CN101554076B - 具有对多跳无线网络的差异化服务支持的基于连接的调度方法 - Google Patents

Abstract

这里公开了一种在多跳无线网络中接入到公共无线5信道的集中调度方法。中继节点(RN(1，1)...RN(n，N_n)，RNi)发布的用于向基站(BS)发送上行链路流和/或向中继节点(RN(1，1)...RN(n，N_n)，RNi)发送下行链路流的资源请求由所有面向目的地的链路的请求节点来计算，并且作为所有涉及链路的累积请求来发送。在接入到公共信道的流量涉及不同等级的服务的情况下，每个累积请求包括多个单独累积请求的组合，其中每个单独累积请求涉及属于不同服务等级的流量。

Description

具有对多跳无线网络的差异化服务支持的基于连接的调度方法

技术领域

本发明涉及宽带无线接入网络，并且特别地涉及具有对分层次多跳中继网络的差异化服务支持的基于连接的调度方法。本发明可以用于例如基于IEEE802.16x标准的网络，其是具有前途的标准之一，其中定义了协议元，并且值得在设计新一代***的空中接口时予以考虑，即超3G(第三代)和4G(***)***。

关于此方面，可以参考：

-IEEE802.16-2004，局域网和城域网的IEEE标准-第16部分：固定无线接入***的空中接口，2004年10月，和

-IEEE Std 802.16e-2005，对局域网和城域网的IEEE标准-第16部分的修改：固定宽带无线接入***的空中接口-在授权的频带中联合固定和移动运行的物理和媒体接入控制层，2006年2月。

背景技术

由于两个基本原因，对于合理大小区域内的4G无线***预想的非常高的数据速率，在常规蜂窝结构下是不可行的。首先，4G***预想的传输速率比3G***传输速率高2个数量级，并且众所周知对于一给定传输功率级，符号(因而比特)能量随着传输速率的增加而线性降低。其次，将为4G***释放的频谱几乎肯定大大高于3G***所使用的2GHz频带。在这些频带中的无线电传输明显更容易受非直视性条件影响，而非直视性条件是当今市内蜂窝通信中的典型运行模式。

解决该问题的强力方案是很大地增加基站的密度，导致了高的多的配置花费，仅仅当订户数量也以相同的速率增加时是可行的。这看似不太可能发生，在发达国家蜂窝电话和其他移动终端的渗透已经相当高。另一方面，相同数量的订户将有在传输速率上高得多的要求。因为假定订户将不会乐意为每数据比特支付与每语音比特相同的费用，因此基站数量的猛增看起来并不经济上适当。

但是，对于未来***的非常大的吞吐量和覆盖需求，基本的加强是必须的。为此，除了高级传输技术和共位天线技术，也需要无线网络结构自身做一些主要修改。多跳中继能力的整合可能是以合理的费用扩大常规(单跳)无线网络覆盖的最有前途的结构升级，通过多跳中继能力，向无线用户的信号的有效分配和从无线用户的信号的有效收集不仅委托给基站还委托给其他网络元(中继)。

多跳分层次中继网络是一种基站和多个中继节点(RN)关联的网络，其中该多个中继节点根据逻辑树结构布置，并且最后一跳(或单跳)连接提供给每个中继节点周围的用户终端(UT)。多跳通信量在基站和中继节点之间传输，其中基站连接到固定骨干网，中继节点则是战略设置的。最后一跳通信量发生在中继节点和可变数量的用户终端之间。

多跳技术在较少花费的架构下允许增大整个***的覆盖，因为中继节点具有较简单的结构并且因而比基站便宜。但是，确保服务质量(QoS)需求(吞吐量、延迟、抖动等)的任务变得更加复杂。

保持有限端到端多跳延迟的媒体接入控制(MAC)层的资源请求和分配策略已经在我们共同待决的欧洲专利申请No.05485475.0提出，其于2005年7月1日提交，名为“扩展到超3G无线接口的分级多跳无线网络的基于连接的调度方法”。该申请代表了最近的现有技术并且其权利要求1内容如下(对附图的加括号的参考被省略了)：

“控制从配置成线性或树型拓扑网络的多个节点到TDMA无线信道的接入的方法，该接入是为了从请求节点到集中节点的上行链路中和/或从集中节点到终端节点的下行链路中的多跳传输，该方法包括步骤：

-从集中节点向其他节点发布网络拓扑信息；

-通过在每个相邻节点间的单独链路上的传输节点，计算该链路上所需要的资源量；

-由集中节点向沿着上行链路和/或下行链路多跳路径的每个节点释放允许，也叫准许，在给定时间内独占使用TDMA信道，

其特征在于所述请求节点发布沿端对端路径的每条链路上所需资源的累积请求。”

根据此策略，对用于发送从中继节点到基站的上行流和/或从基站到中继节点的下行流的资源的请求由每个请求节点为该端到端连接计算，而不是仅为到目的地的下一个链路计算。这就是“基于连接的调度”的含义。这在具有树型拓扑结构和集中调度的网络中成为可能，其中在两个相邻节点之间的单个链路上计算资源请求，并且请求节点一般已知网络设置。在实际中，每个请求节点发布累积请求，该累积请求通过将分开该节点和基站(在上行链路上)的每条链路加上分开基站和目的地节点(在下行链路上)的每条链路的相同请求加起来给出。基站响应于所有累积请求，准许每条链路的上行和/或下行资源。准许意为授予节点的单独许可，允许其以在一段时间内独占使用公共资源(例如TDMA无线信道)。通过集中控制调度消息的结构，该累积请求/准许在例如IEEE 802.16网络中成为可能。

该策略，和基于该拓扑的传输顺序一起(在上行链路方向上离基站最远的节点最先发送，离基站最近的节点最后发送，在下行链路方向上按照相反的顺序发送)保证了分组只在源中继节点中等待发送而不在中转或过渡中继节点，并且一旦它们从源节点发送，它们在一个帧内被传送到目的地。从/到用户终端的最后一跳的平均中要考虑还有的一帧延迟。并且，实现了关于跳的数量和传播方向的公平性(如申请的图16、17中的延迟曲线所示)。

但是，该策略没有考虑中继节点主要处理和具有不同QoS需求的服务相关的连接，例如在最简单的情况下，实时和非实时服务(例如支持多媒体和web浏览应用两者)。基于中继节点的总通信量来确定的资源准许可能最终导致用于实时通信量(或一般地说具有较高QoS需求的通信量)的资源缺乏的风险，特别对于更远离基站的节点来说：这导致QoS的下降，特别在不同节点处实时/非实时服务之间(或一般地说不同等级的服务之间)通信量分配不一致的情况下。

发明内容

因而，本发明的目的之一是提出一种基于连接的调度方法，其可以在不同节点之间公平地分配资源，不仅考虑到节点处理的总体通信量，也考虑到通信量所涉及的不同服务。

根据本发明，该目标因而可以实现，在于，当出现属于不同等级服务的通信量时，源节点发布的直到目的地节点的每条链路上所需的资源的累积请求包括多个单独累积请求的串联，其中该多个单独累积请求中的每一个涉及属于一不同等级服务的通信量。

本发明的方法也被称为“具有不同服务支持的基于连接的调度”。

对节点的资源准许有利地不根据服务的不同等级而有所区分，因为节点知道其通信量请求的分配并且能够适当地分享授予其的资源。

和预留给所述源节点的资源的准许相关的消息可以在发送节点上与所述多个单独请求串联。

本发明从下面的考虑开始。考虑遵循IEEE802.16的网络作为例子，并且假定为每个中继节点在每帧内(或者更特别地在调度控制子帧内)分配了传输机会用于发送请求和准许控制消息(Mesh集中调度-MSH-CSCH-消息)，4个OFDM符号被分配给一个中继节点用于发送MSH-CSCH消息。因此，假定对于控制子帧最稳健的调制和编码，其对应于每OFDM符号24字节(QPSK1/2)，可用资源等于96字节。现在，可以看到，在树型网络的通常情况下，假定没有链路更新(参见IEEE标准)，MSH-CSCH消息的长度以字节计算由下面等式给出：

${\mathrm{OH}}_{\mathrm{MSH}-\mathrm{CSCH}}=4+\underset{i=1}{\overset{\mathrm{NumRNs}}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{\mathrm{child}}^i---\left(1\right)$

其中NumRNs为在多跳中继网络中的中继节点数目，并且为与基站距离高于第i个中继节点与基站距离一跳的中继节点的数目。

关系式(1)可以从在标准(参见表82)中公开的MSH-CSCH消息结构中推导出来。也可以参见S.Redana和M.Lott的论文“Performance Analysis of IEEE802.16a in Mesh Operation Mode”，Proceeding of the 13^th IST SUMMIT，Lyon，France，June 2004。

考虑到多跳网络通常包括有限个战略地放置的中继节点，因而NumRNs是相当小的数，常规MSH-CSCH消息的长度远低于可用资源。因此根据本发明，没有被常规MSH-CSCH消息为那个中继节点使用的资源被利用，用于在用于将被分配给属于不同等级服务的通信的资源的特定的不同请求消息中串联多个MSH-CSCH消息。

附图说明

下面的优选实施例的描述使得本发明进一步的目的、特性和优点变得清楚，实施例给出了非限定性示例和参考附图，其中：

图1为多跳网络的示意图；

图2为说明使用基于连接算法的请求/准许概要的图示；

图3为根据IEEE802.16标准的mesh帧结构的图；

图4为根据本发明的调度控制子帧的结构的图；

图5为在使用本发明的多跳网络中平均延迟对应总共提供的吞吐量的曲线图；

图6为在没有使用本发明的多跳网络中平均延迟对应总共提供的吞吐量的曲线图。

具体实施方式

参见图1，其示意性说明了采用IEEE 802.16标准的分层次多跳中继网络的结构。该网络包括多个中继节点RN(x，y)，按照逻辑角度看，其是根据树型拓扑来配置的，包括x＝1，...n分支层次和每个层次y＝1，..N_i个节点。每个中继节点根据其沿分支的位置可以无线接入到相邻节点和/或基站。如图底部所示，分支层次x是距离基站x跳。多个用户终端UT被布置在每个中继节点周围，如对于中继节点RN(2，1)所示，并且可以无线接入到中继节点。所有中继节点和基站形成了支持多跳链路的网状结构。中继节点和该节点服务的用户终端形成了支持单跳链路的点到多点结构。图中多跳链路如实线所示，单跳链路如虚线所示。

但是我们强调树型配置是一种逻辑配置，并且物理设置与该网络部署的区域内特性紧密相关，并且通常将产生提供有限数量的战略地放置的中继节点。

多跳和最后跳空中接口的多路复用技术可以根据不同的概念来实施。该标准没有定义解决方案。频域是可行的方案。总的频带被分成两个子带：第一子带被分配用于多跳以及第二子带被分配用于最后跳通信。可以采用正交频分多址接入(OFDMA)将可用频带分成两部分。另一个方法是在时域内对多跳和最后跳空中接口进行多路复用。我们考虑作为两帧的组合的超级帧：分配给多跳通信量的一个帧和分配给最后跳通信量的另一帧。

为了支持本发明，该网络提供了集中化的基于连接的调度。其一方面表示每个节点发布端到端连接的累积请求，其包括的资源请求不仅为了下一跳。也为了到达目的地的每条链路，并且在另一方面表示基站集合了所有累积请求，并且作为响应，为连接中的每条链路准许或分配上行链路和/或下行链路资源。

图2示出了由于在BS到节点RN(n，1)的路径上应用上述策略所产生的请求/准许的概要。在该图中，R_i，j和G_i，j，i，j＝1...n，分别为BS和节点RN(i，1)之间的连接(上行链路和/或下行链路)的链路j上的请求和准许。从图中可以清楚地看到，由于集中化管理，随着从基站的距离降低，每个链路上的请求/准许数目增加。应当注意该图仅仅是定性的，即使任何中继节点和链路，请求/准许都是由等大小的矩形表示，这没有暗示对实际请求/准许的资源的量的任何假设。

图3示出了IEEE 802.16标准网络中多跳操作模式(根据该标准“网状操作模式”)的帧组织，为了简化并且通过示例考虑具有四个中继节点的树结构的分支，其中该四个中继节点这里由RN1、RN2、RN3和RN4表示。

Mesh帧由控制子帧和数据子帧组成，它们由基站BS配置。根据该标准，存在两种类型的控制子帧：

-网络控制子帧，由BS使用来广播网络信息并且由想要进行网络进入的新终端使用。

-调度控制子帧，由BS和RN使用来在数据子帧中发送新资源分配的请求和准许。本发明只关注第二种控制子帧并在图中示出。

使用集中化调度因而基站和中继节点通过MSH-CSCH消息发送请求和准许。该图进一步示出了每个中继节点RN1-RN4在每一帧中被分配了发送机会来发送请求和准许控制消息。但是，这不是强制性的。该标准不要求资源在一个控制子帧中被分配给每个RN：如果每个中继节点的传输机会没有在一个控制子帧中承担，请求和准许消息的发送顺序不改变但其在多帧基础上执行。但是，因为准许消息在一个帧中并不到达每个中继节点，由于在每个中继节点中未更新的关于资源分配的信息，数据冲突可能会发生。为了避免数据冲突，有必要研究一下措施。

数据发送根据从基站发送的最后的准许消息，在数据子帧中发生。如在共同待决的欧洲专利申请中，发送顺序取决于通信量方向(下行链路/上行链路)，并且对于下行链路通信量为BS、RN1、RN2和RN3，对于上行链路通信量为RN4、RN3、RN2和RN1。该策略保证了分组只在源中继节点上而不在转发或经过的中继节点上等待被发送。

本发明意在改善基于连接的调度，使得基站在向中继节点准许资源时可以考虑到，该节点处理的通信量可与具有不同QoS需求的不同等级的服务相关。为了达到该目标，必须：

-每个RN能够对不同的通信量流分类和分配不同的服务等级，或等价地说优先级(优先顺序化)；

-BS能够区分来自每个RN的与不同服务等级相关的服务请求，并能够在其接收到的请求之间建立优先级(差异化服务)，

分组分类是所述示例实施例中采用的遵循IEEE 802.16的网络的标准功能，因此使得中继节点能够执行它不存在问题。

为了允许基站的差异化服务支持，根据本发明，多于一个MSC-CSCH请求消息在调度控制子帧中分配给给定中继节点的时隙内被串联，每个请求涉及不同的服务等级。

这如图4所示，仅通过非限制的示例，涉及有中继节点RNi处理的通信量的粗分类为“具有实时需求的通信量”(RT通信量)和“不具有实时需求的通信量”(非实时，nRT，通信量)。这例如可以对应于区分分别与多媒体和Web浏览应用相关的通信量。在该示例中，当使用根据本发明的具有差异服务支持的基于连接的调度时，调度控制子帧的时隙可以包含请求RT通信量的资源的MSH-CSCH请求消息和请求nRT通信量的资源的MSH-CSCH请求消息的串联。不同类型通信量的请求(此后称为单独或部分请求)仍然是沿着端到端路径上每条链路上所需的资源的累积请求。

如果节点要同时转发资源请求(在上行链路上)和准许(在下行链路上)，MSH-CSCH准许消息也可以和单独的请求消息串联，因为发送时隙具有一般足够的空间来允许这样做。

一旦接收到串联的单独的请求消息，BS更新其对包含在消息内的链路所需资源的感知，并在下一帧内，计算和发送准许消息。根据特定于BS的策略来计算准许，该策略不是本发明的部分。例如，根据RT/nRT示例，BS能够在和其他具有较低RT负载的链路相比有较高RT负载的链路上分配更多的准许，或能够向实时通信量分配第一资源，并接着如果还有剩余的话分配剩余的资源到非实时通信量。

每条链路上的实际准许例如可以以上面提到的专利申请中所公开的方式来计算：如果整个请求资源量低于TDMA信道的最大允许净吞吐量，则基站根据等于链路的请求的概要的准许概要为每条链路授予资源，或者如果整个请求资源量不低于最大允许净吞吐量，则基站根据低于链路的请求的概要的概要为每条链路授予资源，其中较低概要是通过关于所述最大允许净吞吐量和整个请求资源量之间的比率的规范化来计算的。其他策略可导致BS仅偏向实时通信量，或偏向最远中继节点等。

在任何情况下，如图4所示，准许是无差别的或合计的，即，其涉及节点处理的全部通信量。根据服务等级的准许差别不是必要的，因为中继节点知道其请求的组成并且可以适当地向不同服务等级分配资源而无需基站的特定指令。

使得串联成为可能，如说明书的引言中所述的，因为多跳网络的规划策略将导致有限数量的战略地定位的中继节点，使得MSH-CSCH消息的长度比消息要***到其中的时隙的长度短的多，即使最稳健的调制适用于发送这种消息。

标准中定义的MSH-CSCH消息的结构中所需做的唯一修改是添加“实时/非实时”标志，该标志当请求/准许标志为1时(请求消息)要设置为合适的值。但是，如果预定义了不同服务等级的请求的串联顺序，则不需要该标志。

图5和6为在具有图3中所示4个节点的网络中实施的仿真所获得的曲线图。该仿真是考虑用于中继节点到用户终端的最后跳的IEEE 802.16点对多点空中接口规范来进行的。该曲线图示出了以帧数表示的平均延迟，对应于总的提供的通信量(向/从节点的通信量的总和)，假定条件为每个节点上总计通信量基本相同，尽管不同的节点具有不同的实时和非实时通信量比率。特别地，RN1，RN2，RN3上的负载由20％的实时通信量和80％的非实时通信量组成，并且RN4上的负载由40％的实时通信量和60％的非实时通信量组成。图5通过使用本发明获得，而图6是没有使用本发明而获得。

两个曲线图的比较可以清楚地看到，当BS能够区分实时和非实时请求时，其可以准许给RN4比其他中继节点更多的无线资源量，来避免RN4缺乏用于实时通信量的资源。因而获得了关于跳数的大体公平。相反，如果没有应用差异化服务支持，所有的节点将被分配基本相同的资源并且资源分配关于跳数是不公平的：实际上，如图所示，如果与其他中继节点比较，RN4上的总计实时通信量是恶化的并且达到了提供的通信量的较低值的饱和点。

因而，本发明进一步加强了基于连接的调度所带来的在延迟方面的改善，获得了不同类型连接之间的公平性。像基于连接的调度的一般性原则，本发明可以通过对MSH-CSCH消息结构的非常简单的修改，甚至不必修改就能立即使用于IEEE 802.16x网络，并且能够应用于具有基于帧物理层的超3G***中。

很明显上述描述是通过非限制性的示例给出，并且不脱离本发明范围的改变和修改是可能的。

特别地，即使图4示出了两种类型通信量流的简单情况，如果执行更精细的分类：多于两个请求消息可以被串联，例如与网络支持的服务等级那样多的请求消息能够被串联(例如IEEE标准定义了四个等级的服务)。在这种情况下，如果提供的话，“实时/非实时”标志将变成更通用的“服务等级”标志。当然，可以被串联的消息的最大数量是根据网络中的中继节点数量来定的，因为根据等式(1)，每个消息的长度OH_MSH-CSCH是基于该数目的。

此外，尽管本发明是参考遵循IEEE 802.16的网络来公开的，但其可以应用于任何具有下面特性的普通多跳无线网络：

-具有集中化调度的树型拓扑结构；

-基于帧的物理层，其中MAC可以使其调度间隔与下层PHY帧编制对准。

Claims (10)

1.一种在无线多跳通信网络中，为多跳通信量而控制对公共无线电信道的接入的方法，其中该网络包括多个***节点和管理接入控制的集中节点，其中对公共无线电信道的接入是由多个***节点和集中节点执行的，并且其中必须接入信道的所述多个***节点中的一个***节点被设置为向集中节点发送对于直到目的地节点的多跳路径上的每条链路上所需资源的累积请求，其特征在于，在出现属于不同服务等级的通信量时，由所述***节点发送的所述累积请求包括多个单独累积请求的串联，其中每个单独累积请求涉及属于不同服务等级的通信量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述集中节点是基站。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单独累计请求至少包括用于实时通信量的单独累积请求和用于非实时通信量的单独累积请求。

4.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述累积请求包括用于请求网络支持的每个服务等级的单独累积请求。

5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，响应于来自***节点的所述多个串联的单独累积请求，所述集中节点被设置来产生用于由各个单独累积请求涉及的所有服务等级的单个无差别准许消息，其中所述无差别准许消息涉及由所述节点处理的全部业务。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在除了发送请求之外还必须发送准许消息的***节点上，所述准许消息和所述多个单独累积请求串联。

7.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述网络包括：

-具有集中调度的树型拓扑结构；

-基于帧的物理层，其中媒体接入控制层可以使媒体接入控制层的调度间隔与下层基于帧的物理层的帧编制对准。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述网络是遵循IEEE 802.16x标准组的网络。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述单独累积请求是作为包含用于区分各个单独累积请求所涉及的服务等级的标志的mesh集中调度消息来发送的。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述单独累积请求作为mesh集中调度消息来发送，其中涉及不同服务等级的各个单独累积请求以预定和固定顺序串联。

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