CN101518147A - 多跳中继网络中的无线电资源管理 - Google Patents

Abstract

在无线通信小区的信道的一个或更多个级联无线通信链路中，这些实施方式均衡无线通信带宽容量，并且跨无线通信小区内的两个或更多个虚拟小区管理所述信道中的无线通信带宽容量。

Description

多跳中继网络中的无线电资源管理

相关申请的交叉引用

本申请涉及并要求于2006年8月18日提交的、序号为60/822,861的名为“管理无线网络(MANAGINGAWIRELESS NETWORK)”的美国临时申请的优先权，并且涉及并要求于2006年8月18日提交的、序号为60/822,791的美国临时申请的优先权，并且涉及并要求于2007年7月31日提交的，序号为11/830,935的美国非临时申请的优先权。

技术领域

本文讨论的实施方式涉及多跳中继网络中的无线电资源管理。

背景技术

在无线蜂窝网络中，处于小区不同位置的用户通常感受到不同的信号质量，因此感受到不同程度的服务质量(QoS)。这是因为用户的信道质量取决于多种因素，包括路径损耗、屏蔽和干扰。位于小区边缘的用户经常受到来自相邻小区的强干扰并且观察到较低的载干噪比(CINR)。在城市环境中，大的建筑物对处于其后面的用户造成了严重的阻碍，有时会产生覆盖盲区。建筑物或隧道内部的信号穿透和衰减也严重地降低了信号质量。通过提高发射功率或改变天线结构通常无法提高这些服务不足的区域的信号质量。减小小区的尺寸和配置更多的基站将改善这种状况，但是由于对传统的小区地点和有线回程链路的接入限制以及相应的高运行成本使得这种方案通常是不可能的。

发明内容

本文讨论的实施方式的一个方面是在基于WIMAX移动多跳中继的网络(MMR小区)中的多个无线通信节点之间(如在基站(BS)和中继站(RS)之间)提供有效的无线电资源(传输时隙)的分割和分配。

这些实施方式在无线通信小区中的单个信道级联链路中，提供无线通信带宽容量均衡，并且跨小区内的两个或更多个虚拟小区管理单个信道中的无线通信带宽容量。这些实施方式不限于单个信道，而是，根据实施方式的一个方面，多个信道可以处于如下的节点之间，对于这些节点，无线电资源控制参数是指定的，并且通过中继再同步码序列(relayresynchronization amble sequence)来维持帧结构的排列。

参照形成了说明书一部分的附图，从后文更全面阐明和要求保护的构造和操作的细节中，可以明了以上的和其它的方面及优点，其中在所有附图中类似标号指的是类似部件。

附图说明

图1是根据实施方式的基于移动多跳中继的小区(MMR小区)的拓扑图。

图2是根据实施方式的MMR小区中TDD帧结构的图。

图3A是根据实施方式的管理中继无线通信小区中的无线资源的流程图。

图3B是根据实施方式的管理单个信道级联链路中的无线资源的流程图。

图3C是根据实施方式的跨小区内的多个虚拟小区管理无线资源的流程图。

图4是根据实施方式的具有3跳的MMR小区的拓扑图。

图5是根据实施方式的包含多个虚拟小区的MMR小区的拓扑图。

图6是根据实施方式的管理在节点间的单个无线通信信道中的无线资源的装置的功能框图。

图7是根据实施方式的图6的装置中的处理层(软件和/或计算硬件)的功能框图。

具体实施方式

这些实施方式涉及针对无线通信网络中的不同无线通信链路管理(如，分配)无线资源，最大化用户的QoS和系统(包括一个或更多个小区)容量。实施方式基于拥堵程度(无线通信发射机处的平均发送队列长度)在第一节点和一个或更多个中继第二节点到一个或更多个第三节点之间调节无线资源。无线电资源管理是指控制无线资源的通信、分配(assignment)(分派(allocation)/分割(partitioning)或分摊(apportionment))、初始化/配置、重新配置、调节、维护、测试/仿真等和/或使用无线资源的无线通信。根据实施方式的一个方面，在一个无线通信网络小区中，由第一节点来管理(如，分配)无线资源，以便经由一个或更多个中继第二设备，在该第一设备和一个或更多个第三设备之间带内地数字中继信息(称作小区级联链路负载均衡)。信道分配是指对节点间使用的无线电资源的一部分进行分配，例如，一部分带内无线电资源(单个信道的一部分)。单个信道可以指包括提供有限无线电资源供节点使用的包括一个或多个波段的任何无线电资源，并且根据实施方式可以被分割或分摊。

无线电资源指根据适当的无线通信网络接入系统(规范)以接入无线通信网络的无线通信带宽。带宽可以包括段、子载波(如果有的话)、符号、发射功率、时隙、频率或它们中的一部分，或它们的任意组合。带内是指第一设备和中继第二设备到一个或更多个第三设备之间的级联无线通信链路中，使用相同频段而不需要另外频段的单个信道。根据实施方式的一个方面，在两个设备之间的执行数字基带功能(即，执行适当的信号/数据处理)的任何设备都可以是中继设备。根据实施方式的一个方面，第一节点经由一个或更多个中继第二节点非直接地控制一个或更多个第三节点。根据实施方式的另一个方面，跨无线通信网络小区内的两个或更多个虚拟小区管理(如，分配)无线资源(称作虚拟小区(VC)负载均衡)。虚拟小区是指小区内的一个或更多个服务区域，其中每个服务区域被第一节点或被第一节点和一个或更多个级联的中继第二节点覆盖。一种实施方式提供了小区级联链路负载均衡和/或虚拟小区负载均衡的任意组合。

这些实施方式可以包含于在单个信道中使用时分复用的任何无线通信网络之中。例如，这些实施方式可以包含在但不限于，诸如(不限于)IEEE802.16标准(也被称为全球微波接入互可操作(WIMAX)网络)的任何宽带无线接入标准中，其中在MAC和/或物理层中规定了各种无线通信网络接入规范和/或这些规范的组合，其中这些无线通信网络接入规范基于诸如(不限于)时分多址(TDMA)的时分复用(TDD)系统、码分多址(CDMA)系统、正交频分复用多址(OFDMA)和/或频分多址(FDMA)。

在无线蜂窝网络中，使用无线电中继是提高用户信号质量的有效方法，其经由一个或更多个中继站(RS)，将基站(BS)和移动台/用户台(MS/SS)(此后称作MS)之间长且低质量的通信链路替换成多个较短的高质量链路。由于中继站不需要其自己的有线回程，并且其通常没有全功能BS复杂，因此中继站的布置和操作相比传统的BS更便宜。中继站能够扩展BS的服务以覆盖用户原本无法获得服务的盲区，并且扩展了BS的有效小区尺寸。中继站还能够用来提高用户的载干噪比(CINR)和服务质量(QoS)并提高小区容量。小区是指BS的服务覆盖区域(一个区域，其中BS管理该区域内的所有无线通信节点)。

中继技术可以依据包含在802.16j中继工作组中的IEEE802.16标准。但是，实施方式并不限于IEEE802.16j无线中继通信网络，并且能够应用于其他类型的无线中继通信网络中。在IEEE802.16j标准中，中继站象MS一样与BS进行通信，并且象BS一样在其覆盖区域中(称作RS微蜂窝)与MS进行通信。BS和所有相应的RS的全部服务覆盖区域可以被称作基于移动多跳中继的小区(MMR小区或MMR网络(如果是一个小区的话))。有3种类型的中继站：固定RS、游牧RS和移动RS。前两种类型的RS永久地或以比通常的用户会话长得多的时间固定在某个位置。实施方式涉及固定/游牧RS的操作。通常将移动RS安装在移动车辆上并对车辆中的那些MS提供服务。根据实施方式的一个方面，在包含一个或更多个固定和/或游牧RS的MMR小区中，容量和/或QoS被最大化和/或最优化。根据实施方式的另一方面，MMR小区RS可以包括一个或更多个移动RS，针对该一个或更多个移动RS，本实施方式可能不管理容量和/或QoS。

本实施方式应用在如下的无线通信网络中，该无线通通信网络具有一组或更多组共享单个信道的3个或更多个以无线方式进行通信的节点。在一个示例性实施方式中，图1是具有BS 102和两个中继站(RS1和RS2)104a、104b的MMR小区100的拓扑图。BS 102直接服务MS_BS组中的MS_1～6106a～f(MS₁106a和MS₂106b)。两个中继站(RS₁104a、RS₂104b)用来扩展BS 102的覆盖并且服务MS_RS1组中的MS_3～6106c～f(MS₃106c和MS₄106d)以及MS_RS2(MS₅106e和MS₆106f)。MMR小区100包括BS 102和所有的RS 104的通信覆盖区域。上行链路通信(UL)是指从MS到RS再到BS的通信，下行链路通信(DL)是指从BS到RS再到MS的通信。

在图1中，中继链路110是指BS 102和RS 104之间的DL/UL无线通信链路，包括多个RS 104之间的链路(视情况而定)。接入链路112是指涉及MS 106(BS 102和MS 106之间，或RS 104和一个MS 106之间)的DL/UL无线通信链路。复合接入链路114是指一组接入链路112a～n。级联DL/UL无线通信链路(级联链路)116是指一个或更多个中继链路110和一个接入链路112(在两个或更多个接入链路112的情况下，则为复合链路114)。

在MMR网络100中，带宽通常是有限的，基站102和一个或更多个中继站104必须共享带宽以服务MMR小区100中的所有MS 106。有时，中继站104具有单个无线接口以降低成本，这也要求RS 104使用相同的信道来与BS 102进行通信和与RS 104的MS 106(同时潜在地与其他的RS 104)进行通信。在时分复用(TDD)系统中，BS 102使用下行链路子帧向MS_BS106a-b进行发送，BS 102使用下行链路子帧向RS 104进行发送，RS 104使用下行链路子帧向其对应的MS_RS106c-f进行发送。类似地，MS_BS106a-b使用上行链路子帧向BS 102进行发送，MS_RS106c-f使用上行链路子帧向它们的RS 104进行发送，RS 104使用上行链路子帧向BS 102进行发送。如何将带宽分配到MMR网络100的不同部分对MMR网络100容量和所提供的QoS的程度具有深远的影响，并且是一个重要的问题。

图2示出了根据实施方式的MMR100中的TDD帧结构。在图2中，MMR小区100的TDD帧结构可以如下：DL子帧(上面)202和UL子帧(下面)204。BS 102和N个RS 104基于TDMA共享DL和UL子帧202、204。DL或UL子帧中媒体接入的顺序可以是任意的，并且能够在不影响实施方式的情况下进行互换。在下行链路中，BW_i ^D包括针对目的地为MS_RSi106的业务而分配给BS 102和RS_i104(可能多个RS 104)的所有带宽(BW)。在上行链路，BW_i ^U包括针对由MS_RSi106产生的业务而分配给RS_i104(可能多个RS 104)和MS_RSi106的所有带宽(BW)。

在DL子帧202中，不同链路(BS→MS_BS、BS→RS₁、RS₁→MS_RS1.......BS→RS_N、RS_N→MS_RSN)基于TDMA共享带宽。假设在MMR小区100中不重用带宽，即，在任何时候带宽仅由BS或RS使用。UL子帧204与DL子帧类似并且由多个链路(BS←MS_BS、BS←RS₁、RS₁←MS_RS1.......BS←RS_N、RS_N←MS_RSN)共享。假定BS 102分配了一部分DL/UL子帧202、204供RS_i使用，则各RS 104能够在(即，至/来自与MS 106相关的RS₁104的)接入链路112或复合链路114中生成其自己的发送方案。RS 104也在接入/复合链路112、114中处理来自其MS 106的带宽请求、管理至/来自其MS 106的流以及重传请求(ARQ和HARQ)。从RS 104所服务的MS 106来看，RS 104充当了常规BS 102。

BS 102在接入链路110和RS链路110上，分别生成自己的对/从其所直接服务的MS 106(MS_BS)和RS 104的发送调度。BS 102还负责DL和UL子帧202、204中的带宽分割。带宽分割功能(或无线电资源管理)可以被视为MMR小区100中的无线电资源管理的顶层。BS 102和RS 104处的详细调度算法(处理/操作)位于MMR无线电资源管理的底层。详细调度是指，在下行链路方向上，从BS或RS向下级MS或RS分配特殊的用于传输的无线资源(子载波/子信道、信道组中的一个或一部分的部分、符号、CDMA码、或发射功率或其任何组合)或在上行链路方向上的相反操作。尽管RS_i及其相关的MS_RSi之间的链路实际上包括许多条链路，但是概念上地，顶层资源管理功能(带宽分割功能)可以将RS_i-MS_RSi链路视为一条复合链路114。运行在BS 102和各RS_i104的调度算法的细节对于BS 102带宽分割功能来说可以是透明的。BS 102基于BS从所有RS 104接收的信息，为DL和UL子帧202/204中的各BW部分分配一小部分带宽。在BS/RS DL/UL发射机处，调度算法的作用反映在队列长度上，因此，较高层无线电资源管理方案结合这些详细调度算法的结果，而无需其运行的具体知识。

提供了无线通信网络(如(不限于)MMR-小区100)的两层无线电资源管理。根据实施方式的一个方面，无线通信带宽分割以两个步骤进行管理并且基于周期迭代进行重复。但实施方式并不限于这种结构，可以进行两个带宽分割管理，可以将其中的一个、或另一个、或这两者进行任意顺序的组合。根据实施方式的一个方面，无线通信带宽分割管理并行地运行，其中一个用于下行链路，一个用于上行链路，或其任意的组合。由于UL子帧202和DL子帧204之间的时间比是网络范围(如，小区或MMR小区100)参数并且只能由网络运行商来改变，因此UL和DL子帧202/204的持续时间可以视为固定，UL带宽分割管理器和DL带宽分割管理器彼此独立地操作。UL带宽分割管理器和DL带宽分割管理器以类似的方式进行操作。

图3A是根据实施方式管理中继无线通信小区中的无线资源的流程图。在操作300中，通过调节分配给级联链路116中的链路BS→RS_i、RS_i→MS_RSi的带宽(可以为DL传输时间的一小部分)之间的比率，来执行链路负载均衡或级联链路116均衡以对这些链路的容量进行均衡。带宽基于通用的无线通信网络接入规范。例如，对于基于TDMA的系统，带宽可以是帧中使用的时隙数。例如，对于基于FDMA的系统，带宽可以是所分配的带宽的尺寸。对于如802.16e的基于OFDMA的系统，带宽是二维(OFDM符号的子载波)实体。

应注意，链路BS→RS_i、RS_i→MS_RSi是从BS 102到RS_i104所服务的MS 106的组(MS_RSi)的两跳下行链路。MS_RSi中的用户的QoS取决于分配到RS链路110和复合链路114这两条链路的资源。假定分配到级联链路114(两条链路，BS→RS_i、RS_i→MS_RSi)的整个带宽(DL子帧的一小部分)是固定的并且为BW_i ^D。

根据实施方式的一个方面，将BW_i ^D的一部分，即，α×BW_i ^D(0＜α＜1)分配给RS链路110(BS→RS_i)，并且将剩余的(1-α)×BW_i ^D分配给(复合)链路114RS_i→MS_RSi。假设级联链路116(RS链路110和接入链路112这两条链路)的容量分别为C_BS→RSi和C_RSi→MSRSi。在此容量是指当链路被分配所有的资源BW_i ^D时，链路的传输速率。RS链路110BS→RS_i是点到点链路，其容量C_BS→RSi是从BS到RS_i的信道质量的函数。链路RS_i→MS_RSi通常是包括许多点到点链路112(RS_i→MS_k，MS_k∈MS_RSi)的复合链路114，RS_i→MS_RSi的容量是所有这些链路112或复合链路114及运行在RS_i104处的调度器的信道质量的函数，其中该调度器使用由BS102提供的无线资源(带宽)部分。级联链路116(RS链路110和复合链路114这两条链路)的传输速率(比特/秒的速率)可以表示为等式(1)：

r_BS→RSi＝α×C_BS→RSi并且

r_RSi→MSRSi＝(1-α)×C_RSi→MSRSi    (1)

用户会话所要求的QoS类型因业务类型不同而不同。对于非实时用户数据会话(如文件下载)，QoS以会话等式(2)的吞吐量为指标：

r_BS→MSRSi(α)＝min(r_BS→RSi，r_RSi→MSRSi)

              ＝min(α×C_BS→RSi，(1-α)×C_RSi→MSRSi)    (2)

当α×C_BS→RSi＝(1-α)×C_RSi→MSRSi时，r_BS→MSRSi被最大化，因此，用户数据的最优α_D ^*或非实时会话α_D ^*可以用等式(3)表示：

${\mathrm{\α}}_D^{*}=C_{\mathrm{RSi}\→\mathrm{MSRSi}}/(C_{\mathrm{BS}\→\mathrm{RSi}}+C_{\mathrm{RSi}\→\mathrm{MSRSi}})---\left(3\right)$

通常，非实时数据是指数据通常没有苛刻的到达时间或接收时间的约束或要求的数据。相反，实时数据是指有苛刻的到达时间或接收时间的约束或需求的数据，如话音、视频等。例如，诸如VoIP的实时会话，会话QoS是以分组时延和掉话率为指标的。实现带宽分配的最优化以满足要求不同QoS需求的混合业务类型很困难。如果允许调度器经由较高的复用增益而在总带宽中混合各种业务类型，则BS 102和RS 104处的调度器可以提供更高的容量。由于从RS_i至MS_RSi的信道是快衰落的移动信道，则链路容量C_RSi→MSRSi是时变的。实施方式不使用基于速率的链路均衡，而是基于队列长度，或基于速率和/或基于队列的任意组合的链路均衡。串联队列是指在级联链路116中的通信链路方向(视情况为DL或UL)的第一/第三节点和中继第二节点处(例如，BS/MS 102/106和RS 104)的两个发送队列。级联发送队列是指在第一节点、一个或更多个中继第二节点和一个或更多个第三节点之间的单个信道级联无线通信链路中的两个或更多个队列。队列是指待被以无线形式发送的数据帧或分组的队列。

本实施方式基于BS 102和RS 104(对于上行链路是MS 106和RS104)处的队列长度，调节分配给级联链路116的链路的带宽。队列长度或尺寸是在时间t等待被发送的分组数。例如，发射机(如，MS 106)处的队列尺寸可以是最容易被觉察的变量，并且由MS 106在上行链路方向在带宽请求消息中进行发送。根据小定理(Little’s theorem)，队列尺寸和分组时延彼此直接相关联。通过控制队列长度，可以在每一跳控制分组时延，端到端的分组时延也可以用同样方式进行控制。通过例如在BS和RS处均衡队列长度(发送节点处的分组数N)(N_BS＝N_RS)，可以在BS和RS有效地均衡传输速率(μ)。因此，针对不同类型的数据所产生的BS→RS_i，RS_i→MS_RSi之间的带宽分配因子可以通过均衡发送队列长度来确定。

在图3A中，操作304提供了跨小区内的两个或更多个虚拟小区管理单个信道无线通信带宽容量。根据实施方式的一个方面，根据所期望的应用准则，操作302和304可以以任何组合或顺序进行重复。根据实施方式的一个方面，例如，在执行操作304之前，对于多个级联链路116，可以对操作302进行多次迭代。

图3B是根据实施方式管理单个信道级联链路中的无线资源的流程图。更具体地说，图3B是根据实施方式的均衡无线小区中单个信道级联下行链路中无线通信带宽容量的操作302的流程图。

令BW_i ^D是针对从BS到由RS_i服务的MS 106组的下行链路传输而分配给链路BS→RS_i和RS_i→MS_RSi的整个带宽。在一种实施方式中，利用小区负载均衡算法分配BW_i ^D并且在时间t将BW_i ^D视为固定。对于到MS_RSi的业务，令BS(或RS_i)处的时间t时的时间平均队列长度为Q^BS _i(t)(或Q^RSi _i(t))字节。令 ${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{BW}}^D={\mathrm{\δ}}_1{{\mathrm{BW}}^D}_i,$ 0＜δ₁＜1为带宽调节步长大小。δ₁的建议值等于0.05，并且该值可以通过仿真进一步调节或实时动态地进行调节。令 ${\mathrm{\Δ}}_Q^D>0$ 是队列尺寸差异的阈值(以字节为单位)。通过如下操作周期性地对分配给链路BS→RS_i，BW_BS→RSi(t)以及分配给链路RS_i→MS_RSi，BW_RSi→MSRSi(t)的带宽进行更新。

在操作310，判断第一节点和中继第二节点的单个信道级联通信下行链路队列是否为满，如果在操作310，第一节点和中继第二节点二者均为满，则在操作312，基于带宽调节器，将中继链路带宽的一部分分配到接入链路带宽。根据实施方式的一个方面，操作312对与最终目的节点最接近的通信链路分配更多的带宽，其好处是使得更多的排队的分组被发送到目的MS节点。操作314跨小区内的两个或更多个虚拟小区管理单个信道的无线通信带宽容量(图3C)。

在操作316，判断第一节点处的队列长度是否比中继第二节点处的队列长度长达队列尺寸的阈值或者第一节点队列是否是满，如果满足操作316的条件，则在操作318，基于带宽调节器，将接入链路带宽的一部分分配到中继链路带宽。在操作320，判断中继第二节点处的队列长度是否比第一节点处的队列长度长达队列尺寸的阈值或者中继第二队列是否是满，如果满足操作320的条件，则在操作322，基于带宽调节器，将中继链路带宽的一部分分配到接入链路带宽。

如果操作310、316和320的条件都不满足，则可以维持单个信道级联通信下行链路的带宽分配。根据实施方式的一个方面，在操作324之后，可以在操作314执行虚拟小区平衡。

图3B的流程图可以如下表达：

如果Q^BS _i(t)和Q^RSi _i(t)均为满(310)，则

${\mathrm{BW}}_{\mathrm{BS}\→\mathrm{RSi}}(t+1)={\mathrm{BW}}_{\mathrm{BS}\→\mathrm{RSi}}\left(t\right)-{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{BW}}^D,$ 并且

${\mathrm{BW}}_{\mathrm{RSi}\→\mathrm{MSRSi}}(t+1)={\mathrm{BW}}_{\mathrm{RSi}\→\mathrm{MSRSi}}\left(t\right)+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{BW}}^D,---\left(314\right)$

并且，向负载均衡(图3C)通知：虚拟微小区RS_i 502(图5)(由链路BS→RS_i→MS_RSi服务)在下行链路方向被过载；

否则，如果 ${Q^{\mathrm{BS}}}_i\left(t\right)>{Q^{\mathrm{RSi}}}_i\left(t\right)+{\mathrm{\Δ}}_Q^D,$ 或Q^BS _i(t)为满(316)，则

${\mathrm{BW}}_{\mathrm{BS}\→\mathrm{RSi}}(t+1)={\mathrm{BW}}_{\mathrm{BS}\→\mathrm{RSi}}\left(t\right)+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{BW}}^D,$ 并且

${\mathrm{BW}}_{\mathrm{RSi}\→\mathrm{MSRSi}}(t+1)={\mathrm{BW}}_{\mathrm{RSi}\→\mathrm{MSRSi}}\left(t\right)-{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{BW}}^D;---\left(318\right)$

否则，如果 ${Q^{\mathrm{RSi}}}_i\left(t\right)>{Q^{\mathrm{BS}}}_i\left(t\right)+{\mathrm{\Δ}}_Q^D,$ 或Q^RSi _i(t)为满(320)，则

${\mathrm{BW}}_{\mathrm{BS}\→\mathrm{RSi}}(t+1)={\mathrm{BW}}_{\mathrm{BS}\→\mathrm{RSi}}\left(t\right)-{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{BW}}^D,$ 并且

${\mathrm{BW}}_{\mathrm{RSi}\→\mathrm{MSRSi}}(t+1)={\mathrm{BW}}_{\mathrm{RSi}\→\mathrm{MSRSi}}\left(t\right)+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{BW}}^D,$ (322)

否则，

BW_BS→RSi(t+1)＝BW_BS→RSi(t)，并且

BW_RSi→MSRSi(t+1)＝BW_RSi→MSRSi(t)，(324)。

通过在t和t+1之间的整个时间间隔进行平均来计算队列尺寸Q^BS _MSRSi(t)，Q^RSi _MSRSi(t)。当不同业务类型被提供时，可以使用不同队列的具有反映不同业务类型的重要性的加权矢量的加权和。

上行链路负载均衡算法与下行链路的算法类似，但是是基于中继第二节点和作为发射机的第三节点处的拥堵程度的。例如，在时间t分配给链路BS←RS_i的上行带宽是BW_BS←RSi(t)，分配给链路RS_i←MS_RSi的上行带宽是BW_RSi←MSRSi(t)。 ${\mathrm{BW}}_{\mathrm{RS}\←\mathrm{RSi}}\left(t\right)+{\mathrm{BW}}_{\mathrm{RSi}\←\mathrm{MSRSi}}\left(t\right)=B{W_i}^U$ (由上行链路虚拟小区负载均衡算法分配)。上行队列尺寸UQ^RSi _i(t)是从RS_i到BS的所有上行链路队列的长度之和，UQ^MSi _i(t)是MS_RSi中所有MS的所有上行链路队列的长度之和。令 ${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{BW}}^U={\mathrm{\δ}}_2{{\mathrm{BW}}_i}^U,$ 0＜δ₂＜1为上行链路带宽调整步长的大小。Δ^U _Q＞0是上行队列尺寸差异的阈值(以字节为单位)。根据如下操作周期性地更新BW_BS←RSi(t)和BW_RSi←MSRSi(t)：

如果UQ^RSi _i(t)和UQ^MSi _i(t)为满，则

BW_BS←RSi(t+1)＝BW_BS←RSi(t)+Δ^U _BW，

BW_RSi←MSRSi(t+1)＝BW_RSi←MSRSi(t)-Δ^U _BW。

并且，向负载均衡(图3C)通知：虚拟微小区RS_i 502(图5)(由链路BS→RS_i→MS_RSi服务)在上行链路方向被过载；

否则，如果UQ^RSi _i(t)＞UQ^MSi _i(t)+Δ^U _Q，或UQ^RSi _i(t)为满，则

BW_BS←RSi(t+1)＝BW_BS←RSi(t)+Δ^U _BW，

BW_RSi←MSRSi(t+1)＝BW_RSi←MSRSi(t)-Δ^U _BW；

否则，如果Q^MSi _i(t)＞Q^RSi _i(t)+Δ^U _Q，或Q^MSi _i(t)为满(超过阈值)，则

BW_BS←RSi(t+1)＝BW_BS←RSi(t)-Δ^U _BW，

BW_RSi←MSRSi(t+1)＝BW_RSi←MSRSi(t)+Δ^U _BW。

否则

BW_BS←RSi(t+1)＝BW_BS←RSi(t)，

BW_RSi←MSRSi(t+1)＝BW_RSi←MSRSi(t)。

通过在t和t+1之间的整个时间间隔进行平均来计算队列尺寸Q^BS _MSRSi(t)，Q^RSi _MSRSi(t)。当在上行链路中提供有多种类型的业务时，可以使用不同类型的队列长度的加权和。

图4是根据实施方式的具有3跳的MMR小区的拓扑图。如图4所示，实施方式的级联链路116负载均衡可以被扩展成超过两跳。假设在后面的情况中没有使用动态负载均衡，本实施方式应用在具有树形和/或网格形状的拓扑的网络400。可以迭代地应用实施方式的2跳级联链路116负载均衡，其中各RS向朝着BS的其下一跳汇报在远离BS方向上的所有跳的平均队列长度，并管理其紧接链路和紧接链路以外的链路(其被视为假定的复合链路)之间的带宽分割。

图3C是根据实施方式跨小区中的多个虚拟小区管理无线资源的流程图。在一个示例实施方式中，图5是根据实施方式的包括多个虚拟小区的MMR小区的拓扑图。图5中，MMR小区具有3个虚拟小区502。VC₀502n包括直接由BS服务的所有MS(MS₁和MS₂)。VC₁ 502b包括RS₁和由RS₁服务的所有MS(MS₃和MS₄)。VC₂ 502a包括RS₂和由RS₂服务的所有MS(MS₅和MS₆)。除了运行在BS和RS(或BS)所服务的MS之间的路由的链路负载均衡算法以外，还可以创建虚拟小区负载均衡算法。该虚拟小区负载均衡算法被设计用来在MMR覆盖区域的所有虚拟RS微小区502中提供均衡级别(例如，可以利用诸如MS数量或微小区中的平均链路质量的因子进行加权)的QoS。通过链路负载均衡，各BS-RS(-RS...RS)-MS服务组可以被看作是由BS直接连接和服务的虚拟微蜂窝502a-n。

对于虚拟小区i，【BW^D _i，BW^U _i，Q^D _i，Q^U _i，H_i，N_i】是下行链路中分配的整个带宽、上行链路中分配的整个带宽、针对虚拟小区中所有MS，BS处的下行链路方向的平均队列长度/用户、在小区的MS处的上行链路方向的平均队列长度/用户、跳数和MS数。根据实施方式的一个方面，跳数和MS数可以是可选的。周期地执行微小区负载均衡算法。因为DL算法和UL算法是相同的，因此介绍DL算法。

在操作326中，利用等式(4)计算MMR小区中所有用户的平均加权队列长度/用户：

$\left[Q_w^D\right]=\frac{1}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{w}^i{N}^i}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{w}^i{N}^i{Q}_i^D---\left(4\right)$

wⁱ是虚拟微小区i的加权因子，其可以反映跳H_i的数量、虚拟微小区的平均信道质量、用户服务协议条件、和其他因素。令Δ^CD _Q＞0是队列长度的阈值(以字节为单位)。在操作328，对于每对微小区(i，j)，确定 $w^i{Q}_i^D>\left[Q_w^D\right]+{{\mathrm{\&Delta;}}^{\mathrm{CD}}}_Q,$ $w^i{Q}_j^D<\left[Q_w^D\right]-{{\mathrm{\&Delta;}}^{\mathrm{CD}}}_Q$ 是否成立。在操作330，按照如下方式将来自第二虚拟小区的整个带宽的一部分分配到第一虚拟小区：

BW^D _i(t+1)＝BW^D _i(t)+Δ^CD _BW，以及

BW^D _j(t+1)＝BW^D _j(t)-Δ^CD _BW。

对应的上行链路算法用下标^U取代了所有的下标^D。可以采取措施来防止乒乓效应(即，带宽被来回地分配给不同的微小区)。与链路负载均衡算法类似，小区负载均衡算法也利用队列尺寸作为不同小区的QoS的指标。然而，这两个算法有一个关键的区别。对于链路负载均衡算法，级联链路服务相同的MS组，因此，在不同跳中的业务类型、速率和QoS要求相同。链路负载均衡算法试图均衡不同跳的相同用户会话组的QoS。由于吞吐率和分组时延是带宽分配的凸函数，所以链路负载均衡算法最大化对MS的QoS。另一方面，微小区负载均衡算法是处理不同的微小区的QoS，其中这些不同的微小区可能具有不同数量的MS、不同跳数、不同的业务会话和QoS要求、和不同的信道质量。在不同微小区中基于队列长度控制带宽分配的一个好处是，当在虚拟小区的不同链路运行链路负载均衡算法时，队列长度是各小区中QoS的好指标。通过均衡队列长度，能够在整个MMR小区中提供相对统一的QoS级别。加权因子wⁱ中可以将任何与具体网络有关的考虑因素/准则(如，数据类型、用户服务协议、除拥堵程度以外的网络条件等)考虑在内，并且在优选的方向上最优化算法。

对于链路平衡算法和虚拟小区负载均衡算法，由BS决定分配多少资源给各个链路。因此需要从RS收集关于UL和DL两种的队列状态信息。RS能够执行所有的所要求的处理(如，平均和求和)并通过一些TLV消息将这些队列长度信息发送到BS。当BS基于这些信息更新资源分配时，BS在资源分配消息中结合其决定并且将这些消息作为多播消息发送给RS。

需要指出的是，本实施方式的无线电资源管理2层方案通过指定多少无线资源可以用于MMR网络的各个部分(即，BS→MS、BS→RS、RS→MS、BS←MS、BS←RS、RS←MS等)，而处于无线电资源管理的较高等级。由BS和RS处的调度算法来确定各链路(链路组)如何使用所分配的无线资源，这是无线电资源管理的底层等级。

图6是根据实施方式的管理节点之间的单个无线通信信道中的无线资源的装置的功能框图。在图6中，装置600可以是以无线方式与其他设备进行通信，例如，(不限于)作为基站102和/或中继站104而发挥作用或进行操作并且根据实施方式平衡无线通信带宽容量的任何计算设备。装置600可以包括显示器602以显示用户接口或包括用来连接到外部显示设备的接口(如，互联网)。控制器604(如，中央处理单元)执行控制该装置执行基带操作的指令(如，计算机程序或软件)。通常，存储器606存储控制器604要执行的指令。根据实施方式的一个方面，该装置与任何计算机可读介质610进行通信，这些计算机可读介质诸如(不限于)物理计算机可读记录介质(如，硬驱动、存储器)，或经由有线/无线载波信号进行通信的，以软件和/或计算硬件实现的(多个)有线/无线通信网络单元。根据实施方式的一个方面，装置600无线通信地与目标无线通信网络(如(不限于)MMR小区100)进行通信。显示器602、CPU 604、存储器604以及计算机可读介质610之间通过数据总线608进行通信。

图7是根据实施方式的图6的装置中的处理层(软件和/或计算硬件)的功能图。图7中，处理层包括网络层702、媒体访问控制(MAC)层704和物理层706。图7的处理层是逻辑层，并且实施方式不限于这些示例的处理层，也可以具备其他处理层结构。根据实施方式的一个方面，网络层702是由控制器704执行的软件。MAC 704和物理层706是包括在无线通信网络单元610中作为计算机可读介质的软件和/或计算硬件。MAC层704和物理层706实现各种目标无线网络接入规范，如(不限于)TDD、FDD和/或CDMA。目标无线网络的示例可以是MMR小区100。实施方式可以是软件(存储或编码于任何已知的计算机可读介质610，如，计算机可读记录介质，不限于，光盘、数字多功能光碟(DVD)、存储器、或载波通信介质或电磁信号等)和/或任何计算硬件。在一种实施方式中，根据该实施方式的无线电资源分割依据目标无线网络节点(例如基站(BS)102)的MAC层704和/或物理层706规范。通常(不限于)，除了目标无线网络，网络层702还提供对专用/公共网络(如，互联网)的有线和/或无线通信接入。网络层403可以用作实施方式的无线资源分割的管理功能，如动态地(实时地)(如，根据不同的准则)提供(下载)配置参数/控制参数(如加权因子)。

多跳中继网络中的无线资源的管理与常规的单跳蜂窝网络或网状网络中的不同。与对BS和RS分配固定数量的无线资源相比，所提出的方案能够适应MMR小区中不同数量及分布的用户、不同的业务量及其要求的QoS、以及不同的信道条件。该方案也是通用的，能够与BS和RS处的不同类型的调度方案一起工作。该方案操作简单并且能够以很低的处理功率和开销来实现。

所描述的实施方式提供了具有单个无线电接口的中继第二节点以例如降低成本，还授权中继第二节点使用相同的信道与第一节点和中继第二节点所服务的第三节点进行通信，但是，本实施方式并不限于这种构造，并且可以将其提供到一个或更多个中继第二节点通过单个信道进行通信，而其他中继第二节点也许通过多个信道进行通信的无线通信小区。根据实施方式的一个方面，在这种混合的单个信道或多个信道中继第二节点小区中，一个或更多个单个信道中继第二节点可以是无线电资源管理的目标。

移动多跳中继网络(MMR)使用中继站来扩展或增强蜂窝网络中基站的覆盖。当基站被附接到有线回程时，中继站使用无线传输连接到基站以及连接到移动台。如果中继站具有单个无线接口，或MMR网络必须以单个信道工作，如何分享信道以及向基站(BS)、(多个)中继站(RS)和(多个)移动台(RS)分配正确数量的带宽是一个重要的问题。实施方式提供了简单而有效的在MMR网络的单个信道的无线电资源管理的方法/装置。其采用2层结构，在该2层结构中，首先基于传输队列长度在多跳(链路负载均衡算法)之间对分配给级联链路的带宽进行均衡，随后进行调节分配给所各虚拟小区的带宽的微小区负载均衡。带宽调整基于不同节点处的队列长度，并且适用于由各种BS、RS和/或MS节点调度的不同类型的分组(不同类型的数据)。

根据详细的说明书，实施方式的许多特征和优点将变得显而易见，因此，旨在通过所附权利要求来涵盖落入其真实精神和范围内的实施方式的所有这种特征和优点。此外，因为对于所属领域的技术人员来说，很容易进行许多的修改和改变，因此，不期望将发明的实施方式限制为所示例和描述的精确的构造和操作，并且可以覆盖落入其范围内的所有合适的修改和等同物。

Claims (26)

1、一种方法，该方法包括：

均衡无线通信小区中的单个信道的一个或更多个级联无线通信链路的无线通信带宽容量；以及

跨所述无线通信小区内的两个或多个虚拟小区管理单个信道的无线通信带宽容量。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述级联链路是第一无线节点和一个或更多个中继第二节点到一个或更多个第三节点之间的无线通信链路。

3、根据权利要求2所述的方法，其中，所述级联链路包括所述中继第二节点和所述第三节点之间的多个无线通信接入链路的复合链路。

4、根据权利要求2所述的方法，其中，均衡单个信道级联链路的无线通信带宽容量包括，基于所述第一节点、所述中继第二节点和/或所述第三节点处的传输拥堵程度，调节在所述第一节点、所述中继第二节点和/或所述第三节点之间的带宽。

5、根据权利要求4所述的方法，其中，所述拥堵程度基于所述第一节点、所述中继第二节点和/或所述第三节点处的一段时间间隔的平均级联发送队列长度。

6、根据权利要求2所述的方法，

其中，所述第一节点和所述中继第二节点之间的通信链路是中继通信链路并且所述中继第二节点和所述第三节点之间的通信链路是接入链路，以及

所述方法还包括确定所述第一节点和所述中继第二节点到所述第三节点之间下行链路通信的传输拥堵程度，周期性地：

在确定出所述第一节点和所述中继第二节点的发送队列是否是满时，基于带宽调节器将中继链路带宽的一部分分配到接入链路带宽，作为第一带宽调整；

在确定出所述第一节点的发送队列长度比所述中继第二节点的发送队列长度长达发送队列尺寸阈值，或所述第一节点发送队列为满时，基于所述带宽调节器将接入链路带宽的一部分分配到中继链路带宽，作为第二带宽调整；以及

在确定出所述中继第二节点的发送队列长度比所述第一节点的发送队列长度长达发送队列尺寸阈值，或所述中继第二节点发送队列为满时，基于所述带宽调节器将中继链路带宽的一部分分配到接入链路带宽，作为第三带宽调整。

7、根据权利要求6所述的方法，其中，所述带宽调节器通过将所述第一、第二、第三带宽调整进行任意组合而不同，并且该带宽调节器根据一个或更多个实时无线通信网络条件、用户或应用被动态地输入。

8、根据权利要求2所述的方法，

其中，所述第一节点和所述中继第二节点之间的通信链路是中继通信链路并且所述中继第二节点和所述第三节点之间的通信链路是接入链路，以及

所述方法还包括周期性地确定所述第一节点和所述中继第二节点到所述第三节点之间的上行链路通信中的传输拥堵程度，周期性地：

在确定出所述第二节点和所述中继第二节点的发送队列为满时，基于带宽调节器将中继链路带宽的一部分分配到接入链路带宽，作为第一带宽调整；

在确定出所述中继第二节点的发送队列长度比所述第三节点的发送队列长度长达发送队列尺寸的阈值，或所述中继第二节点发送队列为满时，基于所述带宽调节器将接入链路带宽的一部分分配到中继链路带宽，作为第二带宽调整；以及

在确定出所述第三节点的发送队列长度比所述中继第二节点的发送队列长度长达发送队列尺寸的阈值，或所述第三节点发送队列为满时，基于所述带宽调节器将中继链路带宽的一部分分配到接入链路带宽，作为第三带宽调整。

9、根据权利要求5所述的方法，其中，所述平均发送队列长度基于根据包括非实时数据类型和/或实时数据类型的各种数据业务类型的加权。

10、根据权利要求5所述的方法，其中，虚拟小区包括小区中所述中继第二节点的服务区域和一个或更多个所述第三节点，并且在跨两个或多个虚拟小区的单个信道中的带宽容量的管理包括：

在通信链路方向上基于虚拟小区针对各用户计算平均加权发送队列长度；

针对所述通信链路方向，确定第一虚拟小区中各用户的平均加权队列长度是否比第二虚拟中各用户的平均加权队列长度长；以及

根据上述确定，将该第二虚拟小区的通信链路方向中的整个带宽的一部分分配给该第一虚拟小区。

11、根据权利要求10所述的方法，加权发送队列长度的加权因子是虚拟小区的中继第二节点数、用户服务协议、或平均信道质量、或它们的任意组合。

12、根据权利要求1所述的方法，其中，所述无线通信小区是根据IEEE802.16j的基于移动多跳中继的小区(MMR小区)。

13、根据权利要求4所述的方法，所述中继第二节点和/或所述第三节点通过控制消息向所述第一节点发送传输拥堵程度，并且所述第一节点通过向所述中继第二节点和/或所述第三节点发送无线带宽容量控制消息来进行无线通信带宽容量的均衡和/或管理。

14、一种装置，该装置包括：

控制器，

该控制器均衡无线通信小区中的单个信道一个或更多个级联无线通信链路的无线通信带宽容量；以及

该控制器跨无线通信小区内的两个或多个虚拟小区管理该单个信道的无线通信带宽容量。

15、根据权利要求14所述的装置，其中，所述控制器作为第一节点以无线的方式进行通信并且所述级联链路是该第一节点和一个或更多个中继第二节点到一个或更多个第三节点之间的无线通信链路。

16、根据权利要求15所述的装置，其中，所述级联链路包括所述中继第二节点和所述第三节点之间的多个无线通信接入链路的复合链路。

17、根据权利要求15所述的装置，其中，均衡单个信道级联链路的无线通信带宽容量包括，基于所述第一节点、所述中继第二节点和/或所述第三节点处的传输拥堵程度，调节在所述第一节点、所述中继第二节点和/或所述第三节点之间的带宽。

18、根据权利要求17所述的装置，其中，所述拥堵程度基于所述第一节点、所述中继第二节点和/或所述第三节点处的一段时间间隔的平均级联发送队列长度。

19、根据权利要求15所述的装置，

其中，所述第一节点和所述中继第二节点之间的通信链路是中继通信链路并且所述中继第二节点和所述第三节点之间的通信链路是接入链路，以及

所述控制器还确定所述第一节点和所述中继第二节点到所述第三节点之间下行链路通信中的传输拥堵程度，周期性地：

在确定出所述第一节点和所述中继第二节点的发送队列是否是满时，基于带宽调节器将中继链路带宽的一部分分配到接入链路带宽，作为第一带宽调整；

在确定出所述第一节点的发送队列长度比所述中继第二节点的发送队列长度长达发送队列尺寸阈值，或所述第一节点发送队列为满时，基于所述带宽调节器将接入链路带宽的一部分分配到中继链路带宽，作为第二带宽调整；以及

在确定出所述中继第二节点的发送队列长度比所述第一节点的发送队列长度长达发送队列尺寸阈值，或所述中继第二节点发送队列为满时，基于所述带宽调节器将中继链路带宽的一部分分配到接入链路带宽，作为第三带宽调整。

20、根据权利要求19所述的装置，其中，所述带宽调节器通过将所述第一、第二、第三带宽调整进行任意组合而不同，并且该带宽调节器根据一个或更多个实时无线通信网络条件、用户或应用被动态地输入。

21、根据权利要求15所述的装置，

其中，所述第一节点和所述中继第二节点之间的通信链路是中继通信链路并且所述中继第二节点和所述第三节点之间的通信链路是接入链路，以及

所述控制器还周期性地确定在所述第一节点和所述中继第二节点到所述第三节点之间的上行链路通信中的传输拥堵程度，周期性地：

在确定出所述第二节点和所述中继第二节点的发送队列为满时，基于带宽调节器将中继链路带宽的一部分分配到接入链路带宽，作为第一带宽调整；

在确定出所述中继第二节点的发送队列长度比所述第三节点的发送队列长度长达发送队列尺寸的阈值，或所述中继第二节点发送队列为满时，基于所述带宽调节器将接入链路带宽的一部分分配到中继链路带宽，作为第二带宽调整；以及

在确定出所述第三节点的发送队列长度比所述中继第二节点的发送队列长度长达发送队列尺寸的阈值，或所述第三节点发送队列为满时，基于所述带宽调节器将中继链路带宽的一部分分配到接入链路带宽，作为第三带宽调整。

22、根据权利要求18所述的装置，其中，所述平均发送队列长度基于根据包括非实时数据和/或实时数据类型的各种数据业务类型的加权。

23、根据权利要求18所述的装置，其中，虚拟小区包括小区中所述中继第二节点的服务区域和一个或更多个所述第三节点，并且在跨两个或更多个虚拟小区的单个信道中的带宽容量的管理包括：

在通信链路方向上基于虚拟小区针对各用户计算平均加权发送队列长度；

针对所述通信链路方向，确定第一虚拟小区中各用户的平均加权队列长度是否比第二虚拟小区中各用户的平均加权队列长度长；以及

根据上述确定，将该第二虚拟小区的通信链路方向中的整个带宽的一部分分配给该第一虚拟小区。

24、根据权利要求23所述的装置，其中，加权发送队列长度的加权因子是虚拟小区的中继第二节点数、用户服务协议、或平均信道质量、或它们的任意组合。

25、根据权利要求14所述的装置，其中，所述无线通信小区是根据IEEE802.16j的基于移动多跳中继的小区(MMR小区)。

26、根据权利要求17所述的装置，所述中继第二节点和/或所述第三节点通过控制消息向所述第一节点发送传输拥堵程度，并且所述第一节点通过向所述中继第二节点和/或所述第三节点发送无线带宽容量控制消息来进行无线通信带宽容量的均衡和/或管理。

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