СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДОСТУПОМ К БЕСПРОВОДНОМУ КАНАЛУ TDMA ИЗ УЗЛОВ СЕТИ ЛИНЕЙНОЙ ИЛИ ДРЕВОВИДНОЙ ТОПОЛОГИИ Российский патент 2011 года по МПК H04W72/00 

Настоящее изобретение относится к области сетей связи, более конкретно к соединению, основанному на методе планирования для иерархических беспроводных сетей с множеством транзитных (ретрансляционных) участков, продолжающихся за пределы радиоинтерфейса 3G. Без ограничения, изобретение будет описано со ссылками на следующие стандарты Wi-MAX:

[1] 802.16 “IEEE Standard for local and metropolitan area networks - Part 16: Air Interface for Fixed Wireless Access Systems”, October 2004.

[2] IEEE P802.16e/D5-2004: “Draft IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed Wireless Access Systems - Amendment for Physical and Medium Access Control Layers for combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands”, September, 2004.

Используется следующая терминология:

Базовая станция: базовая станция (BS) является стационарным элементом физической сети, обслуживающим ретрансляционные узлы или пользовательские терминалы в заданной географической области посредством его возможностей радиодоступа. Он обеспечивает интерфейс к базовой сети через фидерную систему. Заметим, что узел доступа (АР) может использоваться как синоним к базовой станции.

Ретрансляционный узел: ретрансляционный узел (RN) является элементом физической сети, обслуживающим другие ретрансляционные узлы или пользовательские терминалы в заданной географической области посредством его возможностей радиодоступа. Он беспроводным способом соединяется с базовой станцией, другим ретрансляционным узлом и/или пользовательским терминалом и передает пакеты данных между этими сетевыми элементами. В зависимости от того, установлены ли соединения (BS-RN и RN-RN или RB-UT) с той же самой технологией радиодоступа в том же самом пуле ресурсов передачи (например, радиочастотных каналов) или нет, может проводиться различие между однородными ретрансляционными узлами и неоднородными ретрансляционными узлами.

Пользовательский терминал: пользовательский терминал (UT) относится к элементам физической сети, используемым конечным пользователем для доступа к услуге или набору услуг. Отметим, что мобильный терминал может использоваться как синоним с пользовательским терминалом.

Уровень техники

В последние годы имеет место повышение интереса к сетям на основе инфраструктуры, усовершенствованной за счет применения множества ретрансляционных участков как в промышленности, так и в научных кругах, например концепция «затравки» в 3GPPP, ячеистые сети в [1], расширение покрытия в HiperLAN/2 посредством ретрансляторов или ячеистых сетей с разнесением на основе пользовательского взаимодействия.

Согласно фиг.1 ячеистая топология может быть определена как топология, в которой имеется, по меньшей мере, три узла с двумя или более маршрутами между ними, более точно, мы определяем ячеистую топологию как топологию, в которой пакеты не должны обязательно проходить через базовую станцию, но могут использовать непосредственную маршрутизацию, если маршрут от источника до места назначения существует в сети.

Различные методы использовали преимущества коммуникаций с множеством ретрансляционных участков через стационарные и/или мобильные ретрансляторы, например, решения для расширения дальности радиосвязи в мобильных и беспроводных широкополосных сотовых сетях. Кроме того, ретрансляция представляет собой средство снижения затрат на развертывание инфраструктуры. Показано, что ретрансляция с множеством ретрансляционных участков может повысить пропускную способность в сотовых сетях, например, за счет использования пространственного разнесения. Очень высокие скорости передачи данных, предусматриваемые для беспроводных систем 4-го поколения (4G) в приемлемо больших областях, по-видимому, не смогут быть реализованы в традиционной сотовой архитектуре ввиду двух основных причин: во-первых, скорости передачи, предусматриваемые для систем 4G на два порядка величины выше скоростей систем 3G, и хорошо известно, что для заданного уровня мощности передачи символьная (и, следовательно, битовая) энергия снижается линейно с увеличением скорости передачи. Во-вторых, спектр, который будет предоставлен для систем 4G, практически наверняка будет находиться намного выше полосы 2 ГГц, используемой в системах 3G. Распространение радиосигнала в этих полосах значительно больше подвержено влиянию условий «вне линии видимости», что является типовым режимом работы в современных сотовых коммуникациях в городских условиях.

Решение этой проблемы с позиций «грубой силы» состоит в значительном увеличении плотности базовых станций, что приводит к значительно более высоким затратам на развертывание, что было бы возможным, только если число абонентов также увеличивалось бы в той же степени. Это представляется маловероятным, поскольку внедрение сотовых телефонов уже является значительным в развитых странах. С другой стороны, то же самое число абонентов будет иметь намного более высокую потребность в скоростях передачи, делая совокупную пропускную способность узким местом в беспроводных системах будущего. В предположении, что абоненты не захотят платить ту же сумму на бит данных, что и для битов голосового сигнала, значительное увеличение в количестве базовых станций представляется экономически необоснованным.

Из вышеизложенного обсуждения очевидно, что более фундаментальные улучшения необходимы для очень неоднозначных требований пропускной способности и покрытия будущих систем. С этой целью в дополнение к усовершенствованным методам передачи и технологиям совместно расположенных антенн требуются некоторые основные модификации в собственно архитектуре беспроводной сети, которые позволят реализовать эффективное распределение сигналов к беспроводным пользователям и сбора сигналов от них. Интеграция возможности множества ретрансляционных участков в традиционные беспроводные сети является, вероятно, наиболее перспективным усовершенствованием архитектуры.

Другой возможный сценарий по отношению к фиг.1 (где ретрансляционный узел является пользовательским терминалом) для развития ячеистых сетей показан на фиг.2, где каждый ячеистый сетевой элемент (ретранслятор) является узлом режима передачи «от точки к множеству точек» (РМР). Ретрансляторы добавляются таким образом, что они могут собирать трафик, источником которых являются терминалы, и передают к базовой станции или к другому ретрансляционному узлу. Таким образом, могут быть предусмотрены два разных типа потоков трафика данных: ячеистый трафик (пунктирные линии), управляемый узлом доступа, и РМР-трафик (пунктирные линии), управляемый каждым связанным РМР-узлом. Это является некоторым типом «ориентированной на мобильного оператора» или «распределенной фидерной» ячеистой сети, поскольку мобильные операторы могут устанавливать стационарные узлы в требуемых позициях. Упрощенный пример ретрансляционной реализации по фиг.2 представляет собой городскую среду, представленную на фиг.3, с базовой станцией BS на перекрестках и четырьмя узлами RN в углах.

В обоих сценариях, описанных выше, первый «уровень» ретрансляторов, окружающих базовую станцию (или узел доступа), может непосредственно осуществлять связь с ней. Второй и последующий уровень ретрансляторов могут затем добавляться для соединения терминалов, еще не соединенных с первым уровнем, формируя древовидную топологию. Ретрансляционные станции подразумеваются стационарными или подвижными, где подвижность означает, что они могут легко перемещаться от одной позиции к другой (иначе, например, от действительной сотовой приемопередающей станции (BTS), которую после ее развертывания, очевидно, очень трудно переместить), сохраняя даже возможность поддержания ретрансляторов активными в процессе их перемещения. В принципе, узлы RN имеют определенную топологию; возможны изменения топологии (например, ввиду отказов узлов), но, вероятно, не часто. Поэтому распределение информации о состоянии сети не намного сложнее, чем в проводных сетях, и даже может быть принято централизованное управление выбором маршрута. В действительности предполагается, что BS знает топологию и глобальное состояние сети. Имея стационарное положение, ретрансляционные станции, как ожидается, не будут испытывать проблем с энергопитанием, поскольку они могут легко получать питание через электрическую распределительную сеть, или посредством подзаряжаемой батареи питания с большим сроком службы, или даже посредством солнечных панелей. Вышеописанные примеры отмечают преимущества по рабочим характеристикам, которые ретрансляция на множестве ретрансляционных участков может обеспечить в широкополосных сетях при применении в определенных сценариях.

[1] дополняет спецификацию физического уровня (PHY) для частот между 10 и 66 ГГц, опубликованную в этом стандарте усовершенствованной структурой уровня PHY в частотном диапазоне 2-11 ГГц для преодоления проблем, связанных с условиями вне линии видимости (NLOS) и с эффектами многолучевого распространения. В отличие от одночастотной версии (SC - с одной несущей) выше 11 ГГц, предложен режим OFDM для более низкого частотного диапазона. [1] предусматривает высокоскоростной беспроводный доступ, а также возможности множества ретрансляционных участков через два воздушных интерфейса, которые определены следующим образом: «из точки к множеству точек» (РМР) и ячеистый режим. Потоки трафика для РМР и ячеистого режима упрощенно представлены на фиг.4 и 5 соответственно.

Согласно фиг.4 в режиме РМР соединения устанавливаются среди базовых станций (BS) и абонентских станций (SS), следовательно, передачи данных между двумя SS маршрутизируются через BS. В ячеистом режиме трафик может возникать прямо среди SS, поскольку протокол позволят устанавливать соединения данных между соседними узлами и поддерживает передачи через множество ретрансляционных участков. Согласно фиг.5, BS в ячеистом режиме определяется как BS ячейки. BS ячейки является узлом, который сопрягает беспроводную сеть с ретрансляционными линиями связи. Она действует подобно BS в режиме РМР за исключением того, что не все SS должны непосредственно соединяться с BS ячейки. Протокол МАС для ячеистого режима должен поддерживать как централизованное (ячеистое CS), так и распределенное (ячеистое DS) планирование, или комбинацию обеих схем. В то время как РМР поддерживает обе дуплексные схемы, дуплексный режим с временным уплотнением (TDD) и дуплексный режим с частотным уплотнением (FDD), ячеистый режим поддерживает только TDD из-за его поддержки множества ретрансляционных участков, т.е. связи между произвольными SS. Трафик множества ретрансляционных участков реализован между одним узлом доступа (АР), соответственно, базовой станцией (BS), которая соединена проводом со стационарной магистральной сетью, и стационарным ретрансляционным узлом (RN). Трафик последнего ретрансляционного участка имеет место между AP/BS или RN и пользовательскими терминалами (UT).

Типовой принцип развертывания для радиоинтерфейса множества ретрансляционных участков показан на фиг.6. Со ссылкой на фиг.6, передачи множества ретрансляционных участков (МН) и одного ретрансляционного участка (SH) разделены в различных линиях связи между различными устройствами. Линии связи МН (сплошные стрелки) существуют между BS и RN. Линии связи SH (пунктирные стрелки) устанавливаются между BS, RN и пользовательскими терминалами (UT). Поскольку различные физические устройства являются частью коммуникационных соотношений, линии связи MH и SH разделены в пространстве. Область МН содержит BS и RN, которые реализуют соединения MH в виде беспроводной высокоскоростной магистрали. Области SH существуют между BS и RN соответственно, чтобы обслуживать пользовательские терминалы UT на последнем ретрансляционном участке. Имеются довольно различающиеся требования для передач MH и SH. В целом, ячеистый радиоинтерфейс может применяться для магистральной или беспроводной сети с ограниченным числом соединений. Различные пользовательские терминалы UT должны обслуживаться одним узлом магистральной сети. Для этой цели радиоинтерфейс РМР может применяться на последнем ретрансляционном участке в направлении пользовательского терминала UT, поскольку он довольно хорошо действует для нескольких соединений одного ретрансляционного участка. Кроме того, даже режим РМР с некоторыми предложенными модификациями может быть использован для соединения множества ретрансляционных участков, но современная версия стандарта не поддерживает этот режим работы. Что касается сравнения РМР и ячеистого режимов (для поддержки множества ретрансляционных участков режим РМР должен быть модифицирован), некоторые известные предварительные результаты выполнения предполагают, что ячеистый режим может быть предпочтительным образом применен для небольшого числа соединений. В отличие от этого, режим РМР лучше подходит для большого числа активных соединений. Это приводит к заключению, что комбинация элементов протокола РМР и ячеистого режимов в топологиях с множеством ретрансляционных участков будет перспективным подходом.

Концептуальный радиоинтерфейс по фиг.6 рассматривается на фиг.7 для определения сети концепции «Упрощенной иерархической РМР ретрансляции с множеством ретрансляционных участков» на основе комбинации концепций PmP и множества ретрансляционных участков. Рассматриваемая концептуальная сеть характеризуется следующим образом.

- Упрощенная иерархическая PmP-топология, получаемая комбинированием линейного развертывания (с логической точки зрения) ретрансляционного узла (RN) по различным ветвям и PmP-соединений на последнем ретрансляционном участке в направлении пользовательского терминала UT вокруг каждого узла RN. Она упрощена по отношению к родовой иерархической PmP-модели тем, что шаблон соединения для обработки каждым узел RN ограничен условием, что каждый узел RN соединяется максимум с двумя другими узлами RN. С другой стороны, различные узлы RN могут соединяться с базовой станцией BS, давая начало различным ветвям (в данном примере рассматриваются четыре линейные ветви). Множество терминалов UT может обрабатываться каждым узлом RN на последнем ретрансляционном участке. Поэтому данный пример исследован как хороший компромисс между (сверхупрощенной) ретрансляцией с двумя ретрансляционным участками и сложностью более обобщенными иерархическими PmP-структурами. Кроме того, рассматриваемая здесь логическая топология может представлять широкое разнообразие физических развертываний (принимая во внимание, что линейное смещение узла RN является требованием только с логической, но не с физической точки зрения).

- Трафик множества ретрансляционных участков передается между одной базовой станцией BS, которая соединена со стационарной магистральной сетью, и стационарными ретрансляционными узлами RN. Трафик последнего ретрансляционного участка имеет место между узлом RN и переменным числом пользовательских терминалов UT.

- Различение между линиями связи множества ретрансляционных участков и последнего ретрансляционного участка выполняется в частотной области. Более конкретно, в рассматриваемом примере предполагается использование двух частот: одна зарезервирована для линии связи от BS к RB и от RN к RN (то есть линии связи множества ретрансляционных участков); и одна используется для линии связи последнего ретрансляционного участка между RN и пользовательским терминалом UT. Последняя частота является «повторно используемой» для всей области последнего ретрансляционного участка вокруг каждого RN. Временная область используется для различения между восходящей линией связи и нисходящей линией связи (TDD).

Рассматриваемая концепция развертывания может в принципе быть реализована путем использования различных переменных для различения соединений множества ретрансляционных участков и последнего ретрансляционного участка: то есть ретрансляции, основанной на временной области, или частотно-временной области, или пространственно-частотно-временной области.

Постановка технической задачи

Ожидается, что сценарий множества ретрансляционных участков, показанный на фиг.7, будет принят для расширения покрытия, обеспечиваемого обычными сетями с одним ретрансляционным участком, такими как IEEE 802.11 для Wi-Fi и т.п.

Для выполнения координированных передач между RN и АР установка соединения может быть выполнена путем применения централизованного или распределенного планирования. Алгоритмы централизованного планирования выполняются центральным контроллером, который обеспечивает новое распределение ресурсов на основе текущего распределения ресурсов и принимаемых запросов. С другой стороны, распределенные алгоритмы могут выполняться всеми узлами в сетях и использовать только локальную информацию.

В сценарии множества ретрансляционных участков, показанном на фиг.7, мы рассматривали централизованный режим, поскольку протокол управления доступом к среде (МАС) проще по отношению к протоколу с распределенным алгоритмом. Он работает для обобщенной топологии логического дерева (иерархического PmP), показанного на фиг.8, в то время как реальная топология строго связана с областью, где развернута сеть. Поэтому общая пропускная способность системы возрастает с использованием экономичных инфраструктур, принимающих технологии множества ретрансляционных участков с централизованным планированием. Однако ограничение задержки, которая влияет на двухточечный трафик данных, становится сложной задачей в сценарии множества ретрансляционных участков, где каждый RN выдает запрос ресурсов только по следующей линии связи в направлении места назначения. Каждый узел посылает совокупный запрос ресурсов для всех обслуживаемых терминалов плюс ресурсы, требуемые узлами, более удаленными от базовой станции BS. Запрос вычисляется для следующей линии связи в направлении места назначения. На задержку двухточечной передачи влияет время передачи по различным линиям связи, время, затрачиваемое на пребывание в очередях, применяемых сетевыми элементами, и время обработки. Задержка на нахождение в очереди, упоминаемая как распределенная очередность, зависит от очереди, применяемой не только в источнике, но и в каждом промежуточном узле, который используется для достижения места назначения.

Цель изобретения

Целью настоящего изобретения является снижение задержки множества ретрансляционных участков двухточечной передачи, влияющей на известные протоколы управления доступом к среде (МАС) предшествующего уровня техники при назначении коммуникационных ресурсов различным запрашивающим пользователям, и усовершенствование протокола МАС для кадрированного физического уровня (PHY) посредством нового способа, который обеспечивает равноправие по отношению к задержке между передачами в восходящей линии связи и в нисходящей линии связи и между передачами, которые относятся к различным ретрансляционным участкам, удаленным от базовой станции BS, и который пригоден для предложения в качестве модернизации технологии стандарта, описанного в [1].

Сущность и преимущества изобретения

Изобретение достигает поставленную цель за счет обеспечения способа управления доступом к среде для иерархических беспроводных систем с множеством ретрансляционных участков, как раскрыто в пункте 1 формулы изобретения.

Согласно новому способу МАС в соответствии с настоящим изобретением, запросы ресурсов для передачи потоков восходящей линии связи от конечных узлов к базовой станции BS и/или потоков нисходящей линии связи от базовой станции BS к конечным узлам вычисляются каждым запрашивающим узлом на основе «от конечного узла к конечному узлу» вместо только следующей линии связи в направлении места назначения. Это стало возможным в сетях с древовидной топологией и централизованным планированием, где запрос ресурсов вычисляется на индивидуальных линиях связи между двумя смежными узлами, и сетевая конфигурация в принципе известна запрашивающим узлам. На практике, каждый запрашивающий узел выдает кумулятивный запрос, определяемый суммированием одного и того же запроса для каждой линии связи, которая отделяет узел от базовой станции (в восходящей линии связи) плюс каждая линия связи, отделяющая базовую станцию от узла места назначения (в нисходящей линии связи). Это также эквивалентно умножению объема ресурсов, вычисленного по первой линии связи, на число линий связи, участвующих в соединении. Базовая станция в ответ на все кумулятивные запросы предоставляет ресурсы восходящей и/или нисходящей линий связи для каждой линии связи. Предоставление представляет собой индивидуальное разрешение, выдаваемое узлу для исключительного использования общего ресурса (например, радиоканал TDMA) в течение доли времени.

Эта идея, воплощенная в новом способе МАС, является непосредственно реализуемой во всех беспроводных сетях со следующими характеристиками:

- древовидная топология с централизованным планированием (типа звезды и линейная являются конкретными случаями древовидной топологии);

- физический уровень основан на кадрах (канал TDMA); причем МАС может выравнивать свои интервалы планирования с лежащим в основе формированием кадров физического уровня PHY.

При вышеуказанных ограничениях новый способ МАС применим путем лишь изменения содержания ранее существовавших сообщений МАС.

В иерархических беспроводных сетях с множеством ретрансляционных участков, характеризуемых свободными топологиями, профиль запросов по каждой ветви, сохраняемый на стороне базовой станции в течение периода максимальной активности, формируется как треугольная матрица, столбцы которой хранят запросы для узлов, разнесенных на одинаковое число ретрансляционных участков от базовой станции, а строки хранят одинаковый запрос по каждой линии связи между базовой станцией BS и узлом, который удален от базовой станции на число ретрансляционных участков, равное номеру строки. Узлы, более близкие к базовой станции, имеют большее количество запросов, чем более удаленные узлы. Маршрут от конечного узла к конечному узлу через базовую станцию в направлении конечного узла, размещенного в другой ветви по отношению к исходному узлу, генерирует первый профиль для запросов восходящей линии связи и второй профиль для запросов нисходящей линии связи. Если полный объем запрашиваемых ресурсов ниже максимальной пропускной способности сети на уровне МАС, то профили предоставлений равны профилям запросов. В случае, когда полный объем запрашиваемых ресурсов не ниже максимальной пропускной способности сети на уровне МАС, то идеальные профили предоставлений нормализуются относительно отношения между максимальной пропускной способностью сети на уровне МАС и объемом всех запрашиваемых ресурсов.

Характеристики основанного на соединении планирования анализировались при принятии стандарта согласно [1] для ячеистого радиоинтерфейса между BS и узлами RN и радиоинтерфейса PMP для последнего ретрансляционного участка от узла RN к пользовательским терминалам UT. Дальнейший анализ был выполнен с радиоинтерфейсом для последнего ретрансляционного участка, как определено в [2]. В двух случаях результаты моделирования средней задержки как функции процента загрузки для различных количеств ретрансляционных участков в качестве параметра показывают, что задержка снизилась ниже 2T_FRAME как для нисходящей, так и для восходящей линии связи. В частности, задержка в один кадр вводится радиоинтерфейсом множества ретрансляционных участков (ячеистый режим), и задержка в один кадр вводится радиоинтерфейсом единственного ретрансляционного участка (РМР). Кроме того, алгоритм планирования может обеспечить равноправие по отношению к задержке среди соединений восходящей линии связи и нисходящей линии связи.

В качестве заключительного замечания, основанное на соединении планирование может быть предложено как эффективный стандартный механизм в ячеистых топологиях IEEE 802.16x с централизованным планированием для снижения задержки передачи из конечного узла в конечный узел. Этот тип планирования может быть использован в будущем и помимо систем 3G, где характеристика множества ретрансляционных участков является одной из ключевых перспективных архитектурных модернизаций, например архитектур, предусмотренных проектом WINNER (Новая радиосвязь - Инициатива беспроводного мира).

WINNER - это предконкурсный проект, исполняемый в рамках 6-й структуры Европейской Комиссии. Он начался в январе 2004 и проектируется для исполнения в течение всего 6 лет. Основная цель проекта WINNER заключается в исследовании технологий для будущих сетей радиодоступа и принципов для комбинирования их эффективным способом в системы для беспроводного мира, с ожидаемым временным масштабом к 2015 году. Рамки проекта охватывают повсеместный доступ по множеству областей, таких как развивающиеся сотовые системы вне стандарта 3G, доступ в горячих точках и горячих зонах, соединения малой дальности действия и ad hoc (создаваемые специально) соединения.

Краткое описание чертежей

Признаки настоящего изобретения, которые рассматриваются как новые, изложены детально в формуле изобретения. Изобретение и его преимущества могут быть поняты при обращении к последующему детальному описанию его варианта осуществления со ссылками на иллюстрирующие чертежи, которые приведены исключительно для пояснения, но не в ограничительном смысле, и на которых представлено следующее:

фиг.1 - как уже описано, пример ячеистой сети с множеством ретрансляционных участков;

фиг.2 - как уже описано, другой пример топологии ячеистой сети, где каждый узел ячейки действует как базовая станция BS для сети РМР;

фиг.3 - как уже описано, возможный сценарий связи с двумя ретрансляционными участками;

фиг.4 и 5 - как уже описано, схематичные потоки трафика для режима РМР и ячеистого режима согласно [1] соответственно;

фиг.6 - как уже описано, изображение в виде диаграммы принципы развертывания для возможной топологии с множеством ретрансляционных участков согласно [1];

фиг.7 - как уже описано, сеть с топологией в виде звезды, пригодная для расширения топологии с множеством ретрансляционных участков по фиг.6;

фиг.8 - как уже описано, древовидная топология для оценивания характеристик основанного на соединении планирования в терминах задержки от конечного узла к конечному узлу;

фиг.9 - гистограмма профиля запросов, выполняемых от узла (n,1), принимающего основанное на соединении планирование согласно настоящему изобретению;

фиг.10 - гистограмма профиля запросов в каждой линии связи, принимающей основанное на соединении планирование по фиг.9, в предположении, что требуется установить соединение между АР и каждым узлом;

фиг.11 - гистограмма профиля предоставлений, следующих за профилем запросов по фиг.10;

фиг.12 - структура кадра ячеистого режима согласно [1],

фиг.13 - структура сообщений управления МАС, передаваемых в подкадре управления планированием кадра ячеистого режима по фиг.12;

фиг.14 - структура подкадра данных кадра ячеистого режима по фиг.12;

фиг.15 - порядок передачи данных в подкадре данных по фиг.14;

фиг.16/17 - графики задержки передачи из конечного узла к конечному узлу в зависимости от процента нагрузки трафика в восходящей линии связи и нисходящей линии связи, полученные путем моделирования основанного на соединении планирования настоящего изобретения для различных ретрансляционных участков.

Детальное описание варианта осуществления изобретения

Новый протокол МАС описываемого варианта осуществления изобретения запускается запросом коммуникационных ресурсов, вычисленных в узлах централизованной топологии с множеством ретрансляционных участков, показанной на фиг.7 и 8, чтобы запросить ресурсы для передачи данных по восходящей линии связи и/или нисходящей линии связи. В качестве модернизации современной стандартизации запрос вычисляется на соединении из конечного узла к конечному узлу, а не только на следующей линии связи в направлении места назначения, поэтому эта стратегия может быть названа «Основанное на соединении планирование». Со ссылкой на фиг.8, пусть узел (a, b) удален на один ретрансляционный участок от базовой станции BS и

где N_a - число узлов, которые удалены на один ретрансляционный участок от базовой станции BS. Рассматривая соединение восходящей линии связи от узла (n, 1) к базовой станции BS, сообщение запроса, посланное от узла (n, 1) к базовой станции BS, содержит запросы ресурсов не только для следующего ретрансляционного участка, но и для каждой линии связи в направлении места назначения, как показано на фиг.9. Поэтому узел (n, 1) устанавливает тот же самый запрос восходящей линии связи от линии n(R_n) к линии 1(R₁), где

Рассматривая соединения восходящей линии связи от каждого узла (i, 1) к базовой станции BS, где i=1,…,n, узел добавляет свой собственный запрос, применяя тот же самый механизм, поэтому профиль запросов показан на фиг.10. R_i,j является запросом по линии j для соединения (восходящей линии связи или нисходящей линии связи) между базовой станции BS и узлом (i, 1). В направлении нисходящей линии связи базовая станция BS является узлом-источником для каждого соединения, поэтому она устанавливает (виртуально) тот же самый профиль запросов, показанный на фиг.10. Назначение ресурсов (предоставления) обеспечивается от базовой станции BS в соответствии с профилем запросов и показано на фиг.11. G_i,j является предоставлением по линии j для соединения (восходящей или нисходящей линии связи) между базовой станцией BS и узлом (i, 1). Следующий алгоритм применяется в базовой станции BS для вычисления предоставлений.

1. Если объем запрашиваемых ресурсов ниже максимальной пропускной способности сети на уровне МАС θ_Net/MAC:

поэтому профиль предоставлений равен профилю запросов:

Математическое выражение для максимальной пропускной способности сети на уровне МАС есть сумма полезных нагрузок на длительность кадра:

2. Если объем запрашиваемых ресурсов не ниже максимальной пропускной способности сети на уровне МАС, то профиль предоставлений нормализуется относительно отношения между θ_Net/MAC и объемом запрашиваемых ресурсов R_tot:

3. Имеется остаточная пропускная способность, не назначенная, ввиду нормализации:

Она назначается линиям связи, поддерживающим профиль предоставлений, показанный на фиг.11.

Практический пример показывает, каким образом основанное на соединении планирование используется для снижения задержки в сценарии с множеством ретрансляционных участков согласно [1] и [2]. Стандарт IEEE 802.16 обеспечивает либо высокоскоростной беспроводный доступ и возможности множества ретрансляционных участков через два радиоинтерфейса, которые определены как «из точки к множеству точек» и «из множества точек к множеству точек». В частности, ячеистый режим был разработан для поддержки передач с множеством ретрансляционных участков. В условиях метрополий высота антенн может быть слишком мала для линии прямой видимости (LOS) между передающей и приемной антеннами. Следовательно, необходим усовершенствованный проект физического уровня PHY в частотном диапазоне 2-11 ГГц, поскольку многолучевое распространение оказывает влияние на качество соединений. В стандарте IEEE 802.16 существуют различные спецификации физического уровня PHY для спектра 2-11 ГГц. Без ограничения, мы рассматривали схему передачи с мультиплексированием с ортогональным частотным разделением (OFDM) с 256-точечным быстрым преобразованием Фурье (БПФ) и режим TDD (дуплексный режим с временным разделением), который определен для ячеистого режима.

Управление доступом к среде (МАС) управляет эффективным использованием среды, которая совместно используется множеством пользователей. Структура кадра TDD для ячеистого режима иллюстрируется на фиг.12. Кадр ячеистого режима состоит из подкадра управления и подкадра данных, которые являются постоянными по длине. Длина подкадра управления L_CS, выражаемая как число символов OFDM, устанавливается на:

MSH_CTRL_LEN может иметь значение между 0 и 15 и распределяется базовой станцией BS ячеистого режима. Существует два типа подкадров управления: подкадр сетевого управления и подкадр управления планированием. Подкадр управления планированием разделен на пакеты централизованного планирования и распределенного планирования. Подкадр сетевого планирования разделен на пакеты сетевого входа и сетевой конфигурации. В течение кадров, в которых подкадр управления планированием не запланирован, передается подкадр сетевого управления. Подкадр сетевого управления служит, главным образом, для новых терминалов, которым желательно получить доступ к сети. Он используется для широковещательной передачи сетевой информации (т.е. сетевой топологии) ко всем абонентским станциям (SS) и обеспечивает средства для нового узла, чтобы получить синхронизацию и первоначального сетевого входа в ячеистую сеть. Этот тип подкадра управления возникает периодически, в то время как период является сетевым параметром, который может изменяться. Подкадр данных включает в себя часть TDM.

Ниже структура подкадра управления планированием и подкадра данных по фиг.12 описана в деталях, так как первый подкадр используется для передачи запроса и предоставления назначения ресурсов, а второй подкадр для передачи данных.

Подкадр управления планированием используется протоколом МАС согласно настоящему изобретению для определения объема назначенных ресурсов передачи для линии связи, которая обслуживается в пределах подкадра данных. Согласно фиг.13 пакет централизованного планирования включает в себя длинную преамбулу (2 символа OFDM), либо MSH-CSCH, либо MSH-CSCF, и защитный символ. Распределенное планирование включает в себя длинную преамбулу, часть MSH-DSCH и защитный символ. Части MSH-CSCH и MSH-DSCH переносят сообщения-омонимы, которые должны обрабатывать части сети, где соответственно применяется распределенное и централизованное планирование. Базовая станция BS ячейки принимает решение о числе сообщений распределенного планирования в подкадре управления планированием и указывает эту информацию полем MSH_DSCH_NUM, которое передается в подкадре сетевого управления. Из полного количества управляющих сообщений MSH_CTRL_LEN (фиг.12) первые (MSH_CTRL_LEN минус MSH_DSCH_NUM) назначены пакетам передачи, содержащим сообщения централизованного планирования ячеистого режима (MSH_CSCH) и централизованной конфигурации ячеистого режима (MSH_CSCF). Остальные MSH_DSCH_NUM назначены пакетам передачи, содержащим сообщения распределенного планирования ячеистого режима (MSH_DSCH), которые не рассматриваются настоящим изобретением. Ячеистые режимы CS и DS могут развертываться одновременно.

Сообщения MSH_CSCH и MSH_CSCF вместе с запросами ресурсов от узлов RN используются способом (протоколом) MAC согласно настоящему изобретению для выполнения стратегии основанного на соединении планирования, которая управляет передачей данных в подкадре данных. Передачи данных находятся в контексте линии связи, которая устанавливается между двумя смежными абонентскими станциями (фиг.8). Линия связи устанавливается посредством запроса ресурса, инициированного абонентской станцией SS, и завершается предоставлением ресурса. Каждый узел RN собирает запросы от обслуживаемых абонентских станций SS в интегрированный запрос и выдает уникальный кумулятивный запрос для всех линий связи вверх до базовой станции BS и вниз до одноранговой абонентской станции SS. Предоставление ресурса подразумевает разрешение для исключительного использования подкадра данных в течение доли времени. В ячеистом режиме CS базовая станция BS предоставляет ресурсы для каждой линии связи в ответ на все кумулятивные запросы ресурсов. Модальности стратегии основанного на соединении планирования являются такими, как уже описано со ссылками на фиг.10 (запросы) и фиг.11 (предоставления).

Согласно фиг.14 часть TDM подкадра данных разбивается на несколько пакетов физического уровня (PHY BURST) переменной длины, используемых для передач пользовательских данных. Пакет PHY BURST начинается с длинной преамбулы (2 символа OFDM), но соседние абонентской станции SS могут согласовывать использование короткой преамбулы (1 символ OFDM). МАС PDU вставляются непосредственно вслед за преамбулой, чтобы реализовать назначенные ресурсы. МАС PDU состоит из заголовка МАС фиксированной длины, подзаголовка ячеистого режима, полезной нагрузки МАС переменной длины и, факультативно, циклической проверки избыточности (CRC). Поскольку размер полезной нагрузки переменный, длина МАС PDU может изменяться в пределах от 8 до 2051 байта. Перенос данных в подкадре данных является ориентированным на соединение. Одна линия связи должна использоваться для всех двунаправленных передач данных между этими двумя абонентскими станциями SS. Подкадры нисходящей линии связи и восходящей линии связи не являются различимыми. Порядок передачи данных для трафика нисходящей и восходящей линий связи показан на фиг.15. Согласно фиг.15 можно видеть, что каждый подкадр данных разделен на две части: крайняя левая для передач нисходящей линии связи пакетов PHY BURST от базовой станции BS к узлам RN, крайняя правая для передач восходящей линии связи пакетов PHY BURST от узлов RN к базовой станции BS.

Этот подход подобен чередующемуся планированию в пределах 2 кадров, представленному в следующей статье: Mattias Lott, Simone Redana, Mattia Carlozzo, “Reducing the Delay of IEEE 802.16a in Multi-Hop Scenarios”, Proceeding of WWC 2005, San Francisco, USA, May 2005, в которой части подкадра данных назначались терминалам в соответствии с топологией. В пределах части, назначенной трафику нисходящей линии связи терминал, который находится ближе к базовой станции (узлу АР), обслуживается перед тем, который удален в большей степени. В противоположность этому, в части, назначенной трафику восходящей линии связи, применяется обратный порядок. Принимая этот подход, пакеты ожидают передачи, только в узлах-источниках, но не в пересылающих узлах. Поэтому они доставляются в место назначения в одном кадре, как только они посланы из источника.

На фиг.16 и 17 представлены графики моделирования задержек передач из конечного узла к конечному узлу при основанном на соединении планировании для передач нисходящей линии связи и восходящей линии связи соответственно. Результаты показывают среднюю задержку для различного числа ретрансляционных участков как функцию нагрузки. Нагрузка определена как сумма предоставляемой скорости от каждого пользовательского терминала UT, деленной на максимальную скорость, поддерживаемую сетью. Можно видеть, что задержка снизилась ниже 2T_FRAME как в нисходящей линии связи, так и 2T_FRAME, в частности, задержка в один кадр вводится радиоинтерфейсом ячеистого режима с множеством ретрансляционных участков, и задержка в один кадр радиоинтерфейсом РМР с единственным ретрансляционным участком. Кроме того, эквивалентность графиков восходящей линии связи и нисходящей линии связи показывает, что алгоритм обеспечивает равноправность по задержке среди соединений как в направлении восходящей линии связи, так и в направлении нисходящей линии связи.

На основе изложенного выше описания могут быть введены некоторые изменения в примерный вариант осуществления специалистами в данной области техники без отклонения от объема настоящего изобретения.

Изобретение относится к системам связи. Раскрытый способ управления доступом для иерархической беспроводной сети с множеством ретрансляционных участков непосредственно применим с ячеистой архитектурой, определенной в стандарте IEEE 802.16х. Запросы ресурсов для передачи потоков восходящей линии связи в направлении базовой станции BS и/или потоков нисходящей линии связи в направлении конечных узлов вычисляются каждым запрашивающим узлом на основе «от конечного узла к конечному узлу» вместо только следующей линии связи в направлении места назначения. Каждый запрашивающий узел выдает кумулятивный запрос, определяемый суммированием одного и того же запроса для каждой линии связи, которая отделяет узел от базовой станции (в восходящей линии связи) плюс каждая линия связи, отделяющая базовую станцию от узла места назначения (в нисходящей линии связи). Такие запросы позволяют централизованному узлу (базовой станции) выполнять основанное на соединении планирование. 9 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Способ управления доступом к беспроводному каналу TDMA от узлов (RN), развернутых как сеть с линейной или древовидной топологией для передач с множеством ретрансляционных участков восходящей линии связи от запрашивающего узла к централизованному узлу (BS) и/или в нисходящей линии связи от централизованного узла (BS) в направлении конечного узла (RN), включающий в себя этапы:
выдачи информации о топологии сети от централизованного узла (BS) к другим узлам (RN);
вычисления объема ресурсов, необходимых по каждой отдельной линии связи (Link 1,…, Link n) между смежными узлами (BS, RN), передающим узлом в данной линии связи;
выдачи разрешений, также называемых предоставлениями, для исключительного использования канала TDMA в течение данного времени, централизованным узлом (BS) каждому узлу (RN) по маршруту(ам) с множеством ретрансляционных участков восходящей линии связи и/или нисходящей линии связи,
отличающийся тем, что упомянутый запрашивающий узел (RN) выдает кумулятивный запрос для ресурсов, необходимых по каждой линии связи вдоль маршрута из конечного узла к конечному узлу,
при этом упомянутый централизованный узел предоставляет ресурсы для каждой линии связи в соответствии с профилем предоставлений, более низким, чем профиль запросов для этой линии связи, при условии, что полный объем запрошенных ресурсов не ниже максимальной разрешенной пропускной способности сети для канала TDMA, и
упомянутый более низкий профиль предоставлений вычисляют нормализацией упомянутого профиля предоставлений для данной линии связи относительно отношения между максимальной разрешенной пропускной способностью сети и полным объемом запрошенных ресурсов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутый централизованный узел (BS) предоставляет ресурсы для каждой линии связи (Link 1,…, Link n) в ответ на все кумулятивные запросы ресурсов.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что упомянутый централизованный узел (BS) предоставляет ресурсы для каждой линии связи (Link 1,…, Link n) в соответствии с профилем предоставлений, равным профилю запросов для этой линии связи, при условии, что полный объем запрошенных ресурсов ниже максимальной разрешенной пропускной способности сети для канала TDMA.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что остаточную пропускную способность по каналу TDMA, не назначенную вследствие нормализации, назначают упомянутым линиям связи (Link 1,…, Link n), поддерживающим форму профиля ресурсов.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что упомянутый профиль предоставлений, вычисляемый в течение периода максимальной активности, формируют как треугольную матрицу, столбцы которой хранят предоставления, выданные узлам, разнесенным на одинаковое число ретрансляционных участков от упомянутого централизованного узла (BS), а строки хранят одинаковый запрос по каждой линии связи между упомянутым централизованным узлом (BS) и узлом, который удален от упомянутого централизованного узла (BS) на число ретрансляционных участков, равное номеру строки.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутый кумулятивный запрос формируют умножением объема ресурсов, вычисленного по первой линии (Link 1) множества ретрансляционных участков, на общее число линий (Link 1,…, Link n) на маршруте из множества ретрансляционных участков.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутые узлы (Link 1,…, Link n) являются ретрансляционными узлами, далее соединенными по схеме «из точки к множеству точек» с переменным количеством пользовательских терминалов (UT) вокруг узлов для трафика последнего ретрансляционного участка.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что различение между линиями множества ретрансляционных участков и последнего ретрансляционного участка выполняют в частотной области.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутый канал TDMA разделяют на кадры, каждый кадр разделяют на подкадр управления и подкадр, предназначенный для передачи данных, при этом каждый подкадр, предназначенный для передачи данных, разделен на две смежные части, первая из которых предназначена для трафика нисходящей линии связи, а вторая предназначена для трафика восходящей линии связи, при этом в пределах части трафика нисходящей линии связи узел (BS, RN), более близкий к централизованному узлу (BS), обслуживают перед узлом, более удаленным, а в пределах части трафика восходящей линии связи принимают обратный порядок передачи.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он непосредственно может использоваться с ячеистой архитектурой, определенной стандартом IEEE 802.16x, путем изменения только содержания сообщений протокола MAC.