一种宽带无线城域网基站的上行带宽分配方法

摘要

本发明提供一种宽带无线城域网基站的上行带宽分配方法，用于实现基站与移动用户站之间的上行带宽分配，在所述基站上包括用于对移动用户站上的各种业务进行管理的全局多级移动用户站业务队列；该方法包括：计算上行带宽调度分配过程中所能调度的带宽资源的大小；分别为初始竞争测距、竞争信道、快速反馈信道进行带宽分配；计算剩余的带宽资源，若带宽资源有剩余，则根据业务优先级的高低，为所述全局多级移动用户站业务队列中的业务按照首先处理UGS/ertPS业务，接着处理rtPS业务，最后处理nrtPS/BE业务的顺序分配带宽资源，直至带宽资源分配完毕或完成对所有业务的带宽资源分配。

说明书

技术领域

本发明涉及宽带无线城域网技术，特别涉及到一种宽带无线城域网基站的上行带宽分配方法。

背景技术

以IEEE 802.16系列标准为代表的宽带无线城域网技术被认为是下一代通信网中最具发展潜力的接入技术之一，凭其借传输距离远、接入速率高，并且能提供广泛的多媒体通信服务的优点，正受到业界越来越多的关注。理论上这种技术可以应用于广域接入、企业宽带接入、家庭最后一公里接入、热点覆盖、移动宽带接入等所有宽带接入市场。IEEE 802.16标准的WirelessMAN-OFDMA物理层规范是基于正交频分复用(OFDM)技术实现的。OFDM作为多载波传输技术的代表，成为一项近年来倍受关注的宽带传输技术，它能够有效地对抗窄带干扰和多径传输造成的符号间干扰，并且能够大大提高信息传输的容量。

由于无线信道带宽资源稀有、误码率高、多用户自干扰等特点，无线系统的带宽分配已经成为一个具有挑战性的问题。一个好的调度策略不仅能够提高无线资源带宽利用率，节约传输电能，最重要的是能保证用户的服务质量需求。IEEE 802.16在标准中融合了服务质量保障(QoS)思想，在MAC层提供了面向连接的传送机制以及完善的业务流管理机制。但是802.16协议并没有指定具体的调度机制来管理基于OFDMA技术的上行信道资源，如何在MAC层调度优先级不同的业务，分配OFDMA时频二维的信道资源，成为IEEE 802.16MAC系统需解决的最关键问题之一。在现有技术中已经存在一些针对802.16协议的上行带宽分配方法，如申请号为200610113124.6，名称为《一种WiMAX系统上行带宽的动态分配方法》的中国专利申请所公开的相关方法，这些方法在实现时或者没有全面的考虑到IEEE 802.16协议的五种业务的不同QoS特性，或者不是针对基站上行带宽的分配而是针对终端的上行包调度，因此在具体实现时无法达到上行带宽分配的最佳实现效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有的上行带宽分配方法没有考虑到业务的QoS特性，影响上行带宽分配的实现效果的缺陷，从而提供一种带宽分配效果更佳的上行带宽分配方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种宽带无线城域网基站的上行带宽分配方法，用于实现基站与移动用户站之间的上行带宽分配；在所述基站上包括用于对移动用户站上的各种业务进行管理的全局多级移动用户站业务队列；其中，所述的全局多级移动用户站业务队列为每一个移动用户站分配一个移动用户站业务节点，在该节点上有用于描述对应移动用户站所含业务的连接业务队列，所述连接业务队列中的一个连接业务节点对应一个具体的业务，在所述连接业务节点中包括用于指代QoS参数的QoS参数指针；

该方法包括：

步骤1)、计算上行带宽调度分配过程中所能调度的带宽资源的大小；

步骤2)、分别为初始竞争测距、竞争信道、快速反馈信道进行带宽分配；

步骤3)、计算剩余的带宽资源，若带宽资源有剩余，则根据业务优先级的高低，为所述全局多级移动用户站业务队列中的各个连接业务节点按照首先处理UGS/ertPS业务，接着处理rtPS业务，最后处理nrtPS/BE业务的顺序分配带宽资源，直至带宽资源分配完毕或完成对所有业务的带宽资源分配；所述带宽资源在分配过程中遵循所述QoS参数指针所指代的QoS参数。

上述技术方案中，所述基站还包括用于描述带宽分配情况的带宽分配队列，所述连接业务节点中包括用于记录UGS/ertPS业务中每帧所需调度数据量的UGS/ertPS带宽授予字段；

在所述的步骤3)中，为所述的UGS/ertPS业务分配带宽资源包括：

步骤3-1-1)、遍历所述全局多级移动用户站业务队列，按序选择UGS或ertPS业务；

步骤3-1-2)、从所述UGS或ertPS业务的连接业务节点上读取UGS/ertPS带宽授予字段中所保存的业务所需带宽；

步骤3-1-3)、根据步骤3-1-2)的读取结果分配带宽资源，并将分配情况增量记录在相应移动用户站的带宽分配队列中，直至带宽资源分配完毕或完成对所有UGS或ertPS业务的带宽资源分配。

上述技术方案中，所述UGS/ertPS带宽授予字段中所记录的UGS/ertPS业务中每帧所需调度数据量由所述的QoS参数计算得到。

上述技术方案中，所述QoS参数包括最大传输速率、最小传输速率、可承受抖动、最大延迟。

上述技术方案中，所述基站还包括用于描述带宽分配情况的带宽分配队列，所述连接业务节点中包括用于记录rtPS业务所请求的带宽的rtp带宽请求队列；

在所述的步骤3)中，为所述的rtPS业务分配带宽资源包括：

步骤3-2-1)、遍历所述全局多级移动用户站业务队列，按序选择一个rtPS业务；

步骤3-2-2)、为所述rtPS业务分配用于发送带宽请求的带宽资源，并将所分配的带宽资源记录在相应移动用户站的带宽分配队列中；

步骤3-2-3)、为所述全局多级移动用户站业务队列中的所有rtPS业务分配用于发送带宽请求的带宽资源后，为所述rtPS业务分配用于传输数据的带宽资源，并将所分配的带宽资源记录在相应移动用户站的带宽分配队列中，直至带宽资源分配完毕或完成对所有rtPS业务的带宽资源分配。

上述技术方案中，在所述的步骤3-2-3)中，当为所述rtPS业务分配用于传输数据的带宽资源时，根据所述rtPS业务的连接业务节点中的rtp带宽请求队列的带宽请求节点的要求分配带宽资源。

上述技术方案中，所述基站还包括用于描述带宽分配情况的带宽分配队列，以及用于对BE或nrtPS业务的带宽请求进行管理的BE/nrtPS的带宽请求队列数组；

在所述的步骤3)中，为所述的nrtPS/BE业务分配带宽资源包括：

步骤3-3-1)、从所述BE/nrtPS的带宽请求队列数组中各个队列中按序读取待处理的带宽请求节点；

步骤3-3-2)、根据当前带宽请求节点中的值为对应的nrtPS业务或BE业务分配带宽资源，直至带宽资源分配完毕或完成对所有nrtPS业务或BE的带宽资源分配。

上述技术方案中，所述连接业务节点包括业务类型信息。

本发明的优点在于：

1、本发明的宽带无线城域网基站的上行带宽分配方法采用了一个动态全局多级用户站业务队列维护移动用户站中具有不同优先级的业务的基本信息，使得在上行调动过程中根据业务的优先级依次调度相关的业务，达到良好的调度效果。

2、本发明的宽带无线城域网基站的上行带宽分配方法在调度过程中不仅考虑数据信道的分配，而且还综合考虑了CDMA竞争信道和快速反馈信道的分配，在减少入网冲突和提高数据吞吐率上达到一个较好的平衡。

3、本发明的宽带无线城域网基站的上行带宽分配方法在调度过程中满足了不同业务的不同QoS需求，有利于提高业务的实现效果。

附图说明

图1(a)为本发明的宽带无线城域网基站的上行带宽分配方法中所涉及的动态全局多级用户站业务队列的示意图；

图1(b)为本发明的宽带无线城域网基站的上行带宽分配方法中所涉及的BE/nrtPS的带宽请求队列的示意图；

图1(c)为本发明的宽带无线城域网基站的上行带宽分配方法中所涉及的带宽分配队列的示意图；

图2为上行信道的资源示意图；

图3为本发明的宽带无线城域网基站的上行带宽分配方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行说明。

在对本发明的方法进行说明前，为了便于理解，首先对本发明中所涉及的无线城域网的组成进行说明。根据IEEE 802.16e协议所形成的无线城域网由空口侧和网络侧组成。空口侧的实体包括移动用户站(MS)和基站(BS)，用户站和基站之间通过空中接口交互。网络侧实体包括网关和各种管理实体，通过有线交互。本发明所涉及的是空口侧的相关实体，因此在本发明中所提到的上行业务通常是指由移动用户站向基站发起的业务，与上行业务相关的上行调度不涉及数据包的调度，而是对下一帧无线信道资源预分配的过程。在无线城域网中，移动用户站与基站间建立连接，在IEEE 802.16的MAC层，每条连接都对应一种服务类型，每种服务类型都有一组对应的QoS参数。在IEEE 802.16e协议中，上行业务的类型共有5种，下面分别予以说明。

1、主动授予服务(Unsolicited Grant Service，UGS)：这类服务用于传输周期性的、包大小固定的实时数据业务，例如T1/E1以及非静音抑制的VoIP业务等。UGS业务一旦申请成功，在传输过程中就不需要再去申请，由基站周期性地强制调度，不接收来自移动用户站的竞争请求机会，同时禁止使用捎带请求，避免了带宽请求引入的开销和时延。

2、实时轮询服务(Real-time Polling Service，rtPS)：这类服务用于支持周期性的、包大小可变的实时业务，例如MPEG视频业务。rtPS提供周期性的单播轮询带宽请求机会，从而使得对应的连接能够周期性地改变带宽请求。采用这种服务时，基站也不接收来自移动用户站的其它竞争请求机会和捎带请求。此类服务比前述的UGS的请求开销大，但能按需动态分配带宽。

3、扩展实时轮询服务(Extended Real-time Polling Service，ertPS)：这类服务是前述的UGS和rtPS特点的组合，它用于支持实时、数据包长度周期变化的业务，例如带有静音抑制的VoIP业务。基站周期性分配带宽给上行的ertPS业务，避免了带宽请求引入的开销和时延。移动用户站可以向基站申请改变上行带宽的大小，因此使基站在分配带宽时增加了灵活性，提高了带宽利用率。

4、非实时轮询服务(Non-Real-time Polling Service，nrtPS)：这类服务用于支持非周期、变长分组的非实时VBR服务流，如高带宽的FTP业务流，它有最小速率要求。对此类服务，基站提供比rtPS轮询间隔更长的周期或不定期的单播请求机会，移动用户站也可以使用竞争和捎带请求的方式来请求带宽。

5、尽力而为服务(Best Effort，BE)：这类服务主要用于支持非实时、无任何速率和时延要求的分组数据业务，例如Telnet和Http服务，该类服务的稳定性由高层协议来保证。对此类服务，移动用户站可以随时提出带宽请求，允许使用任何类型的竞争请求机会和捎带请求，但是不允许它们使用任何单播轮询请求机会。

根据上述五种类型的上行业务各自的特点，对各个服务的优先级做了如下规定：UGS/ertPS>rtPS>nrtPS>BE。在本发明的方法中，将以该优先级为基础实现对上行带宽的分配。

本发明中所述的上行带宽是指无线城域网为移动用户站与基站间的上行通信所分配的无线信道资源。根据IEEE802.16e协议的规定，上行带宽可以有如下几种主要用途：第一，作为快速反馈信道，所谓快速反馈信道是为移动用户站开辟的一个专用或竞争信道，用于ARQ机制的ACK反馈或者CQICH(信道质量信息信道)；第二，作为竞争信道，供移动用户站发起CDMA竞争测距或者CDMA竞争带宽请求；第三，作为数据传输信道，在作为数据传输通道时，可以传输前述五种上行业务中的任意一种；第四，作为其他用途，例如CDMA带宽授予。由于上行带宽用途的多样性，以及上行带宽作为数据传输通道时所涉及的服务类型的多样性，使得基站在每一次做上行调度时，可能会遇到各种各样的情况，为了保证调度的成功率和执行效率，需要采用本发明的上行带宽分配方法，下面结合一个实例，对本发明的方法做具体说明。

假设在一个实施例中，在一个基站A的范围内有两个移动用户站，这两个移动用户站分别用x和y表示，为了实现本发明的上行带宽分配方法，其中的基站A采用了一个全局多级移动用户站业务队列来维持待调度的移动用户站x、y的信息，该队列如图1(a)所示，该队列中包括有两个移动用户站业务节点，分别用来表示对基站A具有带宽需求的移动用户站x、y。在每一个移动用户站业务节点上，各自拥有连接业务队列，该队列由连接业务节点组成。所述的连接业务节点负责描述一条服务流的具体信息，包括业务类型、QoS参数指针、rtp带宽请求队列、UGS/ertPS带宽授予字段。其中的业务类型可以是上述五种上行业务类型之一。而QoS参数指针则用于指代各种的QoS参数，如图中的最大传输速率、最小传输速率、可承受抖动、最大延迟等。rtp带宽请求队列和UGS/ertPS带宽授予字段与具体的业务类型相关，若业务类型为UGS或者ertPS，则其中的UGS/ertPS带宽授予字段表示根据QoS参数计算出的UGS/ertPS业务中每帧需要调度的数据量，此时rtp带宽请求队列无效；如果业务类型是rtPS，则rtp带宽请求队列表示rtPS业务利用轮询机会进行了带宽请求，此时UGS/ertPS带宽授予字段无效；若业务类型为BE或nrtPS，则所述的rtp带宽请求队列和UGS/ertPS带宽授予字段都为无效。rtp带宽请求队列中的带宽请求节点的值说明了请求带宽的大小，若队列中存在多个带宽请求节点则说明累积了多个待处理的请求。对于BE或nrtPS业务，基站A还需要额外维护一个BE/nrtPS的带宽请求队列数组，该数组通常包括8个队列(在图1(b)中只是示意性地给出了一个队列)，8个队列间按照优先级从高到低分为0-7级。队列中的节点代表BE/nrtPS业务带宽请求的多少，每个队列采用先来先服务的顺序。在基站A上，还有一个用于描述带宽分配情况的带宽分配队列，如图1(c)所示，在带宽分配队列中为全局多级移动用户站业务队列中的每一个移动用户站业务节点分配了一个对应的节点，在该节点中描述了其带宽分配情况，包括本次已经分配的数据量和对应的时隙。在图1中所描述的全局多级移动用户站业务队列、BE/nrtPS的带宽请求队列数组、带宽分配队列都是举例说明之用，在实际应用中，队列中的节点数量以及节点所包括的具体内容并不局限于图1中所示的内容。

在前述的由基站A、移动用户站x、y组成的无线城域网中，假设移动用户站x发起一个打VoIP电话的新的服务，则当基站A建立与这一服务相关的服务流时，根据这一服务的基本连接标识(basic cid)遍历移动用户站业务队列，找到移动用户站x的业务节点，并在这一业务节点上创建VoIP电话的连接业务节点。在创建连接业务节点时，需要对该节点做初始化以赋予相应的信息。从前面的说明中可以知道，VoIP电话业务属于UGS，因此连接业务节点中的业务类型为UGS，连接业务节点中的QoS参数为最大保持速率、最小传输速率、最大时延、可容忍抖动，UGS/ertPS带宽授予字段为每帧需要授予的带宽大小，此处的带宽大小可根据最大发送量计算得到。在此，以VoIP电话业务为例，对如何创建相应的连接业务节点的过程做了说明，而对于其它类型的连接业务，创建连接业务节点的过程也与之相似，只是在具体的实现细节上有一定的差异，但本领域的技术人员将前面描述中的内容与现有技术相结合都可实现。

对于如上述实施例中所涉及的VoIP电话之类的UGS业务以及ertPS业务，在基站A完成对连接业务节点的初始化后，就可以实现上行带宽的分配，而对于rtPS、BE、nrtPS业务，则还要先接收来自移动用户站的带宽请求，然后根据CID和业务类型将带宽请求分别缓存在rtPS、BE/nrtPS的带宽请求队列中，再进行上行带宽的分配。

如图3所示，在一次对上行带宽的调度分配中，首先要知道该次调度分配过程中所能调度的带宽资源的大小。所述的带宽资源的大小由本次调度可用的OFDMA子信道(subchannel)数、OFDMA符号(symbol)数确定，由此生成一个时间频域的二维资源块。根据带宽所要完成的功能，如图2所示，这一时间频域的二维资源块可分为两大部分，其中的一部分如图中的a、b、c所标识的矩形区域，供快速反馈信道和竞争信道以块(block)为单位进行分配，一个块(block)是一个由时隙(slot)组成的矩形区域，而另一部分则如图中所标识的1～12的时隙，由数据传输信道以时隙(slot)为单位进行分配。

从前面的说明中可以知道，为快速反馈信道和竞争信道所分配的带宽资源是带宽请求和测距所必需的，而为数据传输信道所分配的带宽资源则是数据传输所必需的。因此，如果分配给竞争测距的时隙多，则用户入网时的冲突概率减小，入网信息的吞吐率上升，入网时延降低；但是与此同时也会造成数据时隙的数量减少，数据的吞吐量下降，时延上升，通信质量下降。基于上述原因，需要在测距时隙数量和数据时隙数量间做一定的权衡。因此，基站A衡量移动用户站对CDMA初始竞争测距的需求，确定CDMA初始测距分配时隙数，从而动态地划分用于CDMA初始竞争测距的区域，并组建相应IE(Information Element，信息单元)。在图2中，若整个矩阵表示一次调度所能使用的带宽资源，则划分用于CDMA初始竞争测距的区域就是要将图中划出一部分区域a用来表示CDMA初始竞争测距。上述过程中，IE的组建属于现有技术，在此不再做详细说明。

在完成对初始竞争测距的分配后，根据移动用户站的需求，依次对竞争信道和快速反馈信道进行带宽分配，并组建相应的IE。仍以图2为例，此处所述的对竞争信道和快速反馈信道进行带宽分配就是将图2的矩形区域进一步划出区域b用来表示CDMA竞争带宽请求，划出区域c用来表示快速反馈。

在完成对竞争信道和快速反馈信道的带宽分配后，就可以实现对数据信道的带宽分配，即要将图2中右侧的各个小矩阵分别分配给对应的业务。在对数据信道做带宽分配前，先要对整个上行信道在经过前述的关于竞争信道和快速反馈信道的带宽分配后所剩余的带宽资源进行统计，包括统计未被占用的子信道和符号，计算剩余时隙数。在具有剩余带宽的前提下，初始化带宽分配队列，所述的初始化包括将带宽分配队列清零。

在前文中已经对与数据传输的5种上行业务的优先级做了说明，在对带宽做分配的过程中，以这些优先级为基础，依次实现对相关业务的调度。由于UGS和ertPS业务的优先级最高，因此首先调度UGS和ertPS业务。在调度过程中，遍历基站A的全局多级移动用户站业务队列，对于业务类型是UGS和ertPS的业务，读取UGS/ertPS带宽授予字段中所保存的业务所需带宽值，根据该值分配相应的带宽资源并增量记录在相应移动用户站的带宽分配队列的节点中。在完成对当前业务的处理后，计算剩余带宽，如果仍然有剩余带宽且足够服务下一个业务，则在全局多级移动用户站业务队列中查找下一个UGS/ertPS业务，继续为该业务分配带宽，直到带宽分配完毕或已经为所有的UGS/ertPS业务分配带宽。在本实施例中，移动用户站x所发起的VoIP电话属于UGS业务，在上述为UGS/ertPS业务分配带宽后，已经可以利用已经分配的带宽进行通信。但在实际应用中，移动用户站所发起的服务可能并不局限于上述UGS业务或ertPS业务，还需要为其它类型的业务进行带宽分配。因此，还需要做下面的操作。

当为所有的UGS/ertPS业务分配带宽后，上行带宽还有剩余时，根据优先级需要为rtPS业务分配带宽。为rtPS业务所分配的带宽分为两种类型，一是rtPS业务用于发送带宽请求的带宽，二是rtPS业务用于传输数据的带宽。这两种类型的带宽在分配时也有优先级顺序，一般先满足发送带宽请求的带宽，只有在所有的rtPS业务都分配到用于发送带宽请求的带宽后，才为rtPS业务分配用于传输数据的带宽。具体的说，首先遍历全局多级移动用户站业务队列，找到一个业务类型为rtPS的业务，为其分配足够发送带宽请求的带宽，并增量记录在相应移动用户站的带宽分配队列的节点中。在完成对当前rtPS业务的处理后，计算剩余带宽，如果仍然有剩余带宽且足够服务下一个业务，则在全局多级移动用户站业务队列中查找下一个rtPS业务，继续为该业务分配用于发送带宽请求的带宽，直到带宽分配完毕或已经为所有的rtPS业务分配用于发送带宽请求的带宽。

当为所有的rtPS业务分配用于发送带宽请求的带宽，且上行带宽还有剩余时，为rtPS业务分配用于传输数据的带宽。在分配时，首先从全局多级移动用户站业务队列中查找一个rtPS业务，对于一个rtPS业务，根据在创建连接业务节点时所创建的rtp带宽请求队列中待处理的带宽请求节点的要求分配带宽，并增量记录在相应移动用户站的带宽分配队列的节点中。然后计算剩余带宽，如果仍然有剩余带宽且足够服务下一个带宽请求节点，继续为带宽请求节点分配带宽，直到带宽分配完毕或已经为所有的rtPS业务分配用于数据传输的带宽。需要说明的是，从图1中可以看出，一个连接业务节点上可能会有多个带宽请求节点，在请求下一个带宽请求节点时，只有在一个连接业务节点上的带宽请求节点都处理完毕后，才会对后续连接业务节点中的带宽请求节点进行处理。

当为所有的rtPS业务分配用于数据传输的带宽后，如果上行带宽还有剩余，则为nrtPS/BE业务分配带宽。在分配时，根据BE/nrtPS的带宽请求队列数组中所包含的各个队列中待处理的带宽请求节点分配带宽，并增量记录在相应用户站的带宽分配队列的节点中。然后计算剩余带宽，如果仍然有剩余带宽且足够服务下一个带宽请求节点，则继续分配带宽，直到带宽分配完毕或已经为所有的nrtPS/BE业务分配用于数据传输的带宽。

通过以上操作，实现了对上行业务的带宽分配，在上述操作过程中，一旦带宽分配完毕或完成对所有业务的带宽分配，则遍历所有移动用户站节点的带宽分配队列，统计每个移动用户站节点所分配的带宽资源，统一为每个移动用户站节点的带宽制定调制解调方式，为各个移动用户站节点构造数据信息单元，然后生成其他需要的IE，完成ULMAP消息的构建，最后清空带宽分配队列。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。