PT1391135E

PT1391135E - Método e aparelho de alocação de largura de banda de comunicações

Info

Publication number: PT1391135E
Application number: PT02726321T
Authority: PT
Inventors: John David Porter
Original assignee: Cambridge Broadband Networks Ltd
Priority date: 2001-05-26
Filing date: 2002-05-23
Publication date: 2011-02-07
Also published as: GB0112881D0; ATE492123T1; GB2375927B; WO2002098056A3; GB2375927A; US20040218604A1; WO2002098056A2; AU2002256805A1; DK1391135T3; CN1237844C; CN1524395A; EP1391135B1; EP1391135A2; CY1111262T1; ES2355893T3; DE60238604D1

Description

DESCRIÇÃO "MÉTODO E APARELHO DE ALOCAÇÃO DE LARGURA DE BANDA DE COMUNICAÇÕES"

Esta invenção refere-se a um método e aparelho de alocação de largura de banda de comunicações e, em particular, à alocação de largura de banda entre utilizadores num sistema de telecomunicações, tal como um sistema (FWA) de acesso sem fios fixo.

Em muitos sistemas de telecomunicações, tais como FWA, sistemas por cabo ou de telefones móveis, a largura de banda disponível é compartilhada por vários utilizadores. Em tais sistemas, os utilizadores, normalmente, compram a largura de banda e um operador de sistemas tentará vender a maior largura de banda possível. Muitas vezes, a quantidade de largura de banda vendida pode exceder a largura de banda total disponível porque nem todos utilizadores solicitarão acesso ao mesmo tempo. Por exemplo, um operador de uma rede por cabo que oferece acesso à internet pode esperar que numa determinada hora particular, em média, uma determinada proporção de utilizadores não procurará aceder à largura de banda e que, mesmo quando um utilizador está ligado à internet, a sua exigência de largura de banda será intermitente. Por conseguinte, o operador pode aumentar o seu provento vendendo aos utilizadores uma largura de banda colectiva maior do que a largura de banda disponível total e esperar que, na maior parte do tempo, não surja qualquer problema de alocação da largura de banda aos utilizadores. 1 À medida que a quantidade de largura de banda vendida aumenta, surge a probabilidade de, por vezes, a largura de banda colectiva procurada pelos utilizadores exceder a largura de banda total disponível. Nestas alturas de sobrecarga, surge um problema de alocação da largura de banda disponível aos utilizadores. Nestas circunstâncias, todos os utilizadores não podem, obviamente, ter a largura de banda que normalmente esperariam e, dependendo do modelo de negócio utilizado pelo operador do sistema, a largura de banda que pagaram. 0 problema é, então, fazer com que o desempenho do sistema durante a sobrecarga se degrade de um modo aceitável aos utilizadores. 0 documento WO00/56023A divulga um sistema de alocação de largura de banda aos utilizadores, utilizando classes de prioridade e colocando os utilizadores numa fila de espera de acordo com uma prioridade inferior ou superior.

Sumário da Invenção A invenção proporciona um método, um sistema de comunicações e um controlador de sistema de comunicações como definido nas reivindicações independentes anexas. Características vantajosas ou preferidas da invenção são enunciadas nas sub-reivindicações dependentes.

Num aspecto preferido, a invenção proporciona, assim, de um modo vantajoso, um método para permitir uma degradação harmoniosa do serviço aos utilizadores quando a procura dos utilizadores sobrecarrega a largura de banda disponível. 2

Nestas circunstâncias, quando o número de utilizadores que disputam o acesso à largura de banda aumenta, é importante que todos os utilizadores em disputa mantenham o acesso a alguma largura de banda, mesmo que a quantidade de largura de banda seja reduzida, e que a largura de banda disponível seja, eficiente e efectivamente, alocada aos utilizadores. A adesão a estas exigências assegura uma degradação harmoniosa do serviço em condições de sobrecarga e esta pode ser obtida, de um modo vantajoso, pelas várias características da invenção. Especificamente, a existência de agrupamentos activos e inactivos de utilizadores assegura que só os utilizadores que procuram activamente largura de banda em qualquer altura, que estão colocados no agrupamento activo, são tidos em consideração no processo de alocação da largura de banda, isto aumenta, de um modo vantajoso, a eficiência da alocação de largura de banda ao identificar, claramente, os utilizadores envolvidos. Os utilizadores no agrupamento inactivo podem introduzir o processo de alocação de largura de banda em qualquer altura fazendo um pedido de largura de banda, sendo, então, movidos para o agrupamento activo. isto minimiza, de um modo vantajoso, o número de utilizadores a ser considerado pelo controlador de alocação de largura de banda em qualquer altura. 0 número de utilizadores a ser considerado em qualquer altura pode, de um modo vantajoso, ser reduzido ainda mais removendo utilizadores do agrupamento inactivo em condições predeterminadas, por exemplo, quando um utilizador tenha estado inactivo por mais tempo do que um tempo predeterminado, tal como 5 minutos ou 15 minutos. É provável que um utilizador que tenha utilizado a largura de banda recentemente dispute mais largura 3 de banda do que um utilizador que não tenha utilizado larqura de banda por um lonqo período de tempo, assim o aqrupamento inactivo pode actuar como um armazenamento temporário contendo os utilizadores que não estão a procurar ou a utilizar, activamente, a larqura de banda, mas têm maior probabilidade de o fazer.

Os utilizadores na fila de agrupamento activo colocam-se em fila para alocações de largura de banda e efectuam ciclos através da fila se necessitarem de mais alocações. isto assegura que todos os utilizadores activos observam a mesma diminuição proporcional de qualidade do seu serviço, dependendo o nível de diminuição de qualidade do número de utilizadores na fila.

De um modo vantajoso, pode ser apropriado permitir que utilizadores diferentes enviem ou recebam quantidades diferentes de dados quando atingem a frente da fila. Isto pode reflectir tipos diferentes de utilizadores ou quantidades diferentes pagas pelos utilizadores. Por exemplo, um utilizador a quem foi alocada uma maior quantidade de dados pode sentir, sempre que efectua um ciclo até à frente da fila, uma menor degradação de serviço em condições de sobrecarga do que um utilizador a quem foi alocada uma menor quantidade de dados. A alocação de largura de banda a utilizadores está sujeita a diferentes limitações para diferentes tipos de comunicação. Por exemplo, uma chamada de voz necessita de acesso contínuo ao canal de voz necessário, caso contrário, não se poderia fazer a chamada de voz. Em contrapartida, muitos serviços de dados são menos afectados, criticamente, pela redução na largura de banda de canal. Pode, por conseguinte, ser vantajoso aplicar a utilização de agrupamentos activos e inactivos apenas a tais 4 serviços de dados ou de modos diferentes a diferentes tipos de serviços.

Um aspecto particularmente preferido da invenção visa obter isto dividindo os utilizadores em diferentes classes, às quais são dadas prioridades diferentes em condições de sobrecarga. Neste contexto, deve compreender-se que o termo utilizador distingue entre diferentes serviços solicitados por um único assinante para o sistema de comunicações, bem como entre diferentes assinantes. Por exemplo, quando um assinante disputa o acesso a um canal de voz e um canal de dados, estes podem ser considerados como dois utilizadores distintos e colocados em classes de prioridades diferentes ou mesmo tratados como dois utilizadores distintos num único agrupamento inactivo ou activo, como apropriado.

Neste aspecto da invenção, os utilizadores numa classe de prioridade superior podem ser geridos de modo a serem menos afectados durante condições de sobrecarga do que os utilizadores numa classe de prioridade inferior. Assim, por exemplo, para satisfazer determinadas condições de sobrecarga, os utilizadores numa classe de prioridade superior poderiam ver uma redução de 10% na largura de banda, enquanto utilizadores numa classe de prioridade inferior poderiam ver uma redução de 50% na largura de banda. Isto pode ser conseguido de vários modos, como descrito em seguida.

Num aspecto, um operador de sistema podia oferecer a determinados utilizadores uma quantidade garantida de largura de banda, por exemplo, para serviços críticos de largura de banda, tais como voz, ou com maiores custos. Tais utilizadores serão colocados numa classe de prioridade superior e colocados em fila 5 no agrupamento activo nessa classe para lhe serem alocadas quantidades predeterminadas de largura de banda. Deve salientar-se que uma largura de banda garantida não necessita, geralmente, acesso continuo à largura de banda, mas acesso à quantidade garantida da largura de banda em média, normalmente com uma granulosidade convenientemente limitada. Na classe de prioridade superior, por conseguinte, o controlador de sistema assegura que qualquer utilizador em disputa de acesso a uma largura de banda obtém, em qualquer altura, a sua largura de banda garantida. Se mais utilizadores na classe superior disputarem o acesso à largura de banda, o comprimento da fila no agrupamento activo nessa classe aumenta, mas a largura de banda garantida continua a ser proporcionada. Em condições de sobrecarga, isto pode afectar, de modo adverso, utilizadores em classes inferiores. Neste aspecto da invenção, a largura de banda disponível aos utilizadores em classes de prioridade inferiores é a largura de banda total menos a largura de banda necessária para a classe de largura de banda garantida.

Num outro aspecto, podem gerir-se classes diferentes para que, em condições de sobrecarga, os utilizadores em classes de prioridade superior retenham mais da sua largura de banda não sobrecarregada do que os das classes de prioridade inferior. Em condições não sobrecarregadas, cada utilizador tem acesso a uma quantidade predeterminada de largura de banda que corresponde à quantidade de dados que cada utilizador pode enviar ou receber quando atinge a frente da fila no agrupamento activo na sua classe. Durante condições de sobrecarga, se mais utilizadores disputarem o acesso a uma largura de banda, as condições podem piorar. Quando isto acontece, a largura de banda é ainda mais reduzida para utilizadores de classes de prioridade inferior do que para utilizadores de classe de prioridade superior. Isto 6 pode ser conseguido pela diminuição de frequência com a qual se concede largura de banda ao utilizador na frente da fila numa classe de prioridade inferior comparativamente com a do utilizador na frente da fila numa classe de prioridade superior ou pela redução da quantidade de dados que cada utilizador na frente da fila pode enviar por um factor proporcionalmente maior numa classe de prioridade inferior do que numa classe de prioridade superior.

Como se compreenderá, podem combinar-se vários modos de gestão de utilizadores em classes de prioridades diferentes. Por exemplo, uma classe de prioridade superior à qual se ofereceu uma largura de banda garantida pode ser combinada com uma classe de prioridade inferior na qual a largura de banda para cada utilizador é reduzida durante uma sobrecarga ou com duas ou mais classes de prioridade inferior ordenadas sujeitas a reduções progressivamente maiores na largura de banda durante uma sobrecarga.

Formas de Realização Específicas e Melhor Modo da Invenção

Formas de realização da invenção serão, agora, descritas a titulo de exemplo, recorrendo aos desenhos, nos quais: A Figura 1 é um diagrama da classe de prioridade e estrutura de agrupamentos de uma forma de realização da invenção; A Figura 2 é um diagrama de blocos de um controlador de sistema de comunicações incorporando a invenção; e 7 A Figura 3 é um fluxograma ilustrando o funcionamento do controlador da figura 2. A Figura 1 descreve em linhas gerais a estrutura de classes de uma forma de realização especifica da invenção na qual os utilizadores de um serviço de acesso sem fios fixo (fwa) são classificados em três classes, ou seja, 1, 2 e 3. Dentro de cada classe, dependendo da sua actividade actual, os utilizadores podem ser posicionados num agrupamento 2 activo, um agrupamento 4 inactivo ou numa categoria 6 de outros utilizadores. Como será descrito a seguir, os utilizadores são colocados na categoria de outros utilizadores quando não procurarem ou não acederem à largura de banda de sistema por um tempo superior a um período de tempo limite.

Na forma de realização, os utilizadores na classe 1 têm uma alocação de largura de banda garantida. A Figura 2 é um diagrama de blocos de um controlador de sistema de alocação de largura de banda para utilizadores dentro da estrutura de classes de prioridade da Figura 1.

Quando um assinante de sistema deseja transmitir dados, procura uma alocação de largura de banda fazendo um pedido de disputa de acesso ao processador 10 de disputa de acesso. Um assinante pode fazer pedidos de diferentes tipos, por exemplo, pedir um canal de voz ou um canal de dados. Na forma de realização, estes pedidos são geridos distintamente e por conseguinte, na terminologia da presente aplicação, são considerados como utilizadores distintos do sistema.

Se o pedido de disputa de acesso for bem sucedido, um classificador 12 identifica a classe à qual o utilizador pertence e um formador 14 de fila coloca o utilizador no fim de uma fila no agrupamento 2 activo na classe apropriada. Este passo de formação de filas é o passo 20 na Figura 3, que é um fluxograma que ilustra o funcionamento subsequente do aparelho da Figura 2.

Uma quantidade de dados é alocada por um alocador 16 a cada utilizador na fila (passo 22) para ser transmitida quando esse utilizador atingir a frente da fila. Esta quantidade depende de vários parâmetros, que são fornecidos por um analisador 18 de dados de sistema. Estes parâmetros incluem o número de utilizadores na fila, o número de utilizadores colocados em filas em outras classes, o nivel de serviço que o assinante comprou ao operador de sistema e o grau actual de sobrecarga dos sistemas de comunicação. Assim, se o utilizador estiver na classe 1, uma quantidade predeterminada de largura de banda é garantida e, por conseguinte, a quantidade de dados alocada ao utilizador dependerá apenas do nivel de serviço comprado ao operador de sistema. Pelo contrário, se o utilizador estiver na classe 2 ou 3, a quantidade de dados alocada dependerá dos outros factores, tais como o número de utilizadores colocados na fila e o estado de sobrecarga actual do sistema de comunicações, bem como o nivel de serviço comprado ao operador de sistema. Por exemplo, se o sistema não estiver sobrecarregado e existir apenas um pequeno número de utilizadores colocados na fila, então, ao utilizador pode ser alocada uma quantidade de dados correspondente ao nivel de serviço comprado. De um modo vantajoso, ao utilizador pode mesmo ser alocada uma maior quantidade de dados do que esta se o sistema estiver, actualmente, em subutilização, proporcionando ao utilizador uma 9 largura de banda maior do que este, normalmente, esperaria. Deve salientar-se que, no entanto, quando os utilizadores percorrem o sistema de formação de filas na presente forma de realização, podem transmitir uma quantidade alocada de dados sempre que atingirem a frente da fila. 0 acesso à largura de banda é, por conseguinte, granular e pode ser importante considerar o tempo provável de espera na fila quando se alocam quantidades de dados a transmitir por utilizadores com o objectivo de assegurar que a granulosidade da largura de banda não se torna inaceitável. Por outro lado, é importante não alocar quantidades de dados excessivamente pequenas a utilizadores individuais porque isto prejudica a eficiência de transmissão de dados aumentando a informação complementar de controlo de sistema. Este problema torna-se mais significativo quando a sobrecarga de sistema aumenta, como descrito a seguir.

Durante condições de sobrecarga de sistema, quando a largura de banda colectiva pretendida pelos utilizadores excede a largura de banda total disponível, a sobrecarga de sistema também deve ser tida em consideração quando se alocam quantidades de dados aos utilizadores para transmissão. Isto não se aplica na classe 1, onde deve ser sempre ser alocada largura de banda aos utilizadores como acordado com o operador de sistema. Isto limita o número de utilizadores de classe 1 aos quais o operador de sistema pode vender largura de banda garantida. Nas classes 2 e 3, no entanto, quando a sobrecarga de sistema aumenta, o analisador 18 de dados de sistema faz com que o alocador 16 aloque quantidades decrescentes de dados a cada utilizador nas filas de agrupamentos activos. Para fazer isto, é feita uma estimativa da largura de banda actualmente disponível e os utilizadores são colocados em fila nas classes 2 e 3, incluindo os niveis de serviço comprados por cada um destes 10 utilizadores. A largura de banda total disponível é a largura de banda de sistema total menos a largura de banda já alocada aos utilizadores na classe 1. 0 sistema, em seguida, estima a largura de banda colectiva necessária para servir os utilizadores colocados em filas nas classes 2 e 3 e (dado que o sistema está sobrecarregado) calcula qual o nível de redução da largura de banda pedida nas classes 2 e 3 de modo a coincidir com a largura de banda total disponível. Ao fazer isto, dado que os utilizadores de classe 3 têm prioridade inferior aos utilizadores de classe 2, a largura de banda a ser alocada a utilizadores de classe 3 é reduzida por um factor maior do que a largura de banda a ser alocada a utilizadores da classe 2. Quando os factores de redução para as classes 2 e 3 tiverem sido calculados, a quantidade de dados que teria sido alocada a cada utilizador nas classes 2 e 3, em condições não sobrecarregadas, é reduzida, respectivamente, por um factor de redução de classe 2 e um factor de redução de classe 3. Depois de as quantidades de dados alocadas terem sido ajustadas deste modo, pode ser proporcionada ao utilizador uma largura de banda correspondente na frente da fila, em cada classe, do mesmo modo que nas condições não sobrecarregadas. Isto poderia ser feito, por exemplo, proporcionando sucessivamente uma largura de banda ao utilizador na frente da fila, em cada classe. É óbvio que se devem fazer, de um modo suficientemente frequente, estimativas de condições de sistema e dos utilizadores colocados em fila em cada classe para responder a alterações nestes parâmetros, principalmente quando o número de utilizadores a disputar acesso à largura de banda aumenta e diminui. 11

Em cada classe, quando o utilizador na frente da fila tiver enviado a sua quantidade alocada de dados, o alocador 16 verifica se o utilizador necessita mais largura de banda para concluir a sua transmissão de dados desejada (passo 24) . Se for esse o caso, o alocador ordena ao formador 14 de filas para devolver o utilizador para o fim da fila no seu agrupamento activo. Se não, o alocador move o utilizador para o agrupamento inactivo na mesma classe (passo 26). Se o utilizador não fizer mais nenhum pedido de disputa de acesso dentro de um período de tempo limite, o utilizador é retirado do seu agrupamento inactivo (passo 28) para o grupo 6 de outros utilizadores.

Lisboa, 31 de Janeiro de 2011 12

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Método de alocação de largura de banda a utilizadores num sistema de comunicações quando a largura de banda total disponível é menor do que a largura de banda colectiva procurada pelos utilizadores, compreendendo os seguintes passos: colocar (20) numa fila, num agrupamento activo, todos os utilizadores que procuram largura de banda; alocar (22) ao utilizador, na frente da fila, largura de banda para transmitir e/ou receber uma quantidade predeterminada de dados; se, depois de enviar e/ou receber a quantidade de dados predeterminada, o utilizador procurar mais largura de banda, mover o utilizador para o fim da fila no agrupamento activo e, caso contrário, mover (26) o utilizador para um agrupamento inactivo; e se um utilizador no agrupamento inactivo procurar ou disputar acesso a largura de banda, mover (28) o utilizador para o fim da fila no agrupamento activo.
2. Método de alocação de largura de banda a utilizadores num sistema de comunicações quando a largura de banda total disponível é menor do que a largura de banda colectiva procurada pelos utilizadores, compreendendo os seguintes passos: 1 classificar cada utilizador em uma de uma ou mais classes de prioridades e, em cada classe, executar todos os passos da reivindicação 1.
3. Método de acordo com a reivindicação 2, em que a quantidade de dados atribuída a cada utilizador é variada em resposta à largura de banda total disponível e ao número de utilizadores procurando largura de banda.
4. Método de acordo com a reivindicação 3, em que a quantidade de dados atribuída a cada utilizador é variada com o objectivo de proporcionar a cada utilizador um tempo de acesso à largura de banda satisfatoriamente curto ou uma largura de banda média aceitável.
5. Método de acordo com a reivindicação 2, 3 ou 4, em que se atribuem a dois ou mais utilizadores quantidades diferentes de dados a transmitir ou receber quando cada utilizador atinge a frente da fila no agrupamento activo.
6. Método de acordo com a reivindicação 5, em que as relações entre as quantidades de dados permanecem fixas se a quantidade de dados atribuída a cada utilizador for variada.
7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 6, em que, quando a largura de banda total disponível diminuir ou a largura de banda procurada pelos utilizadores aumentar, a quantidade de dados atribuída a cada utilizador numa classe de prioridade inferior é mais reduzida do que a atribuída a cada utilizador numa classe de prioridade superior. 2
8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 7, em que um tipo de comunicação com largura de banda critica, tal como um canal de voz, é classificado como classe de prioridade elevada.
9. Método de acordo com qualquer reivindicação anterior, em que dois ou mais utilizadores podem representar o mesmo assinante de sistema de comunicações procurando largura de banda para dois ou mais canais de comunicações diferentes, que podem efectuar tipos diferentes de comunicações.
10. Controlador de um sistema de comunicações no qual uma multiplicidade de utilizadores pode disputar o acesso a largura de banda, compreendendo, de modo a alocar largura de banda a utilizadores quando a largura de banda total disponível é menor que a largura de banda colectiva procurada pelos utilizadores: um formador (14) de fila de agrupamento activo adaptado para formar uma fila, num agrupamento activo, com os utilizadores procurando largura de banda; um alocador (16) adaptado para alocar, repetidamente, largura de banda ao utilizador na frente da fila do agrupamento activo para transmitir e/ou receber uma quantidade predeterminada de dados e (2) se, depois de enviar e/ou receber a quantidade predeterminada de dados, o utilizador procurar mais largura de banda, mover o utilizador para o fim da fila no agrupamento activo e, caso contrário, mover o utilizador para um agrupamento inactivo; e 3 um processador (10) de disputa de acesso adaptado para mover para o fim da fila, no agrupamento activo, qualquer utilizador no agrupamento inactivo procurando ou disputando acesso à largura de banda.
11. Controlador de acordo com a reivindicação 10, compreendendo ainda: um classificador (12) adaptado para classificar os utilizadores em uma ou mais classes de prioridade; em que o formador (14) de fila de agrupamento activo está adaptado para formar fila, num agrupamento (2) activo em cada classe, com os utilizadores nessa classe que procuram largura de banda; em que o alocador (16) está adaptado (1) para alocar, repetidamente, em cada classe, largura de banda ao utilizador na frente da fila do agrupamento activo para transmitir e/ou receber uma quantidade predeterminada de dados e (2) se, depois de enviar e/ou receber a quantidade predeterminada de dados, o utilizador procurar mais largura de banda, para mover o utilizador para o fim da fila no agrupamento activo e, caso contrário, para mover o utilizador para um agrupamento (4) inactivo; e em que o processador (10) de disputa de acesso, em cada classe, está adaptado para mover para o fim da fila, no agrupamento (12) activo, qualquer utilizador no agrupamento (4) inactivo procurando ou disputando acesso à largura de banda. 4
12. Controlador de acordo com a reivindicação 11, em que o alocador (16) está adaptado para variar a quantidade de dados atribuída a cada utilizador em resposta à largura de banda total disponível e ao número de utilizadores procurando largura de banda.
13. Controlador de acordo com a reivindicação 12, em que a quantidade de dados atribuída a cada utilizador é variada de modo a proporcionar a cada utilizador um tempo de acesso à largura de banda satisfatoriamente curto ou uma largura de banda média aceitável.
14. Controlador de acordo com a reivindicação 11, 12 ou 13, em que o alocador (16) está adaptado para atribuir a dois ou mais utilizadores quantidades diferentes de dados a transmitir ou receber quando cada utilizador atingir a frente da fila no agrupamento (2) activo.
15. Controlador de acordo com a reivindicação 14, em que as relações entre as quantidades de dados permanecem fixas quando a quantidade de dados atribuída a cada utilizador é variada.
16. Controlador de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 15, em que, quando a largura de banda total disponível diminui ou a largura de banda procurada pelos utilizadores aumenta, o alocador (16) está adaptado para que a redução da quantidade de dados atribuídos a cada utilizador numa classe de prioridade inferior seja maior do que para cada utilizador numa classe de prioridade superior. 5
17. Controlador de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 16, em que o classificador (12) está adaptado para classificar um tipo de comunicação de largura de banda critica, tal como um canal de voz, numa classe de prioridade elevada.
18. Controlador de acordo com uma das reivindicações 10 a 17, em que dois ou mais utilizadores podem representar o mesmo assinante de sistema de comunicações procurando largura de banda para dois ou mais canais de comunicações diferentes, que podem transportar diferentes tipos de comunicações.
19. Sistema de comunicações compreendendo um controlador como definido em qualquer das reivindicações 10 a 18.
20. Sistema de comunicações de acordo com a reivindicação 19, sendo um sistema de acesso sem fios fixo. Lisboa, 31 de Janeiro de 2011 6 1/2 2 4 6

Classe 2:

Classe 3:

FIG.1 10

16 FIG.2 2/2

FIG.3