CN101523863A - 多跳环境中简单和有效的调度同步机制 - Google Patents

多跳环境中简单和有效的调度同步机制 Download PDF

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Abstract

公开了一种方法，用于在无线网络的多跳中继系统的组件中开始上行链路通信的分布式调度。该组件沿多跳路径将涉及所述调度的信息发送到直接下行链路相邻节点。该信息至少指示可用于所述上行链路通信的时间间隔，该时间间隔对应于所述相邻节点和所述组件之间的路径的跳。位于对应于更长时间间隔的另一跳下游的跳的所述时间间隔是更短的。

Description

多跳环境中简单和有效的调度同步机制
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年8月4日提交的美国临时申请No.60/835,786的优先权。
技术领域
本发明涉及通信领域。更具体地，本发明涉及针对数据传输的调度。
背景技术
宽带无线接入(BWA)已经成为一种迎合对快速因特网连接和综合数据、话音和视频服务的不断增长的商业要求的具有吸引力的方式。BWA技术最为引人注目的一个方面是通过在建筑物或电线杆上部署小量的基站以创建高容量的无线接入系统，可以仅在数周内创建网络。BWA目前具有有限的范围，部分原因在于未满足统一标准的需要。尽管提供这样的标准对于发达国家是重要的，但对于有线基础设施有限的发展中世界来说甚至更为重要。
电气电子工程师学会标准委员会(IEEE-SA)通过开发IEEE标准802.16而试图使得BWA更加广为所用，该标准规定用于无线城域网的无线MAN空中接口。该标准在两年内创建，是由来自世界上主导运营商和厂商的数百名工程师开放式达成一致的过程。
申请人在此通过参考由IEEE Standard for Local andMetropolitan Area Network Std.所修改的IEEE Standard for Local andMetropolitan Area Networks，IEEE Std.802.16-2004，Sections 6.3.5-6.3.6而将其并入在此。IEEE 802.16-2004支持创新的、具有成本效益的以及可互操作的多厂商宽带无线接入产品的快速全球部署，通过提供有线宽带接入的替代产品，有助于宽带接入的竞争，鼓励一致的世界范围内的频谱划分，并且加速宽带无线接入系统的商业化。IEEE802.16e-2005提供对IEEE 802.16-2004的增强，以支持以交通工具速度移动的用户台，并且由此规定用于组合的固定和移动宽带无线接入的系统。
将中继站引入到城域网内允许向每个人，甚至是远端位置中的用户，经济地提供无处不在的宽带接入。IEEE 802.16，有时也称为WiMAX是用于多跳通信(multihop communication)的最具前景的技术之一。此类的中继增强型IEEE 802.16网络能够提供无处不在的无线覆盖，实现高的服务质量(QoS)要求，并且其可以被经济地部署和操作。
正如本领域技术人员将理解，单跳系统的例子是处于跨城镇的一个建筑物(例如，在旧金山的市区)和另一个建筑物(例如，在旧金山的城镇住宅区)之间的微波系统。这两个建筑物的每个在其楼顶具有其自身的微波天线。现在假设我们想将该系统扩展到奥克兰。我们将第二个天线放置在旧金山市区建筑物上，并且接着射向奥克兰中的天线。旧金山中的建筑物现在将具有“多跳”传输系统，其可以用作奥克兰和旧金山城镇住宅区之间的业务的中继。
IEEE 802.16的移动多跳中继研究组在2005年7月22日被授权。研究组在2006年3月30日到期，其中正式批准工程核准请求(PAR)，并且该工程的开发已经分配给IEEE 802.16的中继任务组。
在例如IEEE802.16移动多跳中继(MR)网络的多跳环境中，路径上的多跳间(例如，BS和中继站之间)的调度应该被同步以避免过量的延迟和带宽浪费。本发明针对该调度同步问题公开了一种简单和有效的解决方案。
在网络系统中，为了基于例如服务质量(QoS)的要求来传送数据，数据需要由路径上的源节点和中间节点来调度到目的地。调度服务表示由用于数据传输的调度器所支持的数据处理机制。
正如在IEEE Std.802.16-2004(section6.3.5.2)中所解释，上行链路请求/授权调度通常通过旨在向每个直接下行链路邻居，即，每个下级移动台(MS)或用户台(SS)提供用于上行链路传输的带宽或请求带宽(也称为轮询)机会的BS来执行。理想地，通过规定调度服务以及其相关的QoS参数，BS调度器可以预计上行链路业务的吞吐量以及所需的潜在时间，并且在合适的时刻提供轮询和/或授权。
现有的调度机制在单跳环境中能够很好地工作，其中移动台被直接连接到基站或接入点。然而，当在无线系统中引入多跳概念时，提出了涉及调度同步的问题。现在描述两种类型的多跳环境：无线网状网和无线中继网。
在无线网状网中，多跳系统具有经由无线介质(例如无线局域网(WLAN)或WiMAX)彼此连接的节点(例如，称为网状节点)，并且在网络中传输业务时辅助彼此。网状节点可以发送和接收业务并且可以充当路由器以将业务中继到它的相邻节点。IEEE802.11和IEEE802.16都支持标准中的网状节点。网状网络中的通信应该以集中式算法或分布式来控制。利用集中式的调度，基站(BS)确定资源分配并且确保传输被调整以确保无冲突的调度。利用分布式的调度，每个网状节点执行与它们扩展的相邻节点协调的独立调度并且不需要依赖于BS。
在无线中继网络中，多跳系统具有端节点(移动台/用户台)，其经由中继站(RS)连接到基站或接入点(AP)。移动台/用户台(MS/SS)和BS/AP之间的所有业务将通过并且由RS来处理。中继概念的例子是802.16移动多跳中继(MMR)。MMR工作集中于定义网络系统，该网络系统使用中继站(RS)来扩展网络覆盖和/或增强系统吞吐量。
从RS发送的业务可以由其自身调度或替代地由BS来调度。利用第一机制，BS和RS独立地执行调度。RS解码从BS或MS/SS发送的帧并且处理它并且接着将其在另一个帧中以不同的时隙重传到MS/SS或BS。利用第二机制，BS代表RS执行调度。即BS预留RS发送数据的带宽并且指示RS何时以及如何发送数据。
对于网状和中继节点，如果使用独立的调度机制并且在网状或中继链路上应用现有的调度策略，将研究下面进一步描述的同步问题。本发明提供解决该问题的新的机制。
该问题在相关的申请：2006年2月27日提交的美国临时申请60/777,655中已被确定，通过参考将其整体内容并入在此。然而，申请60/777,655中的策略导致浪费第一对帧中的带宽授权以便在多跳间同步。进一步，如果中间节点中的缓冲时间太长，那么由于端到端延迟已经超出限度，所以用户业务需要被丢弃。这对于VoIP应用来说是可以接受的，但对于视频应用却是不可以接受的。本发明的可替换策略不会导致浪费带宽以及潜在的分组丢弃并且适用于所有类型的实时应用。申请60/777,655也更适于网状网络，同时本发明的策略更为适用于例如IEEE 802.16MMR的中继网络。
发明内容
本发明的核心思想是使用资源分配管理消息(例如，802.16UL-MAP)，从而规定时间段，其中在该资源分配管理消息中分配的每个资源可以由指定的用户来真正地使用。这样的时间段是用于在该资源分配管理消息中分配的每个资源，并且对于不同的资源可以是不同的。注意到，尽管在下面以WiMax上的中继情况作为例子，但本发明可以在各种无线技术中应用于包括网状和/或中继的多跳方案。
为了同步多跳上的上行链路业务的带宽授权和/或轮询，对于路径上的每个中继站(RS)，涉及每个资源分配帧中信息的上行链路时间段应该改变，并且应该在资源分配帧(例如，UL-MAP)中规定。本发明的优势在于由于路径上多个跳之间的调度不同步，将不会产生延迟。不会引入带宽的浪费或潜在的分组丢弃。另一个优势在于本发明可以用于引入网络的中继而没有对潜在的端终端的修改。
附图说明
图1示出中继站的使用情形的例子；
图2示出多跳环境；
图3示出业务的非同步调度的例子；
图4示出用于传输机会请求的非同步调度的例子；
图5示出概括化的多跳网络；
图6是示出根据本发明的一个实施方式的方法的流程图；
图7是示出根据本发明的一个实施方式的系统的框图。
具体实施方式
现在将在附图的帮助下详细描述基于现有技术构建的本发明的一个实施方式。将理解到本发明仅仅是本发明的一个特定实现的示例，而绝不是排除其他的实施方式和实现
在图1中示出中继站100的示例性使用情形，用于向直接下行链路的相邻节点指示调度的时间间隔。在图2中示出简单的多跳环境。MS/SS、节点1(N1)和节点2(N2)使用例如WiMax或WLAN的无线技术来彼此连接。MS/SS充当用户业务的源/目的地。在网状的情形下，N2是源和目的地之间的路径上的中间节点，而N1可以是用于MS/SS(即，用户业务的源/目的地)的中间节点或通信节点。在中继情形下，N2是MS/SS和BS之间的路径上的一个RS，并且N1可以是路径上的另一个RS或BS。
预计N1向N2提供带宽授权并且预计N2向MS/SS提供带宽授权。然而，如果N1和N2之间的授权没有被同步，则可能发生的是，当由N1发布对N2的授权时，由于没有提供来自N2对MS/SS的授权，所以在N2中没有准备数据。例如，在IEEE 802.16技术中，UL-MAP中的资源分配信息涉及固定时间间隔中的帧；因此，当引入多跳时，当上行链路业务使用来自N2的授权到达N2时，来自N1对N2的授权可以已经到期。业务需要被缓冲并且新的带宽请求需要从N2发布到N1，这将导致额外的延迟。此类延迟随着中间RS数目的增加而增加。这对于时间业务来说尤其是不可接受的，并且因此本发明包括配置N2以向下游相邻节点指示调度的时间间隔。
假设使用用户业务的周期性调度，预计N1向N2周期性地提供固定大小的授权并且预计N2周期性地向MS/SS提供固定大小的授权。然而，如果N1和N2之间的授权不同步，则当由N1向N2发布授权时，可能发生在N2中没有准备数据，因为没有提供来自N2对MS/SS的授权。图3使用VoIP作为例子示出细节；即，图3示出针对业务的非同步调度的例子。假设由N1提供的授权触发来自N2的授权，并且因此来自N2的授权跟着来自N1的授权。然而，如图3中所示，当发布来自N1的授权a时，N2不具有来自MS/SS要传输的任何VoIP帧。由授权a跟着，通过发送资源分配消息，N2立即向MS/SS提供授权a’。在相同的帧内，VoIP帧1从MS/SS发送到N2。由于当N2接收到VoIP帧1时来自N1的授权已经到期，N2需要存储它并且等待来自N1的下一帧。当在20秒后从N1发布授权b时，使用该授权来发送VoIP帧1。可以观察到由路径上的每个节点所贡献的延迟可以接近于20秒。如果多个节点(例如，多个网状节点或中继站)存在于MS/SS和它的通信节点之间，则由于节点之间的调度非同步所造成的延迟可以接近于n×20秒。这是不可接受的，尤其对于实时业务。
类似的问题同样也适用于传输机会请求(也称为轮询)的调度。图4示出传输机会请求的非同步调度的例子。如图4中所示，假设N1向N2提供通过轮询请求传输的机会。当发布第一轮询(Pa)时，N2不具有要发送的任何业务。因此，N2在带宽请求(Ba’＝0)中请求0带宽。跟着轮询Pa之后，N2立即向MS/SS发送轮询Pa’。请求的带宽从MS/SS发送到N2。N2接着基于所请求的带宽来提供授权(授权a’)，其由MS/SS使用来发送数据帧1。然而，由于N1没有发布授权，所以N2没有资源来向N1传送数据帧1。在P秒后，从N1向N2发布另一轮询请求(Pb)。N2在缓冲器内具有数据帧1，并且因此在Bb’中请求带宽。N1接着提供授权b，其由N2用于传送数据帧1。可以观察到由路径上的一个节点所贡献的延迟可以接近于20秒。如果多个节点(例如，多个网状节点或中继站)存在于MS/SS和它的通信节点之间，则由于节点之间的调度非同步所造成的延迟可以接近于n×20秒。
用户业务的周期性调度或传输机会请求被用作描述问题的例子。相同的问题适用于用户业务的非周期性调度或传输机会请求，而在本文档中没有进一步说明。
为了同步多跳上的上行链路业务的带宽授权和/或轮询，涉及每个资源分配帧中的信息的上行链路时间间隔应该针对于路径上的每个中继站(RS)而变化，并且应该在资源分配帧(例如，UL-MAP)中规定。此类的策略可以直接适应于802.16MMR技术。
例如，分配在节点Ni-1的当前帧处的带宽授权或轮询中的资源涉及将要在Ti-1中传送的帧，而在节点Ni的当前帧处的带宽授权或轮询中分配的资源涉及将要在Ti中传送的帧。其中UL-MAP中的信息涉及针对Ni-1的帧的时间间隔应该长于针对Ni的帧的时间间隔(即，Ti-1>Ti)。
如果使用分布式调度，每个节点Ni确定其发布的每个授权或轮询的时间间隔。这要求中继路径上的所有节点(Ni)知道完整的中继路径，从而每个Ni可以计算其发布的每个带宽授权或轮询的时间间隔，以确保中继路径上的多跳上的带宽授权或轮询的同步。在中继系统中，使用集中式调度(即，调度由BS针对中继路径上的每个RS来执行)或分布式调度(即，调度由中继路径上的每个RS自身来执行)。在集中式调度的情况下，BS确定在路径上的每个RS上发布的每个授权或轮询的时间间隔并且在资源分配帧(例如，IEEE802.16UL-MAP)中对其进行规定。
增强资源分配帧(例如，IEEE 802.16UL-MAP)以针对每个上行链路授权或轮询来规定此类的时间间隔。然而，这仅适用于从Ni发布到其直接下行链路相邻RS Ni+1的带宽授权或轮询。不需要从UL-MAP到MS/SS的改变。相应地，图5示出概括化的多跳网络。
为了解决如上所述的多跳环境中的调度同步问题，本发明提出一种简单和有效的同步方法。如果应用到WiMax技术，此类解决方案仅需要修改到RS的资源分配消息(例如，UL-MAP或MAC管理消息)，而非潜在的MS/SS。本发明包括基本方法，其中确定时间段，在该时间段期间，在资源分配管理消息中分配的每个资源可用于规定的用户。接着，资源分配管理消息用于提供所述时间段。资源分配管理消息可以是如上所提到的802.16上行链路带宽分配图(UL-MAP)或MAC管理消息。此类的MAP消息携带调度信息(即，图)
本发明还包括一种计算机可读介质，编码有用于执行所述基本方法的软件数据结构。另外，本发明包括软件产品，其包括具有嵌入其中的可执行代码的计算机可读介质；当执行时，代码适于确定时间段，在该时间段期间，在资源分配管理消息中分配的每个资源可用于规定的用户，并且接着在所述资源分配管理消息提供所述时间段。
本发明进一步包括一种具有配置成确定时间段的处理器的设备，在该时间段期间，在资源分配管理消息中分配的每个资源可用于规定的用户。所述设备进一步包括传输模块，配置成在所述资源分配管理消息内提供所述时间段。
本发明附加地包括一种确定时间段的设备，在该时间段期间，在资源分配管理消息中分配的每个资源可用于规定的用户。所述设备进一步在资源分配管理消息内提供所述时间段。
本发明附加地包括一种具有配置成确定时间段的处理器的系统，在该时间段期间，在资源分配管理消息中分配的每个资源可用于规定的用户。所述系统进一步包括传输模块，配置成在所述资源分配管理消息内提供所述时间段。
另外，如图6中所示，本发明的一个实施方式是方法600，其中在多跳系统中开始610分布式调度。随后，调度信息被发送620到下行链路相邻节点，指示针对该跳的上行链路时间间隔。并且最终，在那些时间间隔期间发送630上行链路通信，即短于下游(相比较于上游)的跳的那些时间间隔。
图7是示出根据本发明的一个实施方式的系统700的框图，包括基站710、来自基站的下游跳的中继站735以及来自基站701下游两跳的用户设备760。基站710包括处理器720，其针对从中继站到基站的上行链路跳开始上游通信的基站的调度。传输模块730接着向中继站发送关于调度的时间间隔的信息。中继站735被类似地配置，包括处理器740和传输模块750。用户设备760接着能够在时间间隔期间发送上行链路通信(例如，数据业务或针对带宽的请求)，这些时间间隔逐渐地长于针对上游方向上的跳的时间间隔。
将理解到所有的当前附图，以及相应实施方式的叙述性讨论并不意味着完全严格浓缩考虑的方法、设备、系统和软件产品。本领域技术人员将理解本申请的步骤和符号代表不排除各种类型的中间交互的因果关系，并且将进一步理解到在本申请中所述的各种步骤和结构可以由各种不同的顺序和配置来实现，使用在这里不需要进一步细化的硬件和软件的组合。

Claims (44)

1.一种方法，包括：
在多跳系统的组件中开始上行链路通信的分布式调度；以及
沿路径将涉及所述调度的信息发送到直接下行链路相邻节点，所述信息至少指示可用于所述上行链路通信的时间间隔，所述时间间隔对应于沿所述路径的所述相邻节点和所述组件之间的跳。
2.根据权利要求1所述的方法，其中位于对应于更长时间间隔的另一跳下游的跳的所述时间间隔是更短的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述多跳系统是中继系统，并且其中所述组件是基站或中继站。
4.根据权利要求1所述的方法，其中向直接下行链路相邻节点发送信息是响应于来自在所述时间间隔中请求所述带宽的所述下行链路相邻节点的带宽请求，并且其中所述上行链路通信在所述时间间隔期间使用所述带宽。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述上行链路通信包括上行链路用户业务，或包括针对发送所述上行链路用户业务的带宽的至少一个请求，或包括二者。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述针对发送所述上行链路用户业务的带宽的至少一个请求响应于从上游位置发送的轮询。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在每个相应的时间间隔已经到期前，沿所述路径的每跳发送所述上行链路通信。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述分布式调度是周期性的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中涉及所述调度的所述信息被包括在资源分配管理消息中。
10.一种设备，包括：
用于在多跳系统的组件中开始上行链路通信的分布式调度的装置；以及
用于沿路径将涉及所述调度的信息发送到直接下行链路相邻节点的装置，所述信息至少指示可用于所述上行链路通信的时间间隔，所述时间间隔对应于沿所述路径的所述相邻节点和所述组件之间的跳。
11.根据权利要求10所述的设备，其中位于对应于更长时间间隔的另一跳下游的跳的所述时间间隔是更短的。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述多跳系统是中继系统，并且其中所述组件是基站或中继站。
13.根据权利要求10所述的设备，其中所述设备响应于来自在所述时间间隔中请求所述带宽的所述下行链路相邻节点的带宽请求，并且其中所述上行链路通信在所述时间间隔期间使用所述带宽。
14.根据权利要求10所述的设备，其中所述上行链路包括上行链路用户业务，或包括针对发送所述上行链路用户业务的带宽的至少一个请求，或包括二者。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述针对发送所述上行链路用户业务的带宽的至少一个请求响应于从沿所述路径的上游位置发送的轮询。
16.根据权利要求10所述的设备，进一步包括用于在每个相应的时间间隔已经到期前，沿所述路径的每跳发送所述上行链路通信的装置。
17.根据权利要求10所述的设备，其中所述分布式调度是周期性的。
18.根据权利要求10所述的设备，其中涉及所述调度的所述信息被包括在资源分配管理消息中。
19.一种设备，包括：
处理器，配置成在多跳系统的组件中开始上行链路通信的分布式调度；以及
传输模块，配置成沿路径将涉及所述调度的信息发送到直接下行链路相邻节点，所述信息至少指示可用于所述上行链路通信的时间间隔，所述时间间隔对应于沿所述路径的所述相邻节点和所述组件之间的跳。
20.根据权利要求19所述的设备，其中位于对应于更长时间间隔的另一跳下游的跳的所述时间间隔是更短的。
21.根据权利要求19所述的设备，其中所述多跳系统是中继系统，并且其中所述组件是基站或中继站。
22.根据权利要求19所述的设备，其中所述设备响应于来自在所述时间间隔中请求所述带宽的所述下行链路相邻节点的带宽请求，并且其中所述上行链路通信在所述时间间隔期间使用所述带宽。
23.根据权利要求19所述的设备，其中所述上行链路包括上行链路用户业务，或包括针对发送所述上行链路用户业务的带宽的至少一个请求，或包括二者。
24.根据权利要求23所述的设备，其中所述针对发送所述上行链路用户业务的带宽的至少一个请求响应于从沿所述路径的上游位置发送的轮询。
25.根据权利要求19所述的设备，进一步包括用于在每个相应的时间间隔已经到期前，沿所述路径的每跳发送所述上行链路通信的装置。
26.根据权利要求19所述的设备，其中所述分布式调度是周期性的。
27.根据权利要求19所述的设备，其中涉及所述调度的所述信息被包括在资源分配管理消息中。
28.一种以软件数据结构编码的计算机可读介质，用于：
在多跳系统的组件中开始上行链路通信的分布式调度；以及
沿路径将涉及所述调度的信息发送到直接下行链路相邻节点，所述信息至少指示可用于所述上行链路通信的时间间隔，所述时间间隔对应于沿所述路径的所述相邻节点和所述组件之间的跳。
29.根据权利要求28所述的计算机可读介质，其中位于对应于更长时间间隔的另一跳下游的跳的所述时间间隔是更短的。
30.根据权利要求28所述的计算机可读介质，其中所述多跳系统是中继系统，并且其中所述组件是基站或中继站。
31.根据权利要求28所述的计算机可读介质，其中向直接下行链路相邻节点发送信息是响应于来自在所述时间间隔中请求所述带宽的所述下行链路相邻节点的带宽请求，并且其中所述上行链路通信在所述时间间隔期间使用所述带宽。
32.根据权利要求28所述的计算机可读介质，其中所述上行链路通信包括上行链路用户业务，或包括针对发送所述上行链路用户业务的带宽的至少一个请求，或包括二者。
33.根据权利要求32所述的计算机可读介质，其中所述针对发送所述上行链路用户业务的带宽的至少一个请求响应于从上游位置发送的轮询。
34.根据权利要求28所述的计算机可读介质，其中所述软件数据结构也用于在每个相应的时间间隔已经到期前，沿路径的每跳发送所述上行链路通信。
35.根据权利要求28所述的计算机可读介质，其中所述分布式调度是周期性的。
36.根据权利要求28所述的计算机可读介质，其中涉及所述调度的所述信息被包括在资源分配管理消息中。
37.一种多跳系统，包括：
基站，配置成开始上行链路通信的分布式调度；以及
中继站，配置成从所述基站接收涉及所述调度的信息，
其中所述中继站是沿路径的所述基站的直接下行链路相邻节点，
其中所述信息至少指示可用于所述上行链路通信的时间间隔，所述时间间隔对应于所述中继站和所述基站之间的跳。
38.根据权利要求37所述的系统，其中位于对应于更长时间间隔的另一跳下游的跳的所述时间间隔是更短的。
39.根据权利要求37所述的系统，其中所述开始分布式调度响应于来自在所述时间间隔中请求所述带宽的所述中继站的带宽请求，并且其中所述上行链路通信在所述时间间隔期间使用所述带宽。
40.根据权利要求37所述的系统，其中所述上行链路通信包括上行链路用户业务，或包括针对发送所述上行链路用户业务的带宽的至少一个请求，或包括二者。
41.根据权利要求37所述的系统，其中所述针对发送所述上行链路用户业务的带宽的至少一个请求响应于从上游位置发送的轮询。
42.根据权利要求37所述的系统，进一步包括用于在每个相应的时间间隔已经到期前，沿路径的每跳发送所述上行链路通信的装置。
43.根据权利要求37所述的系统，其中所述分布式调度是周期性的。
44.根据权利要求37所述的系统，其中涉及所述调度的所述信息被包括在资源分配管理消息中。
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