CN1290436A - 用于具有可变刷新间隔的链路适配的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一个通信系统支持多调制/FEC编码机制。一个机制被选择用于在链路上开始的传输。在一个可变刷新间隔耗尽之后评估传输的性能。该刷新间隔是作为时间、信息量、LLC块等的函数来变化,以优化系统中的吞吐量。最初可以使用一个更短的刷新间隔,直至对于一个特定数据传输来确定一个最佳的调制/FEC编码机制。

Description

用于具有可变刷新间隔的链路适配的方法和系统

背景

本发明一般地涉及增大的数据吞吐量或无线通信系统中的质量，而更具体地，涉及包括自适应性调制和FEC编码机制的系统和方法。

商业通信系统的增长，尤其是，蜂窝无线电话系统的爆炸性增长已经强迫系统设计者寻找用以不将通信质量降低到顾客容忍阈值地增加系统兼容性的方法。同时，用于数据而不是语音传输的移动通信设备的使用对于消费者已经变得越来越普遍。发送和接收电子邮件和在将在无线通信系统中越来越多使用的服务中会更加频繁地讨论使用一个web浏览器以获取对环球网(world-wide-web)的访问的能力。相应于此，通信系统设计者寻找一种用以有效地将数据信息传送到移动用户和由它传输回数据信息。

在对数据通信和例如，语音通信的要求之间存在基础性差别。例如，对于作为实时业务的语音而言，延迟要求会更高，而对于数据通信而言，误差要求会更高，同时延迟上的限制条件会较低。分组数据协议的使用，它对于数据的传输比电路交换协议更适合，开始找到了进入蜂窝通信系统的路。在GSM蜂窝系统以及DAMPS蜂窝系统中的分组业务集成目前已经被标准化。

今天，GSM系统提供了一个电路交换数据服务，它可以用于与外部数据网络的互联。电路交换数据服务被用于电路交互的以及分组交换的数据通信。为了使得分组交换数据通信更加有效率，一个被称为GPRS(General Packet Radio Services(通用分组无线业务))的新分组交换数据服务。GPRS将支持无连接协议(例如，IP协议)以及一个面向连接的协议(X．25)。分组交换数据通信协议的一个优点是单个的发送源可以在多个用户之间共享。从而，在例如，GSM蜂窝系统的情况中，在射频载波上的一个时隙可以被几个移动用户用于数据的接收和发送。

GPRS是一个GSM服务，而GSM基础结构的一些部分将被使用。在下面作为引用文件的欧洲电信标准组织(ETSI)文档中描述了该GSM通信系统。

在蜂窝系统中引入分组数据协议的目的主要是可以支持高数据率的传输和同时实现灵活性和对在空气接口上的无线频率带宽的有效使用。GPRS的概念可以在任何TDMA系统中实现并还可以延伸到多载波／多时隙协议，其中单个用户被允许同时占据多于一个的输出源。

为了提供各种通信服务，要求一个相应的最小用户位速率。例如，对于声音和／或数据服务，用户位速率对应于于声音质量和／或数据吞吐量，其中更高的用户位速率产生更好的声音质量和／或更高的数据吞吐量。总的用户位速率由一个选择的信道GEC编码和调制的组合结合分配给一个用户的传输源数目来确定。例如，在TDMA系统中，传输源的数目对应于时隙数目。

不同的通信系统使用不同的FEC机制以通信声音或数据信息。调制技术包括，例如，Gaussian最小位移键控(GMSK)，正交相移键控(QPSK)和不同量级的正交幅度调制(QAM)。FEC编码和调制机制的组合可以提供不同的用户位速率。通常一个高用户位速率组合意味着要求一个具有低干扰量级的信道，同时低用户位速率组合对于干扰的要求也较低。用于指示对于高或低干扰量级的容限的传统项目是稳健性(robustness)。稳健性通常由载波-到-干扰电平度量(C／I比率)来指示。该指示表示在无线信道上的有用信号的信号强度与在该信道上的干扰电平的关系。还可以使用其他对稳健性的表示，例如，载波-噪声比率(C／N)。为简明起见，在本发明全文中使用C／I。

传统地，通信系统使用一个具有言语在所有无线信道条件下传输信息的某个速率的单个调制机制和单个FEC编码机制。然而，随着移动用户的增加，无线信道条件在不同区域和不同时间变得更加不同。来自几个同时的传输的干扰可以严重降低某个具有高用户位速率的调制和FEC编码组合的性能，同时在其他例子中，干扰量级可能低到足够允许进行这种组合。然而，最近，言语在无线通信系统中的调制和FEC编码机制组合的动态自适应修改已经被作为一个可选方案来考虑。根据无线信道条件，可以施加一个具有足够稳健性的适当组合并提供一个最佳的用户位速率。在传输期间不同调制和FEC编码组合之间的切换被称为链路适配(link adaptation)，而该特性正在为将来的无线通信系统进行考虑并作为对现有系统的一个改进。使用多调制机制的一个通信系统的例子可以在U．S．专利No．5，577，087中找到。其中描述了一个言语在更高级别QAM和QPSK之间切换的技术。在调制类型之间切换是基于质量度量来判定的，然而该系统使用了一个恒定的用户位速率，这意味着在调制中的一个改变还要求在信道用户位速率中的一个改变，例如，用于支持一个传输信道的时隙数目。

从而，可以考虑提供不同的链接协议，即，在一个系统中的不同类型的调制和信道FEC编码的组合，该链接协议可以对于特定的无线信道条件，即无线链接来自适应地改变。例如，两个链接协议可以并存于一个系统中，其中一个协议具有一个较低的稳健性(即，使用较少的FEC编码和／或较小的稳健性调制)和一个协议具有较高的稳健性(即，使用更多的FEC编码和／或更大的稳健性调制)。该系统在任何给定时间使用的链接协议在此被称为一个实现。

链接协议性能可以由作为信号质量函数的误码率(BER)，例如，C／I来特征表示。一个较低稳健性的链接协议典型地对于干扰比较敏感，即需要一个高的C／I以实现低BER。另一方面，一个较低稳健性的协议还提供一个较高的用户位速率。因为C／I是在一个系统中的链路之间变化，不同的协议适应于不同的系统。一个链路适配算法自适应地选择一个使得吞吐量或用户感知质量最大的实现。因为C／I是随时间而变化的。在这些实现重评估之间的时间在此被称为刷新间隔。

当最初建立一个传输时，可以没有或只有有限的关于无线信道质量的先前信息。因此很难由开始选择一个正确的实现，即，一个使得在该特定无线信道上吞吐量最大的初始实现。从而，将没有一个最佳的(例如，固定的／缺省的或基于不准确的链路质量评估)实现来作为一个初始选择。

在文献中知道，对一个特定实现的性能评估和选择性地改变到另一个实现，即，链接协议，已经以固定的刷新间隔来产生。然而，本申请人认识到对于链路适配使用固定的刷新间隔可以减小吞吐量，这是因为，例如，初始实现经常不是最佳的。所以对于链路适配需要改进的技术。

发明概述

根据本发明可以克服用于传输信息的传统方法和系统的这些和其他缺点，其中申请人提出了一个具有改善系统吞吐量的可变刷新间隔的技术和系统。该刷新间隔例如，可以在时间、信息量、错误发送的信息块或LLC帧上可变。刷新间隔的持续时间可以根据诸如链路质量度量的存在和／或可靠性，将要发送的总数据量和在前一刷新间隔中的传输质量的参数来改变。

附图简述

参照结合附图的下面详述可以更清楚地了解到本发明的这些和其他目的、特性和优点，其中：

图1是其中实施本发明的示例性GPRS网络的框图；

图2显示了图1所示系统的示例性分组转换流；

图3显示了数据吞吐量作为对于两个不同的调制／FEC编码系统的链路质量的函数的曲线；

图4示出当使用一个传统、固定刷新间隔时用于传输数据的时间量；

图5示出用于传输与图4相同的数据的时间量，当使用了根据本发明的示例性实施例的可变刷新间隔；和

图6显示是根据本发明的示例性实施例的一个刷新间隔如何作为时间的函数来变化的流程图。

发明详述

下列示例性实施例被提供在TDMA无线通信系统的上下文中。然而，本领域技术人员应理解该接入技术仅仅是用于示例性目的，本发明可以容易地适用于包括频分多址(FDMA)，TDMA，码分多址(CDMA)和它们的混合形式的所有类型的接入方法。

而且，根据GSM通信系统的操作在欧洲电信标准组织(ETSI)文档ETS 300 573，ETS 300 574和ETS 300 578中进行了描述，这些文档作为引用文件包括于此。因此，结合对分组数据所提出的GPRS优化(在此的GSM系统的运作在此仅仅描述到理解本发明所必需的程度。虽然，本发明以在一个增强的GPRS系统中的示例性实施例来描述，本领域技术人员应理解到本发明可以在一个宽范围的，诸如那些基于PDC或D-AMPS标准和它们的增强标准的其他数字通信系统中使用。而且，虽然本发明在分组交换连接的上下文中描述，但是本发明还可以等同地适用于电路交换连接。

在图1中可以看到GPRS网络基础结构的总览。来自外部网络122、124的信息分组将进入在GGSN(网关GPRS服务节点)处的GPRS网络。接着，该分组由GGSN经一个骨干网，118，提供路由到一个SGSN(服务GPRS支持节点)，116，也即服务所寻址的GPRS移动驻留其中的区域。分组由SGSN寻找路由到在一个专用GPRS传输中的正确的BSS，(基站系统)。GPRS寄存器可以，或不可以被集成在GSM系统中的HLR(本地寄存器)。用户数据可以在SGSN和MSC之间交换以确保服务的交互，诸如，受限制的漫游。

在图2中示出了一个用于GPRS系统的分组转换流。这还在D．Turina等人所著的标题为“对于GSM中的分组数据信道的多时隙MAC层操作的建议”(ICUPC，’96，卷2，pp．572-276)中有简要描述，该公开文件在此作为引用文件。由网络，210，接收的该分组被映射到一个或多个逻辑链路控制(LLC)帧212上，每一帧包括一个信息段，一个帧头(FH)和一个帧检查序列(FCS)。一个LLC帧被映射到多个无线链路控制块(RLC块)或无线块216上，其中每一个RLC块或无线块包括一个块头(BH)，信息段和块检查序列(BCS)，所述块检查序列可以用于接收机中用以检查在信息段中的错处。该无线块被进一步映射入物理层脉冲。在GPRS系统中，一个无线块被映射到在GSM传输协议中的四个脉冲上。

在根据本发明的系统中，移动站(未示出)和BSS110支持至少两个链接协议(即，FEC编码和／或调制机制)。对于与示例性移动站和基站实现的更多的细节，有兴趣的读者可以参考U．S．专利申请No．08／921，319，标题为“一个对于使用具有不同符号率的调制机制的链接的链路适配方法”(Magnus Frodigh等人于1997年8月29日申请)，该公开的专利申请在此作为参考文件。从而，这种系统可以具有至少两个调制机制和一个FEC编码机制，至少两个FEC编码机制和一个调制机制或多个调制机制和多个FEC编码机制。对一个链接协议作为最初实现的选择可以以任何期望方式来实现，例如，可以指定一个缺省的最初实现，或者系统可以尝试基于任何所期望的参数(即，期望的信道质量，所需要的链接位速率，将要传输的数据量等等)来确定一个最初实现。

在已经使用最初实现来建立该链接之后，该链接的性能可以被评估以确定最初实现是否对于该特定的链接最佳。另外，因为链路质量可能随时间发生显著变化，所以该实现可以在一个正在进行的基础上来评估。如上所述，链路质量可以一个固定的刷新间隔。例如，每一200ms，来评估。然而，固定的刷新在一些环境中不能提供最佳的吞吐量。

例如，为了使得整个传输吞吐量最小，我们必需从开始就选择正确的实现。在没有关于实际传输之前的信道质量的信息时，这是不可能的。因此传输的第一部分可能无效的和增大延迟。该问题在移动应用中特别严重，在此可能期望非常短传输的大片断。对于短的传输，可在一个实现可能改变之前使用一个非优化实现来产生整个传输。

该问题，和根据本发明的解决方案，将通过考虑一个示例性例子来得到最佳理解。假设在上述(具有两个不同的链接协议)的GPRS系统中的一个用户正要初始化4kbit的数据传输。在这一特定时刻，对于该用户的链接质量是这样，使得对于两个实现的可实现数据速率分别为10kbps和20kbps。这由图3中的曲线来表示，这显示了在吞吐量和链接质量之间的示范性关系。这里，一个最稳健的实现A提供了在链接质量’X’的10kbps，同时一个较低稳健性的实现B为相同的链接质量提供20kbps位速率。

然而，该系统典型地没有或只有有限的关于该特定时刻链接质量的信息，并因此在实现A情形中初始地选择更高稳健性的实现。首先，假定使用例如200ms的固定长度的刷新价格。在该情形中，可以使用非优化的调制和FEC编码机制A，即，在一个固定刷新间隔之后可以执行一个到最佳选择的切换之前以10kbps来发送一个2kbits的传输。在重新选择之后，剩余的2kbits的传输可以以20kbps的位速率来发送。从而，使用固定刷新间隔的分组的总传输时间为300ms，如图4所示。

接着，使用本发明的教导，假定该刷新间隔是可变的。具体地，假定煜煜在传输开始时缺少链接质量度量，则使用例如，40ms的相对较短的初始刷新间隔。在此，只有0．4kbits是使用非优化的实现A来传输的，而剩余的3．6kbits是使用最佳的实现B来发送的，如图5所示。总的传输时间现在减少到220ms；减少27％，相应于吞吐量增加36％。

前面显示了一个用于链接协议评估的可变刷新间隔的例子，即，使得初始的刷新间隔相对较小以降低非优化实现选择的影响。然而，本发明包含了所有类型的可变刷新间隔和许多用于根据预期的数据传输特征来自适应地选择一个特殊刷新间隔序列的不同技术。

例如，除了将刷新间隔作为时间函数来改变之外，刷新间隔还可以以下项来变化：

1)数据分组的传输大小[位／字节／块]，例如，在已经传输了5个块之后进行第一刷新，而在传输10个块之后进行第二次刷新；

2)所报告的错误接收的传输失败的块数目，例如，在报告错误接收了5个块之后进行第一次刷新，和在报告错误接收了10个块之后进行第二次刷新；和／或

3)在基于GPRS系统的一个特定示例性实施例中的一定数量的LLC帧，例如，在已经传输了5个LLC帧之后进行第一次刷新和在已经传输了10个LLC帧之后进行第二次刷新。而且，这些参数的任何组合可以用于产生一个可变刷新间隔函数。

除了指示刷新间隔在传输周期中的什么时候产生的参数之外，刷新间隔的长度还可以基于以下一个或多个参数：

a)链接质量度量的存在性或可靠性，例如，链接质量度量越小或越不可靠，则刷新间隔越短；

b)所要发送信息的大小，例如，要求发送的信息越少，则刷新间隔越小；和

c)在最后的刷新间隔中的传输质量，例如，传输质量越低，则下一个刷新间隔将越小。

上面参照图4和5所述的例子显示了在传输开始时，当链接质量度量不存在或具有较低可靠性时，刷新间隔可以如何变化。然而，相同的条件还可以在小区内或小区间切换之后再施加到另一个信道上。还可以在一个改变实现的请求或基于实现的改变请求的频度来期望一个刷新间隔的改变。链接质量度量的可靠度实际还可以，例如标准偏差的项来测量。当链接质量的度量为低时，通常使用更短刷新间隔。

根据本发明的一个示例性实施例，刷新间隔的长度可以参照图6的流程图的下述方式来被控制。初始地，在步骤70中使用一个短刷新间隔，例如40ms。如果在一个或多个刷新间隔已经耗尽(步骤72)之后，因为误码率和／或吞吐量是可接受的，不再进行实现的改变，则在步骤74可变刷新间隔可以增加，例如，另一个40ms。否则，如果进行了一个实现的改变(或对此的请求)，通过沿判定块74的“YES”分支将刷新间隔重置到一个初始的更短值。可选地，无论一个将受益于更短刷新间隔的预定事件，例如切换何时产生，还可以重置刷新间隔。该处理过程可以提供一个在刷新间隔长度上的连续增加，如块76所示，直至传输完成。

在步骤70设置初始刷新间隔中可考虑的另一个因素是自上一个传输产生起的时间。例如，如果自上一个传输起的时间为短，则可以使用一个更长的初始刷新间隔，例如60ms。可以使用一个跟踪自上一个传输起的时间的计时器来判定初始刷新间隔应为多长。自上一个传输起经过的时间越长，初始刷新间隔的持续时间越短。利用实现的改变频度的附加信息，计时器阈值可以被设置为不同值。例如，以前的实现的改变的高频度意味这更短的刷新时间间隔。

在其中在LLC层执行链接适配(即，刷新间隔在每一个LLC帧后结束)的一个示例性实施例中，LLC块的大小可用于实现一个更短的初始刷新间隔。当网络分组数据被分段为几个LLC帧时，该分段过程很少导致一个整个数量的LLC帧具有全长度。典型地，至少一个LLC帧比一个完全帧短，该帧典型地为在序列中的上一个LLC帧。通过首先传输该上一个LLC帧，可以使得初始的刷新间隔尽可能地短，即，与最短的LLC帧一样短。还一个指定传输的第一个LLC帧的某个长度，并且还考虑在来自网络分组数据的映射中的该长度。

根据另一个实施例，该刷新间隔可以基于在实现中的改变来变化。例如，如果一个系统具有变化的稳健性的六个不同链接协议，还可以在由一个最大稳健性链接到最小稳健性链接的改变之后之后使用一个最短刷新间隔。可选地，如果该改变只是由一个最大稳健性链接到最小稳健性链接，则可以使用一个大的刷新间隔。

虽然本发明已经参照几个示例性实施例进行了详细描述，本领域的技术人员应理解可以不背离本发明地进行各种改变。因此，本发明只由所附权利要求来定义，该权利要求包含所有等价的发明。

Claims (21)

1．一种用于在通信系统中传输信息的方法，包括以下步骤：

(a)选择用于传输所述信息的第一实现；

(b)在第一刷新间隔中使用所述第一实现来传输所述信息；

(c)评估一个与使用所述第一实现发送的信息有关的性能；

(d)根据所述评估步骤的结果来选择性地改变到第二实现；

(e)在一个第二刷新间隔期间使用所述第一和第二实现的一个实现来继续传输所述信息，其中所述第二刷新间隔具有与所述第一刷新间隔不同的持续时间。

2、根据权利要求1的方法，还包括以下步骤：

根据下列至少一个条件来选择所述第一和第二刷新间隔的持续时间：链接质量度量的存在性／可靠性，传输大小，一个实现稳健性的改变量和在前一刷新间隔期间的传输质量。

3．根据权利要求1的方法，其中所述信息包括数据分组。

4．根据权利要求1的方法，还包括以下步骤：

在下列事件中的一个产生之后使用所述第一刷新间隔，切换，信道选择和一个实现的改变。

5．根据权利要求4的方法，其中所述第一刷新间隔比所述第二刷新间隔短。

6．根据权利要求4的方法，其中如果自上一个传输发生起经过某一时间，则所述第一刷新间隔仅仅在所述事件之后使用。

7．根据权利要求1的方法，其中所述第一和第二刷新间隔相对于多个完整的逻辑链接控制(LLC)帧。

8．用于在通信系统中传输数据的方法，包括以下步骤：

使用一个链接协议来传输数据；和

在一个可变刷新间隔耗尽之后，评估所述传输数据。

9．根据权利要求8的方法，其中，所述可变刷新间隔是以时间项来变化的。

10．根据权利要求8的方法，其中，所述可变刷新间隔是以所要传输的总数据量来变化的。

11．根据权利要求8的方法，其中，所述可变刷新间隔是以报告的传输失败的数据块的数量来变化的。

12．根据权利要求8的方法，其中，所述可变刷新间隔是以逻辑链接控制(LLC)帧的数量来变化。

13．根据权利要求8的方法，其中，可变刷新间隔是基于以下各项中至少一项来变化：链接质量度量的存在性／可靠性，传输大小，一个实现稳健性的改变量和在前一刷新间隔期间的传输质量。

14．根据权利要求8的方法，其中，所述可变刷新间隔由以下步骤决定：以一个初始刷新间隔开始；和除非发生一个预定事件，连续地增加所述刷新间隔的持续时间。

15．根据权利要求14的方法，其中，所述预定事件是下列事件中的一个：切换，信道重选择和实现的改变。

16．根据权利要求8的方法，其中，所述链接协议是一个调制／FEC编码机制而所述评估步骤还包括以下步骤：评估所传输数据的误码率性能并选择性地改变到一个用于所执行的传输的不同链接协议直至下一个可变刷新间隔。

17．一个传输设备，包括：一个用于使用至少两个调制／FEC编码机制中选择的一个来传输数据的发射器；和一个用于结合所选择的调制／FEC编码机制来评估所述传输在一个可变刷新间隔的末端的质量。

18．根据权利要求17的传输设备，其中，所述可变刷新间隔以下列各项中的至少一项来变化：信息量，传输失败的块和逻辑链接控制(LLC)帧。

19．根据权利要求18的传输设备，其中，所述可变刷新间隔的持续时间是以下列各项中的至少以下变化：链接质量度量的存在性／可靠性，传输大小，和在前一刷新间隔期间的传输质量。

20．根据权利要求17的传输设备，其中，如果传输性能低于一个预定阈值时，所述处理器在所述可变刷新间隔末端改变所选择的调制／FEC编码机制。

21．一个用于评估当前由多个链接协议中选择的一个链接协议的

方法，包括以下步骤：

在一个可变刷新间隔耗尽之后，评估当前选择的链接协议，所述可变刷新间隔具有一个基于以下一项的持续时间：链接质量度量的存在性／可靠性，传输大小，和在前一刷新间隔期间的传输质量。

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