TWI266499B - Method and system for computing the optimal slot to cell assignment in cellular systems employing time division duplex - Google Patents

Description

1266499 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於無線通訊。更明確地，本發明係有關於運用 分時多工（TDD)來分隔基地台對行動電話、與行動電話對基地台 通訊的第三代（3G)行電電話系統。 【先前技術】 無線分時行動電話系統通常係將時間軸劃分成稱爲時間幀 (frame)的相等持續時間。該系統係運用TDD方案而將時間幀劃分 成有限個（Ντ)稱爲槽的相等持續時間，且允許一胞元使用某些或 所有槽來作上行線路（行動電話對基地台）或下行線路（基地台對 行動電話）傳輸。一胞元之槽分派係定義該胞元應如何使用每一 槽。一胞元係由三種可能的方式來使用一槽：1)上行線路傳輸； 2)下行線路傳輸；或3)未使用任何槽。 可由該系統來改變一胞元之槽分派，以調整適應電信話務之 需求。譬如，當下行線路電信話務量增加而上行線路電信話務減 少時，該系統可將某一槽之分派由上行線路更改成下行線路。此 外，一系統之不同胞元通常不需具有相同的槽分派。倘若在一地 理區域中之電信話務特徵與其他區域者不同時，則涵蓋該等區域 之胞元將具有不同的分派，以最佳化地調整適應局部區域的電信 話務狀態。 一胞元c之時間槽分派Α。係由一組Ντ値代表，其中時間槽 分派之第s個値（Am)係代表使用該胞元中之第s個槽。用於上行 線路與下行線路傳輸之槽數量，係分別以#丨與表示。 第一圖係顯示位在同一鄰近地區中之兩胞元的衝突槽分 派。一第一胞元10具有一時間幀12，其中包括複數個時間槽Nm 1266499 至Nat。該等時間槽係用於上行線路或下行線路通訊、或著完全 不使用。在本範例中係假設時間槽Na3可用於一行動電話單元18 與基地台11之間的上行線路通訊。包括有一第二基地台20之一 第二胞元14係極接近第一胞元10。該胞元係使用一第二時間幀 15來通訊，其中該幀包括複數個時間槽NB1至Nbt。在該第二胞 元中，該等槽亦用於上行線路或下行線路通訊、或著完全不使 用。在本範例中係假設時間槽NB3可用於下行線路通訊。由於胞 元互相接近，因此第二胞元10極可能對第一胞元10基地台11 與行動電話單元18之間的通訊造成干擾，而這將造成系統服務降 級（基地台對基地台干擾型態）。根據就胞元之間路徑損失（path loss)而論的隔離等級，可能或不可能接受該降級。第一胞元10 必須將行動電話單元18分派予另一槽，且將該槽標記爲該胞元中 無法使用之一上行線路槽，如此將減少系統之容量。 亦可能分派互相極爲接近之行動電話上行線路與下行線路 槽，而發生行動電話對行動電話干擾之型態。然而，行動電話對 行動電話之干擾遠較基地台對基地台之干擾更無法預期，且可藉 由一脫逃機制而得以減輕其影響，其中該機制係將使用者碼重新 分派至干擾較不嚴重之另一時間槽。 因此，重要地係藉由考慮調整適應局部區域的電信話務變 動、與避免因相鄰胞元間之不同時間分派所造成之干擾等兩者的 衝突需求，來對每一胞元決定最佳之槽分派。當相鄰胞元未相互 連結地利用互相相對的槽分派時，將發生「交錯槽（crossed slot)」。 第一胞元可使用一槽分派來實施上行線路通訊，且另一胞元將可 使用相同之槽分派來實施下行線路通訊。如此將造成，某一胞元 之下行線路傳輸可能干擾另一胞元之上行線路接收。因此，亟需 一種系統，其可考慮相鄰胞元之時間槽分派且有效率地調和時間 1266499 槽分派，以提升總體效能及每一胞元之作動。 【發明内容】 本發明係一種可在任何兩胞元之間提供最大數量之交錯 槽，以將上行線路及下行線路槽數量最佳化之系統及方法。本發 明係藉由考慮a)避免基地台對基地台或行動電話對行動電話干 擾；與b)使每一胞元之槽分派儘可能密切地配合局部區域電信話 務狀態等兩者之間的妥協，而在任何兩胞元之間決定最大數量之 交錯槽，且有效率地對一系統之每一包元中的每一槽分派上行線 路或下行線路的一方向。本發明係依據傳輸功率需求，而將使用 者分派予槽，以在同一地理區域中之兩胞元之間允許衝突的槽對 胞元分派。 【實施方式】 以下將參考圖式來說明本發明，其中全文中皆以相同之參考 代碼來代表相同之元件。 本發明係考慮以下兩假定。第一，當兩胞元之相互路徑損失 隔離增大時，該兩胞元之間的交錯槽最大數量將增多，或相反 地，當該隔離減小時，可容忍之交錯槽數量將減少。第二，爲了 一胞元挑選一特殊之槽分派所造成之成本，應爲因該槽分派挑選 而導致無法服務（即阻塞或延遲）之電信話務的函數。 熟於此項技藝之人士應可了解到，較大隔離之胞元將可提供 一較大量之交錯槽。「隔離」一詞係關於基地台對基地台干擾之 兩基地台之間路徑損失的一統稱。其亦指一度量，其係關聯於， 分別連結兩胞元之兩行動電話的任何成對之可能位置之間的路 徑損失分佈（相關於行動電話對行動電話之千擾）。在後者中，該 度®可爲該分佈的百分之一等級。 1266499 倘若兩胞元之間具有一非常大之隔離，則該等胞元將可獨立 自主地選擇其槽分派。在這種情況下，基地台對基地台、行動電 話對行動電話之干擾顯然較不顯著。在另一極端中，幾乎設於同 一位置處之胞元將甚至無法提供單一對交錯槽。如此產生之基地 台對基地台干擾之量將妨礙通訊、或無法以該等槽實施任何通 訊。 然而，本發明最優地可實施至落於兩極端之間的情形，其中 可藉由運用新穎之無線電資源管理（RRM)技術而允許有限數量之 交錯槽。與其所服務之節點B相接近的無線傳輸接收單元 (WTRU)，將優先地分派予交錯槽，而使行動電話對行動電話干擾 之可能性最小化。 可忍受之最大數量交錯槽係眾多因數之函數，該等因數包 括、但不限於環繞著節點B之使用者地理環境、WTRU之移動性、 及RRM效能。兩胞元（cl與c2)之間的交錯槽最大數量係由（Xdw) 代表。本發明係假設，介於任何成對胞元之間的交錯槽最大數量 係屬已知。實際上，操作者可藉由考慮胞元（cl與c2)之隔離程度， 來決定一適當之（Xd，4値。本發明亦解說一種可能之系統化方 法，其可用於決定（Xdw)。 用於一胞元之一槽分派（Fc)的實際成本，可依據因目前槽分 派以致無法服務之電信話務量來定義。倘若因缺乏電信話務而使 槽未使用，則將與如何分派一槽無關。亦可藉由因在一胞元（c)中 挑選特殊之槽分派而造成阻礙或延遲的一電信話務，來表達成本 函數。 成本函數與交錯數量兩者係密切相關。亟希望使總成本函數 F最小化，其中總成本函數係每一胞元之各別成本函數Fc的總 和。倘若可互相獨立地調整每一胞元之槽分派，則由於每一胞元 1266499 之上行線路/下行線路槽的數量恰好可配合電信話務特徵，因此該 槽分派將爲一簡易的工作。不幸地，該等胞元並非互相隔離，且 必須考慮胞元隔離。當在兩胞元之間利用愈多的衝突槽分派時， 隔離不足將造成該等胞元互相干擾，倘若胞元cl與c2之間存在 超過一個交錯槽（即Xd^>l)時，則無法忍受這種干擾。是以，交 錯槽之最大數量係代表，當欲尋求可使成本函數F最小化之最佳 化方案時，所必須考慮的一限制。 實現本發明時必須已知以下各數値：1)系統中之胞元數量 (Me) ; 2) — TDD幀中可用於電信話務的槽數量（Nt) ; 3) —胞元中 可用於電信話務之上行線路槽最小與最大數量（分別爲與 #二）；及（4)一胞元中可用於電信話務之下行線路槽最小與最大數 量（分別爲與。接著，必須對每一對胞元（Cl，c2)，決定系 統可忍受之交錯槽最大數量。這可藉由不同之方式達成：1) 譬如在一粗略方式中，當胞元cl與c2互相相對地較「接近」時， 手動設定Χαμ = 0，且當cl與c2互相遠離時，設定X〜e2=Nt ; 2) 對於一系統化方式，將在以下第34段中說明；及3) —「手動調 整」，其中操作者可根據專業經驗爲基礎，而依據試探法來作調 整，譬如可能在一業已建立之系統中，判斷當室內胞元互相分離 200公尺時，系統可忍受4個經許可之交錯槽，而不致發生任何 問題。 當已得到在每一胞元c中分派之上行線路（#丨）及（Y/)數量 後，即可尋求最佳化之槽對胞元分派。系統係指派^7個上行線路 槽予胞元c，分派P個下行線路槽與胞元C，且在胞元C中剩餘 ⑽槽未使用。系統永遠以相同之優先順序來分派上行 線路槽予所有胞元。譬如，假設具有Nt=8個槽且優先順序爲（si、 1266499 S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)。因此，倘若巧二3，則系統將分 派槽S1、S2、及S3予胞元c中之上行線路。系統亦永遠以相同 之優先順序來分派下行線路予所有胞元，且該順序必然與用於上 行線路槽之順序相反。在以上範例中，倘若^" = 4，則系統將分 派槽S8、S7、S6、及S5予胞元c中之下行線路。胞元c中完全 未使用槽S4。可由操作者任意地決定，分配槽之優先順序。 上述中之數量集合將構成以下最佳化問題之解： 最小化：F = f足； 第一方程式 其中F係全部成本函數之和，且Fc係關聯於一特定胞元c之槽分 派的成本函數，該Fc可由第二方程式定義：

Fc ^Ku xmax(0,min(Tcu -N^N^)) + Kd xmax(0,min(Tcd -N^Ndmax)) 第 二方程式 其中Γ/與Γ/係分別指示，在胞元c中服務所有上行線路與下行線 路電信話務所需之槽數；尤〃與係權重因數，其允許一系統操 作者依需求來賦予上行線路或下行線路電信話務更高之重要 性；與ΛΓ /係在胞元c中，分別用於上行線路與下行線路傳輸 之槽數；及#二與係可分派予一給定胞元之上行線路或下行 線路的最大槽數。以上之方程式必須掌控及之値， 其受到以下條件限制：，其中#二與#二限制値 分別爲上行線路槽之最小與最大數量；2) s，其中 與分別爲下行線路槽之最小與最大數量；3)#，+#/ ，其 10 1266499 中胞元之上行線路及下行線路的槽數應小於一特定胞元中可取 得之槽的總數量；以及 4)對於每一對胞元（cl，c2)， mar 。該最後一限制條件係表布一 狀態，即兩胞元（cl，c2)不可具有超過Xdw個交錯槽。可使F最小 化、且滿足上述限制條件的値集合，將表示爲 ，且構成爲尋求到之解。 爲了更清楚地說明上述者，請參考顯示出一流程圖300之第 二圖，該流程圖包括用於獲取{^7，^7}f=〗之步驟。·開始時，可在步 驟302中列出所有可能的{&,値集合，如以上已詳細解說 者。接著，將獲取之該等可能的値集合標示SI、S2、S3、...、Sp， 且將第丨個値集合3丨寫爲別={&^"}；1丨（步驟304)。接著，在步驟 306中將由i=l開始，且使F，in==無限大、及Ρ=1。之後，在步驟 308 中計算

Fc=Kuxmax(Q,min(Tcu -NS，ND) + Kd xmax(Q,min(Tf -N? ,Ν^))(即第 二方程式）。接著，在步驟310中判斷？」是否大於F，in。倘若爲 「是」，則將在步驟312中設定F，in等於F。1、及，且再繼續 前進至步驟314。倘若爲「否」，則直接由步驟310前進至步驟314, 其中在步驟314中，i將變爲i+Ι。由步驟314前進至步驟316時， 將判斷i是否大於P。倘若爲「否」。則返回至步驟308。若然， 則前進至步驟318。在步驟318中，將如第二圖之步驟31 8所示， 對所有的c=l，2,…，Me，由公式來給定所代表之最佳槽 對胞元分派。 可解答這種最佳化問題之最顯而易見的程序，係運用一「暴 力（brute force)」技術，藉此可對滿足上述四個限制條件之每一可 11 1266499 能的數値集合來計算F値。這種方法僅對較小値之Me . 或Nt實用，在其他情況下，其計算量將變得煩多。 _ 現在請參考第三圖，其爲複數個內部胞元106形成之「島狀 團」的一範例，該等胞元之胞元型態可能具有極高的相關性。因 此，對於胞元106，由於胞元106之間的隔離程度爲最小，因此 將Xei，ej[其中（i，j)爲（cl、C2、c3、c4、及c5)中之任一對不同胞元] 設定爲一最小値。對比地，一外部之胞元102群具有一較高程度 之隔離，且因此可具有一較高之X。^數値[其中（i，j)係（屬於群102 之（：1、〇2、〇3、〇4、及。5)中之任一對不同胞元]]。 _ 請再次參考具有兩個胞元cl及c2之一假定範例，上述中之 「系統化方式」可用於決定兩胞元間交錯槽之最大數量（Xel，4。 當使用系統化方法來決定胞元cl與c2之間交錯槽之最大數量 (Xd，d時，應已知該等胞元之最大範圍R。一胞元之最大範圍係 介於連結該胞元之一行動電話、與服務該胞元之一基地台之間的 最大距離。當cl與c2等兩胞元並未具有相同的最大範圍時，則 可將R設定成該兩數値中之較大者。介於cl與c2等兩胞元之間 的距離可由Del,。2代表。可由操作者設定一參考p。其具有一'最大 g 數値1.0及一最小數値0.0。P値係代表：a)當兩行動電話在相反 方向上使用相同槽時，連結至胞元c 1之一行動電話與連結至胞元 c2之一行動電話之間的一距離；與b)服務胞元cl之基地台與服 務胞元c2之基地台之間的距離等兩者之間的最小容許比率。當p 之値減小時，在兩胞元間允許交錯槽之機率將提高，而p之値增 加時將具有相反的效應。使用以上槪述之變數時，將可利用第三 方程式來決定交錯槽X。!，。：之最大數量：

Xd,c2=Ntxmin(l ,round((l-p )2(Dci,C2)2/4R2)； 第三方程式 其中 round((l- p )2(Dcl“2)2/4R2)係指示將（（1- p )2(Dcu2)2/4R2) 12 1266499 四捨五入運算至最接近的整數，或另一選擇爲，可藉由fl〇〇r((1· · p )2(Dcl，c2)2/4R2)來取代 Γ〇ηη(1((1ι )2(Dei e2)2/4R2)，該 fl〇〇r((1· P )2(DeUe2)2MR2)係指示爲了獲取小於或等於（（ι_ p尸⑴。…)2/^2) 之最大整數的運算。 請再次參考第二方程式，其中具有及項之原因在 於’僅希望考慮因選擇槽分派所造成之成本，而不考慮在一特定 區域中僅因容量不足所造成之成本。譬如，倘若在一特定胞元服 務下行線路電信話務時需要32個槽，且一分派中之下行線路槽最 大數量僅14個’則由於不可能以任何槽分派來服務所有的該下行 馨 線路電信話務’因此成本函數之下行線路組成分量應限制在14。 熟知此項技藝之人士應了解到，由於需要將連接自受影響之 槽轉換至另一槽，因此不可能在一高頻率下修改槽分派。緣是， 第二方程式中使用之電信話務估計應以符合槽分派修正頻率的 長時間平均爲基礎。譬如，倘若僅每30分鐘修改一次槽分派，則 應在相同的短暫周期（具有相同數量級者）上平均電信話務估計 値。可藉由許可控制（admission control)，根據譬如電信話務量之 量測値、緩衝器佔用、及通話阻塞之頻率等各種矩陣推導出估計 _ 本發明之另一具體實施例係僅將具有最低功率需求之使用 者分派予衝突之槽分派。亦即，可藉由對每一實體頻率之基地台 功率設定一限制，來管理與相鄰胞元中之（複數個）上行線路槽相 衝突的（複數個）下行線路槽，其中該限制可由佔用該等槽之任何 使用者的一編碼及一時間槽所定義。相反地。對於（複數個）上行 線路槽，其可藉由對每一槽之上行線路功率設定限制來管理。可 經由兩種效應來減少系統中效能降級之量。第一效應係一發射器 所產生之干涉，該干涉係與其傳輸成正比。第二，藉由限制一使 13 1266499 用者之傳輸功率，即可限制了自其服務基地台起算之最大距離， 而因此可降低其對連結至具有一衝突槽分派之相鄰基地台的另 一使用者產生干擾之機率'或可降低由該另一使用者對其造成之 嚴重干擾。 應了解到，可利用其他的演算法來實現成本函數，且該等變 型演算法不致脫離本發明之精神。 現在請參考第四圖，其中係顯示出用於實現本發明之一方法 200。爲了使說明更爲簡潔，且由於上述中已解說了如何實現本發 明，因此不再詳細說明方法200之步驟。開始時係如同上述者， 在步驟200中決定胞元之間的一隔離程度。如同業已解說者，胞 元之間的該隔離程度係與該等胞元之間的交錯槽最大數量成比 例。其次，將在步驟204中決定交錯槽之最大數量。接著，在步 驟2 0 6中’可將上行線路或下行線路之一方向分派予系統之每一 胞元中的每一槽。 儘管已詳細描述本發明，但請了解到，’本發明並非以此爲 限，且可實施各種變更，而不致脫離由隨附申請專利範圍所定義 之發明精神及範圍。 【圖式簡單說明】 第一圖係顯示兩相鄰胞元之問題，其中一第一胞元係與一使 用者終端設備（UE)通訊，且一第二胞元之下行線路將干擾該第一 胞元中UE之通訊。 第二圖係依據本發明來計算之流程圖。 第三圖係顯示由設置於遙遠處之外側主要基地台所環繞之 一主要基地台「島狀團（island cluster)」。 第四圖係用於實現本發明之流程圖。 14 1266499 【主要元件符號說明】 1 〇第一胞元 11基地台 12時間幀 14第二胞元 15時間幀 18行動電話單元 20二基地台 102胞元 106胞元 200方法 202決定複數個胞元之間的隔離程度 204決定每一對胞元之間的交錯槽最大數量 206對每一胞元中之每一槽分派一方向

Claims (1)

1266499 ♦ 十、申請專利範圍： 1.一種用於時槽無線通訊系統中將時槽之位置最佳化的基地台， 其中被該系統所覆蓋的一區域係被分爲複數個胞元，且每一胞 元係由一基地台服務，該基地台包含： 一用以在相鄰胞元間設定最大數目的交錯時槽之裝置，一交 錯時槽係包含一時槽，該時槽之配置係於一胞元中作爲一上行 線路時槽且係於一相鄰胞元中作爲一下行線路時槽；以及 一用以配置每一時槽作爲一上行線路時槽或一下行線路時 槽之裝置，因而相鄰胞元間交錯時槽的數目不超過該最大數 φ 目。 2·如申請專利範圍第1項之基地台，其中該最大數目的交錯時槽 係以相鄰胞元間隔離的程度爲基礎。 3.如申請專利範圍第2項之基地台，其中該隔離的程度係基於下 列至少其一而決定：無線傳輸/接收單元（WTRUs)與基地台之間 的地理、由該基地台所服務的WTRUs的移動性，以及該基地 台之無線電資源管理功能。 4·如申請專利範圍第1項之基地台，其中該最大數目的交錯時槽 係以下列至少其一爲基礎··連接至相鄰基地台的兩無線傳輸/ ^ 接收單元間的距離，以及相鄰基地台間的距離。 5. 如申請專利範圍第1項之基地台，更包含用以計算因每一交錯 時槽配置所造成的費用之裝置，其中該時槽係被配置，使得該 費用係被最小化。 6. 如申請專利範圍第5項之基地台，其中於計算該費用時，因該 交錯時槽配置之一交通延遲係被考慮。 7. —種於一時槽無線通訊系統中用以最佳化時槽之配置的方法， 其中由該系統所覆蓋之一區域係被分爲複數個胞元，且每一胞 16 1266499 元係由一基地台所服務，該方法包含： 設定相鄰胞元間一最大數目的交錯時槽，一交錯時槽係包含 一時槽，該時槽之配置係於一胞元中作爲一上行線路時槽且係 於一相鄰胞元中作爲一下行線路時槽；以及 配置每一時槽作爲一上行線路時槽或一下行線路時槽，其中 相鄰胞元間交錯時槽的數目不超過該最大數目。 8·如申請專利範圍第7項之方法，其中該最大數目的交錯時槽係 以相鄰胞元間隔離的程度爲基礎。 9·如申請專利範圍第8項之方法，其中該隔離的程度係基於下列 φ 至少其一而決定··無線傳輸/接收單元（WTRUs)與基地台之間的 地理、由該基地台所服務的WTRUs的移動性，以及該基地台 之無線電資源管理功能。 1〇·如申請專利範圍第7項之方法，其中該最大數目的交錯時槽係 以下列至少其一爲基礎：連接至相鄰基地台的兩無線傳輸/接收 單元間的距離，以及相鄰基地台間的距離。 11.如申請專利範圍第7項之方法，更包含計算因每一交錯時槽配 置所造成的費用之步驟，其中該時槽係被配置，使得該費用係 被最小化。 · 12·如申請專利範圍第π項之方法，其中於計算該費用時，一交 通延遲係被考慮。 17