CN100594704C - 用于提高服务质量的无线因特网终端和分组传送方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种OFDMA-TDMA无线因特网系统的终端和分组传送方法，所述终端能够在保证上行链路数据的QoS的同时减少传送延迟时间。所述终端的MAC层(200)被划分为MAC软件部分(210)和MAC硬件部分(220)，以便控制数据分组的优先级处于高级和低级。高级优先级控制器(213)根据QoS策略来进行各种精确的控制操作，并且低级优先级控制器(222)基于预定的、简单固定的优先级策略来进行机械的控制操作。

Description

用于提高服务质量的无线因特网终端和分组传送方法
技术领域
本发明涉及一种用于在保证QoS(服务质量)的同时减小分组传送延迟时间的无线因特网终端和分组传送方法。更具体地说，本发明涉及用于使在终端在使用OFDMA-TDMA的无线因特网系统中传送上行链路数据时产生的延迟最小的终端MAC(媒体接入控制)层的构造。
背景技术
OFDMA-TDMA系统使用OFDM(正交频分多址)来进行数据的调制和解调，并且使用TDMA(时分多址)来进行用户复用。OFDMA-TDMA系统具有管理和调度带宽的协调器(coordinator)，使得当需要传送数据的终端请求OFDMA-TDMA系统分配带宽时，该协调器将带宽分配给终端。然后，终端使用所分配的带宽来传送数据。
图1图示了无线因特网系统的层。参考图1，无线因特网系统包括物理层100、MAC层200和网络层300。可以将这些层分别称为第一、第二和第三层L1、L2和L3。如果需要的话，无线因特网系统还可以具有上层。
物理层100管理调制方法和多址接入RF处理，并且MAC层200承担控制对物理层的接入的功能，例如地址分配、接入协调和帧校验。网络层300管理路由选择和拥塞控制。层100、200和300通过服务器接入点10和20来控制相邻层之间的操作。
图2图示了传统的OFDMA-TDMA系统的帧结构。参考图2，作为MAC层消息的MAP 101定义由终端分配的资源和子信道的数量，并且充当指定跟随在MAP 101之后的下行链路突发串DL-BURST 102和上行链路突发串UL-BURST 103的组成部分(component)的索引。根据链路方向，MAP 101被分类为上行链路MAP UL-MAP和下行链路MAP DL-MAP。
如果终端预先请求OFDMA-TDMA系统分配特定的带宽，则该OFDMA-TDMA系统的协调器将带宽分配给帧。然后，终端分析MAP 101，以确认是否存在分配给它的带宽，并且使用由MAP 101指示的带宽分配间隔104来传送数据。
MAC是位于管理RF和调制解调器的物理层之上的协议。因此，MAP 101的数据应当受到接收RF和调制解调器信号所需的处理，以便到达MAC层。这产生了预定的延迟时间105。
此外，当MAC需要与所指定的间隔同步地传送数据时，该数据必须受到传送RF和调制解调器信号所需的处理。因此，应当在实际数据传送时间之前的预定延迟时间107传送数据。因而，终端的MAC应当在数据的帧实际开始的时刻之后的RF/调制解调器接收延迟时间105开始准备要传送的数据，并且在将传送所述数据所需的带宽分配给终端的时间间隔之前的RF/调制解调器传送延迟时间107结束该数据的准备。
当下行链路突发串DL-BURST与上行链路突发串UP-BURST的比率大约为7∶3、并且调制解调器/RF接收延迟时间105和传送延迟时间107分别占据下行链路突发串DL-BURST 102的1/3时，终端准备PDU(协议数据单元)所需的时间周期对应于下行链路突发串DL-BURST 102的大约1/3。调制解调器/RF接收延迟时间105和传送延迟时间107中的每一个与整个帧间隔的比率是7/10×1/3，这对应于单个帧间隔的大约1/4。这是非常短的时间，使得当单个帧间隔是5毫秒时，调制解调器/RF接收延迟时间105和传送延迟时间107中的每一个变为1.35毫秒。
终端应当基于QoS来传送数据。QoS是指提供减小网络业务量或者预先预留一些带宽的方法的网络能力。网络管理员以很多方式向其网络提供QoS。QoS不意味着100％的带宽保证或0％的分组丢失率。然而，网络管理员通过QoS、使用更快地传送特定业务量或预留网络带宽的方法来管理业务量传送。
已经公开了有关QoS的各种技术，例如IEEE 802.1p、区别服务、RSVP(资源预留协议)、IP复用等。
对于QoS，需要把要传送的数据分组分类，考虑到数据分组的重要性或紧急性而确定数据分组的优先级，并且基于它们的优先级来传送数据分组。这里，参考包括QoS特性的简档(profile)来执行内部算法。该过程是具有高复杂性的运算，因此通常利用软件来处理该运算。
然而，终端识别带宽分配并且随后使用所分配的带宽传送数据的时间周期非常短。因此，在所述时间周期内，难以利用软件来进行基于QoS的数据传送。如果利用硬件来执行基于QoS的传送，则难以用各种方式来精确地控制基于QoS的传送，尽管在所述时间周期内可以进行该传送。
此外，当协调器将带宽分配给下一帧而不是当前帧时，终端被给予延长的时间，该延长的时间包括添加到其上的单个帧间隔，因此，可以利用软件来执行基于QoS的数据传送。然而，在此情况下，数据传送由于所述给予终端的延长的时间而被延迟。这可能使上层应用程序的质量变差，并且在实时应用的情况下带来严重问题。
如上所述，当终端在OFDMA-TDMA系统中基于QoS来传送上行链路数据时，在利用软件和硬件来处理数据传送的两种情况下都存在问题。
发明内容
本发明的优点是提供一种具有反映QoS特性且满足时间限制的单个MAC层结构的无线因特网系统以及分组传送方法。
在本发明的一个方面，基于OFDMA-TDMA的无线因特网终端包括：QoS简档，存储关于QoS策略的信息；分类器，用于根据QoS策略将要传送的数据分组分类；第一模块，包括根据QoS策略将优先级赋予分类后的数据分组的第一优先级控制器；PDU形成器，用于从被赋予了优先级的数据分组产生PDU；第二优先级控制器，用于根据预定策略确定PDU的优先级；以及第二模块，将PDU排列在所分配的带宽中，以便传送该PDU。
附图说明
被包括在说明书中并且构成说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例，并且与描述一起用来解释本发明的原理；
图1图示了无线因特网系统的层；
图2图示了传统的OFDMA-TDMA系统的帧结构；
图3是示出根据本发明实施例的无线因特网系统的终端MAC的结构的方框图；
图4是示出根据本发明实施例的MAC软件部分的方框图；
图5是示出根据本发明实施例的MAC层的MAC硬件部分的方框图；
图6是示出根据本发明实施例的分组处理方法的一部分的流程图；和
图7是示出根据本发明的分组处理方法的另一部分的流程图。
具体实施方式
在以下详细描述中，简单地通过图示发明人所想到的、实施本发明的最佳方式，来仅仅示出和描述本发明的优选实施例。如将认识到的那样，本发明能够在各种明显的方面进行修改，而均不背离本发明。因此，附图和描述应当被视为在本质上是说明性的，而不是限制性的。为了阐明本发明，省略了未在说明书中描述的部分，并且被提供了相似描述的部分具有相同的参考标号。
图3是示出根据本发明实施例的无线因特网系统的终端MAC层的结构的方框图。该结构没有示出MAC层的控制平面部分，而是仅示出用户平面部分。将上行链路数据从网络层300通过MAC层200传送到调制解调器/RF部分100。
本发明使用MAC软件部分和MAC硬件部分来处理MAC的QoS功能。参考图3，根据本发明的MAC层200的基本结构包括：MAC软件部分210，其具有分类器211、接纳(admission)控制器212和高级优先级控制器213；以及MAC硬件部分220，其具有PDU形成器221、低级优先级控制器222和传送器223。此外，MAC层200还包括存储QoS策略的QoS简档216。可以分别以模块形式来构造MAC软件部分210和MAC硬件部分220。
MAC软件部件210处理具有高复杂性的运算，并且MAC硬件部分220处理具有低复杂性的运算。与上述受限制的时间无关地操作MAC软件部分210，以便确定长期的基于QoS的优先级，而MAC硬件部分220对所述受限制的时间敏感，并且确定短期的基于QoS的优先级。
如上所述，MAC软件部分210包括分类器211、接纳控制器212和高级优先级控制器213。分类器211利用QoS将所接收的数据分组分类。接纳控制器212基于网络状态来丢弃具有低重要性程度的数据分组。高级优先级控制器213根据QoS策略来确定已经通过接纳控制器212的数据分组的优先级，并且基于数据分组的优先级来有区别地传送它们。组件211、212和213参考存储关于QoS特性的信息的QoS简档216来执行它们的功能。
MAC硬件220包括PDU形成器221、低级优先级控制器222和传送器223。PDU形成器221形成MAC PDU。低级优先级控制器222根据固定的策略来确定MAC PDU的优先级，以便基于该优先级来有区别地传送MACPDU。传送器223与作为MAC层200的下层的调制解调器/RF层100接口，以便实际传送数据。
现在将更详细地解释根据本发明的终端MAC层。
图4是示出根据本发明实施例的MAC软件部分210的结构的方框图。除了分类器211、接纳控制器212和优先级控制器213以外，MAC软件部分210还在内部操作QoS队列214和优先级队列215。QoS队列214利用QoS将数据分组分类，并且存储它们。优先级队列215利用优先级将已经通过接纳控制器212的数据分组分类，并且存储分类后的数据分组。
具体地说，分类器211基于所选择的QoS简档而将来自网络层的数据分组分类，并且有选择地将该数据分组存储在QoS队列214中。识别分组业务量的类型，并且该分组在QoS队列214中备用。例如，诸如音频数据和突发数据的具有不同特性的数据项可以基于QoS简档的信息、根据QoS策略而被存储在QoS队列214中，并且在QoS队列214中备用。
接纳控制器212确定是接纳还是丢弃来自QoS队列214的数据分组，以便有选择地将该数据分组存储在优先级队列215中。接纳控制器212根据当前呼叫的可用业务量状态和QoS策略来有选择地将数据分组存储在优先级队列215中。
高级优先级控制器213基于QoS策略而将优先级赋予存储在优先级队列215中的分组。例如，将比赋予容许传送延迟的电子邮件数据的优先级高的优先级赋予需要实时传送的音频数据。
如上所述，MAC软件部分210执行对时间较不敏感的功能、反映QoS特性、并且做出各种精确的判定。
图5是示出根据本发明实施例的MAC层的MAC硬件部分220的方框图。参考图5，基于高级优先级控制的分组(high-level-priority-controlled packet)的优先级而将它们从MAC软件部分210发送到MAC硬件部分。MAC硬件部分的PDU形成器221将开销比特添加到该分组上，以产生MAC PDU。由低级优先级控制器222将所产生的MAC PDU在排序队列224中依序排序并在排序队列224中备用(stand by)。
排序队列224基于固定的优先级策略来将所产生的PDU排序，并且保存排序后的PDU。所述固定的优先级策略是按照ACK分组、管理消息分组和用户数据分组的顺序而机械地将优先级赋予分组。也就是说，低级优先级控制器222基于能够控制优先级的机械的低级策略来控制优先级。
在排序队列224中，具有最高优先级的分组位于底部，并且具有低优先级的分组被置于具有最高优先级的分组之上。
当分配了带宽时，从排序队列225中、从该排序队列的底部到顶部依序提取由优先级控制器222排列的PDU，并且所述PDU填充所分配的带宽。例如，当从帧的上行链路MAP UL-MAP 110检测到分配给终端的带宽时，MAC硬件部分在没有超过所分配的带宽的长度的范围内、从高优先级PDU到低优先级PDU(PDU a、PDU b、PDU c、...)依序提取在排序队列中备用的PDU，并且将所提取的PDU置于所分配的带宽BWp中。
传送器223传送具有填充有PDU的所分配带宽的帧。
如上所述，本发明可以根据由MAC软件部分和MAC硬件部分执行的两个优先级控制步骤来进行基于QoS的优先级控制，并且克服在上行链路MAP之后给予MAC的时间限制。
图6是示出根据本发明实施例的分组处理方法的一部分的流程图。
在步骤S100中，根据QoS策略将从无线因特网系统的网络层传送的数据分组分类。该QoS策略使带宽利用率最大，并且使当前通信环境下的分组丢失率最小。该QoS策略被反映在基于QoS简档的数据分类上。
在步骤S110中，分类后的数据分组被存储在QoS队列中，并且在QoS队列中备用。QoS队列将基于不同的QoS策略分类的数据分组依序存储在不同的队列中。
在步骤S120中，接纳控制算法确定是否接纳存储在QoS队列中的数据分组。该接纳控制算法参照当前呼叫状态和数据特性来确定是否传送所述数据分组。不允许接纳的数据分组被丢弃，而允许接纳的数据分组被移动到下一步骤。
在步骤S130中，基于QoS策略而将优先级赋予允许接纳的数据分组。这里，根据业务量特性和定义QoS简档的QoS能力、考虑到重要性和紧急性而通过软件处理将优先级赋予所述数据分组。
如上所述，在步骤S140中，基于具有优先级的数据分组的优先级而将其再次分类，并将其依序存储在优先级队列中。在步骤S150中，将所存储的数据分组从具有高优先级的数据分组开始到具有低优先级的数据分组依序传送到MAC硬件部分。
图7是示出根据本发明的分组处理方法的另一部分的流程图。
根据由QoS软件部分给其赋予优先级的数据分组的优先级，将所述数据分组从MAC软件部分传送到MAC硬件部分并且进行排列。通过机械过程在排序队列中校准(align)所传送的数据分组。也就是说，在步骤200中，基于分组的报头或标识符，从具有高优先级的分组开始到具有低优先级的分组机械地校准数据分组。
当在步骤S210中如MAP所指示的那样分配带宽时，在步骤S220中，将校准的分组机械地排列在所分配的带宽中。因此，当识别出MAP的指令时，在相对短的时间周期内将分组排列在所分配的带宽中，而不考虑QoS。
当分组被排列在所分配的带宽中时，在步骤S230中，产生并传送作为物理层的PDU的帧。如上所述，MAC硬件部分识别MAP并且排列分组所需的时间周期足够短，因此也可以充分地保证传送所述帧的传送延迟时间。
尽管已经结合目前被视为最实用的和优选的实施例描述了本发明，但是应当理解：本发明不限于所公开的实施例，而是，相反，意欲涵盖被包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同配置。
如上所述，根据本发明的OFDMA-TDMA无线因特网系统的终端MAC结构可以在满足复杂的和各种各样的QoS特性的同时消除分组延迟。

Claims (8)

1.一种基于OFDMA-TDMA(正交频分多址-时分多址)的无线因特网终端，包括：
QoS简档，存储关于QoS策略的信息；
第一模块，包括用于根据QoS策略将要传送的数据分组分类的分类器、确定接纳或丢弃由分类器分类的数据分组的接纳控制器、以及将第一优先级赋予由接纳控制器接纳的数据分组的第一优先级控制器；和
第二模块，包括：PDU形成器，用于从被赋予了第一优先级的数据分组产生PDU；第二优先级控制器，用于根据预定策略确定PDU的第二优先级；以及传送器，用于将被赋予了第二优先级的PDU排列在所分配的带宽中，以便传送该PDU。
2.如权利要求1所述的基于OFDMA-TDMA的无线因特网终端，其中，第一模块还包括：QoS队列，其存储被分类器分类的数据分组，以及优先级队列，其基于数据分组的第一优先级存储由所述接纳控制器接纳的数据分组。
3.如权利要求1所述的基于OFDMA-TDMA的无线因特网终端，其中，在MAC层中利用软件来构造第一模块。
4.如权利要求1所述的基于OFDMA-TDMA的无线因特网终端，其中，第二模块包括排序队列，其基于它们的第二优先级来依序存储PDU。
5.如权利要求4所述的基于OFDMA-TDMA的无线因特网终端，其中，所述PDU是MAC PDU，并且
其中第二优先级控制器按照ACK分组、管理消息分组和用户数据分组的顺序将第二优先级赋予MAC PDU，而与QoS简档无关。
6.如权利要求1所述的基于OFDMA-TDMA的无线因特网终端，其中，在MAC层中利用硬件来构造第二模块。
7.一种无线因特网终端中的分组处理方法，包括：
基于QoS策略来分类和存储数据分组；
确定接纳或丢弃被分类的数据分组；
基于QoS策略向接纳的数据分组提供第一优先级以便基于它们的第一优先级而有区别地传送该数据分组；
基于数据分组的特性来向该数据分组提供第二优先级，而与QoS策略无关；以及
基于第二优先级来依序对数据分组进行排序，以便将该数据分组排列在所分配的带宽中。
8.如权利要求7所述的分组处理方法，其中，利用软件来执行所述分类和存储数据分组、确定接纳或丢弃分类后的数据分组、以及将第一优先级提供给接纳的数据分组，并且利用硬件来执行所述将第二优先级提供给数据分组以及排列该数据分组。
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