CN1123156C - 通信网络中的信道分配方法及相应的系统 - Google Patents

Abstract

本发明有关一种资源分配方法和系统，利用动态受控边界方法，满足系统为两种必须共享一个被分为帧的通信信道的通信类型(一种恒定比特率业务，和一种被称为VBR业务的脉冲数据通信)所保证的通信参数品质。在监测业务请求队列(21，22)之后，由一个资源分配器(23)，为每个帧定义业务子帧间的边界位置(BP)，从而定义分配判定本身。本发明适用于：用于宽带通信的卫星网络。

Description

通信网络中的信道分配方法 及相应的系统

本发明有关一种方法，为来自多个用户电台的等待呼叫分配信道时隙，以将恒定和可变比特率(CBR和VBR)通信集成到一个被划分为帧(每帧包含N(F)时隙)的通信信道中。本发明还有关相应的分配系统。本发明可被用于包含VSAT终端的卫星网络中。

卫星网络(它允许个体用户从一个VSAT(甚小天线地球站)直接访问卫星转发器资源)在多媒体通信中有望起到一个很重要的作用。由于在一个用户终端和网络控制中心之间交换信息需在延迟上有大量花费，所以用来集成不同通信类型的资源分配方案，在设计能支持多媒体业务生成应用的卫星网络时，占主要方面。信道接入和带宽属性，很大程度上依赖于要被传送的通信类型，且在资源分配方案的选择中，通信量特性的变化是一个必要因素。

对于同步通信，它对应于为长的持续时间生成流通信的时敏应用，其周期特性及其对时间的敏感性使得在面向连接的服务模式中，必须为一个呼叫的时长分配固定的信道资源。在有大的卫星传输延迟时，整个呼叫的信道属性是非常必须的，以限制这种实时传输的抖动变化。于是，同步通信可以被归属为一个恒定比特率业务类，因为在整个呼叫期间，它占据同一带宽资源。

相反，异步通信与这样一些情况相对应，其中，不时生成短脉冲串的交互终端，在一个脉冲-脉冲保留基础上，在一个脉冲串时长内可在系统中被采用，于是，在通信的无连接模式下，在所述基础上，可支持所述通信。该脉冲串可被映射为非实时可变比特率通信类别。非实时特性是由这样一个事实引起的，即为一个到来的脉冲所保留的延迟比地面网的大(更进一步，因为它很大程度上依赖于所应用的访问协议及链路负载条件的不同，所以不能确保达致的抖动)。

于是，需要一种有效的资源分配方案以容纳这些通信种类，同时满足每种通信类型所要求的通信质量。在卫星网中，已提出了几种方案，以便于使用同一信道传输不同的通信类型。一般，卫星上行链路被细分为有固定长度的TDMA(时分多址)。这些帧又依次被分为给定数量为L的时隙(这些时隙要么以固定方式(固定边界方案)，要么以可变方式(可移动边界方案)，被分配给不同的通信类别)。

在固定边界方案中，每种通信类型都有预先分配给它的相同数量的时隙，所以不会遇到来自其它类型的共享其资源的竞争。这种方案在资源未被充分利用这方面是不经济的，资源被一个给定业务类型使用，没有任何被其它类型业务使用的机会，从而造成浪费。

另一种方案，允许一个有限的资源共享，从而克服了这一缺点，即所谓的可移动边界方案，在文献“Fixed-and movable boundarychannel-access schemes for inttgrated voice/data wirelessnetworks”，J.E Wiesel thier and A.Ephremidesi，IEEE Transactionson Communications，Vol 43，No.1，January 1995，pp64-74中，描述了该方案，按照该方案，如果额外信道未被流通信使用，则短的数据信息可被分配到额外信道中，但如果必须，则该额外信道会被流通信占先使用。

以下，详细解释这样一个方案，与固定边界方案相比，它能缩短短数据信息的队列延迟，从而获得更好的信道利用率。

在常规可移动边界方案中，每帧被细分为两个部分，一个CBR子帧，和一个非实时可变比特率子帧(被称为NRT-VBR，或VBR子帧)。因为与数据脉冲串时长相比，CBR呼叫占据信道资源的时间更长，在低负载条件下可用的CBR资源可被分配给脉冲串数据(正在到达的CBR要求仍然继续，在它们自己的子帧中有较高优先级)：分隔两个子帧的边界可移入CBR一个，以向VBR通信分配可用时隙，但当CBR通信增加时，移回其原来位置(即，被借给VBR通信使用的一个CBR时隙，在需要时，立即转到其作为CBR时隙的原始位置)。这具有减小VBR通信平均延迟的好处，而CBR通信品质不受影响。相反，CBR通信不被授权使用VBR子帧的一个VBR时隙，因为随后，该时隙在呼叫的整个时间段内都将不能被VBR通信使用。

本发明的一个目的是提出一个分配时隙的改进方法，允许增强提供给CBR连接的通信的质量。

为此，本发明有关如以上所述的方法，其中，在两种通信类型的正常负载条件下，依靠两个边界，每个帧被细分为一个由N(C)时隙构成的恒定比特率(CBR)通信子帧，一个由N(Vmin)时隙构成的可变比特率(VBR)数据通信子帧，在它们之间，有一个被称为公用资源池(CRP)的子帧，由帧中剩余的(N(F)-N(c)-N(Vmin))个时隙构成。于是，所述分配方法由以下步骤组成：

(a)当VBR通信负载的增加超过CBR通信负载的增加时，它们之间的边界移入CRP和CBR子帧，以便包括未被分配的CBR信道；

(b)当VBR负载很小，CBR通信增加时，所述边界在CRP中向VBR子帧移动，所述偏移受为VBR预先保留的资源的最小数量N(Vmin)限制；

(c)在两种业负类型的高负载条件下，CBR通信资源被限制为N(C)，而帧中剩余的资源N(V)＝N(F)-N(C)可被VBR通信使用。

在卫星环境中已鉴定，在将CBR和VBR通信以VBR通信的较低负载综合时，该方法比常规可移动边界方案更方便，因为它通过使分配方案动态适应不同的通信负载变化，允许在公用时隙，共享部分交互资源。该方法在每帧的开始处执行，以使其适应所述网络负载条件，其优点是，它降低了CBR业务阻塞的概率和低VBR负载时的呼叫建立延迟，因为它在保证VBR业务的最小值的同时，允许CBR通信利用帧上的可用资源。在低CBR负载条件下，VBR排队延迟也降低了。不过，在两种通信类型的高负载情况下，所提方案集中到常规可移动边界方案上。

本发明的另一个目的是提出一个执行该方法的分配系统。

为此，本发明有关一个系统，用来为来自多个用户电台的等待呼叫分配信道时隙，以将恒定和可变比特率(CBR和VBR)通信综合到一个通信信道中，该信道被划分为包含N(F)时隙的帧。其特点在于，它包含一个第一有限长度CBR队列，用于存储到来的CBR呼叫连接，一个第二无限队列，用于存储到来的VBR信息，和一个帧分配控制器，用于在与所述帧相关的控制周期开始时，监测两个队列的填充水平，在两种通信类型的正常负载条件下，每帧又被由两个边界细分为一个包含N(C)时隙的CBR通信子帧和一个由N(Vmin)时隙组成的VBR通信子帧，在它们之间，是一个由帧中剩余的(N(F)-N(C)-N(Vmin))时隙组成的被称为公用资源池(CRP)的子帧，且随后执行一个分配方法：

(a)当VBR通信负载的增加超过CBR通信负载的增加时，它们间的边界移入CRP和CBR子帧，以包括尚未分配的CBR信道；

(b)在VBR负载很小，CBR通信增加时，所述边界在CRP中向VBR子帧移动，所述偏移受为VBR通信预先保留的资源的最小数量N(Vmin)的限制；

(c)在两种通信类型的高负载条件下，CBR通信资源被限制为N(C)，而帧中剩余的资源N(V)＝N(F)-N(C)可被VBR通信使用。

在该系统中，最好按下列步骤组织步骤(b)：

(b1)在为来自CRP的等待呼叫分配信道之前，监测第二队列的长度；

(i)若该长度小于一个预定门限值，则在CRP子帧中，CBR呼叫被授权访问；

(ii)若所述长度超过所述门限值，CBR请求被拒绝访问CRP子帧，并被置于等待状态，等待CBR子帧中，或者CRP子帧中(只有当所述队列长度小于所述门限值时)资源的释放；

(b2)如果当一个新的CBR呼叫请求到来时，第一队列已完全填满，则所述请求被阻塞并被从系统中删除。

在所述系统的一个最佳实施例中，所述门限值随分配给CBR业务的CRP资源的数量而动态变化，所述门限值随所述数量的增加而减少。

参照附图，将更详细地描述本发明，其中：

-图1示出了按本发明的一个框架结构，在三个时隙间有两个可移动边界；

-图2示出了按本发明的一个分配系统的示例实施例；

-图3是所执行分配方案的一个流程图；

-图4示出了不同负载下的帧结构和边界位置。

为清楚起见，如本发明的分配方法(以下将详细介绍)，在描述中将被称为双可移动边界方案，或“DMBS”。在图1中示出了被分为N(F)时隙的一个框架结构(当处理通过一个通信信道互连的电台间的信息传输时，通常存在一个反馈下游连接，或信道，不过，有关上游信道的本发明也应用于所述下游连接)。每个有N(F)时隙的帧又被细分为三部分：

-一个CBR通信子帧，包含N(C)个时隙，其中N(C)代表在正常和高VBR负载条件下，CBR呼叫可用的全部资源，N(C)的选择是要获得系统所保证的请求呼叫的阻塞概率；

-一个非实时可变比特率(NRT-VBT)通信子帧，或VBR子帧，包含N(Vmin)时隙，其中N(Vmin)代表在所有负载条件下，用于VBR通信的资源的最小数量，

-一个公用资源池(CRP)，由帧中剩余的(N(F)-N(C)-N(Vmin))时隙构成。

如图1所示，存在不同种类时隙间的边界。所述边界(B1，B2)的位置由信道分配判定来定义，在与该帧相关的控制区间内，为每帧执行该信道分配判定。帧时间段被选为满足CBR呼叫的周期要求，每帧中的一个时隙在保留的基础上被归属于每个CBR连接和每个VBR信息。参照图2和3，将描述分配方法和相应的分配系统。

在图2中所考虑的分配系统被假定为包含大量竞争信道资源的终端。如以前所见，这里考虑两种终端，第一种运行一种请求CBR连接的流通信生成应用程序，第二种运行一种生成短数据脉冲串的应用程序并为脉冲时间段请求资源。CBR呼叫请求，参照“CBR”业务，按一个泊松过程，以每秒口(C)呼叫的到达速率到达，而数据信息，参照“VBR”通信，按一个类似过程，以每秒口(V)包的到达速率到达。数据消息的长度与一个时隙的长度相等，且CBR呼叫的设备服务时长远大于VBR数据消息(依靠帧时长和每帧中的时隙个数，前者处于分钟级，而后者处于微秒到毫秒级)。

图2中所示帧资源分配系统包含一个有限长度CBR队列21，用于存储到来的CBR呼叫连接请求，一个无限队列22，用于存储到来的脉冲数据消息(VBR通信)，和一个帧资源分配器23，用于接收所述队列21和22的输出并按照图3所示的DMBS控制器操作流程图，执行“DMBS”方法(即，它按照本发明组织向到来的通信分配资源)。

分配器23首先接收通信请求并检查所请求通信类别以便将所述请求分给相应的通信队列CBR连接请求被放在队列21中，其长度一般是作为该通信所能容忍的最大允许呼叫建立延迟的函数来确定的(CBR缓冲长度是有限的以限制呼叫请求等待延迟：若当一个新的CBR连接请求到达时，队列是完全填满的，则该呼叫被阻塞并退出分配系统)，而数据脉冲保留请求被放在队列22中以等待资源可用。然后，在每个控制阶段开始，监测这两个队列21和22的每一个的填充水平，一旦在所述监测操作之后执行了分配判定，则分配器将信息向所有终端广播。

每帧开始处的分配控制器进程被控制在帧的频率F(FR)，并按图3所示的过程执行。首先监测队列21(CBR业务缓冲区)(“monitor CBRqueue”或MCQ)，以观察是否有任何正在等待的连接命令。

在确定(第一次检测“Z1？”)队列Z1非空(回答N)之后，若正在进行的呼叫的数量N(C)小于N(C)(回答Y)，则这些正在等待的呼叫在CBR子帧中被分配时隙(ALLOC/CBR)。若在已分配CBR时隙数量到达N(C)之后，队列Z1中仍有等待呼叫请求(第二次检测“Z1？”)，则检测队列22(VBR通信缓冲区)(“monitor VBR queue”，或MVQ)。若后者的填充水平低于一个给定门限值TH1(回答Y)，则可从CRP为一个等待呼叫指定一个时隙(CRP→CBR)(作为保护VBR通信的脉冲数据的一种措施，在每个控制过程的开始，只能从CRP向CBR业务分配一个时隙，或只能分配一个给定有限数量的时隙，以避免在长的CBR呼叫占用时间内，建立大的数据队列)。不过，若队列22的填充水平超过了TH1(回答N)，则在这个帧中不能满足等待呼叫请求，且该请求被保留在队列21中(或者，当队列21完全满时，被阻塞并被从系统中删除)。

相反，当队列21空(对第一次检测“Z1？”回答空)，即，当CBR业务缓冲区中没有正在等待的呼叫请求时，则CRP和CBR子帧中的所有未被占用信道均可被队列22中等待的数据消息使用(如果“Z2？”非空)(Rem(CBR+CRP)→NRT-VBR，“Rem”指的是CBR和CRP中剩余的时隙)。

图4举例说明了边界位置BP随业务负载条件的相应变化(在图2中举例说明了在分配器23的输出端，边界位置BP的位置)。

(a)在两种通信类型的正常负载条件下，该帧如图4a所示；

(b)当VBR通信的增加超过CBR通信增加时，如同常规可移动边界方案一样，边界移入CRP，并可能进入CBR子帧，使脉冲数据可以利用帧中所有尚未被分配的CBR时隙(图4b)；

(c)相反，若VBR通信负载很小，CBR通信增加，则边界在CRP中逐渐向VBR子帧移动，边界移动受预先为VBR通信保留的最小资源数量N(Vmin)的限制(如图4C所示)。

(d)在两种业务通信均为高负载条件下，CBR资源被限定为N(C)，而帧中其余的资源均可供VBR通信的脉冲数据使用(如图4d所示)，且等于N(V)＝N(F)-N(C)。

对给定帧的进程结束后，对随后的一帧重复类似进程(如图3，从检测“Z2？”的输出，将NEXT-FRAME(下一帧)连接到进程的开始输入端)，并依次类推。

应指出的是，很明显，本发明并不局限于所描述的实施例：在不脱离本发明范围的前提下，可提出基于这些实施例的改进。可以提到的是，例如，确定CBR呼叫进入判定的门限值TH1的值对系统性能有很大影响，并进而影响“DMBS”方法的效率。低的TH1值对脉冲数据(VBR业务)比对CBR通信更有利，因为它以增加的CBR通信阻塞概率和呼叫建立延迟为代价，减小了队列22中所述数据的等待延迟。相反，高的TH1值增加了接收一个CBR保留请求的机会，而损失了队列22的长度从而增加了数据延迟。

根据网络所确保的通信参数的性质和所提供通信的类型，选择TH1的值。进一步，根据通信类型和要求的变化，该值可以是固定或可变的，该门限值的动态改变使得该方法在处理通信种类的大量改变时更加灵活。更进一步，对于同一所支持通信，动态门限可被用于对数据通信提供额外保护。

实际上，通过在从CRP子帧向CBR通信分配的信道数量增加时，减小门限值TH1，可以达到这样一个动态门限方式。随分配给CBR通信的CRP资源数量而动态改变门限值的一个公式为： $L\left(\mathrm{DTh}\right)=\frac{L\left(\mathrm{ITh}\right)\·N\left(C\right)}{N\left(C\right)+N\left(A\right)}----\left(1\right)$ 其中：

L(DTh)＝所计算的动态门限值；

L(ITh)＝初始固定门限值；

N(A)＝分配给CBR呼叫的CRP资源数。确定门限值的另一个公式是： $L\left(\mathrm{DTh}\right)=\frac{L\left(\mathrm{ITh}\right)}{N\left(A\right)+1}----\left(2\right)$

第二个公式看起来能得到稍好的系统性能。

Claims (2)

1.一种用来为来自多个用户台的等待呼叫分配信道时隙的方法，跟据CBR呼叫连接请求和相应的VBR消息，将恒定和可变比特率(CBR和VBR)的通信综合到一个被划分为帧的通信信道中，其中每帧包含N(F)时隙，每帧靠两个边界被细分为一个包含N(C)时隙的CBR通信子帧，一个包含N(Vmin)时隙的VBR通信子帧，且在它们之间，有一个被称为公用资源池(CRP)、并包含帧中剩余的(N(F)-N(C)-N(Vmin))时隙的子帧，所述分配方法包括以下步骤：

(a)在两种通信类型的正常负载条件下，CRP的边界是CBR通信子帧和VBR通信子帧的边界；

(b)在VBR负载很小，CBR通信增加时，CBR通信子帧和CRP之间的边界发生改变，在CRP中向VBR子帧移动，该偏移受到为VBR通信永久保留的最小资源数N(Vmin)的限制；

(c)当VBR通信负载的增加超过CBR通信时，VBR通信子帧和CRP之间的边界发生改变，移入CRP中，如果有NA(C)未分配的CBR信道，所述边界移入CBR帧中以便包括所述NA(C)未分配的CBR信道或者至少是它们的一部分；

(d)在两种通信类型的高负载条件下，CBR通信资源被限制为N(C)而帧中剩余的资源N(V)＝N(F)-N(C)可供VBR通信使用。

2.一种为来自多个用户台的等待呼叫分配信道时隙的系统，用以将恒定和可变比特率(CBR和VBR)通信集成到一个被划分为帧的通信信道上，其中每帧包含N(F)时隙，其特征在于，它包含一个第一有限长度CBR队列，用于存储到来的CBR呼叫连接请求，一个第二无限队列，用于存储到来的VBR消息，和一个帧分配控制器，用于在分配与所述帧相关的控制阶段的开始，监测两个队列中每个的填充水平，每帧靠两个边界被细分为：一个包含N(C)时隙的CBR通信子帧，一个包含N(Vmin)时隙的VBR通信子帧，和在它们之间，被称为公用资源池(CRP)、并包含帧中剩余的(N(F)-N(C)-N(Vmin))时隙的子帧，所述CBR呼叫连接请求和所述VBR消息的分配按以下步骤执行：

(a)在两种通信类型的正常负载条件下，第一队列的填充水平低于或等于N(C)，第二队列的填充水平低于或等于N(Vmin)，CRP的边界分别是CBR通信子帧和VBR通信子帧的边界；

(b)在VBR负载很小，CBR通信增加时，第一队列的填充水平在N(C)和(N(F)-N(Vmin))之间，CBR通信子帧和CRP之间的边界发生改变，在CRP中向VBR子帧移动，该偏移受到为VBR通信永久保留的最小资源数N(Vmin)的限制；

(c)当VBR通信负载的增加超过CBR通信时，第二队列的填充水平在N(Vmin)和(N(F)-N(C))之间，VBR通信子帧和CRP之间的边界发生改变，移入CRP中，如果有NA(C)未分配的CBR信道，第一队列的填充水平等于N(C)-NA(C)，第二队列的填充水平等于N(F)-(N(C)-NA(C))，所述边界移入CBR帧中以便包括所述NA(C)未分配的CBR信道或者至少是它们的一部分；

(d)在两种通信类型的高负载条件下，第一队列的填充水平等于N(C)，第二队列的填充水平等于(N(F)-N(C))，CBR通信资源被限制为N(C)，而帧中剩余的资源N(V)＝N(F)-N(C)可供VBR通信使用。

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