专利名称：用于实时自适应容量调度的系统与方法
对相关申请的交叉引用本申请涉及同样还未获批准且共同转让的09/434832，09/434815，09/434816以及09/434707号美国专利申请，这些申请各自题为“SYSTEM AND METHOD FOR BROADBANDMILLIMETER WAVE DATA COMMUNICATION(宽带毫米波数据通信系统及方法)”，这里通过引用将上述申请中所公开的内容包括进来。以上所提到的申请各自是共同转让的美国专利6016313号的一个分案，该专利名为“SYSTEM AND METHOD FORBROADBAND MILLIMETER WAVE DATA COMMUNICATION(宽带毫米波数据通信系统及方法)”，是2000年1月18日提交的，并且上述的各个专利申请目前正在90/005726号申请与90/005974号申请的名义下接受两次再审查。
本申请涉及并且与以下共同转让的专利申请同时提交，其中包括题为“SYSTEM AND METHOD FOR DYNAMIC BANDWIDTHALLOCATION(动态带宽分配系统和方法)”的＿＿号美国专利申请，题为“SYSTEM AND METHOD FOR DYNAMICBANDWIDTH ALLOCATION IN A POINT TO MULTIPOINTCOMMUNICATION SYSTEM(一点对多点通信系统中的动态带宽分配系统和方法)”的＿＿号美国专利申请，题为“FRAMETO FRAME TIMING SYNCHRONIZATION SYSTEM ANDMETHOD(帧对帧时序同步系统和方法)”的＿＿号美国专利申请，题为“APPARATUS AND METHOD FOR MANAGINGBURST PROFILE CHARACTERISTICS IN TDM SYSTEMS(TDM系统中管理突发特性的设备和方法)”的＿＿号美国专利申请，以及题为 SYSTEM AND METHOD FOR DEMODULATORSTATE CONTROLLER(解调状态控制器的系统和方法)”的号美国专利申请，这里通过引用将上述申请中所公开的内容包括进来。
本申请要求获得还未获批准的题为“SOFTWAREPROVISIONAL APPLICATION(软件临时申请)”的60/266475号美国临时申请的优先权，这里通过引用将该临时申请所公开的内容包括进来。
背景在包括至少一个中心站和至少一个远程站的一点对多点(PTMP)系统中，站点之间的可用带宽分配是根据系统中所有远程站对可用带宽的总体要求来决定的，而不考虑所述远程站的相应用户对各个远程站的个人需要。
点对多点(PTMP)系统，如无线通信系统，常常被要求容纳更多的信道。这需要对有限的可用带宽进行更有效的分配，以及更有效地调度系统资源与容量。无线通信系统帮助在若干个用户无线电台或用户单元(称为中心站与远程站)之间进行双向通信。系统实例包括移动蜂窝电话系统和个人通信系统(PCS)。许多无线通信系统的目标是要提供中心站与远程站之间所需的通信信道。在使用多种接入方案的无线系统中，时间帧是基本的传输单位。每一帧都被划分为多个时隙。一些时隙被用于控制目的，一些时隙被用于信息传输。信息通常都是在(时间)帧的时隙中被传送的，在该帧中时隙是被特别分配的。从中心站到远程站的传输通常被称为前向链路传输。从远程站到中心站的传输一般被称为反向链路传输。
无线通信系统一般使用时分双工(TDD)或频分双工(FDD)方法来帮助在中心站与远程站之间进行信息交换。TDD与FDD双工方案在技术上都是人们所熟知的。在FDD系统中，中心站及其远程站之间的双工传输是在频域中实现的。不同的频率组被分配用于前向与反向的传输。在TDD系统中，中心站及其远程站之间的双工传输是在时域中实现的。信道被时分为重复的时间周期或时“隙”，它们被用于前向与反向的传输。
PTMP系统的带宽需求作为一个时间函数发生变化。例如，在提供宽带服务的PTMP系统中，前向链路与反向链路传输可能有不相等或不对称的带宽需求。同样，所需要的前向链路/反向链路带宽的比例也可能随(通信)站点和/或信道变化。另外，对于一个信道中对称或非对称通信的需要也会根据用户/远程站的类型而变化。因此，需要一种能够动态地且自适应性地分配可用带宽的系统及方法。
此外，系统资源/容量应该被有效地调度以适应对信道的不断增长的需求。例如，许多系统根据分配给信息/数据的优先级传输信息。也就是说，最高优先级的数据将被安排在较低优先级的数据之前传输。这种调度方案的一个缺点在于在发生严重的通信流拥塞期间，如果有许多最高优先级的数据要被安排传送，那么较低优先级的数据就不能在允许的时间内被安排传送。另一种方案是在先入先出(FIFO)的基础上进行调度。但是，这样可能导致最高优先级的数据没有在允许的时间内被调度/传输。现有系统的另一个缺点是它们容易具有内在的倾向性，相对于反向链路传输来说它们更偏重前向链路传输。因此需要一种系统和方法，用于动态地且自适应性地调度资源/容量以及分配像PTMP系统那样的系统的带宽。
从以下对本发明优选实施例的详细说明中，本发明的上述及其他优点与特征将能得到更好的理解，这些详细说明是与附图一同提供的。附图的各个部分可能不是按照规定比例的。附图中包括下列图形图1示出了一个PTMP系统的程式化图例；图2示出了符合本发明一个实施例的时间划分格式化的图解；图3示出了一张示意图，该图展示了符合本发明一个实施例的中心站、远程站以及通信信道之间的关系；
图4示出了符合本发明一个实施例的实时自适应调度与带宽分配系统的原理框图；图5示出了一幅图例，它图示了集中式的调度优先级倒置；图6示出了符合本发明一个实施例的范例跨信道调度器的原理框图；以及图7示出了符合本发明一个实施例的调度容量及分配带宽的范例程序的流程图。
图8示出了一个范例的通信流形成体系结构的原理示意图。
图9示出了一幅示意图，它图示了通信流形成体系结构的有限通信流实现方式。
图10示出了一幅示意图，它图示了通信流形成体系结构的突发通信流实现方式。
图11示出了一幅流程图，它展示了要从图10所示的固定与动态库FIFO中取出地址所需的不同步骤。
具体实施例方式
这里所说明的容量调度及带宽分配系统与方法利用集中式和分布式的容量调度，在无线一点对多点(PTMP)环境中完成实时自适应容量调度与带宽分配。图1示出了一个PTMP系统100的程式化图例。系统100由至少一个中心站24和至少一个远程站22构成。一个远程站22可以包括一个局域网(LAN)—由局域网26和28表示、个体处理机—由处理机30表示、一台无线通信装置—由天线32辅助和表示、一台电磁和/或光通信装置—由介质34辅助和表示，或是以上各个部分的任意组合。一个中心站24可以包括一台处理机—由处理机36表示、一台无线传输装置—由天线38辅助和表示、一台电磁和/或光通信装置—由介质34辅助和表示，或是以上各个部分的任意组合。在一个范例实施例中，天线38由一个全向天线构成，以便与所有其他的站点进行并发式通信。但是可以理解的是，天线38可能由若干个定向天线构成。如系统100所示，通信可以在多个中心站24之间、中心站24与远程站22之间、多个远程站22之间进行，或是上述通信方式的任意组合。
需要特别注意的是时分复用(TDM)和时分多址(TDMA)系统，在这两种系统中，各站之间的通信是通过将信息格式化成独特的时间段来完成的。对TDM和TDMA系统的说明可以在任何与无线通信相关的教科书中找到，如“Wireless CommunicationsTdmaversus Cdma(无线通信TDMA v.s.CDMA)”，by Savo G.Glisicand Petti A.Leppanen，June 1997；以及“WirelessCommunications & Networks(无线通信与网络)”，by WilliamStallings， August 23，2001；例如，图2就示出了符合本发明的时间划分格式化的图例。如图2中所示，一条通信信道由多个帧42构成。每个帧42被划分为一个前向链路部分44和一个反向链路部分46。在前向链路44中，信息从一个中心站(例如中心站24)发送给至少一个远程站(例如远程站22)。在反向链路46中，信息从远程站(例如远程站22)发送给相应的中心站(例如中心站24)。每个前向链路部分44和反向链路部分46被划分为多个时隙48。根据这里所述的调度与带宽分配系统及方法，每个时隙48的长度可以根据对PTMP系统(例如系统100)的资源需求、包括对带宽的需求，独立且动态地进行重新配置。
图3是一幅展示了中心站24、远程站22以及通信信道(CP)之间关系的示意图。各个远程站22与一个中心站24之间的通信是通过一条通信信道(CP)完成的。如图3中所示、并参照图1进行说明，各个站点之间的通信可以通过若干种不同类型的媒介来完成，比如空中链路、真空、电导体、光导体，或上述各种介质的任意组合。根据这里所述的系统及方法，多条通信信道(CP)共享并利用无线TDM或TDMA结构中典型的有限数量物理时隙。这些结构可以由各种不同的时间划分方案构成，比如频分双工(FDD)、时分双工(TDD)，或是上述方案的任意组合。单条CP与无线PTMP环境(例如系统100)中的一个中心站24和各个远程站22之间的通信相关联。单条CP能够同时支持多条应用会话，比如多个互联网协议(IP)数据包流，以及异步传输模式(ATM)虚拟连接。图3中所示的范例配置由一个使用了128条CP的ATM应用。每条CP包括多个前向及反向时间分区48。每个ATM接入点包括N个虚拟连接(VC)终端。可以理解，图3中所示的配置只是起示范作用的。例如，CP的数量可以大于或小于128，与每个多路复用器(MUX)相关联的VC的数量可以不同(也就是不等于N)，并且所示的应用可以不是异步传输模式(ATM)，而是例如互联网协议(IP)、优先服务与新近的IP质量服务(QOS)增强、开放式系统互连(OSI)，以及多协议标志转换(MPLS)。
需要传递的信息被分割成固定大小的数据块，这种数据块称为协议数据单元(PDU)。每个PDU包括一个有效载荷部分和一个预挂部分。有效载荷部分中包含的数据表示要发送与/或要接收的信息。预挂部分中包含的数据指示了上述信息的优先级以及一个PDU已经等待安排传输的时间。这里将更详细地说明，预挂部分中的数据是动态地且自适应地被更新的，以完成调度和带宽分配。为了接纳要在PTMP系统—如系统100—中传递的所有信息，要根据指定给信息的优先级、一个PDU已经等待传输的时间、与各条CP相关的参数来对PDU进行调度。根据一种特定的服务等级，为信息指定一个优先级、或多个优先级。服务等级(COS)是一种用来描述赋予某个特定实体—如一个终端或一条CP—的服务待遇及权利的标记。例如，最高优先级可以被分配给具有“时间敏感”COS的信息，而较低的优先级则可以被分配给具有“非时间敏感”或“最大努力”服务等级的信息。
每条CP支持多个基于优先级的服务等级(COS)，但是数量有限。各条CP与包含在相应的通信量管理约定(TMC)中的参数相关联。因此，根据这里所述的实时动态调度装置，可以是每条CP拥有其独特的TMC，也可以所有的CP使用同一个TMC，或是以上方式的任意组合。每个TMC都由参数构成，这些参数被实时动态调度系统用来分配容量资源和带宽，以及用来选择要传送的PDU。TMC能够实时地被更新。每个TMC中都包含各种参数，例如期望的最小及最大对称传输速率、对于每种服务级别(COS)最大可允许的延时增量，以及每种COS的丢弃延时阈值。在本发明的一个实施例中，每个TMC由表1中所列出的属性构成。
表1 通信信道通信量管理约定(CP TMC)
上述的CP COS与TMC系统及方法能够很容易地应用到多种无线通信系统中。例如，各种基于ATM的服务质量(QOS)供应可以被分组并/或被映射到基于CP优先级的COS上，并且每个CP的TMC可以被实时更新以反映出它所支持的最小及最大ATM虚拟连接(VC)速率的总和。此外，由于TMC可以被实时更新，因此ATM永久虚拟连接(PVC)和交换虚拟连接(SVC)的传输都可以被支持。
参照图4，其中示出了一幅实时自适应调度及带宽分配系统的原理框图。容量调度与带宽分配利用了信道间调度与信道内调度。信道间调度帮助决定多条竞争性通信信道(CP)之间可用容量的分配。信道内调度帮助决定单CP方向环境内PDU的传输。
图4中所示的范例方框图展示了为两条CP进行调度的情况。信道间调度器52向前向信道信道间调度器54(a)和反向信道信道间调度器54(b)分发散量许可(bulk capacity grants)。散量许可中包括了指示PDU明确数量的信息，这些数量的PDU可以在一个指定的传输帧(这里也被称为空中链路帧)内在各个方向上传输。该信息被通过空中链路控制信道信令分发给远程站22。在一个范例实施例中，实际实施之前一个空中链路帧时间将该信息分发给远程站22。
在传输帧的前向部分期间，前向信道间调度的每一个激活实例利用信道间调度器52所提供的散量许可在它COS排队机制中的PDU间进行明确的PDU选择。信道间调度利用即时优先级计算来进行明确PDU选择，接着再生成一份容量报告，报告中详细记录了CP内给定方向上保持列队的PDU数量。该容量报告被作为输入提供给信道的投标处理器58。
在传输帧的反向部分期间，反向信道间调度的每一个激活实例利用信道间调度器52所提供的散量许可在它COS排队机制中的PDU间进行明确的PDU选择。信道间调度利用即时优先级计算来进行明确PDU选择，接着再生成一份容量报告，报告中详细记录了CP内给定方向上保持列队的PDU数量。该容量报告被作为输入提供给信道的投标处理器58。
信道的投标处理器58利用信道内调度器54所提供的容量报告来确定最新到达的且需要信道间调度器52考虑的PDU。这些最新到达的PDU被提交给信道间调度器52。然后信道间调度器52利用与最新到达的PDU相关的数据来重新分发下一批散量许可，从而保证了系统范围内的闭环调度机制。
对于每一条无线CP，实现两种实例或信道内调度。第一种实例对应于前向(中心站24到远程站22)，另一种实例对应于反向(远程站22到中心站24)。分布式的信道内调度器54能防止由于集中式调度的执行时间而造成过早的优先级倒置以及协议数据单元(PDU)的递增延时。例如，考虑图5中所示的典型情况。如图5中所示，一个优先级1的PDU在一个优先级2的PDU已经被选中且已被准许分配了容量之后到达远程站22。当远程站22接收到(优先级)1 PDU的许可时，它就面临着调度的两难境地。它现在有两个PDU要发送，并且其中已经被准许分配容量的一个PDU相比后来到达的具有较高优先级1的PDU，前者的优先级较低，而且对延时的敏感度也较低。
这里所述的一种自适应实时调度器有助于防止过早的优先级倒置，以及减轻由于调度的等待时间引起PDU传输的递增延时而造成的负面效应。远程站22有能力根据散量许可来最终决定发送哪个PDU。因此，图5中的优先级1 PDU可能会在优先级2 PDU之前被发送。相应的，基于中心站(24)的信道间调度器52也会调整它的实时调度工作以适应信道内调度器54作出的分布式决定。
信道内调度器54是一种基于优先级的分布式动态算法。信道内调度器54利用优先级来对PDU进行调度，同时在受到信道TMC的参数指示时允许受控的优先级倒置。信道内调度器的这种属性被称为动态延时加权优先级排序(DDWP)。信道间调度器54根据相关PDU的延时敏感度进行基于优先级排序的调度。DDWP(信道内)调度器54有能力根据来自相关的信道间调度器52的散量许可来决定哪些PDU将被发送。
根据DDWP，信道内调度器54为处于每个服务等级的传输队列前部的各个PDU确定并指定一个即时优先级。该机制使用一种时间相关的即时优先级指数，该指数接着会被使用在明确PDU选择中。每个PDU的即时优先级是根据下列方程确定的Pj(t)＝MDIj-ωj(t)(1)其中，t代表时间；Pj(t)代表对应于第j服务等级的一个即时优先级，它是时间的函数；MDIj代表对应于第j服务等级的通信信道最大允许延时增量；而ωj(t)则代表一个值，该值指示了第j服务等级的PDU已经等待分配的最长时间。这个即时优先级指数Pj(t)被用来决定明确的等级间PDU选择。因此，如果一个等级“j”的较低优先级PDU流中的延时已经增加到超过对应于那个服务等级的信道最大可允许延时MDIj的程度，而且在较高优先级PDU流‘j-1’中存在一定的自由度(也就是说，优先级倒置后，等级‘j-1’不会超过它的MDIj-1)，那么DDWP就会指示先于较高优先级的PDU而选取较低优先级的PDU。可以理解，这里所述的一种实时自适应调度器与带宽分配系统以及方法可以应用于包括任意数量服务等级的系统。
一旦信道内调度器52决定了它将使用哪些明确的PDU来满足它的散量许可，CP就要负责关于任何新到达的需要调度容量的PDU负荷对信道间调度函数进行更新。为了实现这一点，驻留在中心站上的CP容量投标处理器58会保存一份每个服务等级的信道PDU容量的历史。该历史中包括上一次CP报告其队列容量时保持列队在CP中的PDU计数。这些计数还包括自从最近一次容量更新以来受到信道间调度器52许可的PDU计数。因此，利用信道内调度实例所报告的实际容量，CP的容量投标函数计算任何新到达的负荷，并将它们报告给信道间调度器52。如下计算每个服务等级的新到达PDUP1NEW＝P1ACTUAL+P1GRANT-P1PREV，P2NEW＝P2ACTUAL+P2GRANT-P2PREV，等等(P1代表优先级1，P2代表优先级2，依此类推)。通过假定被信道内调度实例准许发送的PDU数量，基于中心站的容量投标函数连续进行调整以适应信道内调度函数的实际报告的队列数量。通过这样做，它就可以将集中式的信道间调度函数与分布式的信道内决策程序同步化。在向信道间调度函数提供最新到达的PDU计数之后，PnPREV就成了PnACTUAL，PnGRANT就成了PnNEW，从而信道的投标函数就为下一次容量报告做好了准备。
这里所述的一种实时自适应调度与带宽分配系统及方法包括一个或多个独立的信道间调度实例。在一个实施例中，这些实例位于中心站24上。这些信道间调度点可以是每载波一个、每载波组一个、每中心站一个，或者对于每一个中心站组存在一个实例。信道间调度器52决定处在其监管下的每条CP的非对称散量许可，并且负责维持各条竞争性CP间的公平性。在上述的任何配置中，在信道间调度与信道内调度之间存在一对多的关系(例如1∶N的关系)，正如图6中所示的那样。
图6示出了一个范例信道间调度器的原理框图。信道内容量请求以PDU负荷的形式被提交给信道间调度器52。接着，被提交等待调度的每个PDU就会被分配一个优先级指标，并按优先级别在合适的服务等级(COS)进度表中列队。由信道间的加窗公平优先级队列(WFPQ)处理器62决定一个优先级指标排序键，该排序键被用来在每个COS中决定CP以及非对称的公平性。下面将详细说明WFPQ。信道间调度器52使用一种简单的固定优先级的处理方案，并在每个调度间隔将列队的PDU表转换成CP散量许可。如图6中所示，在每个调度间隔中，对优先级1的表进行处理直到它变空为止，接着是优先级2的表，再接着是优先级3的表，依此类推，直到调度队列都变空或是调度间隔的符号和/或时间预算期满为止。在每个调度间隔上重复该过程。
信道间调度器52利用TMC的属性(参数)并结合其他的实时指标来决定公平性。信道间容量的调度是通过考虑图6中所示的CPCOS优势领域中的容量分配(也就是优先级)、结合延时敏感性来完成的。然而，在这种延时敏感的优先级排列中，信道间调度要用一种到达时间域加窗方案替代纯粹的FIFO(先入先出)时间标记方法，以实现非对称的公平性。该方案将所有在指定的调度间隔内发生的容量请求看作是在同一时间点上到达的，而不管该请求来自哪个方向，所述的调度间隔就被称为到达时间域窗口(ATTDW)。除了加窗时间标记以外，每个方向上的容量总量也被考虑在内，并被用作排队算法加权的一部分。因此，当优先级分类和到达时间相同时，容量许可会略为照顾传输队列容量中内在的预定延时和非对称性，所述的传输队列容量是容量使用的未来预报值。这样就能通过及早地对非对称标志作出反应来提高调度效率。
在信道间调度中还考虑了其他因素以确保一个混合的延时敏感数据流中的公平结果。这些因素包括CP的非对称最小及最大PDU负荷速率。例如，如果一个CP峰值PDU速率比另一个CP峰值速率高2倍，公平性就要求这一点被考虑在信道间调度的条件中。另外，每个CP COS在它的TMC中还有一个最大延时增量参数。当其他所有的条件都相同时(例如，优先级分类、到达时间、队列容量和峰值速率)，具有较低的最大延时增量属性的CP会被较有利地加权。由于这些不同的加权参数涉及优先级、延时敏感度以及公平性，因此信道间调度器52才被称作使用加窗公平性优先级排队(WFPQ)。
加窗公平优先级排队(WFPQ)被用来在信道间层次上调度PDU的传输。它决定跨多条通信信道(CP)的容量分配，并且它在基于优先级的框架内提供公平的调度。在一种纯粹的公平共享的调度方案中，对优先级较低而又高容量的远程站进行基于共享的容量分配可能会扰乱较高优先级PDU流的延时限制。在公平共享的调度方案中可能会出现这种情况，是因为拥有最大共享容量的信道同时也会碰到最低的延时。纯粹的固定优先级调度方案可能可以适应高优先级PDU流的延时限制，但是更高优先级PDU流中的拥塞会导致较低优先级PDU流容量缺乏的期间。加窗公平性优先级排队提供了公平共享方案与基于优先级的方案的组合形式。
加窗公平性优先级排队(WFPQ)技术被用来在跨越多个服务等级的多条CP环境中分配调度优先级。在这样一种工作模式中，当出现拥塞时，可以向较高优先级的数据流中引入一些延时，以允许向其他服务等级进行公平共享的分配。这里提出的WFPQ技术在信道间层次上对每个服务等级独立地使用。因此，WFPQ技术被用来在每个服务等级的环境下独立地分配调度优先级。
这里所述的加窗公平性优先级排队中的信道间公平性使用了一个时域窗口(TDW)，其中的容量请求都被赋予一个同等的到达时间分类(ATTDW)。到达时间是时域窗口的一个函数。例如，在使用成帧时段作为时域窗口的TDD或FDD成帧结构中，ATTDW关于每个成帧时段递增。在其他所有的参数都相同的情况下(例如，相同的COS、峰值速率，等等)，在时间上到达较早的PDU被优先化，从而被安排在时间上到达较晚的PDU之前。通过向处在单个空中链路帧中的前向和反向容量请求分配相同的到达时间标志，就可以维持非对称的调度公平性。
通信信道的当前服务等级队列容量也被使用在调度优先级排序程序中。这是因为队列大小是有限资源，而在其他所有条件都相同的情况下(例如，相同的COS、ATTDW，等等)，队列压力较重的信道将获得合适的优先权。另外，从服务等级的队列容量中可以预测出即将到来的非对称方向指示，该指示可以被用来提供更有效的调度。
调度优先级指示是时域窗口(PTDW)中的优先级的一个函数，它符合下列方程PTDW＝μj+ATTDW+I/PDUEst_Class(2)其中，PTDW是作为时域窗口的一个函数的调度优先级指示，TDW是时域窗口，μj是第j服务等级的优先级，ATTDW是到达时间分类，它是时域窗口的一个函数，而I/PDUEst_Class则是可用通信信道中特定服务等级队列的当前估计容量的倒数。PTDW的结果值越小，优先级就越高。
在一个给定的时域窗口内，前向与反向容量请求接受相应的处理以及调度优先级，以作为到达时间、服务等级以及队列容量的函数。如方程(2)所示，当反向链路方向中的负荷逐渐增加时，非对称性将偏重于反向链路方向。这种机制在非对称容量分配中提供了一种前向预测追踪的高效性。
在发生拥塞期间，PDU可能积存在空中链路的分布式排队机构中，从而引发容量请求，这些容量请求可能会要求获得大量的PDU容量。如果负荷中的个别PDU没有被优先排序并以与它们的估计到达速率成比例的分布形式去调度，大量(成群)的较低速率负荷就可能扰乱较高速率通信信道的延时与峰值速率需求。例如，一条第一通信信道的峰值PDU速率可以是5 PDU每空中链路帧，一条第二通信信道的峰值PDU速率可以是10 PDU每空中链路帧，并且每条通信信道在相同的时域窗口(TDW)与服务等级中请求10个PDU。此外，一些仅存在于远程站中的数据包可以在多个空中链路成帧速率中得到服务，所述的空中链路成帧速率与通信信道的TMC最小帧服务速率参数(MFSR)相关。另外，每条通信信道有为每个服务等级指定的最大延时增量(MDI)。这些参数都是实数，它们是TDW的函数。因此，最终得到的PDU调度优先级指示也是通信信道的峰值PDU速率和最大延时参数的函数。
对于所请求的容量中的每一个PDU，都会将一个单个PDU表加入队列(比如说，如果一个反向链路容量请求请求10个新到达的异步PDU，那么就会有10张PDU表被列队)。一张PDU表中包括一个调度优先级指示(PPDU)，该指示等于下式所定义的实数。
PPDU＝μj+ATTDW+I/PDUEst_Class+(ATAdj-1)/Rpath-peak+Max-DelayClass(3)其中，μj、ATTDW和I/PDUEst_Class与上面的定义相同，ATAdj是每个PDU到达时间的调整，Max-DelayClass是对应该特定服务等级(如P2-MDI)的通信信道的最大可允许延时增量，Rpath peak则是对应合适方向的每空中链路帧上的PDU峰值速率(例如，Rpath-peak＝FPPR/MFSR)。
ATAdj是每个PDU到达时间的调整。它被用来在各个PDU之间分配调度优先级，其作为信道峰值PDU速率的函数，所述的峰值速率与其最坏情况的到达速率直接成比例。因此PDU负荷是以得到的到达速率或优于该速率的速率被调度的。它们的到达、调度与传输之间的延时部分地是内在空中链路延时、过量预定以及无线传输系统中当前的拥塞的一个函数。另外，以峰值速率在不同的通信信道之间进行调度分配会带来类似循环性的公平属性，这种特性是中心站信道间PDU调度的内在特性。
对于容量请求内的每一个PDU，ATAdj都会从1增加到请求的新PDU总数。ATAdj的每个实际值都要除以信道的峰值PDU速率以获得特定的PDU到达时间调整。例如，如果信道峰值速率为10 PDU每空中链路帧，并且收到10 PDU的容量请求，那么最终的到达时间调整应如下计算分别是0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8和0.9。这样一种分布被安排在相同的时域窗口(TDW)中。(这种调整不会导致一个能有效提高ATTDW的值)。
但是，如果信道的峰值速率是5 PDU每空中链路帧，并且收到10 PDU的容量请求，那么最终的到达时间调整如下分别为0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4和1.8。这种容量请求(超过了峰值PDU速率)是拥塞的另一种标志，并且在这个特定的例子中，它会导致跨两个(2)空中链路帧的信道峰值速率上的PDU调度分布。(这种调整会导致一个能有效提高ATTDW的值。)这种调整将具有最小帧服务速率(MFSR)的远程站考虑在内，并对其作出补偿，从而相应地调节了它们的调度工作，所述的最小帧服务速率是多个空中链路帧(例如，半速率或四分之一速率的远程站)。
Max-DelayClass参数是一个信道间调度调节增量，它在每条通信信道的TMC中临时存在。它是每个服务等级所独有的一个参数。因此，在通信信道中，每个服务等级可以有它自己的最大延时增量(例如，P1-MDI，P2-MDI，等等)。在加窗公平性优先级排队(WFPQ)计数中使用它可以提供竞争性通信信道间的临时性调度差别。这样，即使其他所有的条件都相同，对于某个特定的服务等级来说，具有较低的最大延时值的通信信道也会被安排在具有较高的最大延时容许度的通信信道之前(对于同一个服务等级)。
在每个调度时段或时域窗口中，都有一组PDU表被建立起来，并被添加到合适的服务等级表队列中。在每个调度时段中，公平性优先级队列也由中心站的信道间调度器52按PPDU的优先权顺序进行处理。在一个TDD空中链路帧的TDW期间，前向链路传输调度器首先更新它们的新PDU投标请求，接着反向链路传输调度器更新它们的新PDU投标请求。但是由于PDU表队列是由信道间调度器按PPDU顺序处理的，因此PDU表队列代表了一张经过排序的列表，它内在地定义了下一个TDD帧的非对称符号预算属性。
图7示出了调度与分配带宽的范例过程的流程图。在步骤70形成PDU。要传送的信息被分割成固定大小的PDU。每个PDU包括一个有效载荷部分和一个预挂部分。有效载荷部分中包含的数据表示要发送与/或要接收的信息。预挂部分中包含的数据指示了上述信息的优先级以及一个PDU已经等待调度的时间。信道间调度器根据所有远程站22提出的对资源与带宽的总要求，在步骤72中向各条通信信道分发PDU散量许可，就如本文中前面所述的那样。这些PDU散量许可在步骤74中被信道内调度器接收，并在步骤76中根据本文中与方程(1)(2)以及相关文本相关的说明、将每条通信信道中PDU安排发送。在步骤78中，每条通信信道/服务等级的容量计数被更新，并被提供给信道间调度器用于后续的调度。
本发明可以被具体实现为可由计算机执行的程序的形式，以及用来实行那些程序的设备的形式。本发明还可以被具体实现为可存储在实际媒质中的计算机程序代码的形式，例如软盘、只读存储器(ROM)、CD-ROM、硬盘、高密度盘，或是计算机可读取的任何其他存储媒质，其中，当计算机程序代码被载入计算机并由计算机执行时，计算机就变成了实现本发明的设备。本发明也可以被具体实现为例如计算机程序代码的形式，这些代码被储存在一种存储媒质中，被载入计算机并/或由计算机执行，或是通过某些传输媒质进行传输，比如通过电线或电缆、通过光纤、或是通过电磁辐射，其中，当所述的计算机程序代码被载入计算机并由计算机执行时，计算机就变成了实现本发明的设备。当被实现在一个通用处理器上时，所述的计算机程序代码片断会对该处理器进行配置以产生特定的逻辑电路。
下面将详细说明能消除TDD效应的空中链路通信流形成的体系结构与方法。尽管适合上述动态带宽分配的方法，但是通信流成形的过程不依赖于任何特定的调度算法。成形与调度间的这种分离为目标应用、空中链路带宽以及有效载荷类型提供了一定的灵活性。下面所讨论的一个优选实施例描述了一种专门用来在TDD系统中形成ATM通信流的实施方式。但是，这种结构可以用于任何数目的数据传输系统，不限于TDD系统中的ATM通信。
现在注意图8，其中示出了通信流形成体系结构的逻辑视图。特别地，其中示出了对“存储-转发”系统的一种改进，所述系统在本技术中是众所周知的。协议数据单元(PDU)801来自网络接口，并且由一个上行数据流路由器或转换器标注了信道和优先级指示802。入口去复用器803记录下PDU 801的到达时间804。入口去复用器接着对信道及优先级指标进行解码，并从k个FIFO 805中选取一个来临时储存PDU 801，其中k是n条信道与每条信道m个优先级的乘积(k＝n×m)。如图8中所示，有n条信道(信道1、信道2、……信道n)和m种优先级(P1、P2、……Pm)。当新的PDU被加入时，入口去复用器803更新k个FIFO 805中每一个的当前PDU计数806。调度处理器807检查计数，并为k个FIFO 805中的每一个标注时间，由此形成本地投标请求808，这些请求来自k个FIFO中的每一个。如上所述，本地投标请求808与远程投标请求809被一同考虑以决定如何分配带宽。调度处理器以出口序列的形式来表示为要从本地系统发送出去的PDU分配的带宽。出口序列810指示出口复用器811从k个FIFO 805中的一些或所有FIFO中取出多少PDU以及按什么顺序将它们取出。然后，出口复用器将取出的PDU以正确的顺序发送给空中接口812。
对于受到费用及适用性限制的大型系统来说，图8中所示的体系结构需要一种新方法来实现。任何商业上可实现的实施方式被迫只能使用有限数量的存储器、有限的处理能力，而且在数据速率增长时必须能以不断递减的时间量来完成它的任务。考虑到可编程处理器、存储器以及可编程逻辑当前的性能，本发明系统及方法对所述的体系结构进行分割以便最大地利用各种技术的能力。下面所述的两种实施方式-图9和图10，适合处理可变与固定带宽需求的混合情况。其中一种实施方式-图9适合于受限的或特性良好的通信流模式。另一种实施方式-图10适合于处理高度可变的或“突发”的通信流模式。这两种实施方式同有多个通用结构元件，但是在它们各自如何解决通信流管理问题上有很大不同。
现在参见图9，其中描述了通信流成形体系结构的一种受限通信流实施方式。在一个优选实施例中，一个ATM通信数据流，比如带有信道及优先级指示902的PDU 901，通过一条UTOPIA总线提交，实现成形功能，并将通信流与控制信息发送给空中链路物理层。应该理解，本发明系统与方法能够对已有技术的总线结构提交的任何分包化通信数据流进行操作。图9中所示的这种实施方式的结构元件被映射为图8中所示的具有相似编号的元件(例如，图9中的PDU901对应于图8中的PDU 801)。在某些情况下，图8中的一个结构元件被拆分成图9中所示的多个结构元件。
为了实现一种商业可行的解决方案，一个组合可编程逻辑、同步DRAM和双通道SRAM被用来实现k个逻辑FIFO。一个优选实施例使用384个逻辑FIFO。对应于图8中的FIFO 805的FIFO功能被拆分给PDU存储RAM 905A、循环队列以及队列的头、尾指针列表905B和905C。这种拆分将大容量存储置于低成本的SDRAM中，而只把FIFO工作置于较高成本的DPRAM中。有了这种结构，来自各条信道/优先级的PDU就可以被安全地插入存储RAM 905A中，而指向存储位置的指针则被分离出来并按顺序储存在k个队列中。在受限通信流的环境下，可以限定所述队列(从而DPRAM的大小)的大小，以容许各条信道/优先级中的可变性，同时也为遵守商定要求的通信流保证存储空间的可用性。通过从可用存储地址903C的一个(逻辑)FIFO库中选取一个存储地址，可以安全地将PDU插入。通过使用一个全局库作为存储地址，就不需要加入开销以像现有技术所要求的那样对大容量存储空间进行拆分。
下面将说明存储与转发过程。在一个优选实施例中，PDU 901是一个ATM单元，它包括一个预挂的优先级指示和一个临时的远程信道ID(“TRPI”)，如图9中的项目902所示。入口去复用器903A对预挂的优先级指标和TRPI进行解码，以决定该PDU应该被发往k个逻辑FIFO中的哪一个。记录存储机903B执行图8中去复用器803的一项子功能，它检查队列控制表905B以确定在所选队列中是否存在任何可用空间。如果队头不等于队尾，这就表示有可用空间。如果有可用空间，就从缓冲器组FIFO 903C中取出一个存储地址。该存储地址与一个时间标志904一同被写入队头，以表示PDU901的到达时间。PDU 901的有效载荷部分被储存到存储RAM 905A中，并且PDU计数906A被更新为队头与队尾的模差。调度处理器907检查队列控制表906A以查找每个队列的有效计数与时间标志，并由此形成本地投标请求。本地投标请求与远程投标请求被一同考虑以决定如何分配带宽908。调度处理器以发出(出口)序列表910的形式表示从本地系统发送出去的PDU的带宽分配。发出序列机911A指导丢弃/取回多路复用器911B从哪个存储地址取回PDU。当各个PDU被取回后，它的存储地址就被返回给缓冲器组903C。
在图9中示出并经上述说明的受限通信流实施方式允许将用途特殊且昂贵的DPRAM的大小最小化。但是当通信流并非如此性能良好时-时间上高度非均匀，固定队列尺寸就不是一个合理的解决方案了，因为固定的队列必须按最坏的情况决定大小。下面提出一种适合于非良好性能通信流的备选方案。
现在注意图10，其中相似的编号与图8及图9中类似的元件和/或功能相关联，图10示出了通信流形成体系结构的一种“突发”通信流实施方式。在某些情况下，图8或图9的结构元件被拆分成多个结构元件。像前面参照图9进行说明时一样，图10中所示的实施例是这样一种实施方式，它接收通过UTOPIA总线提供的ATM通信数据流、实现成形功能，并将通信流与控制信息一同发送给空中链路物理层。一个精通本技术的人应该明确一个事实，就是本发明系统及方法并不局限于这个具体的实施例，如上所述。
图10中所示的“突发”实施方式与图9中所示的受限实施方式之间的主要区别在于逻辑FIFO的实现。更复杂的控制逻辑被用来准许对实际存储空间的超预定，这种超预定要比固定大小队列情况下所能实现的大的多。在图10所示的“突发”通信流解决方案中，k个FIFO被实现为指向存储空间的指针链表，与图9中指向存储空间的指针的固定大小循环队列形成了对比。尽管链表的允许大小实际上也是有限的，但是所有有限链表大小的总和大于可用的存储空间，也就是超预定。链表大小是以一种二阶段模式管理的；为每个链表保持两个计数。第一个计数表示存储空间的保证可用性。最安全的实施方式会将保证可用容量的总量限制为实际可用存储空间，但是对实际通信流模式的严格分析表明保证可用性的适当超预定是可以允许的。第二个计数限制了一个特定链表被允许达到的最大容量。与受限通信流解决方案中一样，各条信道/优先级的PDU 1001被插入存储RAM1005A中。但是，对于“突发”通信流解决方案来说，要维持两个可用存储地址库FIFO。库1003C1被称为固定缓冲器组。固定缓冲器组是可以从中取出保证可用存储地址的库，它的大小与保证容量的总量一致。库1003C2被称为动态缓冲器组。动态缓冲器组的大小任意，它起到了超预定库的作用。图10中的其他元件在功能上与图9中的对应元件相同，如上所述。
下面将详细说明图10中的存储与转发工作过程。根据一个优选实施例，PDU 1001是一个ATM单元，它包括一个预挂的优先级指标和一个临时的远程信道ID(“TRPI”)1002。入口去复用器1003A对预挂的优先级指标和TRPI进行解码，以决定该PDU应该被发往k个逻辑FIFO中的哪一个。记录存储机实现图8中去复用器803的一项子功能，它执行图11所示流程图中的逻辑，并从两个缓冲器组1003C1或1003C2的一个中选取一个地址，图11中的流程图将在下面说明。然后，记录存储机1003B向链表1013中添加一条记录，其中包括一个时间标志1004和一个表明从库1003C1或1003C2中的哪一个取出地址的标志。记录存储机1003B再更新指向链表头部的指针1005B，并更新PDU计数1006。PDU 1001的有效载荷部分被储存到存储RAM 1005A中。调度处理器1007检查计数1006和时间标志1004，并形成本地投标请求。本地投标请求与远程投标请求被一同考虑以决定如何分配带宽1008。调度处理器以发出(出口)序列表1010的形式表示从本地系统发送出去的PDU的带宽分配。发出序列机1011A指导丢弃/取回多路复用器1011B从哪个存储地址取回PDU。当各个PDU被取回后，它的存储地址就被返回给适当的缓冲器组1003C1或1003C2。
现在注意图11，其中的流程图描述了一种逻辑，该逻辑被记录存储机1003B用来从图10所示的两个缓冲器1003C1或1003C2中选取一个地址。一个PDU在步骤1101中到达，记录存储机对其信道和优先级信息进行解码以决定k个FIFO库中的哪一个应该被用于新来PDU的临时存储。在步骤1103中，如果固定计数小于固定计数的最大允许值，那么就在步骤1104从固定库中取出一个地址，接着在步骤1105增加固定计数，并在步骤1106将固定地址储存在队列中，以及在步骤1112更新链表。如果在步骤1103，固定计数不小于固定计数的最大允许值，那么就在步骤1107作出动态计数的决定。如果在步骤1107，动态计数不小于动态计数的最大值，那么PDU就会在步骤1111被丢弃。如果在步骤1107，动态计数小于动态计数的最大允许值，那么就在步骤1108做出动态库是否为空的判断。如果在步骤1108动态库非空，那么就在步骤1109从动态库中取出一个地址，然后在步骤1110增加动态计数，并在步骤1106将动态地址储存在队列中，以及在步骤1112更新链表。
尽管本发明是以典型实施例的形式说明的，但它并不局限于此。相反，附带的权利说明应该被看作是相当宽泛的，以便包括本发明的其他形式和实施方式，精通本技术的人可以在不偏离本发明等价形式的范围及领域的前提下，实现上述的其他形式与实施方式。
权利要求
1.一种包括至少一个中心站和至少一个远程站的一点对多点(PTMP)系统，其中各站之间的可用带宽分配是根据系统中所有远程站对可用带宽的总体要求来决定的，而不考虑所述远程站的各个用户对每个远程站的单个需要。
2.根据权利要求1所述的系统，其中各站之间的通信信道被设计成由多个帧构成，每个帧包括一个前向链路部分和一个反向链路部分；并且每个帧的前向链路部分与反向链路部分的比例是独立于其他帧的前向链路部分与反向链路部分的比例而分配的。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述各站之间的一条通信信道由多个协议数据单元(PDU)构成，所述的系统还包括一个第一调度器部分，用于分别向各条通信信道分配一定数量的PDU；以及一个第二调度器部分，用于根据所述一定数量的被分配的PDU在各条通信信道之间分配可用带宽。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述的第一调度器部分根据所有远程站对可用带宽的总需求分别向各条通信信道分配一定数量的PDU；并且所述的第二调度器部分根据分配给各个可用PDU的优先级将所述可用PDU指派给所述的被分配的PDU。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述的第二调度器部分还根据分配给各个所述可用PDU的时间标志将可用PDU指派给所述的被分配的PDU。
6.根据权利要求3所述的系统，其中所述的第二调度器部分向所述的第一调度器部分提供被指派的可用PDU的一个状态。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述的系统是一个时分多址(TDMA)系统。
8.一种用来在包括至少一个中心站和至少一个远程站的一点对多点(PTMP)系统中分配带宽的方法，所述的方法包括根据所述系统的所有远程站对可用带宽的总需求在各站之间分配可用带宽的步骤，而不考虑所述远程站的各个用户对每个远程站的单个需要。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述的PTMP系统是一个时分多址(TDMA)系统。
10.根据权利要求8所述的方法，其中各站之间的通信信道被设计成由多个帧构成，每个帧包括一个前向链路部分和一个反向链路部分，所述的方法还包括独立于其他帧的前向链路部分与反向链路部分的比例来分配每个帧的前向链路部分与反向链路部分比例的步骤。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述各站之间的一条通信信道由多个协议数据单元(PDU)构成，所述的方法还包括以下步骤分别向各条通信信道分配一定数量的PDU；以及根据所述一定数量的被分配的PDU在各条通信信道中分配可用带宽。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述的一定数量的PDU是根据所有远程站对可用带宽的总需求分配给各条通信信道的，所述的方法还包括根据分配给各个可用PDU的优先级将所述可用PDU指派给所述被分配的PDU的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括根据分配给各个的可用PDU的时间标志将所述可用PDU指派给所述被分配的PDU的步骤。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括提供被指派的可用PDU的状态的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括根据被指派的可用PDU的所述状态分配可用带宽的步骤。
16.在对中心站与远程站之间的通信具有管理能力的时分多址(TDMA)系统中作出的一种改进，其中各站之间的可用带宽分配是根据所述系统中所有远程站对可用带宽的总体要求来决定的，而不考虑所述远程站的各个用户对每个远程站的单个需要。
17.根据权利要求16所述的系统，其中各站之间的通信信道被设计成由多个帧构成，每个帧包括一个前向链路部分和一个反向链路部分；并且每个帧的前向链路部分与反向链路部分的比例是独立于其他帧的前向链路部分与反向链路部分的比例来分配的。
18.根据权利要求16所述的系统，所述各站之间的一条通信信道由多个协议数据单元(PDU)构成，所述的系统还包括一个第一调度器部分，用于根据所有远程各站对可用带宽的总需求分别向各条通信信道分配一定数量的PDU；以及一个第二调度器部分，用于根据所述一定数量的被分配的PDU在各条通信信道中分配可用带宽，以及用来根据分配给各个可用PDU的优先级将所述可用PDU指派给所述的被分配的PDU。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述的第二调度器部分向所述的第一调度器部分提供被指派的可用PDU的状态；并且可用带宽是根据所述被指派的可用PDU的状态分配的。
20.一种可由计算机读取的媒质，在该媒质上具体实现了一个程序，该程序让处理器在包括至少一个中心站和至少一个远程站的一点对多点(PTMP)系统中分配带宽，所述的计算机可读媒质包括某种装置，该装置能使所述的处理器根据所述系统中所有远程站对可用带宽的总体需求在各站之间分配可用带宽，而不考虑所述远程站的各个用户对每个远程站的单个需要。
21.根据权利要求20所述的计算机可读媒质，其中各站之间的通信信道被设计成由多个帧构成，每个帧包括一个前向链路部分和一个反向链路部分，所述的计算机可读媒质还包括一种装置，该装置能使所述的处理器独立于其他帧的前向链路部分与反向链路部分的比例来分配每个帧的前向链路部分与反向链路部分的比例。
22.根据权利要求20所述的计算机可读媒质，其中各站之间的一条通信信道由多个协议数据单元(PDU)构成，所述的计算机可读媒质还包括用来让所述处理器分别向各条通信信道分配一定数量的PDU的装置；以及用来让所述处理器根据所述一定数量的被分配的PDU在各条通信信道中分配可用带宽的装置。
23.根据权利要求22所述的计算机可读媒质，其中所述的一定数量的PDU是根据所有远程站对可用带宽的总需求分配的，所述的计算机可读媒质还包括用来让所述处理器根据分配给各个可用PDU的优先级向所述的被分配的PDU指派所述可用PDU的装置。
24.根据权利要求23所述的计算机可读媒质，还包括用来让所述处理器根据分配给各个所述的可用PDU的时间标志将可用PDU指派给所述的被分配的PDU的装置。
25.根据权利要求22所述的计算机可读媒质，还包括用来让所述处理器提供被指派的可用PDU的一个状态的装置。
26.根据权利要求25所述的计算机可读媒质，还包括用来让所述处理器根据被指派的可用PDU的所述状态分配可用带宽的装置。
全文摘要
一种一点对多点(PTMP)系统－比如宽带无线通信系统组合了集中式与分布式的自适应容量调度技术。该系统包括中心站与远程站。实时自适应容量调度是利用信道间调度(52)和信道内调度(54)来完成的，同时还利用空中链路通信流成形来消除TDD效应。信道间调度器(52)驻留在中心站上，并监管多条竞争性远程站通信信道之间可用资源/容量的分配。信道内调度器(54)决定单站通信信道环境中的明确传输形式。
文档编号H04L12/54GK1498472SQ02806675
公开日2004年5月19日 申请日期2002年2月6日 优先权日2001年2月6日
发明者罗杰·博耶, 罗杰 博耶 申请人:哈里公司