DE69838283T2

DE69838283T2 - Kanalzuteilungsverfahren für mobiles Kommunikationssystem mit Raum-Vielfachzugriff

Info

Publication number: DE69838283T2
Application number: DE69838283T
Authority: DE
Inventors: Flavio Piolini
Original assignee: Telecom Italia SpA
Current assignee: Telecom Italia SpA
Priority date: 1997-11-04
Filing date: 1998-11-03
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2018-11-04
Also published as: CA2252389A1; JP3030700B2; EP0926912A3; IT1295808B1; ITTO970965A1; EP0926912A2; JPH11225369A; EP0926912B1; US6337853B1; CA2252389C; ITTO970965A0; DE69838283D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mobile Kommunikationssysteme und insbesondere betrifft sie ein Kanalzuteilungsverfahren in einem System, das die Raum-Vielfachzugriff(SDMA)-Technik ausnutzt.
Mobile Kommunikationssysteme sind durch einen fortwährenden Zuwachs in der Anzahl von Nutzern gekennzeichnet, die sich beschränkte Ressourcen teilen müssen, insbesondere hinsichtlich des verfügbaren Frequenzbands. Es ist daher von Interesse, neue Zugriffstechniken zu studieren, die eine effektivere Nutzung der verfügbaren Ressourcen erlauben. Eine der zu diesem Zweck vorgeschlagenen Techniken ist die SDMA-Technik, die eine zunehmende Systemkapazität durch Ausnutzung eines Winkelabstands zwischen Nutzern erlaubt. Mit anderen Worten, Nutzer, die ausreichend winkelmäßig im Hinblick auf die Basissendestation getrennt sind, können denselben Kanal gemeinsam benutzen, d.h. dieselbe Frequenz und dasselbe Zeitfenster nutzen, wenn FDMA-TDMA (Frequenzmultiplex-Zugriff bzw. Frequency Division Multiple Access – Zeitmultiplex-Zugriff bzw. Time Division Multiple Access)-Techniken verwendet werden. Ein derartiges System ist beispielsweise in der EP-A-0 786 914 offenbart.
Die Anwendung dieser Technik wird durch die Verwendung von adaptiven Feldantennen (den sogenannten „Smart-Antennen") in den Basisstationen ermöglicht, die eine Unterscheidung zwischen nützlichen Signalen und Störsignalen und eine Berechnung ihrer Ankunftsrichtungen erlauben. Durch ein Verfolgen der Veränderungen in den Ankunftsrichtungen sowohl der nützlichen als auch der Störsignale passen die Antennen das Strahlungsdiagramm fortwährend an, wodurch das interessierende Endgerät mit der Hauptkeule dieses Diagramms verfolgt wird und seine Nullen entsprechend den sich einmischenden bzw. störenden Endgeräten angeordnet werden. Dies bringt ein besseres Träger/Stör(C/I)-Verhältnis sowohl für die Basisstation als auch für die mobilen Endgeräte. Die Fähigkeit dieser Antennen zur Unterscheidung zwischen nützlichen Signalen und störenden erlaubt ein Erhalten einer räumlichen Orthogonalität zwischen Nutzern, die eine Wiederverwendung desselben Kanals für eine Mehrzahl von Nutzern ermöglicht, vorausgesetzt sie sind an unterschiedlichen Winkelpositionen im Hinblick auf die Basisstation, d.h. vorausgesetzt, es gibt einen Winkelabstand, der einen minimalen Schwellenwert zwischen den jeweiligen abgestrahlten Strahlen überschreitet. Ein zusätzliches Erfordernis besteht darin, dass Nutzer, die denselben Kanal gemeinsam nutzen, ähnliche Energieniveaus besitzen müssen, da Feldantennen die Störsignale eines End geräts, das denselben Kanal verwendet, wie das Endgerät, das das nützliche Signale sendet, nur bis zu einem beschränkten Ausmaß dämpfen kann.
Die Möglichkeit einer Verwendung desselben Kanals für eine Mehrzahl von Nutzern beeinflusst klar Kanalzuteilungsvorgänge sowohl bei dem Ruf-Aufbau als auch im Fall einer Übergabe: in SDMA-Systemen werden Übergaben sowohl notwendig, wenn der Winkelabstand von Nutzern, die dieselben Kanäle verwenden, unter den Schwellenwert abnimmt (Zwischenzellenübergabe), als auch wenn das C/I-Verhältnis unter einen bestimmten Wert fällt. Diese Abnahme unter den Schwellenwert des Winkelabstands zwischen Nutzern desselben Kanals soll nachfolgend als „Kollision" bezeichnet werden.
Der Kanalzuteilungsvorgang muss versuchen, die folgenden Anforderungen zu erfüllen:

– Der Winkelabstand zwischen zwei Endgeräten, die denselben Kanal verwenden, soll den minimalen Schwellenwert überschreiten;
– Die Wahrscheinlichkeit muss minimiert werden, dass für ein gegebenes Endgerät eine neue Kanalzuteilung (d.h. eine Übergabe) notwendig wird, während eine Kommunikation läuft oder, anders ausgedrückt, die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kanalzuteilungen, die sich auf dasselbe Endgerät beziehen, muss so lang wie möglich gemacht werden.

Diese Anforderungen hängen von der Position der mobilen Endgeräte, ihrer Geschwindigkeit und den topografischen Eigenschaften der Zelle ab.
Es ist einfach, zu verstehen, dass es zur Erfüllung dieser Anforderungen günstig ist, einem Endgerät, wann immer möglich, einen „regulären" Kanal zuzuteilen, d.h. einen, der nicht mit anderen Endgeräten gemeinsam genutzt wird; nur, wenn kein freier regulärer Kanal existiert, wird ein gemeinsam genutzter Kanal, gewählt mit einem geeigneten Kriterium, zugeteilt werden.
Die Schrift „Towards a Channel Allocation Scheme for SDMA-based Mobile Communication Systems", Institute of Computer Science, Universität Würzburg, Research Report Series, Report Nr. 104, Februar 1995, schlägt vor, die Kanäle nur unter Berücksichtigung der Position (Winkelabstand und Abstand) der Endgeräte zuzuteilen, und berichtet über einige Leistungsbewertungen. Ein Zuteilungsverfahren dieser Art verursacht als eine Folge eine nicht optimale Verwendung von Ressourcen, da es einerseits denselben Kanal nicht Nutzern zuteilen kann, die, obwohl winkelmäßig eng beieinander, nicht kollidieren können oder möglicherweise auf grund der topografischen Eigenschaften und/oder der Richtung und Geschwindigkeit einer Verschiebung nur nach einer sehr langen Zeit kollidieren werden, und andererseits kann es anstelle davon relativ häufige Übergaben verursachen, wenn sich der Winkelabstand, der verursacht hatte, einen gemeinsam genutzten Kanal zuzuteilen, aufgrund der topografischen Eigenschaften der Zelle und/oder der Richtung der Nutzer und Geschwindigkeit der Verschiebung schnell verringert.
Die vorliegende Erfindung stellt anstelle davon ein Kanalzuteilungsverfahren zur Verfügung, das nicht nur die Position der Endgeräte, sondern auch sowohl ihre Mobilitätseigenschaften als auch die topografischen Eigenschaften der Zelle berücksichtigt.
Gemäß diesem Verfahren wird unter Bedingungen einer Wiederverwendung der Kanäle der einem Endgerät („anforderndes Endgerät") zuzuteilende Kanal durch Auswertung von Zuteilungskosten für jeden bereits in Verwendung befindlichen Kanal bestimmt, wobei die Kosten eine Funktion der mittleren Zeit sind, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kanalzuteilungen zu diesem Endgerät vergeht, und erlaubt eine Identifikation des Kanals, der eine Maximierung dieser Zeit erlaubt. Diese Auswertung wird durch Verwendung von Kostenkoeffizienten durchgeführt, die Informationen über die Topologie der Zelle und über die Mobilität der Endgeräte berücksichtigen und im Laufe einer Systeminitialisierungsphase mit den folgenden Abläufen bestimmt werden:

– Aufteilen einer Zelle des System in Zonen, die hier als Sektoren bezeichnet werden;
– Nachführen der aktiven Endgeräte während ihrer Verschiebung innerhalb der Zelle und Speichern des Moments, in dem sich jedes Endgeräts in jeden Sektor einbucht, der durch das Endgerät im Laufe seiner Verschiebung bereist wird;
– Erfassen von Kollisionen zwischen zwei Endgeräten, wobei eine Kollision als ein Abfall im Winkelabstand zwischen den Endgeräten unter einen voreingestellten Schwellenwert und der Moment, in dem die Kollision auftritt, erkannt wird;
– bei dem Erfassen Speichern eines Kollisionsereignisses sowohl für jedes der Sektorenpaare, wobei zwei bei einer Kollision beteiligte Endgeräte während ihrer Bewegungen innerhalb der Zelle gleichzeitig anwesend waren, als auch für die einzelnen durch die zwei Endgeräte bereisten Sektoren;
– Zählen der Anzahl von Kollisionen für die verschiedenen Sektorenpaare und für die einzelnen Sektoren;
– Berechnen der mittleren Zeit, die zwischen dem Einbuchen eines Endgeräts in einen der berücksichtigen Sektoren und dem Moment der Kollision vergeht;
– Bestimmen eines Kostenkoeffizienten für jedes Sektorenpaar als eine Funktion der mittleren für das Stattfinden der Kollision erforderlichen Zeit.

Bevorzugt sind derartige Kostenkoeffizienten umgekehrt proportional zu der mittleren Zeit, die mit der Wahrscheinlichkeit gewichtet sein kann, dass die Kollision stattfindet. In diesem zweiten Fall können die Vorgänge bzw. Abläufe, die zu der Bestimmung der Kostenkoeffizienten führen, auch für jedes Sektorenpaar die Berechnung der Wahrscheinlichkeit umfassen, dass eine Kollision zwischen dem Endgerät, das in dem Moment der Kanalzuteilungsanforderung in dem ersten Sektor des Paars ist, und einem Endgerät, das im selben Moment in dem zweiten Sektor des Paars ist, auftritt.
Der Winkelabstandsschwellenwert kann eine Funktion des minimal annehmbaren C/I-Verhältnisses sein.
Zwecks größerer Klarheit wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, wobei:
1 eine vereinfachte Darstellung einer Zelle eines mobilen Kommunikationssystems ist, das die SDMA-Technik verwendet;
2, 3 Ablaufdiagramme der Vorgänge bzw. Abläufe in dem Verfahren gemäß der Erfindung sind;
4 bis 6 Darstellungen einiger Kanalzuteilungsszenarien sind, die ein Verständnis der der Erfindung innewohnenden Vorteile erlaubt; und
7 eine Darstellung ist, die Kostenbestimmungsvorgänge zeigt.
Unter Bezugnahme auf 1 wurde schematisch eine Zelle eines Mobilfunksystems mit einer bestimmten Anzahl von aktiven Endgeräten (von denen fünf, bezeichnet als M1 ... M5, in der Figur sichtbar sind) und eine Basisfunkstation BS, hier schematisch durch die Antenne dargestellt, die, wie vorstehend festgestellt, in der Lage sein muss, Strahlen zu erzeugen, die auf einzelne Nutzer zeigen und ihren Bewegungen zu folgen, gezeigt. Der Begriff „aktives Endgerät zu einem gegebenen Zeitpunkt bzw. Moment" bedeutet ein Endgerät, das zu dem Moment eine laufende Kommunikation besitzt oder Zugriff auf das System anfordert. Die Basisfunkstation sollte wiederum mit Einheiten höherer Hierarchieebenen (nicht gezeigt) verbunden sein, die alle Aufgaben durchführen, die mit einer Verwaltung von Kommunikations vorgängen, einschließlich Kanalzuteilung, wie in irgendeinem Mobilfunksystem, verbunden sind. Für ein Verständnis der Erfindung muss die gegenwärtige Struktur dieser Einheiten nicht gezeigt werden.
Da das System ein SDMA-System ist, kann ein Funkkanal durch eine Mehrzahl von Nutzern gemeinsam genutzt werden, vorausgesetzt, ihr Winkelabstand ist derart, dass er keine Überlagerung zwischen den Strahlen hervorruft. Als Beispiel wurde in der Zeichnung angenommen, dass die Endgeräte M1, M3 denselben Kanal, bezeichnet als A, gemeinsam nutzen, dass die Endgeräte M2, M5 auch einen selben Kanal gemeinsam nutzen, der verschieden von dem vorhergehenden ist (Kanal B), und dass dem Nutzer M4 ein Kanal C zugeteilt ist, der nicht mit anderen Endgeräten gemeinsam genutzt wird.
Das allgemeine Kriterium für eine Kanalzuteilung in dem System ist wie folgt:

– Wenn ein freier regulärer Kanal verfügbar ist, wird dieser Kanal (oder einer dieser Kanäle, wenn mehr als einer vorhanden sind) dem Nutzer zugeteilt;
– Wenn keine freien regulären Kanäle verfügbar sind, dann wird dem Nutzer ein verfügbarer gemeinsam genutzter Kanal, ausgewählt mit dem Verfahren gemäß der Erfindung, zugeteilt;
– Wenn auch keine gemeinsam genutzten Kanäle verfügbar sind, dann wird die Anforderung zurückgewiesen, d.h. der Ruf wird im Fall einer anfänglichen Kanalzuteilung blockiert oder im Fall einer Übergabe unterbrochen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung, das in den einzelnen Zellen des System angewendet wird, berücksichtigt Informationen über die Topographie der Zelle, die räumliche Verteilung der Endgeräte im Moment der Anforderung eines neuen Kanals und ihrer Mobilitätskennlinie (Verschiebungen und mögliche Verschiebungsgeschwindigkeit) und erfordert den Zugriff auf Kosten einer Kanalzuteilung, die wie später genauer gesehen wird, bestimmt werden. Der gewählte Kanal sollte im Allgemeinen der eine sein, der die niedrigsten Kosten verursacht.
Informationen über die Topographie der Zelle werden mittels ihrer Aufteilung in Bereiche, in 1 bezeichnet als Sektoren S1 ... Sn, erhalten. Die Kostenfunktion soll im Allgemeinen mit der mittleren Zeit, die für das Auftreten einer Kollision zwischen dem Endgerät, das eine Kanalzuteilung angefordert hat und sich in dem Moment in einem ersten Sektor der Zelle befindet, in dem die Zuteilung stattfinden muss, und einem anderen Endgerät, das denselben Kanal belegt und sich in diesem Moment in einem zweiten Bereich befindet, und möglicher weise der Wahrscheinlichkeit, dass eine derartige Kollision stattfindet, verbunden sein. Verschiedene Wege einer Aufteilung der Zelle in Sektoren und unterschiedliche Ausdrücke für die Kostenfunktion sind möglich, wie nachstehend leicht offensichtlich sein sollte.
Eine Anwendung des Verfahrens erfordert somit drei Arbeitsphasen, wie in dem Ablaufdiagramm gemäß 2 gezeigt. Die erste ist die Aufteilung der Zelle in Sektoren, die z.B. beim Entwurf des Systems durchgeführt werden sollte, wenn der Abdeckungsbereich der Zelle bestimmt wird. Die zweite ist die Bestimmung von Kostenwerten, die zu den unterschiedlichen Sektorenpaaren gehören, und sie sollte während eines System-Selbstlernens oder einer Trainingsphase durchgeführt werden, die beispielsweise mit einer Versuchs-Funktionsphase zusammenfallen kann. Diese zwei Phasen sollten auch mit dem Begriff „Initialisierung" bezeichnet werden. Die dritte ist die gegenwärtige Kanalzuteilung während eines regulären Betriebs, sowohl für einen Aufbau neuer Verbindungen als auch für eine Zwischen-Zell-Übergabe. Auf der Grundlage der Ergebnisse der Zuteilung ist es auch möglich, eine Rückkopplung zur Bestimmung der zu den Sektorenpaaren gehörenden Kosten auszubilden, um die Systemleistung zu optimieren.
Die Verwendung von Informationen über die Topographie der Zelle und über die Mobilitätseigenschaften der Endgeräte erlaubt tatsächlich eine Verbesserung der Zuteilungseffizienz im Hinblick auf ein Verfahren, das nur die Position der Endgeräte berücksichtigt, wie die Analyse gemäß den 4 bis 6 zeigt.
Diese Figuren zeigen zwei aktive mobile Endgeräte, die als Ma bzw. Mb bezeichnet sind, die jeweils durch Kanäle A und B bedient werden, und ein drittes mobiles Endgerät Mr, das in einen Ruf eingebunden ist, der die Zuteilung eines neuen Kanals erfordert; α und β sind die Winkelabstände zwischen Ma und Mr bzw. zwischen Mb und Mr.
4 erlaubt eine Auswertung des Einflusses der Winkelgeschwindigkeit der Endgeräte, ausgedrückt durch den Abstand zwischen dem Endgerät und der Basisstation. Angenommen, dass sich die Endgeräte Ma, Mb mit derselben linearen Geschwindigkeit zu Mr hinbewegen, fällt der Winkelabstand β zwischen Mb und Mr vor dem Winkelabstand α zwischen Ma und Mr unter den minimalen Schwellenwert δ, obwohl anfänglich β größer als α war: ein Verfahren basierend auf einem Winkelabstand allein wäre nicht in der Lage, ein derartiges Verhalten vorherzusagen, wodurch sich eine suboptimale Lösung ergeben würde.
5 erlaubt eine Auswertung des Einflusses der Geschwindigkeit der Endgeräte (in Absolutwert und Richtung): obwohl der Winkelabstand α anfänglich größer ist als β, neigt aufgrund der Verschiebungsrichtung der Endgeräte Ma, Mb α dazu abzunehmen und β zuzunehmen, daher würde die Wahl von Kanal A zu einem kleineren Intervall zwischen Übergaben führen: wiederum würde das Verfahren basierend auf Winkelabstand allein nicht in der Lage sein, ein derartiges Verhalten vorherzusagen.
Zuletzt erlaubt 6 eine Auswertung des Einflusses der Zelltopographie; aufgrund der für die Straßen und die Verschiebungen der Endgeräte angenommenen Konfiguration wird der Winkelabstand β praktisch nicht beeinflusst, wohingegen α zu 0 tendiert: wenn diese Situation nicht berücksichtigt würde, würde der Kanal, der den größeren anfänglichen Abstand zeigt (Kanal A) anstelle von Kanal B zugeteilt werden.
Zurück zum Verfahren gemäß der Erfindung zeigt 1 eine Aufteilung in regelmäßige und im Wesentlichen gleiche Sektoren S1 ... Sn. Diese Lösung kann die bevorzugte Lösung sein, wenn die Ankunftsrichtung eines aktiven Endgeräts, das sich in einen bestimmten Sektor einbucht, bei einer Bestimmung von Kosten berücksichtigt wird, da es den Berechnungsaufwand beschränkt. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung (z.B. wenn nur die durch zwei Endgeräte, die kollidieren, bereisten Bereiche berücksichtigt werden und nicht die Eintrittsrichtung in sie) kann eine Aufteilung, die Verkehrsintensität, Straßenentwurf und Zelltopographie mehr berücksichtigt, geeigneter sein. Beispielsweise kann man in diesem zweiten Fall eine eher feine und regelmäßige Aufteilung im Bereichen hoher Mobilität annehmen, wobei eine Straßenverteilung bei einer Formung des Sektoren berücksichtigt wird; im Gegensatz dazu können in Bereichen, in denen die Mobilität eingeschränkt ist oder keine Nutzer vorhanden sein können, eher extensive Sektoren hergestellt werden. Die minimale Größe der Sektoren ist mit der Genauigkeit verbunden, mit der das System die Positionen der Endgeräte erfassen kann: als eine quantitative Anzeige kann berücksichtigt werden, dass ein System wie GSM die Position des Nutzers innerhalb eines Radius von ungefähr einhundert Metern lokalisieren kann und daher dieser Radius eine minimale Größenordnung für die linearen Abmessungen der Sektoren darstellen kann.
Die Bestimmungen von Kostenwerten führt das System zur Herstellung eines Satzes oder einer Matrix von Koeffizienten Cij, einen für jedes Sektorenpaar Si, Sj. Diese Koeffizienten sind im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung proportional zur Inversen bzw. zum Kehrwert des mittleren Zeit Tij*, die zwischen dem Eintritt des bei einer Kanalzuteilung beteiligten Endgeräts in einen Sektor Si und der Kollision mit einem Endgerät, das im selben Moment im Sektor Si ist, vergeht. Die mittlere Zeit kann mit der Wahrscheinlichkeit Pij gewichtet sein, dass die Kollision auftritt. Wenn die Wahrscheinlichkeit nicht berücksichtigt wird, dann besitzt der Koeffizient Cij den Ausdruck: Cij = K/Tij* (1)
Wenn die Wahrscheinlichkeit berücksichtigt wird, dann besitzen die Koeffizienten Cij den Ausdruck: Cij = K/Tij* Pij (2)
In beiden Fällen ist K eine Proportionalitätskonstante, die der Einfachheit halber nachfolgend als gleich 1 betrachtet wird.
Eine Herstellung der Koeffizientenmatrix erfordert somit ein Zählen von Ereignissen und Zeiten und die in den festen Teilen des Systems vorhandenen Verarbeitungseinheiten sollten programmiert sein, derartige Zählungen durchzuführen: dies ist absolut kein Problem, da Zählungen dieser Art während der normalen Überwachung des Systembetriebs durchgeführt werden. Der Weg, auf dem die Koeffizientenmatrizen hergestellt werden, soll weiterhin veranschaulicht werden.
Das Ablaufdiagramm in 3 zeigt den Vorgang, der zur Bestimmung der Koeffizienten in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die nur die Sektoren berücksichtigt, in denen jedes Paar von aktiven Endgeräten gleichzeitig vorhanden ist, und nicht die Eintrittsrichtung in diese Bereiche, führt. Das System folgt konstant der Position der aktiven Endgeräte, erfasst die Übergänge zwischen einem Sektor und dem anderen für jede mobile Einrichtung und speichert die Übergangsmomente. Bei Erfassung eines Kollisionsereignisses wird der Moment, in dem es auftritt, gespeichert und die Kollisionsereigniszähler werden beide für die Sektoren, in denen die Endgeräte im Moment der Kollision vorhanden sind, und für jedes Sektorenpaar, in dem die zwei Endgeräte für eine Kollision gleichzeitig vorhanden waren, ebenso wie für die einzelnen Sektoren, die durch jedes Endgerät bereist wurden, erhöht. Durch Verwendung der für die Momente der Einbuchung in die Sektoren, des Moments der Kollision und der Anzahl von Kollisionen gespeicherten Werte wird die mittlere Dauer der zwischen dem Moment der Einbuchung in einen Sektor und dem Moment der Kollision vergangenen Intervalle, immer für alle durch die beiden Endgeräte bereisten Bereiche, berechnet.
Ein Zählen der Kollisionsereignisse erlaubt auch ein Bestimmen der Wahrscheinlichkeit einer Kollision für jedes Paar von Sektoren (Verhältnis zwischen der Anzahl von Kollisionen, an denen das Paar beteiligt ist, und der Anzahl von Kollisionen, an denen der einzelne Sektor beteiligt ist). Durch Verwendung der mittleren Zeiten und möglicherweise der Wahrscheinlichkeit einer Kollision für jedes Paar von Sektoren, werden Kosten gemäß (1) oder (2) bestimmt. Die Dauer dieser Systemtrainingsphase sollte derart sein, dass sie die Erreichung bedeutender Werte garantiert.
Wenn die Einbuchungsrichtungen berücksichtigt werden, dann sollten unterschiedliche Zähler für jede Kombination von Einbuchungsrichtungen in die zwei Bereiche benötigt werden, und daher sollten die mittleren Zeiten, die Wahrscheinlichkeiten und die Koeffizienten für jede Kombination getrennt berechnet werden.
Um eine bessere Veranschaulichung des vorstehenden Vorgangs bzw. Ablaufs zu erhalten, wird auf 7 Bezug genommen, die die Verschiebungen und ein Zeitablaufdiagramm für zwei Endgeräte zeigt, von denen sich das erste in die Zelle entsprechend Sektor Sa einbucht und sich dann in Sektoren Sb, Sc bewegt, während sich das andere zu dem Moment, in dem sich das erste Endgerät in die Zelle einbucht und sich dann in Sektoren Se, Sf, Sg bewegt, im Bereich Sd befindet, zeigt. Es wird angenommen, dass in einem Moment t_x, an dem sich die Endgeräte innerhalb der Sektoren Sc bzw. Sg befinden, der Winkelabstand zwischen den Endgeräten unter den minimalen Schwellenwert d fällt (der eine Funktion des minimal annehmbaren C/I-Verhältnisses zwischen dem nützlichen Signal und dem Störsignal eines Endgeräts, das denselben Kanal verwendet, sein kann), was eine Kollision zur Folge hat. In der Darstellung gemäß 7 zeigen die ersten zwei Linien die Pfade der Endgeräte, die dritte Linie zeigt die Einbuchungsmomente der Endgeräte in die unterschiedlichen Sektoren und die nachfolgenden Linien zeigen die zwischen der Einbuchung in einen berücksichtigten Sektor, und dem Moment der Kollision vergangenen Zeitintervalle für Endgerät 1 bzw. Endgerät 2.
Für beide Endgeräte speichert das System eine Datentabelle, die in einer Zeile die Positionen des Endgeräts, dargestellt durch den Sektor-Identifizierer bzw. -Bezeichner, und in einer zweiten Reihe die Einbuchungsmomente in die unterschiedlichen Sektoren enthält: Die Tabellen für die zwei Endgeräte des Beispiels sind damit wie folgt: Endgerät 1

Position Sa Sb Sc ... ...

Zeit t_1a t_1b t_1c ... ...

Endgerät 2

Position Sd Se Sf Sg ...

Zeit t_2d t_2e t_2f t_2g ...
Der Weg, auf dem die Positionen der einzelnen Endgeräte ausgewertet werden, hängt von dem bestimmten System ab, in dem das Verfahren gemäß der Erfindung verwendet wird und ist für die Zwecke der Erfindung nicht von Interesse. Zeiten können absolute Zeiten oder Zeiten relativ zu einem Bezugsmoment sein.
Wie vorstehend erwähnt, sind zum Zweck des Verfahrens die bei einer Kollision beteiligten Sektoren die, in denen zwei Endgeräte gleichzeitig vorhanden sind. Daher ist es im Moment t_x einer Kollision notwendig, die Zähler Ncf, Nbf, Nad, Ncc, Nbb, Naa für Endgerät 1 und die analogen Zähler Ngc, Nga, Nea, Ngg, Nff, Nee für Endgerät 2 um eine Einheit zu erhöhen. Weiterhin werden durch Verwendung der Werte t_1a, t_1b, ... t_2g des Moments der Einbuchung jedes der zwei Endgeräte in einen Sektor die Werte Tcf, Tbf, Tad der zwischen dem Moment der Kollision und der Einbuchung des Endgeräts 1 in Sc, Sb und Sa vergangenen Zeit berechnet, ebenso wie jeweils die Werte Tgc, Tfa, Tea der zwischen dem Moment der Kollision und der Einbuchung des Endgeräts 2 in Sg, Sf, Se vergangenen Zeit berechnet. Für jedes Endgerät berücksichtigen diese Werte die Position des anderen Endgeräts.
Tabellen ähnlich den für die Endgeräte 1 und 2 gezeigten werden für alle Paare von aktiven Endgeräten gefolgt in dieser Trainingsphase hergestellt und entsprechende Kollisions- und Zeitzählungen sollen für derartige Paare durchgeführt werden.
Am Ende der Trainingsphase sollen die Werte Tij* der mittleren Zeiten (Tij* = ΣTij/Nij, d.h. das Verhältnis zwischen der Summe der Zeiten Tij bezüglich der Kollisionen, die in den Sektoren Si und Sj aufgetreten sind, und der Anzahl von Kollisionen Nij) zusammen mit den Wahrscheinlichkeiten für eine Kollision Pcg, Pcf, Pbf, Paf, Pae (Pij = Nij/Nii, wobei Nii = Σnj=1 Nij Nij ist, wobei n = Anzahl von Bereichen ist) bestimmt werden. Die Wahrscheinlichkeit füe eine Kollision und die mittleren Zeiten können natürlich wieder berechnet werden, wann immer einer der Zähler aktualisiert wird.
Während eines regulären Betriebs, sowohl im Fall eines neuen Ruf-Aufbaus als auch im Fall einer Übergabe wird für eine Kanalzuteilung zu einem Endgerät, das sich in einen gewöhnlichen Sektor Sz einbucht, die Reihe der Koeffizientenmatrix für diesen Sektor gelesen und, um die Zuteilungskosten zu bestimmen, gibt es zwei Möglichkeiten fortzuschreiten, jeweils verbunden mit der für den Kostenkoeffizienten erfolgten Wahl.
Genauer, wenn die Koeffizienten Cij durch (1) gegeben sind, wird für jeden Kanal der größte unter den Kostenkoeffizienten bezüglich der Sektoren, in denen dieser Kanal in Verwendung ist, gesucht; der zugeteilte Kanal sollte der eine sein, für den dieses Maximum am niedrigsten ist. Wenn die Koeffizienten Cij durch (2) gegeben sind, dann wird der Wert Cz^ch = 1/Σ(1/Czq) als die Kosten Cz^ch des Kanals genommen, wobei die Addition alle Sektoren Sq betrifft, in denen der Kanal in Verwendung ist; die zugeteilte Kanal sollte wieder der eine sein, für den Cz^ch der Kleinste ist. Die zwei Lösungen entsprechen jeweils der Maximierung einer minimalen mittleren Zeit der Kollision oder einer mittleren Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Kanalzuteilungen zum selben Endgerät.
Unter Bezugnahme beispielsweise auf die Situation in 1 wird angenommen, dass die verfügbaren Kanäle die drei jeweils für die Sektoren S1, Sp; Sh, Sm; Sk in Verwendung befindlichen Kanäle A, B, C sind. Die Zeile Sz der Koeffizientenmatrix wird dann gelesen und die Kosten bezüglich der Sektoren, in denen die Kanäle A, B, C in Verwendung sind, werden gelesen. Die interessierenden Werte in der Zeile sind wie folgt:

S1 ... Sh ... Sk ... Sm ... Sp

Sz Cz1 ... Czh ... Czk ... Czm ... Czp
Wenn das erste Verfahren verwendet wird, dann sollten die Kosten für Kanal A, C(A) = Max (Cz1, Czp); für Kanal B, C(A) = Max (Czh, Czm); für Kanal C, C(C) = Czk sein. Mit dem zweiten Verfahren sollen für Kanal A die Kosten
sein, für Kanal B sollen sie
sein, für Kanal C, der nur in Sk verwendet wird, sollen die Kosten C(C) = Czk sein. Der zugeteilte Kanal soll der eine sein, für den der Wert C(i) {i = A, B, C} der Kleinste ist.
Wenn die Richtung gemäß der sich ein Endgerät in einen Sektor einbucht, bei einer Bestimmung von Kosten berücksichtigt wird, dann erfordert das Verfahren ein Herstellen einer Matrix von Kostenkoeffizienten für jede der möglichen Kombinationen von Zugangsrichtungen in ein Sektorenpaar. Die Koeffizienten können wieder durch (1) oder durch (2) gegeben sein. Wieder Bezug nehmend auf die in 1 gezeigten quadratischen Sektoren und zur Vereinfachung unter der Annahme, dass die Endgeräte sich in die Sektoren nur von den Seiten einbu chen, sollten die mittleren Zeiten zwischen dem Einbuchen in einen Sektor und dem Moment der Kollision und den Kostenkoeffizienten für jedes Paar Si, Sj von Sektoren im Allgemeinen von der Art
bzw.
sein, wobei d_i, d_j eine der vier möglichen Einbuchungsrichtungen in Si und Sj (nachfolgend bezeichnet als a = Einbuchung von oben, b = Einbuchung von unten, d = Einbuchung von rechts, s = Einbuchung von links) sind. Somit soll es anstelle einer einzelnen 16 Matrizen geben. In diesem Fall soll es auch notwendig sein, den Fall einer Übergabe von der eines Ruf-Aufbaus zu unterscheiden. Im ersten Fall ist die Richtung, aus der sich ein Endgerät in den Sektor einbucht, bekannt und daher wird die Kanalzuteilung exakt wie im vorhergehenden Fall durchgeführt, indem die Koeffizienten in der Matrix entsprechend dem bestimmten Paar von Einbuchungsrichtungen und Fortschreiten, wie durch einen jeweiligen Koeffiziententyp erforderlich, gelesen werden. Im zweiten Fall ist die Ankunftsrichtung des anfordernden Endgeräts unbekannt und die Auswertung der Zuteilungskosten ist etwas komplexer, obwohl sie den vorstehend beschriebenen Prinzipien folgt.
Genauer, bei Berücksichtigung nur des im Sektor Sz angeordneten anfordernden Endgeräts und eines anderen aktiven Endgeräts, das den Sektor Sw belegt und sich in den Sektor von links eingebucht hat (wie durch den Pfeil gezeigt), wird, wenn die Koeffizienten durch (1) gegeben sind, der Größte der vier Koeffizienten Caszw , Cbszw , Cdszw , Csszw als die Kanalzuteilungskosten genommen. Wenn die Koeffizienten durch (2) gegeben sind, dann soll die mittlere Kollisionszeit T?szw berechnet werden als T?szw = Σ(pxsTxs/Σpxs), wobei x = a, b, d, s ist: durch Einstellung p_?s = Σp_xs/4, mit einfachen mathematischen Betrachtungen kann man sehen, dass die Zuteilungskosten gegeben sind durch C?szw = 4/(Σ1/Cx3zw ).
Die vorstehenden Erwägungen können in dem Fall, in dem jeder Kanal mit einer Mehrzahl von Endgeräten verbunden ist, sofort verallgemeinert werden.
Es ist klar, dass, wenn die Einbuchungsrichtung berücksichtigt wird, es einfach ist, eine Aufteilung in Sektoren regelmäßiger geometrischer Form (im Allgemeinen quadratisch oder hexagonal) zu wählen, um die Anzahl von möglichen Einbuchungsrichtungen in die Sektoren und somit die Anzahl von zu erzeugenden Matrizen zu begrenzen.
Im Fall einer regelmäßigen Aufteilung kann die mittlere Geschwindigkeit der Endgeräte auch berücksichtigt werden, wobei die mittlere Geschwindigkeit beispielsweise als die Anzahl von durch das Endgerät in der Zeiteinheit bereisten Sektoren ausgedrückt wird. In diesem Fall könnte man über eine Gruppierung der mobilen Endgeräte in Geschwindigkeitsklassen nach denken, und die Koeffizientenmatrizen sollen dann für jedes Paar von Klassen hergestellt werden (im allgemeinsten Fall sollen die zwei Endgeräte, die kollidieren, zu unterschiedlichen Geschwindigkeitsklassen gehören). Die vorstehend angezeigten Intervalle T_ij können als Zeiten verwendet werden. Es ist offensichtlich, dass höhere Geschwindigkeiten höheren Kosten entsprechen.
Es ist offensichtlich, dass die vorstehende Beschreibung rein mittels eines nicht einschränkenden Beispiels erfolgte und dass Veränderungen und Modifikationen ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung möglich sind.

Claims

Kanalzuteilungsverfahren für ein mobiles Kommunikationssystem mit Raum-Vielfachzugriff, wobei eine Mehrzahl in einer selben Zelle des Systems aktiver Endgeräte einen selben Kanal verwenden kann, wenn ihre Winkelabstand nicht unter einen voreingestellten Schwellenwert fällt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest unter Bedingungen einer Wiederverwendung der Kanäle selbst der einem Endgerät („anforderndes Endgerät") zuzuteilende Kanal durch Auswertung von Zuteilungskosten für jeden verfügbaren Kanal bestimmt wird, wobei die Kosten mit der Zeit verbunden sind, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kanalzuteilungen zu diesem Endgerät vergeht, und durch Identifikation des Kanals, der eine Maximierung einer derartigen Zeit erlaubt, wobei die Auswertung durch Verwendung von Kostenkoeffizienten durchgeführt wird, die Informationen über die Topologie der Zelle und über die Mobilität der Endgeräte berücksichtigen und im Laufe einer Systeminitialisierungsphase mit den folgenden Abläufen bestimmt werden: – Aufteilen einer Zelle des Systems in Sektoren; – Nachführen der aktiven Endgeräte während ihrer Bewegungen innerhalb der Zelle und Speichern des Einbuchungsmoments jedes Endgeräts in jedem Sektor, der durch das Endgerät im Laufe seiner Bewegung bereist wird; – Erfassen der Kollisionen zwischen zwei Endgeräten, wobei einer Kollision als ein Abfall im Winkelabstand zwischen den Endgeräten unter den Schwellenwert erkannt wird, und Erfassen des Moments, in dem die Kollision auftritt; – bei dem Erfassen Speichern eines Kollisionsereignisses sowohl für jedes der Sektorenpaare, in denen zwei bei einer Kollision beteiligte Endgeräte während ihrer Bewegungen innerhalb der Zelle gleichzeitig anwesend waren, und für die einzelnen durch die zwei Endgeräte bereisten Sektoren; – Zählen der Anzahl von Kollisionen für die verschiedenen Sektorenpaare und für die einzelnen Sektoren; – Berechnen der mittleren Zeit, die zwischen dem Einbuchen eines Endgeräts in einen der berücksichtigten Sektoren und dem Moment der Kollision vergeht; – Bestimmen einer Kostenkoeffizienten für jedes Sektorenpaar, wobei der Koeffizient eine Funktion der mittleren für das Stattfinden der Kollision erforderlichen Zeit ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die während der Initialisierungsphase bestimmten Kostenkoeffizienten gemäß den Ergebnissen der Kanalzuteilung während des regulären Betriebs periodisch aktualisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abläufe des Zählens der Anzahl von Kollisionen, Berechnens der mittleren Zeit und Bestimmens eines Kostenkoeffizienten für jedes Sektorenpaar getrennt für jede der möglichen Kombinationen von Einbuchungsrichtungen der Endgeräte in die zwei Sektoren durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beginnend von der mittleren Zeit eine mittlere Geschwindigkeit jedes aktiven Endgeräts bestimmt wird, die mittleren Geschwindigkeiten in Geschwindigkeitsklassen gruppiert werden, von denen jede Geschwindigkeitswerte innerhalb eines vorbestimmten Intervalls umfaßt, und die Abläufe des Zählens der Anzahl von Kollisionen, Berechnens der mittleren Zeit und Bestimmens eines Kostenkoeffizienten für ein Sektorenpaar getrennt für jedes Paar von Geschwindigkeitsklassen durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Geschwindigkeit als das Verhältnis zwischen der Anzahl der während der mittleren Zeit bereisten Sektoren und der mittleren Zeit bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kostenkoeffizienten proportional zur Inversen der mittleren Zeit sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auswertung der Kosten der Zuteilung für jeden nutzbaren Kanal der Maximalwert unter den sich auf jedes der Sektorenpaare mit dem Sektor, in dem sich das anfordernde Endgerät befindet, und einem der Sektoren, in denen sich Endgeräte, die den Kanal nutzen, befinden, beziehenden Kostenkoeffizienten gesucht wird und der Kanal, für den der Maximalwert der niedrigste ist, zugeteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wenn auf Anspruch 3 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auswertung der Kosten einer Zuteilung an ein anforderndes Endgerät, das sich in einem ersten Sektor befindet: a) im Fall eines neuen Ruf-Aufbaus für jeden nutzbaren Kanal der Maximalwert unter den Kostenkoeffizienten, die sich für jedes der Sektorenpaare mit dem ersten Sektor und einem zweiten Sektor, in dem sich ein zweites Endgerät, das den Kanal nutzt, befindet, auf die Kombination einer der möglichen Einbuchungsrichtungen des anfordernden Endgeräts in den ersten Sektor mit der Einbuchungsrichtung des zweiten Endgeräts in den jeweiligen zweiten Sektor beziehen, gesucht wird; b) im Fall einer Übergabe für jeden nutzbaren Kanal der Maximalwert unter den Kostenkoeffizienten, die sich für jedes der Sektorenpaare mit dem ersten Sektor und einem zweiten Vektor, in dem sich ein zweites Endgerät, das den Kanal nutzt, befindet, auf die bestimmte Kombination von Einbuchungsrichtungen des anfordernden Endgeräts und des zweiten Endgeräts in jeweiligen Sektoren beziehen, gesucht wird; und der Kanal, für den ein derartiger Maximalwert der niedrigste ist, zugeteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß während der Initialisierungsphase für jedes Sektorenpaar auch die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen einem sich in einem ersten Sektor des Paars befindenden anfordernden Endgerät und einem anderen Endgerät, das sich zu dem Moment, in dem die Notwendigkeit einer Zuteilung des Kanals auftritt, in dem zweiten Sektor des Paars befindet, berechnet wird und die Kostenkoeffizienten proportional zur Inversen der mittleren Zeit gewichtet mit der Wahrscheinlichkeit einer Kollision sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auswertung der Zuteilungskosten für jeden nutzbaren Kanal die Summe der Inversen der Kostenkoeffizienten, die sich auf jedes der Sektorenpaare mit dem Vektor, in dem sich das anfordernde Endgerät befindet, und einem der Sektoren, in denen sich Endgeräte befinden, die den Kanal verwenden, beziehen, berechnet wird, und der Kanal, für den die Inverse dieser Summe minimal ist, zugeteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wenn auf Anspruch 3 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auswertung der Kosten einer Zuteilung zu einem anfordernden Endgerät, das sich in einem ersten Sektor befindet: a) im Falle eines neuen Ruf-Aufbaus für jeden nutzbaren Kanal und für jedes der Sektorenpaare mit dem ersten Sektor und einem zweiten Sektor, in dem sich ein zweites Endgerät befindet, das den Kanal nutzt, eine mittlere Kollisionswahrscheinlichkeit (p_?s) als der Mittelwert der Kollisionswahrscheinlichkeiten für jede Kombination einer der möglichen Einbuchungsrichtungen des anfordernden Endgeräts in den ersten Sektor mit der Einbuchungsrichtung des zweiten Endgeräts in den jeweiligen zweiten Sektor bestimmt wird, und eine gewichtete mittlere Zeit T?sij als die Summe der mittleren Zeiten, die sich auf jede der Kombinationen beziehen und jede mit der jeweiligen Kollisionswahrscheinlichkeit normiert im Hinblick auf die Gesamt-Kollisionswahrscheinlichkeit zwischen dem anfordernden Endgerät und einem zweiten Endgerät, das den jeweiligen zweiten Sektor aus einer bestimmten Richtung betreten hat, bestimmt wird, ein mittlerer Kostenkoeffizient bestimmt wird, der proportional zur Inversen des Produkts zwischen der gewichteten mittleren Zeit und der mittleren Wahrscheinlichkeit ist, und die Summe der Inversen der mittleren Kostenkoeffizienten berechnet wird; b) im Fall einer Übergabe für jeden nutzbaren Kanal die Summe der Inversen der Kostenkoeffizienten in Bezug auf jedes der Sektorenpaare mit dem Sektor, in dem sich das anfordernde Endgerät befindet, und einem der Sektoren, in denen sich Endgeräte befinden, die den Kanal verwenden, für die bestimmte Kombination von Einbuchungsrichtungen in die Sektoren berechnet; und der Kanal, für den die Inverse einer derartigen Summe die niedrigste ist, zugeteilt wird.