DE4008596A1 - Verfahren fuer die zuweisung von funkkanaelen an die feststationen eines zellularen mobilfunksystems - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Zuweisung von Funkkanälen an die Feststationen eines zellularen Mo­ bilfunksystems.

In einem derartigen Mobilfunksystem - Beispiele hierfür sind Autotelefonsysteme - ist der gesamte örtliche Be­ reich, in dem Teilnehmer des Systems miteinander kommuni­ zieren sollen, in Zellen (manchmal auch Zonen genannt) aufgeteilt; in jeder Zelle befindet sich eine Feststa­ tion. Gerät ein mobiler Teilnehmer in die Zelle einer Feststation, so findet ein eventueller Informationsaus­ tausch mit den anderen Teilnehmern des Systems u. a. über einen bis dahin freien Funkkanal statt, über den eine Verbindung zwischen dem mobilen Teilnehmer und der Fest­ station der Zelle aufgebaut wird. Die Zahl der einer Feststation zugewiesenen Kanäle ist identisch mit der Zahl der Gespräche, die gleichzeitig von den mobilen Teilnehmern in der zugeordneten Zelle geführt werden kön­ nen. Zu den Kenngrößen eines Funkkanals gehört z. B. die Trägerfrequenz.

Da dem Gesamtsystem nur eine begrenzte Anzahl von Funkka­ nälen zur Verfügung steht, müssen diese so auf die Fest­ station verteilt werden, daß unter anderem

• 1. bei mehrfacher Vergabe des gleichen oder eines benach­ barten Kanals Störungen nicht auftreten (im allgemei­ nen bedeutet dies, daß in benachbarten Zellen nicht die gleichen Kanäle benutzt werden können),
• 2. die Anzahl der Kanäle, die einer Feststation zuge­ wiesen wird, dem Verkehrsaufkommen in der zugeordne­ ten Zelle angemessen ist.

Wie nahe Kanäle bezüglich ihres Hochfrequenzspektrums beieinander liegen dürfen, damit sie benachbarten Fest­ stationen nicht zugewiesen werden können, wird durch In­ terferenzmessungen im Gelände bei planung des Systems oder durch Vorhersage anhand topologischer Daten ent­ schieden. Die Zahl der Kanäle, die einer Feststation zu­ zuweisen sind, wird in der Regel durch das erwartete Ver­ kehrsaufkommen festgelegt.

Das zu lösende Problem besteht also darin, die Gesamtzahl der für das System zur Verfügung stehenden Kanäle so auf die Feststationen zu verteilen, daß jede Feststation eine für sie vorbestimmte Anzahl von Kanälen erhält und daß die Vergabe gleicher oder benachbarter Kanäle so erfolgt, daß Storungen vermieden werden. Von weiteren Nebenbedin­ gungen wird im folgenden der Einfachheit halber abgese­ hen, obwohl auch sie prinzipiell berücksichtigt werden können.

Entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre wird das oben formulierte problem derart gelöst, daß jeder Feststation alle dem Mobilfunksystem zur Verfü­ gung stehenden Funkkanäle vorläufig zugewiesen werden, daß für jede dieser vorläufigen Zuweisungen ein Neuron eines elektronischen neuronalen Netzwerkes vorgesehen ist und daß eine vorläufige Zuweisung dann benutzt wird, wenn im stationären Zustand des neuronalen Netzwerkes das Aus­ gangssignal des zugehörigen Neurons einen vorbestimmten Wert annimmt.

Elektronische neuronale Netzwerke als solche sind be­ kannt, z. B. aus der US 46 60 166. Derartige Netzwerke sind Nachbildungen biologischer neuronaler Netze. Aus diesem Grunde werden auch die Hauptbestandteile des elek­ tronischen Netzwerkes Neuronen genannt. Die elektroni­ schen Neuronen bestehen aus einem nichtlinearen Verstär­ ker, der eingangsseitig mit der Parallelschaltung eines Widerstandes und einer Kapazität belastet ist. Das Aus­ gangssignal des Verstärkers ist das Ausgangssignal des elektronischen Neurons. In einem solchen elektronischen neuronalen Netzwerk finden zeitliche Veränderungen von Strömen und Spannungen so lange statt, bis ein soge­ nannter stationarer Zustand des Netzwerkes erreicht ist (vgl. hierzu die US 46 60 166). Alle Ausgangsspannungen der Verstärker haben dann zeitlich konstante Werte. Ist - wie weiter unten näher erläutert wird - ein sogenannter Temperaturparameter des Netzwerkes geeignet gewählt, bleiben die Ausgangswerte der Verstärker im stationären Zustand entweder auf ihrem Maximum oder auf ihrem Minimum stehen. In diesem Fall wird das Auftreten des Maximums als Zeichen dafür gewertet, daß die zugehörige, vor­ läufige Zuweisung erlaubt ist und daher auch verwendet wird. Das Auftreten des Minimums bedeutet, daß die Zu­ weisung verboten ist und nicht verwendet werden darf.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für inhomogene Mobilfunksysteme, also Funksysteme, bei denen die Zellen nicht alle gleich groß sind und das Verkehrs­ aufkommen von Zelle zu Zelle bzw. die Zahl der zuzuwei­ senden Kanäle von Feststation zu Feststation stark schwankt oder bei denen die Störungen zwischen den Zel­ len, z. B. aufgrund ungleichmäßiger Funkausbreitung, sehr unterschiedlich sind.

Anhand eines Ausführungsbeispiels unter Figuren soll die Erfindung nun näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 ein elektronisches neuronales Netzwerk, bestehend aus vier Neuronen und

Fig. 2 eine Wechselwirkungsmatrix eines neuronalen Netz­ werkes aus vier Neuronen.

Elektronische neuronale Netzwerke mit K Neuronen, wie sie z. B. aus der oben genannten Literaturstelle bekannt sind, bestehen aus K nichtlinearen, beschalteten und miteinan­ der gekoppelten Verstärkern. Die Ausgangsspannung V_i ei­ nes jeden Verstärkers A_i muß eine stetige, monoton wach­ sende Funktion der Eingangsspannung ui sein. Im vorlie­ genden Beispiel ist

Der Parameter µ soll Temperaturparameter genannt werden.

Der Ausgang eines Verstärkers A_j ist gegebenenfalls über einen Inverter und über einen Widerstand R_ÿ mit dem Ein­ gang des Verstärkers A_i verbunden. Jeder Verstärker Ai hat außerdem einen Eingangswiderstand R_i und eine Ein­ gangskapazität C_i und wird mit einem Eingangsstrom I_i aus einer außerhalb des Netzwerkes liegenden Stromquelle ge­ speist.

Die Eingangsspannungen u_i der Verstärker A_i genügen fol­ gendem System von Differentialgleichungen (Bewegungsglei­ chungen):

Das Minuszeichen ergibt sich nur bei Um­ kehrung der Ausgangsspannung der Verstärker A_j (Gegen­ kopplung), anderenfalls ist es durch ein Pluszeichen zu ersetzen.

Ein solches neuronales Netzwerk soll nun dazu verwendet werden, in einem Mobilfunksystem, das aus zwei Zellen be­ steht - also nur zwei Feststationen F1, F2 enthält - die Kanalzuweisung vorzunehmen. Für das Gesamtsystem sind zwei unterschiedliche Kanäle K1 und K2 vorgesehen. Der Verkehrsbedarf wird durch einen Funkkanal pro Feststation gedeckt.

Die vorläufigen Zuweisungen aller zur Verfügung stehenden Kanäle an jede Feststation werden wie folgt symbolisiert:

(F1; K1), (F1; K2), (F2; K1), (F2; K2). (4).

Wegen der oben angegebenen Bedeutung der Symbole F1, F2, K1, K2 erklärt sich ihre Zusammenstellung in (4) von selbst.

Die Durchnumerierung der vorläufigen Zuweisungen von 1 bis 4 erfolgt in der Reihenfolge, in der sie in (4) auf­ geführt sind. Das zugehörige neuronale Netzwerk besteht folglich aus vier Neuronen, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Jedes Neuron, das einer bestimmten vorläufigen Zuweisung entspricht, enthält die gleiche Ordnungszahl wie die vor­ läufige Zuweisung selbst. Das Neuron mit der Nummer 1 entspricht der Zuweisung (F1; K1) usw.

Festzulegen sind nun die Widerstande R_ÿ (i, j = 1, 2, 3, 4) bzw. die Wechselwirkungen T_ÿ zwischen den Neuronen, die (zeitlich Konstanten) Ströme I_i und die Größen C_i und R_i.

Tritt zwischen einer vorläufigen Zuweisung i und einer vorläufigen Zuweisung j, bei denen sich die Feststationen unterscheiden, keine Interferenz zwischen den Kanälen auf, so sind die zugehörigen Wechselwirkungen T_ÿ zu null zu wählen.

Bei der gewählten Durchnumerierung der Zuweisungen bzw. der Neuronen sind das die Wechselwirkungen T_ij, die in der Wechselwirkungsmatrix nach Fig. 2 in der Nebendiago­ nale stehen. In allen anderen Fällen ist im Netzwerk nach Fig. 1 eine Gegenkopplung der Ausgänge der Verstärker A_i auf deren Eingänge vorzunehmen oder in der Sprache der neuronalen Netzwerke ausgedrückt: In allen anderen Fällen hemmen sich die Neuronen gegenseitig.

Es erscheint plausibel, Hemmungen (Wechselwirkungen) der Neuronen untereinander alle gleich groß zu machen, wenn sie zur gleichen Feststation gehören, und die Wechselwir­ kungsmatrix symmetrisch zu wählen. Hemmungen, die Neuro­ nen gleicher Feststationen aufeinander ausüben, haben die Größe -C, wie Fig. 2 zeigt.

Hemmungen, die Neuronen unterschiedlicher Feststationen aufeinander ausüben, haben die Größe -A, wie Fig. 2 eben­ falls zeigt.

Damit ist die Wechselwirkungsmatrix T_ÿ und die Wider­ standsmatrix Ri_j bis auf zwei willkürliche Parameter festgelegt. Macht man nun noch die Eingangskapazitäten Ci des Netzwerkes nach Fig. 1 und die Eingangswiderstände R_i gleich groß, so verbleiben einschließlich des Temperatur­ parameters µ fünf willkürlich wählbare Parameter für die inneren Kenngrößen des Netzwerkes nach Fig. 1.

Die äußeren Ströme I_i werden proportional zur Konstan­ ten C gewählt. Der Proportionalitätsfaktor ist die Zahl der Kanäle, die pro Feststation F1, F2 für die Deckung der Anforderungen vorgesehen sind. Im vorliegenden Fall ist es ein Funkkanal, so daß gilt:

I_i = C für i = 1, 2, 3, 4. (5).

Ist der Parameter µ hinreichend groß gewählt, so ergibt sich im stationären Zustand - wie bei dem einfachen Bei­ spiel nicht anders zu erwarten war - daß entweder die Ausgangsspannung der beiden Verstärker A₁ und A₄ oder der beiden Verstärker A₂ und A₃ beim maximalen Spannungswert liegt. Gleichzeitig liegt in jedem der beiden Fälle die Spannung der beiden restlichen Verstärker auf dem Wert (gemeint sind die Spannungen ohne Inversion).

Für mehr als vier Neuronen ist bei der Festlegung der (zeitunabhängigen) parameter der Gleichung (2) analog zu verfahren:

• 1. Gibt es keine Störung zwischen zwei Funkkanälen, die vorläufig unterschiedlichen Feststationen zugewiesen sind, so wird die Wechselwirkung der entsprechenden Neu­ ronen gleich null gesetzt.
• 2. Die Wechselwirkung zwischen Neuronen, die gleichen oder benachbarten Funkkanälen entsprechen, deren Funkver­ kehr sich wechselseitig stört, wird kleiner als null ge­ wählt. In einem erweiterten Netzwerk nach Fig. 1 bedeu­ tet das eine wechselseitige Gegenkopplung der dazugehöri­ gen Verstärker.
• 3. Die Wechselwirkung aller Neuronen, die zu einer Fest­ station gehören, wird kleiner als null gewählt. In einem erweiterten Netzwerk nach Fig. 1 bedeutet das eine wech­ selseitige Gegenkopplung der zugeordneten Verstärker und eine Gegenkopplung jedes Verstärkers von seinem Ausgang auf seinen eigenen Eingang.
• 4. Alle äußeren Ströme, die zu Neuronen einer Feststation gehören, werden proportional zur Zahl der Kanäle gewählt, die dieser Feststation zugewiesen werden sollen.
• 5. Hat das elektronische neuronale Netz nach Festlegung aller Parameter einen stationaren Zustand erreicht, wer­ den die Zuweisungen tatsächlich verwendet, bei denen die Ausgangsspannung der zugehörigen Neuronen (Verstärker) einen hohen Wert oder den maximalen Wert erreicht hat.

Wird das Gleichungssystem (2) mit einem Rechner als Hilfsmittel gelöst, so empfiehlt es sich, nach Festlegung der Widerstände R_ÿ bzw. der Wechselwirkungen T_ÿ die Eingangswiderstande Ri so zu wahlen, daß nach (3) die Größen p_i von i unabhängig werden. Werden dann noch alle Eingangskapazitäten C_i gleich groß gewählt, so werden auch alle Zeitkonstanten Cip_i der Gleichungen (2) gleich groß und können durch eine Transformation der Zeitskala zu eins gemacht werden. Lösungen des so transformierten Gleichungssystems werden mit dem bekannten Runge-Kutta- Verfahren erhalten.

Claims (6)

1. Verfahren für die Zuweisung von Funkkanälen an die Feststationen eines zellularen Mobilfunksystems, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Feststation alle dem Mobilfunksystem zur Verfü­ gung stehenden Funkkanäle vorläufig zugewiesen werden, daß für jede dieser vorläufigen Zuweisungen ein Neuron eines elektronischen neuronalen Netzwerkes vorgesehen ist und
daß eine vorläufige Zuweisung dann benutzt wird, wenn im stationären Zustand des neuronalen Netzwerkes das Aus­ gangssignal des zugehörigen Neurons einen vorbestimmten Wert erreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem vorbestimmten Wert des Ausgangssi­ gnals eines Neurons um dessen Maximum handelt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Neuronen dann mit ihrem invertierten Ausgangssignal aufeinander wirken, wenn sie gleichen oder benachbarten Funkkanälen zugeordnet sind, deren Funkverkehr sich wech­ selseitig stören kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Neuronen einer Feststation aufeinander mit ihrem invertierten Ausgangssignal wirken.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Neuronen, die zu einer Feststation gehören, mit einem externen Strom gespeist werden, der zur Anzahl der dieser Feststation zuzuweisenden Funkkanäle proportional ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfmittel ein Rechner verwendet wird, durch den das neuronale Netzwerk simuliert wird.