CN1361640A - 无线数据分组的取决于数据分组大小的链路自适应方法和设备 - Google Patents

Abstract

不同于以通过量表征无线电链路控制(RLC)性能,而忽略了高层协议数据单元(PDU)或要传送的分组的大小的现有方法和系统,提供了一种以高层PDU或分组的延迟为基础的方法和设备。基于此的方法和设备的延迟小于基于采用自适应编码和调制,实现数据块的最大平均通过量的方法和设备的延迟。

Description

无线数据分组的取决于数据 分组大小的链路自适应方法和设备

技术领域

本发明涉及借助无线链路通信的数据系统，更具体地说，本发明涉及修改数据分组的大小和编码，以便降低通过无线链路传递数据时的总延迟。

背景技术

在诸如增强型通用无线电分组通信服务(EGPRS)之类的无线数据分组数据系统中，选择性自动重复请求(ARQ)被用于无线链路上的错误校正。在较早的分析中，通常用通过量表征无线电链路控制(RLC)性能，而忽略了高层协议数据单元(PDU)或要传送的分组的大小。

在诸如增强型通用无线电分组通信服务(EGPRS)之类的无线数据分组数据系统中，选择性自动重复请求(ARQ)被用于无线链路上的错误校正，例如参见K.Balachandran，R.Ejzak和S.Nanda的“Efficient transmission of ARQ feedback for EGPRS radio linkcontrol”，IEEE Vehicular Technology Conf.，1999年5月。目前，关于EGPRS，已提出了9种调制和编码方案(MCS)，MCS-1具有最坚固的编码，MCS-9具有坚固性最差的编码。

每个高层数据分组被分割成多个无线电链路控制(RLC)块。根据为传输选择的MCS，RLC块的大小，以及在20毫秒块周期中传输的RLC块的数目发生变化。例如，MCS-1和MCS-2的RLC块大小分别为22个八位字节和28个八位字节。对于MCS-1～MCS-6，在每个时隙，在20毫秒块周期中传输一个RLC块。对于MCS-7～MCS-9，在每个时隙，在20毫秒块周期中传输两个RLC块。从A.Furuskar，S.Mazur，F.Muller和H.Olofsson的“EDGE：enhanced data rates forGSM and TDMA/136 evolution”，IEEE personal Communications，pp56-66，1999年6月；ETSI GSM 03.60，“Digital cellulartelecommunications system(phase+2)；General Packet Radio Service(GPRS)；service description：stage 2”；以及K.Balachandran，K.Conner，R.Ejzak和S.Nanda的“A Proposal for EGPRS Radio LinkControl Using Link Adaption and Incremental Redundancy”，BellLabs Technical Journal，vol.4，no.3，pp19-36，1999年7-9月可了解该领域的技术状态。如果移动站支持多时隙，则多个时隙(在EGPRS中最多达8个时隙)也可加以应用。

通过使用更坚固的编码，可显著降低RLC块错误率(BLER)。使用诸如MCS-1之类更坚固方案的结果减少了完成传输所需的重发回数。但是，较强的编码方案降低了在一个RLC块中可传输的数据位的数目。诸如MCS-9之类坚固性较低的方案能够在单个RLC块中装入更多的二进制位，但是在典型的信道条件下，BLER较高，并且完成传输可能需要更多的重发次数。对于选择性RAQ来说，通过量上限为R(1-P_e)，这里R是传输速率，P_e是块错误率。这令人满意地应用于大量数据的传送(例如文件传送协议(ftp)应用)。但是，对于诸如网页浏览和远程通信之类的应用来说，关心的是传送短数据分组时的延迟，从而，对于传送短数据分组来说，长期通过量并不量化服务质量。下面，假定EGPRS框架，以便从延迟的观点，确定对于不同的分组大小，正向纠错(FEC)和ARQ之间的折衷。

关于选择性重复(SR)ARQ的延迟性能，已进行了一些确定。在M.E.Anagnostou和E.N.Protonotarios的“Performance analysis ofthe selective repeat ARQ protocol”，IEEE Trans.onCommunications，vol.34，no.2，pp.127-135，1986年2月中，得出了在单个时隙情况下，关于RLC块延迟的精确分析及近似分析。在R.Fantacci的“Queueing analysis of the selective repeat automaticrepeat request protocol wireless packet network”，IEEE transactionson Vehicular technologies，vol.45，no.2，pp.258-264，1996年5月中，作者分析了在Markov双态信道中，SR-ARQ的性能。在J.Chang和T.Yang的“End-to-end delay of an adaptive selective repeat ARQprotocol”，IEEE transactions on Communications，vol.42，no.11，pp.2926-2928，1994年11月中，可找到另一近似法。在所有上面引用的著作中，只计算了一个块的延迟。

重量的测量并不是传送一个数据块的时间(延迟)。相反，重要的测量是传递消息的时间(延迟)。为了更接近于消息的延迟，最好测量高层数据分组的顺序传送的延迟，所述高层数据分组含有多个RLC块。一旦获得了含有多个RLC块的高层数据分组的顺序传送的延迟时间测量结果，就可实现在不完美的无线通信世界中，传递多个数据块的方法和设备方面的改进。最好向在不完美的传输/接收信道条件下，借助无线通信，传递由数据块构成的消息的方法和设备提供改进。

发明内容

简单地说，根据本发明的一个方面，通过提供一种降低数据传送的延迟时间的方法，克服了现有技术的上述缺陷，所述方法包括下述步骤：保存要通过链路传输的至少一个数据分组；在第一级调制和编码方案下，传输该数据分组的第一段；并在更坚固的第二级调制和编码方案下，传送该数据分组的第二段。

根据本发明的另一方面，通过提供一种降低数据传送的延迟时间的设备，克服了现有技术的上述缺陷，所述设备包括保存要通过链路传输的至少一个数据分组的缓冲器，以及在第一级调制和编码方案下，对该数据分组的第一段进行调制和编码的调制编码器。所述调制编码器还在比第一级调制和编码方案更坚固的第二级调制和编码方案下，对该数据分组的第二段进行调制和编码。所述设备具有传输所述第一段数据分组和第二段数据分组的发射器。通过对第二段数据分组使用更坚固的编码，降低了相对于用户的延迟。

附图说明

图1是以前已知的无线系统的方框图。

图2是实现本发明的无线系统的方框图。

图3是表示各种MCS级别的结果的表。

图4-7是关于各种MCS级别的模拟结果。

具体实现方式

现在参见图1，系统10具有与天线13相连的基站12。系统10是EGPRS系统。天线13通过无线电链路发射和接收无线数据分组。天线13被图解表示为向配备无线电接收装置的汽车20，无线便携式计算机30和手持式装置40传送数据分组，并从汽车20，计算机30和手持式装置40接收数据分组。

基站12具有与其它装置传输和接收数据的收发器14。收发器14具有缓冲器16，收发器14把要传输的各个消息存储在缓冲器16中。在正确接收了所有的消息之前，消息数据被保存在缓冲器16中，消息的正确接收被定义为在诸如汽车20，计算机30和手持式装置40之类的消息目的地处，接收的消息无不可纠正的错误。如果在初始传输中，丢失或破坏了数据块，则目的装置请求重发。随后由缓冲器16中的数据实现这种重发请求。一旦全部消息已被传送，则在利用不同的有效数据重写缓冲器之前，清除缓冲器16，或者简单地将其标记为无效。由于在现有系统中已存在缓冲器和控制数据块的传输的链路控制装置，因此本发明的主要部分是更快，更可靠的数据通信方法和系统。

图2表示了更快，更可靠的数据通信方法和系统。基站12′具有帮助提供改善的辅助链路自适应装置18。链路自适应装置18具有缓冲器排流(draining)监视器(图中未表示)。缓冲器排流监视器确定首次几乎传输完缓冲器16′中的数据的时间。该时间是缓冲器排流监视器信号通知链路自适应装置18把传输的MCS级别改变为更坚固一级的信号。类似地，装置20′、30′和40′均在它们的传输请求中指出它们相应的要传输消息的大小。当到达消息的结束部分时，链路自适应装置18采取类似的动作，改变发射装置20′，30′或40′正在使用的MCS级别。

链路自适应装置18测试收发器14′和移动装置20′，30′和40′之间的无线电链路，作为无线电链路控制(RLC)的基本工作方式。RLC至少选择一个MCS级别或者多个MCS级别，便于在无线电链路上存在噪声的情况下，进行通信。如同下面将说明的那样，消息收发过程中，MCS级别的合理RCL选择可显著节省时间，即降低延迟。另外，采用了随分组大小和信道编码方案而变化的选择性ARQ的延迟性能的分析。通过模拟，已证实了这种分析，所述模拟证明了本发明的优点。

RLC ARQ程序如下进行操作。在发射器，例如发射器14′，高层提供的每个分组被分割成K个RLC块，K个RLC块中的每个RLC块被指定一个顺序号。随后在发射器缓冲器，例如缓冲器16′中对RLC块排队，以便按预定计划传输。发射器保持一个窗口，当传输一个RLC块时，窗口尺寸被加1，当在被接收器顺序接收的情况下，确认一个RLC块时，窗口尺寸被减1。假定窗口的最大尺寸为W个块，超过W个块，窗口尺寸不可再增加。在初始传输或重发每个RLC块时，启动和该块相关的计时器(图中未表示)。如果在某一RLC块的计时器期满之后，确认没有收到该RLC块，则按计划重发该RLC块。理论上，该计时器被设定为等于收发器14′和装置20′、30′及40′之间(或者从装置20′，30′或40′之一到收发器14′)的往返延迟(所述往返延迟包括双向传播延迟和处理延迟)，以便防止传播重发和处理重发。

例如，如果每隔P块周期，发射器14′关于反馈轮询接收器20′、30′或40′，则接收器20′、30′或40′以ARQ反馈位图表示回答，ARQ反馈位图提供窗口内，各个RLC块的ACK/NACK接收状态。ARQ反馈消息还包括一直到所有的RLC块已被顺序接收的顺序号。

此外，对于下面给出的分析，做出下述假设：

1.在20毫秒块周期内，可传输大量的RLC块(B个RLC块)。该数目随MCS和移动站的多时隙能力而变化。

2.各个RLC块的错误概率由P_e表示，并且块与块之间，RLC块错误彼此无关。

3.在T块周期的往返延迟之后，计时器期满。

4.窗口尺寸W大于分组的大小，(即W＞K)，从而决不会发生协议迟延。

5.轮询周期为P＝1。从而每隔20毫秒，接收器将其接收状态回送给发射器。

6.确认消息中不存在任何错误。

7.不存在任何未检测到的错误。

借助这些假设，可用分组延迟(D)来表征基站12′和任意装置20′，30′或40′之间的系统10′的性能，所述分组延迟被定义为分组到达RLC层和收到关于分组含该数据分组的各个RLC块的确认消息之间的时间周期。

考虑当各个分组到达时，发现空的缓冲器(例如，缓冲器16′)，并且不存在任何分组排列延迟的操作条件。如果只存在排队延迟，考虑传输和确认RLC块，则分组延迟可被表示为：

D＝A·T+τ           (1)

这里A可被近似为： $A\left(K\right)\≈{\{}_{-\frac{\ln \mathrm{BT}}{\ln P_e}-\frac{P_e}{1-P_e}+\frac{K}{\mathrm{BT}(1-P_e)}----K>\mathrm{BT}}^{1-\frac{\ln K}{\ln P_e}------------K\≤\mathrm{BT}}---\left(2\right)$

这是用于本说明书的剩余部分中的延迟的近似值。

上面关于A(K)的近似的直观说明如下所述。分组延迟由两部分组成：“排流延迟”和“尾部延迟(tail delay)”。在每个往返延迟周期中，如果存在足够的待办事项，则传输BT个块。平均来说，对于每个往返延迟周期，以恒定的速率，即BT(1-P_e)降低留待传输的块的剩余数目。于是，花费 个往返周期排流大小为k的数据分组。从而“排流延迟”为 但是，当剩余块数小于BT时，或者如果分组长度K小于BT，则减少速率小于BT(1-P_e)，因为在每个往返周期中，不存在足以填满传输间隔的块。“尾部延迟”依赖于当出错率为P_e时，成功传输剩余块所花的往返周期的数目。如果分组大小小于BT，则总延迟只由取决于分组大小的“尾部延迟”组成。对于较大的分组来说，总延迟由关于K-BT个块的排流延迟和关于最后BT个块的尾部延迟组成。对于中等大小的分组来说，不可忽略“尾部延迟”的影响，而当分组足够大时，可忽略“尾部延迟”。这将在后面说明。

根据A(K)的近似结果，可用块周期表示延迟表达式。当轮询周期不等于1时，延迟可被近似为： $T\≈\left[\frac{\mathrm{RTD}}{P}\right]P$

大小为(K)的分组的延迟为：

D(K)＝(A(K)+0.5)T

由于分析表明为了降低发送信息的总时间，方法和设备会把MCS级别从数据块的较高通过量数据传输类型改变为数据块的较低通过量数据传输类型，因此，在某些方面，上面的分析不直观。

为了验证上述分析以及本发明的方法和设备的这些不直观结果，，进行了模拟。获得这些模拟的模拟结果，并将其用于指导系统10′(EGPRS系统)中，调制和编码方案MCS的选择，以便降低基站12′和移动站20′、30′和40′之间的分组延迟。

在图3和4中，表示了关于A的模拟和分析结果。图4表示了比较MCS5，MCS6和MCS7中使用的一些参数，包括MCS-7的延迟，较高通过量编码方案，具有分别等于12dB，18dB和22dB的SNR的信道内条件类型HT-100(GSM丘陵地形模型，100kmph移动速度)。往返延迟为80毫秒，即T＝4。图3中(表1)表示了MCS代码的一些参数。如图所示，分析结果和模拟结果符合得很好。模拟明确证实了本发明的不直观方法和设备的优点。

如同前面在背景技术中提及的那样，本发明还未完成的需要是提供使用户察觉到的延迟降到最小的一种适当的调制和编码方案(MCS)。为了检验这一点，图5-7表示了调制和编码方案MCS5～MCS7的数字比较。

借助图5-7，比较了在EGPRS中使用的调制和编码方案MCS-5，MCS-6和MCS-7。图5中，信道的信噪比为12dB。在这些条件下，可观察到MCS-5产生低于MCS-7的延迟(即，优先更坚固的MCS-5编码)。当信道信噪比条件改善(如图中所示)时，使用MCS-5(更坚固的编码)的优点降低。借助图5-7，对于移动无线通信来说，在使用更坚固的编码消除信道损失和使用不太坚固的编码增大传输速率之间的折衷变得更明显。对于18dB的信噪比来说，当分组大小大于10kbit时，在这三种编码方案中，MCS-6性能最好。在非常良好的信道条件(例如，如图6中所示的22dB的信噪比)下，当分组大小高于42kbit时，MCS-7提供最佳的延迟性能。

一般说来，当分组大小很小(大小约为BT)时，最坚固的编码方案(图5-7中，MCS-5)提供最佳的通信。随着分组大小的增加，产生在不同编码方案之间转换的交叉点。交叉点的位置取决于尾部延迟以及排流延迟。当分组大小足够大时，排流延迟成为主要因素，产生最低延迟的最佳调制和编码方案是实现最高长期通过量的那个调制和编码方案。从而，在如同以前的方法和系统选择的通行的信道条件下，调制和编码方案选择不能完全基于通过量上限。实际上，调制和编码方案的选择需要适合于诸如语音，FTP，远程通信，网页浏览之类正被使用的基础应用，以及信道条件，以便降低延迟。

系统的编码方案之间的交叉点适用于链路专用于单个用户，并且目的是使分组延迟降至最小的情况。对于目的是使信道通过量达到最大的共享信道来说，编码方案之间的交叉点将不同。由于分组传输由两个阶段：“排流阶段”和“尾部阶段”组成。在“排流”阶段中，分组大小以恒定的平均速率减小。在“尾部”阶段中，分组大小以降低的速率减小，因为在每个往返中，不存在足以填充传输间隔的块。如果存在统计共享一个共用信道的多个用户，一个用户的空时隙可由另一用户填满。当系统负载较高时，共用信道决不会空闲。则多个用户的系统使每个用户在他或她的信道共用期内，以峰值速率排流他或她的数据分组。在这种情况下，调制和编码方案应被选择为使“排流速率”达到最大，即具有较大的长期通过量的调制和编码方案。本发明的方法和设备将有助于指导在系统负载较轻，或者用户不能共用信道的情况下，选择适当的调制和编码方案。

从而，现在应明白这里已公开了一种未知并且不直观的通过增大一段数据分组的编码坚固性，降低系统延迟的方法和设备。虽然已参考本发明的优选实施例具体举例说明了本发明，但是本领域的技术人员明白在其中可做出形式，细节和应用方面的有限变化。因此，附加的权利要求意图覆盖不脱离本发明精神和范围的所有这种形式，细节和应用方面的改变。

Claims (19)

1.一种降低数据传送的延迟时间的方法，所述方法包括下述步骤：

保存要通过链路传输的至少一个数据分组；

在第一级调制和编码方案下，传输该数据分组的第一段；

在更坚固的第二级调制和编码方案下，传送该数据分组的第二段。

2.一种降低数据传送的延迟时间的设备，所述设备包括：

保存要通过链路传输的至少一个数据分组的缓冲器；

在第一级调制和编码方案下，对该数据分组的第一段进行调制和编码的调制编码器；

所述调制编码器在更坚固的第二级调制和编码方案下，对该数据分组的第二段进行调制和编码；

以及传输所述第一段数据分组和第二段数据分组的发射器。

3.一种通过通信信道，发送可变长度用户数据分组的数据通信系统，包括：

分割每个数据分组，以便在通信信道上传输的装置；

使用链路自适应性来选择传输各个数据段的不同调制和编码方案的装置；

根据信道质量及分组延迟性能目标，选择传输各个数据分组的调制和编码方案的装置。

4.按照权利要求3所述的系统，其中每个分组的大小已知，并且选择MCS以便降低每个分组的预期延迟。

5.按照权利要求4所述的系统，其中对于x％的数据分组选择MCS，以便降低每个分组的延迟，这里，x取决于所需的服务质量。

6.按照权利要求4所述的系统，其中为较低的μ+aσ值选择MCS，μ表示每个分组的预期延迟，σ表示延迟的标准偏差，并且根据所需的服务质量，选择a＞0。

7.按照权利要求3所述的系统，其中MCS还基于信道的往返延迟时间。

8.按照权利要求3所述的系统，其中MCS还基于典型的分组大小，而不是基于实际的分组大小。

9.按照权利要求8所述的系统，其中为每个分组较低的预期延迟选择MCS。

10.按照权利要求3所述的系统，其中根据用户数据的缓冲器待办事项，以及传输剩余数据的预期延迟，确定MCS。

11.按照权利要求10所述的系统，其中当缓冲器待办事项大于x时，选择一个MCS，并且当缓冲器待办事项小于y时，选择另一MCS。

12.按照权利要求3所述的系统，其中根据每个分组的用户数据的缓冲器待办事项，以及传输每个分组的较低的预期延迟来确定MCS。

13.按照权利要求12所述的系统，其中当缓冲器待办事项大于x时，选择一个MCS，并且当缓冲器待办事项小于y时，选择另一MCS。

14.按照权利要求13所述的系统，其中x等于y。

15.按照权利要求13所述的系统，其中确定x，以致产生较低的预期延迟的MCS还产生最高的预期通过量。

16.一种通过通信信道，借助可变长度用户数据分组实现数据通信的方法，包括下述步骤：

分割每个数据分组，以便在通信信道上传输；

按照链链路自适应性，从传输各个数据段的多个调制和编码方案中，确定一个调制和编码方案；

17.按照权利要求16所述的方法，其中传输各段数据分组的调制和编码方案的所述确定以信道质量和分组延迟性能为基础。

18.按照权利要求16所述的方法，其中传输各段数据分组的调制和编码方案的所述确定以信道质量为基础。

19.按照权利要求16所述的方法，其中传输各段数据分组的调制和编码方案的所述链路自适应选择以分组延迟性能为基础。

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