無線網絡的設計、調整或運行方法及設備的製作方法

2023-12-06 15:59:41 5

專利名稱：無線網絡的設計、調整或運行方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信網絡，更具體地說，涉及這種無線網絡的設計、實現和運行中使用的技術。
背景技術：
典型的無線網絡包括向分布在地理界限分明的覆蓋範圍內的、數目可變的多個固定或移動用戶提供無線通信的許多互連基站。無線接口必須在包括需要多個網絡入口，不可控制的信號傳播及有限帶寬的條件下工作。對多個網絡入口的需要意味著事先不知道服務請求的位置和時間。於是，網絡必須在較大的地理範圍內，向所需的服務水平提供足夠的容量。上面指出的不可控制的信號傳播條件表明基站和用戶之間的無線鏈路依賴於通常和高傳播損耗，以及地物、地形及其它類型的障礙物處的反射、衍射或散射相聯繫的環境中的信號傳播。
這些條件的組合通常導致相互對抗的設計目標。例如，對有限帶寬內高容量的需要通常要求以高的頻譜效率工作。這導致通信信道內正交性的降低，從而由於在環境中，通信信道它們的傳播路徑相互重疊，導致相互幹擾。這種幹擾降低了網絡覆蓋範圍，或者等同地，降低了服務質量。於是，對於高的區域覆蓋率或者高質量的服務的要求總是和對高網絡容量的需要相互競爭。
在時分多址(TDMA)或頻分多址(FDMA)系統中，通過降低頻率復用係數，可增大頻譜效率。這也會降低工作於相同頻率下的小區之間的平均物理距離，從而增大它們的相互幹擾。在碼分多址(CDMA)系統中，藉助代碼區分各種通信信道。由於環境中的傳播效應的緣故，代碼之間的正交性可能被消除，以致能信信道之間的幹擾隨著通信負載的增大而增大。
除了頻譜效率之外，網絡可處理的通信量高度依賴於容量的空間分布與提供的通信負載的空間分布的匹配程度。這對在網絡中分配小區，以及測定小區的大小設置了又一個約束條件，而在網絡中分配小區，並測定小區的大小顯然極度依賴於本地傳播環境。
能夠影響網絡性能的其它約束條件包括例如隨時間變化的通信模式，硬體局限性，類似於熱噪聲的外部幹擾效果，以及類似於建築物穿透要求之類的地貌問題。
當設計或調整網絡時，還必須考慮眾多的其它系統參數。這些參數包括例如，基站位置，每個基站的扇區數目，諸如高度，定向，傾角，天線增益及天線方向圖之類的天線參數，每個通信信道及每個基站的發射功率水平，頻率規劃，切換門限值，以及每個基站或每個扇區的載波數目。
存在和這些參數中的某些參數，例如基站位置或者天線高度相關的，可由本地地形環境，例如房地產的可用性，安裝天線的高層建築等預先決定的基礎約束條件。另外，在設計階段，可容易地調整某些參數，例如天線傾角或天線定向，但是以後必須改變這些參數時，所需費用和時間都很大。其它參數，例如頻率規劃，功率水平和切換門限值可容易地改變或調整，即使當網絡處於服務狀態中也是如此。
由於無線環境的複雜性，諸如對高容量和高鏈路性能的需要之類的競爭設計目標，以及眾多的系統參數的結果，網絡設計和調整非常困難。
當前的網絡設計方法包括利用統計或其它數學傳播模型，根據給定的網絡參數，模擬網絡性能的設計工具。這種設計工具的一個例子是來自於Mobile Systems International，http//www.rmrdesign.com/msi的Planet工具。這些及其它常規網絡設計工具計算對於特定的網絡性能屬性非常重要的某些射頻(RF)鏈路量度，例如信號強度或信號-幹擾比。這些預測的精度主要取決於傳播模型的準確性，以及模擬諸如地形，地物之類環境要素的精度。
雖然在預測網絡性能方面，這些常規工具能夠提供足夠高的準確性，但是它們通常不對總的網絡性能分類，於是，不提供關於網絡距離其最佳狀態多遠的任何信息。由於網絡中交互作用的複雜性，不得不藉助試錯法調整網絡性能，並且不得不通過比較不同網絡配置的RF鏈路-量度曲線圖，識別可能的改進。在必須調節的網絡參數的數目較多，並且設計目的不同的情況下，該方法是非常不能令人滿意的，並且即使是接近性能最佳值，也是非常困難的。
其它常規網絡設計工具包括或者利用頻率規划算法。一個例子是來自於Aircom International，www.aircom.co.uk的Asset網絡設計工具，該工具包括有頻率規划算法。對於TDMA和FDMA網絡，即，頻率復用係數大於1的網絡，為了產生相對於其頻率規劃，改進網絡性能的頻率規划算法，已做出了許多努力。這些算法的目標通常是改進頻譜效率。例如，這種算法可能會在服務於指定的通信密度的同時，試圖使使用的頻率數量減少到最小。但是，這些算法一般不提供和各個頻率規劃的網絡性能有關的信息，除非它們已和例如上面提及的Planet工具之類的網絡設計工具連結。
通常通過首先利用諸如上面描述的Planet或Asset工具之類的網絡設計工具，設計滿足某一覆蓋率標準的網絡，實現TDMA或FDMA無線網絡的網絡設計。隨後可利用頻率規划算法產生頻率規劃，並使幹擾降到最小。一旦頻率規劃已被應用於網絡設計，則可由網絡設計工具確定網絡性能。如果需要，隨後系統設計人員可對網絡做出進一步改變，並藉助網絡設計工具，評估對網絡的進一步改變。
雖然多數上面提及的常規技術可幫助設計和調整網絡，但是，它們一般不允許關於相互競爭的不同設計目的，優化總體網絡性能。
於是需要進一步改進表徵，調整和優化無線網絡的方法，尤其是在TDMA和FDMA無線網絡，以及實現頻率復用的其它類型無線網絡的情況下。

發明內容
本發明提供用於設計、調整和/或運行無線網絡，並且特別適於和TDMA及FDMA無線網絡，或者實現頻率復用的其它類型無線網絡一起使用的改進技術。
發明人已認識到上面描述的常規技術表現出許多重大的問題。例如，這些技術一般不能提供能夠在把頻率分配給通信系統的信道之前，有效實現的網絡設計優化方法。
根據本發明的一個方面，一種優化方法被應用於一組表徵無線網絡的信息。該優化方法至少包括在把頻率分配給無線網絡的一個或多個通信信道之前，應用的一個預頻率分配優化階段。預頻率分配優化階段可被設定為利用規定目標函數的基於微分的優化，並可考慮到網絡容量和網絡覆蓋率的規定值，確定特定的網絡配置。優化方法的輸出被用於確定無線網絡的一個或多個運行參數，例如基站發射功率或者天線定向。
有利的是，本發明顯著改進了設計、調整或運行無線網絡的方法，以致獲得所需的性能水平。


圖1是可在其中實現根據本發明的無線網絡優化方法的處理系統的方框圖。
圖2是表示網絡容量與業務加權覆蓋率的關係曲線，並且根據本發明的優化方法產生的折衷曲線的一個例子。
圖3是根據本發明的一個例證實施例的通用優化方法的流程圖。
圖4表示了圖解說明被選扇區，以及在圖3的通用優化方法的預頻率分配階段中確定的若干被排除扇區的例證無線網絡的一部分。
圖5是表示大於門限值的載波-幹擾百分比與網絡覆蓋率的關係曲線，並且按照本發明的優化方法產生的折衷曲線的一個例子。
圖6表示了優化網絡和未優化網絡的作為覆蓋範圍的函數的容量的曲線圖。
圖7表示了按照本發明的優化方法產生的、關於若干不同頻率規劃的容量與覆蓋率折衷曲線。
圖8圖解說明了其中單個扇區包括具有滿足規定的超閥值條件的不同頻率組的區域的一個例證情況。
具體實現方式本發明可被設定成利用在下述美國專利申請序列號09/434578「Methods and Apparatus for Derivative-Based Optimization ofWireless Network Performance」，序列號09/434579「Methods andApparatus for Characterization，Adjustment and Optimization ofWireless Network」，以及序列號09/434580「Road-Based Evaluationand Interpolation of Wireless Network Parameters」中描述的網絡信息處理技術，上述所有專利申請以發明人K.L.Clarkson等的名義登記於1999年11月4日。這些申請被轉讓給本專利申請的受讓人，並作為參考包含於此。
下面將結合在基於計算機的處理系統中實現的例證無線網絡信息處理技術，舉例說明本發明。但是應明白，本發明並不局限於和任意特定類型的處理系統一起使用。公開的技術適合於和各種各樣其它系統一起使用，並且適合於用在多種備選應用中。此外，描述的技術適用於多種不同類型的無線網絡，包括TDMA網絡和FDMA網絡，以及實現頻率復用的其它類型網絡，例如CDMA或者頻率復用係數大於1的正交頻分多路復用(OFDM)無線網絡，時分雙工(TDD)無線網絡等。本發明不要求任何特殊的無線網絡配置，並可應用於具有移動用戶單元，固定用戶單元或移動和固定單元的組合的無線網絡。這裡使用的術語「無線網絡」意圖包括這些及其它類型的網絡，以及子網絡或者這些網絡的其它部分，以及多個網絡的組合。這裡使用的術語「優化」應被理解為包括網絡性能方面的任意類型的改善或其它調整，例如提供對於指定應用來說，被認為是可接受的性能的改善。於是，這裡使用的這些術語不要求任何類型的真實優化，例如特定功效函數的最小值或最大值。
本發明的目的是一種處理器實現的用於設計，調整和/或操作無線網絡，以便優化無線網絡性能的方法和設備，並且本發明特別適合於和TDMA和FDMA網絡，或者實現頻率復用的其它類型的無線網絡一起使用。本發明至少可以部分實現於運行於個人計算機，工作站，微型計算機，大型計算機或者其它任何類型的可編程數字處理器中的一個或多個軟體程序中。在這裡將要描述的例證實施例中，本發明提供了可和無線網絡的設計，調整或操作一起使用的通用優化方法。
圖1表示了根據本發明的優化方法可實現於其中的例證處理系統10。處理系統10包括通過總線16互連通信的處理器12和存儲器14。系統10還包括與總線16相連，以便與處理器12和存儲器14通信的輸入/輸出(I/O)控制器18。I/O控制器18和處理器12一起指導若干外圍部件的工作，所述外圍部件包括顯示器20，印表機22，鍵盤24及外部存儲器26。
系統10的一個或多個元件可代表桌上型計算機或可攜式個人計算機，工作站，微型計算機，大型計算機，或者其它類型的基於處理器的信息處理設備的多個部分。存儲器14及外部存儲器26可以是電子存儲器，磁存儲器或者光學存儲器。外部存儲器16可包括用於產生諸如下面將更詳細描述的多組一個或多個折衷曲線之類的圖形顯示的無線網絡信息資料庫，例如和無線網絡操作參數等有關信息的資料庫。外部存儲器26可以是單個裝置，也可以是分布式裝置，例如，分布在多個計算機或者類似設備上。這裡使用的術語「資料庫」意圖包括可和網絡設計，調整和/或操作中使用的優化方法一起使用的存儲數據的任意排列。
本發明至少可部分地以存儲器14或外部存儲器26中存儲的軟體程序的形式實現。這種程序可按照用戶提供的輸入數據，由處理器12執行，以便在例如顯示器20或者在由印表機22產生的列印輸出上，產生預定格式的輸出。用戶提供的輸入數據可從鍵盤24輸入，從外部存儲器26的一個或多個文件讀取，或者通過網絡連接，從伺服器或者其它信息源獲得。
如前所述，本發明提供和無線網絡的設計，調整或操作一起使用的改進的優化技術。在本發明的例證實施例中，網絡優化方法被設定為優化無線網絡的覆蓋率和容量性能。該優化方法可調整網絡基站參數，例如基站發射功率，天線垂直定向和方位角定向，以便優化網絡的覆蓋率和容量。由於容量和覆蓋率大體上相互獨立，並且網絡設計通常涉及這些性能之間的折衷，因此例證實施例的優化方法被設定成為容量和覆蓋率的不同組合，提供基站參數設置。
圖2表示了可通過利用圖1的處理系統10，產生的折衷曲線的一個例子，該例子舉例說明了特定網絡設計中，無線網絡容量和業務加權覆蓋率之間的最佳折衷點。在上面引用的美國專利申請，序列號09/434579「Methods and Apparatus for Characterization，Adjustmentand Optimization of Wireless Network」中可找到關於這種類型的折衷曲線的其它細節。該曲線適合於網絡設計人員確定在該最佳折衷曲線上的哪一點設計無線網絡。本發有的例證實施例提供了可用於產生一條或多條圖2中所示類型的折衷曲線，並且可用於幫助網絡設計人員確定適當的網絡操作點的多級通用優化方法。
通用優化方法圖3是本發明的例證實施例中的通用優化方法的流程圖。本實施例中的通用優化方法包括標記為階段1，階段2和階段3的三個主要階段。階段1是預頻率分配優化階段，包括步驟組102，階段2是頻率規劃階段，包括步驟組104，階段3是後頻率分配優化階段，包括步驟組106。
例證實施例中的多級方法的階段1通常包括在頻率計劃階段之前，在保持給定水平的覆蓋率和阻塞的同時，使同信道及相鄰信道幹擾降至最小。有利的是，這種預頻率分配優化通常將得到比利用常規技術提供的頻率規劃更好的頻率規劃，對於給定的頻率復用係數，具有較低的幹擾水平，或者對於給定的幹擾水平，具有較低的復用係數。階段2是被設定成利用在階段1中確定的網絡設置的頻率規劃階段。階段3利用在階段2中確定的頻率規劃，以便在相對於指定的服務質量，保持覆蓋率的同時，進一步使幹擾降至最小。和利用常規技術可獲得的那些配置相比，本發明的這種三級優化方法可為網絡提供顯示改進的配置。更特別的是，通過利用階段1優化，產生更好的頻率規劃，通常將在階段3優化中產生更好的網絡設計。
為了進一步優化網絡，可重複執行這三個階段。
圖3的通用優化方法還包括一組預備步驟108。如圖所示，這些預備步驟108包括步驟110～116。在步驟110中，規定指定無線網絡表徵，調整或優化應用中的通信密度和基站(BS)位置。為了便於舉例說明，假定通用優化方法的目的是作為網絡設計方法的一部分，確定無線網絡的最佳設計，不過對於本領域的技術人員來說，該技術顯然也適用於其它應用，例如現有無線網絡的調整或操作。隨後在步驟112中，網格化所考慮的服務區域，即把服務區域減少到由一組互連的點組成的網格表象。在步驟114中，根據路徑損耗計算，確定特定移動站(MS)和基站處的接收功率水平。隨後在步驟116中，把在如同步驟112中產生的網格(mesh)中的每個點的所有權分配給特定的基站。
在完成所述一組預備步驟108之後，可開始階段1的預頻率分配優化步驟102。在步驟120中，確定處於同信道幹擾或相鄰信道幹擾的某些扇區的概率。隨後在步驟122中，確定關於該配置的同信道幹擾和相鄰信道幹擾。隨後根據規定的目標函數，優化網絡。階段1的預頻率分配優化假定無線網絡的若干扇區中的每個扇區的頻道分配的某一概率，並且隨後通過利用基於微分的優化算法，根據這些假定，優化網絡。
下面將在單獨的章節中更詳細地說明預頻率分配優化階段。
通過在步驟140應用系統設置，開始階段2的頻率規劃。應用的設置可以是代表階段1或3的輸出的優化後的系統設置。在本發明的一個實施例中(在該實施例中，優化方法開始於階段2，並且包括階段2和階段3處理操作的一次或多次重複)，應用的設置可以是一組初始網絡設置。在應用設置之後，在頻率規劃步驟142，確定頻率分配。可通過利用多種眾所周知的常規頻率規划算法中的任意一種，例如為前面描述的來自於Aircom International的Asset網絡設計工具的一部分的頻率規劃工具，在步驟142中實現頻率分配。
在完成頻率分配步驟146之後，開始階段3的後頻率分配優化。在步驟160，確定和特定頻率分配相關的同信道幹擾和相鄰信道幹擾。隨後在步驟162中，根據載波-幹擾比加上噪聲的測量結果(C/I＋N)，檢查相對於基站的網格點(mesh point)的分配。最後，在步驟164中，確定優化後的覆蓋率和容量。有利的是，由於頻率分配已知，從而幹擾源已知，因此該方法的後頻率分配優化階段可進一步改善網絡設計。另外，此時，設計人員對網絡的阻塞特徵有了更好的理解，從而可導致更好的通信負載平衡。
下面將在單獨章節中更詳細地說明後頻率分配優化階段。
如前所述，也可以重複方式實現圖3的三級優化方法。例如，可以循環執行該方法，以便確定網絡的最佳配置。這種循環可包括執行該方法的階段1，2和3，隨後額外地執行一次或多次階段1，2和3。另一種可能是該循環可包括執行階段1，2和3，隨後只額外執行一次或多次階段2和3。
應注意的是，對於需要優化的現有網絡，以及在其它應用中，可對現有網絡配置執行階段3優化。例如，可從階段3開始優化方法，隨後重複階段2和3。本發明的這種實施例可以只包括階段2和3。結果已證明本發明的這種實施例可產生被很徹底優化的網絡。於是，在這些及其它情況中，必須執行階段1優化。
通用優化方法的階段1和3的優化可利用在上面引用的美國專利申請，序列號09/434578「Methods and Apparatus for Derivative-BasedOptimization of Wireless Network Performance」，序列號09/434579「Methods and Apparatus for Characterization，Adjustment andOptimization of Wireless Network」，以及序列號09/434580「Road-Based Evaluation and Interpolation of Wireless NetworkParameters」中描述的基於微分的優化方法。例如，在這些申請中描述的一種基於微分的優化方法允許相對於許多數學上連續的網絡調諧參數，例如基站發射功率，天線垂直定向和方位角定向等，優化網絡性能量度的目標函數。其它已知的優化技術也可和本發明的多級通用優化方法一起使用。
預頻率分配優化(階段1)
下面將更詳細地說明圖3的通用優化方法的預頻率分配優化階段。在例證實施例中，該階段的目的是在頻率分配之前，優化基站參數，以便獲得可能的最低頻率復用係數或者最低的幹擾水平。由於頻率分配事先未知，該方法被複雜化，但是為了優化網絡，仍然必須對於擾進行估計。於是必須假定某一頻率模式或頻率復用，以便計算相應的同信道和相鄰信道幹擾。此時，在例證實施例的該方法中，基站位置和每個基站所需的頻率的數目已知。頻率的數目確定每個基站可處理的最大通信量Ai。
只了為了便於舉例說明，假定所研究的無線網絡是TDMA或FDMA網絡。本領域的技術人員將認識到所描述的技術也適用於其它類型的網絡。
在TDMA或FDMA網絡的正向或反向鏈路中，覆蓋率通常被定義為高於指定門限值的接收信號水平，以及同樣高於指定門限值的載波-幹擾比(C/I)。這允許網絡在可接受的誤碼率(BER)或幀錯誤率(FER)的情況下，譯解接收信號，從而重構發送的信息。上述條件可被表述為C＞βc並且C/I＞αC/I(1)這裡C是移動站或基站的天線埠處的接收信號水平，I是相對於接收信號C的幹擾(下面定義)，βc是覆蓋率門限值，αC/I是幹擾水平門限值。
對於正向鏈路和反向鏈路，C和C/I門限值可不同。如果C和C/I都高於門限值，則認為指定位置x＝(x，y)被覆蓋，如果C或C/I任一低於門限值，則認為指定位置x＝(x，y)未被覆蓋。這可由下式表示 這裡函數θ可被定義為θ(變元≥0)＝1和θ(變元＜0)＝0 (2a)隨後可通過在目標覆蓋範圍內積分，確定總的網絡覆蓋率Ctot=x-Cov(x-)dx-x-dx-----(3)]]>這裡X是整個設計區域。另一方面，總的通信加權覆蓋率可被定義為Ctot=x-TD(x)-Cov(x-)dx-x-TD(x-)dx-----(4)]]>這裡TD(x)是位置x處的通信密度。
如果評估一組離散位置，而不是評估一組連續位置，則等式(3)和(4)中的積分可用和數代替。該組離散位置是圖3的步驟112中提到的網格。位置的數目應足夠大，並且應足夠密集，以便進行有代表性的覆蓋率統計評估。另一方面，可利用在上面引用的美國專利申請，序列號09/434580「Road-Based Evaluation and Interpolation ofWireless Network Parameters」中所描述的基於道路的網格(road-based mesh)，進行這種評估。
可從，例如常規網絡設計工具，現場測量，網絡性能統計，或者這些及其它技術的組合，得到圖3的步驟114中所指的單個接收器輸入功率水平。變量定義如下所述Fi(x)在距離BS bi的位置x處的MS天線埠處接收的正向鏈路功率。
Fx(bi)在BS bi的天線埠，從位於位置x處的MS接收的反向鏈路功率。
在缺少幹擾的情況下，通常需要確定位置x是否從基站接收了足以保持連接的信號。如果是，還需要確定移動站被分配給哪個基站。保持連接的標準是至少一個接收的基站信號大於預定的門限值Fi(x)＞βc(5)這裡βc通常被定義為接收器最小靈敏度加上穿透容限。高於門限值的最大Fi(x)是移動位置以100％的概率被分配給其的基站。如果沒有基站滿足門限標準，則分配概率為0。總之，給定位置x的分配概率是P8(bi，x)＝θ(Max[Fi(x)]－βc)(6)由於在缺少幹擾的情況下進行移動分配，當引入幹擾時，移動分配不會構成良好的鏈路。
可按照上面引用的美國專利申請，序列號09/434578「Methods andApparatus for Derivative-Based Optimization of Wireless NetworkPerformance」中描述的方式定義網絡容量。這種情況下， 網絡容量由下式給出網絡容量＝τ*網絡覆蓋率(7)這裡τ是均勻地增大每個扇區的通信密度，以致導致預先規定的總的阻塞率(通常約為2％)的最大乘法係數。下面將給出總的阻塞率的定義。
指定扇區bi中的通信為Ai=x-X-TD(x-)PB(bi,x-)----(8)]]>提供給該小區的通信負載為Li＝τ·Ai(以Erlangs形式表示)(9)於是通過改變τ，可以均勻地改變通信負載。
在例證實施例中，在優化之前，定義每個扇區的無線電設備的數目，從而定義每個扇區的通信信道(TCi)的數目。對於預頻率分配優化來說，如果一個扇區具有一個以上的無線電設備，從而具有一個以上的頻率，則在該扇區中，在指定位置x處，每個頻率的C/I將相同，因為假定所有扇區具有相同的同信道幹擾概率。藉助該信息，通過利用眾所周知的愛爾蘭B型模型，可計算每個扇區bi的阻塞率。每個扇區的阻塞概率為Pri=(LiTCiTCi!)k=0TCiLikk!----(10)]]>整個網絡的總阻塞率由被阻塞通信的總量和總通信量之比給出Pr=i=lNLiPrii=lNLi----(11)]]>這裡N是扇區的數目。一般說來，對於絕大多數網絡應用來說，最好使總阻塞率保持約為2％。
如果在預頻率分配優化之前，不知道每個扇區的無線電信道的數目，則通過假定每個扇區具有相同數目的無線電信道，例如對於全球數字移動通信(GSM)系統來說，假定每個扇區具有兩個無線電信道，仍然可以使用等式(8)-(11)的相同表述。這將允許在缺少網絡的無線電信道信息的情況下，進行預頻率分配優化。如果已知每個扇區的無線電信道的數目，從而已知每個扇區的通信量，則由於下面定義的C/I的通信加權的緣故，便於稍稍更精確地進行預頻率分配優化。
需要根據同信道幹擾和相鄰信道幹擾，確定幹擾，以便C/I比。由於頻率規劃事先未知，因此必須做出和可能對指定扇區產生同信道幹擾和相鄰信道幹擾的扇區有關的假定。在一個實施例中，可以假定成為同信道幹擾扇區的概率和與所考慮的「被選」扇區的距離有關。距離被選扇區越遠，扇區復用相同頻率的可能性越大。這種類型的概率可以是線性的，二次形式的，指數形式的，或者開始於成為接近於所討論扇區的同信道幹擾源的低概率，隨後增大到遠離所討論扇區的最大概率的其它類型分布。
在另一實施例中，可根據扇區的地理位置，以及相對於所討論扇區的定向，把某些扇區排除在同信道幹擾扇區之外，隨後確定剩餘扇區的概率分布函數。圖4中表示了使用這種方法學的一種可能結構。中央扇區170代表所謂的「被選」扇區，將計算其幹擾的移動站位於該扇區中，並且周圍的陰影扇區是被排除在外的扇區，即成為同信道幹擾扇區的概率為零的扇區。圖4中所示的其它扇區成為同信道幹擾源的概率都相同，或者成為同信道幹擾源的加權概率都隨著與「被選」扇區的距離的增大而增大。在本例中，排除在外的扇區包括同位置的扇區，即和移動站所處扇區位於同一小區中的其它扇區，以及第一相鄰扇區，即和移動站所處扇區緊鄰的那些扇區。第一相鄰扇區可位於主波瓣內，例如，位於所討論扇區的3dB波束寬度內，或者第一相鄰扇區可與「被選」扇區共用共有的邊界。這種類型的排除扇區集和GSM05.05規範，全球數字移動通信系統，「數字蜂窩電信系統(階段2)；無線電發射和接收」(歐洲電信標準(ETS)300 577，第八版，1996年8月)相一致，該規範作為參考包含於此。
一旦確定了扇區成為同信道幹擾源的概率，就可計算被選扇區的幹擾，從而計算被選扇區的C/I比。這樣得到對於基站扇區bi，在位置x處的反向鏈路的C/I。 分母是來自於其它扇區中的移動站的通信加權平均幹擾。Pco(bj)是其它扇區成為同信道位置的概率。類似地，指定位置x處的正向鏈路的C/I由下式給出C/I(bj,x-)=Fbj(x-)j1Pco(bj)Fbj(x-)----(13)]]>等式(12)和(13)中的概率函數Pco(bj)也可用於縮放C/I的值。例如，如果每個扇區成為同信道位置的概率相同，則對於每個扇區，可把概率設定為1/12，而不是1。這可把C/I縮放為等同於12個頻率模式的復用。
已知覆蓋率和C/I的上述定義，則可應用如同在圖3的步驟124中提及的基於微分的網絡優化。可以多種不同的方式完成這種應用。例如，可定義網絡的通信密度，隨後在指定的固定系統阻塞水平下，優化最佳覆蓋率(即，使等式(4)達到最大值)。隨後可改變通信水平，以便如同先前結合圖2描述的那樣，產生不同覆蓋率水平與不同網絡容量的折衷曲線。
作為另一個例子，可檢查使C高於門限值的點的數目達到最大值，和使C和C/I都高於門限值的點的數目達到最大值之間的折衷。這種情況下，所得到的折衷曲線是隨具有高於門限值的C/I的覆蓋範圍的百分率變化的具有高於門限值的C的範圍的百分率。整個覆蓋範圍的具有高於門限值的C/I的覆蓋點的百分率應是C/I覆蓋率的通信加權覆蓋率。於是，具有高於指定門限值的C/I的覆蓋範圍的百分率(被通信密度加權)由下式給出 將使之達到最大值的函數是α·C/Icov＋(1－α)·Cov， (15)這裡α用於加權覆蓋率與覆蓋點的C/I的比值。改變α得到圖5中所示類型的折衷曲線。
後頻率分配優化(階段3)如同前面結合圖3的通用優化方法提及的一樣，一旦完成了步驟146的頻率分配，則幹擾源已知，並且可在後頻率分配優化階段中，進一步優化網絡。在本階段，能夠獲得更精確的阻塞測量，並且可據此進行優化。在例證實施例中，本階段的目的是測定網絡小區的大小，以便基站的通信能力匹配相對於目標阻塞率的通信密度函數，同時還試圖使覆蓋率達到最大。
圖6圖解說明了上述後頻率分配優化。可圖6的右側曲線圖可看出在未優化的網絡中，關於每個區域的通信負載的曲線TD並不與在x％阻塞率下的通信負載曲線τTD緊密吻合，從而存在相當大量的被阻塞呼叫以及各小區過載。圖5左側的曲線圖表示相應的優化網絡，其中的曲線緊密吻合，阻塞呼叫的數量及過載被顯著降低。
由於在本階段的優化方法中完成了頻率規劃，一個或多個附加變量可應用於將在圖3的步驟164中優化的目標函數。這種後頻率分配優化的可能的目標函數的例子如下(1)相對於每個扇區指定數目的無線電設備，以及指定的頻率變化範圍的容量與覆蓋率的折衷；(2)在指定容量，覆蓋率和無線電設備數目的情況下，頻率的最小數目或者最低復用；及(3)相對於指定容量，覆蓋率和頻率變化範圍，無線電設備的最小數目。也可使用其它目標函數。
圖7表示了基於不同頻率規劃的一系列折衷曲線的一個例子。通過利用上面的目標函數(1)產生這些曲線。在本例中，對於三種頻率規劃，即頻率規劃A，頻率規劃B和頻率規劃C中的每一種，產生不同的折衷曲線組。總的最佳結果可能是所有不同曲線的最佳結果的組合，如圖中由粗黑實線圖解說明的那樣。在本例中，在指定變化範圍中，許可了儘可能多的頻率。從而，不必根據最佳復用限定每條曲線，因為容量數目將提供該信息。
後頻率分配優化的覆蓋率如同前面關於前頻率分配優化，由等式(1)-(4)定義的覆蓋率那樣。但是，在後頻率分配優化中，C/I比的定義不同於在前頻率分配優化中使用的C/I比的定義。
對於正向鏈路來前，對於頻率fk(它是扇區bi的一系列頻率的一部分)，在位置x處的扇區bi的C/I比由下式給出C/Ibi(x-,fx)=Fi(x-)jNfkFj(x-)+jNfk200kHzFj(x-)63.1----(16)]]>扇區bi含有頻率fk，Nfk是包含具有頻率fk(即，同信道BS)的所有其它扇區的集合，而 是包含具有fk的相鄰信道(即，fk±200kHz)的所有其它扇區的集合。前面提及的GSM規範指出在相同的質量降低情況下，網絡可處理比同信道強18dB的相鄰信道，於是在等式(16)中，把相鄰信道降低18dB(除以63.1)，使其成為另一同信道幹擾源。
對於反向鏈路來說，通過把所有其它同信道移動站和相鄰信道移動站的加權平均值引入基站天線中，確定C/I比 由於對於具有一個以上頻道的扇區內的指定位置x來說，對於每個頻率，該位置不必具有相同的C/I，因此使TDMA或FDMA網絡的覆蓋率和阻塞計算複雜化。這意味著在相同功率(或者相同C)的情況下，所有頻率在位置x被接收，但是接收幹擾的數量不同。於是，在同一位置x，一些頻率可能高於C/I門限值，另一些頻率可能低於C/I門限值。
圖8描繪了具有標記為f1，f2和f3的三個頻道的單個扇區的這種情況。如圖所示的單個扇區包括5個區域。在每個指定區域中所表示的頻率指出在該指定區域內，扇區的三個頻率中的哪個頻率具有高於門限值的C/I值。在本例中，每個區域接收高於門限值的一組不同頻率。在本例中，三個頻率不必被分組，並且以組的形式在其它扇區中重新使用，根據這些頻率是如何被分配給其它扇區的，這會導致不同數量的幹擾。應理解的是本例只是出於舉例說明的目的，不同的區域不必如圖所示那樣，在地理上是相連的。圖8中圖解說明的情況使前面提及的愛爾蘭B型阻塞計算的利用複雜化，前面提及的愛爾蘭B型阻塞計算假定整個小區內的所有信道都可以加以應用。
最好根據一組不同的C/I(x，f)更精確地定義C/I(x)，這裡f是x所處扇區的頻率。下面是可用於實現這種目的的兩種不同途徑的例子。
第一種途徑使用不同C/I值的平均值C/I(x)＝扇區的不同頻率的所有不同C/I值的平均值。
隨後可把C/I(x)的這種定義引入等式(2)，以便獲得點x處的覆蓋率。這種途徑的優點是由於可使用上面提及的愛爾蘭B型公式，阻塞計算較容易。實際上，這種途徑假定如果平均值高於門限值，則在該點，所有可用信道都有效。應注意的是這是一種簡化計算，並且似乎在模擬中有效的近似法。這裡，這種途徑也被稱為平均值法。
第二種途徑如下所述。如果在輕微負載條件下，某一點能夠發出並維持一個呼叫，則該點被覆蓋。顯然，按照這種標準，如果任一C/I值高於門限值(當然C也必須高於門限值)，則點被覆蓋。在這種途徑中，C/I(x)被定義為C/I(x)＝扇區的不同頻率的所有不同C/I值的最大值。
這裡，這種途徑也被稱為最大頻率法。這種途徑的缺陷是它不再是認為由愛爾蘭B型公式給出的良好近似法。這是因為不是所有被覆蓋的點都能使用所有的信道。在這種途徑下，阻塞計算可被模擬為排列理論中的精確數學問題。但是，不存在適用於該問題的較好的解析解法，並且已知計算複雜困難。另外，為了使用連續優化方法，通常需要阻塞相對於天線參數的微分，這使得該問題更加困難。
鑑於上面指出的問題，各種近似法可用於簡化使用最大頻率法的阻塞計算。第一種近似是可簡單地假定在所有被覆蓋點，所有信道都是可用的，這使得能夠使用愛爾蘭B型公式。第二種近似是利用更複雜的技術，計算阻塞的下邊界。為此，根據絕對下邊界以及在基站可能採用的具體算法，利用它們的分析計算能力並藉助模擬，求出並比較了幾個下邊界。似乎最好利用來自於線性規劃方程式的下邊界，即基於線性規劃的邊界。探試法可用於近似基於線性規劃的邊界，因為計算這種邊界通常是非常困難的。得到的值是關於扇區的實際阻塞的下邊界，但是和使用簡單的愛爾蘭B型公式相比，是一種好得多的近似法。
上面描述的網絡優化方法可用於產生還未建立或配置的網絡的實際設計，在現有網絡中實現調整，確定運行網絡的運行參數，或者用於其它目的。從而，根據本發明的優化方法的輸出，確定或調整一個或多個網絡參數。
可按照，例如由系統10的處理器12執行的軟體程序指令，產生圖2，5，6和7的圖形顯示。根據本發明的一種適當配置的軟體程序可以，例如從一個或多個源點獲得網絡參數數據，按照本發明的優化方法處理網絡參數數據，並產生按照所需格式，標繪所得到的網絡配置信息的顯示圖。
上面描述的本發明的實施例只是對本發明的舉例說明。例如，如同前面指出的那樣，上面描述的技術可用於設計無線網絡，或者用於優化或改進已處於運行中的現有網絡。另外，本發明可應用於子網絡，例如，應用於給定無線網絡的指定部分，以及應用於多種不同類型的網絡，例如具有移動用戶單元的網絡，具有固定用戶單元的網絡，或者具有移動用戶單元和固定用戶單元的組合的網絡。另外，雖然本發明的例證實施例採用了三級優化方法，不過其它實施例可採用更多或更少的優化階段。例如，可獨立於任意類型的常規頻率分配，並且在不存在後頻率分配優化階段的情況下，應用這裡描述的預頻率分配優化方法。作為另一個例子，在不存在預頻率分配優化的情況下，按照規定的反覆次數，應用頻率分配和後頻率分配優化階段。對於本領域的技術人員來說，附加權利要求範圍內的這些及許多其它備選實施例是顯而易見的。
權利要求
1.一種處理器實現的、用於向無線網絡提供所需的性能水平的方法，所述方法包括下述步驟把優化方法應用於一組表徵無線網絡的信息，所述優化方法至少包括在把頻率分配給無線網絡的一個或多個通信信道之前，應用的一個預頻率分配優化階段；和利用所述優化方法的輸出，確定無線網絡的至少一個運行參數。
2.按照權利要求1所述的方法，其中優化方法還包括多級優化方法，所述多級優化方法至少具有其後跟隨頻率分配階段的預頻率分配優化階段。
3.按照權利要求2所述的方法，其中以迭代的方式，重複預頻率分配優化階段和頻率分配階段。
4.按照權利要求2所述的方法，其中頻率分配階段包含一個頻率規劃階段。
5.按照權利要求1所述的方法，其中無線網絡實現大於1的頻率復用係數。
6.按照權利要求1所述的方法，其中無線網絡至少包含TDMA無線網絡，FDMA無線網絡，CDMA無線網絡，OFDM無線網絡及TDD無線網絡之一。
7.按照權利要求1所述的方法，其中優化方法利用規定目標函數的基於微分的優化。
8.按照權利要求1所述的方法，其中無線網絡的運行參數至少包括基站發射功率和天線定向之一。
9.按照權利要求1所述的方法，其中優化方法相對於網絡容量和網絡覆蓋率的規定值，確定網絡配置。
10.按照權利要求1所述的方法，其中優化方法以容量與覆蓋率的折衷曲線的形式，產生圖形顯示。
11.按照權利要求1所述的方法，其中優化方法以高於門限值的載波-幹擾百分比與覆蓋率的折衷曲線的形式，產生圖形顯示。
12.按照權利要求1所述的方法，其中優化方法以一組折衷曲線的形式，產生圖形顯示，所述一組折衷曲線包含多個頻率規劃中各個頻率規劃的一個或多個折衷曲線。
13.按照權利要求1所述的方法，其中優化方法假定特殊的頻率模式，以便計算相應的同信道幹擾和相鄰信道幹擾。
14.按照權利要求1所述的方法，其中優化方法假定某一概率的同信道和相鄰信道似然性，以便計算相應的同信道幹擾和相鄰信道幹擾。
15.按照權利要求1所述的方法，其中對於具有一個以上頻率的多個扇區中的每個扇區，優化方法假定在該扇區中指定位置處，每個頻率的載波-幹擾比相同。
16.按照權利要求1所述的方法，其中在應用優化方法之前，無線系統每個小區扇區的若干頻率已知，並且優化方法假定至少一個扇區成為同信道幹擾源的概率不同於其它扇區。
17.按照權利要求1所述的方法，其中在應用優化方法之前，無線系統每個小區扇區的若干頻率未知，並且假定所有小區具有相同數目的頻率，優化方法假定至少一個扇區成為同信道幹擾源的概率不同于于其它扇區。
18.按照權利要求1所述的方法，其中相對於指定的被選扇區，優化方法以某一概率，對系統的多個扇區中的每個扇區的幹擾進行加權，並且隨後求加權幹擾之和。
19.按照權利要求1所述的方法，其中優化方法調整特定系統扇區成為同信道或相鄰信道幹擾源的概率，以便對幹擾水平進行歸一化。
20.按照權利要求1所述的方法，其中相對於給定被選扇區，成為同信道扇區的概率為零的一個或多個被排除扇區包括和被選扇區共同位於網絡的一個小區中的一個或多個扇區，以及一個或多個第一級相鄰扇區，將計算關於其幹擾的移動站位於所述給定被選扇區中。
21.按照權利要求1所述的方法，其中優化方法把網絡內給定位置的載波-幹擾比定義為網絡的相應扇區的不同頻率的一組載波-幹擾比的平均值。
22.按照權利要求1所述的方法，其中優化方法把網絡內給定位置的載波-幹擾比定義為網絡的相應扇區的不同頻率的一組載波-幹擾比的最大值。
23.一種用於為無線網絡提供所需性能水平的設備，所述設備包括把優化方法應用於一組表徵無線網絡的信息的基於處理器的系統，所述優化方法至少包括在把頻率分配給無線網絡的一個或多個通信信道之前，應用的一個預頻率分配優化階段；其中所述優化方法的輸出被用於確定無線網絡的至少一個運行參數。
24.一種用於為無線網絡提供所需性能水平的設備，所述設備包括把優化方法應用於一組表徵無線網絡的信息的裝置，所述優化方法至少包括在把頻率分配給無線網絡的一個或多個通信信道之前，應用的一個預頻率分配優化階段；和利用所述優化方法的輸出，確定無線網絡的至少一個運行參數的裝置。
25.一種包含用於存儲一個或多個軟體程序的機器可讀媒體的產品，所述一個或多個軟體用於為無線網絡提供所需的性能水平，其中當基於處理器的系統執行所述一個或多個程序時，所述一個或多個程序完成下述步驟把優化方法應用於一組表徵無線網絡的信息，所述優化方法至少包括在把頻率分配給無線網絡的一個或多個通信信道之前，應用的一個預頻率分配優化階段；其中所述優化方法的輸出被用於確定無線網絡的至少一個運行參數。
全文摘要
供設計、調整或運行無線網絡之用,以便為網絡提供所需性能水平的技術。一種優化方法被應用於一組表徵無線網絡的信息。所述優化方法至少包括在把頻率分配給無線網絡的一個或多個通信信道之前,應用的一個預頻率分配優化階段。所述優化方法的輸出被用於確定無線網絡的一個或多個運行參數,例如基站發射功率或者天線定向。
文檔編號H04B7/26GK1336772SQ0112448
公開日2002年2月20日 申請日期2001年7月30日 優先權日2000年7月31日
發明者昌得拉·S·查克裡, 勞倫斯·M·德拉貝克, 一浩·L·張 申請人:朗迅科技公司