DE60314237T2

DE60314237T2 - Verfahren zum konfigurieren der ausgangsleistung der pilotkanäle in einem zellularfunknetzwerk

Info

Publication number: DE60314237T2
Application number: DE60314237T
Authority: DE
Inventors: Magnus Sommer; Ulf Nilsson
Original assignee: TeliaSonera AB
Current assignee: Telia Co AB
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2023-03-11
Also published as: SE0200826L; NO334021B1; WO2003079574A1; EP1488540B8; ES2288599T3; DK1488540T3; ATE364263T1; NO20043681L; EP1488540B1; SE519256C2; SE0200826D0; AU2003212752A1; DE60314237D1; EP1488540A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, ein System und Software, um mobile Telefonsysteme zu planen und zu konfigurieren. Genauer gesagt bezieht sie sich auf ein Verfahren, ein System und Software, wirksam die Leistungsabgabe des Pilotkanals in unterschiedlichen Zellen in einem zellularen mobilen Telefonsystem zu bestimmen.
Stand der Technik
In allen mobilen Funkkommunikationssystemen ist die Versorgung mit Frequenzen ein begrenzender Faktor. Jeder Betreiber hat einen oder mehrere Teile der Funkspektren, die ihm/ihr zugeteilt sind, und muss die Benutzung von Frequenzen optimieren, um hohe Kapazität, hohe Qualität und bei den neuen Telefonsystemen, die gegenwärtig implementiert werden, auch Flexibilität bezüglich Übertragungsgeschwindigkeit und Typ der Übertragung anzubieten. In auf TDMA beruhenden Netzwerken (Time Division Multiple Access, Zeitteilungsvielfachzugriff), wie zum Beispiel dem global verteilten GSM-System und in den nord- und südamerikanischen üblichen TIA/EIA-136 (TDMA) ist es in erster Linie die Frequenzplanung, die das Ziel von Optimierung ist und gewesen ist.
Kommunikationssystemen, die auf CDMA-Technik (Code Division Multiple Access, Codeteilungsvielfachzugriff) beruhen, zum Beispiel UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, Universelles Mobiles Telekommunikationssystem) und IS-95 sind typischerweise störungsbegrenzt. In solchen Systemen ist es von größter Wichtigkeit, dass das Funknetzwerk geplant wird, um eine optimale oder fast optimale Verwendung des zugeteilten Frequenzbereiches zu schaffen. Zentral für die Planung des Funknetzwerkes in auf TDMA beruhenden Systemen ist der sogenannte Pilotkanal (CPICH). Der Pilotkanal wird durch das mobile Endgerät verwendet, nach der besten Zelle zu suchen, wenn das mobile Endgerät eingeschaltet wird, und um mit dauernden Messungen zu bestimmen, welche Zelle gegenwärtig die beste Kommunikationsmöglichkeit bietet, was die Grundlage für eine Entscheidung über einen Wechsel der Zelle bildet. Während der Kommunikation werden Messungen auf dem Pilotkanal als Grundlage für die Entscheidung eines Wechsels zu einer anderen Zelle (Übergabe) benutzt. Durch das mobile Endgerät wird die empfangene Signalstärke an einer gegebenen Stelle innerhalb einer Zelle durch die Leistungsabgabe des Pilotkanals in Kommunikation mit der Funkumgebung bestimmt, das heißt unter anderem Schwund, Abschattung und Störung. Die Leistungsabgabe des Pilotkanals bildet dadurch eine Art und Weise, das Verkehrsabdeckungsareal der Zelle zu definieren, oder in anderen Worten die Abdeckung der Zelle. Auch die Kapazität des Systems wird durch die Leistungsabgabe der Pilotkanäle beeinflusst, da die gesamte abgegebene Leistungsabgabe innerhalb eines Areals die zur Verfügung stehende Kapazität kontrolliert. Die Pilotkanäle werden detaillierter im UMTS-Dokument TS25.211 beschrieben.
In den meisten existierenden Systemen ist die Pilotkanalplanung und auch die Frequenzplanung für auf TDMA beruhende Systeme vorzugsweise von Hand vorgenommen worden. Häufig wird ein „trial and error"-Verfahren angewendet, wobei die verschiedenen Leistungsabgaben der Pilotkanäle manuell bestimmt werden, beruhend entweder auf Messungen oder dem erwarteten Verhalten des Funknetzwerks. Danach wird der Pilotkanalplan üblicherweise mit einem Simulationswerkzeug geprüft, um zu prüfen, ob die gewünschte Leistung erzielt wird. In den meisten Fällen sind ein großes Ausmaß von Relokation und eine Anzahl von Simulationen erforderlich, um ein gutes Ergebnis zu erhalten. Die trial-and-error-Verfahren sind zeitraubend und müssen durch spezialisiertes und erfahrenes Personal ausgeführt werden, um optimierte Systeme zu schaffen. Aufgrund dessen sind viele Funknetzwerke in ihrem Betrieb nicht optimiert.
Die Notwendigkeit, Funknetzwerke mit Verfahren zu optimieren, die automatisiert werden können, ist daher sehr groß. Im US-Patent 5 859 839 von M. T. Ahlenius et al. wird ein Verfahren beschrieben, automatisch die Leistung für Pilotkanäle auszuwählen.
Für das Funknetzwerk, das optimiert werden soll, wird eine Anzahl von unterschiedlichen Werten in einer Anzahl von Punkten bestimmt, was das System beschreiben soll. Werte können zum Beispiel Störung, Verbindungsumschaltungswert, Leistung, Verkehrslast und Gewichtung in Bezug auf zum Beispiel Typ der Kommunikation sein. Diese Werte werden in unterschiedlichen Maschenweiten bestimmt, um es zu ermöglichen, sie zu bestimmen und ein Bild des Verhaltens des Funknetzwerks zu liefern. Optimierung wird gemäß den Prinzipien für simulierte Ausheilung durchgeführt. Andere Opti mierungsalgorithmen werden aber erwähnt, zum Beispiel genetische. Bei der Optimierung wird eine gewisse Leistungsabgabe der Pilotkanäle und der „Maschen" bestimmt, um herauszufinden, ob eine Verbesserung des Betriebsverhaltens erzielt worden ist. Die Bestimmung der „Maschen" und der Gewichtung zusammen mit ihrer Wichtigkeit für das Verhalten des Funknetzwerks kann ein ausgiebiger und zeitaufwendiger Vorgang sein. Aus dem Dokument ist nicht ersichtlich, wie ein nicht mehrdeutiger numerischer Wert für das Verhalten des Funknetzwerks berechnet werden soll, und aus diesem Grunde ist es wünschenswert, andere Verfahren zu finden, um unter dem Gesichtspunkt der Zeiteffizienz das Verhalten des Funknetzwerks zu beschreiben.
Patentanmeldung EP 1 028 543 von D. Di Huo beschreibt ein Verfahren einer Leistungssteuerung in der Abwärtsverbindung, das auch für Pilotkanalplanung verwendet werden kann. Rauschpegel und Wellenfortpflanzung werden an einer Anzahl von Punkten im Funknetzwerk gemessen, und die Leistungsabgabe in der Abwärtsverbindung wird kalibriert, um einen vorbestimmten objektiven oder Zielwert zu erfüllen. Der objektive oder Zielwert ist ein vorbestimmter Wert, ein „empfohlener Wert" und repräsentiert nicht notwendigerweise eine für das System als Ganzes optimale Bedingung.
Die Veröffentlichung AKL R. G.: „Multicell CDMA network design" (Mehrzellen-CDMA-Netzwerkkonstruktion), IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, Band 50, Nr. 3, Seiten 711–722, XP002966497 (D1) zeigt verschiedene Beispiele von Netzwerkkapazitätsoptimierung.
Zusammenfassung der Erfindung
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben erwähnten Probleme zu verringern, um eine effiziente Pilotkanalplanung in einem auf CDMA beruhenden zellularen mobilen Telefonsystem zu erzielen.
Dies wird durch ein Verfahren und ein Softwareprodukt erreicht, das in den kennzeichnenden Teilen der unabhängigen Patentansprüche beschrieben ist.
Aufgrund dessen verwendet das Verfahren der Erfindung eine objektive oder Zielfunktion, die das Verhalten des zellularen Funknetzwerks beschreibt und einen mit der Abdeckung zusammenhängenden Term und mit der Kapazität zusammenhängenden Term einschließt, wobei die Leistungsabgabe der Pilotkanäle so ausgebildet werden kann, dass die Kapazität optimiert wird, während gleichzeitig die Anforderungen an die Abdeckung befriedigt werden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die objektive oder Zielfunktion nicht simuliert werden muss, sondern berechnet werden kann, was beträchtlich den Bedarf an Prozessorleistung und -zeit verringert.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass kein besonderer Verifikationsschritt einschließlich Simulation durchgeführt werden muss, um ein Maß des Verhaltens des Systems zu erhalten.
Kurze Beschreibung von Zeichnungen
1a–b zeigen ein zellulares mobiles Telefonsystem, in dem die vorliegende Erfindung benutzt werden kann.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm für Pilotkanalplanung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung von Ausführungsformen
1a ist eine schematische Zeichnung eines zellularen mobilen Telefonnetzwerks des Typs, in dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann. In der Figur ist eine Anzahl von hexagonalen Zellen 100 mit einer Basisstation 110, die jeweils mittig in jeder angeordnet ist, gezeigt. Die Zeichnung soll als ein idealisiertes Bild eines zellularen Netzwerks angesehen werden. In einem tatsächlichen Netzwerk variiert die Größe und Form der Zellen beträchtlich, einmal wegen topografischer Gründe, aber auch, um es zu ermöglichen, höhere Kapazität und unterschiedliches Ausmaß von Dienst in unterschiedlichen Arealen anzubieten. In Netzwerken, die auf CDMA (Code Division Multiple Access, Codeteilungsvielfachzugriff) und W-CDMA (Wideband-CDMA, Breitband-CDMA) beruhen, wie zum Beispiel Netzwerken gemäß dem Standard UMTS (Universelles Mobiles Telekommunikationssystem), wird die Größe einer Zelle durch den sogenannten Pilotkanal definiert, der im Standard CPICH genannt wird. Dies wird durch ein mobiles Endgerät getan, das durch das mobile Endgerät 120 in 1 beispielsweise darge stellt ist, das dauernd misst, welche Zelle die beste Kommunikationsmöglichkeit liefert. Die Schätzung beruht auf RSCP (received signal code power, empfangene Signalcodeleistung). Die empfangene Signalstärke, RSCP, hängt von der gesendeten Signalstärke des Pilotkanals, der Position des mobilen Endgeräts in Bezug auf die Basisstation und der Fortpflanzung (Dämpfung) der Funkwellen ab. Die Signalstärke des übertragenen Pilotkanals kann daher benutzt werden, das Verkehrsabdeckungsareal der Zellen zu bestimmen, das heißt die Größe der Zellen. Die Leistungsabgabe der Pilotkanäle von der Basisstation Nr. n wird durch P_n ^CPICH (in 1 beispielsweise durch P₁ ^CPICH, P₂ ^CPICH und P₃ ^CPICH) dargestellt. Jede Basisstation hat weiter eine maximal zur Verfügung stehende Leistungsabgabe zugeteilt, Pn,max, (P_1,max, P_2,max und P_3,max). Häufig gibt es auch eine durch die Lizenz gebenden Behörden auferlegte Leistungsgrenze, unter die die RSCP des Pilotsignals nicht fallen darf. Zum Beispiel in Schweden ist die Grenze durch die Nationale Post- und Telekom Agentur, PTS auf 58 dBμV/m für wenigstens 95% des Gebiets festgelegt worden. Die Bezeichnung P_1V1 wird für den gewünschten Signalpegel des Pilotkanals und P_target für die gewünschte Arealwahrscheinlichkeit verwendet. Die Grenzen dabei in Verbindung mit der Definition des Verkehrsabdeckungsareals in Wechselwirkung mit anderen Zellen und die Befriedigung von Kapazitäts- und Qualitätsanforderungen in unterschiedlichen Teilen des Netzwerks sind grundlegende Parameter für die Pilotkanalplanung.
Die Leistungsabgabe P_n ^CPICH der unterschiedlichen Pilotkanäle und auch eine Anzahl von anderen Parametern und alle Rufsteuerungen werden durch einen (oder mehrere) Funknetzwerkcontroller, RNC 130 eingestellt, mit denen alle Basisstationen 110 kommunizieren.
Die Pilotkanalkonfiguration wird normalerweise beim Hochfahren eines neuen Netzwerks durchgeführt, oder wenn Teile des Netzwerks geändert worden sind, zum Beispiel wenn neue Basisstationen (neue Zellen) installiert worden sind. Weiter kann es ratsam sein, eine Rekonfiguration der Pilotkanäle durchzuführen, wenn das Netzwerk nicht das Verhalten zeigt, das erwartet worden ist, oder um geänderte Bedingungen in der Funkumgebung zu berücksichtigen. Es ist auch möglich, dynamisch Pilotkanalkonfiguration durchzuführen, um besser Änderungen in der Verkehrslast während zum Beispiel eines Tages zu folgen.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm für die Hauptschritte des Verfahrens für Pilotkanalplanung gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine mathematische Beschreibung gewisser für das Verhalten wichtiger Teile wird unten gegeben werden. Bei dieser Ausführungsform wird angenommen, dass das Folgende über das Funknetzwerk bekannt ist: a) Die Orte der Basisstationen sind fest und bekannt, b) die Wellenfortpflanzung ist bekannt oder kann mit guter Genauigkeit mithilfe von für den Fachmann gut bekannten Verfahren berechnet werden, c) die Verteilung des Verkehrs über das Gebiet ist bekannt oder kann berechnet oder angenähert werden. Zentral für das Verfahren ist die Definition und Berechnung einer objektiven Funktion oder Zielfunktion F_III, die das Verhalten des Funknetzwerks durch einen numerischen Wert ausdrücken soll. Die objektive oder Zielfunktion muss in richtiger Weise den Einfluss der Leistung der Pilotkanäle auf dem Netzwerk von allen relevanten Gesichtspunkten her beschreiben. Zusätzlich muss es möglich sein, die objektive oder Zielfunktion in zeitwirksamer Weise zu berechnen. Das Pilotplanverfahren schließt die Schritte ein:

205. Das Funknetzwerk oder ein Teil des Funknetzwerks, dessen Leistungsabgabe konfiguriert werden soll, wird in kleinere Areale eingeteilt. Die Areale sollten klein genug sein, dass weder empfangene Signalstärke noch die Verteilung von Verkehr beträchtlich innerhalb des Areals variiert. In den folgenden Berechnungen und der Optimierung werden konstante empfangene Signalstärke und konstante Verkehrsverteilung innerhalb der Areale angenommen. Die Anzahl von Arealen wird mit M bezeichnet, und jedes Areal wird mit O_p (p = 1...M) bezeichnet. In 1b ist schematisch gezeigt, wie ein Teil des Funknetzwerks in kleinere Areale O_p eingeteilt werden kann. In 1a ist ein regelmäßiges, gleichförmiges Funknetzwerk mit einer Aufteilung in identisch große Unterareale O_P, gezeigt. Ein solcher Typ einer Unterteilung kann leicht vorgenommen werden, bei einigen Anwendungen kann es jedoch vorteilhaft sein, mit einer unregelmäßigen und/oder nicht gleichförmigen Unterteilung zu arbeiten. Zum Beispiel kann Kenntnis der Topologie, der Geografie oder der erwarteten Verkehrsintensität darauf hinweisen, dass man besser mit einer detaillierteren Aufteilung in einem Teil des Funknetzwerks als in anderen arbeitet.
210. In einem zweiten Schritt wird die Abschwächung des Funksignals des Pilotkanals zwischen der Basisstation n und dem Areal O_p berechnet (wo n irgendeine der Basisstationen innerhalb des Areals sein kann, das geplant werden soll), und zwar gemäß dem Fachmann bekannten Verfahren für Wellenfortpflanzung. Die Dämpfung wird dargestellt durch λ_p ⁿ.
215. In einem dritten Schritt wird angenommen, dass die durchschnittliche Zahl von aktiven Benutzern innerhalb O_p von Dienstnummer s (wo s = 1 für den Sprachdienst, s = 2 für Streaming usw. stehen kann) bekannt ist und gleich ist pp^s.
220. In einem folgenden Schritt werden anfängliche Werte der Pilotkanalleistung gegeben, P_n ^CPICH. Diese können zum Beispiel jedoch nicht notwendigerweise gleich für alle Basisstationen und mit ausreichend hohem Pegel ausgewählt werden, um die Abdeckungsanforderung zu erfüllen.
225. In diesem Schritt wird die objektive oder Zielfunktion berechnet gemäß zu:
wobei
und
Die objektive oder Zielfunktion gemäß dieser Ausführungsform hat zwei Hauptterme, die dafür sorgen, dass die objektive oder Zielfunktion die Anforderungen erfüllt, die vorher beschrieben worden sind. Diese Terme sind ein abdeckungsbezogener Term, F_cov, der dafür sorgt, dass die Abdeckungsanforderung erfüllt wird, und der übrige Term, der kapazitätsbezogen und qualitätsbezogen ist. Der Abdeckungsterm bestraft Netzwerke, die ein zu geringes Abdeckungsareal haben, durch/mit dem Gewicht k_cov für jedes Prozent, die die Abdeckung unterhalb des Ziels ist. Der Kapazitätsterm besteht im Prinzip aus dem Durchschnittswert der verbleibenden Leistungsspanne, die in den Zellen ist. Dies gilt aber nur, wenn keine der Zellen ihre maximale Leistungsabgabe überschreitet. Wenn dies auftritt, wird dies durch/mit dem Gewicht k_w für jedes überschüssige W bestraft. Die Gewichte sind freie Parameter, die normalerweise bei der Verwendung des Verfahrens angezeigt werden. Die enthaltenen Terme werden unten definiert, und die notwendigen mathematischen Operationen werden unten beschrieben.
230. In einem Optimierungsschritt wird die objektive oder Zielfunktion in Bezug auf die Leistungsabgabe der Pilotkanäle, P_n ^CPIH optimiert. Die Optimierung kann zum Beispiel darauf beruhen, dass die Leistungsabgabe der Pilotkanäle modifiziert wird und die objektive oder Zielfunktion gemäß Schritt 225 berechnet wird. Vorzugsweise wird ein genetischer Algorithmus (unten beschrieben) für die Optimierung verwendet, aber auch andere Verfahren, wie zum Beispiel simulierte Heilung oder Evolutionsverfahren können benutzt werden.
235. In einem beendenden Schritt werden die neuen Werte P_n ^CPIH für die Pilotkanalabgabe zu der entsprechenden Basisstation über RCN:130 gesendet/übertragen.

Mathematische Beschreibung der objektiven oder Zielfunktion
Die objektive oder Zielfunktion gemäß der vorliegenden Erfindung, die in Schritt 225 berechnet wird, ist gegeben durch:
wobei
p_cov ist die erhaltene Arealwahrscheinlichkeit und die gesamte Leistungsabgabe P_n ^TOT werden durch die Matrixgleichung gegeben P ȮT⇀T = (1 – Ω ⇀)–1Λ ⇀ (2)wobei
Qn stellt das Abdeckareal für Zelle Nr. i dar, demgemäß die Größe
und b(p) stellt die bedienende Zelle des Areals p dar, wenn p ∊ Q_n dann gilt n = b(p).
An stellt den lastgewichteten Durchschnittswert der Wellenfortpflanzungsdämpfungen für Zellnummer n dar,
wo P_n ^common eine Leistungsabgabe für die „gemeinsamen Steuer"-Kanäle in der Zelle mit der Nummer n sind. Diese werden durch/mit einer konstanten Verschiebung, D (in dB) in Bezug auf die Leistungsabgabe des Pilotkanals eingestellt. Pn common = 10D/10Pn CPICH
Weiter stellt N_o die Rauschleistung innerhalb der Bandbreite, N die Anzahl von Zellen dar, und schließlich wird der Lastbeitrag vom Areal p durch X_p dargestellt:
In diesem Ausdruck steht R_s für die Datenrate für Dienstnummer s da und γ_s für die Signal/Rauschen Erfordernis (E_b/N_O) (tatsächliche Bitenergie über Rauschleistungsdichte) für Dienstnummer s da.
Freie Parameter, die während der Verwendung des Verfahrens für Pilotkanalplanung eingestellt werden, sind k_cov, k_w und D. Geeignete Werte dieser Parameter werden in den Beispielen unten gegeben. k_cov wird vorzugsweise so ausgewählt, dass F_cov immer höher ist als der Kapazitätsterm. k_w sollte vorzugsweise nicht so klein ausgewählt werden, dass das System es wählt, einer individuellen Zelle zu hohe Leistungsabgabe („Blockierung") zugeben, um es auf diese Weise zu ermöglichen, höhere Kapazitäten in anderen Zellen zu liefern. Gleichzeitig sollte k_w so ausgewählt werden, dass das Verhältnis zwischen F_cov und dem Kapazitätsterm beibehalten wird.
Es sollte bemerkt werden, dass die hier vorgeschlagene objektive oder Zielfunktion berechnet werden kann und nicht simuliert werden muss, was bei der bekannten Technik üblich ist. Dass die objektive oder Zielfunktion berechnet werden kann, führt zu großer Zeitersparnis. Weitere Zeiteinsparung wird durch die Reformulierung des Problems erzielt, wie dies durch Gleichung (2) gegeben wird. Gleichung (2) beinhaltet, dass eine Matrixinversion benötigt wird, die gesamte Leistungsabgabe zu bestimmen. Die Matrix, die invertiert werden soll, 1 – Ω, ist eine N×N Matrix (wobei N die Anzahl von Zellen ist), was in allen normalen Fällen eine verhältnismäßig schnell ausgeführte Operation ist. Ohne die Reformulation muss anstelle dessen eine Matrix der Größe M×M invertiert werden (M ist die Anzahl von kleinen Arealen, O_p). Die Zeitersparnis dank dieser Reformulierung ist ausgiebig, da die Zeit, die für eine Matrixinversion erforderlich ist, proportional zur dritten Potenz der Anzahl von Spalten (oder Zeilen) der Matrix ist. typischerweise ist N von der Größenordnung 10², während M ungefähr 10⁴ ist. Die Zeitersparnis beträgt daher ungefähr eine Mil- lion, 10⁶ Mal.
Alternative Formulierungen der objektiven oder Zielfunktion
Die objektive oder Zielfunktion kann, was für den Fachmann offensichtlich sein wird, auf viele verschiedene Arten formuliert werden und kann dennoch innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung sein. Eine Anzahl solcher Alternativen wird unten beschrieben. Bei den unten beschriebenen Ausführungsformen ist es in erster Linie nur eine Einstellung oder Rahmensynchronisation der objektiven oder Zielfunktion, die variiert wird, das heißt Schritt 225. Die vorhergehenden Initiierungsschritte und auch die nachfolgenden Optimierungsschritte werden im Wesentlichen in derselben Weise wie vorher durchgeführt.
Bei einer ersten alternativen Ausführungsform soll die objektive oder Zielfunktion volle Abdeckung geben und zur selben Zeit den Durchschnittswert des Leistungsrandes oder -spielraums (in dB) zwischen gesamter zur Verfügung stehender Leistungsabgabe der CPICH-Leistungsabgabe für alle Zellen maximieren. Die Verteilung von Verkehrslast wird nicht berücksichtigt. Die objektive oder Zielfunktion F_I wird gegeben durch
Alternativ kann stattdessen der absolute Leistungsspielraum (in mW) benutzt werden, was den Ausdruck für die objektive oder Zielfunktion F_II gibt:
Bei den folgenden objektiven oder Zielfunktionen wird auch die Verteilung der Verkehrslast berücksichtigt. F_III wurde im Detail oben beschrieben. Die objektive oder Zielfunktion F_IV, bietet eine alternative Art und Weise, die Verkehrslast zu berücksichtigen. Die gesamte Leistungsabgabe P_n ^TOT beziehungsweise die maximale zur Verfügung stehende Leistungsabgabe P_n,max kann ungefähr beschrieben werden: 10 log Pmax,n = const. – 10 log (1 – Xmax,n) 10 log Pn TOT = const. – 10 log (1 – Xn)wobei die Konstante alle lastunabhängigen Terme einschließt. Die maximale Last beziehungsweise die gegenwärtige Last pro Zelle wird gegeben durch X_max,n beziehungsweise X_n. Wenn die Gleichungen oben verwendet werden, ein Maß für den Lastspielraum zu geben, X_M = X_max,n– X_n pro Zelle, wird der folgende Ausdruck erhalten:
und die objektive oder Zielfunktion kann als der durchschnittliche Lastspielraum für alle Zellen formuliert werden:
Die objektive oder Lastfunktion F_II kann erweitert werden, auch die Verkehrslast durch jeden Term in der Summe zu berücksichtigen, der mit/durch den lastbeschreibenden Faktor 1/(1 – X_n) gewichtet ist. Zellen mit einer Verkehrslast, die 100 überschreitet, werden mit/durch einen Gewichtsfaktor k_x unterschieden. Die objektive oder Zielfunktion wird dann die Form haben:
Beschreibung des Optimierungsschritts
Der Optimierungsschritt, 230, besteht aus einer Anzahl von Stufen. Das hier vorgeschlagene Optimierungsverfahren, genetischer Algorithmus ist bekannt, ist jedoch für das gegenwärtige Problem abgewandelt worden, und die Abwandlungen sind unten beschrieben. Für eine vollständige Beschreibung wird Bezug genommen auf „A Genetic Algorithm for Function Optimization: A Matlab Implementation (Ein genetischer Algorithmus für Funktionsoptimierung, Eine Matlab-Implementierung)" von C. Houck, J. Joines und M. Kay, ACM Transactions an Mathematical Software, 1996.
Die Anpassung des genetischen Algorithmus, der für das Pilotplanungsproblem verwendet werden soll, besteht aus der Implementierung einer Mutation und einer Überkreuzung, und die Auswahl eines Individuums. Ein Individuum ist die Menge von Pilotleistungsausgang für alle Zellen,
Die Mutation ist eine Funktion, die ein Individum auf ein neues Individuum abbildet, das heißt ein neues Individuum aufgrund eines alten schafft. Die folgende Prozedur wird verwendet:

1. Wähle zufällig K untersdhiedliche Zellen aus (K ist ein freier Parameter).
2. Für diese K-Zellen wird die Pilotleistungsabgabe zufällig abgewandelt (jede von ihnen unterschiedlich), gemäß PCPICHn,new = PCPICHn,old + STEP × (2 × rand – 1)[dBm] rand ∈ Uniform(0,1) STEP wird durch den Benutzer eingesetzt und rand ist eine gleichförmig verteilte Zufallszahl.

Die Überkreuzungsfunktion bildet zwei (Eltern-) Individuen auf zwei neue (Kind-) Individuen ab. Sie arbeitet gemäß dem Folgenden:

1. Wähle eine Zahl zufällig zwischen 1 und N aus. Nenne diese Zahl z.
2. Ändere die Pilotleistung für Zelle mit der Nr. z zwischen den beiden Elternindividuen. Auf diese Weise werden zwei Kindindividuen geschaffen.

Der genetische Algorithmus wandelt in jedem Schritt den Satz von Individuen (Population genannt) mithilfe der Funktionsmutation und Überkreuzung ab. Danach wird ein Auswahlvorgang auf die Population angewendet, der aufgrund des objektiven oder Zielfunktionswertes, berechnet gemäß Gleichung (1), Schritt 225, auswählt, welchen Individuen es erlaubt werden soll, zum nächsten Schritt fortzuschreiten. Der Auswahlprozess ist eine Ranglistenfunktion, beruhend auf der normalisierten geometrischen Verteilung, was ein Standardauswahlprozess für den genetischen Algorithmus ist (siehe).
Der Optimierungsschritt ist hier beispielsweise durch einen genetischen Algorithmus dargestellt, der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist. Fachleute werden jedoch realisieren, dass eine Anzahl von anderen Optimierungsalgorithmen, wie zum Beispiel simulierte Heilung oder Evolutionsalgorithmen als auch Simulationsverfahren vom Monte Carlo-Typ, die Vorteile der vorgeschlagenen objektiven oder Zielfunktion F_III verwenden können.
Prüfung und Verifikation von objektiver oder Zielfunktion und Optimierungsalgorithmus

Um die Anwendbarkeit der hier beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu prüfen, wird hier ein Prüfszenario, das aus 16 Zellen besteht, beschrieben. Die Zellen bilden ein hexagonales rechteckiges Netz mit einer Entfernung zwischen den Basisstationen von ungefähr 346 m, was eine längste Entfernung von der Basisstation zur Zellengrenze von 200 m ergibt. Das Netzwerk wurde in ein rechteckiges Quadratmuster mit 20 × 20 m großen Quadraten aufgeteilt, was 5329 Quadratpunkte ergab. Vom Verkehr wurde angenommen, dass er nur aus Sprache besteht mit einer Bitrate r von 12200 bits/s und einem Signal/Rauschen-Ziel (Eb/No) von 7,9 dB. Von der Verkehrslast wurde angenommen, dass sie auf drei Spitzenlastpunkte mit gleichförmiger Lastverteilung zwischen ihnen verteilt ist. Zwei unterschiedliche Verkehrslasten, eine niedrige und eine hohe wurden geprüft. Weiter wurden Werte entsprechend zu Tabelle 1 benutzt, eine städtische Umgebung zu simulieren. Tabelle 1, Parameter für Prüfszenario

Parameter	Wert
Verluste in Kabel und Verbindern	3 dB
Zellenradien	200 m
Antennenhöhe des Endgeräts	1,7 m
Antennenhöhe	25 m
Maximale Leistungsabgabe (Knoten B)	43 dBm
Frequenz	2,140 MHz
Abschattungsschwund Std.	7 dB
Abschattungsschwund-Ortkorrelation	0,5
Abschattungsschwundkorrelationsentfernung	110 m
Orthogonalitätsfaktor (α)	0,5

Die Optimierung für die verschiedenen objektiven oder Zielfunktionen wurde in 2000 Schritten (Generationen) durchgeführt. Die Gewichtsfaktoren waren gemäß Tabelle 2 ausgewählt worden. Als Bezug wurde ein Netzwerk benutzt, wo alle CPICH-Leistungsabgaben gleichgesetzt worden sind. Das Ergebnis mach 2000 Generationen ist in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 2, Gewichtsfaktoren

Objektive oder Zielfunktion	k_cov	k_w	k_x	P_target	P_lvl
1	1·10⁶	1000		95%	–85,2 dBm
2	1·10⁶	1000		95%	–85,2 dBm
3	1·10⁹	1000	-	95%	–85,2 dBm
4	1·10⁶		-	95%	–85,2 dBm
5	1·10⁶	1000	1·10⁶	95%	–85,2 dBm

Tabelle 3, Ergebnisse

Objektive oder Zielfunktion	Endgültige objektive oder Zielfunktion, niedrige/hohe Last	CPICH Abdeckung niedrige/hohe Last	Durchschnitt- liche CPICHLeistungsa- bgabe (dBm) niedrige/hohe Last	Durchschnitt- liche totale Leistungsabgabe (dBm) niedrige/hohe Last	CPU-Zeit(en) niedrige/hohe Last
Bezug	-	95,01%	37/37	39,9/41,5	-
1	58,61/58,61	95,08%	37,7/37,7	41,8/48	393/350
2	16364/16364	95,01%	35,5/35,5	38,7/40,6	390/358
3	63,44/45,74	95,01%	35,5/35,9	38,6/40,3	3924/3802
4	60,21/39,66	95,01%	35,5/35,6	38,7/40,7	4205/4052
5	16035/15472	95,01%	35,6/35,5	38,7/40,5	666/646

Bei Durchsicht von Tabelle 3 kann man sehen, dass die hier vorgeschlagenen objektiven oder Zielfunktionen in Kombination mit den Optimierungsschritten eine Verbesserung in Bezug sowohl auf die durchschnittliche Leistungsabgabe der Pilotkanäle (CPICH) als auch die durchschnittliche gesamte Leistungsabgabe mit vernünftiger/mäßiger Bearbeitungszeit (CPU-Zeit) schaffen.
Die objektiven oder Zielfunktionen und der Optimierungsalgorithmus sind hier benutzt worden, die Pilotkanalleistung zu optimieren. Die Orte der Basisstationen sind in dieser Analyse als fest angenommen worden. Das hier beschriebene Verfahren kann auch benutzt werden, den Ort der Basisstationen zu optimieren. Dann wird eine objektive oder Zielfunktion 1, F_I oder dergleichen vorzugsweise benutzt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Pilotplanung in einem auf CDMA beruhenden zellularen Netzwerk für mobile Telefonie zu optimieren, hier durch das W-CDMA zellulare Netzwerk gemäß den UMTS-Spezifikationen exemplifiziert. Es sollte möglich sein, die Erfindung mit geringen Abwandlungen in CDMA-Netzwerken gemäß IS-95 zu verwenden, und für die weitere Entwicklung von CDMA gemäß IS-95 zu verwenden, die in Entwicklung sind. Wie der Fachmann erkennt, können ähnliche Verfahren auch für andere Optimierung von zellularen Funknetzwerken nutzbar sein, es ist jedoch erforderlich, dass die objektiven oder Zielfunktionen neu definiert werden, um den gegenwärtigen Bedarf von Optimierung zu beschreiben. Optimierungen, bei denen das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, können zum Beispiel die Frequenzplanung in GSM- Netzwerken, Basisstationsleistungsabgabe in GSM- oder TDMA-Netzwerken usw. sein.
Das Verfahren wird am leichtesten in Form eines Softwareproduktes angewendet, wo die Definition von objektiver oder Zielfunktion und Eingabe von notwendigen Parametern, um das gegenwärtige Funknetzwerk zu beschreiben, ein Modul bilden kann und die Optimierungsalgorithmen ein anderes. Durch eine Modulkonstruktion kann zum Beispiel die Anderung des Optimierungsalgorithmus leicht vorgenommen werden.
Die Software kann in einem Computer gespeichert und ausgeführt werden, vorzugsweise in einem PC, einer Workstation, oder wenn große Rechnerkapazität benötigt wird, in einem speziell ausgewählten Computer. Der Computer ist zweckmäßigerweise in Verbindung mit dem mobilen Telefonsystem für leichte Übertragung von empfangenen/erhaltenen CPICH-Werten zu den Basisstationen, die vorzugsweise durch den RNC durchgeleitet/gesendet werden. Wenn die Leistungsabgabe der Pilotkanäle dynamisch verwaltet werden soll, sollte das Softwareerzeugnis so implementiert werden, dass Information schnell zwischen dem Computer, der die Optimierung durchführt, und den Kontrollfunktionen des Funknetzwerkes übertragen werden kann. Das Softwareprodukt kann geliefert und/oder vermarktet werden, zum Beispiel auf einem Computerspeichermedium wie zum Beispiel einer Diskette, CD, DVD, oder kann zum Beispiel über Internet übertragen werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen können auf viele Weisen abgewandelt werden und innerhalb des Rahmens der grundlegenden Idee der Erfindung abgewandelt werden. Solche Abwandlungen und Modifikationen werden als innerhalb des Rahmens der Erfindung angesehen, wie diese in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist.

Claims

Verfahren zum Konfigurieren der Leistungsabgabe von Pilotkanälen in einem zellularen Funknetzwerk, wobei das Funknetzwerk eine Anzahl von Zellen und für jede Zelle eine zugeordnete Basisstation und einen Pilotkanal aufweist, mit den Schritten: Aufteilen des Funknetzwerkes oder eines Teils des Netzwerkes in Unterareale/Teile von Arealen, Abschätzung der Dämpfung (λ_p ⁿ) des Funksignals für alle oder definierte Kombinationen von Unterarealen/Teilen von Arealen und Zellen, Abschätzung des Typs von Verkehr und Verkehrsbelastung innerhalb jedes Unterareals/Teils eines Areals, Berechnung einer objektiven oder Zielfunktion zum Erhalten eines numerischen Wertes hinsichtlich der Qualität des Funknetzwerkes oder eines Teils des Funknetzwerkes auf Grundlage einer Konfiguration der Leistungsabgabe von Pilotkanälen, Optimierung mit dem Ziel des Konfigurierens der Leistungsabgabewerte von Pilotkanälen derart, dass der numerische Wert der objektiven oder Zielfunktion maximiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung des Funknetzwerkes oder eines Teils des Funknetzwerkes derart geschaltet ist, dass in jedem Unterareal die Signalstärke der Pilotkanäle der Zellen als im wesentlichen konstant erwartet wird und innerhalb jedes Unterareals die Verkehrslast als im wesentlichen konstant erwartet wird und dass die objektive Funktion einen abdeckungsbezogenen Term und einen ka pazitätsbezogenen Term aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abdeckungsterm vorgeschlagene Konfigurationen, die der Abdeckungsanforderung nicht entsprechen, durch/mit einem sich auf die Abdeckung beziehenden Gewichtungsfaktor (k_cov) bestraft.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kapazitätsterm im wesentlichen einen Mittelwert der verbleibenden Leistungsmarge in den Zellen beschreibt, und falls irgendeine Zelle ihre Maximalleistungsausgabe überschreitet, die vorgeschlagene Konfiguration mit/durch einen sich auf die Kapazität beziehenden Gewichtsfaktor (k_w) bestraft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Optimierungsschritt einen Optimierungsalgorithmus aufweist mit statistischer Variation der Leistungsausgabe von ausgewählten Pilotkanälen und einen Auswahlprozess zur Auswahl der Leistungsabgabewerte derartiger Pilotkanäle, die den numerischen Wert der objektiven. Funktion maximieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Optimierungsschritt aus einem genetischen Algorithmus zusammengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die objektive oder Zielfunktion (F_III) beschrieben werden kann entsprechend
wobei F_cov der abdeckungsbezogene Term ist, wobei die Summe
der kapazitätsbezogene Term ist, wobei
wobei P_n ^TOT die Gesamtleistungsabgabe ist, P_n,max die maximal erhältliche Leistung jeder Basisstation ist, p_cov die angenommene Flächenwahrscheinlichkeit ist und p_target die erwünschte Flächenwahrscheinlichkeit ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kapazitätsterm im Wesentlichen auf Grundlage der Belastungsmarge pro Zelle berechnet wird und dass der Kapazitätsterm der objektiven oder Zielfunktion im Wesentlichen die mittlere Belastungsmarge beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die objektive oder Zielfunktion (F_IV) im wesentlichen beschrieben werden kann, als
wobei F_cov, der abdeckungsbezogene Term ist, wobei die Summe
der kapazitiv bezogene Term ist,
wobei X_n die derzeitige Belastung pro Zelle ist, P_n ^TOT die Gesamtleistungsabgabe ist, P_n,max die maximal erhältliche Leistung jeder Basisstation ist, p_cov eine angenommene Flächenwahrscheinlichkeit ist und p_target die gewünschte Flächenwahrscheinlichkeit ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Term der objektiven oder Zielfunktion gewichtet wird mit einem lastbeschreibendenden Faktor und dass die Zellen, die eine Verkehrslast aufweisen, die einen vorgegebenen Wert überschreitet, durch einen die Verkehrslast der Zelle betreffenden Gewichtsfaktor (k_x) bestraft werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die objektive oder Zielfunktionen (F_v) im wesentlichen beschrieben werden kann als
wobei F_cov, der abdeckungsbezogene Term ist, wobei die Summe
der kapazitätsbezogene Term ist,
wobei P_n ^CPICH die Leistungsabgabe der Pilotkanäle pro Zelle n ist, P_max,n ^CPICH die maximal erlaubte Leistungsabgabe der Pilotkanäle pro Zelle ist, X_n die gegenwärtige Last pro Zelle ist, P_n, ^TOT die Gesamtleistungsabgabe ist, P_n,max die maximal erhältliche Leistung jeder Basisstation ist, p_cov eine angenommene Flächenwahrscheinlichkeit ist und p_target die gewünschte Flächenwahrscheinlichkeit ist.
Softwareprodukt, das direkt in den internen Speicher eines Prozessors in einen Computer geladen werden kann, der für die Verwendung zur Pilotkanalkonfiguration eingesetzt wird, wobei das Softwareprodukt einen Softwarecode für die Ausführung der Schritte nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.
Softwareprodukt, das auf einem für Computer verwendbaren Speichermedium gespeichert ist, mit einem oder mehreren Programmen zum Durchführen, Erhalten eines Prozessors in einem Computer, der für eine Verwendung zur Pilotkanalkonfiguration eingesetzt wird, zum Überprüfen der Ausführung der Schritte nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Funknetzwerk für eine mobile Kommunikation, in dem das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 implementiert ist.