建立统计上稳健的通信量模型的方法和装置的制作方法

专利名称：建立统计上稳健的通信量模型的方法和装置的制作方法
一般地说，本发明是关于蜂窝式通信系统，更具体地说，是关于管理蜂窝式通信系统使其适应于通信量的需要。
这里把“用户(subscriber)”定义为一个通信系统使用者。“用户通信量(subscriber traffic)”在这里定义为来源于由一个或多个用户操作的一个或多个通信设备的数据。一个通信系统的用户通信量传送能力是有限的，因为在任何通信系统中存在的资源量(例如卫星电池中存储的电能、或无线电链路的信道容量)都是有限的。因此，在某一时刻可以访问该通信系统的用户数也是有限的。当用户通信量超过通信系统的容量时，某些用户将被拒绝访问该系统。频繁地拒绝访问容易使用户不满意。
在任何具有有限资源的系统中，都希望对系统资源进行管理，以使系统性能优于根本没有对资源进行管理的情况(例如具有更大的用户通信量传送能力)。
先有技术的陆基(非蜂窝式)的通信系统(例如电话网)通常包含由用户使用的通信节点(例如电话或无线电台)、管理整个系统运行的中央控制设施、以及根据中央控制设施的指令控制用户通信量的分布式设备。中央控制设施的一项功能可以是控制通过该系统的用户通信量的多少。先有技术分布式管理可以以反应方式(即控制设施对实际的用户通信量作出反应，从而实时地调整分配指令)完成，或者可以以预测方式(即控制设施预测未来的用户通信量，并指示分布式设备根据该预测来控制未来的用户通信量)来完成。
先有技术的陆基蜂窝式通信系统也包含通信节点(即蜂窝式电话)、分布式设备、以及一个中央控制设施。然而，先有技术陆基蜂窝式通信系统所用中央控制设施不是以预测方式管理用户通信量。它们只是实时地对用户通信量需求作出反应。当用户通信量需求超过系统能力时，用户将被拒绝访问该系统。
非蜂窝式或蜂窝式分布式设备通常有固定的一组要服务的通信节点。非蜂窝式分布式设备所服务的通信节点通常通过静态的传输介质与特定的分布式设备相连。蜂窝式分布式设备所服务的通信节点是位于特定分布式装置通信范围内的一个固定地理区域内的那些通信节点。
随着通信需求的增长，基于卫星的蜂窝式通信系统已成为先有技术陆基的非蜂窝式和蜂窝式通信系统的理想替代物。与先有技术的陆基系统不同，基于卫星的通信系统可以容易地提供全球范围的通信覆盖。基于卫星的蜂窝式通信系统所伴随的分布式设备(即卫星)与陆基通信系统分布式设备的差别有二个方面第一，卫星可能服务于不固定数量的用户。对于不是相对于地面静止的卫星，其卫星相对于地球表面移动。这样，由一卫星看到的地理区域和用户数目可能随着卫星位置的改变而动态地变化。
第二，卫星蜂窝式分布式设备的资源是高度动态度化的。重量和尺寸的约束限制了每个卫星发射时可能包含的资源量。此外，由于卫星距离遥远，难于对其增加或替换资源。因此，每个卫星可能有与其他每个卫星完全不同的一套规则和限制，因此该系统的总体状态可能是从来不会重复的。
适当的资源管理依赖于对卫星将会遇到的用户通信量的稳健(robust)预测。这种预测会允许通信系统智能地限制在一特定区域上的用户访问，而同时仍能对该区域及卫星其后要通过的其他地理区域提供可接受的服务。
这样，所需要的是一种方法和装置，用于预测一个通信系统的用户通信量需求，从而可以以一种允许系统有效地处理用户通信量的方式来控制所用资源。特别是需要一种预测用户通信量需求的系统和方法，用于含有有限的动态的资源的卫星蜂窝式通信系统，在这种系统中用户通信量需求是变化的。


图1显示出根据本发明的一个最佳实施例的卫星蜂窝式通信系统；图2显示出根据本发明的一个最佳实施例的网关(gateway)和系统控制环节(segment)的构成；图3显示出根据本发明的一个最佳实施例的网关的方框图；图4显示出根据本发明的一个最佳实施例的用户单元的方框图；图5显示出根据本发明的一个最佳实施例的卫星的方框图；图6显示出根据本发明的一个最佳实施例的基于通信量预测操作一通信系统的方法流程图；图7显示出根据本发明的一个最佳实施例产生通信量模型的方法流程图；图8显示出根据本发明的一个最佳实施例确定的在一个网孔内用户数相对于超过一种分配的概率所作的曲线图。
词汇表“呼叫数据记录(Call Data Record)”(CDR)是指呼叫建立与完成的时间及用户单元位置的记录。
“网关(Gateway)”(GW)是指一种装备设施，通常是陆基的，它能使网关地面通信站(Gateway Ground CommunicationStation)(GW-GCS)(以及卫星)与陆基装备(如公共交换电话网(PSTN))相连接。
“地面通信站”(GCS)是指一种地面通信设施，它能把陆基装备(如网关或系统控制环节)与一个或多个卫星相连接。
“GW-GCS”是指伴随一个网关(GW)的地面通信站。
“所在地区代码(Location Area Code)”LAC是指唯一标识一特定所在地区(或区域)的数字或字母。
“SCS-GCS”是指伴随系统控制环节(SCS)的地面通信站(GCS)。
“用户”是指一个通信系统使用者。
“用户单元”(SU)是指通过无线电链路直接与卫星通信的单个通信终端。
“系统控制环节”是指一种控制设施，通常是陆基的，用于控制通信系统的操作。
“系统节点”是指与通信系统接口的卫星、GW、SCS、SCS-GCS、GW-GCS、或其他设备。
本发明提供一种预测通信系统用户通信量的统计上稳健的方法和装置。一种准确的用户通信量预测方法能使得系统管理员有效地利用系统资源。因此，预计有高需求的地区将希望分配到比低需求地区要多的资源。如果用户通信量预测不准确地偏高(例如，一个预测的高需求地区实际上只有低需求)，对该地区过量分配的资源将不能被充分利用。更直接关心的是，如果一个预测的低需求区实际上受到高需求，用户们会被拒绝访问该系统。
图1是根据本发明的一个最佳实施例的基于卫星的蜂窝式通信系统10的图示。通信系统10通过利用轨道卫星12分布并包围全球。
卫星12占有轨道14，它可能是低地球轨道、中等地球轨道、地球同步轨道、或者它们的组合。低地球轨道通常在海拔高度大约600KM至2000KM，中等地球轨道在海拔高度大约2000km至20000km，而地球同步轨道大约在42165km，但其他海拔高度也可以使用。卫星12是作为通信系统10的分布式设备运转的，并与地面装备进行通信，这些地面装备可以是任意数量的无线通信用户单元26，系统控制环节地面通信站24。或网关地面通信站30。
图1中所示用户单元26(SU)可以是例如一个适于向卫星12发送用户数据和从卫星12接收用户数据的手持便携式蜂窝电话。SU26也可以是一个传真设备、寻呼电话接收机、数据终端或任何其他类型的通信设备。
“地面通信站”(GCS)是能作为陆基装备(例如网关22或系统控制环节28)与一个或多个卫星12之间接口的地面通信设施。图1给出与网关22相关联的网关GCS 30(GW-GCS)以及与系统控制环节28相关联的系统控制环节GCS 24(SCS-GCS)。SCS-GCS 24希望能完成卫星群12所需要的数据传送、遥测、追踪及控制功能。GW-GCS 30希望能完成卫星12和网关22之间的数据传送。
一个“网关”22(GW)是一种通常为陆基的装备设施，它能作为GW-GCS 30(从而卫星12)与陆基装备(例如公共交换电话网(PSTN)(未画出)之间的接口)。GW22希望能与SU 26、地面电话装备(TTE)(例如PSTN装备)以及卫星12一起完成呼叫处理功能。GW 22通过GW-GCS 30与通信系统10的其余部分进行通信。GW 22不需与GW-GCS 30位于同处。GW 22最好通过陆地线路与GW-GCS 30相连，尽管这不是至关重要的。在另一个实施例中，GW22可以通过光纤链路、无线电链路或其他传输介质与GW-GCS 30相连。
“系统控制环节”28(SCS)是一个控制设施，通常是陆基的，它控制通信系统10的运转。SCS 28通过SCS-GCS 24与通信系统10的其余部分通信。SCS 28不需与SCS-GCS 24位于同处。SCS 28最好通过陆地线路与SCS-GCS 24相连，尽管这不是至关重量的。在另一个实施例中，SCS 28可以通过光纤链路、无线电链路或其他传输介质与SCS-GCS 24相连。
为清楚和易于理解，图1中对GW22、SCS 28、SU 26、SCS-GCS 24及GW-GCS每种只显示出一个。另外，只显示出少量卫星12。根据所作的描述，本领域技术人员会理解，根据通信系统的需要可能希望有更多些或较少些系统节点。
图2给出根据本发明的一个最佳实施例的网关及系统控制环节的构成。在一个最佳实施例中，GW 50收集对应于每个GW 50所服务的用户的通信数据，并通过链路54将通信数据传送给SCS 52。这一信息被SCS用于建立用户通信量预测。在另一个实施例中，每个GW 50完成为建立通信量预测所需的计算，并将结果传送给SCS52。SCS 52使用用户通信量预测来控制操作和由通信系统对资源的使用。可有多个GW 50与SCS 52通信，图中用伴随每个GW 50的整数1-n表示。图5给出4个GW 50，然而可以使用多些或少些GW 50，根据这里的描述，这对于本行专家而言是显而易见的。链路54可以是例如陆地线路、射频(RF)链路、或光链路。再有，链路54不需为直接链路。例如，链路54可包含一个或多个卫星(例如图1的卫星12)，它们对GW 50到SCS52的信号进行中继。
图3是根据本发明的最佳实施例的网关的方框图。GW 60希望包括GW驻留控制器62，它与PSTN型接口64相连。PSTN型接口64可以根据具体通信系统的要求将GW 60连接于一个PSTN、一个国际交换中心(ISC)或另一个网络。GW驻留控制器62还与GW-GCS接口66相连。GW 60通过GW-GCS接口66与系统的其余部分通信。在另一个实施例中，GW 60可以还包括GW驻存储器68。
图4给出根据本发明的一个最佳实施例的用户单元(SU)的方框图。用户单元70可以是一个静止的通信单元，也可以是一个可移动的通信单元。用户单元70希望包括SU天线与SU发射机73相连，以及SU接收机74，它又与通信处理器75相连。用户单元70分别通过SU发射机73和SU接收机74来发射和接收用户数据、标识信息、以及系统数据。
通信处理器75与SU驻留存储器76相连。通信处理器75控制和管理向/从用户单元70通信的数据(例如声音数据)。通信处理器的控制任务的一部分是评估用户单元70是否可能对通信系统10进行一个“呼叫”，以及如果用户单元70可能进行一个呼叫，那么用户单元70可能使用什么通信信道。这一评估依赖于用户单元70通过SU接收机74接收的由卫星12(图1)广播的访问和信道信息。
图5给出根据本发明的一个最佳实施例的卫星的方框图。卫星77希望包括卫星跨越(cross)链路天线78、卫星下行链路天线87以及卫星用户天线83，虽然图5中只画出了一个跨越链路天线78、卫星下行链路天线87及卫星用户天线83，但在卫星77上每种天线可以有不只一个，或者一个或多个天线可以组合在一起。
卫星跨越链路天线78与跨越链路发射机80及跨越链路接收机82相连。卫星下行链路天线87与下行链路发射机88，及下行链路接收机90相连。发射机80、84、88及接收机82、86、90与卫星驻留控制器92相连，后者与卫星驻留存储器94相连。卫星77周期性地或非周期性地通过卫星下行链路天线87和下行链路接收机90从SCS 28(图1)接收信道分配信息，并存储于卫星驻留储器94中。卫星77使用该信道分配去确定何时允许一用户单元26进行一次呼叫。卫星用户天线83与用户发射机84及用户接收机86相连。卫星用户天线83展开成向着地球的“蜂窝图案”。一个网孔图案包含一个或多个定向通信信道。每个信道希望允许一个用户单元26与卫星77通信。
卫星驻留控制器92控制卫星77的实时操作。这部分地影响根据存于卫星驻留存储器94中的分配来使用户通信量规则化。卫星驻留控制器92希望向卫星网孔图案内的所有用户单元26广播访问和信道信息。访问和信道信息告知用户单元26是否应试图造成一次呼叫。
卫星77还希望包括卫星太阳能极板96与卫星蓄电池组98相连。卫星蓄电池组98与卫星驻留存储器94、卫星驻留控制器92、发射机80、84、88及接收机82、86、90相连并向它们提供电能。
图6给出根据本发明的一个最佳实施例操作一个基于通信预测的通信系统的方法和流程图。预测系统操作过程从步骤100开始，其步骤102为收集通信量数据步骤。收集通信量数据步骤102确定地球表面上特定时间间隔期间试图呼叫总数。试图呼叫总数包括成功连通的呼叫以及由于不能得到足够信道数而被锁住的呼叫企图。在一个最佳实施例中，试图呼叫总数是通过评估呼叫数据记录(CDR)来确定的，呼叫数据记录记录呼叫的起始时间、停止时间(或持续时间)、以及呼叫过程中某一时刻用户单元的位置。用户单元的位置按希望由使用组装在用户单元中的地球定位装置来确定。另一种办法是根据用户单元在特定时刻所在的网孔来粗略确定用户单元的位置。收集通信量数据步骤102按希望在GWP中完成。如同根据所作描述本领域技术人员会显而易见的那样，收集通信量数据的具体方法并不重要。重要的是所收集的数据能描述出在一特定区域在一特定时间间隔期间成功呼叫及呼叫企图的次数。
在收集通信量数据步骤102之后，完成产生通信量模型处理104。产生通信量模型处理104使用所收集的通信量数据来预测在特定区域未来时间间隔期间会访问该通信系统的用户数。在系统运行期间，所预测的数目是不大可能被超过的。产生通信量模型处理104按希望是在SCS中完成。然而，正如本领域技术人员根据这里的描述会显而易见的那样，产生通信量模型处理104可以部分地或全部在GW。卫星或其他设施中完成。将结合图7详细描述产生通信量模型处理104。
在步骤104中产生了通信量稳健模型之后，在步骤106中确定信道分配。正如本领域技术人员根据这里的描述会显而易见的那样，如果在系统中使用蜂窝设备而不是卫星，则步骤106会把信道分配结果传送给适当的设备。
然而，在步骤110由卫星遵照信道分配结果进行操作，在一个最佳实施例中，在未达到信道分配时卫星允许用户访问，而对于超过信道分配的用户单元请求信道则拒绝访问。在另一个实施例中，当系统使用达到或超过信道分配时卫星可以向GW或SCS传送一个告警信息。这一过程在步骤112退出。
图7给出根据本发明的一个最佳实施例产生通信量模型的方法的流程图。产生通信量模型处理开始于步骤120，相关步骤是把用户与基本区域相关联的步骤122。在步骤122中。一个特定的网孔在式1中描述成L个小单元(Al)的集合，这些小单元代表地球表面上的基本区域。例如，一个基本区域Al可以是纬度0.5度乘以经度0.5度。每个单个用户可以被定位到其精度允许该用户被分配到一个特定的基本区域。例如，可以用地球定位装置或方法来对用户定位。
如结合图6所描述的那样，每个网关按希望编辑一个该网关服务的每个基本区域中使用者数(包括完成的和被锁住的呼叫)清单作为每天中时间函数。利用这一信息，便可以对周期性的或非周期性的时间增量段计算出平均使用者数。例如，可以以小时为基础计算平均使用者数，得到每个一小时增量段中的近似使用情况。如同根据这里的描述本领域技术人员显而易见的那样，平均使用者数的计算可在网关中进行，也可在SCS中进行。
然后完成在基本区域上飞行(fly)网孔的步骤124。在步骤124确定一个特定网孔在未来时间增量段中一个时间点的位置，并把该网孔与该网孔在那个时间点将要服务的基本区域关联起业。在网孔移动的卫星系统中，时间增量段可以是一个网孔移动一个网孔宽度所需时间的一部分。
在步骤124之后，完成预测在一特定时刻在一个网孔内使用者数目稳健值的步骤126，它对每个网孔产生一个统计上稳健的通信量预测。这个通信量预测对应于在未来时间点上与该网孔关联的那些基本区域。通信量预测方法如下。首先，由式
给出网孔区域。
在特定蜂窝中将要进行某些呼叫的概率(假定存在一稳定解)由式2给出Pkl=Plk(t,θl,φl)PolK!K=1,2,···]]>(式2)这里Pkl是在区域Al中有K个正在进行的呼叫的概率，而且Pl(t,θlΦl)=λl(t,θl,φl)ν]]>(式3)其中λl(t，θl，φl)是在某日的时刻t及位置θl，φl的呼叫到达率(arrivalrate)，而ν是服务率(信道使用率)。
如果X是一个随机变量，代表由式1定义的网孔区域中正在进行的呼叫次数，那么X=Σl=1LXl]]>(式4)这里Xl是一个随机变量，代表区域Al中正在进行的呼叫数。由于Xl是独立的泊松分布变量，X也是泊松分布的。这样，X是带有参数
的泊松分布。对于这种过程的均值和标准偏差是众所周知的。于是X-=Σl=1LPl]]>及σx=Σl=1LPl]]>步骤126利用均值和方差作为目的时间t的函数来预测在一特定时间在一蜂窝内使用者数目的稳健值。使用者数目的稳健值(即分配值)Kij(t)代表一个网孔在t时刻准备服务的被分配的通信量，这里的i和j标识一个特定网孔。例如，按希望i是在一个轨道平面内的网孔号，而j是轨道平面号。对于本发明而言，轨道平面和平面内蜂窝的个数是不重要的。这样，Kij(t)=X-+aσx=Σl=1LPl+aΣl=1LPl]]>(式13)这里“a”是一个任意数。然后，在步骤128退出产生通信量模型处理。
图8给出根据本发明的一个实施例确定的在一个网孔中使用者数目相对于超越Kij的概率所作的曲线图。在式13中的“a”取值为4。图134给出对于值1≤Σl=1LPl(t,θl,φl)≤100]]>在一个网孔中使用者数目超过Kij的概率。
图134中表明，超越Kij的概率小于10-3。这样，本发明提供了统计上稳健的通信量。
总之，这里已经描述了对一通信系统内的通信量由建立模型的改进的方法和装置，它克服了具体的问题，并比先有技术的方法和机制有某些优点。该方法和装置为卫星系统提供了用户通信量的稳健和计算上简单的预测，在卫星系统中这种预测对于可接受地管理有限的系统资源是至关重要的。
尽管利用卫星蜂窝式远程通信系统描述了一个最佳实施例，但那些本领域技术人员根据这里所作的描述将会理解，本发明的系统和方法不限于卫星蜂窝系统，而是可以同样好地应用于其资源管理重要的其他类型多节点远程通信系统。例如，本发明的系统和方法可以应用于分时共享无线信道的中继无线系统。
权利要求
1.在一通信系统中控制通信单元对通信信道的访问的方法，该方法的组成步骤是a)把从通信单元发出信号的表面分成基本区域；b)收集描述基本区域中的通信单元在过去使用通信信道情况的通信量数据；c)根据通信量数据产生通信量模型；d)根据通信量模型确定信道分配；以及e)根据信道分配允许访问通信信道。
2.如权利要求1所述的方法，这里的步骤b)的组成步骤是b1)确定在特定时间间隔期间的试图呼叫数；b2)确定造成这些试图呼叫的通信单元所在的基本区域；b3)收集在特定时间间隔期间每个基本区域的试图呼叫总数作为通信量数据。
3.如权利要求1所述的方法，这里的步骤c)的组成步骤是c1)根据通信量数据确定在过去的时间增量段期间在基本区域内的过去呼叫次数；c2)把未来时间的网孔位置与基本区域集合关联起来；c3)根据过去呼叫数和网孔位置预测未来呼叫数估计值；以及c4)根据未来呼叫数估计值产生通信量模型。
4.根据权利要求3所述的方法，这里的通信系统有把网孔投影到地面上的卫星，该方法还包括把信道分配发送给卫星的步骤。
5.控制通信单元对由卫星实现的通信信道进行的访问的方法，该方法的组成步骤是a)接收信道分配，这些信道分配是通过以下步骤计算出来的把从通信单元发出信号的表面分成基本区域，收集描述基本区域中的通信单元在过去使用通信信道情况的通信量数据，根据通信量数据对未来时间间隔产生通信量模型，以及根据通信量模型确定信道分配；b)存储信道分配；以及c)在未来时间间隔期间允许通信单元在不超过信道分配的条件下使用通信信道。
6.由通信系统中的通信单元完成的对通信信道进行访问的方法，该方法的组成步骤是a)试图使用由卫星提供的通信信道；以及b)当使用将不会超过存储于卫星中的信道分配时，使用通信信道，这里的信道分配是通过以下步骤计算出来的把从通信单元发出信号的表面分成基本区域，收集描述基本区域中的通信单元在过去使用信道情况的通信量数据，根据通信量数据对未来时间间隔产生通信量模型，以及根据通信量模型确定信道分配。
7.控制通信系统中通信单元访问通信信道的方法，该方法由控制设施完成，其组成步骤是a)把从通信单元发出信号的表面分成基本区域b)收集描述基本区域中的通信单元在过去使用通信信道情况的通信量数据；c)根据通信量数据产生通信量模型；d)根据通信量模型确定信道分配；以及e)将信道分配传送给提供通信信道的卫星，卫星根据信道分配允许访问通信信道。
8.一种卫星，其组成是一个下行链路接收机，用于接收由以下步骤计算出来的信道分配把从通信单元发出信号的表面分成基本区域，收集描述基本区域中的通信单元在过去使用通信信道情况的通信量数据，根据通信量数据对未来时间隔产生通信量模型，以及根据通信量模型确定信道分配；与下行链路接收机相连的控制器，用于根据未来时间间隔期间的信道分配来完成对通信信道的访问；与控制器相连的发射机，用于向通信单元提供通信信道；以及与控制器相连的存储器，用于存储信道分配。
9.一个通信单元，其组成是一个处理器，用于试图使用由卫星提供的通信信道，并在当使用不会超过存储于卫星中的信道分配时使用通信信道，这里的信道分配是通过以下步骤计算出来的把从通信单元发出信号的表面分成基本区域；收集描述基本区域中的通信单元在过去使用通信信道情况的通信量数据，根据通信量数据对未来时间间隔产生通信量模型，以及根据通信量模型确定信道分配；以及与处理器相连的发射机，用于在已经试图使用通信信道时向卫星发送位置信息。
10.控制设施，其组成是控制器，用于把从通信单元发送信号的表面分成基本区域，用于收集描述位于基本单元中的通信单元在过去使用通信信道情况的通信量数据，用于根据通信量数据产生通信量模型，以及用于根据通信量模型确定信道分配；以及与控制器相连的接口单元，用于把信道分配传送给卫星。
全文摘要
在一个通信系统(10)中控制通信信道访问的方法和装置,该方法和装置确定代表通信信道访问限量的信道分配(106)并使系统(10)的运行遵从信道分配(106)。信道分配是由以下步骤确定的:把从通信单元(26)发射信号的表面分成基本区域。收集描述位于基本区域中的通信单元(26)过去使用通信信道情况的过去通信量数据(102),根据过去通信量数据产量通信量模型(104),以及根据通信量模型确定信道分配(106)。
文档编号H04B7/185GK1170490SQ95196939
公开日1998年1月14日 申请日期1995年10月10日 优先权日1994年12月22日
发明者肯尼思·梅纳德·彼德森, 维克托·霍斯·卡特勒, 杰拉尔德·约瑟夫·戴维奥 申请人:摩托罗拉公司