专利名称：动态的信道和传输速率选择的制作方法
动态的信道和传输速率选择背景通信网络使用通信资源来使数据能够在传送器和接收器之间传输。在无线通信网络的情况下，通信资源是被使用某些调制和编码方案操纵来传递数据的射频。随着无线电频谱利用的增加，这样的通信资源逐渐变得拥塞和缺乏。“白空间”频谱环境使得能够使用无线电频谱中未使用的部分来执行无线通信。例如，主用户被许可访问一部分无线电频谱，而未受许可的次级用户可以在主用户不使用该部分频谱的时候能够机会主义地使用该部分频谱。因此，白空间环境可以缓解通信资源的缺乏。例如，FCC允许低于700MHz的UHF频谱的部分用于这一用途。但是，白空间环境的使用也带来了其自身的挑战。首先，检测和避免被主用户占据的信道可能是困难的，其中主用户要避免被干扰。其次，白空间提供了潜在的大的可用频率 信道池(包括主用户之间的可用频率片段)。由于频率范围很宽(例如高达200M Hz)，可用信道的数量可以显著变化。因此，从白空间中选择通信资源(按照频率信道和传输速率)是困难的。接收到的信号强度指示符(RSSI)和信噪比(SNR)都不是信道质量的好的预测符。因此，使用探测来学习每一传输速率除的每个可用信道的质量。换句话说，若干分组在每个信道且以每一传输速率传输，以构建对信道质量的可靠估计。然而，由于有大的可用频率信道池(状态空间)，存在很大数量的信道和速率组合可用于使用。因此，探测这些组合中的每一个是低效的。例如，如果要通过探测所有组合来选择最优的信道和速率，那么到所有组合都被探测并且选择最优组合的时候，条件有可能已经改变并且选择的组合可能不再是最优的。在较少数量的组合但是信道条件变化更迅速的情况下也可能发生类似的情形。这是由大状态空间造成的探索(探测)与利用(使用)之间的折衷。传送器旨在利用最优的信道和速率发送数据，同时不断地探索该最优信道和速率是否已经改变。探索设计成本，在于坏的或次优的信道和速率可能被探索，这一探索浪费时间和通信资源。下文所描述的各实施例不限于解决已知的信道和速率选择技术的任一或全部不足的实现。概述下面提供本发明的简要概述以便向读者提供基本的理解。本概述不是本发明的详尽概观，并且既不标识本发明的关键/重要元素，也不描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化形式呈现一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。描述了动态的信道和传输速率选择。在一个不例中，从若干信道中选择用于向接收器传输数据的通信资源，其中每个信道都具有若干个相关联的速率。所述选择包括存储用于每个信道/速率组合的加权因子，监视所选择的信道和码率上的传输性能，以及由所监视的性能来推断所选择的信道上其他速率的性能。然后使用监视和推断的性能来更新每个加权因子，并且用这些加权因子来选择用于后续传输的信道/速率组合。在另一个示例中，通信设备包括传送器、处理器、以及被安排为存储与每个接收器、信道和速率组合相关联的加权因子的存储器。传送器使用一个信道和速率向接收器发送数据，而处理器检测性能，相应地更新加权因子，并且选择用于后续传输的接收器、信道和速率组合。许多附带特征将通过参考下面的详细描述并结合附图
考虑而得到更好的认识。附图描述鉴于附图阅读以下详细描述，将更好地理解本说明书，在附图中图I示出了通信系统；图2示出了在通信系统中使用的一组通信资源；图3示出了用于在通信系统中动态地选择接收器、信道和传输速率的过程的流程·图；图4示出了同步时期；以及图5示出了示例性的基于计算的设备，其中可以实现动态的信道和速率选择的各实施例。附图中使用相同的附图标记来指代相同的部分。详细描述下面结合附图所提供的详细描述旨在作为对本发明各示例的描述，而非表示用于构造或利用本发明各示例的唯一形式。本描述阐述了示例的功能以及用于构建和操作该示例的步骤序列。然而，相同或等效的功能与序列可由不同的示例来实现。尽管本文描述和示出本发明各示例为在无线“白空间”系统中实现，提供所描述的系统以作为示例而不作为限制。本领域的技术人员将会认识到，本发明的各示例适于在可以是无线或者不是无线的各种不同类型的通信系统中应用。例如，本发明的各示例适于在诸如数字订户线(DSL)之类的使用大量信道的任一通信系统中应用。图I示出了其中可以利用动态的信道和速率选择技术的通信系统100。该通信系统100包括通信设备102，诸如被安排为向一个或多个节点传输数据或者从一个或多个节点接收数据的接入点(AP)。在下文中考虑为从接入点到节点的下行链路选择信道和传输速率。因此，在这一场景中，接入点被称为传送器，并且节点被称为接收器。然而，将会理解到同一技术还可以被应用到上行链路方向。在这一示例中，示出从接入点接收数据的三个接收器。第一接收器104由第一用户106操作，第二接收器108由第二用户110操作，并且第三接收器112由第三用户114操作。在这一示例中，多个接收器中的每一个都在等待来自接入点的数据。接入点从而决定向多个接收器中的哪一个发送数据，以及使用哪一可用通信资源来发送该数据。现在参考图2，该附图示出了可用于在图I的通信系统100中利用的一组通信资源200的示意图。图2示出多个信道202，该信道在无线网络的情况下可以是频率信道。在这一示例中示出了六个邻近的频率信道，但是在其他示例中可以存在更多或更少数量的信道，并且这些信道不一定要在频率上与其他信道邻近。信道202中的每个信道可用于以多个传输速率204中的一个传输速率发送数据。例如，在图2中，示出了支持三个可能的传输速率的所选择的信道206。每个其他的信道也可以以这些传输速率提供数据。传输速率可以对应于对某些调制和编码方案的选择。
当向图I的接收器之一传输数据时，接入点选择信道和传输速率组合以用来传输数据。例如，在一个示例中接入点可以选择信道206和第一传输速率208 (r2)以向接收器104发送数据(尽管只是说明性的)。在这一数据传输之后，如果接入点切换为使用不同的信道(即，信道206之外的信道)，则将导致切换成本。切换成本是与移动传送器频率以及将传送器和接收器与新信道重新同步相关联的时间成本。例如，移动到新的频率信道所用的时间可以是3ms的数量级(尽管这是实现相关的)。相反地，在给定信道中的传输速率之间切换是即时的。此处呈现的是使接入点能够选择接收器、信道和传输速率以用于给定的数据传输的选择技术。该选择技术考虑了多种因素，并且高效而不需要过度探测地选择最优的接收器、信道和速率组合。该选择技术适用于非静止的环境，这意味着它可适用于随时间变化的信道质量情况。该选择技术还明确地计入上面列出的切换和同步成本。此外，该选择技术包括计入网 络场景中的公平性问题的调度器功能，在该场景中由接入点服务若干接收器。可以不需要信号分组并且以最小MAC开销来高效地实现该选择技术，并且考虑同步。此外，该选择技术利用对于以不同速率在同一信道上获得的吞吐量之间的相关性认知以减少信道、传输速率组合的数量，并且因此减少探索的状态空间。这允许在不需要增加探测的情况下的更有效的选择。以不同速率在同一信道上获得的吞吐量之间的相关性可以利用如下。对于给定的频率，成功的信道传输取决于两个因素。无线电环境和编码速率。对于给定的无线电环境，不同速率处的性能是相关的，并且在给定实际传输是在一不同速率的情况下(对于同一频率信道)通过推断以一个速率的分组传输的成功的信息来利用这一相关性。一般而言，在速率之间有清楚的排序，即较低的速率具有较高的成功概率。这可以与相关性认知结合以给出如下性质(i)如果在给定信道上以给定速率成功接收数据分组，则在该给定信道上以更低速率传输会成功；(ii)如果以给定速率的分组传输失败，则在该给定信道上以更高速率传输会失败。如下文更加详细描述的，这些性质被用于减少状态空间，并且因此减少探测的量。在参考图3更详细描述该选择技术之前，先建立一些术语以使系统形式化。首先，考虑单个传送器-接收器对。取决于选择的调制和编码速率，可以以L个不同的速率η〈…
在C个不同的信道上承载传输。在每一帧的开始处周期性地进行信道和速率的选择。在这一说明性的示例中，各帧具有单位持续时间。该持续时间被设置的方式不重要，只要该持续时间与信道一致时间相比仍是小的。如果传送器决定从一个信道切换到另一个信道，它必须在发送任何数据之前等待恒定的切换时间s (用帧表示)。这是上述的切换成本。然后在该帧的整个持续时间中以选择的速率发送数据分组。/[目道和速率的选择策略π被定义为决策序列疋=(不ε {I,..., (} X JI—，
LI t e N)，其中如果为第t帧选择了信道i和速率Γι，则有Jit=Q, I)。该决策基于以往的观察。在η之下，为第t帧选择的信道由f表示，为第t帧选择的速率由/f表示(或者更准确地表示为W)。在策略η之下第t帧中接收的“回报”χπα)被定义为在该帧期间成功传输的比特数。回报是取决于分组传输成功或失败的随机变量(并且如下文所述，在这一上下文中表示每一信道使用所传输的数据量)。
如果在时刻t，31选择了信道i和速率1，则在时刻t的回报被表示为χΜω=χπα)0在策略π下直到帧τ的平均回报由下式给出^(Γ) = 7Σ^(0在给定信道上并且以给定速率的传输的成功率可以在时间上非常任意地演化，并且在实际中很难为这一演化建立统计模型。替代地，使用以下用于成功率的非静止演化的模型。在信道i上和以速率A的帧t中的分组传输的成功率被表示为μ ia(t)。成功率过程被表示为μ如果策略η在帧t>0中选择了信道i和速率1，则在这一帧期间实现的预期回报取决于是否切换信道，如下式给出
喻K, (O·
其中EiI ]表示在成功率过程μ下的预期，并且回报Xu(t)等于A· yia(t)。换句话说，如果没有切换(即，信道在帧之间保持相同以使得it-fit)则预期是Xu (t)。如果存在信道切换(以使得it-i幸it)，则切换时间S减少了在其间比特可以被成功发送的帧持
续时间。注意，因为没有初始切换成本，所以％ [^t (O)] = η -Uii (O),以上引出了下列性质在一帧期间选择速率I的任何策略的回报的上界为IV这一性质用于设计下述的高效速率选择方案。信道和速率选择策略旨在按照预期的回报来跟踪最优的信道和速率。如果成功率yia(t)的演化完全任意，则这一任务将是困难的。但是，在现实世界的系统中，最优的信道和速率选择不会经常改变。在最优的信道和速率以相对较低的速率改变(定义为小于α每帧)时，下述的信道和速率选择方案提供了好的性能保证。更准确地，如果在不计入可能的切换成本的情况下，( ，/:)是在帧t中提供最大预期回报的对信道和速率的决策，则有((,C) = argmax/;//; i (/)换句话说，提供最大预期回报的决策是最大化速率和成功率乘积的信道和速率组合。对于任何时间范围T，最优的信道和速率以小于α的速率改变，免1I鄕#αΤ
t=l 1 、 !满足这一等式的成功率的集合μ (·)被表示为H如所指出的,该策略旨在跟踪用于传输的最优的信道和速率。实际的策略可与跟踪最优的信道和速率而不计入切换成本的“理想”策略比较。这一理想策略产生直到时刻T的预期的平均回报R*(T，μ)，等于^=,(/)
^ t=Q “后悔(regret)”的概念(如本领域已知的)可用于评价策略的性能
regret- (t) = max{r (Τ,μ)-Εμ (Γ)]}注意，后悔是根据在最优的信道和速率以至多α的速率改变的所有可能的成功率过程(信道描述)中最差的成功率过程·Η定义的抽象概念。在下文中，推导出其后悔由某个函数gU)界定的策略π，其中当α —O时g(a)趋向于O。这些算法实现了长期
的预期吞吐量[Κπ (Γ)]至少等于IimT — R* [T] -g ( α )，从而等于与连续跟踪最
优的信道和速率的理想策略的吞吐量非常接近的吞吐量。 信道和速率选择方案的设计可以被视为多臂赌博机(MAB)问题的扩展。每个(信道，速率)元组被解释为一个“臂”，其回报具有随时间改变的均值的分布。在MAB问题中，赌徒在每一时刻/ e N从K个臂中拉一个臂。每个臂i生成均值分布为β i的独立且等同分布的回报，并且该回报与由拉其他臂生成的回报相互独立。赌徒开始并不知道回报的分布，并且需要学习这些分布。其目标是设计最小化学习成本的算法，该学习成本通常被表示为经过T回合后的预期后悔，被定义为通过始终选择最优臂获得的总的预期平均回报与通过使用该算法获得的总的平均回报之间的差。但是，在以上的MAB问题中，回报的分布不随着时间演化。在信道和速率选择方案的情况下，信道环境是非静止的，并且因此回报的分布随着时间改变。非静止的MAB问题算法是已知的，但是在实际中它们不能为信道和速率选择问题提供好的性能。这是因为以下事实在每一步骤处可能决策的数量K=CXL通常很大(S卩，在MAB问题中有大量的臂)。因此，用于算法更新的上置信边界，尽管渐近于最优，还是没有时间在环境变化之前减少。换句话说，算法没有足够的时间来学习所有臂的统计性质。现在参考图3，该图示出了用于在诸如图I所示的通信系统中动态地选择接收器、信道和传输速率的过程的流程图。首先，在单个链路场景的上下文中讨论图3，其中仅存在单个传送器-接收器对。换句话说，传送器仅选择信道和速率，而不需要选择要向其传输数据的接收器。稍后将讨论涉及多个接收器的场景。图3所示的过程利用对切换成本和速率之间(如上所述)的相关性的认知以确保该方案在信道环境改变之前有时间来学习信道环境的性质。对于信道i和速率1，在帧t处的预期回报取决于是否执行信道的切换。此外，与通过选择信道i和速率I产生的回报有关的“辅助信息”是已知的。预先知道的是，当选择速率I时回报以^为界，并且通过选择相同的信道i但是不同的速率获得的回报是相关的如果以速率^传输失败，则以更高的速率传输也将失败，并且，相反地，如果以速率A传输成功，则以更低的速率传输也将成功。在图3的第一个框中，为信道和速率的每个组合初始化加权因子和变量300。因此，创建和初始化K=CXL加权因子，并且类似地创建和初始化K组变量。在存储器302中存储被初始化的加权因子和变量。加权因子随时间变化，在时刻t信道i和速率I的加权因子在本文表示为Wi, Jt)。因此初始值为Wia(O)。在一个示例中，信道i和速率I的加权因子被初始化为速率的值，即，Wil (O) =!>其原因如下与传统的MBA问题比较，在这一场景下已知额外的信息，该信息是通过选择给定的速率(如上文性质所述)获得的回报的严格上界。这允许探索空间的减少。例如，如果选择信道i和速率A已被证明在k〈l时可产生大于rk的平均回报，那么即使后者完全没有被选择，探索速率rk是无意义的。这是因为知道速率rk不能产生如在速率Γι上获得的一样高的回报。这与其中执行探索所有臂(这里指所有(信道，速率)元组)的传统的MAB不同。为了利用这一辅助信息，速率A的加权因子被初始化为IV并且这些加权因子以T1为上界(参看下文对加权因子更新的解释)。将加权因子初始化到速率确保了首先探索更高的速率，并且仅在需要时使用较低的速率。还为信道和速率的每个组合维持若干个变量。这些变量有已选择信道i和速率I的经验折扣次数，表示为&/P);每个(i, I)元组的经验折扣回报，表示为毛/(,);以及在中贞t开始之前连续地选择信道i的次数，表示为Hli (t)。在下文中描述用于更新这些变量的等式。为了初始化这些变量，它们可以被设置为O。接着，做出对接收器、信道和速率的初始选择304。在这一示例中，仅考虑单个传送器-接收器对，所以不执行对接收器的选择。对信道和传输速率的选择基于对加权因子的考虑。例如，传送器可以比较每个加权因子，然后选择具有加权因子的最大值的信道和速率的组合。换句话说，时刻t的信道/速率组合(it，lt)由下式给出(/ /r) = argmaxw.t(r)在若干信道/速率组合具有相同加权因子(初始选择304通常会发生这种情况)的情况下，则可以在那些具有相同加权因子的信道/速率组合之间做出随机、任意的选择。在·其他示例中，可以使用任何其他合适的打破平局的方法。然后使用所选择的信道和传输速率将数据从传送器传输306给接收器。该数据可以是以数据分组的形式，该数据分组在这一信道上并且以这一速率在该帧的持续时间内传输。监视308以选择的信道和传输速率的数据传输的性能。例如，可以由传送器监视和记录回报'./,(0(在该帧期间以选择的信道和传输速率成功传输或成功接收的比特数)。接着，使用监视的性能生成310在选定的信道上的其他速率的推断的性能。换句话说，使用在某一信道上的给定速率的监视的回报，为该信道上其他可用速率的每个速率生成推断的回报。如现在所述，可使用“软采样”来执行在其他速率的性能的推断。软采样是基于以下认知的在该同一信道上实现的在不同速率的回报是相关的。为了利用这些相关性，使用如下模型。假设在给定时刻t信道i上以各种速率的传输的成功是通过在
上均匀分布的随机变量Ui相关的。例如，这一变量可表征在信道i上的链路SN R0当且仅当Ui彡μ u(t)时，以速率I的传输成功。在这一模型下，在速率巧处的观察到的成功传输或失败提供了与在其他速率处的传输会成功的概率有关的一些信息。使用该模型以如下推断性能。按照对在帧t中以速率巧在信道i上传输的回报XiaW的观察，则有·如果传输成功，即Xia (t) =IT1,则推断以速率rk传输时的回报Xi，k(t)将为
权利要求
1.一种从包括多个信道的一组通信资源中选择用于从传送器传输数据到接收器的通信资源的方法，其中每个信道具有相关联的多个传输速率，所述方法包括 存储所述一组通信资源中的信道和传输速率的每个组合的加权因子； 监视在选择的信道上在第一传输速率的第一数据传输的性能； 从所述第一传输速率的所述性能生成在所述选择的信道上的其他传输速率的推断的性能； 依照在所述选择的信道上在所述第一传输速率的所述性能以及在所述选择的信道上在所述其他传输速率的所述推断的性能来更新每个加权因子；以及 根据所述加权因子来选择用于后续的数据传输的信道和传输速率组合。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，每个加权因子包括信道探索因子，所述信道探索因子被安排为当与相应加权因子相关联的信道被用于数据传输时减少，以及当所述信道不用于数据传输时增加，以使先前未使用的信道更有可能被选择。
3.如权利要求I或2所述的方法，其特征在于，每个加权因子包括用于与相应的加权因子相关联的信道和传输速率的质量因子。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述质量因子基于吞吐量或实际吞吐量的值的加权平均，其中所述加权平均分配更高的权重给更新近的吞吐量或实际吞吐量的值
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，每个加权因子包括信道切换成本，所述信道切换成本被安排为当与相应的加权因子相关联的信道与用于所述第一数据传输的选择的信道匹配时增加所述加权因子。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述信道切换成本因子被安排为随着连续选择一信道的次数增加而趋近于O，从而当在预定时间段内连续选择了一信道时，所述切换成本因子不影响所述加权因子。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果所述第一数据传输的性能指示所述传输成功，则生成推断的性能的步骤包括推断以低于所述第一传输速率的所述其他传输速率传输中的每一个也成功，并且如果所述第一数据传输的性能指示传输不成功，则生成推断的性能的步骤包括推断以高于所述第一传输速率的所述其他传输速率传输中的每一个也不成功。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，从所述第一传输速率的性能为所述选择的信道上的其他传输速率生成推断的性能的所述步骤包括 如果所述第一数据传输指示所述传输成功，则使用第一概率分布为所述其他传输速率中的每一个都随机地生成推断的性能；以及 如果所述第一数据传输指示所述传输不成功，则使用第二概率分布为所述其他传输速率中的每一个都随机地生成推断的性能， 其中所述第一和第二概率分布基于所述其他传输速率中的相应一个与所述第一传输速率之间的相对传输成功率。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述从所述第一传输速率的性能为选择的信道上的其他传输速率生成推断的性能的步骤还包括 基于所述其他传输速率中的相应一个与所述第一传输速率之间的的相对传输成功率来生成每个推断的性能的质量值。
10.一种通信设备，包括 被安排为使用多个信道中选择的一个向多个接收器中的至少一个传输数据的传送器，其中每个信道都具有相关联的多个传输速率； 被安排为控制所述传送器的处理器；以及 被安排为存储与每个接收器、信道和传输速率组合相关联的加权因子的存储器， 其中所述处理器被进一步安排为控制所述传送器使用所述信道之一以及所述传输速率之一来将第一数据分组传输至所述接收器之一；监视所述第一数据分组的性能；按照所述第一数据分组的性能更新所述存储器中的所述加权因子中的每一个；以及取决于所述加权因子来选择用于传输后续数据分组的所述接收器之一、所述信道之一和所述传输速率之O
11.如权利要求10所述的通信设备，其特征在于，每个加权因子包括基于对于相应接收器实现的先前的吞吐量值的效用因子。
12.如权利要求11所述的通信设备，其特征在于，所述效用因子是对于所述相应接收器实现的先前的吞吐量值的加权平均函数，其中所述加权平均分配更高的权重给更新近的吞吐量值。
13.如权利要求10、11或12所述的通信设备，其特征在于，每个加权因子包括以下至少一个 信道探索因子，所述信道探索因子被安排为当与相应加权因子相关联的信道被用于数据传输时减少，以及当所述信道不用于数据传输时增加，从而使先前未使用的信道更有可能被选择； 对与相应加权因子相关联的信道和传输速率的估计吞吐量；以及 信道切换成本因子，所述信道切换成本因子被安排为当与相应加权因子相关联的信道与用于传输所述第一数据分组的信道匹配时增加所述加权因子。
14.如权利要求10到13中任一项所述的通信设备，其特征在于，所述处理器被安排为在从传输所述第一数据分组开始的预定时间段过期之后的后续数据分组的传输选择所述接收器之一、所述信道之一和所述传输速率之一。
15.如权利要求14所述的通信设备，其特征在于，所述处理器还被安排为使用在所述预定的时间段过期之前所传输的数据分组向所述多个接收器通知用于后续数据分组的传输的所选择的所述接收器之一、所述信道之一和所述传输速率之一。
全文摘要
描述了动态的信道和传输速率选择。在一个示例中，从若干信道中选择用于向接收器传输数据的通信资源，其中每个信道都具有若干个相关联的速率。所述选择包括存储用于每个信道/速率组合的加权因子，监视所选择的信道和速率上的传输性能，以及由所监视的性能来推断所选择的信道上其他速率的性能。然后使用监视和推断的性能来更新每个加权因子，并且用这些加权因子来选择用于后续传输的信道/速率组合。在另一个示例中，通信设备包括传送器、处理器、以及被安排为存储与每个接收器、信道和速率组合相关联的加权因子的存储器。传送器使用一个信道和速率向接收器发送数据，而处理器监视性能，相应地更新加权因子，并且选择用于后续传输的接收器、信道和速率组合。
文档编号H04W16/14GK102918887SQ201180027450
公开日2013年2月6日 申请日期2011年5月20日 优先权日2010年6月4日
发明者D·S·古纳瓦德纳, P·B·凯, A·普鲁蒂埃, B·拉杜诺维奇 申请人:微软公司