TWI396454B - User Grouping Method Applied in Cell Interference Coordination Technology in Mobile Communication System - Google Patents

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行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法
本發明係關於一種行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，特別為一種利用原先已定義於行動通信系統中之交遞訊息與量測資訊，將細胞中用戶區分為細胞中心用戶與細胞邊緣用戶，以利細胞間干擾協調技術之實施，是一簡單、有效之用戶分群法。
正交分頻多重接取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)是實現第四代(4th generation，4G)行動通信系統接取技術，現今世界上主要標準組織所發展之IMT-Advanced/4G技術，例如IEEE 802.16m、3GPP LTE-Advanced與3GPP2 UMB+等，都是採用以OFDMA為基礎的空中介面技術。
在OFDMA系統中，時頻二維的電波資源是由時域(time domain)的正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM)符元(symbol)與頻域(frequency domain)的頻率次通道(frequency subchannel)所構成，其中每一個頻率次通道是由多個且不同的次載波(subcarrier)所組成。由於在一個OFDM符元時間內，細胞(cell)內每一用戶所使用的頻率次通道是正交(orthogonal)的，因此，OFDMA系統不存在有細胞內干擾(intra-cell interference)問題，此為OFDMA系統之重要特色。但是當不同細胞或用戶(user)在同一時間利用相同頻率次通道傳送訊息時，就會產生細胞間同頻干擾(inter-cell co-channel interference)，又稱為細胞間干擾，使得細胞邊緣(cell edge)用戶之鏈路品質劣化、資料流通量(throughput)下降，這是存在於OFDMA行動通信系統的嚴重問題。
根據國際電信聯盟(International Telecommunication Union，ITU)所發佈的未來IMT-Advanced/4G技術需求(technical requirements)，細胞邊緣資料速率(cell edge data rate)已成為重要的性能指標，未來競逐4G行動通信市場之標準技術，舉凡IEEE 802.16m、3GPP LTE-Advanced與3GPP2 UMB+等，皆採用細胞間干擾協調(inter-cell interference coordination，ICIC)技術來解決細胞間干擾問題。所謂細胞間干擾協調就是在鄰近細胞(neighboring cells)間預先進行頻率、時間與/或發射功率的協調，以避免或降低細胞間干擾。目前有多種實現細胞間干擾協調的方法，其中最廣為使用的方法有部分頻率重用(partial frequency reuse or fractional frequency reuse)與軟式頻率重用(soft frequency reuse)。目前的Pre-4G技術例如3GPP2 UMB與Mobile WiMAX(IEEE 802.16e)，已決定採用部分頻率重用技術來對抗細胞間干擾，而3GPP LTE則規劃採用軟式頻率重用技術來應付此干擾問題。
部分頻率重用為一種頻域干擾協調技術，主要概念為應用頻率重用因子(Frequency Reuse Factor,FRF)大於1的頻率規劃方式在於細胞邊緣區域以降低細胞間干擾，使得鏈路品質可以改善、資料流通量可以增加，而在細胞中心區域運用頻率重用因子等於1(reuse-1或RFR=1)之方式以取得系統容量優勢。
請參閱圖一所示，為習知實現於行動通信網路基站之部分頻率重用技術之頻率資源配置圖。圖中系統將系統所有可用頻段分為中心子頻段(center subband)F1 12與邊緣子頻段(edge subband)F3 11，其中邊緣子頻段F3 11又切分為三個正交的子頻段F3A、F3B與F3C，因此共有四個正交子頻段。請參閱圖一，中心子頻段F1 12為reuse-1之重用方式，也就是說，所有細胞皆可使用此子頻帶，而邊緣子頻段F3 11為頻率重用因子等於3(reuse-3或FRF=3)之重用方式，其切分之三個子頻段F3A、F3B與F3C分別給基站1之細胞A 13、細胞B 14與細胞C 15使用。以細胞A 13為例來說明：細胞A 13之中心子頻段F1 12之頻譜資源將分配給細胞中心用戶(cell center user)使用，此頻段之頻譜效率(spectral efficiency)可以達到最高；而細胞A 13之邊緣子頻段F3A之頻譜資源將優先指派給細胞邊緣用戶(cell edge user)使用，此時因為使用reuse-3之重用方式，使得細胞邊緣用戶之鏈路品質得以大大改善。
軟式頻率重用為一種發射功率干擾協調技術，主要概念為發射較大的功率強度予細胞邊緣區域，而在細胞中心區域則發射較小的功率強度，由於每一個細胞皆可使用全部頻段，因此軟式頻率重用是一種頻率重用因子等於1的頻率規劃方式。
請參閱圖二所示，為習知實現於行動通信網路基站之軟式頻率重用技術之發射功率配置圖。圖中系統將系統所有可用頻段分為中心子頻段22與邊緣子頻段21，其中基站1之細胞A 23、細胞B 24與細胞C 25所使用的邊緣子頻段21是正交的，若以Pedge與Pcenter分別代表細胞邊緣子頻段21與細胞中心子頻段22之發射功率強度，則比值P e dge /P center 將大於1。
以細胞A 23為例來說明：細胞A 23之中心子頻段(即F2+F3)之頻譜資源將分配給細胞中心用戶使用，此時因為該用戶靠近基站1，細胞間干擾較小，故以較低發射功率來維持適當之信號品質；而細胞A 23之邊緣子頻段(即F1)之頻譜資源將優先指派給細胞邊緣用戶使用，此時因為扇區A 23之邊緣子頻段的發射功率高於鄰細胞(即細胞B 24與細胞C 25)之中心子頻段的功率，可增加欲信號強度並減低干擾信號強度，進而提升鏈路品質。
由上可知，一個OFDMA行動通信系統，不論是實行部分頻率重用或是軟式頻率重用，皆須將細胞中用戶進行分群，即區分為細胞中心用戶與細胞邊緣用戶兩群。傳統應用於細胞間干擾協調技術的用戶分群法係以用戶地理因子(geometry factor，GF)為依據，所謂地理因子就是寬頻平均(wideband average)訊號干擾雜訊比(signal to interference plus noise ratio，SINR)，其可表示成(1)式，其中P 為發射功率，L為路徑損失(path loss)，S為遮蔽衰落(shadow fading)，A為天線增益(antenna gain)，N為雜訊功率(noise power)，下標s與i分別代表伺服細胞(serving cell,SC)與干擾細胞(interfering cell)，φ則為干擾細胞集合。
習知應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法之操作概念為：
1.首先用戶機(User Equipment，UE)量測伺服細胞(或伺服扇區)之寬頻平均SINR並回報給伺服細胞。
2.接著在伺服細胞經由檢測器判斷此UE為細胞中心用戶或細胞邊緣用戶，若寬頻平均SINR值大於預設臨界值(threshold level)，則將此UE歸類為細胞中心用戶；反之，則將其歸類為細胞邊緣用戶。
3.當UE於排程器(scheduler)取得最高優先傳送順序時，若此UE為細胞中心用戶，則系統會配置伺服細胞之中心子頻段之頻率次通道予該用戶；若此UE為細胞邊緣用戶，則系統會配置伺服細胞之邊緣子頻段之頻率次通道給該用戶。
由於以寬頻平均SINR方法來作用戶分群，需預先設定寬頻平均SINR臨界值，而此臨界值之設定需依據佈建地理環境(例如基站間距離(inter-site distance))不同而作調整，否則會影響細胞中心與細胞邊緣用戶比率，造成系統效能的不確定性，增加系統實際運作上的困難及複雜度。此外，利用寬頻平均SINR方法來做用戶分群，將會有信號品質極差(寬頻平均SINR遠小於臨界值)且又無法進行交遞(handover)的用戶利用邊緣子頻段來傳輸之情形，由於邊緣子頻段是系統投注較多資源的地方(如發射功率)，過多此類用戶佔據邊緣子頻段時，將會造成系統容量降低。
由此可見，上述習用方式仍有諸多不足，實非一良善之設計，而亟待加以改良。
本案發明人鑑於上述習用方式所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功研發完成本件行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法。
本發明之目的即在於提供一種行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，係為避免必須預設隨環境變化的系統參數所造成不確定性與減少現有系統實施的複雜度，以達到在不需計算寬頻平均SINR與預設寬頻平均SINR臨界值條件下，即可區分用戶為細胞中心用戶或細胞邊緣用戶，並同時能維持卓越的系統效能，此方法尤其適用於OFDMA行動通信系統之細胞間干擾協調技術。
達成上述發明目的之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，係採用系統中已具備的交遞機制所提供之訊息與量測資訊，針對OFDMA行動通信系統之細胞中用戶進行細胞中心與細胞邊緣用戶之分群。其方法為UE端依據所量測到之伺服細胞平均信號強度與最強之鄰近細胞平均信號強度之差值是否小於一正臨界值，來判斷是否需回報平均信號強度資訊與是否需啟動細胞間干擾協調相關量測回報機制；接著伺服細胞依據用戶端所回報之平均信號強度資訊(伺服細胞平均信號強度與最強之鄰近細胞平均信號強度，或兩者之差值)，並再利用上述之法則，即伺服細胞平均信號強度與最強之鄰近細胞平均信號強度之差值是否小於一正臨界值，來區分該用戶是否為細胞邊緣用戶，但此時之判斷臨界值設定需小於或等於上述之臨界值(即)；最後，伺服細胞依據用戶分群結果配置中心子頻段或邊緣子頻段之頻率次通道給該用戶。
請參閱圖三所示，為本發明行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之流程圖，此用戶分群法主要可應用於部分頻率重用與軟式頻率重用之細胞間干擾協調技術，步驟包括：步驟1：首先用戶機(UE)量測伺服細胞與鄰近細胞(neighboring cells)之平均信號強度，此平均信號強度可以藉由估測參考信號接收功率(reference signal received power，RSRP)所得之平均路徑增益(path gain)，其可表示成(2)式，其中P為發射功率，L為路徑損失，S為遮蔽衰落(shadow fading)，A為天線增益(antenna gain)，而下標j代表細胞(編號)j。在Pre-4G OFDMA行動通信系統中，用戶端量測伺服細胞與鄰近細胞之平均信號強度原本即設計於交遞機制中，而用戶端所需量測之鄰近細胞集合(neighboring cell set)會由網路端透過廣播訊息事先告知用戶端，因此極易實現於現今實際行動通信系統中。
步驟2：接著在UE端經由檢測器判斷是否需回報量測到之平均信號強度資訊與是否需啟動ICIC相關量測回報機制。假設UE所量測之鄰近細胞之平均信號強度強弱排序為，其中表示UE所量測到之鄰近細胞集中第i 大之平均信號強度，而n 表示該UE之鄰近細胞集大小(即鄰近細胞數目)。其判斷的準則如(3)式所示，其中表示UE所量測之伺服細胞平均信號強度，為UE所量測到鄰近細胞中最強之平均信號強度，而為一正臨界值(如
步驟3：若，則UE不需回報量測到之平均信號強度資訊，也不需啟動ICIC相關量測回報機制，此時伺服細胞會自動將該用戶歸類為細胞中心用戶；步驟4：指派細胞中心子頻段之頻率次通導給該用戶；步驟5：若，則UE會回報所量測到之平均信號強度資訊(可以是，或是兩者之差值)給伺服細胞，並同時啟動ICIC相關量測回報機制。接著，伺服細胞在收到UE端所回報之平均信號強度資訊後會經由檢測器判斷此UE為細胞中心用戶或細胞邊緣用戶，並經由ICIC相關量測回報機制密切的監控該UE之信號品質，此量測回報機制可以是週期性或是事件觸發(event triggered)之平均信號強度回報機制，而事件觸發之回報機制則可透過定義多個臨界值(於UE端判斷)來達成，例如，但是應用於(3)式之臨界值要是最大的
步驟6：伺服細胞判斷細胞中心用戶或細胞邊緣用戶也是基於(3)式，不過其臨界值為；步驟7：若不成立，則伺服器細將此UE歸類為細胞中心用戶；步驟8：指派細胞中心子頻段率之頻率次通道給該用戶；步驟9：若成立，則將其歸類為細胞邊緣用戶。其中亦為一正值且具有之特性，在等號成立情況下，伺服細胞便不需再進行細胞中心用戶或細胞邊緣用戶之判斷，即收到UE端所回報之平均信號強度資訊即視為觸發ICIC機制之控制信號，自動將該UE歸類為細胞邊緣用戶。
步驟10：指派細胞邊緣子頻段之頻率次通道給該用戶。
臨界值可直接採用既有3G系統(如WCDMA、cdma2000)中之軟式交遞(soft handover)相關參數經驗值，如window_add或addition hysteresis，即可獲得不錯之系統效能，因此可以不需另外定義。
如果OFDMA行動通信系統支援軟式交遞，此方法之操作將更為簡單，系統可直接藉由查詢此UE之活集大小(active set size，ASS)來區分此UE為細胞中心用戶或細胞邊緣用戶。若該UE之ASS大於1，則將此UE歸類為細胞邊緣用戶；若該UE之ASS等於1，則將其歸類為細胞中心用戶。所謂用戶之活集大小就是位於該用戶活集(active set)之細胞數目，由於伺服細胞也是活集的一員，因此所有用戶之活集大小皆是大於1。另外，值得注意的是，目前Pre-4G OFDMA行動通信系統也是利用(3)式來作為是否需觸發交遞機制之判斷，不過其所定義的臨界值是一負值。接下來，當UE於排程器(scheduler)取得最高優先傳送順序時，若此UE為細胞中心用戶，則系統會配置伺服細胞之中心子頻段之頻率次通道予該用戶；若此UE為細胞邊緣用戶，則系統會配置伺服細胞之邊緣子頻段之頻率次通道給該用戶。
為將細胞中用戶區分為細胞中心用戶與細胞邊緣用戶兩群。本發明所提供之用戶分群法係基於原本已定義於行動通信系統之交遞演算法，其所需的量測資訊已蘊含於交遞機制中，而且不需額外定義寬頻平均SINR臨界值，因此具有實現簡單的優點。由於廣被使用的地理因子用戶分群法，用戶端需計算其所收到之寬頻平均SINR值，而且系統又需預設寬頻平均SINR臨界值，臨界值設定的適當與否，會影響系統整體效能，另外，當信號品質極差且又無法進行交遞之用戶增加時，會造成系統容量下降。本發明提供一簡單、有效，使用於OFDMA行動通信系統之細胞間干擾協調技術之細胞中用戶分群法，能將用戶分為細胞邊緣用戶與細胞中心用戶，可省略計算寬頻平均SINR與定義相關臨界值，並維持適當的細胞中心與細胞邊緣用戶比率，同時提供卓越的系統效能。
本發明所提供之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，與其他習用技術相互比較時，更具備下列優點：
1.本發明利用原有系統的交遞機制之量測資訊，即可區分出細胞中心與細胞邊緣用戶，不必計算寬頻平均SINR與定義一寬頻平均SINR臨界值，可降低系統運行所須計算量，且易於實現於行動通信系統。
2.本發明提供適當的細胞中心與細胞邊緣用戶比率，在未來4G主要考慮的基站間距離(500m~ 1732m)佈建環境下，其值幾乎維持不變，可減少系統實際運作上的困難及複雜度，並可維持卓越的系統容量。
上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
綜上所述，本案不但在技術思想上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請　貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。
1．．．基站
11．．．部分頻率重用技術之邊緣子頻段
12．．．部分頻率重用技術之中心子頻段
13．．．部分頻率重用技術之細胞A
14．．．部分頻率重用技術之細胞B
15．．．部分頻率重用技術之細胞C
21．．．軟式頻率重用技術之邊緣子頻段
22．．．軟式頻率重用技術之中心子頻段
23．．．軟式頻率重用技術之細胞A
24．．．軟式頻率重用技術之細胞B
25．．．軟式頻率重用技術之細胞C
圖一為習知實現於行動通信網路基站之部分頻率重用技術之頻率資源配置圖；
圖二為習知實現於行動通信網路基站之軟式頻率重用技術之發射功率配置圖；以及
圖三為本發明應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法操作流程圖。
無指定代元件

Claims (17)

  1. 一種行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，步驟包括：a.用戶機(UE)量測伺服細胞與鄰近細胞之平均信號強度；b.該用戶判斷是否需回報量測到之平均信號強度資訊與是否需啟動細胞間干擾協調(ICIC)相關量測回報機制；c.伺服細胞依據用戶端所回報之平均信號強度資訊判斷區分該用戶為細胞中心用戶或細胞邊緣用戶；d.伺服細胞依據用戶分群結果配置頻率次通道。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，其中該平均信號強度可以藉由估測參考信號接收功率所得之平均路徑增益。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，其中該用戶端所需量測之鄰近細胞可依據系統所廣播之鄰近細胞集。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，其中該用戶端是否需回報量測到之平均信號強度資訊與是否需啟動細胞間干擾協調(ICIC)相關量測回報機制之判斷，可利用用戶機(UE)所量測到之伺服細胞平均信號強度與鄰近細胞集中最強之鄰近細胞平均信號強度之差值是否落於一臨界值來判斷。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，其中該判斷式若係為，則用戶機(UE)會回報量測到之平均信號強度資訊與啟動細胞間干擾協調(ICIC)相關量測回報機制。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，其中該判斷式若係為，則用戶機(UE)不會回報量測到之平均信號強度資訊，亦不會啟動細胞間干擾協調(ICIC)相關量測回報機制，此時伺服細胞會自動將該用戶歸類為細胞中心用戶。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，其中該臨界值係為一正值。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，其中該細胞間干擾協調(ICIC)相關量測回報機制可以是週期性或是事件觸發之平均信號強度回報機制。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，其中該事件觸發之回報機制則可透過定義多個臨界值來達成。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，其中該判斷區分該用戶為細胞中心用戶或細胞邊緣用戶，係根據用戶(UE)端所回報之平均信號強度資訊，此訊息包括伺服細胞平均信號強度與鄰近細胞集中最強之鄰近細胞平均信號強度，以及兩者之差值，即。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，其中該，則將該用戶歸類為細胞邊緣用戶。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，其中該，則將該用戶歸類為細胞中心用戶。
  13. 如申請專利範圍第11或12項所述之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，其中該臨界值為一正值，且具有小於或等於用戶端判斷臨界值之特性(即)。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，其中該伺服細胞區分該用戶為細胞中心或細胞邊緣用戶之判斷可根據該用戶之活集大小(ASS)是否大於1來判斷。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，其中該ASS>1，則將該用戶區分為細胞邊緣用戶。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，其中該ASS=1，則將該用戶區分為細胞中心用戶。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之行動通信系統中應用於細胞間干擾協調技術之用戶分群法，其中該頻率次通道之配置步驟包括：a.配置伺服細胞之邊緣子頻段之頻率次通道給細胞邊緣用戶；b.配置伺服細胞之中心子頻段之頻率次通道給細胞中心用戶。
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