CN1913563A - 一种数字广播网和宽带无线接入网的融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于宽带无线多媒体技术领域，其特征在于，对于帧长可变的时域全动态和时域分级动态模式而言，使用含有广播时段估计长度的令牌和广播时段与接入网数据时段间的保护间隔来控制广播时段长度，采用含有数据时段长度估计信息的令牌和数据时段与广播时段间的保护间隔来控制数据时段长度；在时域分级动态模式中，用相同的间隔来划分广播时段和数据时段，其结束时刻都取在实际结束时刻之后的第一个整数间隔点上；同时还指出了帧长固定，但广播时段和数据时段动态变化的工作模式，数据时段长度取决于帧长和广播时段的估计长度。本发明解决了基站同步问题，令牌不占用无线资源，延时小、可靠性高，同时支持PMP和Mesh网络结构等优点。

Description

一种数字广播网和宽带无线接入网的融合方法

技术领域

本发明属于宽带无线多媒体通信网络领域，尤其涉及数字音/视频广播网和宽带无线接入网的融合技术。

背景技术

我国“十一·五”规划明确指出：“加强宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等信息基础设施建设，推进‘三网融合’”。未来数字音/视频广播网与宽带无线接入网的融合则是“三网融合”的必然结果。然而，目前并没有任何具体的技术手段来实现这种融合。

目前，数字音/视频广播网主要基于欧洲ETSI的DVB系列标准，宽带无线接入网则主要基于美国电子与电气工程师学会提出的IEEE 802.16系列标准。可以预期，未来的终端应该是一种既能接收数字音/视频广播又能实现宽带无线网络接入的通用多媒体终端，因此需要有一种技术实现这两种网络的融合或者提出一种新的技术来取代这两种网络。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种数字广播网和宽带无线接入网的融合方法。

本发明的特征之一在于，这是一种时段和帧长在全时域动态变化的融合方法，所述方法依次含有以下步骤：

步骤(1)，初始化

使数字广播网和宽带无线接入网都在目前划分给广播电视的频段内采用时分全频域复用的方式工作，但数字广播网采用大区覆盖方式，宽带无线接入网采用蜂窝小区方式共同覆盖同一地区，大区天线提供下行数字音/视频广播业务，小区则完成上/下行数据传输且工作在时分双工或频分双工模式，在这一体系结构内，广播基站和宽带无线接入基站间用有线链路连接，广播基站和宽带无线接入基站间用令牌交互信令信息，广播基站向终端发送或宽带无线接入基站和终端之间用消息传输信令信息；

所述方法采用的一个数据帧按时段先后依次包括：

Δ_B，数字音/视频广播时段的实际长度，T_B≥Δ_B≥t_B，所述T_B是数字广播时段的最大长度，t_B≥0，用于和终端之间无线链路上的信令传输，在该t_B时段的开始处，广播基站向各个终端发送至少包含广播时段长度在内的广播时段长度消息；

Δ_G ⁽¹⁾，保护间隔，是广播时段和宽带无线接入网的数据时段间的保护间隔， ${\mathrm{\Δ}}_G^{\left(1\right)}\≥0,$ 宽带无线接入基站令牌回复完成以及广播基站进行数据时段长度计算和发送的完成时刻不能超过上述保护间隔的结束时刻，上述处理过程的开始时刻由处理过程的长度确定；

Δ_W，宽带无线接入网数据时段的实际长度， ${\mathrm{\Δ}}_W=\underset{1\≤k\≤K}{\max }\left\{{\mathrm{\Δ}}_W^{\left(k\right)}\right\}\≥0,$ 其中Δ_W ^(k)为第k个宽带无线接入基站的数据时段的估计长度，即 $T_W^{\left(k\right)}\≥{\mathrm{\Δ}}_W^{\left(k\right)}\≥t_W^{\left(k\right)},$ 其中k＝1，2，…，K，K为数字广播基站所控制的宽带无线接入基站的数目；

t_W，各宽带无线接入基站的数据时段的最小长度 $t_W^{\left(k\right)}\≥0,$ $t_W=\underset{1\≤k\≤K}{\max }\left\{t_W^{\left(t\right)}\right\}\≥0,$ 该t_W用于向终端进行信令的广播，在t_W的开始处，由宽带无线接入基站向各终端发送至少包含数据时段长度在内的数据时段长度消息；

T_W，各宽带无线接入基站的数据时段的最大长度 $T_W^{\left(k\right)}\≥{\mathrm{\Δ}}_W^{\left(k\right)},$ 其中有 $T_W=\underset{1\≤k\≤K}{\max }\left\{T_W^{\left(k\right)}\right\}\≥{\mathrm{\Δ}}_W,$ 该T_W规定了各个宽带无线接入基站数据时段的最大运行长度；

Δ_G ⁽²⁾，保护间隔，是宽带无线接入网的数据时段和广播时段间的保护间隔，且有 $0\≤{\mathrm{\Δ}}_G^{\left(2\right)}\≤{\mathrm{\Δ}}_G^{\left(1\right)},$ 含有广播时段长度信息的令牌向各宽带无线接入基站发送的完成时刻不能超过该保护间隔的结束时刻，上述处理过程的开始时刻由处理过程的长度确定；

步骤(2)，所述融合方法在广播基站和宽带无线接入基站间按以下步骤实现：

步骤(2.1)，广播时段开始后，在进行数字音/视频广播传输的同时，广播基站通过有线链路向各宽带无线接入基站发送广播时段长度令牌，该令牌至少含有广播时段长度估计信息在内的时间信息，其格式如表1所示，同时，广播基站通过无线链路向各终端发送至少含有广播时段长度估计信息在内的广播时段长度消息，其格式如表2所示；

                  表1广播时段长度令牌格式

语法	大小	说明
			BTL_Token_Format(){
令牌类型＝1	8bits
			令牌连接标识号	16bits	用来唯一标识广播基站和无线接入基站间的令牌连接
广播基站标识号	16bits	用来唯一标识广播基站

BTL_Token计数器	8bits	发送该令牌的个数计数
			BTL_Token时间戳	32bits	该令牌的发送时刻
BTL_Token有效期	32bits	该令牌的有效时间长度
			广播时段长度信息	32bits	网络广播时段的时间长度
}

              表2广播时段长度消息格式

语法	大小	说明
			BTL_Message_Format(){
管理消息类型＝1	8bits
			广播基站标识号	16bits	用来唯一标识广播基站
BTL_Message计数器	8bits	发送该消息的个数计数
			BTL_Message时间戳	32bits	该消息的发送时刻
BTL_Message有效期	32bits	该消息的有效时间长度
			广播时段长度信息域	32bits	网络广播时段的时间长度
}

步骤(2.2)，各宽带无线接入基站收到步骤(2.1)所述的广播时段长度令牌，从中获得广播时段结束时刻即数据时段的开始时刻，然后在广播时段和数据时段之间的保护间隔之前的特定时刻通过有线链路向广播基站发送广播时段长度回复令牌，该令牌至少包含有该宽带无线接入基站数据时段的时间长度估计在内的时间信息，其格式如表3所示；在数据时段开始时，通过无线链路向各个终端发送数据时段长度消息，该消息至少包含数据时段的时间长度在内的时间信息，其格式如表4所示，在完成信令交互后，各宽带无线接入基站立即进行本小区的上/下行数据传输，所述广播时段的结束时刻等于上一传输周期数据的结束时刻、广播时段的估计时间长度以及广播时段和数据时段间的保护间隔三者之和；

     表3广播时段长度回复令牌格式

语法	大小	说明
			BTLACK_Token_Format(){
令牌类型＝2	8bits

令牌连接标识号	16bits	用来唯一标识广播基站和无线接入基站间的令牌连接
			无线接入基站标识号	32bits	用来唯一标识宽带无线接入基站
BTLACK_Token计数器	8bits	数值与广播时段长度令牌的相应域相同
			BTLACK_Token时间戳	32bits	该令牌的发送时刻
BTLACK_Token有效期	32bits	数值与广播时段长度令牌的相应域相同
			局部数据时段长度信息域	32bits	本无线接入基站数据时段的时间长度
}

                   表4数据时段长度消息格式

语法	大小	说明
			DTL_Message_Format(){
管理消息类型＝2	8bits
			管理连接标识号	16bits	用来唯一标识无线接入基站和终端的管理连接
无线接入基站标识号	32bits	用来唯一标识无线接入基站
			DTL_Message计数器	8bits	发送该消息的个数计数
DTL_Message时间戳	32bits	该消息的发送时刻
			DTL_Message有效期	32bits	该消息的有效时间长度
数据时段长度信息域	32bits	网络数据时段的时间长度
			}

步骤(2.3)，广播基站在收到所有K个宽带无线接入基站的广播时段长度回复令牌之后，向各所述接入基站发送数据时段长度令牌，该令牌至少包含有包括数据时段长度在内的时间信息，如表5所示，而下一广播时段的开始时刻等于根据K个基站中数据时段最长的那个接入基站计算出的数据时段结束时刻，该结束时刻等于广播时段的结束时刻、数据时段最大估计长度以及数据时段和广播时段间的保护间隔三者之和；

表5数据时段长度令牌格式

语法

大小

说明

DTL_Token_Format(){
			令牌类型＝3	8bits
令牌连接标识号	16bits	用来唯一标识广播基站和无线接入基站间的令牌连接
			广播基站标识号	16bits	用来唯一标识广播基站
DTL_Token计数器	8bits	发送该令牌的个数计数
			DTL_Token时间戳	32bits	该令牌的发送时刻
DTL_Token有效期	32bits	该令牌的有效时间长度
			数据时段长度信息域	32bits	网络数据时段的时间长度
}

步骤(2.4)，各宽带无线接入基站收到步骤(2.3)所述的数据时段长度令牌后，继续进行上/下行数据传输直到步骤(2.3)规定的下一个广播基站广播时段开始时刻的到来，然后进入下一个传输周期。

本发明的特征之二在于，对于时段和帧长在全时域分级动态变化时，所述广播时段长度令牌、广播时段长度回复令牌以及数据时段长度令牌所计算的时间都是以量化间隔S为单位，所述广播时段的长度估计信息、数据时段的长度估计信息都是时间间隔S的整数倍；

对于广播基站：当估计的广播时段结束时刻落在区间[t_B+(n-1)·S，t_B+n·S)时，广播基站的广播时段结束时刻为t_B+n·S，其中n∈{1，2，…，N_B}，N_B为广播时段[0，T_B)所划分的子时段的个数，即T_B＝S·N_B，T_B为数字广播时段的最大长度，T_B＞Δ_B，Δ_B为数字广播时段的实际长度，Δ_B≥T_B，t_B为数字广播时段的最小长度，t_B≥0，所述T_B、Δ_B、t_B的计量单位都是S；

对于宽带无线接入基站而言：当估计的数据时段结束时刻落在区间[t_W ^(k)+(n-1)·S，t_W ^(k)+n·S)内时，宽带无线接入基站的数据时段结束时刻为t_W ^(k)+n·S，其中 $n\∈\{\mathrm{1,2},...,N_W^{\left(k\right)}\},$ N_w ^(k)为宽带无线接入基站k的数据时段[0，T_W ^(k))所划分的子时段个数，即 $T_W^{\left(k\right)}=S\·N_W^{\left(k\right)},$ T_w ^(k)为宽带无线接入基站k的数据时段的最大长度 $T_W^{\left(k\right)}\≥{\mathrm{\Δ}}_W^{\left(k\right)},$ Δ_w ^(k)为所述数据时段的估计长度， ${\mathrm{\Δ}}_W^{\left(k\right)}\≥t_W^{\left(k\right)},$ t_W ^(k)为所述数据时段的最小长度， $t_W^{\left(k\right)}\≥0,$ 所述T_W ^(k)、Δ_W ^(k)、t_W ^(k)的计量单位都为时间间隔S。

本发明的特征之三在于，所述广播时段的长度和所述接入网数据时段的长度是动态可调的，但所述两个时段的长度总和即帧长度是固定的，所述令牌只有一个广播时段长度令牌，所述广播时段的结束时刻等于上一传输周期数据时段的结束时刻、广播时段长度以及广播时段和数据时段间的保护间隔三者之和；所述数据时段的结束时刻等于上一传输周期数据时段的结束时刻和固定的帧长之和，其长度为固定的帧长度减去广播时段估计长度、广播时段和数据时段间的保护间隔以及数据时段和广播时段间的保护间隔；同时，只需在广播时段开始时刻向各终端发送一条广播时段长度信息。

本发明提出了一种网络架构及其基本工作方式，目的是实现数字音/视频广播网与宽带无线接入网的彻底融合。该融合方案既可以将现有的DVB系列标准和IEEE 802.16系列标准嵌入进来，也可以作为一种全新的体系结构独立使用，具有很高的灵活性。

本发明考虑基于PMP(点到多点)拓扑结构和Mesh拓扑结构的两种网络体系架构。

本发明具有以下几个特点：完全解决了基站间的同步问题；无需附加任何算法就能实现动态时段分配和动态帧长分配，效率更高；令牌通过有线链路传输，不占用无线资源，延时小、可靠性高；支持基于PMP的网络体系架构和基于Mesh的网络体系架构；系统复杂度低，实现简单，且具有很强的扩展性。

附图说明

图1基于PMP拓扑结构的网络体系架构：

1.广播基站，     2.无线接入基站；

图2双工方式与时段划分示意图：

(a)时分双工TDD，

(b)频分双工FDD方式1，

(c)频分双工FDD方式2；

图3基于Mesh拓扑结构的网络架构；

图4时域全动态模式的程序流程图：

(a)数字广播基站工作流程，

(b)宽带无线接入基站工作流程；

图5帧结构图；

图6接入网数据时段的构成；

图7固定帧长简化方法的程序流程图：

(a)数字广播基站工作流程，

(b)宽带无线接入基站工作流程；

图8固定帧长方法的帧结构图；

图9各个时段的时间长度：

(a)数字广播时段的时间长度，

(b)数字广播时段的平均时间长度，

(c)宽带无线接入时段的时间长度，

(d)宽带无线接入时段的平均时间长度；

图10基站内的分组队列长度：

(a)数字广播基站内的分组队列长度，

(b)数字广播基站内的平均分组队列长度，

(c)宽带无线接入基站1内分组队列长度，

(d)宽带无线接入基站1内平均分组队列长度，

(e)宽带无线接入基站2内分组队列长度，

(f)宽带无线接入基站2内平均分组队列长度，

(g)宽带无线接入基站3内分组队列长度，

(h)宽带无线接入基站3内平均分组队列长度，

(i)宽带无线接入基站4内分组队列长度，

(j)宽带无线接入基站4内平均分组队列长度，

(k)宽带无线接入基站5内分组队列长度，

(l)宽带无线接入基站5内平均分组队列长度；

图11基站到终端下行链路的端到端延时：

(a)数字广播基站到终端的端到端延时，

(b)数字广播基站到终端的平均端到端延时，

(c)宽带无线接入基站1到终端的端到端延时，

(d)宽带无线接入基站1到终端的平均端到端延时，

(e)宽带无线接入基站2到终端的端到端延时，

(f)宽带无线接入基站2到终端的平均端到端延时，

(g)宽带无线接入基站3到终端的端到端延时，

(h)宽带无线接入基站3到终端的平均端到端延时，

(i)宽带无线接入基站4到终端的端到端延时，

(j)宽带无线接入基站4到终端的平均端到端延时，

(k)宽带无线接入基站5到终端的端到端延时，

(l)宽带无线接入基站5到终端的平均端到端延时；

图12下行无线链路的利用率：

(a)数字广播基站的下行无线链路利用率，

(b)数字广播基站的下行无线链路平均利用率，

(c)宽带无线接入基站1下行无线链路利用率，

(d)宽带无线接入基站1下行无线链路平均利用率，

(e)宽带无线接入基站2下行无线链路利用率，

(f)宽带无线接入基站2下行无线链路平均利用率，

(g)宽带无线接入基站3下行无线链路利用率，

(h)宽带无线接入基站3下行无线链路平均利用率，

(i)宽带无线接入基站4下行无线链路利用率，

(j)宽带无线接入基站4下行无线链路平均利用率，

(k)宽带无线接入基站5下行无线链路利用率，

(l)宽带无线接入基站5下行无线链路平均利用率；

图13有线链路的利用率。

(a)基站间有线链路的利用率，

(b)基站间有线链路的平均利用率。

具体实现方法

基于PMP拓扑结构的网络体系架构如图1所示。图中虚线六边形为小区环，大的实线六边形为数字音/视频广播基站的覆盖范围。

这种体系架构的基本思路是：数字音/视频广播网和宽带无线接入网分别采用大区和蜂窝小区方式重叠覆盖同一地区，两个网络采用时分的全频域复用方式。在这一体系结构中，基站之间通过有线链路连接，数字音/视频广播基站还将起到中心控制作用，它负责协调其所覆盖范围内的各个宽带无线接入基站的工作，并且支持按照业务量动态分配广播、接入时段长度和帧长度。

数字音/视频广播网利用大功率发射天线进行大区覆盖，其覆盖半径在30～50km范围。大区天线工作在目前划分给广播电视使用的频段，并且只提供下行数字音/视频广播业务，无上行反馈通路。可以看出，欧洲提出的DVB系列数字视频广播标准以及我国自行研制的DMB等标准都可以方便的嵌入到这一系统中。

宽带无线接入网使用小功率天线进行基于PMP的蜂窝小区覆盖，小区半径在2～6km范围。小区上/下行可工作在时分双工(TDD)或频分双工(FDD)模式。在TDD方式中，数据上/下行传输也使用目前划分给广播电视的频段。FDD方式有两种，一种是数据上/下行传输都使用广播电视频段，但占用不同的频带；另一种是下行使用广播电视频段，而上行则使用划分给WiMAX的频段。

上述两种网络都使用了相同的频段覆盖同一地区，因此考虑使用时分方式工作，即一个数据帧将划分成数字音/视频广播时段和宽带无线接入数据时段，如图2所示。

Mesh网络是一种高速率、大容量、多点到多点的网络结构。Mesh网络中的每一个用户节点都是骨干网络的一部分，它们可以转发其它用户的信息，并且随着网络节点的增加，网络覆盖范围和灵活性也随之增加。和传统的PMP网络相比，Mesh网具有以下的主要特点：

●网络覆盖范围大，频谱利用率高，系统容量大；

●Mesh网络特有的多路由选择特性提高了网络的鲁棒性和可用性；

●网络具有可扩展性，初期投资费用低；

●节能、支持自动配置功能。

对于有广播基站大区覆盖的网络来说可以很好的支持Mesh网络。因为广播基站掌握着其所覆盖区域内所有无线接入基站的状态信息，无线接入基站则可通过测距获得已接入的用户节点的状态信息，并通过有线链路将此信息发布给广播基站。广播基站可在广播时段将相关信息广播出去，从而用户节点就获得了附近网络的状态信息。需要接入的用户节点就可以根据这些信息选择一条最合适的中继路径接入到网络中。

如图3所示，用户节点S1不在任何一个接入基站的覆盖范围内，但它可以通过相邻用户节点的中继接入到网络中。如图所示，S1有多条接入路径可供选择，但是根据从广播基站收到的网络状态信息，S1选择了一条经过S2和S3中继的接入路径，如图中实线所示。由于S1获得了临近网络的状态信息，所以最优接入路径算法的选择就很灵活了，例如可以考虑信号强度最大、接入路径的可用带宽最大、接入路径的QoS保障能力最大、接入路径的效费比最高等等。因此这种大小基站联合覆盖的网络架构能够很好的支持Mesh网络，具有很大的灵活性。

本发明使用基于令牌控制的融合方案。该方案分成两种工作模式，即时域全动态模式和时域分级动态模式。我们这里需要注意令牌和消息的定义：

●令牌(Token)：广播基站和宽带无线接入基站之间交互的信令信息；

●消息(Message)：广播基站向终端发送或宽带无线接入基站和终端交互的信令信息。

数字广播基站负责管理一个传输令牌，该令牌中包含有时间信息。广播时段开始后，在进行数字音/视频广播传输的同时，广播基站将该时段长度估计信息写入令牌并通过有线链路发送到由其管理的所有接入基站。不妨称该令牌为广播时段长度令牌(BTL_Token)。接入基站获得令牌后即可知道数据时段的开始时刻，然后在广播时段结束前的特定时刻，接入基站向广播基站发送广播时段长度回复令牌(BTLACK_Token)，并在该令牌中写入数据时段长度的估计信息。这里的特定时刻是要保证基站间交互处理的完成时刻不能超过数据时段的开始时刻。随后在数据时段开始时，接入基站即可进行本小区内的上/下行数据传输。当广播基站收到所有接入基站回复的令牌后，它从中选择最长的数据时段估计时间并据此计算下一广播时段的开始时刻，然后立即向所有接入基站广播这一信息。该信息以数据时段长度令牌(DTL_Token)为载体发送。收到该信息后，各个接入基站继续进行上/下行数据传输直到规定的下一个基站广播时段开始时刻的到来，然后进入下一个传输周期。注意这里写入令牌的时间是估计的时段长度和相应门限值中的较小者。这一过程可用图4表示。

广播时段长度令牌(BTL_Token)、广播时段长度回复令牌(BTLACK_Token)和数据时段长度令牌(DTL_Token)的格式分别如表1、表2和表3所示。

值得注意的是这里需要某种算法来估计下一时段的长度。我们以数字广播基站为例予以说明。如果采用有门限的服务(Gated Service)策略，广播时段长度就等于上一广播时段剩余的业务和在上一数据时段内到达业务的总和与规定门限值中之较小者，该广播时段内到达的业务将延迟到下一广播时段处理。如果采用无门限的服务(non-Gated Service)策略，可以根据到达业务量的历史数据并利用预测算法来估计本次广播时段的业务量，从而计算出本广播时段的长度。对于其它的服务策略，也可采用相应的预测估计算法。广播基站应按下面的公式计算关键时间点：

          广播时段的结束时刻＝上一传输周期数据时段的结束时刻

                             +广播时段长度

                             +广播时段和数据时段间的保护间隔，

          数据时段的结束时刻＝广播时段的结束时刻+数据时段长度

                             +数据时段和广播时段间的保护间隔，

宽带无线接入基站和终端设备也应按照上面的公式计算关键时间点。

这种控制机制完全不同于传统的时分工作方式。它具有可变的帧长度和完全根据业务量进行分配的时段长度，具有极好的适应性。为了清楚的表示一个数据帧的结构，我们引入下列符号：

K：数字广播基站所控制的宽带无线接入基站数目；

t_B：数字广播时段的最小长度，即t_B≥0；

Δ_B：数字广播时段的实际长度，即Δ_B≥t_B；

T_B：数字广播时段的最大长度，即T_R≥Δ_B；

t_W ^(k)：接入基站k的数据时段的最小长度，即 $t_W^{\left(k\right)}\≥0,$ 其中k＝1，2，…，K；

Δ_W ^(k)：接入基站k的数据时段的估计长度，即 ${\mathrm{\Δ}}_W^{\left(k\right)}\≥t_W^{\left(k\right)},$ 其中k＝1，2，…，K；

T_W ^(k)：接入基站k的数据时段的最大长度，即 $T_W^{\left(k\right)}\≥{\mathrm{\Δ}}_W^{\left(k\right)},$ 其中k＝1，2，…，K；

t_W：数据时段最小长度的最大值，即 $t_W=\underset{1\≤k\≤K}{\max }\left\{t_W^{\left(k\right)}\right\}\≥0;$

Δ_W：数据时段的实际长度，即 ${\mathrm{\Δ}}_W=\underset{1\≤k\≤K}{\max }\left\{{\mathrm{\Δ}}_W^{\left(k\right)}\right\}\≥0;$

T_W：数据时段的最大长度，即 $T_W=\underset{1\≤k\≤K}{\max }\left\{T_W^{\left(k\right)}\right\}\≥{\mathrm{\Δ}}_W;$

Δ_G ⁽¹⁾：广播时段和接入网数据时段间的保护间隔，即 ${\mathrm{\Δ}}_G^{\left(1\right)}\≥0.$

Δ_G ⁽²⁾：接入网数据时段和广播时段间的保护间隔，即 $0\≤{\mathrm{\Δ}}_G^{\left(2\right)}\≤{\mathrm{\Δ}}_G^{\left(1\right)}.$

从而，一个数据帧可表示为图5，接入网数据时段的构成如图6所示。

注意，图5中上一传输周期内的时间段Δ_G ⁽²⁾应尽量保证含有广播时段长度信息的令牌发送完成，如不能保证应适当提前处理；而t_R用于和终端之间无线链路上的信令传输。时间段Δ_G ⁽¹⁾应尽量保证接入基站令牌回复完成以及广播基站对数据时段长度信息计算和发送完成。如果不能保证，那么可以将处理时间适当提前但必须在接入网数据时段开始时刻之前处理完成。t_W用于向接入用户进行信令广播。由于数字广播基站的覆盖范围远大于接入基站的覆盖范围，因此广播时段和后续接入网数据时段之间的保护间隔要大于接入网时段和后续广播时段的保护间隔。图6中的接入网数据时段是本接入基站估计的数据时段长度，其后的虚线表示附加数据时段长度。当本接入基站估计的数据时段长度小于广播基站所确定的最优数据时段长度时，它就会根据从广播基站确定的数据时段结束时刻信息传输数据，因此会有附加的接入时段产生。可以看出，数据帧中广播时段、接入网下行数据时段和数据帧的总长度都是完全动态变化的。

由于整个帧长度和时段长度是完全动态变化的，为了保证网络通信的正常进行，我们必须增加两条MAC消息。

第一条MAC消息在广播时段内t_B时间段的开始处，该消息主要用来通知各个终端本广播时段的长度。我们不妨称之广播时段长度消息(BTL_Message)。第二条消息位于接入网数据时段内t_W时间段的开始处，该消息用来通知终端此次接入网数据时段的长度。我们不妨称之为数据时段长度消息(DTL_Message)。如图5中阴影部分所示，相关的MAC消息格式分别如表4和表5所示。

对于一个已经完成入网操作的终端，如果该终端只是接收数字音/视频广播业务，那么它需要在广播时段开始时醒来接收广播时段长度消息和其它信令消息，然后接收广播时段数据信息。在接收完数据时段开始时的数据时段长度消息后再次进入休眠状态，直到广播时段的再次到来。如果该终端只进行接入网操作，那么他需要在数据时段开始时醒来接收数据时段长度消息和其它信令消息，然后完成终端的上/下行数据传输。这时它可以选择休眠并等到广播时段开始时刻再醒来接收广播时段长度消息，然后终端再次进入休眠模式；或者也可以直接等到接收完广播时段长度消息后再进入休眠。这可以根据具体耗电量的大小进行合理选择。对于既接收广播数据也进行接入网上/下行传输的终端来说，休眠模式是上述两种情况的综合。

考虑到时段和帧长在全时域动态变化会给移动接收带来较大的困难。我们提出一个折中方案——时域分级动态模式，即将动态范围划分成若干等级。这种模式的基本工作过程和时域全动态模式相同。为描述方便，引入如下记号：

S：按间隔S统一划分广播时段和数据时段长度；

N_B：广播时段[0，T_B)所划分的子时段个数，即T_B＝S·N_B；

N_W ^(k)：接入基站k的数据时段[0，T_W ^(k))所划分成的子时段个数，即 $T_W^{\left(k\right)}=S\·N_W^{\left(k\right)},$ 其中k＝1，2，…，K；

对于广播基站，如果估计的广播时段结束时刻在区间[t_B+(n-1)·S，t_B+n·S)内(其中n∈{1，2，…，N_B})，那么广播基站在令牌中写入的广播时段长度为t_B+n·S，然后广播令牌给所控制的无线接入基站。类似地，对于无线接入基站k，如果估计的数据时段结束时刻落在区间[t_W ^(k)+(n-1)·S，t_W ^(k)+n·S)内(其中 $n\∈\{\mathrm{1,2},...,N_W^{\left(k\right)}\}$ )，那么无线接入基站k将在回复令牌中写入的数据时段长度为t_W ^(k)+n·S，然后将回复令牌发送给广播基站。注意，此时的t_B和t_W ^(k)也应以量化间隔S为单位。广播基站则根据回复令牌中的信息计算最优数据时段长度，这时的计算结果也应该是以S为单位的量化值。因此，广播时段长度令牌(BTL_Token)、广播时段长度回复令牌(BTLACK_Token)和数据时段长度令牌(DTL_Token)格式同时域全动态模式的格式完全相同，关键时间点的计算也相同。具体的工作流程与图4完全相同，只是计算的时间都以量化间隔S为单位。

与全时域动态模式相比，该方案在性能上有所损失，但比起固定时段分配方案的效率还会有很大的提高，同时也便于移动终端接收信号。

时域分级动态模式的帧格式和时域全动态模式的帧格式并没有本质区别，仍可用图5表示。唯一的不同在于广播时段长度Δ_B和无线接入下行数据时段长度Δ_W应为子时段长度S的整数倍。

这种工作模式所需的MAC消息和终端的工作方式与时域全动态模式完全相同，只是传递的消息不再是实际的时段长度，而是时段长度的量化编码信息。因此，广播时段长度消息(BTL_Message)和数据时段长度消息(DTL_Message)格式同时域全动态模式的格式完全相同。

考虑到目前系统的技术特点，固定帧长的帧格式便于系统实现。因此，我们考虑广播时段长度和接入网数据时段的长度是动态可调的，但这两个时段长度的总和固定的简化方案。和前面讨论的工作模式相比，固定帧长方案不需要接入基站回复令牌，也不需要广播基站确定数据时段的长度。具体工作流程是：在广播时段开始时，广播基站通过有线链路向无线接入基站发送令牌，该令牌内含有本次广播时段的长度信息。这样无线接入基站就能确知广播时段的长度、接入网数据的开始时刻及结束时刻。广播基站的广播数据发送是同时进行的，当到达预定的发送结束时刻时，广播基站停止广播数据。保护间隔结束后，接入基站开始与用户终端进行数据时段通信，当通信时间达到固定的帧长度时，数据时段结束。注意这里写入令牌的时段长度是广播时段长度的估计值和相应门限值中的较小者。该过程可用图7表示。

该方案只需要一个广播时段长度令牌(BTL_Token)，而且令牌格式与前面时域全动态模式中讨论的完全相同。此外，固定帧长的简化方案既可以工作在时域全动态模式也可以工作在时域分级动态模式。各个关键时间点的计算应按照下面的公式进行：

            广播时段的结束时刻＝上一传输周期数据时段的结束时刻

                               +广播时段长度

                               +广播时段和数据时段间的保护间隔，

            数据时段的结束时刻＝上一传输周期数据时段的结束时刻

                               +固定的帧长度，

            数据时段的长度＝固定的帧长度-广播时段长度

                           -广播时段和数据时段间的保护间隔

                           -数据时段和广播时段间的保护间隔，

与前述令牌控制机制不同，该方案进行了简化，它具有固定的帧长度，但却完全根据业务量进行时段长度的分配，具有一定的适应性。它简化了令牌和相关消息的传输和处理过程。为描述方便，引入如下记号：

L：固定的帧长度。

其它记号的含义与时域全动态模式完全相同。帧格式如图8所示，注意图中的阴影部分表示向用户终端传输广播时段长度信令。

这种工作模式只需要增加一条MAC消息，即在广播时段开始时向终端用户发送此次广播时段的长度信息。我们也称之为广播时段长度消息(BTL_Message)，该消息的格式与前面时域全动态模式中讨论的完全相同。

对于只接收音/视频广播业务的终端来说，它在广播时段开始时醒来接收广播时段长度消息并接收广播数据。业务接收完成后即可进入休眠状态，直到下次广播时段到来。对于只接收接入网数据业务的终端，它在接入网数据时段到来时醒来完成数据交互。这时它可以选择休眠并等到广播时段开始时刻再醒来接收广播时段长度消息，然后终端再次进入休眠模式；或者也可以直接等到接收完广播时段长度消息后再进入休眠。这可以根据具体耗电量的大小进行合理选择。对于既接收广播数据也进行接入网上/下行传输的终端来说，休眠模式是上述两种情况的综合。

本发明具有以下几个特点：完全解决了基站间的同步问题；无需附加任何算法就能实现动态时段分配和动态帧长分配，效率更高；令牌通过有线链路传输，不占用无线资源，延时小、可靠性高；支持基于PMP的网络体系架构和基于Mesh的网络体系架构；系统复杂度低，实现简单，且具有很强的扩展性。

为了更好的说明本发明，我们从网络演进的角度来具体描述本融合方案的部署实施。

首先来看从数字音/视频广播网向本发明的演进。网络建设初期，运营商在已有数字音/视频广播基站上安装附加模块以支持本发明所规定的广播基站的功能。这时，整个区域只由广播基站进行大区覆盖，多媒体终端可以通过该网络接收数字音/视频数据，但还不能实现宽带无线网络接入。随着用户对网络接入需求的不断增加，我们可以在一些热点地区部署宽带无线接入基站，并与数字广播基站用有线链路连接起来。这时，数字广播基站和宽带无线接入基站既可采用图4中描述的时域全动态模式或时域分级动态模式，也可以采用中图7描述的固定帧长简化方案。这样两类基站就可以在令牌的控制下协调工作，为覆盖区域内的终端提供数字音/视频广播业务和宽带无线接入业务。随着无线接入用户的不断增加和接入用户的移动性要求，运营商就需要部署更多的宽带无线接入基站。由于基于令牌控制的融合方案具有很好的可扩展性，所以接入基站的增加不会带来额外的处理开销。随着接入基站的不断增加，最终将形成如图1或图3(或两者的结合)所示的网络体系架构。

下面考虑从宽带无线接入网向本发明的演进。网络建设初期，整个区域由已建成的PMP或Mesh宽带无线接入基站所覆盖。运营商需要在这些基站上安装附加模块以支持本发明所规定的宽带无线接入基站的功能。这时，多媒体终端可以通过该网络接入到Internet中，并可享受音/视频点播(A/VoD)服务。随着用户对音/视频点播业务需求的不断增加，加之用户对于这类服务的需求具有趋同效应，这样就需要运营商建设数字音/视频广播基站进行大区覆盖。这时，宽带无线接入基站和数字广播基站既可采用图4中描述的时域全动态模式或时域分级动态模式，也可以采用中图7描述的固定帧长简化方案。两类基站就可以在令牌的控制下协调工作，为覆盖区域内的终端提供宽带无线接入业务和数字音/视频广播业务。最终将形成如图1或图3(或两者的结合)所示的网络体系架构。

最后讨论一下多媒体无线终端的实施方式。用于本发明的无线终端应该是基于软件无线电技术的终端设备，它提供一个高性能的通用平台并可以通过软件升级来增加终端设备功能或提高性能。在第一种演进方式中，为降低成本，初期的终端设备可以只提供移动数字音/视频广播接收功能，这样既降低了复杂度也便于推广使用。当网络开始提供宽带无线接入功能且用户有此需求时，它可以向设备厂商购买新的软件来升级自己的设备。从而使用户设备真正成为多媒体无线终端。对于从宽带无线接入网的演进，用户终端也应采用类似的方式实施。无论是哪种演进方式，在最终的网络中，多媒体无线终端必须接收和处理格式如图5所示的变长数据帧或图8所示的定长数据帧。

仿真结果

为了说明本发明的性能，我们对该网络融合方案进行了仿真，这里主要列出时域全动态模式的仿真结果，其余两种模式与此类似。在仿真中，我们选取如图1所示的拓扑结构，其中有1个数字广播基站和5个宽带无线接入基站。我们选取的下行无线链路带宽为5000bps，基站间有线链路带宽为10000bps。此外，几个重要的时间参数选择如下(单位：秒)：

●广播时段的最大长度为T_B＝1.5；

●宽带无线接入基站k(k＝1，2，3，4，5)的最大数据时段长度为 $T_W^{\left(k\right)}=3.5,$ 即T_W＝3.5；

●数据时段和广播时段之间的保护间隔与广播时段的最小长度之和为 ${\mathrm{\Δ}}_G^{\left(2\right)}+t_B=0.3;$

●广播时段和数据时段之间的保护间隔与宽带无线接入基站k(k＝1，2，3，4，5)的数据时段的最小长度之和均为 ${\mathrm{\Δ}}_G^{\left(1\right)}+t_W^{\left(k\right)}=0.7,$ 即 ${\mathrm{\Δ}}_G^{\left(1\right)}+t_W=0.7;$

由于本发明目前只是一个构想，还无法确知该网络上实际业务的统计特性，因此仿真时我们假设不同基站上的到达业务是Poisson过程，每个分组的长度也服从给定参数的负指数分布，具体参数参看表6。需要注意的是，这里所说的负指数分布的形式为：

$p\left(x\right)=e^{-\frac{1}{\mathrm{\λ}}x}$

即该分布的描述参数为均值λ。

                        表6仿真参数

基站类型	到达业务的时间间隔分布参数(单位：秒)	到达业务的分组长度分布参数(单位：比特)
			数字广播基站	0.5	500
宽带无线接入基站1	0.25	800
			宽带无线接入基站2	0.5	1000
宽带无线接入基站3	0.75	1200
			宽带无线接入基站4	1.0	1400
宽带无线接入基站5	1.25	1600

为了说明本发明的性能，我们选择了如下的统计量作为网络性能的衡量依据。它们分别是：广播时段和宽带无线接入时段长度、基站内的分组队列长度、端到端分组延时、无线链路利用率、有线链路利用率。具体仿真结果参见图9～13。

Claims (6)

1.一种数字广播网与宽带无线接入网的融合方法，其特征在于，这是一种时段和帧长在全时域动态变化的融合方法，所述方法依次含有以下步骤：

步骤(1)，初始化

使数字广播网和宽带无线接入网都在目前划分给广播电视的频段内采用时分全频域复用的方式工作，但数字广播网采用大区覆盖方式，宽带无线接入网采用蜂窝小区方式共同覆盖同一地区，大区天线提供下行数字音/视频广播业务，小区则完成上/下行数据传输且工作在时分双工或频分双工模式，在这一体系结构内，广播基站和宽带无线接入基站间用有线链路连接，广播基站和宽带无线接入基站间用令牌交互信令信息，广播基站向终端发送或宽带无线接入基站和终端之间用消息传输信令信息；

所述方法采用的一个数据帧按时段先后依次包括：

Δ_B，数字音/视频广播时段的实际长度，T_B≥Δ_B≥t_B，所述T_B是数字广播时段的最大长度，t_B≥0，用于和终端之间无线链路上的信令传输，在该t_B时段的开始处，广播基站向各个终端发送至少包含广播时段长度在内的广播时段长度消息；

Δ_G ⁽¹⁾，保护间隔，是广播时段和宽带无线接入网的数据时段间的保护间隔， ${\mathrm{\Δ}}_G^{\left(1\right)}\≥0,$ 宽带无线接入基站令牌回复完成以及广播基站进行数据时段长度计算和发送的完成时刻不能超过上述保护间隔的结束时刻，上述处理过程的开始时刻由处理过程的长度确定；

Δ_W，宽带无线接入网数据时段的实际长度， ${\mathrm{\Δ}}_W=\underset{1\≤k\≤K}{\max }\left\{{\mathrm{\Δ}}_W^{\left(k\right)}\right\}\≥0,$ 其中Δ_W ^(k)为第k个宽带无线接入基站的数据时段的估计长度，即 $T_W^{\left(k\right)}\≥{\mathrm{\Δ}}_W^{\left(k\right)}\≥t_W^{\left(k\right)},$ 其中k＝1，2，…，K，K为数字广播基站所控制的宽带无线接入基站的数目；

t_W，各宽带无线接入基站的数据时段的最小长度 $t_W^{\left(k\right)}\≥0,$ $t_W=\underset{1\≤k\≤K}{\max }\left\{t_W^{\left(k\right)}\right\}\≥0,$ 该t_W用于向终端进行信令的广播，在t_W的开始处，由宽带无线接入基站向各终端发送至少包含数据时段长度在内的数据时段长度消息；

T_W，各宽带无线接入基站的数据时段的最大长度 $T_W^{\left(k\right)}\≥{\mathrm{\Δ}}_W^{\left(k\right)},$ 其中有 $T_W=\underset{1\≤k\≤K}{\max }\left\{T_W^{\left(k\right)}\right\}\≥{\mathrm{\Δ}}_W,$ 该T_W规定了各个宽带无线接入基站数据时段最大运行长度；

Δ_G ⁽²⁾，保护间隔，是宽带无线接入网的数据时段和广播时段间的保护间隔，且有 $0\≤{\mathrm{\Δ}}_G^{\left(2\right)}\≤{\mathrm{\Δ}}_G^{\left(1\right)},$ 含有广播时段长度信息的令牌向各宽带无线接入基站发送的完成时刻不能超过该保护间隔的结束时刻，上述处理过程的开始时刻由处理过程的长度确定；

步骤(2)，所述融合方法在广播基站和宽带无线接入基站间按以下步骤实现：

步骤(2.1)，广播时段开始后，在进行数字音/视频广播传输的同时，广播基站通过有线链路向各宽带无线接入基站发送广播时段长度令牌，该令牌至少含有广播时段长度估计信息在内的时间信息，同时，广播基站通过无线链路向各终端发送至少含有广播时段长度估计信息在内的广播时段长度消息；

步骤(2.2)，各宽带无线接入基站收到步骤(2.1)所述的广播时段长度令牌，从中获得广播时段结束时刻即数据时段的开始时刻，然后在广播时段和数据时段之间的保护间隔之前的特定时刻通过有线链路向广播基站发送广播时段长度回复令牌，该令牌至少包含有该宽带无线接入基站数据时段的时间长度估计在内的时间信息；在数据时段开始时，通过无线链路向各个终端发送数据时段长度消息，该消息至少包含数据时段的时间长度在内的时间信息，在完成信令交互后，各宽带无线接入基站立即进行本小区的上/下行数据传输，所述广播时段的结束时刻等于上一传输周期数据时段的结束时刻、广播时段的估计时间长度以及广播时段和数据时段间的保护间隔三者之和；

步骤(2.3)，广播基站在收到所有K个宽带无线接入基站的广播时段长度回复令牌之后，向各所述接入基站发送数据时段长度令牌，该令牌至少包含有包括数据时段长度在内的时间信息，而下一广播时段的开始时刻等于根据K个基站中数据时段最长的那个接入基站计算出的数据时段结束时刻，该结束时刻等于广播时段的结束时刻、数据时段最大估计长度以及数据时段和广播时段间的保护间隔三者之和；

步骤(2.4)，各宽带无线接入基站收到步骤(2.3)所述的数据时段长度令牌后，继续进行上/下行数据传输直到步骤(2.3)规定的下一个广播基站广播时段开始时刻的到来，然后进入下一个传输周期。

2.根据权利要求1所述的一种数字广播网和宽带无线接入网的融合方法，其特征在于，对于时段和帧长在全时域分级动态变化时，所述广播时段长度令牌、广播时段长度回复令牌以及数据时段长度令牌所计算的时间都是以量化间隔S为单位，所述广播时段的长度估计信息、数据时段的长度估计信息都是时间间隔S的整数倍；

对于广播基站：当估计的广播时段结束时刻落在区间[t_B+(n-1)·S，t_B+n·S)时，广播基站的广播时段结束时刻为t_B+n·S，其中n∈{1，2，…，N_B}，N_B为广播时段[0，T_B)所划分的子时段的个数，即T_B＝S·N_B，T_B为数字广播时段的最大长度，T_B＞Δ_B，Δ_B为数字广播时段的实际长度，Δ_B≥t_B，t_B为数字广播时段的最小长度，t_B≥0，所述T_B、Δ_B、t_B的计量单位都是S；

对于宽带无线接入基站而言：当估计的数据时段结束时刻落在区间[t_W ^(k)+(n-1)·S，t_W ^(k)+n·S)内时，宽带无线接入基站的数据时段结束时刻为t_W ^(k)+n·S，其中 $n\∈\{\mathrm{1,2},\·\·\·,N_W^{\left(k\right)}\},$ N_W ^(k)为宽带无线接入基站k的数据时段[0，T_W ^(k))所划分的子时段个数，即 $T_W^{\left(k\right)}=S\·N_W^{\left(k\right)},T_W^{\left(k\right)}$ T_W ^(k)为宽带无线接入基站k的数据时段的最大长度， $T_W^{\left(k\right)}\≥{\mathrm{\Δ}}_W^{\left(k\right)},$ Δ_W ^(k)为所述数据时段的估计长度， ${\mathrm{\Δ}}_W^{\left(k\right)}\≥t_W^{\left(k\right)},$ t_W ^(k)为所述数据时段的最小长度， $t_W^{\left(k\right)}\≥0,$ 所述T_W ^(k)、Δ_W ^(k)、t_W ^(k)的计量单位都为时间间隔S。

3.根据权利要求1所述的一种数字广播网与宽带无线接入网的融合方法，其特征在于，所述广播时段的长度和所述接入网数据时段的长度是动态可调的，但所述两个时段的长度总和即帧长度是固定的，所述令牌只有一个广播时段长度令牌，所述广播时段的结束时刻等于上一传输周期数据时段的结束时刻、广播时段长度以及广播时段和数据时段间的保护间隔三者之和；所述数据时段的结束时刻等于上一传输周期数据时段的结束时刻和固定的帧长之和，其长度为固定的帧长度减去广播时段估计长度、广播时段和数据时段间的保护间隔以及数据时段和广播时段间的保护间隔；同时，只需在广播时段开始时刻向各终端发送一条广播时段长度信息。

4.根据权利要求1、或2、或3中任何一项权利要求所述的一种数字广播网和宽带无线接入网的融合方法，其特征在于，所述广播基站采用有门限的服务策略，所述广播时段长度估计信息等于上一广播时段剩余的业务和上一数据时段内到达业务的总和与规定的广播时段长度门限值相比较时的较小者。

5.根据权利要求1、或2中任何一项权利要求所述的一种数字广播网与宽带无线接入网的融合方法，其特征在于，所述接入基站采用有门限服务的策略，所述数据时段长度估计信息等于上一数据时段剩余的业务与在上一广播时段内到达的业务的总和与规定的数据时段长度门限值相比较时的较小者。

6.根据权利要求1、或2、或3中任何一项权利要求所述的一种数字广播网和宽带无线接入网的融合方法，其基本特征在于，所述融合后的网络支持PMP和Mesh网络。

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