DE602004004237T2

DE602004004237T2 - Opportunistische Strahlformung und Benutzerablaufsteuerung in einem Kommunikationssystem

Info

Publication number: DE602004004237T2
Application number: DE602004004237T
Authority: DE
Inventors: Dan Little Silver Avidor; Jonathan North Brunswick Ling; Constantinos B. Westfield Papadias
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2024-11-06
Also published as: KR20050050541A; US20070135139A1; US7239879B2; DE602004004237D1; EP1536658A3; JP2005184799A; JP4837124B2; EP1536658B1; JP4638207B2; KR101101717B1; US20050113116A1; JP2011061816A; EP1536658A2; US7760685B2

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Strahlformung und das zeitliche Zuordnen (Scheduling) von Benutzern in einem Kommunikationssystem.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Das opportunistische Scheduling (OS) wurde als Scheduling-Technik zur Verbesserung des Durchsatzes auf Abwärtsstrecken von Hochgeschwindigkeits-Paketsystemen vorgeschlagen. Das OS (so wie beispielweise in einem Basisstations-Scheduler oder einem Scheduling-Algorithmus verwendet) nutzt die Tatsache, dass die Ausbreitungskanäle zwischen der Basisstation und den von den Basisstationen bedienten Mobilstationen(MSs) unabhängig voneinander Schwund aufweisen. Solch ein unabhängiger Schwund hat das, was als Mehrbenutzer-Diversität bezeichnet wird, zur Folge. Mehrbenutzer-Diversität ist eine Form von Diversität, die Benutzern Übertragungen zeitlich zuordnet, wenn sich deren zeitvariierenden Kanäle ihrer Spitzenkapazität nähern, was den Durchsatz des Systems steigert.
Das OS nutzt die Tatsache, dass viele Datendienste verzögerungstolerant sind. Allerdings können Echtzeitdienste wie Sprech- und in einigen Fällen Videodienste nur einen begrenzten Paketverzögerungswert akzeptieren, weshalb ein Scheduler auch Paketverzögerungsstatistiken betrachten sollte. Außerdem sollte das Fairnessproblem behandelt werden. Ein Scheduler oder Scheduling-Algorithmus, der das OS implementiert, sollte folglich den gewünschten Systemdurchsatz mit Fairness und verzögerungsstatistischen Gesichtspunkten abwägen.
Verschiedene Scheduler oder Scheduling-Algorithmen wurden mit dem Bestreben entwickelt, angemessene Kompromisse zwischen Durchsatz, Verzögerungsstatistiken und Fairness zur Verfügung zu stellen. Ein Scheduler mit dem Namen Proportional Fair (PF) wurde entwickelt, um auf den Abwärtsstrecken der hohen Datenraten bietenden High Data Rate (HDR)-Standards den Durchsatz und die Fairness zu verbessern. Es hat sich erwiesen, dass der PF-Scheduler die Summe der Logarithmen des Durchschnittsdurchsatzes der Mobilstation (MS) maximiert. In einem anderen Scheduler kann ein Bruchteil der jedem Benutzer zugewiesenen Zeitschlitze beliebig auf Basis gewünschter Ziele (wie Übereinstimmung mit den gewünschten Quality of Service (QoS)-Anforderungen bzw. Dienstqualitätsanforderungen zugeordnet werden, und der Scheduler maximiert dann den Durchschnittsdurchsatz des Systems in Abhängigkeit von Zeitvergabeeinschränkungen. Ein weiterer Scheduling-Algorithmus mit dem Namen Modified Largest Weighted First Algorithm unterstützt n MSs mit gewünschter Dienstqualität auf Basis des Ausdrucks: P_r(W_i > τ_i} ≤ δ_i, i = 1, ..., n. Im obigen Ausdruck ist W_i die Paketverzögerung für MS i, τ_i stellt einen Verzögerungsgrenzwert und δ_i die maximale Wahrscheinlichkeit einer Überschreitung des jeweiligen Verzögerungsgrenzwertes dar.
Jeder der obigen Scheduler oder Scheduling-Algorithmen setzt OS-Techniken ein. Allerdings sind OS-Techniken bei langer Kohärenzzeit der Ausbreitungskanäle hinsichtlich einer akzeptierbaren Paketverzögerung oder bei schwachem Schwund (beispielsweise beim sogenannten Ricean-Fading mit hohem K-Koeffizient) nicht anwendbar.
Um dementsprechend Szenarien mit langsamen Kanälen oder schwachem Schwund zu behandeln, wurde eine als Opportunistic Beam Forming (OBF) bzw. opportunistische Strahlformung bekannte Scheduling- Technik vorgeschlagen. Das OBF-Scheduling ist eine "natürliche" Verstärkung des OS, das in der Regel darauf hinausläuft, eine Basisstation mit einer einzelnen Antenne durch eine Basisstation mit mehreren Antennen zu ersetzen und einen Algorithmus zu implementieren, der ein anderes Strahlungsschema, das von nun an "Strahl" genannt wird, für jeden Zeitschlitz generiert. Die Strahlenfolge kann vollkommen zufällig und aperiodisch sein oder könnte auf pseudozufällige Weise aus einer festen vorbestimmten Sammlung von N Strahlen gewählt werden. OBF-Techniken unterscheiden sich von anderen Systemen zur Strahlformung der Abwärtsstrecken durch ihre Einfachheit. Beispielsweise, und ähnlich wie beim OS, erfordern OBF-Techniken eine geringe Menge von Feedback aus der Aufwärtsstrecke, während der Strahlformungs-Algorithmus unabhängig verarbeitet wird, das heißt, dass er keine Information aus dem übrigen System erhält.
Kommunikationssysteme, die OBF-Techniken einsetzen, wurden in zwei verschiedenen Umgebungen – einer unkorrelierten Umgebung und einer korrelierten Umgebung – betrachtet. In einer unkorrelierten Umgebung sind alle Ausbreitungskanäle zwischen einer Mobilstation (MS) und jeder der Antennen der Basisstation (BS) unkorreliert. Ein realistisches System nähert sich diesem Fall, wenn die Antennen jeder BS ausreichend getrennt voneinander angeordnet sind (beispielsweise 10 Fuß bei 2 GHz) und wenn etwas Streuung in der Umgebung besteht. In einer korrelierten Umgebung sind die Ausbreitungskanäle zwischen jeder MS und allen Antennen einer einzelnen BS stark korreliert, aber Kanäle nach verschiedenen BS sind unkorreliert. Ein realistisches System nähert sich diesem Fall, wenn die Antennen der BS nahe aneinander angeordnet sind (beispielsweise um eine Wellenlänge getrennt) und die Winkelspreizung an der BS niedrig ist. Da sich erwiesen hat, dass in der Regel ein korreliertes System ein unkorreliertes System übertrifft, wird folglich hierin der Akzent auf das korrelierte System gesetzt.
Bei gegenwärtig entwickelten OBF-Techniken sind ein hoher Durchsatz und gute Verzögerungseigenschaften widersprüchliche Ziele. In Studien zu OBF-Techniken wurde in erster Linie der Akzent auf den Scheduling-Algorithmus gesetzt, während der Strahlerzeugungs-Algorithmus für ein korrelierten System als einfaches periodisches Abtasten der gewünschten Zelle bzw. des gewünschten Sektors übernommen wurde. Der Strahlerzeugungs-Algorithmus lief unabhängig vom Scheduler ab, und man hat in keiner Weise versucht, die Systemzustandsinformation zur Änderung der Strahlfolge zu nutzen. Eine ergänzende Studie zur Strahlformung und zum Scheduling wurde bis jetzt nicht für erforderlich gehalten.
Die EP-1 335 618 A2 von Ofuji u. a. beschreibt ein Verfahren zum Zuordnen von Funkressourcen, in welchem eine zu einer Basisstation gehörende Funkressourcenzuordnung eine Übertragungspriorität für jede angeschlossene Mobilstation berechnet. Die Übertragungspriorität für eine Mobilstation wird auf Basis von Dienstqualitätsanforderungen der Pakete, Empfangsqualitätsinformation der Zielmobilstationen und Übertragungswartezeiten berechnet.
Die Prioritäten sind abgestuft, und ein Richtstrahl wird in Richtung der Mobilstation mit der höchsten Übertragungspriorität gemäß der Einstufung geformt. Dann wird eine Multiplexizität von Benutzern ermittelt, um Mobilstationen jedem Richtstrahl auf Basis einer Benutzer-Multiplexizität für jeden Strahl zuzuordnen. Dadurch ist ein gleichzeitiges Übertragen von Paketdaten per CDM oder FDM für Paketdaten zur Vielzahl der Mobilstationen möglich.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren gemäß der Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt, auf welche nun Bezug genommen wird. Bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren zum zeitlichen Zuordnen (Scheduling) eines Benutzers für den Empfang einer Übertragung ausgerichtet. Ein Benutzer wird aus einer Benutzerpopulation auf Basis eines Parameters, der für jeden Benutzer in jeder Benutzerpopulation verfolgt wird, gewählt, und es wird ein von dem ausgewählten Benutzer bevorzugter Strahl bestimmt. Der bevorzugte Strahl wird generiert und von einer Basisstation benutzt, um ein Pilotsignal zur Benutzerpopulation zu übertragen. Jeder Benutzer der Benutzerpopulation antwortet auf das Pilotsignal. Die Basisstation verarbeitet einen Scheduling-Algorithmus und ordnet einen Benutzer zeitlich auf Basis von Feedback zu, das von allen anderen Benutzern in der Benutzerpopulation empfangen wird, und die Information wird zum zeitlich zugeordneten Benutzer, der den bevorzugten Strahl benutzt, übertragen.
KURZDARSTELLUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird vollauf verständlich anhand der folgenden näheren Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen, wobei gleiche Elemente durch gleiche Bezugsnummern dargestellt sind, und mehrere grundlegende Darstellungsarten ähnliche Elemente in alternativen Ausführungsformen bezeichnen und nur zum Zwecke der Veranschaulichung dienen und folglich die vorliegende Erfindung in keiner Weise einschränken, wobei:
1 ein Schaubild zeigt, das die Auswirkung der Anzahl der MSs und T_c auf den Systemdurchsatz eines Scheduling-Algorithmus mit dem Namen Proportional Fair (PF) veranschaulicht.
2 ein Schaubild zeigt, das eine Cumulative Distribution Function (CDF) bzw. kumulative Verteilungsfunktion der Verzögerung zwischen den Paketen in Zeitschlitzen veranschaulicht, die vom PF-Algorithmus für verschiedene Werte eines Parameters T_c bestimmt werden.
3 ein Schaubild zeigt, das eine Cumulative Distribution Function (CDF) bzw. kumulative Verteilungsfunktion der Verzögerung zwischen den Paketen für gleichgroße Populationen der MS veranschaulicht.
4 ein Flussdiagramm zeigt, das ein Verfahren zum Bestimmen eines Strahls beschreibt, der für eine MS und zum zeitlichen Zuordnen einer MS für den Empfang einer Übertragung generiert wird in Übereinstimmung mit den beispielhaften Ausführungen der vorliegenden Erfindung.
5 ein Schaubild zeigt, das einen Systemdurchsatz im Vergleich zu einer Möglichkeit eines Verzögerungsausfalls für eine feste MS-Population in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
6 ein Schaubild zeigt, das eine Cumulative Distribution Function (CDF) bzw. kumulative Verteilungsfunktion Signal to Interference Ratio (SIR) bzw. Signal-Stör-Verhältnisses in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
7 ein Schaubild zeigt, das den Systemdurchsatz im Vergleich zu einem Verzögerungsausfall in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
8 ein Schaubild zeigt, das den MS-Durchsatz im Vergleich zur MS-Geschwindigkeit in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
9 ein Schaubild zeigt, das den Systemdurchsatz im Vergleich zur Abweichung vom Azimutwert von MSs in Bezug auf den Azimut-Mittelwert der MSs veranschaulicht.
10 ein Schaubild zeigt, das den Systemdurchsatz im Vergleich zu einer Wahrscheinlichkeit eines kurzfristigen Durchsatzes veranschaulicht, der einen langfristigen Durchsatz um 50% unterschreitet in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
NÄHERE BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Obwohl die Prinzipien der Erfindung gut für drahtlose Kommunikationssysteme auf Basis der bekannten High Speed Downlink Packet Access (HSDPA)-Spezifikation nach dem Universal Mobile Telecommunication System (UMTS)-Standard geeignet sind und in diesem beispielhaften Zusammenhang dargestellt werden können, versteht es sich, dass die hierin gezeigten und beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur dem Zwecke der Veranschaulichung dienen und sich in keiner Weise darauf beschränken. Für den Fachmann sind folglich verschiedene Abwandlungen ersichtlich, die auf drahtlosen Kommunikationssystemen oder Netzwerken, die auf den 3G-1xEV-DO-, 3G-1x EV-DV-, UMTS-Technologien beruhen und/oder auf der sich gerade entwickelnden vierten Generation drahtloser Kommunikationssysteme, welche beispielsweise gegenwärtig die Strahlformung und Scheduling-Funktionen unterstützen oder zu ihrer Unterstützung angepasst werden können und anhand der hierin dargestellten Erkenntnisse in Erwägung gezogen werden können.
Da wo der Begriff 'Benutzer' nachstehend verwendet wird, ist er gleichbedeutend mit einer Mobilstation (MS), einem Endgerät bzw. User Equipment (UE), Teilnehmer, Subscriber User, Zugriffsterminal, einer Fernstation, usw. und betrifft einen Benutzer von drahtlosen Ressourcen in einem drahtlosen Kommunikationsnetz. Häufig werden hierin der Benutzer und die Mobilstation auf synonyme Weise verwendet. Der Begriff Basisstation (auch Node-B genannt) beschreibt Geräte, welche die Datenkonnektivität zwischen einem Netz und einer oder mehr Mobilstationen bereitstellen. Ein System oder Netzwerk (wie ein Zugriffsnetz) können eine oder mehr Basisstationen (BS) aufweisen. Der Begriff 'Strahl' stellt ein spezifisches Strahlungsschema, das von der Basisstation generiert wird, dar.
So wie hierin verwendet, sind die Begiffe Signal-to-interference ratio (SIR) bzw. Signal-Stör-Verhältnis und Signal-to-noise ratio (SNR) Signal-Rausch-Verhältnis Synonyme und stellen ein Signalamplituden-Stör- oder (Rausch)verhältnis zu einem gegebenen Zeitpunkt dar.
Die beispielhaften Ausführungsformen sind auf ein opportunistisches Strahlformungs-Verfahren gerichtet, das in Verbindung mit bestehenden Scheduling-Verfahren zur Verbesserung von Systemdurchsätzen verwendbar ist, indem die Benutzer-Paketverzögerung reduziert wird. Um den bevorzugten Strahl für eine MS zu bestimmen, verarbeitet die BS vergangene Berichte (im Zeitablauf), die von den MSs als Antwort auf von der BS gesendete Pilotsignale empfangen wurden.
Bevor jedoch die Strahlformungs- und Scheduling-Verfahren näher erläutert werden, möchten die Erfinder beispielhafte Scheduling-Routinen, ein beispielhaftes Systemmodell, das für Simulationen der Verfahren der vorliegenden Erfindung benutzt wird, erörtern und kurz auf die Fairness- und Wartezeitkonzepte eingehen, um die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einem besseren Kontext darzustellen.
Schedulung-Algorithmen
Die nachstehenden Begriffe 'Scheduler' und/oder 'Scheduling-Algorithmus' können benutzt werden, um eine besondere Schedulung-Technik zu beschreiben, wobei es sich versteht, dass ein Scheduler oder Scheduling-Algorithmus sich sowohl durch Hardware als durch Software implementieren lässt. Dementsprechend können diese Begriffe als Synonyme gelten. Daneben stellt der zuvor angesprochene Begriff Strahl ein spezifisches Strahlungsschema dar, das von einer Basisstation generiert wird.
Für Scheduling-Algorithmen gibt, es viele Wahlmöglichkeiten. Einer der einfachsten Scheduling-Algorithmen wird üblicherweise als Round-Robin (RR)-Scheduling bezeichnet. Beim Round-Robin-Scheduling handelt es sich um klassisches Zeitmultiplexen, bei welchem die Verzögerung zwischen aufeinander folgenden Übertragungen zur gleichen mobilen Station (MS) fest und für alle MSs gleich ist. Ein Round-Robin-Scheduler arbeitet autonom und braucht kein Feedback in Form von Kanalzustandsinformation. Dagegen ergibt das Max.-Rate-Scheduling, das immer zu der MS überträgt, welche die höchste Datenrate empfangen kann, den höchstmöglichen Systemdurchsatz, ignoriert aber völlig die Fairness und Verzögerung.
Bei einem anderen Scheduler, dem PF-Scheduling-Algorithmus, hat sich erwiesen, das er die gewünschten Eigenschaften besitzt. Dementsprechend wird jetzt eine Version des PF-Schedulers beschrieben und als in Kombination mit dem Strahlformungs-Verfahren funktionierender Scheduler in Übereinstimmung mit den beispielhaften Ausführungsformen vorgesehen, wobei es sich versteht, dass hier auch andere Scheduling-Algorithmen als der folgende PF-Scheduler anwendbar sind. Der nachstehend angesprochene PF-Scheduler ist näher in einem Artikel von Viswanath u. a. mit dem Titel "Opportunistic Beamforming Using Dumb Antennas", IEEE Trans. On Information Theory, Vol. 48, Nr. 6, Juni 2002 beschrieben.
PF-Scheduler
Sei T_i(n) der laufende mittlere Durchsatz von MS i am Anfang des Zeitschlitzes n₁ und J_n ε{1; ..., n_M} die für die Übertragung in den Zeitschlitz n gewählte MS, wobei n_M die Anzahl der MSs ist, welche die BS unterstützen (n_M wird als feste Anzahl behandelt, kann sich aber von Zeit zu Zeit während der Verarbeitung des Algorithmus ändern). Dann kann der mittlere Durchsatz von MS i am Zeitschlitz T_i(n + 1) durch den Ausdruck (1) beschrieben werden:
Im Ausdruck (1) ist T_i(0) = δ_i, wobei δ_i ein ungefährer Ausgangswert ist, und T_c ist ein freier Parameter, der den effektiven Speicher eines Durchsatz-Mittelungsfilters des Schedulers bestimmt. Im Ausdruck (1) ist ersichtlich, dass ein großer T_c einem großen effektiven Speicher für das Filter und umgekehrt entspricht.
Dementsprechend kann eine Scheduling-Entscheidung, die von einer BS, die einen PF-Scheduler verarbeitet, implementiert wird, durch den Ausdruck (2) beschrieben werden, wo die BS in einem Zeitschlitz n einer MS J_n zeitlich zuordnet, um folgende Bedingungen zu befriedigen:
In anderen Worten besagt Ausdruck (2), dass die BS zur MS i, die das größte R_i(n)/T_i(n)-Verhältnis aufweist, überträgt. Das Einfügen des Terms T_i(n) in den Nenner bedeutet, dass die MSs, die kürzlich "ausgehungert" wurden (die beispielsweise kein Paket für eine ungewöhnlich große Anzahl von Zeitschlitzen empfangen haben) im Scheduling-Prozess entsprechend prioritisiert werden. Ist die MS i zeitlich für das Übertragen zugeordnet, erfolgt die Übertragung mit der Rate R_i(n). Es wurde aufgezeigt, dass der stochastische Prozess
eine Markov-Kette mit stationärer Verteilung ist:
wo π_i der langfristige Bruchteil der MS i zugeordneten Zeit ist.
Der PF-Scheduling-Algorithmus weist folgende Merkmale auf: (a) Der Systemdurchsatz wird mit der Anzahl von MSs bis zu einer von T_c diktierten Grenze und der Geschwindigkeit der MSs gesteigert; b) Der Durchsatz des Systems wird mit T_c gesteigert, aber für eine feste Anzahl von MSs wird die Rate der Durchsatzverstärkung mit weiterhin steigendem T_c gesättigt; und c) Mit steigendem T_c beginnt das Auftreten längerer Verzögerungen zwischen aufeinander folgenden Übertragungen zur gleichen MS.
1 ist ein Schaubild, dass die Wirkung der Anzahl der MSs und T_c auf dem Systemdurchsatz eines Scheduling-Algorithmus mit dem Namen Proportional Fair (PF) zeigt. In 1 ist der simulierte Zellendurchsatz in Abhängigkeit von der Anzahl der MSs, basierend auf einem Zeitschlitz (Ts) von 2 ms, das SNR für alle MSs von 0 dB, die Geschwindigkeit von 1 ms und die HF-Trägerfrequenz (Fc) von 2 GHz dargestellt. Gemäß
1 nimmt der Systemdurchsatz mit der Anzahl von MSs bis zu einer Grenze, die von T_c und der Geschwindigkeit der MSs diktiert wird, zu.
2 zeigt ein Schaubild, das eine Cumulative Distribution Function (CDF) bzw. kumulative Verteilungsfunktion zwischen den Paketen in Zeitschlitzen veranschaulicht, welche vom PF-Algorithmus für verschiedene Werte eines Parameters T_c bestimmt werden, Insbesondere veranschaulicht 2, dass die Wahrscheinlichkeit einer langen Verzögerung zwischen den Paketen (Mehrfache der mittleren Verzögerung zwischen den Paketen) mit T_c steigt. In 2 entspricht die y-Achse die Wahrscheinlichkeit, dass die Verzögerung nicht die entsprechende Anzahl von Zeitschlitzen auf der x-Achse überschreiten wird. 2 hat dieselben Parameter in Bezug auf die mittlere SNR, Zeitschlitzdauer und mobile Geschwindigkeit wie in 1. In 1 und 2 wurden die Beziehung R_i(n) = log₂ (1 + SIR(n)) und Rayleigh Fading angenommen.
Systemmodell
Zum besseren Verständnis der Strahlformungs- und Scheduling-Verfahren, die nachstehend erläutert werden sollen, haben die Erfinder folgendes beispielhafte Systemmodell entwickelt. Es versteht sich selbstverständlich, dass das nachstehend dargestellte Systemmodell halt nur ein mögliche Systemmodell ist; andere Systeme nach dem Stand der Technik sind ebenfalls anwendbar.

(a) Jeder Kanal ist einem korrelierten Schwundprozess mit dem Namen Rayleigh Fading ausgesetzt, der an die Geschwindigkeit der MS gebunden ist gemäß der Beschreibung auf der Seite 55 von G. L. Stuber mit dem Titel "Principles of Mobile Communication", Kluwer Acadamic Publisher, 1966, S. 52–55. Die Folge korrelierter Rayleigh-Variablen kann unabhängig für jede MS gewählt werden. Dies geschieht durch Einsatz eines geeigneten Verfahrens gemäß der Beschreibung des Artikels von Young u. a. mit dem Titel "The Generation of Correlated Rayleigh Random Variates by Inverse Fourier Transform", IEEE Trans. On Comm. Vol. 48, Nr. 7, Juli 2000.
(b) Die mittlere Dämpfung jedes Kanals, das heißt, wenn das Rayleigh Fading ausgefiltert ist, wird über den Simulationsbetrieb festgelegt.
(c) Sofern nicht anders angegeben, werden die MSs auf zufällige und gleichmäßige Weise über dem Bereich des abgedeckten Sektors angeordnet. Dieser Auswahlprozess wird unabhängig für jeden Simulationsbetrieb wiederholt.
(d) Die BS überträgt mit voller Leistung.
(e) Die Eingabepuffer an der BS, einer je MS, enthalten immer Daten, die auf eine Übertragung warten. In anderen Worten bedeutet dies, dass die Verzögerung, die Pakete auf ihrem Weg zur BS erfahren, oder wenn sie in einem Puffer warten, ignoriert wird.
(f) Aus Gründen der Vereinfachung wird ohne Rücksicht auf die Übertragungsrate genau ein Informationspaket in einem einzigen Zeitschlitz übertragen.
(g) Die Schätzung von R(n) erfolgt mit Nullfehler, und die Berichte der MS werden perfekt an der BS ohne Verzögerung empfangen. Datenpakete werden immer korrekt empfangen.

Fairness und Wartezeit
Das Fairness-Konzept kann üblicherweise mit π_i assoziiert werden, dem langfristigen Bruchteil der jeder MS zugeordneten Zeit. Im Round-Robin-Scheduler ist dieser Bruchteil π_i = 1/n_M, i = 1, ..., n_M und die Verzögerung ist fest und gleich groß wie n_M Zeitschlitze. Gegeben sei die Annahme R_i(n) SNR_i(n), i = 1, ..., n_M, und wenn die Ausbreitungskanäle zu allen MSs stationäre, unabhängige und identisch verteilte Prozesse bis zu einem frei wählbaren Skalenfaktor sind, besitzt der PF-Algorithmus die Fairnesseigenschaft: π_i = 1/n_M unbeachtet des SIR-Mittelwertes der MS. Jedoch in der Regel ist Obiges nicht zutreffend.
3 zeigt ein Schaubild, das eine Cumulative Distribution Function (CDF) bzw. kumulative Verteilungsfunktion der Verzögerung zwischen den Paketen für gleichgroße MS-Populationen veranschaulicht. Insbesondere zeigt 3 eine CDF der Verzögerung zwischen den Paketen, wenn die MS-Population zwei gleiche Gruppen aufweist, eine Gruppe mit einem SIR-Mittelwert von gleich 10 dB und die andere Gruppe mit einem SIR-Mittelwert von –10 dB. Die CDF wurde durch Simulationen mit dem PF-Algorithmus unter der folgenden Annahme erhalten: R_i(n = log₂(1 + SIR₁(n)), i = 1, ..., n_M; andere Parameter sind 20 MSs, T_c = 100, SNR-Mittelwert von 0 dB, mobile Geschwindigkeit von 1 ms und HF-Trägerfrequenz (Fc) von 2 GHz.
In 3 ist hinsichtlich einer längeren Verzögerung (insbesondere für die Verzögerung zwischen den Paketen über oder größer als etwa 40 Zeitschlitze) offensichtlich, dass die 'schwächere' Gruppe (SIR-Mittelwert von –10 dB) signifikant schlechter dran ist als die 'stärkere' Gruppe (SIR-Mittelwert von 10 dB). Zum Beispiel beläuft sich die Wahrscheinlichkeit, dass die Verzögerung 100 Zeitschlitze (10² auf der x-Achse) überschreitet, für die stärkere Gruppe auf nur 1%, während sich die Wahrscheinlichkeit für mobile Stationen in der schwächeren Gruppe, die eine 100 Zeitschlitze überschreitende Verzögerung zwischen den Paketen aufweisen, auf nahezu 6% beläuft.
Diese Verzögerung zwischen den Paketen kann als 'Wartezeit' bezeichnet werden. Die Wartezeit kann als die Anzahl der Zeitschlitze, seit eine MS ihr letztes Paket empfangen hat, verstanden werden. Die BS, die eine Gruppe von MSs in einer besonderen Zelle bedient, kann die Wartezeit für jede MS, die sie in der Zelle bedient, verfolgen. So wie nachstehend ersichtlich, kann in einem gegebenen Zeitschlitz eine 'am längsten wartende MS' ausgewählt und der Strahl, den sie vorzieht, generiert werden. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit gesteigert, dass die ausgewählte MS vom Scheduler zur Übertragung in den laufenden Zeitschlitz aufgenommen wird.
Opportunistic Beamforming (PBF) bzw. Opportunistische Strahlformung (Allgemeines)
So wie zuvor angesprochen, ist das OBF eine 'natürliche' Verstärkung des OS, welches mehrere Antennen an der BS benutzt und einen Algorithmus implementiert, der mit dem Zeitschlitz einen anders gearteten Strahl generiert. In einer korrelierten Umgebung lässt sich durch uneinheitliche Speisung (amplitudenmäßig) von Antennen in BSs nichts verstärken. Die Wahl besteht folglich darin, jede Antenne mit derselben Signalleistung zu speisen und die Speisephasen zu nutzen, um den Strahl wunschgemäß zu richten. Die in den Simulationen verwendeten N Strahlen hatten über einen Sektor von 120 Grad konstant regelmäßige Abstände, wobei die Spitze des ersten Strahls und der N-te Strahl mit den Grenzen des Sektors zusammenfallen.
Dienstqualitätsanforderungen befriedigen
Es wird weitgehend angenommen, dass die Befriedigung der Quality of Service (QoS)-Anforderungen bzw. Dienstqualitätsanforderungen darauf hinausläuft, einen ausreichenden Durchschnittsdurchsatz zur Verfügung zu stellen, während bestimmte Paket-Verzögerungseinschränkungen befriedigt werden müssen. Frühere Studien der opportunistischen Strahlformung (OFB) anhand eines PF-Scheduler setzen den Akzent ausschließlich auf den Systemdurchsatz und den Durchsatz je MS in jeweiliger Abhängigkeit von der Anzahl der BS-Antennen und der Anzahl der MSs.
Verzögerungseinschränkungen wurden berücksichtigt, indem einfach eine passende Wahl von T_c getroffen wurde. Doch diese Vorgehensweise ließ viel zu wünschen übrig, da die Steuerung der Verzögerung und von Verzögerungsjitter durch Reduzierung von T_c den Durchsatz erheblich benachteiligt. Diese Lösung ist zum Beispiel in 1 für den OS-Fall vorgeschlagen. Auch andere Systemparameter, wie beispielsweise das dynamische Ändern der Populationsgröße der MSs, der Umfang der Geschwindigkeiten der MS und individuellen Ausbreitungskanäle, beeinflussen die Statistiken der Paketverzögerung und die Vorgabezeiten für individuelle MSs sowie den Durchschnittsdurchsatz.
Ferner wirkt das untersuchte System (oder das als BS gekennzeichnete 'Subsystem', der Scheduler, den es verarbeitet, und die MSs, welche die BS bedient) nur an der gesamten Punkt-zu-Punkt-Verzögerung, die von den MSs wahrgenommen wird, mit. Zur Untersuchung der Verzögerungsleistung, der Fähigkeit MSs mit ausreichender Regelmäßigkeit und Fairness zu unterstützen, muss das Subsystem vom Rest des Systems entkoppelt werden. Dies kann unter der Annahme geschehen, dass die Eingabepuffer des Scheduler in der BS immer Daten enthalten und das die Zeit, während welcher individuelle Pakete in einem Puffer warten, ignoriert wird. Auf diese Weise beeinflussen die Ankunftsprozesse der individuellen Pakete, die erheblich andersartig sein könnten, nicht die Scheduling-Entscheidungen. Angenommen, dass die individuellen Schwundprozesse für jede MS stationär sind, kann die Verzögerungseinschränkung im Sinne einer Wahrscheinlichkeit festgelegt werden, dass der laufende Durchschnittsdurchsatz, der über ein gegebenes Zeitfenster gemessen wird, das durch die spezifische Anwendung eingestellt werden kann, einen gegebenen Grenzwert unterschreitet.
Es sollte festgestellt werden, dass, wenn mindestens ein Paket in jedem beliebigen "viereckförmigen" Zeitfenster von fester Länge empfangen werden soll, die allgemeine Anforderung auf eine Zeitgrenze reduziert ist, die der Verzögerung zwischen den Paketen diktiert wird.
In diesem Fall kann die Verzögerungsleistung im Sinne der Wahrscheinlichkeit gemessen werden, dass die Verzögerung zwischen den Paketen (Verzögerung zwischen zwei erfolgreich empfangenen Paketen) einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Das Auftreten eines solchen Ereignisses kann als 'Verzögerungsausfall' bezeichnet werden. Die mittlere Wartezeit lässt sich nur durch die Anzahl der MSs, welche die BS unterstützt (n_M) leicht bestimmen. Sind beispielsweise 10 MS vorhanden, beträgt der Mittelwert der Wartezeit 10 Zeitschlitze (mittlere Wartezeit). Da es keine Möglichkeit zur Änderung der Wartezeit gibt, läuft eine Verbesserung der Verzögerungsleistung darauf hinaus, den oberen "Schwanz" der Wahrscheinlichkeitsdichte-Funktionskurven der Verzögerung zwischen den Paketen zu schrumpfen (die CDF ist in 2 und 3 gezeigt).
Strahlformungs- und Scheduling-Algorithmen
In OBF-Systemen sind ein hoher Durchsatz und gute Verzögerunseigenschaften widersprüchliche Ziele. Wie zuvor angesprochen, wurde bei aktuellen OBF-Implementierungen nicht versucht, die Strahlgenerierung für das korrelierte System (beispielsweise mehrere mit gedrängtem Abstand angeordnete Antennen) mit Scheduling-Algorithmen zu kombinieren, da man eine Strahlfolgegenerierung als unabhängigen Ablauf betrachtete. Dementsprechend werden zum Zwecke des Vergleiches die aktuellen OBF-Techniken nachstehend als 'Standard OBF'(sOBG)-Algorithmus bezeichnet.
Ein Verfahren zum Bestimmen eines für eine MS zu generierenden Strahls (und demzufolge ein Scheduling-Verfahren) in Übereinstimmung mit den beispielhaften Ausführungsformen oder vorliegenden Erfindung nutzt vergangene Berichte der MS. Zusätzliche Berichte oder Feedback von der MS sind nicht erforderlich. Durch Änderung der Abtastfolge auf Basis von Information, die an der BS verfügbar ist, besteht die Möglichkeit, die Systemleistung im Sinne von Durchsatz und Verzögerungsstatistiken zu verbessern.
Eine MS mit langsamer Bewegung sendet eine wesentliche Anzahl von Berichten während eines Zeitintervalls, wo der Ausbreitungsanal mit dem gebildeten Mittelwert des schnellen Schwunds praktisch unverändert ist. Somit kann der Strahl, den eine MS "vorzieht", identifiziert werden durch Mittelwertbildung der Berichte, die von der MS als Antwort auf Übertragungen auf jedem der Strahlen gesendet werden (indem eine mäßige Anzahl der Strahlen angenommen wird). Der 'bevorzugte' Strahl kann als das Strahlungsschema verstanden werden, das den höchsten Durchschnitt der laufenden Datenrate oder des entsprechenden SIR aufweist, beispielsweise, so wie es durch die Berichte, das Feedback, die gegebene MS der BS angegeben wird. Dementsprechend kann die BS den 'bevorzugten Strahl' für eine gegebene MS auf Basis von Berichten oder Feedback von der gegebenen MS zur BS bestimmen und generieren, wie beispielsweise die Berichte, die eine 'MS als Antwort auf ein von der BS übertragenes Pilotsignal sendet.
Folgende Darstellungsart und Bedingungen werden eingeführt: Für die folgenden Algorithmen besteht ein endliche Sammlung von N vorgewählten Strahlen: {b₁, b₂, ..., b_N} und der Ausdruck j(m)∊ {1, ..., N} stellt den Exponenten des Strahls dar, der im Zeitschlitz m für m = 0, 1, ..., n – 1 verwendet wird, wobei n der aktuelle Zeitschlitz ist.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen eines Strahls beschreibt, der für eine MS in Übereinstimmung mit den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung generiert werden soll. Die Funktionen in 4 können durch Hardware oder Software implementiert werden, wie beispielsweise durch einen Mikroprozessor oder digitalen Signalprozessor. Die in 4 umrissenen Funktionen können auch als Darstellung eines gemeinsamen opportunistischen Strahlformungs- und Scheduling-Algorithmus und eine Abwandlung des aktuellen sOBF-Algorithmus angesehen werden.
Gemäß 4 wird bei der Initialisierung (Funktion 410) ein Zeitschlitzzähler n initialisiert (n = 0) und ein Ausschlussfenster geleert. In der Regel ist das Ausschlussfenster ein Zeitfenster, das verhindern soll, dass ein Strahl ständig eine MS anstrahlt, die schwache Kanalbedingungen aufweist, welche den Systemdurchsatz nachteilig beeinflussen können. Das Ausschlussfenster, das auf eine feste Größe eingestellt werden oder dessen Größe variieren kann, wird nachstehend näher erläutert.
Die BS verfolgt einen üblichen Parameter jeder MS, die sie bedient. Dieser Parameter könnte die zuvor erwähnte 'Wartezeit' der MS sein, das heißt beispielsweise die Anzahl der Zeitschlitze seit die MS ihr letztes Paket empfangen hat. Alternativ könnte die BS anstatt der Wartezeit einen Parameter wie den kurzfristigen Durchsatz jeder MS verfolgen, wo ein Mittelungs- oder Filterprozess, der zur Berechnung des kurzfristigen Durchsatzes verwendet wird, von der Anwendung diktiert werden kann und der für jede MS verschieden sein könnte. Ferner könnte die BS den kurzfristigen Durchsatz verfolgen, der durch den langfristigen Durchsatz (oder Durchschnittsdurchsatz) jeder MS, die sie bedient, normalisiert wird.
Die BS wählt (Funktion 420) eine MS aus der MS-Population auf Basis eines verfolgten Parameters aus.
4 veranschaulicht nur die Verfolgung der zuvor erwähnten am längsten wartenden MS, wobei es sich versteht, dass dies lediglich ein beispielhafter verfolgbarer Parameter ist; andere Parameter, wie der berechnete kurzfristige Durchsatz, der durch den langfristigen Durchsatz für jede MS normalisiert wird, könnten durch die BS verfolgt werden. In diesem Fall wählt die BS die MS aus, die bezüglich des Zeitpunkts des zuletzt empfangenen Pakets am meisten 'ausgehungert' wurde. Somit kann eine MS, von welcher die BS weiß, dass sie die längste Zeitperiode gewartet hat, um eine gegebene Übertragung (wie ein Paket) zu empfangen, als die am längsten wartende MS ausgewählt werden. So wie in Funktion 420 gezeigt, wird die am längsten wartende mobile Station, die nicht im Ausschlussfenster ist, in der mobilen Population am Anfang des Zeitschlitzes n gesucht. Diese MS kann als MS i(n) bezeichnet werden, wobei der MS-Exponent für den gegebenen Zeitschlitz n ist.
Für die ausgewählte MS kann ein bevorzugter Strahl gemäß einem bevorzugten Strahlalgorithmus bestimmt werden (Funktion 430), der näher nachstehend beschreiben werden soll. Der bevorzugte Strahl wird aus der zuvor erwähnten endlichen Menge von N vorgewählten Strahlen ausgewählt. Immer wenn ein Strahl in der Vergangenheit zur Übertragung eines Pilotsignals verwendet wurde, wurde von jeder MS ein Bericht zur BS zurückgesendet. Die BS hat folglich die vergangenen Berichte für jeden Strahl, die von allen MSs in der MS-Population gesendet wurden, gesammelt.
So wie zuvor für jeden der N Strahlen angesprochen, kann die BS den Durchschnitt der Information in den Berichten ermitteln, welche die MS als Antwort auf Übertragungen auf jedem der Strahlen sendet (wobei eine schwache Anzahl von Strahlen angenommen wird). Anhand der gesammelten Berichte kann der 'bevorzugte Strahl' somit das Strahlungsschema sein, das die höchste laufende Durchschnittsrate oder den höchsten entsprechenden SIR-Mittelwert aufweist, so wie es beispielsweise durch die Berichte der MSs angegeben wird. Dementsprechend kann der bevorzugte Strahl für MS i(n) gemäß einem bevorzugten Strahlalgorithmus bestimmt werden, von welchem nachstehend ein Beispiel erläutert wird.
Die BS generiert (Funktion 430) den bevorzugten Strahl und verwendet den bevorzugten Strahl, um ein Pilotsignal (Funktion 440) zu senden. Die BS empfängt dann Berichte von allen MSs in der MS-Population, die sie bedient (Funktion 450). Jeder dieser Berichte kann einen Term R_i(n) aufweisen, der, wie bereits zuvor in Bezug auf den PF-Algorithmus angesprochen, eine Schätzung der maximalen Datenrate darstellt, die die antwortende mobile Station während dem n-ten Zeitschlitz empfangen kann. Jede MS in der MS-Population berechnet R_i(n) durch Messen des SIR des Pilotsignals und wendet dann eine wünschenswerte Umformung an, zum Beispiel die Formel der Shannon-Kapazität R_i(n) = log₂(1 + SIR(n)).
Der Scheduler an der BS bestimmt dann (Funktion 460) auf Basis der Berichte, welche MS ein Paket im aktuellen Zeitschlitz empfangen wird. Hierzu können die zuvor beschriebenen Techniken in Bezug auf den PF-Scheduler benutzt werden, um eine 'gewinnende MS' auszuwählen.
Die BS überträgt (Funktion 470) dann Daten zur MS J_n, die vom Scheduler in Schritt 460 (der die in Schritt 420 ausgewählte MS sein oder nicht sein kann) mit der Rate R_Jn(n) (siehe Gleichung (2) auf dem in Schritt 430 ausgewählten Strahl. Die Iteration wird durch Aktualisieren des Ausschlussfensters und Inkrementieren des Zeitschlitzzählers für den nächsten Zeitschlitz (Funktion 490) beendet. Das Ausschlussfenster wird aktualisiert, indem der Exponent i(n) der in Funktion 420 ausgewählten MS in das Ausschlussfenster geschoben wird, wodurch der Exponent i(n-L), der der älteste Exponent im Fenster ist, aus dem Ausschlussfenster fällt. Die Funktionen 420–490 können in anschließenden Zeitschlitzen wiederholt werden.
Die in 4 beschriebenen Funktionen können ganz oder teilweise durchgeführt werden. Die Funktionen 410–430 und 490 lassen sich beispielsweise als Teil einer Stahlbestimmungsroutine zur Generierung eines bevorzugten Strahls für eine andere besondere Anwendung als zum Beispiel das Scheduling oder Übertragen durchgeführt werden. Ein Scheduling-Verfahren kann das Generieren eines bevorzugten Strahls gemäß den Funktionen 410–430 aufweisen, eine BS kann sogar Information zu einem zeitlich zugeordneten Benutzer, der einen anderen Strahl als den bevorzugten Stahl benutzt, senden. Ein Verfahren zum Bestimmen eines bevorzugten Strahls in Übereinstimmung mit den beispielhaften Ausführungsformen kann mit jeder Art von Scheduling-Algorithmus verwendet werden; der PF-Scheduler ist lediglich eine beispielhafter Scheduling-Algorithmus.
Bevorzugter Strahlalgorithmus
Der bevorzugte Strahl kann gemäß dem folgenden 'bevorzugten Strahlalgorithmus' bestimmt werden. Der von MS i bevorzugte Strahl am Zeitschlitz n ist b_j, wenn:
wobei:
Im Ausdruck (3) ist j(m) der Exponent des Strahls, der durch die BS im Zeitschlitz n generiert wurde. Für diese m, wobei j(m) = k, ist δ = 1. Wenn beispielsweise k = 3 ist für alle m's, wo der dritte Strahl generiert wurde, δ = 1, andernfalls δ = 0. Der Ausdruck (3) besagt, dass der bevorzugte Strahl von MS i Zeitschlitz n der Strahl mit der höchsten laufenden Durchschnitts-Feedbackrate der mobilen Station i ist. In anderen Worten muss jeder der N Strahlen einer nach dem anderen festgesetzt, nach allen vergangenen Ereignissen auf dem Strahl gesucht und der Durchschnitt vergangener Berichte ermittelt (oder einer gegebenen Funktion der Berichte) und der höchste Durchschnitt aufgenommen werden. Der Nennerterm δ(l,k) wird bereitgestellt, um den Ausdruck zu normalisieren.
Der Parameter α, 0 < α < 1, ist ein "Vergessfaktor", der den bevorzugten Strahl in die Lage versetzt, die Position der MS zu verfolgen. Der Vergessfaktor α sollte klein genug sein, um die MSs in die Lage zu versetzen, Änderungen in ihren bevorzugten Strahlen zu verfolgen, ein Prozess, der bei Makrozellen typischerweise in Sekunden gemessen wird, während er zur gleichen Zeit ausreichend nahe 1 sein muss, damit der schnelle Schwund korrekt gefiltert werden kann. Eine gute Wahl von α kann zum Beispiel auf dem Dekorrelationsabstand des schwachen Schwundes, der physikalischen Größe der Zelle bzw. des Sektors und des interessierenden MS-Geschwindigkeitsbereichs beruhen (der Dekorellationsabstand ist der Abstand zwischen zwei Punkten in einer Weise, dass die Korrelation zwischen den Komponenten des schwachen Schwundes des Pfadverlustes zwischen diesen Punkten und der BS auf irgendeinen vorgewählten Wert, beispielsweise auf e^–1, abgeklungen ist).
Um Rechnenaufwand und Speicherplatz einzusparen, kann der Ausdruck (3) iterativ für jede MS berechnet werden, indem Informationen aus vorherigen Zeitschlitzen verwendet wird, wie in den Ausdrücken (4)–(6) illustriert: Sei.
Das Ausschlussfenster L ist ein L dimensionaler Vektor, wobei L höchstens n_M –1 ist. Seine j-te Komponente Lj ist entweder der Exponent irgendeine der MSs oder Null. Zum besseren Verständnis der Zweckbestimmung dieses Ausschlussfensters muss man sich vorstellen, dass L auf null gesetzt ist und MS i die am längsten wartende MS darstellt. Der Algorithmus des bevorzugten Strahls wird wiederholt den Strahl, den die MS i vorzieht, bestimmen (auswählen) und damit im (in den) nächsten (und anschließenden) Zeitschlitz(en) fortsetzen, bis MS i ein Paket empfängt und dadurch aufhört, die am längsten wartende MS zu sein. Dies hat eine negative Auswirkung auf den Systemdurchsatz.
Die Aufgabe des Ausschlussfensters besteht folglich darin, zu verhindern, dass der Strahl wiederholt eine MS anstrahlt, die sich nur langsam von einem "schlechten" Kanal erholt. Für MSs mit langsamer Bewegung scheint das längstmögliche Ausschlussfenster (L = n_M – 1) die besten Ergebnisse bereitzustellen, während es bei MSs, die sich mit Fahrzeuggeschwindigkeiten bewegen, den Anschein hat, dass kürzere Fenster (bspw. L = 1) leistungsfähiger sind. Es kann nützlich sein L in einer Weise einzustellen, dass es auf die Geschwindigkeit der MSs abgestimmt ist. Dabei wird jedoch nicht angenommen, dass die BS die Geschwindigkeit der MSs kennt. L ist folglich ohne Kenntnis der Geschwindigkeiten der MSs zu wählen. Trotz allem wird eine gute Leistung mit weit unterteilten Geschwindigkeiten erzielt, so wie in 6, die nachstehend erläutert wird, gezeigt.
Die Anzahl der Strahlen (N) kann die Leistung des geänderten OBF-Algorithmus beeinflussen. Bei Simulationen durch die Erfinder wurde N als N = 11 gewählt, damit sich die Strahlen mit geringem Verlust des Systemdurchsatzes ausreichend überlappen. Im sOBF-Algorithmus führt eine Zunahme von zu einer Zunahme der Erscheinungshäufigkeit langer Verzögerungen. Im geänderten OBF-Algorithmus der hierin erläutert wird, hat die Zunahme von N keine nachteilige Auswirkung solange ausreichende Berichte für jeden Strahl verfügbar sind, um den Algorithmus in die Lage zu versetzen, den schnellen Schwund effizient auszufiltern, während die mittlere Dämpfung des Ausbreitungskanals (unter Ausschluss des schnellen Schwunds) immer noch verfolgt wird. Dies kann periodische Abweichungen vom Strahl, der den Algorithmus zum Einfügen "fehlender" Strahlen generiert, erfordern, wodurch gewährleistet ist, dass alle N Strahlen mit minimaler Periodizität gebraucht werden. So lange diese Abweichungen einen geringen Bruchteil der Zeitschlitze verbrauchen, ist der resultierende Verlust minimal.
Andere Messungen der Dienstqualität und Verzögerung
Das (die) zuvor beschriebenen Verfahren wurden mit dem Bestreben entwickelt, eine MS, die auf das nächste Paket "am längsten gewartet" hat, zu prioritisieren. In einem mehr allgemeineren Fall können längere Dienstverschlechterungsperioden als Metrik zur Leistungsmessung benutzt werden. Eine angemessene Anforderung an die Dienstqualität (QoS) könnte ein einer weise formuliert werden, dass eine MS Folgendes erfordert:

a) ausreichenden langfristigen (Durchschnitts) durchsatz und
b) kurzfristige Durchsatzabfälle sollten nicht zu oft auftreten und nicht zu tief sein. Quantitativ (b) kann die MS erfordern, dass der kurzfristige Durchsatz unter einen Bruchteil γdes langfristigen Durchsatzes in weniger als dem Bruchteil δ der Zeitschlitze fällt.

Der 'langfristige Durchsatz', 'kurzfristige Durchsatz' und die Parameter γ und δ können auf Basis einer gegebenen Anwendung variieren (und eingestellt werden). Sinngemäß entspricht dies der häufig eingesetzten Vorgehensweise, die Qualität einer Kommunikationsverbindung nicht durch die Bitfehlerrate, sondern durch beispielsweise "schlechte Minuten pro Tag" zu messen.
Das Festlegen des QoS-Ziels auf diese Weise führt zu einem geänderten Strahlgenerierungs-Verfahren. Anstatt nämlich den bevorzugten Strahl durch die MS, die am längsten auf das nächste Paket wartet, zu generieren, generiert der Algorithmus des bevorzugten Strahls den bevorzugten Strahl durch die MS mit dem niedrigsten Verhältnis des kurzfristigen Durchsatzes zum langfristigen (oder Durchschnitts durchsatz.
Simulationen und Ergebnisse
5 ist ein Schaubild, das einen Systemdurchsatz im Vergleich zu einer Möglichkeit eines Verzögerungsausfalls für eine feste MS-Population in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. 5 zeigt den einen Systemdurchsatz im Vergleich zu einer Möglichkeit eines Verzögerungsausfalls mit T_c als einen Parameter.
In 5 wird für die Verzögerungseinschränkung (das heißt der Grenzwert) 160 ms gewählt. Für zwanzig MSs entspricht dieser Grenzwert vier Mal dem Mittelwert der Verzögerung von 40 ms. Es werden die Durchsatz/Verzögerungskurven von drei Systemen verglichen. Das erste mit der Kennzeichnung "PF" ist der PF-Algorithmus mit einer einzigen Antenne. Das zweite mit der Kennzeichnung "sOBF" für Standard-OBF ist ein OBF-System mit einfachem Abtasten von Strahlen. Die dritte Kurve mit der Kennzeichnung "JOBS" ist das Verfahren, das in Bezug auf 4 in Übereinstimmung mit den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wird. Die Kennzeichnung JOBS ist lediglich ein Identifikator und sollte auf jeden Fall nicht als Einschränkung für die beispielhaften Ausführungsformen gedeutet werden. In 5 setzen beide OBF-Systeme vier Antennen an der BS ein und generieren dieselbe Menge Strahlen {b₁, b₂, ... b₁₁}, aber in einer anderen Reihenfolge. Die SNR-Mittelwerte für alle MSs sind auf 0 dB festgesetzt, die mobile Geschwindigkeit ist auf 8 m/s und das Ausschlussfenster L ist auf 15 festgesetzt.
So wie zuvor in Übereinstimmung mit den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angesprochen, kann die Verzögerungsleistung im Sinne der Wahrscheinlichkeit, dass die Verzögerung zwischen den Paketen, einen bestimmten Grenzwert überschreitet, gemessen werden, wobei das Auftreten eines solchen Ereignisses als ein Verzögerungsausfall bekannt ist. Wie in 5 für eine feste mobile Population und Geschwindigkeit gezeigt, ist die Wahrscheinlichkeit eines Verzögerungsausfall viel geringer für JOBS- als für sOBF- oder PF-Algorithmen. Man kann somit sehen, dass JOBS das Erreichen einen höheren Systemdurchsatzes ermöglichen kann, während zur gleichen Zeit die Wahrscheinlichkeit übermäßiger Verzögerung reduziert wird.
6 ist ein Schaubild, das eine kumulative Verteilungsfunktion (CDF: Cumulative Distribution Function) des Signal-Rausch-Verhältnisses (SIR: Signal to Interference Ratio) in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Die Daten für 6 wurden generiert, indem MSs auf zufällige und gleichmäßige Weise über dem Bereich einer Zelle angeordnet werden. Zwei Ringe störend einwirkender Zellen auf einem Sechseckraster wurden mit allen BSs, die ständig bei gleicher Leistung anhand von Rundstrahlantennen übertragen, betrachtet. Für alle MSs wurde das Signal des Sektors mit dem höchsten Empfangsleistungs-Mittelwert als das relevante Signal angesehen, während die verbleibenden Sektoren an der Störleistung mitwirkten.
Der dB-Pfadverlust, der A_j,i zwischen BS j und MS i (oder jedem sonstigen BS-, MS-Paar) anzeigte, wurde als die Summe von zwei Teilen genommen:
A_j,i = –35log d_j,i – ξ_j,i dB „ wobei d_j,i, die Entfernung zwischen BS j und MS i ist und ξ_j,i der Schattenverlust der j, i Strecke ist. ξ_j,i wurde als unabhängige (für jede Strecke) Gaußsche Zufallsvariable mit Mittelwert 0 und Standardabweichung σ = 8 dB genommen. Der Prozess wurde mehrfach wiederholt, um die in 6 gezeigte Kurve zu ermitteln.
7 ist ein Schaubild, das den Systemdurchsatz im Vergleich zu einem Verzögerungsausfall in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. 7 wiederholt dasselbe Experiment, so wie in 5 dargestellt, aber für zwei verschiedene Geschwindigkeiten (gemeinsam für alle MSs). In diesem Fall wird das SIR der für jede mobile Station unabhängig von der CDF, wie in 6 gezeigt, gewählt. 7 zeigt zwei Fälle: einen Fall mit auf 1 m/s eingestellter Geschwindigkeit aller MSs und einen zweiten Fall mit auf 8 m/s eingestellter Geschwindigkeit aller MSs.
Wie zuvor kurz angesprochen, kann es wünschenswert sein, dass das Ausschlussfenster auf die Anzahl der MSs und ihre Geschwindigkeit abgestimmt ist. Da jedoch die BSs typischerweise nicht die Geschwindigkeit der MSs, die sie bedienen, kennen, welche im Allgemeinen nicht gleich sind, musste ein gewisses festes Ausschlussfenster L gewählt werden, das für alle Geschwindigkeiten anwendbar ist. In 7 war das Ausschlussfenster L auf 15 festgesetzt.
Wie in 7 gezeigt, ist JOBS leistungsfähiger als sOBF und PF sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Geschwindigkeiten, aber die Verstärkung ist insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten groß. Der allgemeine Trend für alle drei Algorithmen ist, dass sich der Verzögerungsausfall schnell mit steigendem T_c im dargestellten Bereich verschlechtert (zunimmt), während der Durchsatz wieder eine geringe Verstärkung zeigt. Demzufolge ist aus 7 ersichtlich, dass JOBS das Erreichen eines höheren Durchsatzes ermöglicht, während zur gleichen Zeit die Wahrscheinlichkeit übermäßiger Verzögerung reduziert wird. Da T_c ein frei wählbarer Parameter ist, kann ein gewünschter Kompromiss zwischen Durchsatz und Verzögerung gewählt werden, der an die besondere Anwendung angepasst ist.
8 ist ein Schaubild, das den MS-Durchsatz im Vergleich zur MS-Geschwindigkeit in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Um die Durchsätze von individuellen MSs mit breit gestreuten Geschwindigkeiten unter den OBF-Algorithmen zu beobachten, wurden jeder MS in einem 7-MS-System verschiedene Geschwindigkeiten zugewiesen. Die Ausbreitungskanäle sind i.i.d. Aus 8 ist ersichtlich, dass schneller MSs höhere Durchsätze als langsame MSs erfahren, jedoch bestehen keine großen Unterschiede.
9 ist ein Schaubild, das den Systemdurchsatz im Vergleich zur Abweichung vom Azimutwert von MSs in Bezug auf den Azimut-Mittelwert der MSs veranschaulicht. Insbesondere zeigt 9 den Systemdurchsatz im Vergleich zur Clustering-Größe der MS-Population um einen bestimmten Azimut, so wie von der BS aus gesehen. Die Clustering-Größe wird durch die Standardabweichung vom Azimut von MSs in Bezug auf den Azimut-Mittelwert der MSs gemessen. Der Vorteil der JOBS-Algorithmen im Vergleich zum sOBF-Algorithmus kann offensichtlicher sein, wenn die MSs nicht gleichmäßig über den Bereich der Zelle bzw. des Sektors verteilt, sondern in den bezeichneten Bereichen, wie bspw. einer kleinen oder entlang einer größeren Busleitung, konzentriert sind. Der sOBF-Algorithmus ignoriert die ungleichmäßige Verteilung von MSs und verwendet nicht weniger Zeitschlitze zum Anstrahlen leicht belasteter oder sogar leerer Teilsektoren, als wie er es zum Anstrahlen schwer belasteter Bereiche tut.
Andererseits passen sich die JOBS-Algorithmen selber an die räumliche Verteilung an und vermeidet leere Bereiche. Um dieses Merkmal zu veranschaulichen wurde der Azimut für jede MS zufällig und unabhängig für jeden Simulationsbetrieb aus einer normalen Wahrscheinlichkeitsfunktion N(α,σ²) gewählt (bspw. eine Zufallsvariable, die eine Gaußsche Verteilung mit Mittelwert α und Standardabweichung σ) mit erforderlicher Rundung, Wrap-Around und Skalierung. Für jeden Simulationsbetrieb wurde der Mittelwert α zufällig und gleichmäßig innerhalb der Sektorgrenzen gewählt. Der sich ergebende Systemdurchsatz ist in 9 in Abhängigkeit von der Standardabweichung σ gezeigt. Gemäß 9 ist es offensichtlich, dass JOBS bei niedriger σ bessere Ergebnisse als sOBF ergibt.
10 ist ein Schaubild, das einen Systemdurchsatz im Vergleich zu einer Wahrscheinlichkeit eines kurzfristigen Durchsatzes veranschaulicht, der einen langfristigen Durchsatz um 50% unterschreitet in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Um die Leistung des JOBS-Algorithmus mit einer mehr allgemeineren Verzögerungsmessung (einer anderen Leistungsmetrik) zu messen, haben die Erfinder den Algorithmus des bevorzugten Strahls derart umgestaltet, dass der Algorithmus des bevorzugten Strahls den von der MS bevorzugten Strahl mit dem niedrigsten Verhältnis des kurzfristigen Durchsatzes zum langfristigen (oder Durchschnitts durchsatz generiert. Dann haben die Erfinder den Durchsatz des Systems im Vergleich zur Wahrscheinlichkeit simuliert, dass der kurzfristige Durchsatz, der mit T_c = 100 gefiltert wird, 50% des langfristigen Durchsatzes unterschreitet. Die Ergebnisse sind in 10 dargestellt. Selbst bei dieser anders gearteten Metrik erscheinen die JOBS-Algorithmen robuster als sOBF-Algorithmen.
Demzufolge kann das Kombinieren von Strahlformung und Scheduling gemäß obiger Erläuterung dabei behilflich sein, dass die in einer gegebenen Zelle oder einem Sektor eines zellularen drahtlosen Kommunikationssystems bedienten MSs fair und regelmäßig bedient werden. Durch Prioritisieren einer ausgewählten MS (die als die am längsten wartende MS oder auf Basis eines anderen Kriteriums gewählt werden kann) wird die Wahrscheinlichkeit langer Unterbrechungen beim Empfang der Pakete durch die MSs oder von Perioden mit verschlechtertem Dienst (lange Trockenperioden) – wie es bspw. der Fall bei der Verbesserung des Gesamtsystemdurchsatzes ist, während System-Verzögerungseinschränkungen angetroffen werden – reduziert.
In Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann ein bevorzugter Strahl anhand der Systemzustandsinformation bestimmt werden. In anderen Worten bedeutet dies, dass keine Übersignalisierung oder zusätzliche Signalisierung erforderlich ist. Dadurch kann eine Verbesserung in Bezug auf den sOBF-Algorithmus, der unabhängig von der Systemzustandsinformation verarbeitet wird und somit keine Systemzustandsinformation als Eingabe empfängt, da die Strahlen in einer sequentiellen oder spezifizierten Reihenfolge generiert werden, um eine Zelle oder einen Sektor anzustrahlen.

Claims

Verfahren zum zeitlichen Zuordnen (Scheduling) eines Benutzers für den Empfang einer Übertragung, umfassend: Auswählen eines Benutzers aus einer Benutzerpopulation auf Basis eines Parameters, der für jeden Benutzer in jeder Benutzerpopulation verfolgt wird; Bestimmen, für einen gegebenen Zeitschlitz, einer laufenden Durchschnittsdatenrate für jeden Strahl einer begrenzten Vielzahl auswählbarer Strahlen auf Basis vergangener Berichte, die vorher für jeden Strahl vom ausgewählten Benutzer empfangen wurden, Auswählen eines Strahls mit der höchsten laufenden Durchschnittsdatenrate als bevorzugten Strahl für den ausgewählten Benutzer, Übertragen eines Pilotsignals zur Benutzerpopulation anhand des bevorzugten Strahls, Empfangen von Berichten von jedem Endbenutzer in der Benutzerpopulation als Antwort auf das Pilotsignal, das anhand des bevorzugten Strahls übertragen wird, und zeitliches Zuordnen eines Benutzers in der Benutzerpopulation für den Empfang einer nächsten Übertragung auf dem bevorzugten Strahl auf Basis der empfangenen Berichte.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der verfolgte Parameter ein kurzfristiger Durchsatz für jeden Benutzer ist, welcher anhand eines Filterverfahrens berechnet wird, das durch eine gegebene Anwendung diktiert wird, oder ein kurzfristiger Durchsatz, welcher durch einen langfristigen Durchsatz für jeden Benutzer normalisiert wird, wobei der berechnete kurzfristige Durchsatz auf einer gegebenen Anwendung basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zeitlichen Zuordnens ferner umfasst: Empfangen von Feedback von jedem Benutzer der Benutzerpopulation als Antwort auf das Pilotsignal, wobei das Feedback Informationen zu einer maximal unterstützbaren Datenrate für den Benutzer umfasst, und Verarbeiten eines Scheduling-Algorithmus, um die Benutzerpopulation für den Empfang einer nächsten Übertragung in einem aktuellen Zeitschlitz auf dem bevorzugten Strahl zu prioritisieren, wobei dem ausgewählten Benutzer eine höhere Priorität zugeteilt wurde, um die nächste Übertragung auf Basis seines Feedbacks zu empfangen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der verfolgte Parameter eine Wartezeit für jeden Benutzer ist, welcher eine Zeitdauer darstellt, seit der Benutzer sein letztes Paket empfangen hat, und der ausgewählte Benutzer ist der Benutzer, der am längsten gewartet hat.