CN101002489B - 在多物理传输速率无线系统中提供公平频谱共享的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种在无线网络中提供频谱分配公平性的方法，包括提供无许可证的通信频谱。该方法还包括有多个无线系统(101，102，103)共处一处，其中所述子系统中的至少两个具有不同的带宽要求和信道容量。另外，该方法包括确定每个系统的带宽要求、并对于一特定的间隔给每个系统分配带宽(303，304，305)或通信周期(311，312，313)。还描述了一种提供频谱分配公平性的无线系统(100)。

Description

在多物理传输速率无线系统中提供公平频谱共享的方法和设备
在传统的有线系统中无线技术的使用变得更加普遍了。例如，在传统地保留给有线连接的链路上已实施了用于计算机的无线网络。
随着无线链路变为更加普遍地被利用，需要有改进的协调以操控共享共同频谱的无线站/节点的无线业务。作为说明，在诸如无线局域网(WLAN)那样的无线网络中，或当部署共处一处的无线系统时，某些无线系统可能具有不同的频谱带宽、或者可能以与共享共同频谱的其它无线系统不同的速率进行发射。正如随着本说明的继续将会变得更清楚的，在已知的技术中这些具有不同的频谱带宽/传输速率的系统可以具有不同的传输机会，以及可被拒绝接入到频谱，或可拒绝某种不公平的程度的对其它无线系统的接入。因此，在各种共处一处的无线系统之间，可能难以达到对于最佳地接入共享频谱的发射时间(airtime)或带宽的公平性。
为了解决发射时间或频谱的公平性问题，在某些已知的系统中通过将频谱的使用权许可给特定的供应者来实现部分频谱的独占性。这样，在被许可人的地理界限内禁止由被许可人之外的其它用户使用被许可的频谱部分。这些许可在美国和其它地方是由政府机构(例如，联邦通信委员会(FCC))授予的，这些政府机构也提供遵从准则(compliancecriteria)和频谱监视。
不幸地是，经常会不希望使用许可来保证适当的发射时间和带宽的公平性。例如，许可是昂贵的，并且它们不必要地限制了被许可频谱的潜在使用，这导致频谱的低效率的使用。
Spectrum Agile Radio(SAR)(频谱捷变无线电)以及其它技术寻求对无许可证的(unlicensed)或公共的无线电频谱的高效使用。即，这些技术试图通过为共处一处的资源提供频谱礼仪规则(spectrumetiquette rule)和使用共同的无许可证的无线电频谱而达到无线电资源(例如，无线站)的公平共享。
鉴于上述内容，需要有一种在无许可证的频谱中向无线系统提供发射时间和带宽的公平性的途径，从而满足它们的服务质量(QoS)需要并且同时高效地利用无线电频谱。
按照示例性实施例，一种在多个无线系统之间提供带宽公平性的方法包括提供无许可证的通信频谱。该方法还包括有多个无线系统共处一处，其中至少两个不同的无线系统具有不同的频谱带宽和信道容量。另外，该方法包括确定每个系统的带宽要求和对于一特定的间隔给每个系统分配带宽或通信周期。
按照另一个示例性实施例，无线网络包括无许可证的无线电频谱和多个无线站，其中至少两个站具有不同的带宽要求。根据每个站的带宽要求，对于一特定的间隔给每个站分配带宽或通信周期。
通过结合附图阅读以下的详细说明，将最好地了解本发明。应当强调的是，各种特征不一定是按比例画出的。事实上，为了讨论的简明起见，尺度可以任意增加或减小。
图1是一无线系统的示意图，它包括按照示例性实施例的共处一处的无线系统。
图2a和2b显示按照示例性实施例的不同无线系统的带宽和带宽重叠。
图3a和3b是显示按照示例性实施例的、基于带宽的公平性和基于通信时间的公平性的概念图。
在以下的详细说明中，为了解释而不是限制的目的，阐述了公开具体细节的示例性实施例，以便提供对本发明的透彻的了解。然而，对于从本公开内容获益的本领域技术人员来说，显然本发明能以其它脱离了这里公开的具体细节的实施例来实践。此外，熟知的装置、方法和材料的说明可以被省略，以免遮蔽本发明的说明。最后，在任何的应用之处，同样的参考标号指代同样的特性。
概略地，如结合说明性实施例在此阐述的，描述了在无线通信中提供频谱公平性的方法和设备。作为说明，在特定的地理区域内布置多个无线系统，它们共享共同的无许可证的通信频谱。在某些示例性实施例中，频谱公平性是通过以下方式实现的，即为共享频谱的每个不同的无线系统分配一个在其间进行通信的指定的时间间隔，其中每个时间间隔与该特定系统的要求成比例。每个无线系统具有相同时间是按比例的时间分配的一种特殊情形。
在另一个示例性实施例中，频谱公平性是通过以下方式实现的，即为共享同一频谱的每个不同的无线系统分配与它们的要求成比例的信道容量。为共享同一无许可证频谱的不同无线系统提供相同的信道容量是按比例的带宽分配的一种特殊情形。在这两个示例性实施例中，属于具有较大带宽的无线系统的站可以传送较大数量的信息，这取决于它们被允许进行发射的时间或信道容量的比例。
不管所选择的方法如何，该示例性实施例的礼仪方案提供了对无许可证的频谱的公平共享，而没有显著的QoS减小的干扰。
应当强调的是，该示例性实施例的不同的无线系统可以存在于同一个无许可证的频谱中以及不同地共享该频谱带宽。为此，为了说明而不是限制的目的，所述系统可包括工作在2.4GHz频段的蓝牙系统和WLAN。说明性地，蓝牙系统具有约1.0MHz的带宽，而WLAN系统具有约20.0MHz的带宽。
图1显示按照示例性实施例的无线系统100。无线系统100说明性地包括第一类型的无线系统(A)101、第二类型的无线系统(B)102和第三类型的无线系统(C)103。当然，在本示例性实施例中系统100的共享无许可证频谱的无线系统的数目仅仅是说明性的。显然，可由比所描述的三个系统更多或更少的系统组成系统100并且它们可以共享该无许可证的频谱。
每个无线系统101-103可包括多个无线站或子系统，它们以规定的频率运行并且具有规定的带宽。例如，如图2a所示，系统类型A 101的无线电频率网格201具有中心频率f2、f6和f8。按照系统类型A 101的无线协议运行的无线系统将各自具有如图所示的带宽。同样地，在系统类型B 102中说明性地有9个无线装置运行在无线电频率网格201中，每个系统具有独特的中心频率和公共带宽。最后，无线系统类型C103运行在中心频率为f5的无线电频率网格203中，并具有如图所示的带宽。正如可以看到的，有三个类型A101的无线系统、九个类型B102的系统和一个类型C103的系统。
正如可以容易地看到的，图1的示例性实施例的系统100包括这样的无线系统，它们是：相对窄带的系统、相对中等带宽的系统和相对宽带的系统。即，无线系统类型B 102的带宽是无线系统类型C 103的带宽的1/9，以及是无线系统类型A 101的带宽的1/3。同样地，无线系统A的带宽是无线系统C 103的带宽的1/3。
按照运行在非许可的频谱中的CSMA/CA系统的已知礼仪，在(窄带)系统B 102中在具有中心频率f1、f2和f3的信道上将出现三个成功的传输，在此期间(宽带)系统C和具有中心频率f2的(中等带宽)系统B将感知信道被占用。正如可以看到的，通过已知的方法，较窄带的系统比起较宽带的系统将被给予更多的机会进行发射。正如随着本说明的继续将会变得更清楚的，示例性实施例的礼仪规则提供了频谱共享，其基本上消除不成比例的传输机会以及其它操作上的间隔，由此，与已知的系统相比较大大地改进了系统100的QoS和总的频谱效率。
按照示例性实施例，无线系统100可以具有先前提及的多物理传输速率。而且，按照说明性实施例，无线系统101-103的装置可以是任何适当的装置或具有基础MAC层的子系统，其按照具有冲突避免的载波侦听多址接入(CSMA/CA)协议来运行。应当强调的是，示例性实施例的系统不限于仅仅将CSMA/CA作为它们协议的MAC协议。例如，系统101-103可以利用诸如Aloha(阿罗哈)，Slotted Aloha(分隙的阿罗哈)，时分多址(TDMA)，频分多址(FDMA)，时分双工或树争用解析协议(tree contention resolution protocol)那样的协议，这里只是点到几个。但是，为了以简易的方式描述示例性实施例，仅仅参考CSMA/CA协议。另外，应当指出，所述系统的装置可以是移动计算机、个人数字助理和便携式器具，诸如蜂窝通用分组无线电服务(GPRS)电话、超宽带(UWB)装置、蓝牙装置和按照IEEE标准802.11及其后代(progeny)运行的无线局域网(WLAN)装置，它们规定了多物理传输速率。还应当指出，这些装置仅仅是说明性的以及当然不是穷举列表。
无线系统101-103的每个装置可以与同一个无线系统中的其它装置通信以便进行如以104表示的数据和话音通信，并且可以与不同的无线系统的其它装置通信以便如以105表示的传送某些控制信息。在某些示例性实施例中，任选的控制信道106把共处一处的系统的信息以及某些操作参数提供给每个系统101-103，这些操作参数提供对每个系统101-103的时间或带宽分配。正如随着本说明的继续将会变得更清楚的，这些参数可以是以下项目中的一项或多项：最小争用窗口(CWmin)，最大争用窗口(CWmax)，帧间间距(IFS)，和传输突发(TXOP)。按照在这里更全面地描述的示例性实施例，根据存在的系统的数目和类型对这些参数进行调节，以便对存在的所有系统提供频谱公平性，且共享该无许可证的传输频谱。最后，应当指出，控制信道106可以是集中式的或分布式的，正如在这里更全面地描述的。
按照某些示例性实施例，使用控制信道106来实现通过分配通信时间或带宽而进行的通信协调。在其它示例性实施例中，控制信道是预先决定的，通信协调是通过使得每个系统在周期性间隔内发射信标来实现的。现在描述在前的实施例。
如前所述，无线系统101-103的通信协调可以通过借助在控制信道上不同系统之间的通信来分配带宽或时间而被实现。图3a是分隔信标302的控制信息交换间隔301的概念性表达。信标302说明性地在控制信道106上发射。信标302包含所有系统都懂得的控制信息。正如随着本说明的继续将会变得更清楚的，不同的无线系统(例如，系统101-103)在它们于控制信道中发射的各自信标中传送它们对于带宽分配或时间分配的请求。
说明性地，每个系统101-103被分配一个特定的带宽间隔，在这个带宽间隔上它可以与在它的系统外面和里面的其它系统装置通信。这些通信间隔各自具有对于所有系统来说基本上相同的幅度。为此，不管特定系统的带宽容量如何，每个系统都在控制信道频段内发射信标。正如可以看到的，取决于特定系统的带宽容量，它可以要求比其它系统或多或少的间隔，以使得所有的系统被赋予相等的频谱接入。这种相等性被结合当前的示例性实施例来进行描述。
在从信标302终结处开始的控制信息交换间隔301期间，如所示的，第一系统101(A)在具有固定值fx的某个带宽302上从某个时刻开始进行发射并发射达某个有限的时间周期。此后，第二系统102(B)通过以与第一系统相同的速率发射并发射达相同的时间间隔，而在某个带宽值fx 303上进行发射。最后，第三系统在同样的带宽304上进行发射。
正如从结合图1-2b的示例性实施例所描述的说明性系统中可以看到的，系统102的带宽是系统103的1/9和系统101的1/3。正如所描述的，这可以增加系统102对频谱的接入，以排除其他的系统101和103。在本示例性实施例中，频谱公平性是通过给每个系统101-103提供和其相对带宽要求成比例的多个间隔而达到的。例如，系统103具有的带宽是系统101的9倍，且它通过已知的技术可具有较少的接入机会，因为它与其它12个无线系统(类型B的9个系统和类型A的3个系统)共享频谱，但通过适当地调节诸如CWmin、TXOP和TFS之类的参数，系统103可被准予附加的接入频谱的机会。对于其它无线系统可以作出类似的分配。
每个无线系统的信标在控制帧中被传送，并且该信标包括该无线系统正在其上运行的频率(中心频率)、被分配给图3a所示的类型A、B或C系统的频谱带宽、带宽要求或发射时间要求、这个系统中装置的数目和当前所使用的争用参数。
这些信标由相应的无线系统周期性地发射。信标也被使用来请求附加的资源或返还资源。另外，监视控制信道也允许无线系统了解存在多少个不同的系统和类型相同的系统。
如前所述，按照示例性实施例的两个方法有利地实现了参数的分配的协调。一个方法是集中式方法，另一个方法是分布式方法。在集中式方法中，从共享频谱的所有系统中选择无线装置中间的一个作为中央控制器。例如，系统类型C103的装置107可被选择为系统100的中央控制器。
选择过程可以是简单的过程，其中使来自宽带的装置之一成为中央控制器，因为它们跨越整个频谱。说明性地，在系统类型C 103的所有宽带装置中间，根据最小或最大MAC地址选择一个装置作为中央控制器。替换地，中央控制器可以从互相竞争的装置中间选择，用控制信道f0中广播的信标302、308来指示成功的装置是中央控制器。为了简单起见，中央控制器从那些最先把信标放置到媒质上的宽带系统的装置中选择。一旦中央控制器被选定，它就在整个使用期限内或在传输间隔内保持作为中央控制器。正如结合下面的例示来描述的，一个间隔可以是包括多个(例如，103)控制信息交换间隔301的时间周期。
一旦识别了中央控制器107，则由不同的无线系统放置的所有信标都被中央控制器107了解。根据信标中的信息，中央控制器107使用发射时间公平性或带宽公平性来分配频谱资源。说明性地，发射时间公平性和带宽公平性是通过设置相关的参数(例如，CWmin，CWmax等)而达到的，这可以按照在以下美国临时专利申请中描述的方法来实现，这些美国临时专利申请的序列号是：2003年7月23日提交的60/489,685；2003年12月16日提交的60/529,791；2003年9月3日提交的60/449,854；2004年2月17日提交的60/545,3191；和2003年6月30日提交的60/483,792。所有的这些申请是属于Shankar等人的，以及其中的发明是属于专利受让人和被转让给专利受让人的。这些申请的公开内容特别地在此引入以供参考。应当指出，这些方法仅仅是说明性的，在从本公开内容获益的本领域技术人员的视界内的其它方法可被使用来设置这些参数。
现在描述一个示例性实施例的例示。在本示例性实施例中，带宽公平性是在分布式或集中式控制方案中达到的。在本例示中，类型A的系统101是工作在2.4GHz的无线LAN；类型B的系统102是工作在2.4GHz的蓝牙系统；以及类型C的系统103是工作在2.4GHz的宽带LAN。而且，系统101的装置以54Mbits/s进行发射；第二系统102的装置以1Mbit/s进行发射；以及第三系统的装置以500Mbits/s进行发射。最后，在本例示中，第一装置希望在跨越多个控制信息交换间隔301的1分钟间隔期间发送25Mbits的信息；第二装置希望在相同的1分钟期间发送100Mbits的信息；以及第三装置希望在相同的1分钟内发送480Mbits的信息。
在本示例性实施例中，在接收到来自每个系统101-103的请求后，控制信道106或中央控制器107将分配2秒的发射时间给第一系统101；分配25秒的发射时间给第二系统102；和分配1秒的发射时间给第三系统。当然，应当指出，可以按照示例性实施例的公平性方法来给来自每个系统101-103的多个装置分配发射时间。从每个系统选择仅仅一个装置只是为了讨论的简明性。
在时间间隔(在本例中是1分钟)期满后，每个装置和系统将被给予在特定的时间间隔内发射和/或接收想要的信息量的机会。自然，这个处理过程可以重复。
图3b是一个概念图，其中频谱公平性是通过使用达到发射时间公平性的时间分配而达到的。在本示例性实施例中，中央控制器107周期性地发送信标309，信标309指示在不同系统之间的时间分配的控制可以通过使用诸如CWmin、CWmax或IFS或TXOP的参数或通过对于每个系统周期性地留出(set aside)时间而达到。后一种方法在下面描述。
信标309发射每个系统101-103的传输时刻和持续间隔。在本示例性实施例中，信标309经由控制信道106被发射，并且它指示每个系统使用频谱的开始时刻和使用的持续时间。
为了在本示例性实施例中达到发射时间公平性，持续时间与个体系统的要求成比例。为此，考虑其中系统101的传输间隔311等同于系统102的传输间隔312和等同于系统103的传输间隔313的特殊情形。然而，系统101-103的带宽是不相同的。照这样，系统103在间隔313期间发射的信息相当于系统101在间隔312期间发射的3倍；以及相当于系统102在间隔311期间发射的9倍。因此，通过向每个系统准予在时间上相等的接入，示例性实施例培养了(foster)相等的系统接入且允许每个系统以它的最佳比特速率工作。
如先前描述的，按照某些示例性实施例，无论频谱公平性是通过使用时间分配还是带宽分配来达到，都可以使用控制信道。如果系统100是集中式或分布式的，则可使用这种控制信道。现在描述在集中式和分布式信道中引入控制信道的某些示例性实施例。
在示例性实施例中，实现集中式控制以达到频谱接入公平性。可以通过使用来自中央节点的专用控制信道来实行集中式控制。例如，在示例性实施例中，控制信道106可以来自装置107。这个说明性方法是有效的，并且它可以按照示例性实施例容易地实施。在说明性实施例中，指配任一系统(101-103)的一个装置/站作为控制器或AP，它发射信标、对传输参数(例如，TXOP，CWmin等)进行修改、并且提供命令到共享频谱的每个系统，正如结合图3a和3b的示例性实施例进行描述的。
一旦装置已被选择，它将监视正在利用该无许可证的频谱的系统的数目，并且将根据带宽公平性或发射时间公平性来准予/拒绝来自不同系统的资源请求。如果频谱礼仪的目标是在结合图1、3a所描述的示例中的三个系统之间具有有差异的带宽公平性，则该说明性的方法会调节诸如CWmin、AIFS或TXOP极限的CSMA/CA的参数，以实现该差异。例如基于CWminn和IFS的公平性分配可以是如在美国临时专利申请序列号60/529,790中描述的、以及如在Shanker等人的“Inter-Frame SpaceBased Service Differentiation For 802.11E Wireless LAN’s(用于802.11E无线LAN的基于服务区分的帧间间距)”，IEEE VehicularTechnology Conference(VTC)，秋季，2003年十月，Orlando，Florida(奥兰多，佛罗里达)中描述的。这个出版物的整个公开内容在此引入以供参考。替换地，可以使用TXOP极限。在示例性实施例中，TXOP被与系统100的每个系统101-103的要求相称地分配。例如，如果系统A101需要系统B 102的2倍的发射时间用量，则被分配给A的TXOP的数值是B的2倍，或者A可以以周期性的方式被赋予类型B2倍的时间间隔。
同样地，在频谱接入公平性是通过提供发射时间公平性而达到的实施例中，有效的协调是由中央控制器完成的，中央控制器分配与它们的要求成比例的时间，并且关断其它系统，由此达到发射时间的公平性。
按照其它示例性实施例，没有中央控制器(即，分布式控制方法)，且频谱分配公平性是按照某些示例性实施例达到的。在一个实施例中，没有中央控制器，每个系统101-103必须首先收听控制信道106达足够的时间量，以确定有多少系统正在共享频谱。所有的系统101-103在控制信道f0中广播它们的负荷、时间占用率、在它们自己的频带中所进行的测量的功率电平和其它信息。对于附加资源作出这种请求的任何无线系统必须监视来自该频谱内所有系统的消息，然后确定现在是否可以对于附加请求接纳新的请求。应当指出，结合涉及到使用中央控制器的示例性实施例描述的、达到发射时间和带宽的公平性的方法可被引入到示例性实施例的分布式控制方法中。即，可以使用调节通信参数以及带宽与发射时间的分配的方法，且因为已给出了该方法，故因此不再重复该方法。
除了引入控制信道的使用的示例性实施例以外，频谱分配公平性还可以通过使用当前描述的示例性实施例的方法和设备而达到。
在某些先前的示例性实施例中，控制信道被使用来接收来自每个系统的参数，以及用来分配频谱使用和协调通信。按照其它示例性实施例，这种信息交换是通过分布式无线网络中的各个系统功能且在这些功能中间来实现的。例如，在图1-2b的示例性实施例中，每个系统101-103将以有规则地调度的间隔来发射信标。每个信标将通过上述参数而包括系统要求。在发送出信标后，系统将等待来自共享频谱的任何系统的响应，这被定义为响应间隔。如果没有接收到响应，则系统将调节在信标中提出的参数。如果在信标间隔期间在响应间隔内接收到响应，而显然这些请求不适应其它系统，那么因此该请求可被丢弃。来自系统的响应可以建议这个进行请求的系统可以使用的MAC参数或时隙的替换方案。
已经结合示例性实施例的讨论详细地描述了本发明，应当看到，对于从本公开内容获益的本领域技术人员来说，本发明的修改是显而易见的。这样的修改和变化被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种在无线网络(100)中提供频谱分配公平性的方法，该方法包括：
提供无许可证的通信频谱；
有多个无线系统(101，102，103)共处一处，其中该多个无线系统中的至少两个无线系统具有不同的频谱带宽和信道容量；以及
确定每个系统的带宽要求，并基于所确定的带宽要求对于一特定间隔给每个系统分配带宽(303，304，305)或通信周期(311，312，313)。
2.如在权利要求1中阐述的方法，其中该方法还包括分配媒体接入控制MAC子层参数给每个系统。
3.如在权利要求2中阐述的方法，还包括在分配媒体接入控制MAC子层参数之前调节该参数。
4.如在权利要求1中阐述的方法，其中分配带宽还包括把每个系统限制于一个传输速率。
5.如在权利要求1中阐述的方法，其中分配通信周期还包括为每个系统提供基本上相同的通信时间。
6.如在权利要求3中阐述的方法，还包括提供控制信道(106)，它接收MAC层参数和提供经调节的MAC层参数。
7.如在权利要求6中阐述的方法，其中所述网络是分布式的。
8.如在权利要求6中阐述的方法，其中所述网络是集中式的。
9.如在权利要求8中阐述的方法，该方法还包括：
从所述系统之一中选择一个装置(107)作为中央控制器。
10.如在权利要求9中阐述的方法，其中该中央控制器提供某个时隙给每个系统的至少一个装置，在该时隙期间该装置能传送和/或接收信息。
11.一种无线网络，包括：
无许可证的无线电频谱；
多个无线系统(101，102，103)，并且至少其中两个系统具有不同的频谱带宽要求和信道容量，其中确定每个无线系统的带宽要求，并基于每个无线系统的所确定的带宽要求对于一特定间隔给每个系统分配带宽(303，304，305)或通信周期(311，312，313)。
12.如在权利要求11中阐述的无线网络，其中该方法还包括分配媒体接入控制MAC子层参数给每个系统。
13.如在权利要求12中阐述的无线网络，其中每个系统的传输速率在特定的时间间隔中被限制。
14.如在权利要求11中阐述的无线网络，其中对于一特定的时间间隔，每个系统被准予基本上相同的通信时间。
15.如在权利要求13中阐述的无线网络，还包括控制信道，它接收MAC层参数、提供经调节的MAC层参数。
16.如在权利要求11中阐述的无线网络，其中所述网络是分布式的。
17.如在权利要求11中阐述的无线网络，其中所述网络是集中式的。
18.如在权利要求17中阐述的无线网络，还包括从在多个系统内的多个装置中选择的集中控制器(107)。
19.如在权利要求11中阐述的无线网络，其中多个信标(302，308)在多个控制信息交换间隔(301)的每一个的开始时被传到所述系统以便为无线系统传送对于带宽分配或者时间分配的请求。
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