CN101569115B - 关于快速接入信道的基于上行链路竞争的接入 - Google Patents

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Abstract

本文一般地描述了分配带宽的无线通信系统和方法的实施例。可描述并要求保护其它的实施例。在一些实施例中，估计的请求带宽包括在竞争码中。另外，移动站可再次使用先前使用的导致对基站的成功接入的竞争码。此外，基站可确定或预测竞争模式并基于该模式分配码。

Description

关于快速接入信道的基于上行链路竞争的接入
技术领域
本发明的某些实施例涉及无线通信。某些实施例涉及用于提供基于上行链路竞争的接入的快速接入信道。
背景技术
通常，继3G之后的宽带无线通信标准——例如3GPP LTE、IEEE 802.20和IEEE 802.16e-2005(移动WiMAX)使用上行链路(UL)准予调度来开发用户分集，以提供服务质量(QoS)支持和/或提供良好的频谱效率。然而，UL准予调度一般在很多方面不同于下行链路(DL)调度。首先，UL调度器一般不具有如DL调度器那样的准备好的详细缓冲信息。因此为了高效地调度，每个移动站(MS)一般需要在基站(BS)更新其缓冲级。
第二，通常的情况是UL缓冲级更新不具有如同DL缓冲信息那样的详细的粒度。DL调度器通常具有每个连接标识符(CID)的所有信息。然而，对于UL调度，维持这种详细的缓冲信息将导致对UL信令信道的增加负载因此招致非常大的开销。
第三，通常在由所有用户共享的公共竞争信道内安排所有UL准予请求，使得仅在必需时——即在MS有数据要在UL帧中发送时招致信令开销。
此外，在基于IEEE 802.16e-2005的系统(移动WiMAX)中基于UL竞争的接入和资源分配机制包括随机接入和带宽请求阶段，这一般导致附加的接入等待时间。在当前的IEEE 802.16e-2005标准中，UL准予请求首先在基于竞争的测距信道中发生。另外，一旦成功竞争，BS就分配对带宽请求的准予，然后由MS向BS传送带宽请求。基于竞争的UL带宽请求可采用四个或可能更多的帧，这取决于实现和收发机切换时间。因此可能存在与准予请求和带宽请求相关联的尤其是关于小的准予请求的延迟和可能的较大开销。
附图简述
图1示出根据本发明的一些实施例的无线网络操作环境；
图2示出根据本发明的一些实施例的竞争码。
图3是示出根据本发明的一些实施例的在无线网络中请求资源的方法的消息序列；
图4是示出根据本发明的一些实施例的粘接(sticky)竞争的方法的流程图；以及
图5A和5B是示出根据本发明各实施例预留竞争码的方法的流程图。
详细描述
以下的描述和附图充分地示出了本发明的具体实施例以使本领域中的技术人员能够实施它们。其它的实施例可结合结构、逻辑、电、进程和其它改变。示例仅仅代表可能的变型。除非明确要求，否则各个组件和功能都是可选的，且操作的顺序可改变。某些实施例的部分和特征可被包括在其它实施例的部分和特征中，或代替其它实施例的部分和特征。在权利要求中陈述的本发明的实施例包括这些权利要求的所有可用的等效技术方案。在本文中，如果实际公开了一个以上的发明，则可单独地或共同地由术语“发明”指代本发明的各实施例，这仅仅是为了方便而不是旨在将本申请的范围限于任何单个发明或发明概念。
图1示出根据本发明的一些实施例的无线网络操作环境100。在某些实施例中，网络操作环境100包括基站(BS)102和通过无线网络130与BS 102通信的一个或多个移动站120。无线网络130可以是任意类型的无线网络，包括遵循移动WiMAX、IEEE 802.16e、IEEE 802.16m、3GPP LTE、3GPP2 AIE、IEEE 802.20或其它无线网络标准的网络。在一些正交频分复用(OFDM)和正交频分多址(OFDMA)的实施例中，基站102和移动站120可利用包括多个副载波的多载波通信信号来通信。
基站102可包括MAC(媒体接入和控制)组件106。MAC 106可包括用于调度与上行链路(例如，MS至BS通信)有关的资源(缓冲器、时隙等)的上行链路调度器110以便通过网络接口104发射和接收数据。或者，在一些实施例中，MAC 106可保持带宽(BW)请求历史108。带宽请求历史108可包括将移动站和移动站随时间的带宽请求的历史相关联的数据。MAC 106可包括对于理解实施例而言并非必要的其它元件(例如，DL调度器)，因为未被示出以免淡化本发明的描述。
在一些实施例中，基站102可以是无线接入点(AP)，诸如微波接入全球互通性(WiMax)或宽带通信站，尽管本发明的范围不限于这方面，因为基站102可以是几乎任何无线通信设备的一部分。在一些实施例中，基站102可以是通信站，诸如WiMax或宽带无线接入(BWA)网络通信站，尽管本发明的范围不限于这方面。
移动站(MS)120可以是期望通过BS 102接入无线网络130的任意类型的设备。在一些实施例中，移动站120可以是便携无线通信设备的一部分，诸如个人数字助理(PDA)、具有无线通信能力的膝上型或便携计算机、网络平板、无线电话、无线耳机、寻呼机、即时通信设备、数码相机、接入点、电视机、医疗设备(例如，心率监视器、血压监视器等)或可无线地接收和/或发射信息的其它设备。
在一些实施例中，可将基站102称为发射站，且可将移动站120称为接收站或订户站，然而基站102可具有接收能力而移动站120可包括发射能力。尽管基站102和移动站120被示为具有数个分离的功能元件，但该功能元件中的一个或多个可被组合，并可由诸如包括数字信号处理器(DSP)的处理元件等软件配置元件和/或其它硬件元件的组合来实现。例如，某些元件可包括一个或多个微处理器、DSP、专用集成电路(ASIC)以及用于执行至少本文所述功能的各种硬件和逻辑电路的组合。在一些实施例中，基站102和移动站120的功能元件可涉及在一个或多个处理元件上运行的一个或多个进程。
在一些实施例中，基站102和移动站120可根据诸如用于无线城域网(WMAN)的IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16(e)标准——包括其变体和演变——之类的特定通信标准通信，尽管本发明的范围不限于这方面，因为它们还适于根据其它技术和标准发射和/或接收通信。对于关于IEEE 802.16标准的更多信息，请参阅2005年5月的″IEEE Standards for Information Technology-Telecommunications and Information Exchange between Systems″-MetropolitanArea Networks-Specific Requirements-第16部分(“信息技术的IEEE标准——系统之间的电信和信息交换”——城域网——特定要求——第16部分)：″Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems(固定宽带无线接入系统的空中接口)″及相关的修改/版本。
天线112和天线122可包括定向天线或全向天线，包括例如偶极天线、单极天线、片状天线、环形天线、微带天线或适用于传输RF信号的其他类型的天线。在一些实施例中，可使用具有多个孔径的单个天线来代替两个或更多个天线。在这些实施例中，可将每个孔径视为单独天线。在一些实施例中，天线112和/或天线122可被有效地分离以利用在基站102的每个天线112和移动站120的每个天线之间产生的空间分集和不同的信道特性。
图2示出根据本发明的一些实施例的竞争码202。在一些实施例中，竞争码202是具有码空间C的CDMA(码分多址)竞争码(也被称为随机存取码)，该码空间C包括256个具有8比特信息的PN(伪随机数)码，其中的1/3被指定用于BW请求，另1/3被考虑用于系统再次进入，而其余的被预留用于系统进入。为了简化，将讨论n＝8位空间索引，即每个码携带8比特信息。本领域的技术人员将意识到可使用其它的码大小(和相应的码空间)，且这些都在实施例的范围内。
在一些实施例中，竞争码202包括子码字段204。子码字段204可用于分类和标识包含特殊含义的码子空间。例如，子码字段204可用于指示粗粒度的带宽请求的缓冲级。在某些实施例中，子码字段204可以是竞争码202的两位。本领域的技术人员将意识到可在替换实施例中使用更多的位。在两位宽的子码字段的示例中，可建立四个码子空间C1、C2、C3和C4，使得
C1∪C2∪C3∪C4＝C。
其中C是由竞争码202定义的码空间。
在一些实施例中，子码字段204可用于指示关于MS缓冲级的估计，如下(其中N1＜N2＜N3＜N4)：
 子码空间   缓冲级指示
 C1(00xx xxxx)   (0，N1]
 C2(01xx xxxx)   (N1，N2]
  C3(10xx xxxx) (N2，N3]
  C4(11xx xxxx) (N3，N4]，可使用附加BW(带宽)请求PDU(协议数据单元)
表1：缓冲级指示
因此在以上给出的示例中，在子码字段204中具有‘00’值的竞争码指示由移动站所需带宽的估计在0和N1(包括边界)字节之间。类似地，在子码字段204中具有‘01’值的竞争码指示所需带宽的估计在N1和N2(包括边界)之间。本领域的技术人员将意识到可对子码字段204使用更多位来建立其它码空间。
变化的实施例可将各种值用于Ni，其中‘i’是可根据子码字段204的大小创建的子码空间号。对N1至Ni的值的指派可考虑在确定由Ni的值得到的码空间指派时的各种考虑因素。例如，以非线性方式——即以指数方式指派N1至Ni可能是所期望的。这样做可为小的请求提供较好的分辨率和/或通过减少不必要的资源准予来提高效率。因此期望在为Ni设计值时考虑带宽请求的统计分布和应用的频率和重要性。
此外，在一些实施例中，可认为N1至Ni-1范围接近带宽估计的上限，以避免用于小的准予请求的附加BW请求PDU的开销。
此外，期望将每个码空间的基数与典型的BW请求模式的经验分布相匹配。例如，使用图2和表1所示的示例，如果很多请求落入范围(N1，N2]的有较高概率，则码空间C2应较大。再次地，可借助于BW请求分布的统计研究来确定期望的基数。
在一些实施例中，鉴于实际生活的网络环境不可能会迅速变化的事实，N1-Ni的限定可以是固定的。在可选实施例中，N1-Ni中的一个或多个可以是动态改变的。改变可通过向与BS通信的MS发送消息来传达。例如，在某些实施例中，BS可在帧的MAP分量中周期地广播映射信息。
在一些实施例中，可为固定大小的带宽请求预留特定码。例如，“0000xxxx”中的所有码可限定用于快速ARQ反馈分组的带宽请求大小。类似地，“0001xxxx”中的所有码可用于64字节TCP信令消息。
图3是示出根据本发明的一些实施例的用于在无线网络中请求资源的方法的消息序列。在一些实施例中，该方法在框302开始，其中基站102从移动站120接收具有指示带宽请求的嵌入式子码字段的竞争码。基站解码该子码字段以确定相关联的带宽请求范围，并调度可用于实现带宽请求的适当资源(缓冲器大小、时隙等)。
在框304，基站102向移动站120传送上行链路准予消息通知移动站所准予的带宽。
在框306，移动站随后可执行至基站120的上行链路传输。
如以上所看到的，BS可不轮询BW请求分组就分配所估计的所需BW，因此可通过消除或减少与先前系统的BW请求机制相关联的延迟来减少接入等待时间。
进一步描述了一般的基于MAC ID的码结构，其可被配置成在基于竞争的系统再次进入期间输送各种信息。
在一些实施例中，BS 102和移动站120使用包括任选同步、数据/控制/信令字段和任选CRC字段的一般码字。这些字段的长度可取决于部署情况而改变。另外，取决于随机接入信道的带宽，可将同步字段或CRC字段或两者的长度设置为0。
一般的接入码可被最初系统进入之后指派给MS的唯一性接入码覆盖。接入码可从MS的MAC-ID推导出或者可从任何正交或准正交序列推导出。基于MAC-ID的覆盖(cover)可用于唯一性地分离/标识移动终端以允许较快速的系统再次进入和BW请求。结果，在一些实施例中，不需要MAC头部，因为该覆盖将唯一性地标识MS。
上述的竞争码和子码字段及方法可用于定义一种新颖的传输/物理信道，在本文中称为快速接入信道(QACH)，于其上移动站在系统再次进入期间不仅可请求接入还可请求对所请求的物理资源的估计(BW请求)。BW请求可通过数据/控制/信令字段利用适当数目的比特来发信号。QACH信道允许在系统再次进入期间在上行链路中传输低速率数据和/或控制/信令消息/信息(BW-REQ)。传输低速率数据的能力有益于诸如VoIP和交互式游戏指令的对延迟敏感的应用。任选同步字段(SYNC字段)可包含QACH同步序列。
图4是示出根据本发明的一些实施例的粘接竞争的方法的流程图。一般，在每个MS处，粘接竞争可以是自管理的。其本质上是一种基于先前的竞争历史的非独立竞争过程。该方法在框402处开始，其中移动站利用竞争码成功地建立与基站的连接。在框404，移动站120保存用于成功建立对基站102的接入的竞争码。
在框406，发生新的竞争事件。新的竞争事件可以是系统再次进入、移动站120上的新应用或导致新竞争的任意其它事件。移动站120再次使用在框404(或框410)处保存的竞争码以尝试建立或再次建立对基站102的接入。
在框408，进行检查以确定所使用的竞争码是否成功地建立对基站102的访问。
在框410，如果尝试成功，则移动站120保存所使用的竞争码并继续与基站102通信。然后控制返回到框406，等待下一个竞争事件。
如果在框408，尝试建立或再次建立对基站102的访问失败，例如如果存在冲突或没有基站102的响应，则在一些实施例中移动站120分别以概率P1和P2执行框412和414的动作。在框412，移动站利用上次在框404保存的成功竞争码再次尝试接入基站。在框414，移动站随机生成新码，以供在尝试建立或再次建立对基站102的访问时使用。然后该方法返回到框406以针对下一竞争事件使用保存的码或新生成的码。
在一些实施例中，P1和P2可能性相同，即P1＝0.5且P2＝0.5。然而，实施例不限于P1和P2的任何具体的概率值。在可选实施例中，P1可等于0，这导致移动站作出一次再次使用先前成功的竞争码的尝试。如果尝试失败，则可选择新的随机生成的竞争码。
在一些实施例中，可改善性能，因为当系统不过载时，由于先前竞争码的再次使用可向竞争移动站自适应地指派预留隙，因此有效地降低竞争级。另一方面，当系统的确过载时，它将表现得类似随机竞争，即不会比任意情况下的随机竞争更差。
图5A和5B是示出根据本发明各实施例的用于预留竞争码的方法的流程图。一般而言，图5A和5B示出的自适应码预留与以上参考图4描述的“粘接竞争”具有某些相似性，但是其是由BS 102管理的。可将其视为利用BS 102处的集中式管理的码空间分割和预留。
图5A示出根据本发明的各实施例的预留竞争码的方法500，其中分析竞争模式。该方法始于框502，在那里基站102在一时间段上从一个或多个移动站120接收带宽请求。在框504，带宽请求由基站102保存在带宽请求历史数据108(图1)中。在一些实施例中，竞争历史数据包括作出请求的MS连同所请求的带宽大小。
竞争模式可以是表现出类似特性——诸如所请求的带宽——的一个或多个基于竞争的接入的集合。可向每个竞争模式指派唯一性码。在一些实施例中，因为传统的移动站可从整个码空间中随机地选择码，所以期望将这种“带有码预留的快速接入测距信道”与常规的测距信道物理地(基于时间/频率或码)分开以避免冲突。
在框506，可选择具有特定竞争模式的移动站120。例如，可标识具有指示特定带宽大小的有效再次使用的竞争模式的移动站120。
在框508，基站102可向所选移动站发送消息指示基站102已经预留一个或多个码，其中每个码表示估计的带宽请求量。在移动站执行具有简单模式的应用或带宽请求历史的情形中，一个码就足够了。例如，在上行链路中利用频繁的具有大约或小于100字节大小的TCP分组执行游戏会话的移动站可导致特定的竞争码被基站预留以便由移动站用于TCP分组。
在框510，定时器被设置(或复位)以为预留的一个或多个码建立到期时间。在一些实施例中，到期时间周期是由基站和移动站两者自计时的。
在框512，可发生预留展期事件。预留展期事件的示例是代表移动站利用所预留的一个或多个码的成功带宽请求。在这种情形中，可复位定时器。在一些实施例中，定时器在基站和移动站两者上皆被复位。
在框514，基站确定是否已经发生预留终止事件。预留终止事件的一个例子是预留定时器的期满。又一个例子是基站返回与同所预留的码相关联的请求不同的带宽请求准予。例如，如果基站返回6字节带宽请求准予，而不是关于所预留的接入码所协商的100字节准予，则MS应假设预留已经终止且不再存在。
在框516，认为预留码终止。当在特定移动站上标识竞争模式时码可被循环以供将来使用。
图5B示出根据本发明的各实施例的预留竞争码的方法550，其中预测竞争模式。方法550类似于方法500。该方法始于框501，在那里基站102基于移动站120上运行的应用预测带宽请求。在一些实施例中，可通过检查应用生成的数据分组类型来确定该应用。带宽请求模式可由BS 102预测。可使用预测模式来作为方法500中使用的分析模式的替代或补充。
框506-516与以上参考图5A讨论的框相同地操作。
作为图5A和图5B的方法500和550的操作的示例，考虑支持256个码并预留整个码空间中的128个码的网络。假设有128个正在进行的频繁请求带宽的流。平均起来，对于典型流的BW请求可能发生冲突的概率是1-(255/256)127＝0.4。利用码预留，可向每个流指派其自身的码，从而将减少或消除冲突。注意冲突可导致两个MS在相同的隙发送BW请求。结果与以上参考图4描述的“粘接竞争”的汇合点相同。然而，当所预留的码由BS管理时，BS可在竞争管理中安排更多的灵活性。例如在一些实施例中，BS可指派某些MS使用所预留的码且其它MS继续常规竞争。网络性能增益可能受到竞争模式极大相异或诸竞争请求分属不同QoS类的程度的影响。
应该注意，上述系统和方法可被组合或者可相互分开地实现。例如，可结合或不结合具有子码字段的竞争码使用图4所示的粘接竞争方法。基于MAC-ID对码字的覆盖可结合或不结合包括指示上行链路资源请求的子码的竞争码来使用。
以上的系统和方法可应用于很多网络环境和应用。受益于上述快速UL接入和资源分配的应用示例包括但不限于以下：
1.TCP ACK/SYN消息：这些是相对较小的分组。但它们的传递对整个往返行程时延(RTT)起作用，且TCP非常依赖于该往返行程时延。如果系统可提供快速(具有可能的确定性延迟)的TCP信令消息递送，则可以减少或消除TCP RTT中高达一半的抖动源。注意，这些TCP信令消息是固定大小的。
2.ARQ NACK：期望ARQ NACK分组应尽可能快地递送以校正PHY层H-ARQ反馈误差。如果被适当地设计，则这些ARQ NACK消息可被设计成具有固定大小，这将受益于上述的系统和方法。
3.在网络(再次)进入期间初始测距：典型地，在完成网络进入后，MS将请求带宽。当MS从空闲/睡眠切换至活跃式时，这些操作可能非常频繁，这增加了网络的信令开销并导致使客户的呼叫初始化缓慢。
4.无线一键通(PoC)服务(也称为即按即说)：PoC单向对话应用通常表现出长期(以秒计)话务开-关周期。最初的延迟会影响这种服务的质量。
5.游戏应用：游戏应用通常作出突发带宽请求，这可能在长的会话期间发生。在每个繁忙周期内，带宽请求是频繁/周期性的，且具有类似的请求资源大小。
6.IP语音(VoIP)：VoIP是延迟敏感服务，其涉及在活跃话音周期期间连续地以及在非活跃周期期间间歇地传输小的语音分组。语音服务的延迟敏感和突发特性要求增强的再次进入机制，这导致在UL中较短的接入时间和较短的端对端延迟。
各种实施例提供了为固定大小和小分组实现相对快速的UL带宽请求的方法。实施例的系统和方法对于系统性能是有益的。如果可由BS估计或推断大小信息而不使用BW请求分组，则系统和方法通过避免使用UL资源而减少信令开销从而提供高效率。
除非具体说明，否则，诸如处理、计算、推算、确定、显示等术语可指一个或多个处理或计算系统或者类似的设备的动作和/或进程，它们将处理系统寄存器和存储器内表示为物理(例如，电子)量的数据处理和变换成处理系统寄存器、存储器或其他这种信息存储、传输或显示设备内类似地表示为物理量的其他数据。此外，如本文所使用的，计算设备包括与计算机可读存储器耦合的一个或多个处理元件，该计算机可读存储器可以是易失性或非易失性存储器或其组合。
本发明的一些实施例可被实现为硬件、固件和软件之一或其组合。本发明的实施例还可被实现为存储在机器可读介质上的指令，其可由至少一个处理器读取和执行以执行本文所述的操作。机器可读介质可包括用于存储或传送机器(例如计算机)可读形式的信息的任何机制。例如，机器可读介质可包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质或闪存设备等。
遵照要求使读者能够确定技术公开的特征和要点的摘要的37C.F.R.部分1.72(b)提供了摘要。其主张这样的理解：它将不用于限制或解释权利要求的范围或含义。所附权利要求由此结合在详细的描述中，且每个权利要求自身可作为单独的实施例。

Claims (16)

1.一种用于提供基于上行链路竞争的接入的方法，包括：
在竞争码空间中确定多个子码空间，所述子码空间具有子码空间标识符以指示用于带宽请求的缓冲级；
接收竞争码，所述竞争码包括所述子码空间标识符用于指示移动站所请求的带宽估计；以及
根据所述子码空间标识符分配用于来自所述移动站的数据流的上行链路资源。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个子码空间包括四个子码空间，且其中所述子码空间标识符包括所述竞争码的两位。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上行链路资源包括上行链路带宽。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述子码空间与上行链路带宽量相关联，且其中所述上行链路带宽量是非线性的。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
保存导致对基站的成功接入的所述竞争码；以及
将所述竞争码再次用于对所述基站的后继基于竞争的接入。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
如果再次使用所述竞争码不成功，则基于第一概率再次尝试所述竞争码或基于第二概率生成新的竞争码。
7.一种用于提供基于上行链路竞争的接入的装置，包括：
用于接收竞争码的MAC组件，所述竞争码具有多个子码空间，所述子码空间具有子码空间标识符用于指示移动站所请求的带宽估计；以及
用于基于所述子码空间标识符来调度用于所述移动站的上行链路资源的上行链路调度器。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，调度上行链路资源的所述上行链路调度器包括对带宽进行分配。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：
带宽请求历史单元，具有多个带宽请求以及相关联的移动站标识符；
其中所述MAC组件用于根据所述带宽请求历史标识竞争模式以及预留用于与竞争模式相关联的一个或多个竞争码。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述MAC组件用于预测竞争模式以及预留用于与竞争模式相关联的一个或多个竞争码。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述MAC组件用于基于移动站上执行的应用预测所述竞争模式。
12.一种用于提供基于上行链路竞争的接入的设备，包括：
用于在竞争码空间中确定多个子码空间的装置，所述子码空间具有子码空间标识符以指示用于带宽请求的缓冲级；
用于接收竞争码的装置，所述竞争码包括所述子码空间标识符用于指示移动站所请求的带宽估计；以及
用于根据所述子码空间标识符分配用于来自所述移动站的数据流的上行链路资源的装置。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述多个子码空间包括四个子码空间，且其中所述子码空间标识符包括所述竞争码的两位。
14.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述上行链路资源包括上行链路带宽。
15.如权利要求12所述的设备，其特征在于，还包括：
用于为移动站确定竞争模式的装置；
用于预留一个或多个竞争码的装置；以及
用于通知所述移动站所述一个或多个所预留的竞争码的装置。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，确定所述竞争模式包括存储所述移动站的带宽请求，且其中所述竞争模式是根据所存储的带宽请求确定的。
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