TWI310641B - Method and apparatus of dynamic channel assignment for a wireless network - Google Patents

Method and apparatus of dynamic channel assignment for a wireless network Download PDF

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TWI310641B TW095126196A TW95126196A TWI310641B TW I310641 B TWI310641 B TW I310641B TW 095126196 A TW095126196 A TW 095126196A TW 95126196 A TW95126196 A TW 95126196A TW I310641 B TWI310641 B TW I310641B
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1310641 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於無線網路(wireless network)中動態頻 道分配(dynamic channel assignment)方法與裝置。 【先前技術】 隨著多元化之無線通訊服務(wireless communication _ service)，例如聲音、資料和多媒體，劇增的需求，促使 了 商速無線區域網路(wireless local area network，WLAN) 的快速成長。為了符合快速成長的需求，網路提供的服 務不僅可使用透過有線(wireline)來服務，也可以使用透 過無線節點(wireless node)來服務。因為成熟度高且成本 低’無線區域網路提供的服務備受歡迎。 在一個無線區域網路的環境裡，存取點(access point，AP)通常獨自設立，而沒有一個整體網路的規劃。 此情況下，如果鄰近的存取點使用了相同頻道的話，那 麼這些存取點會彼此相互干擾(mutually interfere)。所 以，如何限制干擾以維持一個高的載體對干涉比率 (carrieMo-interference ratio，CIR)，來確保高的資料傳輸 率(data rate)變成是一個重要的議題。 近年來，廣泛使用一種多輸入多輸出
5 (multiple-input-multiple-output ，ΜΙΜΟ)多使用者 (multi-user)的技術。此技術大幅減小共用頻道干擾 (cochannel interference，CCI)，並且明顯增加系統容量 (system capacity)。此多輸入多輸出的技術裡，在每一存 取點和每一用戶(subscriber)，使用多個天線(antenna)來同 時服務同一頻帶(same frequency band)裡的多個使用者。 此技術被認為是下一代的行動通訊（m〇bUe communication)與無線區域網路之可實行的解決良策 (viable solution)。此多輸入多輸出技術中，一般而言，在 不同角度位置(different angular position)裡的用戶，如果 這些用戶之間的角度分離足夠大的話，則可用相同網路 資源來服務他們。 在多輸入多輸出技術被應用至無線區域網路後，頻道 分配在增進網路傳輸量上就開始扮演一個重要的角色。 在傳統的無線通訊網路的技術領域裡，根據消弭共用頻 道干擾的策略’頻道分配大致歸為三種策略。第一種為 固定式頻道分配(fixed channel assignment，FCA)，每一 蜂巢(cell)被配予一預定集合的頻道(頻率）。此固定式頻 道分配的方法簡單，但是在不固定(non_stati〇nary)或不均 勻的(non-uniform)交通情況下，其實施效果不好。 第一種為動態頻道分配（dynamic channel assignment，DCA)。在傳統的動態頻道分配方法裡，只 要載體對干涉比率的條件要求符合的話，所有全球集合 (universal set)裡的頻道都可分配給任一個有服務需求的 (service requesting)用戶。此種傳統的動態頻道分配會遇 到高度的系統複雜度，並且可能需要回饋大量的頻道狀 態資訊(channel state information)。 第二種為混合式頻道分配（hybrid channel assignment，HCA)方法。複雜度(compiej^)與實效性 (performance)之間要取得平衡的話，適合採用此混合式頻 道分配方法。傳統的動態頻道分配方法與此混合式頻道 分配方法只有對具有相同蜂巢的行動系統，展現出運作 良好的能力。不幸的是，為了提供服務給交通壅塞之熱 點(hot spot)周遭的用戶，無線區域網路裡存取點的配置 (placement)始終是非均勻分配（n〇n_unif〇mjy distributed)。甚且，在接收端不容易量測載體對干涉比 率，而且在天線電波形成(antenna beam forming)與頻率等 化(frequency equalization)之前，高的載體對干涉比率並 未直接負責(account for)好的服務品質。 【發明内容】 本發明提供一種無線網路中動態頻道分配方法與裝 置，解決了上述傳統頻道分配的問題。利用一種標準圖 (normal graph)， 對於非均勻分散的 (non-uniformly-distributed)無線網路，提供了一種全分散 式(folly-distributed)且低複雜度(low-complexity)的動態頻 道分配技術。 根據此標準圖的架構(frame)，本發明利用可用的 (available)用戶位置資訊（subscriber position information) ’來定義軟性資訊(soft information)以反應出 區域交通狀況(local traffic condition)。然後，在存取點與 與用戶之間反覆地交換此軟性資訊，並透過一標準程 序’反覆地將無線網路中頻道的分配最佳化。此大幅增 加了網路的資料傳輸量(network throughput)。本發明進一 步地採取用戶互斥區域(subscriber exclusive region， SER)，來保證每一用戶與存取點之間的連結品質(Unk quality) 〇 依此’本發明之無線網路中動態頻道分配方法主要包 含下列步驟。（a)建構一標準圖，來模型化一無線網路中 存取點與用戶之間的環境。（b)根據此無線網路中通道相 關性(channel correlation) ’規範出此標準圖在所有存取端 (AP side)節點(node)與用戶端(subscriber side)節點的區域 限制規則(local constraint rule)。（c)反覆地執行一標準程 序，使彳于§fl息傳遞在這些存取端節點和用戶端節點之間 進行交換，藉此達到動態地分配頻道。 依此，本發明之無線網路中動態頻道分配裝置主要包 含一標準圖模型化單元、一區域限制規則規範模組，和 一動態頻道分配模組，來實現此動態頻道分配方法的運 作0 本發明與兩種常用的習知頻道分配技術，固定角度頻 道分配技術和分空間多工（space-division multiple access ’ SDMA)技術，相較，若以在相同的位元錯誤率(bit error rate，BER)時可服務的用戶個數來看，本發明使用 標準圖的頻道分配都優於此兩種習知頻道分配技術，可 以提升之系統的容量約可達到30%和200%的效能增益。 茲配合下列圖示、實施例之詳細說明及申請專利範 圍，將上述及本發明之其他目的與優點詳述於後。 實施方式】 標準圖(normal graph)開始是被使用於通訊系統中的 解碼過程。藉由觀察標準圖中log-可能範圍比率 (log-likelihood ratio，LLR)的交換，以及標準圖離散式 操作的特性，本發明把複雜的動態頻道分配的問題建構 成為解碼的問題。 本發明觀察到只要能夠以一種標準圖結構 (framework)來模型化(modeling)動態頻道分配的問題’ 然後規範好此標準圖的所有節點應該施行之所有的區 域規則(local rule)，透過預分配(pre-assigned)之區域代理 (local agent)間的訊息傳遞(message-passing)，那麼動態 頻道分配的問題就能容易地以一標準的程序來解決。 依此，第一圖中，一一說明本發明之無線網路中動態 頻道分配方法。首先，建構一標準圖，來模型化一無線 網路中存取點與用戶之間的環境，如步驟1〇1所示。此 標準圖是由多個存取端節點、多個用戶端節點、和多個 邊（edge)所組成，並且是一群相互交談式 (mutually-interactive)之檢查規則(check rule)的代表圖。 根據此無線網路中通道相關性，規範出此標準圖在所有 存取端郎點與用戶端節點的區域限制規則，如步驟IQ] 所示。反覆地執行一標準程序，使得訊息傳遞在這些存 取端節點和用戶端節點之間進行交換，藉此達到動態地 分配頻道’如步驟103所示。此標準的程序就是著名的 和積演算法(sum-produet algorithn〇 以第_A圖之動態頻道分配之一個實際的無線區域 網路為例’其巾此無、___環境裡财多個存取 點和多個用戶。本發明首先將第二A圖之無線區域網路 建構成如第二B _標準圖。在第二a圖的存取點可 以對應到第二B圖中的矩形方塊’筆記形電腦(用戶)則 是對應至SJ形關示。然後，矩形方塊的限制規則 (咖tmim ruIe)可以根據第二c圖中的範例來設定，如 果兩台筆記職腦對於同—存取點而言，如果他們的通 道太過相似也就是通道相關函數值超過一個預定的常 &(pire-assigned constant)，例如〇.6，則這兩台筆記形電 腦的連線科明時建立。而圓糊示雜制規則係根 據第二D圖設定，其中因為每_個用戶(筆記形電腦)都 希望可以獲得-條通道來傳遞訊息，因此合法之碼字 (codeword)的字元中恰好有一個非零元素。 第二C圖中，說明一存取端節點浼的區域限制規 則，其中之左圖的通道相關函數，例如通道相關矩陣 (ehannel correlation matrix)’其元素值皆小於預定的常數 〇.6，而其中之右圖的通道相關矩陣中，如果元素Cl2與 hi的值0.7大於預定的常數0 6的話，則合法之瑪字就 不會是llx，亦即110與U1。第二D圖則是說明一用 戶端節點(冇一台筆記形電腦)的區域限制規則的一個範 例0 完成標準圖的建構，並且規範好此標準圖在所有存 取端節點與用戶端節點的區域限制規則之後，本發明根 據和積演算法的原理，使得訊息在存取端節點與用戶端 節點之間傳遞交換，並且最後收斂到一組合法的碼字， 藉此達成動態通道分配。 也就是說，此和積演算法係此無線區域網路中存取 1310641 點與用戶之間訊息傳遞之進行交換的工具，藉此使頻道 資源分配最統，啸升網崎織麟容量。根據每 用戶的位置資訊(l〇cati〇n inf〇rmati〇n)，本發明進—步 地疋義-用戶互斥區域，來保證每一用戶與存取點之間 的連結品質。 在步驟101中，動態頻道分配之標準圖的建構是以下 列子步驟來實現的。 定義_鶴的節點，也就是存取端節點 和用戶端節點’來取代此無__路的環境裡的多個 存取點和多個用戶。以第二a _無線區域網路為例， 此無線區域網路的環境裡有5個存取點和6個用戶。存 取端節點代表5個存取點，而用戶端節點⑽代 表6個用戶。 ±#製:從-個存取點至一侧戶，以一個邊來連 接’只要當此Μ可被此存取點酬時。這些邊集合起 來代表-個碼字(codew〇rd)。每一個邊與一碼字位元 (codeword bit)關聯’此碼字位元可以是非〇(不失_般 性，例如以1表示)或是〇。非〇意指相對應的用戶與存 取點之間的連線上’訊號正在傳輸卜Q意指此邊是一 個干擾連結(interference link；)。
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V 換句話說，每一個碼字描述了一個動態頻道分配的 解(solution)。而本發明只是需要根據規範好的所有用戶 端郎點與存取端郎點的區域限制規則’來決定此最好的 碼字。以下進一步說明在每一節點的區域限制規則。 首先說明在每一用戶端節點的區域限制規則。為易 於瞭解起見，假設此無線網路是一個單通道 (single-channel)單資料傳輸率(Singie_rate)的環境，換句 話說，一個連線中的用戶端只接受來自一個存取端的服 務，並且此服務在一個時間區間(time slot)或是一個頻段 (frequency band)裡僅限於一條單一的通道。此情況時， 每一用戶端節點的區域限制規則為，確保在所有連接至 此用戶端節點的邊所關聯的碼字位元們恰好只存在一 個1。然而，此規則可以輕易地延伸至多傳輸率 (transmitting multi-rate data)之多通道(multi-channel)系 統’只要允許存在多個1在碼字位元們裡即可。 以下說明在每一存取端節點的區域限制規則。對於 每一用戶，本發明利用此用戶的通道資訊，定義一用戶 互斥區域，來保證此用戶與一存取點之間的連結品質。 當一用戶端被連線上一存取點時，就定義了一個用戶互 斥區域’並且其他的用戶端就不能配予相同的通道，如 果這些其他的用戶端有類似的通道的話，例如通道相關 性超過一預定的門檻值(threshold)。 值得注意的是，在多輸入多輸出的系統裡，一個用 戶互斥區域對使用不同存取點的用戶端，就沒有效用， 因為這些用戶端對通道還有角度的選擇性(mgk selectivity)。根據通道相關矩陣的資訊，一個用戶互斥 區域可以使其用戶端與一存取點之間的通訊連結，同時 得到降低用戶端相互干擾的保護，以保證每一用戶與存 取點之間的連結品質。 以5個用戶端1連接一存取點為為例。根據通 道相關矩陣的資訊，如果以存取點為為頂點，用戶端 \和A在角度上相近的話’則在相同的頻段與相同的時 間區間裡，至相同存取點的通道連結就不分配給用戶端 &和&。因此，存取點為之合法的碼字就不會是 {llxxx}，其中“x”代表“不受限制，，。同樣地，如果 以存取點4為頂點，用戶端&、从&在肖度上相近 的話’則存取點^之合法的碼字就不會是㈣ιΐ χχΐι〇, xxl〇l，xxGll}。同樣地，也可啸據距離的分佈資訊， 定義出存取點4之不合法的碼字。 接下來說明本發明如何將用戶的位置資訊轉換為 軟件資訊(S〇ft-inforaiati〇n)，以及如何計算每一節點的軟 件資訊。 ~ 首先，定義從用彳端節點秘至存取端節點躺軟件資 1310641 訊si的初始值為節點岣服務節點$的機率，並且 =λ · exp(吨//¾)， 其中，SI(x，y，b)代表從節點χ傳至節點y的軟件資訊，並 且連接此兩節點之邊的相對應之碼字位元的值為&吨是 節點*^與4之間的距離;曷是節點岣的收斂半徑八是正規 化因子，當5W立於4的邊上時，λ使機率s职為υ的值為 1/2。
當每一存取點接收來自關聯的用戶端的軟件資訊SI 後，此存取點根據碼本(c〇deb〇〇k)，也計算出它的軟件資 訊SI，並傳回該關聯的用戶端。以前述5個用戶端从連 接-存取點从例’從存取端節點傳至用戶端節點的軟 件資訊計算如下。 SI(H1) = λ "(1 _ s胳A，〇)); ，0)=又 n; 而SI⑽，1) = SI⑽3,0)= o.5。以同樣的方式也可算出從 存取點讀至Μ娜、&和糾軟件資訊，此處不再演 算。如果有很多個用戶端連接至—個存取點，則可將限 制規則細分為多個較簡單的限制規則，來降低軟件資訊 的計算複雜度。 15 1310641 端完㈣疊傾包括⑴制從存取 率的μ p—點的軟件資訊，和(2)符合資料傳輸 ^料從用戶端節點傳至存取端節點的軟件 _在每―:轉代結树，本發鴨-步計算每-碼字位 疋的可&區間’叫定本㈣之疊代演算是否視為收 敛。在每—次疊代結束時，用戶端$與存取端4之間 的碼字位元的值暫時決定如下。 若 SI〇Si，木1)s Wi ,1) > SI(*S為〇) s Wi，0)，則 此碼字位元的值暫時決定為1;否則為G。如果所有的暫 時決疋都符合所有的區域限制規則，決定本發明之疊代 演算為收敛。因為在相當嚴重的通道過載的無線通訊網 路的環境下，解決頻道分配的問題可能不存在一個可見 到的解答(visible solution)。所以，本發明之疊代演算並 不保證在任何環境下是收敛的。然而，與既存的動態頻 道分配技術相較，本發明的模擬實驗結果始終維持低的 計算複雜度，並且可提供一個較佳的解答。 根據上述之無線網路中動態頻道分配方法，第三圖 是本發明實現此動態頻道分配之裝置的一個方塊示意 圖。參考第三圖，此動態頻道分配裝置包含一標準圖模 型化單元3(U、一區域限制規則規範模組303，和一動態 頻道分配模組305。 標準圖模型化單元3〇1以-標準圖將此無線網路中 ##點與W之間崎賴型化。如祕述，此標準圖 疋由多個存取端節點、多個用戶端節點、和多個邊所組 成，並且是一群相互交談式之區域限制規則的代表圖。 根據此標準目和此無線網料通道的相雜，區域限制 規則規範模組303規範出此標準圖每一存取點與每一用 戶之間的區域限制規則。動態頻道分配模組305根據此 區域限制規則，反覆地執行一標準程序，使得訊息傳遞 在這些存取端節點和用戶端節點之間進行交換，藉此達 到動態地分配頻道。 標準圖的建構、區域限制規則、以及標準程序等皆 如前所述，不再重述。 為言正明本發明之效能，本發明將模擬結果與兩種常 用的習知頻道分配技術，固定角度頻道分配技術和分空 間多工(space-division multiple access，SDMA)技術，相比 較。第四圖中，相較的習知頻道分配技術包括(1)圓形(no sectoring)·用戶互斥區域之固定角度頻道分配，（2)120度 扇形(three-sector)-用戶互斥區域之固定角度頻道分配，(3) 90度扇形(four-sector)-用户互斥區域之固定角度頻道分 1310641 配，和(4)分空間多工技術。而橫軸表示系統裡的用戶個 數(number of users in the system) ’縱軸表示通訊中斷機率 (outage probability) ’ SDMA及本發明之括弧内的3〇與60 是代表無線電傳播的角度。 第四圖的效能評估若以在相同的位元錯誤率時可服 _ 務的用户個數來看，則本發明使用標準圖的頻道分配都 • 優於此兩種習知頻道分配技術，並且可以提升系統的容 量約可達到30%和200%的效能增益。 惟，以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不 能依此限定本發明實施之範圍。即大凡本發明申請專利 範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋 之範圍内。 【圖式簡單說明】 第-圖說明本發明之無線網路中動態頻道分配方法的 步驟。 第一 A圖疋動態頻道分配之一個實際的無線區域網路 的範例。 第二B圖是第二A圖之無線區域網路的一個標準圖。 第一 C圖是第二B圖之矩形方塊的限制規則的一個範 例。 第二D圖是第二B圖之圓形圖示的限制規則的一個範 例0 第二圖是本發明實現此動態頻道分配之裝置的一個方 塊示意圖。 第四圖是本發明與常用的習知頻道分配技術之效能比 較圖’橫轴表示系統裡的用戶個數，縱軸表示通訊中斷 機率。 【主要元件符號說明】 101建構一標準圖，來模型化一無線網路中存取點與用戶之間的 環境__ 102根據此無線網路中通道相關性，規範好此標準圖在所有存取 端節點與用戶端節點的區域限制規則__ 103反覆地執行一標準程序，使得訊息傳遞在這些存取端節點與 用戶端節點之間谁杆夺換，藉此達到動態地分配頻道 1310641
301標準圖模型化單元 303區域限制規則規範模組 305動態頻道分配模組 20

Claims (1)

  1. 中請專利範圍： L 一種無線網路中動態頻道分配方法，包含下列步驟： 建構-標準圖，來模型化一無線網路中存取點與用戶 之間的環境’該標準®是由多個存取端節點、多個用 戶端節點和多個邊所組成，並且是一群相互交談式之 檢查規則的代表圖； 根據該無線網路中通道相關性，規範出該標準圖在所 有該存取端節點與該用戶端節點的區域限制規則;以 及 反覆地執行一標準程序，使得訊息傳遞在該存取端節 點與該用戶端節點之間進行交換，藉此達到動態地分 配頻道。 2. 如申請專利範圍第1項所述之無線網路中動態頻道 为配方法’其中該標準程序係根據一和積演算法來執 行。 3. 如申請專利範圍第1項所述之無線網路中動態頻道 分配方法，其中該標準圖的建構包括下列子步驟： 定義兩種型態的節點，也就是存取端節點和用戶端節 點’來取代該無線區域網路的環境裡的該多個存取點 和該多個用戶；以及 從一個該存取點至一個該用戶，以一個該邊來連接， 只要當該用戶可被該存取點偵測時，則每一個該邊與 一碼字位元相關聯。 4_如申請專利範圍第1項所述之動態頻道分配方法 法，其中該無線網路係一無線區域網路。 如申凊專利範圍第1項所述之無線網路中動態頻道 分配方法，其中對於每一該用戶，根據該用戶的通道 身訊，定義一用戶互斥區域，來保證每一該用戶與一 存取點之間的連結品質。 如申請專利範圍第1項所述之無線網路中動態頻道 分配方法，其中每一該用戶端節點的區域限制規則包 括下列條件限制： 在該無線網路是一個單通道單資料傳輸率的環境 下’確保在所有連接至該用戶端節點的邊所關聯的一 或多個碼字位元恰好只存在一個非〇的碼字位元;以 及 在該無線網路是多通道多資料傳輸率的環境下，允許 存在多個非0的碼字位元。 如申請專利範圍第1項所述之無線網路中動態頻道 分配方法，其中每一該存取端節點的區域限制規則包 括下列條件限制： 當-用戶端被連線上-存取點時，其他的用戶端就不 能配予相同的通道，如果該其他的用戶端有一類似的 通道相關性的話。 如申請專利範圍第7項所述之無線網路中動態頻道 分配方法’其巾似騎道侧性意細通道相關 性超過一預定的門播值。 如中請專利範圍第1項所述之網路之無線網路中動 態頻道分配方法，根據每一該用戶的位置資訊，該動 態頻道分配更定義一用戶互斥區域，來保證每一該用 戶與每一該存取點之間的連結品質。 10. 如申睛專利範圍第9項所述之網路之無線網路中動 態頻道分配方法，其中該用戶互斥區域允許每一該用 戶端與每一該存取點之間的通訊連結，同時得到降低 用戶端相互干擾的保護。 11. 如申請專利範圍第9項所述之網路之無線網路中動 態頻道分配方法，其中每一該用戶的位置資訊被轉換 成一相關聯的軟件資訊，並且該軟件資訊在該多個存 取端節點和該多個用戶端節點之間傳遞交換，藉此達 成該動態頻道分配。 12. —種無線網路中動態頻道分配裝置，包含有： 一標準圖模型化單元，將該無線網路中存取點與用戶 之間的環境模型化，而以一標準圖來表示，該標準圖 疋由多個存取知(f卩點、多個用戶端節點、和多個邊所 組成，並且是一群相互交談式之區域限制規則的代表 圖； 一區域限制規則規範模組，規範出該標準圖每一存取 點與每一用戶之間的區域限制規則;以及 一動態頻道分配模組，根據該區域限制規則，反覆地 執行一標準程序’使得訊息傳遞在這些存取端節點和 用戶端節點之間進行交換，藉此達到動態地分配頻 道。 1310641 13. 如申請專利範圍第12項所述之無線網路中動態頻道 分配裝置，其中該無線網路係一無線區域網路。 14. 如申請專利範圍第13項所述之無線網路中動態頻道 分配裝置，其中該標準程序係一和積演算法。 15. 如申請專利範圍第13項所述之無線網路中動態頻道 分配裝置，其中該標準圖與該無線網路之間的結構對 應為： 每一該存取端節點和每一該用戶端節點分別對應該 • 無線區域網路的環境裡的一個存取點和一個用戶；以 及 從每一該存取點至每一該用戶，以每一該邊來連接。
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