DE69932175T2

DE69932175T2 - Verfahren und vorrichtung zur überlastdetektion auf der rückwärtsverbindung

Info

Publication number: DE69932175T2
Application number: DE69932175T
Authority: DE
Inventors: P. Franklin Del Mar ANTONIO; Walid San Diego HAMDY
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: EP1125466A1; HK1042193A1; JP2002529033A; US20030198203A1; KR20010090806A; ATE332066T1; DE69932175D1; EP1125466B1; US6603745B1; AU1235100A; CN1332946A; JP4602554B2; CN1119915C; US7440426B2; WO2000025548A1; HK1042193B

Description

Hintergrund der Erfindung
I. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Kommunikations- bzw. Nachrichtenübertragungssysteme. Spezieller bezieht sich die Erfindung auf Lastschätzung und Überlastdetektion in einem Vielfach- bzw. Mehrfachzugriffssystem.
II. Beschreibung der verwandten Technik
1 zeigt ein beispielhaftes Ausführungsbeispiels eines terrestrischen drahtlosen Kommunikations- bzw. Nachrichtenübertragungssystems 10. 1 zeigt drei entfernte Einheiten 12, 13 und 15 und zwei Basisstationen 14. In der Realität besitzen typische drahtlose Kommunikationssysteme vielmehr entfernte Einheiten und Basisstationen. In 1 ist die entfernte Einheit 12 als eine Mobiltelefoneinheit gezeigt, die in einem Auto installiert ist. 1 zeigt auch die entfernte Einheit 15 an einer festen Stelle in einem drahtlosen Zugangssystem (local loop system) und die entfernte Einheit 13 als tragbaren Computer in einem standardgemäßen zellularem System. In dem allgemeinsten Ausführungsbeispiel können die entfernten Einheiten irgendeine Art von Kommunikationseinheit sein. Zum Beispiel können die entfernten Einheiten in der Hand gehaltene persönliche Kommunikationssystem-(personal communication system, PCS)-Einheiten, portable Dateneinheiten wie zum Beispiel ein persönlicher Datenassistent oder ortsfeste Dateneinheiten sein, wie zum Beispiel Zählerableseausrüstung. 1 zeigt ein Vorwärtsverbindungssignal 18 von den Basisstationen 14 zu den entfernten Einheiten 12, 13 und 15 und ein Rückwärtsverbindungssignal 19 von den entfernten Einheiten 12, 13 und 15 zu den Basisstationen 14.
Um bei der Darstellung zu helfen wird in der folgenden Diskussion die Erfindung mit Bezug auf einen allgemein bekannten Industriestandard für drahtlose Verbindung beschrieben. Tatsächlich können die grundlegenden Prinzipien der Erfindung direkt auf viele Mehrfach-Zugriffs-Kommunikations-Systeme angewendet werden. Die folgende Erörterung nimmt einen Betrieb an, gemäß dem System, das beschrieben ist in dem TIA/EIA/IS-95-A und zwar veröffentlich von der Telephone Industry Association mit dem Titel "Mobile Station-Base Station Compatibility Standard for Dual-Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System" der im Allgemeinen als IS-95 bezeichnet wird.
In einem typischen drahtlosen Kommunikationssystem wie zum Beispiel jenem in 1 dargestellten, besitzen einige Basisstationen mehrere Sektoren. Eine Multi-Sektor-Basisstation weist mehrere unabhängige Übertragungs- bzw. Sende- und Empfangsantennen auf, so wie auch unabhängige Verarbeitungsschaltungen. Die hierin erörterten Prinzipien sind in gleicher Weise auf jeden Sektor von einer Multi-Sektor-Basisstation und auf eine unabhängige Basisstation mit einem Sektor anwendbar. Für den Rest dieser Beschreibung kann deshalb angenommen werden, dass der Ausdruck „Basisstation" sich entweder auf einen Sektor einer Multi-Sektor-Basisstation oder einer Basisstation mit einem einzelnen Sektor bezieht.
Bei Systemen, die IS-95 nutzen, nutzen entfernte Einheiten eine gemeinsame Frequenzbandbreite zur Kommunikation mit allen Basisstationen in dem System. Die Nutzung einer gemeinsamen Frequenzbandbreite fügt Flexibilität hinzu und sieht viele Vorteile für das System vor. Zum Beispiel ermöglicht es die Nutzung einer gemeinsamen Frequenzbandbreite einer entfernten Einheit gleichzeitig Kommunikationssignale von mehr als einer Basisstation zu empfangen, sowie auch ein einzelnes Signal zum Empfang durch mehr als eine Basisstation zu übertragen. Die entfernte Einheit unterscheidet zwischen den gleichzeitig empfangenen Signalen von den verschiedenen Basisstationen durch die Nutzung der Spreizspektrum-CDMA-Wellenformeigenschaften. In ähnlicher Art und Weise kann die Basisstation Signale von einer Vielzahl von entfernten Einheiten unterscheiden und separat empfangen.
Verschiedene Verfahren existieren zum Transferieren von Kommunikation mit der entfernten Einheit von einer Basisstation zu einer anderen und zwar durch einen Prozess der als Handoff bzw. Weitergabe oder Übergabe bekannt ist. Handoff kann notwendig sein, falls eine entfernte Einheit, die in dem Abdeckungs- bzw. Versorgungsgebiet einer originalen Basisstation betrieben wird, sich in das Abdeckungsgebiet einer Zielbasisstation bewegt. Ein Verfahren des Handoffs, das bei CDMA-Systemen genutzt wird, wird als „Soft"-Handoff bezeichnet. Durch die Nutzung von Soft-Handoff wird die Kommunikation mit der Zielbasisstation hergestellt, bevor die Kommunikation mit der Originalbasisstation beendet wird. Wenn die entfernte Einheit mit zwei Basisstationen kommuniziert, kreieren sowohl die entfernte Einheit, als auch die Basisstationen ein einzelnes Signal von den mehreren empfangenen Signalen. Durch die Nutzung von Soft-Handoff ist die Kommunikation zwischen der entfernten Einheit und dem Endnutzer ununterbrochen durch den eventuellen Handoff von einer Originalbasisstation zu der Zielbasisstation. U.S. Patentnr. 5,267,261 mit dem Titel „MOBILE STATION ASSISTED SOFT HANDOFF IN A CDMA CELULAR COMMUNICATIONS SYSTEM", das an den Rechteinhaber der vorliegenden Erfindung übertragen worden ist, offenbart ein Verfahren und System zum Vorsehen von Kommunikation mit einer entfernten Einheit durch mehr als eine Basisstation während des Handoff-Prozesses.
In einem drahtlosen System ist das Maximieren der Kapazität des Systems bezüglich der Anzahl von gleichzeitigen Rufen bzw. Anrufen die verwaltet bzw. behandelt werden können extrem wichtig. Systemkapazität in einem Spreizspektrumssystem wird erhöht, falls die an der Basisstation von jeder entfernten Einheit empfangene Leistung derart gesteuert wird, dass jedes Signal an den Basisstationsempfänger mit dem minimalen Pegel ankommt, der erforderlich ist, um die Verbindung beizubehalten. Falls ein durch eine entfernte Einheit übertragenes Signal an den Basisstationsempfänger mit einem Leistungspegel ankommt, der zu niedrig ist, kann das Signal-zu-Interferenz-Verhältnis zu niedrig sein, um eine Kommunikation mit hoher Qualität mit der entfernter Einheit zu ermöglichen. Andererseits falls das Signal der entfernten Einheit mit einem Leistungspegel ankommt, der zu hoch ist, ist die Kommunikation mit dieser speziellen entfernten Einheit akzeptierbar, aber das Signal mit hoher Leistung agiert als Interferenz bzw. Störung gegenüber anderen entfernten Einheiten. Diese exzessive Interferenz kann Kommunikationen mit anderen entfernten Einheiten nachteilig beeinflussen. Im Allgemeinen überträgt somit eine entfernte Einheit, die nahe der Basisstation angeordnet ist, eine relativ niedrige Signalleistung während eine entfernte Einheit, die an der Kante bzw. Grenze des Abdeckungsgebiets angeordnet ist, einen relativ großen Signalpegel überträgt.
Um Kapazität zu erhöhen kann die durch die entfernte Einheit über die Rückwärtsverbindung übertragene Leistung durch jede Basisstation gesteuert werden, über die aktive Kommunikation hergestellt ist (d.h. jede Basisstation mit der sich die entfernte Einheit im Soft-Handoff befindet). Jede Basisstation über die Kommunikation hergestellt ist, misst das empfangene Signal-zu-Rausch-Verhältnis und vergleicht es mit einem gewünschten Einstellpunkt bzw. Sollpunkt. Jede Basisstation erzeugt und sendet periodisch einen Leistungseinstellbefehl an die entfernte Einheit. Die Leistungseinstellbefehle punktieren die Nutzerverkehrsdaten auf dem Vorwärtsverbindungsverkehrskanal.
Der Leistungseinstellbefehl weist die entfernte Einheit an die Leistung mit der sie das Rückwärtsverbindungssignal überträgt entweder zu erhöhen oder zu vermindern. Die entfernte Einheit erhöht ihren Übertragungs- bzw. Sendeleistungspegel nur, falls jede Basisstation eine Erhöhung befiehlt. Auf diese Weise wird die Sendesignalleistung einer entfernten Einheit im Soft-Handoff hauptsächlich durch die Basisstation gesteuert, die ihr Signal mit dem höchsten Signal-zu-Interferenz-Verhältnis empfängt. Ein System zur Leistungssteuerung einer Basisstation und entfernten Einheit ist offenbart in den U.S. Patenten mit den Nummern 5,056,109, 5,265,119, 5,257,283 und 5,267,262.
Die Leistungseinstellbefehle kompensieren den zeitlich variierenden Pfadverlust in dem drahtlosen Kanal. Der Pfadverlust in dem drahtlosen Kanal ist als eine Degradation oder einen Verlust definiert, den ein Signal erfährt, wenn es sich zwischen der entfernten Einheit und der Basisstation bewegt. Der Pfadverlust ist durch zwei separate Phänomene charakterisiert: durchschnittlicher Pfadverlust und Schwund bzw. Fading. In einem typischen drahtlosen System werden die Vorwärtsverbindung und die Rückwärtsverbindung auf verschiedenen Frequenzen betrieben. Nichtsdestotrotz, weil die Vorwärts- und Rückwärtsverbindungen innerhalb des gleichen Frequenzbandes betrieben werden, besteht eine signifikante Korrelation zwischen dem durchschnittlichen Pfadverlust der zwei Verbindungen. Andererseits ist Fading ein unabhängiges Phänomen für die Vorwärts- und Rückwärtsverbindung und variiert schnell als eine Funktion der Zeit, besonders wenn die entfernte Einheit in Bewegung ist oder nahe von sich bewegenden Objekten angeordnet ist.
In der terrestrischen Umgebung wird Mehrwege-Pfad durch Reflexion des Signals von Gegenständen in der Umgebung kreiert, wie zum Beispiel Gebäuden, Bäumen, Autos und Menschen. Falls ein idealer Impuls über einen Mehrwege-Kanal übertragen wird, erscheint das empfangene Signal als ein Strom von Impulsen. Im Allgemeinen ist der terrestrische Kanal ein zeitlich variierender Mehrwege-Kanal aufgrund der relativen Bewegung der Strukturen, die die Mehrwege erzeugen. Falls ein idealer Impuls über einen zeitlich variierenden Mehrwege-Kanal übertragen wird, ändert sich der empfangene Strom von Impulsen bezüglich Zeitversatz, Dämpfung und Phase als eine Funktion der Zeit zu der der ideale Impuls übertragen worden ist.
Die Mehrwege-Charakteristik des Kanals kann zu Signalschwund führen. Schwund ist das Ergebnis der Phasencharakteristika des Mehrwege-Kanals. Ein Schwund hört auf, wenn Mehrwege-Vektoren destruktiv addiert werden, was zu einem empfangenen Signal führt, das kleiner ist als jeder individuelle Vektor. Zum Beispiel, falls eine Sinuswelle durch einen Mehrwege-Kanal übertragen wird, der Zwei-Wege bzw. -Pfade besitzt, wobei der erste Pfad einen Dämpfungsfaktor von X dB, eine Zeitverzögerung von Delta mit einer Phasenverschiebung von zwei Radianten besitzt und der zweite Pfad einen Dämpfungsfaktor von X dB, eine Zeitverzögerung von Delta mit einer Phasenverschiebung von 2 + B Radianten besitzt, würde kein Signal an dem Ausgang des Kanals empfangen werden.
In einem beispielhaften drahtlosen System schätzt jede entfernte Einheit den Pfadverlust der Vorwärtsverbindung basierend auf der Gesamtleistung an dem Eingang der entfernten Einheit. Die Gesamtleistung ist die Summe der Leistung von allen Basisstationen, die auf der gleichen Frequenzzuweisung betrieben werden wie sie durch die entfernte Einheit wahrgenommen wird. Für die Schätzung des durchschnittlichen Vorwärtsverbindungspfadverlustes setzt die entfernte Einheit einen Übertragungsleistungspegel des Rückwärtsverbindungssignals. Wie oben erwähnt, sendet jede Basisstation mit der die entfernte Einheit Kommunikationen hergestellt hat, Leistungseinstellbefehle an die entfernte Einheit, um Differenzen zwischen dem Pfadverlust auf der Vorwärtsverbindung und dem Pfadverlust auf der Rückwärtsverbindung zu kompensieren und zwar für Schwund und für andere Fehlerquellen.
Jede Basisstation in einem System definiert ein Abdeckungsgebiet in dem die Basisstation geeignet ist entfernten Einheiten zu versorgen bzw. zu bedienen. Das Abdeckungsgebiet jeder Basisstation besitzt eine Handoff-Grenze. Eine Handoff-Grenze wird definiert als der physikalische Ort zwischen zwei Basisstationen an dem die Verbindung gleiche Leistungsfähigkeit besitzt, und zwar unabhängig davon ob die entfernte Einheit mit der ersten oder der zweiten Basisstation kommuniziert. Die Leistungsfähigkeit der Rückwärtsverbindung ist eine Funktion, der an dem entsprechenden Basisstationsempfänger wahrgenommenen Interferenz. Aus diesem Grund ist die Stelle der Handoff-Grenze und somit die Größe des Abdeckungsgebiets eine Funktion der an der Basisstation empfangenen Interferenz bzw. Störung. Deshalb wird, wenn alle anderen Bedingungen bzw. Zustände statisch verbleiben, eine Erhöhung der Anzahl von Nutzern, die durch die Basisstation kommunizieren, die effektive Größe des Abdeckungsgebiets einer Basisstation verringern und dazu führen, dass sich die Handoff-Grenze einwärts hin zu der Basisstation bewegt.
Falls eine minimale akzeptable Signalqualität spezifiziert ist, kann eine obere Schranke der Anzahl von gleichzeitigen Nutzern, die über eine Basisstation kommunizieren können berechnet werden. Diese obere Schranke bzw. Grenze wird im Allgemeinen als Pol-Kapazität bezeichnet. Das Verhältnis der aktu ellen Anzahl von Nutzern zur Pol-Kapazität wird definiert als die Auslastung des Systems. Wenn die Anzahl aktueller Nutzer sich der Pol-Kapazität nähert erreicht die Auslastung Eins. Eine Auslastung nahe zu Eins impliziert ein möglicherweise unstabiles Verhalten des Systems. Das unstabile Verhalten kann zu einer degradierten Leistungsfähigkeit führen und zwar bezüglich Sprachqualität, gescheiterter Handoffs und fallengelassener Rufe. Wenn die Auslastung sich Eins nähert schrumpft zusätzlich die Größe des Abdeckungsgebiets der Basisstation, so dass Nutzer an der äußeren Grenze des Abdeckungsgebiets ohne Auslastung nicht mehr fähig sein können ausreichend Leistung zu übertragen, um mit der Basisstation mit einer akzeptablen Signalqualität zu kommunizieren.
Aus diesen Gründen ist es vorteilhaft die Anzahl von Nutzern zu beschränken, die auf das System zugreifen, so dass die Auslastung bzw. Last einen spezifizierten Prozentsatz der Polkapazität nicht übersteigt. Ein Weg um die Auslastung des Systems zu beschränken ist es Zugang zu dem System bzw. Zugriff auf das System zu verweigern, sobald die Auslastung des Systems einen vorherbestimmten Pegel erreicht hat. Zum Beispiel, falls die Auslastung über 70 % der Polkapazität steigt, ist es vorteilhaft Anfragen für zusätzliche Verbindungsveranlassungen bzw. Verbindungsaufbau zu verweigern und es zu unterlassen, Handoff von bestehenden Verbindungen zu akzeptieren.
Um die Auslastung auf der Rückwärtsverbindung auf einen spezifizierten Pegel zu beschränken, ist es nötig, die Auslastung der Rückwärtsverbindung zu messen. Die Auslastung der Rückwärtsverbindung einer Basisstation ist nicht nur eine Funktion der Anzahl von entfernten Einheiten, die innerhalb des Abdeckungsgebietes der Basisstation betrieben werden. Die Auslastung der Rückwärtsverbindung ist auch eine Funktion der Interferenz bzw. Störungen von anderen Quellen. Das Eingangstufenrauschen der Basisstation selbst ist eine signifikante Störungsquelle. Zusätzlich können andere entfernte Einheiten, die auf der gleichen Frequenz innerhalb des Abdeckungsgebiets von benachbarten Basisstationen betrieben werden signifikante Interferenz beitragen.
Ein Mittel durch das die Auslastung der Rückwärtsverbindung gemessen werden kann, ist durch Mitteln des gemessenen Signal-zu-Interferenz-Betriebs-Punktes von allen aktiven Verbindungen innerhalb des Abdeckungsgebiets. Dieser Ansatz besitzt mehrere Nachteile. Die Signal-zu-Intertenz-Betriebs-Statistiken der aktiven Verbindungen liefern eine Indikation der Systemleistungsfähigkeit. Jedoch liefern sie nicht eine Information bezüglich der Menge an Interferenz von entfernten Einheiten, die in dem Abdeckungsgebiet von anderen Basisstationen angeordnet sind. Wenn eine entfernte Einheit sich im Soft-Handoff zwischen zwei oder mehr Basisstationen befindet, ist es zusätzlich wahrscheinlich, dass das aktuelle Signal-zu-Interferenz-Verhältnis mit dem das Rückwärtsverbindungssignal bei irgendeiner Basisstation empfangen wird, signifikant unter dem durch das System bestimmten Einstellpunkt des Signal-zu-Interferenz-Verhältnisses ist, somit fälschlicherweise einen extrem hohen Auslastungspegel anzeigend. Aus diesen Gründen sieht das Messen des durchschnittlichen Signal-zu-Inferenz-Betriebspunktes von allen aktiven Verbindungen innerhalb einer Basisstation nicht ein genaues Maß der Auslastung der Rückwärtsverbindung vor.
Ein zweites und einfaches Mittel zum Bestimmen der Auslastung der Rückwärtsverbindung ist es einfach die Anzahl von aktiven Nutzern in der Basisstation zu zählen. Weil der Pegel an Interferenz von anderen Quellen jedoch signifikant die Auslastung beeinträchtigen kann, sollte es klar sein, dass die Anzahl der Nutzer nicht notwendigerweise eine gute Anzeige der Auslastung der Rückwärtsverbindung darstellt. Zusätzlich verringern die Effekte von Soft-Handoff stark die Korrelation zwischen der Anzahl von aktiven Nutzern und der aktuellen Auslastung an der Basisstation.
Ein drittes Mittel zum Schätzen der Auslastung der Rückwärtsverbindung ist es zu versuchen, die Auslastung der Rückwärtsverbindung basierend auf einer Schätzung der Auslastung der Vorwärtsverbindung abzuleiten. Wie oben erwähnt werden jedoch in einem typischen System die Vorwärts- und Rückwärtsverbindung nicht auf den gleichen Frequenzen betrieben. Deshalb ist die Vorwärtsverbindungsleistungsfähigkeit nicht perfekt mit der Rückwärtsverbindungsleistungsfähigkeit korreliert. Z.B. kann die Interferenz von den Abdeckungsgebieten benachbarter Basisstationen auf der Vorwärtsverbindung anders sein als auf der Rückwärtsverbindung. Zusätzlich, wie oben erwähnt, sind die Effekte von Schwund unabhängig auf den Vorwärts- und Rückwärtsverbindungen.
Falls eines dieser ungenauen Verfahren zum Schätzen der Auslastung der Rückwärtsverbindung genutzt wird, kann das System nicht genau bestimmen, ob die Verbindungsblockierung notwendig ist. Falls Rufe unnötigerweise blockiert werden, wird die Kapazität des Systems unnötigerweise vermindert. Andererseits, falls es der Auslastung erlaubt wird, sich der Polkapazität zu nähern, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit des Fallenlassens einer signifikanten Anzahl von aktiven Verbindungen. Aus diesem Grund ist es wichtig eine genaue Schätzung der Auslastung der Rückwärtsverbindung zu besitzen.
Die Auslastung der Rückwärtsverbindung ist definiert als eine Funktion der gesamten empfangenen Leistung, die an dem Basisstationsempfänger wahrgenommen wird. Die Auslastung der Rückwärtsverbindung X hängt direkt mit der durch die Basisstation empfangenen Gesamtleistung zusammen, und zwar gemäß der folgenden Formel:
wobei:

P_a: die an der Basisstation empfangene aktuelle Leistung ist;
P_n: die empfangene Leistung ohne externe Auslastung ist (d.h. die Leistung aufgrund des thermischen Grundrauschens der Basisstation) und
X: die Auslastung der Rückwärtsverbindung ist, und zwar ausgedrückt als das Verhältnis der aktuellen Auslastung zur Polkapazität.

Oder äquivalent bezüglich X ausgedrückt, nimmt die Gleichung 1 den folgenden Ausdruck an:
Zum Beispiel gibt diese Formel an, dass bei einer 50%igen Auslastung (X = 0,5) die gesamte an der Basisstation empfangene Leistung das doppelte von jener ist, die bei keiner Auslastung bzw. keiner Last empfangen wird.
In Anbetracht der in Gleichung 1 gezeigten Beziehung kann die Auslastung X der aktuellen Basisstation bestimmt werden, basierend auf einem bekannten Leistungspegel ohne Auslastung bzw. ohne Last und einer aktuellen Messung der an der Basisstation empfangenen gesamten Leistung. Man beachte, dass die aktuelle Leistungsmessung mit einer geeigneten Zeitkonstante gefiltert werden muss, und zwar angesichts der Zeitkonstante mit der der Leistungssteuerbetrieb die Übertragungsleistung der entfernten Einheit variiert. Zusätzlich, falls die – Rückwärtsverbindung mit variablen Datenraten bzw. -geschwindigkeiten betrieben wird, die zu ausgeblendeten bzw. unterbrochenen (gated) Übertragungen von der entfernten Einheit führen, muss die aktuelle Leistungsmessung gefiltert werden, um die Effekte der unterbrochenen Übertragungen auf die momentane Leistungsmessung zu mitteln.
Der Dynamikbereich der relativen Leistungsmessung (P_a/P_n) ist in einem typischen System nicht groß. Zum Beispiel, wenn sich die Auslastung X von 0 auf 90% der Polkapazität erhöht, erhöht sich das Verhältnis von (P_a/P_n) von 0 auf 10 Dezibel (db). Typischerweise wird, um eine große Reduktion der Größe des Abdeckungsgebiets einer Basisstation zu vermeiden, die Auslastung X der Basisstation auf ungefähr 60 bis 75 % der Polkapazität beschränkt. Wenn X von 0,6 auf 0,75 zunimmt, nimmt das Verhältnis von (P_a/P_n) ungefähr 4 auf ungefähr 6 dB zu. Um die Auslastung der Rückwärtsverbindung genau zu be schränken, muss deshalb das Verhältnis von (P_a/P_n) mit einem Fehler von weniger als 1 dB gemessen werden.
Während dieser Ansatz unkompliziert zu sein scheint, ist es in der Realität schwer beständig die erforderliche Genauigkeit der relativen Leistungsmessungen zu erreichen. Zum Beispiel ist das genaue Messen des Grundrauschens (P_n) einer Basisstation in einer Betriebsumgebung schwierig. Zusätzlich, selbst wenn eine genaue Messung des Grundrauschens zu einer Zeit durchgeführt werden könnte, ist das Grundrauschen sensitiv gegenüber Verstärkungs- und Rauschzahlvariationen aufgrund von Temperatur, Alterung und anderen Phänomenen und ändert sich somit als eine Funktion der Zeit. Die mit diesem Ansatz erreichten Genauigkeiten bei aktuellen Feldversuchen sind nicht ausreichend, um es zuzulassen, die Gleichung 2 zu nutzen, ohne ein Risiko der signifikanten Über- oder Unterschätzung der aktuellen Auslastung. Als ein Ergebnis wird irgendein Zugangssteueralgorithmus basierend auf Gleichung 2 wahrscheinlich Verbindungen blockieren, wenn keine Blockierung notwendig ist oder Verbindungen zulassen angesichts möglicherweise unstabilen Systemverhaltens.
Aus diesen Gründen gibt es in der Industrie seit langem einen Bedarf für ein Verfahren und eine Vorrichtung zum genauen Schätzen der Auslastung der Rückwärtsverbindung eines Systems.
Aufmerksamkeit wird gelenkt auf WO-A-98 24198, die sich auf ein Verfahren zum Festlegen eines Lastziels in einem Funksystem zieht. In dem Verfahren werden eine gesamte Signalstärke und ein Lastergebnis zunächst gebildet, wobei das Lastergebnis als eine Beziehung zwischen Signal-zu-Interferenz-Verhältnis, Bandbreite und Datenübertragungsrate gebildet wird. Dann wird die Gesamtsignalstärkenänderung mit der Lasterergebnisänderung verglichen und ein derartiges Lastergebnis wird gesucht, bei dem eine höhere Last resultiert, die eine Lastergebnisänderung vorsieht, die niedriger ist als ein vorher bestimmter Schwellenwert im Verhältnis zu der Gesamtsignaländerung und das besagte Lastergebnis wird als ein Lastziel ausgewählt.
Weitere Aufmerksamkeit wird gelenkt auf WO-A-98 24199 das sich auf ein Verfahren zur Laststeuerung und ein Funksystem bezieht. In dem Verfahren wird ein Lastergebnis gebildet, das die Lastzellen spezifisch beschreibt. Das Lastergebnis wird entweder durch Vergleich einer Signalstärke von gewünschten Signalen und einer kombinierten Gesamtstärke von Interferenzen und den gewünschten Signalen oder durch Gewichten eines Signal-zu-Interferenz-Verhältnisses mit einer Bandbreite oder einer Datenübertragungsrate gebildet. Das Lastergebnis wird mit einem Schwellenwert des höchsten Lastpegels, der für eine Zelle zugelassen wird verglichen. Die Datenübertragungsrate in der Zelle wird erhöht, falls das Lastergebnis kleiner als der Schwellenwert ist. Die Datenübertragungsrate in der Zelle wird reduziert und die Herstellung neuer Verbindungen wird vermieden, falls das Lastergebnis den Schwellenwert übersteigt. Bei Situationen mit hoher Last wird ein Signal-zu-Interferenz-Ziel auch geändert, um das Lastergebnis auszugleichen.
Aufmerksamkeit wird auch gelenkt auf Liu et al: „SIR-Based call admission control for DS-CDMA cellular systems", IEEE Journal on Selceted Areas in Communications, Band 12, Ausgabe 4, Mai 1994, Seiten 638-644, New York, USA. In diesem Dokument werden auf Signal-zu-Interferenz-Verhältnis (Signal-to-interterence ratio, SIR) basierende Algorithmen zur Rufzugangssteuerung (call admission control, CAC) vorgeschlagen und in einem zellularen DS-CDMA System untersucht. Restkapazität wird eingeführt als die zusätzliche Anzahl von anfänglichen Rufen, die eine Basisstation akzeptieren kann, so dass für eine systemweite Ausfallwahrscheinlichkeit garantiert werden kann, dass sie unterhalb eines bestimmten Pegels bleibt. Die Restkapazität an jeder Zelle wird dynamisch aktualisiert, gemäß den Rückwärtsverbindungs-SIR-Messungen an der Basisstation. Ein 2^k fakultätexperimentales Design und eine Analyse mittels Computersimulationen wird genutzt, um den Einfluss der Parameter zu studieren, die in den Algorithmen verwendet werden. Der Einfluss dieser Parameter auf Systemperformance, d.h. Blockierungswahrscheinlichkeit und Ausfallwahrscheinlichkeit wird dann mittels Simulation untersucht. Die Leistungsfähigkeit der Algorithmen wird zusammen mit dem eines festen Rufzugangssteuerschemas (festes CAC) verglichen, und zwar sowohl bei homogenen als auch brennpunktmäßigen bzw. Hot Spot Verkehrsauslastung. Die Ergebnisse zeigen, dass das SIR basierte CAC immer das feste CAC leistungsmäßig übertrifft und zwar selbst bei Überlastsituationen was bei zellularen FDMA/TDMA Systemen nicht der Fall ist. Der primäre Vorteil von SIR-basierten CAC in zellularen DS-CDMA Systemen liegt jedoch beim Verbessern der Systemleistungsfähigkeit unter Brennpunktverkehr.
Das Dokument EPA-0 731 622 beschreibt ein Kanalzuweisungssystem das Kanäle verschiedenen Zellen zuweist und zwar durch optimales Aufteilen bzw. Partitionieren der verfügbaren Funkfrequenzen in nicht-überlappende Sätze der optimalen Gruppierung von Co-Nutzer-Zellen und der besten Zuweisung der ersten zu den letzteren. Das Ziel ist die Maximierung von Verkehrsbetriebskapazität die, angesichts der Vielzahl von Zellen, als die Maximierung eines Flaschenhalskapazitätsverhältnisses ausgedrückt wird. Das Kapazitätsverhältnis für eine Zelle ist definiert als das Verhältnis der Anzahl von Funkfrequenzen, die der Zelle zugewiesen sind gegenüber der Anzahl von Funkfrequenzen, die notwendig sind, um Blockierungswahrscheinlichkeitsanforderungen zu erfüllen. Die Lösung um eine optimale nichtreguläre Kanalzuweisung zu erreichen ist in zwei mathematische Programme aufgespaltet, die als ein Hauptprogramm und ein Unterprogramm bezeichnet werden. Diese werden iterativ mit Hilfe einer Kanalsatzerweiterungstechnik gelöst, die zwischen Lösungen des Haupt- und Unterprogramms implementiert ist.
Weitere Aufmerksamkeit wird gelenkt auf US-A-5 455 967 wo ein voreingestellter Empfangsleistungswert derart variiert wird, dass an der Basisstation gemessenes SIR in Übereinstimmung gebracht wird, mit dem Zielwert SIRt. Durch Variieren des voreingestellten Empfangsleistungswerts wird eine Zellenzone der Basisstation variiert, so dass die Anzahl von Mobilstationen, die mit der Basisstation verbunden sind zunimmt oder abnimmt, um dadurch das SIR an jeder Basisstation einander anzunähern. Als ein Ergebnis wird die Abweichung der Kommunikationsqualität eingeschränkt, so dass die Effizienz des Systems verbessert werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren zur Überlastdetektion nach Anspruch 1 eine Vorrichtung, die einen Prozess aufweist, der wenn er ausgeführt wird, das Verfahren durchführt und zwar gemäß Anspruch 6 und ein Vielfachzugriffskommunikationssystem, das einen Prozess aufweist, der wenn er durchgeführt wird, das Verfahren durchführt und zwar nach Anspruch 9, vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Satz von Leistungspegelmessungen eines an der Basisstation empfangenen Signals abgetastet. Ein Moment, wie zum Beispiel die Varianz, wird von dem Satz an Leistungspegelmessungen bestimmt. Von dem Moment wird ein Pegel der Auslastung bestimmt, der in einem Zugangssteuerprozess, Basisstationsatmungsprozess und ähnlichem, verwendet werden kann.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Satz an Leistungspegelmessungen eines an der Basisstation empfangenen Signals abgetastet. Ein Moment, wie zum Beispiel die Varianz, wird aus dem Satz an Leistungspegelmessungen bestimmt. Das Moment wird mit einem Überlastschwellenwert verglichen. Falls das Moment die Überlastschwelle übersteigt, wird ein Überlastzustand detektiert und weitere Verbindungsveranlassungen bzw. Verbindungsbegründungen können abgewiesen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung werden unmittelbar aus der unten angegebenen detaillierten Beschreibung klar werden, wenn man diese Zusammen mit den Zeichnungen betrachtet:
1 ist eine konzeptuelle Zeichnung, die ein beispielhaftes Ausführungsbeispiels eines terrestrischen drahtlosen Kommunikationssystems zeigt.
2A ist eine grafische Darstellung, die die durchschnittliche Empfangsleistung an einer Basisstation als eine Funktion der Zeit zeigt.
2B ist eine grafische Darstellung, die die Standardabweichung der empfangenen Leistung an der Basisstation zeigt.
3 ist ein Blockdiagramm, das ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Systems zeigt, das eine Lastdetektionseinheit aufweist.
4 ist ein Flussdiagramm, das einen beispielhaften Betrieb zeigt, und zwar gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 ist ein Flussdiagramm, das einen beispielhaften Betrieb gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Gleichung 3 drückt die empirische Beziehung der Auslastung eines Systems als eine Funktion der gemessenen Varianz der empfangenen Leistung aus.
wobei:

X die Auslastung der Rückwärtsverbindung ist, und zwar ausgedrückt als das Verhältnis der aktuellen Auslastung zu der Polkapazität;
P_a ist die an der Basisstation empfangene aktuelle Leistung;
var(P_a) ist die Varianz, der an der Basisstation empfangenen aktuellen Leistung; P a ist der Durchschnitt der an der Basisstation empfangenen aktuellen Leistung; und
α ist eine empirische bestimmte Systemkonstante.

Gemäß Gleichung 3 nutzt die Messung der Auslastung nicht nur eine aktuelle Leistungsmessung, sondern auch die Varianz der aktuellen Leistungsmes- Gemäß Gleichung 3 nutzt die Messung der Auslastung nicht nur eine aktuelle Leistungsmessung, sondern auch die Varianz der aktuellen Leistungsmessung und ist weniger abhängig von einer genauen Messung des absoluten Werts, der an der Basisstation empfangenen aktuellen Leistung.
In einem allgemeinen Ausführungsbeispiel ist der Wert von α eine Funktion der geschätzten Charakteristika (d.h. Momente und Signalqualitätseinstellpunkt) von mehreren Kategorien von entfernten Einheiten. α kann eine Funktion der aktuellen oder erwarteten Anzahl oder dem Verhältnis von Nutzern in einer oder mehreren Kategorien sein. In einem kombinierten und zellularen und drahtlosen Zugangsnetzsystem (local loop system), beispielsweise, kann der Wert von α variieren und zwar als eine Funktion des erwarteten Verhältnisses der Anzahl von mobilen entfernten Einheiten zu der Anzahl von ortsfesten entfernten Einheiten. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist α abhängig von der an der Basisstation empfangenen Leistung ohne externe Last bzw. ohne Auslastung (d.h. der Leistung aufgrund des termischen Grundrauschens des Systems). In einem anderen Ausführungsbeispiel ist α abhängig von dem Signalqualitätseinstellpunkt des Systems und zwar ausgedrückt, zum Beispiel bezüglich der Energie pro Bit zu der durchschnittlichen Interferenzleistungsdichte. In noch einem anderen Ausführungsbeispiel ist α abhängig von einer vorhergesagten Standardabweichung einer Signalqualität einer einzelnen entfernten Einheit, wie diese an der Basisstation empfangen wird. Zusätzlich kann α eine Funktion von einem oder mehreren dieser Faktoren sein.
Die empirische Beziehung zwischen der Varianz und der Auslastung wie sie in Gleichung 3 gezeigt ist, ist notwendig aufgrund der Art und Weise, auf die drahtlose Systeme betrieben werden. In einem typischen System wird die Übertragungs- bzw. Sendeleistung von jeder entfernten Einheit gesteuert in einem Versuch die an der Basisstation empfangene Leistung von der entfernten Einheit auf einen vorherbestimmten Pegel einzustellen. Bei einigen Systemen wird der vorherbestimmte Pegel gemessen durch detektieren einer Signalqualität mit der das Signal empfangen wird wie zum Beispiel ein Signal-zu-Interferenz-Verhältnis. Während des Betriebs variiert die an der Basisstation von jeder entfernten Einheit empfangene Leistung im gewissen Masse unterhalb und oberhalb des vorherbestimmten Pegels. Zum Beispiel falls der Pfad von der entfernten Einheit zu der Basisstation einen abrupten und tiefen Schwund erfährt, fällt der Leistungspegel an der Basisstation unter den vorherbestimmten Pegel, und zwar für die Dauer des Schwundes oder bis die Leistungssteuerschleife reagieren kann, um ihn einzustellen. In einem typischen System werden Leistungseinstellbefehle an die entfernte Einheit von der Basisstation 800 mal pro Sekunde gesendet für eine maximale Einstellrate von 800 db/sek. In einer typischen mobilen Umgebung können Schwundereignisse von 30 db innerhalb einer Periode von ungefähr 250 Millisekunden auftreten. In einem betriebenen System hat somit der an der Basisstation von jeder entfernten Einheit empfangene Leistungspegel eine durchschnittliche Leistung, die etwa gleich dem vorherbestimmten Einstellpunkt ist und besitzt eine vorhersagbare Varianz, um die der Leistungspegel von dem Einstellpunkt abweicht. Die Varianz ist eine Funktion der Leistungssteuerschleifenverzögerung. Mehr Verzögerung, die mit der Leistungssteuerschleife assoziiert ist, führt zu einer größeren vorhergesagten Varianz.
Eine IS-95 konforme entfernte Einheit überträgt Daten in Rahmen formatiert. Die Daten innerhalb der Rahmen werden durch einen Vocoder mit variabler Rate oder eine digitale Datenquelle erzeugt. Gemäß IS-95 nehmen die Daten mit variabler Rate eine von vier Raten bzw. Geschwindigkeiten an, und zwar abhängig von der Menge an Nutzerinformation innerhalb des Rahmens. Zum Beispiel, falls ein Audiosignal einfach Hintergrundrauschen ist, werden die Daten mit einem Achtel der vollen Rate bzw. Geschwindigkeit erzeugt. Falls das Audiosignal eine aktive Sprache ist, erhöht sich die Datenrate auf ein Viertel der vollen Rate, eine Hälfte der vollen Rate oder die volle Rate. Eine neue Datenrate kann alle 1,25 Millisekunden (msek) bestimmt werden und somit spricht die Datenrate auf kurzzeitige Audiosignalcharakteristika an. Der Leistungspegel in jedem Rahmen ist proportional zu der Datenrate. Z.B. besitzt ein achtelratiger Datenrahmen ein Achtel der Leistung eines vollratigen Rahmens. Aus diesem Grund ist der an der Basisstation empfangene Leistungspegel von jeder entfernten Einheit eine Funktion der Datenrate mit der die entfernte Einheit überträgt, die wiederum eine Funktion der Charakteristika des Audiosignals ist. Audiosignale, die in Rahmen mit variabler Rate formatiert sind, können charakterisiert werden, als hätten sie eine vorhersagbare durchschnittliche Rate und eine vorhersagbare Varianz, um die durchschnittliche Rate. Es folgt dann, dass der an der Basisstation empfangene Leistungspegel von jeder entfernten Einheit, die in einem Sprachmodus betrieben wird auch charakterisiert werden kann durch einen vorhersagbaren durchschnittlichen Pegel und eine vorhersagbare Varianz um den Durchschnitt.
Zusätzlich wird Interferenz von entfernten Einheiten, die in den Abdeckungsgebieten von benachbarten Basisstationen betrieben werden, auf die gleiche Art und Weise charakterisiert werden, wie die aktiven Nutzer und trägt zu der an der Basisstation empfangenen durchschnittlichen Leistung bei. Weil die an der Basisstation empfangene Leistung als eine Funktion der Zeit variiert, kann sie charakterisiert werden als hätte sie einen durchschnittlichen Pegel und eine Varianz. Die Varianz, die an der Basisstation empfangenen Leistung, ist eine Funktion der entfernten Einheiten, die durch die Basisstation kommunizieren und der Interferenz von entfernten Einheiten, die mit anderen Basisstationen kommunizieren. Auf diese Weise ist die Varianz eine Funktion der Auslastung der Basisstation. Wenn die Auslastung zunimmt, nimmt die Varianz der empfangenen Leistung zu. Hauptsächlich darauf bzw. auf diesem Grundprinzip basiert die vorliegende Erfindung.
Wie oben erwähnt ist das Schätzen der absoluten empfangenen Leistung zum Bestimmen der Systemauslastung schwierig und zwar aufgrund der Genauigkeit mit der die Bestimmung der absoluten Leistung durchgeführt werden muss, um aussagekräftige Ergebnisse vorzusehen. Absolute Leistungsmessungen in der Größenordnung von +/-0,5 db sind erforderlich, aber sind schwierig zu erreichen, und zwar wegen der Abhängigkeit der Messung von der Empfangspfadverstärkung. Die Empfangspfadverstärkung kann um +/-3 db oder mehr variieren und zwar abhängig von Temperatur, Alterung, Toleranzen der Komponenten sowie auch anderen Faktoren. Die genauen Messungen der Kurzzeitvarianz der in dB gemessenen empfangenen Leistung ist gegenüber diesen Faktoren viel weniger sensitiv. Die sich langsam ändernden Empfangspfadverstärkungsvariationen sind effektiv konstante additive Terme, die zu der Kurzzeitvarianz des Empfangsleistungspegels nicht beitragen.
Die Fluktuationen in dem an der Basisstation empfangenen Leistungspegel sind abhängig von den Charakteristika der drahtlosen Verbindung. Zum Beispiel umfassen Charakteristika der drahtlosen Verbindung die die Fluktuationen des Leistungspegels beeinflussen, das Vorhandensein von großen reflektierenden Objekten die die Effekte von Schwund in dem System erhöhen. Eine andere Charakteristik ist das Design des Interface bzw. der Schnittstelle der physikalischen Schicht wie z.B. die Rate bzw. Geschwindigkeit und Verzögerung mit der die Leistungssteuerung betrieben wird, um Fluktuationen des Leistungspegels zu korrigieren. Zusätzlich beeinflusst der Charakter der entfernten Einheit selbst die Fluktuationen des Leistungspegels. Zum Beispiel zeigt eine ortsfeste entfernte Einheit in einem drahtlosen Zugangsnetzsystem einen niedrigeren Pegel an Fluktuationen als eine tragbare entfernte Einheit in einer mobilen Umgebung aufgrund des schnellen Schwunds der durch eine entfernte Einheit in Bewegung erfahren wird. Zusätzlich zeigt ein mobiles System das von nicht stationären bzw. umherziehenden Nutzern dominiert wird, wie z.B. ein drahtloses System das in einem Bürogebäude installiert ist, eine niedrigere Varianz als ein System das von sich schnell bewegenden fahrzeugmontierten Einheiten dominiert wird. Zusätzlich zeigt eine entfernte Einheit, die ein Datensignal überträgt, wahrscheinlich eine niedrigere Varianz als eine entfernte Einheit, die ein Sprachsignal überträgt. Im Allgemeinen sind die Fluktuationen in dem an der Basisstation empfangenen Leistungspegel eine Funktion der Standardabweichung in dem Leistungspegel der an der Basisstation empfangenen Signale, von den verschiedenen entfernten Einheiten, die sie versorgt, sowie auch von den entfernten Einheiten, die Interferenz erzeugen und zwar von innerhalb der Abdeckungsgebiete benachbarter Basisstationen.
2A ist eine grafische Darstellung, die die kurzzeitige mittlere Empfangsleistung (gemittelt über Intervalle von 1 Sekunde) an einer Basisstation als eine Funktion der Zeit zeigt. Die vertikale Achse ist der empfangene Leistungspegel in Dezibel bezogen auf ein Milliwatt (dBm) und die horizontale Achse ist die Zeit in Sekunden. Vier unterschiedliche Lastpegel sind in 2A abgebildet. Kurven 70, 72, 74 und 76 entsprechen einer Verbindung mit einer entfernten Einheit, 7 Verbindungen mit entfernten Einheiten, 10 Verbindungen mit entfernten Einheiten und 16 Verbindungen mit entfernten Einheiten. Man beachte, dass sich der Leistungspegel als eine Funktion der Zeit ändert und zwar aufgrund von Sprachaktivität, Schwund, Leistungssteuerung sowie auch anderen Faktoren.
2B ist eine grafische Darstellung, die die Standardabweichung der an der Basisstation empfangenen Leistung zeigt und zwar über die gleiche Zeitperiode wie sie in 2A gezeigt ist. Die vertikale Achse ist die Standardabweichung des Empfangsleistungspegels in Einheiten von Dezibel (dB) und die horizontale Achse ist die Zeit in Sekunden. Die gleichen vier Lastpegel sind abgebildet wie in 2A und Kurven 80, 82, 85 und 86 entsprechen einer Verbindung mit einer entfernten Einheit, 7 Verbindungen mit entfernten Einheiten, 10 Verbindungen mit entfernten Einheiten und 16 Verbindungen mit entfernten Einheiten. Man beachte, dass der durchschnittliche Wert der Standardabweichung zunimmt und zwar mit der zunehmenden Anzahl von Verbindungen mit entfernten Einheiten.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Auslastung wie oben angegeben berechnet werden und kann verwendet werden, um eine oder mehrere Funktionen der Basisstation zu steuern. Zum Beispiel kann die vorhergesagte Auslastung genutzt werden, um den Signalqualitätseinstellpunkt an der Basisstation zu beeinflussen. Die vorhergesagte Auslastung kann auch genutzt werden, um den Betrieb des Leistungssteuermechanismus zu beeinflussen. Die vorhergesagte Auslastung kann auch in einem Basisstationsatmungsmechanismus genutzt werden, wie zum Beispiel dem der offenbart ist in dem U.S. Patent Nr. 5,548,812 mit dem Titel „METHOD AND APPARATUS FOR BALANCING THE FORWARD LINK HANDOFF BOUNDARY TO THE REVERESE LINK HANDOFF BOUNDARY IN A CELLULAR COMMUNICATION SYSTEM".
Zusätzlich kann die Auslastung auch in einem Datenratensteueralgorithmus genutzt werden, der genutzt wird um die Rate zu beschränken, mit der entfernte Einheiten mit variabler Rate Daten übertragen können.
3 ist ein Blockdiagramm, das ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Systems zeigt, das eine Lastdetektionseinheit einbezieht. Das System in 3 ist der Empfänger in einer Basisstation eines drahtlosen Kommunikationssystems. Eine Antenne 20 empfängt die hochfrequenten drahtlosen Verbindungssignale. Die Antenne 20 leitet die Funksignale an einen rauscharmen Verstärker 22. Der rauscharme Verstärker 22 verstärkt den empfangenen Signalpegel auf einen brauchbaren Pegel. Typischerweise sind die Antenne 20 und der rauscharme Verstärker 22 nahe zueinander angeordnet und zwar an einer Stelle die es der Antenne 20 erlaubt Signale innerhalb des gewünschten Abdeckungsgebiets zu empfangen. Die restlichen Elemente der Basisstation sind oft in einiger Entfernung von der Antenne 20 und dem rauscharmen Verstärker 22 angeordnet. Z.B. kann in einem zellularem System die Antenne 20 und der rauscharme Verstärker 22 oben auf einem Gebäude befestigt sein, das den Rest der Basisstationsschaltkreise aufnimmt. Der rauscharme Verstärker 22 kann mit dem Rest der Basisstationsschaltkreise durch ein längeres Kabel verbunden sein, wie es durch einen Verkabelungsverlustblock 24 in 3 dargestellt ist. Innerhalb der Basisstationsschaltkreise konvertiert ein Mischer 26 das HF-Signal zu einer Basisband- oder Zwischenfrequenz. Eine Basisband- oder Demodulationseinheit 28 empfängt die Ausgabe des Mischers 26 und erzeugt Datentastungen bzw. -abtastungen. Ein Systemcontroller 30 empfängt die Datentastungen und führt eine Vielzahl von Funktionen durch. Z.B. kann der Systemcontroller 30 den Leistungssteuereinstellbefehl zur Übertragung an die entfernten Einheiten berechnen und zwar basierend auf der demodulierten Information und dem Signalqualitätseinstellpunkt.
Mindestens ein Teil der von dem Mischer 26 ausgegebenen Energie wird an einen Detektor 34 geleitet. Der Detektor 34 kann eine analoge oder digitale Einheit sein, die die momentan bzw. unmittelbar an der Basisstation empfangene Leistung schätzt. Zum Beispiel kann der Detektor 34 den Leistungspegel 64 mal pro Sekunde abtasten. Die Ausgabe des Detektors 34 wird an eine Lastdetektionseinheit 36 geleitet. In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird der Leistungspegel mit Bezug auf die Datentastungen bestimmt.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird die Funktion des Detektors 34 durch eine Empfangssignalstärkenindikatorschaltung ausgeführt. Die Empfangssignalstärkenindikatorschaltung erzeugt Tastungen, die abgeleitet sind von dem automatischen Verstärkungssteuerpegel der zum Einstellen bzw. Festlegen der Verstärkung des Empfängers genutzt wird, und zwar ansprechend auf die empfangene Signalstärke.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Lastdetektionseinheit 36 einen Prozess auf, der die empfangene Kurzzeitleistung und ein Moment höherer Ordnung der Leistung bestimmt. In einem Beispiel nutzt der Prozess jede der von dem Detektor 34 empfangenen Messungen und zwar über die Periode von einer Sekunde um einen mittleren Kurzzeitleistungspegel und eine -Varianz zu bestimmen. Zusätzlich weist in einem Ausführungsbeispiel die Lastdetektionseinheit 36 einen Prozess auf, der ein Verhältnis einer aktuellen Auslastung zu einer vorherbestimmten Kapazität bestimmt und zwar ansprechend auf das Moment und die durchschnittliche Leistung. In einem Ausführungsbeispiel weist die Lastdetektionseinheit 36 einen Prozess auf, der die in Gleichung 3 angegebene Berechnung durchführt, um den geschätzten Systemauslastungspegel zu bestimmen.
In einem Ausführungsbeispiel nutzt der Systemcontroller 30 den berechneten Wert der Auslastung um einen Zugangssteueralgorithmus zu implementieren, der die Anzahl der Systemnutzer reguliert. Eine Vielzahl von Zugangssteueralgorithmen kann zusammen mit der Erfindung genutzt werden. In einem Beispiel weist der Systemcontroller 30 alle neuen Verbindungsveranlassungen ab, falls die Systemauslastung eine Überlastschwelle für mehr als fünf Sekunden überschritten hat. Alternativ weist der Systemcontroller 30 alle neuen Verbindungen ab, einschließlich jene die durch Soft-Handoff-Anfragen erzeugt werden, und zwar falls die Systemauslastung eine Überlastschwelle für mehr als zehn Sekunden übersteigt. In einem Ausführungsbeispiel weist der Algorithmus eine Hysterese auf, und zwar derart, dass sobald die Auslastung eine vorherbestimmte Schwelle überschritten hat, Verbindungsveranlassungen abgewiesen bzw. zurückgewiesen werden, bis die Auslastung für eine bestimmte Zeitperiode unter die Überlastschwelle (oder eine andere Schwelle) fällt. Zum Beispiel werden die Verbindungsveranlassungen weiterhin abgewiesen bis die Systemauslastung für drei oder mehr Sekunden unter die Überlastschwelle fällt.
4 ist ein Flussdiagramm das einen beispielhaften Betrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Der Prozess beginnt in einem Startblock 50. Der Fluss geht weiter zum Block 52 in dem ein Satz von aktuellen Leistungsmessungen an der Basisstation empfangen wird. Zum Beispiel kann der Detektor 34 aktuelle Leistungsmessungen pro Sekunde in Einheiten von dBm erzeugen und diese dann an die Lastdetektionseinheit 36 leiten. In Block 54 wird das kurzzeitige dB-Mittel des Satzes von aktuellen Leistungsmessungen bestimmt. In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der 3 weist die Lastdetektionseinheit 36 einen Prozess auf, der die Berechnung des Blocks 54 durchführt. Im Block 56 wird die db-Varianz des Satzes mit Leistungsmessungen bestimmt. Per Definition wird die Varianz durch Summieren des Quadrates der Differenz zwischen dem kurzzeitigen Mittel in dB der Leistungsmessung und jeder der aktuellen Leistungsmessungen in dB bestimmt. In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der 3 weist die Lastdetektionseinheit 36 einen Prozess auf, der die im Block 56 gezeigte Berechnung durchführt. Im Block 58 wird die vorhergesagte Auslastung gemäß der Gleichung 3 berechnet. In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der 3 wird die Berechnung im Block 58 durch eine Prozess innerhalb der Lastdetektionseinheit 36 durchgeführt und zwar basierend auf einen Wert von " der durch eine Verarbeitungseinheit innerhalb des Systemcontrollers 30 bestimmt wird.
In 4 definieren Blöcke 60, 62 und 64 einen sehr einfachen Zugangssteueralgorithmus. In dem in 3 gezeigten beispielhaften Ausführungsbeispiel werden die Funktionen der Blöcke 60, 62 und 64 durch eine Verarbeitungs einheit innerhalb des Systemcontrollers 30 durchgeführt. Der Block 60 bestimmt, ob die vorhergesagte Auslastung eine vorherbestimmte Schwelle übersteigt. Falls dem so ist, geht der Fluss bzw. Ablauf weiter zu dem Block 62 in dem ein Verbindungsabweisungsregister auf eins gesetzt wird, um anzuzeigen, dass irgendwelche neuen Verbindungen abgewiesen werden sollten. Falls die vorhergesagte Auslastung die vorherbestimmte Schwelle in dem Block 60 nicht übersteigt, wird das Verbindungsabweisungsregister in dem Block 64 auf Null gesetzt um anzuzeigen, dass Verbindungsveranlassungen akzeptiert werden sollten. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel geht der Ablauf zurück zu dem Block 52.
In einem anderen Ausführungsbeispiel weist die Erfindung einen Überlastdetektionsmechanismus auf, der einen Überlastzustand detektiert und zwar basierend auf einem Wert eines Momentes des Leistungspegels, der an der Basisstation empfangen wird. In diesem Ausführungsbeispiel muss die geschätzte Auslastung gemäß Gleichung 3 nicht berechnet werden, und spart somit Verarbeitungsleistung ein.
Die Erfindung kann in einem System verkörpert sein, dass dem in 3 gezeigten ähnlich ist. In diesem alternativen Ausführungsbeispiel wird die Lastdetektionseinheit 36 durch eine Überlastdetektionseinheit ersetzt. Die Überlastdetektionseinheit weist einen Prozess auf, der aus den Leistungspegeltastungen ein Moment, wie zum Beispiel die Varianz, bestimmt. Die Überlastdetektionseinheit weist auch einen Prozess auf, der einen Überlastzustand unter Verwendung des Momentes bestimmt wie zum Beispiel durch Aufweisen eines Prozesses der das Moment mit einer Schwelle vergleicht. Falls der Wert des Momentes die Schwelle übersteigt, wird festgestellt, dass das System an einem potentiell instabilen Punkt betrieben wird und, in einem Ausführungsbeispiel, zukünftige Verbindungsveranlassungen abgewiesen werden. Falls der Wert des Momentes unter die Schwelle fällt werden neue Verbindungsveranlassungen wieder akzeptiert. Das System kann eine Hysterese verwenden um die Konsistenz bzw. Stetigkeit der Überlastbestimmung zu erhöhen.
Der Schwellenwert kann empirisch entwickelt werden. Im Speziellen kann der Schwellenwert von den Charakteristika der drahtlosen Verbindung abhängen, die die Fluktuationen des Leistungspegels beeinflussen wie zum Beispiel die Präsenz von großen reflektierenden Objekten, die die Effekte von Schwund im System erhöhen, das Design des Interfaces der physikalischen Schicht wie zum Beispiel die Rate mit der die Leistungssteuerung betrieben wird zum Korrigieren von Leistungspegelfluktuationen und die Mobilität der entfernten Einheiten. In einem Ausführungsbeispiel spricht der Schwellenwert an, auf eine vorhergesagte oder aktuelle Charakterisierung der entfernten Einheiten, die das System nutzen. In einem Ausführungsbeispiel weist die Überlastdetektionseinheit einen Prozess auf, der bestimmt ob eine Verbindungsveranlassungsanfrage ansprechend auf den besagten Überlastzustand zu akzeptieren oder zu verweigern ist.
5 ist ein Flussdiagramm das einen beispielhaften Betrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, bei dem die Varianz zum Bestimmen eines Überlastzustands genutzt wird. Der Prozess beginnt in einem Startblock 90. Der Ablauf geht weiter zum Block 92, in dem ein Satz von aktuellen Leistungsmessungen empfangen wird. Im Block 56 wird die Varianz des Satzes mit Leistungsmessungen bestimmt. Per Definition wird die Varianz bestimmt durch Summieren des Quadrates der Differenz zwischen der durchschnittlichen Leistungsmessung und jeder der aktuellen Leistungsmessungen.
Block 96 bestimmt, ob das Verbindungsablehnungsregister aktuell auf Eins gesetzt ist. Wenn das Verbindungsablehnungsregister auf Eins gesetzt ist, werden keine neue Verbindungseinordnungen bzw. -veranlassungen zugelassen. Wenn das Verbindungsablehnungsregister auf Null zurückgesetzt wird, werden neue Verbindungsveranlassungen zugelassen. Falls das Verbindungsablehnungsregister gleich Null gesetzt ist, geht der Ablauf weiter im Block 98. Der Block 98 bestimmt, ob die Varianz größer als ein vorherbestimmter Schwellenwert ist. Falls nicht geht der Ablauf zurück zum Block 92. Falls dem so ist, wird der in dem Überlastregister gespeicherte Wert um Eins erhöht, und zwar im Block 100. Im Block 102 wird der Wert in dem stabilen Register auf Null zurückgesetzt. Block 104 bestimmt, ob der Wert in dem Überlastregister Fünf übersteigt. Falls nicht, geht der Ablauf im Block 92 weiter. Falls dem so ist, wird das System erachtet als näherte es sich instabilen Betriebszuständen und das Verbindungsablehnungsregister wird im Block 106 auf Eins gesetzt. Der Ablauf geht weiter im Block 92. Während das System Verbindungseinordnungen akzeptiert, falls die Varianz eine Schwelle für fünf aufeinanderfolgende Berechnungen überschreitet, detektiert das System auf diese Weise einen Überlastzustand und setzt das Verbindungsablehnungsregister auf Eins.
Wieder zurückkehrend zu Block 96, falls das Verbindungsablehnungsregister gleich Eins gesetzt ist, geht der Ablauf weiter im Block 108. Der Block 108 bestimmt ob die Varianz weniger als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, der, in einem Ausführungsbeispiel der gleiche Wert ist, wie der in Block 98 genutzte. Falls nicht, geht der Ablauf weiter zurück zu Block 92. Falls dem so ist, wird der in dem stabilen Register gespeicherte Wert um Eins erhöht und zwar im Block 110. Im Block 112 wird der Wert in dem Überlastregister zurück auf Null gesetzt. Block 114 bestimmt ob der Wert in dem Stabilitätsregister Drei übersteigt. Falls nicht, geht der Ablauf weiter im Block 92. Falls schon, wird das System erachtet als hätte es sich aus den instabilen Betriebszuständen herausbewegt und das Verbindungsablehnungsregister wird auf Null zurückgesetzt und zwar im Block 116. Der Ablauf geht weiter im Block 92.
Zum Beispiel kann die Leistungsdetektion oder die Empfangssignalstärkenindikationsmessung bei der Funkfrequenz bzw. Hochfrequenz (HF) bei der Zwischenfrequenz (intermediate frequency, IF) oder in Basisband erfolgen. Die Berechnung der durchschnittlichen Leistungsmessung kann ergänzt oder ersetzt werden durch ein analoges oder digitales Tiefpassfilter. Sogar, obwohl die Erfindung oben in Bezug auf ein zellulares System beschrieben worden ist, das eine Vielzahl von Basisstationen aufweist, kann die Erfindung in einer Vielzahl von Systemen implementiert werden, wobei eine Vielzahl von Nutzern um einen Zugang zu bzw. Zugriff auf eine endliche Ressource konkurrieren.
Es gibt mehrere Variationen der Gleichung 3, die einem Fachmann unmittelbar klar sein werden. Zum Beispiel können in Gleichung 3 die Systemleistungsfähigkeitseinstellpunkte ein Signal-zu-Interferenz-Verhältnis sein, bezüglich der Energie pro Bit zu der durchschnittlichen Interferenzleistungsdichte. Das Verbindungsablehnungsregister kann alle neuen Rufveranlassungen, Handoff-Anfragen oder beides verwalten.
Die Erfindung und der Prozess der die Erfindung aufweist, können in einer Vielzahl von Medien implementiert werden, und zwar einschließlich anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise (application-specific integrated circuits, ASIC), Software, die auf einen digitalen Signalprozessor abläuft, einer programmierten Speichereinrichtung oder anderer derartiger Medien.
Die Erfindung kann in anderen spezifischen Formen verkörpert sein, ohne von ihrem Umfang gemäß den angehängten Ansprüchen abzuweichen. Das beschriebene Ausführungsbeispiel soll in jeder Hinsicht nur als illustrativ und nicht als restriktiv erachtet werden, und der Umfang der Erfindung wird deshalb eher durch die angehängten Ansprüche angegeben als durch die vorhergehende Beschreibung.

Claims

Ein Verfahren zur Überlastdetektion in einem Mehrfachzugriffskommunikationssystem, das die folgenden Schritte aufweist: Zusammentragen (52, 92) einer Vielzahl von Leistungsmessungen von einem empfangenen Signal, das ein oder mehrere Signale von Systemnutzern und Interferenz aufweist; Bestimmen (54) einer durchschnittlichen Leistung in einer Vielzahl von Leistungsmessungen; Bestimmen (56, 94) eines Momentes von der genannten Vielzahl von Leistungsmessungen; wobei das genannte Moment eine Varianz ist und Bestimmen (60; 98, 104, 108, 114) eines Überlastzustandes als ein Verhältnis einer aktuellen Belastung bzw. Last zu einer vorherbestimmten Kapazität ansprechend auf das genannte Moment und die genannte durchschnittliche Leistung; Bestimmen (62, 64, 106, 116), ob eine Verbindungsveranlassungsnachricht bzw. Verbindungsbegründungsnachricht zu akzeptieren oder Zurückzuweisen bzw. Abzulehnen ist, und zwar ansprechend auf den genannten Überlastzustand.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der genannte Schritt des Bestimmens des genannten Überlastzustandes den Schritt des Vergleichens (60) des genannten Moments mit einem Schwellenwert aufweist, und wobei der genannte Schwellenwert anspricht auf eine vorhergesagte Charakterisierung der genannten Systemnutzer.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der genannte Schritt des Bestimmens des genannten Überlastzustandes den Schritt des Vergleichens (60) des genannten Moments mit einem Schwellenwert aufweist, und wobei der genannte Schwellenwert anspricht auf eine aktuelle Charakterisierung der genannten Systemnutzer.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannte Verbindungsveranlassung eine Neu-Anruf-Veranlassung bzw. -Begründung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannte Verbindungsveranlassung eine Handoff- bzw. Weitergabeanfrage ist.
Eine Vorrichtung (34, 36) zum Detektieren von Überlast in einem Mehrfachzugriffskommunikationssystem, die folgendes aufweist: Mittel (34) zum Zusammentragen (52, 92) einer Vielzahl von Leistungsmessungen von einem empfangenen Signal, das ein oder mehrere Signale von Systemnutzern und Interferenz aufweist; Mittel (36) zum Bestimmen (54) einer durchschnittlichen Leistung in einer Vielzahl von Leistungsmessungen; Mittel (36) zum Bestimmen eines Moments von einer Vielzahl von Leistungsmessungen von einem empfangenen Signal das eine oder mehrere Signale von einer oder mehrerer entfernten Einheiten aufweist; wobei das genannte Moment eine Varianz ist, und Mittel (30) zum Bestimmen eines Überlastzustands als ein Verhältnis einer aktuellen Last bzw. Beladung zu einer vorherbestimmten Kapazität ansprechend auf das genannte Moment und die genannte durchschnittliche Leistung; Mittel (30) zum Bestimmen (62, 64, 106, 116) ob eine Verbindungsveranlassungsanfrage bzw. Verbindungsbegründungsanfrage zu akzeptieren oder zurückzuweisen bzw. zu verneinen ist und zwar ansprechend auf den genannten Überlastzustand.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die genannten Mittel zum Bestimmen des genannten Überlastzustands ferner die Mittel zum Vergleichen des genannten Moments mit einem Schwellenwert aufweisen, und wobei der genannte Schwellenwert anspricht auf eine vorhergesagte Charakterisierung der genannten Systemnutzer.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die genannten Mittel zum Bestimmen eines Überlastzustandes die Mittel zum Vergleichen des genannten Moments mit einem Schwellenwert aufweisen und wobei der genannte Schwellenwert anspricht auf eine aktuelle Charakterisierung der genannten Systemnutzer.
Ein Mehrfachzugriffskommunikationssystem das folgendes aufweist: Mittel (34) zum Zusammentragen (52, 92) einer Vielzahl von Leistungsmessungen von einem empfangenen Signal, das eine oder mehrere Signale von Systemnutzern und Interferenz aufweist; Mittel (36) zum Bestimmen einer durchschnittlichen Leistung in einer Vielzahl von Leistungsmessungen von einem Signal das Signale von einer Vielzahl von Nutzern aufweist; Mittel (36) zum Bestimmen eines Moments von der genannten Vielzahl von Leistungsmessungen; wobei das genannte Moment eine Varianz ist, und Mittel (36) zum Bestimmen eines Verhältnisses einer aktuellen Last bzw. Beladung zu einer vorherbestimmten Kapazität ansprechend auf das genannte Moment und die genannte durchschnittliche Leistung; Mittel (30) zum Bestimmen, ob eine Verbindungsveranlassungsanfrage bzw. Verbindungsbegründungsanfrage zu akzeptieren oder zu versagen bzw. zurückzuweisen ist, und zwar ansprechend auf das genannte Verhältnis.
Mehrfachzugriffskommunikationssystem nach Anspruch 9, wobei das genannte Verhältnis gleich ist zu
var(P_a) ist das genannte Moment; P a ist die genannte durchschnittliche Leistung; und α ist eine Systemkonstante.
Mehrfachzugriffskommunikationssystem nach Anspruch 10, wobei α abhängig ist von einer vorhergesagten Standardabweichung von einem einzelnen Signal der genannten Signale von der genannten Vielzahl von Nutzern und abhängig ist von einem Signalqualitätssollpunkt und wobei der genannte Signalqualitätssollpunkt ein Zielsignal zu Interferenzverhältnis ist, bei dem jedes der genannten Signale von einer Vielzahl von Nutzern empfangen wird.
Mehrfachzugriffskommunikationssystem nach Anspruch 10, wobei der Wert der genannten Systemkonstante abhängt von einer vorhergesagten Charakterisierung der genannten Vielzahl von Nutzern.
Mehrfachzugriffskommunikationssystem nach Anspruch 10, wobei der Wert der genannten Systemkonstante abhängt von einer aktuellen Charakterisierung der genannten Vielzahl von Nutzern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das genannte Verhältnis gleich ist zu
var(P_a) ist das genannte Moment; das gleich einer Varianz der genannten Vielzahl von Leistungsmessungen ist; P a ist die genannte durchschnittliche Leistung; α ist eine Systemkonstante.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die genannte Systemkonstante abhängig ist von einer vorhergesagten Standardabweichung eines einzelnen Signals von dem genannten einen oder mehreren Signalen und abhängig ist von einem Signalqualitätssollpunkt, und wobei der genannte Signalqualitätssollpunkt ein Zielsignal-zu-Interferenz-Verhältnis ist bei dem das genannte eine oder mehrere Signale von den Systemnutzern empfangen wird.