DE10309618B4

DE10309618B4 - Verfahren zur Gesprächs-/Kanalzuweisung in GSM-Netzen

Info

Publication number: DE10309618B4
Application number: DE10309618A
Authority: DE
Inventors: Dierk Blechschmidt; Kurt Dr. Majewski; Ulrich Prof. Lauther; Peter Dr. Stadelmeyer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2023-03-06
Also published as: DE10309618A1

Abstract

Verfahren zur Gesprächs-/Kanalzuweisung in GSM-Netzen, bei dem ein jeweiliges mobiles Endgerät (M1 ... M3) einem jeweiligen Kanal (C1 ... C4) zugeordnet wird und möglichst viele mobile Endgeräte den vorhandenen Kanälen zugeordnet werden,
bei dem jede Zuordnung (a(i) = j) von je einem jeweiligen mobilen Endgerät zu einem jeweiligen Kanal (j) mit Kosten (c_i(j)) bewertet wird,
bei dem die Zuordnung der mobilen Endgeräte zu den Kanälen so erfolgt, dass die Gesamtkosten minimal sind,
bei dem die Kostenfunktion Qualitätskosten und Betriebskosten umfasst, wobei die Qualitätskosten auf Basis des Unterschieds zwischen den Qualitätsanforderungen (q_m) und den erwarteten Kanalqualitäten (q_c), bei vorgegebenem Signal-zu-Interferenzverhältnis (CiR) berechnet werden und wobei die Betriebskosten auf Basis der Summe der Kosten für neue Gespräche und der Kosten für Neuzuweisungen bestehender Gespräche zu neuen Kanälen bestimmt werden.

Description

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.

Claims

Verfahren zur Gesprächs-/Kanalzuweisung in GSM-Netzen, bei dem ein jeweiliges mobiles Endgerät (M1 ... M3) einem jeweiligen Kanal (C1 ... C4) zugeordnet wird und möglichst viele mobile Endgeräte den vorhandenen Kanälen zugeordnet werden, bei dem jede Zuordnung (a(i) = j) von je einem jeweiligen mobilen Endgerät zu einem jeweiligen Kanal (j) mit Kosten (c_i(j)) bewertet wird, bei dem die Zuordnung der mobilen Endgeräte zu den Kanälen so erfolgt, dass die Gesamtkosten minimal sind, bei dem die Kostenfunktion Qualitätskosten und Betriebskosten umfasst, wobei die Qualitätskosten auf Basis des Unterschieds zwischen den Qualitätsanforderungen (q_m) und den erwarteten Kanalqualitäten (q_c), bei vorgegebenem Signal-zu-Interferenzverhältnis (CiR) berechnet werden und wobei die Betriebskosten auf Basis der Summe der Kosten für neue Gespräche und der Kosten für Neuzuweisungen bestehender Gespräche zu neuen Kanälen bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Qualitätskosten derart ermittelt werden, dass für eine zu schlechte Qualität relativ große Qualitätskostenanteile, für eine gute Qualität relativ geringe Qualitätskostenanteile und für eine passende Qualität keine Qualitätskostenanteile auftreten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Betriebskosten derart berechnet werden, dass die Betriebskostenanteile für neue Gespräche um einen bestimmten Faktor höher angesetzt werden als die Betriebskostenanteile für Neuzuordnungen bestehender Gespräche.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Kostenfunktion in Abhängigkeit der Zeit die seit dem Eintreten mindestens eines relevanten Ereignisses vergangen ist gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Kostenfunktion in Abhängigkeit der Zeit zwischen zwei Neuzuweisungen eines bestimmten Gespräches erfolgt, wobei eine kürzere Zeitdauer höhere Kosten zur Folge hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die jeweilige Kostenfunktion in Abhängigkeit von dem durch das jeweilige mobile Endgerät benutzten Dienst und/oder von einer Kundenklasse abhängt.