CN101300805B - 具有多个异构物理层模式的空中接口协议体系结构的负荷平衡 - Google Patents

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Abstract

一种对空中接口协议体系结构的多个物理层模式进行动态业务负荷平衡的系统和方法，该协议体系结构驻留在基站和/或包括基站和接入网关的接入网中，基站和接入网关包含空中接口协议体系结构的分布式和集中式组件。业务负荷平衡支持用于按照时分多址和频分多址技术调度通信数据的各种复用方案，以供在多载波无线网络中使用。

Description

具有多个异构物理层模式的空中接口协议体系结构的负荷平衡
相关申请的交叉参考
本申请按照35USC§119(e)要求2005年9月8日提交的美国临时申请No.60/715281、2005年12月20日提交的美国临时申请No.60/751848以及2006年6月9日提交的美国临时申请No.60/804343的优先权，这些申请中的每个由此通过引用将它们全部结合在本文中。
技术领域
本发明一般涉及蜂窝无线网络，更具体来说，涉及服务于蜂窝无线网络的多个物理层模式的加载。
背景技术
无线网络是已知的。蜂窝无线网络支持在世界上许多居住区的无线通信服务。虽然无线网络最初构建来服务于电路交换语音通信，但现在也号召它们支持分组交换数据通信。
无线网络中分包数据通信的传输对网络的要求不同于语音通信的传输。语音通信要求持续不断的带宽，具有最小信噪比(SNR)和连续性要求。另一方面，数据通信通常是容许等待时间的，但具有较高的总吞吐量要求。常规的电路交换无线网络被设计用来支持众所周知的语音通信要求。因此，无线网络(以及常规电路交换电话网)已经适合服务于数据通信，这种适应提供了混合的效果。
随着支持基于电路交换和基于分组交换的无线通信的装置种类的不断增加，具有支持语音和多媒体通信的多种操作模式的装置也在增加。对于支持这些装置的基础设施，有服务于各种各样电路和分组通信的能力，同时维持服务质量并遵守服务等级协定，不管施加到网络基础设施组件上的负荷如何。
因此，需要对空中接口协议体系结构的多个物理层模式进行业务负荷平衡，以容纳无线通信系统中可能存在的各不相同的单模式和多模式移动终端。
发明内容
为了克服这些缺点等，提供对空中接口协议体系结构的多个物理层模式进行动态业务负荷平衡，协议体系结构驻留在基站和/或包括基站和接入网关的接入网中，基站和接入网关包含空中接口协议体系结构的分布式和集中式组件。
根据本发明的一个实施例，业务负荷平衡支持用于调度多个时隙中的时隙的通信数据的各种复用方案，以供在多载波无线网络中使用。这个操作包括：对于用于传输数据的多个时隙中的每个时隙，根据调度优先级标准给耦合到基站的各移动终端分配优先级。移动终端中的每个包括至少一个物理层模式。按照移动终端的用于数据通信的所分配优先级顺序将它们分类。
当物理层模式复用方案是时分复用(TDM)方案时，根据具有用于数据通信的最高所分配优先级的移动终端及其支持的物理层模式来选择物理层模式。如果时隙可容纳附加移动终端，则选择支持所选物理层模式的下一个最高所分配优先级移动终端。这个操作继续，直到该时隙无法容纳另外移动终端，或者没有另外移动终端可用于数据通信。
当物理层模式复用方案是频分复用(FDM)方案时，根据用于数据通信的最高所分配优先级移动终端和最高所分配优先级移动终端是单物理层模式移动终端还是多物理层模式移动终端来选择物理层模式。
当物理层资源可容纳附加移动终端时，选择下一个最高所分配优先级终端用于数据通信。该过程继续，直到物理层资源不能容纳附加移动终端，或者没有剩下附加移动终端。
对于FDM方案，当最高所分配优先级移动终端是物理层多模式终端并且多模式移动终端不能够与所关注多个物理层模式中的每个模式进行数据通信时，所选物理层模式是最小负荷物理层模式。当多模式终端能够与所关注多个物理层模式中的每个模式进行数据通信时，所选物理层模式是占用最少量频谱资源的物理层模式。
在另一个方面，当所选物理层模式改变为随后所选物理层模式时，确定该随后物理层模式所支持的MAC状态集合。在移动终端的当前MAC状态不被新MAC状态集合支持时，移动终端转到所选物理层模式的有效MAC状态。
在又一个方面，用于多载波无线通信网络的接入网简化移动终端切换中的上下文转移。接入网包括接入网关以及锚定(anchor)到接入网关的多个基站。接入网关耦合到无线核心网络基础设施，其中接入网关包括集中式层2/3协议结构。每个基站提供用于与移动终端进行数据通信的覆盖区域，其中各基站包括分布式层2/3协议结构。接入网关存储移动终端的集中式层2/3上下文。通过存储移动终端的集中式层2/3上下文，上下文转移对于基站之间的基站内切换不是必须的。
在结合附图查看了本发明具体实施例的以下说明后，本领域的技术人员将会十分清楚本发明的其它方面和特征。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例构成的通信网络一部分的系统图；
图2示出根据本发明实施例的高速多载波无线网络的协议栈；
图3示出相对于按照时域、频域和CDMA代码域进行多模式物理层资源共享的频谱分配方案；
图4是示出根据本发明实施例锚定具有异构物理层模式的多模式物理层的公共层2/3协议结构的框图；
图5和图6是示出根据本发明实施例对空中接口协议体系结构的多个异构物理层模式进行动态业务负荷平衡的逻辑图；
图7是根据本发明实施例的MAC状态图的图示；
图8是示出根据本发明实施例对于物理层模式转变的MAC状态转变的逻辑图；
图9是示出根据本发明实施例构成的基站的框图；以及
图10是示出根据本发明实施例构成的接入网关的框图。
具体实施方式
图1是示出根据本发明的一个实施例构成的通信网络10的一部分的系统图。通信网络10包括无线核心网络基础设施24、接入网关28和接入网关30。无线核心网络基础设施按照可根据本发明实施例进行修改的操作标准规范(例如高速下行链路分组接入(HSPDA)、1xEV等)进行工作。无线核心网络基础设施24耦合到局部分组数据网络18，并且还耦合到公共交换电话网(PSTN)14。无线核心网络基础设施可作为分组交换基础设施来提供，它经由网关27耦合到局部分组数据网络，并经由互通功能(IWF)22耦合到PSTN 14。
常规的有线终端12耦合到PSTN 14。基于IP的语音(VoIP)终端16和个人计算机20耦合到局部分组数据网络18。移动终端40、41、52和54经由与基站32、34、36和38的无线链路以无线方式耦合到通信网络10，其中这些基站经由分级小区布局42提供无线覆盖范围。如图所示，移动终端可包括蜂窝电话52、数据终端54(例如个人数字助理)、膝上型计算机41和台式计算机40。但是，无线网络也支持与其它类型移动台的通信。
基站32、34、36和38中的每个分别具有服务于小区/扇区集合的所关联覆盖区域62、60、58和56。基站32、34、36和38的覆盖范围提供分级小区布局42，它包括例如宏小区44、微小区48和微微小区50的宏小区、微小区和微微小区的组合覆盖范围。
到分级小区布局42的接入网66包括接入网关28和接入网关30，以及基站32、34、36和38。移动终端与接入网66之间的无线通信经由包括公共层2/3协议结构和多模式物理层的协议栈进行。多模式物理层包括多个异构物理层模式以支持各种移动终端的各种各样的物理层配置。
公共层2/3协议功能性可在接入网关与基站之间划分，但也可完整地驻留在基站中。在这方面，基站32、34、36和38包括多模式物理层和“分布式”公共层2/3功能。每个基站可支持相同覆盖区域56、59、60和62中的多个物理层模式。接入网关28和30提供层2/3功能的“集中式”组件，并且还用作接入网66中的路由器，并提供到无线核心网络基础设施24(以及公用IP网络)的接口。
层2/3的集中式组件通过简化或消除切换操作中的上下文转移来提高效率。也就是说，基站32、34、36和38中的每个属于不同的小区分级结构，它们可通过相同接入网关或者不同接入网关锚定。在通过相同接入网关28锚定的基站32、34和/或36之间进行切换时，移动终端的集中式层2/3上下文包含在接入网关28中，因而消除了对于执行伴随切换的上下文转移的需要。通过接入网关28或者通过基站到基站链路，可将包含在前一个服务基站(例如基站32)中的移动终端的分布式层2/3上下文转移到目标基站(例如基站60)。由于具有集中式和分布式公共层2/3协议结构，可避免切换期间的层2/3上下文信息的丢失，因而避免了不必要的分组丢失和等待时间。
在通过不同接入网关28和30锚定的基站之间存在切换时，可通过装置之间的链路，将与移动终端相关的层2/3上下文信息从前一个服务接入网关/基站转移到目标接入网关/基站。
无线网络包括正向链路组件和反向链路组件，它们支持基站与它们服务的移动终端之间的无线通信。这些无线链路支持数据通信和多媒体通信、如VoIP。本发明的示教可同样适用于任何类型的分包通信。
公共层2/3协议结构和多模式物理层提供超3G(B3G)服务，它们支持具有单物理层模式的用户终端(例如传统用户终端)以及具有多物理层模式终端的那些终端(例如结合了具有增加的数据吞吐量要求的多媒体能力的近代终端)。换言之，可通过扩展现有3G蜂窝协议栈以支持传统用户终端的后向兼容性，来提供公共层2/3协议栈。参照图2至图10详细论述协议栈和公共层2/3协议结构，以及多模式物理层。
图2示出高速多载波无线网络的协议栈102。协议栈包括有线高层协议结构103、公共层2/3协议结构104和多模式物理层116。公共层2/3协议结构104包括可驻留在接入网关中的集中式层2/3协议结构106以及可驻留在通过接入网关锚定的基站的每个中的分布式层2/3协议结构108。多模式物理层116包括多个异构物理层模式118、120、122、124、126和128。所示出的有集中式层2/3305、分布式层2/3307和物理层309。集中式层2/3协议结构106包含在接入网关(例如基站控制器)中，而分布式层2/3协议结构108包含在基站中。基站的无线电收发器包括实现多模式物理层116。
在正向链路中，按照在移动终端的正向链路中受到的无线电信道条件以及高协议层、即空中接口公共层2/3协议结构104定义的服务要求，来执行对各移动终端的物理层资源分配。第2层和第3层协议提供与诸如点对点协议(PPP)112、因特网协议(IP)层301110和传输控制协议(TCP)之类的有线高层协议结构103的公共接口。通过在频域和时域中选择适当的物理层资源以便满足高层应用所要求的服务质量(QoS)以及移动终端的订户简档，第2层和第3层协议与多模式物理层116接口。本发明完全适用于具有本文所述的集中式层2/3的任何多载波协议结构。
与通信网络10的多载波配置一致，多模式物理层116包括一个至N个载波，其中的每个载波可按照调制和编码方案以不同方式来配置。每个载波还可按照载波提供给有线高层协议结构103的QoS(或者QoS集合)以不同方式来配置。物理资源被分为两个域：按照载波的频域以及按照时隙的时域。
下一代无线系统又称作超第三代(B3G)无线系统，包括现有2G/3G无线接入系统和新兴的B3G无线接入系统，例如包括固定和移动网络；微微、微和宏蜂窝网络；中继器、网状网络和自组网络；广播/多播和单播网络。为了支持各种各样的异构无线接入系统，协议栈102经由多模式物理层116来支持各种接入系统上的动态无线电资源以及负荷和频谱管理，以便使频谱效率最大，同时满足用户应用和用户服务等级协定(SLA)的服务质量(QoS)要求。参照图3详细论述频谱分配方案。
图3示出相对于按照时域、频域和CDMA代码域进行多模式物理层116资源共享的频谱分配方案。对于给定种类的现有2G/3G无线接入系统和新兴的B3G系统，不同的物理层模式118至128可在频率上重叠。
对于数据通信，可按时分复用(TDM)方式或者码分复用(CDM)方式来执行各种物理层模式的频谱共享。当不同的物理层模式在频谱上重叠时，例如当选择相同的频谱用于新兴的B3G接入系统以便能够在部署从一个物理层模式迁移到另一个物理层模式时的转变阶段支持现有2G/3G移动终端和新的高级移动终端时，可使用TDM方法。还可以进行频谱共享，以便支持要求不同物理层模式的不同服务类型(例如可能对物理层性能(例如OFDMA情况下的覆盖范围、循环前缀长度)具有不同要求的广播服务和单播服务)或者在从多模式物理层116可得到的不同物理层配置下进行优化的固定服务和移动服务。因此，CDM可适用于在频谱上重叠的基于码分多址(CDMA)的物理层模式。在给不重叠频谱分配不同的物理层模式时，可使用频分复用(FDM)。
因此，1xEV-DV载波132和MC-DV载波134在相同频谱上以CDM方式重叠。1xEV-DV载波132和具有不同配置的OFDMA(正交频分多址)以FDM方式重叠。具有不同配置的OFDMA模式(例如用于宏蜂窝固定/游动(nomadic)载波138的OFDMA和用于移动宏小区载波140的OFDMA)也以TDM方式重叠。
可由以TDM方式重叠的所有物理层模式共享公共信令信道(物理和逻辑)，以便允许移动终端确定在特定时隙中使用的物理层模式。
图4是示出锚定多模式物理层116以便提供异构物理层模式118至128上的移动性管理、无线电资源管理、负荷控制和/或频谱管理以及其它功能的公共层2/3协议结构104的框图。
公共层2/3协议结构104的控制平面180包括移动性管理模块162、MAC状态控制模块164以及无线电资源和负荷管理模块166。
公共层2/3协议结构104的数据平面182包括第3层信令模块168和第2层模块170。第2层模块170包括SARQ(选择性自动重发请求)172、ARQ(自动重发请求)174以及还包括HARQ(混合ARQ)控制模块178的复用/去复用子层模块176。数据平面182从一个或多个移动终端提供对到/来自物理层帧的第2层帧的动态复用和去复用。
数据平面182的复用/去复用子层模块176可提供对到/来自各种物理层模式118至128的资源池的层2/3数据和信令的动态映射。物理层模式118至128包括与物理层模式118的配置相关的资源池。根据几个参数来定义各物理层模式188，参数包括：所支持的服务质量、可管理资源的列表、载波标识和空中接口配置(例如CDMA、OFDMA、MC-CDMA等)。
所支持的服务质量可包括但不限于数据速率(最小、最大和/或平均)、分组丢失率以及诸如实时或容许延迟服务之类的服务类型。从时隙、扩频码、功率、调制和编码集等之中选择可管理的资源。空中接口配置可包括IS-95、CDMA2000 1xRTT、CDMA2000 1xEV-DO、CDMA2000空中接口的演化或者其它配置类型。一个或多个物理层模式可驻留在同一载波上。另一方面，资源池可由多个载波组成。
参照控制平面180，移动性管理模块162提供切换支持，而无线电资源和负荷管理模块166管理如何使用多模式物理层资源池以及资源池之间的负荷控制。MAC(媒体接入控制)状态控制模块164包括各移动终端的MAC状态机，并控制移动终端如何从一个MAC状态转变为另一个MAC状态。
移动性管理模块162支持基站间切换、物理层模式118至128之间的基站内切换以及接入网关间(例如接入网关28与30之间)切换。切换可由移动终端40、41、52和/或54发起，或者由包括接入网关28和30以及基站32至38的接入网66发起。
对于基站内切换，可对具有不同频谱的物理层模式以及对共享频谱的物理层模式进行切换。在占用不同频谱的物理层模式之间的基站内切换中，可使用切换机制。在以CDM方式或TDM方式共享频谱的物理层模式之间的基站内切换中，如果移动终端具有根据来自基站的公共信令信息在物理层模式之间逐帧进行动态转换的能力，则可能不需要显式切换机制。如果移动终端无法在不同的物理层模式之间进行动态转换，则可使用显式切换机制将移动终端从一个物理层模式切换到另一个物理层模式。
对于切换，还转移与移动终端相关的相应层2/3上下文。对于物理层模式118至128之间的BS内切换，当集中式层2/3协议结构106驻留在接入网关时，层2/3上下文转移不是必要的。对于基站间切换，将分布式层2/3协议结构108的上下文从服务基站转移到目标基站。对于接入网关间切换，相应地将分布式层2/3协议结构108和集中式层2/3协议结构106的上下文从服务基站/接入网关转移到目标基站/接入网关。
无线电资源和负荷管理模块166执行资源分配，包括：物理层模式中的半静态和/或动态资源分配、共享相同频谱的物理层模式上的半静态和/或动态资源分配、或者属于不同频谱和不同小区分级结构的物理层模式上的半静态和/或动态资源分配和负荷平衡。在半静态资源分配下，分配给各物理层模式的资源根据物理层模式的大规模负荷条件在数小时左右缓慢改变。在动态资源分配下，分配给各物理层模式的资源可根据每帧频繁地改变。对于动态资源分配，不需要使用多模式移动终端。
在共享相同频谱的物理层模式上的半静态和/或动态资源分配下，可由多个物理层模式以CDM方式或TDM方式共享相同的频谱。可根据各物理层模式上的负荷条件，半静态地配置物理层模式之间的资源划分(即，CDM情况的代码空间划分，TDM情况的时隙划分)。也可根据物理层模式118至128的每个中的移动终端业务的实时QoS要求和缓冲器条件逐帧动态进行资源划分。可在复用/去复用子层模块176根据无线电资源管理和负荷管理模块166所定义的调度策略来执行移动终端业务对不同物理层模式的逐帧复用和去复用。
在物理层模式118至128上的半静态和/或动态资源分配和负荷平衡下，每个物理层模式可属于不同的频谱和不同的小区分级结构。因此，无线电资源和负荷管理模块166用于根据移动终端的数据业务的QoS要求和移动性条件(即，移动终端是固定、游动还是移动用户)、按照调度优先级标准，使物理层模式上的整体频谱效率最大。除了负荷平衡，无线电资源管理功能还根据移动终端的位置和信道条件相对于不同物理层模式118至128的分级小区布局42来进行切换决定。结合图5和图6更详细地论述负荷平衡。
MAC状态控制模块164提供相对于物理层模式118至128中每个的节电能力，并且还在移动终端从一个物理层模式切换到另一个物理层模式期间被访问，以便使物理层模式进入MAC适当状态(即，由那个物理层模式的特性所识别的状态)。
为了节电，MAC状态控制模块164提供不同的操作状态，包括活动状态、挂起状态、休眠状态和节电状态。耦合到基站的每个移动终端可处于不同的操作状态，或者容纳部分但不是全部状态。例如，1xRTT或1xEV-DV系统可操作在活动状态、挂起状态和休眠状态。1xEV-DO系统可操作在空闲状态和活动状态。作为另一个实例，IEEE802.16e系统可工作在挂起模式、休眠模式和活动模式(例如在IEEE802.16e系统中)。
因此，具有多模接入的移动终端可包括现有3G 1xEV-DO物理层模式、MC-DO(即多载波DO，与所述的MC-DV概念相似的1xEV-DO的短期演化)物理层模式、OFDMA重叠物理层模式和OFDMA独立物理层模式。
在正向链路上，1xEV-DO、MC-DO和OFDMA重叠模式可通过TDM方式共享相同的频谱。在反向链路上，1xEV-DO和MC-DO模式可通过CDM方式共享相同的频谱，而OFDMA重叠模式可占用单独的频谱，以便避免CDMA波形与OFDMA波形之间的任何相互干扰。或者，OFDMA重叠模式可共享与1xEV-DO/MC-DO相同的频谱，但是以由于相互干扰而降级了整体系统性能为代价。OFDMA独立模式可占用正向链路和反向链路上的单独频谱。这些物理层模式可根据现有1xEV-DO层2/3协议结构来共享公共层2/3协议结构104。
继续该实例，1xEV-DO、MC-DO和OFDMA重叠模式重叠到相同频谱支持传统1xEV-DO终端、MC-DO终端和OFDMA终端的混合，同时部署朝宽带和OFDMA迁移用于高速数据服务提供。1xEV-DO系统中的TDM导频信道和MAC信道可由全部三个物理层模式共享，作为用于系统采集的公共导频和信令信道，并携带与用于特定时隙的物理层模式以及在特定时隙上调度的移动终端有关的信息。
物理层模式以及在各时隙上调度的移动终端可根据使用三个物理层模式上的快速TDM调度而动态改变。在复用/去复用子层模块176的快速TDM调度根据数据通信的QoS要求、移动终端的SLA、移动终端的信道条件和用户终端所支持的物理层模式，按照调度优先级标准，将移动终端的数据通信动态地映射到不同的物理层模式。
如上所述，终端可支持一个或多个物理层模式。为了提供通用的系统接入，基本公共信道(即寻呼、接入和同步信道)的集合由物理层模式118至128中的每个用来允许支持多个物理层模式的移动终端执行对系统的初始接入。
可将指定为频谱中的锚定载波的物理层模式118至128中的每个定义为携带基本公共信道。除了用于初始系统接入的基本公共信道，各物理层模式还可使用由已经获取并工作在物理层模式的终端所使用的补充公共信道的附加集合。补充公共信道可用于从休眠MAC状态或其它中间状态到活动MAC状态的MAC状态转变。与基本公共信道不同，补充公共信道可不驻留在锚定载波中。将公共信道分为基本集合与补充集合允许基于各物理层模式的负荷对补充集合进行动态资源提供。结合图7和图8更详细地论述MAC状态控制模块。
图5和图6是示出对空中接口协议体系结构的多个异构物理层模式进行动态业务负荷平衡的逻辑图200。业务负荷平衡用于按照时隙给异构物理层模式动态分配TDM和FDM资源，用于对多模式物理层116的数据通信的复用通信。在操作中，可在异构物理层模式上同时执行负荷平衡和快速调度，允许按时隙和按分组机会调度和负荷平衡使系统容量最大，同时满足调度优先级标准(例如QoS、SLA等)。
对于多个时隙中的各时隙，在步骤202开始，部署协议栈102的基站或装置根据调度优先级标准给多个移动终端中的每个分配优先级，其中多个移动终端中的每个包括至少一个物理层模式。该标准可基于各种要素，例如QoS、SLA等。
例如，在预计TDM方案时，例如在物理层模式之间共享频谱时，调度优先级标准可包括在该时隙移动终端所支持的瞬时数据速率、基于处于物理层模式的移动终端受到的瞬时信道条件的物理层模式、移动终端直到当前时隙所受到的平均数据速率、在该时隙所受到的排队延迟(适用于延迟敏感服务)以及基于SLA的移动终端的最小保证数据速率。
复用/去复用子层模块176的调度器可对于移动终端所支持的相应物理层模式，计算第2层模块170的缓冲器中的所有移动终端数据分组的优先级。可在呼叫建立期间根据用户终端能力以及用户请求的服务类型和移动性条件，来配置在活动呼叫会话期间用户所支持的物理层模式集合。此外，对于可按照优先级公式或算法建立的调度优先级标准，可使用比例公平调度器或公平加延迟调度器对于移动终端的QoS和SLA要求中的每个，来优化物理层模式上的整体系统容量。
已分配了优先级，在步骤204，就按照用于数据通信的所分配优先级顺序来对移动终端分类。在步骤206，物理层模式复用方案是时分复用(TDM)方案时，则在步骤208，基站根据具有用于数据通信的最高所分配优先级的移动终端以及最高所分配优先级移动终端支持的物理层模式来选择物理层模式。
在步骤210，当时隙可容纳附加移动终端时，在步骤212，基站选择支持所选物理层模式用于数据通信的下一个最高所分配优先级移动终端。基站继续这个过程，直到该时隙不能容纳附加移动终端，或者没有剩下支持所选物理层模式的附加移动终端。
在步骤206，当复用方案不是TDM方案时，复用方案是频分复用(FDM)方案。在这种情况下，不同的物理层模式占用不同的不重叠频带。可动态或者半静态地执行物理层模式之间的负荷平衡。
对于FDM情况下的动态负荷平衡，每个物理层模式可各对于各数据分组或帧进行动态改变。这样，能够在所关注物理层模式上从整个频谱接收射频信号的宽带接收器可由基站用来服务于兼容的多模式移动终端。
不同OFDMA模式之间的动态频谱负荷平衡可用于固定用户、中速用户和高速用户，以及用于单播和多播服务。在这种情况下，可将频谱或OFDM副载波动态地分配给从一个时隙到另一个时隙的不同OFDMA模式。为了帮助有效地复用固定和移动用户，可使用固定的快速傅立叶变换大小，因此可使用所有OFDMA物理层模式的相同基本副载波间距(例如图4的物理层模式122和物理层模式124)。基本副载波间距可基于支持固定用户的要求。对于移动用户，引入空副载波，以便将有效的副载波间距增加到基本副载波间距的整数。单播和多播服务也是TDM，因为单播和多播传输可能需要不同的循环前缀长度，因而需要不同的OFDM符号持续时间。可通过公共信号信道向通信系统10中的所有移动终端广播用于多播传输的特定时隙。
参照图6，在步骤214，基站根据用于数据数据通信的下一个最高所分配优先级移动终端以及下一个最高所分配优先级移动终端是单物理层模式移动终端还是多物理层模式移动终端，来选择物理层模式。在步骤216，当移动终端是单模式终端时，所选的物理层模式是该移动终端支持的物理层模式。在步骤216，当移动终端不是单模式终端而是多模式终端时，在步骤218，进行关于该移动终端是否能够与所关注物理层模式进行通信的确定。如果否，则在步骤222，移动台将物理层模式选择为最小负荷物理层模式。
在步骤218，当移动终端能够与所关注物理层模式进行通信时，在步骤224，基站选择占用最少量频谱资源的物理层模式。在步骤226，当时隙可容纳附加移动终端时，在步骤228，基站选择用于数据通信的下一个最高所分配优先级终端，直到物理层资源不能容纳附加移动终端，或者没有剩下附加移动终端。
在步骤226，当时隙无法容纳附加移动终端，或者没有另外的物理层资源的条件可用，或者在步骤228没有剩下附加移动终端时，方法200返回到步骤202(参见图5)。
动态FDM负荷平衡相对于动态TDM负荷平衡的一个优点在于，对各物理层模式的资源分配更灵活，因为在各时隙中调度具有相同物理层模式的移动终端没有限制。可根据物理层模式兼容性对于特定子频带分配物理层模式的频率选择性调度。对于频率非选择性调度的情况，不需要考虑与频分复用的带宽粒度(例如对于1xEV-DO/MC-DO与OFDMA之间的FDM的情况为1.25MHz)不同的兼容性。
图7是MAC状态图240的图示。MAC状态用于节电和改进的资源利用，以便支持对移动终端的分组数据服务。由于各不相同的物理层模式(例如支持游动服务、固定服务、移动服务的那些模式)，不同的层模式可具有不同的MAC状态要求(例如需要节电状态的那些服务相比不需要节电状态的那些服务)。MAC状态图包括活动状态242、休眠状态246以及为节电状态248和挂起状态244的中间状态。
活动状态242通常是移动终端在受基站指示时准备分别在正向链路和反向链路进行发射和接收的状态。在时间和频率方面在物理层以及在协议状态方面在第2和第3层，使移动终端与基站同步。移动终端在各时隙上监测来自基站的控制信令。此外，移动终端和基站保持移动终端的正向链路信道质量的良好估计，而移动终端保持反向链路中的所需发射功率的良好估计，以便实现目标信噪比(SNR)。
处于活动状态242的移动终端通常消耗最多功率、无线电资源和网络资源。因此，在功耗、无线电资源利用和网络资源利用方面，在支持分组数据应用时使移动终端始终保持在活动状态242并不是有效的，因为分组数据业务本质上是“突发的”。对于大量时间，基站可能没有要发送给移动终端的数据，移动终端也没有要发送给基站的数据。例如，网页的典型读取时间为30秒。在这个缓冲器为空的时段期间，可使移动终端进入不需要发送和接收活动的状态。
休眠状态246是移动终端通常不可用于正向链路数据接收和反向链路数据发送的状态。基站不知道移动终端的正向链路信道条件，而移动终端没有保持所需反向链路发射功率和频率/时间传输偏移(对于OFDMA系统的情况)的良好估计。协议栈102的第2和第3层协议状态可能在基站与移动终端之间没有保持或同步。移动终端接收器可定期接通(大约数百毫秒或数秒)，以便监测来自基站的寻呼信息。为了让移动终端在正向链路上接收数据或者在反向链路上发送数据，通常需要执行基站发起的(即寻呼)或者移动终端发起的呼叫建立过程，以便使移动终端从休眠状态246转变为活动状态242。
中间状态、即节电状态248和挂起状态244提供功率/资源消耗与QoS之间的不同水平折衷。节电状态248(又称作控制保持状态或睡眠模式)可看作是伪活动状态。移动终端和基站可保持与活动状态242中相同的物理层、第2和第3层状态同步。差别在于，通常在节电状态中引入睡眠间隔，以便允许移动终端在这个间隔期间禁用它的发射器和接收器。睡眠间隔可与监听间隔交错，其中在监听间隔期间，移动终端如同在活动状态242中那样操作。虽然节电状态248消耗的功率和无线电/网络资源比活动状态242少，但是与休眠状态246相比，仍然消耗较大量的功率和无线电/网络资源。节电状态248的一个优点是，当在基站与移动终端之间存在要交换的数据时到活动状态242的转变更快(例如大约数十毫秒)。
挂起状态244是与休眠状态246相似的、但使更快的或加急的呼叫建立进入活动状态242(例如具有大约数百毫秒的等待时间)的状态。挂起状态244与休眠状态246之间的差别在于，对于挂起状态244，在移动终端与基站中保持一些半静态第2层和第3层协议上下文信息。因此，在呼叫建立期间，可省略移动终端与基站之间建立或填充上下文信息的相应信令握手。在挂起状态244可保持的层2/3协议上下文信息包括安全上下文、服务流量上下文以及移动终端/基站能力和优选协议配置。此外，可由处于挂起状态244的移动终端来执行位置更新，以便允许基站跟踪移动终端相对于特定小区/扇区或寻呼区域的位置。
各种MAC状态之间的可能状态转变在图7中如‘箭头’所示。一般来说，在系统中可能不存在和/或不支持每个MAC状态。基站可根据诸如缓冲器状态、QoS要求、SLA、无线电资源管理策略等因素来决定使移动终端转变到哪一种MAC状态。
MAC状态机240这样操作，使得当用户从一个物理层模式转换到相同或不同小区分级结构中的另一个物理层模式时，可保持移动终端的MAC状态以及关联的上下文信息。这样，可使分组丢失和物理层模式转换/切换等待时间最小。
MAC状态机240包括与多模式物理层116中存在的异构物理层模式相关的MAC状态的超集。对于单独的实例，物理层模式118支持固定服务。在这方面，只有活动状态242可适用，因为对于固定服务，节电不是问题。物理层模式120支持移动性服务。因此，所有四个MAC状态均可适用。物理层模式122支持游动服务。因此，只有活动状态242和休眠状态246可适用，因为对于游动装置(例如膝上型计算机41与手持型装置54相比)功耗不太成问题。当移动终端工作在所选的物理层模式时，可能只有MAC状态的子集和相应状态转变在操作。
因此，移动终端从一个物理层模式转换到另一个物理层模式时的不同MAC状态转变方案取决于前一个物理层模式的移动终端的MAC状态以及新的物理层模式所支持的MAC状态。
图8是示出对于物理层模式转变的MAC状态转变的逻辑图260。在步骤262，MAC状态集合S是休眠、挂起、节电和活动，其中Sj是对于j等于0、1、2和3的集合的成员。当移动终端转变从一个PL模式转换到另一个时，如果新的物理层模式支持相同的MAC状态，则可保持在前一个物理层模式的当前MAC状态。否则，MS可转变到新的PL模式和可容许状态转变流程所支持的下一个较高MAC状态。
处于活动状态242时，移动终端可连续监测周围基站的信号强度及其关联的物理层模式(从步骤262)。可由基站或者移动终端根据信号强度、移动性条件、服务需求或系统负荷的变化来发起在步骤264的物理层模式转变。
在步骤264，当没有物理层模式转变时，在步骤266，基站确定是否已经发生MAC状态转变。如果否，则基站返回到步骤262。否则，在步骤268，基站使移动终端转变到新的MAC状态Sk，其中k等于j，并将j设为k。
在步骤264，当存在物理层模式转变时，在步骤270，基站和/或接入网关确定新的物理层模式所支持的MAC状态集合。例如，当移动终端在处于相同状态(例如活动状态242)时转变到其它可用物理层模式时，移动终端可保持在那个状态，除非目标物理层模式中没有充分的资源来容纳移动终端。当不存在充分的资源时，可使移动终端(在处于活动状态时)降级到目标物理层模式所支持的较低MAC状态。
通过在步骤270对于物理层模式所确定的MAC状态集合，在步骤272，基站确定新的物理层装置是否支持移动终端的状态即状态j。如果是，则将移动终端的状态设置为当前状态。否则，在步骤274，基站使终端转变为有效的MAC状态，因为状态Sj被改变成使得i是大于j的最小值，并设j＝i。调整到有效的MAC状态说明使移动终端的物理层模式转变到具有较小集合的有效MAC状态的新物理层模式的情况(即，简要地参照图7的实例，其中物理层模式120具有四个有效MAC状态，而物理层模式122具有两个有效MAC状态)。通过有效的MAC状态，对于随后改变到MAC状态和/或物理层模式，基站返回到状态262。
在操作中，MAC状态提供从第一物理层模式到另一个物理层模式的无缝转变，同时避免否则当移动终端在没有公共层2/3协议结构104的异构系统之间移动时引起的不必要的呼叫重建开销和等待时间。
图9是示出根据本发明的一个实施例构成的基站300的框图。基站300支持多个异构物理层模式(例如与本文的示教一致的IS-95A、IS-95B、IS-2000、GSM-EDGE和/或各种3G和4G标准规范)。基站300支持例如参照图2至图4所述的协议层操作。
基站300包括处理器302、动态RAM 306、静态RAM 308、EPROM310以及至少一个数据存储装置312，例如硬盘驱动器、光盘驱动器、磁带驱动器等。这些组件(可包含在外围处理卡或模块上)经由局部总线336相互耦合，并经由接口316与外围总线338(可以是后面)耦合。这些外围卡耦合到外围总线338。这些外围卡包括网络基础设施接口卡320，它将基站300耦合到接入网关28和/或30。
数字处理卡322、324和326分别耦合到射频(RF)单元328、330和332。这些数字处理卡322、324和326中的每个执行由基站300服务的相应扇区(例如扇区一、扇区二或扇区三)的数字处理。这样，数字处理卡322、324和326中的每个将执行参照图5至图8所述的部分或全部处理操作。RF单元328、330和332分别耦合到天线340、342和344，并且支持基站300与移动终端之间的无线通信。基站300还可包括其它卡318。
如上所述，公共层2/3协议功能性可在接入网关与基站之间划分，但也可完整地驻留在基站中。在这方面，基站300包括经由RF单元和数字处理卡322、324和326的多模式物理层以及“分布式”公共层2/3功能，并且通过这种方式来支持相同覆盖区域56、59、60和62(参见图1)中的多个物理层模式。接入网关28和30可提供层2/3功能的“集中式”组件，并且还用作接入网66中的路由器，并且提供到无线核心网络基础设施24(以及公用IP网络)的接口。
与协议栈314有关的结构和操作指令存储在存储装置312中。将协议栈314下载到处理器302和/或DRAM 306中作为协议栈304，以便由处理器302执行。虽然协议栈示为驻留在基站300包含的存储装置312中，但是，可将协议栈加载到例如磁介质、光介质或电介质之类的便携介质中。此外，可用电子方式通过数据通信通路将协议栈314结构和/或操作指令从一台计算机发送到另一台计算机。
在执行与协议栈304有关的结构和操作指令时，基站300按照本文参照图1至图10所述的方法和过程来进行操作。可由基站300的数字处理卡322、324和326和/或其它组件部分地执行协议栈304结构和/或操作指令。此外，所示的基站300的结构只是可按照本文包含的描述进行操作的许多不同基站结构中的一个。
图10是示出根据本发明的一个实施例构成的、又可称作基站控制器的接入网关的框图。接入网关的结构和操作是普遍了解的。接入网关360可服务于电路交换和分组交换操作，并且在一些情况下被号召根据耦合到接入网关360的设备类型，在电路交换与数据交换格式之间转换数据。图10所示的组件、它们的功能和互连性可以改变，并不背离本发明的示教。
接入网关包括处理器362、动态RAM 366、静态RAM 368、EPROM 370以及至少一个数据存储装置372，例如硬盘驱动器、光盘驱动器、磁带驱动器等。这些组件经由局部总线380相互耦合，并且经由接口376与外围总线378耦合。各种外围卡耦合到外围总线378。这些外围卡包括无线核心网络接口卡382、基站管理器(BSM)接口卡384、至少一个选择器卡386、移动台控制器(MSC)接口卡388和多个基站接口卡390、392和394。
无线核心网络接口卡将接入网关360耦合到无线核心网络基础设施24。基站管理器接口卡384将接入网关360耦合到基站管理器396。选择器卡386和MSC接口卡388将接入网关360耦合到MSC/HLR/ VLR 398。基站接口卡390、392和394分别将接入网关360耦合到基站32、34和36。
与协议栈374有关的结构和操作指令存储在存储装置372中。将协议栈374下载到处理器362和/或DRAM 366中作为协议栈364，以便由处理器362执行。虽然协议栈示为驻留在接入网关360包含的存储装置372中，但是，可将协议栈加载到例如磁介质、光介质或电介质之类的便携介质中。此外，可用电子方式通过数据通信通路将协议栈274的结构和/或操作指令从一台计算机发送到另一台计算机。
协议栈364可作为集中式层2/3协议结构106(参见图2)来实现，以便在基站32、34和36的每个中补充分布式层2/3协议结构108。在操作中，接入网关360存储耦合到由接入网关360和基站32、34和36组成的接入网的各移动终端的集中式层2/3上下文，以便消除基站32、34和36之间的基站内切换的上下文转移的需要。
本文所公开的本发明实施例可以进行各种修改和替换。因此，具体实施例通过附图和详细描述中的实例示出。不过，应当理解，附图和具体实施方式并不是要将本发明限制于所公开的具体形式，相反，本发明涵盖了落入由权利要求书所定义的本发明精神和范围内的所有修改、等效方案和备选方案。

Claims (14)

1.一种对空中接口协议体系结构的多个异构物理层模式进行动态业务负荷平衡的方法，所述体系结构支持用于在多个时隙上调度通信数据的多个物理层模式复用方案，以供在具有多个载波的多载波无线通信网络中使用，所述方法包括：
对于所述多个时隙中的每个时隙：
根据调度优先级标准给多个移动终端中的每个终端分配优先级，其中所述多个移动终端中的每个终端包括至少一个物理层模式；
按照用于数据通信的所分配优先级的顺序将所述移动终端分类；
当所述物理层模式复用方案是时分复用(TDM)方案时，
根据具有用于数据通信的最高所分配优先级的移动终端以及所述最高所分配优先级移动终端支持的物理层模式来选择所述物理层模式；以及
当所述时隙能容纳附加移动终端时，选择支持所选物理层模式的用于数据通信的下一个最高所分配优先级移动终端，直到所述时隙不能容纳另外的附加移动终端，或者没有剩下支持所选物理层模式的另外的附加移动终端；以及
当所述物理层模式复用方案是频分复用(FDM)方案时，
根据用于数据通信的最高所分配优先级移动终端以及所述最高所分配优先级移动终端是单物理层模式移动终端还是多物理层模式移动终端来选择所述物理层模式；以及
当物理层资源能容纳附加移动终端时，选择用于数据通信的下一个最高所分配优先级终端，直到所述物理层资源不能容纳附加移动终端，或者没有剩下附加移动终端。
2.如权利要求1所述的方法，其中当所述物理层模式复用方案是FDM方案并且用于数据通信的所述最高所分配优先级移动终端是物理层多模式终端时；并且
当所述物理层多模式移动终端不能够与所关注的多个物理层模式中的每个模式进行数据通信时，所选物理层模式是最小负荷物理层模式。
3.如权利要求1所述的方法，其中当所述物理层模式复用方案是FDM方案并且用于数据通信的所述最高所分配优先级移动终端是物理层多模式终端时；并且
当所述物理层多模式移动终端能够与所关注的多个物理层模式中的每个模式进行数据通信时，所选物理层模式是占用最少量频谱资源的物理层模式。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：
当所选物理层模式改变为随后所选物理层模式时，确定所述随后物理层模式所支持的MAC状态集合；以及
当不支持所述移动终端的当前MAC状态时，将所述移动终端转变为所述随后物理层模式的所述MAC状态集合中的有效MAC状态。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述异构物理层模式与不同的接入协议相关，所述接入协议包括CDMA、OFDM、MC-CDMA、TDMA、FDMA或单载波接入协议。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述异构物理层模式与不同的部署方案相关，其中所述部署方案包括固定无线、移动无线、无线LAN、无线广域网、包括微微小区、微小区、宏小区部署方案的无线蜂窝网。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述异构物理层模式与所述移动终端的移动性状态相关，其中所述移动性状态包括固定、移动或游动。
8.一种对空中接口协议体系结构的多个异构物理层模式进行动态业务负荷平衡的系统，所述体系结构支持用于在多个时隙上调度通信数据的多个物理层模式复用方案，以供在多载波无线通信网络中使用，所述系统包括：
用于对于所述多个时隙中的每个时隙根据调度优先级标准给多个移动终端中的每个终端分配优先级的装置，其中所述多个移动终端中的每个终端包括至少一个物理层模式；
用于对于所述多个时隙中的每个时隙按照用于数据通信的所分配优先级的顺序将所述移动终端分类的装置；
用于对于所述多个时隙中的每个时隙执行以下操作的装置：
当所述物理层模式复用方案是时分复用(TDM)方案时，
根据具有用于数据通信的最高所分配优先级的移动终端以及所述最高所分配优先级移动终端支持的物理层模式来选择所述物理层模式；以及
当所述时隙能容纳附加移动终端时，选择支持所选物理层模式的用于数据通信的下一个最高所分配优先级移动终端，直到所述时隙不能容纳另外的附加移动终端，或者没有剩下支持所选物理层模式的另外的附加移动终端；以及
当所述物理层模式复用方案是频分复用(FDM)方案时，
根据用于数据通信的最高所分配优先级移动终端以及所述最高所分配优先级移动终端是单物理层模式移动终端还是多物理层模式移动终端来选择所述物理层模式；以及
当物理层资源能容纳附加移动终端时，选择用于数据通信的下一个最高所分配优先级终端，直到所述物理层资源不能容纳附加移动终端，或者没有剩下附加移动终端。
9.如权利要求8所述的系统，其中当所述物理层模式复用方案是FDM方案并且用于数据通信的所述最高所分配优先级移动终端是物理层多模式终端时；并且
当所述物理层多模式移动终端不能够与所关注的多个物理层模式中的每个模式进行数据通信时，所选物理层模式是最小负荷物理层模式。
10.如权利要求8所述的系统，其中当所述物理层模式复用方案是FDM方案并且用于数据通信的所述最高所分配优先级移动终端是物理层多模式移动终端时；并且
当所述物理层多模式移动终端能够与所关注的多个物理层模式中的每个模式进行数据通信时，所选物理层模式是占用最少量频谱资源的物理层模式。
11.如权利要求8所述的系统，还包括：
当所选物理层模式改变为随后所选物理层模式时，确定所述随后物理层模式所支持的MAC状态集合；以及
在不支持所述移动终端的当前MAC状态时，将所述移动终端转变为所述随后物理层模式的所述MAC状态集合中的有效MAC状态。
12.如权利要求8所述的系统，其中所述异构物理层模式与不同的接入协议相关，所述接入协议包括CDMA、OFDM、MC-CDMA、TDMA、FDMA或单载波接入协议。
13.如权利要求8所述的系统，其中所述异构物理层模式与不同的部署方案相关，其中所述部署方案包括固定无线、移动无线、无线LAN、无线广域网、包括微微小区、微小区、宏小区部署方案的无线蜂窝网。
14.如权利要求8所述的系统，其中所述异构物理层模式与所述移动终端的移动性状态相关，其中所述移动性状态包括固定、移动或游动。
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