СПОСОБ ВЫБОРА НЕСУЩЕЙ В РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ СИСТЕМАХ
METHOD FOR SELECTION OF CARRIER IN RADIO TRANSMISSION SYSTEMS

Изобретение относится к области радиосетей или беспроводных сетей, которые передают сигналы для передачи информации на мобильные объекты и от мобильных объектов, и, в частности, к способу выбора несущей в радиопередающих системах.
Мобильный объект, например поезд, судно, грузовой автомобиль и т.д., следует, как правило, заданным маршрутом по соответствующим путям сообщения, например железнодорожным путям, реке, дороге и т.д. Эти пути сообщения снабжаются радиосигналами обычно одной или несколькими радиопередающими системами. Это значит, что вдоль маршрутов этих путей сообщения излучаются одна или несколько несущих, которые могут использоваться для передачи информации от находящегося на мобильном объекте приемопередающего устройства, называемого ниже также мобильным устройством, и на него. Для достижения оптимальной мощности и качества передачи информации мобильному устройству требуется выбирать в каждом месте вдоль маршрута движения в соответствии с особыми требованиями применения лучшую несущую - либо одну, либо несколько взаимодействующих между собой, чтобы получить высшее качество по отношению к выполняемому применению.
На фиг.1 показан пример радиопокрытия и качества нескольких несущих А, В, С вдоль заданного маршрута. Их качество схематично изображено ступенями от 0 до 7. Предполагается, что мобильный объект движется вдоль этого маршрута и располагает мобильным устройством, предназначенным для связи через несущие А, В, С. Хотя несущие А, В имеются в распоряжении наибольшее время, несущая А была бы сначала выбрана первой для радиопередачи, поскольку она имеется в распоряжении на большой части маршрута и обеспечивает лучшее качество. «Качество» в рамках данной заявки является абстрактным понятием, относящимся к пригодности соответствующей несущей в отношении требований применения и может быть производным от одного или нескольких параметров несущей. Качество включает в себя в этой связи также приоритет выбора несущей, поскольку всегда выбирается несущая высшего качества. В промежутке, т.е. на участке, где несущая А отсутствует, приблизительно посередине графика мобильное устройство выбрало бы несущую В, поскольку только она здесь активна и может гарантировать радиосвязь. Дальше слева несущая С также активна в короткий отрезок времени и обеспечивает более высокое качество, чем несущая А, так что на этом участке маршрута была бы выбрана несущая С.
Чтобы обеспечить целесообразный выбор несущей, несущие принимаются мобильным устройством посредством соответствующих приемопередающих устройств (ПГГУ), например модемов. ППУ предоставляют информацию о качестве радиоканала на основе измеренных параметров качества, которые могут включать в себя:
- силу сигнала;
- отношение сигнал/шум;
- имеющуюся в распоряжении ширину полосы
- и т.д.
Проблема при выборе лучшей несущей заключается в том, что актуальные измеренные значения ППУ не содержат информации о будущем качестве сигнала, которого можно ожидать при дальнейшем движении по маршруту. Вследствие этого ошибочный прием или неприем несущей мог бы привести к неподходящим или ошибочным решениям при выборе лучшей несущей, поскольку ее качество может на короткое время упасть ниже используемого уровня или соответственно наоборот. Термин «ошибочно» в этой связи может включать в себя также то, что мобильное устройство движется слишком быстро, чтобы разумным образом воспользоваться несущей, из-за короткого в этом случае времени пребывания мобильного устройства в зоне покрытия несущей.
В WO 01/19108 А1 раскрыт способ выбора несущей из определенного числа имеющихся в распоряжении несущих в радиопередающих системах, при котором мобильное устройство осуществляет выбор лучшей несущей в зависимости от места своего пребывания. Выбор может осуществляться с помощью актуально полученной мобильным устройством и уже имеющейся информации о качестве имеющихся в распоряжении несущих.
Аналогичные способы раскрыты в US 5396647 А, WO 00/07384 А1 и US 2003/003922 А1.
Задачей изобретения является создание для мобильных объектов, движущихся по маршруту, способа выбора одной или нескольких несущих из множества имеющихся в распоряжении несущих, который обеспечивал бы достижение наилучших результатов в отношении требований к качеству передачи сигналов.
Эта задача решается посредством способа с признаками п.1 формулы.
Предпочтительные варианты осуществления и другие предпочтительные признаки изобретения приведены в зависимых пунктах формулы, на раскрытое содержание которых здесь дается непосредственная ссылка.
В связи с настоящим изобретением выбор несущей равнозначен выбору одной или нескольких несущих (мультиплексирование), к которым относятся те же качественные результаты процесса выбора.
Изобретение исходит из того, что мобильное устройство следует заданному маршруту на пути сообщения, например, поезда. Маршрут предварительно известен мобильному устройству или повторно пересекается им. Согласно изобретению уже имеющаяся информация о наличии в распоряжении и качестве каждой несущей вдоль маршрута используется для того, чтобы принять решение о выборе лучшей несущей и оптимизировать процедуру смены (хендовер) между различными несущими. Информация о наличии в распоряжении и качестве каждой несущей вдоль маршрута может определяться, запоминаться и использоваться при будущих поездках по этому маршруту самим мобильным устройством во время предыдущих поездок по этому маршруту. Информация может быть предоставлена мобильным устройством также в распоряжение третьим лицам. Информацией о качестве несущей, которая может быть критерием выбора используемой несущей, может быть следующая: скорость передачи данных, задержка передачи, непрерывность, коэффициент битовых ошибок (Bit Error Rate, BER) и коэффициент ошибок четности (Parity Error Rate, PER).
Дополнительно к приведенным выше параметрам может быть проведен анализ потока данных (например, полный контроль состояния) или могут быть использованы особые измерительные пакеты к соответствующему серверу с прогнозируемым временем реакции, чтобы улучшить информацию об ожидаемом качестве несущей.
Информация об ожидаемом качестве каждой несущей вдоль маршрута хранится в базе данных мобильного устройства в упорядоченном по географическому положению или удалению (время) от стартового или целевого положения виде. При каждой поездке хранящаяся в этой базе данных информация сравнивается мобильным устройством с актуальными измеренными значениями качества соответствующей несущей. Уже хранящаяся информация корректируется при превышении установленного отклонения между хранящимися и актуально зарегистрированными измеренными значениями, чтобы постоянно согласовывать базу данных с, возможно, изменяющимся качеством несущей вдоль маршрута, например, если добавляются или удаляются базовые станции радиопередающей системы или если изменяются условия распространения сигнала.
Во время движения мобильного устройства по маршруту оно не только сравнивает актуальные измеренные значения качества несущей с соответствующими значениями в базе данных, но и может уже заранее извлекать из базы данных ожидаемое качество несущей для дальнейшего прохождения маршрута. Это значит, что мобильное устройство может выбирать согласно изобретению альтернативную несущую еще до того, как использовавшаяся прежде несущая будет ниже заданного порогового значения качества несущей. Если ожидается лучшая несущая, то мобильное устройство может запросить у базы данных, будет ли достаточно длительным радиопокрытие этой несущей при данной скорости мобильного устройства, так чтобы стоило выбрать эту несущую. Этим можно избежать опрометчивой и ошибочной смены несущей. Термин «радиопокрытие» означает в этой связи наличие сигнала несущей на уровне, обеспечивающем надежную передачу данных через радиоинтерфейс.
Пример осуществления изобретения описан ниже с помощью чертежей, на которых изображают:
- фиг.1: пример радиопокрытия и качества нескольких несущих А, В, С вдоль заданного маршрута;
- фиг.2: логическую структуру предложенной системы;
- фиг.3: обновление базы данных историй несущих;
- фиг.4: пример установления минимальной готовности несущей;
- фиг.5: пример окончания прогноза радиопокрытия;
- фиг.6: имеющуюся в распоряжении ширину полосы для интенсивности трафика без раннего использования несущей;
Е
- фиг.7: раннее использование несущей В, которая была активирована раньше в момент Т;
- фиг.8: в соответствии с фиг.4 картографический характер маршрута и покрытие маршрута различными несущими.
На фиг.2 изображена логическая структура предложенной системы. Мобильное устройство 10, движущееся, например, по маршруту 23 (фиг.8), содержит источник/получатель данных (не показан), связанный с сервером 11 через одну или несколько радиопередающих систем 12, 13, 14. Кроме того, мобильное устройство 10 содержит определенное число приемопередающих устройств (SRU) 15, 16, 17, причем каждое служит одной несущей мобильной радиопередающей системе. SRU 15, 16, 17 постоянно измеряют качество своей несущей с помощью подходящих параметров, таких как скорость передачи данных, задержка передачи, непрерывность, коэффициент битовых ошибок, коэффициент ошибок четности и т.д. Имеющаяся в мобильном устройстве 10 функция 18 качества несущей (BQF) считывает параметры качества принятых SRU несущих 12-14 и для каждой несущей рассчитывает соответствующее качество. Когда мобильное устройство 10 движется по маршруту 23, для числа географических положений вдоль него определяется соответствующее число качеств несущих и сохраняется в базе 19 данных. Качества несущих вдоль маршрута могут регистрироваться, например, в эквидистантных положениях или в определенные интервалы времени.
Когда мобильное устройство 10 снова движется по тому же маршруту 23, имеющаяся в нем функция 20 контроля несущей (BCF) считывает из базы 19 данных предварительно полученные для этого маршрута качества несущих и сравнивает их с актуальными измеренными значениями SRU 15-17. На основе актуальных измеренных значений качеств несущих и хранящихся в базе 19 данных исторических измеренных значений функция 20 контроля несущей может принять соответствующее решение по выбору самой лучшей несущей.
На фиг.2 отсутствует какая-либо физическая реализация изобретения. Устройства BQF 18, BCF 20 и SRU 15-17 могут быть реализованы внутри мобильного устройства 10 в виде одного или нескольких физических основных модулей, как это целесообразно.
Статистический ход радиопокрытия
BQF 18 определяет статистический ход радиопокрытия (SCH), т.е. качество сигнала каждой несущей от прежней поездки по маршруту 23 регистрируется, запоминается и используется. При этом BQF 18 учитывает при каждой поездке мобильного устройства по «известному» маршруту 23 актуальные измеренные значения качеств несущих и использует для этого для каждой несущей индивидуальный весовой коэффициент, чтобы актуальным образом согласовывать изменения качеств несущих для этого маршрута.
Установление статистического хода радиопокрытия
i
k
k
i
i
switch
i
Во время первой поездки по маршруту 23 BQF 18 непрерывно регистрирует в заданные интервалы T времени актуальное положение P мобильного устройства 10 и считывает со SRU относящиеся к этим положениям P актуальные качества несущих. Это дает перечень данных положения и качеств несущих с взаимным удалением D(T). Интервалы T времени выбираются так, чтобы можно было регистрировать достаточно информации по отношению к скорости v мобильного устройства и размеру сот несущей, так что затем может быть сделан правильный выбор лучшей несущей. Он может включать в себя также рассуждения по поводу времени T для переключения между несущими. Вследствие этого может быть выведен интервал T=f(l/v).
n
k
n
n
k
n,k,
Перечень данных положения и качеств несущих запоминается таким образом, что он может эффективно использоваться вперед и назад в соответствии с направлением движения мобильного устройства по маршруту 23. Для каждого значения положения актуальное значение уровня L(P) качества каждой имеющейся в распоряжении несущей B запоминается в качестве стартового значения. Таким образом, для каждой несущей B в каждом положении P в базе данных существует одно соответствующее значение L которое образует статистическую историю регистрации.
k
i
i
Рекомендуется установить перечень положений P с D(T)=const=D(t=D/v), поскольку радиосигналы колеблются с расстоянием. В качестве альтернативы этому перечень положений может быть установлен с D(T=const). В этом случае получают значения качества несущей при разных расстояниях в зависимости от скорости мобильного устройства 10.
Установление уровня качества несущих
n
k
n,m
n
k
n,m
n,k
n,k
Значения уровня L(P) качества рассчитываются с помощью измеренных значений качества Q сигнала, например SNR, которое соответствующее SRU 15-17 создает для своей несущей. Расчет L(P) из различных значений Q нормируется, например, посредством весовых функций, так что значения L в отношении требований к передаче информации (например, коэффициент битовых ошибок, ширина полосы) одной несущей можно сравнить непосредственно с L. Другой несущей.
Согласование статистического хода радиопокрытия
k
n
k
n,k
n
n,k
n,k
На фиг.3 изображен процесс актуализации базы данных качеств несущих. При повторных поездках по маршруту 23 качество каждой несущей устанавливается в каждом положении P, как это описано выше. Разность между следующим из этого актуальным уровнем L(P) качества и запомненным в этом положении уровнем L качества умножается на весовую функцию WF и суммируется с запомненным уровнем L качества, что приводит к новому среднему уровню L качества, запоминаемому в базе данных.
n
Весовая функция WF устанавливает, как быстро изменения качества несущей войдут с историю регистрации, что зависит также от того, выбирается ли линейная или нелинейная функция (фиг.3).
Выбор несущей, основанный на истории качеств несущих
i
k
n,m
n
n
k
n
k
Во время движения мобильного устройства по маршруту 23 BQF 18 в «подходящий» интервал Т, или в определенных положениях P считывает с SRU 15-17 различные параметры Q качества всех несущих P. С помощью этой информации рассчитывается актуальный уровень L(P) качества каждой несущей, как это описано выше. На основе L(P) и последующих рассуждений можно выбрать лучшую несущую.
Минимальная готовность несущей (начало радиопокрытия)
Чтобы поддержать требуемое качество передачи информации, следует избегать переключения на несущую с более высоким приоритетом, которая, однако, имеется в распоряжении лишь в течение короткого отрезка времени. В этой связи можно определить минимальное время, которое несущая должна предоставить в распоряжение, чтобы на ней можно было передавать информацию. За счет этого в процесс выбора включается элемент скорости мобильного устройства, поскольку время, которое несущая предоставляет в распоряжение, зависит, в частности, от скорости, с которой мобильное устройство пересекает зону радиопокрытия несущей.
min
min
min
min
Во избежание ненужного переключения между различными несущими, например, если обнаружена несущая с более высоким приоритетом, которая, однако, имеется в распоряжении лишь в течение короткого отрезка времени, BQF 18 может заранее проверить ожидаемое качество несущей в течение времени T. T обозначает время, которое требуется для переключения на несущую с более высоким приоритетом и в конце радиопокрытия ею обратно на прежнюю несущую с прибавлением времени, которое несущая должна предоставить в распоряжение для передачи информации. Следовательно, T обозначает минимальное время, которое несущая должна предоставить в распоряжение, чтобы учесть несущую в процессе выбора. Из-за зависимости T от скорости мобильного устройства и при условии, что уровни качеств несущих должны быть в базе данных на одинаковом расстоянии, BQF 18 должна прогнозировать число x записей в базе данных, где
и считывать из базы данных ожидаемый уровень качества несущей. Если ожидаемый уровень качества записи х выше порогового значения, то BQF 18 должна переключить на новую несущую. Если же ожидаемый уровень качества записи х ниже порогового значения, то BQF 18 должна остаться на прежней несущей.
0
1
min
1
2
min
2
На фиг.4 изображен пример установления минимальной готовности несущей. Мобильное устройство использует несущую А. В момент То мобильное устройство обнаруживает другую несущую С лучшего, чем несущая А, качества. Несущая С имеет более высокий приоритет за счет более высокого уровня качества, чем используемая несущая А, если обе выше определенного порогового значения. BCF 20 обратится к базе 19 данных и, начиная с момента Т, будет прогнозировать число записей x, чтобы сделать прогноз дальнейшего радиопокрытия несущей С. Если при актуальной скорости v мобильного устройства 10 качество несущей С в момент T(v) будет выше порогового значения, то BCF 20 должна осуществить смену с несущей А на несущую С. Если при скорости v мобильного устройства 10 в момент T(v) будет отсутствовать радиосвязь на несущей С, то BCF 20 должна остаться на прежней несущей А.
Окончание прогноза радиопокрытия
о
min
2
min
1
Аналогичная проблема ошибочного выбора возникает тогда, когда у несущей происходят слишком короткие выпадения сигнала. В этом случае следует избегать, чтобы BCF 20 переключила на другую несущую, возможно, с более низким приоритетом, поскольку прежняя несущая вскоре восстановится. На фиг.5 изображен такой сценарий. В момент Т сигнал несущей А по какой-то причине на короткое время выпал. Как сказано выше, можно использовать уравнение [2], чтобы спрогнозировать в базе 19 данных, когда следует ожидать полного выпадения несущей, например в момент T(v), или когда она вскоре восстановится, например в момент T(v), что зависит от данной скорости, с которой движется мобильное устройство 10.
Контроль радиопокрытия
n
k
n,k
Как в начале, так и в конце прогноза радиопокрытия ожидаемые данные из базы 19 данных необходимо сравнить с актуальными измеренными значениями качеств несущих. В случае значительного расхождения, например, из-за неисправности базовой станции, следует непосредственно принять решение по выбору лучшей несущей на основе актуальных измеренных значений. Чтобы достичь этого, необходимо определить число отличающихся значений и связанные с этим пороговые значения L(P) качества по сравнению с L в зависимости от скорости мобильного устройства 10.
Этот контроль радиопокрытия позволяет также обнаружить неисправности, которые без SCH обнаружить нелегко. Определенные неисправности элементов как мобильного устройства, так и базовых станций радиопередающих систем нельзя отличить от случая, когда радиосигнал просто отсутствует, поскольку передатчик вышел из строя, например, из-за дефектного антенного провода. Благодаря SCH известно, имеется ли в определенном положении базовая станция. Если ожидаемые измеренные значения несущей не принимаются, то может быть подан сигнал тревоги, чтобы инициировать проверку системы со стороны базовой или мобильной станции.
Опережающее использование несущей
Определенные несущие предоставляют в распоряжение мобильному абоненту полосу, ширина которой зависит от объема трафика, создаваемого этим абонентом, например UMTS или HSPDA. В случае UMTS существует так называемая функция ramp-up, которая отводит абоненту полосу тем большей ширины, чем больше данных он передает или принимает.
На основе имеющихся в распоряжении в SCH данных можно определить, когда произойдет переход на несущую с такой функцией ramp-up. В ожидании этого перехода BCF 20 может начать опережающее использование несущей, создавая на несущей с функцией ramp-up фиктивные данные для отвода ширины полосы, прежде чем информационная нагрузка (payload) будет переключена на эту несущую.
s
На фиг.6 имеющаяся в распоряжении ширина 21 полосы для информационной нагрузки изображена без такого опережающего использования новой несущей. В момент T происходит переключение с несущей А на несущую В. На несущей В создается начальная (небольшая) ширина полосы, которая только затем увеличивается в соответствии с потребностью после переключения информационной нагрузки на несущую В.
E
S
S
На фиг.7 показано опережающее использование несущей В, т.е. несущая В активируется уже в момент T. Активирование побуждает несущую В отвести абоненту имеющуюся в распоряжении ширину 22 полосы уже перед подключением информационной нагрузки в момент T, что затем при собственно переключении информационной нагрузки в момент T приводит к оптимизированному и, в целом, выверенному отводу имеющейся в распоряжении ширины полосы.
На фиг.8 схематично изображены географический маршрут 23 и его покрытие радиосигналами нескольких несущих 12-14. Соответствующие качества несущих изображены на фиг.4.