专利名称：以功率控制和有向信道分配控制邻近信道干扰的系统和方法
本申请与无线通信系统有关，具体地说，与改进在信道化蜂窝系统中的控制邻近信道干扰的措施有关。
在无线通信技术领域中，通常是对频谱效率和使所用信道数最大的考虑确定了要采用蜂窝式的这种信道和与信道相应的频率的配置，也就是说一个服务区域划分为一系列连接的服务区，称作小区。在一个具体小区内，用户通过无线电链路与为这个小区服务的一个基站通信，这个基站与其他小区的基站连接组成一个无线通信网。这个无线通信网通常还与一个或几个有线网连接。为了用这种无线网进行通信，每个用户分配到一个离散的信道组中的一个信道。
图1以示意形式示出了无线蜂窝通信系统的普通规则六角形小区布局〔注1〕。正如所知道的那样，用六角形网格画出的地理服务区域形成了一个几何图案，使得频率可以按图案配置方式加以分配，允许用一个受控的有规律重复分配模型复用这些频率。小区区域各自具有一组分配给它的规定信道〔注2〕。每个信道组包括多个独立的发送和接收无线电信道，供小区区域内使用。在图1所示的模型中，标以“A”的各小区为同信道小区(co-user cell)，所有这些小区使用相同的信道组。对于标以“B”、“C”等的同信道小区也是一样，各自具有分配给它的信道组。
每个小区用一个与基站配合的天线系统照射覆盖，各基站可以相互连接和/或与其他网连接。天线101是一个具有全方向辐射图的天线，而天线102是一个定向辐射天线，它的方向图表示了将小区分裂成几个更〔注1〕应该理解，图1中所示的小区的六角形形状表示了一种习惯画法。所以选用这种六角形的小区表示方式是因为六角形接近小区理想功率覆盖区域的圆形形状。然而，如果使用圆形表示，就会出现一些交叠区，使得服务区画面很不清楚。但是采用这种将小区画成六角形的习惯画法，可以将表示一个服务区的这些小区画成相互既无间隙又无交叠的形式。〔注2〕当然，如下面将要详细说明的那样，体现无线通信技术领域中较近进展的软性信道分配方法通常将涉及给小区分配的信道不是固定不变的情况。小的扇形服务区的情况。
众所周知，蜂窝通信系统的一个中心思想是频率复用(frequencyreuse)。采用频率复用，处在不同地理位置(即不同小区)的一些用户可以同时使用相同频率的信道，如在对于规则信道分配情况的图1中同各小区所示。虽然频率复用能大大增加一个系统的频谱效率，但是，如果系统设计不合适，在共同使用相信道的各小区之间就会引起严重的干扰。
频率复用分配通常是通过选用一些简单的规则标出各同信道小区和将RF频谱划分成一些信道组来实现的。信道分配方法大致可分为两类固定的和软性的，可参见将刊的M.Benveniste所著“自配置无线系统”(“Self Configurable Wireless Systems”)。固定信道分配不改变小区与为小区服务的信道之间的关系。仅仅是那些分配给一个小区的信道才能用来为这个小区中的呼叫服务，而每个信道可以被所有分配到这个信道的小区同时使用。固定信道分配的一个例子是“规则”信道分配，其特征是各小区大小相同、间隔规则。规则信道分配对于话务量对各小区均匀分布的系统来说是最佳的。
在话务量分布不均匀的情况下，可以找到一种最佳的固定“非规则”信道分配方式，按照小区话务负荷为小区分配信道。〔为了达到这种最佳非规则分配所用的方法可参见M.Benveniste的美国专利No.5,404,574“无线通信网中用于非规则信道分配的装置和方法”〕(“Apparatus andMethod for Non-Regular Channel Assignment in WirelessCommunication Networks”)。
软性信道分配方法利用了一个系统的遥控、软件驱动重新调谐基站无线电设备的能力，这种能力使得信道容量能适应话务量的变化。软性信道分配方法的种类包括自适应和动态这两种信道分配方法，还包括混合式的自适应动态信道分配方法(可参见M.Benveniste的“自配置无线系统”)。
也如所周知，无线系统中的通信质量主要取决于所接收的信号与干扰比(S/I)。所涉及的主要干扰包括两部分同信道干扰和邻近信道干扰。同信道干扰是来自调谐到与工作信道相同频率的通信源的干扰。邻近信道干扰来自使用频谱中靠近工作信道的那些信道的通信源。在引起干扰的邻近信道在频谱上与工作信道邻接时，通常称为相邻信道干扰。为了达到所要求的话音或数据的传送质量，接收到的信号与合并在一起的同信道和邻近信道的干扰之比必需超过所规定的门限。
已经充分认识到需要避免在一个小区内和在几个邻近小区内使用邻近的信道。在通常的模拟AMPS系统信道分配中，分裂成三个扇区的各小区复用具有7个小区的小区组的频谱，因此在为同一小区服务的各信道之间的间距为21个信道(630KHz)，如图2的裂成扇区的图案所示，这已足以使来自邻近信道的任何干扰可以忽略。对于地理上邻接的小区，只要避免将相邻的信道组分配给同一小区的扇区或分配给邻接小区的会与所关注的扇区邻接的扇区。如图2所示，对于小区个数为7的三扇区复用组是存在这样一种信道分配的。
然而，在采用诸如软性信道分配或非规则固定信道分配这样的不很常用的方法时，就不再出现这种几乎自动满足信道间距的情况。因此，这种蜂窝系统的设计者所面临的问题是在一个小区中或邻近几个小区中同时使用的信道之间要求的最小频谱间距是多少。已经提出了一些解决这个问题的途径〔注3〕，其中即使有一些考虑了邻近信道干扰，但也〔注3〕这类现有途径的一些例子可参见下列文献N.Bambos and G.J.Porttie，“On power control in highcapacity radio networks”，Third WINLAB Workshop， pp.239-247，1992；R. Beck and H. Panzer，“Strategies for Handover and Dynamic Channel Allocation in Micro-Cellular Mobile Radio Systems”，Proc.IEEE Vehicular Technol. Conference，May 1989；D.C. Cox and D.O. Reudink，“Dynamic ChannelAssignment in Two-Dimensional Large-Scale Mobile Radio Systems”，Bell System Technical Journal，Vol.51，No.7，pp.1611-1629，September 1972；S.M. Elnoubi， R.Singh， and S.C. Gupta，“A new frequencychannel assignment algorithm in high communication systems”， IEEE Trans. Veh. Technol.，Vol. 31，No.3，August 1982；G.J. Foschini and Z. Miljanic，“A simple distributed autonomous power control algorithmand its convergence”，IEEE Trans. Veh. Technol.，November 1993； H. Jiang and S.S. Rappaport，“CBWLA new channel assignment and sharing method for cellular communication systems”，IEEE Veh. Technol.Conference，May 1993； T.J. Kahwa and N.D. Georganas， “A hybrid channel assignment scheme in large-scale，cellular-structured mobile communication systems”， IEEE Trans. Commun.，Vol. 26，No.4，April1978；S. Nanda and D.J. Goodman，“Dynamic Resource Acquisition Distributed Carrier Allocation forTDMA Cellular Systems”，Third Generation Wireless Information Networks， S. Nanda and D.J. Goodman(eds)，pp. 99-124，Kluwer Academic Publishers，Boston， 1992； R.J. Pennotti， Channel Assignment inCellular Mobile Communication Systems，ph. D. Dissertation， Polytechnic Institute of New York，1976；J.Zander，“Transmitter power control for co-channel interference management in cellular systems”，FourthWINLAB Workshop，pp.241-247，1993.并不充分。特别是先前对邻近信道干扰的处理分析和导出信道间距要求并没有考虑到对S/I比的所有影响，这可参见W.C.Y.Lee的移动蜂窝通信系统(Mobile Cellular Telecommunications System，MeGraw-Hill，New York，1989)。象这样不考虑邻近信道干扰对S/I比的影响将会导致一个信号比干扰还弱的情况。通过以由于信道分离使信号强度减小来平衡接收机附近的干扰信号的相对强度，在无同信道干扰的情况下总S/I比就会等于1(即OdB)。如果存在一些同信道干扰，则总S/I比就会小于1。(用dB表示的话，就是一个负数)。
由于对S/I的要求意味着对总干扰的限制，而总干扰等于同信道干扰和邻近信道干扰这两项之和，因此需要对这二项折衷考虑。当信道之间频谱间距增大时，邻近信道干扰减小，因此为同信道干扰留出较大的余量，从而允许复用距离更小一些，至少在原理上可增大系统容量。然而，信道间距大，每个小区中可用信道数就少，如果其他条件不变的话就会导致系统容量减小。因此，系统设计者的一个重要任务是确定能满足S/I要求又使频谱效率最大的最佳信道间距。
本发明提供了在蜂窝无线通信系统中根据这种系统内通信信道的业务质量因子控制邻近信道干扰的新方法。这里所揭示的控制邻近信道干扰的这些新方法每个都是本发明的一个实施例，包括混合功率控制，用来克服与传统的功率控制方法有关的干扰问题。
有向分配，用来减小在无阻塞条件下邻近小区之间的相邻信道冲突；以及结合有向分配的混合功率控制，用来减小邻近小区之间的邻近信道干扰。
在本申请的附图中图1示出了无线蜂窝通信系统的规则小区规划的示意图；图2示出了在复用因子为7情况下的扇区化小区配置；图3以方框图形式示出了无线蜂窝通信系统的各主要组成部分以及这些组成部分之间的典型互连情况；图4示出了对采用软性信道分配方法为无线蜂窝通信系统各小区分配无线电信道进行控制的数据处理系统的原理方框图5示意性地示出了一个含有自己基站的单个小区，以及其中一个受到服务的用户台和一个可能引起干扰的用户台相互相对基站分别处于不同位置的情况；图6示意性地示出了两个各有自己一个基站的相邻小区，以及其中一个受到服务的用户台和一个可能引起干扰的用户台相互相对基站分别处于不同位置的情况；图7提供了本发明的混合功率控制策略的图示；图8示出了本发明的有向分配方法的一个例子；图9示出了在邻近小区中的一个无干扰区；图10示出了本发明的结合有向分配方法的混合功率控制的一种应用情况；图11示出了N为8的全向小区配置；以及图12示出了相邻信道干扰的概率与本发明的结合有向分配方法的混合功率控制的功率控制范围之间的关系。
以下讨论将部分以在一个计算机系统内对数据进行一系列操作的算法和符号表示方式予以介绍。可以理解，这些算法描述和表示正是熟悉系统工程技术的人们相互交流他们工作情况的常用手段。
至于在这里(和通常)所使用的来说，算法可以看作能得出所要求的结果的一个独立的处理步骤序列。这些步骤通常要涉及对一些物理量进行操作。这些物理量一般(虽然不必非要这样)是电信号或磁信号形式，可以对它们进行存储、传送、合并、比较和其他处理。为了参照方便以及与普通用法保持一致，这些信号往往将用比特、数值、元素、符号、字符、项(term)、编号之类的术语描述。然而需要强调的是，这些术语和类似的一些术语应该与相应的物理量对应，也就是说这类术语只是加到那些物理量上的一些方便标记。
为使说明清晰起见，本发明的示例性实施例示为由一些分立的功能块(包括标为“处理器”的功能块)组成的形式。通过使用共享或专用硬件，包括(但并非只限于)能执行软件的硬件，可以提供这些功能块所表示的功能。例如，在图3和4中的OMC、MSC和BS以及在图4中的计算机处理器这些功能块的一些功能或全部功能可以由一个或多个处理器(包括共享处理器)提供。(所谓处理器这个术语不应理解为单指能执行软件的硬件。)一些示例性的实施例可能包括诸如AT&T DSP16或DSP32C之类的微处理器和/或数字信号处理器(DSP)硬件，存储实现以下将要说明的各种操作的软件的只读存储器(ROM)，以及存储各结果的随机存取存储器(RAM)。还可能配有与通用DSP电路配合的超大规模集成(VLSI)硬件实施手段和专用VLSI电路。
图3示出了一种典型的蜂窝系统的方框图。由图可见，移动无线电话系统通过一些移动业务交换中心(MSC)202、203接到公用电话交换网(PSTN)201。通过这些MSC的交换，将各为本小区覆盖区域提供服务的一些基站(BS)210互联在一起。各覆盖区域示为具有不规则的边界，这对于一个实际系统来说是很典型的。每个BS都配有无线电收发设备和辐射天线，为本小区覆盖区域内的移动无线电话250服务。
操作与管理中心(OMC)220与MSC202、203连接，对MSC202、203的系统工作以及MSC202、203所配合的BS210进行控制。OMC220是一个中心控制站，包括对从数据存储器输入的接收数据进行输入和数据处理以及执行实时控制。在软性信道分配的情况下，这种数据处理配置可用来在BS处的遥控可调无线电收发机的配合下实现信道配置。
对于这样的软性信道分配情况，图4示出了OMC中数据处理设备的用来控制信道分配和BS无线电收发机调谐的示例性实施例的原理方框图。计算机处理器310有一个存储在相配合的存储器311内的程序。这个程序可以包括一系列用来为蜂窝系统分配无线电信道的指令。初始输入数据通过输入功能块312送至计算机处理器310。输入数据包括可用小区，可用无线电信道，以及干扰信息。干扰信息通常是表示每个小区对其他各小区的干扰这样的一个小区对小区的干扰矩阵形式。此外，输入还包括对所要求的信道分配和业务量占用图表来说是必需的系统限制约束。
为了实现软性信道分配方法，计算机处理器310将按照存储在存储器311内的指令执行信道分配处理。所得到的信道分配结果可经输出功能块313送至MSC315，再由此发送给各BS321。然后，各BS中的独立可调无线电设备322分别按照信道分配处理过程所确定的无线电信道分配结果调到相应的频率上。
I.本发明的方法A.概述这里通过几个实施例来介绍本发明的方法，每个实施例都是一种旨在控制邻近信道干扰以使总S/I比能满足要求的新方法。正如从对这些实施例所作的具体说明中所看到的那样，每个实施例都可独立实施，但多数可结合其他一个或几个实施例以及结合在交互参照的同组申请中所揭示的方法的实施例一起实施。
邻近信道的发射机所引起的干扰电平取决于用户单元(通常是移动台或便携台)相对各自基站的位置，实施功率控制的情况，以及表示传输是从基站至用户单元(以下称为“下行链路”)还是从用户单元至基站(以下称为“上行链路”)的通信方向。图5和6分别示出了讨论邻近信道干扰影响的相互位置关系的例子。图5所示的是具有基站B的单个小区的几种情况，而图6所示的是分别具有基站B1和B2的两个邻近小区的几种情况。在所有的这些位置图中，用户台i和j分别处于相对基站相互不同的位置上。其中，标记i表示服务用户单元，而j表示在频谱上最接近的信道(称为邻近信道)上工作的用户单元。在图6所示的这几个位置图中，服务用户单元i由基站B1提供服务，而邻近信道的用户单元i由基站B2提供服务。
作为一种例示情况，考虑所有呼叫都用相同的功率服务，即不加功率控制。此时，在图5所示的各种情况下，下行链路邻近信道干扰相差不大，因为是以相同的功率为各呼叫服务的。然而，在图5所示的三种情况下，上行链路邻近信道干扰就各不相同了。因为信号的衰减随着发射机与接收机之间的距离增大而增大，所以从图5(a)的用户单元i接收到的信号强度由于用户单元i靠近基站而比从用户单元j接收到的干扰信号强，从而对于这样的相互位置上行链路邻近信道干扰可以忽略。在图5(b)所示的相对位置情况下，由于两个用户单元离基站的距离相同，因此所接收到的服务信号与干扰信号相差不大。最后，在图5(c)所示的这种情况下，由于干扰用户单元比服务用户单元更靠近基站，因此上行链路邻近信道干扰就相当大。
如果采用功率控制来减小靠近基站处的呼叫的功率，那么所受到的邻近信道干扰就有所改变。这些改变仍可通过对图5所示的这几种相对位置情况的讨论加以说明，而现在假定功率受到调整而使接收到的各服务信号相等。这样，在图5所示的三种情况下，上行链路邻近信道干扰就相差不大，因为从各用户单元所接收到的信号强度是相同的，而无论这些用户单元相对基站是处于什么位置上。但是，如果加了下行链路功率控制，邻近信道干扰对于这三种相互位置情况就各不相同了。在图5(a)中，由于干扰信号的功率高于服务信号的功率，功率控制将使下行链路邻近信道干扰增大。在图5(b)所示的相对位置情况下，由于受到服务的用户单元和邻近信道用户单元离基站的距离相同，功率控制并不改变下行链路邻近信道干扰。然而，在图5(c)所示的相对位置情况下，功率控制将使下行链路邻近信道干扰减小。因此，可以看出功率控制通常在上行链路方向是有益的，但在下行链路方向使用时一般会使邻近信道干扰增大。
在图6所示的两个邻近小区中，对于图6(a)这第一种情况，用户单元i在下行链路(由于来自基站B2的竞争信号)和上行链路(由于来自用户单元j的竞争信号)将都遭到邻近信道干扰。由这几个图中可见，在图6(b)中的下行链路和在图6(c)中的上行链路将遭到与服务信号差不多大小的邻近信道干扰，而对于在图6(b)中的上行链路和在图6(c)中的下行链路来说，邻近信道干扰就可以忽略。
在标为M.Benvensite-7(序号08/580570)的同组专利交互参照申请中研究了服务信道与引起干扰的邻近信道之间的信道间距、接收到的服务信道和干扰信道的信号强度、S/I比这些参量之间的一些关系。然后，将这些关系用于具有说明意义的无线通信应用，得出两个说明在不同的服务信号与干扰信号的信号强度比情况下实际S/I比与信道间距的关系的表。这两个表对于以下将要说明的干扰控制方法提供了有益的依据，为此转列于下。
表1信道间距与S/I比dB(T)之间的协调关系
＝18信道间距
表2信道间距与同信道S/I比dB(Tc)之间的协调关系表1给出了在设计同信道S/I门限为18dB的情况下一个受到服务的用户实际所能达到的S/I比T与信道间距W的关系。表中第一列表示信道间距，单位是信道带宽；而其余十列给出了在用户所受到的不同的干扰信号与服务信号的信号强度比P(dB)的情况下一个受到服务的用户的实际S/I比(dB)。类似，表2给出了对于不同的信道间距值W为了达到目的总S/I比T所需的设计同信道S/I比Tc，也就是对于在保证dB(T)＝18dB的情况下Tc与W之间的协调关系。
如前面所述，在由同一个基站服务的两个用户单元i、j(即图5所示)都不加功率控制的情况下，由于基站以相等的功率发射每个信号，因此下行链路的干扰信号与服务信号强度相差不大。所以，干扰信号与服务信号之比P等于1，即dB(P)＝0。由表1可见，如果允许使用相邻信道(即W＝1)，则S/I比会降为16.23dB，这相当于目标值63.1(18dB)的67％。然而，如果将信道间距W置为2，那就足以克服邻近信道干扰所引起的使S/I降低的大部分影响，将S/I比从16.23dB增至17.99dB。
当用户单元i、j分别由两个不同的基站进行服务时，如果服务用户单元i处于两个小区之间的公共边界附近，那么无论干扰用户单元j是处在什么位置(如图6(a)和6(b)所示)情况基本相同。然而，如果用户单元i离干扰基站B2比离它的服务基站B1更远一些(如图6(c)所示)，比值P就小于1，因此dB(P)成为负值。这样，使用相邻信道对S/I比的影响便不大。例如，在dB(P)为-5dB时，由表1可见实际S/I比将为17.36dB，这表示为设计同信道S/I比18dB的86％。对于dB(P)等于-10dB的情况，所得出的实际S/I比是17.79dB，为设计同信道S/I比的95％。也就是说，17.79dB表示了在邻近信道干扰限制为是同信道干扰加上邻近信道干扰的5％时所得到的S/I比的实际值。因此，可以规定一个相邻的信道干扰的影响成为可以接受的I′值。这个规定的值在此标为Pa，对于所说明的这个例示情况等于-10dB。
下面讨论表2所示的W与Tc之间的协调关系。由表2可见，对于dB(P)＝0的情况而言，如果将信道间距从1增加到2，那么就可以允许将同信道S/I比定为18.01dB，而不是21.03dB。此外，还可以看到，如果间距增加到超过2，对同信道干扰的界限并放宽不了多少，因而容量也扩展不了多少。
对于加功率控制的情况，业已证明下行链路的功率控制将使邻近信道干扰的影响更为严重。考虑这样一种具体情况功率控制加到下行链路以降低近区用户单元的信号强度。在这种情况下，P就等于分别为这两个用户单元服务的信号的功率缩减之差。最坏的情况是在为用户单元i服务的信号功率大大缩减而为用户单元j服务的信号却以最大功率发射的这种时候，如图5(a)这种相互位置所示，表1表明，即使设计同信道S/I比为18dB，在对近端用户单元下行链路的功率缩减28dB时，实际S/I比成为负值。信道间距取3才能达到17.79dB的S/I比。
在下面的章节B1中揭示了一种新颖的混合功率控制方法，这种方法通过局部采用下行链路功率控制而不必将信道间距增大到超过2，但仍能保证合理的S/I比。
B.邻近信道干扰控制方法在以下这些章节中将对三种新颖的干扰控制方法予以说明，这三种方法将比现有技术的那些方法提供更好的降低邻近信道干扰的效果。这些新的干扰控制方法每个都构成本发明的一个实施例，分别标为混合功率控制、有向分配、结合有向分配的混合功率控制。
B1.混合功率控制在前面对采用(或不采用)传统的功率控制方法与受服务的用户所受到的邻近信道干扰之间的一些关系的讨论中已经证明这种干扰将随传输方向(下行链路还是上行链路)以及受服务的用户单元(相对其他附近用户单元的位置、相对服务基站和/或其他附近基站的位置而变化。下面所要说明的这种新的混合功率控制方法将显著改善这些变化。如将看到的那样，这种混合功率控制方法可以独立实施，但也可以结合在本申请中或同组交互参照申请中所述的其他新颖的干扰控制方法一起实施。
可以相信，这种新的混合功率控制方法如果对下行链路和上行链路这两种情况分别处理的话就更容易理解，因此下面就将对这种方法的说明相应分成两部分进行。
(a)下行链路功率控制在对功率控制的一般讨论中证明了在下行链路上采用传统的功率控制策略(即缩减基站附近的用户单元的接收信号强度)将使邻近信道干扰的影响更为严重。在这种情况下，干扰信号与服务信号的强度比P(dB)就等于为两个用户单元服务的信号的功率缩减之差。最坏的情况是在为用户单元i服务的信号功率大大缩减而为用户单元j服务的信号却以最大功率发射的这种时候，如图5(a)所示的情况。从表1反映的这种例示情况可见，即使设计同信道S/I比为18dB(用同信道小区间距保证)，在对近端用户单元的下行链路功率缩减大致为28dB(在这样的小区配置情况下是现实的缩减量)时，实际S/I比就成为负值。
正如以下可看到的那样，如果对功率缩减的幅度加以限制的话，可以利用功率控制达到一个合理的S/I比，而不必将信道间距增大到超过在不加功率控制时通常所要求的值2。由表1可见，当干扰信号与服务信号之间的信号强度差P(dB)，或者等效地说相应对两个用户单元的功率缩减的差，小于14dB时，对S/I比的影响不大，信道间距为2仍能使S/I比达到17.79dB以上。因此，通过限制功率控制，使得一个受服务用户在任何位置处接收到的给这个受服务用户的信号强度不低于干扰信号电平14dB，就能保持信道间距为2而使邻近信道干扰的影响可忽略。这个对相对功率控制差别的限制在此称为极限功率控制比，下面将标为Xm。在表1所示的这个例示情况，dB(Xm)为-14dB。
在这种混合功率控制方法的一个示例性实施例中，将对处在小区边缘与小区半径上信号缩减了Xm后等于在小区边缘所接收的信号的那一点之间的用户单元施行功率控制。沿小区半径方向从小区基站至信号缩减了Xm后等于在小区边缘所接收的信号的那一点之间的距离标为lm。因此，对于处lm和小区边缘之间的用户单元就要受到功率控制。图7A示出了在混合功率控制方法的这个示例性实施例中下行链路接收信号与用户单元离基站的距离之间的函数关系图。
(b)上行链路功率控制与下行链路不同，对于上行链路方向业已看到功率控制通常有利于减小邻近信道干扰。然而，如下面所说明的那样，对于上行链路情况应用本发明的混合功率控制方法允许在小区的某些区域不用功率控制，而对抑制邻近信道干扰并无不利影响。
在上行链路通信时，采用功率控制可以减小P的值，使dB(P)成为服务信号与干扰信号之间的信号衰减差减去功率缩减差。这个关系及其影响可用在向一个基站发射的两个用户单元之间的信号衰减差为40dB而由于功率缩减而导致的接收信号电平差为12dB这样一种情况为例加以说明。于是dB(P)为40－12＝28dB。由表1可见，对于设计同信道S/I比为18dB，信道间距为2，则可达到的S/I比为14.46dB。但是，如果功率缩减差增加到26dB而dB(P)成为14dB，那么对于信道间距为2的情况总S/I比就为17.79dB。
从这个关系可以得出，由于在信道间距为2的情况下dB(P)值为14dB或更小一些可使邻近信道干扰的影响小到可以忽略，因此对于受到高信号衰减的可能引起干扰的用户单元(例如靠近小区边缘的用户单元)不必加功率控制。只有信号衰减低于小区中最大的可能衰减14dB的那些用户单元才需要缩减它们的信号功率。也就是说，对于那些处于基站与小区半径上接收信号强度对小区中最小信号强度之比为X-1M的那一点lm之间的用户单元才需要施行功率缩减。(当然，如果由于其他目的需要的话，在lm和小区边界之间可以施行上行链路功率控制。这里的这个点只是界定可以不必为控制邻近信道而加上行链路功率控制的区域)。在表1这种典型情况下，dB(XM-1)为14dB。图7B示出了这种混合功率控制方法的上行链路接收信号与用户单元离基站的距离之间的函数关系图。
为了估计采用混合功率控制方法对于给定的信号间距在上行链路上要求具备的功率缩减能力，需要得到在统计意义上所要遇到的最大P值。本发明者在一篇有关文章(M.Benveniste，“Managing NeighborChannel Interference in Channelized Cellular Systems，”forthcoming)已经证明，如果传播损耗系数为4(这是对于移动无线电系统通常所采用的值)，不加功率控制的相对信号强度dB(P)小于或等于40dB的概率为0.995。因此，对于信道间距为2的情况，功率缩减能力-dB(φM)定为26dB是合适的，因为最大衰减(40)-dB(P)门限(14)＝最大功率缩减(26dB)由表2可见，有一系列的功率控制的可选方案。例如近端用户单元的功率缩减20dB而保持远端用户单元为最大功率。这样，对于信道间距为2来说，设计同信道S/I门限就必需为18.97dB。另一种可能情况是，近端的功率缩减为26dB(而远端单元以最大功率工作)。这样得出的dB(P)值为14(即40-26)，从而对于信道间距为2来说，要求设计同信道S/I门限为18.22dB。
也如将看到的那样，对于所说明的混合功率控制方法的这些实施例来说，选择这些对功率控制的要求是为了使对信道间距的要求降到最低。当然，这种方法还有其他一些应用。例如，如果希望功率控制范围更大一些，那么就必需增大信道间距。这种想法在用功率控制作为增加容量的手段的动态信道分配算法中是适当的。
B2.有向分配相邻信道干扰的替代表示是当两个相邻信道同时用于同一个小区或相邻接的小区时引起的相邻信道冲突的数目。虽然从前面的讨论中可以看到并不是每个相邻信道冲突都会引起相邻信道干扰，但通常仍是概括为减少了相邻信道冲突数就减小了相邻信道干扰发生的可能性。
在这一节所要说明的本发明的实施例针对的是通过减小相邻信道冲突的概率来使相邻信道干扰最小化的问题。这种方法可用于规则的和非规则的、固定的和软性的信道分配，也可用于扇区化的小区和全向小区。这种方法也可以与其他减小相邻信道干扰的方法结合。
下面通过一个取自规则固定信道分配的简单例子来说明这种有向分配方法。考虑四个分别分配给小区A、B、C、D的信道组，如图8所示。每个组中的信道与其他三个组中的二个组的信道相邻，并且假设每个小区与分配到其他三个信道组的小区相互邻接。对于所列举的这个例子，考虑有24个信道可用而各小区中正在进行的呼叫数分别为5，3，4和3。如果为所有呼叫所指定的是那些编号最低的信道(如图8A所示)，那么在小区A中就会有4个相邻信道冲突，而在B中为3个，在C中为3个，在D中也为3个。为了减少相邻信道冲突数，将在小区A和C中的呼叫移到编号最低的那些可用信道上，而将B和D中的呼叫移到编号最高的信道上，如图8B所示。结果，在含有相邻信道的小区中的那些占用信道之间就有较大的信道间距。如图8B所示，对于这四个小区相应的相邻信道冲突数分别降为2，2，1和2。
执行这种有向分配方法的步骤如下1.将可用信道分配给各信道组，使得每个信道组分别有一个“+”或“-”的标号，而任何两个具有相邻信道的信道组的标号相反；2.为每个小区分别指定一个”+”或“-”的标号；3.一个小区可使用标号与这个小区相同的一个或几个信道组中的信道；以及4.带“+”标号的小区将它们的用户分配到编号最低的可用信道上，而带“-”标号的小区则将它们的用户分配到编号最高的可用信道上。
以上步骤4增大了在带相反标号的小区中的占用信道的信道间距。由于按照步骤1只有在标号相反的小区中才可能发现相邻信道，因此减小了相邻信道冲突的可能性。
可以用两种可选的方法将呼叫推到一个信道组的低端或高端。一种方法是将呼叫从一个“+”小区中的编号最高的信道(或将呼叫从一个“-”小区中的编号最低的信道)移到这个小区中一个脱离的呼叫原来占用的信道上。因此，每有呼叫结束或转出，最多要对一个信道重新安排。另一种将用户保持在信道组相应端部而不需重排信道的方法是将新接入的呼叫对于“+”小区分配到编号最低的空闲信道上，或者对于“-”小区分配到编号最高的空闲信道上。
这种有向分配方法既可用于固定信道分配也可用于软性信道分配。然而，在这两种情况下信道组的表示是不同的。在固定信道分配中，信道组是由相应为不同小区专用的一些信道组成的互不相交的组。在每个组的信道数相同的固定规则信道分配中，步骤1要求信道组的组数是一个偶数。
在软性信道分配中，会有两个信道组(为了满足相邻信道使用限制约束)。两个信道组分别标以“+”和“-”的标号。例如，由奇编号信道构成的信道组标以“+”标号，而由偶编号信道构成的信道组标以“-”标号。由于“+”标号小区优先使用低编号的信道，而“-”标号小区优先使用高编号的信道，因此在低话务量情况下增大了不同标号小区的占用信道之间的间距。因为相邻信道只可在不同标号的小区中使用，从而减小了相邻信道冲突的概率。
B3.结合有向分配的混合功率控制对于以下行链路不加功率控制和上行链路全加功率控制为特征的一种功率控制策略，业已证明采用这种功率控制策略信道间距为2就足以满足减小一个小区内的邻近信道干扰影响的要求。在标为Benveniste-8(序号08/580568)的同组交互参照申请中证明，对于这种功率控制策略，在一个小区中有一个区域，在这个区域中来自一个邻近小区的相邻信道干扰对下行链路的影响小到可以忽略。还有一个类似的区域，在这个区域中用户单元引起的对一个邻近单元的上行链路相邻信道干扰也小到可以忽略。具体地说，如图9(相应于Benveniste-8申请的图7)所示，位于小区1中界线XX’左侧的用户单元将不会遭到来自小区2中所使用的相邻信道为下行链路干扰。类似，位于界线YY’右侧的用户单元将不会引起对小区1的上行链路相邻信道干扰。
也已指出，对立的功率控制策略(即下行链路全加功率控制，而上行链路不加功率控制)由于增大了同一小区内的用户所施加的邻近信道干扰，因此应避免使用。然而，在小节B1中加以说明的称为“混合功率控制”的新颖功率控制策略允许采用有限下行链路功率控制，而将邻近信道干扰保持在可接受的范围之内。具体地说，可以在与最大功率缩减范围Xm相应的半径lm外对下行链路施行功率控制；在所例示的情况下lm为0.4467R，相应的功率缩减为14dB。类似，在采用所述的混合功率控制策略的情况下，如果只在半径lm内对上行链路施行功率控制，那么接收信号就维持在比小区内最低的接收信号高14dB的电平上。图7示出了对于两个通信方向上的接收信号与用户至基站的距离之间的函数关系(对数刻度)。采用这种混合功率控制，在一个小区内信道间距为2就能满足要求。
正如将看到的那样，不采用纯功率控制策略的动机是为了减小在邻近小区中使用相邻信道所造成的影响，因而降低对邻近小区的相邻信道限制约束。考虑在图9所示的邻近小区配置中应用上述混合功率控制策略的情况。在这种情况下，不是只有一条如图所示的界线XX’，规定易受邻近小区的相邻信道干扰影响的区域，而是有一系列这样的界线XkX’k，各条界线分别与邻近小区中所使用的功率电平k相应，如图10所示。界线X1X’1与在小区2中使用的最大功率信号相应。这些界线XkX’k，散布在界线XX’左右两侧。界线右移表示减小了在小区1中用户受到在小区2中接受功率电平k服务的用户的相邻信道干扰的区域，而界线左移表示增大了这个区域。然而，现在可以通过对这两个小区中的用户进行匹配，使这些用户以能减小发生相邻信道干扰可能性的方式在相邻信道上工作。
为了说明用户匹配怎样能减小相邻信道干扰概率，考虑图10中的用户M1的情况。如果不加功率控制，M1就会受到相邻信道干扰，无论在相邻信道上工作的用户处在什么位置。但是，加了功率控制以后，可以使M1与小区2中接受低功率电平k服务的用户匹配，从而不会受到相邻信道干扰。因此，通过将有限功率控制与选择匹配邻近小区相邻信道用户相结合，就可以减小相邻信道干扰概率。下面对一种执行这个任务的信道匹配算法进行说明。
功率控制的范围决定了界线XkX’k的散布情况。使相邻信道干扰概率最小的功率控制最佳范围应结合所应用的具体信道匹配算法确定。可以理解，下行链路功率控制的范围不能超过Xm。
如前面所指出的那样，本发明者已经证明，如果在上行链路和下行链路上用的是互补的功率控制策略，那么为了达到无相邻信道干扰的上行链路要求与上述的下行链路要求是相互对称的(见M.Benveniste，“Managing Neighbor Channol Interference in Channelized CellularSgstems”)。也就是说，如果将上行链路功率控制限制在半径为lm的圆内，在圆外不加功率控制，那么就会有一系列界线YRY’R，各条界线分别与在小区1中用户的不同功率电平k相应。这些界线规定了在小区2中用户不会对小区1的相应用户引起上行链路干扰的区域。这些界线是小区1中为下行链路情况画出的界线XkX’k的镜象。也如本发明者在这篇文章中所说明的那样，一个不会引起对邻近小区中的一个相邻信道用户的上行链路相邻信道干扰的用户也不会受到这个邻近小区用户的下行链路相邻信道干扰。由于无相邻信道干扰条件的对称性，因此只需对一个通信方向分析用户匹配算法就足够了。所以，在以下几个小节中所说明的都是针对下行链路的。上行链路的情况与此类似。
(a)方法的描述如上节所说明的那样，可以通过正确匹配邻近小区中相邻信道用户来减小相邻信道干扰的概率。用户匹配问题是一个复杂的综合最佳化问题。然而，这个问题可以采用下面所说明的简单试探算法得到满意的解决。
这种方法首先是对每个小区中的用户排序。然后，为排了序的用户按照渐增(或渐减)信道编号依次指定所用信道，从而使相邻信道用户匹配。因此，任务就成为确定对一个小区内的用户进行排序的准则，使相邻信道干扰概率最小。用户离服务基站的距离选为排序准则。
选择用户与基站之间的距离作为排序准则的逻辑可以通过对图10所示的两小区例的讨论予以说明。在以下讨论中，假设mi为用户单元Mi离它自己基站的距离；ni为用户单元Mi离邻近基站的距离。在本发明者所著的参考文章中证明，对于在下行链路方向加工率控制的情况，当满足P=[m2n2]p≤pa]]>时将不会发生相邻信道干扰。按照这个关系，为了减小在小区1中的下行链路相邻信道干扰，大的m2值应该用大的n1值匹配。同样，为了使在小区2中的相邻信道干扰成为最小，大的m1值应该用大的n2值匹配。但是，从这两个准则得出的信道分配一般是不同的。为了得到唯一的信道分配，在每个小区中的用户必需用相同的准则进行排序。如果使用离服务基站的距离，那么大的m1值用小的m2值匹配，反之亦然。使用距离作为排序准则减小了相邻信道干扰，这是因为在小区1的最容易受相邻信道干扰的区域中当m1增大时n1减小，反之亦然。
本发明处理由多于一个邻近小区使用相邻信道的方法可概括为下列步骤1.将可用信道分配给各信道组，使得每个信道组分别有一个“+”或“-”的标号，而任何两个具有相邻信道的信道组的标号相反；2.为每个小区分别指定一个“+”或“-”的标号；3.一个小区可使用标号与这个小区相同的一个或几个信道组中的信道；以及4.为每个小区中的用户按离服务基站的距离递减的次序分配信道，带“+”标号的小区首先将它们的用户分配到编号最低的信道上，而带“-”标号的小区则首先将它们的用户分配到编号最高的信道上。
由于相邻信道仅由标号相反的小区使用，通过步骤1至4，高功率用户在“+”小区中分配到低编号的信道上，而在“-”小区中分配到高编号的信道上，因此增大了高功率用户之间的信道间距。这样，一个高功率用户或者在与一个空闲信道相邻的信道上工作(在话务量不高的情况下)，或者在与一个分配给邻近小区中靠近其基站的用户使用的信道相邻的信道上工作，因此减小了邻近小区之间相邻信道干扰的概率。
如将看到的那样，这里的这种方法某些方面与前面所说明的有向分配方法类似。然而，有向分配在高阻塞概率情况下对相邻信道干扰起不了作用，但采用结合正确用户匹配的功率控制方法仍能减小相邻信道干扰概率。
如将可理解的那样，上述匹配程序的有效性取决于界线XkX’k散布情况，而这又取决于功率控制范围。因此可以通过选择功率控制范围使相邻信道干扰概率成为最小。
如在有向分配的情况那样，可用两种方式将用户聚集在可用信道的高端或低端。一种包括每当有呼叫脱离就重新安排信道，另一种不这么做。由于随着用户的运动，用户的排序可能有变化，因此为了保证用户正确排序可能需要进一步重新安排信道。或者，可以将重新安排信道推迟到发现相邻信道干扰时再进行，这样就能减少需要重新安排信道的次数。
(b)方法的应用这里所说明的方法可以用于固定的和软性的信道分配。在本小节中将对取自固定规则信道分配的本方法典型应用情况进行说明。这种方法用于软性信道分配的例子可参见M.Benveniste、A.G.Greenberg和P.E.Wright将要发表的“无线系统中的动态信道分配有序借用扩展”(“On dynamic channel assignment in wireless systemExtensions ofOrdered Borrowing”)。
考虑一个如图11所示由按复用因子N为8的图案重复排列的全向小区构成的系统。假设信道组用水平方法构成，因此每个小区与其他一个分配了相邻信道的小区交界。给定了400个信道，每个小区分配到50个信道。表3列出了信道匹配对相邻信道干扰的影响与流入负荷之间的关系。如果信道是随机分配的，由模拟得出在流入负荷为40.3尔朗时(阻塞概率为2％)，相邻信道冲突(ACC)概率为79％，而相邻信道干扰(ACI)概率为10.6％。当采用有向分配方法(DA)时，对于相同的流入负荷和阻塞概率，相邻信道冲突概率降为73％，而相邻信道干扰概率为10.1％。如果采用结合用户匹配的功率控制方法(EPCDA)，那么相邻信道干扰概率就降低为0.5％
表3复用因子为8的全向小区信道分配方法的性能当流入负荷增大到58.5尔朗时(阻塞概率增大到20％)，如果信道是随机分配的，则相邻信道冲突概率为93％，而相邻信道干扰概率为12.9％。采用有向分配，对于相同的流入负荷相邻信道冲突概率为93％，而相邻信道干扰为12.8％。正如所预料的那样，在阻塞概率高的情况下，有向分配起不了什么作用。如果采用结合用户匹配的功率控制，则相邻信道干扰概率就可降为2.8％。
以上结果是在功率控制范围取为11dB的情况下得到的。取这个值可以使得在流入负荷为每小区40.3尔朗时相邻信道干扰概率为最小，如示出相邻信道干扰概率与功率控制范围之间关系的图12所示。
II.结论本申请揭示了几种控制管理邻近信道干扰的新方法。这些新方法及其组合可用于固定的和软性的、规则的和非规则的信道分配。此外，这些方法可用于各种信道化系统，无论这种系统是采用频分多址还是频分/时分复合多址。
如以上说明所述，这里所揭示的这些方法可以很方便地结合起来，也可以与交互参照的同组申请中所提出的那些发明的实施例结合。一个说明综合应用所揭示的几种信道控制管理方法效果甚至更好的例子是由一系列扇区化小区和全向小区混合组成的、话务量分布不均匀的非规则网格蜂窝系统。问题是要寻求一种遵从相邻信道限制约束的最佳非规则信道安排方式。奇/偶小区编制(见同组申请M.Benveniste-7)可用来保证满足一个小区内的相邻信道限制约束。结合有向分配的混合功率控制可降低邻近小区之间的相邻信道干扰。此外，垂直信道组结构(见同组申请M.Benveniste-7)将保证同一小区的各扇区不使用相邻信道。最后，任何按照小区奇/偶编制和扇区取向使用信道的信道借用计划都能使这种信道分配可动态改变而不违反相邻信道限制约束。
虽然以上对本发明的实施例作了详细说明，但可以理解，其中可按本发明的精神作种种修改和替换，这并不脱离所附权利要求规定的本发明专利保护范围。
权利要求
1.一种在具有一些划分为多个小区的服务区域、其中一系列可用通信信道可用来分配给所述多个小区的无线通信网中控制干扰的方法，其特征是所述方法包括下列步骤使每个所述可用信道标上一个与至少两个互不相交的类别中的一个类别相应的标号，使得任何两个相邻信道用不同类别进行标号；使每个所述小区使用标有同样标号的信道；以及结合功率控制应用将信道分配给在每个所述小区中的用户，使得高功率用户在所述第一标号小区中分配到低编号的信道，而在所述第二标号小区中分配到高编号的信道。
2.权利要求1所述的控制干扰的方法，其中所述分配信道的步骤按照离所述用户各自的服务基站的距离递降的次序将信道分配给在每个小区中的用户，受到的限制是在带有与所述互不相交类别中的第一类别相应的标号的那些小区中的用户分配到编号最低的可用信道，而在带有与所述不相交类别中的第二类别相应的标号的那些小区中的用户分配到编号最高的可用信道。
3.权利要求1所述的控制干扰的方法，其中所述使信道标号的步骤是这样实现的将所述可用信道分配给多个信道组，使得每个信道组标上一个与所述至少两个互不相交类别中的一个类别相应的标号，而任何具有相邻信道的两个信道组用不同的类别进行标号。
4.权利要求3所述的控制干扰的方法，其中所述使小区使用同样标号的信道的步骤是这样实现的使每个小区使用只是从一个或几个标有同样标号的所述信道组中选出的信道。
5.权利要求1所述的控制干扰的方法，其中功率控制只是在移动单元离一个中心传输站超过某一径向距离时才对从所述中心传输站至所述移动单元的传输(以下称为“下行链路传输”)施行，所述径向距离是按照能达到一个可接受的干扰电平加以确定的。
6.权利要求1所述的控制干扰的方法，其中功率控制只是在移动单元离一个中心传输站不超过某一径向距离时才对从所述移动单元至所述中心传输站的传输(以下称为“上行链路传输”)施行，所述径向距离是按照能达到一个可接受的干扰电平加以确定的。
7.权利要求2所述的控制干扰的方法，其中在一个小区内的信道分配在一个移动单元离开所述小区时就按照所述权利要求的方法重新安排。
8.一种在具有一些划分成多个小区的服务区域、其中一系列可用通信信道可用来分配给所述多个小区的无线通信网中控制干扰的方法，其特征是所述方法包括对发送至和来自由一个中心传输站服务的移动单元的传输施行功率控制的步骤，对所述功率控制的限制是对于从中心传输站至一个移动单元的传输(“下行链路”)，所述功率控制只是在移动单元离所述中心传输站超过某一径向距离时才施行；以及对于从一个移动单元至中心传输站的传输(“上行链路”)，所述功率控制只是在移动单元离所述中心传输站不超过某一径向距离时才施行；其中每个所述径向距离是按照能达到一个可接受的干扰电平加以确定的。
9.一种存储装置，其特征是所述存储装置被制成包含一个在无线通信网中控制干扰的模型，所述模型主要是执行权利要求1所述的控制干扰方法的各个步骤。
全文摘要
本发明提供了在蜂窝无线通信系统中根据对这种系统内通信信道的业务质量要求控制邻近信道干扰的新方法。这些方法及其基本功能表示为混合功率控制，用来克服与传统的功率控制方法有关的干扰问题；有向分配，用来减小在无阻塞条件下邻近小区之间的相邻信道冲突；以及结合有向分配的混合功率控制，用来减小邻近小区之间的邻近信道干扰。
文档编号H04B1/10GK1160950SQ9612159
公开日1997年10月1日 申请日期1996年12月20日 优先权日1996年12月20日
发明者马蒂尔德·本尾维斯特 申请人:美国电报电话公司