CN1217859A - 业务量密度的测量方法 - Google Patents
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Abstract
在增加蜂窝无线网络容量时,通常在原小区中安装较低功率的第二基站,向原小区的业务量热点提供服务。最终结果与业务量热点定位以及移动台数量确定的精确程度密切相关。在本发明中,通过在小区中定位一个测试发射机来测量业务量热点位置和移动台的数量,该测试发射机对移动台接收的信号产生干扰。可以在移动台的质量报告中检测到干扰所引起的任何变化。
Description
本发明涉及在蜂窝无线系统中测量业务量密度的一种方法。
图1示出了蜂窝无线系统的结构。该系统包括MSC(移动业务交换中心)、BSC(基站控制器)、BTS(基站)、MS(移动台)以及NMS(网络管理中心)。该网络一般包括若干互连的移动业务交换中心MSC，为简明起见，该图中仅示出了其中之一。移动台系统通过移动业务交换中心连接到固定电话网络，例如PSTN(公用电话交换网)或ISDN(综合业务数字网)。通常情况下，在体系结构上从属于MSC的若干基站控制器BSC通过所谓的A接口连接到每个移动业务交换中心。同样，在体系结构上从属于BSC的若干基站BTS通过所谓的A-bis接口连接到每个基站控制器。利用通过空中接口的无线路径的信道，基站可以生成与移动台MS之间的连接。为了简单，该图仅示出了一个基站控制器BSC、一个基站BTS和一个移动台MS。网络管理系统NMS用于搜集网络状态信息，例如通过改变网络配置来管理网元操作。这种类型的系统之一是例如GSM系统，该系统在Michel Mouly和Marie-BernadettePautet的“Thc GSM System for Mobile Communications”一书中有详尽描述。
在设计一个蜂窝无线网络时，需要无线覆盖的地区被划分成小区，每个小区由一个基站提供服务。小区大小由所需网络容量和成本价格的折衷来确定。因为基站成本较高，设计者旨在使基站数量尽可能少。单个小区中使用的信道的数量以及整个网络容量都受限于连接之间的干扰，这种干扰是由工作在相邻小区中同一个信道或相邻信道上的多个连接相互引发的。当然，工作的连接彼此之间相距越近，相互干扰就会越大。因为干扰，小区中同时使用的信道之间的距离不能小于所谓的重用距离。在当前情况下，信道的重用一般相隔8个小区或者相隔11个小区。
如果采用低功率小范围基站，使用同一个信道的地理距离可以比采用较高功率基站更近，从而系统可以实现较大的总容量。因此，可以通过使用距离尽可能近的基站，生成较小的小区来增加网络容量。另一方面，因为基站成本较高，必须尽可能减少基站的数量。
通过考虑小区服务区域中用户的估计数量、用户的预期呼叫行为以及允许的阻塞来估计该小区所需信道的数量。合理地分配所需信道数，使得不同基站所分配的信道之间不会引起太大的干扰。目前对基站所用信道的分配一般是通过使用FCA(固定信道分配)要求固定网络设计。其它可能的分配方法是例如DCA(动态信道分配)及其组合HCA(混合信道分配)。
随着移动台的使用与要求宽带的应用(例如多媒体应用)一起增长，网络组建阶段小区所需信道数量的估计通常都太小。从而小区中移动台开始遇到超过规定阻塞率的呼叫阻塞，尤其是在高峰时间。例如通过通常的网络管理步骤发现在高峰时间小区填充程度非常高(例如全部信道中平均有90％被占用)，可以确定这种情况的发生。还可以发现在高峰时间段内，大部分时间中小区的所有信道同时都忙。此外，或者可以发现因为小区的负荷过载，必须解除移动台发出的较大数量的信道请求。从这些发现中可以得出的结论是：必须增加小区容量以使得用户所察觉到的阻塞能被接受。
增加小区容量的最简单的方法是，采用新频率以增加基站可用信道。但是，因为在小区中引入新频率一般会大量增加网络的干扰，所以这种方法在多种情况下无法实现。如果网络中仅有若干这样的小区，业务量密度相对于容量过高，那么也可以使用动态信道分配DCA，或者从相邻小区借用信道(参见例如1993年8月T-S.P.Yum和W.-S.Wong在IEEE Journal on Selected Areas in Communications第11卷的第6篇论文：Hot-Spot Traffic Reliefin Cellular Systems)。但是，这些方法限制了信道在网络其它地方的使用，使得网络更加复杂。网络负荷可能会变得非常高，即使在最佳使用方式下，原小区结构使用的信道仍然不够。这样，仅剩的方案是改变网络的蜂窝结构。
通常采用的一种增加容量的方法是在网络中安装较小传输容量的新基站。一方面，小区范围或小区大小变小，由单个小区提供服务的用户变少，从而基站所用频率的重用可以相距更近。因为通过这种方式可以增加蜂窝无线网络的总容量，现有的趋势是追求更小的小区，所谓的微小区和微微小区。另一方面，必须知道如何定位这些较小的小区以优化效率，从而尽可能有效地减轻原基站的负荷。
小区中的业务量密度不可能是均匀分布，而是存在着一些呼叫业务量高于平均值的业务量热点。图2示出了一个基站及其服务区，在该服务区中出现了业务量热点。在这些业务量热点中，小区总业务量的大部分集中在小区的一小部分中。这些地区可能是例如火车站、街道交叉路口以及体育场。在查找较小功率的新基站位置时，最明智的做法是查找小区的业务量热点，设置为该业务量热点提供服务的新基站位置。
必须得到业务量热点以及其中移动台的数量信息，才能够将新基站设置在最优位置。但是，问题在于目前只能将网络中的移动台定位在某个小区，无法做到更为精确。在尝试确定新基站的最优位置时，以小区的精确度来确定移动台位置并没有太大的好处。因为现有技术的这个问题，经常只能仅根据假定的业务量地理分布来进行昂贵的基站建设投资。
本发明旨在消除或者至少减轻现有技术的缺陷。该目的通过后附独立权利要求书中定义的方法实现。
在该方法中，网络中设置一个测试发射机，它发射的信号引起移动台接收的信号发生已知类型的改变。移动台以其正常方式进行连接质量的测量，在其测量报告中向网络发送其测量结果。通过比较移动台所发送的测量报告及已知的测试信号，可以推断出哪些移动台位于测试发射机的业务区内。
实际实施例中采用周期工作脉冲载波作为测试信号较为有利，在脉冲启动时，移动台接收的信号产生一个简短但肯定可以觉察的变化。通过该信号，可以对测试发射机服务范围内的移动台的例如每第100个比特产生干扰，这不会明显损害用户觉察到的呼叫质量，却足以计算出移动台接收的信号质量值。因此，在测试发射机服务区中所有移动台的测量报告中可以发现质量值随着测试信号周期变化。
下面结合附图详细描述本发明，在附图中，
图1示出了蜂窝无线网络的已知层次结构；
图2示出了出现业务量热点的基站及其服务区；
图3示出了出现业务量热点，并且配备按照本发明的测试发射机的基站及其服务区；
图4a示出了测试发射机所发送的测试脉冲为时间函数的一个例子；
图4b示出了测试发射机服务区中移动台所发送的质量测量报告为时间函数；以及
图4c示出了测试发射机服务区外的移动台所发送的质量测量报告为时间函数。
下面以GSM系统为例，研究按照本发明的方法的操作。在图3示出的情况中，利用按照本发明的方法使用测试发射机来搜索图2基站的业务量热点。测试发射机位于假定的图2业务量热点。测试发射机发送干扰信号，其对移动台接收信号的影响效果可以感知。根据这些观察结果，可以确定移动台是否位于测试发射机的服务区。测量最好在高峰时间进行。
测试发射机较为便宜且易于生产。发射机只需要能够生成所需形状且进行了下行频率调制(即用于从蜂窝无线网络的基站到移动台方向)的干扰信号，例如按照图4的周期脉冲信号。发射机可以完全独立于蜂窝无线网络，它可以例如采用内置电池方式工作。
测试发射机位于微小区的假定位置，用于发送例如按照图4a的信号，该信号具有间隔周期为3毫秒的10微秒干扰脉冲，这样信号总是启动2秒，关闭2秒。该脉冲干扰基站信号，并引起信号误码率的增加。因此在信号启动期间，发射机覆盖区域中的话机接收的信号质量比信号关闭期间略差。但是，因为脉冲率相当低，干扰不会对移动台接收信号产生太大衰减。
因为无线信道所采用的信道编码，移动台用户甚至可能无法察觉到测试信号所引起的质量损伤，尽管移动台测量的质量损伤是可觉察的。下面简单描述信道编码。
因为干扰、无线路径上出现的噪声和信息丢失，需要传送的数据并不是原样在基站和移动台之间传送，而是首先对数据进行信道编码。信道编码的目的是一方面使得信息传送更能经受传送干扰，另一方面是检测传送差错。在接收端可以进行解码，例如采用众所周知的Viterbi解码器。
例如在GSM系统中，待传送信息大致可以划分成语音和数据流量，它们都以帧的形式传送。因为语音和数据流量的不同性质，可以对它们采用不同的编码方法以得到可能的最佳结果。
在数据流量方面，首先对待传送的数据帧进行块编码，将校验位加入到帧中以检查差错。其次进行卷积编码，将n个比特描述成2n比特，从而使得纠错可以实现。最后，对帧进行交织处理，改变比特的相互顺序。因为差错通常是几个比特的短突发，交织使得传送中出现的比特差错不会以连续比特的形式出现。另一方面，卷积编码所提供的纠错能力最能纠正单个比特差错，从而通过交织处理，纠错算法可以工作得更好。
在语音流量方面，例如按照GSM规范06.10编码的语音信号比特根据其重要性划分成三类，分别为1a、1b和2。首先对1a类比特进行块编码，这类比特对传送语音的质量较为重要。对块编码后的1a比特以及未编码的1b比特进行卷积编码，在交织前，卷积编码后的比特串中加入未编码的2类比特。
通过信道编码，信道可以承受相当高的误码。按照GSM规范GSM05.07，信道上传送的信道编码数据中约3％的误码率不会引起传送的用户数据产生差错。
根据前述内容，可以产生移动台能觉察的误码率的变化，而不会引起传送数据的任何差错。
活跃状态中的移动台进行测量，正常监控信号质量，按照本发明的方法不需要对移动台作任何改变。按照目前技术，它们还定义了其接收信号的误码率。可以通过许多方式定义误码率。一种可用方法是重新编码接收到的解码数据，比较得到的结果和原接收信号。
移动台将单个连接的质量测量结果通过SACCH(慢相关控制信道)报告给基站。因为所用频谱的限制，并不是通过无线路径发送误码率，而是将质量值按照下表划分成8种较为粗糙的质量类。
| 误码率BER | 质量类 |
| BER＜0.2％ | RXQUAL_0 |
| 0.2％＜BER＜0.4％ | RXQUAL_1 |
| 0.4％＜BER＜0.8％ | RXQUAL_2 |
| 0.8％＜BER＜1.6％ | RXQUAL_3 |
| 1.6％＜BER＜3.2％ | RXQUAL_4 |
| 3.2％＜BER＜6.4％ | RXQUAL_5 |
| 6.4％＜BER＜12.8％ | RXQUAL_6 |
| BER＞12.8％ | RXQUAL_7 |
比较GSM 05.07中指出的3％差错率值以及上表中的值，可以发现实际上因为信道编码即使质量类4的数据信号也不会出现差错。目前，在设计良好的GSM网络中，大多数话机接收质量为RXQUAL_0值，说明为最佳质量。
通过信道质量测量，位于测试发射机服务区的移动台检测到测试信号而引起的信号误码率的升高。误码率升高的幅度可以例如通过选择脉冲速率来调节。例如通过选择100为脉冲速率，则干扰仅影响每第100个比特，测试信号所引起的误码率的升高约为0.5％。从上表中可以看出，这对应于质量类RXQUAL_3。但是，即使如此，误码率的升高也非常有限，呼叫质量将不会明显下降。因此，移动台用户不一定需要注意到测试信号的存在。但是，话机在其测量报告中陈述的质量值将从RXQUAL_0值下降到RXQUAL_3。类似地，通过采用该例的脉冲速率300，即例如以3毫秒间隔发送的10微妙脉冲，误码率的升高约为0.2％，质量类为RXQUAL_1。
在我们的例子中，按照图4a，测试信号是周期性的，即脉冲信号启动2秒，关闭2秒。当然，该测试发射机服务区内的移动台通过其测量会注意到仅在脉冲信号启动时才会有的质量下降。为此，该测试发射机服务区内的移动台在其测量报告中总是在2秒时间内报告按照图4b的RXQUAL_0值，而在后2秒中报告RXQUAL_1值。相应地，不在该测试发射机服务区内的移动台不会从测试发射机信号中接收到任何周期干扰，它们会报告按照图4c的统一质量值。
移动台按照GSM规范04.08向网络正常发送测量报告。网络利用接收到的测量报告控制发射功率并决定改变信道，这些功能通常位于基站控制器BSC。在按照本发明的方法中，也检测这些完全正常的质量报告以发现与测试信号的相关性，基于它确定该移动台是否位于该测试发射机的服务区内。
在研究移动台在SACCH信道上发送的测量报告中包含的质量测量结果时，发现某些移动台的质量报告总是按照图4b，在0到2秒以及在1到2秒周期内。由此可得出结论：所述移动台位于测试发射机覆盖区域内，从业务量热点测量角度来看，更重要的是，可以得出有多少移动台位于该测试发射机的覆盖区域内。
如果通过分析测量结果发现，该小区中相当多的移动台不在该测试发射机覆盖区域中，则没有发现业务量热点。然后，测试发射机移动到下一个位置。重复测试，直至发现某个位置的测量表明在该处设置一个新基站最为合理。应当注意，该方法没有直接给出任何业务量集中的地理区域信息，而是位于发射机服务区内的移动台数量信息，它将无线信道的信息遗失以及 他特性考虑在内。在这些情况下，如果基站天线位于该测试发射机位置，则可以得到基站直接服务的移动台数量的测量信息。
测量结果与测试信号的相 性检查可以例如通过网元中的软件来实现(即使并非如此，这些网元中的软件也处理测量报告)，例如在GSM系统的基站控制器中，结果的处理不需要物理设备，而通过软件来实现。处理测量报告是为了通过空中接口进行基站和移动台之间连接的功率控制和信道改变，因此负责这些功能的单元无论如何必须研究单个移动台的连续质量报告所形成的时间系列。在这些情况下，用于确定质量报告与测试信号相关性的功能可以直接加入到所述单元。但是，因为实际上并不总测量业务量热点，而是仅在考虑新基站位置时才进行这样的测量，所以最好至少在某些情况下在独立的接插件中实现该功能，该接插件可以暂时连接到基站控制器。但是必须注意，质量测量结果分析的实现方式对本发明的主要思想并不重要。
物理分析仪可以是，例如基站和基站控制器间称为A-bis接口(见图1)的一个监控设备，它存储从该接口得到的不同移动台的质量报告。相应地，可以定位该设备，使其能够直接监控空中接口的业务量，并直接从该接口得到单个移动台的质量报告。
在确定测试发射机发射功率时，必须考虑服务区和支配区(dominance area)之间的差别。发射机或基站的服务区是移动台能够检测到发射机信号的区域。该信号干扰在同一频率上传送的另一信号，尽管该信号的功率不一定大于所述另一信号。相邻基站的服务区总是略为重迭。基站支配区也是该基站信号功率最大的区域。移动台总是寻求与其所处支配区中基站之间的连接。不同于服务区，相邻基站的支配区并不重迭。
可以选择测试信号，使之频带等于操作中采用的业务频率。如果在网络中采用跳频，最好使用具有相当宽频带的测试信号，该频率覆盖该小区中用于跳频的整个频率区域。
除了移动台，测试信号也会引起对无线功率敏感的其他设备的干扰。可以例如通过正确选择脉冲速率和启动周期来尽可能减小这些影响。
显然，本发明的实施例并不局限于文中作为例子描述的实施例，而可以按照后附权利要求书的范围进行变化。
Claims (8)
1．在蜂窝无线网络中测量业务量密度的一种方法，该蜂窝无线网络至少包括移动台(MS)和基站(BTS)，在基站和移动台之间的连接存在期间，移动台进行无线信道质量的测量，并向基站报告其测量结果，其特征在于，
一个测试发射机位于该小区中，
测试发射机发送测试信号，引起位于该测试发射机服务区中的移动台从该小区基站接收的信号发生改变，以及
如果在移动台报告的测量结果中检测到与测试信号的相关性，则发现该移动台位于该测试发射机的服务区中。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法确定了位于测试发射机服务区中的移动台占该小区基站服务的所有移动台的份额。
3．根据权利要求1的方法，其特征在于，测试信号是一个周期脉冲信号。
4．根据权利要求1的方法，其特征在于，测试信号的频带覆盖一个业务频率。
5．根据权利要求1的方法，其特征在于，测试信号的频带覆盖该地区中使用的所有业务频率。
6．根据权利要求1的方法，其特征在于，通过软件实现移动台质量测量和测试信号之间的相关性分析。
7．根据权利要求1的方法，其特征在于，由独立分析仪及其控制计算机实现移动台质量测量和测试信号之间的相关性分析。
8．在蜂窝无线网络中为新基站确定位置的一种方法，该蜂窝无线网络至少包括移动台(MS)和基站(BTS)，在基站和移动台之间的连接存在期间，移动台进行无线信道质量的测量，并向基站报告其测量结果，其特征在于，
一个测试发射机位于该小区中，
测试发射机发送测试信号，引起位于该测试发射机服务区中的移动台从该小区基站接收的信号发生改变，
如果在移动台报告的测量结果中检测到与测试信号的相关性，则发现该移动台位于该测试发射机的服务区中，以及
如果发现该基站服务的移动台中有足够数量的移动台位于该测试发射机的服务区中，则确定该测试发射机的位置为新基站的位置。
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