CN101455098A - 在无线网络中采用编码调度来进行机会多播的方法和装置 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于机会多播的方法、装置和系统。在一个实施例中，一种用于无线多播系统的装置包括：用于存储从多个接收机接收的信道状态和/或速率信息的存储器；用于根据原始多播/广播内容来生成编码块的可选编码器；用于在每一传输时隙内经由广播信道向多个接收机中的接收机广播信息的发射机；以及耦合至存储器和发射机的控制器，用于修改发射机的传输率，以便使发射机在不同传输时隙内以不同速率发送，其中所述控制器根据与广播信道相关联并且从多个接收机接收的信道状态信息以及根据多个接收机中目标在于在所述每一传输时隙期间经由广播信道可靠地接收广播传输的接收机子集，来确定广播已编码信息的发射机的传输率。

Description

在无线网络中采用编码调度来进行机会多播的方法和装置

优先权

本专利申请要求于2006年12月22日提出的临时专利申请序号为60/876,903、标题为“A Method and Apparatus for Multicasting withCoded Scheduling in Wireless Networks”的专利申请的优先权，引入其全文以供参考。

相关申请

本申请涉及于2006年11月27日提出的序号为11/605,812且标题为“A Method and Apparatus for Layered Rateless Coding”的美国专利申请；于2007年5月4日提出的序号为60/927,814且标题为“Hybrid and Improved Approaches to Layered Rateless Coding”的美国专利申请；于2007年10月16日提出的序号为11/873,248且标题为“Information Delivery Over Time-Varying Network Topologies”的美国专利申请；于2007年3月13日提出的序号为60/906,999且标题为“A Method and Apparatus for Prioritized Information Deliverywith Network Coding Over Time Varying Network Topologies”的美国专利申请，所有这些均指定给本发明的共同受让人。

技术领域

本发明涉及多播广播领域；更具体来讲，本发明涉及在无线网络中采用机会调度和传输率修改来进行多播的网络。

背景技术

假定有一组数量为M的接收机RX＝(RX₁，RX₂，...，RX_M)。有时，向该组每个接收机发送相同的信息是合乎需要的，如此使得每个接收机能够恢复完整的信息并且同时实现高吞吐量。不失一般性的是，假定把时间划分为时隙，在每个时隙内，每一接收机RX_j∈RX观察稳定的信道质量，这通过它在第k时隙正常接收的信噪比SNR_j(k)来表示。假定发射机在时隙开始时就知道(例如，经由反馈信道)每一接收机的信道状态(具有一定准确性)。所述信道状态信息(CSI)规定了在给定的可靠性或成功率下能够经由该信道每秒发送多少比特(或者每次发送的比特)。例如，信息理论说明在接收机x处经由加性高斯白噪声(AWGN)信道能够实现传输率C_x(k)＝0.5log₂(1+SNR_x(k))。如果所述发射机在第k时隙期间以R>C_x(k)的速率发送信息，那么接收机x无法恢复在该时隙期间发送的信息。另一方面，以速率R<C_x(k)发送的任何信息能够在第k时隙期间由x成功地恢复。

假定在每一时隙开始时，把接收机按照其信道质量以递减顺序来排序，即，SNR₁(k)≥SNR₂(k)≥...≥SNR_M(k)。那么，在时隙开始时由发射机设置的速率规定接收机的哪个子集能够恢复在该时隙期间发送的信息。把速率R_L(k)定义为这样的速率，在该速率，具有最高L信道质量的接收机在时隙k期间的确能够恢复广播信息，而其余(M-L)接收机无法做到。例如，基于理想的假设，经由AWGN信道，R_L(k)变为等于0.5log₂(1+SNR_L(k))。把集合RX_L(k)定义为在第k时隙期间具有L最高信道质量值的接收机子集，所述最高信道质量值例如是信噪比。换言之，RX_L(k)表示能够成功地恢复以速率R_L(k)发送的信息的接收机组。鉴于此目的，如果x为真并且为0，那么把指示函数I(x)定义为等于1，否则，例如如果x∈RX_L(k)，那么I(x∈RX_L(k))＝1，而如果 $x\&NotElement;{\mathrm{RX}}_L\left(k\right),$ 那么I(x∈RX_L(k))＝0。着眼于这些定义，那么人们可以把在T时隙帧中于接收机x处观察到的平均速率写为：

$R_x(L,T)=\frac{1}{T}\underset{k=1}{\overset{T}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_L\left(k\right)\&times;I(x\&Element;{\mathrm{RX}}_L\left(k\right))$

应注意的是，L和T此处用作系统参数。由于R_x(L，T)是随机变量，所以这些参数能够被选择以便最大化R_x(L，T)的预期值，即，E[R_x(L，T)]。当R_L(k)×I(x∈RX_L(k))被同等地分布时，E[R_x(L，T)]变得独立于T，并且仅仅对L进行最大化。通常，最大值不与极值点(其中L＝1或者L＝M)重合，而是处于中间点。最大值点的位置取决于信道统计量。

如果不同用户观察到不同的信道统计量(例如，一个用户比其它用户更接近发射机，某些用户与发射机可以具有直线的视线，而其它用户未必具有等等)，那么某些用户在不同的L值处可能更加获益。

机会多播在所属领域中是众所周知的。某些人已经建议了这样一个策略，即，根据用户的信道质量对用户进行排序并且选择中间的用户作为目标信道质量水平，以便设置无线信道之上的传输率。在此情况下，为基数为N/2(假定N是偶数)的接收机的每一可能的子集使用独立的发送队列。例如，对于6用户系统来说，其中把用户从1到6编号，人们可以定义C(6，2)＝6！/2！/(6-2)！＝15个基数2的不同子集。对于每一子集A来说，还具有互补子集A^c＝{1，2，3，4，5，6}/A，例如，{1，4，5}的互补子集是{2，3，6}。每当接收到新的信息分组时，所述分组被复制到两个队列上：具有最高N/2信道质量值(即，SNR)的接收机子集及其补集。假定每一接收机具有IID信道质量度量，每一子集具有由发射机按照当前信道状态信息规定的那样进行调度的等效机会。由于每一分组将会由所有接收机接收到，所以将被复制有分组的每一队列必须至少被调度一次。此系统主要受三个问题的困扰。第一，所述系统不是最佳的并且它仅仅根据中间用户来考虑速率适应。第二，当发射机把N/2以上的接收机作为目标时，就会存在带宽浪费。在这种情形下，人们找不到相同大小的接收机的互不相交的子集，并且建议的调度就是对于某些接收机的重发。例如，假定最佳策略在于每次把六个中的四个最佳接收机作为目标，而不是中间的用户。如果最佳子集是{2，3，5，6}(例如，这些是目前具有四个最高平均SNR值的接收机)，那么互补子集是{1，4}，且其基数小于四。因此，当为子集{2，3，5，6}调度分组时，将其复制到对应于基数四的子集并且还包括{1，4}的队列。然而，当该队列被调度时，可以确保让至少两个接收机不具有新信息并且根据其观点看所述发送被浪费。第三，所述解决方案具有用户数量的指数复杂度，这是由于人们需要保持队列的指数数量。

用于发送已编码比特流的其它机会多播策略也是已知的，但是它们要么遗留发送继之以恢复周期，要么它们不是持续工作(即，发射机空闲，直到足够好的发送机会出现为止)。

在机会调度方面存在很多文献，但是这些文献建议其用于单播流程，其中每一接收机需要衰落广播信道之上的无关信息流。

还应注意的是，擦除代码(erasure codes)、无比率代码(ratelesscodes)及其应用在本领域也是公知的。

发明内容

描述了一种用于机会多播的方法、装置和系统。在一个实施例中，一种用于无线多播系统的装置包括：用于存储从多个接收机接收的信道状态和/或速率信息的存储器；用于根据原始多播/广播内容来生成编码块的可选编码器；用于在每个传输时隙内经由广播信道向多个接收机中的接收机广播已编码信息的发射机；以及耦合至存储器和发射机的控制器，用于修改发射机的传输率，以便使发射机在不同传输时隙内以不同速率发送，其中，所述控制器根据与广播信道相关联的并且从多个接收机接收的信道状态信息以及根据多个接收机中目标在于可靠地接收在所述每一传输时隙期间经由广播信道的广播传输的接收机子集，来确定用于广播已编码信息的发射机的传输率。

附图说明

根据以下给出的详细说明并且根据本发明的各种实施例的附图，将能更加完全地理解本发明，然而不是采用这些来把本发明限制为特定的实施例，而仅仅用于解释和理解。

图1是无线多播系统的一个实施例的框图。

图2是发送装置的一个实施例的框图。

图3举例说明了跨越具有10dB平均SNR的时隙的独立和同等分布的(IID)Rayleigh信道的图片。

图4举例说明了在每一T时隙期间，信道模型被更新并且为L优化的情况。

图5是发射机的一个实施例的数据流程图。

图6是示例性计算机系统的框图。

具体实施方式

描述了一种用于在无线网络中进行多播的方法和装置。在一个实施例中，所述多播包括编码调度。本发明的实施例为无线网络提供了明显的容量增益，在无线网络中，把相同的信息向多个接收机多播。在无线网络中，由于介质是固有的广播介质，所以由发射机发送的信息同时由许多用户接收到。然而，每一接收机观察到不同的，并且总体上讲是随时间变化的信道质量，其用于确定在给定时刻可传递给每一接收机的最大速率。在这些条件下，使用不同的发送策略来实现每一用户不同的短期和长期多播吞吐量。在一个极端，人们能够根据最差情况用户来发送，以便确保人人都能够成功地恢复在每次发送中发送的信息。由于最差情况用户的信道质量明显低于系统中的许多其它用户，所以此策略会造成人人的传输率都非常低，由此对于具有更好信道速率的用户非常不利。在另一极值点处，发射机能够在每一发送时机找机会仅把具有最佳信道质量的用户作为目标，由此使每一时刻的传输率最大化。这种策略的消极结果在于，只有最佳情况用户能够在每一发送时机成功地恢复信息，并且用户必须等到所述信道条件有利于他们为止。此等待时间能明显降低每一用户的多播吞吐量。因此，通过集中更大的用户集合但过滤出具有非常低信道质量的用户，更好的策略(此处被称为“机会多播”)往往谨慎地平衡调度器处的瞬时传输率和每一用户的等待时间。

虽然机会多播通过利用跨越空间与时间的信道质量的扩展(即，多用户分集)提供了吞吐量相当大的增加，但是发射机处的调度器必须确保每一接收机接收到相同的广播信息。在一个实施例中，这是通过谨慎地协调发送来实现的。在一个实施例中，所述系统记住在任一时刻由哪组用户接收到什么样的信息，给出此信息以及当前信道状态，调度器依照接收机的哪个子集(用户)还需要接收数据来判定发送哪些信息。

在一个实施例中，使用了固定比率或者无比率擦除代码，以便只要接收机能够成功地恢复足够数量的发送编码块，就允许接收机恢复完整的广播信息。在这种情况下，在系统必须明了较少信息的同时，系统的发送误差自然也有所回弹。本发明的一个实施例不取决于这些代码的特殊实现方式，并且不要求提供新的编码技术。本发明的一个实施例能够与优化机会多播一起使用任何这些代码来提供简单、可扩展(例如，用户数量)并且最佳的(例如，不因重发和浪费的调度而浪费任何发送时机)多播装置。

在随后的描述中，提出了很多具体细节，以便提供对本发明的彻底的解释。然而本领域普通技术人员将理解的是，本发明可以在没有这些具体细节的情况下来实施。在其它情况下，以框图的形式示出了众所周知的结构和装置，而没有详细地示出，以免使本发明模糊。

随后的详细说明的某些部分是就计算机存储器内的数据位的操作的算法和符号表示来提供的。这些算法描述和表示是数据处理领域的技术人员用来向本领域其它技术人员最有效地传达其工作实质的手段。此处，一般来讲，将算法视为导致期望结果的自相一致的步骤序列。所述步骤需要物理量的物理操纵。通常，这些量采用能够被存储、转送、组合、比较等操纵的电气或者磁性信号的形式，但也未必如此。有时为了方便，主要是由于通用的原因，把这些信号称为比特、值、参数、项、元素、对象、符号、字符、术语、数字等。

然而应当记住的是，所有这些术语和类似术语将与适当的物理量相关联，并且仅仅作为应用于这些量的适当标记。除非另作说明，否则根据如下论述显而易见的是，应该理解，遍及说明书，利用的诸如“处理”或者“计算”或者“推算”或者“确定”或者“显示”等等的术语指的是计算机系统或者类似电子计算装置的动作和过程，用于操纵并且把计算机系统的寄存器和存储器内被称为物理(电子)量的数据变换为计算机系统存储器或者寄存器或者其他的这种信息存储、发送或者显示装置内同样被称为物理量的其它数据。

本发明还涉及用于执行此中操作的装置。此装置为了需要的目的可以被专门地构造，或者它可以包括可由存储在计算机中的计算机程序有选择地激活或者重新配置的通用计算机。这种计算机程序可以被存储在计算机可读存储介质中，诸如但不局限于包括软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘的任何类型的盘片、只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)、EPROM、EEPROM、磁卡或者光卡、或者适合于存储电子指令并且均耦合至计算机系统总线的任何类型的介质。

此处提供的算法和显示并非原本涉及任何特殊计算机或者其它装置。按照此处的教导，还可以使用具有程序的各种通用系统，或者它可以证明构造更加专门的装置来执行所需要的方法步骤十分便利。各种这些系统所需的结构根据下面的描述将更加明显。另外，本发明不是参照任何特殊的程序设计语言描述的。将理解的是，可以使用各种编程语言来实现此处所述那样的本发明的教导。

机器可读介质包括用于依照机器(例如，计算机)可读取方式存储或者发送信息的任何机构。例如，机器可读介质包括只读存储器(“ROM”)；随机存取存储器(“RAM”)；磁盘存储介质；光存储介质；闪存器件；电气、光学、声学或者其它形式的传送信号(例如，载波、红外信号、数字信号等等)等等。

概述

图1是无线多播系统的一个实施例的框图。参考图1，所述无线多播系统具有一个发射机101和多个接收机(节点)102-104，所述发射机101用于经由广播信道发送广播信息，所述接收机能够经由此广播信道接收。由此，所有接收机需要相同的信息，并且所述接收机倾听且试图恢复广播信息。在一个实施例中，所述广播信道包括时隙、频带、OFDM子带、扩频代码或者逻辑信道(例如，频带序列或者时隙集合)。每个接收机都能够在该信道上倾听并且接收。应注意的是，虽然示出了三个接收机，但是本发明不局限于具有三个接收机的系统，而是这种系统可以具有任意数量的接收机(例如，4，5，...10，...100，...)。

接收机102-104的每一个均经历随时间变化的信道条件。在一个实施例中，所述信道条件是准稳定的，并且在下一时隙开始之前，在接收机和发射机101这两处都是已知的。在一个实施例中，反馈机制把指示信道条件的接收机102-104的信道状态信息提供回发射机101。所述反馈机制可以包括接收机102-104和发射机101之间的无线信道或者有线信道。虽然所述反馈采用将接收到的信道质量以显式方式通信回到发送器，但是在另一个实施例中，所述反馈是在发送器处通过观察反向信道质量并且使用正向和反向的信道对称性来隐式执行的。

发射机101包括用于控制发射机101的控制器110。在一个实施例中，控制器110作为速率适配器来操作以便选择不同的信道或者传输率，其中发射机101将以该速率经由广播信道发送广播信息。在这种情况下，在每个发送出现时间(例如，时隙)进行传输率的选择。在一个实施例中，控制器110提供速率修改容量，用于使发射机101能够根据信道状态和现有的目标可靠性以不同速率发送。在一个实施例中，这种速率修改是通过在每一发送时机把接收机102-104的子集作为目标以机会方式来提供的，其中所述速率被设置为满足目标子集的接收机当中的最差信道条件。在此情况下，被设置的传输率规定接收机的哪个子集能够实际恢复广播信息。在某些情况下，可以存在一个或多个未处于目标集合中的接收机，能够观察到足以恢复以所设置的传输率的多播数据的信道质量。这些接收机于是能够恢复发送的信息，由此能够在给定时隙实际恢复多播数据的接收机的子集大于目标子集。还可能存在这样的情况，其中最初处于目标子集的接收机看到比估计的信道状态更坏的信道条件，由此在实际操作中无法恢复数据。

图2是诸如发射机101的发送装置的一个实施例的框图。参考图2，所述发送装置包括存储器或者其它存储器212，用于存储经由反馈信道输入211从无线多播系统中的多个接收机接收的信道状态信息211。无线发射器/接收机202被耦合以便接收广播信息201，并且在每个传输时隙内在广播信道之上将其经由天线204广播至多播系统的多个接收机中的接收机。

控制器202被耦合至存储器212和发射机/接收机203，用于修改发射机的传输率，以便使发射机在不同传输时隙内以不同的速率发送。在一个实施例中，所述控制器202根据与广播信道相关联的从多个接收机接收的且存储在存储器212中的信道状态信息210以及根据多个接收机中目标在于可靠地接收在传输时隙期间经由广播信道的广播传输的接收机子集，来确定用于广播信息的发射机203的传输率。

在一个实施例中，控制器202通过设置发射机203的传输率以便满足接收机(图1的接收机102-104)子集当中的最差信道条件来修改发射机203的传输率。在另一实施例中，控制器202通过对时隙内将出现的至少一个多播传输执行多播传输的速率修改并且设置发射机203的传输率来修改发射机203的传输率，其中所述传输率是在时隙内服务于最佳L个用户的传输率。应注意的是，发射机203在所述时隙的整个持续时间内以所述传输率发送。

在一个实施例中，控制器202通过根据各自信道状态信息对多播系统中的多个接收机排序以便创建排序列表、根据最佳顺序信息来确定排序列表中的值、以及给定过去信道状态信息历史和与多个接收机中的所有接收机相关联的传输调度的至少一个，确定接收机的子集以便包括具有大于或等于排序列表中的值的可实现传输率的所有接收机，来标识接收机子集。

在另一个实施例中，控制器202通过对多播系统的多个接收机中的每一接收机的可实现速率按照下一时隙内的顺序排序为列表，以此来选择接收机的子集，然后把传输率设置为等于列表中的一个接收机的一个可实现速率，其中一个可实现速率是在包括列表中的最高可实现速率的组中的最低可实现速率，其与接收机的预定数量相关联。在这种情况下，控制器202对下一时隙内向接收机发送数据进行调度，具有处于或超过设定传输率的可靠传输率。

在一个实施例中，控制器202计算每个接收机的每一信道的容量，对多播系统中的接收机组的每一信道的容量的标准化版本进行排序，并且从排序的接收机组中选择预定数量的接收机，其中所述传输率是依照预定数量接收机中的接收机的传输率当中的最低传输率来设置的。用户信道速率的标准化可以考虑发送给每一接收机的平均吞吐量，每一接收机的调度间时间，每一接收机的平均信道质量，由每一接收机接收到的实际吞吐量(其中，这种接收到的吞吐量此后经由反馈信道被传达回发射机)，在接收机观察到的应用质量(例如，速率-失真度量)等等。

在一个实施例中，控制器202根据每一接收机的信道状态信息来计算函数，并且根据计算所述函数的结果对多个接收机中的接收机排序。在一个实施例中，所述函数取决于信道状态信息与向接收机的发送的过去调度有关的信息(例如，每个接收机的平均吞吐量)。在另一个实施例中，所述函数对应于当前时间多播系统的每一接收机的容量。在又一个实施例中，就扩展容量(例如，所有接收机的平均)而论，所述函数对应于当前时间每一接收机的容量。在又一个实施例中，就接收机的吞吐量而论，所述函数对应于当前时间每一接收机的容量。

在一个实施例中，所述发送装置包括编码器220，用于根据广播/多播信息201来生成编码块。在一个实施例中，编码器220使用固定比率擦除代码。在一个实施例中，所述固定比率擦除代码使用信道状态信息和调度历史来生成编码块。在另一个实施例中，编码器220使用无比率代码。不论是哪种情况，发射机203向多播系统中所有接收机的接收机子集发送编码块。在一个实施例中，所述无比率代码使用信道状态信息和调度历史来生成编码块。在一个实施例中，编码器220还执行缓冲功能，以便累积至擦除代码编码器的足够广播/多播块。通常当广播/多播信息不是在另一节点早已被编码时使用编码器220。在一个实施例中，系统在一个节点处实施图2中的所有块。在另一个实施例中，所述块与功能跨越许多节点分布，在这种情况下，使用正确的控制信令机构来确保调度器发送已编码信息。在一个实施例中，多播/广播信息所驻留的源节点执行编码器220的编码功能，并且发送装置本身不执行任何编码操作。在一个实施例中，所述源节点通知发送装置广播/多播信息是否已被编码，这取决于哪个发送装置经由编码器220传递信息。在另一个实施例中，所述无线发送装置完全禁止编码器220并且相信源节点或者其它节点已发送擦除编码的(例如，FEC保护的)广播/多播消息。

子集和传输率选择

为了制定接收机(节点)子集的选择并且选择传输率，所述信道被建模。为了从形式上说明所述模型，对于无线用户i在时间t的接收信号yi(t)可以被写为：

y_i(t)＝h_i(t)·s(t)+n_i(t)

鉴于此目的，s(t)表示由具有平均功率限制E[‖s(t)‖²]≤P的发射机发送的多播消息。用户i的信道衰落系数h_i一般按照循环对称的复杂高斯随机变量被建模，然而我们不需要做出这种假定。同样，外加噪声n_i一般按照具有零均值和单位方差的循环对称复杂白高斯噪声来建模。信道衰落系数h_i在时隙期间保持相同，并且在接收机和发射机两处被假定为已知的。h_i可能逐个时隙地以i.i.d.或者相关方式变化。对于两个不同的用户i和j来说，把h_i和h_j通常作为独立的过程。相反，跨越用户，外加噪声n_i始终被假定为i.i.d.。

使用这种模型，时隙k中使用的每一信道容量可以表示为：

C_i[k]＝B₁log₂(l+B₂·SNR_i[k])

其中SNR_i[k]＝‖h_i[k]‖²P，并且它表示在第k个时隙期间用户i的平均信噪比。此处，B₁和B₂是用于获取信道带宽、干扰、接收机缺陷等等的系数。应注意的是，每当发射机以R[k]>C_i[k]的速率发送时，节点i无法恢复时隙k期间的任何发送信息。相比之下，如果发射机将其速率设置为任何值R[k]≤C_i[k]，那么节点i能够恢复在时隙k发送的全部信息。

在一个实施例中，发射机为了多播传输执行如下的速率修改。在每一时隙开始时，发射机设置其传输率R[k]，并且在所述时隙的持续时间内保持在相同的速率发送。据此，直到第n个时隙的结束，用户i的吞吐容量可以表示为：

${\mathrm{\&Psi;}}_i\left[n\right]=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_i\left[j\right]\&CenterDot;R\left[j\right]$

为此，如果用户i能够成功地在第j个时隙中接收，那么I_i[j]是等于一的指示函数，否则等于零。

在一个实施例中，对于IID的情况来说，当所述信道条件是跨越用户的i.i.d.时，所述发射机被迫选择一传输率以便在每一时隙中服务于最佳L个用户。L可以是从1到N的任何值，但一旦固定，就需保持相同，直到系统中用户的数量改变、信道统计量改变或者直到多播会话结束为止。为了实现它，用户的容量在下一时隙(n+1)开始时被排序，诸如C₍₁₎≥C₍₂₎≥...≥C_(N)，其中所述时隙索引已经被忽略以避免模糊本发明。所述发射机把下一时隙内的信道速率设置为最佳L个用户的组中最差用户的速率，R[n+1]＝C_(L)。应注意的是，R[n]成为i.i.d.随机过程。此外，I_i[n]也成为i.i.d.随机过程，其也与R[n]无关。这是由于给定i.i.d.信道统计量，任何接收机一样可能处于L个最佳用户当中的事实。因此，I_i[n]＝1的概率为p＝L/N并且I_i[n]＝0的概率为(1-p)＝(1-L/N)。

在这种情况下，所述发射机选择L^＊，其使用如下公式来优化长期吞吐容量：

在一个实施例中，所述发射机的控制器对下一时隙按照递减顺序来排序每一用户的可实现速率。所述控制器把系统中第L个最佳可实现速率C_L作为目标，并且设置传输率R＝C_L。这种速率修改在时隙内暗中做出调度决定，并且具有可实现容量C≥R的任何用户成功地恢复在下一时隙内发送的块；否则，用户停歇并且观察该时隙中的丢失/擦除。此外，在一个实施例中，所述控制器找到最佳L^＊，使得最小用户吞吐量最后被最大化。这可以通过数字地求解上面的表达式或者通过对不同的信道统计量模拟系统并且创建用于采集L^＊的最优简档来进行。对于i.i.d.情况来说，所有用户观察到相同的长期吞吐容量。

对于非IID情况来说，当信道条件跨越用户独立地但非同等地改变时，要考虑公正性。这种情况通常根据用户的地理分布而出现。接近基站的用户通常具有更低的信号衰减，由此比离得很远的人们具有更好的平均信号功率。在一个实施例中，可以使用比例-公平共享(Proportional-Fair Sharing)，其在M.Sharif和B.Hassibi于2005年在迈阿密于Infocom′05的会议记录中记载的“A Delay Analysis forOpportunistic Transmission in Fading Broadcast Channels”中有所描述。在PFS中，所述发射机通过该用户的平均容量来标准化下一时隙内每一用户的可实现容量。因此，每一用户与其自己的平均水平竞争，而不是其它用户。在一个实施例中，使用了PFS度量的改良形式。下面将简述这些。

对于非IID情况来说，为了设置下一时隙(n+1)内多播信道的速率，所述控制器首先为每个接收机i计算 ${\tilde{C}}_i[n+1]=C_i[n+1]/{\mathrm{\&Gamma;}}_i,$ 其中Γi是标准化因子。Γ_i通常是过去调度历史和用户i的信道质量的函数。它可以被设置为Γ_i＝E[C_i]，即，用户i观察到平均信道质量。它还可以被设置为Γ_i＝Ψ_i[n]，即，用户i观察到的平均吞吐量。另一通用的方式在于让 ${\mathrm{\&Gamma;}}_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}w\left[j\right]\&CenterDot;I_i\left[j\right]\&CenterDot;R\left[j\right],$ 其中w[j]是加权系数，通常具有 $\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}w\left[j\right]=1.$ 举例来说，原始PFS算法设置w[n]＝α并且w[j]＝α(1-α)^(n-j)，其中0<α<1，1<j<(n-1)。然后，所述控制器把标准化容量排序为 ${\tilde{C}}_{\left(1\right)}\&GreaterEqual;{\tilde{C}}_{\left(2\right)}\&GreaterEqual;...\&GreaterEqual;{\tilde{C}}_{\left(L\right)}>...\&GreaterEqual;{\tilde{C}}_{\left(N\right)}.$ 所述控制器在排序列表中选择L个最高值，并且通过在集合{1，...，N}中找到唯一j来构造接收机索引集J_L[n+1]＝{j₁，...j_L}，使得对于m＝1，...，L满足 $C_j[n+1]/{\mathrm{\&Gamma;}}_j={\tilde{C}}_{\left(m\right)}.$ 然后，时隙(n+1)中的多播信道速率被计算为：

$R[n+1]=\underset{j\&Element;J_L[n+1]}{\min }{C}_m[n+1]$

应注意的是，始终是R[n+1]<C_(L)，并且通常让R[n+1]<C_(L)。换言之，通常在给定时隙中调度L个以上的用户。

由此，在非I.I.D.的情况下，在一个实施例中，依照如下方式来得到最佳L^＊：

当信道统计量是已知的时，L^＊可以被数值计算。当信道统计量是未知的时，所述系统首先可以被模拟，并且可以依照动态方式在线确定出L^＊。

性能曲线

图3是在10dB平均SNR和100用户系统下对应于IID Rayleigh信道情况的特性曲线情况。如图3所示，用户看到随着时间相同的平均信道统计量。可以从图3容易地推断出，假如信道中存在足够的偏差，那么相对最佳和最差情况用户进行服务是次优的。实际上，在给定信道条件下，应该任何时候都始终服务于63％的顶层用户(即，从最新测量结果中选择第63个最高SNR值并且据此设置传输率)。显而易见，63％的顶层用户由于用户信道条件的演变而随时间变更。图4描述了这样的情形，每T个时隙，在使用已标识信道模型(迄今为止)直到所述模型根据新的测量结果被修改为止，信道模型被更新以及L被优化(例如，图4中L＝3)。人们还可以设想L自身可以随着时间改变的情况。如果(平均)信道统计量随信息广播而改变或者依照特定方式逐时隙地改变，那么这就是真的。在其它情形下，L可以是固定的。

擦除代码的使用

应注意的是，对于每个接收机来说，期望恢复整个广播信息。当在给定时隙k调度器机会地把L个最强接收机作为目标并且例如以相应速率R_k(L，M)发送信息X时，剩余(M-L)个接收机无法对其解码。当这些(M-L)个接收机的任何一个由于它们具有更好的信道条件而最终被调度时，传统的调度器往往在稍后发送时机重新发送X。然而，这样做会明显降低通过机会多播获得的吞吐量增益。在一个实施例中，使用擦除代码来解决所述问题。

如上所述，多播调度中的一个部分在于确信在正常操作下所有多播用户接收多播内容的每个块。在无线多播系统的一个实施例中，所述调度器决定服务于系统中N个用户的真子集。作为调度决定的结果，K个用户可以成功地恢复在当前时隙中发送的块。从剩余(N-K)个用户的观点看，发生块擦除脉冲串，其中脉冲串长度具有和时隙长度相同的大小。在一个实施例中，此处所述的机会多播技术创建仿真擦除信道。也就是说，在本发明的一个实施例中，所述发射机发送原始信息的不同编码(也就是X的函数)以及其它信息块。这和传统方法大不相同，在传统方法中，只有未编码的原始广播信息被调度并且发送。通过使用编码信息，能够以高概率来确保每个新的发送包含对于每个接收机来说新的信息。以这种方式，每一所接收的分组有助于从原始内容恢复新的信息片段。

由此，所述消息块经由固定比率或者无比率擦除代码被传递并且代之以调度由擦除代码输出的编码块，而不是发送原始消息块。在一个实施例中，固定比率和/或无比率擦除代码是在调度层上使用的。在一个实施例中，在第n个时间间隔(即，这些用户未被调度的)期间，C<R(n)的用户无法接收。把给定用户未被调度的间隔视为块擦除(即，调度层像“可控”虚拟擦除信道那样来动作)。根据实现策略和目标解码延迟，可以使用现有的擦除编码技术。鉴于此目的，描述了两个这样的方案，即固定比率擦除代码(例如，最大距离可分离(MDS)代码，诸如里德-索罗蒙代码)和无比率代码(例如，Raptor代码)。

固定比率擦除代码需要小心的评估无线信道和调度决定。如果任何这些条件变化，那么它们无法容易地适应所述变化，除非它们早已采用悲观的观点被设计。因此，紧密的控制是最佳操作点所需的，并且如果在紧挨着分组调度器或位于其之上的基站经由少数块来应用擦除编码，将是最好的。

相反，无比率代码是十分灵活的，并且可以盲目地适应吞吐量波动。如果不同的接收机观察到不同的短期或者长期吞吐量，那么每一接收机实现其自身吞吐量，并且对于其它用户来说不产生瓶颈。它们可以被应用在可以获得整个内容的远程服务器侧的应用层中，或者如果服务器不支持应用层FEC，那么可以在进行足够缓冲之后被应用在基站。通过增强速率限制，无比率代码还可以用作低效的固定比率代码。

控制器示例

图5是控制器的一个实施例的数据流程图，所述控制器用于控制发射机采用固定比率或者无比率擦除代码进行机会多播。每个处理块可以包括处理逻辑，所述处理逻辑可以包括硬件(电路、专用逻辑等等)、软件(诸如在通用计算机系统或者专用机上执行的)或者两者的结合。这些处理块可以物理地位于一个装置中，或者它们可以物理地分布于一个以上装置。

参照图5，反馈机制从接收机收集信道状态信息(CSI)(例如，SNR或者SINR测量结果、可实现信道速率等等)，并且把它发送回到发射机(处理块501)。在处理块502，所述CSI被排序并且在处理块505存储为调度历史的一部分。在一个实施例中，调度器历史至少包括有关迄今为止(或者在最后T秒、时期等内)哪些接收机已经被调度以及什么已经成为每一接收机的平均吞吐量(它可以是有窗/已过滤的吞吐量)的信息。在一个实施例中，对于取决于系统中接收机的数量、其移动性、位置等等的网络配置的当前快照来说，所述控制器存储CSI测量结果的历史(处理块504)，以便构造并且更新信道模型。在一个实施例中，所述控制器存储每一用户的可实现信道速率的统计量。这至少可以依照两种方法来进行。在一种方法中，所述发射机获得CSI信息和关于接收信号与干扰和噪声之比的历史，以便确定每一接收机的可实现信道速率。在另一个方法中，所述发射机从接收机直接接收关于接收机处可实现的速率的反馈。

给定模型和依照降序的当前信道状态信息的排序阵列，控制器确定接收机最佳数量L(503)，并且根据接收机最佳数量L来选择目标CSI以便设置传输率(处理块520)。由于信道模型随时间会明显演变，所以最佳L值通常也会随时间变化。在一个实施例中，所述最佳“L”还虑及估计量的可靠性或者过去信息的准确性，在这种情况下，接收机的目标数量本身就是估计结果或某一概率目标。

在一个实施例中，从所有接收机选择已排序CSI阵列中的目标CSI确定把接收机的哪个子集作为目标以便在下一发送序列中接收。假定这些接收机在其信道状态中没有经历高波动，那么作为下一发送序列目标的用户子集被隐式调度以便接收发送。

在另一实施例中，所述控制器使用当前CSI和过去CSI历史的功能而不是当前CSI自身来对接收机排序，并且决定接收机的目标子集。举例来说，在一个实施例中，每一用户的最近SNR测量结果相对于其迄今为止观察到的平均SNR被标准化，然后所述发射机使用标准化的SNR对接收机进行排序。在另一实施例中，当前CSI和过去CSI历史被映射到当前时隙和过去时隙的可实现传输率上。在另一情况下，在一个实施例中，直接相对于用户当前可实现速率(或者标准化速率)对用户排序，其中所述速率通常是信道状态信息的非平凡函数。然后，使用传输率的顺序来决定接收机的目标子集。同样，在另一个实施例中，一旦当前可实现速率和速率历史被计算，那么测量用户与每一用户峰值传输率的近似性，然后据此由控制器把它们按优先次序列出。在一个实施例中，这是通过使用户的当前信道速率相对于其平均信道速率来标准化来测量的。在另一实施例中，用户的当前信道速率相对于其平均吞吐量来标准化。所述平均吞吐量可以作为时间窗上的加权平均来计算，其中在平均值计算过程中，在更近时隙期间实现的吞吐量值具有更高的权重。所述示例可以扩展到CSI和可实现速率的其它函数。人们还可以明确地使用每一用户调度间时间、发射机和接收机处的每一用户缓冲器积压，来对当前信道质量顶层的用户进行排序。

在一个实施例中，所述控制器随时间跟踪这些子集，并且使用迄今已发送的信息来形成调度历史505。在另一个实施例中，所述控制器还可以直接从接收机接收有关接收到什么样的信息的反馈来修改调度历史505。

在一个实施例中，过去调度(例如，过去L值和CSI历史一起)可用于决定最佳L的选择。此信息是由调度历史505提供的。

在一个实施例中，原始内容(510)经由固定比率或者无比率擦除代码被传递以便使用擦除或者无比率编码器(511)生成编码块512(例如，比特、符号、分组等等)，其中所述CSI历史可被用来选择擦除代码的速率。然后，采用早已由目标CSI(即，接收机子集)为无线收发器确定的传输率把编码块512经由下一信道(530)传递至发射机的物理层。在另一个实施例中，编码块502由无比率代码生成，其中每一成功恢复的编码块把新的信息运送到任何接收机，其中新的信息是任何接收到的非冗余的创新信息(即，它无法从迄今被接收的信息比特恢复)。

在一个实施例中，把调度历史505连同原始内容510和CSI历史504一起用作擦除代码/无比率代码编码器511的输入。更具体地说，可以为每个接收机保留一队列来存储仍未由该接收机恢复的多播内容的未编编码块(根据调度历史和过去编码，可以立即告诉哪些块仍未恢复或者接收机可以明确反馈此信息)。然后，编码器询问哪些跨越当前调度的接收机的这些队列的编码可以递送最多信息。举例来说，假如发射机在第一时隙中调度x(未编码信息)并且接收机A和B恢复它，而不是接收机C。假定在第二时隙中，我们为接收机B和C调度y(同样未编码)。如果接收机A和C在当前时隙中被调度，那么编码x+y可以确保接收机A恢复y并且接收机C恢复x。以这种方式，使用当前时隙中的调度历史以及在当前时隙中哪些接收机被调度。

在其它实施例中，不使用调度历史505，在这种情况下使用无比率代码可以确保不管调度历史505，高概率创新信息被发送。

在不同的实施例中，每一信道可以对应于时隙、频率子带、扩频代码或者这些信道化技术的一个或多个的组合。给定接收机或者许多接收机的信道质量改变可处于时域、频域(例如，OFDM子带)、代码域(例如，CDMA扩频代码)或者这些域的任何子集。

存在与本发明一个或多个实施例相关联的多个优势。例如，本发明的实施例通过组合机会多播和编码提高了广播信息从一个发射机到多个接收机的用户和系统吞吐量。传统的系统通常把最差情况用户作为目标以便修改传输率。机会多播的特性使人们反而能集中于用户的更小子集并且实现高得多的瞬时传输率。在文献中提议的机会多播方案通过隐式或者明确跟踪哪些接收机迄今尚未接收到特殊分组并且在稍后发送时机中重新传送该分组来独立地解决分组调度问题，这由此浪费了资源。他们还通过集中于中间用户来集中于机会多播的仅一种情况。相反，本发明的一个实施例使用附加的机制来编码分组并且简化调度操作。

此外，本发明的一个实施例通过计算最佳目标CSI以便修改速率来进一步优化机会多播的性能。在编码阶段使用无比率代码而不是固定比率擦除代码还允许短期具有更高吞吐量的接收机利用这个。本发明的一个实施例还具有就调度(因擦除/无比率代码编码器的多项式时间)而言，与在文献中提议的用于机会多播的传统调度器的指数时间相反低得多的复杂性。

计算机系统的示例

图6是可以执行此处所述的一个或多个操作的示例性计算机系统的框图。参考图6，计算机系统600可以包括示例性客户端或者服务器计算机系统。计算机系统600包括用于传达信息的通信机构或者总线611以及与总线611耦合用于处理信息的处理器612。处理器612包括微处理器，但不局限于微处理器，诸如奔腾(TM)、PowerPC(TM)Alpha(TM)等等。

系统600还包括随机存取存储器(RAM)或者其它动态存储器604(称为主存储器)，耦合至总线611用于存储将由处理器612执行的信息和指令。在处理器612执行指令期间，主存储器604还可以用于存储临时变量或者其它中间信息。

计算机系统600还包括只读存储器(ROM)和/或其它静态存储器606，耦合至总线611用于存储将由处理器612执行的静态信息和指令，并且包括数据存储器607，诸如磁盘或者光盘及其相应的磁盘驱动器。数据存储器607被耦合至总线611以便存储信息和指令。

计算机系统600可以进一步被耦合至显示装置621，诸如阴极射线管(CRT)或者液晶显示器(LCD)，所述显示装置621耦合至总线611以便向计算机用户显示信息。包括字母数字以及其它按键的字母数字输入装置622也可以被耦合至总线611以便向处理器612传达信息和命令选择。附加用户输入装置是光标控制设备623，诸如鼠标、轨迹球、手写板、输入笔或者光标方向键，所述用户输入装置耦合至总线611用于向处理器612传达方向信息和命令选择，并且用于控制显示器621上的光标移动。

可以耦合至总线611的另一装置是硬拷贝装置624，其可用于在诸如纸张、薄膜的介质或者类似类型的介质上标记信息。可以耦合至总线611的另一装置是有线/无线通信能力625，用于与电话或者手持掌上装置通信。

应注意的是，系统600的任何或者所有组件以及相关联的硬件均可用于本发明。然而，应该理解的是，计算机系统的其它配置可以包括某些或者所有装置。

在阅读先前的描述之后，本发明的许多变化和修改对于本领域普通技术人员无疑更加清楚，应该理解的是，通过举例示出并描述的任何特定实施例决不应被视为限制。因此，各种实施例的相关细节并非意在限制权利要求书的范围，权利要求书本身只列举了认为是本发明所必需的那些特征。

Claims (3)

1.一种在具有多个接收机的无线多播系统中使用的装置，所述装置包括：

用于存储从多个接收机接收的信道状态和速率信息的至少一个的存储器；

用于在每个传输时隙内经由广播信道向多个接收机中的接收机广播信息的发射机；以及

耦合至所述存储器和发射机的控制器，用于修改发射机的传输率，以便使发射机在不同传输时隙内以不同速率发送，其中，所述控制器根据与广播信道相关联并且从多个接收机接收的信道状态信息以及根据多个接收机中目标在于在可靠地接收所述每一传输时隙期间经由广播信道的广播传输的接收机子集，来确定广播信息的发射机的传输率。

2.一种无线多播系统，包括：

用于经由广播信道发送广播信息的发射机；

用于经由广播信道接收发送的多个节点；

控制器，用于根据从接收机接收的信道状态和存在的目标可靠性，来执行速率修改以便使发射机以不同速率发送。

3.一种方法，包括如下步骤：

接收无线多播系统中的多个接收机的信道状态信息；以及

修改发射机的传输率，以便使发射机在不同传输时隙内以不同速率发送，包括根据与广播信道相关联并且从多个接收机接收的信道状态信息以及根据多个接收机中目标在于在所述每一传输时隙期间经由广播信道可靠地接收广播传输的接收机子集，来确定在每个传输时隙内经由广播信道向多个接收机广播信息的发射机的传输率。

Images