用於無線網絡的表徵、調整、和優化的方法和設備的製作方法
2023-10-06 04:47:14 2
專利名稱：用於無線網絡的表徵、調整、和優化的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及無線通信網絡，更具體說，是涉及這類無線網絡在設計、實施、和運行時使用的的表徵、調整、和優化技術。
通常的無線網絡包括眾多互連的基站，向分布在地域上有明確覆蓋區域的不同數量的固定或移動用戶，提供無線通信服務。一般說，無線接口必須在某些條件下運行，這些條件包括接入網絡的多個請求、不可控信號的傳播、和有限的帶寬。接入網絡的多個請求是指那些事前並不知道的請求服務的位置和時間。因此，網絡必須在很大的地理區域上，以足夠的容量提供所要求的服務級別。上面指出的不可控信號傳播的條件，是指基站與用戶之間的無線鏈路，依賴於信號傳播的環境，而這個環境通常牽涉到高的傳播損耗，以及地面物體、地面、和其他各種障礙物的反射、衍射、或散射效應。
這些條件的組合常常導致設計目標的競爭。例如，在有限帶寬內要求高的容量一般需要以高的譜效率運行。這導致通信信道間正交性的下降，由於在此環境中各通信信道重疊的傳播路徑而產生互幹擾。這一幹擾使網絡的覆蓋區域減小，或等價地使服務質量下降。因此，要求高的區域覆蓋率或高的服務質量，是與高的網絡容量要求相牴觸的。
在時分多址(TDMA)或頻分多址(FDMA)系統中，可以通過減小頻率的再使用因子來增加譜的效率。這一辦法同樣減小運行在相同頻率的小區間的平均物理距離，從而增加它們間的互幹擾。在碼分多址(CDMA)系統中，不同的信道是由代碼區分的。由於在此環境中的傳播效應，代碼間的正交性可能被擦除，所以通信信道間的幹擾隨業務量負載而增加。
除去譜效率，網絡能夠處理的業務量，還高度依賴於容量的空間分布與提供的業務量負載之間的匹配程度。這一點對網絡的小區的部署和大小又加上附加的約束，當然，這也高度依賴於局部的傳播環境。
能夠影響網絡性能的其他約束，包括如業務模式隨時間的變化、硬體的限制、熱噪聲之類的外部幹擾效應、需要穿透建築物等地貌學問題，如此等等。
在設計或調整一個網絡時，還有大批其他系統參數必須考慮。這些參數包括，例如基站位置、每個基站的扇區數目、諸如天線高度、取向、傾斜度、天線增益等天線參數，和天線方向圖、每個通信信道和基站的發射功率電平、頻率規劃、越區切換閾值、每個基站或扇區的載波數目，等等。
與這些參數中的某些參數相關的基本約束，如基站位置或天線高度，是可以由局部地貌環境預先確定的，如，房地產的可用性，安裝天線的高層建築，等等。此外，某些參數，如天線傾斜度或天線取向，能夠容易在設計時調整，但此後要改變卻是昂貴且費時的。別的參數，如頻率規劃、功率電平和越區切換閾值，即使在網絡工作時也容易改變或調節。
由於無線環境的複雜性，競爭的設計目標，如要求高容量與要求高鏈路性能，以及大批系統參數的競爭，使網絡的設計和調整成為困難的任務。
當前網絡設計的過程，包括一些設計工具，它們根據給定的網絡參數，利用統計的或別的數學傳播模型，使網絡性能模型化。這類設計工具的一個例子是由Mobile Systems International，http／／www．rmrdesign．com／msi給出的Planet工具。這些和其他的常規網絡設計工具，要計算某些射頻(RF)鏈路的量度標準，如信號強度或信號對幹擾的比值，這些對特定網絡性能的屬性至關重要。這些預測的精度很大程度上依賴於傳播模型的精度和環境建模的準確度，如地面、地面物體等等建模的準確度。
雖然這些常規的工具在預測網絡性能時能提供足夠的精度，但是，它們一般不對整個網絡的性能進行分類，從而不能給出網絡偏離其最佳狀態有多遠的信息。由於網絡中相互作用的複雜性，網絡性能的調節不得不用某種反覆試驗的過程來完成，而潛在的改進不得不靠比較不同網絡配置下RF鏈路量度標準的曲線來發現。隨著必須調整的網絡參數數目和不同的設計目標，這個過程是十分不能令人滿意的，而性能優化則更難解決。
其他常規辦法包括頻率規劃工具。這種工具的一個例子是Asset網絡設計工具，來自Aircom，www．aircom．co．uk。此Asset工具包括一種頻率規划算法。對TDMA和FDMA網絡，亦即頻率再使用因子大於一的網絡，已經作了許多努力，希望產生某些算法，能根據其頻率規劃改進網絡性能。這些算法都有一個針對改進譜效率的目標。舉例說，這種算法可能在提供給定的業務量密度的同時，試圖令頻率的使用量最小化。但是，這些算法一般不對每個頻率規劃給出有關網絡性能的信息，除非這些算法已經與某個網絡設計工具，諸如上述PLANET工具結合起來。
一種熟知的網絡優化的常規辦法，是安裝地點的優化。因為設計工具不能完全反映在此環境中的一切傳播效應，所以可以通過安裝地點的運轉試驗，改進網絡。但是，運轉試驗只能被認為是另一種數據採集過程，而得到的網絡改進也受上述相同問題的支配。還有，運轉試驗的數據只能從有限的區域獲得，因此，運轉試驗是昂貴且費時的。
雖然上面指出的許多常規技術，能夠對網絡的設計和調整提供幫助，但是它們一般不能使整個網絡的性能對不同的互相競爭的設計目標優化。因此，需要有改進的網絡的表徵、調整和優化技術，這種技術能夠，例如，對競爭的設計目標以及不同系統配置的無線網絡性能，進行明確的分類。
本發明提供用於無線網絡整體性能的表徵、調整與／或優化的改進的技術。
在本發明的一個示範性實施例中，特定網絡配置的整體網絡性能，用有兩個分量的矢量進行表徵，一個分量代表網絡覆蓋，另一個分量代表網絡容量。按照本發明，網絡覆蓋用包括幹擾的負載不足的服務似然性來方便地定義，而且可以用業務量密度來進一步加權。網絡容量用能按給定總的目標阻塞率被服務的給定空間分布的業務量來方便地定義。已經確定，這些定義能對網絡資源使用的好壞，提供精確和充分的定量評估。
按照本發明，整體網絡性能可以用兩維的容量／覆蓋圖來表徵。這個圖對各種網絡配置描繪出整體網絡性能的矢量，每個矢量包括一個網絡容量分量和一個網絡覆蓋分量。因此，這個圖能對不同網絡配置，以直觀的、十分清晰和有效的形式，比較它們的整體網絡性能。它還對示範性實施例的兩種競爭的網絡性能屬性之間的權衡，即網絡容量和網絡覆蓋之間的權衡，給出一種直觀的了解。
按照本發明的另一方面，可以針對給定的網絡參數子集合，利用根據網絡容量和網絡覆蓋的整體網絡性能分類，改進或優化整體網絡性能。這一步可以用優化算法完成，這一算法推薦潛在的網絡配置，並對它們的整體網絡性能加以評估。相應的網絡性能點會描繪在容量／覆蓋圖上。凡算法考慮到的一切網絡配置所形成的外包絡上的那些配置，代表此過程找到的網絡的最佳權衡曲線。
本發明可以在個人計算機上、工作站上、微計算機上、主計算機上、或任何別種形式的可編程數字處理器上，運行一個或多個軟體程序來實現。本發明大大地改善了無線網絡性能的設計、調整、和優化的處理。本發明的這些和其他特性及優點，從附圖及下面的詳細說明中，將看得更加清楚。
圖1是一種處理系統的方框圖，在其上可以實現按照本發明的表徵、調整和／或優化過程。可以用這個系統產生圖2A、2B、3A、3B、4A、4B、和5等各個示範性的曲線圖。
圖2A畫出一條兩維曲線，它表徵整體網絡性能，包括用於確定最佳性能的權衡曲線。
圖2B畫出一組對不同網絡資源量得到的網絡權衡曲線。
圖3A畫出一條非優化的網絡曲線，其上表明，業務量密度的空間分布與網絡容量不匹配。
圖3B畫出一條優化的網絡曲線，其上表明，業務量密度的空間分布與網絡容量確實匹配，所以網絡容量是最大化的。
圖4A畫出完全覆蓋的網絡的一條容量曲線。
圖4B畫出有覆蓋空洞的網絡的一條容量曲線。
圖5按照本發明畫出的曲線表明，對各種網絡配置，用Monte Carlo方法獲得的各個網絡性能點。
下面，結合示範的無線網絡信息處理技術在以計算機為基礎的處理系統中的實施，說明本發明。但是，應當指出，本發明不限於使用任何特定類型的處理系統。披露的技術適用於廣泛的各種不同系統，且有許多另外的應用。此外，所說明的技術可用於許多不同類型的無線網絡，包括帶有移動用戶單元，固定用戶單元，或移動和固定單元的組合的TDMA、FDMA、和CDMA網絡。這裡使用的「無線網絡」一詞，包括這些和其他類型的網絡，以及這類網絡的子網絡或其他部分，以及多種網絡的組合。這裡使用的「優化」、「優化的」和「使優化」等詞，應當理解為包括任何類型的網絡性能的改進，如，某種改進給出被某已知應用認為可以接受的性能。因此，這裡使用的這些詞，並不要求任何類型的真正的優化，諸如某一特定性能函數的實際的最小化或最大化。
本發明是針對用處理器實現的、用於無線網絡的表徵、調整和／或優化的方法和設備。
圖1畫出一種示例的處理系統10，在其上可以實現按照本發明的表徵、調整和／或優化技術。處理系統10包括一處理器12和一存儲器14，通過總線16連接，以便通信。系統10還包括與總線16連接的輸入／輸出(I／O)控制器18，以便與處理器12和存儲器14通信。與處理器12連接的I／O控制器18操縱若干個外圍部件的運行包括一顯示器20、一印表機22、一鍵盤24、和一外部存儲器26。
系統10的一個或多個組件，可以代表部分桌面或部分可攜帶的個人計算機、部分工作站、部分微計算機、部分主機、或部分其他類型基於處理器的信息處理裝置。存儲器14和外部存儲器26可以是電子的、磁的、或光的存儲器。外部存儲器26可以包含無線網絡信息的一個資料庫，如關於無線網絡運行參數信息的資料庫等，它被用於產生下面將要說明的曲線圖的顯示。外部存儲器26可以是一單個的裝置，也可以是分布裝置，如分布在多個計算機或之類上的裝置。這裡使用的「資料庫」一詞，指包括可以結合網絡的表徵、調整和／或優化技術使用的、存儲數據的任何裝置。
本發明至少部分可以用計算機軟體程序的形式實現，軟體程序存儲在存儲器14或外部存儲器26中。這個程序可以由處理器12按照用戶提供的輸入數據執行，以預定的格式產生需要的輸出，例如顯示在顯示器20上，或由印表機22列印輸出。用戶提供的輸入數據，可以由鍵盤24鍵入、可以從外部存儲器26的一個或多個文件讀取、或從與網絡連接的某個伺服器或其他信息源獲得。
本發明為無線網絡整體性能的表徵、調整和優化，提供改進的技術。在本發明的一個示範的實施例中，特定網絡配置的整體網絡性能，由兩個分量的一個矢量表徵，一個分量代表網絡覆蓋，另一個分量代表網絡容量。按照本發明，網絡覆蓋用包括幹擾的負載不足的服務似然性來方便地定義，而且可以用業務量密度來進一步加權。網絡容量用能按給定總的目標阻塞率被服務的給定空間分布的業務量來方便地定義。已經確定，這些定義能對網絡資源使用的好壞，提供精確和充分的定量評估。
圖2A畫出一個兩維的容量／覆蓋曲線圖的例子，它可以用按照本發明的圖1的系統產生。該圖對各種網絡配置，描繪出整體網絡性能矢量，每一個包括一網絡容量分量和一網絡覆蓋分量。因此，該圖能對不同網絡配置，以直觀的、十分清晰和有效的形式，比較它們的整體網絡性能。它還對示範性實施例的兩種競爭的網絡性能屬性之間的權衡，即網絡容量和網絡覆蓋之間的權衡，給出一種直觀的了解。在圖中，不帶陰影的圓代表與網絡任意設置值有關的網絡性能矢量，而帶陰影的圓代表最大化的整體網絡性能的權衡點。
因此，可以針對給定的網絡參數子集合，利用根據網絡容量和網絡覆蓋的整體網絡性能分類，改進或優化整體網絡性能。這一步可以用優化算法完成，這一算法推薦潛在的網絡配置，並對它們的整體網絡性能加以評估。相應的網絡性能點描繪在容量／覆蓋圖上。凡算法考慮到的一切網絡配置所形成的外包絡上的那些配置，代表此過程找到的網絡的最佳權衡曲線。
圖2B按此方式產生的一組權衡曲線例子，每一權衡曲線對應於使用不同的網絡資源量，如不同的小區數目。權衡曲線以十分清晰的方式指出，能夠通過增加資源量來改善整體網絡性能。
上述在示範的實施例中的優化過程，可以使用能確定足夠多網絡配置的任何算法。例如，此算法可以是直接尋找網絡配置的最佳權衡曲線的數學上的優化算法。這種算法一般在較短的時間內查找較好的權衡曲線。另外，可以用某種數學上的算法，嘗試對不同的目標進行優化。例如，可以用頻率規划算法。每一頻率規劃，產生權衡曲線上的一點，而權衡曲線代表由頻率規划算法產生的最佳的頻率規劃集合。如前指出，這種頻率規划算法的有關例子，是由Asset網絡設計工具提供的，來自Aircom，www．aircom．co．uk。甚至可以用通過隨機過程來改變某些網絡配置的例程。
因為上述原理與所用的特定算法無關，所以它代表改善和／或優化整體網絡性能的某種方法論。根據這個方法論，可以發展出更細緻的算法。特定算法的質量，能夠用它在上述整體網絡性能的容量／覆蓋分類下，對網絡能作的改善來衡量。
對特定權衡曲線的改進／優化過程，總帶寬和其他重要的網絡資源應當稍加限制。如上面結合圖2B的一組權衡曲線所示，使用不同的資源集合，如，更多的基站或更大的帶寬，將得到不同的權衡曲線，這一點從一條曲線就可以看見，它十分清楚地說明整體網絡性能有關的變化。這一曲線還指出，使用可比較的資源的各種網絡設計之間，整體性能有什麼不同。
應當指出，在該示範性實施例中，網絡覆蓋和網絡容量兩種性質能夠以別的實施例中有關性質代替。例如，網絡覆蓋能夠與統計的網絡量度標準如「呼叫方失效」相聯繫，而網絡容量能夠與「給定業務量負載下總阻塞率」或簡稱「被阻塞呼叫率」相聯繫。這些性質，連同其他由網絡統計導出的類似性質，與網絡覆蓋和網絡容量緊密相關，且基本上攜帶相同或類似的信息。因此，這裡使用的「網絡覆蓋」和「網絡容量」等詞，要包括任何這類相關的性質。
現在更詳細說明上述示範性實施例的一個示範性的實現。在此實現中，當某個通信鏈路能夠恰當地始發和終接時，並當在鏈路啟動時間內業務量有足夠的鏈路質量時，某個地點被認為覆蓋。這些條件可能包括不同鏈路要求的若干通信信道。
例如，在IS-95 CDMA系統中，當最強的導頻相對於總幹擾電平有足夠的信號強度時，可以考慮前向鏈路被覆蓋，總幹擾包括所有其他通信信道的幹擾和噪聲Ecik/Ioikc,Ioik=kkEtotik+(1-b)Etotik+NFiNo,]]>(1)這裡Ecik扇區k在移動臺i的天線部分的導頻功率。
Ioik在移動臺i的天線部分，相對於扇區k的導頻的幹擾功率。
Etotik在移動臺i的天線部分，從扇區k接收的總功率。
b導頻功率對小區或小區扇區的總功率的百分比。
NFi移動臺噪聲值。
No熱噪聲本底。
θc固有的導頻信號恢復閾值。
在反向鏈路，當基站能夠以足夠的相對信號強度接收所有移動臺時，就獲得覆蓋Sik/IikRVS,Iik=jiSjk+NFkNo,]]>(2)這裡Sik在扇區k天線部分，來自移動臺i的信號功率。Iik在扇區k天線部分，相對於來自移動臺i的導頻的幹擾功率。NFk移動臺噪聲值。No熱噪聲本底。
θRVS在反向鏈路中固有的移動臺信號恢復閾值。
當前向鏈路和反向鏈路兩者都被覆蓋時，某個位置就被覆蓋。這些條件必須只就一個小區或一個小區的扇區，即最強的伺服器，對每個用戶都滿足。在反向鏈路中，能夠從軟越區切換獲得附加的分集增益。這一增益能夠加到總鏈路預算中去。
按照本發明，覆蓋函數定義如下 用覆蓋函數對目標覆蓋區域(TCA)積分，能夠定義整個區域的加權的覆蓋範圍Covtot=TCACov(x,y)dxdy/TCAdxdy]]>(4)另外，能夠用下式定義整個業務量的加權的覆蓋範圍Covtot=TCATD(x,y)Cov(x,y)dxdy/TCATD(x,y)dxdy]]>(5)這裡TD(x，y)是指局部業務量密度函數。此整個業務量加權覆蓋範圍更好地代表統計的網絡性能，因為它對高業務量區域的加權大於低業務量區域的加權。
如果評估時用位置的離散集而不是連續集，那麼，方程式(4)和(5)的積分可以用求和來代替。為了統計地表示覆蓋的評估，位置的數目應足夠多且足夠密。另外，評估能夠用基於道路的網格來完成，如前面舉出的美國專利所述U．S．Patent Application of K．L．Clarkson等，標題為「Road-based Evaluation and Interpolation of WirelessNetwork Parameters」。
在接收機輸入上的個別功率電平，可從，例如，常規的網絡設計工具、從安裝地點的測量、從網絡性能統計、或從這些和別的技術的組合等獲得。
按照本發明，網絡的總容量是就空間上變化的業務量分布而定義的。這個定義避免向沒有業務量的地方提供太多的資源，而高業務量的區域則缺乏資源。這種狀況會導致在某些區域資源使用率低，而在別的區域出現高阻塞率。
對正在運行的網絡，網絡容量能夠相對於一個特定的總目標阻塞率BR0來規定 這裡，失敗嘗試數是可歸因於網絡資源超載的服務始發失效數。
圖3A表明一種情況，其中，對給定業務量分布而不是簡單地把所有小區相加的網絡，上述網絡容量定義可能導致大大降低容量值。在此圖中，目標業務量負載的空間分布(實線)，與可用網絡容量(方塊)不匹配。因此，某些小區容量太小(在左側和右側的小區)，而別的小區容量太大(在中心的小區)。為了保持整個網絡的阻塞率在一個小的目標值(小的「被阻塞業務量」區域)，必須大大縮減總的業務量(點線)。在此圖中，簡單地把所有小區容量相加(所有方塊的面積)，將得到一個符合開始的業務量分布(實線下的面積)的總容量值，且大大高於用上述網絡容量定義獲得的值。
圖3B對一個優化的網絡畫出相同的情況。因為在這種情形下，容量分布和業務量互相匹配，所以能夠在目標阻塞率下處理的業務量(點線)是最大的。
下面，把示於圖3B的情況模型化。假定整個網絡只有一種業務量類型。各個小區或小區的扇區，k，都有可以服務的特定的業務量信道數Гk。每個扇區，這個業務量信道數可以不同。此外，已知空間業務量分布TD(x，y)，它已用網絡的目標容量歸一化TCATD(x,y)dxdy=TCap,]]>這裡TCap是網絡的目標容量，而TCA是目標覆蓋區域。這一業務量分布以厄朗(Erlang)為單位給出。
雖然業務量分布TD(x，y)用目標容量歸一化，但在總目標阻塞率BR0下的網絡，能處理的業務量是τ·TD(x，y)，它可能顯著變小。業務量負載乘數τ顯然依賴於目標阻塞率□=□(BR0)。
在每個小區或小區的扇區k，總業務量負載是τ·TDkTDk=C(k)TD(x,y)dxdy,]]>
這裡C(k)是k的覆蓋區域，即服務請求由k處理的區域。依照熟知的集群理論，與小區或小區的扇區k相關的阻塞率BRk(τTDk，Γk)為 小區或小區的扇區k中被阻塞的業務量，BTk(τTDk，Γk)，是小區阻塞率和小區業務量的乘積BTk(τ TDk，Γk)=τTDk·BRk(τTDk，Γk)(9)整個網絡中被阻塞的業務量總量，是對每個小區的被阻塞業務量求和BTtot=∑kτTDk·BRk(τTDk，Γk)(10)由此式可得整個網絡的總的全部阻塞率，它由被阻塞業務量總量和總業務量之比給出BRtot=∑kτTDk·BRk(τTDk，Γk)／τTC(11)此式定義一個函數BRtot(τ)，求解BRtot(τ)=BR0，可得到業務量乘數τ，這裡BR0是總的目標阻塞率。
在上面的計算中，τ代表在目標阻塞率下對給定業務量分布的網絡容量。但是，這一定義一般只在完全覆蓋下才是合理的。對有覆蓋空洞的實際網絡，網絡容量由如下定義取代網絡容量=τ·網絡覆蓋(12)這裡的網絡覆蓋定義如前。此定義表示的容量，是在目標阻塞率下目標網絡區域上能夠服務的總業務量負載。
圖4A和4B說明在這種情形下網絡覆蓋所受的影響。兩個圖畫出的情況是，業務量密度分布與提供給每小區的容量互相準確匹配。因此，容量在兩種情形中應是100％。但是，在圖4B，網絡有一個大的空洞。在此區域未被利用的容量資源被重新分配，供網絡覆蓋的區域使用。這一步使τ增加了1／覆蓋(點線對實線)。但是，能夠被服務的業務量總量並沒有增加。為計及這一點，網絡容量應按方程式(12)定義。
應當指出，為了確定一個小區或小區的扇區必須處理的業務量，每個小區或小區的扇區的覆蓋區，C(k)，必須已知。
按IS-95 CDMA標準，如果方程式(1)的條件在前向鏈路中被滿足，可以把某用戶分配給某個小區或小區的扇區。如果此條件被好幾個小區或小區的扇區滿足，則該用戶處于越區切換狀態，就是說，使用所有這些小區或小區的扇區的資源。一般說，IS-95網絡的用戶，最多可分配到三個小區。因此，在這種網絡中的覆蓋區C(k)，定義為k導頻在滿足方程式(1)條件的三個最強導頻中的區域。
如前所述，個別導頻電平可從網絡設計工具、從安裝地點的測量、或從這些技術與別的技術的組合中獲得。
為了確定特定網絡配置的整體性能矢量，可如前所述，通過計算負載和容量而得到相應的整體性能點。
一般說，任何目標函數可以和任何優化過程一起使用，按上述方式把網絡優化。
在上面的分類框架下，為直接把整體網絡性能優化，必須同時處理兩個競爭的目標函數。這種優化過程將導致在容量／覆蓋圖中一條權衡曲線，它代表優化過程能夠找到的在此分類下的最佳性能。在這種優化過程中，通過把兩個目標函數之一，比如覆蓋優化，而把另一個目標函數，如容量，作為約束，可以達到目的。對各種不同的約束值，重複這個過程，這個優化過程將產生所要的權衡曲線。
為了在該權衡曲線上得到一個點，一個新的目標可以定義如下新目標=a·覆蓋+(1-a)·容量，a∈
。
對新目標的優化將得到權衡曲線上的一個點。對不同的a值重複這一過程將給出整條權衡曲線。
上述優化過程有兩種可能的實施辦法，即，Monte Carlo過程和用頻率規劃工具的優化過程，現在加以說明。
在Monte Carlo過程中，用常規的設計工具，對網絡的某組特定參數，如初始的配置，評估運轉中的網絡的RF鏈路的量度標準。這一評估可以在一地理的柵格上完成。為了網絡性能的統計上有意義的表述，柵格點的數量要足夠密。從該柵格上的RF鏈路量度標準的數據和初始的網絡配置，按照上述分類，計算整體網絡性能。得到的整體網絡性能點描繪在容量／覆蓋圖上。
可調節的由優化過程支配的網絡參數中，至少有一個子集是在隨機過程中改變的。對網絡參數的每一個隨機集合，用設計工具對RF鏈路的量度標準重複計算。按上述評估整體網絡性能，並描繪在容量／覆蓋圖上。所有整體性能點的外包絡，定義為此優化過程獲得的權衡。
圖5畫出整體網絡性能點的曲線的一個例子，它是把上述MonteCarlo方法用於各種網絡配置而得到的。其外包絡構成此過程獲得的最佳權衡。
如上所指出，另一種可能的實現辦法，是用頻率規劃工具來優化。為了根據其頻率規劃來優化一個網絡，可以結合某種頻率規划算法(如，上面指出的Asset頻率規劃工具)，使用某種設計工具。對每一個頻率規劃，用該設計工具在足夠精確的柵格上，計算RF鏈路量度標準。從RF鏈路量度標準的每一柵格，按照上述的分類，確定整體網絡性能。從得到的點的集合，以前述方式確定最佳的權衡。
權衡曲線能夠按如下方式確定。假定在整體性能曲線(如圖5)上給定一個點的集合。點的這個集合可以是從優化算法得到的。該權衡曲線代表最佳網絡性能的點，可以用如下算法找到／*集合中有n個點，每個點有一個唯一的指標i=1，．．，n。
／*與網絡覆蓋和網絡容量有關的值是(Covi，Capi)。
／*下面簡單的循環結構可找出權衡曲線for(i=1；i≤n；i+=1){for(j=1；j≤n；j+=1){if((Covj＜Covi)∧(Capj＜Capi)){Covj=0；Capj=0}}{
餘下的非零點構成上面指出的權衡曲線。
現在按照本發明，詳細說明基於導數的優化過程的一個例子。這個優化過程，就許多數學上連續的網絡參數，針對一個整體網絡性能量度標準的一個目標，把無線網絡的性能優化。
這個優化過程中的這個目標，是作為一組網絡可調節參數的一個數學的或數值的函數而公式化的，這些參數在優化過程中是可變動的。按照本發明，該優化過程以目標函數對網絡的可調節參數的準確的或近似的一階或高階導數為基礎。因為可調節參數是數學上連續的，且整體網絡性能量度標準是局部可微的，就是說，參數設置值的微小變化，只引起網絡性能的微小變化。適於結合本發明使用的數值優化程序的例子，如Robert Fourer，David M．Gay，Brain W．Kernigham，″AMPL-A Modeling Language for Mathematical Programming，″The Scientific Press(1993)，Philip E．Gill，Walter Murray and MichaelA．Saunders，"SNOPAn SQP Algorithm for Large-Scale ConstrainedOptimization，＂NA97-2，Dept．of Math．，UC San Diego(1997)，andPhilip E．Gill，″User＇s Guide for SNOP 5．3A Fortran Package forLarge-Scale Nonlinear Programming，″1997。
如果數學上連續的網絡參數，實際上施行時是以足夠小的步長進行離散設置值的，那麼，這些設置值可在優化過程之後把優化配置的設置值進行四捨五入得到。因為整體網絡性能對其變量是連續的，從而其最大值或最小值是光滑的，所以四捨五入不會嚴重影響整體網絡性能。
上述優化過程有許多優點。例如，把整體網絡性能寫成多個可調節參數的函數，從而獲知它們對網絡性能的互相關聯的作用，並在優化過程中加以考慮。另一個優點是，利用整體網絡性能量度標準對網絡可調節參數的解析性質，能開發標準的優化算法，以便完成整體網絡性能的優化。
在上述優化過程中能夠優化的目標，其例子如下1．網絡覆蓋的最大化。如前指出，網絡覆蓋可以用被局部覆蓋的區域的百分比定義，而且還可以用業務量密度加權。局部覆蓋可以通過在負載不足，包括幹擾，的某個地點上服務的似然性來定義。
2．網絡容量的最大化。如前指出，網絡容量可以用給定空間分布的業務量來定義，此空間分布能在給定的總目標阻塞率上使用。
3．網絡資源的最小化。此類目標可以指任何種類的網絡資源。
4．上述目標中兩個的任何組合，形成優化配置的一個一維解空間。解空間能夠在兩維圖中描繪成一曲線，表示兩個目標間的權衡，如圖2A和2B中所示。
5．與上述目標直接有關的任何目標。例如，「在給定業務量負載上的總阻塞率」與網絡容量有關，因為其中之一的單調函數能夠描述為另外一個的單調函數。
能夠用於優化過程的網絡可調節參數的例子，包括如下參數1．天線參數，如，位置，高度，取向，傾斜度，方位角和仰角束寬。
2．每通信信道和鏈路的功率電平。
3．越區切換閾值。
4．每小區或小區扇區的信道單元數(如果數量足夠大，可按連續處理)。
5．與鏈路有關的物品的費用，如，每個功率放大器所要求的功率，等等。
優化可以對這些參數的一個大的集合進行，如所有小區扇區的天線傾斜度等。這樣可以獲知它們對網絡性能的互相關聯的作用，並在優化過程中加以考慮。
所有不變的參數應在優化過程中按常數處理，如，固定的網絡參數、在此環境下與傳播相關的參數、空間業務量分布、通信標準，等等。對被選作優化過程的上述目標中的每一個目標，其他目標在處理時應作為約束。例如，網絡覆蓋能夠對給定的總業務量進行優化，給定的總業務量約束著網絡容量，如此等等。此外，所有可調節參數的變化範圍，最好限定在這些參數能夠或應該工作的實際範圍。
建模給定目標與網絡可調節參數變量之間的函數相關性，會涉及傳播效應、通信信道間的相互作用、以及標準的且專用的參數。因為整體網絡性能量度標準是從網絡性能的時間平均收集的，所以能夠用統計模型把傳播效應和相互作用公式化。這類模型在常規的網絡設計工具中都有概括的說明，因此容易推廣到某個特定的網絡。傳播的預測可以用，例如射線跟蹤模型，或用實際安裝地點的測量結果加以改善。
優化算法本身可以是，比如說，任何常規的算法，它根據準確的或近似的一階或高階導數，把數字的或數學的函數優化。這些導數能夠用數值方法或解析方法計算。
現在說明上述基於導數的優化過程的一個示範性實施。
在這個實施中，網絡覆蓋目標定義如下。當某個通信鏈路能夠恰當地始發和終接時，並當該鏈路啟動時間內業務量有足夠的鏈路質量時，某個位置被認為覆蓋，即，存在局部覆蓋。這些條件可能包括不同鏈路要求的若干通信信道。
在這個基於導數的優化過程的示範性實施中，網絡容量和網絡覆蓋目標可以按前述方式，結合網絡覆蓋與網絡容量間的權衡加以定義。
一個網絡資源目標可以按如下方式定義。可能有各種資源要最小化。例如，功率放大器的總的硬體費用，以每小區扇區或小區的功率電平要求表示，可以最小化。在IS-95 CDMA系統中，每扇區的功率電平要求，分別由業務量信道數及其平均功率電平Ptraffic，和導頻、同步、與尋呼信道所需額外開銷PPilot，PSynch，PPage給出。功率放大器可以一致地把每信道功率電平縮減某個因子λk，或減小業務量信道數Гk，而按比例縮小，這裡，總功率由下式給出Ptotk=λk·(PPilot+Psynch+PPage+Гk·PTraffic)k每個功率放大器的費用是其功率的單調函數COGk(Ptotk)。這個函數應當是解析的。整個網絡的功率放大器的費用是COGtot=∑kCOGk(Ptotk)RF環境可按如下方式被建模。這個舉例的建模過程是針對IS-95 CDMA系統的，並考慮了潛在用戶地點即移動臺與基站或基站扇區之間的鏈路。
1．在此環境中定義目標覆蓋區。
2．定義目標業務量分布，給出每面積的業務量密度TD(x，y)(如，Er／km2)。這一業務量密度可以從現場業務數據導出。最好把這個業務量密度在目標覆蓋區對網絡的目標容量規一化TCATD(x,y)dxdy=TCap]]>3．在目標覆蓋區產生一個柵格或網格，柵格點代表潛在的或實際的用戶。可以用以道路為基礎的網格，如在前面列舉的專利所述U．S．Patent Application of K．L．Clarkson等，標題為「Road-basedEvaluation and Interpolation of Wireless Network Parameters」。
a)柵格點指標1…i…n。
b)柵格點位置Yi=(xi，yi)。
柵格的間隔在目標覆蓋區域可以變化，例如，在計及業務量密度的變化時。
4．把業務量密度分配給每一個柵格點TDi=TD(xi，yi)·G2i(Erl)，這裡Gi是局部柵格間隔。
5．代表某個潛在用戶收發機的每一個柵格點，可表徵為a)相關天線數據，如高度，輻射圖(方位角，仰角)，天線取向，傾斜角hi，gi(θ，φ)，αi，βi。
b)在天線部分的發射功率(Tx功率)電平Pi。
c)在天線部分從基站k接收的總接收功率(Rx功率)電平Etotik=Lik·Ptotk。
d)基站k在天線部分的導頻信道Rx功率電平Ecik=Lik·Pck，這裡Lik是一般的路徑損耗因子，下面還要說明。
e)熱噪聲本底+外部幹擾N0f)用戶接收機的噪聲本底NFi6．基站或基站扇區都有指標和位置a)基站指標1…k…m。
b)基站位置Xk=(Xk，yk)7．每一個基站或基站扇區可表徵為a)相關天線數據，如高度，輻射圖(方位角，仰角)，天線取向，傾斜角hk，gk(θ，φ)，αk，βk。
b)在天線部分可用的最大Tx功率Ptotkc)在天線部分導頻信道的Tx功率電平Pck=bk·Ptotk。
d)在天線部分移動臺的Rx功率電平Sik=Lik·Pi，這裡Lik是一般的路徑損耗因子。
e)熱噪聲本底+外部幹擾，包括衰落儲備N0f)用戶接收機的噪聲本底NFk。
g)業務量信道的最大數目Гk。
8．路徑損耗計算要計算一種傳播路徑損耗矩陣PLik。PLik分配從第k個基站或扇區的天線連接器至第i個移動臺收發機的天線連接器的傳播損耗。使用的特定模型高度依賴於局部的地貌和拓撲。預測路徑損耗平均值的適當的模型，在如「Cellular System，Design Optimization，」Clint Smith，P．E．，and Curt Gervelis，EditorMcGraw-Hill(1996)中有描述。這些模型基本上具有如下形式PLik=PL0·(dik．／d0)k這裡PLik在BSk和移動臺i之間的路徑損耗。
dik=‖Xi-Yk‖。
利用熟知的Hata模型，在PLik中的參數的例子有PL0=6．995·(fc(MHz))2．616·(hk(m))-1．382d0=1kmk=4．49-0．655·log10(hk(m))這些參數代表高為1．5米，並在都市環境下的一個移動臺的路徑損耗。對郊區環境，PLik縮減9．88dB，而對鄉村區域，則縮減28．41dB。
作為這一步驟的一部分，要確定一個普遍的路徑損耗矩陣Lik，它包括除路徑損耗外，所有從BS k的天線連接器到移動臺i的天線連接器的鏈路預算中的參數。它還包括移動臺和基站天線的天線圖和增益。因為在這個例子中的傳播模型是個統計模型，Lik應當還包括Raleigh衰落和對數正態衰落的儲備，如見「Cellular System，Design Optimization，」Clint Smith，P．E．，and Curt Gervelis，EditorMcGraw-Hill(1996)，和William C．Y．Lee，「Mobile Communications，Design Fundamentals，」2nd edition，John Wiley Sons，Inc．(1993)。普遍的路徑損耗矩陣由下式給出Lik=Ω·PLik／(gk(θ-αk，φ-βk)·(gi(θ-αi，φ-βi))。
所有固定損耗和增益參數由Ω總括。方向角和仰角θ，φ由cosθ=Xi·Yk，tanφ=( )／dik定義，這裡 =hk+H(xk，yk)，和 =hi+H(xi，yi)。這裡H(x，y)是地面高程。更細緻的地面效應，如在高山上的偏折，也可以包括在內。
9．把用戶分配至扇區，是在前向鏈路中完成的。為簡單計，忽略軟的越區切換。如果iAkEcik/Ioik=maxl(Ecil/Ioil),]]>則某用戶i被分配至扇區k。這裡Ak是扇區k的分配區域。10．然後，總的覆蓋計算如下a)前向鏈路如果iBfk(iAk)^(Ecik/Ioik)>c,]]>則某用戶具有局部前向鏈路覆蓋，這裡 Bfk扇區k的前向鏈路覆蓋區域。b)反向鏈路如果iBrk(iAk)^(Sik/Iik)RVS]]>則某用戶具有局部反向鏈路覆蓋，這裡Sik=Pmax/maxiAk(Lik)]]>Pmax最大移動臺功率電平。這一點假設反向鏈路中的功率控制是完善的。在分配區域中，從移動臺接收的功率電平全都相同。它們的最大值由該扇區中最大移動臺功率和最大路徑損耗給出。而且，Iik=ljBuTDjSjlLjlLjl+NFN0]]>這裡Bfk是扇區k的反向覆蓋區域。c)總局部覆蓋iCk(iBfk^iBrk)]]>此式定義局部覆蓋函數 網絡覆蓋Covtot由下式給出Covtot=kiCovikTDi/niTDi,]]>n移動臺總數。
11．總容量計算TDk=iCkTDiBRk(TDk,k)BRtot(BRtot)]]>如上所述。於是總容量由τ·Covtot定義。
12．資源的計算如上面所給出，Ptotk=λk·(PPilot+PSynch+PPage+Гk·PTraffic)k這一步完成了RF環境的建模過程。
在這個基於導數的優化過程的實施辦法中，適合優化的網絡可調節參數變量的若干實例，現在將加以說明。下面的網絡參數能夠用作優化的變數1．天線數據高度，取向，傾斜角hk，αk，βk。
2．天線位置Yk。
3．各個通信信道的發射功率電平Ptotk，PPilot，PTraffic。
4．信道單元量Гk。雖然這不是一個連續參數，但它可以在某種數學意義下當作連續參數處理。
5．功率放大器遞減因子λk現在說明導數函數的方程式。導數可以按數學的或數值的方式處理。如果選擇數值處理，導數可以用有限差分定義如下ddkCovtot(k0)=Covtot(k0+k)-Covtot(k0)k]]>在優化過程中，可以對任一個別的目標函數或變量，寫出相同的或類似的方程式。
因為上述柵格是離散的，當變量連續變化時，分配給扇區的移動臺將按離散的步長出現。要對導數獲得合理的結果，一般需要為△βk把柵格選得足夠細和足夠大的值。這個問題容易通過使柵格間隔越來越細地運行優化過程而得到檢驗。當優化結果收斂時，已經對特定的一組△βk找到足夠細的柵格間隔。另外，導數能夠解析地確定。這種基於道路內插技術的一種實施辦法，在上面所舉的專利中有說明U．S．Patent Application of K．L．Clarkson等，標題為「Road-basedEvaluation and Interpolation of Wireless Network Parameters」。
在基於導數的優化過程中，目標函數、約束、和目標函數對所有網絡可調節參數的導數函數，都可以作為，例如數值函數而產生。得到的函數能夠用任何常規的數值優化程序處理，市場上出售這種程序，供優化使用。如上所指出，適於結合本發明使用的數值優化程序的例子，包括AMPL和SNOPT。
圖2A，2B，3A，3B，4A，4B，和5顯示的曲線，可以用，例如，系統10的處理器12執行軟體程序指令而產生。按照本發明適當配置的軟體程序，可以從例如一個或多個來源獲得網絡參數數據，按照本發明的優化過程處理網絡參數數據，並按所需格式顯示得到的網絡配置信息曲線。
上述本發明的實施例只是演示性的。例如，上述技術可以用於設計無線網絡，或優化或改善一個現有的已經投入運行的網絡。此外，本發明可以用於子網絡，如，給定的無線網絡的規定部分，也可用於許多不同種類的網絡，如，帶有移動用戶單元或固定用戶單元或移動與固定單元組合的網絡。包含在後面權利要求書範圍內的這些和許多別的實施例，對本領域的熟練人員是顯而易見的。
權利要求
1．一種由處理器實現的用於表徵無線網絡性能的方法，該方法的步驟包括確定多個網絡參數的值；和處理該網絡參數值，以產生該無線網絡性能的某種度量，該度量包括表示網絡覆蓋和網絡容量的諸分量。
2．按照權利要求1的方法，其中該網絡參數的至少一個子集包括鏈路參數。
3．按照權利要求1的方法，其中網絡覆蓋分量被定義，至少部分地可當作服務質量在規定閾值以上的區域對目標覆蓋區域的百分比。
4．按照權利要求3的方法，其中的服務質量包括該無線網絡某特定鏈路的至少一個通信信道。
5．按照權利要求1的方法，其中的網絡覆蓋分量按照某種加權因子加權。
6．按照權利要求5的方法，其中的加權因子代表某特定覆蓋區域內的業務量密度。
7．按照權利要求1的方法，其中無線網絡給定的通信信道的網絡覆蓋分量被配置成包括來自無線網絡中其他通信信道的幹擾，以便反映因業務量負載不足的覆蓋縮減。
8．按照權利要求1的方法，其中網絡覆蓋分量包括一個全部區域加權的網絡覆蓋分量，它的定義為Covtot=TCACov(x,y)dxdy/TCAdxdy]]>這裡TCA表示目標覆蓋區域，而Cov(x，y)是向給定位置(x，y)分配一個覆蓋指示的覆蓋函數。
9．按照權利要求8的方法，其中的覆蓋函數Cov(x，y)定義為
10．按照權利要求1的方法，其中的網絡覆蓋分量包括一個總的業務量加權的覆蓋分量，它的定義為Covtot=TCATD(x,y)Cov(x,y)dxdy/TCATD(x,y)dxdy,]]>這裡TD(x，y)是局部業務量密度函數及Cov(x，y)是向給定位置(x，y)分配一個覆蓋指示的覆蓋函數。
11．按照權利要求10的方法，其中覆蓋函數Cov(x，y)定義為
12．按照權利要求1的方法，其中網絡容量分量的定義，至少部分用到具有給定空間分布的業務量，並代表無線網絡與空間業務量分布匹配的能力。
13．按照權利要求1的方法，其中的網絡容量分量，還表示具有給定空間分布的業務量，此分布能由網絡結合規定的目標阻塞率承載。
14．按照權利要求13的方法，其中的規定目標阻塞率定義為 這裡失敗的嘗試數是歸因於網絡資源超載的服務始發失效。
15．按照權利要求13的方法，其中的網絡容量分量定義為網絡容量=τ·網絡覆蓋這裡τ是把業務量分布歸一化的乘數，且所設的值要使網絡能夠在規定目標阻塞率下處理相應的業務量。
16．按照權利要求1的方法，其中的網絡容量分量，至少部分由給定業務量負載下被阻塞的服務請求量來定義。
17．按照權利要求1的方法，還包括把無線網絡性能以兩維圖形表示的步驟，此圖能夠直觀地比較為多種不同網絡配置產生的不同網絡性能度量。
18．按照權利要求17的方法，其中的兩維圖，包括表示多種不同網絡配置的網絡性能度量，以便根據網絡覆蓋分量和網絡容量分量之間的權衡，說明多種配置之間的性能權衡。
19．按照權利要求17的方法，其中的兩維圖，包括對多種配置的每一種的一條權衡曲線，每一條權衡曲線包括多個點，每一點對應於一個網絡性能度量，它是在特定網絡資源約束下為相應配置產生的。
20．按照權利要求19的方法，其中權衡曲線的點的集合中，至少一個子集的外包絡，對多種網絡配置定義網絡覆蓋分量和網絡容量分量之間的最佳權衡曲線。
21．按照權利要求1的方法，還包括用優化算法把無線網絡性能優化的步驟，該算法產生推薦的網絡配置，其中推薦的網絡配置用網絡性能度量來評估。
22．按照權利要求21的方法，其中的優化算法包括頻率規劃工具。
23．按照權利要求21的方法，其中的優化算法包括一種基於導數的優化過程。
24．按照權利要求1的方法，還包括用優化算法把無線網絡性能優化的步驟，該優化算法對性能度量中網絡覆蓋分量和網絡容量分量的至少一個的規定值，確定一種網絡配置。
25．按照權利要求24的方法，其中的優化算法，對除特定的網絡覆蓋或網絡容量之外的一個目標，確定一種網絡配置。
26．按照權利要求24的方法，其中的優化算法在與其他分量有關的不同約束值下，對網絡覆蓋分量和網絡容量分量中特定的一個進行優化。
27．按照權利要求24的方法，其中的優化算法對規定為網絡覆蓋分量和網絡容量分量的線性組合的一個網絡性能目標，進行優化。
28．按照權利要求27的方法，其中的網絡性能目標規定為a·覆蓋+(1-a)·容量，a∈
。這裡「覆蓋」指網絡覆蓋分量，而「容量」指網絡容量分量。
29．一種用於表徵無線網絡性能的設備，此設備包括一種以處理器為基礎的系統，它有效地(ⅰ)確定多個網絡參數的值；和(ⅱ)處理網絡參數值，以產生無線網絡性能的一種度量，該度量包括代表網絡覆蓋和網絡容量的分量。
30．一種製品，包括存儲一個或多個軟體程序的計算機可讀介質，用於表徵無線網絡性能，其中的一個或多個程序，當由處理器運行時，執行如下步驟確定多個網絡參數的值；和處理網絡參數值，以產生無線網絡性能的一種度量，該度量包括代表網絡覆蓋和網絡容量的分量。
31．一種用處理器實現的用於表徵無線網絡的性能的方法，該方法包括的步驟有確定多個網絡參數的值；和處理網絡參數值，以產生無線網絡性能的一種度量，該度量包括至少兩維的一個矢量並代表給定一組網絡資源下的無線網絡性能。
32．按照權利要求31的方法，其中的矢量包括與網絡覆蓋對應的第一維和與網絡容量對應的第二維。
33．一種表徵無線網絡性能的設備，該設備包括一種以處理器為基礎的系統，它有效地(ⅰ)確定多個網絡參數的值；和(ⅱ)處理網絡參數值，以產生無線網絡性能的一種度量，該度量包括一個至少兩維的矢量並代表給定一組網絡資源的無線網絡的性能。
34．按照權利要求33的設備，其中的矢量包括對應於網絡覆蓋的第一維和對應於網絡容量的第二維。
35．一種製品，包括存儲一個或多個軟體程序的計算機可讀介質，用於表徵無線網絡性能，其中的一個或多個程序，當由處理器運行時，執行如下步驟確定多個網絡參數的值；和處理網絡參數值，以產生無線網絡性能的一種度量，該度量包括一個至少兩維的矢量並代表給定一組網絡資源的無線網絡的性能。
36．按照權利要求35的製品，其中的矢量包括對應於網絡覆蓋的第一維和對應於網絡容量的第二維。
全文摘要
用於表徵、調整、和優化無線網絡整體性能的改進的技術。在一個示範性實施例中,對特定網絡配置的網絡整體性,由具有兩個分量的矢量表徵,在一個分量代表網絡覆蓋而另一個分量代表網絡容量。網絡覆蓋由包括幹擾的負載不足的服務似然性定義,且可以進一步用業務量密度加權。網絡容量由結合給定空間分布的業務量定義,此空間分布能在給定的總目標阻塞率下被服務。整體網絡性能可以用一個兩維的容量/覆蓋圖表徵。
文檔編號H04B7/005GK1295388SQ00133820
公開日2001年5月16日 申請日期2000年11月3日 優先權日1999年11月4日
發明者肯尼思·L·克拉克森, 卡爾·G·漢姆佩爾, 約翰·D·霍比, 保羅·M·曼基維治, 保羅·A·保拉科斯 申請人:朗迅科技公司