改善蜂窝系统中同频干扰的方法 发明的领域
本发明涉及蜂窝无线系统并且具体涉及在蜂窝系统中降低同频干扰的蜂窝规划和频率方案。
发明的背景
传统上，卫星系统使用单一波束覆盖广大地理区域。在覆盖区域中，每个载频只使用一次。在1995年，美国移动卫星通信系统开始运行。这个系统使用几个点波束覆盖美国大陆、阿拉斯加和夏威夷。但是，该系统不同时使用两个载频。由于可用带宽限制了可用信道数，传统卫星系统不能支持大量的用户。
在蜂窝通信系统中，频率复用方案允许相同频率在系统中多次使用。蜂窝系统不是使用单一高功率发射机覆盖广大地理区域，而是改为使用大量低功率发射机，在称为服务小区的相对小的地理区域中广播信号。每个蜂窝可以只跨越几英里，并且理论上可以小到几个城市街区。通过减小发射机的覆盖区域并建立大量的服务小区，就可以在不同服务小区中复用相同频率。因此，单个频率可以在整个蜂窝系统中多次使用以增加蜂窝容量。举例而言，假设单一高功率发射机服务的特定地理区域有10个频道。系统将只能够处理10个同时呼叫。第11个呼叫将被阻塞，因为没有其它的可用信道。如果相同地地理区域被分为100个服务小区并且相同的频率可以在所有服务小区中使用，那么可以支持1000个同时呼叫。这种蜂窝方案可以在卫星系统中使用，以便增加系统容量。
不幸的是，由于同频干扰，在相邻服务小区中直接复用全部可用频率是不实际的。现实世界中服务小区的实际边界是不清楚的，并且由于信号波动而不断变化。因此，相邻服务小区中的覆盖区域是重叠且混合的。在服务小区边界附近运行的车辆将处于来自两个相邻服务小区使用相同频率的信号强度大致相等的不明确地区。这种平衡的地区或干扰地区使通信变得困难。在来自相邻服务小区发射机的信号强度波动的情况下，移动单元将在一次传输中锁定第一个，然后是其它的。这种传输之间的连续跳跃将使通信变得不可能。
为了避免同频干扰问题，工作在相同频率上的服务小区是空间隔离的，以便在服务小区中工作的移动单元在比任何同频服务小区潜在干扰信号更高的电平上接收所需信号。工作在不同频率的服务小区被放置在任何两个同频服务小区之间。因此，移动单元在接近服务小区边界进入任何两个同频服务小区之间的干扰区域之前，将在切换期间改变频率。
通常，所有干扰信号的功率都随所干扰的用户之间距离的增加而降低。如果干扰电平被同频服务小区之间的隔离充分降低，载频就可以复用。干扰电平由载波功率对干扰功率比(C/I)来度量。C/I比是频率复用方案设计中使用的首要准则。
通过前述说明，显然系统中给定频率可以复用的次数与任何两个同频服务小区之间的隔离距离或复用距离相关。开发允许更大频率复用而不牺牲信号质量的降低同频干扰的新频率分配方案将会导致更大的系统容量。
发明概要
本发明提供改进蜂窝系统频谱效率的频率分配方案，从而增加系统可以支持的用户数。分配频率的方法基于系统中服务小区的部分负载概念。部分负载技术用于降低同频干扰，藉此允许减小同频服务小区之间的复用距离。通过减小复用距离，可以更多地使用相同载频以提高整个系统的频谱效率。
根据本发明，蜂窝通信系统中的每个服务小区被分配一组载频。多址方案用于将每个服务小区中的可用载频分为多个不同的通信信道。在本发明的优选实施例中，使用时分多址。每个载频被分为多个时隙，而每个时隙代表服务小区中的一个不同通信信道。在每个服务小区中，使用部分负载方案在呼叫建立时将可用通信信道分配给各个用户。部分负载方案只允许同时使用每个蜂窝中可用通信信道总数的一部分。因此，有意地使每个蜂窝在小于它的满容量的情况下欠载工作。各个服务小区的欠载降低了每个蜂窝中的频谱效率。但是，每个蜂窝的欠载意味着在任何给定时间将有更少的干扰用户，因此降低了同频干扰。这种同频干扰的降低能够降低同频蜂窝的复用距离，藉此提高整个系统的频率复用，提高整个系统的频谱效率。
可以使用不同的部分负载方案为每个服务小区中的各个用户分配频率。最简单的部分负载方案是为每个服务小区或载频建立最多的同时的用户。一旦达到门限，任何另外的用户都被阻塞。或者，可使用信号质量测试来确定是否要在到达门限时分配额外的频率。信道分配以前，在可用信道上发射测试信号。测试信号发射以后，就可以测量测试信号质量和/或它对同频服务小区中已经使用的通信信道的影响。如果测试信号并不降低信号质量，那么就可以分配信道。
在本发明的另一方面，可以随机分配每个服务小区中的可用通信信道。或者，这样来分配通信信道，即在所有同频服务小区之中，在任何给定时间，尽可能最小化每个通信信道的使用。对于每个可用通信信道，那个特定信道在所有同频服务小区中的总用户数是确定的。考虑同频服务小区，分配用户数最少的信道。
通过研究以下描述和仅用于说明本发明的附图，将使本发明的目的和优点变得清楚、明白。
附图的简要描述
图1说明多波束卫星通信系统。
图2是具有多个六角形服务小区的蜂窝通信系统的服务小区布局图。
图3表示TDMA系统中的一个单一载频。
图4是作为码速率的函数的载波干扰比的图。
图5卫星天线的典型天线分辨图样。
图6是带有6个干扰者的7-服务小区系统中载波干扰比和部分负载影响之间的关系图；
图7是带有18个干扰者的7-服务小区系统中载波干扰比和部分负载影响之间的关系图；
图8是说明在部分负载方案中如何分配可用通信信道的流程图。
发明的详细描述
现在参考附图，特别是图1，其中所示的是一个卫星通信系统，并且总体用数码100表示。卫星通信系统100包括一个或多个卫星110，卫星110具有多个将多个点波束照射到地球表面上覆盖指定地理区域的波束天线120。优选地，系统包括100个或更多的点波束，为地球站之间的通信提供通信手段。地球站可以是固定站130或移动站140。固定站130可以，例如，是在卫星通信系统100和公用电话交换网(PSTN)之间提供接口的移动业务交换中心(MSC)。两个地球站(固定站或移动站)之间的呼叫都通过卫星110发射。卫星110上的交换电路允许一个点波束中发起的呼叫被发射到另一个点波束中的地球站。在使用多于一个卫星的系统中，连接可以通过两个或多个卫星110之间的交叉链路实现。
卫星通信系统100类似陆基移动蜂窝通信系统。照射到地球表面的点波束类似陆基蜂窝系统的服务小区。卫星110类似于充当移动单元和通信网之间的接口的基站。但是，与陆基蜂窝系统不同，单个卫星可担当多个点波束或服务小区的基站。
与陆基蜂窝系统类似，卫星通信系统100使用频率复用概念来增进系统的频谱效率。频率复用意味着相同频率可以在通信网中同时用于不同的服务小区或点波束。很显然，在通信系统中多次复用相同频率的能力对提高系统的频谱效率具有巨大的潜力。提高频谱效率意味着可以支持更多的同时用户。频谱效率是根据每Mhz每km2的用户数或每Mhz每服务小区的用户数来度量的。
现在参考图2，它示出了7-服务小区复用方案。在常规蜂窝系统中，用于通信的可用频率被分为频率组，然后再进行分配以降低同频干扰。频率组是这样分配给服务小区的，即相邻服务小区不使用相同的频率组。频率分配方案称为复用模式。分配了相同频率的服务小区称为同频服务小区。同频服务小区彼此空间隔离以降低同频干扰。服务小区组成小区群，后者包括每一个频率组中的一个服务小区。
在每个服务小区或点波束中，使用多址方案将通信信道分配给各个用户站。举例而言，可以使用频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、或码分多址(CDMA)。在本发明中，使用时分多址。TDMA方案已经被电子工业协会(EIA)和电信工业协会(TIA)标准化为IS-54，IS-54，它们被结合在这里作为参考。
图3说明TDMA载波。在TDMA中，每个载频被分为一系列帧，帧再被细分为时隙。帧以固定的时间间隔重复。在本发明的优选实施例中，每个帧分为16个时隙。每个时隙代表可以支持一个单一用户站的不同通信信道。当呼叫建立时，每个用户站被分配一个不同的时隙，用户站在该时隙期间以短突发的形式发射并接收语音或数据。突发传输必须在分配的时隙内进行以便不干扰使用相同载频不同时隙的其它用户站的传输。这样，每个载频可以分配16个用户。
为蜂窝系统(陆基或星基)选择的复用模式影响系统承受的同频干扰量和系统容量。举例而言，4-服务小区复用模式将比7-服务小区复用模式提高频谱效率。在4-服务小区复用模式中，相同频率每4个服务小区使用一次。在7-服务小区复用模式中，相同频率每7个服务小区使用一次。假设服务小区的数目和大小是固定的，4-服务小区复用模式将大约提高75％的频谱效率。然而，4-服务小区图样中的同频服务小区将比7-服务小区复用模式中的同频服务小区彼此靠近。因此，4-服务小区复用模式增加了将要承受的同频干扰量。
载波干扰比C/I是计算复用因子的基本参数。在系统设计中，必须从两方面强调同频干扰。首先，必须需要确定所需的C/I，以便EB/NO的降低小于指定值。EB/NO代表每信息比特能量除以噪声谱密度。第二，系统必须设计为：由于同频干扰实际承受的C/I在预定的时间百分比上高于最低要求的C/I。
所要求的可以使得EB/NO并不显著降低的C/I可以如下导出。EB/(NO+IO)的组合可以写为：EbNB+IO=[(EbNO)-1+(EbIO)-1]-1(1)]]>
因为EB＝C/RB，IO＝I/BW，而BW＝Rb/(mR)，等式1可以重写为：EbNO+IO=[(EbNO)-1+(CImR)-1]-1(2)]]>其中m是调制级数，而R是有效码速率。对于QPSK，调制级数m＝2。对C/I解等式2得到以下表达式：(CI)REQ=2*R*[(EbNO+IO)-1-(EbNO)-1]-1(3)]]>
可导致最大EB/NO降低的最小要求的C/I由下式给出(以dB为单位)：(CI)REQ=10log[(10Eb/No10)-1-(10Eb/No+Δ10)-1+10logR+3--(4)]]>
在图4中，等式4作为信道码速率的函数以0.5，1，2和3dB的概率损耗绘制。对不同码速率，BER＝10-3所要求的EB/NO是从Rice因子K＝6的Clark和Cain获得的。EB/NO的值在码速率为1时是6.7dB，在码速率为3/4时是3.9dB，在码速率为2/3时是3.5dB，在码速率为1/2时是3.0dB，在码速率为1/3时是2.6dB，而在码速率为1/4时是2.3dB。因此C/I的合理工作点是10.5到12.5dB，它允许同频干扰损耗不大于0.5dB时使用1/2速率或1/3速率。
一旦确定了最小要求C/I，就可以设计蜂窝布局和复用模式以使实际承受的C/I超过最小要求C/I。在常规移动蜂窝系统(陆基和星基)中，要设计蜂窝布局和频率分配在满负载条件下获得最小要求的C/I。即，在假设所有可用信道都同时使用时计算复用距离。本发明与现有技术的惯例不同。使用部分负载技术来降低同频干扰，藉此减小同频蜂窝之间的复用距离。通过减小复用距离，可以更多地使用相同载频以提高整个系统的频谱效率。
卫星通信系统的计算机仿真已经被用于示范部分负载技术。卫星通信系统的实际C/I可以用下式数学表达：(CI)Actual=10log{Σi=1N[10[Antdis+δPi]/10]-1}-1--(5)]]>其中N是同频干扰者的总数，Antdis是用户和第i个干扰者之间的天线分辨率，而δPi是用户和第i个干扰者之间EB/NO的差。天线分辨率是天线距收偏离天线瞄准线轴外接收的信号的能力的量度。典型的天线分辨图样如图5所示。如图5所示，相对增益随距离天线瞄准线的距离或角度的增加而非单调降低，并且包括多个旁瓣。旁瓣会导致在不想要的方向上接收到干扰信号。
等式5中的表达式用于对具有61个六角形波束图样服务小区的卫星通信系统建模。假设每个波束都来自一个被均匀照射的圆孔。所有波束都是均匀加载的。随波束中的用户位置而定，该用户的调制功率在前向链路上使波束中的所有用户在地面上具有相同的功率，同时反过来，对反向链路在卫星处接收到相等的信号强度。用户被随机放置在距波束中心25％的交叉距离内。
下表1是对展示C/I和交叉距离之间关系的仿真的总结。在这个仿真中，假设同频干扰来自60个干扰用户。相邻波束之间的交叉距离在2dB和10dB之间变化。结果表示大约4.5dB的交叉距离在98％的情况下产生最高的C/I，并且对于平均，90％，和95％的情况也是接近最佳的。它还表示在没有DTX的情况下由于同频干扰，要求1/3速率或更高的信道编码以满足0.5dB损耗的要求。
表1 C/i 平均 90％ 95％ 98％ DTX 慢PC PC误差 交叉 距离 0.1 2.4 6.9 11.2 10.7 10.5 10.1 9.7 9.5 9.4 9.7 -0.5 1.7 5.6 9.2 10.3 10.0 9.4 9.0 8.8 9.9 9.3 -0.7 1.4 5.2 8.8 10.1 9.8 9.3 8.9 8.7 8.9 9.2 -1.0 1.2 5.0 8.4 10.0 9.5 9.0 8.6 8.5 8.7 9.0 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 2.0dB 2.5dB 3.0dB 3.5dB 4.0dB 4.5dB 5.0dB 6.0dB 6.5dB 7.5dB 10.0dB
图6基于计算机仿真给出具有18个干扰小区群的7-服务小区图样上部分负载对C/I的影响。图7基于计算机仿真给出具有6个干扰小区群的7-服务小区图样上部分负载对C/I的影响。这些图在归一化复用距离大约为2时得到C/I的峰值。存在这样的情况，即C/I的这个峰值可以方便地用于通过部分负载服务小区来提高系统的频谱效率。举例而言，参考图6，假设要求C/I至少为12以维持可以接受的信号质量。如果系统100％容量的满负载，那么大约要求3.3的归一化复用距离。但是，最小C/I 12也可以通过使服务小区在它62.5％的满负载来获得2.0的归一化复用距离。即，如果假设在所有给定服务小区中都只有不多于62.5％的可用信道同时使用，那么复用距离就可以从3.3降到2.0。部分负载的服务小区会导致在那个服务小区中损失频谱效率。但是，那个损失可以通过减小同频服务小区之间的复用距离获得的整个系统的频谱效率来补偿。在很多情况下，减小复用距离的收益将超过部分负载服务小区的损失。在这种情况下，部分负载服务小区可以导致更高的整体频谱效率。
举例而言，假设由于同频干扰，在满负载系统中要求7-服务小区复用模式。欠载的载频将降低一个载波上的频谱效率，但是将导致更小的干扰从而在考虑所有干扰用户时有更高的总C/I。假设75％负载所降低的C/I将允许4-服务小区复用模式。整个系统将有提高31％频谱效率的净收益。
在本发明的卫星通信系统中有很多种不同的方法实现部分负载技术。最简单的技术是在TDMA载频上随机分配可用时隙，直到达到预定的最大负载水平。举例而言，如果建立75％的最大负载水平并且在每个载频上有16个可用时隙，那么在任何给定时间将只分配12个可用信道。这样，在任何给定时刻将至少有4个不用的时隙。
稍复杂的技术是使用信号质量测试来确定预定门限达到后是否还可以分配额外频率。卫星可以通过在一个可用信道上发射测试信号并且测量测试信号的质量来确定是否分配额外信道。如果测试信号的质量在可以接受的水平上，那么就可以分配信道。取代测量测试信号的质量，可以测量测试信号在已经使用的信道上的影响。如果在测试信号传输期间，同频服务小区中已经使用的信道中的信号质量维持在可以接受的水平，那么就可以分配信道。这个过程允许在预定门限之上分配通信信道有一定的灵活性，并且可以提高频谱效率。
图8是确定是否分配新信道的判决处理的流程图。接收到对通信信道的请求之后(块200)，确定正在使用的信道数是否满足预定门限(块202)。如果用户数小于门限，那么就分配新信道(块204)。如果不是这样，就进行信号质量测试(块206)。如果信号质量测试的结果满足某种预定准则，即，通过测试(块208)，那么就为用户分配新信道(块204)。如果信号质量测试失败(块208)那么就拒绝接入(块210)。
胜于在服务小区中随机分配通信信道，自适应分配可以尽可能最小化一组两个信道服务小区中对一个特定信道的不均匀使用以最小化同频干扰。一个自适应分配的例子可以是基于所有同频服务小区对那个信道的使用率，在服务小区中分配信道。举例而言，当用户请求一个通信信道时，就在那个服务小区中确定可用信道。下一步是考虑所有同频服务小区确定使用最少的一个可用信道。分配那个考虑所有同频服务小区时使用最少的信道。本领域的技术人员将可根据预定准则提出其它信道分配的自适应方案。
当然，本发明可以用这里阐述以外的其它具体方法实现，而不脱离本发明的精神和基本特征。举例而言，描述根据本发明建造的传送箱的原型所用的具体尺寸并不是想要限制权利要求的范畴，而只是提供例子。因此，在各方面都要将本实施例当作说明而不是限制，同时附属的权利要求书的含义和等价范围中带来的所有变化都包含在这里。