专利名称：带宽分配方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信系统，更具体地说，涉及在宽带无线通信系统中，在基站和用户收费设备间，高效分配带宽的方法和设备。本说明书部分公开了一种在无线通信系统中分配带宽的方法和设备。
从基站到用户设备的传输一般被称为“下行链路”传输。从用户设备到基站的传输通常被称为“上行链路”传输。根据指定系统的设计标准，现有技术的无线通信系统通常使用时分双工(TDD)或频分双工(FDD)方法来简化基站和用户设备之间的信息交换。在本领域中，TDD和FDD双工方案都是众所周知的。
近年来，为了传送诸如语音、数据和视频服务之类的增强宽带服务，已提出了宽带无线通信网络。宽带无线通信系统简化了若干基站和若干固定用户站或用户收费设备(CPE)之间的双向通信。在同时待审的申请中说明了一种例证的宽带无线通信系统，并且在
图1的方框图中表示了所述一种例证的宽带无线通信系统。如图1中所示，例证的宽带无线通信系统100包括若干小区102。每个小区102含有相关的小区站点104，小区站点104主要包括基站106和有源天线阵列108。每个小区102提供小区的基站106和布置在遍及小区102覆盖区域的固定用户位置112的若干用户收费设备(CPE)110之间的无线连通性。从而，系统的用户具有不同并且不断变化的使用要求和带宽需求要求。每个小区可服务于几百个或更多的家用CPE和商务CPE。
图1的宽带无线通信系统100向若干CPE 110提供真实的“请求式带宽分配”(bandwidth-on-demand)。CPE 110根据CPE所服务的用户请求的服务的类型和质量，向它们相应的基站请求带宽分配。不同的宽带服务具有不同的带宽和等待时间要求。专用于指定服务的带宽量由信息率和该服务所要求的服务质量确定(并且还考虑带宽可用性及其它系统参数)。例如，T1型连接数据服务一般要求具有可控性良好的传送等待时间的大量带宽。在结束之前，这些服务在每帧上都要求恒定的带宽分配。相反，某些类型的数据服务，例如网际协议数据服务(TCP/IP)是脉冲式的，常常空闲(在任意时刻不需要带宽)，并且当启用时，对延迟变化较为不敏感。
由于各种各样CPE服务要求的缘故，并且由于任意基站所服务的大量CPE的缘故，宽带无线通信系统，诸如图1中所示的宽带无线通信系统中的带宽分配过程会变得烦重而复杂。对于上行链路带宽的分配来说，更是如此。基站事先并不知道选择的CPE在任意指定时间将需要的带宽或服务质量。从而，关于改变上行链路带宽分配的请求必定很频繁，并且不断变化。由于上行链路带宽要求的这种易变性，选定基站所服务的许多CPE需要频繁地启动带宽分配请求。如果不受控制，则带宽分配请求将影响系统性能。如果不经检查，则与为传输实际存在的通信数据而分配的带宽相比，适应CPE带宽分配请求所需的带宽将高得不成比例。从而将不利地减少适用于提供宽带服务的通信系统带宽。
于是，需要一种能够在宽带无线通信系统中动态并且高效地分配带宽的方法和设备。该方法和设备应对特定通信链路的需要敏感。由于几种因素，包括通过链路提供的服务的类型以及用户类型，带宽需要可能发生变化。在实际带宽请求和分配过程所消耗的系统带宽量方面，该带宽分配方法和设备应高效。即，CPE所产生的若干带宽请求所消耗的可用上行链路带宽的百分率应最小。另外，带宽分配方法和设备应及时地响应带宽请求。应在足够短的时间帧内把带宽分配给优先级高的服务，以便保持CPE规定的服务质量。此外，该带宽分配方法和设备应能够来自于大量CPE的任意多的带宽分配请求。例如，在图1中所示的系统中，在上行链路上协调多达100个CPE的传输的情况下，可允许多达100个CPE同时处于使用状态中。此外，在物理信道上，系统可容纳大约1000个CPE。于是，需要可处理并响应由大量CPE产生的带宽分配请求的带宽分配方法和设备。
一些现有技术试图通过保持与要求接入共用系统资源的各种数据源的逻辑队列，解决具有所述共用系统资源的系统中的带宽分配要求。1997年10月7日发布的Karol等的美国专利No.5675573中公开了这种现有系统。更具体地说，Karol描述了一种带宽分配系统，该系统允许来自争抢接入共用处理结构(fabric)的不同源的通信流内的分组或信元，按照主要根据与各个通信流相关的单独保证的带宽要求确定的顺序，接入所述处理结构。另外，Karol等描述的系统允许不同源按照次要根据整体系统标准，例如到达时间，或者通信流内分组或信元的预定日期所确定的顺序，接入所述共用处理结构。来自各个数据源(例如带宽请求设备)的数据的分组或信元在独立的逻辑缓冲器中排队等待接入所述处理结构。
需要一种有效地处理并响应带宽分配请求的带宽分配方法和设备。该带宽分配方法和设备应适应无线通信系统的上行链路上，频繁产生并且不断改变带宽分配请求的任意多的CPE。在若干基站和若干CPE之间交换的带宽请求控制消息所消耗的带宽量方面，这种带宽分配方法和设备应是高效的。另外，该带宽分配方法和设备应及时并且精确地响应带宽分配请求。该带宽分配方法和设备应能够处理由大量CPE产生的任意多的带宽分配请求。本发明提供了这样的带宽分配方法和设备。
这样的一种方式是使用“轮询”技术，借此，基站轮询一个或多个CPE，并分配专用于允许CPE报以带宽请求的带宽。基站可对设置“poll-me位”的CPE做出响应，轮询CPE，或者另一方面，基站可定期轮询CPE。根据本发明，可对单个CPE，对成组的CPE，或者对物理信道上的所有CPE进行定期轮询。当单独轮询一个CPE时，基站通过在上行链路子帧映象中分配允许该CPE报以带宽请求的上行链路带宽，轮询单个CPE。类似地，在组轮询中，基站通过在上行链路子帧映象中分配允许几个CPE报以带宽请求的上行链路带宽，轮询所述几个CPE。如果发生冲突，则CPE必定争用分配的带宽。带宽分配不是采取由基站传递给CPE的明确消息的形式，相反，是通过在上行链路子帧映象中分配带宽，隐式地传输带宽分配的。
本发明在减少带宽请求消息所消耗的带宽中采用的另一种方式是在已分配给CPE的带宽上，“捎带”带宽请求的技术。根据本发明，当前有效的CPE通过利用已分配给该CPE的上行链路带宽的从未使用的部分，请求带宽。另一方面，可在已分配并且目前正被某一数据服务使用的上行链路带宽上捎带带宽请求。按照这种备选方案，CPE通过在先前用于数据的时隙中插入带宽请求，“窃取”已分配给数据连接的带宽。
CPE负责以适应该CPE提供的服务的方式，分发配给的上行链路带宽。CPE以不同于初始请求的或者得到基站准许的方式，自由地使用分配给它的上行链路带宽。CPE有利地确定把带宽给予哪些服务，哪些服务必须等待后续的带宽请求。使CPE确定如何分发其配给的带宽的优点之一是免除基站执行该任务。另外，消除了使基站指示CPE如何分发其配给的带宽所需的通信开销。通过组合利用各种带宽分配技术，本发明利用了与每种技术相关的效率优点。
基站媒体接入控制(“MAC”)在上行链路和下行链路上的物理信道上分配可用带宽。在上行链路和下行链路子帧内，基站MAC根据各种服务的服务质量(“QoS”)所施加的优先级和规则，在各种服务之间分配可用带宽。基站MAC保持它所服务的各个物理信道的一组队列。在每组物理信道队列中，基站为各个QoS保持一个队列。队列保存有准备传输给存在于物理信道上的CPE的数据。更高的基站MAC控制层自由实现任何适宜的关于相同QoS下，连接间的接入共用的合理性或通信量整形算法(fairness or traffic shaping algorithms)，而不影响较低的基站MAC控制层。就确定在特定QoS条件下，为特定CPE分配的带宽量而论，基站要考虑QoS，调制，以及用于防止单个CPE用完所有可用带宽的合理性标准。在一个实施例中，基站尝试利用自适应时分双工技术(ATDD)，均衡上行链路/下行链路带宽分配。
除了数据队列不是被基站保存，而是由各个CPE保存，并在各个CPE间分配之外，上行链路带宽分配方法非常类似于下行链路带宽分配。基站最好利用上述技术，从CPE接收带宽请求，而不是直接检查队列状态。
图2表示了在实践本发明的情况下，可由图1的通信系统使用的TDD帧和多帧结构。
图3表示了可被基站用于把信息传输给图1的无线通信系统中的若干CPE的下行链路子帧的例子。
图4表示了适于和本发明的带宽分配一起使用的例证上行链路子帧。
图5是表示实践本发明的单独轮询技术中使用的信息交换顺序的流程图。
图6是表示本发明的单独轮询技术的流程图。
图7表示了用于简化本发明的组播/广播带宽分配技术的例证上行链路子帧映象。
图8是表示本发明的组播和广播轮询技术的流程图。
图9是表示根据本发明，使用“poll-me”激励CPE的轮询的流程图。
图10表示了利用“poll-me”位请求轮询中，本发明所使用的消息顺序。
图11是表示本发明的带宽请求捎带确认方法的流程图。
图12表示了本发明所使用的下行链路带宽分配方法。
图13表示了本发明所使用的上行链路带宽分配方法。
附图中相同的附图标记表示相同的元件。
本发明的优选实施例是在宽带无线通信系统中分配带宽的方法和设备。宽带无线通信系统，或者具有被若干用户共用的物理通信媒体的任意通信系统的一个很重要的性能标准是系统使用该物理媒体的效率有很高。由于无线通信系统是共用媒体通信网络，用户对网络的接入和传输都必须受到控制。在无线通信系统中，媒体接入控制(“MAC”)协议通常控制用户对物理媒体的接入。MAC确定何时许可用户在物理媒体上进行传输。另外，如果允许争用的话，MAC控制争用过程，并解决发生的任何冲突。
在图1中所示的系统中，由存在于基站106中的软件执行的MAC(在一些实施例中，软件可在基站和CPE中的处理器上运行)控制所有CPE110的传输时间。基站106接收关于传输权的请求，并在考虑优选权、服务类型、服务质量和与CPE 110相关的其它因素的情况下，在可用时间内批准这些请求。如同上面在背景技术中所述，由诸如语音之类的CPE110 TDM信息提供的服务由PBX中继。在服务频谱的另一端，CPE可上行传输用于与众所周知的万维网或因特网通信的脉冲式，而又容许延迟计算机数据。
基站MAC映射并分配上行通信链路和下行通信链路的带宽。这些映象由基站产生和保持，并被称为上行链路子帧映象(Uplink Sub-frameMap)和下行链路子帧映象(Downlink Sub-frame Map)。MAC必须分配足以适应由诸如T1、E1之类的优先级高的恒位速率(CBR)服务和类似的恒位速率服务提出的带宽要求的带宽。另外，MAC必须在诸如网际协议(IP)数据服务之类优先级低的服务间分配剩余的系统带宽。MAC利用各种依赖QoS的技术，例如合理加权排队和循环排队，在这些低优先级的服务间分配带宽。
图1中所示的通信系统的下行链路基于点到多点进行工作(即，从基站106到若干CPE 110)。如同在相关的同时待审申请中说明的那样，中央基站106包括分区有源天线阵列108，所述有源天线阵列108能够同时向几个扇区进行传输。在系统100的一个实施例中，有源天线阵列108同时向六个独立扇区传输。在指定频道和天线扇区内，所有台站接收相同的传输信息。基站是沿下行链路方向工作的唯一发射器，因此除了把时间分成上游(上行链路)和下游(下行链路)传输时段的整体时分双工之外，基站在不与其它基站协调的情况下进行传输。该基站向扇区(及频率)中的所有CPE广播。CPE监视接收消息中的地址，并且只保留发送给它们的那些消息。
CPE 110根据受基站MAC控制的要求，共用上行链路。根据CPE所使用的服务的种类，基站可向选定的CPE授予在上行链路上继续传输的权利，或者可在基站接收来自CPE的请求之后，由基站授予传输的权利。除了单独编址消息之外，消息还可由基站发送给组播组(控制消息和视频分发是组播应用的例子)，以及广播给所有的CPE。
在各个扇区内，根据本发明，CPE必须遵守使CPE之间的争用降至最小，并且使服务能够满足各个用户应用的延迟和带宽要求的传输协议。如同下面更详细说明的那样，通过利用轮询机制实现了这种传输协议，同时用作备用机制的争用程序应根据指定延迟和响应时间限制，非正常条件使所有CPE的轮询变成不可实行。争用机制还可用于避免单独轮询长时间待用的CPE。本发明的方法和设备所提供的轮询技术简化了接入过程，并且如果需要，确保服务应用得到所确定的带宽分配。一般，数据服务应用对延迟的要求不高。相反，诸如语音和视频服务之类的实时服务应用要求及时并且遵守严格控制的时间表完成带宽分配。
帧映象—上行链路和下行链路子帧映射在本发明的一个优选实施例中，基站106保持分配给上行和下行通信链路的带宽的子帧映象。如同在同时待审的相关申请中所示那样，最好以时分以式(或“TDD”)方式多路复用上行链路和下行链路。在一个实施例中，帧被定义为包括N个连续时段或时隙(这里N保持恒定不变)。根据这种“基于帧”的方法，通信系统只动态配置用于下行链路传输的前N1个时隙(这里N在于或等于N1)。剩余的N2个时隙只被动态地配置给上行链路传输(这里N2＝N-N1)。按照这种TDD帧方案，最好首先传输下行链路子帧，并把帧同步必需信息加在所述下行链路子帧的前面。
图2表示了可由实践本发明的通信系统(例如图1中所示的通信系统)使用的TDD帧和多帧结构200。如图2中所示，TDD帧被分成若干物理时隙(PS)204。在图2中所示的实施例中，帧的持续时间为1毫秒，并且包括800个物理时隙。另一方面，本发明可和持续时间更长或更短，并且具有更多或更少PS的帧一起使用。基站以某一预定数目的PC为单位，分配可用带宽。通过预定数目的称为信息元素(PI)的位单元，对数字信息进行某些形式的数字编码，例如众所周知的里德-索罗门编码方法。调制可在帧内变化，并且确定传输选定的PI所需的PS的数目(于是，确定所需的时间量)。
如同同时待审的申请中所述，在图1所示的宽带无线通信系统的一个实施例中，TDD成帧是自适应的。即，分配给下行链路与上行链路的PS的数目随时间而变化。本发明的带宽分配方法和设备可同时用在使用类似于图2中所示的帧和多帧结构的自适应和固定TDD系统中。如图2中所示，为了有助于周期性操作，多个帧202被组合成多帧206，多个多帧206被组合成超帧208。在一个实施例中，每个多帧206包括两个帧202，每个超帧包括22个多帧206。本发明可使用其它帧、多帧和超帧结构。例如，在本发明的另一实施例中，每个多帧206包括16个帧202，每个超帧包括32个多帧。图3和图4分别表示了用于实践本发明的例证下行链路子帧和上行链路子帧。
下行链路子帧映象图3表示了可由基站106用于把信息传输给若干CPE 110的下行链路子帧300的一个例子。基站最好保持反映下行链路带宽分配的下行链路子帧映象300。下行链路子帧300最好包括帧控制首标302，依据调制类型分组的若干下行链路数据PS 304(例如使用QAM-4调制方案调制的PS 304数据，使用QAM-16调制的PS 304′等等)，以及发射/接收转变间隙308，所述若干下行链路数据PS 304可能由用于分隔不同调制数据的相关调制转变间隙(MTS)306分隔。在任何选定的下行链路子帧中，可能缺少任意一个或多个不同调制的数据块。在一个实施例中，调制转变间隙(MTS)306的持续时间为0 PS。如图3中所示，帧控制首标302含有由物理协议层(或PHY)，用于同步和均衡目的的前置码310。帧控制首标302还包括PHY控制段(312)和MAC控制段(314)。
下行链路数据PS被用于把数据和控制消息传输给CPE 110。该数据最好被编码(例如使用里德-索罗门编码方案)，并且在选择的CPE所使用的当前工作调制(operating modulation)下传输。最好按照预定的调制顺序传输例如QAM-4，之后是QAM-16，再后是QAM-64。调制转变间隙306包括前置码，并被用于分隔所述调制。帧控制首标302的PHY控制部分312最好含有指出在该处调制方案发生变化的PS 304的身份的广播消息。最后，如图3中所示，Tx/Rx转变间隙308使下行链路子帧和下面将更详细说明的上行链路子帧分开。
上行链路子帧映象图4表示了适于和本带宽分配发明一起使用的上行链路子帧400的一个例子。根据本发明的带宽分配方法和设备，CPE 110(图1)使用上行链路子帧400把信息(包括带宽请求)传输给它们的相关基站106。如图4中所示，CPE 110在上行链路帧内传输的MAC控制消息主要有三种(1)在为CPE注册保留的连接时隙(注册连接时隙402)中传输的MAC控制消息；(2)在为响应关于带宽分配的组播轮询和广播轮询而保留的连接时隙(带宽请求连接时隙404)中传输的MAC控制消息；和在专用分配给各个CPE的带宽(CPE预定数据时隙406)中传输的MAC控制消息。
分配给连接时隙(即连接时隙402和404)的带宽被组合在一起，并利用预定的调制方案传输。例如，在图4中所示的实施例中，利用QAM-4调制传输连接时隙402和404。剩余的带宽由CPE分组。在其预定带宽内，CPE 110利用由关于该CPE 110和其相关基站106之间的传输的环境因素的影响所确定固定调制，进行传输。下行链路子帧400包括若干CPE转变间隙(CTG)408，其作用类似于上面参考图3说明的调制转变间隙(MTG)306的作用。即，CTG 408分隔在上行链路子帧内，从各个CPE 110发出的传输。在一个实施例中，CTG的持续时间为2个物理时隙。进行传输的CPE最好在CTG 408的第二个PS内传输一个PS前置码，以便允许基站与新的CPE 110同步。多个CPE 110可能同时在注册连接时段内进行传输，从而导致冲突。当发生冲突时，基站不做出响应。
通过利用本发明的带宽分配方法和设备，预定上行链路通信数据是分配给特定CPE 110，用于传输控制消息的服务数据的带宽。根据CPE110使用的调制方案，在上行链路子帧内对CPE预定数据排序。根据本发明，并且按照下面详细说明的方式，CPE 110请求带宽，并且随后相关基站106批准所述带宽。在指定TDD帧(或者自适应TDD帧，视情况而定)内分配给选择的CPE的所有带宽被组合成连续的CPE预定数据块406。分配给CTG 408的物理时隙包含在基站上行链路子帧映象中选定CPE 110的带宽分配中。
除了为传输各种宽带服务而分配的带宽(即为CPE预定数据块406而分配的带宽)，以及为CPE注册连接时隙而分配的带宽之外，基站MAC还必须为诸如关于额外带宽分配的请求之类控制消息分配带宽。如同下面详细说明的那样，根据本发明，CPE 110通过向它们的相关基站106发出带宽请求，请求改变它们的带宽分配。本发明的方法和设备降低了关于这些带宽分配请求而必须闲置的带宽量。根据本发明，请求带宽的机会受到严格控制。本发明有利地组合多种技术来严格控制带宽请求过程。CPE可使用多种手段向其相关基站传输带宽请求消息。
例如，一种手段使用“轮询”技术，借此基站轮询一个或多个CPE，并且分配专用带宽，以便允许CPE传输带宽请求。按照这种方法，基站可响应沿上游方向设置“poll-me位”的CPE，轮询CPE。根据本发明，可定期轮询单个CPE(称为“预约(reservation)”轮询)，可定期轮询成组的CPE(“组播”轮询)，或者轮询物理信道上的每个CPE(“广播”轮询)。在预约轮询中，基站轮询单个CPE，并且随后分配上行链路带宽，以便允许CPE以带宽请求表示回答。类似地，在组播轮询和广播轮询中，基站轮询几个CPE，随后分配上行链路带宽，以便允许所述几个CPE以带宽请求表示回答。但是，如果发生冲突，则所述几个CPE必须争用分配的带宽。有利的是，带宽轮询和带宽分配均不采取由基站传递给CPE的明确消息的形式。相反，带宽轮询包含主动批准足以传输带宽请求的带宽。带宽分配是借助在上行链路子帧映象中产生的带宽分配暗示的。下面参考图4-10更详细地说明了轮询技术。
如图4中所示，可为这些带宽分配或CPE连接请求定期分配一部分上行链路带宽。上行链路子帧400包括若干带宽请示连接时隙404。CPE110首先必须注册，并且在被允许请求带宽分配之前，必须实现与基站的上行链路同步。于是，在带宽请求争用时段中，不需要为传输时间不确定性创造条件。因此，带宽请求争用时期可小至单个PI，在一个实施例中，在QAM-4条件下，所述单个PI需要6个PS。正如注册请求的情况一样，如果发生冲突，基站可能不对CPE做出响应。但是，如果基站成功地收到来自CPE的带宽请求消息，则基站通过在上行链路子帧400中分配CPE额外预定数据406带宽，做出响应。本发明使用的各种轮询技术有助于使使用争用时隙404的需要降至最小。下面更详细地说明了这些技术。
本发明使用的用于减少带宽请求消息所消耗带宽的另一手段是在已分配给CPE的带宽上“捎带确认(piggybacking)”带宽请求的技术。按照这种技术，当前有效的CPE通过利用已分配给其的上行链路带宽的从未使用的那部分带宽，请求带宽。从而消除了轮询CPE的必要性。在本发明的备选实施例中，在已分配并且正被某一数据服务使用的上行链路带宽上捎带确认带宽请求。按照该备选实施例，CPE通过在先前用于数据的时隙中插入带宽请求，“窃取”已分配给数据连接的带宽。下面参考图11更详细地说明了这些捎带确认技术的细节。
一旦基站为CPE分配了带宽，则该CPE，而不是基站，负责以能够适应该CPE提供的服务的方式使用该上行链路带宽。该CPE按照不同于最初请求的或者基站批准的方式，自由使用分配给它的上行链路带宽。例如，在选定的CPE向其相关基站请求带宽之后，提供给所述选定CPE的服务要求可发生变化。CPE确定把带宽给予哪些服务，哪些服务必须等待以后的带宽请求。为此，CPE保存服务的优先级列表。优选级高的那些服务(例如，具有高质量服务要求的那些服务)将在优先级低的那些服务(例如IP类型数据服务)先获得带宽。如果CPE不具有足以满足其服务要求的带宽，则该CPE将通过设置其poll-me位或者通过捎带确认带宽分配请求，请求额外的带宽分配。
使CPE确定如何分配其配给的带宽的一个优点在于使基站免于执行该任务。另外，从而消除了使基站指示CPE如何分配其配给的带宽所需的通信开销，于是增大了可用系统带宽。另外，CPE能够更好地对高质量服务数据服务的不断变化的上行链路带宽分配需要做出响应。于是，和基站相比，CPE能够更好地适应这些类型的服务要求的需要。
在下面各节中更详细地说明了本发明使用的，用于提高带宽分配请求过程的效率的各种技术。虽然这些技术是在独立的各节中说明的，但是本发明的方法和设备可组合使用所有这些技术，减少带宽分配请求所消耗的带宽。
从而，本发明有利地利用了与各种带宽分配技术相关的效率优点。例如，虽然在提供带宽分配请求快速响应时间的能力方面，单独轮询技术具有优势，但是就带宽分配过程所消耗的带宽量而论，该轮询技术是相当低效的。相反，组轮询方法在带宽分配过程所消耗的带宽方面的效率相当高，但是在响应带宽分配请求的能力方面，组轮询方法的效率较低。当从带宽消耗和响应时间两方面考虑时，使用“poll-me”位的效率较高。另外，捎带确认技术还通过使用带宽的从未使用部分发送带宽分配请求，进一步提高了带宽消耗效率。和现有技术的方法相反，本发明有利地组合使用所有这些带宽分配技术，使效率达到最大。
轮询在图1的为与本发明一起使用而设计的宽带无线系统100的一个实施例中，当CPE 110首次向系统100注册时，该CPE 110被指定一个专用连接标识符(ID)。当基站106与若干CPE 110交换控制消息时，使用该ID。如上所述，除了不可压缩的恒位速率，或者连续准许(continuous grant)(CG)服务之外，对于系统100传送的所有服务来说，带宽要求方面的变化(即，带宽要求的增加或减小)都是不可避免的。在连接建立和终止之间，不可压缩CG服务的带宽要求不发生变化。可压缩CG服务，例如信道化T1服务的要求会根据通信量而增大或减小。
相反，由图1的系统100简化的许多数据服务都是脉冲式的，并且对延迟的要求不高。由于当需要时，是基于按需分配向这些服务提供带宽，因此这些服务通常被称为按需分配多路接入或“DAMA”服务。当CPE 110需要请求用于DAMA服务的带宽时，它向基站106传输带宽请求消息。带宽请求消息传递DAMA服务的直接带宽要求。带宽要求可以并且通常随着时间而变化。当最始与基站建立CPE连接时，确定DAMA连接的服务质量或“QoS”。于是，基站能够获取或“查找”当前接纳的任何DAMA服务的QoS。
如上所述，根据本发明，CPE 110具有适于把带宽请求消息传递给它们的相关基站的多种不同技术。这样的一种技术是响应基站的轮询，传输带宽请求消息。根据本发明公开的轮询技术，基站向选定的CPE分配专用于发生带宽请求的带宽。带宽分配可针对单个CPE或者针对成组的CPE。如同下面描述组轮询技术一节中所述那样，针对成组CPE的带宽分配确定带宽请求争用时隙，所述带宽请求争用时隙用于解决带宽请求冲突。有利的是，不是采取明确消息的形式进行带宽分配的，而是以传输的描述上行链路子帧400的映象(图4)中的带宽分配增加的形式，完成带宽分配的。按CPE执行轮询，按连接ID请求带宽，并且按CPE分配带宽。下面更详细地说明这些原理。
预约轮询技术(单独轮询)根据本发明的方法和设备，当单独轮询某一CPE时，不传输用于轮询选择的CPE的任何明确消息。相反，在足以允许CPE报以带宽请求的上行链路子帧映象中向该CPE分配带宽。具体地说，基站在足以允许选定CPE报以带宽请求消息的该选定CPE的CPE预定数据块406(图4)中，分配带宽。如果选定CPE不需要更多的带宽，则它返回零字节的请求。由于为回答分配了明确的带宽，因此在单独轮询方法中使用零字节请求(而不是没有任何请求)。
根据本发明，只有明确请求被轮询的待用CPE和现用CPE才适合于单独轮询。不在MAC分组首标中设置它们相应的“poll-me”位的现用CPE将不被单独轮询。本发明对带宽请求过程施加了这些限制，和单独轮询所有CPE相比，这些限制节约了带宽。在本发明的一个实施例中，现用CPE通过利用当前使用的调制方案，对轮询做出响应。但是，待用CPE可利用QAM-4或者类似的稳定调制方案做出响应，以便确保它们的传输足够稳定，即使在不利的环境条件下，也能够被基站检测到。
本发明确保及时响应为恒位速率服务，例如其中可动态增加或减少信道的信道化T1服务要求更多带宽的请求。为了确保基站快速响应为恒位速率服务要求更多带宽的请求，使分配给当前未以最大速率工作的恒位速率服务的上行链路带宽足够大，足以适应该服务的当前速率以及带宽请求。
图5的流程图中表示了单独轮询的信息交换顺序。如图5中所示，基站最好具有几层控制机制或协议组502、504和506，除了其它作用之外，所述几层控制机制或协议组还控制带宽请求和分配过程。基站MAC被再分为两个子域(1)HL-MAA MAC域504和LL-MAA MAC域506。LL-MAA MAC域刚好覆盖一个物理信道。每个物理信道需要一个LL-MAA MAC域。HL-MAA MAC跨越多个物理信道，通常所述多个物理信道都在相同的扇区中。MAC域包括HL-MAA MAC域和与HL-MAA MAC域内的物理信道相关的LL-MAA MAC。
如图5中所示，基站通过为CPE分配足以报以带宽请求消息的带宽，单独轮询(如控制箭头508所示)CPE。该带宽在上行链路子帧400中分配。如果CPE MAC 510确定存在要为选定的连接发送的数据(通常通过借助控制路径514，接受更高CPE控制层512的指令而确定)，随后CPE MAC控制机制向基站MAC 506发出带宽请求516。如果如同基站的LL-MAA 506确定的那样，可用于CEP 110的带宽不足时，则该带宽请求将不被准许。否则，该带宽请求将被准许，并且通过基站在上行链路子帧400中向该CPE分配额外的带宽，隐式地通知CPE MAC510带宽请求得到准许。图5中借助控制路径518表示了这一点。随后CPE将利用已分配给它的带宽，通过该上行链路开始向基站传输数据。
图6是表示本发明提供的单独轮询技术600的流程图。如图6中所示，该方法开始于确定带宽是否适用于单独轮询CPE的判定步骤602。如果不存在适用于单独轮询CPE 110的带宽，则方法进行到步骤S604，并且启动组播或广播轮询方法。组播和广播轮询方法将在下面一节中更详细地说明。但是，如果足够的带宽适用于单独轮询CPE，则该方法进行到判定步骤606，在判定步骤606，确定是否存在设置有“poll-me”位的任何未轮询的现用CPE。如果是，则方法进行到控制点608。如果否，则方法进行到判定步骤610，在判定步骤610，确定是否存在任何未轮询的待用CPE。如果是，则方法进行到控制点608。如果否，则方法进行到控制点612。
本发明的方法从控制点608进行到步骤614，单独轮询选择的CPE。从而，该方法确保只有请求更多带宽(通过设置它们相应的“poll-me”位)的未轮询的现用CPE，以及待用CPE被单独轮询。和单独轮询所有CPE的轮询方法相比，这减少了带宽。
如图6中所示，在步骤614，基站开始轮询选择的CPE，并把该CPE标记为已轮询。图6中在标题框614′中对此进行了概略表示。图6的标题框614′表示了前面说明的图3中的下行链路子帧映象300。MAC帧控制首标302的MAC控制部分314最好包括上行链路子帧映象400′。当基站通过下行链路，把该信息传输给CPE时，上行链路子帧映象400′被传递给CPE MAC。如图6中所示，并且对轮询步骤614起反应，基站MAC在上行链路中，向选择的CPE分配额外的带宽(在图6中，该CPE被称为CPE“k”)。增加的带宽分配通过上行链路子帧映象400′被传递给CPE k。从而，响应轮询选择的CPE的需要，不需要任何额外的带宽。
如图6中所示，随后该方法返回判定步骤602，确定是否存在更多适用于单独轮询CPE的带宽。当确定不存在设置有poll-me位的任何现用CPE，并且不存在任何未轮询的待用CPE(分别在判定步骤606和610)时，该方法进行到判定步骤616。在判定步骤616，该方法确定是否执行过任意单独轮询。如果否，则该方法进行到控制点618，并且随后该方法在终止步骤620终止。但是，如果执行个单独轮询，则该方法进行到步骤622，等待来自被轮询CPE(例如CPE“k”)的单独带宽请求。如图6的标题框622′中所示，在上行链路子帧400中预定用于选定CPE的CPE预定数据块406中，该带宽请求430由被轮询CPE(例如CPE“k”)产生。在一个实施例中，所有数据包括指出被传输数据的类型的首标。例如，在本实施例中，控制消息具有当CPE注册时，指定给CPE的与CPE相关的唯一连接标识符。控制消息的结构使基站可以确定控制消息是带宽请求。
如图6中所示，该方法从步骤622进行到判定步骤624，确定是否收到任何带宽请求。如果否，则该方法终止。但是，如果是，则该方法进行到步骤626，启动带宽分配方法。如同下面更详细说明的那样，基站使用优选的带宽分配方法，向发出请求的CPE分配带宽。通过适当地改变上行链路子帧映象400′，向CPE指出该带宽分配。随后该方法在步骤620终止。
基于争用的轮询技术(组播和广播轮询)如同上面参考图6的单独轮询方法的步骤604说明的那样，如果不存在适用于单独轮询CPE的足够带宽，则本发明可用于以组播组(multicast group)的方式轮询CPE，并且基站可发出广播轮询。同样，如果待用CPE多于可用于单独轮询它们的带宽，则可以组播组的方式轮询一些CPE，并且可发出广播轮询。
根据本发明的一个实施例，最好如下进行CPE的编址每个CPE被指定在注册过程中使用的唯一的永久地址(例如在一个实施例中，CPE具有48位地址)；并且每个CPE还被赋予一个基本连接ID(例如，在一个实施例中，在注册过程中，CPE被赋予16位的基本连接ID和16位的控制连接ID)。提供给选定CPE的每种服务也被指定一个连接ID。连接ID帖基站MAC产生(具体地说，由基站HL-MAA产生)，并且在HL-MAA MAC域内是唯一的。当CPE向基站注册时被指定的基本连接ID由基站MAC和CPE MAC用于在CPE和基站之间交换MAC控制消息。控制连接ID(同样在注册过程中被指定)由基站和CPE用于在基站和更高的CPE控制层之间交换控制和配置信息。
根据本发明的一个实施例，为组播组和广播消息保留某些连接ID。在所有的可用地址中，最好为组播保留一部分地址。例如，在本发明的一个实施例中，如果连接ID的4个最高有效位被设置为逻辑位(十六进制“Fxxxx”)，该地址被看作是为组播应用而保留。在本实施例中，总共存在4K不同的组播地址。这种组播应用的一个例子是视频服务的分发。在一个优选实施例中，用于向所有台站指示广播的连接ID是(0xFFFF)(即，所有16位被设置为一个逻辑位)。
类似于上面参考图5和6说明的单独轮询技术，基站并不明确地把组播轮询消息传输给CPE。相反，当基站在上行链路子帧映象中分配带宽时，组播轮询消息被隐含地传输给CPE。但是，不是如同进行单独轮询时那样，使分配的带宽与CPE的基本连接ID联系起来，而是基站使分配的带宽和组播或广播连接ID联系起来。图7中所示的组播/广播上行链路子帧映象400″中表示了这种组播/广播带宽分配。比较单独轮询时，基站使用的上行链路子帧400(图4)和图7的上行链路子帧映象400″是有益的。图7表示了在下行链路的MAC控制部分中传输的上行链路子帧映象。
如图7中所示，本发明所使用的组播/广播上行链路子帧映象400″包括映射图4的注册连接时隙402的注册连接时隙402″。但是，不是使分配的带宽和选择的CPE的基本连接ID联系起来，而是使分配的带宽和保留的注册ID联系起来。如图7中所示，上行链路子帧映象400″最好包括若干组播组带宽请求争用时隙404″、404等等。上行链路子帧映象400″还包括广播带宽请求争用时隙410。最后，类似于图4的上行链路子帧，本发明所用于启动组播或广播轮询的上行链路子帧映象包括用于传送上行链路通信数据的若干CPE预定数据块406″、406等等。
根据本发明的方法和设备，当使轮询指向组播或广播连接ID时，属于受轮询组的CPE利用在上行链路子帧映象400″中分配的带宽请求连接时隙(为该组指定的组播时隙或者广播带宽请求争用时隙410)，请求带宽。为了降低冲突的可能性，只允许需要带宽的CPE应答组播或广播轮询。在带宽请求争用时隙中，不允许长度为零的带宽请求。在一个实施例中，CPE通过利用QAM-4调制，在带宽请求争用时隙(例如，争用时隙404)中传输带宽请求。在该实施例中，按照保存1-PS前置码和带宽请求消息，测定争用时隙的大小。由于物理解析特性的缘故，使用QAM-4调制的情况下，消息要求1个PI(或者6个PS)。在该实施例中，来自相同CPE的多个带宽请求消息设置在单个带宽请求争用时隙中，不会增大带宽利用或者发生冲突的可能性。这允许同一CPE在相同的时隙中发出多个带宽请求。
如果当进行组播或广播轮询时，发生错误(例如检测到到无效连接ID)，则基站向CPE传输明确的出错消息。如果在预定的时段内，基站既不报以出错消息，也不报以带宽分配，则CPE将认为发生了冲突。这种情况下，CPE使用预先选择的争用解决方法。例如，在一个优选实施例中，CPE使用众所周知的“时隙ALOHA”争用解决方法退避，并在另一争用时机进行尝试。
争用解决方法当在适当的时间间隔内，单独轮询所有CPE的时间不足时，争用是不可避免的。基站能够确定组播组的争用时期，同样能够确定所有CPE(即广播轮询)的争用时期。在考虑了CPE预定数据，控制消息和轮询之后，基站把TDD帧的上游部分中的所有未用时间分配给争用，用于带宽请求或者用于注册。通常，带宽请求时间间隔将为多个PI(例如，在利用QAM-4调制的情况下，1PI＝6PS)。CPE必须在该时间间隔内的任意时间，传输它们的请求，以便降低发生冲突的可能性。
根据本发明，需要在请求时间间隔中进行传输的CPE最好任意选择该时间间隔内的某一PI，并且在相关的起始PS中发出请求。这种随机选择使冲突可能性降至最小。如果在预定时段内，不存在来自基站的关于该请求的任何响应，则认为发生了冲突。如果在预定时段内，基站不做出响应，则启动本发明的争用解决方法。
本发明的一个优选实施例使用下述解决方法假定初始退避(backoff)参数为i，最终退避参数为f1.在首次冲突时，CPE等待介于零和2i争用时机之间的任意时间间隔，并且随后再次尝试。
2.如果发生另一次冲突，则使该时间间隔的长度加倍，并且CPE再次尝试，不断重复，直到达到2f时间间隔为止。
如果CPE仍然不成功，则向系统控制器报告出错，并且异常中止该争用方法。其它争用解决机制也可用于实践本发明。例如，众所周知的三元树机制可用于解决争用。
图8是表示本发明的组播和广播轮询方法800的流程图。如图8中所示，组轮询方法800从初始步骤802进行到判定步骤804，确定是否存在适用于组播轮询的足够带宽。如果存在适用于组播轮询的足够带宽，则该方法进行到步骤806，在MAC帧控制首标302的MAC控制部分314中，轮询下一组播组。但是，如果不存在适用于进行组播轮询的足够带宽，则该方法进行到判定步骤808，确定是否存在适用于进行广播轮询的足够带宽。如果是，则该方法进行到步骤810。如果否，则该方法进行到判定步骤812。
如图8中所示，在步骤810，通过在MAC帧控制首标302的MAC控制部分314中放入广播轮询，启动广播轮询。类似于单独轮询技术，通过在上行链路子帧映象400″中分配带宽，隐式地把组播消息传输给CPE。分配的带宽与组播或广播连接ID相关。
在判定步骤812，该方法确定是否启动了广播或组播轮询。如果是，则该方法进行到步骤814，在步骤814，该方法监视适当的带宽请求争用时隙(例如，图7的带宽争用时隙404″、404，以及广播带宽请求争用时隙410)。如果没有启动广播或组播轮询，则该方法进行到控制点816，并且随后在终止步骤818终止。
该方法从监视814进行到判定步骤820，确定是否检测到有效的(即非冲突的)带宽请求。如果在步骤820没有检测到任何有效的带宽请求，则该方法进行到控制点816，并在终止步骤818终止。但是，如果该方法检测到有效的带宽请求，则该方法从步骤820进行到步骤822。在步骤822，该方法使用适宜的带宽分配算法，把带宽分配给请求带宽的CPE。下面参考图12-13更详细地说明了优选的带宽分配算法。在如图8中所示的上行链路子帧映象400″中分配带宽。
Poll-Me位如同参考图3-8说明的那样，并且根据本发明，当前有效的CPE在MAC分组中设置“poll-me”位或者“优先poll-me”，以便向基站指出，该CPE需要改变带宽分配。例如，在本发明的一个实施例中，选择的CPE通过在MAC首标中设置poll-me(“PM”)位，请求轮询。类似地，根据本发明，选择的CPE在MAC首标中设置优先poll-me(“PPM”)位，以便指出希望优先轮询。
为了减少与单独轮询每个有效CPE相关的带宽需求，当且仅当CPE设置poll-me位之一时，才逐个轮询有效CPE。当基站检测到轮询请求时(当CPE设置其poll-me位时)，启动图9中所示的单独轮询技术，以便满足该请求。图9中表示了CPE激励基站轮询CPE所采用的程序。在备选实施例中，设置有“poll-me”位的多个分组指出CPE需要发生关于多个连接的带宽分配请求。
图9是表示根据本发明，poll-me位是如何被用于激励轮询的流程图。如图9中所示，该方法首先在判定步骤902确定是否已用过下面更详细说明的捎带确认技术。如果否，则该方法进行到步骤904，并首先尝试进行“捎带确认”。随后该方法进行到步骤906，在步骤906，连接被设置为等于第一连接。按照这种方法，关于CPE内的各个连接，扫描poll-me位。图9中所示的方法随后进行到步骤908，确定是否存在任何带宽要求。如果否，则该方法进行到步骤916，并且扫描下一连接。如果存在带宽要求，则该方法进行到判定步骤910。在步骤910，该方法确定是否还有分组适于容纳poll-me位。如果否，则该方法在步骤910终止。但是，如果存在这样的分组，则该方法进行到步骤912，并且在可用分组中设置poll-me位。
图10表示了本发明在利用上面描述的“poll-me”位请求轮询中所使用消息顺序。如图10中所示，在数据连接930，CPE通过在MAC首标中设置其相关poll-me位，启动轮询顺序。基站MAC通过单独轮询选择的CPE，借助数据消息932做出响应。该响应是通过在上行链路子帧映象中，向选择的CPE分配带宽来完成的，如图10中所示。选择的CPE随后报以带宽请求，如通信路径934中所示。为了响应CPE的带宽请求，基站批准带宽，并在上行链路子帧映象中，向CPE分配带宽，如通信路径936中所示。选择的CPE随后通过相关连接链路，将其数据传输给基站。
“捎带确认”技术如上关于本发明的方法和设备所述那样，为了进一步减小带宽分配过程所需的开销带宽，当用有效的CPE可在它们当前的传输上“捎带”带宽请求(或者其它任何控制消息)。CPE通过利用现有带宽分配的TC/PHY分组中的未用带宽，完成带宽的这种捎带。图11中表示了按照这种方式使用额外带宽的程序。
如图11中所示，该方法在步骤950开始捎带确认过程。该方法进行到判定步骤952，确定CPE是否需要额外的带宽。如果是，该方法进行到判定步骤954，如果否，则该方法进行到终止步骤964，在步骤964，该方法终止。在判定步骤954，该方法确定在当前的分配中，是否存在任何从未使用的字节。如果是，则该方法在步骤956着手把带宽请求插入从未使用的字节中。如果否，则该方法进行到判定步骤958。在判定步骤958，该方法确定是否任何分组完全被分配给该CPE。如果在判定步骤958，没有发现任何分组，则该方法进行到步骤960。但是，如果分组被分配，则该方法进行到步骤962，在该步骤，CPE设置其poll-me位。随后该方法进行到步骤960，在该步骤，CPE等待被相关基站轮询。随后该方法在步骤964终止。
带宽分配如上所述，基站MAC负责分配上行链路和下行链路上的物理信道的可用带宽。在上行链路和下行链路子帧内，基站MAC调度表根据由各种服务的服务质量(QoS)所采用的优先级和规则，在所述各种服务之间分配所述可用带宽。另外，基站MAC的更高控制子层跨越一个以上的物理信道分配带宽。
下行链路带宽分配—一个实施例图12中表示了下行链路带宽的分配。基站MAC为它所服务的每个物理信道保存一组队列。在每组物理信道队列中，基站为各个QoS保持一个队列。队列保存有准备传输给存在于物理信道上的CPE的数据。更高层的基站协议组负责把数据放入各个队列中的顺序。更高的基站控制层自由实现任何适宜的关于相同QoS下，连接间的接入共用的合理性或通信量整形算法，而不影响较低的基站MAC控制层。一旦数据存在于队列中，则根据QoS分配带宽是基站较低控制层(例如图5和10的BS LL-MAA)的职责。
在本发明的一个实施例中，就确定在特定QoS下，为特定CPE分配的带宽量而论，基站要考虑QoS，调制，以及用于防止单个CPE用完所有可用带宽的合理性标准。最好按照QoS顺序分配带宽。如果存在不能在特定TDD帧内完整传输的队列，则在该队列内使用诸如合理排队之类的QoS专用合理性算法。根据其相对权重，给予每个连接一部分剩余的可用带宽。权重的推导与QoS相关。例如，可根据契约带宽限制或保证，对ATM通信加权，而IP连接可均接受相同的权重。一旦分配了带宽，则按照依据调制类型对数据分类的方式传输数据。
上行链路带宽分配—一个实施例上行链路带宽分配方法非常类似于上面参考图12说明的下行链路带宽分配方法。但是，数据队列不是被基站保存，而是由各个CPE保存，并在各个CPE间分配。基站最好利用上面参考图3-11所述的技术，从CPE接收带宽请求，而不是直接检查队列状态。通过利用这些带宽请求，基站重建CPE数据队列的状态逻辑图。根据队列组的逻辑图，基站按照和分配下行链路带宽相同的方式，分配上行链路带宽。图13中表示了这种上行链路带宽分配技术。
如上所述，分配给任意选定CPE的带宽以在上行链路子帧映象中分配的带宽的形式，被传输给选定的CPE。开始于TDD中的某一点，上行链路子帧映象把一定量的带宽分配给选择的CPE。选择的CPE随后在所有连接间分配该带宽。这使得如果在等待带宽分配的时候，该CPE接收到优先级更高的数据，该CPE可以以和所请求方式不相同的方式使用该带宽。如上所述，由于带宽需求的动态特性，因此带宽分配处于持续变化的状态。从而，选择的CPE可接受对逐帧准许的带宽的非请求型修改。如果对于某一帧，选择的CPE分配得到的带宽小于传输所有等待数据所需的带宽，则CPE必须使用QoS和合理性算法服务其队列。CPE可从较低的QoS连接“窃取”带宽，利用上面描述的捎带技术，捎带要求更多带宽的请求。尚未处于最大带宽条件下的TDM连接在上行链路中被分配足够的额外带宽，以便捎带关于额外带宽的请求。
QoS专用合理性算法最好依据服务质量(QoS)指定，对在上行链路和下行链路上传输的数据排队。如上所述按照QoS队列优先级的顺序传输数据。当传输排队数据时，可能存在这样的QoS队列，对于该QoS队列，不存在足以在当前TDD帧内，传输所有排队数据的足够带宽。当发生这种情况下，启动QoS专用合理性算法，以确保公平地处理按照该QoS排队的数据。可执行的基本合理性算法有三种(1)连续准许；(2)合理加权排队；和(3)循环法。
MAC最好不监控带宽用途的连接。监控应由更高控制层进行。MAC假定所有待处理数据已满足契约限制并且可被传输。连续准许队列具有最简单的合理性算法。每个TDD帧都必须发送这些队列中的所有数据。不足的带宽指出供给方面的错误。
合理加权排队合理加权排队要求指定QoS下的所有连接具有赋予它们的权重，以便确定它们有资格接受的可用带宽的百分率。该权重值最好根据规定连接的契约参数，由三个数据率参数之一得出。这三个参数是(1)待决数据(data pending)；(2)保证的速率；和(3)平均速率。
根据待决数据，利用合理加权排队，以DAMA连接的形式形成实时VBR连接。对于带宽不足以传输队列中的所有数据的TDD帧中的这种QoS队列，确定队列中各个连接的权重。在一个实施例中，该权重是表示为队列中总待决数据的百分率的该连接的待决数据量。由于待决数据的数量是动态的，因此对于带宽不足以发送受影响队列中的所有数据的每个TDD帧，都必须确定这些类型队列的权重。
对于在保证速率下缔结的DAMA连接，根据保证速率计算权重。这种情况下，权重最好表示为队列中具有待决数据的所有连接的总保证速率的百分率。由于保证速率是规定的，因此不必对于使用保证速率的每个TDD帧，确定权重。相反，只有当队列中的连接之一存在规定(provisioning)变化(即，新连接，连接参数方面的变化，或者连接终止)时，才确定队列的权重。
对于在平均速率下缔结的DAMA连接，最好根据平均速率计算权重。该权重是表示为队列中具有待决数据的所有连接的总平均速率的百分率的平均速率。由于平均速率是规定的，因此不必对于使用平均速率的每个TDD帧，确定权重。相反，只有当队列中的连接之一存在规定变化时，才重新计算队列的权重。
在上述所有情况下，带宽分配的粒性可能过粗，以致不能在队列中的连接间提供理想的基于百分率的加权分配。这会导致某些队列在特定的TDD帧中，接收不到任何带宽。为了确保这种情形在队列中的所有连接间公平发生，对于该队列，下次存在带宽不足条件时，没有接收带宽的连接被赋予优先权。对于具有基于保证速率或平均速率的权重的队列，某些连接可能不具有使用根据其计算权重，它们有权使用的所有带宽的足够待决数据。这些情况下，在具有过量待决数据的连接间，公平地分配该连接的未用带宽。
某些QoS要求数据被老化。对于在这些QoS条件下的队列，存在优先级高一级的一个相关队列。如果不依据规定的老化参数传输数据，则该数据转移到更高QoS的队列，并被赋予先于最初队列中的较新数据的优先级，而不考虑连接的相对权重。
循环法循环合理性算法用于尽最大努力(best effort)连接，这里，所有连接具有相同的权重。当不存在足以传输特定TDD帧中的队列中的所有数据的带宽时，连接被循环配给带宽，每个连接接受一块带宽，所述一块带宽最高可达适合于特定队列的带宽最大值。下次存在带宽不足条件时，没有接收带宽的连接被赋予优先权。
带宽分配算法对于每个TDD帧，基站分配TDD帧的下行链路部分，并且估计上行链路通信量，以便把上行链路带宽分配给CPE。CPE单独在它们的待决数据连接间分配它们按份额分配得到的带宽。
基站下行链路如图2中所示，在本发明的一个优选实施例中，根据ATDD分离(即，分配给上行链路和下行链路的带宽的百分率)，基站具有适用于下行链路传输的TDD帧中的800个PS中的一些PS。最好按照如下所述进行下行链路带宽分配算法。
首先，基站把PS分配给用于PHY控制的PI，并为用于MAC控制的至少1个PI分配足够的PS。为了确定关于MAC控制而分配的PI的数目，基站最好在下行链路带宽分配之前，进行上行链路带宽分配。在一个优选实施例中，总是利用QAM-4调制发送PHY控制和MAC控制。
对于具有下行链路持续准许待决数据的连接，基站确定传输该数据所需的PI数。该数目随后被转化成随用于与每个连接相关的CPE的调制而变化的PS。对于每个剩余QoS，或者在可用带宽被完全分配之前，基站确定是否存在足以满足QoS队列的全部需要的带宽。如果是，基站分配所需的带宽。否则，如果不存在足以满足该队列的带宽，则基站执行上面说明的队列专用合理性算法。
基站上行链路在一个优选实施例中，根据上面参考图2说明的ATDD分离，基站具有适于上行链路传输的TDD帧中的预定数目的PS。基站必须保存数据的估计，并且在它所服务的CPE的各个QoS条件下，控制待决消息。基站根据从CPE接收的带宽请求，以及根据实际数据通信量的观察，估计数据通信量。基站根据当前使用的协议(即，连接建立，“poll-me”位使用等等)，以及根据基站的轮询策略(即，单独轮询，组播轮询和广播轮询)，估计上行链路控制消息通信量。按照如下所述进行上行链路带宽分配算法。
对于具有上行链路持续准许待决数据的连接，基站最好确定传输该数据所需的PI的数目。随后该数目被转换成由用于与每个连接相关的CPE的调制所确定的PS数。具有小于最大带宽的当前带宽的连续准许连接总是被配给为1)它们的最大带宽或2)它们的当前带宽加上发送CG带宽改变消息所需的带宽中较小者的上行链路带宽。
对于每个剩余的QoS，或者在可用带宽被完全分配之前，基站确定是否存在足以满足QoS队列的全部需要的带宽，并且基站随后分配所需的带宽。否则，如果不存在足以满足该队列的带宽，基站执行上面说明的队列专用合理性算法。
CPE上行链路如上所述，对于各个TDD帧，CPE被分配一部分上行链路子帧，在所述一部分上行链路子帧中，传输它们的相应数据。由于自从基站接收它用于分配上行链路带宽的带宽请求信息以来，CPE的带宽要求可能已发生变化，因此CPE它们自己负责根据它们当前的带宽要求，分配它们按份额得到的带宽。即，CPE并不局限于按照和CPE向基站请求带宽时所使用方式完全相同的方法，把配给的带宽分配给它们的数据连接。最好按照如下所述进行CPE的上行链路带宽分配算法。
对于具有上行链路持续准许待决数据的连接，CPE确定传输该数据所需的PI的数目。随后根据该CPE使用的调制方案，把该数目转换成PS数。对于剩余的各个QoS，或者在完全分配可用带宽之前，CPE确定是否存在足以满足QoS队列的全部需要的带宽。如果是，则CPE分配所需的带宽。否则，如果不存在足以满足该队列的带宽，则CPE执行上面说明的队列专用合理性算法。
总结总之，本发明的带宽分配方法和设备包括功能强并且高效的用于在宽带无线通信系统中分配带宽的手段。本发明的带宽分配方法和设备组合使用单独轮询技术和组轮询技术、基于争用的轮询、捎带确认及CPE启动轮询的技术，在通信系统中高效分配带宽。有利的是，通过利用捎带确认或poll-me位方法，只允许当前有效的那些CPE(当前具有与之相关的带宽分配的CPE)请求更多的带宽。另外，本发明通过隐式地把额外带宽分配通知CPE，节约了带宽。基站通过在上行链路子帧映象中，把额外的带宽分配给CPE，隐式地向CPE通知额外的带宽分配。类似地，基站通过在上行链路中分配带宽，隐式地轮询CPE，从而使CPE能够用带宽请求应答该轮询。
为了应付带宽请求，基站建立并保存要传输数据的逻辑队列。该队列由基站根据QoS而形成。另外，基站根据QoS和Qos唯一合理性算法(QoS unique fairness algorithm)的组合，分配带宽。CPE自身，而不是基站，按照CPE确定的任意适宜方式，把配给的带宽分发给它的服务。从而，CPE可按照不同于初始预期(以及请求)目的的方式，使用它的配给带宽。
上面说明了本发明的多个实施例。然而，要明白在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可做出各种修改。例如，本发明的方法和设备可用在任意类型的通信中，其应用不局限于无线通信系统。这样的一个例子是在卫星通信系统中使用本发明。在这种通信系统中，卫星取代上面说明的基站。另外，CPE不再位于与卫星相隔固定距离的地方。于是，将更难以为CPE排定DAMA服务的时间。另一方面，本发明可以用在有线通信系统中。有线系统和上面说明的无线系统之间的唯一差别在于它们之间的信道特性不同。但是，在这两种系统之间，带宽分配并不发生变化。因此，要明白本发明并不受具体举例说明的实施例的限制，而只由附加权利要求的范围限定。
权利要求
1.一种在宽带无线通信系统中分配带宽的方法，其中所述无线通信系统包括与相关并且对应的基站通信的若干用户收费设备(CPE)，其中所述基站保持代表上行链路和下行链路通信路径中的带宽分配的上行链路和下行链路子帧映象，所述方法包括下述步骤(a)确定是否存在单独轮询选择的CPE的足够可用带宽；(b)如果在步骤(a)中确定存在足够的带宽，则确定是否存在未轮询的待用CPE，或者是否存在请求被轮询，但还未被轮询的现用CPE，否则进行到步骤(e)；(c)通过在上行链路子帧映象中向CPE分配带宽，来轮询选择的CPE；(d)通过重复步骤(a)-(c)，继续单独轮询其它选择的CPE，直到在步骤(a)中确定没有足以单独轮询CPE的可用带宽为止；(e)启动组播和广播轮询过程；(f)确定在步骤(c)中是否启动了任何单独CPE轮询；(g)如果在步骤(c)中没有启动任何单独CPE轮询，则终止该方法，否则等待来自在步骤(c)中轮询的CPE的单独带宽请求；(h)接收来自选择的CPE的带宽请求；和(i)启动带宽分配过程，并在上行链路子帧映象中，为选择的CPE分配带宽，所述选择的CPE传输在步骤(h)中接收的带宽请求。
2.按照权利要求1所述的带宽分配方法，其中未轮询的现用CPE通过设置与该CPE相关的poll-me位，在步骤(b)中请求轮询。
3.按照权利要求1所述的带宽分配方法，其中下行链路子帧映象包括帧控制首标和依据调制类型分组的若干下行链路数据物理时隙(PS)，其中所述若干数据物理时隙(PS)由若干调制转变间隙分离。
4.按照权利要求3所述的带宽分配方法，其中帧控制首标包括前置码、物理控制部分和媒体接入控制(MAC)部分。
5.按照权利要求1所述的带宽分配方法，其中上行链路子帧映象包括若干注册连接时隙，若干带宽请求连接时隙，以及若干CPE预定数据时隙，其中注册连接时隙、带宽请求连接时隙和数据时隙与所述若干CPE相关，并且对应于所述若干CPE。
6.按照权利要求5所述的带宽分配方法，其中在向相关并且对应的基站注册的过程中，注册连接时隙由CPE使用，其中带宽请求连接时隙由CPE用于传输带宽请求。
7.按照权利要求5所述的带宽分配方法，其中CPE使用CPE预定数据时隙把MAC控制消息和数据传输给它们相关且对应的基站。
8.按照权利要求3所述的带宽分配方法，其中基站通过广播帧控制首标，通知选择的CPE，在步骤(c)中轮询该CPE，其中所述帧控制首标包括MAC控制部分，所述MAC控制部分指示出带宽已被分配给选择的CPE，以便以带宽请求响应。
9.按照权利要求7所述的带宽分配方法，其中通过监视用于带宽请求消息的预定CPE数据时隙，在步骤(h)中接收单独的带宽请求。
10.按照权利要求1所述的带宽分配方法，其中在步骤(e)中启动的组播和广播轮询过程包括下述步骤(a)确定是否存在用于进行组播轮询的足够带宽；(b)如果在步骤(a)确定存在足够的带宽，则轮询将被轮询的下一组播组，并返回步骤(a)，否则进行到步骤(c)(c)确定是否存在用于进行广播轮询的足够带宽；(d)如果在步骤(c)中确定存在足够的带宽，则在上行链路子帧映象中设置一个广播轮询，否则转到步骤(e)；(e)确定是否在步骤(b)或步骤(d)进行了组播轮询或广播轮询；(f)如果在步骤(e)内确定进行了组播轮询或广播轮询，则监视由上行链路子帧映象确定的带宽请求连接时隙中的带宽请求消息，否则终止组播和广播轮询过程；(g)确定是否收到有效的带宽请求；和(h)修改上行链路子帧映象，以便反映分配给所述若干CPE的带宽。
11.按照权利要求1所述的方法，其中在步骤(i)中启动的带宽分配过程包括建立并保持若干CPE中的若干数据队列的逻辑模型，其中根据服务质量指示，对数据队列排序。
12.按照权利要求11所述的带宽分配方法，其中CPE按照服务质量优先级的顺序，传输数据。
13.按照权利要求12所述的带宽分配方法，还包括一旦不存在足以传输服务质量队列中的所有数据的足够带宽，就启动的服务质量专用合理性方法。
14.按照权利要求13所述的带宽分配方法，其中逻辑模型包括(a)若干连续准许数据队列；(b)若干合理加权数据队列；和(c)若干循环数据队列。
15.按照权利要求14所述的带宽分配方法，其中在上行链路帧内传输连续准许数据队列中的数据。
16.按照权利要求14所述的带宽分配方法，其中合理加权数据队列中的数据被指定预定的权重值，其中所述权重值表示出数据有资格接收的带宽的百分率。
17.按照权利要求16所述的带宽分配方法，其中权重值包括待决数据权重值，保证速率权重值或者平均速率权重值。
18.按照权利要求14所述的带宽分配方法，其中循环数据队列被用于所有连接具有相同权重的best effort连接。
19.按照权利要求18所述的带宽分配方法，其中以循环方式把带宽分配给各个连接，每个连接接收一块带宽，所述每块带宽最高可达预定最大值。
20.按照权利要求1所述的带宽分配方法，其中选择的CPE通过利用捎带确认技术，传输在步骤(h)中接收的带宽请求，从而选择的CPE利用现有带宽分配的TC/PHY分组中的未用带宽，传输带宽请求。
21.一种在宽带无线通信系统中分配带宽的设备，其中所述无线通信系统包括与相关并且对应的基站通信的若干用户收费设备(CPE)，其中所述基站保持代表上行链路和下行链路通信路径中的带宽分配的上行链路和下行链路子帧映象，所述设备包括(a)单独轮询选择的CPE的装置，其中所述轮询装置包括在上行链路子帧映象中，把带宽分配给选择CPE的装置，其中轮询装置还包括确定是否存在通过设置相关并且对应的poll-me位，请求轮询的任意CPE的装置；(b)轮询选择的一组CPE的装置，其中当且仅当带宽不足以单独轮询CPE时，才调用组轮询装置；(c)与轮询装置耦合的、用于确定是否存在被轮询的任何CPE的确定装置；(d)接收来自选择CPE的带宽请求的接收装置；和(e)在上行链路子帧映象中，把带宽分配给向相关对应基站传输带宽请求的选定CPE的带宽分配装置。
22.一种在宽带无线通信系统中分配带宽的设备，其中所述无线通信系统包括与相关并且对应的基站通信的若干用户收费设备(CPE)，其中所述基站保持代表上行链路和下行链路通信路径中的带宽分配的上行链路和下行链路子帧映象，所述设备包括(a)单独轮询选定CPE的单独轮询装置；(b)轮询选择的一组CPE的组轮询装置，其中当且仅当带宽不足以单独轮询CPE时，才调用组轮询装置；(c)通过设置与选定CPE相关的poll-me位，启动轮询的装置；(d)利用分配给选定CPE的带宽，把带宽请求传输给选定基站的捎带装置；和(e)在上行链路子帧映象中，把带宽分配给向相关对应基站传输带宽请求的选定CPE的带宽分配装置，其中单独轮询装置、组轮询装置、启动轮询的装置和捎带装置被用于为选定的CPE高效请求带宽。
23.按照权利要求22所述的设备，其中下行链路子帧映象包括帧控制首标和依据调制类型分组的若干下行链路数据物理时隙(PS)，其中所述若干数据物理时隙(PS)由若干调制转变间隙分离。
24.按照权利要求23所述的设备，其中帧控制首标包括前置码、物理控制部分和媒体接入控制(MAC)部分。25.按照权利要求24所述的设备，其中上行链路子帧映象包括若干注册连接时隙，若干带宽请求连接时隙，以及若干CPE预定数据时隙，其中注册连接时隙、带宽请求连接时隙和数据时隙与所述若干CPE相关，并且对应于所述若干CPE。
26.按照权利要求25所述的设备，其中在向相关并且对应的基站注册的过程中，注册连接时隙由CPE使用，其中带宽请求连接时隙由CPE用于传输带宽请求。
27.按照权利要求23所述的设备，其中基站通过广播帧控制首标，通知选择的CPE，在步骤(c)中轮询该CPE，其中所述帧控制首标包括MAC控制部分，所述MAC控制部分指示出带宽已被分配给选择的CPE，以便以带宽请求响应。
28.一种在宽带无线通信系统中分配带宽的方法，其中所述无线通信系统包括与相关并且对应的基站通信的若干用户收费设备(CPE)，其中所述基站保持代表上行链路和下行链路通信路径中的带宽分配的上行链路和下行链路子帧映象，所述方法包括下述步骤(a)当且仅当不存在足以单独轮询CPE的带宽时，轮询选择的一组CPE；(b)随后单独轮询选择的CPE，在上行链路子帧映象中，把带宽分配给选择的CPE，并确定是否存在通过设置相关并且对应的poll-me位，请求轮询的任意CPE；(c)确定是否轮询过任何CPE；(d)接收来自选择的CPE的带宽请求；和(e)在上行链路子帧映象中，把带宽分配给向相关且对应基站传输带宽请求的选定CPE。
29.一种在宽带无线通信系统中分配带宽的方法，其中所述无线通信系统包括与相关并且对应的基站通信的若干用户收费设备(CPE)，其中所述基站保持代表上行链路和下行链路通信路径中的带宽分配的上行链路和下行链路子帧映象，所述方法包括下述步骤(a)当且仅当不存在足以单独轮询CPE的带宽时，轮询选择的一组CPE；(b)随后单独轮询选择的CPE；(c)通过设置与选择的CPE相关的poll-me位，启动轮询；(d)利用分配给选择的CPE的带宽，把带宽请求传输给选择的基站；和(e)在上行链路子帧映象中，把带宽分配给向相关对应基站传输带宽请求的选定CPE，以便为选择的CPE高效请求带宽。
全文摘要
一种在宽带宽无线通信系统中请求和分配带宽的方法和设备。本发明的方法和设备包括允许若干CPE把它们的带宽请求消息传递给相应基站的技术组合。一种技术包括“轮询”方法,借助该方法,基站单独地或成组地轮询CPE,并且分配专用于允许CPE报以带宽请求的带宽。基站可对设置“poll－me位”的CPE做出响应,轮询该CPE,或者另一方面,基站可定期轮询CPE。另一种技术包括在已分配给CPE的带宽上,“捎带”带宽请求。按照这种技术,当前有效的CPE利用已分配给该CPE的上行链路带宽的未用部分,请求带宽。CPE负责以适应该CPE提供的服务的方式,分发配给的上行链路带宽。通过组合利用各种带宽分配技术,本发明利用了与每种技术相关的效率优点。
文档编号H04L12/56GK1356012SQ00809078
公开日2002年6月26日 申请日期2000年5月19日 优先权日1999年5月21日
发明者肯尼思·L·斯坦伍德, 詹姆斯·F·莫利奥尔, 伊斯雷尔·J·克莱, 谢尔登·L·吉尔伯特 申请人:通信集合公司