-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine zellulare Kommunikation und
im Besonderen ein Rückführsystem
und -verfahren mit der Fähigkeit
zum effizienten Sammeln von Kanalinformationen von Mobilstationen (MS)
für zellulare
Kommunikation.
-
Zellulare
drahtlose Kommunikationsnetze unterstützen die Übertragung von Daten zwischen
einer Basisstation und mehreren Benutzer-Endstellen. In solchen
Systemen, die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung unterstützen, erfordert
die Verbindung von der Basisstation zu dem Mobilsystem hohe Kapazität. Ein Mechanismus
zum Verbessern des Durchsatzes besteht darin, Übertragungen zu Benutzer-Endstellen
zum Teil auf Basis ihrer Kanalzustandsinformationen einzuteilen.
Dieses Verfahren, das als Mehrbenutzer-Diversity-Übertragung
bekannt ist, sendet Daten zu Benutzer-Endstellen, wenn ihre Kanalbedingungen
gut sind. Leider nimmt das Erfassen von Rückführung von mehreren Benutzer-Endstellen
dem aufwärtsgerichteten
Kanal, von den Benutzer-Endstellen zu der Basisstation, Systemressourcen.
Daher ist das Durchführen
der Erfassung von Kanalzustandsinformationen für viele Benutzer-Endstellen
in der Praxis schwierig.
-
Opportunistische
Strahlenbildung (opportunistic beamforming) wurde als ein solches
Mehrbenutzer-Diversity-Übertragungsverfahren
vorgeschlagen, das mit der Einteilung in zellularen Systemen auf
Basis von Kanalstationsinformationen implementiert wird. Das opportunistische
Strahlenbildungsverfahren geht davon aus, dass die Kanalinformationen
von jeder Benutzer-Endstelle perfekt empfangen werden. Die Leistungsverstärkung von
Mehrbenutzer-Diversity-Übertragung
nimmt zu, wenn die Anzahl aktiver Benutzer in dem System groß wird.
Bei dem opportunistischen Strahlenbildungsverfahren steigt jedoch
mit der Anzahl von Benutzern außerdem
die Menge von Kanalinformationen, die zu der Basisstation rückgeführt werden
muss.
-
Ein
schwellenwertbasierter Rückführmechanismus
wurde vorgeschlagen, um die Mehrbenutzer-Diversity-Übertragung
zu nutzen. Die Menge von Rückführung steigt
jedoch im Verhältnis
zu der Gesamtzahl von Benutzer-Endstellen in dem schwellenwertbasierten
Rückführmechanismus.
-
Ein
opportunistischer Trennalgorithmus, der für den aufwärtsgerichteten Mehrfachzugriffskanal
vorgeschlagen wird, ist algorithmisch attraktiv, löst jedoch
nicht die Systemebenen-Gestaltungsprobleme von Mehrbenutzer-Rückführung und
ist nicht direkt auf abwärtsgerichtete
Mehrbenutzer-Einteilung anwendbar. Des Weiteren kann er auf die
algorithmischen Annahmen in reellen Systemen beschränkt sein.
-
Die
vorliegende Erfindung wurde in dem Bemühen um die Lösung der
vorgenannten Probleme gemacht.
-
US2005/030897 A1 betrifft
ein drahtloses Kommunikationssystem, in dem ein Sender wenigstens
zum Teil auf Basis von Paketlänge
und Kanalbedingungen adaptiv zwischen einem Nachdatenkanalrückführsystem und
einem Vordatenkanalrückführsystem
auswählen
kann. Im Besonderen wird ein Zeitdiagramm eines drahtlosen lokalen
Netzwerksystems gezeigt, das Vordatenkanalrückführung nutzt. Genauer gesagt
wird ein sendebereites Paket, das Kanalinformationen enthält, vor
einer Übertragung
eines Datenpaketes von dem Sender zu dem Empfänger von einem Empfänger zu
einem Sender zurückgesendet.
Des Weiteren wird ein Zeitdiagramm eines drahtlosen lokalen Netzwerksystems
gezeigt, das Nachdatenkanalrückführung nutzt.
Genauer gesagt wird ein Bestätigungspaket,
das Kanalinformationen enthält,
von einem Empfänger
zu einem Sender übertragen.
Nach Empfangen der Kanalinformationen kann der Sender geeignete Änderungen
auf Basis der Kanalinformationen für nachfolgende Übertragungen
durchführen.
Zusätzlich
wird gezeigt, dass ein drahtloses lokales Netzwerksystem auf Basis
von allgemeinen Informationen, die entweder aus einem Bestätigungspaket oder
aus einem sendebereiten Paket empfangen wurden, adaptiv zwischen
dem Betrieb in einem Vordatenkanalrückführ-Modus und einem Nachdatenkanalrückführ-Modus
auswählen
kann.
-
WO2004/032401 A1 offenbart
ein Verfahren zur Kommunikation über
ein drahtloses Netzwerk mit einer Vielzahl von Kommunikationsressourcen,
die zwischen einer Vielzahl von Sendern und wenigstens einem Empfänger gebildet
werden. Es wird eine Kennlinie für
jede Kommunikationsressource der Vielzahl von Kommunikationsressourcen
bestimmt. Ein Satz Gewichtungsfaktoren zur Anwendung auf die Vielzahl
von Sendern wird auf Basis der Kommunikationsressourcen-Kennlinie
ausgewählt.
Für jede
Kommunikationsressource der Vielzahl von Kommunikationsressourcen
wird eine Quali tätsanzeige
auf Basis der ausgewählten
Gewichtungsfaktoren bestimmt. Die Vielzahl von Kommunikationsressourcen
wird in Abhängigkeit
von der Qualitätsanzeige
zugewiesen.
-
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Sammeln
von Kanalinformationen in zellularer Kommunikation zu ermöglichen.
-
Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erfüllt.
-
Bevorzugte
Ausführungen
werden in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
-
Es
ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein adaptives Rückführsystem
und -verfahren mit der Fähigkeit
zum Verbessern der Zuverlässigkeit
von Diensteinteilung durch effizientes Sammeln der Kanalinformationen
bereitzustellen.
-
Es
ist ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein adaptives
Rückführsystem
und -verfahren mit der Fähigkeit
zum Verbessern von Systemleistung mit der zuverlässigen Diensteinteilung auf
Basis der effizienten Sammlung von Kanalinformationen bereitzustellen.
-
Zum
Erreichen des Vorgenannten wählt
bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung das adaptive Rückführverfahren
für ein
zellulares Kommunikationssystem, das eine Vielzahl von Endstellen
aufweist, die Kanalinformationen zu einem Zugriffspunkt rückführen, einen
von wenigstens zwei Rückführ-Modi
auf der Basis von Systemparametern aus, optimiert Steuerparameter,
die mit dem ausgewählten
Rückführ-Modus
verbunden sind, und führt
die Kanalinformationen unter Verwendung der optimierten Steuerparameter
in dem ausgewählten
Rückführ-Modus
von den Endstellen zu dem Zugriffspunkt zurück.
-
Bei
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wählt das
adaptive Rückführverfahren
für ein zellulares
Kommunikationssystem, das eine Vielzahl von Endstellen aufweist,
die Kanalinformationen zu einem Zugriffspunkt rückführen, einen von einem opportunistischen
Modus und einem Polling-Modus als einen Rückführ-Modus zwischen dem Zugriffspunkt
und den Endstellen auf der Basis von Systemparametern aus, richtet den
Zugriffspunkt und die Endstellen für den ausgewählten Rückführ-Modus
ein und führt
die Kanalinformationen in dem ausgewählten Rückführ-Modus von den Endstellen
zu dem Zugriffspunkt zurück.
-
Bei
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein zellulares
Kommunikationssystem einen Zugriffspunkt, der einen von wenigstens
zwei Rückführ-Modi auf der Basis
eines Modus-Auswählparameters
auswählt,
und eine Vielzahl von Mobilstationen, die jeweils Kanalinformationen
auf Basis des ausgewählten
Rückführ-Modus rückführen. Vorzugsweise
enthält
der Zugriffspunkt einen Scheduler, der Dienste für die Mobilstationen einteilt
und eine Dienstrate auf Basis der Kanalinformationen und Verkehrsinformationen bestimmt,
die mit den Diensten verbunden sind, und eine zentrale Rückführ-Steuereinheit,
die ein Rückführ-Steuersignal
zum Steuern des ausgewählten
Rückführ-Modus
erzeugt. Die zentrale Rückführ-Steuereinheit
enthält
eine Modus-Auswähleinrichtung,
die den Modus-Auswählparameter
mit einem Schwellenwert vergleicht und den Rückführ-Modus auf Basis eines Vergleichsergebnisses
auswählt,
und eine Optimiereinrichtung, die Steuerparameter, die mit dem durch
die Modus-Auswähleinrichtung
ausgewählten
Rückführ-Modus verbunden
sind, dynamisch optimiert. Vorzugsweise enthält jede Mobilstation einen
empfangenden Prozessor, der Kanalinformationen erzeugt, und eine
lokale Rückführ-Steuereinheit,
die eine Rückführ-Einstellung auf Basis
des von dem Zugriffspunkt empfangenen Rückführ-Steuersignals einstellt
und die Kanalinformationen mit den Rückführ-Einstellungen rückführt. Die
lokale Rückführ-Steuereinheit
enthält
eine lokale Modus-Auswähleinrichtung,
die den Rückführ-Modus
auf Basis des Rückführ-Steuersignals
von dem Zugriffspunkt auswählt, und
eine Parameter-Auswähleinrichtung,
die für
den ausgewählten
Rückführ-Modus
zu verwendende Parameter auswählt
und die Kanalinformationen mit dem ausgewählten Parameter über die
Rückführ-Einstellungen zurückführt.
-
Die
vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden ausführlichen
Beschreibung besser verständlich,
wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zur Kenntnis
genommen wird, bei denen:
-
1 ein
schematisches Blockdiagramm ist, das ein zellulares Mehrbenutzer-Mehrfacheingabe-Mehrfachausgabe(MIMO)-Kommunikationssystem
nach der vorliegenden Erfindung darstellt;
-
2 aufwärtsgerichtete
und abwärtsgerichtete
Frames für
ein nichtreziprokes System darstellt;
-
3 ein
Blockdiagramm ist, das die BS von 1 ausführlicher
darstellt;
-
4 ein
Blockdiagramm ist, das eine MS von 1 ausführlicher
darstellt;
-
5 ein
Flussdiagramm ist, das das adaptive Rückführverfahren nach einer bevorzugten
Ausführung der
vorliegenden Erfindung darstellt;
-
6 ein
Flussdiagramm ist, das einen Ablauf des opportunistischen Modus
von 5 im Hinblick auf die BS darstellt;
-
7 ein
Flussdiagramm ist, das einen Ablauf des opportunistischen Modus
von 5 im Hinblick auf jede MS darstellt;
-
8 ein
Blockdiagramm ist, das eine Framing-Struktur eines Dedicated-Channel-Modus
für das
adaptive Rückführverfahren
der vorliegenden Erfindung darstellt;
-
9 ein
Blockdiagramm ist, das eine Framing-Struktur eines opportunistischen
Modus für
das adaptive Rückführverfahren
der vorliegenden Erfindung darstellt;
-
10 ein
Blockdiagramm ist, das eine Framing-Struktur eines Random-Backoff-Modus
mit Trägermessung
für das
adaptive Rückführverfahren
der vorliegenden Erfindung darstellt;
-
11 ein
Blockdiagramm ist, das eine Framing-Struktur eines Polling-Modus
für das
adaptive Rückführverfahren
der vorliegenden Erfindung darstellt; und
-
12 ein
Blockdiagramm ist, das eine Framing-Struktur eines koordinierten
Modus für
das adaptive Rückführverfahren
der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
Hierin
werden im Folgenden ein adaptives Rückführverfahren und -system nach
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt eine zentrale Rückführ-Steuereinheit, die sich
an der Basisstation (BS) befindet, und eine lokale Rückführ-Steuereinheit,
die sich an jeder Mobilstation (MS) befindet, vor. Die Rückführ-Steuereinheiten
arbeiten zusammen, um die Menge von Rückführdaten, die für jeden
Benutzer (MS) erforderlich sind, zu begrenzen. Es gibt viele Möglichkeiten,
zu koordinieren, wie MS Rückführ-Informationen
zu der BS senden. Bei der vorliegenden Erfindung wird einer von
mehreren Rückführ-Modi
auf Basis der Rückführ-Informationen
sowie der Informationen über
den aktuellen Kanalzustand ausgewählt. Zusätzlich wird ein neuartiger
Zufallszugriff-Ansatz, der Zufallszugriff-Steuerkanäle verwendet, zum Senden von
Rückführung von den
MS zu der BS eingesetzt.
-
1 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das ein zellulares Mehrbenutzer-Mehrfacheingabe-Mehrfachausgabe(MIMO)-Kommunikationssystem
nach der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
In 1 werden
die exogenen Verkehrsankünfte
für unterschiedliche
Mobilstationen (MS) 110, 120, 130 und 140 von
einer BS 100 verarbeitet und werden dann über abwärtsgerichtete Übertragung
mit einer bestimmten Senderate in jeden Einteilungs-Frame zugestellt.
-
Die
BS 100 teilt die Dienste ein und bestimmt die Dienstrate
auf Basis der Rückführ- und
Verkehrsinformationen unter Verwendung einer Einteilungsregel in
jedem Einteilungs-Frame.
Die BS 100 benötigt
die Kanalzustandsinformationen der MS 110, 120, 130 und 140 als
Eingaben für
die Einteilungsentscheidung, wie Einteilungsstrategie und -befehle.
-
Zum
Rückführen der
Kanalzustandsinformationen wird den MS 110, 120, 130 und 140 zu
Beginn jedes Einteilungs-Frames ein Rückführ-Kanal zugewiesen. Häufiges Rückführen solcher
Informationen ist typischerweise in Systemen mit nichtreziproken
Kanalinformationen erforderlich, wie bei zellularen Frequenzduplex(FDD)-Systemen.
Der Rückführ-Kanal
ist ein logischer Steuerkanal, der zum Transportieren der Rückführ-Informationen zwischen
den MS 110, 120, 130 und 140 und
der BS 100 verwendet wird. Typischerweise weist der Rückführ-Kanal
eine Dauer auf, die aus Mini-Schlitzen 220 sowohl in den
abwärtsgerichteten
als auch in den aufwärtsgerichteten
Frames 21 und 23 besteht, wie in 2 dargestellt.
Die Rückführ-Steuernachricht 210 wird
auf der Abwärtsstrecke
vor den Rückführ-Mini-Schlitzen 220 gesendet.
Andere Implementierungen des Rückführ-Kanals
können
zum Beispiel dedizierte Frequenzbänder, codierte Kanäle in CDMA(Code
Division Multiple Access)-Systemen und Frequenztöne in OFDM(Orthogonal Frequency
Division Multiplexing)-Systemen enthalten.
-
3 ist
ein Blockdiagramm, das die BS von 1 ausführlicher
darstellt. In 3 werden die exogenen Verkehrsankünfte für unterschiedliche
MS 110, 120, 130 und 140 in
den Warteschlangen 10-1, 10-2, ... und 10-n einer
Basisstation (BS) 100 zurückgestaut. Die BS 100 enthält einen
Scheduler 103, der den Dienst einteilt und die Dienstrate
auf Basis der Rückführ- und
Verkehrsinformationen unter Verwendung einer Einteilungsregel in
jedem Einteilungs-Frame bestimmt; und eine zentrale Rückführ-Steuereinheit 105,
um eine Rückführ-Steuernachricht
zum Steuern des Rückfuhrbetriebs
des Systems zu erzeugen.
-
Der
Scheduler 103 benötigt
Kanalzustandsinformationen der MS 110, 120, 130 und 140 als
Eingangsdaten für
die Einteilungsentscheidung. Die Einteilungsentscheidung, wie die
Einteilungsstrategie und -befehle, wird mit den Warteschlangenzustandsinformationen
und den Kanalinformationen mobiler Benutzer getroffen, die über den
Rückführ-Kanal
zurückgeführt werden.
-
Die
zentrale Rückführ-Steuereinheit 105 bestimmt
den zu verwendenden Rückführ-Modus
und steuert Rückführvorgänge unter
jedem Rückführ-Modus.
Die zentrale Rückführ-Steuereinheit 105 wirkt
mit dem Scheduler 103 zusammen, um Steuerentscheidungen
für den
Rückführ-Kanal
zu treffen. Die Eingangsdaten in die zentrale Rückführ-Steuereinheit 105 enthalten
Systeminformationen, Verkehrsinformationen und die Kenntnis des
Einteilungsprinzips. Die Systeminformationen beschreiben den Betriebsstatus
des Systems und enthalten die Anzahl aktiver MS, das Sende-Signal-Rausch-Verhältnis und
die A-priori-Kenntnis der möglichen
Kanalzustandsschwankung der MS (zum Beispiel Verteilungsinformationen)
usw. Die Verkehrsinformationen beschreiben die Warteschlangendynamik
verschiedener Benutzer.
-
Die
zentrale Rückführ-Steuereinheit 105 enthält eine
Modus-Auswähleinrichtung 107 zum
Auswählen des
Rückführ-Modus
und eine Optimiereinrichtung 109 zum dynamischen Optimieren
der Rückführparameter für einen
ausgewählten
Rückführ-Modus.
Die zentrale Rückführ-Steuereinheit 105 trifft
die Entscheidung zu dem Rückführ-Modus
und dem Rückführparameter
auf Basis der Verkehrs- und Systeminformationen. Sobald der Rückführ-Modus
ausgewählt
ist, sendet die BS 100 die Rückführ-Modus-Informationen an alle
MS 110, 120, 130 und 140. Die
Rückführparameter
werden gemäß den Verkehrs-
und Systeminformationen dynamisch eingestellt und sie werden in
Rückführ-Steuernachrichten
gepackt und an die MS gesendet. Die Rückführ-Modus-Informationen und
die Rückführparameter
können
in dieselben Rückführ-Steuernachrichten
gepackt werden.
-
Die
Modus-Auswähleinrichtung 107 bestimmt
den Rückführ-Modus
unter Bezugnahme auf die Verkehrsinformationen und die Systeminformationen.
Alle Eingangsdaten in die zentrale Rückführ-Steuereinheit 105 können der
Modus-Auswähleinrichtung 107 zugeführt werden,
um die Entscheidung zu treffen. Der Kompromiss basiert auf den Systeminformationen
und den Verkehrsinformationen. Die Systeminformationen und die Verkehrsinformationen
werden zum Bestimmen eines Kompromiss-Parameters (tradeoff parameter)
verwendet, der zum Auswählen
des Rückführ-Modus
verwendet wird.
-
Ein
bevorzugter Mechanismus der Modusauswahl ist das Verwenden von Nachschlagetabellen
von Rückführ-Modi.
Zum Auswählen
des Rückführ-Modus
wird vorzugsweise eine Nachschlagetabelle bereitgestellt, die Werte
eines Modus-Auswählparameters
abbildet, der unter Berücksichtigung
des Systemparameters, des Verkehrsparameters und des Kompromiss-Parameters
zu den entsprechenden Rückführ-Modi
ermittelt wurde. Durch Prüfen
des Modus-Auswählparameters,
der anhand der in die Nachschlagetabelle eingegebenen Parameter
ermittelt wurde, wie die Anzahl aktiver MS und die Anzahl von Rückführ-Mini-Schlitzen,
kann der entsprechende Eintrag in der Nachschlagetabelle lokalisiert
werden, der den Rückführ-Modus
spezifiziert. Die Nachschlagetabellen müssen vor dem Systemeinsatz
auf Basis von Offline-Simulation oder -Analyse konstruiert werden.
Diese Beziehungen können
außerdem
anhand von Simulationen oder Analysen ermittelt werden. Außerdem können die
unbearbeiteten Parameter zum Auswählen des Rückführ-Modus verwendet werden.
-
Sobald
die Modus-Auswähleinrichtung 107 einen
Rückführ-Modus
auswählt,
optimiert die Optimiereinrichtung 109 die mit dem ausgewählten Rückführ-Modus
verbundenen Steuerparameter unter bestimmten Leistungskriterien.
-
4 ist
ein Blockdiagramm, das eine MS von 1 ausführlicher
darstellt. In 4 enthält jede MS einen empfangenden
Prozessor 150 und eine lokale Rückführ-Steuereinheit 170,
die die Rückführ-Einstellungen
gemäß der Rückführ-Steuernachricht,
die von der BS 100 gesendet werden, dynamisch einstellt.
Die ursprünglichen
Rückführ-Informationen (der
Kanalzustand) werden an dem empfangenden Prozessor 150 unter Verwendung
von Kanalschätzalgorithmen
erzeugt.
-
Die
lokale Rückführ-Steuereinheit 170 enthält eine
lokale Modus-Auswähleinrichtung 173 und
eine Parameter-Auswähleinrichtung 175.
Die lokale Modus-Auswähleinrichtung 173 wählt einen
Rückführ-Modus
gemäß der Rückführ-Steuernachricht
(oder Rückführ-Modusinformation)
von der BS 100 aus und die Parameter-Auswähleinrichtung 175 wählt für den ausgewählten Rückführ-Modus
zu verwendende Parameter gemäß den Rückführ-Steuernachrichten
(oder Rückführ-Parametern)
aus. Die Rückführ-Informationen
werden mit dem ausgewählten
Modus und den Parametern in ein Rückführ-Datenpaket gepackt und werden
dann zu der BS 100 über
die Rückführ-Einstellung
zurückgesendet.
Der Packvorgang enthält
typischerweise Quantisierung zu den Kanalzustandsinformationen,
Anhängen
des Paketkopfes und Durchführen
von Fehlercodierung.
-
Der
Rückführ-Modus
ist als ein Mechanismus zum Zuweisen und Verwenden von Rückführ-Kanälen definiert.
Im Besonderen beschreibt er, wie Rückführ-Ressourcen unterschiedlichen
MS zugewiesen werden, und impliziert im Gegenzug, wie die MS Informationen
unter Verwendung der zugewiesenen Ressourcen rückführen. Im Wesentlichen sind
Rückführ-Modi
unterschiedliche Implementierungen von Rückführ-Kanälen. Wichtiger
ist, dass jeder Modus den Mechanismus zum Zugreifen auf den Rückführ-Kanal
für jede
MS definiert. Bei der vorliegenden Erfindung können mehrere Rückführ-Modi
verwendet werden. Unter jedem Rückführ-Modus
werden Varianzen bei der Verwendung des Rückführ-Kanals durch vordefinierte
Steuerparameter parametrisiert. Diese Steuerparameter können eingestellt
werden, um die Rückführ-Kanalverwendung
bei unterschiedlichem Systemstatus zu verbessern.
-
Ein
Betrieb des oben strukturierten adaptiven Rückführsystems wird hierin im Folgenden
beschrieben. Bei einem adaptiven Rückführverfahren nach der vorliegenden
Erfindung werden ein opportunistischer Modus und ein Polling-Modus
beispielhaft zum Rückführen der
Kanalinformationen eingesetzt. Einer der zwei Modi wird auf der
Basis der Anzahl aktiver MS N und der Anzahl von Mini-Schlitzen
K ausgewählt.
-
Wenn
die Anzahl aktiver MS klein ist, d. h. N < αK,
ist der Polling-Modus in Bezug auf Systemdurchsatzmetrik stärker zu
bevorzugen als der opportunistische Modus. Die konkurrenzbasierte
Art des opportunistischen Rückführ-Modus
führt im
Vergleich zu dem Polling-Modus zu Leistungsverlust. Der opportunistische Modus
bietet jedoch bei durchschnittlichem Systemdurchsatz mehr Leistungsvorteile
als der Polling-Modus, wenn die Anzahl aktiver MS groß ist, d.
h. N ≤ αK. Dies wird
dem adaptiven Einstellen des Kanalleistungs-Schwellenwertes und
der Zufalls-Rückführwahrscheinlichkeit
auf Basis der Anzahl aktiver MS in dem opportunistischen Rückführ-Modus
zugeschrieben. Hier ist α der
Kompromiss-Parameter. Im Wesentlichen bestimmt der Kompromiss-Parameter den Umschaltpunkt
als eine Funktion der Anzahl von MS und der Anzahl von Mini-Schlitzen.
Der Kompromiss-Parameter kann durch Simulationen, Analysen oder
eine Ad-hoc-Faustregel bestimmt werden. Bei dieser Ausführung wird
dieser Parameter durch einen Simulationsablauf ermittelt. Wenn zum
Beispiel der Durchsatz die gewünschte
Leistungsmetrik ist, dann wird der Gesamtsystemdurchsatz für jeden
Rückführ-Modus
als eine Funktion der Anzahl aktiver MS berechnet. Die Schnittpunkte
der Simulationskurven bestimmen den Rückführ-Modus-Umschaltpunkt. Bei
einer anderen Ausführung
wird α durch
eine Systemimplementierung gefunden. Das System beginnt mit einem
Rückführ-Modus
und schaltet periodisch zu anderen Rückführ-Modi um. Der Gesamtdurchsatz
wird überwacht
und es werden optimale Werte von α berechnet.
Zum Beispiel ist ein bevorzugter Wert von α 2,2 für den Fall, dass alle Benutzer
identischem Rayleigh-Fading unterliegen.
-
Sobald
der opportunistische Modus als der Rückführ-Mechanismus ausgewählt ist,
muss er die mit dem opportunistischen Modus verbundenen Parameter
zum Maximieren des Systemdurchsatzes optimieren.
-
In
dem opportunistischen Modus sind der Kanalleistungs-Schwellenwert η und die
Zufalls-Rückführwahrscheinlichkeit
p die entsprechenden Optimierungsparameter. Die durchschnittliche
Summenrate über
alle aktiven MS hinweg kann als ein Optimierungskriterium verwendet
werden. Das Optimierungsproblem kann angegeben werden als Maximieren
der langfristigen durchschnittlichen Summenrate, parametrisiert
durch η und p
unter der Beschränkung
der Bereiche dieser Parameter. Die Optimiereinrichtung 109 verwendet
iterative Optimierungsalgorithmen zum Lösen der Optimierungsprobleme.
Es ist entweder Offline- oder Online-Berechnung dieser Parameter
zu bevorzugen. Die Offline-Berechnung erfordert A-priori-Informationen
der Kanalstatistiken und das Abzielen auf das Maximieren des erwarteten
Systemdurchsatzes. Die Online-Berechnung wird jedoch auf Basis einer
Regelkreis-Aktualisierung der Parameter η und p auf Basis der periodischen
Systemdurchsatzmessung implementiert.
-
Die
Offline-Implementierung erfolgt durch einen Optimierungsablauf,
der das Maximieren des langfristigen durchschnittlichen Systemdurchsatzes
zum Ziel hat. Die Formulierung des durchschnittlichen Systemdurchsatzes
in dem adaptiven Rückführverfahren
der vorliegenden Erfindung erfordert die Statistiken der Kanalvarianzen,
die Einteilungsregel und die Anzahl aktiver MS. Ein iterativer Algorithmus,
wie die Suche auf Basis eines eingeschränkten Gradienten, kann angewendet
werden, um eine gute Auswahl der Parameter zu finden.
-
Bei
dieser Ausführung
bezeichnet N die Anzahl aktiver MS und K bezeichnet die Anzahl von
Mini-Schlitzen. Es wird angenommen, dass der Kanalprozess für alle MS
stationär
ist. Um die Notierung zu vereinfachen, wird der Zeitindex aus allen
Parametern für
die Analyse weggelassen. Die Anzahl von MS, deren Kanalleistungen über dem
Schwellenwert η liegen,
wird durch T bezeichnet. Die Kanalleistung der j-ten MS wird durch χj = |hj|2 bezeichnet.
Bei allen MS-Kanälen
wird angenommen, dass sie unabhängig
und identisch verteilt sind, weshalb der Index j entfallen kann
und die Kanalleistungsverteilung für alle Benutzer als fχ(x)
bezeichnet werden kann.
-
α(η) = P{χ ≥ η} sei so
definiert, dass dies die Wahrscheinlichkeit ist, dass die Kanalleistung über dem Schwellenwert
für eine
MS α(η) = ∫ ∞ / ηfχ(x)dx
liegt.
-
Die
binäre
Zufallsvariable S
j wird, um das Ereignis
zu bezeichnen, dass die j-te MS an der BS
100 ausgewählt wird.
Wenn S
j 1 annimmt, wird der j-te Benutzer
ausgewählt.
Die gemeinsame Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion von T, S
j und χ
j kann als die folgende Gleichung 1 abgeleitet
werden.
wobei
I{·}
die Indikatorfunktion bezeichnet. Der erste Term in der Summe kennzeichnet
die Wahrscheinlichkeitsdichte, dass die Kanalleistung der j-ten
MS über
dem Schwellenwert η liegt,
und dies wird entweder auf Grund der erfolgreichen Rückführung oder
auf Grund der Zufallsauswahl ausgewählt, wenn alle Benutzer, deren
Kanalleistungen über
dem Schwellenwert liegen, keine Rückführung schaffen.
-
Der
zweite Term drückt
die Wahrscheinlichkeitsdichte aus, dass die Kanalleistung der j-ten MS unter dem
Schwellenwert η liegt,
und dies wird auf Grund der Zufallsauswahl an der BS ausgewählt. Die
durchschnittliche Summenrate aller MS kann wie Gleichung 2 geschrieben
werden.
wobei ρ das durchschnittliche
Signal-Rausch-Verhältnis
an der MS ist.
-
Die
Optimierung der Parameter p und η ist
wichtig zum Maximieren der Summenrate. Bei einem vorgewählten K
und einer vorgegebenen Anzahl aktiver MS N wird das Optimierungsproblem
wie folgt formuliert: maxp,ηC(p, η),sodass
0 ≤ p ≤ 1, η ≥ 0
-
Die
Optimierung könnte
nicht konvex sein. Bei dieser Ausführung wird ein einfaches Suchverfahren mit
eingeschränktem
Gradienten angewendet, um einen lokalen Maximierer unter einer angenommenen
Kanalleistungsverteilung zu finden.
-
Der
Scheduler an der BS steuert die gerechte Einteilung für die MS
unter dem opportunistischen Modus. Um die Leistung weiter zu verbessern,
kann eine Gerechtigkeitsbeschränkung
auf das ursprüngliche
Optimierungsproblem angewendet werden. Der Zweck der Optimierung
besteht darin, geeignete Wahlen des Rückführ-Schwellenwertes und der Rückführ-Wahrscheinlichkeit
zu finden, um den besten Gesamtsystemdurchsatz zu erreichen sowie
die Gerechtigkeitsanforderung zu erfüllen.
-
Eine
andere nützliche
Verbesserung des Schemas besteht darin, mehrere Einteilungsklassen
mit unterschiedlichen Kanalleistungs-Schwellenwerten und Rückführ-Wahrscheinlichkeiten
zu verwenden und eine Optimierung dieser Parameter durchzuführen, um
den Gesamtsystemdurchsatz unter den auferlegten Gerechtigkeitsbeschränkungen
für jede
Klasse von MS zu maximieren.
-
Es
wird angenommen, dass die Kanäle
aller MS unabhängig
identisch verteiltem Rayleigh-Fading mit der Durchschnitts- und
Einheitsvarianz Null folgen. Die Kanalleistung χ folgt einer Exponentialverteilung
und die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion für χ kann geschrieben werden als
fχ(x)
= e–x.
Somit lautet die Wahrscheinlichkeit, dass die Kanalleistung über dem
Schwellenwert η liegt, α(η) = e-ηχ.
-
Die
durchschnittliche Summenrate kann dann vereinfacht werden wie Gleichung
3.
-
-
Die
optimale Lösung
für die
Parameter kann durch eine iterative Suche mit eingeschränktem Gradienten
gefunden werden.
-
Bei
der Online-Implementierung überwacht
die BS den durchschnittlichen Systemdurchsatz in einem Zeitfenster.
Die BS stellt die Parameter η und
p periodisch ein und sammelt den durchschnittlichen Durchsatz nach
jeder Parameteraktualisierung, bezeichnet durch C(p, μ). Ein bevorzugter
Algorithmus für
Parameteraktualisierung ist der FDSA(Finite Difference Stochastic
Approximation)-Algorithmus. Für
das Parameterpaar (pk, ηk)
müssen
bei der k-ten Aktualisierung die Störungen in der Nähe dieses
Parameterpaares gemessen und der Gradient des durchschnittlichen
Durchsatzes in einem Zeitfenster numerisch bewertet werden. Die
Parameteraktualisierung folgt dem rekursiven Ablauf in dem FDSA-Algorithmus. 5 ist
ein Flussdiagramm, das das adaptive Rückführverfahren nach der vorliegenden
Erfindung darstellt.
-
In 5 analysiert
die BS in Schritt S510 die Anzahl der MS ,N' und die Anzahl von Mini-Schlitzen ,K' auf der Basis der
Systeminformationen und der Verkehrsinformationen und berechnet
dann in Schritt S520 einen Modus-Auswählparameter ,Q' aus N und K. Sobald
der Modus-Auswählparameter
Q bestimmt wurde, bestimmt die BS in Schritt S530, ob Q größer oder
gleich ,0' ist oder
nicht. Wenn Q größer oder
gleich 0 ist, wählt die
BS den opportunistischen Modus aus, sendet eine Modus-Auswählnachricht,
die den opportunistischen Modus anzeigt, mit η und p zu den MS und tritt
dann in Schritt S540 in den opportunistischen Modus ein. Andernfalls
wählt die
BS den Polling-Modus aus, sendet eine Modus-Auswählnachricht, die den Polling-Modus anzeigt,
zu den MS und tritt dann in Schritt S550 in den Polling-Modus ein.
Die Modus-Auswählnachricht
enthält
einen Rückführ-Modusindikator
und kann Parameter enthalten, die für den ausgewählten Rückführ-Modus erforderlich
sind.
-
6 ist
ein Flussdiagramm, das einen Ablauf des opportunistischen Modus
von 5 an einer BS darstellt. Wie in 6 gezeigt
wird, berechnet die BS, sobald die BS in den opportunistischen Modus
eintritt, in Schritt S541 die durchschnittliche Summenrate aller
MS auf der Basis der von den MS empfangenen Verkehrsinformationen
oder Kanalinformationen und bestimmt dann in Schritt S542 einen
Kanalleistungs-Schwellenwert η und
eine Zufalls-Rückführwahrscheinlichkeit
p zum Maximieren der durchschnittlichen Summenrate. Aufeinanderfolgend
sendet die BS in Schritt S543 die Rückführ-Anforderungsnachricht einschließlich η und p zu
den MS und empfängt
in Schritt S544 als Reaktion auf die Rückführ-Anforderungsnachricht Rückführ-Informationen
in einem Zeit fenster von den MS. Die BS zählt die Anzahl von MS auf der
Basis der Rückführ-Informationen von
der MS, berechnet den Modus-Auswählparameter
Q unter Verwendung der aktuellen N und K zur Verwendung für Rückführung und
bestimmt in Schritt S545, ob das aktuelle Q größer ist als ein erster Modus-Auswählparameter-Schwellenwert
Qthreshold_1 oder diesem entspricht. Wenn
Q größer ist
als Qthreshold_1 oder diesem entspricht,
bestimmt die BS in Schritt S546, ob Q größer ist als ein zweiter Modus-Auswählparameter-Schwellenwert
Qthreshold_2 oder diesem entspricht. Andernfalls
geht der Algorithmus zurück
zu dem Schritt S544. Wenn Q größer ist
als Qthreshold_2 oder diesem entspricht,
beendet die BS den opportunistischen Modus zum Neuauswählen des
Rückführ-Modus.
Andernfalls geht der Algorithmus zurück zu dem Schritt S541.
-
7 ist
ein Flussdiagramm, das einen Ablauf des opportunistischen Modus
von 5 an jeder MS darstellt.
-
Mit
Bezugnahme auf 7 extrahiert die MS, sobald
die MS die Modus-Auswählnachricht
in Schritt S561 von der BS empfängt,
in Schritt S562 Parameter, wie einen Rückführ-Modusindikator, η und p,
aus der Modus-Auswählnachricht.
Dann richtet sich die MS in Schritt S563 gemäß dem Rückführ-Modusindikator selbst für den opportunistischen
Modus ein und konfiguriert in Schritt S564 Parameter für den opportunistischen
Modus. Nach Abschluss der Parameterkonfiguration prüft die MS
ihre Kanalverstärkung
und vergleicht sie mit dem Kanalleistungs-Schwellenwert η und bestimmt
in Schritt S565, ob die Kanalverstärkung größer ist als η. Wenn die
Kanalverstärkung
größer ist
als η,
führt die
MS in Schritt S566 die Kanalinformationen mit der Zufalls-Rückführwahrscheinlichkeit
p zurück.
Andernfalls geht der Algorithmus zurück zu dem Schritt S561. Die
Parameter η und
p können
in anderen Nachrichten außer
der Modus-Auswählnachricht,
wie den Rückführ-Anforderungsnachrichten,
empfangen werden.
-
Auch
wenn das adaptive Rückführverfahren
nach der vorgenannten Ausführung
der vorliegenden Erfindung zwei Rückführmechanismen, d. h. den opportunistischen
Modus und den Polling-Modus, eingesetzt hat, sind die Anzahl und
Arten zu verwendender Rückführmechanismen
nicht begrenzt.
-
8 ist
ein Blockdiagramm, das eine Framing-Struktur eines Dedicated-Channel-Modus
für das
adaptive Rückführverfahren
der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
Wenn
die Anzahl von MS kleiner ist als die Anzahl von Rückführ-Mini-Schlitzen,
kann der Dedicated-Channel-Modus verwendet werden. Jede MS ist mit
einem festen Mini-Schlitz
zum Tragen der Kanalinformationen verbunden. Mit Bezugnahme auf 1 und 5 sind
die Mini-Schlitze 50-1, 50-2, 50-n-1 und 50-n mit
den MS 110, 120, 130, ... bzw. 140 verbunden.
-
9 ist
ein Blockdiagramm, das eine Framing-Struktur eines opportunistischen
Modus für
das adaptive Rückführverfahren
der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
In
dem opportunistischen Modus führen
die MS ihre Kanalinformationen auf eine geschlitzte ALOHA-Weise
in den Rückführ-Mini-Schlitzen
zurück,
so dass die MS in jedem der Mini-Schlitze 60-1, 60-2, ..., 60-k-1 und 60-k miteinander
konkurrieren.
-
Wenn
mehrere MS in demselben Mini-Schlitz zurückführen, erfolgt eine Kollision,
die zum Scheitern des Rückführversuches
führt.
Wenn lediglich eine MS ihre Kanalinformationen in einem Mini-Schlitz
rückführt, wird
das Rückführpaket
erfolgreich der BS zugestellt. Dieser Modus ist auf das Szenario
anwendbar, bei dem es viele aktive MS in dem System gibt (die Anzahl
aktiver MS „N" ist viel größer als
die Anzahl von Mini-Schlitzen „K"). Die Rückführ-Steuerparameter
sind der Kanalleistungs-Schwellenwert η und die Zufalls-Rückführwahrscheinlichkeit
p.
-
In
dem opportunistischen Modus initialisiert die BS zuerst die Parameter η und p gemäß den System- und
Verkehrsinformationen. Die Anfangswerte der Parameter werden vordefinierten
Nachschlagetabellen entnommen. Bei Online-Implementierung können diese
Parameter gemäß der Entwicklung
der Zeitreihen des oben beschriebenen durchschnittlichen Durchsatzes
verfolgt werden. Die Parameter werden in der Sendenachrichtenperiode
vor dem Rückführen von
Mini-Schlitzen an alle MS gesendet.
-
Bei
Empfang der Parameter aktualisiert jede MS die Einstellung ihrer
lokalen Rückführ-Steuereinheit mit
der empfangenen Steuernachricht und sammelt die von dem empfangenden
Prozessor gemessenen Kanalzustandsinformationen. Die Kanalzustandsinfor mationen
enthalten die Kanalleistung. Die MS vergleicht die Kanalleistung
mit dem Kanalleistungs-Schwellenwert η. Wenn die Kanalleistung über dem
Kanalleistungs-Schwellenwert η liegt,
entscheidet die MS (die lokale Rückführ-Steuereinheit),
ob die Informationen zu der BS mit der Wahrscheinlichkeit p rückgeführt werden.
Andernfalls führt
die BS die Informationen nicht zurück. Wenn entschieden wird,
die Kanalinformationen rückzuführen, packt
die lokale Rückführ-Steuereinheit die
Kanalzustandsinformationen in ein Rückführpaket und führt dann
das Paket zu der BS zurück.
Der Packprozess beinhaltet Quantisierung zu dem Kanalzustand und
Fehlercodierung niedriger Rate zum Schützen der Nachricht.
-
Die
BS sammelt die Rückführpakete
in jedem Mini-Schlitz, wenn es keine Kollision gibt. Wenn es mehrere
Rückführpakete
von unterschiedlichen MS nach den Konkurrenz-Mini-Schlitzen an der BS gibt, wählt die BS
per Zufall eine MS. Wenn diese Kollision über alle Mini-Schlitze erfolgt,
wählt die
BS per Zufall eine MS aus. Wenn über
alle Mini-Schlitzen
hinweg Kollision eintritt, wählt
die BS per Zufall eine MS aus und fordert von der Mobilstation das
Rückführen der
Kanalzustandsinformationen nach dem Rückführen von Konkurrenz-Mini-Schlitzen,
um die Übertragung
einzuteilen. Die Kanalzustandsinformationen werden aus den Rückführpaketen
extrahiert und dem Scheduler zugeführt. Der Scheduler trifft die
Einteilungsentscheidung auf Basis der Kanal- und Verkehrsinformationen.
-
10 ist
ein Blockdiagramm, das eine Framing-Struktur eines Random-Backoff-Modus
mit Trägermessung
für das
adaptive Rückführverfahren
der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
In
dem Random-Backoff-Rückführ-Modus
wird von allen MS angenommen, dass sie die Übertragungen von einer anderen
MS messen können.
Der Random-Backoff-Rückführ-Modus kann auf ein
Pikozellenszenario angewendet werden, bei dem die MS nah an der
BS und aneinander angeordnet sind. Jede MS hält sich über einen zufälligen Zeitraum
für eine
Anzahl von Mini-Schlitzen zurück,
bevor sie versucht, auf den Rückführ-Kanal zuzugreifen.
Während
sich eine MS zurückhält, führt sie
außerdem
Trägermessung
durch. Wenn die MS misst, dass das Medium frei ist, d. h., dass
keine anderen MS den Rückführ-Kanal
verwenden, wird ihr Rückführpaket
ausgesendet. Andernfalls setzt sie die Trägermessung fort, bis das Medium
frei ist. Auf Grund der Ausbreitungs verzögerungen der Pakete kann eine
Kollision immer noch eintreten. Um die Kollisionswahrscheinlichkeit
zu senken, versucht eine MS, wenn sie misst, dass das Medium frei
ist, mit der Wahrscheinlichkeit p auf das Medium zuzugreifen.
-
Die
Anzahl von Verzögerungs-Mini-Schlitzen
wird durch die Kanalleistung bestimmt. Die Beziehung zwischen den
Verzögerungs-Mini-Schlitzen
und der Kanalleistung wird offline bestimmt und sie wird in einer Verzögerungs-Nachschlagetabelle
gespeichert. Je höher
die Kanalleistung ist, desto kleiner sollte die Verzögerungsdauer
sein. Die zentrale Rückführ-Steuereinheit
an der BS berechnet die Beziehung zwischen der Kanalleistung und
der Anzahl von Verzögerungs-Mini-Schlitzen.
Dann wird die Beziehung in der Rückführ-Steuernachricht
an die MS gesendet. Jede MS aktualisiert ihre lokale Rückführ-Steuereinheit
mit den empfangenen Rückführ-Steuernachrichten.
-
11 ist
ein Blockdiagramm, das eine Framing-Struktur eines Polling-Modus
für das
adaptive Rücksteuerverfahren
der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
In
dem Polling-Modus bestimmt die BS einen Satz von MS, die ihre Kanalzustände auf
Basis der Verkehrs- und Systeminformationen rückführen sollen. Die BS sendet
die Polling-Satz-Nachricht 81 an alle MS. Bei Empfang der
Polling-Satz-Nachricht 81 führen die MS ihre Kanalzustandsinformationen
nacheinander in den Mini-Schlitzen 82-1, 82-2,
... und 82-n gemäß der in
der Polling-Satz-Nachricht 81 spezifizierten Reihenfolge
zurück.
-
12 ist
ein Blockdiagramm, das eine Framing-Struktur eines koordinierten
Modus für
das adaptive Rücksteuerverfahren
der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
In
dem koordinierten Modus wird jeder Mini-Schlitz in einen Aufwärts-Konkurrenz-Mini-Schlitz 91-1 und 91-2 und
einen Abwärts-Antwort-Mini-Schlitz 93-1 und 93-2 zerlegt.
Alle MS versuchen zufällig,
in jedem Aufwärts-Konkurrenz-Mini-Schlitz
auf eine geschlitzte ALOHA-Weise rückzuführen. Die Abwärtsstrecke
sendet eine Antwortnachricht an alle MS zurück, um den Kollisionsstatus
in dem Antwort-Mini-Schlitz 93-1 und 93-2 anzuzeigen.
Ein Intervall, das den Bereich der Kanalleistung spezifiziert, wird
zum Auslösen
der Rückführung verwendet.
Die Position und der Bereich des Intervalls werden an der zentralen
Rückführ-Steuereinheit auf
Basis des Kollisionsstatus dynamisch eingestellt.
-
Solche
Informationen werden ebenfalls in den Antwortnachrichten an alle
MS gesendet. Wenn eine MS feststellt, dass ihre Kanalleistung innerhalb
des Intervalls liegt, führt
sie die Kanalstationsinformationen zu der BS zurück. Andernfalls führt sie
keine Rückführung durch.
Durch Überwachen
des Kollisionsstatus kann die BS dynamisch das Intervall einstellen,
bis die Kanalleistung lediglich einer MS innerhalb des Intervalls
liegt, oder sie erklärt
ein Scheitern auf Grund mangelnder Mini-Schlitze. Wenn keine MS
gefunden wird, ruft die BS zufällig
eine MS auf, um ihre Rückführung nach
den koordinierten Rückführ-Mini-Schlitzen
anzufordern.
-
Auch
wenn diese Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was
derzeit als die praktischste und bevorzugteste Ausführung erachtet
wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offengelegten Ausführungen
beschränkt
ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifizierungen und äquivalente
Anordnungen abdecken soll, die in dem Umfang der angehängten Ansprüche enthalten
sind.
-
Wie
oben beschrieben wird, kann, da das adaptive Rückführverfahren der vorliegenden
Erfindung den Rückführmechanismus
adaptiv zu der Systemumgebung ändert,
unabhängig
von der Varianz der Anzahl von MS der Systemdurchsatz erhöht werden
sowie der MAC-Overhead gesenkt werden.
-
Außerdem wählt das
adaptive Rückführverfahren
der vorliegenden Erfindung einen für die Verkehrs- und Systemumgebungen
geeigneten Rückführ-Modus
so aus, dass die Kanalinformationen effizient gesammelt werden,
wobei dies zu einer Verbesserung der Einteilungszuverlässigkeit
führt.
