TWI607665B - 在協作無線網路中指定回載鏈之方法 - Google Patents

Description

在協作無線網路中指定回載鏈之方法

一般而言本發明係關於無線通訊和網路，尤係關於協作網路，其中多個存取點(APs)傳輸相同訊息至使用相同的時間和頻率資源的終端使用者裝置，其中存取點經由一組不可靠的回載鏈取得訊息。

由於行動裝置、資料密集應用程式以及如物聯網(IOT)的快速普及的驅使下，訊息流通量預計成倍增長。為了保持不斷增長的訊息流通量需求的步伐，無線網路有望在未來變得更加密集和異質。

有了這樣龐大的存取點(AP)的部署，連接APs至網路骨幹之回載鏈或“雲端”也有望成為更密集。然而，鑒於高度可靠的有線回載相關的高額成本，未來回載鏈將最有可能是無線，從而其本質上並不可靠。此外，由於拓撲學和存取問題，網路緻密化也將使回載部署更具挑戰性。此種趨勢暗示未來回載基礎設施將大多包括非直視性(non-line-of-sight)鏈。這標示從例如藉由光纖或LOS無線回載鏈之傳統上被認為具有高度可靠性的既有無線網 路的背離。

關於上述各節，可參照Andrews等人的2014年6月，IEEE雜誌，在通訊選定區域，第32卷，第1065至1082頁“5G會是什麼樣？”、Andrews的2013年3月IEEE通訊雜誌，第51卷，第136-144頁“七種異質網絡(HetNet)是行動式通信範式轉變的方式”、Tipmongkolsilp等人2011年IEEE通訊調查教程，第13卷第97-113頁的“行動式通信回載技術演進：當前的問題和未來的發展趨勢”、和Coldrey等人2012年9月加拿大IEEE車輛技術會議論文集“小細胞無線回載：點至點微波鏈的非線視距方式”。

這種在無線網路架構的範式轉變引起業者對具有不可靠回載鏈之無線網路之設計和分析顯著關心。Simeone等人在2011年7月IEEE交易資訊理論，第57卷第4187-4201頁的“以不可靠的回載鏈並藉由分散處理之強韌通訊”及其中的參考文獻述及對網路性能和最佳壓縮方案有限容量回載的影響。此處，所述的指定是固定指定，且對回載鏈的不可靠性使用訊息之壓縮來處理。

另一方案是考量具有異質回載之協作無線網路，可參照Pantisano等人在2012年6月IEEE國際會議通訊論文集的“在毫微微蜂巢網路中的協作多點傳輸之異質回載的影響”。此處，博奕論方式用於研究在協作毫微微蜂巢網路(femtocell network)的下行鏈路性能上的異質回載的影響。

在相關方案中，協作多點網路的下行鏈路被認為研究網路性能上不可靠回載的影響，請參閱Z.Mayer,J.Li,A.Papadogiannis和T.Svensson之2013年6月匈牙利布達佩斯，IEEE國際會議通訊論文集“在協作無線網路上的回載頻道可靠性的影響”。顯示了不可靠的回載會嚴重限制藉由協作保證之性能提升。

美國專利第6,748,212號描述一種監視單一回載鏈上相鄰且共頻道干擾之效果的方法。

美國公開案描述一種透過波束控制方式指定回載位址至存取點之方法，其中，存取點(AP)具有多個天線。此處，根據每一個特定的回載位址的載入，進行在多個可能回載位址之間的選擇。

WO 2014093050專利描述一種基於使用者資料優先級以最佳回載傳輸之方法。當高度可靠的回載鏈變得擁塞，一些低優先級資料可被切換到較低優先級之回載鏈。

如上所述，在現代無線網路中，不少見到使用相同的時間-頻率資源，一群(group)多個無線節點(或存取點)傳輸訊息至終端使用者(接收器或客戶端)之協作網路。有一個控制單元(CU)經由不可靠的回載鏈連接至每個AP。回載鏈是獨立的、且可以具有不同的可靠性。CU需要調度回載資源與每個AP通訊，以便使從CU到終端使用者的整個通訊可靠性最大化。

一個控制單元(CU,control unit)同時使用K個獨立回載鏈與一組K個存取點(APs)通訊可能不可靠。回載鏈用於提供訊息至APs。訊息同時從APs傳輸至終端使用者。

控制單元(CU)中之邏輯部分需要指定回載鏈至APs，使得即使CU可能不具有關於從APs到終端使用者之無線頻道的瞬時知識，網路性能仍是可靠的。CU可以具有關於每個回載鏈之長期可靠性之資訊，且也知道每個AP和終端使用者之間的距離。

本發明的實施例提供一種具有回載之協作無線網路之分析模型，其允許對回載鏈和APs資源之最佳指定的直接計算。因此，設有一種僅使用回載鏈可靠性和終端使用者位置資訊的統計知識的網路，可以迅速地確定回載指定並且施加到網路。

100‧‧‧控制單元

101‧‧‧存取點

102‧‧‧回載鏈

103‧‧‧終端使用者

104‧‧‧無線頻道

115‧‧‧訊息

201‧‧‧回載鏈可靠率β _i 's

202‧‧‧伺服AP和終端使用者之間的距離x _i 's

203‧‧‧使用者可靠率要求r

204‧‧‧指定計算

205‧‧‧回載鏈指定

210‧‧‧降冪排序

211‧‧‧升冪排序

215‧‧‧箭頭

第1A圖是本發明的實施例的協作無線網路的示意圖；第1B圖是回載鏈到存取點的可能指定的示意圖；第2A圖是根據本發明的實施例的指定回載鏈的方法的流程圖；第2B圖是根據本發明的一個實施例的基於在存取點的相等功率傳輸的回載指定的流程圖；第3圖是根據本發明的實施例以確定回載指定的機率的過程的流程圖； 第4圖是根據本發明的一個實施例的可能的回載指定的示意圖。

協作無線網路

第1A圖示意本發明操作的實施例的協作無線網路的示例。網路包括控制單元(CU)100，一組存取點(APs 1、2和3)101，和終端使用者103，例如，接收器或“客戶端”。該組APs101協作以使用相同的時間和頻率資源經潛在衰退無線頻道104同時傳輸訊息115中之符號至終端使用者103。訊息由CU取得。

在示例網路中，有K=3的APs和一個終端使用者。有K=3的回載鏈102其可以指定到三個APs。這導致從K！個(即6個)可能指定中確定最佳回載指定的問題。

第1A圖示意所有可能之回載指定。該指定係藉由CU並基於整體網路的有限知識來決定。例如，對於每個回載鏈，CU或許只知道以訊息接收之成功機率表示的平均(長期)可靠率(本文中，形容回載可靠不可靠稱為「可靠性」，表示可靠的機率時稱為可靠率)。此外，CU或許不知道連接APs至終端使用者之無線鏈的頻道狀態或可靠率。

第1B圖是根據本發明的實施例的回載鏈到APs的一個可能的指定的示意圖。

基於接收之成功機率之指定方法

第2A圖是根據本發明的實施例的指定回載鏈的方法的流程圖。CU確定每個回載鏈之可靠率β _i 201。CU也確定每個AP和終端使用者之間的距離x _i 202。可選地，CU也確定用於終端使用者的所需可靠率要求r203。此選項用於其中使用者期望如下所述之某些預定可靠率。

一般而言，參數β _i ,x _i ,r可藉由CU測量，預定或估算、或從其他例如從反饋資訊中之APs和終端使用者的網路中取得。

根據一個解析表式(analytical expression)，藉由在CU中之指定計算區塊204所使用的參數以確定藉由終端使用者的訊息接收之成功機率。各可能的回載指定能以這種方式進行評估。接著可根據如高至低機率順序的機率作出指定205。

上述之方法可以在微處理器、場可程式化閘極陣列(field programmable gate array,FPGA)、數位訊號處理器(DSP)或客制邏輯(custom logic)中實現。

基於相等功率傳輸之指定方法

第2B圖示意另一實施例。此處，指定計算204是基於在APs的相等功率傳輸和用於回載鏈的相同路徑損耗係數。CU以表示法β _(i)定義第i個最大值的降冪順序重排鏈 可靠率。

例如，，及。 CU以升冪排序211關聯每個AP之距離。使用符號 x_(i) 來表示第i個最小的距離。從而，， 。箭頭215顯示藉由使用最可靠的回載鏈所 產生之指定以傳輸訊息至最接近終端使用者之AP，第二個最可靠的回載鏈傳輸訊息至次近，依此類推。也就是說，以距離之降冪順序和距離之升冪順序指定回載鏈。

回載可靠率

定義β _i ,(i=1,2,…,k)為每個K鏈之回載可靠率。此外，在此時，考量第i個回載鏈是用來傳輸訊息至第i個AP101，從而，第i個AP以機率β _i 成功地解碼傳輸至回載鏈上之訊息。由於不可靠的回載鏈，訊息以機率1-β _i 被抹除(未解碼)。假定該抹除在整體訊息中是獨立。因此，使用白努利(Bernoulli)分配Bern(β _i )模型化機率。藉由定義β _i 為參數的函數，該模型化還可以包括例如造成網路擁堵、延遲、硬體缺陷等鏈失效之工作條件。

距離

茲定義為APs和終端使用者之間的距離。假定傳 輸-接收器鏈(transmitter-receiver links)係以獨立而且具有 係數的平坦拉瑞衰減(flat Rayleigh fading)的相同分 配(i.i.d.)區塊進行，使得相應頻道功率增益以單元手 段作為指數增加，其中)。假設每個AP具有完美頻 道知識，第i個AP使用具有係數之線性波束形成 (linear beamforming)以傳輸訊息115中之資訊符號s，其中s是從常規化群集中提取，即，E[s]=0且E[|s|²]=1)。如果AP i以功率P_i傳輸，則在時間t於接收器接收的信號為 其中指標函數II _i (t)用於模型化回載鏈的不可靠性，使得Pr{Ⅱ _i (t)=1}=β_i和Pr{Ⅱ _i (t)=0}=1-β_i。雜訊n(t)假定為具有變異數σ ²之零均值複雜高斯(zero-mean complex Gaussian)。為了簡單起見省略時間索引t，於接收器之瞬時訊雜比(signal-to noise ratio；SNR)為 其中H _i =|h _i |²和。在上述中，γ表示在瞬時接收之SNR 上之下限(lower bound)。在這裡將描述此下限如何對特定之回載鏈指定可經評估並用來在接受器表徵性能。鑑於此界限是嚴密的，可以發展開發指定回載鏈到AP的方法，俾使例如滿足接收之成功機率的性能目標。

在終端使用者，定義接收之成功機率p _s 為 APs數目K、傳輸SNR、，以及中斷臨界值θ的函數

定義，並注意上面的表示式的 加法可以寫成。這個表示式是獨立的總和，但不是 相同地以白努利加權指數隨機變數分配(Bernoulli-weighted exponential random variables)，即。

現在推導出白努利加權指數的總和的分配的廣義封閉形式表示式及接著利用總和以表徵於接收器之SNR分配。

考慮K獨立白努利加權指數隨機變數 ()的總和，使得、。此處z _i 是以參數 p _i ≡1-q _i 分配之白努利變數，即z _i ~Bern(p _i )，且每個z _i 被假 定為對整體i而獨立。對z _i ’s獨立地，定義為具有不 同裝置的獨立指數隨機變數，使得G _i ~exp(λ _i )，λ _i Λ和 Λ={λ ₁ ,...,λ _K }。為了便於描述，定義和。 接著，總和S _k 之互補累積分配函數(CCDF,complementary cumulative distribution function)可以表示為 其中， 和 其中，運算子Σ⁺[．]返回該組集合的元素的總和。

符號定義為在Λ中一次取K-i的元素 的所有產物的組。此處該組具有基數(cardinality) 。考慮具有參數Λ={λ ₁ ,λ ₂ ,λ ₃}之K=3的指數隨機變數， 接著具有、和 {λ ₁ λ ₂ λ ₃}。

隨著上述定義，現在表示第1B圖之網路之接收之成功機率。記著透過K不可靠的回載鏈使K存取點101連接至控制單元且存取點1使用回載鏈1，存取點2使用回載鏈2，並依此類推直到第K個存取點經指定第K個回載鏈。還假設存取點位於距終端使用者103距離x₁,x₂,…x_K，其中x _i 是第i個存取點到終端使用者之距離。

茲定義、 和。假設每個AP傳輸訊息，該集合B可視為 提供期望的接收SNRs之參數的集合。同樣，該集合B可視為SNRs相同集合，然而，這次藉由CU使用特定回載鏈的失效機率所常規化以傳輸訊息至存取點。定義為 以用於該集合，假設第1個回載鏈(具有 成功參數β ₁)指定到第1個AP等等，以第K個回載鏈指定到第K個AP。此為第1B圖中所示情況。

現在使用上述導出之白努利加權隨機變數之總和的CCDF導出之公式表示第1B圖中的網路的中斷機率

因此，有封閉形式的表示，以將回載可靠率和距離作為輸入，而輸出藉由終端使用者之訊息115的接收之成功機率。

當然，回載鏈特定的指定影響接收之成功整體機率。當中特別感興趣的是提供最大可靠率之指定。可藉由CU使用用於成功機率的方程式以確定此最佳指定。實質上，CU被提供於K個回載鏈可靠率測量β _i ’s的集合，和APs和終端使用者之間之距離x _i ’s的估計值。每個Ap使用相同的傳輸功率的情況下，對所有i，P _i =P。規則是開始於最近節點之可靠率之降冪順序簡單地指定回載鏈。因 此，具有最大成功機率的回載鏈，指定至最接近 終端使用者的AP，即。隨後指定以類似的方式 進行以用於其餘回載鏈。

在一般情況下，有K！種方式指定K回載鏈至AP。在相等傳輸功率與已知或估計AP-最終使用者距離的情況，最佳指定如上所述。

現在描述基於傳輸功率、無線參數和終端使用者之放寬假設之指定方法的其他實施例。

指定計算

進一步描述指定計算204的操作。在一個實施例中，計算實質上進行可能回載指定的搜尋，使得網路性能最佳化。考慮標示1，2，...，K之K個存取點的集合的一般的情況，並再次考慮也從1，2，...，K索引回載鏈可靠性 之該集合。

也可以考慮回載可靠率{β _{1} ,β _{2} ,...β_{K}}的任何排列(permutation)，其中，π(．)代表排列 運算子，其重新排序該集合。為了表示法方便，定義 回載可靠率的該排列之集合為。 使用排列之集合β _π ，可以定義另一種回載指定，其中回載鏈β ₍₁₎指定至AP1，β _{2}指定至AP2等等。

如上所述，有K！個特別之集合之 排列組合，且因此，可以考慮K！個獨特指定。現在考慮用於排列指定的成功機率。因此，定義 。基於方程式(1)可以寫成功 機率的表示式為 使用符號以表示成功的機率是用於排列π() 所定義之指定。注意方程式(1)和方程式(2)之間唯一的差異是集合的使用。

如第3圖所示，描述一種方法，其中在每個AP具有不同傳輸功率P _i，， 和路徑損耗指數η _i 時，CU可以確定K個回載鏈至K個APs的最佳指定。假設CU可以存取上述網路參數的真實值或具有能力以使用參數的估計。

CU產生310排列機率的該集合，並根據該集合假定指定。CU根據方程式(2)評估320成功的機率。 為了取得，其中π ^*表示具有至今取得之最 佳成功機率之排列。CU產生另一個回載可靠率之排列和相關的集合，並再次評估成功機率。

如果330新生成排列的成功機率大於 ，CU以π替換340 π ^*。此過程繼續直到 所有K！排列被評估。可預期最多6個的K之成本和安裝費用限制在網路之APs的密度時，在集合中APs的數目將變大，其是合理的且因此需要測試之排列的數目仍然低於720(6！)。

當不必確定優化最佳指定，而是指定符合例如根據使用者可靠率要求r的目標成功機率時，CU可以減少評估之排列的數目。在這種情況下，一旦該排列產生成功機率，而該成功機率為大於目標成功機率r，CU可以使用此指定。

傳輸功率降低

另一替代實施例最小化AP的傳輸功率。因為例示之網路通常是透過APs的其他集合的較大的網路服務多個終端使用者的一部分，最小化功率是所感興趣的。因此，最小化AP的傳輸功率還減少了在其他終端使用者之干擾。假設集合的合適的排列和指定已初步確定。藉由合適的，達成所需要的成功機率之指定，符合終端使用者可靠率之 要求。記著使用傳輸功率的APs。CU可以執行進一步 分析以考慮降低傳輸功率的效果。

具體而言，對於最接近於終端使用者並使 用功率P_c'之AP，CU可以確定以增量數量△之減少傳輸功率的效果，即使用功率P_c-△。此傳輸功率可以使用在成功機率的評估，且當仍取得所需成功機率時，CU可以繼續降低△的步驟的功率。確定合適的功率後，由於終端使用者的距離，CU可試圖減少剩餘AP之功率。關於應採用之建議之傳輸功率層級，CU可經一些控制訊息告知每個AP。

[工業上之實用性]

本發明的方法適用於多種協作無線網路。

100‧‧‧控制單元

201‧‧‧回載鏈可靠率β _i 's

202‧‧‧伺服AP和終端使用者之間的距離x _i 's

203‧‧‧使用者可靠率要求r

204‧‧‧指定計算

205‧‧‧回載鏈指定

Claims (10)

1. 一種在協作無線網路中指定回載鏈之方法，該協作無線網路包括藉由一組回載鏈的集合連接至一組存取點(APs)的集合之控制單元(CU)，其中該等APs係藉由無線頻道連接至終端使用者，且該指定是基於在該等APs之相等功率傳輸和用於該回載鏈之相同的路徑損耗係數，該方法包括下列步驟：確定每個回載鏈的可靠率以產生一組可靠率的集合；確定每個AP和終端使用者之間的距離以產生一組距離群的集合；使用該可靠率的該集合和該距離的該集合，確定經由該回載鏈和無線頻道自該CU傳送至該終端使用者的訊息的接收之成功機率；根據由該終端使用者的該訊息的接收之成功機率，指定該回載鏈；其中上述步驟係藉由該CU執行；依降冪順序重排可靠率的該集合；依升冪順序重排距離的該集合；以及於該可靠率之該降冪順序和該距離之該升冪順序中指定該回載鏈。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括：確定用於該終端使用者之所需的可靠率要求r。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該指定是接收之成功機率的集合的由高至低的順序。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括下列步驟：使用白努利分配模型化該機率。
5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中，該模型化包括使鏈失效之工作條件，其中該條件包括網路擁塞、延遲和硬體缺陷。
6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該等APs使用具有係數之線性波束成形以傳輸在該訊息中之資訊符號s，其中該符號s從常規化群集中提取。
7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該接收之成功機率是該等APs之數目、傳輸訊雜比(SNR)以及中斷臨界值θ的函數。
8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括下列步驟：排列該回載鏈之可靠率的集合以產生排列的可靠率的集合；以及根據該排列的可靠率的集合指定該回載鏈。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，當該排列可靠率大於使用者可靠率要求時執行該指定。
10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，當確定用於排列可靠率的該集合的該接收之成功機率時漸減該等APs的傳輸功率。