TWI637608B - Beam resource management method applied to millimeter wave large-scale antenna array system - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種應用於毫米波大規模天線陣列系統之波束資源管理方法。前述方法包含下列步驟：首先，於接收用戶之接取請求後，則判斷毫米波大規模天線陣列系統提供的服務波束是否滿足信號與干擾雜訊比限制。接著，判斷服務波束轄下的總需求頻寬是否超過頻寬上限，並在未超過頻寬上限則將用戶加入服務波束之通訊服務中。再者，在超過頻寬上限則再衡量用戶與既有用戶之階級，以判斷是否將用戶加入服務波束。

Description

應用於毫米波大規模天線陣列系統之波束資源管理方法
本發明係一種波束資源管理方法，尤指一種應用於毫米波大規模天線陣列系統之波束資源管理方法。
隨著各式行動通訊服務內容不斷的增長與進步，使用者對於行動數據傳輸量之需求亦越來越高，而使得傳統的行動基地台無法負荷現行之無線通訊傳輸量。
為解決前述之問題，部分的電信業更在行動基地台的服務範圍內再依該服務區域傳輸量的需求量設置多個毫米波大規模天線陣列細胞網路，以將服務區域內的使用者交由各個毫米波大規模天線陣列細胞網路提供服務，來分散處理日益龐大的無線通訊傳輸量。
然而，由於前述毫米波大規模天線陣列細胞網路所產生的波束相當的窄，因此如何選取適當的波束來滿足用戶需求將會深遠的影響整體的服務品質。
綜上所述，如何提供一種可解決前述問題之方案乃本領域亟需解決之技術問題。
為解決前揭之問題，本發明之目的係提供一種應用於毫米波 大規模天線陣列系統之波束資源管理技術方案。
為達上述目的，本發明提出一種應用於毫米波大規模天線陣列系統之波束資源管理方法。前述方法包含下列步驟：首先，於接收新用戶之接取請求後，則判斷毫米波大規模天線陣列系統提供的服務波束是否滿足信號與干擾雜訊比限制。接著，判斷服務波束轄下的總需求頻寬是否超過頻寬上限，並在未超過頻寬上限則將用戶加入服務波束之通訊服務中。再者，在超過頻寬上限則再衡量新用戶與既有用戶之階級，以判斷是否將用戶加入服務波束。
綜上所述，本發明之波束資源管理方法藉由判斷服務波束是否滿足信號與干擾雜訊比限制、轄下的總需求頻寬是否超過頻寬上限、以及新用戶與既有用戶之階級來安排提供給各用戶之波束，得以有效提昇整體通訊服務品質。
S101~S103‧‧‧步驟
S201~S207‧‧‧步驟
1‧‧‧基地台系統
2‧‧‧毫米波大規模天線陣列系統
3‧‧‧用戶
圖1為本發明一實施例應用於毫米波大規模天線陣列系統之波束資源管理方法之流程圖。
圖2為本發明波束資源管理方法之操作環境示意圖。
圖3為本發明波束資源管理方法之細部實施步驟流程圖。
圖4為本發明一模擬環境示意圖。
圖5為本發明之方法與對比方法於每單位面積數據容量上之比較圖。
以下將描述具體之實施例以說明本發明之實施態樣，惟其並 非用以限制本發明所欲保護之範疇。
請參閱圖1，其為本發明一實施例應用於毫米波大規模天線陣列系統之波束資源管理方法之流程圖。前述方法包含下列步驟：
S101：於接收用戶之接取請求後，則判斷毫米波大規模天線陣列系統提供的服務波束是否滿足信號與干擾雜訊比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)限制。
S102：判斷服務波束轄下的總需求頻寬是否超過頻寬上限，並在未超過頻寬上限則將用戶加入服務波束之通訊服務中。
S103：在超過頻寬上限則再衡量用戶與既有用戶之階級，以判斷是否將用戶加入服務波束。
於另一實施例中，前述方法更於服務波束不滿足信號與干擾雜訊比限制時，則將用戶轉介給外部之基地台系統。
於另一實施例中，前述其中基地台系統之通訊服務涵蓋範圍大於毫米波大規模天線陣列系統之通訊服務涵蓋範圍。
於另一實施例中，前述方法係依據參考信號接收功率對複數個服務波束進行排序，以依順序大小判別服務波束是否可提供服務。
於另一實施例中，前述方法係檢查用戶之階級是否比服務波束中其信號與干擾雜訊比最小的既有用戶高階。於另一實施例中，前述方法於用戶之階級低於既有用戶之階級時，則選擇下一順位服務波束，並判斷是否可為用戶提供通訊服務。於另一實施例中，前述方法於用戶之階級高於既有用戶之階級時，則自服務波束中移除既有用戶。於另一實施例中，前述方法更選擇下一順位服務波束以判斷是否可為既有用戶提供通訊服 務。於另一實施例中，前述方法於移除既有用戶後更新毫米波大規模天線陣列系統之總需求頻寬。於另一實施例中，前述方法之階級為編碼調變方案(modulation and coding scheme，MCS)之階級(level)。
請接著參閱圖2，其為前述波束資源管理方法之操作環境示意圖，前述之波束資源管理方法可執行於毫米波大規模天線陣列系統2、基地台系統1、或者前述二者的管理端裝置的運算裝置(例如：電腦)上。前述之基地台系統1經由控制資料鏈路CL1與毫米波大規模天線陣列系統2連線，以及經由第一資料鏈路DL1與用戶3端裝置連線。前述毫米波大規模天線陣列系統2經由第二資料鏈路DL2與用戶3端裝置連線。並經由前述方法之配置後，讓用戶3端裝置經由毫米波大規模天線陣列系統2或基地台系統1取得無線通訊服務。
前述之毫米波大規模天線陣列系統2具有大型多輸入多輸出天線系統，以提供多波束的涵蓋服務。於一應用情境中，前述基地台系統1(大細胞，服務範圍SA1)以及毫米波大規模天線陣列系統2(小細胞，服務範圍SA2)係構成大小細胞共存的異質性下行鏈路的網路，裝備毫米波大規模天線陣列之小細胞用於承擔主要的數據服務任務，大細胞工作在分米波或者釐米波段，用於發送控制數據及服務部分沒有交由小細胞服務的用戶3。
由於毫米波大規模天線陣列產生的波束相當的窄，從而波束的對準是個大問題。因此，可採用生成固定樣式的波束以覆蓋所有方向，例如採用Butler Matrix生成32個固定的波束。
請接著參閱圖3，其為前述應用於毫米波大規模天線陣列系統2之波束資源管理方法之細部實施步驟流程圖： 初始化：新用戶i嘗試接取小細胞，並依據參考信號接收功率(Reference Symbol Received Power，RSRP)將波束(beam)進行排序，選取RSRP最大的波束(beam)，設定s i =1，s i 為用戶i(user i)所選擇的波束索引(beam index)順位。
S201：檢查選擇此波束進行服務是否滿足信號與干擾雜訊比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)限制？若滿足執行S202；不滿足則將此用戶轉介給大細胞服務(S201A)。
S202：被選到的波束更新其下用戶的總需求頻寬B，其中B=Σ i B i 。
S203：檢查此波束總需求頻寬B是否有超過系統頻寬上限？若未超過則將用戶i加入此小細胞服務(S203A)；若超過上限則執行S204。
S204：檢查新用戶之編碼調變方案(modulation and coding scheme，MCS)之階級(level)是否比此波束中SINR最小的既有用戶高階？若是，執行S205；若否，執行S207。
S205：將此波束中SINR最小的既有用戶移除(被移除的既有用戶執行S206重新選擇波束)，並更新其下用戶的總需求頻寬，B=Σ i B i ，回到S203執行判斷。
S206：被移除的既有用戶k選擇下一順位的波束(s k ++)，回到S201重新選取波束。
S207：新用戶i選擇下一順位的波束(s i ++)，回到S201重新選取波束。
請接著參閱圖4，其為前述實施例之模擬環境示意圖。於此圖中，三角形(△)代表大細胞的分佈，並形成六角形分佈；叉(×)為小細胞的分佈，並形成均勻分佈；點(●)代表用戶的位置，並形成均勻分佈。其設 定參數如下：在一平分公里的區域內中，一共有19個大細胞，工作頻率為4G LTE的頻段，而毫米波大規模天線陣列系統之小細胞的密度為一個可變參數，用戶之數量為小細胞數量的10倍。假設每個大細胞提供給每個用戶的可用頻寬是20MHz，小細胞則為500MHz，最多可用帶寬為2GHz。假設大細胞用全向型天線，path loss exponent設為2.5，小細胞根據Butler Matrix用64個天線產生64個beam以覆蓋所有方向(每32根覆蓋180度)，path loss exponent設為4。
為評估前述波束資源管理方法於圖4模擬環境中的效益，本案選取一個對比方法，該對比方法規畫每個用戶只能分配到其最大RSRP所對應的波束，當小細胞滿載時，較小RSRP的用戶將由大細胞服務。請接著參閱圖5，其為本案提出的方法與前述對比方法在不同小細胞密度的情況下，每單位面積的數據容量比較圖，由圖5數據可知，本案採用之方法每單位面積的數據容量明顯大於對比方法之單位面積的數據容量，得以證明本案具有較佳之特性。
在毫米波大規模天線陣列細胞網路中，大規模天線陣列產生的波束非常窄，因此如何選取適當的波束來滿足用戶的服務品質需求是重要的問題，本案之方法可保證用戶的服務品質需求及提升其整體系統之容量，同時考量多位用戶當下進行不同的應用需要的時頻資源不同，來將其分配至適當的天線波束進行服務，透過設定適當的信號與干擾雜訊比門檻，將符合要求的用戶給毫米波小細胞服務，否則用戶則由大細胞提供服務，進而保證用戶的基本通訊需求，還能為通訊條件較好的用戶提供更快的數據服務，提升整體系統之容量。
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。

Claims (8)

  1. 一種應用於毫米波大規模天線陣列系統之波束資源管理方法，包含下列步驟：於接收用戶之接取請求後，則判斷該毫米波大規模天線陣列系統提供的服務波束是否滿足信號與干擾雜訊比限制；判斷該服務波束轄下的總需求頻寬是否超過頻寬上限，並在未超過該頻寬上限則將該用戶加入該服務波束之通訊服務中；以及在超過該頻寬上限則再衡量該用戶與既有用戶之階級，以判斷是否將該用戶加入該服務波束，其中，檢查該用戶之階級是否比該服務波束中其信號與干擾雜訊比最小的該既有用戶高階，若於該用戶之階級低於該既有用戶之階級時，則選擇下一順位服務波束，並判斷是否可為該用戶提供通訊服務。
  2. 如請求項1所述之波束資源管理方法，更於該服務波束不滿足信號與干擾雜訊比限制時，則將該用戶轉介給外部之基地台系統。
  3. 如請求項2所述之波束資源管理方法，其中該基地台系統之通訊服務涵蓋範圍大於該毫米波大規模天線陣列系統之通訊服務涵蓋範圍。
  4. 如請求項1所述之波束資源管理方法，係依據該參考信號接收功率對複數個該服務波束進行排序，以依順序大小判別該服務波束是否可提供服務。
  5. 如請求項1所述之波束資源管理方法，若於該用戶之階級高於該既有用戶之階級時，則自該服務波束中移除該既有用戶。
  6. 如請求項5所述之波束資源管理方法，更選擇下一順位服務波束以判斷是否可為該既有用戶提供通訊服務。
  7. 如請求項5或6所述之波束資源管理方法，於移除該既有用戶後更新該毫米波大規模天線陣列系統之該總需求頻寬。
  8. 如請求項1所述之波束資源管理方法，其中該階級為編碼調變方案階級。
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