ПРОСТОЙ И ЭФФЕКТИВНЫЙ МЕХАНИЗМ СИНХРОНИЗАЦИИ ПЛАНИРОВАНИЯ СВЯЗИ В СРЕДЕ С МНОЖЕСТВОМ ИНТЕРВАЛОВ РЕТРАНСЛЯЦИИ
SIMPLE AND EFFICIENT MECHANISM FOR SYNCHRONISING COMMUNICATION SCHEDULING IN MEDIUM WITH MULTIPLE RELAY INTERVALS

Ссылка на родственную заявку
Приоритетная предварительная заявка на патент США №60/835786 подана 4 августа 2006 г.
Уровень техники
Область техники
Настоящее изобретение относится к области телекоммуникаций. Конкретнее, настоящее изобретение относится к планированию передачи данных.
Описание уровня техники
Широкополосный беспроводной доступ (BWA, Broadband Wireless Access) стал привлекательным способом удовлетворения растущих потребностей бизнеса в быстрых Интернет-соединениях и интегрированных услугах передачи данных, голоса и видео. Одним из наиболее замечательных аспектов технологии BWA является то, что сети могут быть созданы за считанные недели посредством установки небольшого количества базовых станций на зданиях или столбах для создания беспроводных систем доступа с высокой пропускной способностью. До настоящего времени технология BWA была ограничена, в частности, из-за отсутствия универсального стандарта. Хотя разработка такого стандарта важна для развитых стран, она еще более значима для развивающихся стран, в которых проводные инфраструктуры ограничены.
Ассоциация по вопросам стандартизации Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE-SA) стремилась сделать BWA более доступным, разрабатывая стандарт IEEE 802.16, который определяет беспроводной интерфейс WirelessMAN для беспроводных городских сетей. Этот стандарт был создан в ходе двухлетнего открытого процесса сотнями инженеров ведущих мировых операторов и производителей.
В данный документ заявитель включает путем ссылки «Стандарт IEEE для локальных и городских сетей, Стандарт IEEE 802.16-2004», Разделы 6.3.5-6.3.6, с поправками, внесенными документом «Стандарт IEEE для локальных и городских сетей, Стандарт 802.16е-2005». Стандарт IEEE 802.16-2004 обеспечивает возможность быстрого введения в использование по всему миру инновационной, рентабельной и совместимой продукции разных производителей с возможностью беспроводного широкополосного доступа, способствует конкуренции в области широкополосного доступа, представляя альтернативы проводному широкополосному доступу, способствует согласованному всемирному распределению частот и ускоряет коммерциализацию систем беспроводного широкополосного доступа. Стандарт IEEE 802.16e-2005 представляет расширение стандарта IEEE 802.16-2004 для поддержки абонентских станций, движущихся со скоростью автомобиля, и, таким образом, регламентирует систему для комбинированного стационарного и мобильного беспроводного широкополосного доступа.
Введение в городские сети ретрансляционных станций позволяет повсеместно предоставлять для всех желающих экономичный широкополосный доступ, в том числе и для абонентов в удаленных местах. Стандарт IEEE 802.16, также называемый WiMAX, является одной из наиболее многообещающих технологий многоинтервальной связи (связи с использованием множества интервалов ретрансляции). Такая ретрансляционная расширенная сеть IEEE 802.16 сможет обеспечивать повсеместное покрытие, удовлетворять требованиям высокого качества обслуживания, она может быть введена в эксплуатацию и использоваться с небольшими затратами.
Специалистам будет понятно, что примером такой системы может быть система связи в СВЧ диапазоне между одним зданием (например, в деловом районе Сан-Франциско) и другим зданием на другом конце города (например, в жилых кварталах Сан-Франциско). Каждое из этих зданий имеет на крыше свою собственную СВЧ антенну. Теперь предположим, что мы хотим расширить эту систему до Окленда. Для этого установим вторую антенну на здании в жилых кварталах Сан-Франциско и наведем ее на антенну в Окленде. Это здание в Сан-Франциско теперь имеет «многоинтервальную» систему передачи, которая может работать как ретранслятор передаваемых данных между Оклендом и зданием в деловом районе Сан-Франциско.
22 июля 2005 г. была организована Группа исследования мобильной многоинтервальной ретрансляции IEEE 802.16. Исследовательская группа закончила работу 30 марта 2006 г., и результатом работы стало одобрение ее запроса на утверждение проекта и поручение разработки этого проекта Рабочей группе по ретрансляции IEEE 802.16.
В многоинтервальной среде, такой как многоинтервальные ретрансляционные сети мобильной связи по стандарту IEEE 802.16, планирование передачи для множества интервалов ретрансляции (например, для базовых и ретрансляционных станций) вдоль линии связи должно синхронизироваться для предотвращения чрезмерных задержек и потерь пропускной способности. Настоящее изобретение раскрывает простое и эффективное решение проблемы синхронизации планирования.
В сетевой системе для передачи данных на основании требования, такого как качество обслуживания, передачу данных необходимо планировать узлом-источником и каждым промежуточным узлом на пути до точки назначения. Механизм обработки данных для их передачи, поддерживаемый планировщиком, представляют службы планирования.
Как описано в документе IEEE Std. 802.16-2004 (раздел 6.3.5.2), планирование запроса/разрешения восходящего направления обычно осуществляется базовой станцией с целью предоставления каждому ее непосредственному соседу в нисходящем направлении, например каждой подчиненной мобильной станции или абонентской станции, пропускной способности для передач в восходящем направлении или возможностей для запроса канала (также называемых опросами). В идеале, устанавливая службу планирования и связанные с ней параметры качества обслуживания, планировщик базовой станции может прогнозировать потребности в пропускной способности и задержку для восходящего трафика, а также обеспечивать опросы и/или разрешения в подходящие моменты времени.
Существующий механизм планирования хорошо работает в одноинтервальной среде, в которой мобильные станции подключены непосредственно к базовой станции или точке доступа. Однако при введении в беспроводную среду многоинтервальной концепции возникают проблемы, связанные с синхронизацией планирования. Далее будут описаны многоинтервальные среды двух типов: беспроводная ячеистая сеть и беспроводная ретрансляционная сеть.
В беспроводной ячеистой сети многоинтервальная система имеет узлы (например, называемые узлами ячеек), которые соединены друг с другом беспроводной системой связи, такой как беспроводная локальная сеть (WLAN) или WiMax, и помогают друг другу в передаче трафика в сети. Узлы ячеек могут отправлять и принимать трафик, а также работают как маршрутизаторы и транслируют трафик для соседних узлов. И стандарт IEEE 802.11, и стандарт IEEE 802. поддерживают ячеистый режим. Связь в ячеистой сети должна управляться централизованным алгоритмом или распределенным способом. При централизованном планировании базовая станция (BS) определяет выделение ресурса и для обеспечения бесконфликтного планирования удостоверяется в том, что передачи скоординированы. При распределенном планировании каждый узел ячейки осуществляет независимое планирование согласованно с соседними узлами независимо от BS.
В беспроводной ретрансляционной сети многоинтервальная система имеет конечные узлы (мобильные/абонентские станции), которые подключены к базовой станции (BS) или точке доступа (АР) через ретрансляционную станцию (RS). Весь трафик между мобильными/абонентскими станциями (MS/SS) и BS/AP пропускается и обрабатывается ретрансляционной станцией. Примером ретрансляционной концепции является мобильная многоинтервальная ретрансляция 802.16 (MMR, Mobile Multihop Relay). Концепция MMR сосредотачивается на создании сетевой системы, использующей ретрансляционные станции (RS), для расширения зоны покрытия сети и/или увеличения пропускной способности системы.
Трафик, отправленный ретрансляционной станцией, может планироваться ею самой или BS. В соответствии с первым принципом BS и RS осуществляют планирование независимо. RS декодирует кадр, отправленный с базовой станции на MS/SS, обрабатывает его и затем ретранслирует в другом кадре на MS/SS или BS в другой квант времени. В соответствии со вторым принципом BS осуществляет планирование вместо RS. То есть BS резервирует пропускную способность канала для передачи данных ретрансляционной станцией и дает RS инструкции о том, как и когда отправлять данные.
В обоих режимах, ячеистом и ретрансляционном, если используется механизм независимого планирования и используются существующие схемы планирования в ячеистой или ретрансляционной линиях связи, наблюдаются проблемы синхронизации, которые описаны ниже. Настоящее изобретение представляет новый механизм для решения данной проблемы.
Эта проблема была описана в родственной заявке: предварительная заявка на патент США 60/777,655, поданная 27 февраля 2006 г., включенная в данный документ путем ссылки. Однако схема, приведенная в заявке 60/777,655, приводит к потерям разрешений на пропускную способность в первой паре кадров при синхронизации множества интервалов. Помимо этого, если время буферизации в промежуточных узлах слишком велико, из-за задержки между конечными узлами, превысившей лимит, может потребоваться удаление пользовательского трафика. Это допустимо для приложений VolP, но не для видеоприложений. Альтернативная схема настоящего изобретения не приводит к потерям пропускной способности и потенциальной потере пакетов и подходит для всех приложений, работающих в реальном времени. Также заявка 60/777,655 более подходит для ячеистых сетей, в то время как концепция настоящего изобретения более применима к ретрансляционным сетям, таким как MMR согласно IEEE 802.16.
Сущность изобретения
Основной идеей изобретения является использование сообщения управления выделением ресурсов (например, UL-MAP в 802.16) для указания промежутка времени, в течение которого каждый ресурс, помещенный в это сообщение управления выделением ресурсов, может фактически использоваться конкретным пользователем. Такой промежуток времени имеется для каждого ресурса, помещенного в сообщении управления выделением ресурсов, и может быть различным для разных ресурсов. Необходимо отметить, что настоящее изобретение может использоваться в многоинтервальных системах, включая ячеистые и/или ретрансляционные, на основе различных беспроводных технологий, хотя в качестве примера далее используется ретрансляционная связь по технологии WiMax.
Для синхронизации разрешений на пропускную способность и/или опросов о восходящем трафике для множества интервалов ретрансляции, временной интервал восходящей связи, относящийся к информации в каждом кадре распределения ресурсов, должен меняться для каждой ретрансляционной станции (RS) на линии и должен быть указан в кадре распределения ресурсов (например, UL-MAP). Преимуществом настоящего изобретения является то, что не создается задержка вследствие несинхронности планирования между множеством интервалов на линии. Следовательно, не происходит растраты пропускной способности или потенциальных потерь пакетов. Другое преимущество этого изобретения состоит в том, что оно может использоваться для введения ретрансляторов в сеть без модификации прежних конечных терминалов.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан пример сценария использования ретрансляционной станции.
На фиг.2 изображена многоинтервальная среда.
На фиг.3 изображен пример несинхронизированного планирования трафика.
На фиг.4 изображен пример несинхронизированного планирования запроса о возможности передачи.
На фиг.5 изображена обобщенная многоинтервальная сеть.
Фиг.6 является блок-схемой способа, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.7 является блок-схемой, изображающей систему, соответствующую варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Далее при помощи приложенных чертежей подробно описан вариант реализации настоящего изобретения на основании существующих технологий. Необходимо понимать, что этот вариант - всего лишь иллюстрация одного конкретного примера осуществления изобретения, ни в коей мере не исключающая других вариантов его реализации.
На фиг.1 показан пример использования ретрансляционной станции 100 для указания плановых интервалов времени передачи для соседних узлов, непосредственно следующих друг за другом в нисходящем направлении. На фиг.2 показана простая многоинтервальная среда. Мобильная/абонентская станция MS/SS, Узел 1 (N1) и Узел 2 (N2) соединены друг с другом при помощи беспроводной технологии, такой как WiMax или WLAN. Мобильная/абонентская станция MS/SS работает как источник/получатель пользовательского трафика. В случае ячеистой сети Узел 2 является промежуточным узлом на линии между источником и получателем, тогда как Узел 1 может быть или промежуточным узлом, или узлом, соответствующим MS/SS (т.е. источником или получателем пользовательского трафика). В случае ретрансляционной сети Узел 2 является одной ретрансляционной станцией на линии между MS/SS и базовой станцией, а Узел 2 может являться как другой ретрансляционной станцией на линии, так и базовой станцией.
Предполагается, что Узел 1 дает разрешение Узлу 2 использовать пропускную способность канала, а Узел 2 дает такое разрешение MS/SS. Однако, если разрешения между Узлом 1 и Узлом 2 не синхронизированы, то может случиться так, что при передаче Узлом 1 разрешения Узлу 2 на Узле 2 не будет подготовленных данных, так как Узлом 2 не было дано разрешение для MS/SS. Например, в технологии IEEE 802.16 информация о распределении ресурсов в UL-MAP имеет отношение к кадру в фиксированном временном интервале, поэтому при введении множества интервалов ретрансляции, когда восходящий трафик достигает Узла 2, используя разрешение от этого узла, действие разрешения от Узла 1 для Узла 2 может уже закончиться. Трафик необходимо буферизовать, и от Узла 2 необходимо отправить Узлу 1 запрос на использование пропускной способности, что приводит к дополнительным задержкам. Такая задержка увеличивается с ростом количества промежуточных ретрансляционных станций. Это в особенности недопустимо для трафика в реальном времени, и поэтому настоящее изобретение включает конфигурирование Узла 2 для указания планового интервала времени следующему за ним узлу.
Предположим, что используется периодическое планирование пользовательского трафика, Узел 1 периодически дает Узлу 2 разрешение фиксированного размера, и Узел 2 периодически дает разрешение фиксированного размера для MS/SS. Однако, если разрешения между Узлом 1 и Узлом 2 не синхронизированы, то может случиться так, что при передаче Узлом 1 разрешения Узлу 2 на Узле 2 не будет подготовленных данных, так как Узлом 2 не было дано разрешение для MS/SS. На фиг.3 на примере VoIP показаны подробности; фиг.3 изображает пример несинхронизированного планирования трафика. Предположим, что разрешения, предоставленные Узлом 1, инициируют предоставление разрешений Узлом 2, таким образом, разрешения от Узла 2 следуют за разрешениями от Узла 1. Однако, как показано на фиг.3, когда Узлом 1 выдается разрешение а, Узел 2 не имеет какого-либо кадра VoIP от MS/SS для передачи. Вслед за разрешением а Узел 2 незамедлительно дает разрешение а для MS/SS посредством передачи сообщения о выделении ресурсов. Кадр VoIP 1 отправляется от MS/SS на Узел 2 в том же кадре. Так как действие разрешения а от Узла 1 уже закончилось, когда кадр VoIP 1 принят Узлом 2, Узлу 2 необходимо сохранить его и ожидать следующего разрешения от Узла 1. Когда через 20 мс Узел 1 отправляет разрешение b, кадр VoIP 1 отправляется при помощи этого разрешения. Несложно понять, что задержка, которая может приближаться к 20 мс, вносится каждым узлом на линии. Если на пути между MS/SS и соответствующим узлом имеется множество узлов (например, узлов ячеек или ретрансляционных станций), задержка между узлами из-за несинхронизированного планирования может достигать n×20 мс. В особенности это недопустимо для трафика реального времени.
Подобная проблема также возникает при планировании запроса о возможности передачи (также называемого опросом). На фиг.4 изображен пример несинхронизированного планирования запроса о возможности передачи. Как показано на фиг.4, полагаем, что Узел 1 предоставляет Узлу 2 возможность запросить передачу посредством опроса. Когда запускается первый опрос (Pa), Узел 2 не имеет какого-либо трафика для передачи. Таким образом, в запросе пропускной способности (Ва'=0) Узел 2 запрашивает нулевую пропускную способность. Вслед за опросом Ра Узел 2 незамедлительно отправляет на MS/SS опрос Ра'. Запрошенная пропускная способность отправляется от MS/SS Узлу 2. Затем Узел 2 на основании запрошенной пропускной способности предоставляет разрешение (разрешение а'), которое используется MS/SS для передачи кадра 1 с данными. Однако из-за того, что Узлом 1 не было выдано разрешение, Узел 2 не имеет ресурсов для передачи кадра с данными Узлу 1. Через Р мс Узлу 2 от Узла 1 отправляется другой опрашивающий запрос (Pb). Буфер Узла 2 имеет кадр 1 с данными, и, следовательно, запрос на пропускную способность в Bb'. Затем Узел 1 предоставляет разрешение b, которое используется Узлом 2 для передачи кадра 1 с данными. Несложно догадаться, что одним узлом на линии вносится задержка, которая может приближаться к 20 мс. Если на пути между MS/SS и соответствующим узлом имеется множество узлов (например, узлов ячеек или ретрансляционных станций), задержка между узлами из-за несинхронизированного планирования может достигать n×20 мс.
Для описания проблемы в качестве примера использовалось периодическое планирование пользовательского трафика или запроса о возможности передачи. Такая же проблема возникает при непериодическом планировании пользовательского трафика или запросов о возможности передачи. В данном документе этот пример не рассматривается.
Для синхронизации разрешений на пропускную способность и/или опросов на восходящий трафик на множестве интервалов ретрансляции, временной интервал связи восходящего направления, относящийся к информации в каждом кадре распределения ресурсов, должен изменяться для каждой ретрансляционной станции (RS) на линии и должен быть указан в кадре распределения ресурсов (например, UL-MAP). Такая схема может быть непосредственно применена к технологии 802.16 MMR.
Например, ресурс, выделенный в разрешении на пропускную способность или в опросе в текущем кадре на узле Ni-1, относится к кадру, передаваемому в интервале Ti-1, а ресурс, выделенный разрешением или опросом в текущем кадре на узле Ni, относится к кадру, передаваемому в интервале Ti. Временной интервал, в котором информация в UL-MAP относится к кадру для узла Ni-1, должен быть длиннее, чем для узла Ni (т.е. Ti-1>Ti).
Если используется распределенное планирование, то каждый узел Ni определяет временной интервал для каждого выдаваемого им разрешения или опроса. Для этого всем узлам (Ni) на пути ретрансляции необходимо иметь данные обо всем пути ретрансляции, чтобы каждый узел Ni смог рассчитать временной интервал для каждого выдаваемого разрешения или опроса, касающегося предоставления пропускной способности. Это требуется для обеспечения синхронизации разрешений или опросов на множестве интервалов ретрансляционной линии. В ретрансляционной системе используется централизованное планирование (т.е. выполняемое BS для каждой RS на ретрансляционной линии) или распределенное планирование (т.е. выполняемое самостоятельно каждой RS на ретрансляционной линии). При централизованном планировании BS определяет временной интервал для каждого разрешения или опроса, выдаваемого каждой ретрансляционной станцией на пути ретрансляции, и указывает его в кадре распределения ресурсов (например, UL-MAP в IEEE 802.16).
Кадр распределения ресурсов (например, UL-MAP в IEEE 802.16) расширяется для указания в нем такого временного интервала для каждого разрешения или опроса восходящего направления. Однако это применяется только к разрешениям на пропускную способность или опросам, выдаваемым узлом Ni для непосредственно следующей за ним соседней ретрансляционной станции Ni+1. Изменений UL-MAP для MS/SS не требуется. На фиг.5 изображена обобщенная многоинтервальная сеть.
Для решения описанной ранее проблемы синхронизации планирования в многоинтервальной среде настоящее изобретение предлагает простой и эффективный способ синхронизации. При использовании в технологии WiMax такое решение не требует модификации находящихся в эксплуатации MS/SS; необходимо лишь изменение сообщений о выделении ресурсов (таких как управляющие сообщения UL-MAP или MAC), передаваемых ретрансляционным станциям. Настоящее изобретение включает базовый способ, в котором определяется промежуток времени, в течение которого каждый ресурс, выделенный в сообщении управления выделением ресурсов, доступен для конкретного пользователя. Затем сообщение управления выделением ресурсов используется для предоставления такого промежутка времени. Сообщение управления выделением ресурсов может являться, как говорилось ранее, картой распределения пропускной способности восходящей линии согласно 802.16 (UL-MAP) или управляющим сообщением MAC. Такое сообщение MAP несет информацию о планировании (т.е. карту).
Настоящее изобретение также включает машиночитаемый носитель со структурой данных программного обеспечения для осуществления вышеописанного базового способа. Также настоящее изобретение включает программный продукт, состоящий из машиночитаемого носителя с имеющимся на нем исполняемым кодом. При исполнении кода осуществляется определение промежутка времени, в который каждый ресурс, помещенный в сообщение управления выделением ресурсов, доступен конкретному пользователю, и затем этот промежуток времени указывается в сообщении управления выделением ресурсов.
Помимо этого настоящее изобретение включает устройство с процессором, сконфигурированным для определения промежутка времени, в течение которого каждый ресурс, помещенный в сообщение управления выделением ресурсов, доступен для конкретного пользователя. Также устройство содержит блок передачи, сконфигурированный для предоставления указанного промежутка времени в сообщении управления выделением ресурсов.
Также настоящее изобретение включает устройство для определения промежутка времени, в течение которого каждый ресурс, помещенный в сообщение управления выделением ресурсов, доступен для конкретного пользователя. Помимо этого устройство предоставляет указанный промежуток времени в сообщении управления выделением ресурсов.
Также настоящее изобретение включает систему с процессором, сконфигурированным для определения промежутка времени, в течение которого каждый ресурс, помещенный в сообщение управления выделением ресурсов, доступен для конкретного пользователя. Также система содержит блок передачи, сконфигурированный для предоставления указанного промежутка времени в сообщении управления выделением ресурсов.
Кроме того, как показано на фиг.6, вариантом осуществления изобретения является способ 600, в котором сначала в многоинтервальной системе начинается 610 распределенное планирование. Далее информация о планировании отправляется 620 следующему в нисходящем направлении соседнему узлу, указывая временной интервал восходящей связи для этого интервала ретрансляции. В результате передача 630 в восходящем направлении происходит в течение этих временных интервалов, длительность которых будет меньше для интервалов ретрансляции, расположенных в нисходящем направлении (в отличие от интервалов ретрансляции в восходящем направлении).
Фиг.7 является блок-схемой системы 700, соответствующей настоящему изобретению, которая включает базовую станцию 710, ретрансляционную станцию 735, представляющую интервал ретрансляции в нисходящем направлении после базовой станции, и пользовательское оборудование 760, которое находится в двух интервалах ретрансляции от базовой станции 710. Базовая станция 710 содержит процессор 720, который запускает планирование восходящей связи базовой станцией для интервала ретрансляции в восходящем направлении от ретрансляционной станции до базовой станции. Затем передающий блок 730 отправляет на ретрансляционную станцию информацию о запланированном временном интервале. Ретрансляционная станция 735 сконфигурирована подобным же образом и содержит процессор 740 и передающий блок 750. После этого пользовательское оборудование 760 имеет возможность отправлять информацию по восходящей линии связи (например, трафик с данными или запрос на пропускную способность) в течение временных интервалов, которые постепенно возрастают для интервалов ретрансляции в восходящем направлении.
Необходимо понимать, что все приведенные изображения и описание соответствующих вариантов осуществления не представляют собой абсолютно строгое и полное описание вариантов реализации рассматриваемого способа, устройства, системы и программного продукта. Специалисты должны понимать, что операции и сигналы в настоящей заявке отображают обобщенную причинно-следственную связь, которая не исключает промежуточных взаимодействий любых типов. Также необходимо понимать, что различные шаги и структуры, описанные в данной заявке, могут осуществляться с использованием множества различных последовательностей выполнения и конфигураций при помощи разнообразных комбинаций аппаратного и программного обеспечения, которые нет необходимости подробно описывать в данном документе.