用于在提供多播/广播的无线网络中同步的方法、装置和系统

摘要

方法、装置和系统被提供用于同步通过基站的多播/广播服务(MBS)的数据传输。同步信息使得所有基站能够在同步的起始时间点处开始传输MBS数据。同时，每个基站接收要被传输的MBS数据并且确定是否还有任何的MBS数据没有被正确接收。如果是，相应的基站启动恢复缺失的MBS数据或者在预先确定的时间间隔内得到与缺失的数据有关的信息以确定本应当被要求用于传输缺失的MBS的时间阶段的持续时间的过程。如果缺失的数据还没有被及时地恢复，相应的基站基于所得到的信息确定静默阶段的起始点以及持续时间，并且禁止在静默阶段期间沿被分派用于MBS传输的信道的传输。

说明书

技术领域

本发明涉及用于提高无线通信系统中的传输效率的方法和设备，并且尤其涉及用于提供支持多播/广播服务的无线通信网络中的传输效率的方法和设备。

背景技术

WiMAX网络中的多播/广播服务(″MBS″)是允许将数据分配到移动用户(″MS″)群的服务。IEEE 802.16e标准引入MBS_Zone的概念—在其中多个基站(″BS″)同时在相同的子信道上同步地广播相同数据的区域。由于每个移动终端同时从多个基站接收的组合信号的增加的能量，这种技术大大提高了移动终端正确地接收数据的能力。

MBS服务流(″SF″)将信息携载到MS组。典型地，有两种方法来访问MS群以得到MBS的供应：

·单BS：网络中经单个基站(″BS″)的数据传输。SF被映射到特定BS内的连接标识符(″CID″)，即CID是″基于每个BS″被唯一指定的。·多BS：网络中以同步方式经多个BS的数据传输。SF被映射到在其处提供服务的区域内的唯一的CID，以下该区域被称作MBS_ZONE。

MBS连接的建立典型地以与建立单播连接的方式相似的方式来实现，而MS向网络登记。这种服务，即MBS，被维持而不管MS的当前模式(正常/睡眠/空闲)，使得MBS数据被传输和接收而不管MS的当前操作模式。

多BS访问方法使得MS能够在已经成功登记并且建立连接之后从若干BS接收MBS内容。如在上文中所解释的那样，这种传输方法要求参与相同的多BS-MBS服务的BS群被同步使得数据将通过所有这些BS同步地被传输，并且使用相同的CID和安全关联(″SA″)。应当注意的是MS并非必须在它从其接收MBS传输的特定BS处登记。

MBS_ZONE标识符被用于指示使用相同的CID和SA来分配MBS SF的BS群。MBS_ZONE可以通过BS在DCD消息中被通告(advertise)，其也可以在MBS连接建立时被传递并且其可以从MAP_MBS_IE中被提取。

显然，MBS_Zone可以包括一个或多个BS，并且BS可以具有多个MBS_Zone标识符。

为了实现必须的同步水平并且允许PHY多样化，下行链路数据应当被一致地映射到空中突发(airburst)子信道-时间连续体(continuum)上，相干MBS_MAP应当被创建，并且IEEE-802.16e通用MAC报头(generic MAC header)、分段子报头以及组装子报头应当一致地跨属于相同MBS_Zone的所有BS被应用(如图1所示)。

然而，当前已知的系统的主要缺点之一是需要以允许经WiMAX无线电链路的PHY多样性的水平来维持BS之间的MBS下行链路(″DL″)流的同步，同时数据本身被生成并且沿着具有高传输抖动(jitter)的非同步分组网络被传达。此外，由于没有与同步有关的信息可以被添加到这些分组中，它们不能被用作同步信息的源。

与MBS-Zone概念的实现相关联的一个其他问题在于每个MBS_Zone应当独立于其他MBS_Zone被同步的事实。然而，在重叠的MBS_Zone的情况下，即BS作为若干MBS_Zone的成员，有相互干扰的问题(意味着不同数据同时在相同的子信道上的传输)，该问题必须被避免。另一方面，如果两个区域不重叠，允许它们同时在相同的子信道上传输不同的数据以提高资源的利用率将是有利的。因而，要求用于为每个MBS区域指派时间和子载波区(subcarrier region)的机制，其中这种机制将区域的地理分布连同用于传输的实际数据的存在或者缺少考虑在内。后者的重要性是因为当某个区域在某个指定时间处没有数据要传输时，其将不产生干扰并且其资源(时间和子信道)可以被再次使用。

发明内容

本发明的一个目的是要提供允许在无线网络中可用的带宽的有效利用的方法和设备。

本发明的另一个目的是允许跨任意的大的MBS区域的有效的多播同步，优选地通过维持无线电和网络智能之间的分开(separation)。

本发明的又一个目的是提供用于同步BS之间的MBS DL流以允许经WiMAX无线电链路的PHY多样性的方法和装置。

本发明的还一个目的是允许重叠的MBS区域之间的有效的多播同步。

随着对本发明的说明继续，本发明的其他目的将变得显而易见。

因而，根据本发明在包含多个基站的无线通信网络中提供了用于同步由多个基站对MBS数据的供应的方法，每个基站可操作用于向移动用户提供MBS，该方法包含以下步骤：

(i)提供第一预先确定的时间间隔；

(ii)提供同步信息以使得所有多个基站能够在同步的起始时间点处开始传输MBS数据；

在多个基站中的每一个处：

(iii)接收要通过所有多个基站传输的MBS数据；

(iv)确定是否还有任何MBS数据没有被正确接收(例如没有缺失、被破坏等等)，并且在确定这种错误的MBS数据(即其还没有被正确接收)存在时，由相应的一个或多个基站启动恢复错误的MBS数据或者在第一时间间隔内得到与错误的数据有关的信息的过程，该信息用于确定本应当被要求用于错误的MBS数据的传输的时间阶段的持续时间；

(v)对于还没有恢复错误的MBS的相应的一个或多个基站中的任何一个，基于由该相应的基站得到的信息确定静默阶段(silenceperiod)的起始点以及该静默阶段的持续时间，该静默阶段将继续(proceed)在已经在相应的基站处被正确接收的数据。

(vi)传输可用的MBS数据，在同步的起始时间点处开始并且持续预先确定的第二时间间隔的持续时间，并且其中还没有恢复错误的MBS数据的相应的一个或多个基站中的每一个应当在静默阶段期间禁止沿被分派用于MBS数据的传输的通信信道传输任何信号。

根据本发明的优选实施例，第一预先确定的时间间隔的持续时间大体上等于第二时间间隔的持续时间的两倍。根据本发明的另一个优选实施例，以每等于第二时间间隔的持续时间的三倍的时间间隔重复步骤(iii)到步骤(vi)。

根据本发明的另一个优选实施例，在从网络同步/调度装置接收同步信息之后重复步骤(ii)到步骤(vi)。

根据又一个优选实施例，同步信息包含下列各项中的至少一项：

·用于标识相应的多播流的全局多播流标志；

·指示T₁间隔的起始的时间戳(timestamp)；以及

·在第一预先确定的时间间隔期间接收的第一个和最后一个分组的序列号；

根据另一个实施例，除了上述各项以外，用于非均匀(non-homogenous)调度的同步信息还包含与下列各项中的至少一项有关的信息：

·跨传输阶段的空中帧(air frame)的MBS突发(burst)的分派

·突发的次序；

·允许BS构建一致的PDU的信息(例如分片(fragmentation)、分组、第一FSN等等)。

根据本发明的又一个优选实施例，步骤(iv)中恢复错误的MBS数据或者得到关于被要求用于该错误的MBS数据的传输的时间阶段的信息的过程包含下列步骤：

(a)通过相应的一个或多个基站中的每一个发送对应的恢复请求消息到分配网关(distributing gateway)，其包含相应的多播流的标志及错误的分组的序列号的列表；

(b)从分配网关接收恢复响应消息，该恢复响应消息包含相应的多播流的标志及错误的分组的序列号的列表以及与它们的对应长度有关的信息。

另外，恢复响应消息还可以包含与错误的分组中的一个或多个错误的分组所包括的数据有关的信息。

根据本发明的又一个优选实施例，步骤(vi)与相应的移动用户的寻呼阶段同步使得它们的移动终端可以避免醒来两次，在两个不同的时间间隔期间，一次为接收MBS数据并且另一次为接收被寻呼数据(paged data)。

根据本发明的另一个优选实施例，无线通信网络包含多个MBS区域，每个MBS区域包含至少一个基站，其中MBS区域中的至少两个在地理上彼此重叠，并且其中所提供的方法还包含同步彼此之间没有重叠的所有MBS区域使得它们可以同时在相同的子载波上传输它们的数据的步骤。

可选地，同步所有MBS区域的步骤动态地被执行使得在每个第一间隔阶段之后，网络资源被重新指派并且在属于对应的MBS区域的所有基站之间分配。

根据本发明的另一个方面，提供了被用于在包含多个基站的无线通信网络中操作的同步装置，每个基站可操作的用于向移动用户提供MBS，该同步装置包含：

时钟，其与多个基站的时钟同步；

处理器，其被用于执行一个或多个调度算法并且可选地执行突发构造逻辑；

接收机，其被用于接收MBS数据；

缓冲器，其可操作用于存储接收的MBS数据；以及

发射机，其可操作用于向多个基站传输同步信息。

优选地，同步信息包含下列各项中的至少一项：

·用于标识相应的多播流的全局多播流标志；

·指示一时间间隔的起始的时间戳，在该时间间隔期间MBS数据将被多个基站累积(accumulate)并且每个基站在由此被接收的一些或者所有MBS数据缺失的情况下可以进行恢复过程；以及

·在该时间间隔期间所接收的第一个和最后一个分组的序列号。

优选地，同步信息还包含允许突发的相干构造和安排(placement)的信息。

附图说明

图1-将MBS传输缓存映射到IEEE 802.16e MBS突发中；

图2-提供了根据本发明的实施例的同步阶段的示意图；

图3-提供了包括分配器网关的网络架构的示意性图示；

图4-示出了具有可靠的多播基础设施的网络架构的示意性图示；

图5-示出了用于所累积的数据的MBS突发分派的示例；

图6-提供了多播同步信息的示意图；

图7A和7B-示出具有部分重叠的多MBS区域网络的示意性表示；

图8-示出用于在图7的网络中调度MBS传输的着色方法的使用；

图9-示出单个帧内若干MBS区域的传输；

图10-示出帧内单个MBS区域的传输；以及

图11-示出用于图7A和7B的网络的单个同步节点的架构。

优选实施例的详细描述

在结合附图考虑下面的非限制性的详细描述时会得到对本发明的更好理解。

为了简化以下所描述的实施例，下列假定被使用。

1.MBS实质上是单向服务并且因而对于延迟不敏感。某种水平的反馈可能与这种服务(例如互动TV)相关联，但是如果反馈被延迟大约几秒将不会有不利的影响。因而，同步机制可以引入数秒的延迟。延迟被建议用以补偿可能在WiMAX回程网(backhaul network)中发生的高传输抖动。

2.网络中所有基站的物理时钟被同步。同步的属性超出本发明的范围，并且本身可以任何一种已知技术来完成以跨网络同步时钟。举例来说，GPS或者IEEE 1588可以被使用。

3.业务(traffic)的属性是任意的使得数据突发的大小以及两个连续突发之间的时间间隔不能被预测。

同步过程

同步的原理在图2中示出，其中时间轴被分成具有持续时间τ的阶段；而τ为整数与空中帧持续时间相乘的积。用T₀表示持续时间为τ的阶段的起始时刻。因而在从T₀延伸到T₀+τ的阶段(也被称作累积阶段)期间被累积的数据将在从T₀+2τ延伸到T₀+3τ的阶段(也被称作传输阶段)期间被传输。在从T₀+τ延伸到T₀+2τ的周期(其被称作恢复阶段)期间，缺失的数据(或者至少缺失的数据的长度)必须被恢复。

另一方面，由于恢复和累积阶段可能重叠(由于回程网中数据分配的异步属性)，时间可以被看作包含两个主要阶段：在T₀到T₀+2τ之间的数据分配(例如累积和恢复)以及在T₀+2τ到T₀+3τ之间的传输。

缺失的数据的恢复(或者至少缺失的数据的长度)是必须的，因为否则确保所有BS在相同的子载波上同时传输相同的数据将是相当困难的。如果缺失的数据的恢复不可能，则至少长度一定要被恢复。在后一种情况下，当只有缺失的数据的长度对于对应的BS可用，在缺失的数据应当已被传输了由被恢复的缺失的数据的长度所确定的时间持续的时间处，其在有关的子载波上将什么都不传输。

显然，该方法引入了高达3τ的延迟。优选地，τ的值大体上大于网络中所预计的最长往返(round trip)延迟，以允许足够的时间用于恢复阶段期间的丢失数据恢复。因此，如果网络中的最长往返延迟大约为100毫秒，τ可能等于200或者300毫秒。在这种情况下，由同步引入的延迟将分别达到600或者900毫秒。

另外，为了增加MS在空闲模式(“IM”)中的节能，传输阶段可以与IM寻呼周期同步。在这种情况下，由于MS将不被要求在两个不同的时间间隔(MBS数据传输和MOB_PAG-ADV传输)期间醒来并接收数据，所以电能将被节省。为了使寻呼周期与MBS分配周期同步，下列条件应优选地被满足：τ应当为τ大于两帧(τ＞2frames)并且α×2τ＜PAGING_CYCLE(寻呼周期)＜α×3τ(α＝1，2，3，...)。

数据分配方法是灵活的并且可以支持单BS实现。在这种情况下，MBS区域将包括单个BS，并且将不要求同步。因而，τ可以被设置为0并且BS可以被允许只要数据被接收就调度数据的传输。将序列号指派给多播分组

根据WiMAX NWG架构，ASN GW经R6数据和控制面协议与BS通信。这种架构框架被定义仅用于单播业务分配。经GRE隧道将单播业务从Anchor ASN GW转发到对应的基站。Anchor ASN GW把用户数据分类并且将它们映射到对应的GRE密钥上。BS接着将被标记有某个GRE密钥的数据(data tagged with a certain GRE key)映射到对应的IEEE 802.16e连接上。

根据本发明的实施例，通过定义经GRE隧道将多播数据从分配器GW分配到对应的BS来重新使用上述架构框架。该架构在图3中被示出。分配器GW通过源地址和目的地址把流分类并且将匹配数据映射到对应的GRE密钥上。可以GRE隧道每BS(单播)或者GRE隧道每BS群(多播)。BS接着将把每个这种GRE隧道映射到M-Cast IEEE802.16e连接上。

除了把多播数据分类并且将它们映射到GRE隧道上以外，分配器GW将GRE序列号指派到其转发到BS的数据分组。每GRE密钥执行排序，因而GRE密钥和GRE序列号唯一地标识对应的数据分组。

在分配器GW上面的多播路由基础设施可以支持可靠的多播传递机制(例如RFC 3208中所描述的PGM、RFC 4410中所描述的SRMP、RFC 3940中所描述的NORM等等)。这些协议也以由业务源指派的一种或另一种形式来配置序列编号。这些序列号可以被复制到从分配器GW分配到BS的对应的数据分组的GRE序列号中。因而，序列号的全局同步将在以特定的业务源为根的整个多播分配树内实现。结果，跨相同的MBS区域配置多个分配器GW变为可能，如在图4中所示出的那样。

分配同步信息

同步信息通过网络中预先确定的实体，在每个具有持续时间τ的时间阶段被多播传送到MBS_Zone中的整个BS组。生成同步信息帧的该实体在本文中被称作“同步节点(Sync Node)”(如图6所示)。同步节点优选地为基站，因而它的时钟与MBS区域中的其他BS的时钟同步，其运行BS调度算法，并且接收与MBS_zone中的任何其他BS所接收的数据相同的数据。同步节点事实上是否经空气传输多播数据不重要，因为根据本发明其所起的有关作用是作为调度器(同步器)以及可选地作为用于其它基站的突发构造器(burst constructor)。

每个同步信息(“Sync Info”)分组优选地含有下列数据中的至少一个，并且更优选地含有它们所有的组合：

·全局多播流标志。其唯一地标识网络中的多播流。全局多播流ID的选择之一举例来说可以是单播源IP地址的列表和多播目的地IP地址构成的组，与在IP路由器中用以表示多播群的方式类似。

·具有间隔尺寸≤τ的时间戳。时间戳指累积阶段的起始(如图2所示)。

·在累积阶段期间接收的第一个和最后一个分组的序列号。

如果MBS_Zone内的所有基站运行相同的调度算法并且已经接收或者恢复所有分组，这些分组的序列号在同步信息消息中被指定，则可以仅使用上文所提到的信息来跨整个MBS区域来同步传输。

在分布式调度的情况下，同步信息优选地应当包括额外的数据，该额外的数据将使得MBS_Zone内的BS能够调度并且传输DL帧中相同位置处的相同数据。举例来说，那可以通过使用下列两种方法中的一种来实现：

·半同步方法，其中所有BS具有调度器组；以及

·完全非同步方法，其中没有关于在BS上所实现的调度器的先验(priori)知识。

在半同步方法中，每个BS有(hold)相同的调度器组。因而，同步信息应当使得参与的BS能够了解分片和分组规则，它们应当使用哪个调度器，以及如果有必要的话使用哪个调度器的参数。举例来说，在轮叫(Round-Robin)调度的情况下，额外的信息可以包括连接的次序，以及不足额计数器(deficit counter)等等。

在完全非同步方法中，BS不具有关于在其他BS中所实现的调度器的任何先验知识。因而，同步节点应当分配将使得参与的BS能够以同步的方式调度连接的信息。

同步节点应当优选地分配下列信息：

·跨突发的传输阶段(参见图5)次序的空中帧的MBS突发的分派；

·允许BS构建一致的PDU的信息(例如分片、分组、第一FSN等等)。

现在让我们举个例子其中同步节点分配MBS_MAP以及有关IE。数据分配可以通过专用消息或者被附载(piggyback)有数据。举例来说，在上述示例中，可以单个的消息发送MAP并且IE可以被附载有有关连接的数据。

与同步相关联的开销可以被减少并且此外还可以通过以周期性的方式使用信息来改进该方法。换句话说，DL帧中相同的MBS_Zone结构将以某种模式被用在将来的MBS传输中。为了这个目的，信息优选地应当也包括：

·(具有相同的结构的)传输之间的帧的数量；以及

·相同的MBS区域被传输的次数(参见图5)。

当MBS_Zone的传输被完成时，BS开始使用新的同步信息。丢失内容恢复

为了实现传输同步，在传输阶段的开始时参与MBS的每个BS处可用的数据必须是一致的。如果一些BS错过一些数据，则如上文所解释的那样BS必须恢复数据本身或者至少恢复缺失的分组的长度。BS可以通过检查具有相同GRE密钥的相连的分组流中的序列号并且通过将接收的序列号与在同步信息分组中指定的那些相比较来检测数据丢失。

接着，一旦BS证实某个数据已经被丢失，为了在单个分配器GW的范围内恢复那个丢失的数据，下列方法可以被使用：

·发现数据丢失的BS向分配器GW发送恢复请求消息。该消息含有与多播流相关联的GRE密钥(或者可替换地为全局多播流标识符)以及缺失的分组的序列号的列表。

·分配器GW通过发送恢复响应消息来响应恢复请求消息。恢复响应消息含有与多播流相关联的GRE密钥(或者可替换地为全局多播流标识符)和缺失的分组的序列号的列表以及它们对应的长度。可选地或者可替换选地，分组本身在与多播流相关联的单播或者多播GRE隧道上被重新传输。

上文所描述的恢复机制可以通过恢复数据的若干其他方法来扩充：

·用于恢复丢失和损坏的分组的额外的编码；

·在附接到多播(Mcast)树中所分配的每个分组的连续分组上的额外的数据(例如顺序和大小)；以及

·在多播树或者专用于使用独立分组进行恢复的另一个树上的元数据分配(例如顺序和大小)。

重叠MBS区域的同步

根据本发明的另一个实施例，提供了对同步可能在不同程度上彼此重叠或与另外的MBS_Zone重叠的MBS_Zone的问题的解决方案。

我们来看图7A，其示出了在与其相关联的MBS_Zone中具有某个重叠的系统，其中区域1、2、4和5中的每一个都部分地与区域3重叠，并且1和2还部分地彼此重叠。图7A示意性地提供了区域的地理重叠，而图7B示出了这些区域的图形表示，作为所建议的解决方案的第一步骤。

图顶点着色算法(graph vertex coloring algorithm)已经被选为所提议的机制，并且下面的示例被用于说明该算法可以怎样被用于解决MBS区域间同步(Inter MBS Zone Synchronization)的问题。

重叠MBS区域的组可以被建模成在其中顶点表示MBS区域、并且边定义顶点(区域)之间的关系的图。如果两个MBS区域在地理上重叠，在对应的顶点之间画边。为了给图着色，即创建顶点着色图，不同的颜色被指派给顶点使得没有两个相邻的顶点共有相同的颜色。这种具有指明不同颜色的不同记号的所得到的图在7B上被示出。

将图着色用于调度

被指派给每个区域的颜色如下解释：已经被指派给相同颜色的所有MBS区域可以同时在相同子信道上传输它们的数据。换句话说，传输可以在子信道以及时隙维度上重叠，而已经被指派给不同颜色的MBS区域不应当同时在相同的子载波上传输它们的数据。

实际上，这意味着每个颜色被指派给时间×子信道个区域，其中有关的MBS区域(具有相同颜色的MBS区域)可以传输它们的数据。图8示出这种布置的示例。在这个示例中，MBS区域1、4和5在其中一个区域中传输，MBS区域2在另一个区域中传输同时MBS区域5在又一个区域中传输。MBS区域拓扑结构和对应的着色图在图7A和7B中被描绘。图10描绘了帧内的MBS区域中的仅仅一个MBS区域的多播连接的传输。显然，在这个示例中，在区域4和5(即没有与区域1重叠的区域)中可以使用相同的频率和时间资源。

图8示出在其中每个空中帧被指派给恰好一个单一着色区域的场景。在通常情况下，一些空中帧可能完全没有着色区域(这意味着对于这些帧还没有调度MBS传输)。另外，也有可能在相同的空中帧中有多于一个着色区域。

图9示出单个帧中的三个MBS区域的多播连接的传输。在这种情况下，传输完全被分开(在频率域或者在时间域)以避免干扰。在该示例中，相同频率和时间资源可以被用在区域4和5中，如在区域1中那样。

离线(off-line)(静态)图着色

建模MBS区域拓扑结构的图的顶点着色可以离线地被计算并且得到的着色区域可以被手动配置在对应的基站中。在这种情况下，用于每个MBS区域的无线电资源被重新指派。然而，如果在特定的传输阶段处，某个MBS区域可能不具有足够的业务以填满被指派给它的着色区域，在该情况下其可以将剩余的资源(即时间和子载波)用于传输非MBS业务。

这种方法将不要求跨网络交换任何信息，同时仍然允许特定的MBS区域内MBS和非MBS业务之间的动态资源共享。

在线(动态)图着色

如果应当在用于MBS业务的MBS区域之间动态地共享无线电资源，则顶点着色必须被动态地重新计算使得在每个累积阶段之后资源的指派被重新指派并且在属于对应的MBS区域的所有基站之间分配所得到的着色区域的指派。

除了可以通过使用静态着色实现的优点以外，即当没有业务时与非MBS连接共享资源，动态着色也允许在不同MBS区域之间资源共享。

这种方法的缺陷是由于要被着色的图的复杂度。如果该图太复杂，则所要求用于执行该着色方法的时间可能变得太长。然而，由于MBS区域总是提前被计划的，可以有可能避免创建太复杂的拓扑结构。

计算图着色的实体应当了解在每个累积阶段的末尾处被累积用于每个MBS区域的数据。这种实体可以是多个区域所共享的同步节点(如图11所示)。

应当注意到的是有可能每个区域(或者每多个区域，其作为被处理的区域的总数的子集)具有单独的同步节点。在这种情况下，在每个累积阶段的末尾处，同步节点必须交换关于被累积用于每个区域的业务量的信息。每个这种特定的区域的同步节点接着可以独立地计算图着色并且将得到的着色区域的指派发送到其区域。

如熟悉本领域的技术人员将理解的那样，所提供的示例示出用于在无线网络中同步多播/广播服务的方法和装置。然而，可以类似的方式来应用类似的过程以适应不同的网络配置，而不背离本发明的范围。

应当理解的是上文中的描述仅包括本发明的一些实施例并且用作它的说明。执行本发明所提供的方法的许多其他方式可以由熟悉本领域的技术人员设计而不背离本发明的范围，并且因而被本发明包含。