CN101730242B - 一种上行数据业务带宽请求方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上行数据业务带宽请求方法，竞争部分包含如下步骤：用户以截断二进制方式发生带宽请求，在发送带宽请求的下一帧收到基站发送带宽授权，则竞争带宽请求成功发送，否则竞争带宽请求发生碰撞；用户根据基站广播参数，判断当前网络的用户负荷，当网络处于低负荷时进入截断二进制指数退避碰撞解决过程；否则用户冻结当前截断二进制指数退避过程，进行碰撞等待过程；在碰撞等待帧不为0时，用户不发送竞争带宽请求；否则恢复截断二进制指数退避过程；非竞争部分：依次判断是否能以带宽窃取方式，捎带请求发送带宽请求，如果不能够通过带宽窃取或捎带请求方式发送带宽请求则进入竞争部分。

Description

一种上行数据业务带宽请求方法

技术领域

本发明涉及业务带宽请求控制领域，具体地说，本发明涉及一种上行数据业务带宽请求方法。

背景技术

支持多重业务的双向数字电视系统需要支持多媒体交互广播、数据和语音业务，并能够为用户提供服务质量保证。双向电视系统除了提供下行音视频广播以外，还提供语音通信类业务的主动带宽授权业务、终端与电视台视频实况互动类等实时类业务，以及终端与头端服务系统非实时交互的数据业务。基站的上下行带宽资源为多个用户各个业务共享。在下行方向，基站根据业务的缓冲队列数据量和业务服务质量需要，在多个用户间进行下行带宽分配；在上行方向，基站基于终端的带宽请求和业务服务质量需要给用户分配上行带宽授权。对于话音通信业务，其属于主动授权服务类型，依赖于基站的接纳控制为其预留带宽资源，不需要另外发送带宽请求；对于上行变码率视频业务，其属于实时轮询服务类型，基站会为其分配独占的轮询机会发送带宽请求，基站收到带宽请求后，会在预留带宽资源以外优先进行带宽分配；对于上行数据业务，一般通过竞争方式发送带宽请求。基站成功收到用户的竞争带宽请求后，在存在空闲带宽资源情况下，才对用户的上行数据业务分配带宽。因此带宽请求方案的效率决定了上行数据业务的性能。

传统的竞争带宽请求采用截断的二进制指数退避过程作为竞争解决方案，需要发送竞争带宽请求的用户在其退避窗口中随机选择一个退避值，其表示了用户发送竞争带宽请求之前需要等待的竞争时隙数。用户在等待时间完毕的下一个竞争时隙发送竞争带宽请求，然后等待基站分配带宽授权。如果用户在等待带宽授予超时间隔内收到带宽授权，则竞争带宽请求成功发送；否则该竞争带宽请求发生了碰撞，用户将其退避窗口翻倍，重新进行带宽请求发送过程，直到带宽请求发送成功或者超过最大尝试次数而放弃发送该带宽请求。基于二进制指数衰退的竞争解决方案传送机会利用率不高，需要组合单播轮询提高传送机会利用率。对于竞争带宽请求方案的改进一般包含：(1)自适应调整回退窗口大小，如果回退窗太小，则竞争激烈，冲突较多；而若回退窗太大，则请求回退的时间将加长，时延将增大，合理设计回退窗口尺寸可有效减少冲突同时缩短时延。(2)自适应竞争窗口大小，竞争窗口的大小直接影响系统的带宽使用效率，若分配的竞争窗口较小，则窗口内发送成功的请求数量较少，待传输的数据包数量也较小，数据传输带宽将有较大剩余；而若增大竞争窗，则用于单播轮询和数据传输的带宽将减小，带宽使用效率同样也会降低。上述竞争带宽请求方案均面向低用户负荷情况，在高用户负荷情况下，基于截断二进制指数退避的竞争带宽请求将经历较高的碰撞概率和带宽请求丢弃概率，严重影响了上行数据业务的性能。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术中接入响应慢和请求丢弃率高的缺陷，从而提供一种上行数据业务带宽请求方法。

为实现上述发明目的，本发明提供的一种上行数据业务带宽请求方法，其特征在于，该方法采用基于竞争的带宽请求发送方式，在竞争带宽请求方式下引入碰撞等待帧，具体包含如下步骤：

11)基站在每帧中广播包含当前帧可能发送竞争带宽请求用户数及当前帧竞争请求发送机会数，当前帧竞争请求机会数，竞争退避窗口最大值，带宽请求最大重传次数；

12)在每个帧开始用户接收基站广播获得包含：当前帧可能发送竞争带宽请求用户数、当前帧竞争请求发送机会数或基站反馈的上行带宽授权；

13)首先判断用户当前是否处于碰撞等待，用户以截断二进制方式发生带宽请求，在发送带宽请求的下一帧收到基站发送带宽授权，则竞争带宽请求成功发送，否则竞争带宽请求发生碰撞，进入下一步；

14)用户根据基站广播参数，判断当前网络的用户负荷，当网络处于低负荷时，用户进入截断二进制指数退避碰撞解决过程；否则用户冻结当前截断二进制指数退避过程，进行碰撞等待过程；

15)在碰撞等待过程中，碰撞等待帧不为0时，用户不发送竞争带宽请求；否则恢复截断二进制指数退避过程；

所述的碰撞等待帧的帧数由下式计算得到：

$T=\mathrm{kt};k=\left\{\begin{array}{cc}n\ln \frac{N_{\mathrm{to}}}{N_{\mathrm{to}}-1}-1,\mathrm{if}& N_{\mathrm{to}}\≤\frac{e^{1/n}}{e^{1/n}-1}\\ 0,& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.;$

其中，T为碰撞等待帧数，k为碰撞等待因子，t为带宽请求当前已经经历的碰撞次数。

所述的一种上行数据业务带宽请求方法，其特征在于，该方法中主动授权类业务优先级最高，实时类业务优先级次之，而非实时数据业务为最低优先级；所有非实时的数据业务具有相同的优先级，用户所有的数据业务的带宽请求由一个总带宽请求进行发送，针对非实时数据业务综合应用基于非竞争和竞争的带宽请求发送方式；

所述的非竞争的带宽请求发送包含步骤如下：

21)首先上行非实时数据业务的带宽请求用户查看是否获得带宽请求轮询机会，如果获得带宽请求轮询机会且目前上行实时业务暂不需要申请新的上行实时业务带宽时，则用户使用带宽请求轮询机会发送带宽请求信息，及带宽窃取发送方式，否者转入下一步；

22)判断用户当前是否获得上行主动带宽授权业务的周期带宽授权，如果用户获得上行主动带宽授权业务的周期带宽授权，则通过授权管理子头携带带宽请求，否则转入下一步；

23)用户判断确认有上行实时业务带宽授权并且该实时业务不使用授权管理子头携带自身的带宽请求时，则通过上行实时业务的授权管理子头携带用户的带宽请求，否则转入下一步；

24)判断用户是否获得上行非实时数据业务带宽授权，如果用户获得上行非实时数据带宽授权，则使用授权管理子头捎带带宽请求。

所述的一种上行数据业务带宽请求方法，其特征在于，首先采用非竞争的带宽请求发送方式，如果不能接入时，则再采用竞争带宽请求方式。

所述的一种上行数据业务带宽请求方法，其特征在于，当非实时分组数据用户的带宽请求处于碰撞等待状态时，可同时进行基于非竞争的带宽请求方式进行带宽请求。

所述的一种上行数据业务带宽请求方法，其特征在于，当步骤23)所述的上行实时业务的授权管理子头中的CI为0时，表示授权管理子头的Piggyback Requset字段捎带的为非实时数据业务的带宽请求。

所述的的上行数据业务带宽请求方法，其特征在于，所述的非实时带宽请求的用户在步骤15)所述的碰撞等待过程中可以应用基于带宽窃取或捎带带宽请求方式发送带宽请求。

本发明提供的一种通过综合多种带宽请求方式的上行数据业务带宽请求方案，能够应用于高网络负荷下的双向数字电视和无线网络等宽带接入系统中。本发明提供的数据业务带宽请求方案，针对依次进行非竞争和竞争带宽请求接入发的过程包括如下步骤：

(1)基站每帧广播当前帧可能发送竞争带宽请求用户数和当前帧竞争请求发送机会数。

(2)用户在每个帧开始接收广播获得当前帧可能发送竞争带宽请求用户数、当前帧竞争请求发送机会数以及上行带宽授权。

(3)需要发送上行数据带宽请求的用户，首先查看当前是否获得带宽请求轮询机会，如果当前帧获得带宽轮询机会且当前帧上行实时业务不需要发送带宽请求，则通过带宽窃取方式使用该空闲的带宽轮询机会进行发送带宽请求。

(4)当无法通过带宽窃取方式发送带宽请求，则判断用户当前是否获得上行主动带宽授权业务(如话音类业务)的周期带宽授权，如果用户获得上行主动带宽授权业务的周期带宽授权，则通过授权管理子头携带带宽请求。对于512字节以内的带宽请求直接设置授权管理子头的捎带请求字段，而大于512字节的带宽请求，除了通过授权管理子头捎带512字节的带宽请求外，还设置授权管理子头的轮询标志位，通知基站该用户需要带宽轮询。

(5)如果用户当前没有获得上行周期主动授权业务的带宽，则判断用户当前是否具有上行实时业务带宽授权(如实时视频回传业务)和判断上行实时业务是否使用授权管理子头携带自身的带宽请求。如果用户获得上行实时业务带宽授权且上行实时业务自身不需要使用授权管理子头捎带带宽请求，则通过上行实时业务的授权管理子头携带用户的带宽请求。

(6)如果用户没获得上行实时业务带宽授权，或者用户虽然获得上行实时业务带宽授权但上行实时业务自身需要使用授权管理子头捎带带宽请求，则判断用户是否获得上行非实时数据业务带宽授权。如果用户获得上行非实时数据带宽授权，则使用授权管理子头捎带带宽请求，否则进行竞争部分。

(7)在进入竞争部分时，首先判断用户当前是否处于碰撞等待过程中。如果用户处于碰撞等待过程中，将需要等待的帧数递减，当需要等待的帧数为0时退出碰撞等待过程。

(8)如果用户当前不处于碰撞等待过程中，则通过截断二进制指数退避方法，发送竞争带宽请求。

(9)发送竞争带宽请求后用户在下一帧查看是否获得上行带宽授权，如果获得带宽授权，则带宽请求成功发送，否则竞争带宽请求发送了碰撞。

(10)当竞争带宽请求发送碰撞时，判断网络当前是否运行于高负荷状态。如果当前不是运行在高负荷状态，则运行传统的截断二进制指数退避算法进行带宽请求的发送，否则用户进行进行碰撞等待过程。

(11)在进行碰撞等待过程时，用户计算需要等待的帧数，在碰撞等待过程中，用户不发送竞争带宽请求，碰撞等待过程结束后用户恢复截断二进制指数退避过程去发送竞争带宽请求。

本发明包含两部分：非竞争部分和竞争部分。

本发明的有益效果包括：非竞争部分充分利用带宽窃取和捎带带宽请求的方式，使得带宽请求能够尽量通过无竞争的方式发送，减少了竞争带宽请求负荷。竞争部分通过碰撞等待方法，降低了带宽请求碰撞概率和带宽请求丢弃概率，提高了带宽请求利用率，从而提高竞争带宽请求吞吐。实验证明在高用户接入负荷下(竞争机会数N_to＝8，竞争用户数n＝400)，采用本发明提供的方法，竞争带宽请求丢弃概率达到10^-3的低水平，带宽请求发送机会利用率稳定维持在较高的0.36附近；而传统的二进制指数退避算法带宽请求丢弃概率为0.9，带宽请求发送机会利用率为0.05，从而可证实本方案能大大提高在高竞争用户负荷下带宽请求的性能。

附图说明

图1是本发明提供的基于碰撞等待的上行数据业务带宽请求方案；

图2是本发明提供的3种业务的MAC层协议数据单元的授权管理子头；

图3是增加碰撞等待算法的截断二进制指数退避方法与传统的截断二进制指数退避方法的带宽请求机会利用率效果对比图；

图4是增加碰撞等待算法的截断二进制指数退避方法与传统的截断二进制指数退避方法的带宽请求平均延迟效果对比图；

图5是增加碰撞等待算法的截断二进制指数退避方法与传统的截断二进制指数退避方法的带宽请求丢弃概率效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

如附图1所示基于碰撞等待的上行数据业务带宽请求方案，包括如下步骤：

(1)基站根据带宽调度器的结果，得到当前帧可能参与竞争的用户数n以及当前帧竞争请求机会数N_to，取竞争退避窗口初始值W为当前帧竞争请求机会数N_to，竞争退避窗口最大值为N_to·2^m，带宽请求最大重传次数为m′，然后通过广播方式通知给各个用户。

(2)用户在每帧开始的下行广播部分接收基站广播的当前帧可能参与竞争的用户数n、当前帧竞争请求机会数N_to、竞争退避窗口初始值W、竞争退避窗口最大值参数m以及竞争请求最大传送次数m′。

需要发送上行非实时数据带宽请求的用户收集到其缓冲中的数据量，得到需要申请的带宽请求大小，从而进行带宽请求的发送过程，包含非竞争部分和竞争部分，分别对应步骤(3)至(6)以及步骤(7)至(11)。

(3)查看用户是否获得带宽请求轮询机会。带宽请求轮询机会是基站周期性分配给具有上行实时业务的用户进行带宽请求的发送。如果用户获得带宽请求轮询机会且目前上行实时业务暂不需要申请新的上行实时业务带宽，则用户可以使用该带宽轮询机会发送上行非实时数据业务的带宽请求，此即为带宽窃取。

(4)如果用户没有获得带宽轮询机会，则用户查看是否获得上行主动带宽授权业务的周期带宽授权。如果用户获得周期带宽授权，则通过主动带宽授权业务的授权管理子头中9比特长的Piggyback Requset字段携带512字节以内的带宽请求，如果带宽请求大小超过512字节，则还需设置授权管理子头中的PM比特通知基站该用户需要带宽轮询。当基站收到通知后，会在下一帧给用户带宽请求轮询机会发送带宽请求。对于主动带宽授权业务、实时业务和非实时业务的MAC PDU的授权管理子头如图2所示。

(5)如果用户没有获得上行主动带宽授权业务的周期带宽授权，则查看用户是否获得上行实时业务带宽授权和上行实时业务自身是否需要使用捎带带宽请求进行捎带。如果用户获得上行实时业务带宽授权且上行实时业务自身不需要进行捎带带宽请求，则设置上行实时业务的授权管理子头中的CI比特为0，通过授权管理子头的Piggyback Requset字段捎带非实时数据业务的带宽请求。而CI比特为1则表示携带的带宽请求为实时业务自身的带宽请求。

(6)如果用户没有获得上行主动带宽授权业务，也没有获得上行实时业务带宽授权，则查看用户是否获得上行数据业务带宽授权。如果用户获得上行数据业务带宽授权，则通过数据业务授权管理子头的Piggyback Requset字段捎带用户的带宽请求，否则进行竞争部分。

(7)在进入竞争部分时，首先判断用户当前是否处于碰撞等待过程中。如果用户处于碰撞等待过程中，将需要等待的帧数递减，当需要等待的帧数为0时退出碰撞等待过程。

(8)如果用户当前不处于碰撞等待过程中，则通过截断二进制指数退避方法，发送竞争带宽请求。用户从其当前的竞争窗口中随机选择一个退避值，如果带宽请求为首次发送，当前竞争窗口等于竞争退避窗口初始值W。每经过一个竞争请求发送机会则退避值减小1，在退避值减小为0的下一个竞争请求发送机会，发送该竞争带宽请求。然后竞争窗口的值增大一倍，如果竞争窗口大于竞争窗口最大值2^mW，则设置其为竞争窗口最大值。如果带宽请求发送次数超过最大重试次数m′，则放弃发送该带宽请求。

(9)在发送竞争带宽请求后的下一帧，用户查看是否获从基站获得上行带宽授权。如果用户获得上行带宽授权，则竞争带宽请求成功发送。

(10)如果用户没有获得上行带宽授权，则竞争带宽请求发送了碰撞，用户需判断网络当前是否处于高负荷运行状态。将参数m、m′和当前可能竞争用户数n代入下式，求得最优退避窗口初始值W_opt：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{n}=\frac{2(1-2p_c)(1-p_c^{m+1})}{W_{\mathrm{opt}}(1-p_c)(1-{\left({2p}_c\right)}^{m^{\′}+1})+(1-p_c^m)(1-2p_c)+2^{m^{\′}}{p}_c^{m^{\′}+1}{W}_{\mathrm{opt}}(1-2p_c)(1-p_c^{m-m^{\′}})}\\ p_c=1-{(1-1/n)}^{n-1}\end{array}\right.$

如果竞争机会数N_to大于或等于W_opt，则网络不处于高负荷运行状态，继续以传统的截断二进制指数退避方式发送带宽请求；否则网络当前处于高负荷运行状态，需要进入碰撞等待过程。

(11)在碰撞等待过程中，用户不发送竞争带宽请求，等待的帧数利用当前帧基站广播的参数以及带宽请求经历的碰撞次数计算得到。当碰撞等待过程结束后，用户才进行竞争带宽请求的发送。假定T为碰撞等待帧数，  k为碰撞等待因子，t为带宽请求当前已经经历的碰撞次数。

$k=\left\{\begin{array}{cc}n\ln \frac{N_{\mathrm{to}}}{N_{\mathrm{to}}-1}-1,\mathrm{if}& N_{\mathrm{to}}\≤\frac{e^{1/n}}{e^{1/n}-1}\\ 0,& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.;$

T＝kt

图3，4和5分别为本发明提议的增加碰撞等待的截断二进制退避算法与传统的截断二进制指数退避算法在相同条件下带宽请求机会利用率、带宽请求平均延迟和带宽请求丢弃概率情况的对比。

具体的实验条件是：假定无线链路为系统的瓶颈，即用户一直将会有带宽请求发送，考察系统在饱和状态下的带宽请求性能。所有的用户都只运行一个上行非实时业务，实验开始前所有的用户均没有获得上行带宽授权，用户必须通过竞争方式发送带宽请求。为了模拟带宽请求方案的性能下限，限定当用户成功发送竞争带宽请求而获得上行带宽授权后，只在获得上行带宽授权的当前帧中通过捎带带宽请求的方式发送带宽请求，而后续到达的带宽请求必须通过竞争方式发送，直到下一次成功发送带宽请求。

图3表明了使用本发明提供的方法能够在低网络负荷和高网络负荷下同时达到较高的带宽请求利用率。图5表明了使用本发明提供的方法在高网络负荷情况下，用户的带宽请求丢弃概率能够保持在10^-3的低水平上，以增加的平均带宽请求延迟为代价。图4表明了高网络负荷下的用户带宽请求延迟的下限，相应于所有的用户带宽请求到达间隔均超过帧周期的情况。实际系统中当一部分的带宽请求到达间隔为帧周期时，这部分带宽请求能够通过连续地捎带带宽请求发送，因此实际的平均带宽请求延迟将会降低。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种上行数据业务带宽请求方法，其特征在于，该方法采用基于竞争的带宽请求发送方式，在竞争带宽请求方式下引入碰撞等待帧，具体包含如下步骤：

11)基站在每帧中广播包含当前帧可能发送竞争带宽请求用户数及当前帧竞争请求发送机会数，当前帧竞争请求机会数，竞争退避窗口最大值，带宽请求最大重传次数；

12)在每个帧开始用户接收基站广播获得包含：当前帧可能发送竞争带宽请求用户数、当前帧竞争请求发送机会数或基站反馈的上行带宽授权；

13)在进入竞争部分时，首先判断用户当前是否处于碰撞等待过程中；如果用户处于碰撞等待过程中，将需要等待的帧数递减，当需要等待的帧数为0时退出碰撞等待过程；如果用户当前不处于碰撞等待过程中，则通过截断二进制指数退避方法，发送竞争带宽请求；发送竞争带宽请求后用户在下一帧查看是否获得上行带宽授权，如果获得带宽授权，则带宽请求成功发送，否则竞争带宽请求发生了碰撞，进入下一步骤；

14)用户根据基站广播参数，判断当前网络的用户负荷，当网络处于低负荷时，用户进入截断二进制指数退避碰撞解决过程；否则用户冻结当前截断二进制指数退避过程，进行碰撞等待过程；

15)在碰撞等待过程中，碰撞等待帧的帧数不为0时，用户不发送竞争带宽请求；否则恢复截断二进制指数退避过程；

所述的碰撞等待帧的帧数由下式计算得到：

T＝kt； $k=\left\{\begin{array}{ccc}n\ln \frac{N_{\mathrm{to}}}{N_{\mathrm{to}}-1}-1,& \mathrm{if}& N_{\mathrm{to}}\≤\frac{e^{1/n}}{e^{1/n}-1}\\ 0,& & \mathrm{otherwise}\end{array}\right.;$

其中，T为碰撞等待帧数，k为碰撞等待因子，t为带宽请求当前已经经历的碰撞次数，n为可能参与竞争的用户数，N_to为当前帧竞争请求机会数。

2.根据权利要求1所述的一种上行数据业务带宽请求方法，其特征在于，该方法中主动授权类业务优先级最高，实时类业务优先级次之，而非实时数据业务为最低优先级；所有非实时的数据业务具有相同的优先级，用户所有的数据业务的带宽请求由一个总带宽请求进行发送，针对非实时数据业务综合应用基于非竞争和竞争的带宽请求发送方式，首先采用非竞争的带宽请求发送方式，如果不能接入时，则再采用竞争带宽请求方式；

所述的非竞争的带宽请求发送包含步骤如下：

21)首先上行非实时数据业务的带宽请求用户查看是否获得带宽请求轮询机会，如果获得带宽请求轮询机会且目前上行实时业务暂不需要申请新的上行实时业务带宽时，则用户使用带宽请求轮询机会发送带宽请求信息，及带宽窃取发送方式，否则转入下一步；

22)判断用户当前是否获得上行主动带宽授权业务的周期带宽授权，如果用户获得上行主动带宽授权业务的周期带宽授权，则通过授权管理子头携带带宽请求，否则转入下一步；

23)用户判断确认有上行实时业务带宽授权并且该实时业务不使用授权管理子头携带自身的带宽请求时，则通过上行实时业务的授权管理子头携带用户的带宽请求，否则转入下一步；

24)判断用户是否获得上行非实时数据业务带宽授权，如果用户获得上行非实时数据带宽授权，则使用授权管理子头捎带带宽请求。

3.根据权利要求2所述的一种上行数据业务带宽请求方法，其特征在于，当非实时分组数据用户的带宽请求处于碰撞等待状态时，能够同时进行基于非竞争的带宽请求方式进行带宽请求。

4.根据权利要求2所述的一种上行数据业务带宽请求方法，其特征在于，当步骤23)所述的上行实时业务的授权管理子头中的CI为0时，表示授权管理子头的Piggyback Request字段捎带的为非实时数据业务的带宽请求。

5.根据权利要求1所述的上行数据业务带宽请求方法，其特征在于，所述的非实时数据业务的带宽请求的用户在步骤15)所述的碰撞等待过程中能够应用基于带宽窃取或捎带带宽请求方式发送带宽请求。

Images