CN1960318A - 应用于无线通信系统的业务流接纳控制的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于无线通信系统的业务流接纳控制的方法，包括如下步骤：测量MAC层业务流净荷吞吐量与PHY层slot占用率；收到接纳请求时，系统根据步骤A所测量的当前业务流MAC PDU净荷吞吐量和PHY层slot占用率估计系统等效带宽；系统估计已接纳和待接纳的业务流所需带宽；系统根据业务类型选取过载门限；根据当前系统负荷，对请求接纳的业务流做出接纳或拒绝的判断。本发明还提供了一种应用于无线通信系统的业务流接纳控制的系统，具体包括：位于基站的带宽测量模块、位于基站控制器的系统等效可用带宽估计单元、业务流需求带宽估计单元、接纳判决单元。本发明既能提供较为精确的QoS保证，又能保持较高的网络利用率。

Description

应用于无线通信系统的业务流接纳控制的方法及系统

技术领域

本发明涉及802.16无线通信系统，特别是涉及802.16无线通信系统中的业务流接纳控制的方法及系统。

背景技术

IEEE802.16协议的MAC层(Medium Access Control layer)具有严格的QoS(服务质量，Quality of Service)保证机制。每个业务流都附带有QoS属性，系统根据业务流的QoS为业务流分配带宽资源。接纳控制(Admission Control)，即根据当前的负载状态决定是否接纳新的业务流或现有业务流对资源的进一步需求，通过控制同一时刻网络服务的业务流的数量，来保证所有业务流的QoS要求总和不超过网络能够承载的上限，否则，就会导致已接入的业务流的QoS遭到破坏。

在过去的十年中，人们在接纳控制领域做了大量的研究工作。研究的主要目标是，找到既能提供较为精确的QoS保证，又能保持较高的网络利用率的接纳控制算法。但是，由于不同网络的物理层调制方式、带宽分配机制、应用场合等的不同，接纳控制算法也是千差万别。当前各基站控制器和交换机厂商普遍采用的是基于简单模型或固定门限的接纳控制算法，简单模型接纳控制算法的原理是假设业务流占用固定的带宽，当接入的业务流占用带宽超过系统容量时拒绝接纳新的带宽请求；固定门限的接纳控制算法的原理是定时测量当前系统负荷，当系统负荷超过固定门限时拒绝接纳新的带宽请求。这些接纳控制算法仅适用于业务类型单一或者没有严格QoS保证的网络，而面向宽带无线接入的802.16网络与其它网络的重要区别在于，它面向多种业务类型，并具有严格QoS保证的特点。因此，基于简单模型或固定门限的接纳控制算法已不能适应802.16网络。

发明内容

本发明的目的是提供一种802.16无线通信系统中的关于业务流接纳控制的方法及系统，能够动态的估计业务流净荷等效带宽，很好的满足多种业务类型，并具有严格QoS保证。

本发明提供了一种应用于无线通信系统的业务流接纳控制的方法，包括如下步骤：

A、测量MAC层业务流净荷吞吐量与PHY层(Physical layer，物理层)slot(时隙)占用率；

B、收到接纳请求时，系统根据步骤A所测量的当前业务流MAC PDU净荷吞吐量和PHY层slot占用率估计系统等效带宽；

C、系统估计已接纳和待接纳的业务流所需带宽；

D、系统根据业务类型选取过载门限；

E、根据当前系统负荷，接纳或拒绝业务流的请求。

所述步骤B中采用式-1估计系统等效带宽：

$\frac{R_{\mathrm{thruput}}}{R_{\mathrm{total}}}\≅\frac{{\mathrm{Slot}}_{\mathrm{use}}}{{\mathrm{Slot}}_{\mathrm{total}}}$ 式-1；

其中，R_total表示系统当前可传输业务流MAC PDU净荷的总的等效带宽，R_thruput表示当前业务流MAC PDU净荷吞吐量，Slot_use表示当前已被占用的时隙数，Slot_total表示系统总共的时隙数。

本发明还提供了一种应用于无线通信系统的业务流接纳控制的系统，具体包括：位于基站的带宽测量模块、位于基站控制器的系统等效可用带宽估计单元、业务流需求带宽估计单元、接纳判决单元；

所述的测量模块具体包括MAC PDU净荷流量测量单元和slot占用率测量单元，分别实时统计一段时间内MAC层业务流净荷吞吐量与PHY层slot占用率，并上报到系统等效可用带宽估计单元；所述系统等效可用带宽估计单元根据测量模块上报的数据估计系统等效业务流净荷可用带宽；所述业务流需求带宽估计单元根据业务流的QoS估计业务流所需的带宽；所述接纳判决单元根据业务类型选取过载门限，根据系统当前等效业务流可用带宽、已接纳业务流实际占用带宽、请求接纳业务流所需带宽、业务类型做出接纳判决，若超过过载门限，则拒绝；否则接纳。

本发明综合基于模型和基于测量的算法进行业务流接纳控制，具体地说，本发明在基站控制器中，根据基站测量到的MAC层业务流净荷吞吐量、PHY层slot占用率估计系统的业务流净荷等效带宽，根据业务流QoS估计业务流所需的带宽，根据业务流类型选择接纳准则，很好的适应802.16网络特性，既能提供较为精确的QoS保证，又能保持较高的网络利用率。

附图说明

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

图1是本发明系统在802.16无线通信系统中的示意图。

图2是本发明在802.16无线通信系统的工作原理示意图。

图3是本发明方法在一实施例中的流程图。

图4是本发明优选实施例的基站控制器测得的一段时间内在相同带宽利用率条件下的系统拥塞次数和采用固定门限的接纳控制方法的对照图。

图5是本发明优选实施例的基站控制器测得的一段时间内在系统拥塞次数相同的条件下的带宽利用率和采用固定门限的接纳控制方法的对照图。

具体实施方式

图1显示了本发明系统在802.16无线通信系统中的示意图。该图的802.16无线通信系统包括一个基站控制器100、一个基站110。在该图的方案中，基站控制器100和基站110相连接。

基站110有关接纳控制的部分包括MAC PDU净荷流量测量单元111和slot占用率测量单元112。MAC PDU净荷流量测量单元实时测量基站110每帧发送/接收到的MAC PDU净荷(去除MAC头开销)，具体地说是调度器统计每帧为上下行业物流分配的带宽之和(bit数)，然后除以帧周期即得到以bit/s表示的MAC PDU净荷流量。111在统计一段时间(优选值为1秒)的平均值后向基站控制器100发送MAC PDU净荷流量报告113。slot占用率测量单元112实时测量每帧的PHY slot占用率，具体地说是在FrameBuilder(组帧器)完成组帧步骤后，分别统计上下行被占用的slot数，然后求取其与上下行总共slot数的百分比。112在统计一段时间，如1秒(优选值)的平均值后向基站控制器100发送slot占用率报告114。

基站控制器100有关接纳控制的部分包括业务流需求带宽估计单元101、系统等效可用带宽估计单元102和接纳判决单元103。业务流需求带宽估计单元101根据业务流的类型及其QoS属性估计出业务流需求带宽。系统等效可用带宽估计单元102根据MAC PDU净荷流量报告113和slot占用率报告114估计出当前系统等效可用带宽。接纳判决单元103根据当前系统负载状况和业务流需求带宽对业务流进行接纳或拒绝。

图2显示了本发明在802.16无线通信系统的工作原理示意图，接纳控制200(在图中由虚线框标出)根据系统当前负荷情况对每个待进入系统的业务流进行接纳判决，判决结果导致系统负荷的变化，从而达到一种闭环控制效果。系统资源slot207和系统中的业务流208，提供用于业务流带宽需求估计203，业务流实际流量统计205和slot占用率统计206。接纳控制200中的核心部分是系统等效带宽估计204、业务流带宽需求估计203和接纳判决202、过载门限选取201(由图1中的接纳判决单元103完成)，下面重点介绍以上几个核心部分。

系统等效带宽估计204作用是估计当前系统中有多少bit/s的带宽能提供给业务流净荷使用。业务流实际流量统计205和slot占用率统计206用于系统等效带宽估计204。因为802.16物理层虽然包含的slot数是一定的，但是由于每个slot的调制方式会随着无线环境的变化而变化，从64QAM(quadratureamplitude modulation)到QPSK(quadrature phase-shift keying)，每个slot所能携带的信息量(bit数)相差数倍，所以无线带宽会随着无线环境有较大变化。另外，无线带宽中，有一部分用于物理层和MAC层管理消息及MAC头，再加上重传机制，实际上一段时间传输的MAC层PDU净荷并不等于这段时间消耗掉的无线带宽。所以，对于当前系统中能提供给业务流净荷使用的带宽，并不能单纯地通过slot数计算得到，为此，本发明采用下式估计：

$\frac{R_{\mathrm{thruput}}}{R_{\mathrm{total}}}\≅\frac{{\mathrm{Slot}}_{\mathrm{use}}}{{\mathrm{Slot}}_{\mathrm{total}}}$                 (式-1)

其中，R_total表示系统当前可传输业务流MAC PDU净荷的总的等效带宽，R_thruput表示当前业务流MAC PDU净荷吞吐量，Slot_use表示当前已被占用的slot数，Slot_total表示系统总共的slot数。令 $\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{Slot}}_{\mathrm{use}}}{{\mathrm{Slot}}_{\mathrm{total}}},$ 表示Slot的占用率，得，

$R_{\mathrm{total}}\≅\frac{R_{\mathrm{thruput}}}{\mathrm{\η}}$                (式-2)

当R_thruput越小时，η也越小，上式误差就越大，当η和R_thruput等于0时(如系统刚启动时)，上式失效。由于η很小时，比如小于30％，说明还有很多剩余带宽可用，此时，接纳控制的意义不大，不需要精确地估计总带宽，为此，再引入一个根据系统物理带宽设定的系统带宽参考值(经验值)R_ref作为带宽估计值。而当η大于30％时，才采用上式来对总带宽进行估计。

业务流带宽需求估计203，即对已接纳和待接纳的业务流所需带宽进行估计。802.16将业务流分为4种类型：UGS(unsolicited grant service)、rtPS(real-time polling service)、nrtPS(non-real-time polling service)、BE(best effort)。对于UGS、rtPS、nrtPS业务，其QoS参数中都有最小保证速率(Minimum Reserved Traffic Rate)和最大持续速率(Maximum SustainedTraffic Rate)，相当于有了比较明确的流量模型。为了在保证各个业务流的最低需求的情况下，可以尽可能多地接纳业务流系统，本发明以最小保证速率为已接纳业务流预留最小保证带宽。对于BE业务，没有最小保证速率的要求，但是为了给已接纳的BE业务一定的带宽保证，不至于带宽全部被非BE业务抢占，本发明为BE业务也设置了一个最小保证带宽，该值可根据具体的应用场景作相应的调整。

对于已接纳的业务流，业务流可能进入sleep模式。这需要考察业务进入sleep模式是否意味着业务当前没有数据需要传输，以及是否可以估计以后一段时间需要传输数据的可能性很小。802.16的Sleep模式有三种省电类：Type1、Type2、Type3，其中，Type3省电类主要用于多播连接或管理操作，是否激活对带宽影响不大；Type2省电类主要用于UGS、rtPS等类型的业务，其睡眠窗口不会太长，且激活时并不意味着业务没有数据需要传输；Type1省电类主要用于BE以及nrtPS等业务，Type1省电类在长时间没有数据传输时才会激活，若一直没有去激活，sleep窗口会不断变大；某业务很长时间没有数据需要传输时，系统将释放该业务。所以，对于Type1省电类，其中的nrtPS业务占用的保留带宽是比较可观的，在sleep窗口非常大时，比如几分钟时，减小为其保留的带宽，即乘以一个权值，如0.2。这样有利于接入更多的需要保留带宽的业务。考虑sleep模式，必然会增加系统拥塞的可能性。由于同一时刻系统中可能存在许多进入sleep的业务流，但同一时刻许多业务醒来的可能性较小，所以发生拥塞的可能性也较小。

接纳判决202的作用是根据当前系统负荷，对请求接纳的业务流做出接纳或拒绝的判断。对于QoS参数中都有最小保证速率的UGS、rtPS、nrtPS业务采用基于模型的接纳准则，如式-3所示：

                    R_reserved+R_new＜kR_total              (式-3)

其中R_reserved表示当前系统中所有已接纳业务流的最小保证速率之和，R_new表示业务流带宽需求估计203得到的待接纳业务流的需求带宽，R_total表示当前的系统总的等效带宽估计值；k表示目标利用率，超过目标利用率则拒绝接纳，此时可理解为系统过载，所以k也称为过载门限，对于不同接纳请求类型，k值可不同，以体现接纳优先级。

对于BE业务，采用基于测量的接纳准则，如式-4所示：

                  R_thruput+R_new＜k′R_total               (式-4)

其中R_thruput表示当前系统实际传输率，k′表示过载门限。用该接纳准则的优点是：当rtPS、nrtPS业务没有达到其最低带宽要求时，可以接纳BE业务来提高带宽利用率；缺点是，当较少的BE业务占用较多带宽时，会造成无法再接入BE业务。为此，对于BE业务，当式-4不满足时，再采用式-3的接纳准则重新判决。

过载门限选取201是根据业务类型来选择式-3、式-4中的过载门限k值或k′值，如下表：

接纳请求类型	k
		切换加	kHO
非BE业务改变	kchg
		非BE业务建立	knew
BE业务(用于式-3)	kBE
		BE业务(用于式-4)	kBE′

根据业务优先级上述k值关系为k_BE′＞k_HO＞k_new＞k_chg＞k_BE，具体取值根据系统的不同应用场景可以灵活调整。

图3是关于图2的一个具体实施例，它显示了业务流在接纳控制器200中进行接纳判决的流程。

在本实施例中，系统设置的定时器触发时，测量MAC层业务流净荷吞吐量与PHY层slot占用率，收到接纳请求时，进行如下步骤：其中步骤300和步骤301可以调换顺序。

步骤300、根据业务流的QoS估计出业务流需求带宽R_new；

步骤301、根据基站110上报的MAC PDU净荷流量和slot占用率，采用式-2估计出系统当前总的等效带宽R_total；

步骤302、根据带宽需求类型，选择过载门限k；

步骤303、判断业务类型是否BE业务，若是BE业务转304，否则转305；

步骤304、根据式-4对BE业务流作接纳判决，若满足式-4则接纳，否则转步骤305；

步骤305、根据已接纳业务流的QoS，以及是否激活Type1省电类，统计当前系统应该为所有已接纳业务流最小保留的带宽R_reserved；

步骤306、根据对业务流式-3作接纳判决，若满足式-3则接纳，否则拒绝。

图4是一段时间内，slot利用率为70％条件下，本发明优选实施例的基站测得的系统拥塞次数与固定slot门限方法的对照图，其中401表示应用本发明测得的系统拥塞次数，402表示应用固定slot门限方法测得的系统拥塞次数。

图5是一段时间内，系统拥塞次数平均为每分钟1次条件下，本发明优选实施例的基站测得的slot利用率，其中501表示应用本发明测得的slot利用率，502表示应用固定slot门限方法测得的slot利用率。

综合图4和图5，在带宽利用率相同的条件下，应用本发明接纳控制方法的802.16系统产生系统拥塞的概率低于应用固定slot门限方法的系统；在系统拥塞的概率相同条件下，应用本发明接纳控制方法的802.16系统的带宽利用率高于应用固定slot门限方法的系统。

综上所述，本发明采用了等效带宽估计方法，估计准确可靠，并避免了根据调制方式、管理消息开销、重传机制等建立复杂的带宽消耗模型；采用了基于QoS的业务流带宽需求模型，模型简单、易于实现；采用了测量系统实际流量方法，避免了基于模型方法造成的带宽浪费。因此，本发明802.16系统的接纳控制方法可为业务流提供较为精确的QoS保证，同时又能保持较高的网络利用率。

Claims (10)

1、一种应用于无线通信系统的业务流接纳控制的方法，其特征在于包括如下步骤：

A、测量MAC层业务流净荷吞吐量与物理层时隙占用率；

B、收到接纳请求时，系统根据步骤A所测量的当前业务流MAC层协议数据单元净荷吞吐量和物理层时隙占用率估计系统等效带宽；

C、系统估计已接纳和待接纳的业务流所需带宽；

D、系统根据业务类型选取过载门限；

E、根据当前系统负荷，接纳或拒绝业务流的请求；

所述步骤B中采用式-1估计系统等效带宽：

$\frac{R_{\mathrm{thruput}}}{R_{\mathrm{total}}}\≅\frac{{\mathrm{Slot}}_{\mathrm{use}}}{{\mathrm{Slot}}_{\mathrm{total}}}$  式-1；

其中，R_total表示系统当前可传输业务流MAC层协议数据单元净荷的总的等效带宽，R_thruput表示当前业务流MAC层协议数据单元净荷吞吐量，Slot_use表示当前已被占用的时隙数，Slot_total表示系统总共的时隙数。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用式-1估计系统等效带宽时，可以令 $\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{Slot}}_{\mathrm{use}}}{{\mathrm{Slot}}_{\mathrm{total}}},$ 表示时隙的占用率，

当η小于30％，根据系统物理带宽设定一个系统带宽参考值R_ref作为带宽估计值R_total；

当η大于30％时，带宽估计值R_total为：

$R_{\mathrm{total}}\≅\frac{R_{\mathrm{thruput}}}{\mathrm{\η}}$  式-2。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中业务流所需带宽估计具体为：

对于802.16中的UGS、rtPS、nrtPS业务，以其QoS参数中最小保证速率为已接纳和待接纳业务流预留最小保证带宽；

对于802.16中的BE业务，预先根据系统的不同应用场景设置一个可调的最小保证带宽。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述业务流所需带宽估计中，对于已接纳的业务流，若业务流进入sleep模式，且省电类为802.16中的Typel，sleep窗口较大时，则减小为nrtPS业务保留的带宽。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤E具体包括如下步骤，对于802.16中的UGS、rtPS、nrtPS业务请求，采用基于模型的接纳准则：

          R_reserved+R_new＜kR_total            式-3；

其中R_reserved表示当前系统中所有已接纳业务流的最小保证速率之和，R_new表示待接纳业务流的最小保证速率，R_total表示当前的系统总的等效带宽估计值，k表示过载门限，若式-3成立，则接纳；若式-3不成立，则拒绝接纳；

对于BE业务请求，优先采用基于测量的接纳准则：

              R_thruput+R_new＜k′R_total             式-4；

其中，R_thruput表示当前系统实际传输率，k′表示过载门限，若式-4成立，则接纳；若式-4不成立，再采用式-3的接纳准则重新判决。

6、根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述过载门限是根据接纳请求类型是切换加、非BE业务改变、非BE业务建立以及用于式-3的BE业务，用于式-4的BE业务时，k分别为k_HO、k_chg、k_new、k_BE、k_BE′，且根据业务优先级上述k值关系为k_BE′＞k_HO＞k_new＞k_chg＞k_BE，具体取值可以根据系统的不同应用场景调整。

7、一种应用于无线通信系统的业务流接纳控制的系统，其特征在于包括：位于基站的带宽测量模块、位于基站控制器的系统等效可用带宽估计单元、业务流需求带宽估计单元、接纳判决单元；

所述的测量模块具体包括MAC层协议数据单元净荷流量测量单元和时隙占用率测量单元，分别实时统计一段时间内MAC层业务流净荷吞吐量与物理层时隙占用率，并上报到系统等效可用带宽估计单元；所述系统等效可用带宽估计单元根据测量模块上报的数据估计系统等效业务流净荷可用带宽；所述业务流需求带宽估计单元根据业务流的QoS估计业务流所需的带宽；所述接纳判决单元根据业务类型选取过载门限，根据系统当前等效业务流可用带宽、已接纳业务流实际占用带宽、请求接纳业务流所需带宽、业务类型做出接纳判决，若超过过载门限，则拒绝；否则接纳。

8、根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统等效可用带宽估计单元采用下式估计系统等效带宽：

$\frac{R_{\mathrm{thruput}}}{R_{\mathrm{total}}}\≅\frac{{\mathrm{Slot}}_{\mathrm{use}}}{{\mathrm{Slot}}_{\mathrm{total}}}$  式-1；

其中，R_total表示系统当前可传输业务流MAC层协议数据单元净荷的总的等效带宽，R_thruput表示当前业务流MAC层协议数据单元净荷吞吐量，Slot_use表示当前已被占用的时隙数，Slot_total表示系统总共的时隙数。

9、根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述业务流所需带宽估计单元按照如下方式进行估计：

对于802.16中的UGS、rtPS、nrtPS业务，以其QoS参数中最小保证速率为已接纳和待接纳业务流预留最小保证带宽；

对于802.16中的BE业务，预先根据系统的不同应用场景设置一个可调的最小保证带宽。

10、根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述接纳判决单元按照如下方式进行判决：

对于802.16中的UGS、rtPS、nrtPS业务，采用基于模型的接纳准则：

                   R_reserved+R_new＜kR_total    式-3；

其中R_reserved表示当前系统中所有已接纳业务流的最小保证速率之和，R_total表示当前的系统总的等效带宽估计值；k表示过载门限，若式-3成立，则接纳；若式-3不成立，则拒绝接纳；

对于BE业务，优先采用基于测量的接纳准则：

              R_thruput+R_new＜k′R_total            式-4；

其中R_thruput表示当前系统实际传输率，R_new表示待接纳业务流的最小保证速率，k′表示过载门限；若式-4成立，则接纳；若式-4不成立，再采用式-3的接纳准则重新判决。

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