CN101015196A - 在无线网络中处理休眠的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于在无线广域网(104)中为用户(103)确定并且保持休眠定时器的方法和系统(图3)，它们可以促进无线信道的有效使用。监控用户使用以便确定用户使用统计(110)。基于该用户统计，为一个给定用户确定一个休眠定时器值。用于该给定用户的休眠定时器然后被设置为该休眠定时器值。

Description

在无线网络中处理休眠的系统和方法

技术领域

本发明涉及无线广域网，更具体地涉及在CDMA2000无线网络中处理休眠定时器。

背景技术

越来越多的用户使用无线通信。受到无线数据的吸引，这种趋势进一步得到刺激。普遍推测，移动用户接入数据业务的数量将经历在有线网络中证明的迅速增长。建议下的新的更高数据速率接口保证了带宽和接入的增长水平，从而与有线网络相竞争。

正在提出所谓的第三代(3G)网络来提供更高的数据速率和其他改进。图1说明了根据CDMA 2000方案的一个3G网络示范结构。

在该示范网络中，移动台102通过空中接口103与一个无线接入网(RAN)104通信。RAN104包括基站收发信机(BTS)106，BTS 106与移动台无线联系并且与基站控制器(BSC)108固线通信。BSC 108控制用于和移动台通信的无线设备。这种功能通称为无线资源管理，并且它包括在一个BSC内漫游的移动台102的切换管理以及为语音和数据业务分配无线信道。

BSC与一个移动交换中心(MSC)112通信，MSC是一个具有增强呼叫处理软件(包括移动性管理)和(可选的)硬件的标准本地终端局，它可以执行代码转换和速率匹配功能。MSC的业务容量被设计为使用标准的厄兰(Erlang)业务量管理技术。假定业务量遵守具有大约几百秒的呈指数分布的占线时间的泊松到达。典型地，在RAN和MSC之间的信号信息根据预定协议传送，语音数据根据其他协议通过承载电路传送。其中，MSC112提供移动性管理功能性。这种功能由诸如移动台位置、移动身份和验证这样的移动台管理参数组成。在BSC之间以及在MSC之间的切换由MSC控制。MSC使用已知的信令和承载电路协议与公共交换电话网(PSTN)114通信。这些结构的一个突出特点是端对端电路电话范例，在这种电话范例中资源的明确预留保证了服务质量。

3G网络包括在较早的方案中没有的新功能，以支持分组数据接入网(与电路网络相对)。例如，CDMA 2000建议包括两种新的网络功能：分组控制功能(PCF)110和分组数据业务节点(PDSN)116。PCF 110可以与BSC 108一起位于RAN104内。PDSN 116可以独立设置并且可以经一个无线对分组(R-P)接口与PCF通信。PDSN使用基于IP的协议与IP网络118通信。

PCF 110负责保证分组数据业务在无线方正确传送，即，通过空中接口传送到移动站102。PCF直接与PDSN 116连接，以通过称为R-P(无线对分组)接口的一个接口传送用户分组数据。PDSN 116是一个通向数据网络118的网关，并且它把逻辑链路层(PPP)端接到移动台102。简而言之，对于在移动台102上的应用和分组数据网118之间的数据来说，它像一个路由器。

CDMA 2000建议的关键部分在于，呼叫处理和移动性管理仍然在MSC 112的权限下。MSC建立并且释放所有的分组交换数据呼叫。它还可以管理切换。因此，MSC通过继续提供一组核心功能来保持它在CDMA 2000分组数据网中的关键地位。

在无线网络中最有价值的资源是分配给网络运营商的频谱。最大化资源的使用，即支持数量尽可能多的“空中”用户，是一个关键优点。电路电话技术，在其具有明确资源预留的范例中，如果它把未使用的资源给用户，那么不能有效使用频谱资源。这已经被普遍认识到，并且传统的解决方案是所谓的“忙时”假设，即不是所有涉及一个资源的用户都同时尝试使用该资源，此外，用户利用该资源的时间即占用时间将受到限制。在这种假设下，在RAN中可以支持的用户数量可以比可用的无线信道数量大。这种用户的增加也称为由于呼叫到达的统计复用而产生的增益。

关于一个给定用户总数的统计复用增益大小取决于占用时间和呼叫到达的速率(在给定时间周期内的呼叫数量)。在传统的移动电话技术中，呼叫的占用时间假定为具有2-3分钟均值的指数分布。已经广泛研究了呼叫到达的速率并且已经提出了许多不同的统计分布以便捕获呼叫到达的速率。传统的电路交换结构大部分通常受到假定呼叫到达的速率是随机变量的影响，其中随机变量的概率密度函数服从柏松公式。在假定呼叫到达是柏松随机变量中的关键点意味着该变量的均值和方差是相同的；因此，对于一组给定用户来说，到达一个交换机的呼叫到达的平均速率和方差并不是明显不同。直观的来说，用户不可能在一个很短的时间周期内进行他们所有的呼叫，或者在连续的呼叫之间的间隔不会有一个大因子的变化，即交互呼叫到达时间(inter-call arrival time)服从指数分布。历史业务量分析已经证实了这些假设的可行性。在很大时间间隔上一大组用户的行为总体表现出泊松特性。

分组交换数据对频谱效率的影响是极为重要的。移动台被期望操作在“永远在线(always on)”模式中，在该模式中当移动台被上电时建立数据会话并且这种会话一直保持到移动台关机。按照电路电话技术范例并且允许分组交换数据呼叫保持资源直到会话终止是不可能的。

为了更有效地使用资源，提出了一种称为“休眠”的方案，以在数据分组会话期间明确请求并保留频谱资源。在休眠周期期间应该释放空中资源，以便其他的分组交换数据会话可以使用该频谱；即，在同样数量的无线信道上可以支持更多的用户。休眠建议的一个组成部分是PDSN不知道与休眠相关的任何问题。授予并释放空中资源的功能委托给BSC/PCF综合体108、110或MSC 112。

休眠规范设想BSC 108为每个分组数据会话保持一个“休眠定时器”。该定时器由BSC和移动台在每个分组接收或发送之后启动。如果该定时器在下一个分组接收或发送之前期满，那么用于那个会话的空中资源就被释放。由于用于每个分组数据会话的休眠定时器的期满而产生的请求和释放消息作为对MSC 112的新呼叫请求和释放而出现。

用于管理并处理休眠定时器的建议比较缺乏或者被认为效率较低。

发明内容

本发明提供用于在无线广域网中为用户确定并保持休眠定时器的方法和系统，促进无线信道的有效使用。

根据本发明的一方面，监视用户使用，以确定用户使用统计。基于该用户使用统计，为一个给定用户确定一个休眠定时器值。用于该给定用户的休眠定时器然后被设置为该休眠定时器值。

根据本发明的另一方面，用户使用统计是针对一个给定用户的。根据本发明的另一方面，用户使用统计是针对一个一类用户。

根据本发明的又一方面，使用柱状图来逼近用户沉默时间周期的概率密度函数。使用该柱状图来最大化增益等式，该等式是用户沉默长于

的概率与用户沉默长于d的概率的比值，这里d是休眠间隔，

是均值，σ是谈话时间分布的标准偏差。

附图说明

在附图中：

图1是示范性广域无线网的系统图；

图2是说明根据本发明的特定实施例的沉默和谈话状态的状态图和时间线；

图3是说明用于一个给定用户的休眠定时器的特定实施例的示范性逻辑的流程图；

图4是用于一个用户或一个一类用户的沉默时间分布的示范性柱状图。

具体实施方式

本发明提供用于处理休眠定时器的方法和系统，以提供改进的网络资源效率。根据本发明的特定实施例，考虑到谈话和沉默的统计在每个用户的基础上确定休眠定时器值。根据本发明的另一个实施例，基于把该用户与一个给定目的地配对的统计来确定休眠定时器。

具有“永远在线”终端的分组交换数据业务的用户参加两个主要的交替活动，它们可以由以下两种状态来捕获：谈话和沉默。在谈话状态中，用户(或移动台)发送并接收分组。如果该活动停止(如休眠定时器的触发所指示的)，用户转换到沉默状态并且保持在该状态直到再次接收或发送数据。此时，用户转换回谈话状态。图2表示状态模型。

看作沿着时间线200的事件，当初始化一个新的呼叫请求事件时，移动台进入谈话状态202。然后保持在该状态直到休眠定时器事件期满，此时终端进入沉默状态204。在谈话状态(T)中花费的时间间隔称为谈话周期206；类似地，定义沉默周期(S)208的相应概念。对于“永远在线”终端，在这些状态之间的转换无限重复。该移动台在谈话周期期间保留空中资源(例如，空中接口的一个无线信道)；在沉默周期的开始释放空中资源。

如果休眠定时器的值大于沉默周期208，那么休眠定时器将不会被触发并且休眠将对网络没有任何作用。用户发送或接收大量数据即在谈话状态中花费大量时间或者如果休眠定时器被设置为很大值时，将会出现这种情况。直观来说，只有在休眠定时器的值远小于沉默周期，才能看到统计复用增益，即只有较小的休眠定时器值才能对统计复用增益有作用。

如前面提到的，休眠定时器触发的呼叫和释放请求被看作MSC112的新信令消息。因此，休眠定时器的值太小将增加休眠触发器被触发的次数，从而导致增加交换机的处理开销。电话交换机典型地被设计用于长远考虑。已经发展了称为忙时呼叫(BHCA)的交换机容量测量方法。交换机的BHCA容量被定义为每个信道每个忙时呼叫所复用的信道数量。例如，如果我们假定一个交换机有16,000信道并且我们假定用于呼叫的保持时间为两分钟，在100％利用率下我们可以得到每个忙时30个呼叫，这给出了16,000×30＝480,000 BHCA。

典型部署的MSC交换机112被设计用于在2-3分钟的持续时间有100K-500K BHCA。历史上用一个指数概率分布模拟交互呼叫到达周期(inter-call arrival period)。因此，在交互呼叫到达周期中较大方差是不可能的；即交互呼叫到达周期与呼叫数量的增加大不相同的概率呈指数衰减。

使用上面的假设，本发明人相信现代的MSC交换机甚至在只有分组交换数据(PSD)业务的10％市场突破以及2秒的休眠定时器时也可能要处理与休眠相关的信令消息而忙得不可开交。因此，如果定时器被设置的太短将出现问题，MSC交换机可能反复进行上下文转换，并且如果定时器被设置太长，那么统计复用增益将不真实。

为了解决上述问题，本发明的特定实施例为特定的用户或特定的一类用户提供休眠定时器值设置。特定的其他实施例建立用户/目的地对，以确定相应的定时器值。还有其他的实施例提供建立有效定时器值的特定方式。

从休眠定时器的使用得到的统计复用增益取决于新到达的用户(例如，移动台打开或漫游到覆盖区)找到未占用的指定空中信道(为数据)的概率。

均值增益可以表示为理论上等于下式：

p^u/(1-p^u)

其中，p^u是到达的用户发现被放开的休眠定时器(即，未占用因而可用的信道)的非标准化概率。

概率p^u可以由下式给出：

$\frac{\underset{d}{\overset{\∞}{\∫}}(s-d)f_s\left(s\right)\mathrm{ds}}{(\stackrel{\‾}{S}+\stackrel{\‾}{T})}$

在上式中，f_s(s)是用于沉默时间变量s的概率分布；d是休眠定时器值；

是均值沉默时间；并且

是均值谈话时间。

从上面可以看出，当d尽可能小时，p^u被最大化。但是，如上面解释的，如果d太小，MSC将经历过度的上下文转换。根据本发明的一个实施例，使用线性搜索逻辑来寻找给定专用标准的最小定时器值d。该逻辑使用下面的参数和函数：

·d_ij是用于用户i和目的地j的休眠定时器。

·f_T(t)是谈话周期分布T的概率密度函数。

·f_Sij(s)是用于用户i和目的地j的沉默周期分布的概率密度函数。

·

是谈话时间分布的均值。

·σ是谈话时间分布的标准偏差。

·γ是一个用来量化在MSC的上下文转换和统计复用增益之间的折衷的参数。例如，如果信道资源比统计复用增益重要5倍，γ可能被设置为0.2，以便反映这种折衷，即以加载MSC的可能成本为代价，希望尽可能有效地使用无线信道。

·ξ是量化最佳性容限的参数，即在确定的和最佳的休眠定时器值之间的差不超过ξ。

·f()是利用用户沉默时间柱状图信息的估计函数。更特别地，f(d)是下面的近似：

$f\left(d\right)\≈\underset{d+\stackrel{\‾}{T}+3\mathrm{\σ}}{\overset{\∞}{\∫}}{f}_s\left(s\right)\mathrm{ds}$

·h()是利用用户沉默时间柱状图信息的估计函数。更特别地，h(d)是下面的近似：

$h\left(d\right)\≈\underset{d}{\overset{\∞}{\∫}}{f}_s\left(s\right)\mathrm{ds}$

更特别地，特定实施例的逻辑使用迭代过程来寻找可以在参数γ的限制内最佳化下面阐述的函数g(d)的休眠时间值d。如上面解释的，d的这种最佳化可以在每个用户的基础上进行，并且可以在用户-目的地基础上进行。

$g\left(d\right)=\frac{f\left(d\right)}{h\left(d\right)}$

函数f(d)和h(d)基于在给出了在上面近似的积分方程式中说明的积分范围的情况下对相关柱状图的分析。这将在下面用例子进行解释。

图3是表示特定实施例的逻辑的流程图。下面的柱状图用具体例子描述了该逻辑。假定最佳化参数ξ是0.1，增益参数γ＝0.2，均值和标准偏差σ都是10秒钟，并且沉默周期概率分布由下式给出：

P(沉默周期＝x)＝0.85如果x＝5

＝0.15如果x＝46

＝0其他

逻辑在300开始并且进行到305，在这里定时器值d被初始化为0。在310，为g(0)进行初始化计算。通过沉默间隔的相关柱状图的分析相应地找到f(0)和h(0)。参照图4，该图表示了一个示范(尽管简单)柱状图(其与上面的沉默分布不一致)，f(0)将是在

开始的曲线下相关的柱状图区域。在上面的示范分布中，由于d＝0，f(0)是在

(特别地，10+30＝40)开始并且延伸到无限的柱状图区域。在上面的例子中，这是0.15。类似地，h(0)是在该柱状图下的完整区域，其确定为1。因此，g(0)等于0.15/1，或简单地等于0.15。

在315，该逻辑比较计算的增益函数g值与γ，以确定g是否小于γ。如果是，该逻辑环中断并且在320返回d的相应值作为休眠定时器的值供分析用户分布图使用。在上面的例子(g＝0.15并且γ＝0.2)中并且在许多有趣的情况中，对于d等于0，g(0)的值将不超过γ，因而逻辑将进入到动作325，而不是从第一种情况的环中中断。

在325，对f(d)进行检测，以确定它不等于0。如果它等于0，该逻辑不能解决该问题，因此在335返回一个错误，并且取而代之地，对“d”可以使用一个默认值。(这例如可以对避免在初始化期间的错误以及对柱状图数据不可靠的周期有用)。在上面的例子中，f(0)不等于0并且逻辑进行到330。

在动作330，d的值增加一个预定值。这可以简单地是数字1，无论以什么有意义的数量单位所测量的，例如秒或其分数。逻辑进行到340。

在340，如上面描述的但这里使用新的增加值d计算g(d)。在一个示范实施例中，这将计算(对于循环的这次迭代)g(1)。类似于上面描述的，g(1)等于f1(1)/h(1)。通过对沉默分布的检查，可以看出g(1)等于0.15。逻辑环返回到315，以在参数γ内确定d的值是否是最佳的。

通过检查，可以看出，上面的逻辑将继续迭代，并且依次增加休眠定时器变量d，直到d等于6。对于上面的例子，g(6)等于f(6)/h(6)；f(6)等于在从6+10+30延伸到无限的曲线下的区域，其等于0.15；并且h(6)等于在从6延伸到无限的曲线下的区域，其等于0.15。因此，g(6)等于1并且大于γ。

上面的逻辑利用概率密度函数f_T(t)、f_S(s)或其近似。根据特定的实施例，这些统计保持为一个柱状图(例如，图4)并且，根据特定的优选实施例，该统计是指数平滑的并且被加权，以给更近的统计更大的权重。其他的实施例可以利用其他形式的统计，例如对特定时刻或日期的统计。

如上面描述的，可以为一类用户的每个使用者保持统计。但是，在特定实施例下，更具体地，例如通过把用户和目的地配对来保存该统计。可以为谈话时间分布保存一个全局分布。

根据本发明的特定实施例，使用测量来估计f_T(t)和f_S(s)。在没有任何历史数据时，可以得到对这些分布的离散近似。一种完成这样的简单方法是建立一个测量系统，其中时间轴被分为测量窗，或箱(bin)，并且在每个窗中，收集测量以形成柱状图。根据一些实施例，当前窗的数据被保存并且被统计地平滑以捕获过去。

特定实施例为每个用户/目的地对保持一个这样的柱状图，并且为谈话时间分布保持一个全局柱状图。这些可以由MSC或BSC/PCF实体保持。在MSC保持用户相关统计的这些情况中，每个用户的休眠定时器值必须被传送给BSC/PCF综合体。实现该传送的一种方式是使用MGCP/H-248控制协议。在这种情况中，这些信息元件(IE)可以被“超载”，以便携带休眠定时器的相关信息。基于每个用户的统计可以被保存为用户分布图信息的一部分，MSC可以从中得到该信息并且MSC可以给它提供更新的统计。

基于CPU时间和存储器请求，K个存储桶被分配给每个柱状图。使W为桶的宽度，即桶b_ij ^k是一个存储在当前测量窗期间用户i和目的地j的沉默周期在kW和(k+1)W之间的次数的计数器；1≤k≤K。

为了说明落在我们存储桶的范围外面的沉默周期，我们需要如下更严密地定义这些桶：

I：初始时间

W：桶宽

K：用于该柱状图的桶的总数

b_ij ^l：存储在当前测量窗中沉默周期在0和I之间的次数的计数器

b_ij ^k：存储在当前测量窗中沉默周期在I+(k-1)W到I+kW之间的次数的计数器；2≤k≤K-1

b_ij ^K：存储沉默周期在I+(K-1)W到∞之间的次数的计数器。

一个典型的柱状图如图4。

根据特定实施例，用户统计可以保持在用户分布图中。可以基于历史或平滑算法如上面所解释的那样得到并且修改这些统计。

根据特定实施例可以以秒测量时间单位。

应该意识到，本发明的范围不应该被限制为上面描述的实施例，而由所附的权利要求限定，这些权利要求包括对已经描述的部分的修改和改进。

Claims (6)

1.一种在无线广域网中保持休眠定时器的方法，该方法包括：

监控用户使用以便确定用户使用统计；

基于所述用户统计，为给定的用户确定休眠定时器值；

用所述休眠定时器值为该给定用户设置休眠定时器。

2.如权利要求1的方法，其中，所述用户使用统计是针对给定用户的。

3.如权利要求1的方法，其中，所述用户使用统计是针对一个一类用户的。

4.如权利要求1的方法，其中，所述用户统计包括给定用户的沉默时间周期的概率密度柱状图。

5.如权利要求1的方法，其中，通过最大化下面的等式来确定休眠定时器的值“d”：

$g\left(d\right)=\frac{f\left(d\right)}{h\left(d\right)}$

在指定参数内，其中f(d)是下面等式的柱状图近似

$f\left(d\right)\≈\underset{d+\stackrel{\‾}{T}+3\mathrm{\σ}}{\overset{\∞}{\∫}}{f}_s\left(s\right)\mathrm{ds}$

其中，

是平均谈话时间，σ是沉默周期分布f_s(s)的标准偏差，s是用于用户的沉默周期的变量；其中h(d)是下面等式的柱状图近似

$h\left(d\right)\≈\underset{d}{\overset{\∞}{\∫}}{f}_s\left(s\right)\mathrm{ds}.$

6.如权利要求1的方法，其中，BSC综合体响应于休眠定时器控制到移动台的通信，并且，所述为给定用户设置休眠定时器值的操作包括经过载消息把所述休眠定时器值传送给所述BSC综合体的操作。

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