通訊原理與無線網路 - 08 Channel Allocation

Chinese 通訊原理與無線網路

written by LiaoWC on 2021-05-31

本章節講述行動通訊系統如何分配通道。

Static vs Dynamic Channel Allocation

Static:

  • equal: 都固定給一樣多的通道。
  • non-uniform: 固定的不會改變數量，不同基地台拿到的數量不一樣。

Dynamic:

  • 不同的cell分配給不同的通道，按照需要。
  • Dynamic 的用中心式的 overhead 滿高，後來有人發明分散式的。分散式的代價：要跟鄰居基地台交換資訊(也是個 overhead)，以避免干擾。

Classification of channel allocation schemes:

  • Fixed
  • Dynamic
  • Hybrid: 結合fixed和dynamic

FCA

FCA: Fixed Channel Allocation

  • Static、fixed，一開始就配出去了。
  • 若不夠用的話可能的解法：
    • 跟鄰居的借(borrowing)
    • Non-uniform
  • 簡單但沒有彈性

Simple Borrowing Schemes

  • Borrowing from the richest: 影響較小，但比較久，因為你要找最 richest 你要都問過。
  • Borrow-first-available: 直接找第一個可以的，相對搜尋時間短。
  • Reassignment: 自己的通道可以用的時候借的要還回去

Complex Borrowing Schemes

Simple Hybrid Channel Borrowing Strategy

分兩組，一組不外借，一組可外借

  • permanent: 不外借
  • reserved: 可以借出去的
  • 問題來了，如果有20條，要怎麼切幾條 permanent，幾條 reserved？

Borrowing with Channel Ordering

  • 沒限制借幾條，但借出的通道有優先權
  • Local 的 calls 從高優先權開始用
  • 外借的從低優先權開始借

Borrowing with Directional Channel Locking

  • 把 directional 的概念引進來。通道借出時，只有被影響到 sector 會被 lock 。被影響的變少了。

DCA

DCA: Dynamic Channel Allocation

會有一個 channel pool，要從裡面去選擇 channel。

選擇時用的 cost function 可能會根據：重複使用距離、未來的 blocking 機率、對整個系統的 blocking 機率的影響等因素。

分類：

  • Centralized ⇒ BS之間沒有訊息交換
  • Distributed ⇒ BS之間有訊息交換

Centralized DCA schemes

※用這個方式，通道的重新分配可以增加效能，所以是需要做的。

FA (First Available)

找第一個可用而且符合 reuse distance 的。

LODA (Locally Optimized Dynamic Assignment)

用 cost function 選。Cost function 是基於未來鄰居的 blocking probability。

RING (Selection with Maximum Usage on the Ruse Ring)

選擇在同信道集中的大多數 cell 中使用的候選信道。

Distributed DCA schemes

Cell-based

當發起一個 call 時，BS 為一個 cell 分配一個 channel。

BS 要記自己附近的資訊。

LP-DDCA (Local Packing Dynamic Distributed Channel Assignment):

  • ACO (Augmented Channel Occupancy) matrix.
  • BS 要維護並更新各 BS 通道指派的資訊。

ACI (Adjacent Channel Interference Constraint): LP-DDCA + ACI:

  • 多一張表。由於相鄰的通道 isolate 的不是很完美，因此要考慮隔壁鄰居距離這個通道應該有多遠的頻寬。

Signal Strength Measurement-based

MS 和 BS 估算 carrier-to-interference ratio (CIR)，若預測的 CIRs 比門檻高，就分配這個通道。

  • SCS (Sequential Channel Search)
    • 選擇第一個可以用而且它的 CIR 是可以接受的 channel。
    • Service interrupt: 由於一些新的連接，使得有的舊有就連上的 calls 的通道狀況惡化，這些被 interrupted 的找新的 channel 去連接，也可能導致其它 calls 被 interrupted，造成一連串的連鎖反應 ⇒ 最後可能沒有 channel 是 available 的（block）

HCA

Hybrid Channel Allocation Scheme

  • Fixed + DCA。分成兩個集合。
  • 每個 cell 都給固定數量自己用的 channels。
  • Issue: 分給 fixed 跟 dynamic 的比例？

Flexible Channel Allocation Scheme

  • 分成 fixed 和 flexible 的 channel sets
  • 每個 cell 會有 fixed channel set 用來處理較輕量的任務
  • Channel assignment of flexible channel set
    • Scheduled
      • 量測流量的變化
      • 預先確定流量變化的峰值
    • Predictive
      • 監控流量及阻塞的機率

Non-uniform Compact Pattern Allocation

（針對 static 的 non-uniform 的做法）

內容及圖片引用自：

Ming Zhang and T. -. P. Yum, "The nonuniform compact pattern allocation algorithm cellular mobile systems," in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 40, no. 2, pp. 387-391, May 1991, doi: 10.1109/25.289419.

Co-channel Allocation Pattern

(for channel k, denoted as $\pi_k$): the set of cells that use channel $k$ without co-channel interference.

  • 定義 indicator function $I_i(k)$

    $ I_i(k) = \begin{cases} 1, \quad \text{channel } k \text{ is allocated to cell }i \\ 0, \quad \text{otherwise} \end{cases} $

  • Co-channel allocation pattern 可以被描述成 ${I_1(k),\ I_2(k),\ I_3(k),\ ...,\ I_N(k)}$

Compact Allocation Pattern

下圖範例中有 7 * 2 = 14 個 compact allocation patterns，標成 $G={g1, g2, …, g14}$ ! 下圖範例中有 7 * 2 = 14 個 compact allocation patterns，標成 $G={g1, g2, …, g14}$

7 * 2：那個7指的是中間加上外面那六個；2指的是此圖左右兩邊兩種外圈配置方法（以中間上面的為例，可以放左上也可以放右上)

Average Call Blocking

  • Let $n_i(m)$ be the total #channels allocated to cell $i$ given that $m$ channels are allocated to the system. Therefore,

    $n_i(m)$

    $ = \sum_{k=1}^{m} {I_i(k)},\ i =1,2,...,N$

  • Let $\lambda_i$ be the traffic in Erlangs to cell $i$ and let the number of channels available in the cell be $n_i(m)$, then the call blocking probability in the cell is given by the Erlang B formula as

    $p(\lambda_i,n_i(m))$

    $=[ \sum_{k=1}^{m} {\frac{\lambda_i^k}{k!}} ] ^{-1} \frac{\lambda_i^{n_i(m)}}{n_i(m)!}$

  • The overall average blocking probability in the cellular system is

    那個w是做權重的。

Channel assignment strategy

Fixed assignment (FA) strategy

  • 每個 cell 永久分到一個集合的通道。如果都用完了，新的 call 就 block。

Borrowing with channel ordering (BCO) strategy

  • 分到的通道有優先順序，自己用優先順序較高的，外借優先次序較小的。
  • 如果有個通道被借走，鎖住來借的那個 cell 的那個通道在 reuse distance 內的 co-channel cells。

Borrowing with directional channel locking strategy

  • 當一個通道被借走，只會鎖住會被影響的。
  • 如下圖 P 借走了通道 x，A3 只有 3, 4, 5 方向會被鎖住。

untitled-2.png

Locally optimized dynamic assignment (LODA)

  • Cells 沒有分配到 nominal channels。所有通道整個系統共享。
  • 有 call 時，選 cost 最小的。這裡的 cost 算得是未來的 blocking probability。

Shadow blocking factor

  • 如果一個通道隔壁的 cell 就可以再使用，那麼 SBF = 1（例如兩個cell之間有天然屏障隔開）
  • 如果要隔兩個 cell 的話，SBF=2
  • 若沒有 shadow blocking，SBF=3

Channel Allocation in One-Dimensional Systems

  • 在某些特殊的例子 MS 的流動是有固定方向性的，如 高速公路、高鐵、火車等。以高速公路為例子，一定的 reuse distance 外和自己同行進方向的車可以和自己用同一個通道，只要速度固定就不會影響。

Reuse Partitioning-Based Channel Allocation

  • 產生不同大小的區域，呈現出內外圈
  • 如何做出內外圈的差別 ⇒ 控制功率大小
  • 內圈的範圍比較小，重複利用距離較短，可重複使用的次數較多
  • 週期性測量 SIR 來調整通道組合

Overlapped Cells-Based Channel Allocation

會重疊的設計。

Layout 1

方案 1

  • 針對 MS 的流動性給出適合的通道
  • 流動慢的裝置：給 micocell
  • 流動快的裝置：給 cell

方案 2

  • 低流量時：關閉 microcell
  • 流量增加時，當干擾的影響開始不能接受或是資源不夠，打開對應可以進行服務的 microcell。

Layout 2

  • Directed retry: 當 MS 在一個重疊區（假設在 A, B 兩區重疊處），若它拿不到 A 的任何通道，就換拿 B 的。
  • Directed handoff: 假設A, B 兩區有重疊，如果 A 區有 call 找不到可用的通道，會強制重疊區使用 A 的換手改用 B 區的通道。

Fractional Frequency Reuse (FFR)

以下內容引用自:

T. Novlan, J. G. Andrews, I. Sohn, R. K. Ganti and A. Ghosh, "Comparison of Fractional Frequency Reuse Approaches in the OFDMA Cellular Downlink," 2010 IEEE Global Telecommunications Conference GLOBECOM 2010, 2010, pp. 1-5, doi: 10.1109/GLOCOM.2010.5683973.

Kinds of interference management

  • FFR
  • Power control
  • Smart antenna

Motivation:

aggressive spectrum reuse (隔壁的也能用) to achieve high system capacity and simplify radio network planning (如果你的基地台能夠使用每一個通道，那麼基地台就少了決定要用哪個通道的這個工作了)

Two categories:

  • Hard FFR (strict FFR)
  • Soft FFR

Hard FFR

  • Cell center reuse factor: 1
  • Cell edge reuse factor: $\Delta$ (e.g. 3)
  • Require channels in total: $\Delta + 1$
  • Interior users do not share any spectrum with edge users

Soft FFR

  • Interior users are allowed to share sub-bands with edge users in other cells
  • Cell interior users typically transmit at low power levels than the cell edge users
  • How to classify cell center or cell edge users?
    • BS-to-UE SNR
    • UE location （使用者位置）