M3 mit allen möglichen
Zuordnungen a(i) eines mobilen Endgeräts i zu Kanälen C1 ... C4. Darunter ist
eine optimale Zuordnung a*(i) = (M1, C2); (M2, C4); (M3, C1) angegeben.
Sofern alle Kanäle
C1 ... C4 frei wären,
könnte
M1 zu Kosten c_i = 5 mit dem Kanal C1, zu Kosten 4 mit dem Kanal
C2, zu Kosten 5 mit dem Kanal C3 und zu Kosten 1 mit dem Kanal C4
verbunden werden. Im letzteren Fall würden zwar die minimalen Kosten
bei einer Zuweisung von M1 zu C4 entstehen, dies ist jedoch bspw.
nicht möglich,
weil das mobile Endgerät
M2 bereits dem Kanal C4 zugewiesen ist. Das mobile Endgerät M2 könnte, wenn
alle Kanäle
frei wären,
zu Kosten 3 dem Kanal C1, zu Kosten 5 dem Kanal C2 und zu Kosten
5 dem Kanal C3 zugeordnet werden. Die Zuordnung des Endgeräts M2 mit
den Kosten 3 zum Kanal C1 ist aber beispielsweise nicht möglich, weil
das Endgerät
M3 wegen der geringen Kosten 2 bereits dem Kanal C1 zugeordnet ist, wobei
dies für
das Endgerät
M3 die günstigste
Variante darstellt, da die Zuordnung zu C2 Kosten 4, die Zuordnung
zu C3 die Kosten 4 und die Zuordnung C4 die Kosten 5 aufweist.
-
Im
Folgenden wird nun das erfindungsgemäße Verfahren allgemein dargestellt.
Es wird eine bestimmte Basisstation betrachtet. Ferner sei M die
Anzahl der mobilen Endgeräte,
die von dieser Basisstation bedient werden und C die Anzahl der
Kanäle
dieser Basisstation. Eine Kanalzuweisung a ist dann eine Abbildung
von {1, ..., M} auf {0, ..., C} die folgende zwei Bedingungen erfüllt:
- 1. Gilt a(i) > 0
so gibt es kein von i verschiedenes j in {1, ..., M} mit a(j) =
a(i).
- 2. Es gibt höchstens
max(0, M-C) Elemente i in {1, ..., M} mit a(i) = 0.
-
Die
beiden Bedingungen stellen sicher, dass höchstens ein mobiles Endgerät einem
Kanal zugewiesen wird, aber auf der anderen Seite auch möglichst
viele mobile Endgeräte
den Kanälen
zugewiesen werden. Der Fall a(i) = 0, für einige i∊M, korrespondiert
zu der Situation, dass das mobile Endgerät i nicht einem Kanal zugewiesen
ist, weil beispielsweise das mobile Endgerät i aufgrund nicht ausreichend
verfügbarer
freier Kanäle
blockiert ist.
-
Sei
i∊M. Die Zuordnungskosten c_i eines mobilen Endgeräts i sind
definiert als Funktion c_i: {0, ..., C} → {0, 1, 2 ...}, wobei c_i(j)
für j in
{1, ..., C} die Kosten für
die Zuordnung eines mobilen Endgerätes i zu einem Kanal j und
c_i(0) die Kosten für
die Nichtzuordnung eines Kanals bedeuten. Die Kosten werden dann
in diesem Fall erfindungsgemäß entsprechend
den Qualitätsanforderungen
der mobilen Endgeräte
in Relation zu den erwarteten Qualitäten der Kanäle und weiterer zusätzlicher
Kosten, die weiter unten noch näher
erläutert werden,
gebildet.
-
Bei
gegebenen Kosten c_i, für
alle i∊M wird nun eine Zuordnung a* gesucht, dass der folgende
Ausdruck
minimal für alle möglichen Kanalzuordnungen ist.
-
Dieses
Problem kann in einfacher Weise als Maximum-Flow-Minimum-Cost-Problem umformuliert werden,
dessen Lösung
an sich bekannt ist. Dieses Problem ist beispielsweise in Rivinda
K. Ahuja, Thomas L. Magnanti, and James B. Orlin, Network flows,
Prentice Hall, 1993, Kap. 4 bis 9, näher beschrieben.
-
Im
Folgenden wird nun das Kostenmodell, also die Bildung der Werte
für c_i
näher erläutert.
-
Wegen
der vielfältigen
Möglichkeiten,
diese Kosten auszuwählen
bzw. zu bestimmen, kann hiermit eine Optimierung der Zuweisung auf
sehr viele unterschiedliche Situationen zugeschnitten werden. Bei
der Bildung der Gesamtkosten einer Zuordnung eines mobilen Endgerätes i zu
einem Kanal j werden Qualitätskosten und
Betriebskosten berücksichtigt.
-
Die
Qualitätskosten
werden auf der Basis des Unterschiedes zwischen den Qualitätsanforderungen der
mobilen Endgeräte
und den erwarteten Qualitäten
eines Kanals unter Berücksichtigung
der Steuerung der Sendeleistung berechnet.
-
Sei
T die Trägerleistung
des mobilen Endgeräts
i gemessen an einer bestimmten zu betrachtenden Basisstation, P
die Leistungssteuerungseinstellung des mobilen Endgeräts i in
Form der reduzierten Übertragungsleistung
in dB und I die Interferenzleistung auf dem Kanal j. Auf freien
Kanälen
j kann die Basisstation die Interferenzleistung direkt messen. Auf zugeordneten
Kanälen
j kann die Basisstation aus der gemessenen Empfangsleistung und
der gemessenen Empfangsqualität
der Verbindung grob berechnet werden, denn die Empfangsqualität entspricht
einem gewissen Signal zu Interferenz Verhältnis (CIR); siehe nächsten Abschnitt. Hat
man das der gemessenen Empfangsqualität entprechende CIR (in dB)
und die gemessene Empfangsstärke
T, so erhält
man einen groben Schätzer
für die
Interferenzleistung I als I = T – CIR.
-
Die
Qualitätsstufen
eines Kanals, häufig
als RXQUAL ausgedrückt,
ist eine natürliche
Zahl zwischen 0 und 7, die im Wesentlichen vom CIR (carrier to interference
ratio) des Kanals bestimmt wird, wobei 0 mit der höchst möglichen
Kanalqualität
korrespondiert. Mittels einer einfachen Tabelle können die
8 RXQUAL-Werte in entsprechende CIR-Werte umgerechnet werden. Umgekehrt
kann man CIR-Werte in entsprechend typische RXQUAL-Werte umwandeln.
Es wird q
c als Qualitätsstufe eines Kanals mit gegebener
CIR = T + P – I
und q
m als erforderliche Qualitätsstufe
des mobilen Endgeräts
i definiert. Hierbei wird die Leistungsreduktion des Endgeräts i berücksichtigt,
denn diese kann die Qualität
verbessern ohne einen Kanalwechsel zu erfordern. Die oben genannte
Differenz q = q
m – q
c ist
dann ein Maß zur
Festlegung der Qualitätskosten.
Die Kosten c_i können
dann beispielsweise wie folgt bestimmt werden:
-
Für eine zu
schlechte Qualität
treten typischerweise große
Qualitätskostenanteile,
für eine
zu gute Qualität
hingegen geringere Qualitätskostenanteile
und für
eine passende Qualität
gar keine Qualitätskostenanteile
bei der Bestimmung der Qualitätskosten
einer Kanalzuweisung auf.
-
Die
Betriebskosten resultieren aus den Zuordnungsvorgängen, zum
Beispiel aus der Zuordnung eines neuen Gesprächs bzw. einer Zuordnung eines
bereits bestehenden Gesprächs
zu einem anderen Kanal derselben Basisstation. Der Betriebskostenanteil
der Kosten c_i wird dabei beispielsweise wie folgt gewählt werden:
-
Die
Kosten für
die zum ersten Mal zugewiesenen Gespräche werden dabei immer höher anzusetzen sein
als die Kosten für
eine Neuzuordnung eines bestehenden Gesprächs zu einem anderen Kanal.
Mit den Betriebskosten kann man häufige Umverteilungen und das
Fallenlassen einer bestehenden Verbindung zu Gunsten einer neuen
verhindern.
-
Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
wird eine Gesprächs-/Kanalzuordnung gefunden,
die den Qualitätsbedürfnissen
der Mobilfunkteilnehmer möglichst
gut gerecht wird, das heißt,
dass die Blocking- und Dropping-Raten bzw. die Gesamtzeit der Verbindungen
unterhalb eines erforderlichen Qualitätsniveaus minimal sind und
dass beispielsweise nur dringende Neuzuordnungen bereits bestehender
Gespräche
durchgeführt
werden, um den Signalisierungsaufwand niedrig zu halten. Durch die
Erfindung werden die globale Interferenzsituation an einer Basisstation
und die Power Control Einstellungen bei der Kanalvergabe berücksichtigt und
zu häufige
Kanalwechsel aufgrund von Signalschwankungen und Interferenzveränderungen
verhindert. Es werden die unterschiedlichen Qualitätsansprüche bei
den Kanalzuweisungen berücksichtigt
und die Anzahl von Gesprächsabbrüchen aufgrund
mangelnder Verbindungsqualität
im Vergleich zu bisherigen Verfahren reduziert. Bei der Kanalvergabe
werden automatisch die mittlere Interferenzsituation einer Basisstation
aber auch individuelle Kriterien, beispielsweise die Art des benutzten
Dienstes oder zu welcher Klasse der Kunde gehört, berücksichtigt. Durch eine Berücksichtigung
der Zeit zwischen zwei Neuzuordnungen eines bereits bestehenden
Gesprächs
in der Kostenfunktion wird der zu häufige Kanalwechsel vermieden.
-
Ganz
allgemein kann die Kostenfunktion in Abhängigkeit der Zeit die seit
dem Eintreten mindestens eines relevanten Ereignisses vergangen
ist gebildet wird. Es ist auf diese Weise z. B. auch möglich, dass
besonders diejenigen Kanäle
neu zuordnet werden, die schon länger
eine schlechte Qualität
aufweisen oder umgekehrt solche Zuordnungen abbrechen, damit vielleicht
statt dessen eine bislang unbediente Mobilstation an die Reihe kommt.
