L8 Traffic Channel Allocation

Channel Allocation

將頻譜 (radio spectrum) 分割成多個互不重疊的通道 (channels)，讓使用者可以同時使用，並且盡可能地減少干擾

  • Static vs. Dynamic
    • Static - 每個 cell 被分配了一組固定的頻道數量
      • equal: 每個 cell 分配相同數量
      • non-uniform: 每個 cell 根據需求分配數量
    • Dynamic - 根據需求，動態分配頻道給需要的 cell
  • 分類:
    • Fixed Channel Allocation schemes (FCA schemes)
    • Dynamic Channel Allocation schemes (DCA schemes)
    • Hybrid Channel Allocation schemes (HCA schemes)

FCA

A set of channels is permanently allocated to each cell

  • 因為 traffic 的短期波動 (使用者數量改變)，導致服務品質下降、容量不足
  • 解決方法:
    • Non-uniform Channel Allocation
    • Static Borrowing

Non-uniform Channel Allocation

  • 提前知道每個 cell 的預期流量
  • Non-uniform compact pattern allocation
    • 目標: 最小化 system blocking probability
    • Allocation pattern: 重複出現的配置，包含 allocated cell + co-channel cells (同頻 cell)
    • Compact allocation pattern: pattern 使得每個 cell 的距離較短，緊密但又不會互相干擾

Static Borrowing

將低負載的 cell 的頻道重新分配給高負載 cell (distances ≥ the minimum reuse distance)

  • Simple borrowing schemes
    • Acceptor cell vs. Donor cell: 接收 vs. 提供
    • 從哪裡借頻道:
      • Borrowing from the richest: 從鄰近擁有最多空閒頻道的 cell 借
      • Borrow-first-available: 按照預先定義好的順序檢查，遇到第一個可借頻道就借
    • Basic algorithm with reassignment:
      • 當自己原本的頻道 (nominal channel) 空閒，立刻歸還借用的頻道
    • 優缺點:
      • (+) 減少 call blocking
      • (-) 造成 Channel locking: 避免干擾
      • (-) 借走頻道後，可能導致 co-channel sets 無法使用這些頻道 (可能產生干擾)
  • Complex borrowing schemes
    • Simple hybrid channel borrowing strategy
      • 將頻道分為 Permanent、Reserved
      • Permanent for local calls
      • Reserved can be lent to neighboring cells
    • Borrowing with channel ordering (BCO)
      • 將頻道進行 優先級排序
      • Local calls: 使用高優先級的頻道
      • Channel borrowing: 從低優先級的頻道開始借
    • Borrowing with directional channel locking
      • 只鎖定受影響的 扇區 (sectors)

DCA

Utilizing a central channel pool: 需要頻道時從中申請使用

  • 從頻道池中選擇一個頻道給 cell，考慮 Cost Function:
    • 鄰近小區的未來的 blocking probability
    • Reuse distance
    • 頻道的使用頻率
    • 整體系統的 blocking probability
    • 即時頻道佔用分布 (Instantaneous channel occupancy)
  • 分類:
    • Centralized - BS 之間不需要交流
    • Distributed - BS 之間互相交流資訊

Centralized DCA schemes

  • FA (First available) - 選出第一個滿足 reuse distance 的可用頻道
  • LODA (Locally optimized dynamic assignment) - 使用 Cost Function
    • base on the future blocking probability in the neighboring cells
  • RING (Selection with maximum usage on the reuse ring) - 在 co-channel set 中選擇使用頻率最高的頻道

Distributed DCA schemes

  • Cell-based: 每個 BS 自主決定要分配哪個頻道，並且隨時記錄附近頻道使用情況
    • LP-DDCA (Local packing dynamic distributed channel assignment)
      • ACO (Augmented channel occupancy) matrix
      • 紀錄頻道使用狀態
    • ACI (Adjacent channel interference constraint): LP-DDCA + ACI
      • ACO 中正在使用的頻道左右幾格應該保持空白，避免 Adjacent channel interference
  • Signal strength measurement-based: 由 MS 和 BS 估算 CIR (carrier-to-interference ratio)，如果高於門檻則分配該頻道
    • SCS (Sequential channel search)
      • 所有 BS/MS 都以相同的順序測試頻道，使用第一個滿足門檻的頻道
      • Service Interrupt: 通話的 CIR 降到門檻以下，強制中斷
      • Instability: 被中斷的通話會重新尋找可用頻道，建立新連線時可能對其他頻道產生干擾
      • Block: 沒有頻道滿足 CIR 門檻，造成 Block

HCA

Fixed + DCA

  • 頻道被分為 Fixed and Dynamic set
    • Fixed set: 每個 cell 的專屬頻道
    • Dynamic set: 當 Fixed set 用完時，使用 DCA schemes 請求頻道
  • Design issue: Fixed & Dynamic set 的比例

Flexible channel allocation scheme

  • 頻道被分為 Fixed and Flexible channel sets
    • Fixed channel set: 處理低流量
    • Flexible channel set: 根據流量進行分配
  • 分配方式:
    • Scheduled
      • 測量流量變化 (traffic variation)
      • 預測流量高峰
    • Predictive
      • 監測流量以及 blocking probability

Channel assignment strategy

  • Fixed assignment (FA) strategy
    • 將頻道永久分配給每個 cell
    • 如果頻道全部使用，則 Block
  • Borrowing with channel ordering (BCO) strategy
    • 將頻道進行 優先級排序
    • Local calls: 使用高優先級的頻道
    • Channel borrowing: 從低優先級的頻道開始借
    • 借用頻道之後，lock reuse distance 內的所有 co-channel cells，避免干擾
  • Borrowing with directional channel locking (BDCL) strategy
    • 只鎖定受影響的 扇區 (sectors)
    • ex: 當 P cell 借用頻道 x，只 lock A1 3,4,5 方向的頻道
  • Locally optimized dynamic assignment (LODA)
    • No nominal channel is assigned to cells - 沒有專屬通道
    • 要求頻道時，選擇 cost 最小的頻道
      • cost: measure of the future call blocking probability

Channel Allocation in One-Dimensional Systems

Special case - 高速公路上

  • 考慮標準:
    • Reuse distance
    • MS 移動方向

Reuse Partitioning-Based Channel Allocation

根據 power 分層

  • 將 cell 分為 Inner zone vs. outer zone
  • 控制功率大小，較小的功率 -> 較低的 reuse distance
  • 定期測量 SIR (Signal-to-Interference Ratio)
  • 根據 SIR 進行 Channel group adjustment

Overlapped Cells-Based Channel Allocation

不同的 cell 之間可能有重疊 (Overlapped)

  • Cell vs. microcell (覆蓋範圍較小的 cell)
  • Layout 1
    • Alternative one - 根據 MS 的 Mobility (移動性) 分類
      • Slow mobility: 由 microcell BS 分配頻道
      • Fast mobility: 由 cell BS 分配頻道
    • Alternative two - 根據 traffic 控制 microcell 開關
      • Low traffic: 關閉 microcell
      • As traffic increases (造成資源不足或是 co-channel interference): 開啟相應的 microcell
  • Layout 2
    • Directed retry
      • MS 在 cell A 和 cell B 的重疊區域，如果 cell A 沒有空頻道，則連線至 cell B
    • Directed handoff
      • 當 cell A 的頻道都已經滿了，則把 cell A 和 cell B 的重疊區域的 MS handoff 到 cell B

Fractional Frequency Reuse (FFR)

  • Kinds of interference management
    • FFR
    • Power control
    • Smart antenna
  • Motivation: 積極使用 spectrum reuse (reuse 1) 以提高系統容量並簡化無線網路規劃
    • reuse 1: 所有 cell 使用相同的頻段
  • 分類:
    • Hard FFR (strict FFR)
    • Soft FFR

Hard FFR

  • Cell center reuse factor: 1
  • Cell edge reuse factor: Δ (ex: 3)
  • Require channels in total: Δ + 1
  • 中心與邊緣使用者使用不同 spectrum

Soft FFR

  • 中心與其他小區的邊緣使用者 共享部分頻譜 (sub-bands)
  • 中心使用 低功率，避免干擾
  • 如何區分中心與邊緣使用者:
    • BS-to-UE SNR
    • UE location