專利名稱：模擬向數(shù)字的過渡:選擇最佳的蜂窩無線混合方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)，特別是在共同服務(wù)區(qū)內(nèi)既可為雙模式移動臺(如模擬和數(shù)字)又可為模擬移動臺提供服務(wù)的蜂窩電話系統(tǒng)。它特別涉及由模擬無線系統(tǒng)向數(shù)字TDMA系統(tǒng)的過渡，這種模擬向數(shù)字的過渡目前正同時為雙模式和模擬式移動臺提供服務(wù)，本發(fā)明尤其涉及提供減少服務(wù)區(qū)內(nèi)整體阻塞的運行方法。
數(shù)字蜂窩電話的引入帶來了明顯的容量增加的潛力，原因是在模擬技術(shù)為一個話路提供的帶寬內(nèi)，TDMA技術(shù)可以容納幾個話路。然而，除非所有用戶都有數(shù)字TDMA容量的移動電話，否則不會實現(xiàn)整體容量的增加。在那以前，希望模擬和數(shù)字技術(shù)共存，獲得少于最終容量的增益。增益的實現(xiàn)依賴于向數(shù)字轉(zhuǎn)換的無線設(shè)備的數(shù)目。如果太多的系統(tǒng)無線設(shè)備已轉(zhuǎn)換過了，那就可能沒有容量增益，甚至?xí)袚p失。
過渡階段必須回答的問題是給定具有雙模式能力(提供與模擬和數(shù)字無線設(shè)備接口的能力)的移動電話的比例數(shù)，在一個小區(qū)內(nèi)有多少無線信道必須由模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字。在確定無線混合方案時，人們可能希望增大一個小區(qū)內(nèi)的呼叫處理能力，或減少移動用戶受到的阻塞。為著手解決這些問題，需要建立一個分析模型，用于在給定小區(qū)負荷、模擬和雙模式移動臺混合比和小區(qū)可獲得的RF信道的模擬/數(shù)字分離數(shù)條件下，計算小區(qū)內(nèi)移動呼叫者所受的阻塞率。模型的結(jié)果能夠選擇對應(yīng)最低阻塞率的信道分離數(shù)，并可形成能表明雙模式移動臺的比例、小區(qū)內(nèi)數(shù)字無線設(shè)備的數(shù)目與規(guī)定阻塞率下小區(qū)能提供的最大負載之間關(guān)系的圖表。
因此，遵照本發(fā)明，提供一種為在蜂窩或服務(wù)區(qū)內(nèi)為減少阻塞而確定服務(wù)于無線設(shè)備的數(shù)字和模擬基站的最佳比例的方法。另一個目的是為了獲得可用業(yè)務(wù)服務(wù)的增加。
為了計算一個既包含模擬又包含數(shù)字無線設(shè)備的小區(qū)內(nèi)的阻塞，這兩種類型的無線設(shè)備每種都由一個包含兩個服務(wù)器組的排隊系統(tǒng)來表示。兩個獨立的呼叫流直接進入兩個服務(wù)器組。它們包含由模擬移動臺發(fā)出的呼叫和由雙模式移動臺發(fā)出的呼叫。假定這兩個呼叫流為泊松公布(呼叫間隔為指數(shù)分布，兩者互相獨立，并與呼叫產(chǎn)生率無關(guān))。每個流的負載取決于蜂窩內(nèi)總的負載和模擬與雙模式移動臺的比例。附圖簡述

圖1是在同時包含要被服務(wù)的模擬和數(shù)字移動臺的一個蜂窩內(nèi)或服務(wù)區(qū)內(nèi)，業(yè)務(wù)流和服務(wù)器組之間關(guān)系的方框圖。
圖2、3和4是表明模擬和數(shù)字雙模式移動臺的不同混合方式的小區(qū)阻塞概率的圖表。
在一規(guī)定阻塞概率下設(shè)計為TDMA系統(tǒng)提供服務(wù)的蜂窩系統(tǒng)時，希望預(yù)先知道移動臺的數(shù)目。在既處理模擬移動臺又處理數(shù)字移動臺(即雙模式)的TDMA小區(qū)中，對于每個設(shè)計中給定的移動臺數(shù)目，在設(shè)計對應(yīng)低的阻塞和高的容量使用率的小區(qū)容量時，需要計算和使用這些信息。
為數(shù)字和模擬兩種移動臺提供服務(wù)的小區(qū)原理圖如圖1所示。在那種配置中，許多雙模式移動用戶101(負載為aD)由擁有許多數(shù)字無線信道的數(shù)字服務(wù)器102組提供服務(wù)。雙模式移動臺在移動臺內(nèi)具有數(shù)字和模擬發(fā)射/接收能力。模擬移動臺103(負載為aA)由不具有任何數(shù)字發(fā)射或接收能力的模擬服務(wù)器104來提供服務(wù)。如圖所示的數(shù)字服務(wù)器102，包含在主服務(wù)器組105的范疇中，允許重新定義數(shù)字流αD作為對服務(wù)器組104的服務(wù)請求。以這種方式處理的混合負載(等效隨機負載α)似乎是由“等效隨機主服務(wù)器組”105來處理的。如下面討論確定的等效隨機負載α成為施加到模擬服務(wù)器組SA104上的流α。α包含由等效服務(wù)器105旁路通過數(shù)字服務(wù)器組SD傳到服務(wù)器組SA的溢出流αD。排隊模型為了計算同時包含模擬和數(shù)字無線信道的小區(qū)內(nèi)所受的阻塞，我們用一個包含兩個服務(wù)器組的排隊系統(tǒng)來代表這兩種類型的無線信道。兩個獨立的呼叫流直接進入兩個服務(wù)器組。它們包含由模擬移動臺發(fā)出的呼叫和由雙模式移動臺發(fā)出的呼叫。假定這兩種流服從泊松分布(呼叫間隔為指數(shù)分布，兩者互相獨立，并與呼叫產(chǎn)生率無關(guān))。每個流的負載取決于小區(qū)內(nèi)總的負載和模擬與雙模式移動臺的比例。
圖1說明了業(yè)務(wù)流和服務(wù)器組的關(guān)系。數(shù)字服務(wù)器組只接收來自雙模式移動臺的呼叫。如果這些呼叫中的任何一個發(fā)現(xiàn)所有的數(shù)字無線信道忙，它們將直接轉(zhuǎn)向模擬服務(wù)器組；模擬服務(wù)器組除了接收來自數(shù)字服務(wù)器組的溢出流，還接收來自模擬移動臺的呼叫。
可以計算系統(tǒng)的阻塞概率PS、雙模式移動臺的阻塞率PD和模擬移動臺的阻塞率PA。給定，aD雙模式移動臺的流入負載aA模擬移動臺的流入負載SD數(shù)字無線信道的數(shù)目SA模擬無線信道的數(shù)目上述阻塞概率可用下述關(guān)系來計算。PA等于到達模擬服務(wù)器組的一個呼叫發(fā)現(xiàn)所有模擬無線信道忙的概率BA。也就是說，PA＝BA(1)PD等于一個雙模式移動臺呼叫發(fā)現(xiàn)數(shù)字和模擬服務(wù)器組均忙的概率。因此，PD＝BA·BD(2)其中，BD為所有數(shù)字無線信道都忙的概率。系統(tǒng)阻塞率PS等于總的受阻塞負載與總的流入負載之比。即PS=(αD+aA)BAaD+aA=(aDBD+aA)BAaD+aA---(3)]]>其中，αD為數(shù)字服務(wù)器組處受阻塞的雙模式負載。
為計算所需概率需要知道BA和BD，它們分別對應(yīng)模擬和數(shù)字服務(wù)器組的阻塞概率。計算概率BD可通過運用愛蘭(Erlang)呼損公式B(s，a)，其中S為服務(wù)器數(shù)，a為流入負載。給定數(shù)字組中SD個無線信道OVT和流入負載aD，則阻塞率BD為BD=B(SD,aD)=aDSD/SD!Σk=0SD(aDk/k!)---(4)]]>
概率BA的計算比較復(fù)雜。即使原始業(yè)務(wù)流是泊松分布的，模擬服務(wù)器組的輸入也不是泊松分布的，因為它包含了來自數(shù)字服務(wù)器組的非泊松分布的溢出流。因此，運用一等效近似方法來計算模擬服務(wù)器組處的阻塞概率。等效隨機方法我們的分析是基于一種在電信業(yè)務(wù)工程中熟知的等效隨機方法的技術(shù)。所用的排隊系統(tǒng)可以由如圖1所示的包含一主服務(wù)器組和一個溢出流服務(wù)器組的等效簡單溢出流系統(tǒng)來表示。模擬服務(wù)器組為溢出流組。進入模擬服務(wù)器組的兩個輸入相混合，用來自單個“等效隨機”主服務(wù)器組的溢出流來表示；該“等效隨機”主服務(wù)器組接收一個“等效隨機”負載。等效隨機主服務(wù)器組的大小S和等效隨機流入負載a是在使兩個系統(tǒng)等效時要用到的兩個參數(shù)。如果到模擬服務(wù)器組的輸入的前兩個要素(moment)相同的話，這兩個系統(tǒng)將是等效的。也就是說，在原始和等效的隨機系統(tǒng)中，模擬服務(wù)器組流入總負載的均值α和方差ν必須相同。結(jié)果，兩個等效系統(tǒng)中，模擬服務(wù)器組處的阻塞概率將相同。運用等效隨機系統(tǒng)可以計算BA。
S和a的值是初始化給定的，這使得兩個排隊系統(tǒng)是等效的。為此，寫出兩個系統(tǒng)中α和ν的表達式，然后讓它們相等。
在原始的系統(tǒng)中，模擬服務(wù)器組的輸入包含兩個獨立流，即來自數(shù)字服務(wù)器組的溢出流和模擬業(yè)務(wù)流。由于該獨立性，它的均值和方差可如下計算α＝αD+aA(5)ν＝νD+aA(6)其中αD和νD為數(shù)字溢出流的均值和方差。它們的值由下式給出αD＝aD·B(SD，aD)(7)νD=αD[1-αD+aDSD+1+αD-aD]---(8)]]>其中aD為雙模式流入負載，SD為數(shù)字無線信道的數(shù)目[1]。aA為模擬流入負載。作為一個泊松業(yè)務(wù)流，模擬流入負載的方差等于它的均值。
在等效隨機系統(tǒng)中，溢出流的均值和方差由下面給出
α＝a·B(s，a)(9)ν=α[1-α+as+1+α-a]---(10)]]>通過用公式(5)～(8)先計算α和ν后，可以用公式(9)和(10)來求等效隨機組的大小S和等效隨機負載a。
給定S和a，可以計算模擬服務(wù)器組處的阻塞率BA。在等效隨機系統(tǒng)中，BA是在主等效隨機服務(wù)器組處受阻的一個呼叫發(fā)現(xiàn)溢出組的所有服務(wù)器均忙的條件概率。主服務(wù)器組處的阻塞概率為B(s，a)?？傋枞怕蕿锽(s+sA，a)，其中SA為模擬無線信道的數(shù)目。利用條件概率的定義，我們有BA=B(S+SA,a)B(S,a)---(11)]]>等效隨機系統(tǒng)參數(shù)的近似解用式(9)和(10)求解S和a可運用Rapp’s的方法〔3〕來實現(xiàn)。Rapp觀察到式(9)和(10)的一個好的解可通過將式(10)與下式相結(jié)合來獲得a＝ν+3Z(Z-1)(12)其中峰值因子(peakedness factor)Z定義為Z=να---(13)]]>這個觀察導(dǎo)致下面的計算步驟S和a的算法第一步-用公式(5)至(8)計算α和ν第二步計算Z第三步用式(12)計算a第四步通過變換式(10)計算SS=a(α+z)α+z-1-α-1]]>第五步將第4步計算所得值按其整數(shù)部分截短，求得S的一個整數(shù)值第六步從公式(10)計算一個新的a值，現(xiàn)在a的求解是根據(jù)整數(shù)S和Z來求a=(s+α+1)(α+z-1)α+z]]>在獲得S和a的值后，可用式(11)計算BA。BA和BD〔式(4)〕已知后，可用式(1)、(2)和(3)分別求出概率PA、PD和PS。結(jié)論上一節(jié)中提供的公式被用到一個樣本問題中。我們考慮一個被分配了一組19個RF信道的小區(qū)，當所有信道都分配為模擬無線信道時，受到的阻塞率為5％流入負載為14.3愛爾蘭。假定雙模式移動臺所占比例數(shù)的不同值，我們計算對于模擬和數(shù)字之間可獲得信道的不同分離數(shù)，所有移動臺受到的總阻塞率和雙模式移動臺和模擬移動用戶分別受到的阻塞率。
結(jié)果出現(xiàn)在表1至6和圖2中。在每個表中，第一列給出了數(shù)字無線信道的數(shù)目，范圍從0到19。第二列是所有移動臺的阻塞概率。第三列為雙模式移動臺受到的阻塞。第四列為模擬移動臺受到的阻塞。我們注意到雙模式移動臺的阻塞總是小于模擬移動臺的阻塞，正如我們從公式(1)和(2)中所期望的。圖2顯示對于雙模式移動臺的不同比例，作為數(shù)字無線信道數(shù)的函數(shù)的所有移動臺受到的阻塞率。
模擬移動臺的阻塞率等于模擬服務(wù)組的阻塞率。雙模式阻塞率等于模擬服務(wù)器組的阻塞率乘上一個小于1的數(shù)。因此，雙模阻塞比模擬移動臺受到的阻塞低。
移動臺受到的總阻塞概率介于雙模式和模擬移動阻塞概率之間。
在一些雙模式移動臺參與下，系統(tǒng)阻塞率開始時將減少，原因是信道從模擬信道向數(shù)字信道切換，并且由于這種轉(zhuǎn)換意味著容量增加。這種阻塞減少是兩個效應(yīng)相結(jié)合的結(jié)果雙模式阻塞的單調(diào)減少和模擬阻塞起始減少，之后由于模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)換的持續(xù)從而阻塞也相應(yīng)增加。因此，當多出的模擬阻塞多于對數(shù)字阻塞減少的補償量時，總阻塞的減少就停止了。
表7表明對于雙模式移動臺所占比例的不同值，能夠減少阻塞的數(shù)字無線信道的數(shù)目。隨著雙模式移動用戶所占比例的增加，能夠減少系統(tǒng)阻塞率的數(shù)字無線信道的數(shù)目增加，阻塞概率減少。容量參考圖前一節(jié)的結(jié)果表明，導(dǎo)出的模型可以計算給定流入負載和雙模式移動用戶比例條件下，對應(yīng)于模擬和數(shù)字無線信道的不同混合比的阻塞概率。在設(shè)計一個蜂窩系統(tǒng)時，我們感興趣的是最大流入負載，它可以用一特定的阻塞概率來處理。該負載被稱為負載容量。為此，我們編輯了表明假定要求的阻塞率為2％條件下，負載容量、數(shù)字無線信道的數(shù)目和雙模式移動用戶所占比例數(shù)之間關(guān)系的圖表。我們考慮了據(jù)小區(qū)可獲得的信道數(shù)來區(qū)分的兩種情況。第一種情況可獲得一組19個信道，第二種情況為38個信道。
容量圖是通過模型的連續(xù)應(yīng)用來產(chǎn)生的。對于不同的輸入負載計算出阻塞概率。通過將阻塞率定為0.02，經(jīng)內(nèi)插計算求得容量。該圖表在圖3和4中出現(xiàn)。圖3給出具有19個信道的小區(qū)的容量；圖4給出具有38個信道的小區(qū)的容量。研究這兩張圖，我們發(fā)現(xiàn)，對于一個給定的雙模式移動臺的比例數(shù)，容量先隨數(shù)字無線信道數(shù)目的增加而增加至某一最大值，之后又減少。這是由于當太多的模擬無線信道由數(shù)字信道代替時，模擬移動臺所受的阻塞增加的緣故。
最大可維持的容量隨雙模式移動臺比例的增加而增加。為了在沒有數(shù)字容量的情況下獲得該最大的容量增益，必須將小區(qū)可獲得的信道數(shù)增到三倍。對于一個較低的雙模式移動用戶的比例數(shù)，容量增益將較低，但是很顯著。例如，一個具有19個信道、雙模式移動臺占30％的蜂窩，為了擁有14.8愛爾蘭的容量，只需兩個數(shù)字無線信道；這相對于全模擬的情形，表示有21％的增加。對于相同的雙模式移動臺的比例，38信道的小區(qū)，為獲得35.6愛爾蘭的容量，需要5個數(shù)字無線信道，這代表了24％的增加。結(jié)束的要點導(dǎo)出了解析表達式，用以給出在配有數(shù)字和模擬無線信道的小區(qū)中移動呼叫者受到的阻塞率。我們作出了有關(guān)阻塞率的特性的下述觀察。
雙模式移動臺所受阻塞隨數(shù)字無線信道數(shù)目的增加而減少。模擬向數(shù)字無線信道的有限轉(zhuǎn)換也導(dǎo)致模擬移動臺阻塞的減少，但最終模擬阻塞會增加。因此，過多的安裝數(shù)字無線信道將導(dǎo)致容量的損失。雙模式移動臺所受的阻塞總是低于模擬移動臺。隨著雙模式移動電話的增多和小區(qū)內(nèi)恰當?shù)臄?shù)字無線信道數(shù)，總阻塞將減少。
為了推進蜂窩系統(tǒng)的增長計劃，我們編輯了在一個小區(qū)內(nèi)針對兩種信道配置分別為19和38個信道的容量圖。這些圖表明對于一給定的雙模式移動臺的比例，可達到的最大容量是小區(qū)內(nèi)數(shù)字無線信道數(shù)目的函數(shù)。TDMA技術(shù)對容量的影響取決于移動臺總數(shù)中雙模式移動臺的比例。我們注意到，雖然達到最大容量的增加(相當于模擬技術(shù)下3倍頻譜的增加)，需要完全的模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)換技術(shù)，但是有限的轉(zhuǎn)換也能產(chǎn)生可觀的容量增益。例如，假定雙模式移動臺的比例數(shù)這30％，19個信道的蜂窩系統(tǒng)僅需2個數(shù)字無線信道就能獲得21％的容量增加。
對于雙模式移動臺的比例數(shù)＝0的阻塞率
對于雙模式移動臺的比例數(shù)＝0.1的阻塞率
注意DMM代表雙模式移動臺對于雙模式移動臺的比例數(shù)＝0.2的阻塞率
對于雙模式移動臺的比例數(shù)＝0.3的阻塞率
對于雙模式移動臺的比例數(shù)＝0.4的阻塞率
對于雙模式移動臺的比例數(shù)＝0.5的阻塞率
“最佳無線信道混合”
這里提到的技術(shù)允許設(shè)計一個按特定阻塞率來處理的具有確定的最大負載的蜂窩系統(tǒng)?？梢源_定為獲得最大容量怎樣在一個小區(qū)的模擬和數(shù)字無線信道間選擇可用的頻率。
系統(tǒng)阻塞率沿縱坐標畫出。數(shù)字無線信道的數(shù)目在橫軸上畫出。圖上所作每條曲線由服務(wù)區(qū)內(nèi)的雙模式移動臺的數(shù)目來規(guī)定。不同混合比的影響對減少系統(tǒng)阻塞率是有利的。
圖3和4的圖形作出了負載容量(縱軸)對系統(tǒng)中數(shù)字無線信道(橫軸)的曲線。所作的每條線代表了雙模式移動用戶的一特定比例數(shù)以及每條曲線如何定義一個最優(yōu)的負載容量。該方法允許產(chǎn)生如圖2所示的容量圖，這對一特定的阻塞率提供了解決方法。該圖表明負載容量、數(shù)字無線信道的數(shù)目和雙模式移動臺所代表的比例數(shù)之間的關(guān)系。
權(quán)利要求
1.在對一給定比例的雙模式模擬/數(shù)字移動臺和純模擬臺提供服務(wù)的一個小區(qū)區(qū)域內(nèi)，分配模擬和數(shù)字基站無線信道以獲得最大容量的一種方法，該方法包括確定模擬移動臺所受的阻塞率；確定雙模式移動臺所受的阻塞率；確定模擬和雙模式移動臺總體所受的阻塞率；和安排基站處數(shù)字和模擬無線信道的數(shù)目以獲得最大容量。
2.為分別具有一特定阻塞率的雙模式和模擬移動臺提供服務(wù)的小區(qū)確定模擬和數(shù)字基站無線信道的混合比的方法，該方法包括步驟確定雙模式移動臺、模擬移動臺和混合的模擬/數(shù)字模式移動臺的阻塞概率；確定模擬和數(shù)字無線信道的比例；提供基站處模擬和數(shù)字無線信道的比例數(shù)；以提供一想要的小區(qū)容量，減少整個小區(qū)的阻塞率。
3.權(quán)利要求2所述的方法，其中模擬阻塞率由一等效隨機方法來確定。
4.權(quán)利要求2所述方法，其中阻塞率的計算包括均值、方差和峰值因子的計算。
5.權(quán)利要求2的方法，其中模擬阻塞率的近似計算由以下步驟得到計算α和ν；其中α＝αD+aA并且，ν＝νD+aA其中αD和νD為數(shù)字溢出流的均值和方差。它們的值如下給出αD＝aD·B(SD，aD)νD=αD[1-αD+aDSD+1+αD-aD]]]>計算z 計算aa＝ν+32(z-1)求S
通過將求S中計算的值截短到一個整數(shù)值，求得S的整數(shù)值；根據(jù)s和z的整數(shù)值求得一個新的a值a=(s+α+1)(α+z-1)α+z]]>獲得S和a的值后，BA用下式計算BA=B(S+SA,a)B(S,a)]]>BA、BD〔式(4)〕已知后，可用下式求概率PA、PD和PSPA＝BAPD＝BA·BDPS=(αD+aA)BAaD+aA=(aDBD+aA)BAaD+aA]]>BA=B(S+SA,a)B(S,a)]]>
6.權(quán)利要求2所述方法，進一步包括下面步驟實時確定來自雙模式和模擬移動總體的流入負載，給蜂窩分配數(shù)字和模擬無線信道以減少阻塞。
7.權(quán)利要求2所述方法，進一步包括下面步驟實時確定每種類型移動臺的比例數(shù)，為小區(qū)分配數(shù)字和模擬無線信道以增大容量；為研究每條曲線如何定義一個最優(yōu)負載容量，對一種類型移動臺的一個規(guī)定比例準備好曲線圖。
全文摘要
在對一給定比例的雙模式模擬/數(shù)字移動臺和純模擬臺提供服務(wù)的一個小區(qū)區(qū)域內(nèi),分配模擬和數(shù)字基站無線信道以獲得最大容量的一種方法,該方法包括:確定模擬移動臺所受的阻塞率;確定雙模式移動臺所受的阻塞率;確定模擬和雙模式移動臺總體所受的阻塞率;和安排基站處數(shù)字和模擬無線信道的數(shù)目以獲得最大容量。
文檔編號H04W16/06GK1201350SQ9810955
公開日1998年12月9日 申請日期1998年6月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月3日
發(fā)明者馬西爾得·班弗尼斯特 申請人:美國電報電話公司