СПОСОБ И УЗЕЛ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДДЕРЖКИ КАЧЕСТВА УСЛУГ В РЕТРАНСЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ
METHOD AND NODE FOR PROVIDING QUALITY OF SERVICE SUPPORT IN RELAY COMMUNICATION SYSTEMS

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение используется в системах связи для гарантии того, что передачи, имеющие наивысшие требования качества услуг, эффективно передаются из узла к приемнику.
Сущность изобретения
Системы связи на сегодняшний день содержат разные сетевые технологии и технологии доступа, так же как и предоставление множества услуг для пользователей.
В частности, в случае мобильных систем связи используются технологии, такие как UMTS (Универсальная Мобильная Система Телекоммуникаций) и CDMA2000 (Множественный Доступ с Кодовым Разделением). Эти технологии сгруппированы в 3G (третье поколение) системы мобильной связи. Одним из ограничений таких систем является то, что выделенный для них частотный спектр достаточно ограничен. Поэтому было предложено, чтобы B3G (дальнейшее развитие 3G) системам мобильной связи выделялся более широкий частотный спектр, чем используемый в настоящее время.
Недостатком этого является то, что радиоволны, передающиеся на высоких частотах, имеют намного меньшую способность проникновения и отражения. Следовательно, диапазон (или покрытие) передач, передаваемых узлом, предоставляющим доступ мобильной станции (MS) к магистральным сетям, например к PSTN (Публичная Коммутируемая Телефонная Сеть) или Интернету, уже, чем диапазон, возможный для трансляций в настоящее время. Как следствие этого, передачам будет необходимо проходить через несколько ретрансляционных участков (multihop) с помощью множества ретрансляционных узлов (RN), чтобы поддерживать ту же область покрытия (область соты).
В подобном ретрансляционном окружении могут быть применены действующие технологии доступа как CDMA (Множественный Доступ с Кодовым Разделением), TDMA (Множественный Доступ с Временным Разделением), FDMA (Множественный Доступ с Частотным Разделением), OFDMA (Множественный Доступ с Ортогональным Частотным Разделением), SDMA (Множественный Доступ с Пространственным Разделением), CSMA (Множественный Доступ с Контролем Несущей), MF-TDMA (Многочастотный TDMA), W-CDMA (Широкополосный CDMA).
Однако наряду с таким недостатком, как необходимость больших инвестиций в инфраструктуру, так как необходимо интегрировать большое количество RN в существующие системы связи, что, в свою очередь, увеличит затраты на планирование и управление, другим важным недостатком является еще и то, что из-за природы ретрансляционных окружений требования QoS (качество услуг), необходимые для передачи между узлом и MS, трудно поддерживать в существующих системах связи.
В ретрансляционных окружениях, поскольку передаче необходимо пройти через несколько ретрансляционных участков (хопов), перед тем как достигнуть назначения, время задержки доставки трансляции гораздо больше, чем в системах, где используется прямое соединение. В случаях когда передача чувствительна к времени или имеет высокие требования QoS, такие временные задержки неприемлемы.
Дополнительно, поскольку передача происходит через несколько ретрансляционных участков, то она подвержена воздействию неблагоприятных факторов, таких как интерференция, затенение и другие факторы радиопередач, так же как и является открытой для перехвата на каждом ретрансляционном участке, как, например, при атаке типа «Человек в середине». Все вышеперечисленное в дальнейшем уменьшает способность поддержания требований QoS.
Предполагаемые пути преодоления этих проблем, обеспечить удовлетворение требований QoS и уменьшить задержку, происходящую при передачах, является использование оверлейных сетей, которые являются созданными логическими сетями, соответствующими действующим физическим сетям, содержащимся в системах связи, чтобы позволить выполнять разные передачи. Однако предлагаемое решение требует большую вычислительную мощность и большой уровень взаимодействия между разными сетями, так же как и применение сложного и чувствительного к времени сигнализирования и управления сетью для достижения поставленной цели. Дополнительно, управление в большей степени происходит централизованно, требуя больших инвестиций в оборудование, которое обрабатывает такие операции, так же как и, являясь центральной точкой сбоев, имеет необходимость дополнительно встраивать в такие сети в избыточности, что дополнительно увеличивает инвестиционные расходы.
Поэтому существует потребность в методике, которая могла бы простым и эффективным способом преодолеть приведенные выше недостатки и в то же время улучшала бы поддержку QoS в системах связи, содержащих ретрансляционные окружения.
В данном изобретении вышеперечисленные проблемы разрешены. Предлагаемая методика позволяет реализовать улучшенную поддержку QoS в системах связи простым и эффективным способом. Множество классов QoS могут быть управляемы и обслуживаемы без необходимости в сложном управлении сетью или увеличения количества сигнализирования. Это дополнительно устраняет необходимость проектирования и использования оверлейных сетей для обеспечения поддержки QoS.
Методика образована при помощи объяснений, содержащихся в независимых пунктах способа и узла.
Упомянутый независимый пункт способа обеспечивает поддержку качества услуг для множества передач, имеющих множество классов качества услуг, между, по меньшей мере, одним узлом из множества узлов и, по меньшей мере, одной мобильной станцией из множества мобильных станций в системе связи, имеющих ретрансляционное окружение, и содержит этапы, на которых:
- проверяют, по меньшей мере, упомянутым одним узлом класс качества услуг каждой одной из упомянутого множества передач до передачи упомянутого множества передач;
- выбирают, по меньшей мере, упомянутым одним узлом ретрансляционную передачу или прямую передачу для каждой одной из упомянутого множества передач в зависимости от упомянутого проверенного класса качества услуг,
- передают, по меньшей мере, упомянутым одним узлом, по меньшей мере, упомянутой одной мобильной станции упомянутое множество передач, причем, по меньшей мере, одна передача из упомянутого множества передач имеет класс качества услуг, принадлежащий первому классу из упомянутого множества классов качества услуг, и передается, используя прямую передачу, и, по меньшей мере, одна дополнительная передача из упомянутого множества передач имеет класс качества услуг, принадлежащий, по меньшей мере, одному дополнительному классу из упомянутого множества классов качества услуг, и передается, используя ретрансляционную передачу.
Указанный независимый пункт узла содержит средства, выполненные с возможностью обеспечения поддержки качества услуг для множества передач, имеющих множество различных классов качества услуг, между упомянутым узлом и, по меньшей мере, одной мобильной станцией из множества мобильных станций в системе связи, имеющей ретрансляционное окружение, и содержит:
- средство проверки, выполненное с возможностью проверять класс качества услуг каждой одной из упомянутого множества передач до передачи упомянутого множества передач;
- средство выбора, выполненное с возможностью выбирать в зависимости от упомянутого проверенного класса качества услуг ретрансляционную или прямую передачу для каждой одной из упомянутого множества передач,
- средство передачи, выполненное с возможностью передавать на упомянутую, по меньшей мере, одну мобильную станцию упомянутое множество передач, причем упомянутое средство передачи дополнительно выполнено с возможностью передавать, по меньшей мере, одну передачу из упомянутого множества передач, имеющих класс качества услуг, принадлежащий первому классу из упомянутого множества классов качества услуг, используя прямую передачу, и передавать, по меньшей мере, одну дополнительную передачу из упомянутого множества передач, имеющих класс качества услуг, принадлежащий, по меньшей мере, одному дополнительному классу из упомянутого множества классов качества услуг, используя ретрансляционную передачу.
Преимущество вышеизложенного состоит в том, что, принимая во внимание проверенный класс качества услуг каждой передачи в выборе соответствующего типа передачи (ретрансляционная или прямая), обеспечивается поддержка разных требований качества услуг простым и эффективным способом.
Дальнейшие преимущества могут быть представлены в независимых пунктах, где:
изобретенная методика применима к передачам, содержащим, по меньшей мере, один из следующих форматов данных: пакет данных, кадр данных, так же как и к передачам, содержащим поток данных, передаваемых в течение сеанса. Поэтому, обеспечивая поддержку качества услуг, используется формат, независимый от типа данных.
Когда узел хочет выполнить прямую передачу мобильной станции вместо ретрансляционной, по меньшей мере, одна поднесущая из множества поднесущих из доступной полосы пропускания на узле используется для упомянутой прямой передачи. Эта, по меньшей мере, выбранная одна поднесущая принадлежит к числу зарезервированных поднесущих из упомянутого множества поднесущих, причем зарезервированные поднесущие используются для передачи передач, принадлежащих к первому классу из упомянутого множества классов качества услуг, тем самым позволяя ресурсам быть доступными все время для передач, которые выбраны для прямой передачи, и гарантируя то, что требования качества услуг такого класса поддерживаются. Более того, поскольку прямые передачи передаются с большой мощностью передачи для обеспечения ею достижения мобильной станции без ретрансляции, интерференция сигнала увеличивается, как и потребление мощности на ограниченные ресурсы передающего узла, используемого для передачи. Для уменьшения потребления энергии и интерференции сигнала часть доступных поднесущих резервируется для таких передач.
Краткое описание чертежей
Данное изобретение станет более очевидным при помощи описания, приведенного ниже, и из прилагаемых чертежей, которые представлены только с информационной целью, таким образом, не ограничивают данное изобретение, причем:
фиг.1 изображает систему связи, в которой применима изобретенная методика;
фиг.2 изображает последовательность операций, показывающую разные этапы, выполняемые изобретенной методикой;
фиг.3 изображает блок-схему, показывающую разные средства, выполненные с возможностью выполнения изобретенной методики;
фиг.4 изображает распределение мощности для передачи мобильной станции в соответствии с изобретенной методикой.
Подробное описание
На фиг.1 показана система 1000 связи, в которой присутствует ретрансляционное окружение. Система 1000 связи разделена на соты, три из которых показаны для наглядности. Каждая сота в системе 1000 связи управляется узлом N. Узлы N1, N2 и N3 показаны и управляют соответствующими сотами 1, 2 и 3. Каждый узел N позволяет мобильной станции (MS) соединяться с PTSN, или Интернетом, или другой MS. Для облегчения понимания средства, при помощи которых каждый узел N обеспечивает подобные соединения, не показаны, тем не менее, специалист в данной области осведомлен о существовании других средств, например, таких как MSC (Центр Мобильной Коммутации), выполняющих подобную функцию. Узел N в системе 1000 связи является узлом доступа и может быть одним из следующего: базовая станция (BS) или подсистема базовой станции (BSS). Каждая сота также содержит некоторое количество ретранслирующих узлов (RN), RN1 по RN9, которые работают как ретрансляторы для передач, содержащих пакеты данных, кадры данных, потоковые данные или их комбинации, между MS и узлом N. Например, N1 осуществляет связь с MS1 через RN2, так как высокочастотная передача не имеет дальности для достижения MS1. Количество RN в каждой соте зависит от способа, которым был реализован проект системы 1000 связи, и может варьироваться от соты к соте. В определенных случаях BS, BSS или MS могут работать как RN. Более того, множество технологий доступа, таких как CDMA, TDMA, FDMA, OFDMA, SDMA, CSMA, MF-TDMA, W-CDMA, могут быть реализованы в системе 1000 связи единственным образом или в комбинации.
На фиг.2 представлена последовательность операций, показывающая разные этапы, выполняемые изобретенной методикой для обеспечения поддержки QoS в разных передачах.
На этапе 1 класс QoS каждой передачи, которая должна передаваться MS, проверяется (или верифицируется) узлом N для определения класса из множества классов качества услуг, к которому принадлежит передача.
На этапе 2 в зависимости от проверенного класса качества услуг выбирается для выполнения ретрансляционная или прямая передача узлом N. Если класс проверенного класса качества услуг принадлежит первому классу, то выбирается (ДА) прямая передача. Если класс проверенного класса качества услуг принадлежит другому классу, выбирается (НЕТ) ретрансляционная передача.
В зависимости от результата на этапе 2 узел N передает на мобильную станцию MS, причем передача, которая имеет класс качества услуг, принадлежащий к первому классу из классов качества услуг, передается, используя прямую передачу, то есть без ретрансляций (этап 3a), причем последующие передачи, имеющие класс качества услуг, принадлежащий к дополнительному классу из классов качества услуг, передается, используя ретрансляционную передачу (этап 3b).
В одном иллюстративном варианте осуществления изобретения узел N проверяет класс качества услуг каждой передачи, которая должна быть передана MS. В другом варианте осуществления проверяется только первая передача MS. В течение времени, при котором класс качества услуг не меняется, дальнейшие передачи MS проверке не подвергаются. Например, если передача содержит потоковые данные, начальный класс качества услуг может предоставляться как указывающий класс качества услуг для всех следующих передач, относящихся к потоковым данным, которые должны передаваться MS. Если в некоторой точке во время передачи требование класса качества услуг изменяется по некоторым причинам, то новый класс качества услуг передается, так что узел N осведомлен о новом требовании. Передача нового требования может быть сделана, например, передачей сообщения по каналу управления, указывающего изменение, или вставкой нового требования в поток данных с указателем, таким как, например, флаг, указывающий узлу, что присутствует новое требование.
Проверка может быть выполнена на каждом пакете или кадре, которые составляют передачу, или на первом пакете или кадре, которые составляют передачу, когда класс качества обслуживания определен для всей передачи, но включен только в первый пакет или кадр. Такие передачи содержат последовательность указателей, позволяя узлу N распознавать последовательности пакетов или кадров, которые составляют передачу, с соответствующим классом услуг. Также возможно, например, когда потоковые данные передаются в сеансе, предоставлять класс качества услуг узлу не в первом пакете или кадре, а например, во время настройки сеанса.
После выполнения проверки узел N выбирает тип передачи для каждой передачи в зависимости от проверенного класса качества услуг. Типом может являться ретрансляционная или прямая передача.
После выбора типа передачи узел N передает передачи MS.
При классе качества услуг, принадлежащем первому классу из множества классов, передача выполняется напрямую. Первый класс содержит требования QoS для тех передач, которые определены пользователем или системой 1000 связи как наиболее важные или наивысшие, например чувствительные ко времени пакетные данные или информация, содержащаяся в пакетных данных, которая имеет высокое значение безопасности. В дополнительном варианте осуществления пользователь может определить число классов, которые требуют прямой передачи. Среди такого числа классов определяется иерархия, указывающая порядок, в котором выполняются такие передачи.
Передача выполняется через ретрансляционную передачу через RN на MS, когда класс качества услуг передачи принадлежит к дополнительному классу множества классов. Передачи из узла N осуществляются с использованием, по меньшей мере, одной поднесущей из множества поднесущих, доступных в полосе пропускания, назначенной узлу N. В частности, прямая передача выполняется, используя, по меньшей мере, одну поднесущую, принадлежащую зарезервированным поднесущим, из упомянутого множества поднесущих, используемых для передачи передач, принадлежащих к первому классу классов качества услуг. Эти поднесущие, резервируются узлом N, используя средства управления, и выделяют часть поднесущих из доступной полосы пропускания, доступной для этих передач, принадлежащих к первому классу классов качества услуг. Зарезервированная часть мала по отношению ко всей доступной полосе пропускания. Так получается благодаря тому, что узел N имеет ограниченную способность передающей мощности, и тому, что прямая передача должна иметь высокую мощность передачи для того, чтобы достичь своего назначения без ретрансляции, что приводит к увеличению интерференции сигнала. Поэтому для уменьшения потребления мощности при ограниченных ресурсах мощности и интерференции сигнала небольшая часть доступных поднесущих резервируется для подобных передач. Эта часть может быть установлена оператором сети для системы 1000 связи или, как вариант, может быть определена на каждом узле N в зависимости от накопленной узлом N статистики, например, на основе количества сделанных передач или типа передаваемых данных и т.п.
Когда два узла N1, N2, управляя двумя соседними сотами 1, 2, выделяют их соответствующую часть поднесущих, выделенные поднесущие могут быть такими же, как в соседних сотах, или отличными. Поднесущие могут быть такими же, если генерируемая интерференция не слишком сильна, чтобы повлиять на передачи, использующие такие же поднесущие в соседних сотах. Интерференция может появляться на узлах N1, N2, так же как и на разных ретранслирующих узлах, которые используются для передач. Для того чтобы избежать такой интерференции в системе 1000 связи, необходимо центральное частотное планирование для координирования использования поднесущих между соседними сотами. Если генерируемая интерференция оказывается достаточно большой для создания помех, тогда необходимо выполнить координацию времени между соседними сетями так, чтобы передачи не передавались одновременно. Дополнительно, выделенные поднесущие могут отличаться от соты к соте, позволяя уменьшать интерференцию сигнала и увеличить качество передаваемых сигналов.
Фиг.3 является блок-схемой, показывающей различные средства, организованные в узле N, как и N1, N2 и N3, реализующие изобретенную методику. Узел N содержит средство 100 управления, средство 200 проверки, средство 300 выбора. Средство 100 управления выполнено с возможностью выделения поднесущих из доступной полосы пропускания для первого класса из классов качества услуг и дополнительно выполнено с возможностью управления узлом N. Средство 200 проверки выполнено с возможностью проверки (или верификации) QoS класса каждой передачи, которая должна передаваться MS. Проверка может быть выполнена для каждого пакета или кадра, которые составляют передачу, или первого пакета или кадра, составляющих передачу, когда класс качества услуг определен для всей передачи, но включен только в первый пакет или кадр. Такая передача содержит последовательность указателей, позволяющих узлу N распознавать в последовательности пакетов или кадров, которые составляют передачу, соответствующий класс услуг. Средство 300 выбора выполнено с возможностью выбора в зависимости от проверенного QoS ретрансляционной или прямой передачи для выполнения каждой передачи. Соединенные со средством 100 управления средство 500 передачи и средство 600 приема выполнены с возможностью передавать и принимать передачи, содержащие пакеты данных или кадры, полученные из PSTN и/или Интернета или от MS. Средство 500 передачи дополнительно содержит усилитель мощности, который предоставляет требуемую мощность для передач. В случае передач от MS средство 600 приема дополнительно выполняется с возможностью использовать множество технологий доступа, таких как CDMA, TDMA, FDMA, OFDMA, SDMA, CSMA, MF-TDMA, отдельно или в комбинации, которые используются в системе 1000 связи.
Как замечено выше, использование высоких частот для передач пакетов данных на MS имеет недостатки ограниченной дальности и поэтому требует RN.
Использование ретранслирующих узлов увеличивает общее время, требуемое, чтобы передача достигла MS из узла N, поскольку ей необходимо пройти из узла N через один или несколько ретранслирующих узлов и оттуда - в MS. На каждом участке ретрансляции требуется сигнализирование между узлом N и ретранслирующим узлом, между ретранслирующими узлами, если их требуется большее количество для достижения MS, и между MS и ретранслирующим узлом для выполнения аутентификации, передачи, приема и квитирования. В результате увеличивается общее время.
Передачи, чей QoS определен как принадлежащий к первому классу, который имеет высокое QoS, содержат данные или информацию, относящиеся к голосовым и/или мультимедиа службам, или просто передачи, в которых передаются чувствительные к задержке данные или информация, или которым пользователь, передающий данные, назначил высокие требования QoS. Задержки, возникающие в ретрансляционном окружении, как изложено выше, пагубны для передач с высоким QoS.
Прямая передача достигается путем передачи подобной передачи на высокой мощности, где высокая мощность является мощностью, достаточно высокой для того, чтобы передача достигла MS без использования каких-либо RN. Мощность, генерируемая усилителем мощности в средстве 500 передачи, динамически изменяется узлом N. Средство 100 управления дополнительно выполнено с возможностью динамически изменять мощность передачи, используемой для каждой передачи, используя средство 400 управления мощностью. Параметры, такие как количество передаваемых данных, измеренная интерференция на узле N, расстояние от MS до узла N и т.п., могут также быть использованы для изменения мощности передачи.
Как было раскрыто выше, данным может быть присвоен класс качества услуг из множества классов, и изобретенная методика может в зависимости от назначенного качества услуги выбрать между ретрансляционной и прямой передачей. Дополнительно, изобретенная методика применима в другом варианте осуществления, где вместо назначения класса качества услуг данным класс качества услуг может быть назначен службе, которая будет передаваться. Подобная служба может быть, например, основанной на местоположении службой (LBS), которую нужно передавать по сотовому широковещанию. Различные классы качества услуг могут быть назначены различным службам, и в зависимости от назначенного качества услуг изобретенная методика может выбирать между ретрансляционной или прямой передачей для конкретной службы.
Безопасность также увеличивается, по мере того как уменьшается число ретрансляционных участков до одного, исключая возможность для атакующего похитить передачу в различных местоположениях вдоль ретрансляционной передачи.
На фиг.4 представлено распределение мощности, реализованное при помощи изобретенной методики. Узел N системы 1000 связи имеет определенную доступную для него полосу B пропускания. Узел N выделяет малую часть поднесущих из полосы B пропускания для передач, принадлежащих первому классу QoS. Каждая передача, предназначенная для MS, проверяется на предмет принадлежности к классу QoS. Передача на MS1 имеет QoS, принадлежащее к первому классу, в то время как передача на MS2 принадлежит к дополнительному классу QoS. Как утверждалось выше, узел N передает на MS1, используя выделенные поднесущие с высокой мощностью передачи, которая выше средней мощности передачи узла N, позволяя передаче выполнятся без ретрансляции. Узел N передает, используя ретрансляционную передачу на MS2, используя некоторые из оставшихся поднесущих с низкой мощностью через ретранслятор RN.
Как можно видеть, при передаче с высокой мощностью на MS1 поддержка передач, принадлежащих первому классу, максимизируется по мере того, как передачи становятся способными достичь своего назначения без ретрансляции. В то же время передачи на MS2 с низкой мощностью позволяют пропускной способности данных максимизироваться для системы 1000 связи без появления интерференции и потребления огромного количества мощности, так как подобные трансляции распределяются среди оставшихся поднесущих полосы B пропускания.
В другом иллюстративном варианте осуществления вместо выделения поднесущих для передач, принадлежащих первому классу QoS, MS может быть определена принадлежащей первому классу MS, где все передачи должны передаваться напрямую к ней, например, в случае когда MS высокомобильна. Подобные передачи имеют более высокую мощность передачи и большую дальность, и подобные MS в состоянии поддерживать соединения с узлом N в течение большого промежутка времени. Это устраняет необходимость выполнять большое количество хэндоверов внутри соты от ретранслятора к ретранслятору при изменении местоположения MS. Отбрасывается меньшее число пакетов данных или кадров, и генерируется меньше управляющих сигналов внутри системы, так же как и улучшается общая поддержка мобильности в системе 1000 связи.
Хотя изобретение описано в предпочтительном варианте осуществления, специалисты в данной области поймут другие варианты осуществления и модификации, которые могут быть сделаны без отступления от объема изложенного изобретения. Все подобные модификации предназначены для включения в формулу прилагаемого изобретения.