CN100569004C - 用于高速率信道接入控制的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

根据当前负荷控制对可变速率多址联接系统的接入。当前负荷用于确定传输率设定值。传输率设定值可以包括最大传输率和传输概率。把传输率设定值传递到可接入系统的远端单元。具有待发送数据的远端单元确定期望传输数据率。如果期望传输数据率等于或大于最大传输数据率，那么远端单元就以等于传输概率的概率以最大传输数据率发送。

Description

用于高速率信道接入控制的方法和设备
本申请是1999年4月15日提交的标题为“Method and Apparatus forHigh Rate Channel Access Control”的美国专利申请序列号09/293,564的继续申请，该美国专利申请现在为2003年5月20日公开的美国专利第6,567,420号。
技术领域
本发明涉及通信系统。本发明尤其涉及多址联接系统中的资源分配。
背景技术
图1是陆地无线通信系统10的示例实施例。图1示出了三个远端单元12、13和15和两个基站14。事实上，典型无线通信系统具有更多的远端单元和基站。在图1中，远端单元12显示为在汽车中安装的移动电话单元。图1还示出了无线本地环路系统中的固定位置远端单元15以及标准蜂窝系统中的便携式计算机远端单元13。在大多数一般实施例中，远端单元可以是任何类型的通信单元。例如远端单元可以是手提式个人通信系统(PCS)单元、个人数据助理之类的便携式数据单元或诸如表读数设备之类的固定位置数据单元。图1示出了从基站14到远端单元12、13和15的前向链路信号18以及从远端单元12、13和15到基站14的反向链路信号19。
在典型的无线通信系统中，比如如图1所示，一些基站具有多个扇区。多扇区基站包括多个独立发射和接收天线以及一些独立处理电路。这里所讨论的原理等效应用于多扇区基站的每个扇区以及单扇区的独立基站。因此对于以下描述，术语“基站”可假设指的是多扇区基站的扇区、与公共基站相关的多个扇区或单扇区基站。
在CDMA系统中，远端单元使用公共频率带宽与系统中所有基站进行通信。使用一个公共频率对系统添加了灵活性以及提供许多优点。例如，使用一个公共频率带宽使远端单元从多于一个基站接收通信信号，以及发送由多于一个基站接收的单一信号。远端单元通过使用扩展频谱CDMA波形特性区别从不同基站同时接收的信号。类似地，基站可以区别并分别从多个远端单元接收信号。
在无线系统中，最大化系统关于同时处理呼叫的数量的能力是极其重要的。如果从每个远端单元在基站接收的功率是这样受控制的：每个信号以得到期望信号质量水平需要的最小功率电平到达基站接收机，那么就增加了扩展频谱系统中的系统能力。如果由远端单元发送的信号以太低的功率电平到达基站接收机，那么信号质量就会降至可接受水平之下。另一方面，如果远端单元信号以太高的功率电平到达，那么与这个特定远端单元的通信是可接受的，但高功率信号会产生对其它远端单元的干扰。过多的干扰会不利地影响与其它远端单元的通信。因而一般定位于靠近基站的远端单元发送相对低的信号功率，而定位于覆盖区域边缘的远端单元发送相对大的信号功率。
在更先进的系统中，除了控制远端单元在反向链路上发送所用的功率电平外，还控制远端单元在反向链路上发送所用的数据率。为了增加在基站接收信号的信号质量，定位于覆盖区域边缘的远端单元减小其发送所用的数据率。通过减小数据率，可增加表示每个位的时间，这样就增加了表示每个位的能量并增强链路的性能。
除了链路性能，可变数据率的使用还对系统提供其它好处。例如，远端单元可以产生数据流，它以显著低于最大数据率的数据率产生。为了保存远端单元功率和频谱资源，远端单元可选择以低于最大速率的速率发送数据。此外，一些远端单元可根据它们提供的服务级别加以分类。例如，较佳的客户机远端单元可提供达到最大速率的数据传输，然而经济级的远端单元可提供以1/8或一半的最大速率的数据传输。以小于最大速率发送的远端单元可以较低功率电平发送，或者其只发送一部分时间。例如以1/4最大速率发送的远端单元可以发送全速率信号必要的1/4的功率发送它的信号。另外，以1/4最大速率发送的远端单元可以约1/4占空比发送。在任一情况下，以小于全速率发送的远端单元比以全速率发送的远端单元产生更小干扰并耗费更少系统资源，由此就空出系统资源用于其它远端单元。
如果指定了最小可接受信号质量，那么可以在给定干扰水平下计算同时通过基站通信的用户数的上限。该上限通常称为极端容量。实际用户与极端容量之比定义为系统的负荷。随着实际用户数接近极端容量，负荷就接近1。接近1的负荷意味着系统潜在不稳定的性态。不稳定的性态会导致关于差错率性能、切换失败以及连接丢失的退化的性能。此外，由于负荷接近1，基站覆盖区域的大小会收缩，而使在覆盖区域外部边缘上的用户不再能发送足够功率以与基站以可接受的信号质量即使以最低可用数据率通信。
基于这些原因，有利的是限制系统的使用以使负荷不会超过极端容量的指定比例。一种限制系统负荷的方法是一旦系统负荷达到了预定水平就拒绝对系统的接入。例如，如果负荷增加到极端容量的70％以上，那么有利的就是拒绝对附加连接产生的请求并避免接受已有连接的切换。在远端单元能够以多个数据率发送的系统中，系统的负荷还可通过控制远端单元发送的数据率来控制。对于负荷的给定水平，通过减小每个远端单元发送的数据率，就可增加能够接入系统的远端单元的总数。
在典型的数字数据多址联接系统中，远端单元建立与基站的通信会话。该会话保持活动直到从远端单元移除功率或直到远端单元请求断开。一旦建立了会话，远端单元就发送突发数据串。例如，如果远端单元用户通过无线连接和他的笔记本计算机连接于互联网，当他登陆网络时就建立了会话。如果远端单元用户产生电子邮件消息，当远端单元传输电子邮件消息时就产生突发数据串。突发数据串可包含一一个或多个数据包。数据包通常包括许多无线链路数据帧。
在远端单元的数据率由基站控制的系统中，远端单元发送突发数据串之前，它把接入请求消息发送到基站。通常，接入请求消息指定期望的数据率。作为响应，基站可允许远端单元以期望数据率发送、可允许基站以较低数据率发送，或可拒绝对系统的接入。使用这样的系统有几点不足。例如，使用接入请求消息耗费了宝贵的反向链路资源。此外，会延迟反向链路上数据的发送，同时远端单元和基站协商数据率。此外，由基站响应采自多个远端单元的接入请求消息所必须使用的算法复杂化了并且耗费了相当多的基站资源。
基于这些原因，本产业界长久以来需要一种控制对使用可变数据率发送方案的多址联接系统的接入的方法和设备。
发明内容
使用基站控制对应覆盖区域内用于远端单元的反向链路传输率。基站监控反向链路负荷并动态调节传输率设定值。传输率设定值可按照最大传输率和传输概率定义。最大传输率限定了可用于远端单元的最大反向链路数据率。使用传输概率控制远端单元以给定最大传输率发送的概率。基站可以向远端单元广播传输率设定值。远端单元在任何时候可以比最大传输率更低的速率发送。用该方法，以有效利用可用系统资源的快速和稳定的方式控制系统的负荷。
附图说明
从以下结合附图详细的描述中，本发明的特点、目的和优点就会变得更明显：
图1是陆地无线通信系统的示例实施例。
图2是说明基站操作的流程图。
图3是示出示例远端单元操作的流程图。
图4是示出结合本发明示例无线系统使用的框图。
具体实施方式
在具有有限资源的多址联接系统中，为了避免不稳定的系统性态需要控制反向链路负荷的装置。在远端单元能够以多个数据率发送的系统中，可通过调节远端单元发送的数据率控制反向链路负荷。例如，在外部和相互干扰水平允许30个远端单元以给定数据率同时接入系统的系统中，如果每个远端单元以给定数据率的一半发送，那么同一系统可允许60个远端单元同时接入系统。如果部分远端单元以给定数据率的一半发送，那么系统可同时容纳30和60之间的用户数量。在实际操作条件下，系统的容量是软限制方式的，其中添加到系统的每个远端单元减少了每个其他系统用户操作所处的信号质量。该容量还是时间的函数，其中除了来自远端单元还有来自源的干扰随时间而变化，并显著影响系统的负荷。由于有利的是避免了如果负荷超过最大容量所引起的灾难性的失败，所以通常系统操作者把负荷限制在预期容量限制的60％和75％之间。
为了把反向链路上的负荷限制于指定水平，就需要测量反向链路负荷。基站的反向链路负荷不仅是基站覆盖区域内操作的远端单元的函数。而且反向链路负荷还是来自其它源干扰的函数。基站前端噪声本身就是巨大的干扰源。此外，附近基站覆盖区域内工作在同一频率上的其它远端单元也会引起巨大的干扰。1998年10月28日提交的联合待决美国专利申请号09/181345(现在为2003年8月5日公开的美国专利号6,603,745)题为《METHOD AND APPARATUS FORREVERSE LINK OVERLOAD DETECT10N》的专利申请中揭示了一种确定负荷的装置和方法，它已转让给本发明的受让人并通过引用结合于此。各种确定负荷的方法可与本发明结合使用。
根据本发明，为了控制多个基站发送的数据率，基站采用反向链路上负荷的测量。在典型多址联接系统中，基站照例发送辅助信道。辅助信道携带由多个远端单元接收的信息。辅助信道携带关于系统操作的信息，比如附近基站的识别、某些服务的可用性以及系统操作者的识别。根据本发明的一个实施例，除了标准辅助信息，基站还发送传输率设定值。远端单元从辅助信道检索设定值信息并使用它确定其发送的速率。
在一个实施例中，根据最大传输数据率以及传输概率定义传输率设定值。最大传输率定义用于远端单元的最大反向链路数据率。传输概率用于控制远端单元以给定最大传输率发送的概率。远端单元在任何时间可以比最大传输率更低的速率发送。
为了便于有效使用系统资源，从不稳定系统性态的相应概率观点来看，有利的是使系统尽可能地接近容量极限工作。根据本发明，只要系统负荷保持于最大可允许负荷就慢慢增加传输率设定值。如果系统的实际负荷超过最大可允许负荷，那么就减小传输率设定值。
在一个实施例中，只要系统的负荷保持在最大可允许负荷以下，就慢慢增加传输概率。当传输概率超过1，就把最大传输数据率增加到下一较高可用水平并减小传输概率。用这个方法，传输率设定值就会慢慢增加直到负荷达到最大可允许负荷。如果可用系统资源足够支持所有远端单元的需要，那么就增加传输率设定值直到传输概率等于1并且最大传输率等于最高数据率。如果可用系统资源不足以允许每个远端单元以其期望速率发送，那么由于传输率设定值慢慢增加，负荷就会逐渐超过最大可允许负荷。一旦负荷超过最大可允许负荷，就减少传输率设定值。如果需求保持恒定，系统就会达到平衡，其中传输率设定值约等于最大可允许传输率设定值。例如，如果对系统的需求高，那么就把最大传输率设定为半全速率，并且传输概率会小于1。
在较佳实施例中，最低可能传输率设定值定义为最大传输率等于最低数据率，而传输概率等于1。因此，即使在最大负荷条件下，也使具有所建立连接的每个远端单元能以概率为1以最低速率发送。为了保持系统稳定性，如果当传输率设定值为最小时负荷超过最大可允许负荷，那么就需要拒绝附加远端单元接入系统。
根据本发明的一个操作上的好处就是在基站的传输控制过程相对便于实现。只使用对该过程的单个输入来确定传输率设定值。在一个实施例中，只由两个数组成的传输率设定值是仅有的输出。与每当远端单元有数据要发送时个别地响应来自各个远端单元的偶发接入请求消息的现有技术方法相比，本发明的操作流水线化了。操作不是依照关于诸如当前用户数量或预期用户使用或在某一类中远端单元的量之类的因素的输入的。此外，操作不需要大量数据存储以存储关于近来所允许远端单元的进入有关的信息。
图2是说明基站操作的流程图。操作开始于开始框30。在框32中，把用于该过程的变量设定为初始值。把传输概率设定为1并把最大传输率设定为最低数据率以把传输率设定值设定为其最小值。在示例系统中，最低数据率为1/8全速率。
在框32中，把下降速率“ΔTP”和上升速率“δTP”设定为标称水平。在示例系统中，下降速率和上升速率是依照当前最大传输率。例如在以1/8全速率、1/4全速率、半全速率以及全速率发送数据的系统中，ΔTP的值可以分别是1/2、1/4、1/8以及1/16。在典型环境中，δTP的值小于ΔTP的值。例如，在刚才所述的系统中，对于每一数据率δTP的值是ΔTP的值的1/16。
框34确定负荷是否已超过最大可允许负荷。如果不是，流程继续到达框36，其中对传输概率增加δTP。流程继续到达框38，其确定是否传输概率已超过1。在这种情况下，传输概率在框32设定为1并且在框36增加δTP值，所以传输概率就超过1并且流程继续到框40中。框40确定最大传输数据率是否等于最高数据率。在本例中，在框32中把最大传输数据率设定为最低速率，因此在最大传输数据率不等于最大数据率并且流程在框42中继续。在框42中，把最大传输率设定为下一最高数据率。例如，在具有四个数据率的系统中，把最大传输数据率设定为1/4全速率。在框44中，传输概率值减1。流程继续到达框48，其中暂停该过程等待下一周期。
再回到框38，如果传输概率没有超过1，那么流程直接到达框48。回到框40，如果最大传输率已等于最高数据率，那么传输率设定值就在其最大水平并且流程继续到框46中。在框46中，把传输概率设定为1。随后流程继续到达框48。
再回到框34，如果负荷已超过最大可允许负荷，那么流程继续框50中。在框50中，传输概率减去ΔTP并且流程继续到框52中。框52确定最大传输率是否等于最低数据率。如果最大传输率等于最低数据率，那么流程继续在框46中，其中把传输概率设定为1。如果最大传输率不等于最低数据率，那么流程继续到达框54。框54确定传输概率是否小于或等于0。如果是，就在框56中把最大传输率设定为下一最低数据率并且流程继续到框58中。框58确定最大传输数据率是否等于最低数据率。如果是，流程继续在框46中，其中把传输概率设定为1。如果不是，流程继续到达框60，其中传输概率加1。在任一情况，流程继续到达框48。
与每次发送前接入请求消息的产生相比，也简化了远端单元内的操作。根据本发明，远端单元选择期望的数据率。各种确定期望数据率的准则和方法可与本发明结合使用。例如，期望数据率的确定可考虑发送队列的数据量、专用于较高数据率的可用发送功率、用户所请求的服务类别或与发送相关的紧急级别。关于期望数据率选择的附加信息可在1999年6月28日公开的美国专利号为5,914,950题为《METHOD AND APPARATUS FOR REVERSE LINK DATA RATESCHEDULING》的专利中找到，它已转让给本发明的受让人。只要期望数据率小于从基站接收的最大传输率，远端单元就以期望数据率发送。如果期望数据率等于或超过最大传输率，远端单元就用等于传输概率的概率以最大传输率发送。如果远端单元不以最大传输率发送，那么它就转而以下一较低速率发送。用这种方法，在一般情况下，以最大传输率发送的用户数与期望以最大传输率或更高传输率发送的同一类的远端单元数之比平均等于传输概率。用这种方法，可以有效和公平地使用系统资源。
如果远端单元是与一个或多个基站进行软切换的，那么它可以从多于一个基站接收传输率设定值。远端单元可以使用从与其进行软切换中的任何一个基站接收的最低传输率设定值。最低速率设定值可通过指定最低速率设定值的传输速率设定值或具有最低传输概率的传输速率设定值(如果最大传输率相等)来确定。另外，远端单元可以使用最高速率设定值，或者它可以平均或另外组合两个传输率设定值。
图3是初始例远端单元操作的流程图。流程开始于框70。在框72中，远端单元确定其期望数据率。一旦确定了期望数据率，流程就继续到框74中。框74确定期望数据率是否小于最近接收的最大传输数据率。如上所指出的，远端单元可以监控传输率设定值的当前值的辅助信道。如果期望数据率小于最大数据率，那么在框82中远端单元就把传输数据率设定为期望数据率。在框86中，系统使用刚确定的传输率直到确定新的值。如果期望数据率超过或等于最大传输率，那么流程从框74继续到达框76。在框76中，远端单元产生随机数。在较佳实施例中，随机数从0.00和0.99之间取值。框78确定随机数是否小于最近接收的传输概率。如果是，就在框80中把传输率设定为最大传输率。如果不是，就在框84把传输率设定为低于最大传输率的下一较低传输率。在任一情况下，流程继续到达框86。
根据本发明，来自远端单元的数据传输以框80、82或84中设定的传输率发生。用这种方法，发送接入请求消息不消耗反向链路容量。此外，接入请求过程不延迟反向链路数据的传输。
本发明的一个优点就是它为系统管理员提供的灵活性以控制系统的操作。例如，随着系统负荷的增加，不稳定系统性态的概率也增加了。这样，不稳定系统性态的概率就依赖于最大可允许负荷值。系统操作者为了满足其当前准则通过简单改变最大可允许负荷值而以耗费平均容量来控制灾难性系统中断的概率。
此外，如果系统操作者想要允许某些远端单元是被允许在由传输率设定值提供的限制之外发送的高优先级用户，他可以这样做而无需对接入控制过程作任何变化。在这种情况下，通过自然的过程操作降低系统的传输率设定值以对这些用户作出补偿。例如较佳用户可一直用为1的传输概率以全速率或以最大传输率接入系统，由此增加对系统的负荷。本发明通过降低较低优先级单元的传输率设定值补偿该条件，并且这样做无需知道系统中高优先级用户的存在。此外，系统管理员可以控制ΔTP和δTP的值以改变系统的操作特性。
图4是示出结合本发明使用的示例无线系统的框图。系统包括基站114和远端单元100。基站114可位于紧靠其相应的覆盖区域，或者基站114内的一些部件可位于远端。基站114通过天线116接收无线链路信号。接收机118用于把无线链路信号转换为数字比特流。此外，接收机118提供对负荷确定处理单元120的输出，该单元用于确定系统的当前负荷。把负荷确定处理单元120的输出传递到接入控制处理单元122，它提供本发明的许多核心功能。例如，接入控制单元122可以包括多个执行图2中所示步骤的处理。接入处理单元122的输出是传递到控制器126的传输率设定值。控制器126可监视基站的总操作。在一个实施例中，控制器把传输率设定值结合在辅助消息中并把它传递到发射机124。发射机124产生无线链路信号并把它传递到天线116以通过无线链路发送到包括远端单元100的多个远端单元。
一般，远端单元100可以是或可耦合于产生数字信息的任何类型终端。例如，远端单元可以是或可耦合于个人笔记本计算机、打印机、测试设备、服务器、可视终端或各种其它设备。远端单元100包括控制器102，它监视远端单元100的操作。在图4所示的实施例中，控制器102从分离外壳的单元接收数字数据。控制器还从接收机104接收从通过天线110接收的无线链路信号产生的数据。控制器102从接收机104接收的数据提取传输率设定值并把它传递到速率确定处理单元106。速率确定处理单元106确定当前传输率。例如，速率确定处理单元106可具有进行图3所示操作的一系列处理。当前传输率用于发射机108以通过天线110把数据发送到基站114。
符合本发明的各种备选实施例对于本领域技术人员都是很明白的。例如，再参照图2，在框44中不是从传输概率值中减1，而是把传输概率设定为0或一些小数值。类似，在框60中不是把传输概率值加1，而是把传输概率设定为1或靠近1。在以上所示的例子中，操作包括四个不同的数据率。根据本发明可使用更大或更小的传输率数值。虽然这里的描述是关于数字数据系统的，但是该原理可直接应用于包括语音系统的许多可变速率系统。
在以上所示的示例实施例中，ΔTP和δTP的值是依赖于最大传输率。在其它实施例中，它们可在整个操作中是固定的，或者可依赖于一些其它变量。虽然辅助信道的使用为系统提供了有效性，但是根据本发明可把传输率设定值在专用信道上传送到远端单元。
传输概率可采用各种形式之一。在以上例子中，传输概率反映的是远端单元以最大传输率发送的概率。另外，发送概率可以反映远端单元以低于最大传输率的下一较低速率发送的概率。为了对传输概率施加限制，以上例子使用随机数发生。为了施加限制，可使用各种其它熟知以及之后开发的方法。
本发明可以其它特定形式实施而不离开其主旨和必要特征。要在各个方面考虑所述实施例，它们只是作为说明性的而非观实性的，因此本发明的范围是由所附权利要求书表示的而不是由以上描述。符合权利要求书等价意义及范围的所有变化都包含在其范围中。

Claims (4)

1.一种控制对可变速率多址联接系统的接入的方法，包括以下步骤：
接收反映相对于上限的当前系统使用的负荷指示；
如果所述负荷指示小于可允许限制，则增加用于调节对所述系统的接入的传输率设定值；和
如果所述负荷指示大于所述可允许限制，则减小所述传输率设定值，其中，所述传输率设定值包括最大传输率和传输概率，
其中，增加所述传输率设定值的所述步骤包括使所述传输概率增加第一量的步骤，
其中，减小所述传输率设定值的所述步骤包括使所述传输概率减小第二量的步骤，其中，所述第一量和所述第二量取决于所述最大传输率。
2.一种控制对可变速率多址联接系统的接入的方法，包括以下步骤：
接收反映相对于上限的当前系统使用的负荷指示；
如果所述负荷指示小于可允许限制，则增加用于调节对所述系统的接入的传输率设定值；和
如果所述负荷指示大于所述可允许限制，则减小所述传输率设定值，其中，所述传输率设定值包括最大传输率和传输概率，
其中，增加所述传输率设定值的所述步骤包括使所述传输概率增加第一量的步骤，
其中，减小所述传输率设定值的所述步骤包括使所述传输概率减小第二量的步骤，其中，增加所述传输率设定值的所述步骤包括如果所述传输概率超过1则增加所述最大传输率的步骤。
3.一种控制对可变速率多址联接系统的接入的方法，包括以下步骤：
接收反映相对于上限的当前系统使用的负荷指示；
如果所述负荷指示小于可允许限制，则增加用于调节对所述系统的接入的传输率设定值；和
如果所述负荷指示大于所述可允许限制，则减小所述传输率设定值，其中，所述传输率设定值包括最大传输率和传输概率，
其中，增加所述传输率设定值的所述步骤包括使所述传输概率增加第一量的步骤，
其中，减小所述传输率设定值的所述步骤包括使所述传输概率减小第二量的步骤，其中，减小所述传输率设定值的所述步骤包括如果所述传输概率低于0则减小所述最大传输率的步骤。
4.一种接入控制设备，包括：
接收机，其适于从能够以多于一个速率发送数据的多个用户接收信号；
负荷确定单元，其耦合于所述接收机并用于产生反映相对于上限的当前系统使用的系统负荷的指示；和
接入控制处理单元，其用于接收所述系统负荷的指示并产生传输率设定值以发送到所述多个用户，
其中，所述接入控制处理单元包括通过确定最大传输率和传输概率产生所述传输率设定值的处理，其中，所述接入控制处理单元包括如果所述负荷超过可允许水平则减小所述传输概率的处理以及如果所述传输概率低于0则把所述最大传输率减小到下一较低传输率的处理。
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