专利名称：多频无线网络的信道分配系统及方法
技术领域：
本发明是关于一种多频无线网络(Multi-frequency Wireless Network)的信道分配(Channel Allocaiton)系统及方法，尤指一种按需重整(Repacking on Denmand，RoD)的系统及方法，用以改善移动站的通话阻塞率(Call Blocking Probability)及通话切换率(Call Handover Rate)。
背景技术：
多频无线网络的特征在于含括多种运作在不同频带的基站(BaseStation)与运作在多种不同频带的移动站(Multi-frequency MobileStation)。多种基站具有多种不同大小的小区(Cell)以支持移动站收信。(在无线网络中，小区是指每个基站的信号涵盖范围，亦即移动站的可收信范围。)常见的多频无线网络如GSM 900/1800移动电话系统与UMTS第三代移动电话系统。在GSM 900/1800中，包括微小区(Micro-cell)及宏小区(Macro-cell)，此类宏小区/微小区结构为最常见的多频无线网络。在UMTS中，其小区大小由小而大包括超微小区(Pico-cell)、微小区、宏小区及超宏小区(Hyper-cell)等。由于较大小区可覆盖(Overlay)多个较小小区以形成阶层式小区结构(Hierarchical Cell Structure)，因此多频无线网络具有以下别称多阶移动电话系统(Multi-tier Cellular system)、多层(Multi-layered，Multi-level)移动电话系统、多模式(Multi-mode)移动电话系统及混合(Hybrid)移动电话系统等。
当多频无线网络的移动站建立连接(Connection)或进行切换(Handover)时，移动站可能在宏小区与微小区内，因此多频无线网络系统必须分配宏小区基站或微小区基站的无线信道(Radio Channel)给移动站使用。根据期刊论文[Rappaport，S.S.and Hu，L.-R.MicrocellularCommunication Systems with Hierarchical Macrocell OverlaysTrafficPerformance Models and Analysis.Proceedings of the IEEE，Vol.82，No.9，pp.1383-1397，Sep.1994]所揭示的一种基本方法系统优先分配微小区基站的一个无线信道(简称微小区信道)给移动站进行语音通话；若微小区信道皆无空闲(Idle)，系统再分配宏小区信道给移动站；如果宏小区也无空闲信道，则移动站将会塞机(Block)或被迫中断(ForceTermination)。美国专利第6205336号将此基本方法应用在非语音相关的通信系统上。由于移动站塞机会导致客户抱怨，所以通话阻塞率(即移动站每次拨接电话被塞机的机率)被用来评估移动电话系统的效能。为改善通话阻塞率，期刊论文[Beraldi，R.，Marano，S.，and Mastroianni，C.AReversible Hierarchical Scheme for Microcellular Systems withOverlaying Macrocells.Proc.of IEEE infocom，pp.51-58，1996]特别揭示一种方法当移动站建立连接或进行切换时，依旧使用基本方法分配信道，然而每当移动站完成连接或切换往其他小区而释放一个微小区信道时，系统会寻找一个在该微小区下并使用宏小区信道正连接中的移动站，将该移动站(如果找到)的连接由宏小区切换往微小区，使宏小区基站拥有最多空闲的无线信道。前述的由宏小区往微小区的移动站切换操作，称为重整(Repacking)。然而此方法的缺点在于每当微小区信道被释放，便有机会因重整而执行切换，导致通话切换率(即移动站每次连接的平均切换次数)过高，而增加系统的信令负担与影响移动站的通话质量。
在多频无线网络中，移动站的移动速度亦会影响通话切换率。当连接中的移动站以高速穿越多个微小区时，如果完全使用微小区信道进行连接，将造成过多次数的跨微小区切换(Inter-microcell Handoff)，导致通话切换率的提高。因此为降低系统的信令负担与避免影响移动站的通话质量，系统应以分配宏小区信道给高速移动站的连接为原则。有许多方法用来检测移动站是否高速移动，如多普勒频率(Doppler Frequency)量测，或美国专利第5822696号、美国专利第6192245号、美国专利第6175735号及美国专利第6192245号所揭示的方法等。由于本发明的重点在于针对不同移动速度的移动站采取不同的信道分配方法，而不在于移动站移动速度的检测，故前述移动站的速度检测方法不再赘述。
当多频无线网络的高速移动站建立连接或进行切换时，根据期刊论文[Maheshwari，K.and Kumar，A.Performance Analysis ofMicrocellization for Supporting Two Mobility Classes in CellularWireless Networks.IEEE Tran.on Vehicular Tech.，Vol.49，No.2，pp.321-333，Mar.，2000]所揭示的方法系统优先分配一个宏小区信道给移动站进行语音通话；如果宏小区信道皆无空闲，系统再分配一个微小区信道给移动站；如果微小区也无空闲信道，则移动站塞机或被迫中断。此外，每当宏小区信道被释放时，系统寻找一个使用微小区信道正连接中的高速移动站，将此高速移动站(如果找到)的连接由微小区切换往宏小区，以降低通话切换率。前述的由微小区往宏小区的高速移动站切换操作，称为取回(Taken-back)。此方法的缺点在于每当宏小区信道被释放时，便有机会因取回而执行切换，导致通话切换率过高。此外，期刊论文[Valois，F.andVeque，V.Preemption Policy for Hierarchical Cellular Network.5thIEEE Workshop on Mobile Multimedia Communication.pp.75-81，1998]揭示另一种方法系统优先分配宏小区信道给高速移动站进行语音通话；如果宏小区信道皆无空闲，系统寻找使用宏小区信道的慢速移动站，将此慢速移动站(如果找到)的连接由宏小区切换往微小区，回收宏小区信道再分配给予高速移动站以建立连接或进行切换，此动作称之为超越(Preemption)；如果无可超越的慢速移动站连接，再分配微小区信道给移动站；如果微小区也无空闲信道，则移动站塞机或被迫中断。但此方法的通话塞机率仍有待改善。
发明内容
本发明的目的在于提出一种多频无线网络的信道分配系统及方法，用以改善移动站的通话阻塞率及通话切换率，使移动站用户不再抱怨通话阻塞与通话质量，进而提升通信服务业者形象。
本发明的系统针对一般移动站或慢速移动站采用的按需重整方法进行信道分配。在按需重整方法中，当移动站建立连接或进行切换时，系统优先分配一个微小区信道给移动站；如果微小区信道皆无空闲，其次系统分配宏小区信道给移动站；如果宏小区也无空闲信道，再则系统进行重整(Repacking)。在重整过程中，系统确认有无重整候选连接(RepackingCandidate)，此重整候选连接必须包括两个条件1.此连接正使用宏小区信道；2.此连接的移动站所在的微小区基站具有空闲信道。如果有，选择一个重整候选连接，将该连接由宏小区切换往微小区，然后回收宏小区信道再分配给移动站以建立连接或进行切换；如果无任何重整候选连接，最后系统因无空闲信道而导致移动站塞机或被迫中断。
本发明的系统针对高速移动站采用高速按需重整(Repacking onDemand for High Speed Mobile Station)方法进行信道分配。在高速按需重整方法中，当移动站建立连接或进行切换时，系统检测该移动站为高速移动站，首先分配宏小区信道给该高速移动站；如果宏小区信道皆无空闲，其次系统寻找有无慢速移动站的重整候选连接；如果有，系统选择一个慢速移动站的重整候选连接，切换该连接由宏小区往微小区，然后回收宏小区信道再分配给高速移动站；如果无慢速移动站重整候选连接，系统分配微小区信道给高速移动站；如果微小区也无空闲信道，则系统再寻找有无高速移动站的重整候选连接；如果有，选择一个高速移动站的重整候选连接，切换该连接由宏小区往微小区，然后回收宏小区信道再分配给高速移动站；如果无高速移动站的重整候选连接，系统无法提供空闲无线信道给予该高速移动站，则高速移动站塞机或被迫中断。
本发明的特征在于重整时机是移动站建立连接或进行切换时，而非前述方法在每当移动站完成连接或切换往其他小区而释放微小区信道时。因此，仅在需要时机进行重整以达到降低移动站通话切换率的目的，并兼顾通话塞机率的降低。此外，针对高速移动站采用高速按需重整方法，亦具有降低通话切换率的功效。
为了使本发明的目的、特征及优点更容易理解，下面结合附图对本发明的实施例进行详细地描述。
图1是本发明的多频无线网络的系统结构(System Architecture)的实施例的示意图；图2是本发明的多频无线网络的小区覆盖(Cell Overlay)实施例的示意图；图3是本发明的按需重整方法实施例的处理流程图；图4本发明的高速按需重整方法的实施例的处理流程图。
附图中的标号说明100～105移动站110～113微小区基站120～121宏小区基站130～131信道分配中心140 外部网络 210～213微小区220～221宏小区具体实施方式
图1是为本发明实施例中，多频无线网络的系统结构图。多频无线网络的系统包括移动站(Mobile Station，MS)、微小区基站(microcell BaseStation，mBS)、宏小区基站(Macrocell Base Station)与信道分配中心(Channel Allocation Center)。移动站100、101、102、103、104、105，使用基站所提供的无线信道建立连接。微小区基站110、111、112、113或宏小区基站120、121皆提供有限个数的无线信道。信道分配中心130连接外部网络140，分配微小区基站110、111、112、113或宏小区基站120、121的无线信道给予移动站建立连接或进行切换。以下有几点值得注意一、此信道分配中心可为移动电话系统的基站控制中心(Base StationController)或行动交换中心(Mobile Switch Center)。此外，微小区基站与宏小区基站的信道分配中心不一定需要同一站点(co-located)，可特别设计成分离式(Distributed)；二、多频无线网络所提供的连接服务，含括语音通话或非语音通信，其中非语音通信连接方面包括电路交换数据(Circuit-switch Data)，封包交换数据(Paket-switch Data)或多媒体串流(Multimedia Stream)等；三、多频无线网络的移动站含括移动式或静止式，其中移动式移动站包括高速移动或慢速移动。移动式移动站可应用在多频移动电话(Multi-frequency Cellular)，静止式移动站可应用在多频无线区域回路(Multi-frequency Wireless Local Loop)；四、因宏小区/微小区结构为最常见的多频无线网络，本实施例将以此结构进行说明，但本发明并不限制应用于该结构。
图2是为本发明的实施例中，多频无线网络的小区覆盖图。其中，宏小区220为图1的宏小区基站120的信号涵盖范围，宏小区221为图1的宏小区基站121的信号涵盖范围，微小区210为图1的微小区基站110的信号涵盖范围，微小区211为图1的微小区基站111的信号涵盖范围，微小区212为图1的微小区基站112的信号涵盖范围，微小区213为图1的微小区基站113的信号涵盖范围。在图2中，宏小区220覆盖微小区210与微小区211，而宏小区221覆盖微小区212与微小区213。为了阐述本发明，移动站100、101、102、103、104与105在实施例中具有下述特征移动站100、101与102为一般慢速移动站，移动站103、104与105为高速移动站。移动站100在宏小区221与微小区212内，正企图建立连接。移动站101正往宏小区221与微小区212移动，与旧基站(如微小区基站111或宏小区基站120)的通信信号逐渐不良，企图与新基站(如微小区基站112或宏小区基站121)进行切换。移动站102在宏小区221与微小区213内，正与宏小区基站121连接中，因为微小区基站113具有空闲信道，故移动站102的连接是一个重整候选连接。高速移动站103在宏小区221与微小区213内，正与宏小区基站121连接中，因为微小区基站113具有空闲信道，故高速移动站103的连接是一个重整候选连接。高速移动站104在宏小区221与微小区212内，正企图建立连接。高速移动站105正往宏小区221与微小区212高速移动，与旧基站(如微小区基站111与宏小区基站120)的通信信号逐渐不良，企图与新基站(如微小区基站112或宏小区基站121)进行切换。
信道分配中心分配基站所提供的无线信道给予移动站以建立连接或进行切换。若系统不具检测移动站移动速度的能力，则针对所有移动站采用按需重整方法分配信道。若系统具备检测移动站移动速度的能力，则信道分配中心具有移动站移动速度资讯，信道分配中心将根据移动站移动速度的快慢分配无线信道，针对慢速移动站采用按需重整方法，而针对高速移动站则采用高速按需重整方法。
信道分配中心采用按需重整方法分配无线信道给予一般未知速度的移动站及慢速移动站。图3为按需重整的处理流程图，其步骤如下所述当移动站100企图建立新连接，或当移动站101正与旧基站进行连接时，因与旧基站的通信信号逐渐不良，故企图与新基站进行切换。此时，信道分配中心130启动按需重整流程(步骤300)。启动后，信道分配中心130确认微小区基站112有无空闲信道(步骤301)；如果有空闲的微小区信道，分配微小区基站112的一个空闲信道给予移动站(步骤302)，完成后流程结束(步骤340)；如果无，确认宏小区基站121有无空闲信道(步骤310)；如果有空闲的宏小区信道，分配宏小区基站121的一个空闲信道给予移动站(步骤311)，完成后流程结束(步骤340)；如果无，确认有无重整候选连接(步骤320)；如果有重整候选连接(如移动站102或移动站103的连接)，选择一个重整候选连接(步骤321)(如选择移动站102的连接)再执行被选择连接的切换(步骤322)(如将移动站102的连接由宏小区基站121切换往微小区基站113)，然后回收宏小区信道再分配给移动站(步骤323)，完成后流程结束(步骤340)；如果无重整候选连接，系统因无法提供空闲信道而导致移动站100塞机或移动站101被迫中断，则流程结束(步骤340)。值得注意的是，在选择一个重整候选连接的程序(步骤321)中，信道分配中心130可由多个重整候选连接中选择一个连接以进行切换，此程序的选择策略可以任意(Random)选取，选取所有重整候选连接中其微小区基站具有最多的空闲信道者，或选取最慢速的重整候选连接。
信道分配中心采用高速按需重整方法分配无线信道给予高速移动站。图4为高速按需重整的处理流程图，其流程步骤如下所述当高速移动站104企图建立新连接，或当高速移动站105正与旧基站进行连接，但因与旧基站的通信信号逐渐不良，企图与新基站进行切换。此时，信道分配中心130启动高速按需重整流程(步骤400)。启动后，信道分配中心130确认宏小区基站121有无空闲信道(步骤401)；如果有，分配宏小区基站121的一个空闲信道给予移动站(步骤402)，完成后流程结束(步骤450)；如果无，确认有无慢速移动站的重整候选连接(步骤410)；如果有慢速移动站的重整候选连接(如移动站102的连接)，选择一个慢速移动站的重整候选连接(步骤411)(如选择移动站102的连接)，再执行被选择连接的切换(步骤412)(如将移动站102的连接由宏小区基站121切换往微小区基站113)，然后回收宏小区信道再分配给高速移动站(步骤413)，完成后流程结束(步骤450)；如果无慢速移动站的重整候选连接，确认微小区基站112有无空闲信道(步骤420)；如果有，分配微小区基站112的一个空闲信道给予高速移动站(步骤421)，完成后流程结束(步骤450)；如果无，确认有无高速移动站的重整候选连接(步骤430)；如果有高速移动站的重整候选连接(如高速移动站103的连接)，选择一个高速移动站的重整候选连接(步骤431)(如选择高速移动站103的连接)，再执行被选择连接的切换(步骤432)(如将高速移动站103的连接由宏小区基站121切换往微小区基站113)，然后回收宏小区信道再分配给高速移动站(步骤433)，完成后流程结束(步骤450)；如果无高速移动站的重整候选连接，系统因无法提供空闲信道而导致高速移动站104塞机或高速移动站105被迫中断，则流程结束(步骤450)。值得注意的是，在选择重整候选连接的步骤411与步骤431中，信道分配中心130可由多个重整候选连接中选择一个连接以进行切换，此程序的选择策略可以任意选取或选取所有重整候选连接中其微小区基站具有最多的空闲信道者。
本发明采用按需重整方法，当移动站企图建立连接或进行切换时，特别将宏小区基站的信道加以重整，然后回收宏小区信道再分配给移动站使用，藉以降低移动站通话塞机率与通话切换率，使移动站用户不再抱怨通话阻塞与通话质量，进而提升业者形象。
以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰等，仍属本发明的专利涵盖范围。
权利要求
1.一种多频无线网络的信道分配系统，该系统包括至少一个信道分配中心，具备按需重整技术，分配微小区基站或宏小区基站的信道给予移动站建立连接或进行切换；多个微小区基站，提供有限个数的无线信道；至少一个宏小区基站，提供有限个数的无线信道，且信号涵盖范围覆盖多个微小区基站；多个移动站，使用无线信道建立连接。
2.如权利要求1所述的系统，其中该信道分配中心的按需重整技术在下列时机启动a.移动站企图与新基站建立连接；或b.移动站正在连接，但因与旧基站的通信信号逐渐不良，企图与新基站进行切换。
3.如权利要求1所述的系统，其中该旧基站包括宏小区基站或微小区基站。
4.如权利要求1所述的系统，其中该信道分配中心的按需重整技术包括下列步骤a.确认该移动站的微小区基站有无空闲的无线信道；如果有，该微小区基站是该移动站的新基站，分配该微小区基站的空闲无线信道给予该移动站建立连接或进行切换，完成后停止程序；如果无，继续以下步骤；b.确认该移动站的宏小区基站有无空闲的无线信道；如果有，该宏小区基站是该移动站的新基站，分配该宏小区基站的空闲无线信道给予该移动站建立连接或进行切换，完成后停止程序；如果无，继续以下步骤；c.确认该移动站的宏小区基站有无重整候选连接；如果有，该宏小区基站是该移动站的新基站，选择一个重整候选连接，将该重整候选连接由宏小区基站切换到微小区基站，分配该宏小区基站所回收的无线信道给予该移动站建立连接或进行切换，完成后停止程序；如果无，继续以下步骤；d.系统无空闲的无线信道给予该移动站建立连接或进行切换，即停止程序。
5.如权利要求4所述的系统，其中按需重整技术的重整候选连接可任意选取，或选取所有重整候选连接中其微小区基站具有最多的空闲信道者，或选取最慢速移动站的重整候选连接。
6.如权利要求1所述的系统，其中该信道分配中心可为基站控制中心或行动交换中心。
7.如权利要求1所述的系统，其中该连接包含语音通话或非语音通信。
8.如权利要求1所述的系统，其中该移动站包含静止装置或可移动装置。
9.如权利要求1所述的系统，其中该信道分配中心具备辨别高移动速度移动站的能力，采用高速按需重整技术对高速移动站分配微小区基站或宏小区基站的信道，以建立连接或进行切换。
10.如权利要求9所述的系统，其中该信道分配中心的高速按需重整技术在下列时机时启动a.高速移动站企图与新基站建立连接；或b.高速移动站正在连接，但因与旧基站的通信信号逐渐不良，企图与新基站进行切换。
11.如权利要求10所述的系统，其中该旧基站包括宏小区基站或微小区基站。
12.如权利要求9所述的系统，其中信道分配中心的高速按需重整技术包括下列步骤a.确认该高速移动站的宏小区基站有无空闲的无线信道；如果有，该宏小区基站是为该高速移动站的新基站，分配该宏小区基站的空闲无线信道给予该高速移动站建立连接或进行切换，完成后停止程序；如果无，继续以下步骤；b.确认该高速移动站的宏小区基站有无慢速移动站的重整候选连接；如果有，该宏小区基站是该高速移动站的新基站，选择一个慢速移动站的重整候选连接，将该慢速移动站的重整候选连接由宏小区基站切换到微小区基站，分配该宏小区基站所回收的无线信道给予该高速移动站建立连接或进行切换，完成后停止程序；如果无，继续以下步骤；c.确认该高速移动站的微小区基站有无空闲的无线信道；如果有，该微小区基站是该高速移动站的新基站，分配该微小区基站的空闲无线信道给予该高速移动站建立连接或进行切换，完成后停止程序；如果无，继续以下步骤；d.确认该高速移动站的宏小区基站有无高速移动站的重整候选连接；如果有，该宏小区基站是该高速移动站的新基站，选择一个高速移动站的重整候选连接，将该重整候选连接由宏小区基站切换到微小区基站，分配该宏小区基站所回收的无线信道给予高速移动站建立连接或进行切换，完成后停止程序；如果无，继续以下步骤；e.系统无空闲的无线信道给予该高速移动站建立连接或进行切换，即停止程序。
13.如权利要求12所述的系统，其中高速按需重整技术的重整候选连接可任意选取，或选取所有重整候选连接中其微小区基站具有最多的空闲信道者。
14.一种多频无线网络的信道分配方法，该方法包括下列步骤a.确认该移动站的微小区基站有无空闲的无线信道；如果有，该微小区基站是该移动站的新基站，分配该微小区基站的空闲无线信道给予该移动站建立连接或进行切换，完成后停止程序；如果无，继续以下步骤；b.确认该移动站的宏小区基站有无空闲的无线信道；如果有，该宏小区基站是该移动站的新基站，分配该宏小区基站的空闲无线信道给予该移动站建立连接或进行切换，完成后停止程序；如果无，继续以下步骤；c.确认该移动站的宏小区基站有无重整候选连接；如果有，该宏小区基站是该移动站的新基站，选择一个重整候选连接，将该重整候选连接由宏小区基站切换到微小区基站，分配该宏小区基站所回收的无线信道给予该移动站建立连接或进行切换，完成后停止程序；如果无，继续以下步骤；d.系统无空闲的无线信道给予该移动站建立连接或进行切换，即停止程序。
15.如权利要求14所述的方法，该方法在下列时机时启动a.移动站企图与新基站建立连接；或b.移动站正在连接，但因与旧基站的通信信号逐渐不良，企图与新基站进行切换。
16.一种多频无线网络的高速移动站信道分配方法，该方法包括下列步骤a.确认该高速移动站的宏小区基站有无空闲的无线信道；如果有，该宏小区基站是为该高速移动站的新基站，分配该宏小区基站的空闲无线信道给予该高速移动站建立连接或进行切换，完成后停止程序；如果无，继续以下步骤；b.确认该高速移动站的宏小区基站有无慢速移动站的重整候选连接；如果有，该宏小区基站是该高速移动站的新基站，选择一个慢速移动站的重整候选连接，将该慢速移动站的重整候选连接由宏小区基站切换到微小区基站，分配该宏小区基站所回收的无线信道给予该高速移动站建立连接或进行切换，完成后停止程序；如果无，继续以下步骤；c.确认该高速移动站的微小区基站有无空闲的无线信道；如果有，该微小区基站是该高速移动站的新基站，分配该微小区基站的空闲无线信道给予该高速移动站建立连接或进行切换，完成后停止程序；如果无，继续以下步骤；d.确认该高速移动站的宏小区基站有无高速移动站的重整候选连接；如果有，该宏小区基站是该高速移动站的新基站，选择一个高速移动站的重整候选连接，将该重整候选连接由宏小区基站切换到微小区基站，分配该宏小区基站所回收的无线信道给予高速移动站建立连接或进行切换，完成后停止程序；如果无，继续以下步骤；e.系统无空闲的无线信道给予该高速移动站建立连接或进行切换，即停止程序。
17.如权利要求16所述的系统，该方法在下列时机启动a.移动站企图与新基站建立连接；或b.移动站正在连接，但因与旧基站的通信信号逐渐不良，企图与新基站进行切换。
全文摘要
本发明是一种多频无线网络的信道分配系统及方法，本系统包括信道分配中心、微小区基站、宏小区基站及移动站。当移动站企图建立连接或进行切换时，信道分配中心采用本发明的按需重整方法，分配微小区基站或宏小区基站的无线信道，给予该移动站使用。按需重整方法，依序包括下列步骤首先分配空闲的微小区信道；如果无微小区信道，其次分配空闲的宏小区信道；如果无宏小区信道，则进行重整。重整是将另一个移动站的连接由宏小区切换往另一个微小区，回收所占用的宏小区信道，再分配给该移动站使用。如果无任何连接可供重整，最后该移动站塞机或被迫中断。本发明可降低多频无线网络的移动站的通话阻塞率及通话切换率，增进移动站客户满意程度。
文档编号H04W48/18GK1430431SQ0114531
公开日2003年7月16日 申请日期2001年12月31日 优先权日2001年12月31日
发明者蔡宪明, 林一平 申请人:广达电脑股份有限公司