CN1270458A - 在无线通讯系统中基于脉冲串信息管理的排队方法 - Google Patents

Abstract

在无线通讯系统中基于脉冲串信息管理的一种排队方法前面陈述了在无线通讯系统中动态分配速率的方法,该速率能恰好满足用户需求。这种方法监视数据流量,并能预测何时所分配的速率不足以支持数据传输,导致数据丢失;何时所分配的速率大于需要的速率,导致没有有效使用系统资源。

Description

在无线通讯系统中基于脉冲串 信息管理的排队方法

本发明涉及到美国专利申请＿＿＿＿＿＿＿，命名为无线通讯系统中的智能脉冲串控制功能；美国专利申请＿＿＿＿＿＿＿，命名为无线通讯系统中脉冲串传输的PREMATURE TERMINATION的方法；美国专利申请＿＿＿＿＿＿＿，命名为防止无线通讯系统中由不平衡连接引起的REVERSE JUMMING的系统和方法；美国专利申请＿＿＿＿＿＿＿，命名为无线通讯系统中基于FADINGFLUCTUATION和MOBILITY的BURST DURATION的分配；美国专利申请＿＿＿＿＿＿＿，命名为无线通讯系统中动态调节DURATION OF A BURST TRNSMISSION的方法，在此一并提出申请。以上所有申请都转让给同一个受让人，并且在此合并为一。

这项发明涉及无线通讯系统，主要针对无线通讯系统中监视及动态分配信号速率。

无线通讯系统的研制是为了在源端和目的端传输信息。无论是模拟系统(第一代)还是数字系统(第二代)都是用来在源端与目的端的链路上传输信息。数字系统提供了优于模拟系统的一些优势。例如，提高了链路的抗干扰和噪音的能力，增大了容量，可以对需要保密的通信进行加密。这些都是数字系统优于模拟系统的地方。

第一代系统的主要目的是传输语音，而第二代系统既支持语音应用也支持数据应用。第二代系统中的数字技术就是用于处理有不同传输要求的数字通信。特别地，数据分组传输一般要求相对短的传输时间，而语音传输是一个长时间的传输过程，需要持续地占用传输信道。已经研制出了几种调制/编码方法，比如，频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、用于增加接入无线网络中的用户数量。CDMA在防止多径衰落及信道间干扰方面的能力比FDMA和TDMA还要强，而且减轻了频率和信道分配的负担，这这种负担在FDMA和TDMA中是很普遍的。

在CDMA系统中，同一小区中的每一个活动用户都有一个唯一的二进制编码序列，用于在一个比用户信号带宽大得多的宽带传输中唯一地标识该用户，传输该用户信息。系统带宽与用户带宽的比值是系统的“扩展增益”。对于一个给定的信噪比(S/I)，CDMA系统的容量与  “扩展增益”成正比。接收到传输信号后，通过使用一个输入给所希望的信号码序列的相关器，将每一个用户信号与其他用户的信号分离开。

第一代的模拟系统和第二代的数字系统都被设计成支持语音通信和少量的数据通信。使用宽带多址技术的第三代系统，如CDMA，有望有效地处理多种业务，比如语音、视频、数据和图象。第三代系统支持在移动终端和陆线网络之间进行高速数据通信。众所周知，高速数据通信的特征是一段持续时间较短的、速率较高的“脉冲串”传输，随后是持续时间较长的极少或根本没有数据传输。为了适应第三代系统中的这种高速数据业务的脉冲串特性，必须给系统分配一个大容量的带宽(与高速的速率相对应)，以传输不时发生的脉冲串数据。由于第三代系统具有传输脉冲串的高速率数据的能力，它的吞吐量和时延都有明显提高。然而，由于传输高速率的脉冲串数据，出现了大量的瞬间宽带请求，因此，管理脉冲串数据，尤其是因此而带来的功率和系统资源的分配，都应慎重处理，以避免不必要地干扰使用同一频率的其它业务。

在无线通讯系统适应大数据块传送的情况下，高速率自然是分配给那些批量传输的用户。因为传输速率提高一倍，所需要的传输时间将减少一半，给这样的用户分配高速率，将会使其传输时间降至最小。然而，当用户数量增加，尤其传输的信息从单纯的语音发展到多媒体(实时的语音与视频)后，对于基站资源的要求也增加了。为了保证系统有足够的资源以便为所有用户提供可以接受的服务质量，通讯系统必须能够有效而经济地动态分配系统资源。在授予Gardner等的名为多用户通讯系统中确定数据传输速率的装置及其方法的美国专利申请5,857,147中，讲授了在多用户信号环境下，如何调节某类用户的速率，以便该类用户一直能得到可以接受的信号质量。

当有新用户请求接入无线网络时，基站应该确定该用户所需要的资源，并将这些资源分配给该用户。一旦没有足够的资源提供给该用户，基站应当延迟为该用户建立连接，而用户只能等待，直到有足够的资源可用。

在建立连接时，基站需要分配的资源是输出功率和数据传输速率。输出功率和数据传输速率是成比例的，当速率增加时，建立连接或维持一个连接所需要的输出功率也将增加。这样是为了将每一个比特的输出能量维持在一个常量上。因为基站已经限制了输出功率，基站应当根据基站自己的输出功率极限，平衡它的用户的传输需求，这种需求可能是单独的或同时的。

这样，应一个用户的入网请求，基站应当估计出在当前用户环境和功率需求下，该用户的速率和功率需求。当用户环境已经达到系统的最大容量时，基站应当延迟该用户进入网络，以便防止系统输出功率过载。例如，基站正在处理多用户，每一个用户都要求高速率，此时，基站将不能响应一个低速率的用户请求，因为基站没有足够的功率来满足低速率的用户请求。这种功率缺乏不是由用户数量多引起的，而是因为没有有效地分配功率而引起的功率过度消耗造成的。给用户分配的速率大于所需要的速率，会浪费系统资源、减少本应能接入系统的用户数量、增大入网时延。因此，需要有效地管理和利用基站资源，以便为用户提供尽可能小的功率和速率，刚好可以满足传输需求。

本发明的目的是在有效数据的会话期间通过动态地确定用户传输需求，来有效地为无线系统分配传输速率。其目的还在于，通过监视传输期间的传输数据缓冲区，来动态地调节速率。其目的还在于，将用户所需要的速率，动态地调节并维持到一个最小值，来满足用户的需求。

本发明适用于固定速率、低速信道，如信令信道或控制信道，最大以信道的速率传输用户数据，进一步确定何时启用高速信道，来满足用户需求。为实现这项功能，本发明监视传输的数据量和接收数据的缓冲区。每一个缓冲区和由基站提供服务的每一个用户的缓冲区都被单独监视。当传输数据量和接收缓冲区的数据量超过先前确定的阈值时，会利用补充信道建立一条高速链路，以使基站将数据缓冲区维持在预定的值上。同样地，一旦缓冲区的数据量低于定义的阈值时，表明提供的速率大于需要的速率，这时，启动一个低速率链路。这样，每一个用户都被分配了尽可能小的速率，用来在基站和远程用户之间通讯。

图1列出了使用本发明的一种典型的无线通讯网络结构

图2列出了使用本发明的无线通讯网络中的前向信道的格式

图3列出了本发明的一个实施方案的流程图

早期的无线通讯系统，尤其是第一代无线通讯系统关注的是语音通信。第二代无线通讯系统，包括CDMA、TDMA、GSM大幅度地提高了语音质量、网络容量、服务质量。然而，第二代通讯系统只适用于语音、少的数据业务，传真和消息，它们一般不能有效地适用于高速移动数据速率。第三代无线系统的出现表明通讯已经进入了多媒体移动通讯的时代，用户将不仅仅能够使用语音服务，还将能使用视频、图象、文本和数据通信。第三代通讯网络将为移动用户提供144kbps到2Mbps的传输速率。

然而，在支持高速率的无线通讯网络中，应当慎重地管理和控制带宽和功率，以避免因不合理地分配带宽和功率而造成的服务被拒绝。正如下面将要说中明的那样，本发明为提高功率和速率提供了一种全新的解决方式，因此也提供了一种改进的工作效率，减小了服务被拒绝的可能性。尽管本发明在下面被描述成基于CDMA的无线信号编码方式，它也可以适用于其它无线信道管理方式，如TDMA、GSM。

图1列出了典型的无线通讯系统的配置，包括一个移动交换中心(MSC)100，多个基站控制器(BSC)102，多个基站收发信机(BTS)104和众多的远程用户，每一个用户操纵一个移动台(MS)106。除了给无线系统的子单元提供附加的管理和控制功能外，MSC 100在无线网络和有线网络PSTN 110和其它无线网络MSC 120之间提供接口。BSC 102为一个和多个BTS 104提供管理和控制功能。BTS 104由一系列置于无线站点的远程可调谐的收发信机组成，是无线网络侧的无线电路径的终端结点。如图1所示，每一个BTS 104典型地代表了无线通讯网络中的一个基站108，与远程用户进行无线通讯。小区的大小可以根据用户密度变化。密度高的地区，可以建立有效覆盖范围大约为百英尺左右的小区；密度低的地区小区可以很大。小区的大小决定BTS 104的功率大小，大小区就比小小区要求的功率大。

移动台106，可以是电话、计算机终端、传真机，是与BTS 104的无线电路径的终点，为用户接入网络服务。BTS 104与MS 106之间的两种无线连接，按照传统，当BTS 104流向MS 106时，被称成前向链路；当MS 106流向BTS 104时，被称反向链路。

图2列出了遵循现有标准TIA/EIA/IS-2000.2的CDMA前向信道复用结构的建立过程。导频信道PCH 201用于在CDMA系统中连续地传输未调制信号。PCH为相干调制提供相位基准，为在基站收发信机BTS之间比较信号强度提供装置。专用的控制信道(DCCH)202用于在BTS与MS之间传输数据控制信息(包括功率控制信息)。FCH203传送高层数据和功率控制信息。SCH 204与DCCH或FCH联合操作，为高层数据传输(或脉冲串数据传输)提供高速率服务。

因此，使用这种链路配置的前向信道配置，可以适应语音和数据传输，即使语音和数据的传输要求不同。语音传输是一个持续的、相对来说时间比较长的过程，一旦传输开始，就不能被打断。中断语音传输使得不能接收数据，因为所接收的数据是分开的，不是连接在一起的。

高保真的语音传输可以通过将音频转换成数字的形式进行，并以64Kbps的速率传输数字式的声音信号模式。用大于64Kbps的速率传输这种数字化的语音信号，被证明在声音模式的重构方面没有进一步的提高。因此，语音的传输率一般不大于64Kbps.。一般情况下，速率为8Kbps左右的语音传输效果和质量最佳。

另一方面，很明显，数据流量一般是一个脉冲序列，可以被分割成数据分组，并且以分组的形式传输。这些包在接收端被收集并重组。一般来说，分组可以不按顺序接收，若接收到一个错误分组，或分组丢失，这可以通过让发送端重新传输错误分组或丢失的分组来补偿。这样，数据通信不必强求系统进行连续传输。数据通信与语音传输的一个显著的不同是，数据通信可以根据源发送端和传输的需要而使用完全不同的传输速率。例如，传真、E_mail、文本数据可以采用相对来说较低的速率——大约9.6Kbps传输，因为其中所包含的数据量使得使用较低的速率就可以在可以接受的时间范围内完成传输。而图象、视频的传输需要采用足够大的速率，以保证传输图象或视频中所包含的大量数据所使用的时间降低到可以接受的范围。

本发明的方法考虑到了用户的各种不同的数据传输请求，并分配给用户尽可能低的速率以及相应小的输出功率，来满足用户的传输需要。依照本发明，当MS 106和基站收发信机BTS 104首次建立连接时，BTS 104使用低速控制信道初始化前向和反向信道的参数。CDMA系统中的每一个有效的用户都被分配了一个前向信道和反向信道，每一个信道都由CDMA系统分配一个编码，用来唯一标识该信道。如图2所示，前向信道的专用的控制信道(DCCH)被用作控制信道，也可被用来传输低速的数据信息。

依照本发明，基站收发信机BTS 104使用既可以传输控制信息又可以传输数据信息的DCCH，初始化活动的传输会话。在本发明的另一个实施方案中，当DCCH被用于传输控制信息时，基站收发信机BTS可以将低速的基本信道分配给数据传输。

当信息数据在BTS和MS之间传输时，BTS监视数据传输以及分配给每一个用户的接收缓冲区。BTS通过测量每一个缓冲区中的数据量，并检查缓冲区中的数据量是否在发送端(前向信道)和接收端(反向信道)都可以接受的规定的范围内，来调整(gauges)输入速率。如果传输速率小于用户向BTS传输数据的速率，缓冲区中的数据量将会超过可以接受的值。如果不能正确地处理这种情况，数据量将会超过缓冲区的大小(溢出)，造成数据丢失。

本发明的方法能够检测到输入速率过快，缓冲区存在潜在的溢出危险，从而基站收发信机BTS就会将传输链路的速率提高。这会相应地提高DCCH、基本信道、补充信道的速率。如图2所示，前向信道的补充信道能够以超过1Mbps的速率传输信息。同样地，如果传输速率大于用户向BTS传输数据的速率，缓冲区中的数据量会降低到可以接受的值。出现这种情况时，不仅缓冲区将会最终为空(下溢)，而且BTS还不得不使用过高的输出功率来适应这种高速率。本发明使用与传输速率过低时相同的方法，能预见下溢，作为一种保护措施，使BTS将DCCH、基本信道、补充信道的速率降低，来适应用户实际的传输需求。

与本发明前向信道的操作相似，反向信道也监视是否将出现数据速率的溢出或下溢的情况。此时，基站收发信机BTS监视接收缓冲区并测量输入数据速率。当BTS处理接收缓冲区中的数据速度低于输入数据速率，缓冲区被过快地填充时，本发明就会让BTS给MS发送一信号，降低反向信道的速率。同样地，当基站收发信机BTS处理接收缓冲区中的数据速率大于输入数据速率时，BTS给MS发送一信号，提高反向信道的速率。

现在，参考图3。图3是本发明的一个实施方式流程图。标号为300的框图处，基站收发信机BTS(图1中的BTS 104)与MS(图1中的MS 106)首次建立通讯连接。这种通讯连接既可以通过由MS请求接入网络而始发，也可以通过BTS向MS发送信号，表明用户请求接入网络来始发。通讯连接建立后，BTS首先使用DCCH或基本信道建立数据传输流。在有效的数据传输期间，BTS监视前向和反向信道的速率(见305框图)。监视功能的结果在方框310处提供给决定功能。在310处，监视所得的前向链路参数值与预先定义的阈值比较。如果在阈值内，表明前向链路的参数在可以接受的范围内，不需要调整，流程将转到410处的反向链路处理。否则，流程将转到方框320处，对前向链路进行调整。

在框图320，比较实际的数据速率与信道数据速率。如果信道数据速率比实际数据速率低得多，流程将转到330，增加信道数据速率。否则，流程转到350，降低信道数据速率。

在框图330，检查数据链路的目前状态，验证链路已经不是工作在最大速率。如果工作在最大速率，操作将进行到方框410，因为不可能再提高前向链路的速率了。然而，如果链路还能提高速率，操作将进行到340。通过DCCH、基本信道或补充信道，在方框340处选择并分配一个较高的速率。与此同时，分配与较高数据速率相对应的阈值电平。

在框图350，检查数据链路的目前状态，验证链路已经不是工作在最低速率。如果工作在最低速率，操作将进行到410，因为不可能再降低速率了。然而，如果链路没有工作在最低速率而且还可以进一步降低速率，操作将进行到360。

通过DCCH、基本信道或补充信道，在方框360处选择并分配一个较低的数据速率。与此同时，分配与较低数据速率相适应的阈值电平。

在框图410，在反向链路上的操作与前向链路的方法相同。如果反向链路的数据速率过慢，BTS指示MS提高数据速率。如果反向链路的数据速率过高，BTS指示MS降低数据速率。

在处理完前向和反向链路后，操作进行到500，对网络中的其他每个有效用户监视前向和反向链路。

在本发明的第二个实施方式中，通过监视等待从MS传输给BTS的数据量，MS可以履行监视功能。在有潜在的溢出或下溢情况时，MS向BTS发送一信息信号，根据该信号，基站收发信机BTS对反向链路的数据速率进行调节。在这种实施方式中，向MS提供阈值，或者预先提供，或者动态提供，以便由MS缓冲区管理功能使用从而确定何时向BTS发送溢出或下溢信号。同样方法适用于监视前向链路，该阈值与所使用的数据速率相适应。

由此，本发明提供了一种全新的解决方案，对于一个给定的数据业务，可以视发送端的情况，动态地调节其带宽、输出功率水平到一个实际可用的值。

本发明提供了一种全新的解决方案，可以动态地调节通讯信道数据速率，为用户提供最小的——必须的也是足够的速率满足用户需求。通过分配这样最小的速率，基站就能够用较小的输出功率维持用户的通讯，这样一来，可以扩展用户的服务，增加用户数量。

看过以上的描述后，本发明的一些可以选择的实施方式或其数字上的改变，对于那些熟练的技术人员来说，是显而易见的。因此，以上的描述仅供分析和讲解，使得熟练的技术人员可以用最好的方式实现本发明，以上描述的目的不是列出所有可能的实施形式。必须明确，所使用的字词都是描述性的而不是限制性的，而且，只要不超出本发明的原理范围，其结构可以有很大的不同。对于在附加权利要求范围内的所有变体形式，本发明保留专有的权利。

Claims (27)

1.在具有一个基站和至少一个移动台的无线通讯系统中，该基站能够通过操作与至少一个移动台建立通讯链路，而该链路具有多条信道和多种数据速率，为一个给定用户在该链路上选择数据速率模式的方法如下：

a.根据数据缓冲区中数据量的量度，调节上述用于所述给定用户的通讯链路上的数据传输速率；

b.从上述的多种数据速率模式中为该用户选择所述数据速率，所述所选数据速率确保支持所述调节的通信链路数据速率。

2.权利要求1中所讲述的选择速率的方法，其中对所述给定的用户重复步骤a与b，从而基于数据缓冲区的量度的变化为上述的给定用户动态地调节至少一个信道和所述选择速率。

3.权利要求1中所述的选择数据速率的方法，其中对上述系统中的实际上的所有移动台迭代地重复步骤a与b。

4.权利要求1中所述的选择数据速率的方法，其中所述的通信链路包括前向链路，该前向链路具有控制信道和业务信道，所述控制信道经过操作既可以传输控制命令也可以传输业务数据。

5.权利要求4中所述的选择数据速率的方法，其中所述的前向链路信道被选择成具有足够大的容量来支持所述的所选择的数据速率。

6.权利要求1中所述的选择数据速率的方法，其中所述的通信链路包括反向链路，所述反向链路具有控制信道和业务链路，所述控制信道经过操作既可以传输控制命令也可以传输业务数据。

7.权利要求6中所述的选择数据速率的方法，其中所述的反向链路信道被选择成具有足够大的容量来支持所述的所选择的数据速率。

8.权利要求1中所述的选择数据速率的方法，其中所述数据缓冲区包括在上述的通讯链路上接收数据的输入数据缓冲区。

9.权利要求8中所述的选择数据速率的方法，其中根据已知的阈值限度确定输入数据缓冲区中的数据的所述量度。

10.权利要求9中所讲述的选择数据速率的方法，其中所述的阈值限度包括与所述多个数据速率模式相应的预先定义的多个阈值的值。

11.权利要求1中所讲述的选择数据速率的方法，其中所述的数据缓冲区包括在上述的通信链路上接收数据的输出数据缓冲区。

12.权利要求11中所述的选择数据速率的方法，其中根据已知的阈值限制确定所述的输出数据缓冲区中的数据的所述度量。

13.权利要求12中所述的选择数据速率的方法，其中所述的阈值的限制包括与所述多个数据速率模式相应的预先定义的多个阈值的值。

14.权利要求1中所述的选择数据速率的方法，其中根据码分多址(CDMA)系统建立通讯链路。

15.无线通讯系统中的自适应分配信道容量的方法，所述无线通讯系统的特征在于包括至少一个移动台和至少一个基站，所述移动台通过通讯链路与所述基站通信，该方法包括以下步骤：

a.在上述通信链路的低速率信道上开始在所述至少一个基站与所述至少一个移动台中的一个之间传输数据流；

b.测量从所述数据流的源来的在数据缓冲区中接收的数据的速率；

c.选择一个足以支持所从多个数据速率测得的数据速率的数据速率，并且

d.将所选数据速率分配给所述数据流。

16.权利要求15中所述的分配信道容量的方法，其中根据所述的数据缓冲区度量的变化动态调节上述选择的数据速率。对所述至少一个移动站中的至少一个迭代地重复步骤a到d。

17.权利要求15中所述的分配信道容量的步骤，其中对上述系统中的实际上的所有移动台迭代地重复步骤a与b。

18.权利要求15中所述的分配信道容量的方法，其中所述的通信链路包括前向链路，该前向链路具有控制信道和业务信道，所述控制信道被安排成作为所述低速率信道并经过操作既可以传输控制命令也可以传输业务数据。

19.权利要求18中所述的分配信道容量的方法，其中所述的前向链路信道被选择成具有足够大的容量来支持所述的所选择的数据速率。

20.权利要求15中所述的分配信道容量的方法，其中所述的通信链路包括反向链路，该反向链路具有控制信道和业务信道，所述控制信道被安排成作为所述低速率信道并经过操作既可以传输控制命令也可以传输业务数据。

21.权利要求20中所述的分配信道容量的方法，其中所述的反向链路信道被选择成具有足够大的容量来支持所述的所选择的数据速率。

22.权利要求15中所述的分配信道容量的方法，其中所述数据缓冲区包括在上述的通讯链路上接收数据的输入数据缓冲区。

23.权利要求22中所述的分配信道容量的方法，其中根据已知的阈值限制确定所述的输入数据缓冲区中的数据的所述度量。

24.权利要求23中所述的分配信道容量的方法，其中所述的阈值的限制包括与所述多个数据速率模式相应的预先定义的多个阈值的值。

25.权利要求15中所述的分配信道容量的方法，其中所述的数据缓冲区包括在上述的通信链路上接收数据的输出数据缓冲区。

26.权利要求25中所述的选择数据速率的方法，其中根据已知的阈值限制确定所述的输出数据缓冲区中的数据的所述度量。

27.权利要求26中所述的分配信道容量的方法，其中所述的阈值的限制包括与所述多个数据速率模式相应的预先定义的多个阈值的值。

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