CN1964553A - 无线单跳自回传网络中用于带宽分配的方法和基站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在无线单跳自Backhaul网络中通过联合考虑来自各用户站的上下行带宽请求来为各用户站和Backhaul节点分配带宽的方法和基站。基站接收到来自各用户站的带宽请求信息后，将上下行带宽请求进行联合考虑，进而为用户站和Backhaul节点分配带宽，然后通知各用户站和Backhaul节点。由于不再独立基于上、下行资源分配带宽，从而在网络过载的情况下仍能实现较高的系统带宽利用率并保证非对称业务的上下行带宽公平性。

Description

无线单跳自回传网络中用于带宽分配的方法和基站

技术领域

本发明涉及无线通信网络，更具体地说，本发明涉及无线自回传(Self Backhaul)网络(尤其是无线单跳自回传网络)中用于带宽分配的方法和基站。

背景技术

在一般的点到多点(P2MP)的无线通信网络，例如蜂窝网络中(如图1所示)，各个用户站(SS)通过无线链路共享接入基站(BS)，基站通过无线链路将信息广播给各个用户站。

现有技术中，用于一般蜂窝网络的带宽分配方法均基于下述的假设：对上行业务的带宽分配和对下行业务的带宽分配是无关的。这种假设对于上述一般的蜂窝网络如802.16网络或UMTS/W-CDMA网络而言，都是合理的。因为一般的蜂窝网络中，上行业务资源和下行业务资源没有直接关系，所以上行带宽分配和下行带宽分配可以分别基于上行业务资源和下行业务资源进行独立分配。

然而，对于无线单跳自回传网络，上下行带宽独立分配的传统分配方法不能适用。

图2示出一个无线单跳自回传网络。该网络中包括基站(BS)、多个用户站(SS)以及回传(Backhaul)节点(BHS)。基站(BS)和多个用户站构成了传统意义上的无线蜂窝网络，基站通过无线链路与回传节点和各个用户站连接，BHS通过有线链路接入互联网(Internet)，其中，无线自回传是指在无线通信网络中，基站通过其自身无线资源(频率、子频带和时隙等)与回传节点之间传输回传事务。

可见，无线自回传网络和传统蜂窝网络的区别为：基站(BS)通过作为其用户站的回传节点提供的无线链路实现对互联网的接入，而不再是通过有线链路直接接入互联网。因此，回传节点不仅为BS接入互联网提供无线链路，同时，它还作为BS的一个用户站接受BS分配的无线资源。

由于这个重要的区别，使得传统的带宽分配方法不适用于无线单跳自回传网络，主要问题体现为：将传统带宽分配方法用于该网络时，当上下行业务带宽总和超过一个给定的门限值(即网络过载)，系统带宽利用率会随网络过载的增加而明显下降；同时对于非对称业务，其上下行业务的带宽公平性被完全破坏。

因此，无线自回传网络需要一种新的带宽分配方法来解决上述问题，从而实现高带宽利用率并保证非对称业务的上下行带宽公平性。

发明内容

为此，本发明提出了一种在无线自回传网络(尤其是无线单跳自回传网络)中进行带宽分配的方案，通过对用户站的上行和下行带宽请求进行联合考虑来对用户站及回传节点进行带宽分配，以使得无线单跳自网络在网络过载的情况下，仍能保证较高的带宽利用率和理想的上下行带宽公平性。

根据本发明的第一个方面，提出了一种在无线通信网络的基站中用于进行带宽分配的方法，无线自通信网络还包括多个用户站和一个回传站，其包括以下步骤：a)接收来自所述各个用户站的上行和下行带宽分配请求消息；b)通过对所述各个用户站的上行和下行带宽请求进行联合处理来为所述各用户站分配带宽，以获得各个用户站的上行和下行带宽分配结果；c)将所述各个用户站的上行和下行带宽分配结果通知相应的用户站。

根据本发明的第二个方面，提出了一种一种在无线通信网络中用于进行带宽分配的基站，其包括：

一个接收装置，用于接收来自所述各个用户站的上行和下行带宽分配请求消息；一个带宽分配处理装置，用于通过对所述各个用户站的上行和下行带宽请求进行联合处理来为所述各用户站分配带宽；和一个发送装置，用于将所述各个用户站的带宽分配结果通知相应的用户站。

在本发明中，由于采用了联合带宽分配即对各用户站的上下行带宽请求进行联合考虑，从而解决了无线自回传网络采用传统带宽分配方法所面临的网络过载时系统带宽利用率低，非对称业务上下行带宽公平性被破坏的问题。

附图说明

图1是一般蜂窝网络的示意图。

图2是无线单跳自回传网络的示意图。

图3是根据本发明一个具体实施例的在无线单跳自回传网络中的来自用户站的带宽请求示意图。

图4为根据本发明一个具体实施方式的在无线单跳自回传网络中用于进行带宽分配的方法的流程图；

图5为根据本发明一个具体实施方式的在无线单跳自回传网络中用于进行带宽分配的基站的示意图。

图6示出了根据本发明一个具体实施方式的无线自回传网络中带宽分配处理装置12的框图；

图7是根据本发明一个具体实施例的在无线单跳自回传网络中基站为用户站和回传节点进行的带宽分配情况示意图；

图8示出了当采用传统带宽分配方法时，无线单跳自回传网络中的上下行带宽公平性变化情况。

具体实施方式

下面参考附图，并结合具体实施例对本发明作详细描述，应当理解，本发明并不局限于具体实施例。

图3是根据本发明的一个具体实施例的无线单跳自Backhaul网络中的带宽请求示意图。在本实施例中，业务配置为：蜂窝网络中共有2个视频会议业务，40个VoIP语音业务，其余的用户业务包括：FTTP，HTTP，数据库存取，Email等四种常见业务。

图4为根据本发明一个具体实施方式的在无线通信网络的基站中用于进行带宽分配的方法的流程图，其中，所述无线自通信网络还包括多个用户站和一个回传站。

如图4所示，在步骤S11中，接收来自所述各个用户站的上行和下行带宽分配请求消息，其中用户站的带宽请求消息可以做为控制消息传递；

在步骤S12中，通过对所述各个用户站的上行和下行带宽请求进行联合处理来为所述各用户站分配带宽，以获得各个用户站的上行和下行带宽分配结果，

随后，在步骤S13中，将所述各个用户站的上行和下行带宽分配结果通知相应的用户站。

当无线通信网络可以为一个无线单跳自回传网络，其中还包括一个无线回传站3(如图2所示)，其中无线基站2和无线回传站是利用自身的无线资源来传输回传业务。无线回传站3不仅为基站接入核心网络提供无线链路，同时，它还作为基站的一个用户站接受基站分配的无线资源，但无线回传站3通常不会请求带宽分配。

在一个具体实施方式中，当基站1接收到来自各用户站的上下行带宽请求信息后，联合处理带宽请求的带宽分配方法可以通过下列方程来分配带宽：

${\mathrm{SS}}_{\mathrm{UGi}}=\frac{{\mathrm{SS}}_{\mathrm{Ui}}}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{SS}}_{\mathrm{Ui}}+{\mathrm{SS}}_{\mathrm{Di}})}\×\min \{{\mathrm{BS}}_U,\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{SS}}_{\mathrm{Ui}}+{\mathrm{SS}}_{\mathrm{Di}})\}---\left(1\right)$

${\mathrm{BH}}_{\mathrm{UG}}={\mathrm{BS}}_U-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{UGi}}---\left(2\right)$

${\mathrm{SS}}_{\mathrm{DGi}}=\frac{{\mathrm{SS}}_{\mathrm{Di}}}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{SS}}_{\mathrm{Ui}}+{\mathrm{SS}}_{\mathrm{Di}})}\×\min \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{BS}}_D,\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{SS}}_{\mathrm{Ui}}+{\mathrm{SS}}_{\mathrm{Di}})\end{array}\right\}---\left(3\right)$

${\mathrm{BH}}_{\mathrm{DG}}={\mathrm{BS}}_D-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{DGi}}---\left(4\right)$

其中，假设共有N个用户站，BS_U为基站的上行总带宽，BS_D为基站的下行总带宽，SS_Ui，SS_Di为第i个用户站请求分配的上、下行带宽，SS_UGi，SS_DGi为分配给第i个用户站的上、下行带宽，BH_UG，BH_DG分别为分配给回传节点的上、下行回传业务带宽，且1≤i≤N。

由公式(1)-(4)可以看出在本实施例中，回传节点并不发送带宽分配请求信息。

图5为根据本发明一个具体实施方式的在无线通信网络中的基站。如图5所示，其包括一个接收装置11，一个带宽分配处理装置12和一个发送装置13。

其中，接收装置11用于接收来自所述各个用户站的上行和下行带宽分配请求消息。

带宽分配处理装置12用于通过对所述各个用户站的上行和下行带宽请求进行联合处理来为所述各用户站分配带宽。

发送装置13用于将所述各个用户站的带宽分配结果通知相应的用户站。其中，带宽请求消息可以做为控制消息传递，从而可以利用无线基站中已有的相应收发单元来处理。

当无线通信网络可以为一个无线单跳自回传网络，其中还包括一个无线回传站3(如图2所示)，其中无线基站2和无线回传站是利用自身的无线资源来传输回传业务。无线回传站3不仅为基站接入核心网络提供无线链路，同时，它还作为基站的一个用户站接受基站分配的无线资源，但无线回传站3通常不会请求带宽分配。

图6示出了根据本发明一个具体实施方式的无线自回传网络中带宽分配处理装置12的框图。其中，带宽分配处理装置12利用上述公式(1)-(4)来对来自所有用户站的上下行带宽请求进行联合处理，从而获得对各个用户站的上下行带宽分配结果。

如图8所示，带宽分配处理装置12包括一个相加装置121、一个第一比较装置122、一个第一除法装置123、一个第一乘法装置124、一个第一累加装置125、第一减法装置126、一个第二比较装置127、一个第二除法装置128、一个第二乘法装置129、一个第二累加装置130、一个第二减法装置131。

所述相加装置121用于所有用户站的上行和下行带宽请求相加，以获得所有用户站的上行和下行带宽请求总和；

所述第一比较装置122用于将基站的上行总带宽和所有用户站的上行和下行带宽请求总和两者进行比较，以获得基站的上行总带宽和所有用户站的上行和下行带宽请求总和两者的最小值；

所述第一除法装置123用于将每个用户站的上行带宽请求与所述所有用户站的上行和下行带宽请求总和相除，以获得每个用户站的上行带宽请求与所有用户站的上行和下行带宽请求总和的比值；

所述第一乘法装置124，用于将将每个用户站的上行带宽请求与所有用户站的上行和下行带宽请求总和的比值乘以所述基站的上行总带宽和所有用户站的上行和下行带宽请求总和两者的最小值，从而得到所述用户站的上行带宽分配结果；

所述第二比较装置127用于将基站的下行总带宽和所有用户站的上行和下行带宽请求总和两者进行比较，以获得基站的下行总带宽和所有用户站的上行和下行带宽请求总和两者的最小值；

所述第二除法装置128用于将每个用户站的下行带宽请求与所述所有用户站的上行和下行带宽请求总和相除，以获得每个用户站的下行带宽请求与所有用户站的上行和下行带宽请求总和的比值；

所述第二乘法装置129用于将将每个用户站的下行带宽请求与所有用户站的上行和下行带宽请求总和的比值乘以所述基站的下行总带宽和所有用户站的上行和下行带宽请求总和两者的最小值，从而得到所述用户站的下行带宽分配结果。

所述第一累加装置125用于将为所有用户站分配的上行带宽进行累加，以获得为所有用户站分配的上行带宽总和；

所述第一减法装置126用于通过将所述基站的上行总带宽减去为所有用户站分配的上行带宽总和，以获得所述无线回传站的上行带宽分配结果；

所述第二累加装置130用于将为所有用户站分配的下行带宽进行累加，以获得为所有用户站分配的下行带宽总和；

所述第二减法装置131用于通过将所述基站的下行总带宽减去为所有用户站分配的上行带宽总和，以获得所述无线回传站的下行带宽分配结果。

假设下行业务总带宽请求是上行业务总带宽请求的k倍，即 $\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{Di}}=k\×\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{Ui}}$ ，则从公式(1)-(4)可以推导出公式(5)：

$k^{\′}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{DGi}}}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{UGi}}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{Di}}}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{Ui}}}\×\frac{\min \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{BS}}_D,\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{SS}}_{\mathrm{Ui}}+{\mathrm{SS}}_{\mathrm{Di}})\end{array}\right\}}{\min \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{BS}}_U,\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{SS}}_{\mathrm{Ui}}+{\mathrm{SS}}_{\mathrm{Di}})\end{array}\right\}}=k\×\frac{\min \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{BS}}_D,\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{SS}}_{\mathrm{Ui}}+{\mathrm{SS}}_{\mathrm{Di}})\end{array}\right\}}{\min \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{BS}}_U,\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{SS}}_{\mathrm{Ui}}+{\mathrm{SS}}_{\mathrm{Di}})\end{array}\right\}}---\left(5\right)$

假设各用户站请求分配的上行业务带宽总和为A，请求分配的下行业务带宽总和为B，B＝A×k。经过带宽分配后，分配的上行业务带宽总和为A’，分配的下行业务带宽总和为B’，B’＝A’×k’。定义量度公平性的参量F＝k’/k。则在带宽分配后，如果F＝1，则表示经过带宽分配之后，用户站的上下行业务能够获得100％的公平性；如果F偏离1，则表示经过带宽分配后，用户站的上下行业务达不到100％的公平性，且F偏离1越多，表示分配后上下行业务的公平性越差。

由公式(6)不难看出，在本实施例中，要保证网络过载时上下行业务带宽的公平性的同时实现系统的高带宽利用率，基站应该按照0.5∶0.5的比例来分配系统的上下行带宽，即BS_D＝BS_U＝AS_ALL/2，其中BS_ALL为蜂窝网络总带宽。

图7为在无线单跳自回传网络中采用传统带宽分配方法和采用根据本发明的带宽分配方法后的带宽分配情况。由图7可以看出，当带宽请求超过一个门限后，在传统带宽分配方法下，系统分得的总带宽随着总带宽请求的进一步增大而减小，随着带宽请求到达峰值，分配的总带宽同时达到谷底，之后，随着总带宽请求的减小，分配的总带宽开始增大。在门限附近，分配的总带宽与总带宽请求始终位于门限的两侧，即：带宽利用率随着过载的增加而下降。这是由于无线自回传的特殊性，当总带宽请求超过一定门限时，由于随着总带宽请求的增加，相应的上行带宽请求也是增加的，这要求基站为上行业务分配更多的带宽，由于上行带宽容量等于分配给上行业务的带宽与分配给无线自回传链路的上行带宽之和，这样，无线自回传链路得到的上行带宽将相应降低，因为自回传链路的上行带宽是用于传输所有业务的下行带宽，这表明分配给业务的下行带宽将降低，简单的说：当分配给业务的上行带宽增加时，分配给业务的下行带宽将减少，反之亦然。同时由于业务上下行带宽之间的不对称，这两个因素使得：当带宽请求超过一个门限后，基站分配给用户的总带宽随着带宽请求的增加反而下降。

图7中还示出了在无线单跳自回传网络中采用根据本发明的带宽分配方法后的基站为用户站及回传节点分配的带宽情况。很明显，采用根据本发明的带宽分配方法的系统分配的总带宽总是大于采用传统带宽分配方法的系统分配的总带宽。而且，由于无线单跳自回传网络的特殊性(即回传节点既作为基站的一个用户站，由基站为其分配无线资源，同时又为用户站提供回传支持)，系统带宽利用率最大只能达到50％，这是这种网络环境下的一个带宽利用极限。

由图7可见，对于无线自回传网络，在网络没有过载的情况下，使用根据本发明的带宽分配方法和传统带宽分配方法的网络性能基本一样，但是在网络过载的情况下，两种方法作用下的系统的带宽利用率将会有很大的差别。

图8示出的是根据本发明的一个具体实施方式的无线单跳自回传网络在不同的过载条件下，用户站非对称业务的上下行业务带宽的公平性在采用传统带宽分配方案下的变化情况。很明显，当网络过载越严重，传统带宽分配方案下，对于用户站非对称业务分配的上下行业务带宽的公平性越差，这种恶化还随用户站上下行业务带宽的不对称程度的增大而增大。在图中，对于用户站的上下行总带宽为38Mbps的业务，通过传统带宽分配，为了保持业务的上下行带宽的相对公平性，允许该业务的上下行带宽的比例在0.5-6.0之间。而对于用户站的上下行总带宽为50Mbps的业务，通过传统带宽分配，为了保持公平性，该非对称业务的上下行带宽的比例只能在约0.7-1.5之间，如果比例在这个区间之外，则该非对称业务的上下行带宽的公平性将无从谈起。

如果采用本发明提出的新带宽分配方法，由公式(6)可知，对于无线自回传网络，只要满足系统(即基站)的上下行总带宽相等的条件，即使网络过载，仍然能够保证用户站非对称业务的上下行带宽的100％公平性。既公平因子F相对于上下行带宽比的变化曲线是一条平行于横轴的直线，对应的F值恒为1。

以上对本发明的具体实施例进行了描述，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定的实施方式，本领于技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变型或修改。

Claims (8)

1.一种在无线通信网络的基站中用于进行带宽分配的方法，无线自通信网络还包括多个用户站和一个回传站，包括：

a)接收来自所述各个用户站的上行和下行带宽分配请求消息；

b)通过对所述各个用户站的上行和下行带宽请求进行联合处理来为所述各用户站分配带宽，以获得各个用户站的上行和下行带宽分配结果；

c)将所述各个用户站的上行和下行带宽分配结果通知相应的用户站。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤b)包括：

通过将每个用户站的上行带宽请求与所有用户站的上行和下行带宽请求总和的比值乘以基站的上行总带宽和所有用户站的上行和下行带宽请求总和两者的最小值，以获得所述用户站的上行带宽分配结果。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤b)还包括：

通过将每个用户站的下行带宽请求与所有用户站的上行和下行带宽请求总和的比值乘以基站的下行总带宽和所有用户站的上行和下行带宽请求总和两者的最小值，来为所述用户站分配下行带宽。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述无线通信网络为一个无线回传网络，其中，所述基站还利用自身无线资源与一个无线回传站传输回传业务，

其中，步骤b)还包括：

通过将所述基站的上行总带宽减去为所有用户站分配的上行带宽总和，来获得所述无线回传站的上行带宽分配结果；和通过将所述基站的下行总带宽减去为所有用户站分配的上行带宽总和，来获得所述无线回传站的下行带宽分配结果；

其中，所述步骤c)还包括：

将所述无线回传站的上行和下行带宽分配结果通知所述无线回传站。

5.一种在无线通信网络中用于进行带宽分配的基站，其包括：

一个接收装置，用于接收来自所述各个用户站的上行和下行带宽分配请求消息；

一个带宽分配处理装置，用于通过对所述各个用户站的上行和下行带宽请求进行联合处理来为所述各用户站分配带宽；

一个发送装置，用于将所述各个用户站的带宽分配结果通知相应的用户站。

6.根据权利要求5所述的基站，其特征在于，所述带宽分配处理装置包括：

一个相加装置，用于所有用户站的上行和下行带宽请求相加，以获得所有用户站的上行和下行带宽请求总和；

一个第一比较装置，用于将基站的上行总带宽和所有用户站的上行和下行带宽请求总和两者进行比较，以获得基站的上行总带宽和所有用户站的上行和下行带宽请求总和两者的最小值；

一个第一除法装置，用于将每个用户站的上行带宽请求与所述所有用户站的上行和下行带宽请求总和相除，以获得每个用户站的上行带宽请求与所有用户站的上行和下行带宽请求总和的比值；

一个第一乘法装置，用于将将每个用户站的上行带宽请求与所有用户站的上行和下行带宽请求总和的比值乘以所述基站的上行总带宽和所有用户站的上行和下行带宽请求总和两者的最小值，从而得到所述用户站的上行带宽分配结果。

7.根据权利要求6所述的基站，其特征在于，所述带宽分配处理装置还包括：

一个第二比较装置，用于将基站的下行总带宽和所有用户站的上行和下行带宽请求总和两者进行比较，以获得基站的下行总带宽和所有用户站的上行和下行带宽请求总和两者的最小值；

一个第二除法装置，用于将每个用户站的下行带宽请求与所述所有用户站的上行和下行带宽请求总和相除，以获得每个用户站的下行带宽请求与所有用户站的上行和下行带宽请求总和的比值；

一个第二乘法装置，用于将将每个用户站的下行带宽请求与所有用户站的上行和下行带宽请求总和的比值乘以所述基站的下行总带宽和所有用户站的上行和下行带宽请求总和两者的最小值，从而得到所述用户站的下行带宽分配结果。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的基站，其特征在于，所述无线通信网络为一个无线回传网络，其中，所述基站还利用自身无线资源与一个无线回传站传输回传业务，

其中，所述带宽分配处理装置还包括：

一个第一累加装置，用于将为所有用户站分配的上行带宽进行累加，以获得为所有用户站分配的上行带宽总和；

一个第一减法装置，用于通过将所述基站的上行总带宽减去为所有用户站分配的上行带宽总和，以获得所述无线回传站的上行带宽分配结果；

一个第二累加装置，用于将为所有用户站分配的下行带宽进行累加，以获得为所有用户站分配的下行带宽总和；

一个第二减法装置，用于通过将所述基站的下行总带宽减去为所有用户站分配的上行带宽总和，以获得所述无线回传站的下行带宽分配结果；

其中，所述发送装置还用于将所述无线回传站的上行和下行带宽分配结果通知所述无线回传站。

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