RU2375826C2 - Динамическое использование радиоресурсов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к системам связи. Технический результат заключается в повышении эффективности использования радиоресурсов. Способ включает мониторинг радиоресурсов, генерирование данных о радиоресурсах; прогнозирование возникновения одной или нескольких мертвых зон в будущий период времени на основании использования данных о радиоресурсах; генерирование данных прогнозирования мертвой зоны; синтезирование одного или нескольких каналов беспроводной связи из одной или нескольких расчетных мертвых зон на основании использования данных прогнозирования мертвой зоны; генерирование данных и синтезировании канала; прием данных, отражающих обратную связь от предыдущей попытки беспроводной связи, и данных, отражающих состояние сети; выбор конкретного канала беспроводной связи из одного или нескольких синтезированных каналов беспроводной связи на основании принятых данных и данных синтезирования канала; генерирование данных выбора канала беспроводной связи; подачу команды на радиостанцию на установление связи с использованием выбранного канала беспроводной связи на основании использования данных выбора канала беспроводной связи; и подачу команды на радиостанцию на прекращение использования выбранного канала беспроводной связи после завершения передачи данных. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 15 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к адаптивной беспроводной связи и, в частности, к адаптивному использованию одного или нескольких имеющихся радиоресурсов.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ограниченность ресурсов, связанная с использованием спектра электромагнитных волн (например, полосы частот), может негативно отразится на вводе в действие существующими и новыми предприятиями (включая провайдеров услуг) новых приложений. Например, технические требования к полосе частот, связанные с новым приложением, которое предприятие намеревается ввести в действие, могли бы превысить один или более ресурсов спектра электромагнитных волн, выделенных предприятию. Темпы, с которыми новые приложения вводятся в действие, превысили возможности многих государственных субъектов, несущих ответственность за мониторинг использования спектра электромагнитных волн, проводить компетентную оценку новых приложений. Существующие процедуры выдачи разрешений являются обычно длительными и дорогостоящими, и в них предпочтение отдается не мелким, а более крупным и более прочно укоренившимся на рынке предприятиям, что может поставить более мелкие предприятия в невыгодное положение.

При современном использовании спектра электромагнитных волн обеспечивается передача данных со скоростью в диапазоне приблизительно от 19,2 до 48 Кб/с по каналам приблизительно от 2000 кГц до 1,5 МГц. Во многих современных протоколах беспроводной связи используется множественный доступ с временным разделением (МДВР), множественный доступ с кодовым разделением каналов (МДКРК), или методы коммутации каналов. Терминалы абонента (например, мобильные телефоны) могут, в зависимости от приложения абонента, работать в одномодовом, двухмодовом или трехмодовом режимах. Беспроводная связь может быть ограничена региональными или государственными границами, и в устройствах, обеспечивающих беспроводную связь, обычно используется выделенный сегмент спектра электромагнитных волн.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Конкретные примеры осуществления настоящего изобретения позволяют сократить или устранить недостатки и проблемы, традиционно связанные с беспроводной связью.

В одном примере осуществления изобретения способ динамического использования радиоресурсов включает мониторинг одного или нескольких радиоресурсов и генерирование данных о радиоресурсах. Использование данных о радиоресурсах обеспечивает прогнозирование возникновения одной или нескольких мертвых зон в один или несколько будущих периодов времени. Мертвая зона включает возможность беспроводной связи, при которой один или несколько радиоресурсов, выделяемых одному или нескольким первым абонентам, временно доступны для беспроводной связи одним или несколькими вторыми абонентами. Осуществляется генерирование данных прогнозирования мертвой зоны, и, используя данные прогнозирования мертвой зоны, производится синтезирование одного или нескольких каналов беспроводной связи из одной или нескольких расчетных мертвых зон. Осуществляется генерирование данных о синтезировании канала и прием данных, отражающих обратную связь от предыдущей одной или нескольких попыток беспроводной связи, и данных, отражающих одно или несколько состояний сети. В соответствии с принятыми данными и данными о синтезировании канала производится выбор одного или нескольких конкретных каналов беспроводной связи из одного или нескольких синтезированных каналов беспроводной связи. Осуществляется генерирование данных о выборе канала беспроводной связи с использованием данных о выборе канала беспроводной связи, производится подача команды на радиостанцию на установление связи с использованием одного или нескольких выбранных каналов беспроводной связи. На радиостанцию подается команда на прекращение использования одного или нескольких выбранных каналов беспроводной связи после завершения передачи данных.

Конкретные примеры осуществления настоящего изобретения обеспечивают одно или несколько преимуществ. Конкретные примеры осуществления настоящего изобретения создают более широкие возможности использования одного или нескольких ограниченных ресурсов спектра электромагнитных волн или иных радиоресурсов (например, временные интервалы, мощность и коды). В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения один или несколько недоиспользованных радиоресурсов (включающих неиспользованные радиоресурсы) используются для обеспечения одной или нескольких радиолиний для одного или нескольких абонентов. В соответствии с конкретными примерами осуществления настоящего изобретения обеспечивается более эффективное использование одного или нескольких ограниченных радиоресурсов системой связи (например, устройство конечного абонента, центральная станция или пункт доступа). В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения производится определение одной или нескольких недоиспользованных частей одного или нескольких радиоресурсов и их последующее использование при возникновении необходимости для создания одного или нескольких каналов беспроводной передачи для одного или нескольких абонентов. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения вместо мониторинга исключительно конкретных полос частот осуществляется мониторинг радиоресурсов с использованием многомерного, многоуровневого процесса.

В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения недоиспользованные радиоресурсы сгруппированы для установления каналов беспроводной связи между двумя абонентами или между устройством и пунктом инфраструктуры. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения два или несколько абонентов имеют возможность обоюдно согласовывать вопрос об определении одной или нескольких приемлемых частей одного или нескольких радиоресурсов для установления экономичных и эффективных каналов беспроводной связи. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения осуществляется мониторинг каналов беспроводной связи для дальнейшего повышения экономичности и эффективности в целях создания в перспективе каналов беспроводной связи.

Конкретные примеры осуществления настоящего изобретения могут найти применение в радиоустройствах следующего поколения как в военной (в Министерстве обороны США), так и коммерческой областях. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения предлагается адаптивное применение одного или нескольких радиоресурсов, основанное на доступности радиоресурсов и на основе одной или нескольких конкретных потребностей одного или нескольких абонентов, что создает возможности для высокоскоростной беспроводной связи при высоком качестве и классе предоставляемых услуг передачи данных при различных условиях. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения предлагается решение по многоспектральной широкополосной радиосвязи с программных обеспечением для локальной сети беспроводной связи, сотовых и иных систем беспроводной связи, которые могут представлять собой экономичную альтернативу специальным сетям, не обеспечивающих абсолютную гибкость. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения предлагаются экономически эффективные системы беспроводной связи, способные найти применение как в военной, так и промышленной областях.

В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения производится определение одной или нескольких недоиспользованных частей одного или нескольких радиоресурсов и их последующая активизация при возникновении необходимости для создания одного или нескольких каналов беспроводной связи для передачи информации одним или несколькими абонентами. По завершении передачи информации один или несколько радиоресурсов могут быть деактивированы, позволяя одному или нескольким другим абонентам активировать один или несколько радиоресурсов. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения гибкие способы управления ресурсами сочетаются с возможностями одной или нескольких специальных сетей и одним или несколькими элементами сети. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения между элементами сети создается более широкая взаимозависимость в целях обеспечения более широкой зоны охвата и дальности действия. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения аутентификационный центр может проверить абонента, пытающегося получить доступ к сети и в последующем предоставить абоненту один или несколько каналов беспроводной связи. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения используются экономичные и эффективные способы посредничества, обеспечивающие использование приложений и ресурсов на основе потребностей.

В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения используется один или несколько сегментов спектра электромагнитных волн при необходимости для передачи конкретных данных (например, голосовых данных, данных электронной почты или данных веб-страницы) для увеличения ресурсов спектра электромагнитных волн, что может способствовать развитию новых услуг и приложений. Конкретные примеры осуществления настоящего изобретения могут найти применение в целях создания определенной гарантии того, что один или несколько ограниченных ресурсов спектра электромагнитных волн будут использоваться в одной или нескольких услугах исключительно в случае необходимости (при отказе от использования одного или нескольких ограниченных ресурсов спектра электромагнитных волн при отсутствии необходимости), позволяя тем самым более мелким предприятиям предложить более широкий диапазон услуг.

В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения предлагаются гибкие способы управления ресурсами радиоспектра, что позволяет повысить использование радиоресурсов элементами сети беспроводной связи. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения к аутентификационным центрам может быть обеспечен легкий доступ для проверки и предоставления одного или нескольких каналов беспроводной связи между поставщиками приложений и абонентами приложений. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения радиоресурсы динамично используются для адаптации к расширяющейся базе приложений.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

С целью обеспечения более полного понимания настоящего изобретения, его особенностей и преимуществ ниже приведено описание со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 - схематическая иллюстрация системы беспроводной связи для создания каналов связи путем активации неиспользованных и недоиспользованных радиоресурсов.

Фиг.2 - функциональная иллюстрация программного адаптивного способа для повышения эффективности использования неиспользованных и недоиспользованных радиоресурсов.

Фиг.3 - функциональная иллюстрация программного адаптивного способа, приведенного на Фиг.2.

Фиг.4 - блок-схема, иллюстрирующая способ и систему для динамического использования радиоресурсов в соответствии с настоящим изобретением.

Фигуры 5А-5Е - пример функциональности архитектуры протокола запроса (DPA).

Фиг.6 - блок-схема предиктора, приведенного на Фиг.4.

Фиг.7 - синтезирование и оптимизация канала, основанные на характеристиках расчетных мертвых зон.

Фиг.8 - блок-схема структуры замкнутого контура оптимизатора, приведенного на Фиг.4.

Фиг.9 - иллюстрация способа адаптивного метадоступа для пакетирования информации в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.10 - блок-схема функциональности многоабонентского полномочного управления доступом, демонстрирующая изменяющиеся режимы работы адаптера, показанного на Фиг.4; и

Фиг.11 - блок-схема, иллюстрирующая алгоритм, описывающий работу прогнозирующего распределителя, показанного на Фиг.4.

ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг.1 система беспроводной связи включает сотовые терминалы 10, запрограммированные на определение неиспользованных или недоиспользованных радиоресурсов с целью создания каналов связи между сотовыми терминалами и другими элементами сети, включающими маршрутизаторы 12 и центральные станции 14. Каждый из терминалов беспроводной связи 10 ведет поиск неиспользованных или недоиспользованных радиоресурсов для установления канала связи с вызываемым устройством. Кроме того, каждый из элементов беспроводной связи запрограммирован на обратный процесс с целью установления канала связи от отправителя информации. Терминал 10 мог бы представлять собой мобильный телефон или устройство радиооборудования, устанавливаемое в помещении абонента и обеспечивающее абоненту доступ к одному или нескольким сетям связи. Информация может передаваться между двумя терминалами 10, между терминалом 10 и маршрутизатором 12 и между терминалом и центральной станцией 14 с использованием одного или нескольких каналов беспроводной связи. Информация может передаваться между двумя маршрутизаторами 12 и между двумя центральными станциями 14 с использованием одной или нескольких проводных линий передачи, которые могли бы включать оптические линии связи. На терминале 10, с которого может осуществляться передача информации, может быть использован программный адаптивный способ (более подробное описание которого будет изложено ниже) для поиска недоиспользованных радиоресурсов для установления канала беспроводной связи с вызываемым устройством (которое могло бы представлять собой другой терминал 10, маршрутизатор 12 или центральную станцию 14). На терминале 10, на который может передаваться информация, может использоваться обратный процесс (более подробное описание которого будет изложено ниже) с целью обеспечения создания конечного участка канала беспроводной связи с использованием одного или нескольких недоиспользованных радиоресурсов и программного адаптивного способа.

Обычно система беспроводной связи, проиллюстрированная на Фиг.1, работает со скоростью передачи данных от 20 мегабайт/с до 1 гигабайт/с с шириной полосы частот канала более 5 МГц. Система работает в многопротокольном интегрированном режиме, использующем пакетную коммутацию, и основана на межсетевом протоколе. Каждый из сотовых терминалов 10 является многомодовым адаптивным блоком для неавтономного использования радиоресурсов в рамках глобальной связи на основе запроса приложения.

На Фиг.2 показан программный резидент в каждом из терминалов 10 беспроводной связи, функционирующих через радиоустройство 16, являющегося частью терминала беспроводной связи для установления канала связи с другими терминалами беспроводной связи. Программное обеспечение функционирует с целью определения неиспользованных или недоиспользованных радиоресурсов, имеющихся в среде. Этот способ является способом динамического распределения, и в нем используются “интеллектуальные” радиоустройства 16 для повышения возможностей цифровой обработки сигналов (DSP) в сети связи и терминалах беспроводной связи. После определения неиспользованных или недоиспользованных радиоресурсов программное обеспечение производит выбор возможных ресурсов спектра, которые будут использованы для передачи и приема. Определенная часть радиоресурсов, которая была выбрана с помощью программного обеспечения, конфигурирует радиоустройство 16 для установления канала связи. Из сети поступает информация обратной связи по предыдущим попыткам передачи данных с целью более точной идентификации и более точного определения неиспользованных или недоиспользованных радиоресурсов.

Один подход к динамическому использованию радиоресурсов основан на оценке времени. Три потенциальных, основанных на времени подхода к совместному использованию дефицитных радиоресурсов с целью удовлетворения различающихся критериев предложения и спроса включают: а) миллисекундный-секундный, б) минутный-часовой и в) дневной-недельный-месячный подходы. В соответствии с миллисекундным-секундным подходом осуществляется повторное использование и распределение ресурсов на основе временного повышения спроса и предложения, например, режимы трафика в сети и критические состояния. При таком подходе необходимость контроля над ресурсами беспроводной связи со стороны абонента приобретает приоритетность по сравнению с другими абонентами. Временной интервал, необходимый для установления канала связи и передачи информации, является исключительно коротким для согласования или обмена ресурсами с другими абонентами. В соответствии с минутным-часовым подходом создается возможность заимствовать радиоресурсы у других абонентов с целью временного удовлетворения спроса. В сети имеется механизм доступа, обеспечивающий расширенное совместное использование абонентских данных, а в HLR/BLR и соединенных сетях имеется возможность профилирования, позволяющая перемещать информацию по различным частотам. В соответствии с дневным-недельным и месячным подходом собственники радиоресурсов получают возможность согласовывать повторное использование радиоресурсов для специальных мероприятий, например, при проведении конференций и собраний. Элементы межсистемной связи и другие элементы сети устанавливаются до проведения мероприятий.

На Фиг.3 показана схема работы программного обеспечения, приведенного на Фиг.2, для установления каналов связи по использованию радиоресурсов. Первоначально программное обеспечение получает исходные данные из среды, например, считанные, прогнозные, распределенные или хранимые данные, и эти данные вводятся на этапе операции 18 в программный адаптивный модуль 20. В программной операции 22 производится анализ радиоресурсов в целях создания каналов связи. На основании этого анализа может осуществляться группирование ресурсов на основе определенных критериев. Канал связи может представлять собой полосу частот, временной интервал, уровень мощности и иной ресурс, который “конечно” не использован или недоиспользован. Далее, в программной операции 24 информация, собранная в отношении неиспользованных или недоиспользованных ресурсах беспроводной связи, распределяется по другим соседним узлам в сети с целью определения наилучшего ресурса, который будет использован для установления каналов связи. На основе согласования с соседними узлами в сети программный адаптивный модуль определяет в операции 26 радиоресурсы, наиболее полно отвечающие критериям связи, например полосу частот, уровень мощности и качество и класс предоставляемых услуг передачи данных. После определения радиоресурсов, которые будут использоваться для установления канала связи, с помощью программного обеспечения в операции 28 на радиоустройство 16 передается информация о ресурсах беспроводной связи, предназначенная для использования при активации неиспользованных и недоиспользованных радиоресурсов при необходимости установления канала связи для абонента с целью передачи информации. В операции 30 программного адаптивного модуля 20 осуществляется получение информации обратной связи относительно экономичности и эффективности передачи данных. В операции 32 информация обратной связи, относящаяся к предыдущей передаче информации, включается в аналитическую операцию 22 с целью более эффективного определения использования радиоресурсов для будущих каналов связи.

На Фиг.4 приведена архитектура программного адаптивного модуля 20, показанного на Фиг.3. Оценка радиоресурсов проводится с помощью датчика 34 на основе уровня мощности, частоты и времени с целью определения доступных или недоступных ресурсов. Эти данные передаются в предиктор 36 для подачи частотного/временного анализа в синтезатор 38 каналов. Синтезатор 38 каналов также получает информацию о ресурсах беспроводной связи и факторах среды дополнительно к обратной связи относительно изменения условий среды, например, наблюдаемого качества и класса предоставляемых услуг передачи данных. Синтезатор 38 каналов осуществляет вывод частот и времени каналов на оптимизатор 40, взаимодействующий с соседними устройствами 42 и получающий входную информацию из очереди 44 отложенных сообщений. Оптимизатор 40 выводит список 46 выделенных каналов/каналов с произвольным доступом, связанный с прогнозирующим распределителем 48 и распределителем 50 текущего канала. Прогнозирующий распределитель 48 также получает данные из очереди 44 отложенных сообщений, например, средняя пиковая нагрузка, типы сообщений и пункт назначения. Прогнозирующий распределитель реагирует путем вывода конкретных запросов на наблюдения за временем/частотой для дальнейшего использования. Распределитель 50 текущего канала также получает фактическую передаваемую информацию по входному каналу и выдает на радиоустройство 16 команды на передачу, включающие сообщения, полосу частоты канала, форму сигнала, мощность и модуляцию.

Термин “программируемый” относится к адаптивной способности системы управления включать многочисленные варианты для средств связи (т.е. каналы, сформированные из комбинирующихся мертвых зон) до тех пор, пока не будет проведено окончательное выделение частот. В процессе адаптации с целью обеспечения определенной степени контроля в систему включены контуры управления, ориентированные на обратную связь. Способы, в которых используются распознавание (т.е. информированность о мертвых зонах спектра и характеристиках мертвых зон) и программируемость (гибкое состояние) (softstate) (т.е. способность перемещать связь между мертвыми зонами, которая включается и отключается без фиксации только на одной мертвой зоне в течение всего обмена информацией), позволят достичь динамического использования спектра. В способе в соответствии с настоящим изобретением используются возможности спектра, представленные системами связи и сенсорными системами, например телевизионные сигналы, каналы передачи данных и радиолокация.

Познавательный, программируемый подход к динамическому использованию спектра включает следующие компоненты:

1) Прогнозирование неиспользованных мертвых зон спектра, основанное на считанных и охарактеризованных данных. Такая информированность о характеристиках спектра является основой для обозначения этой операции как когнитивной.

2) Синтезирование мертвых зон в каналы в целях установления связи. Этот элемент в сочетании с элементами оптимизации и выделения ниже образует адаптивную программируемость (гибкое состояние).

3) Оптимизация используемых каналов путем сопоставления сообщений и требуемых ресурсов с доступностью каналов.

4) Выделение каналов для установления связи.

5) Динамическая адаптация к изменениям предложенного трафика, спектральной среды и состояния сети путем перемещения ресурсов к новым синтезированным каналам на основе успешного/неуспешного установления связи.

Сочетание распознавания спектра с адаптивной программируемостью (гибким состоянием) позволяет повысить эффективность спектра и радиоресурсов. Этот пример осуществления настоящего изобретения включает:

- Два контура управления (быстрый и медленный), обеспечивающие постоянную обратную связь для достижения более высокой степени адаптивности в динамике спектра. Более быстрая адаптация происходит в процессе выделения мертвых зон для сообщений и при синтезировании каналов (например, в тех случаях, когда происходит потеря сообщений ввиду столкновений или плохих условий канала), в то время как более медленная адаптация происходит на стадии оптимизации (например, устранение использования мертвых зон спектра, которые, якобы, являются приемлемыми, однако оказываются проблематичными в процессе фактической передачи).

- Информированность (распознавание) среды спектра и влияние использования радиоресурсов и спектра с целью повышения динамического характера системы.

- Операции, предназначенные для оперативного использования спектра и ресурсов с минимальными дополнительными организующими операциями и временными задержками (адаптивная программируемость (гибкое состояние)).

- Оперативное перемещение между мертвыми зонами спектра путем обеспечения множественного соответствия мертвых зон ресурсам и каналам и выделения мертвых зон исходя из текущего состояния (адаптивная программируемость (гибкое состояние)).

На Фиг.4 когнитивный программный подход включает два основных блока. Первая часть, предиктор 36, определяет мертвые зоны спектра на основе считанных/охарактеризованных данных спектра, предоставляемых функцией 34 считывания/характеризации. Предиктор 36 использует данные о спектре в своей местной среде для прогнозирования характера мертвых зон спектра в ближайшем будущем. Этот процесс называется когнитивным, поскольку в нем используются характеристики информированности о спектре. Вторая часть, адаптер 52, устанавливает соответствие расчетных мертвых зон спектра радиоресурсам и коммуникационным сообщениям и адаптируется по мере изменения коммуникационных элементов. Адаптер 52 использует данные из предиктора 36 для определения наиболее эффективного соответствия мертвых зон сообщениям при оптимальном использовании радиоресурсов. Адаптер стремится сократить до минимума потери как радиоресурсов, так и ресурсов спектра, обеспечивая при этом завершение связи в диапазоне точного временного интервала и при соответствующих параметрах качества и класса предоставляемых услуг передачи данных. В данном контексте качество и класс предоставляемых услуг передачи данных относятся к критериям качества, требуемым абонентами, например, коэффициент ошибок битов, доступность каналов и задержки. Адаптер 52 также выполняет функцию по оперативному определению успешной или неуспешной передачи сообщений и стратегии изменения (в плане полосы частот, уровней мощности, временных интервалов, кодов и т.д.) с целью “адаптации” для повторной передачи. Этот процесс относится к адаптивным программным радиоресурсам, вводимым в действие и повторно вводимым в действие наиболее эффективным образом для надежного установления связи при многочисленных (программных) вариантах, рассматриваемых в целях наиболее эффективного использования спектра. Подход является комплексным в том плане, что в соответствии с ним проводится поиск и использование возможностей спектра, представленных как коммуникационными, так и сенсорными системами. Мертвые зоны, имеющиеся в телевизионных сигналах, в каналах передачи данных и радиолокации, будут использованы и адаптированы для установления связи.

Адаптация повышается путем использования двухконтурной структуры обратной связи, обеспечивающей более эффективный контроль и реакцию на динамические изменения среды или связи. Первый контур - контур оперативного управления - обеспечивает быструю адаптацию к изменяющимся условиям спектра (например, внезапное появление выделенных абонентов, значительное замирание канала) и лучшее соответствие ресурсов мертвым зонам спектра. Второй контур - контур медленного управления - охватывает значительные изменения характеристик спектра или использование ресурсов при более низких темпах (например, устранение определенных мертвых зон, являющихся проблематичными, отмена большего количества выделенных мертвых зон, использование различных методов модуляции) с целью повышения эффективности системы и поддержания ее стабильности. Сочетание прогнозной и адаптационной функциональности в когнитивном программном подходе также рассматривается как динамический предиктор-адаптер (DPA). Термин “мертвые зоны” относится к тем возможностям спектра (частоты, временные интервалы, коды, уровни мощности), которые не используются выделенными абонентами и могут быть использованы другими абонентами до тех пор, пока выделенные абоненты не почувствуют воздействие или значительные помехи. Следует отметить, что ряд абонентов мог бы эффективно работать при определенных помехах, в частности если эти помехи находятся ниже определенного уровня, например, в системах множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA).

В динамическом предикторе-адаптере используется архитектура иерархического управления (Фиг.4), обеспечивающая выделение и использование спектра. Архитектура содержит два основных блока - предиктор 36 и адаптер 52. Предиктор 36 постоянно отслеживает охарактеризованные мертвые зоны и прогнозирует их характеристики в будущем. Адаптер 52 выполняет три отдельные функции - синтезирование 38, оптимизацию 40 и выделение 48, 50.

Функция синтезатора 38 предназначена для комбинирования расчетных мертвых зон (например, полос частот, временных интервалов, кодов) в каналы связи. Каналы состоят из единичных или нескольких мертвых зон, отвечающих определенным критериям (например, уровни качества и класса предоставляемых услуг передачи данных и т.д.). Оптимизатор 40 определяет наилучший комплект каналов, анализируя уровни качества и класса предоставляемых услуг передачи данных, обратную связь по предыдущим попыткам, внешние радиоусловия и координацию с соседями. Распределитель 48, 50 устанавливает соответствие оптимизированных комплектов каналов сообщениям и радиоресурсам (форма волны, модуляция, кодирование и т.д.). Требуемый процесс принятия решения в адаптере 52 для создания каналов из мертвых зон и установления соответствии каналов сообщениям и радиоресурсам, осуществляется с использованием многомодельного уровня принятия решений. Для передачи сильно уплотненных и пакетированных сообщений используется способ передачи с метадоступом. Способ передачи с метадоступом обеспечит оперативный обмен информацией сообщений между узлами в сети при оптимальном использовании спектра и радиоресурсов. Общий процесс является динамичным ввиду непрерывного использования обратной связи в сочетании с данными о состоянии среды, поступающими от измерительных и характеризующих элементов, с целью принятия решения относительно путей более эффективного использования мертвых зон спектра.

Структура иерархического управления адаптера 52 обеспечивает оперативное реагирование на изменяющиеся нужды связи, поддерживая при этом стабильность в сети. Контур медленного управления (контур 1 - медленный контур, или контроллер внешнего контура (цикла)) контролирует и обновляет данные списка каналов, доступных для использования конкретными узлами, и медленно изменяет распределение выделенных каналов по отношению к каналам с произвольным доступом исходя из качества и класса предоставляемых услуг передачи данных и требований пропускной способности данных. Медленный контур производит проверку на некоторую повторяемость ухудшающегося состояния каналов, прежде чем исключить эти каналы. Ожидание в течение более длительного интервала времени до принятия действий обеспечивает стабильность системы. Контур оперативного управления (уровень 2 -оперативный контур, или распределитель внутреннего контура (цикла)) использует информацию обратной связи для оперативной адаптации к изменениям характеристик каналов путем модификации параметров сигналов и пакетирования сообщений. Временные интервалы, предусмотренные для контуров уровня 1 и уровня 2, составляют номинально 1 секунду и 10 миллисекунд, соответственно. Эти временные интервалы были выбраны в качестве примера исходя из необходимости оперативной адаптации, обеспечивая при этом сохранение стабильности системы. Сохранение исключительно короткого временного интервала для оперативного контура (например, 10 миллисекунд) позволит ДПА максимально использовать мертвые зоны, сократить до минимума потери радиоресурсов, время ожидания и предотвратить исключение неотосланных сообщений, не вызванное необходимостью. С другой стороны, контуру медленного управления (например, 1 секунда) потребуется только включить в себя (объединить) изменения при существенном изменении состояния, что вызывает необходимость изменения структуры синтезирования и оптимизации каналов. Этот временной интервал в большей степени зависит от изменений входного трафика и перемещения абонентов.

Выделение каналов может происходить автономно или неавтономно (коллективно) с другими узлами. Оптимизатор 40 и распределители 48, 50 совместно анализируют расчетные данные спектральной среды, радиоресурсы и очереди сообщений с целью определения возможности выделения требуемых каналов (например, ими выявляются определенная неиспользованная пропускная способность канала, ряд сообщений с длительной задержкой передачи и незначительной активностью в среде), либо определяют необходимость неавтономного использования информации с соседними узлами. Исходя из этой информации, узел может принять решение о передаче сообщений, имея достоверную информацию о том, что он располагает более чем достаточной пропускной способностью канала для удовлетворения требований качества и класса предоставляемых услуг передачи данных сообщений. Такое выделение является автономным выделением. Это, в частности, относится к случаю, когда узел первым входит в среду. При изменении состояния среды (слишком большое количество потерянных сообщений, повышенная активность, более низкая пропускная способность канала) адаптер 52 произведет изменение параметров и будет использовать обратную связь и обмениваться информацией с соседями. В этом случае узел будет использовать информацию от своих соседей для равнодоступного выделения каналов (в рамках любых приоритетных направлений) и обеспечит определенные возможности для узлов в сети осуществить передачу. Такое выделение называется неавтономным выделением. На Фиг.4 показана (слегка заштрихованный блок) функциональность многоабонентского полномочного управления доступом, применимая при определении того, следует ли в процессе оптимизации использовать автономный или коллективный режим. В целом адаптер обеспечивает динамическую адаптацию к условиям среды путем определения наиболее эффективного режима (например, автономный, коллективный, сочетание двух режимов) и оптимального использования ресурсов.

На Фиг.5А-5В показан пример функциональности DPA. На Фиг.5А-5В показана методология, используемая DPA, для обнаружения мертвых зон в их среде, синтезирования мертвых зон в каналы связи, оптимизации наиболее эффективных конфигураций каналов, выделения каналов и, наконец, сопоставления каналов с сообщениями и радиоресурсами в целях установления связи. На этом чертеже с помощью сетки мертвых зон 2D демонстрируется функционирование DPA. На Фиг.5А-5В представлен временной интервал в 25 миллисекунд. Центр - заштрихованная темным цветом клетка в каждой сети -представляет собой фактическую периодичность использования конкретной ширины полосы частот и времени неабонентом. Слегка заштрихованные клетки представляют собой необнаруженные мертвые зоны, в то время как клетки, маркированные заглавными буквами, представляют собой мертвые зоны, которые были обнаружены и спрогнозированы DPA.

В целях пояснения узел способен обнаружить двадцать имеющихся мертвых зон спектра в среде за временной интервал в 25 миллисекунд. Восемь из двадцати исключаются по различным причинам (например, слишком короткий временной интервал, предшествующее изменение) в предикторе 36, в то время как оставшиеся 12 мертвых зон используются для объединения в каналы. Синтезатор 38 создает шесть каналов, состоящих либо из двух мертвых зон на канал, либо одной мертвой зоны на канал (Фиг.5В). Оптимизатор 40 просматривает синтезированные каналы и определяет, что условия среды позволят использовать все шесть мертвых зон (Фиг.5С). Четыре из мертвых зон будут использованы первыми, исходя из их характеристик, в то время как две мертвые зоны будут использованы в качестве резервных. Резервные каналы обеспечивают адаптацию, - если установление связи по любому из первых четырех каналов не является успешным или появляются выделенные абоненты, то происходит переключение на резервные каналы. Распределитель 48 сопоставляет первое сообщение с двумя мертвыми зонами, а второе и третье сообщение - с двумя другими мертвыми зонами (Фиг.5D), соответственно. Передача первого и второго сообщений является успешной, а третьего - неуспешной, и, следовательно, распределитель адаптируется путем успешной повторной передачи, используя один из резервных каналов (Фиг.5 Е). По завершению этой последовательности операций пять каналов были успешно использованы для установления связи. В течение этого периода времени в среде спектра находился один выделенный абонент, обнаруженный узлом.

При условии, что в течение 100-миллисекундного периода времени (четыре 25-миллисекундных интервала) в выделенной полосе в среде находился только один и тот же абонент, и приложение было в состоянии неоднократно и успешно использовать пять из двадцати мертвых зон в каждом 25-ти миллисекундном интервале, в целом происходит двадцатикратное увеличение использования спектра с помощью DPA.

На Фиг.5 проиллюстрировано прогнозирование (когнитивный аспект). На сетке показаны оценки предиктора относительно того, какие мертвые зоны спектра будут доступны для передачи в следующем временном интервале (длительностью 25 миллисекунд). Каждая мертвая зона характеризуется частотой и временной длительностью (например, 20 МГц ширины полосы частот при 880 МГц в течение 50 миллисекунд). Другие характеристики канала, такие как уровень мощности, также могут быть включены с целью повышения степени контроля. Для упрощения мы допускаем, что мертвые зоны периодически повторяются, как показано на схеме.

На Фиг.5В проиллюстрировано синтезирование. Далее DPA синтезирует мертвые зоны в каналы. Эти синтезированные каналы показаны на чертеже утолщенными линиями. Синтезатор комбинирует каналы А и D в 1 канал и В и Е во второй канал, оставляя при этом С, Н и I в качестве индивидуальных мертвых зон, называемых каналами.

На Фиг.5С проиллюстрирована оптимизация (первый программный уровень). В этой части DPA производится оценка использования тех каналов, которые могут обеспечить наиболее эффективную связь при минимальных ресурсах. Плотность мертвых зон является достаточно незначительной, и условия в среде являются достаточно легкими для того, чтобы оптимизатор выделил все каналы для себя. В конце процесса оптимизации определяется, что В и Е, Н и I являются наиболее эффективными каналами и должны использоваться первыми, в то время как С и К являются каналами произвольного доступа (резервными), которые предусматривается использовать при необходимости для удовлетворения требований по качеству и классу предоставляемых услуг передачи данных. Другие каналы являются неудовлетворительными для использования в этот момент времени и исключаются. Двойные границы и подчеркнутые буквы в клеточках представляют оптимизированный комплект каналов.

На Фиг.5D проиллюстрировано выделение (второй программный уровень). DPA устанавливает связь с помощью мертвых зон В и Е для первого сообщения, а затем использует Н для второго сообщения и I для третьего сообщения. По I не получено подтверждения в отношении третьего отосланного сообщения, таким образом С используется для повторной отправки сообщения, и передача сообщений является успешной. Таким образом, 5 из 12 доступных мертвых зон были использованы для передачи сообщений в течение 25-ти миллисекундного временного интервала.

На Фиг.5Е проиллюстрирована обратная связь. Неоднократный срыв передачи по мертвой зоне I передается по каналу обратной связи через контуры управления, и мертвая зона I не учитывается в будущем синтезатором или оптимизатором. Успех при использовании В, Е, Н и С позволяет использовать их в качестве надежных каналов (по отдельности или в сочетании с другими мертвыми зонами) при их появлении.

Предиктор 36 решает проблему по проведению успешной оценки использования спектра в среде. Он предпринимает попытки точно и оперативно предсказать пространственно-временные радиочастотные спектральные характеристики канала почти на постоянной основе по географическому региону, представляющему интерес для радиосистемы. Используя входные данные от считывающих и характеризующих функций 34, предоставляющих информацию о характеристиках использования спектра, предиктор производит оценку перспективного использования спектра. Прогноз мертвых зон производится в спектре, используемом как коммуникационными и радиочастотными сенсорами, так и сигналами, например, телевидения, военной связи, каналов передачи данных, сотовой связи и радиолокации. Спектр, выделенный радиолокатором, может быть полностью не использован в рамках крупных географических районов. Типовая сканирующая или импульсная РЛС имеет короткий рабочий цикл и большие временные мертвые зоны в частотном диапазоне работы. Эти мертвые зоны могли бы быть спрогнозированы с определенной степенью достоверности и использованы для передачи. При использовании спектральных и временных мертвых зон РЛС необходимо рассматривать влияние значительных боковых лепестков/задних лепестков с целью обеспечения того, чтобы мощность в этих боковых лепестках/задних лепестках не заглушала передачу данных.

Использование спектра является функцией времени, частоты и местоположения. В любой момент времени единичный абонент передает сигнал с определенной полосой частот и центральной частотой. Этот сигнал затухает с расстоянием от источника в соответствии с местными условиями прохождения сигнала. Следовательно, в определенном месте в пространстве различающиеся уровни мощности присутствуют в размерностях (уровнях) времени и частоты. Наблюдения разделяются на временные элементы, классифицируемые либо как занимаемые, либо как доступные в соответствии с определенным комплектом показателей (например, уровень мощности, рабочий цикл и т.д.). Наблюдаемая энергия рассчитывается для каждого элемента путем сканирования установленной ширины полосы частот канала для определенного времени дискретизации. Этот уровень мощности сравнивается с определенным порогом уровня мощности, и вся наблюдаемая ширина полосы частот классифицируется как “занимаемая” или доступная для длительности дискретизации. Этот процесс представляет собой первую процедуру при выборе мертвых зон, которые далее синтезируются в каналы для передачи сигналов.

На Фиг.6 данные наблюдаемого использования спектра, которые были определены и охарактеризованы, подаются в предиктор 36 в точке А. Далее производится классификация наблюдаемых мертвых зон спектра с целью определения того, являются ли характеристики детерминистскими, стохастическими или смешанными по своему характеру. Исходя из этой классификации, данные о наблюдаемых мертвых зонах подаются в соответствующий тип модели. Тип модели позволяет извлекать в точке В конкретные параметры, более точно описывающие характеристики формы волны (например, рабочий цикл, амплитуда и т.д.), и направлять их в устройство оценки последовательности. Устройство оценки последовательности спрогнозирует характеристики формы волны для данного интервала времени в будущем на основе предшествующих наблюдений. Полученная оцененная последовательность и степень достоверности оценки генерируются в точке С для каждой модели. Следует отметить, что для некоторых классификационных моделей пропускается этап извлечения параметров в пользу немедленной оценки последовательности. Различные оцененные последовательности и показатели достоверности подаются в блок выбора моделей для получения прогнозных временных интервалов в канале в точке D.

Основная задача предиктора 36 - определение различных типов моделей прогнозирования, оценка точности прогнозирования в отношении различных основных характеристик использования каналов, определение оценок соответствующей достоверности и разработка способов для выбора приемлемой модели. Ниже приведенные классы моделей прогнозирования (типы моделей) включают:

- Простые “основанные на инерции” способы, обеспечивающие отслеживание рабочего цикла использования канала по временной шкале, составляющей, по меньшей мере, несколько секунд, и позволяющие допускать, что “канал, находящийся в использовании, имеет тенденцию оставаться используемым”, а “свободный канал, имеет тенденцию оставаться свободным”. В данном случае экспоненциальное затухание с единичным настраиваемым параметром является простым примером, который может быть использован для прогнозирования временного интервала.

- Периодические способы, допускающие периодическое использование спектра по определенной временной шкале, для обеспечения неавтономного использования спектра. Примером, в котором такие способы нашли бы применение, является наземная РЛС со сканированием по азимуту.

- Способы, основанные на фильтрации, в которых временные ряды доступности спектра подвергаются цифровой фильтрации для извлечения основных параметров, которые могут быть использованы для прогнозирования будущих значений. Частота временных интервалов, или циклов, или субгармоники могут хорошо согласовываться с этим типом моделей.

- Способы прогнозирования временных рядов, которые были использованы для успешного прогнозирования будущих значений сложных временных рядов, основанных на прошлых наблюдениях. С помощью этого типа модели могут отслеживаться сложные распределенные временные интервалы с многостанционным доступом временным разделением каналов (TDMA).

- Спектральные способы, в соответствии с которыми информация о спектральной форме и (или) ширине полосы частот используется для повышения прогнозных значений и оценки достоверности относительно темпов изменения доступности спектра. Это, в частности, полезно в тех случаях, когда имеется более полное понимание изменений спектра. Наиболее эффективно можно прогнозировать спектры телевизионных каналов с использованием этого способа (в рамках некоторых пределов неопределенности).

- Функционирование предиктора 36 основывается на концепции классификации ошибок прогнозирования интервалов времени по “столкновениям” (то есть спрогнозирован несуществующий интервал) и по “упущенным возможностям” (то есть невозможность спрогнозировать доступные мертвые зоны). Поскольку основной целью является максимальное использование спектра при сокращении до минимума влияния на существующих пользователей спектра, необходимо найти компромисс между столкновениями и упущенными возможностями. С целью оценки характеристик модели необходимо измерить вероятность столкновений и упущенных возможностей по отношению к широкому диапазону временных и спектральных характеристик. Оценки достоверности будут получены на основе сочетания “критериев согласия” наблюдений по допущениям каждого типа моделей (например, для периодической модели происходит изменение длительности интервала) и критериев эффективности столкновений/упущенных возможностей. Оценки достоверности будут монотонно снижаться в зависимости от того, в какой степени заранее будет спрогнозирована доступность каналов.

В способы прогнозирования будет включена долгосрочная и краткосрочная динамика использования спектра с целью повышения точности прогнозирования модели и снижения вычислительной нагрузки. В тех случаях, когда имеется недостаточная информация об использовании каналов, например при инициализации, для охарактеризования поведения интервала спектра потребуются многочисленные типы моделей. По мере поступления большего количества информации о канале возникнет необходимость в использовании только конкретных типов моделей для обеспечения более оперативного сведения к нужным характеристикам. Такая методология анализа позволит провести оценку полезности различных классов алгоритмов прогнозирования интервала и обеспечит оценку достоверности для различных характеристик использования каналов с целью более простого выбора модели.

Синтезатор/оптимизатор (S-O) 38, 40 образуют основную часть DPA. На Фиг.7 основная функция этого компонента заключается в пакетировании расчетных мертвых зон в каналы, которые могут быть использованы в целях установления связи, и далее для оптимизации каналов, как выделенных каналов, каналов с произвольным доступом или гибридных каналов с целью динамического удовлетворения нужд в ожидаемой связи. Оптимизатор 40 также принимает решения о типе согласовании - автономных или неавтономных, - которые необходимо провести с соседями в сети для достижения наиболее эффективного использования ресурсов. Пакетирование передаваемой информации производится с использованием способа передачи с метадоступом, в то время как решения относительно того, какие условия вызывают необходимость автономной или неавтономной работы с дружественными абонентами, принимаются многоабонентским полномочным управлением доступом. S-O 38, 40 представляют собой основной механизм адаптации DPA.

Предиктор 36 предоставляет список свободных интервалов или мертвых зон, при этом каждая зона определена по конкретной частоте, ширине полосы частот и критерию времени. Таким образом, спектральная мертвая зона могла бы включать 10 МГц ширину полосы частот в 900 МГц спектре (900-910 МГц), который не используется для 10 миллисекунд и занят в течение других 90 миллисекунд выделенными пользователями во временном интервале в размере 100 миллисекунд. Временные критерии могут изменяться от чисто детерминистических (например, конкретное время инициирования и длительность следующей мертвой зоны) до чисто произвольных (например, ожидаемая частота возникновения мертвых зон, ожидаемая наиболее краткая длительность мертвой зоны). Гибридные каналы создают промежуточные варианты (например, конкретное время инициирования и чередование с потерей мощности при наличии столкновений). Синтезатор 38 каналов пакетирует эти отдельные прогнозы частоты в прогнозы каналов, включающие список используемых частот (например, последовательные, параллельные, смешанные), ширину полосы частот, используемую в каждой частоте, и релевантные временные возможности. Для этого используется процесс сопоставления с образцом, то есть поиск конкретного сочетания доступных ресурсов в течение определенного периода времени и их появление в образце, обеспечивающем необходимую пропускную способность. Конкретные радиохарактеристики (пропускная способность) и предположительные и (или) наблюдаемые факторы среды используются для синтезирования списка подходящих каналов. Более того, синтезатор 38 должен адаптироваться к нуждам качества и класса предоставляемых услуг передачи данных и наблюдениям, полученным по обратной связи на различных каналах. Распределенный канал, по которому не происходит успешной передачи в течение ряда последовательных попыток, исключается из текущего использования. Мертвая зона, не находящаяся в списке распределения каналов, не используется.

Эффективный подход к конфигурированию доступных и расчетных мертвых зон в каналы обеспечивает изучение характеристик каждой мертвой зоны и определение ее возможностей. Исходя из характеристик мертвой зоны, одна или несколько мертвых зон будут сгруппированы в каналы для использования в процессе оптимизации. Этот процесс описан в общих чертах ниже.

Обозначим выходные данные (последовательность мертвых зон) из предиктора как f_l..n(t). Каналы связи состоят из конкретных сочетаний этих мертвых зон в конкретные периоды времени. Могут быть приемлемыми различные подходы к синтезированию каналов. В соответствии с самым простым подходом каждая мертвая зона f_i принимается как канал и прогнозируется доступность. Это явно является самым простым набором логики решений, применимым к данной функции. Тем не менее, нередко более эффективным является выделение нескольких мертвых зон в целях пропускной способности. Таким образом, на следующем уровне сложности будут рассматриваться сочетания из двух или более мертвых зон f_i, но совпадающих по времени. Более того, каждая f_i является элементом только одного набора. Далее определяется доступность конкретного канала путем простого сочетания f_i в наборе (уравнение 1):

Более эффективное использование спектра достигается путем рассмотрения нескольких сочетаний f_i и использования временных сдвигов. Таким образом, f₁ могла бы быть использована в течение первых 12-ти µс канала, за которым последовала бы f₂ в течение определенного периода и т.д. Далее рассмотрим использование f₁ в сочетании с рядом других элементов не исключительно, откладывая решение до более позднего времени, до которого использование является оптимальным. Такой более общий подход вносит комбинаторную сложность для достижения потенциально более эффективного использования спектра.

Оптимизатор 40 поддерживает список каналов (состоящих из отдельных расчетных мертвых зон или набора расчетных мертвых зон) для их использования радиосвязью. Основной функцией оптимизатора является обеспечение доступности соответствующих каналов для распределителя с целью поддержания качества и класса предоставляемых услуг передачи данных. Он осуществляет распределение каналов как выделенных каналов, каналов с произвольным доступом или гибридных каналов на основе ограничений качества и класса предоставляемых услуг передачи данных, прошлой динамики и иных критериев. Недостаточное распределение каналов оптимизатором снижает местное (узловое) качество и класс предоставляемых услуг передачи данных ввиду частичной передачи или исключения сообщений ввиду времени простоя. Избыточное распределение выделенных каналов приведет к снижению качества и класса предоставляемых услуг передачи данных всей системы, так как все узлы могут связываться одновременно, в результате чего увеличиться количество столкновений.

На Фиг.8 проиллюстрирован метод закрытого контура, используемый оптимизатором 40 для категоризации синтезированных каналов на различные типы. Метод основан на нескольких связанных элементах, и он является основным для функционирования DPA. Фундаментальные допущения в этом методе заключаются в том, что 1) частота поступления сообщения и мертвой зоны является в целом произвольной и 2) состояние всех очередей сообщений соседних узлов в целом не является известным в достаточной степени. Следовательно, глобальная оптимизация в реальном времени использования канала (мертвой зоны) явилась бы слишком сложной в плане вычислений и трудоемкой. Первоочередная цель общего управления, и оптимизатора 40, заключается в достижении качества и класса предоставляемых услуг передачи данных при доставке сообщения, определяемых параметрами задержки сообщения. Цель заключается в достижении качества и класса предоставляемых услуг передачи данных при одновременном поддержании эффективного использования доступной ширины полосы частот и обеспечении некоторого постепенного снижения рабочих характеристик по мере достижения и превышения нагрузки общей пропускной способности.

Основная функция оптимизатора 40 заключается в динамической корректировке пропускной способности запрашиваемого выделенного канала, nD, и она пояснена уравнением на фиг.8 (клеточка запроса выделенного канала). В данном случае требование динамически корректируется на основе средней частоты поступления сообщения в очередь в течение определенного периода времени и увеличивается, исходя из задержки (резервирования) сообщений в очереди. Далее оптимизатор 40 определяет комплект каналов, которые в совокупности соответствуют этой пропускной способности. Исходя из характеристик каналов и других факторов, канал может быть выделенным каналом (то есть используется первым для передачи), либо каналом произвольного доступа (то есть используется только при необходимости). Определение выделенных каналов по отношению к каналам произвольного доступа производится автономно или - при включении информации от соседних узлов - неавтономно. Большое количество мертвых зон и небольшое количество сообщений обеспечили бы автономную работу каждого узла без дополнительных организующих операций взаимодействия, в то время как меньшее количество мертвых зон потребовало бы в некоторой степени использования коллективной информации узлами с целью обеспечения равнодоступности и поддержания пропускной способности.

Существуют компромиссные решения, предусматривающие дополнительную пропускную способность, используемую при обмене информацией, чтобы предпочтение отдавалось “интеллектуальным” методам распределения и выбора каналов, работающим в автономном режиме или при незначительных дополнительных организующих операциях.

В случае автономного выделения каналов для ресурсов и сообщений может возникнуть состояние, при котором узел располагает несколькими каналами с одинаковыми или подобными характеристиками с возможностью выбора для установления связи, и ресурсы могли бы быть использованы для определения наиболее эффективного из этих каналов. Процесс оптимального выбора каналов может быть предназначен для произвольного выбора практически равноценных по эффективности каналов (и для дополнения инерциальных эффектов для сокращения до минимума бесполезных изменений).

Способ передачи с метадоступом используется для экономичного и эффективного пакетирования информации (например, сообщений, данных, информации каналов и т.д.). К данным сообщения может быть прикреплена информация о среде (например, доступные, используемые каналы, очередь сообщений и т.д.) как часть этой передачи данных. Это позволит сократить дополнительные организующие операции в плане предупреждения получателя о том, что видит отправитель, ускорить установление очередности обслуживания в будущем, сократить время и ресурсы, необходимые для обратной связи, и согласования между соседями и экономии радиоресурсов и мертвых зон каналов, но это осуществляется только в том случае, когда условия среды требуют неавтономного выделения каналов.

Способ в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает динамичную адаптацию передачи информации, а также возможность соответствия протоколу с наилучшими компонентами для текущей формы волны, который может включать SDMA (множественный доступ с пространственным разделением каналов), DDMA, CSMA (множественный доступ с анализом состояния канала), TDMA (множественный доступ с временным уплотнением каналов), ВАМА и CDMA (множественный доступ с кодовым разделением каналов) или другие протоколы. На фиг.9 показан выборочный временной интервал для способа передачи данных с метадоступом. Схема обеспечивает использование как метода распределения, так и метода конкуренции при принятии решения о наиболее эффективной передаче информации.

При методе с метадоступом в целях передачи могут использоваться выделенные каналы или каналы с произвольным доступом. Ограничения и условия по задержке доступа встроены в протокол с целью предотвращения нестабильности. Это обеспечивает повторное использование ширины полосы пропускания по пространственным частотам в большем объеме. Эффективность этого метода напрямую зависит от количества мобильных узлов в сети. Протокол принимает решение относительно использования циркулярной (вещательной) передачи или однонаправленной передачи, исходя из таких различных критериев, как доступные каналы, предыдущее успешное/неудачное установление связи, трафик сообщений, уровни качества и класса предоставляемых услуг передачи данных, задержка и т.д. Таким образом, единообразное обеспечение двухточечного и многоточечного трафика будет являться частью этого метода.

Правильное представление возможностей канала, инициация передачи данных и использование обратной связи о характеристиках для когнитивного выбора графика очередности обслуживания с включением неавтономного обмена информацией об очередности обслуживания с другими узлами будет непосредственно воздействовать на пропускную способность радиостанции, а также на использование ресурсов для установления связи.

На Фиг.10 проиллюстрирована структура многоабонентского полномочного управления доступом, позволяющая адаптеру 52 динамично принимать решения относительно установления связи с другими узлами в сети. Оптимизатор 40 анализирует различные факторы, такие как условия среды, радиоресурсы и очередь сообщений для принятия решения относительно необходимости или отсутствия необходимости согласования с соседними узлами вопроса о доступе канала. В случае ожидаемого бесконфликтного выделения и нескольких возможных каналов оптимизатор 40 принимает решение о передаче информации соседнему узлу без какого-либо взаимодействия. Если этот метод будет успешным, и изменение условий будет происходить достаточно медленно для обеспечения отслеживания такого изменения, оптимизатор будет и далее следовать этому маршруту. Это приведет к эффективному использованию ресурсов и спектра. Этот режим определен как автономная операция. В автономном режиме мертвые зоны выделенного доступа будут являться мертвыми зонами, использовавшимися для связи первыми, а вторыми - мертвые зоны произвольного доступа.

С изменением условий среды (например, начинается уменьшение плотности мертвых зон или увеличивается количество срывов связи и запросов на повторную передачу) оптимизатор 40 приступит к взаимодействию с соседними узлами. Оптимизатор проводит это взаимодействие в двух режимах - полуколлективный и полностью коллективный. В первом случае оптимизатор присоединит информацию о мертвых зонах спектра, имеющуюся в его местной неавтономной среде, к передаваемым сообщениям. Оптимизатор также может затребовать отправку назад определенной информации от приемника, как части подтверждения. Этот способ обмена информацией с низкой загрузкой позволяет оптимизатору 40 понять условия в других частях сети и принять более оптимальное решение относительно использования мертвых зон спектра и радиоресурсов для обеспечения связи. В этом режиме оптимизатор может принять решение об использовании только части своих мертвых зон выделенного доступа и разрешении другим узлам использовать некоторые из них. Он может также принять решение относительно увеличения использования мертвых зон произвольного доступа с целью сокращения задержек в сети.

Оптимизатор 40 переключается на полностью коллективный режим, когда наблюдается значительное сокращение доступности мертвых зон. В этом режиме местная информация о мертвых зонах спектра и “намерениях осуществить передачу” будет направлена в соседние узлы, а направленная обратно соседними узлами информация будет использована для определения равнодоступного коллективного использования мертвых зон спектра. Такой обмен информацией о мертвых зонах спектра позволяет каждому узлу определить в отношении каждой мертвой зоны, какие из них должны быть выделенными и какие должны быть произвольного доступа. В этом режиме выделенные мертвые зоны всегда используются первыми и, так как распределение выделенных мертвых зон по различным узлам было завершено, вероятность столкновений будет исключительно низкой. Необходимо осторожно использовать мертвые зоны произвольного доступа, поскольку может появиться возможность столкновения с последующей потерей ресурсов, так как многие из узлов могут принять решение об их одновременном использовании.

Оптимизатор 40 использует описанный выше способ с метадоступом для принятия решений относительно того, каким образом должна быть упакована информация об установлении очередности обслуживания (о планировании) с другой информацией сообщений в полуколлективном режиме. Тем не менее, при переключении оптимизатора 40 на полностью коллективный режим им также используется формат способа с метадоступом для упаковки информации исключительно о мертвых зонах, которые он наблюдает, и им принимается решение относительно того, каким образом они будут использоваться для установления связи.

Структура многоабонентского полномочного управления доступом поддерживает как нециркулярную, так и однонаправленную связь. Обмен информацией как в циркулярном, так и однонаправленном режимах будет кодирована в сжатом формате, представляющем имеющиеся возможности передачи в отношении времени, частоты, мощности и иных параметров. Режим циркулярной рассылки будет использоваться при необходимости прямой связи для разреженной сети, в то время как режим однонаправленной рассылки будет использоваться для поддержки оперативной прямой связи с низкой загрузкой.

Снова обратимся к Фиг.4, на котором распределители 48, 50 выполняют две основные функции: 1) согласование каналов с сообщениями, и 2) определение конкретных параметров формы волны, которые будут использоваться при каждой передаче. В этом случае снова используется структура принятия решений для определения наилучших возможностей согласования и соответствия. Распределители 48, 50 предназначены для решения следующих проблем:

1) Каналы перекрываются как по времени, так и по частоте.

2) Выбор каналов предусматривает постоянное прослушивание (детектирование и обратная связь) для определения изменяющихся состояний канала.

3) Каналы, выбранные для использования, могут характеризоваться более низким, чем ожидалось, качеством и классом предоставляемых услуг передачи данных ввиду ряда временных факторов, включающих одновременное использование смежными узлами и возможные помехи невзаимодействующих устройств. Комбинации каналов будут использоваться с целью обеспечения максимального качества и класса предоставляемых услуг передачи данных при тяжелых условиях нагружения среды.

Прогнозирующий распределитель (LAA) 48 сопоставляет текущие комплекты сообщений с приоритетом с каналами, доступными в следующих одном или двух 20-миллисекундных временных интервалах, и радиоресурсами, которые могут потребоваться для проведения успешной связи. Такое сопоставление является предварительным по характеру и, таким образом, оптимальное сопоставление не всегда является необходимым. В целом, каналы передачи являются стохастическими, передача некоторых сообщений может закончиться неудачей, и дополнительные сообщения с высоким приоритетом могут поступать через представляющий интерес интервал времени. Такое предварительное сопоставление используется для определения двух основных комплектов данных: первый - конкретные каналы, представляющие интерес, в которых следует детектировать возможности передачи, и второй - общая реализуемая стратегия выбора радиочастотных параметров и канала.

Прогнозирующий распределитель 48 получает входную информацию от оптимизатора 40, а также просматривает очередь 44 сообщений и создает соответствие между каналами связи и сообщениями. Это соответствие может быть “один к одному” (один канал для одного сообщения), “многие к одному” (несколько каналов для одного сообщения) и “многие к многим” (несколько каналов для нескольких сообщений). Два последних случая представляют особый интерес, так как роль прогнозирующего распределителя 48 является более стратегической по своему характеру. Прогнозирующий распределитель 48 обеспечивает оперативную адаптацию текущего распределителя 50 к изменяющимся условиям среды, таким как отсутствие расчетного канала, неоднократные срывы передачи, требования на повторную передачу и т.д. Предоставление более широкого набора возможностей для их применения позволяет значительно повысить адаптивную способность, а также программную гибкость радиоустройства-распределителя. Этот способ обеспечивает повышение эффективности при динамическом использовании спектра.

Прогнозирующий распределитель 48 постоянно производит пересчет количества каналов, необходимых для удовлетворения требований очереди сообщений. Благодаря этому он оперативно определяет слишком высокую скорость образования очереди сообщений, и ему необходимо подать сигнал предупреждения оптимизатору 40 относительно изменения структуры разделения выделенных мертвых зон и мертвых зон произвольного доступа путем согласования с соседними узлами. Количество каналов, необходимых для данной длины очереди сообщений, может быть определено по формуле 3:

где

- количество сообщений в очереди сообщений класса приоритетности k, λ_k - частота поступлений сообщений класса приоритетности k,

- средний второй момент времени обслуживания для обработки требований класса k и ρ_k - использование системы для класса приоритетности k. В данном случае основное допущение заключается в том, что процесс выделения является неприоритетным. Обозначим С общее количество доступных каналов для прогнозирующего распределителя 48, обеспечиваемых оптимизатором, а М - длину очереди сообщений, определенную по уравнению 4.

Далее, до тех пор, пока С≥М, сообщения не будут исключаться. В данном случае допущение заключается в том, что для каждого сообщения требуется выделенный или произвольный канал. При С<М существует вероятность того, что для ряда сообщений (с низким приоритетом или уровнями качества и класса предоставляемых услуг передачи данных, которые сложно достичь) канал вообще не будет предоставлен, или эти сообщения столкнуться с чрезмерной задержкой и в результате этого могут быть исключены. Однако архитектура DPA обеспечивает настройку параметров таким образом, что вероятность исключения сообщений из очереди сообщений может быть снижена до минимума. Такая настройка достигается через контуры оперативной и медленной обратной связи, которые всегда распознают изменения среды и корректируют синтезирование и оптимизацию каналов.

Прогнозирующий распределитель 48 допускает, что список каналов (выделенных и произвольного доступа), представленный оптимизатором 40, соответствует определенным избирательному поиску информации (SIR) и уровням качества и класса предоставляемых услуг передачи данных. Архитектура DPA является достаточно гибкой и обеспечивает динамическое разделение общего количества каналов на различные группы, при этом каждая группа предназначена для конкретного применения (приложения), например, приложение, толерантное к задержкам, либо приложение, не толерантное к задержкам.

На Фиг.11 проиллюстрирован алгоритм для архитектуры прогнозирующего распределителя. Алгоритм выполняет следующие шаги:

- Просматривает очередь сообщений для выбора корректного сообщения.

- Согласовывает выделенные каналы с сообщениями. Направляет требование на большее количество каналов из оптимизатора при необходимости.

- Определяет соответствие канала С(к) сообщению М(к).

- При определении хорошего соответствия каналу и сообщению присваивается ярлык (таг). Если соответствие не является приемлемым, то при присвоении ярлыка также присваивается ранжир.

- Соответствия каналов и сообщений передаются в распределитель текущих каналов (СА).

- С помощью комплектов соответствий, поступивших в СА, производится обновление структуры списка прогнозирующего распределителя.

Распределитель текущих каналов (СА) 50 обеспечивает окончательное соответствие сообщений радиоресурсам таким образом, чтобы было обеспечено эффективное достижение или приближенное достижение общих целей системы. СА 50 рассчитывает оптимальные параметры из буфера текущих сообщений и всех возможных мертвых зон, которые могут быть использованы в последующем. Задача распределителя каналов в архитектуре DPA заключается в обеспечении максимального увеличения количества удовлетворенных абонентов в рамках доступной ширины полосы частот беспроводной связи.

СА 50 эффективно обрабатывает требования по качеству обслуживания трафика и использует их для приоритизации передачи. Учитывая меньшую пропускную способность по сравнению с загрузкой, СА может быть не в состоянии равнодоступно выделить ресурсы для удовлетворения всех нужд передачи. В крайних случаях некоторые сообщения могут остаться в буфере сообщений и превысят лимит времени. Это условие детектируется на основании большого различия между текущей выделенной пропускной способностью и как средними, так и пиковыми нагрузками. По мере того, как спектр становится доступным, происходит корректировка управления уровня 1 путем увеличения предоставления выделенных мертвых зон. Сочетание управления оперативного контура (например, 10 мс) и управление медленного контура (например, 1 с) обеспечивает баланс между оптимизацией качества и класса предоставляемых услуг передачи данных и выполнением процесса с целью обеспечения равного доступа ко всем узлам и сообщениям.

Основной алгоритм для СА 50 изучает маркированные пары сообщений, полученные с прогнозирующего распределителя 48, и сопоставляет с парой требуемых радиоресурсов (форма волны, модуляция, кодирование и т.д.) для завершения успешной связи. Затем он направляет запрос радиоустройству на передачу данных по выделенному каналу. При отсутствии связи ввиду нескольких возможных причин, например, изменения радиочастотных характеристик канала, недоступности расчетного канала, ухудшения качества канала и т.д., в этом случае СА 50 определяет наличие других альтернативных каналов, способных соответствовать требованиям качества и класса предоставляемых услуг передачи данных сообщений без превышения лимита времени. Если СА 50 способен определить альтернативные каналы, то далее происходит повторное выделение каналов и обновление списков в СА и прогнозирующем распределителе. При отсутствии такой возможности сообщение исключается из очереди. Синтезатор 38, оптимизатор 40 и прогнозирующий распределитель 48 получают предупредительный сигнал об этом(-их) событии(-ях), что позволяет произвести изменения в структуре каналов и их выделении для будущих попыток установления связи.

Вернемся снова к Фиг.1, на которой сеть для динамического использования радиоресурсов включает открытый интерфейс, обеспечивающий коллективное использование ресурсов. Кроме того, сеть обладает способностями составления счетов и аутентификацией, а также располагает базой данных коллективного пользования.

В целях моделирования использования радиоресурсов требуется предварительно определенная информация о существующем использовании ресурсов на основе местоположения и времени. Также требуется информация о частоте, пространственно-временных зависимостях для моделирования обмена и распределения радиоресурсов с использованием существующих систем.

Абонентские пункты 10 беспроводной связи могут представлять собой адаптивные радиостанции способные обрабатывать большие ширины полосы частот и несколько протоколов. Сеть имеет возможности выделять ресурсы по запросу, используя радиостанции способные оперировать различными протоколами и служить центром обмена информацией для баз данных коллективного пользования.

Несмотря на то, что предпочтительный пример осуществления настоящего изобретения был проиллюстрирован со ссылкой на прилагаемые чертежи, и его описание приведено выше, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается этими описанными примерами, и в отдельные части и элементы могут быть внесены многочисленные изменения и дополнения, которые не выходят за пределы сущности изобретения.

Claims (25)

1. Система для динамического использования радиоресурсов, включающая:
измерительный модуль, предназначенный для контроля одного или нескольких ресурсов беспроводной связи и генерирования данных о ресурсах беспроводной связи;
прогнозирующий модуль, предназначенный для прогнозирования возникновения одной или нескольких мертвых зон в один или несколько будущих периодов времени, используя данные о ресурсах беспроводной связи, при этом мертвая зона, включающая возможность беспроводной связи, при которой один или несколько ресурсов беспроводной связи выделяется одному или нескольким первым абонентам, временно доступна для беспроводной связи одному или нескольким вторым абонентам, при этом прогнозирующий модуль дополнительно предназначен для генерирования данных о прогнозировании мертвых зон;
синтезирующий модуль, предназначенный для создания одного или нескольких каналов беспроводной связи из одной или нескольких расчетных мертвых зон и генерирования данных синтезирования каналов, используя данные о прогнозировании мертвых зон;
селекторный модуль, предназначенный для получения данных, отображающих обратную связь от одной или нескольких предыдущих попыток беспроводной связи, и данных, отображающих одно или несколько состояний сети, и для выбора на основании полученных данных и данных синтезирования каналов одного или нескольких конкретных каналов беспроводной связи из одного или нескольких созданных каналов беспроводной связи, при этом селекторный модуль дополнительно предназначен для генерирования данных выбора каналов беспроводной связи;
модуль распределения, предназначенный для подачи на радиоустройство команды установить связь, используя один выбранный канал беспроводной связи или несколько конкретных каналов беспроводной связи, на основании данных выбора каналов беспроводной связи; и модуль прекращения связи, предназначенный для подачи на радиоустройство команды на прекращение использования одного выбранного канала беспроводной связи или нескольких конкретных каналов беспроводной связи после завершения связи.

2. Система по п.1, в которой модуль выбора дополнительно предназначен для определения одного или нескольких резервных каналов беспроводной связи из одного выбранного канала беспроводной связи или нескольких конкретных каналов беспроводной связи на основании одной или нескольких характеристик канала беспроводной связи.

3. Система по п.1, в которой модуль распределения дополнительно предназначен для подачи команды на радиоустройство на установление связи, используя один или несколько заново выбранных каналов беспроводной связи, в ответ на одно или несколько изменений одного или нескольких состояний сети.

4. Система по п.1, в которой один или несколько ресурсов беспроводной связи контролируются в отношении одного или нескольких уровней мощности, частоты и времени.

5. Система по п.1, в которой модуль распределения предназначен для подачи команды на радиоустройство на установление связи, используя один выбранный канал беспроводной связи или несколько конкретных каналов беспроводной связи в течение выделенного периода времени.

6. Система по п.1, в которой модуль распределения дополнительно предназначен для подачи команды на радиоустройство на передачу единицы данных, используя один выбранный канал беспроводной связи или несколько конкретных каналов беспроводной связи.

7. Система по п.1, в которой возникновение одной или нескольких мертвых зон в один или несколько будущих периодов времени прогнозируется с помощью одного или нескольких следующих способов:
инерционного способа;
периодического способа;
способа, основанного на фильтрации;
способа прогнозирования временных рядов и спектрального способа.

8. Система по п.1, в которой канал беспроводной связи создается из одной или нескольких мертвых зон с использованием способа сопоставления с эталоном характеристик.

9. Система по п.1, в которой одно или несколько состояний сети включают качество и класс предоставляемых услуг передачи данных и использование одного или нескольких ресурсов беспроводной связи одним или несколькими узлами сети.

10. Система по п.1, в которой один или несколько ресурсов беспроводной связи включает один или несколько из одного или нескольких следующих показателей: полос частот, временных интервалов, кодов и уровней мощности.

11. Система по п.1, в которой мертвая зона включает один или несколько из одного или нескольких следующих показателей: полос частот, временных интервалов, кодов или уровней мощности.

12. Система по п.1, в которой созданный канал беспроводной связи включает одну или несколько мертвых зон, соответствующих одному или нескольким критериям.

13. Способ для динамического использования радиоресурсов, включающий:
мониторинг одного или нескольких ресурсов беспроводной связи;
генерирование данных о ресурсах радиосвязи;
прогнозирование возникновения одной или нескольких мертвых зон в один или несколько будущих периодов времени на основании использования данных о ресурсах радиосвязи, при этом мертвая зона, включающая возможность беспроводной связи, при которой один или несколько ресурсов беспроводной связи выделяется одному или нескольким первым абонентам, временно доступна для беспроводной связи одному или нескольким вторым абонентам;
генерирование данных о прогнозировании мертвой зоны;
создание одного или нескольких каналов беспроводной связи из одной или нескольких расчетных мертвых зон на основании использования данных о прогнозировании мертвой зоны генерирование данных о синтезировании каналов;
прием данных, отражающих обратную связь от предыдущих одной или нескольких попыток беспроводной связи, и данных, отражающих одно или несколько состояний сети;
выбор одного или нескольких конкретных каналов беспроводной связи из одного или нескольких созданных каналов беспроводной связи на основании полученных данных и данных о синтезировании канала;
генерирование данных выбора канала беспроводной связи;
подачу команды на радиостанцию на установление связи с использованием одного выбранного канала беспроводной связи или нескольких конкретных каналов беспроводной связи на основании использования данных выбора канала беспроводной связи; и подачу команды на радиостанцию на прекращение использования одного выбранного канала беспроводной связи или нескольких конкретных каналов беспроводной связи после завершения передачи данных.

14. Способ по п.13, дополнительно включающий определение одного или нескольких резервных каналов беспроводной связи из одного выбранного канала беспроводной связи или нескольких конкретных каналов беспроводной связи на основании одной или нескольких характеристик канала беспроводной связи.

15. Способ по п.13, включающий подачу команды на радиоустройство на установление связи с использованием одного или нескольких заново выбранных каналов беспроводной связи в ответ на одно или несколько изменений одного или нескольких состояний сети.

16. Способ по п.13, в котором один или несколько ресурсов беспроводной связи контролируется по отношению к одному или нескольким следующим параметрам: уровню мощности, частоте и времени.

17. Способ по п.13, включающий подачу команды на радиоустройство на установление связи с использованием одного выбранного канала беспроводной связи или нескольких конкретных каналов беспроводной связи в течение выделенного периода времени.

18. Способ по п.13, включающий подачу команды на радиоустройство на передачу конкретной единицы данных, используя один выбранный канал беспроводной связи или несколько конкретных каналов беспроводной связи.

19. Способ по п.13, в котором возникновение одной или нескольких мертвых зон в один или несколько будущих периодов времени прогнозируется с помощью одного или нескольких следующих способов:
инерционного способа;
периодического способа;
способа, основанного на фильтрации;
способа прогнозирования временных рядов и спектрального способа.

20. Способ по п.13, в котором канал беспроводной связи создается из одной или нескольких мертвых зон с использованием способа сопоставления с эталоном характеристик.

21. Способ по п.13, в котором одно или несколько состояний сети включает качество и класс предоставляемых услуг передачи данных и использование одного или нескольких ресурсов беспроводной связи одним или несколькими узлами сети.

22. Способ по п.13, в котором один или более ресурсов беспроводной связи включает один или несколько из одного или нескольких полос частот, временных интервалов, кодов и уровней мощности.

23. Способ по п.13, в котором мертвая зона включает один или несколько из одного или нескольких следующих показателей: полос частот, временных интервалов, кодов или уровней мощности.

24. Способ по п.13, в котором созданный канал беспроводной связи включает одну или несколько мертвых зон, соответствующих одному или нескольким критериям.

25. Система для динамического использования радиоресурсов, включающая:
средства для мониторинга одного или нескольких ресурсов беспроводной связи;
средства для генерирования данных о ресурсах беспроводной связи;
средства для прогнозирования возникновения одной или нескольких мертвых зон в один или несколько будущих периодов времени на основании использования данных о ресурсах беспроводной связи, при этом мертвая зона, включающая возможность беспроводной связи, при которой один или несколько ресурсов беспроводной связи выделяется одному или нескольким первым абонентам, временно доступна для беспроводной связи одному или нескольким вторым абонентам;
средства для генерирования данных о прогнозировании мертвой зоны;
средства для создания одного или нескольких каналов беспроводной связи из одной или нескольких расчетных мертвых зон на основании использования данных о прогнозировании мертвой зоны;
средства для генерирования данных о синтезировании каналов;
средства для приема данных, отражающих обратную связь от предыдущих одной или нескольких попыток беспроводной связи, и данных, отражающих одно или несколько состояний сети;
средства для выбора одного или нескольких конкретных каналов беспроводной связи из одного или нескольких созданных каналов беспроводной связи на основании полученных данных и данных о синтезировании канала;
средства для генерирования данных выбора канала беспроводной связи;
средства для подачи на радиостанцию команды на установление связи с использованием одного выбранного канала беспроводной связи или нескольких конкретных каналов беспроводной связи на основании использования данных выбора канала беспроводной связи и средства для подачи на радиостанцию команды на прекращение использования одного выбранного канала беспроводной связи или нескольких конкретных каналов беспроводной связи после завершения передачи данных.

Images