CN1324192A - 无线通信系统中多用户资源管理的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供高速无线通信系统动态控制的方法和设备,用来优化系统资源利用以及由此提高系统处理能力。在满足接受服务的用户应用所需的QoS标准的前提下,为每个由无线系统服务的用户应用确定无线传输资源分配。为所有用户应用分配了传输资源之后,确定出总传输资源,并且与无线系统的最高传输资源水平相比较。按照提供给每个用户应用的初始分配的比例,接受服务的用户应用,可以获得无线系统的最高传输资源水平与目前分配的总传输资源的部分差值。

Description

无线通信系统中多用户资源管理的方法和设备

本发明涉及无线通信系统，尤其涉及作为服务质量参数函数的系统资源参数的管理。

无线通信系统允许移动用户和固定基站之间传输消息信号。典型地，基站与一个或多个陆线通信网互连。业已开发出模拟系统(第一代)和数字系统(第二代)，以通过连接移动用户与陆线网的通信信道来传输消息信号。数字方法趋于提供若干优于模拟系统的优点，包括改进的信道抗噪声和干扰的能力，增加以容量，以及安全通信的加密。

第一代无线通信系统主要面向语音通信，但是第二代和第三代系统的数字技术提供了对语音和数据应用的支持。为了增加能够接入无线网络的用户数量，业已开发了多种调制/编码技术，诸如频分多址(FDMA)，时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。CDMA系统抗多径畸变和相邻信道干扰的能力比FDMA和TDMA系统强，并且减轻了FDMA和TDMA系统常见的频率/信道设计的负担。

无线网络的基站管理大量用于与它们相连的移动用户建立通信连接的资源。这些资源中包括输出功率和数据速率。输出功率和数据速率成比例关系——当数据速率提高时，与用户建立或保持连接所需的输出功率相应地提高。这种随着数据速率增加而增加的输出功率，是将每比特的输出能量维持为常量所需的。在功率输出管理中，基站必须能够平衡其用户单独的和总体的传输需求，抗所服务的移动用户的频道间干扰，同时制约基站的总输出功率。

这样，在用户向无线网提出入网请求时，基站必须对照现有用户环境和功率需求，评估该用户的数据速率和功率需求。当用户环境接近系统总容量时，系统延迟用户进入网络，以避免基站输出功率容量的过载。

在使用功率控制的通信系统中，可用RF功率的分配通常取决于所需的帧误码率(FER)，因为功率控制系统中具有这样一种反馈机制，即该反馈机制用于调整功率以便在变化的信道状态下维持所需的FER。因而，对于一个给定的所需FER，输出功率的变化将依赖于所需FER与由于信道状态变化引起的实际FER之间的差值。信道瞬时的Eb/Io比率(实质上是数字信/噪比)受到功率控制系统内部的环路的设定点周围的偏移控制。一旦设定了目标FER，为了将实际FER维持在所需FER容许的偏差范围内，利用功率控制系统动态分配RF功率以克服信道衰减和干扰。

对于话音呼叫，FER通常设定在1％到2％之间以满足所需的服务品质(MoS)参数。另一方面，数据通信应用一般可以接收一个稍高一些的FER，但是选定的FER必须满足这种应用的服务质量准则。这就需要在众多用户和用户应用需求之间提供高效的无线系统资源分配。

一种在无线通信系统中向为众多用户分配资源，以智能利用功率和系统资源的方法。尤其是，本发明提供了按用户应用需求动态分配功率和系统资源，以便得到无线系统最佳的资源分配。

本发明的方法用于在满足服务用户应用所需的QoS标准的同时，按照优化传输资源的方式，为每个由无线系统服务的用户应用确定一个无线传输资源分配。用这种方式为所有用户应用提供了一个传输资源分配后，可确定无线系统总的传输资源分配，并且该无线系统总的传输资源分配将与最大传输资源水平作比较。根据本发明的方法，按照为每个用户提供的初始分配的比例，所服务的用户应用可以得到最大传输资源水平和当前分配的传输资源之间的部分差值。

根据相互参照的，指定为Lu 5-6-6的，第09/专利申请中的多层资源管理方法，在本发明的一个优选实施例中，采用了为每个用户应用确定一个初始的最佳资源分配。根据该方法，以一组表格或对应曲线(或其等价数值)的形式，确定和保存所考虑的每个用户应用和无线信道的工作特性。然后确定与所考虑的用户应用所需的工作参数(例如，数据处理量)对应的那些曲线上的数据点。然后将该申请的工作特性曲线上的那些数据点映射到物理信道的工作特性曲线上对应的数据点。根据该映射，选择FER和数据速率，以便优化关于该应用和所选信道特性的数据处理量需求的系统功率分配。

根据刚描述的过程，确定了系统中每个用户的资源分配后，全体用户的总资源分配得到确定——该总分配代表无线系统的无线电资源利用。然后将总资源分配与无线系统可用的最大无线传输资源比较，并且这两个值的差值的一部分用于建立“奖金”(bonus)分发过程。奖金分配过程用来分发可用资源负载“信用”，以便减小系统最大集合处理量时的内部用户干扰。

通过本发明的奖金过程，在资源分配直接达到了服务用户所需的FER/QoS需求后，剩余的可用资源负载按照用户初始分配的比例分发给它们，因此提高了未满载系统的利用率。按照这个步骤收到奖金资源分配的用户将被分配提高的传输功率，这将使给定数据文件的传输提前完成，这样在该空闲(freed-up)时间增量期间，系统资源可以被另外一个用户应用所用。

图1示意了根据本发明的方法的一个负载箱和与之相关的基站负载因数阈值；

图2提供了关于本发明的奖金分发过程的流程图。

在支持相对高的数据速率的数据通信应用的无线网络中，必须仔细管理信道的利用，以便避免低效的信道利用引起的传输延时。正如此后所示的，本发明提供了一种管理通信信道的新方法，以便得到无线系统资源的最佳利用。尽管本发明是通过基于无线信号的CDMA编码的一个优选实施例的形式描述的，应该明确的是本发明的方法还可以应用于其他无线信道化技术，包括宽带CDMA(W-CDMA)，TDMA和GSM。

本发明提供了一种用于无线系统未满载时，最大限度利用无线系统中无线信道的方法。通过本发明的处理，实现了信道利用率的提高，为无线系统的用户实现了系统最大集合处理量。尤其是，本发明确定了在给定的时刻，无线系统的最大可用传输资源与分配给由无线系统提供服务的用户的传输资源水平之间的差值，并且将该传输资源差值的一部分作为额外资源分配提供给部分或全部系统用户。这里用“奖金”分发过程来描述这种额外资源分配过程的特性。这种奖金分配过程用来在服务的用户中再次分配传输资源差值(此后，有时会用“负载信用”来描述)的选定部分，通常按照各用户初始资源分配的比例。

作为本发明处理过程的第一步，给每个由无线系统服务的用户应用分配一个初始的传输资源，通常该初始分配能够直接达到用户应用和系统传输资源最小开销所需的QoS准则。对于本发明的一个优选实施例，根据相互参照的、指定为Lu 5-6-6的、第09/专利中请中的多层资源管理方法，执行这种各用户的初始资源分配。尽管在相互参照的专利申请中已经对该过程作了充分描述，并且参考该过程的详述，下面将简要描述该过程的基本步骤。然而，应该明确此处描述的本发明的过程并不局限这种与为每个用户建立一个奖初始源分配的优选方法。而本发明的处理过程被认为与优选的初始分配方法合作完成无线系统资源的更高效的利用，但事实上任何做出这种初始资源分配的方法都可用于本发明的过程。

根据优选的分配方法，在为给定的用户应用提供初始资源分配的过程中，相对于涉及应用层(通信信道的分层协议模型)的一组工作特性曲线(或表)，对用户应用会遇到的工作参数，例如数据处理量进行评估。对于优选实施例，那些工作特性曲线描述了数据处理量和帧误码率特性。对于一个给定的信道情况，绘制多条分别对应于无线系统所支持的数据速率的曲线，[注意，在所考虑范围内用户应用的数据文件传输之前，应该知道在这些特性曲线上所绘制的数据点，或者致少可以计算出]所以，对于在考虑范围内的特定用户应用所需的数据处理能力，以及对应于选定工作特性曲线指定的特定信道情况，在多数情况下多重数据速率能够达到该数据处理能力。因此，可以选择多对{FER，数据速率}数据点以与所需的数据处理能力对应。

还要确定相对于物理层(信道)的第二组工作特性曲线(或表)，并且该分配方法用于将对应所需处理能力的数据点从应用层工作曲线映射到物理层工作曲线。对于优选实施例，根据FER和Eb/No工作特性描述物理层工作特性曲线。业已经知道，Eb/No参数具有表示信道传输功率的功能，且因而这样的一组工作特性曲线也涉及信道的输出功率。这些FER-Eb/No特性曲线来自诸如多普勒频率，Rician K因数，信道延时方面和其它信道衰减参数等信道信息。

对于一个给定的信道情况，由于具有多条应用层特性曲线，也有多条对应不同数据速率的曲线可用于物理层。且与应用层曲线一样，物理层特性曲线可以基于总的信道条件而得到，并且与应用层的任何特殊的数据传输无关。因而从应用(TCP/RLP)特性曲线选出的{FER，数据速率}数据点可以被映射到物理信道工作特性曲线上的对应点。根据上面的映射，选择用无线系统的最小资源分配，满足用户应用数据处理量准则的数据速率和Eb/No参数组。还应指出的是，对于优选实施例，用数据速率和目标FER来表示对给定用户的资源分配。根据已知的方法，这些参数将依次被无线系统转换为在选定的数据速率下，维持目标FER所需的传输功率电平。

根据刚描述的过程，确定系统中各用户的资源分配。然后将这些分配提供给服务的用户，并且无线系统在这些分配标准下的开始初始工作。在本发明方法的下一步，测量上一步中确定的、维持用户分配所需的总传输功率，并且将测出的总传输功率与提供那些传输资源分配的无线系统的最大传输功率水平比较。确定最大传输功率水平与测量出的维持初始用户分配所需的传输功率之间的差值，然后，该差值的一部分，即“负载信用”，被用于为服务用户分发额外资源分配。

在此后的反向连接功率分配中，对本发明的奖金分配过程加以描述，但是应该清楚的是该过程也可以用于实现前向连接。基站的反向连接总接收功率(RSSI)涉及负载，并且可以用来估计服务区的系统负载。对于在考虑范围内的无线系统的每一个天线，基站将根据预先确定的抽样间隔期间测量出的总接收功率的n个取样值的平均值，来获得RSSI的测量值——根据运行和工程考虑，系统操作员决定取样大小n。然后将在抽样间隔期间收集到的一组测量值以本地中心值为中心分类——该中心值通过计算抽样值的累积密度函数来确定，且选CDF为50％时的值。此后将该本地中值指定为RSSI-proc。[注意RSSI信号测量的随机性会给直接使用RSSI中值造成困难。使用上述本地中值来平滑该RSSI信号。]

在实现本发明的过程时，首先描述与阈值相关的负载箱。负载箱将提供基站负载状况的一个概念上的测量。参数μ，代表目前基站负载百分比，定义如下：

μ＝∑S_i(1+β)/S_max

其中S_i是基站第i个用户的接收信号强度，β代表来自其他通话干扰的因数，∑S_i(1+β)代表如前所述由RSSI-proc确定的总接收信号强度。S_max是与无线系统最大信号强度对应的参考点。因而，μ＝1对应理想情况下的最大负载。关于μ定义三个阈值。图1说明了这些阈值和本发明的负载箱。参照图，那些阈值定义如下：

A——代表在实际工作中基站允许的最大负载的阈值，如系统说明中所规定的；如果超出这个限定将忽略下一个用户服务请求；

B——高阈值，代表在该点以上没有奖金分配需要处理；[注意系统操作员根据经验确定A阈值和B阈值之间的距离，并且该距离具有表示传输功率步距(quantum step)的功能，且还具有表示数据速率步距，FER和信道衰落函数的功能。]

C——低阈值，代表在该点以下开始奖金分配处理；尽管高于阈值C不需要开始奖金分配过程，当μ变到C阈值和B阈值之间的范围内时奖金分配过程被保持。[注意系统操作员凭经验确定阈值B和阈值C之将的差值，并且该差值依赖于信道衰落变化和干扰电平。]

参考流程图2可以更好的理解本发明方法的剩余步骤。如图中将要看到的，步骤201，202，203和204分别对应前面描述的步骤(1)为服务用户提供一个初始资源分配(为优化系统资源分配，优选地建立该分配)，(2)在初始资源分配的标准下运行该无线系统并且测量总的反向连接接收功率，(3)设定基站负载因数，(4)定义关于该基站负载因数的一组阈值。

然后在第205步，本发明的方法继续将用户排序为一组{FER_i}和一个子集{T_i}，其中FER_i代表第i个用户应用的目标FER，T_i代表从现在到完成第i个用户数据传输所需的时间。根据FERs的增序或降序对{FER_i}组排序，并且，其中给定的FER为多个用户所共有，根据增加或降低的用户数T_is对这些公共的FERs排序。在步骤206中，为分配奖金对每个用户应用进行评估，并且在一个优选实施例中，该评估从具有最大目标FER的用户开始，并且按照递减的FERs顺序继续进行。对于多个用户具有一个共同的目标FER的情况，将按照用户数据传输的完成时间，Tis，递增的顺序对这样一组用户进行处理。

在步骤206中，为分配奖金而作评估的每个用户，在步骤207中，本发明将继续为该用户分配一个新的目标FER，其中的新目标FER被确定为初始分配的目标FER和因数(1+x)的乘积——x代表系统操作员选定的一部分，小于由“负载信用”表示的最大系统负载部分。在本发明的优选实施例中，将选择比“负载信用”部分小得多的x，并且随着x值的增加递归继续奖金分发过程，直到基站负载因数μ达到负载箱的上限。[注意该实际的“x”值由系统操作员凭经验确定，实际上代表所需处理资源和分辨率之间的一个折衷——即，如果“x”小，分辨率好，但是算法采取了许多步骤收敛。]

在步骤208中，为在前面的步骤中分配的每个新的目标FER，确定新的数据处理量，且在步骤209中，对照工作特性曲线对该新的数据处理能力评估，以确定是否存在与该新处理能力对应的一对新的{FER，数据速率}数据点。在步骤210中，对于发现了这样的一对新的{FER，数据速率}数据点的每一个用户，将那些新的数据点映射到物理信道工作特性曲线上，并且确定与新的映射数据点对相对应的一个Eb/No参数。然后确定对应于初始分配的{FER，数据速率}对的Eb/No参数与对应于新映射对的Eb/No参数之间的差值，并且将该差值与预先确定的阈值作比较。如果Eb/No差值超过该阈值，该新的{FER，数据速率}对被分配给用户应用。然而，如果该Eb/No差值小于该阈值量，将不作变动并且该用户应用保留初始的分配。前面步骤中为用户应用分配一个新的{FER，数据速率}对的所有情况中，在步骤211，为用户应用确定一个新的S_i。然后在步骤212更新基站负载因数，μ，以反映出提供了新的资源分配的所有用户应用的新S_i。

更新的负载因数，μ，与负载箱的上阈值B比较。如果μ小于阈值B，将前面步骤中识别的额外，即，奖金，资源分配可以分配给有资格的用户应用。通常分配是通过向给定用户应用的移动单元发送信息，授权移动用户增加其输出功率，以维持与额外资源分配相对应的新FER和/或数据速率来实现的。然而，如果更新的μ大于上限B，不作额外资源分配，并且停止奖金分配过程。

根据至此描述的、在分配过程直接达到服务用户所需的FER/QoS标准之后，用于提高未满载系统利用的本发明的方法，提供了奖金分配过程。使用本发明的方法，剩余的可用负载将分发给系统用户，产生了用户提高传输功率的奖金资源分配。用这种奖金分配，用户能够提前完成给定数据文件的传输。由此，在这些空闲时间增量期间使得系统资源能够为其他用户应用所利用。

本发明的方法可以在一个“处理器”中实现，该处理器能够配置通信信道并且与存储器相连。在这个实施例中，该存储器包含表征工作特性曲线和物理层特性曲线特性的表格。处理器监视通信信道，与用户应用相互作用，并完成上文中所述的本发明方法的数据采集和处理任务。通过使用共享或专用硬件来提供处理器实现的功能，包括但不局限于能够运行软件的硬件。用“处理器”这个词并不应认为专指能够执行软件的硬件。该处理器的示意性实施例可以包括微处理器和/或数字信号处理(“DSP”)硬件，用于存储执行下面讨论的操作的软件只读存储器(“ROM”)，和用于存储结果的随机存储器(“RAM”)。还可提供超大规模集成(“VLSI”)硬件实施例，以及结合多功能DSP电路的常规VLSI电路。

本发明提供了一种动态分配系统资源的新方法，以达到无线系统最大的数据处理量和系统资源分配的最佳效率。该方法动态调整帧误码率(FER)，数据速率或其它应用资源参数，以利用无线系统的负载信用达到这种处理能力和资源利用的最优化。

本领域技术人员借助于前面的描述，会知道本发明的许多修改和替代的实施例。因此，本描述仅作说明和以向本领域技术人员讲述实现本发明的最佳方式为目的，并不是要说明其所有可能的形式。还应该明确的是，所使用的文字仅为描述而不是作限定，实质上，在不背离本发明精神并且保留了对附加的权利要求范围内的全部改进方法的专用的前提下，可以对本发明的详细结构作改动。

Claims (18)

1.在无线通信系统中，一种在用户应用中分配系统资源的方法，该无线通信系统具有一个发射机和至少一个经过一条通信信道与之相连的接收机，并且可用于为至少一个用户应用提供一条通信路径，该方法包括步骤：

为每一个上述用户应用确定一个系统资源的初始分配；

确定由上述无线传输系统服务的所有上述用户应用的、上述初始分配的总工作传输资源负载，并且与上述无线通信系统的最大传输资源负载比较，以确定上述工作资源负载与上述最大资源负载的差值；

选择部分上述资源负载差值，用来在上述用户应用中进一步分配；

根据上述选择的部分资源负载差值，向上述服务用户应用的子集提供进一步资源分配。

2.权利要求1的资源分配方法，其中上述确定初始分配步骤用于以最小的分配系统传输资源来满足给定用户应用所需的QoS标准。

3.权利要求2的资源分配方法，其中为上述给定用户实现资源分配所根据的步骤为：

基于相对于上述通信信道的预定信道状况信息，确定第一和第二组工作特性曲线；

确定上述用户应用的一个服务质量需求；

确定对应上述QoS需求的、在上述第一组工作特性曲线上的一组数据对；

将位于上述第一组工作特性曲线上的上述确定的数据对组，映射到上述第二组特性曲线上对应的数据对组，上述第二组工作特性曲线上的每个映射数据对功能上与上述通信信道的传输功率电平相关；

从上述第二组工作特性曲线上的映射数据对中，选择与上述通信信道的低传输电平相对应的一对数据对。

4.权利要求3的资源分配方法，其中根据上述用户应用传输数据的最小处理量来指定上述QoS需求。

5.权利要求1的资源分配方法，其中确定总工作传输资源负载步骤是通过上述无线通信系统在上述服务用户应用的初始资源分配的条件下工作时，测量出的总反向连接接收功率来实现的。

6.权利要求1的资源分配方法，进一步包括步骤：

提供一个作为工作传输资源负载与最大传输资源负载比值的负载因数；

根据上述负载因数定义至少一个负载门限。

7.权利要求6的资源分配方法，其中相对于上述至少一个负载门限，建立上述资源负载差值的上述所选部分。

8.权利要求1的资源分配方法，其中为上述服务用户应用的一个子集提供进一步资源分配的步骤包括下列子步骤：

根据在上述系统资源初始分配期间，分配给上述每个用户应用的目标帧误码率(FER)，来选择一个上述用户应用进行评估；

当定义的百分比增长超过上述初始分配的目标FER时，对每个选定的用户应用修订的目标FER进行计算；

确定与上述修订目标FER有关的传输资源参数和与上述初始分配的目标FER的对应传输资源参数之间的差值，并且将上述差值与预定的阈值作比较；

若上述差值超过上述阈值，将上述修订的目标FER分配给上述用户应用。

9.权利要求6的资源分配方法，其中给上述用户应用子集提供进一步资源分配的步骤进一步包括：

确定作为进一步资源分配的函数的一个修订后的工作传输资源负载；

更新上述负载因数以反映出上述修订的工作传输资源负载；并且将上述更新后的负载因数与上述至少一个负载阈值中的一个相比较，并且当上述更新的负载因数小于上述阈值时，向上述用户应用提供进一步的资源分配。

10.在无线通信系统中，一种用于在多个用户应用之间分配系统资源的设备，该无线通信系统具有一个发射机和至少一个经过一条通信信道与之相连的接收机，并且可以为至少一个用户应用提供一条通信路径，该设备包括：

用于确定每个用户应用的初始系统资源分配的处理装置；

用于确定由上述无线通信系统所服务的所有上述用户应用的、上述初始分配的总工作传输资源负载，并且将上述总工作传输资源负载与上述无线系统的最大传输资源负载量比较，由此确定上述工作资源负载与上述最大资源负载之间差值的处理装置；

用于选择部分上述资源负载差值用于进一步在上述用户应用中分配的装置；

根据资源负载差值的选定部分，为上述服务用户应用的一个子集提供进一步资源分配的负载装置。

11.权利要求10的分配系统资源的设备，其中为确定初始分配而建立的上述处理装置，用于确定在最小的系统传输资源分配条件下，满足给定用户应用所需的QoS标准的初始分配。

12.权利要求11的分配系统资源的设备，其中为确定初始分配而建立的上述处理装置进一步包括：

用于存储第一和第二组工作特性曲线的存储器装置，上述曲线被确定为关于上述通信信道的信道情况信息的函数；

确定上述用户应用的服务质量(QOS)需求的装置；

确定上述第一组工作特性曲线上与述QOS需求相对应的一组数据对的装置；

映射装置，用于将第一组工作特性曲线上所确定的数据对组映射到第二组工作特性曲线上对应的数据对组，其中上述第二组工作特性曲线上的上述各个映射的数据对功能上与上述通信信道的传输功率电平相关；

选择装置，用于在上述第二组工作特性曲线上的上述映射数据对中，识别并选择对应上述通信信道的低传输功率电平的一个数据对。

13.权利要求12的分配系统资源的设备，其中根据上述用户应用传输数据的最小处理量来指定上述QoS需求。

14.权利要求10的分配系统资源的设备，其中为确定总工作传输资源负载而建立的上述处理装置，用于上述无线通信系统工作在所述服务用户应用的初始资源分配时，获得总反向连接接收功率的测量值。

15.权利要求10的分配系统资源的设备，进一步包括：

用于确定作为工作传输资源负载与最大传输资源负载的比率的负载因数的处理装置；和

选择至少一个根据上述负载因数定义的负载阈值的装置。

16.权利要求15的分配系统资源的设备，其中相对于上述至少一个负载阈值，来建立上述资源负载差值的上述选择部分。

17.权利要求10的分配系统资源的设备，其中上述负载装置进一步包括：

根据在上述初始系统资源分配期间，为上述每个用户应用分配的目标帧误码率(FER)选择一个上述用户应用用于评估的装置；

用于当定义的百分比增加超过上述初始分配的目标FER时，计算各选定的用户应用的修订后的FER的处理装置；

确定与上述修订的FER有关的传输资源参数和与上述初始分配的目标FER对应的传输资源参数之间的差值，并且将上述差值与预先确定的阈值比较的装置；

当上述差值超出上述阈值时，给上述用户应用分配上述修订后的目标FER的方法。

18.权利要求15的分配系统资源的设备，其中上述负载装置进一步包括：

确定修订后的工作传输资源负载作为进一步资源分配函数的装置；

更新上述负载因数以反映出上述修订工作传输资源负载的装置；

将上述更新的负载因数与上述至少一个负载阈值之一比较，并且当上述更新的负载因数小于上述阈值时，为上述用户应用提供上述进一步资源分配的装置。

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