CN1148892C

CN1148892C - 监视cdma通信系统上的负载的方法

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Publication number: CN1148892C
Application number: CNB008085897A
Authority: CN
Inventors: Ss; S·S·索利曼
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1999-06-07
Filing date: 2000-06-06
Publication date: 2004-05-05
Anticipated expiration: 2020-06-06
Also published as: HK1044425A1; WO2000076086A1; US20020061006A1; CN1354920A; HK1044425B; DK1190501T3; ATE406706T1; EP1190501B1; US6356531B1; ES2311460T3; EP1190501A1; BR0011360A; WO2000076086A9; AU5469700A; KR100635690B1; JP2003501940A; CY1109136T1; KR20020008219A; PT1190501E; DE60040069D1

Abstract

监视具有基站(4)和多个用户的CDMA通信系统(9)负载的系统和方法。确定通信系统(9)中的话音活动，并提供与频率重复使用率的初始值相等的频率重复使用率当前值。根据测得的话音活动和频率重复使用率当前值来确定功率。使用确定的功率来更新频率重复使用率当前值，来提供频率重复使用率的新的当前值。确定的功率和频率重复使用率的更新被迭代重复，直到提供频率重复使用率的收敛值为止。然后根据频率重复使用率的收敛值来确定通信系统上的负载。

Description

监视CDMA通信系统上的负载的方法

发明背景

I.发明领域

本发明涉及数字通信，特别涉及监视CDMA系统中的负载的新颖和改进的系统和方法。

II.相关技术描述

在码分多址(CDMA)无线通信领域中，多个通信装置分享一个宽频信道，每个通信装置使用不同的伪随机噪声(PN)扩展码。在典型的CDMA无线通信系统中，第一频带用于前向信道通信(从基站到移动站)，而第二频带与第一频带不同，用于反向信道通信(从移动站到基站)。1990年2月13日授权的、题为“Spread Spectrum Multiple Access Communication System UsingSatellite Or Terrestrial Repeaters”的美国专利4,901,307，中给出了这样的一种系统。该专利已转让给本发明的受让人，在此引述供参考。

在上述CDMA无线通信系统中使系统容量最大这一构思的基本点是功率控制处理。必须控制用户装置的输出功率，以保证在基站收到足够强的信号，并维持高质量的声音，同时使干扰最小。由于每个小区中重复使用CDMA宽带信道，同一小区中其它用户引起的自干扰以及其它小区中用户引起的干扰是对系统容量的最大的制约因素。由于衰落和其它信道的影响，当每个用户的信噪比(SNR)平均处于支持“可接受的”信道性能的最小点时就获得了最大容量。由于噪声谱密度几乎完全是由来自其它用户的干扰所产生的，因而所有的信号必须以相等的平均功率到达CDMA接收机。在移动传输环境中，这是通过提供移动站接收机的动态功率控制来实现的。功率控制防止了系统负载的变化、堵塞、信道状况的慢速和快速变化，以及信道状况的突然好转或恶化(阴影变化(shadowing))。

移动站发射机的功率控制由两部分组成：由移动站进行的发射功率的开环估算，以及由基站进行的该估算值中差错的闭环校正。在开环功率控制中，每个移动站估算分配的CDMA频率信道上的总接收功率。依据该测量值和基站提供的校正，调整移动站发射的功率来匹配所估算的路径损耗，以一预定的功率值到达基站。所有移动站使用相同的方法，以相同的平均功率到达基站。不过，前向和反向信道未经控制的差别，例如由于移动站接收链和发射链中的频率差和不匹配所引起的反向衰落，是无法由移动站来估算的。

为了降低这些残留差错，每个移动站通过插入每个前向话务信道内的低速数据，用基站所提供的闭环功率控制信息来校正它的发射功率。基站通过监视每个移动站的反向CDMA信道质量来得到校正信息，将此测量值与一阈值比较，并根据结果或者请求增加或者请求减小。采用这种方法，基站将每个反向信道、继而所有的反向信道维持在提供可接受的性能所需的最低接收功率上。使用以上描述的开环和闭环功率控制方法的一例通信系统见标题为“Method And Apparatus For Controlling Transmission Power In A CellularMobile Telephone System”的美国专利5,056,109。该专利已转让给本发明的受让人，在此引述供参考。

在所述CDMA无线通信系统中，每个基站都有一定数量的射频源，例如，收发机和信道调制器/解调器(调制解调器)。分配给基站的资源量取决于期望的话务负载情况。例如，乡村地区的系统在每一基站处只有一个单向天线，有足够的信道调制解调器支持八路同时呼叫。另一方面，人口稠密的城市地区内的基站可以与其它基站装在一起。每一基站有几幅方向性很强的天线，和足够的调制解调器，可以同时处理四十个或以上的呼叫。正是在这些人口稠密的城市内，人们很重视区站的容量，并且必须密切监控区站容量，以便能够在保持可接受的通信质量的时候，最有效地分配有效的资源。

扇区/小区负载是某扇区内实际用户数量与该扇区可以支持的理论最大值的比值。该比值与扇区/小区的接收器处测得的总干扰值成正比。扇区/小区可以支持的最大用户数是总信噪比(SNR)、话音活动和来自其它小区的干扰的函数。单独的用户装置SNR依赖于用户装置速度、射频传播环境和系统中用户数。来自其它小区的干扰取决于这些小区中的用户数、射频传播损耗和用户分布的方式。通常的容量计算是假设所有用户的SNR值和话音活动标称值及来自其它小区的干扰均相等。不过，在实际系统中，，SNR值随用户的不同而不同，频率重复使用率随扇区的不同而不同。因而，需要连续地监视扇区或小区的负载量。

监视区站负载量状态的传统的方法是一个人，通常是无线通信服务提供商雇佣一个网络工程师或技术员，他使用专门设计并且昂贵的测试设备，从一个小区到另一个小区读取负载状态值。然后，登录的数据回到中央处理设备进行后期处理和分析。这种方法最大的缺点是不能实时估算数据，而且由于基站和测量设备之间的传输效果导致显著的差错。这样，这种监视方法只以时延方式用来进行校正，例如，对未来的资源重新分配。它无法使服务提供商采取实时行动来改善负载状况和影响系统性能。另外，它需要有人连续到达每处。由于到访时不一定正好是实际(而不是假设)高峰使用时间，因而给出的是断断续续的高峰负载状态以及相关系统性能的“断续尝试(hit ormiss)”估计。

监视区站负载量状态的另一种可能途径是访问基站或基站控制器记录的性能数据。不过，该方法只要求很少的基站处理资源转向收集和找回负载数据。另外，它存在着前文中提到的非实时后期处理问题。它也要求有人不断访问每个区站来获取数据。

本领域中监视CDMA系统中的负载的另一种已知的方法是使用专用信道。不过，由于专用信道的容量不能用作其它用途，因而该办法成本非常昂贵。因而，需要一种监视CDMA通信系统负载的更好的办法。这些问题和缺陷在本领域中可以很清楚地找到，用本发明以下描述的方法可以解决。

因此，需要有一种监视CDMA系统中负载状态的更好的方法，其中，基站确定它从系统中所有其他发送装置接收频带中的总干扰量。以这种方法进行的负载监视可以说是CDMA系统操作和维护的重要方面。例如，可以用负载监视来预测系统即将超载。也可以用此方法控制系统中的负载量，并建立准许用户加入系统的进入规则。进入规则可以适用于新用户以及已经在系统中的用户，也会由于加入任何一种用户后会导致超过系统负载而处于越区转换状态(handed off)。除了限制进入的用户数量以外，可以根据负载监控，采取措施来分配更多的资源。负载监视可以用来确定CDMA系统中锋值小时活动。

发明摘要

本发明涉及一种监视具有基站和多个用户的CDMA通信系统中的负载的方法和装置。确定通信系统中话音活动的度量，并提供与频率重复使用率的初始值相等的当前频率重复使用率。根据已确定的话音活动和频率重复使用率的当前值来确定功率。采用确定的功率来更新当前频率重复使用率，以提供新的当前频率重复使用率。迭代重复确定的功率和频率重复使用率更新值，直至收敛，以给出收敛的频率重复使用率值。然后，按照收敛的频率重复使用率值确定通信系统的负载。

在一个实现例中，在确定了通信系统的负载以后，用确定的负载值来控制新用户对通信系统的进入，例如，当负载超过阈值时，拒绝新用户进入。另外，将按照本发明计算的负载值储存起来，来收集与通信系统相关的峰值小时活动。

附图说明

读者在参照附图阅读了本发明的详细描述以后，将更清楚地了解本发明的特征、目的和优点。图中，相同的标号所表示的意义相同。其中，

图1示出本发明系统的高级概述；

图2a、b示出CDMA通信系统可能的负载；

图3示出本发明方法的流程图；

图4是用来构成本发明位置跟踪系统的典型基站元件的方框图。

发明的详细描述

现在参考图1，图中示出本发明通信系统9的概图。通信系统9提供系统负载的实时监视和管理。通信系统9的基站4通过天线2与移动站1a-d进行无线通信。正如本领域中众所周知的那样，移动站1a-d可以是功率受控CDMA蜂窝电话。基站4还与系统管理中心5通信，该中心5可以配有执行基站4内所需的监视功能和管理功能时所需的个人电脑和网络电脑。基站4和系统管理中心5可以通过本技术领域中已知的任何一种方法进行通信。

在系统9的正常操作中，移动站1a-d定期地与基站4进行通信，可以发出呼叫、接收呼叫，或往返于基站4发送和接收各种开销消息。在峰值使用时间，例如在中午，四个移动站1a-d可以全部同时与基站4进行通信，从而在方向链路上增大系统负载和干扰。相反，在非峰值使用时间，如在午夜的任何时间里，移动站1a-d中几乎没有一个会与基站4进行通信，因而系统负载下降。根据基站的容量，与基站4同时进行通信的可以少于或多于四个移动站1a-d，这是可以理解的。

在实现本发明的系统和方法中，可以监视工作CDMA通信系统中的系统负载和频率重复使用率。基站控制器、基站或任何其它控制装置可以使用有关系统负载的信息来控制负载、建立进入系统的规则并收集峰值小时活动情况。为了获得该信息、进行这些操作，使用区站调制解调器得到的话务信道SNR信息。特别是，使用CDMA系统第K扇区的第I个反向信道的每比特能量(Eb)对功率谱密度(Nt)。这个量由下式给出：

(\frac{E_{b}}{B_{t}}) = x_{i} = \frac{(W / R_{i}) C_{i}}{N_{o} W + \frac{1}{F_{k}} Σ_{j &NotEqual; i}^{N} v_{j} C_{j}} - - - (1)

x_{i} [N_{o} W + \frac{1}{F_{k}} Σ_{j &NotEqual; i}^{N} v_{j} C_{j}] = \frac{W}{R_{i}} C_{i} - - - (2)

x_{i} [N_{o} W + \frac{1}{F_{k}} Σ_{j &NotEqual; i}^{N} (v_{j} C_{j} - \frac{1}{F_{k}} v_{i} C_{i})] = \frac{W}{R_{i}} C_{i} - - - (3)

x_{i} [N_{o} W + \frac{1}{F_{k}} Σ_{j = i}^{N} v_{j} C_{j}] = \frac{W}{R_{i}} C_{i} + \frac{1}{F_{k}} x_{i} v_{i} C_{i} - - - (4)

C_{i} = \frac{x_{i}}{W / R_{i} + \frac{1}{F_{k}} v_{i} x_{i}} [N_{o} W + \frac{1}{F_{k}} Σ_{j = 1}^{N} v_{j} C_{j}] - - - (5)

其中，NoW代表热/背景噪声，Ci是基站天线连接器处从用户i收到的功率，vi是基站已知的用户i的平均话音活动，N是扇区中同时用户数，W是CDMA波形的带宽，Ri是用户i的数据速率，F_k是扇区K的频率重复使用率。

如下所述，话音活动Vi是在N帧上，根据从移动站发送话务信息在该帧期间所使用的数据速率计算出来的。例如，在典型的CDMA系统中，可以使用四种速率(即，全速，半速，1/4速和1/8速)中的一种速率将各帧传送到基站。在这些系统中，在进行发送之前，移动站数字复用器输出信号流经时间选通，使得某些数字复用器输出码元内被发送出去，而另一些则被删除。发送门的占空因素随传输数据速率而变化。当传输速率是1(全速)时，发送门允许所有的数字复用器输出码元能被传送出去。当传输速率是1/2时，发送门允许数字复用器输出码元的一半得以发送出去，等等。对包括速率1的N1个帧的一个给定时间间隔，速率1/2的N2个帧，速率1/4的N3个帧，速率1/8的N4个帧(这里，N＝N1+N2+N3+N4)，N个帧上的平均话音活动因子(v)的计算如下：

v = \frac{N_{1}}{N} + \frac{1}{2} \frac{N_{2}}{N} + \frac{1}{4} \frac{N_{3}}{N} + \frac{1}{8} \frac{N_{4}}{N} - - - (6)

以上提到的频率重复使用率F_k可以表述如下：

对所有的i值，乘以vi并加上等式(5)

Σ_{i = 1}^{N} v_{i} C_{i} = [N_{o} W + \frac{1}{F_{k}} Σ_{j = 1}^{N} v_{j} C_{j}] Σ_{i = 1}^{N} \frac{v_{i} x_{i}}{W / R_{i} + \frac{1}{F_{k}} v_{i} x_{i}} - - - (8)

等式(8)可以重写为

\frac{\frac{1}{F_{k}} Σ_{j = 1}^{N} v_{j} C_{j}}{[N_{o} W + \frac{1}{F_{k}} Σ_{j = 1}^{N} v_{j} C_{j}]} = \frac{1}{F_{k}} Σ_{i = 1}^{N} \frac{v_{i} x_{i}}{W / R_{i} + \frac{1}{F_{k}} v_{i} x_{i}} - - - (9)

等式(9)的左边代表CDMA功率对总接收功率的比值。该比值定义为CDMA通信系统负载的百分比。等式(9)的右边，频率重复使用率F_k是个估算值。等式(9)右边的所有其它值是已知的。这样，如果获得了频率重复使用率F_k，则可以计算通信系统的负载百分比。

现在参考图2a，b，图中示出图标10、12。图标10、12表示CDMA扇区可能的负载。在图标10表示的CDMA扇区中，大约50％的接收功率是CDMA功率，而大约总接收功率的50％是噪声(NoW)。在图标12表示的CDMA扇区中，大约75％的总接收功率是CDMA功率，而大约25％的总接收功率是噪声(NoW)。这样，图2a，b中扇区的负载百分比分别是50％和75％。

现在请参考图3，图中示出了本发明通信系统控制方法50的流程图，该方法用于在通信系统9中监视负载和确定频率重复使用率。方法50最好与控制器中的软件来实施，而该控制器与所考虑的扇区/小区相关的区站调制解调器耦合。

当按照通信系统控制方法50监视反向RF链路负载时，CDMA通信系统可对扇区k中每个反向通信信道i的话音活动vi进行估计，如方框52所示。本领域中的普通技术人员知道，反向话务信道包括将功率控制信息从移动站发送到基站的功率控制组。在每一功率控制组结束时，基站中的通信元件处理器可以作出决定，移动站I的发射机在功率控制组期间是开还是关。可以使用该信息来确定话务信道i上的话音活动，如等式(6)所示。

对于扇区中的每个反向通信信道，通信系统9估计每比特能量与噪声功率谱密度的比值xi＝(Eb/Nt)I，如方框54所示。根据实施的条件，可以使用每比特能量与噪声功率谱密度xi(Eb/Nt)i的平均估计值或瞬时估计值。CDMA通信系统中每比特能量与噪声功率谱密度的比值可以用不同的方法来确定。一种方法是使用Eb/Nt的瞬时值，另一种包括使用Eb/Nt的设定点值。一般来说，Eb/Nt的瞬时值是从基站控制器中获得的，而设定点值是从一个选择器获得的。如果使用瞬时值，那么基站处理器可以使用等式(9)来计算瞬时负载，并将负载信息传递到接入控制处理器。如果使用来自选择器的设定点值，那么基站控制器可以使用等式(9)来计算对应于已确定的设置点的负载。可以理解地是，在用户反向话务信道上维持特定的帧差错率所需的每比特能量对噪声功率谱密度的比值可以表示为(Eb/Nt)i。

总接收功率

P_{t} = N_{o} W + \frac{1}{F_{k}} Σ_{j &NotEqual; i}^{N} v_{j} C_{j} - - - (10 A)

就可以如方框56所示来测得。该值在传统基站自动增益控制电路上很容易获得，也可以用本领域中已知的其它方法来测得。如方框58所示，等式(8)与等式10(A)一起，用来计算扇区k中的CDMA功率。该计算是按照等式10(B)，用当前值是频率重复使用率F_k(0)的估计的初始值(F_k(0)来进行的。F_k(0)较好的初始值可以是0.66。

P_{cdma} (0) = Σ_{i = 1}^{N} v_{i} C_{i} = P_{t} Σ_{i = 1}^{N} \frac{v_{i} x_{i}}{W / R_{i} + \frac{1}{F_{k} (0)} v_{i} x_{i}} - - - (10 B)

更新频率重复使用率，以产生新的当前值，如方框60所示。在每次迭代期间，更新频率重复使用率的当前值，以提供频率重复使用率的新的当前值。新的当前值按下式计算：

F_{k} (1) = \frac{P_{cdma} (0)}{p_{t} - N_{o} W} - - - (11)

继续方框56、58、60中的迭代，直到按照下式在方块62中得出F_k收敛的估算值：

P_{cdma} (n) = Σ_{i = 1}^{N} v_{i} C_{i} = P_{t} Σ_{i = 1}^{N} \frac{v_{i} x_{i}}{W / R_{i} + \frac{1}{F_{k} (n)} v_{i} x_{i}} - - - (12)

F_{k} (n) = \frac{P_{cdma} (n)}{P_{t} - N_{o} W} - - - (13)

因此，就按照判断方框62确定了频率重复使用率的最终值。如方框64中所示，采用(9)式中的方法，使用频率重复使用率，计算扇区负载。可以进行方框64中的运算，例如，当连续两次频率重复使用率的计算在处理器执行计算的精度之内产生相同的结果，或者当两次连续的频率重复使用率的计算在互相预定的阈值内时。然后，根据系统负载、频率重复使用率或者使用通信系统控制方法50获得的任何其它值，CDMA通信系统则可以由例如基站控制器来控制，如方框66所示。例如，可以根据系统负载量来控制新用户进入通信系统。另外，可以监视系统负载，来收集反映基站峰值小时活动的信息。

现在参考图4，图中示出用来实现本发明负载监视系统典型CDMA基站400的组成的方框图。在基站处，使用两个接收系统，每个系统有单独的天线和用于分集接收的模拟接收器。在每个接收系统中，对信号作相同的处理，直到信号经历了分集组合过程。虚线内的组件对应于这样一些元件，这些元件对应于基站和一个移动站之间的通信。仍参考图4，第一接收系统由天线460、模拟接收器462、搜寻接收器464和数字数据接收器466和468组成。第二接收系统包括天线470、模拟接收器472、搜寻接收器474和数字数据接收器476。区站控制处理器478用来进行信号处理和控制。在所有的事件中，区站处理器478监视发送到移动站以及从移动站接收的信号，并使用该信息进行如上所述的负载监视的计算。这样，图3所示的系统最好用区站处理器478处的软件来实现。

两个接收系统都耦合到分集组合器和解码电路480。在控制处理器478的控制下，使用数字链路482往返于基站控制器或数字路由器之间传递信号。将天线460上收到的信号传送到模拟接收器462，在此，采用与移动站模拟接收器相关的描述中所描述的过程，进行信号放大、频率转换和数字化。将模拟接收器462的输出提供到数字数据接收器466和468以及搜寻接收器464。第二接收系统(即模拟接收器472、搜寻接收器474和数字数据接收器476)以与第一接收系统类似的方式来处理接收信号。将数字数据接收器466、476的输出提供到分集组合器和译码电路480，由该电路按照译码规则处理信号。关于第一接收系统和第二接收系统及分集组合器和解码器480的操作的细节，在美国专利5,101,501中作了描述，其标题为“Method and Apparatus forProviding A Soft Handoff In Communications In A CDMA Cellular TelephoneSystem”。传送到移动装置的信号在处理器478的控制下提供到发送调制器484。发送调制器484对数据进行调制以发送到要求的接收移动站。

以上提供了较佳实现例的描述使本领域中的技术人员能够使用和制造本发明。这些实施例的各种修改对于本领域中的技术人员来说是显而易见的，可以将这里的一些基本原则在没有发明人帮助的情况下用到其它实现例上。因此，本发明并不局限于这些实施例，而应当从最宽的范围来理解所阐述的原则和新颖特征。

Claims

1.一种监视CDMA通信系统上的负载的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(a)确定通信系统中话音活动的度量；

(b)提供与频率重复使用率初始值相等的频率重复使用率的当前值；

(c)根据已确定的话音活动和频率重复使用率来确定功率；

(d)用所述确定的功率来更新频率重复使用率的当前值，以给出新的频率重复使用率当前值；

(e)重复步骤(c)和(d)，直至给出收敛的频率重复使用率；

(f)按照所述收敛的频率重复使用率值，确定所述通信系统上的负载。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信系统包含为众多移动台服务的基站。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)包括以下步骤：

(i)确定与第k个扇区相关的总接收功率(Pt)；

(ii)按照与所述第k个扇区相关的所述总接收功率(Pt)、所述确定了的话音活动和与第k个扇区相关的频率重复使用率(F_k(n))的当前值，计算功率值(Pcdma(n))。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)包括这样有关步骤，即，使用与第k个扇区相关的功率值(Pcdma(n))和总接收功率(Pt)，计算新的频率重复使用率当前值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述新的频率重复使用率当前值F_k(n+1)是在步骤(d)中按下列等式确定的；

F_{k} (n+1) = \frac{P (n)}{P_{t} - N_{o} W}

其中，N_oW代表在基站处接收到的背景噪声。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(e)包括重复步骤(c)和(d)这样一个步骤，直到新的频率重复使用率F_k(n+1)当前值和频率重复使用率F_k(n)的当前值之差小于预定的阈值。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(e)包括重复步骤(c)和(d)这样一个步骤，直到新的频率重复使用率F_k((n+1)当前值与频率重复使用率当前值相等。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(f)包括按下式确定所述通信系统上的负载(L)：

L = \frac{1}{F_{k}} Σ_{i = 1}^{N} \frac{v_{i} x_{i}}{W / R_{i} + \frac{1}{F_{k}} v_{i} x_{i}}

其中，F_k是收敛的频率重复使用率值，vi对应于步骤(a)中测得的话音活动，Ri是所述通信系统用户的数据速率，xi是所述通信系统中每一位能量对反向话务信道噪声能谱密度的比值。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信系统包括一个扇区而步骤(f)根据收敛的频率重复使用率值确定所述扇区的负载。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，它还包括根据扇区负载来控制所述通信系统这样一个步骤。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包含根据步骤(f)中确定的所述负载来控制新用户进入所述通信系统的步骤。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包含根据步骤(f)中确定的所述负载值收集峰值小时活动这样一个步骤。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率重复使用率的初始值约为0.66。